ECMWF模式對(duì)2020年冬季廣東氣溫預(yù)報(bào)的時(shí)空檢驗(yàn)

瓦力江·瓦黑提，紀(jì)忠萍，黃曉瑩，蔡景就

（廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州 510640）

隨著各種數(shù)值預(yù)報(bào)模式的不斷發(fā)展，高分辨率的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在中短期天氣預(yù)報(bào)中發(fā)揮著越來越重要的作用，做好數(shù)值預(yù)報(bào)模式的檢驗(yàn)和應(yīng)用有重要的意義。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）每年均對(duì)其數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品過去一年的表現(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)的檢驗(yàn)［1-3］。廣東省業(yè)務(wù)人員也針對(duì)ECMWF開展的溫度、降水、風(fēng)等要素預(yù)報(bào)效果進(jìn)行檢驗(yàn)和分析［4-6］，并適時(shí)進(jìn)行人工訂正。本研究主要針對(duì)2020年冬季（2020年12月—2021年2月）ECMWF模式對(duì)廣東省逐日24 h的氣溫預(yù)報(bào)進(jìn)行評(píng)估，以了解ECMWF模式對(duì)廣東省冬季氣溫預(yù)報(bào)的時(shí)空誤差，尋找ECMWF數(shù)值模式對(duì)廣東省冬季逐日氣溫預(yù)報(bào)的偏差規(guī)律，為預(yù)報(bào)員的主觀訂正提供合理的依據(jù)，為氣象防災(zāi)減災(zāi)提供更準(zhǔn)確的服務(wù)。

1 資料與方法

本研究所用資料來自2020年11月29日—2021年2月26日ECMWF細(xì)網(wǎng)格逐日24 h氣溫預(yù)報(bào)格點(diǎn)產(chǎn)品，水平分辨率0.125°×0.125°，起報(bào)時(shí)刻為20：00（北京時(shí)，下同），預(yù)報(bào)時(shí)效為24～48 h；2020年12月1日—2021年2月28日廣東省86個(gè)國(guó)家級(jí)觀測(cè)站的逐日氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)和廣州蘿崗站的日平均氣壓、日平均氣溫、日平均比濕等資料。最高、最低氣溫預(yù)報(bào)值取對(duì)應(yīng)時(shí)效內(nèi)所有預(yù)報(bào)時(shí)次中氣溫預(yù)報(bào)的最大和最小值。采用最近法將網(wǎng)格預(yù)報(bào)和站點(diǎn)實(shí)況進(jìn)行匹配［7］。

2 預(yù)報(bào)誤差分析

為了解2020年冬季冷空氣的活動(dòng)次數(shù)，統(tǒng)計(jì)廣州單站（蘿崗站）氣壓（p）、氣溫（t）、比濕（q）共3個(gè)要素的變化情況，同時(shí)參考廣東省氣象臺(tái)中期關(guān)于“冷空氣記載的規(guī)定”對(duì)冷空氣強(qiáng)度的定義［8］，發(fā)現(xiàn)p、t、q的24 h變量在2020年12月14—20日、12月29日—2021年1月2日、1月6—11日存在明顯上升、下降、下降（即＋Δp、-Δt、-Δq）（圖1）。

圖1 2020年冬季廣州逐日平均氣壓、日平均溫度、日平均比濕分布

對(duì)照廣東省寒潮、強(qiáng)冷空氣標(biāo)準(zhǔn)［8］，本研究定義2020年12月29—2021年1月2日為寒潮過程，2020年12月14—20日、2021年1月6—11日為強(qiáng)冷空氣過程，另外，還出現(xiàn)兩次中等強(qiáng)度冷空氣和8次弱冷空氣過程。

2.1 最高、最低氣溫預(yù)報(bào)誤差的時(shí)間檢驗(yàn)

1）月平均分布。

從表1可以看出，2020年冬季ECWMF模式最高、最低氣溫預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差分別為1.95、1.42℃，最高溫度2月份預(yù)報(bào)誤差最大，為2.07℃；1月份預(yù)報(bào)誤差最小，為1.86℃。最低溫度1月份預(yù)報(bào)誤差最大，為1.5℃；2月份預(yù)報(bào)誤差最小，為1.32℃。

表1 2020年冬季ECWMF模式最高、最低氣溫預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差1） ℃

2）相對(duì)誤差分布。

從圖2可以看出，ECWMF模式對(duì)最高氣溫普遍預(yù)報(bào)偏低，其中，有4次明顯預(yù)報(bào)誤差較大的過程，包括2020年12月15—16日強(qiáng)冷空氣的模式預(yù)報(bào)偏高3.9和3.7℃；12月29日寒潮的模式預(yù)報(bào)偏低5.2℃；2021年1月7日強(qiáng)冷空氣的模式預(yù)報(bào)偏高2.7℃；2月12—14日冷空氣回溫的模式預(yù)報(bào)偏低3.0、3.1、3.4℃。

圖2 2020年12月—2021年2月全省逐日最高氣溫觀測(cè)值、ECWMF模式預(yù)報(bào)值、相對(duì)誤差的分布

從圖3可以看出，ECWMF模式最低氣溫預(yù)報(bào)相對(duì)誤差普遍在2℃范圍以內(nèi)，有4次相對(duì)誤差較大的過程，其中兩次冷空氣回溫預(yù)報(bào)偏低，分別是2020年12月10日（模式預(yù)報(bào)偏低2.2℃）、12月24日（模式預(yù)報(bào)偏低2.1℃）；一次強(qiáng)冷空氣降溫導(dǎo)致預(yù)報(bào)偏高，2021年1月10日（模式預(yù)報(bào)偏高2.9℃）；一次弱冷空氣，云量預(yù)報(bào)偏差導(dǎo)致最低氣溫預(yù)報(bào)偏低，1月26日（模式預(yù)報(bào)偏低2℃）。

圖3 2020年12月—2021年2月全省逐日最低氣溫觀測(cè)值、ECWMF模式預(yù)報(bào)值、相對(duì)誤差的分布

2.2 最高、最低氣溫預(yù)報(bào)誤差空間檢驗(yàn)

1）最高氣溫預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差空間分布。

圖4和表2是廣東省2020年冬季ECMWF模式最高氣溫絕對(duì)誤差空間分布，可以看出，冬季廣東省西北部絕對(duì)誤差最大，平均誤差為2.43℃，各月誤差也都在2℃以上，其中2月絕對(duì)誤差高達(dá)2.81℃；東北部12月的絕對(duì)誤差在所有地區(qū)里最大，為2.38℃；中部1月的絕對(duì)誤差在所有地區(qū)里最小，為1.66℃；西南部絕對(duì)誤差基本最小，平均絕對(duì)誤差為1.62℃。

表2 廣東省2020年冬季ECMWF模式最高氣溫絕對(duì)誤差空間分布1） ℃

圖4 廣東省2020年冬季ECMWF模式最高氣溫絕對(duì)誤差空間分布

可以看出，冬季ECMWF模式對(duì)廣東省各個(gè)片區(qū)的預(yù)報(bào)誤差差異明顯，北部受冷空氣影響較大，導(dǎo)致ECMWF模式對(duì)北部的溫度預(yù)報(bào)誤差較大；相反，中南部受冷空氣影響相對(duì)北部較小，特別是寒潮和強(qiáng)冷空氣對(duì)中南部的影響不如北部片區(qū)。ECMWF模式對(duì)中南部的最高氣溫預(yù)報(bào)相對(duì)較好，絕對(duì)誤差基本都在2℃范圍以內(nèi)，而北部的絕對(duì)誤差則基本都在2℃以上。

2）最低氣溫預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差空間分布。

圖5和表3是廣東省2020年冬季ECMWF模式最低氣溫絕對(duì)誤差空間分布，可以看出，冬季，廣東省西北部的平均絕對(duì)誤差最大，為1.93℃，并且西北部1和2月的絕對(duì)誤差在所有區(qū)域里最大，分別為2.37和1.62℃，東北部12月絕對(duì)誤差（1.90℃）大于西北部（1.81℃），說明北部片區(qū)的最低氣溫絕對(duì)誤差是所有區(qū)域里最大的；中部地區(qū)絕對(duì)誤差小于北部地區(qū)，但1月絕對(duì)誤差超過了2℃，為2.10℃；東南部平均和各月絕對(duì)誤差都最小，西南部的絕對(duì)誤差也很小，說明ECMWF模式對(duì)南部沿海地區(qū)在冬季的最低氣溫預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)確。

圖5 廣東省2020年冬季ECMWF模式最低氣溫絕對(duì)誤差空間分布

表3 廣東省2020年冬季ECMWF模式最低氣溫絕對(duì)誤差空間分布1） ℃

3 結(jié)論

利用2020年廣東省冬季氣溫觀測(cè)資料、業(yè)務(wù)常用評(píng)分方法對(duì)ECMWF模式24～48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)的最高氣溫、最低氣溫預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，得到以下結(jié)論：

1）ECMWF模式較好預(yù)報(bào)了氣溫的時(shí)間變化趨勢(shì)，日最高、最低氣溫預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差分別為1.95和1.42℃，最高溫度2月預(yù)報(bào)誤差最大；1月預(yù)報(bào)誤差最??；最低溫度1月預(yù)報(bào)誤差最大；2月預(yù)報(bào)誤差最小。

2）ECWMF模式最高氣溫預(yù)報(bào)普遍偏低，最低氣溫預(yù)報(bào)誤差普遍在2℃以內(nèi)；最高、最低氣溫預(yù)報(bào)的較大偏差主要來自強(qiáng)冷空氣及以上強(qiáng)度過程的降溫和回溫預(yù)報(bào)。

3）ECMWF模式對(duì)廣東省北部的最高溫度和最低溫度的絕對(duì)誤差都是最大的，中南部地區(qū)的氣溫預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差較小。ECMWF模式對(duì)中南部的最高氣溫預(yù)報(bào)相對(duì)較好，絕對(duì)誤差基本都在2℃范圍以內(nèi)，而北部的絕對(duì)誤差則基本都在2℃以上。ECMWF模式對(duì)南部沿海地區(qū)的最低氣溫預(yù)報(bào)較好，中北部地區(qū)絕對(duì)誤差明顯大于南部沿海地區(qū)。