基于EC-2T的黔西南州春季靜止鋒氣溫預(yù)報(bào)研究

范 倩，李 剛，王 芬，孟慶怡，劉 相，陳曉燕

(1.貴州省黔西南布依族苗族自治州氣象局，貴州 興義 562400；2.貴州省畢節(jié)市氣象局，貴州 畢節(jié) 551700；3.貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽 550002)

0 引 言

滇黔準(zhǔn)靜止鋒常出現(xiàn)在冬春季，平均地理位置一般在沾益、威寧以西[1]，靜止鋒較強(qiáng)時(shí)向西可達(dá)昆明以西，較弱時(shí)向東北收縮至貴州東北部，東西跨度最大達(dá)7個(gè)經(jīng)距左右。滇黔準(zhǔn)靜止鋒是影響貴州冬春季天氣氣候最為重要的天氣系統(tǒng)之一，它的活動(dòng)具有明顯的季節(jié)變化特征，主要出現(xiàn)在每年11月—次年4月，還具有白天北退、夜晚南進(jìn)及晝夜擺動(dòng)特點(diǎn)[2]。黔西南冬春季主要影響系統(tǒng)之一是滇黔準(zhǔn)靜止鋒，常造成黔西南低溫陰雨、凝凍、大霧等重大天氣產(chǎn)生，一旦配合有其它系統(tǒng)共同影響，就會(huì)導(dǎo)致冰雹、大風(fēng)、暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣，對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生重大危害。

滇黔準(zhǔn)靜止鋒作為黔西南天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的重要難點(diǎn)之一，為更好地進(jìn)行地方預(yù)報(bào)及服務(wù)，對(duì)滇黔準(zhǔn)靜止鋒的研究十分必要。但黔西南州地處云貴高原東南側(cè)、貴州西南部，下墊面復(fù)雜，東、西各地氣候背景有較為明顯差異，能否把滇黔準(zhǔn)靜止鋒位置變化時(shí)對(duì)黔西南氣溫的變化影響特征總結(jié)出來，利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式，預(yù)報(bào)滇黔準(zhǔn)靜止鋒影響下黔西南氣溫預(yù)報(bào)等等。這些工作的開展，將給業(yè)務(wù)人員進(jìn)行滇黔準(zhǔn)靜止鋒影響下氣溫預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)，以期提高氣象預(yù)報(bào)及服務(wù)能力，從而進(jìn)一步促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 資料

本文使用近5 a(2015—2019年)春季資料，包括：①M(fèi)ICAPS風(fēng)、氣溫、天氣現(xiàn)象、云量、海平面氣壓等實(shí)況資料；②EC細(xì)網(wǎng)格模式資料采用20 h起報(bào)的2 m氣溫預(yù)報(bào)場(chǎng)資料，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為3 h；③實(shí)況數(shù)據(jù)采用黔西南州8個(gè)市(縣)地面氣象觀測(cè)站日最高、最低氣溫和日降水量、日照時(shí)數(shù)以及日平均風(fēng)速等資料，資料來源于貴州省氣象信息中心。

1.2 檢驗(yàn)方法

主要采用預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、平均誤差、平均絕對(duì)誤差以及采用偏差訂正法，對(duì)EC2T的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，輸出最終預(yù)報(bào)結(jié)果。公式如下：

Y=Y0±W×B

(1)

其中Y為訂正后的預(yù)報(bào)值，Y0為訂正前的預(yù)報(bào)值，W×B為一階偏差訂正值，W為一階偏差訂正系數(shù)，B為平均預(yù)報(bào)誤差。

從理論上講，W×B應(yīng)該是氣候平均預(yù)報(bào)誤差，本文采用近5 a(2015—2019年)春季在Ⅰ型弱靜止鋒下的平均相對(duì)預(yù)報(bào)誤差。對(duì)于W的選取，依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[9]，當(dāng)絕對(duì)誤差減去相對(duì)誤差的絕對(duì)值較小時(shí)，說明一階偏差訂正值與平均預(yù)報(bào)誤差之間相關(guān)性較好，即訂正值主要取決于平均預(yù)報(bào)誤差，此時(shí)對(duì)應(yīng)的一階偏差訂正系數(shù)應(yīng)較大。本文定義：當(dāng)絕對(duì)誤差減去相對(duì)誤差的絕對(duì)值≤1.0時(shí)，W選取為0.8；當(dāng)絕對(duì)誤差減去相對(duì)誤差的絕對(duì)值>1.0時(shí)，W選取為0.5。

2 近5 a春季滇黔準(zhǔn)靜止鋒在貴州西南部的分布

2.1 滇黔準(zhǔn)靜止鋒在貴州西南部出現(xiàn)情況

統(tǒng)計(jì)近5 a春季滇黔準(zhǔn)靜止鋒(簡(jiǎn)稱靜止鋒，下同)在黔西南州出現(xiàn)的天數(shù)可知(表1)，共出現(xiàn)104 d靜止鋒天氣，以2019年春季34 d為最多，其次是2015年的22 d，以2016年春季15 d為最少，平均每年春季出現(xiàn)20.8 d。在春季靜止鋒出現(xiàn)天數(shù)中，以3月64 d為最多，5月21 d次之，4月19 d最少。由表1還可以看出，近5 a均以3月出現(xiàn)靜止鋒天氣最多,2015年和2018年4月出現(xiàn)靜止鋒次數(shù)均比5月偏多，2016年5月和2017年4月靜止鋒出現(xiàn)均為1 d。

表1 春季及各月靜止鋒出現(xiàn)天數(shù)統(tǒng)計(jì)(單位：d)Tab.1 Statistics of days of static front in spring and each month (unit∶ d)

2.2 影響黔西南州的靜止鋒類型

根據(jù)實(shí)際預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，將黔西南州有重要影響的靜止鋒所處的位置分為3種類型[8]。根據(jù)近5a春季靜止鋒出現(xiàn)的實(shí)況資料，并結(jié)合文獻(xiàn)[8]，統(tǒng)計(jì)得到(表2)，黔西南州位于鋒后冷氣團(tuán)內(nèi)(Ⅰ型)的天數(shù)為最多，占3種類型總和的67.3%；其次為在黔西南州境內(nèi)擺動(dòng)(Ⅲ型)，占20.2%；黔西南州位于鋒前的暖氣團(tuán)中(Ⅱ型)為最少，占12.5%。由表2還可以看出，Ⅰ型在春季各月均為最多，Ⅲ型次之，Ⅱ型最少；3種類型均以3月出現(xiàn)天數(shù)為最多；以Ⅰ型靜止鋒春季平均天數(shù)14 d為最多，其次為Ⅲ型靜止鋒4.2 d，Ⅱ型2.6 d為最少。

表2 春季及各月不同類型靜止鋒出現(xiàn)的天數(shù)(單位：d)Tab.2 days of different types of stationary fronts in spring and each month (unit∶ d)

2.3 靜止鋒強(qiáng)度規(guī)律統(tǒng)計(jì)

為區(qū)別靜止鋒的強(qiáng)弱對(duì)天氣的影響，根據(jù)實(shí)際預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，按照鋒前后的溫差分3種強(qiáng)度來定義靜止鋒的強(qiáng)弱。統(tǒng)計(jì)近5 a春季不同強(qiáng)度靜止鋒出現(xiàn)天數(shù)可知(表3)，在黔西南州出現(xiàn)弱靜止鋒51 d為最多，中等靜止鋒40 d次之，強(qiáng)靜止鋒13 d最少。不同強(qiáng)度靜止鋒均以3月出現(xiàn)天數(shù)最多(見表2)。分析不同強(qiáng)度靜止鋒出現(xiàn)平均天數(shù)可知，弱靜止鋒每年春季平均出現(xiàn)10.2 d，占不同強(qiáng)度靜止鋒出現(xiàn)天數(shù)總和的49%，中等強(qiáng)度靜止鋒8 d次之，占38.5%，強(qiáng)靜止鋒2.6 d最少，占12.5%。

由表3可以看出，在3種強(qiáng)度下，均以Ⅰ型靜止鋒出現(xiàn)天數(shù)為最多，其次為Ⅲ型，Ⅱ型最少。

表3 不同強(qiáng)度下不同類型靜止鋒的分布(單位：d)Tab.3 distribution of different types of stationary fronts under different intensities (unit∶ d)

3 Ⅰ型弱靜止鋒附近要素分布特征

根據(jù)上述的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在春季Ⅰ型弱靜止鋒出現(xiàn)次數(shù)較多，結(jié)合實(shí)際工作的需要，本文挑選弱靜止鋒中的Ⅰ型進(jìn)行合成分析。

3.1 氣溫

由圖1可以看出，在Ⅰ型弱靜止鋒背景下，黔西南州最低氣溫具有“東南高北低”的分布特征，最高為望謨的16.7 ℃，最低為普安的10.3 ℃，平均最低氣溫為13.1 ℃。Ⅰ型弱靜止鋒最低氣溫分布特征與近5 a春季最低氣溫平均值的分布特征基本一致，均具有“東南高北低”的分布特征，但Ⅰ型弱靜止鋒背景下的最低氣溫明顯偏低，以晴隆、普安偏低最為明顯，達(dá)1.9 ℃，以興義、望謨偏低1.3 ℃為最少。

圖1 Ⅰ型弱靜止鋒最低氣溫(a)、近5a春季最低氣溫平均值(b)以及Ⅰ型弱靜止鋒最低氣溫與近5a春季最低氣溫平均值的差值(c)分布Fig.1 The distribution of minimum temperature of type I weak stationary front (a)、average minimum temperature in spring in recent five years (b) and difference between minimum temperature of type I weak stationary front and average minimum temperature in spring in recent five years (c)

由圖2可以看出，在Ⅰ型弱止鋒背景下,黔西南州最高氣溫具有“東南高北低”的分布特征，最高為望謨的22.7 ℃，最低為普安的15.3 ℃，平均最高氣溫為18.3 ℃。Ⅰ型弱止鋒最高氣溫的分布特征與近5a春季最高氣溫平均值的分布特征基本一致，均具有“東南高北低”的分布特征，但Ⅰ型弱靜止鋒背景下的最高氣溫明顯偏低，以普安、興義偏低5.9 ℃最為明顯，以望謨、貞豐偏低4.7 ℃為最少。

3.2 雨日

由圖3a可以看出，在Ⅰ型弱靜止鋒背景下，黔西南的雨日空間分布基本呈現(xiàn)“西高東南低”形勢(shì)，以興義、普安和興仁23 d的雨日為最多，以冊(cè)亨、望謨19 d的雨日為最少。比較圖3b發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型弱靜止鋒背景下的雨日空間分布與近5 a春季雨日平均值空間分布形勢(shì)并不一致，近5 a春季雨日空間分布為“東高南低”形勢(shì)，以晴隆、貞豐14.1 d為最多，以安龍11.9 d為最少。

圖2 Ⅰ型弱靜止鋒最高氣溫(a)、近5a春季最高氣溫平均值(b)以及Ⅰ型弱靜止鋒最高氣溫與近5a春季最高氣溫平均值的差值(c)分布Fig.2 The distribution of the maximum temperature of type I weak stationary front (a)、the average value of the maximum temperature in spring in recent five years (b)and the difference between the maximum temperature of type I weak stationary front and the average value of the maximum temperature in spring in recent five years (c)

圖3 Ⅰ型弱靜止鋒雨日(a)和近5a春季雨日平均值(b)分布Fig.3 Distribution of rain days (a) of type I weak stationary front and mean value (b) of spring rain days in recent five years

3.3 日照時(shí)數(shù)

由圖4a可以看出，在Ⅰ型弱靜止鋒背景下,黔西南州的日照時(shí)數(shù)平均只有0.8 h，而晴隆日照時(shí)數(shù)每日平均只0.4 h，其余縣市均在0.7 h以上，以安龍、冊(cè)亨、望謨0.9 h為最多。由圖4還可以看出，近5a春季日照時(shí)數(shù)平均值分布與Ⅰ型弱靜止鋒背景下的日照時(shí)數(shù)有明顯差異，近5a春季日照時(shí)數(shù)平均值為4.9 h，以興義、普安日照時(shí)數(shù)5.4 h為最長(zhǎng)，其次為安龍，晴隆日照時(shí)數(shù)4.2 h為最少。

圖4 Ⅰ型弱靜止鋒日照時(shí)數(shù)(a)和近5a春季日照時(shí)數(shù)平均值(b)分布Fig.4 Distribution of sunshine hours (a) of type I weak stationary front and average sunshine hours (b) in spring in recent five years

3.4 平均風(fēng)速

由圖5a看出，在Ⅰ型弱靜止鋒背景下，黔西南的平均風(fēng)速以冊(cè)亨、望謨0.9 m·s-1為最低，其余縣市均在1.5 m·s-1以上，以安龍2.1 m·s-1為最高，全州平均風(fēng)速為1.5 m·s-1。由圖5b看出，近5a春季平均風(fēng)速為2.0 m·s-1，除望謨偏小0.2 m·s-1以外，其余偏小0.4～0.6 m·s-1。由圖5還可以看出，Ⅰ型弱靜止鋒背景下,黔西南的平均風(fēng)速空間分布形勢(shì)與近5a春季平均風(fēng)速平均值空間分布形勢(shì)基本一致，但Ⅰ型弱靜止鋒背景下的平均風(fēng)速比近5a春季平均風(fēng)速偏小。

圖5 Ⅰ型弱靜止鋒平均風(fēng)速(a)、近5a春季平均風(fēng)速平均值(b)以及Ⅰ型弱靜止鋒平均風(fēng)速與近5a春季平均風(fēng)速平均值的差值(c)分布Fig.5 The distribution of the average wind speed of type I weak stationary front (a)、the average wind speed in spring in recent five years (b)and the difference between the average wind speed of type I weak stationary front and the average wind speed in spring in recent five years (c)

4 Ⅰ型弱靜止鋒氣溫預(yù)報(bào)

根據(jù)以上選出的Ⅰ型弱靜止鋒個(gè)例，將黔西南州8個(gè)站點(diǎn)EC-2T的24 h預(yù)報(bào)值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，從而得出8個(gè)站點(diǎn)預(yù)報(bào)模式。根據(jù)現(xiàn)行評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)報(bào)值與實(shí)際值的差值在±2 ℃之內(nèi)，即為預(yù)報(bào)正確。

4.1 最高或最低氣溫準(zhǔn)確率檢驗(yàn)

由表4可以看出，EC-2T最高氣溫的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率總體在50%以上，在3月和4月預(yù)報(bào)較好，但參考意義一般，安龍、貞豐準(zhǔn)確率均在60%以上，具有很好參考意義，晴隆、冊(cè)亨、望謨準(zhǔn)確率均在45%以下，參考意義較小。EC-2T在最低氣溫的預(yù)報(bào)比最高氣溫預(yù)報(bào)表現(xiàn)好(表略)，準(zhǔn)確率均為68%，尤其是3月為75%，具有較好的參考意義，興義、普安、安龍、貞豐準(zhǔn)確率均在75%以上，尤其4月，興仁、安龍、貞豐準(zhǔn)確率達(dá)到100%，可以直接進(jìn)行使用。

表4 黔西南州近5a春季EC-2T最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率(單位：%)Tab.4 Forecast accuracy of ec-2t maximum temperature in spring of recent five years in Southwest Guizhou (unit∶%)

4.2 預(yù)報(bào)誤差分析

因EC-2T在最低氣溫的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較好，所以本文主要分析最高氣溫。

由表5看出，在相對(duì)誤差上，興仁、安龍、冊(cè)亨、望謨?yōu)檎?，預(yù)報(bào)偏高,正值最大為望謨，興義、晴隆、普安、貞豐為負(fù)值，負(fù)值最大為晴??；絕對(duì)誤差以望謨3.2 ℃為最大值。由表5還可以看出，3月絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差的結(jié)果與3—5月的結(jié)果相似；4月相對(duì)誤差興義為正值，與3月和3—5月的結(jié)果相反，其余站點(diǎn)均與3月和3—5月的結(jié)果相似，以冊(cè)亨3.3 ℃為最大，且絕對(duì)誤差以冊(cè)亨為最大值；5月相對(duì)誤差興仁、安龍為負(fù)值，與3月、4月和3—5月的結(jié)果相反，其余站點(diǎn)均與3月和3—5月的結(jié)果相似，以冊(cè)亨1.2 ℃為最大，但絕對(duì)誤差以晴隆為最大值?？傊瑹o論是相對(duì)誤差還是絕對(duì)誤差，在各月的差異均較大。

表5 黔西南州8個(gè)站點(diǎn)最高氣溫平均預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)(單位：℃)Tab.5 Statistics of average forecast error of maximum temperature at 8 stations in Southwest Guizhou (unit∶℃)

綜上所述，用總體的平均值沒有太大的意義，故本文采取分月建立預(yù)報(bào)方程。

4.3 建立訂正預(yù)報(bào)方程

采用偏差訂正法，對(duì)EC-2T的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，輸出最終預(yù)報(bào)結(jié)果。由表6可以看出，在每個(gè)月，晴隆、普安、貞豐偏差訂正系數(shù)為負(fù)值，說明預(yù)報(bào)偏高，興仁、冊(cè)亨、望謨偏差訂正系數(shù)為正值，說明預(yù)報(bào)偏低；興義4月偏差訂正系數(shù)為正值，說明預(yù)報(bào)偏低，其余月份為負(fù)值，說明預(yù)報(bào)偏高；安龍5月偏差訂正系數(shù)為負(fù)值，說明預(yù)報(bào)偏高，其余月份為正值，說明預(yù)報(bào)偏低。

表6 黔西南州各站點(diǎn)最高氣溫預(yù)報(bào)方程(單位：℃)Tab.6 Prediction equation of maximum temperature at stations in Southwest Guizhou (unit∶℃)

4.4 訂正后預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率檢驗(yàn)

根據(jù)訂正后的預(yù)報(bào)方程，進(jìn)行預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率檢驗(yàn)。由表7看出，3—5月訂正后的最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均有所提高，尤其4月份的準(zhǔn)確率由53.1%提高到64.1%；3月安龍預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率由75%提高到83.3%，晴隆由50%提高到83.3%；4月晴隆預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率由37.5%提高到75%，冊(cè)亨由25%提高到75%。

表7 最高氣溫訂正后準(zhǔn)確率檢驗(yàn)(單位：%)Tab.7 accuracy test after correction of maximum temperature (unit∶ %)

5 小結(jié)

利用近5a(2015—2019年)影響黔西南的滇黔準(zhǔn)靜止鋒個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理分析，針對(duì)不同類型靜止鋒出現(xiàn)的規(guī)律及其附近要素分布特征，以歐洲中心(EC)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品及相應(yīng)觀測(cè)事實(shí)的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，初步建立黔西南的氣溫天氣學(xué)預(yù)報(bào)指標(biāo)。結(jié)果如下：

①近5 a春季，黔西南州出現(xiàn)滇黔準(zhǔn)靜止鋒104 d，以2019年春季34 d為最多，其次是2015年的22 d，以2016年春季 15 d為最少，平均每個(gè)春季出現(xiàn)20.8 d；靜止鋒均以3月出現(xiàn)天數(shù)為最多。

②黔西南州位于鋒后冷氣團(tuán)內(nèi)的天數(shù)為最多(Ⅰ型)，位于鋒前暖氣團(tuán)中(Ⅱ型)為最少。Ⅰ型在春季平均天數(shù)及其各月均最多，Ⅱ型最少，3種類型均在3月出現(xiàn)天數(shù)最多。出現(xiàn)弱靜止鋒為最多，強(qiáng)靜止鋒為最少，不同強(qiáng)度靜止鋒均在3月出現(xiàn)天數(shù)為最多。

③在Ⅰ型弱靜止鋒中，黔西南最低氣溫空間分布具有“東南高北低”特征，平均最低氣溫為13.1 ℃；最高氣溫空間分布具有“東南高北低”特征，平均最高氣溫為18.3 ℃；雨日空間分布呈現(xiàn)“西高東南低”形勢(shì)，雨日最多的為興義、普安、興仁，最少的為冊(cè)亨、望謨；日照時(shí)數(shù)平均值為0.8 h，晴隆日照時(shí)數(shù)僅有0.4 h，其余縣市均在0.7 h以上；平均風(fēng)速冊(cè)亨、望謨0.9 m·s-1為最低，安龍2.1 m·s-1為最高，全州平均風(fēng)速為1.5 m·s-1。

④利用偏差訂正法，建立訂正方程訂正后，黔西南州春季Ⅰ型弱靜止鋒最高氣溫3—5月預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均有所提高，尤其4月份的準(zhǔn)確率由53.1%提高到64.1%。