黔南地區(qū)ECMWF_thin溫度預報誤差分析

趙 杰，顧 欣，潘啟學，陳 波，莫乙冬

(黔南州氣象局，貴州都勻 558000)

目前數(shù)值預報的要素預報與實況仍然存在一定的差距，需要對要素預報進行訂正。國內(nèi)已有不同學者，采用不同的方法，對各模式的溫度預報進行了訂正研究，例如滑動雙權(quán)平均法[1]、多項式曲線擬合法[2]、平均法[3]等。客觀訂正并不能完全滿足預報員的需求，還需要預報員進行主觀訂正，因此對各模式溫度預報的誤差進行分析很有必要。已有一些學者對當?shù)氐母鞣N數(shù)值模式溫度預報的誤差進行了分析[2,4-10]。

黔南地處貴州南部，南北跨度大，海拔高度差異明顯，地形復雜，溝壑縱深，地形條件造成了黔南地區(qū)氣溫差異較為明顯，溫度預報難度加大。目前黔南地區(qū)預報員做要素預報仍主要參考EC細網(wǎng)格資料，且針對EC細網(wǎng)格的訂正有一定的經(jīng)驗，故本文對EC細網(wǎng)格2 m溫度預報在黔南的誤差進行分析，使預報員對EC細網(wǎng)格溫度預報的誤差有更全面的、系統(tǒng)性的認識，以提高預報員的訂正能力，并為后續(xù)對EC模式溫度預報的訂正提供參考。

1 資料和方法

選取EC細網(wǎng)格2 m溫度預報場資料，資料起止時間為2019年6月27日至2020年7月3日。對于逐日08時和20時起報的數(shù)據(jù)，均提取其未來7 d 20時至20時的最高氣溫(下稱高溫)和最低氣溫(下稱低溫)預報；實況資料為相應時段黔南12縣市的氣象觀測數(shù)據(jù)，包括20時至20時高溫、低溫、云量、海平面氣壓等。

將EC細網(wǎng)格格點資料采用雙線插值法得到每個站點的預報數(shù)據(jù)，然后再對未來1～7 d的數(shù)據(jù)處理得到未來7 d的高溫與低溫的預報值。通過python編程處理數(shù)據(jù)得到全年、逐月的平均誤差以及誤差分布，同時對不同云量及海平面氣壓條件下的誤差進行分析。用預報準確率、平均絕對誤差、平均誤差對2 m溫度預報場進行評估[1]。

2 年誤差分析

圖1為 EC細網(wǎng)格2 m低溫和高溫的預報準確率及平均絕對誤差?？傮w來講EC模式低溫預報的準確率明顯高于高溫預報的準確率，并且隨預報時效的增加高溫與低溫的預報準確率均下降，低溫預報準確率由76.5%下降到67.2%，高溫預報準確率由40.7%下降到34.9%。高溫預報的平均絕對誤差明顯高于低溫預報，且高溫與低溫的平均絕對誤差均隨時效的增加而增加，低溫預報的平均絕對誤差由1.4 ℃增加到1.7 ℃，高溫預報的平均絕對誤差由2.7 ℃增加到3.4 ℃。

圖1 EC細網(wǎng)格在黔南地區(qū)溫度預報的準確率及平均絕對誤差

平均絕對誤差能較好地表現(xiàn)出誤差絕對值的大小，但是對于預報是偏高還是偏低無法表現(xiàn)，為此計算了各個時效不同站點全年的溫度預報平均誤差，來了解EC細網(wǎng)格2 m溫度預報誤差在不同地區(qū)的偏高或偏低情況。圖2為24 h時效內(nèi)全年的溫度預報平均誤差分布圖，可以看出低溫預報(圖2b)平均誤差在-2.2～0.6 ℃，高溫預報(圖2a)平均誤差在-3.6～-0.6 ℃，同一地區(qū)低溫預報比高溫預報誤差要小。無論是高溫預報還是低溫預報，黔南中部以東、西部及北部地區(qū)的誤差都比較小，基本在±2 ℃以內(nèi)；東南部地區(qū)的誤差比較大，低溫預報誤差為-2.3 ℃，高溫預報誤差達到-3.6 ℃。這可能與黔南中部以東、西部及北部地區(qū)地勢較高，多山脈，而東南部地勢較低，EC模式受地形和邊界層影響較大，沒能準確體現(xiàn)海拔差異所導致的溫度差異有關。

圖2 24 h時效全年溫度預報平均誤差(單位：℃)分布(a 高溫；b 低溫)

3 月誤差分析

為了研究EC細網(wǎng)格各月溫度預報情況，計算各月每個站點EC細網(wǎng)格不同時效溫度預報的準確率、平均絕對誤差、平均誤差。圖3為24 h和48 h時效EC細網(wǎng)格各月溫度預報準確率和絕對誤差分布。從準確率來看(圖3a、圖3b)，高溫預報準確率整體低于低溫預報，低溫預報各月準確率的差距較小，高溫預報各月準確率的差距較為明顯。低溫預報24 h準確率在7、8月最高為83.2%，最低在6月，為71.1%；48 h準確率在8月最高為86.1%，最低在1月為66.7%。高溫預報24 h和48 h的準確率均是8、9月較低，其中8月準確率最低，僅為15%(24 h)和15.8%(48 h)，其次為5月；10、11月準確率相對較高。

圓點表示絕對誤差異常值。圖3 EC細網(wǎng)格的逐月溫度預報準確率(a 24 h;b 48 h)和絕對誤差分布(c 24 h;d 48 h)

絕對誤差的箱線圖(圖3c、圖3d)能表現(xiàn)出各月的誤差分布情況，箱體長度越長，表明數(shù)據(jù)差異性越大。各月高溫預報絕對誤差的波動范圍明顯大于低溫預報， 說明高溫預報誤差的差異性比較明顯。低溫預報的平均絕對誤差逐月變化比較平穩(wěn)， 高溫預報的平均絕對誤差明顯大于低溫預報的平均絕對誤差。高溫預報的平均絕對誤差呈波狀分布，有3個波峰，8月為最高峰，其次為5月和12月，對應準確率也相應出現(xiàn)3次下降，兩個時效的平均絕對誤差均在8月達到最大3.7 ℃。8、9月高溫預報的準確率雖低，但是沒有異常值，1、2、3月高溫預報的準確率雖然相對較高，但異常值多且分布的離散程度大,其中48 h時效1月的最大誤差達到14 ℃，不利于預報的訂正。

為進一步分析EC細網(wǎng)格溫度預報誤差的空間分布差異，繪制了1月和7月的24 h預報時效高溫、低溫預報的平均誤差空間分布圖(圖4)?？梢钥闯龀水Y安、都勻7月的低溫預報以及1月的高溫和低溫預報，獨山、長順1月的高溫預報和低溫預報均呈現(xiàn)正誤差，且7月平均誤差值明顯小于1月誤差，說明EC細網(wǎng)格溫度預報整體呈現(xiàn)偏低趨勢，且7月偏低更明顯。高、低溫預報平均誤差的空間分布基本一致，甕安、長順、都勻、獨山等地的誤差較小，羅甸、荔波、惠水、三都、龍里等地誤差較大，相同月份同一地區(qū)的高溫預報平均誤差明顯低于低溫的平均誤差，說明高溫預報偏低更明顯。7月低溫預報以及1月高、低溫預報的平均誤差全州普遍在±2 ℃以內(nèi)，7月的高溫預報除甕安、都勻、獨山外，其余地區(qū)均偏低2 ℃以上，其中荔波偏低4 ℃以上?？傮w來看：黔南北部、西部、中部以東地區(qū)平均誤差較小，其余地區(qū)誤差較大，東南部地區(qū)誤差更為明顯，這與全年誤差分析結(jié)果一致。

圖4 EC細網(wǎng)格24 h預報時效高溫預報(a,b)和低溫預報(c,d)的平均誤差(單位：℃)分布

為進一步了解EC細網(wǎng)格溫度預報在各個站點的情況，表格1為24 h時效逐月溫度預報平均誤差的最大值、最小值及相應站點。由表1可以看出，各月誤差較小的站為甕安、獨山、都勻，其中甕安居多，說明甕安、獨山、都勻站點溫度預報相對較好，其中甕安更為突出。各月誤差較大的站點為羅甸、荔波、三都，其中荔波居多，說明EC細網(wǎng)格對羅甸、荔波、三都的溫度預報明顯偏低，其中荔波偏低更為明顯。各月低溫預報誤差的最大值或者最小值出現(xiàn)的站點基本為同一個站點，而高溫預報站點變化較多，說明EC細網(wǎng)格低溫預報穩(wěn)定性比高溫預報更好。甕安低溫預報的誤差均為正值，高溫預報的誤差基本為負值，說明EC細網(wǎng)格對甕安的低溫預報略偏高，而高溫預報則略偏低。由此可見，在做預報時可以考慮將甕安、獨山、都勻作為指標站。

表1 EC細網(wǎng)格24 h時效高、低溫預報逐月誤差的最大(小)值以及出現(xiàn)的站點

4 總云量與誤差

溫度與總云量關系密切，為了研究EC細網(wǎng)格溫度預報誤差與總云量的關系，統(tǒng)計了不同云量狀況下的平均誤差和準確率(圖5)。從準確率與總云量的關系(圖5a)來看，無論哪種云量條件下，各時效低溫預報的準確率均高于高溫預報的準確率，且總云量越少準確率差距越明顯。高溫預報在總云量較少(1～5成)時，準確率在10%左右變化不大，當總云量增加到6成時準確率明顯上升，總云量到10成時準確率達到55%左右。低溫預報的準確率隨著總云量的增加反而略下降，總云量10成時準確率降至70%左右；在總云量較少時(1～4成)，24 h和48 h時效的低溫預報準確率要明顯高于其他時效。從平均誤差與總云量的關系(圖5b)來看，無論哪種云量條件下，低溫預報平均誤差值基本維持在±1 ℃以內(nèi)，在總云量較少時(1～4成)各時效低溫預報均偏高，在總云量較多時(6～10成)各時效低溫預報均偏低。高溫預報基本偏低，在總云量較少時(1～5成)各時效平均誤差值維持在-4～-5 ℃之間，隨著總云量的增加，各時效平均誤差值明顯增大，即高溫預報隨著總云量的增加越接近實況值。

圖5 EC細網(wǎng)格溫度預報的準確率(a)、平均誤差(b)與總云量的關系

5 海平面氣壓與誤差

統(tǒng)計黔南地區(qū)的海平面氣壓，得到海平面氣壓在999 hPa到1 035 hPa，圖6為EC細網(wǎng)格溫度預報在各海平面氣壓下的平均誤差與預報準確率。高溫預報平均誤差(圖6a)呈兩頭低中間高的分布，即在海平面氣壓較高或較低時高溫預報明顯偏低。當海平面氣壓在1 012 hPa～1 032 hPa，平均誤差基本在±2 ℃以內(nèi)，超出此范圍誤差明顯增大；當海平面氣壓降至1 000 hPa，平均誤差達-5 ℃左右。低溫的平均誤差(圖6b)隨海平面氣壓變化不大，基本穩(wěn)定在±2 ℃左右，當海平面氣壓在1 015 hPa～1 018 hPa，平均誤差有所增加。從準確率來看，高溫預報準確率(圖6c)也呈中間高兩頭低的分布，與平均誤差分布類似。海平面氣壓在1 012～1 032 hPa，準確率較高，超出此范圍準確率明顯降低，24 h時效準確率在1 029 hPa時達到最大64.8%。低溫預報準確率(圖6d)的分布與高溫預報相反，呈中間低兩頭高的趨勢，當海平面氣壓在1 015～1 018 hPa，準確率明顯降低，24 h時效準確率在氣壓值為1 017 hPa時達最低68.4%。

圖6 EC細網(wǎng)格溫度預報平均誤差(a,b)、準確率(c,d)與海平面氣壓的關系

6 結(jié)論

(1)EC細網(wǎng)格的低溫預報準確率明顯高于高溫預報；隨著預報時效的增加，高溫預報與低溫預報的平均絕對誤差明顯增加，準確率下降。各月低溫預報準確率差距較小，高溫預報差距較為明顯。高溫預報絕對誤差分布的差異性比低溫預報更明顯，8、9月高溫預報的誤差分布沒有異常值，有利于預報的訂正，1、2、3月高溫預報誤差異常值分布離散程度大，不利于預報的訂正。

(2)EC細網(wǎng)格溫度預報整體呈現(xiàn)為偏低趨勢，從季節(jié)上來看夏季偏低更明顯，從空間分布來看，黔南東南部地區(qū)偏低更明顯。黔南北部、西部、中部以東地區(qū)平均誤差較小，其余地區(qū)平均誤差較大，其中東南部地區(qū)的誤差更為明顯。做預報時可以考慮將甕安、獨山、都勻作為指標站。

(3)高溫預報在總云量較少(1～5成)時，準確率變化不大，總云量增加到6成時準確率明顯上升，陰天最高；低溫預報的準確率隨著總云量增加反而略有下降。低溫預報平均誤差基本維持在±1 ℃以內(nèi)，在總云量較少時(1～4成)各時效低溫預報均偏高，在總云量較多時(6～10成)各時效低溫預報均偏低。高溫預報平均誤差基本偏低，在總云量較少時(1～5成)各時效平均誤差維持在-4～-5 ℃，隨著總云量增加，誤差變小。

(4)海平面氣壓在1 012 hPa～1 032 hPa時，高溫預報的平均誤差基本在±2 ℃以內(nèi)，準確率也較高，超出此范圍誤差明顯增大。低溫的平均誤差穩(wěn)定在±2 ℃左右，海平面氣壓在1 015～1 018 hPa時，平均誤差明顯增加，準確率明顯降低。