福建沿海多模式風速預報的檢驗

常奮華 林 艷 于子敏

(1.福建省氣象服務中心，福建 福州 350008;2.福建省大氣探測技術保障中心，福建 福州 350008)

1 概述

福建省地處東南沿海，海岸線長度居全國第二位[1]。隨著海洋漁業(yè)、海洋交通運輸、海濱旅游、海洋能源等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對海洋災害的預警預報服務能力提出了更高的要求。海上大風對漁業(yè)生產(chǎn)、海上航運等行業(yè)影響重大，是威脅海上安全的主要氣象災害之一。目前福建沿海建設海洋氣象浮標5座，共享海洋部門2座，初步構建遠海海洋氣象觀測陣列，彌補了遠海海洋氣象觀測數(shù)據(jù)的空白，對于開展海上大風和臺風觀測提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

目前針對海上的氣象預報主要依賴數(shù)值模式預報結果，所以提高模式的預報性能對于開展海洋氣象精細化預報尤為重要。針對數(shù)值預報模式進行產(chǎn)品檢驗是不斷提高模式預報性能的主要途徑。近些年來關于模式檢驗和評估方法的研究進展和應用[2-7]不斷增多，為深入開展沿海風的評估分析提供了有益借鑒。

本文利用福建海洋浮標站觀測的大風數(shù)據(jù)，對目前福建省業(yè)務運行中常用的數(shù)值模式(EC-thin、FJ-WRF、華東區(qū)域模式)風速預報結果進行檢驗，為福建沿海、臺灣海峽、漁業(yè)漁場等大風預報提供客觀訂正依據(jù)，為提升臺灣海峽航運氣象服務品質(zhì)奠定基礎。

2 資料與方法

2.1 資料

2.1.1 實況資料

福建沿海5個浮標站分別為寧德浮標、福州浮標、廈門浮標、海峽1號、海峽2號，其中寧德浮標、福州浮標和廈門浮標距離海岸線約50km左右，海峽1號和海峽2號距離海岸線約200km左右。資料時間段為2019年1月1日至2019年12月31日，時間間隔為1h。

5個浮標的位置如圖1所示。

2.1.2 模式資料

選取全球模式(歐洲EC細網(wǎng)格模式)、華東區(qū)域模式、福建引進開發(fā)的WRF中尺度數(shù)值模式，其中EC細網(wǎng)格模式分辨率為0.25°×0.25°，輸出間隔為3h；華東區(qū)域模式分辨率為0.25°×0.25°，輸出間隔為3h；WRF模式分辨率為0.09°×0.09°，輸出間隔為1h。

資料時間段為2019年1月1日至2019年12月31日，08h、20h起報的數(shù)據(jù)。在進行對比分析時，采用雙線性插值，將模式預報數(shù)據(jù)插值到站點，利用實測資料對預報結果進行檢驗。

2.2 方法

為統(tǒng)一預報時效，選取3個模式對08∶00、20∶00起報的72h預報時效內(nèi)的10m風速進行檢驗。文中檢驗用到的統(tǒng)計量主要有：ST評分、準確率、空報率、漏報率、平均誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)等。各統(tǒng)計量計算公式[8]如下：

①平均絕對誤差

平均絕對誤差為預報風速與實況風速之間的誤差絕對值的平均值，檢驗公式如下：

②均方根誤差

均方根誤差為預報風速與實況風速之間誤差的平方與風速預報總站(次)數(shù)比值的平方根，檢驗公式如下：

③平均誤差

平均誤差為預報風速與實況風速之間誤差的平均值，檢驗公式如下：

④風預報評分，檢驗量包括準確率、漏報率和空報率，分數(shù)范圍為0～1.0。

具體評分方法為：

式中，NAk為預報正確次數(shù)、NBk為空報次數(shù)、NCk為漏報次數(shù)。

3 檢驗結果及分析

3.1 分風力等級檢驗

3.1.1 TS評分

TS評分準確率(圖2)在弱風級的時候較高，而高風級的評分較低，1級、2級風的平均預報評分在0.8以上。整體上看隨著風速的增加，預報風速的TS評分開始迅速減少，3級～5級風的時候為0.3～0.5之間，6級風的評分下降為0.25左右，而到7級風的時候，預報評分就只有0.1左右?？梢娔Ｊ斤L場預報在低風速時效果較好，而對高風速的風場預報則較差。

圖2 不同起報時間的TS評分

弱風級時三種模式預報的TS評分相差無幾，當風速超過7級時，F(xiàn)J-WRF的效果相對優(yōu)于其余兩種。

對比08時與20時起報來看，20時起報的TS評分比08時起報的要高。

3.1.2 漏報率

整體上來說，漏報率(圖3)是從小風級到大風級逐漸增大。弱風級的時候漏報率較小，1級風的漏報率為0，2級風的漏報率為0.025左右，3～4級風的漏報率增加到0.1和0.25左右；到6級強風時，漏報率為0.7左右。

圖3 不同起報時間的漏報率

3.1.3 空報率

空報率(圖4)的情況與漏報率類似，都是從小風級到大風級逐漸增大。弱風級的時候空報率小，1級風的空報率為0，2級風的空報率為0.1左右，3～4級風的空報率增加到0.25和0.3上下；到9級強風時,空報率達到0.8左右。

圖4 不同起報時間的空報率

同樣，三種模式產(chǎn)品在弱風級時表現(xiàn)一致，EC略優(yōu)于FJ-WRF和華東(上海)區(qū)域模式。當風速達到10級時,EC的空報率略有增加。20時起報空報率略低于08時起報。

對比空報率與漏報率，空報率高于漏報率，說明模式預報的風速整體偏強。

3.2 分預報時效檢驗

風速平均誤差(圖5)反映了模式0～72小時預報時效的平均預報風速和浮標站實測風速的平均差別，從結果來看，3～72小時平均誤差均為正值，模式預報風速較實況風速偏大0.8～1.5m/s。FJ-WRF在3小時優(yōu)于其余兩種，華東區(qū)域模式的整體平均誤差是最小的。

圖5 不同預報時效平均誤差

風速的平均絕對誤差和均方根誤差體現(xiàn)預報風速和實況風速之間離散程度，但是均方根誤差對風速差別特別大或特別小的樣本反映更為敏感。從圖6可見，風速的平均絕對誤差和均方根誤差隨預報時效都呈逐漸增大趨勢。

就平均絕對誤差(圖6上)而言，三種模式的誤差均在2m/s以上，表示模式預報風速比實測風速平均偏大2m/s以上。EC比其余兩種的誤差略小，其次為華東區(qū)域模式，F(xiàn)J-WRF的平均絕對誤差最大。

從均方根誤差(圖6下)來看，EC對所有預報時效的預報水平都相差不大，F(xiàn)J-WRF模式會隨著預報時效的增加，預報水平起伏較大。

圖6 不同預報時效平均絕對誤差和均方根誤差

綜合以上各檢驗指標結果，浮標站的預報風速總體上比實況風速偏大，準確率隨預報時效逐漸降低，20時起報效果優(yōu)于08時。因此在日常預報最大風速時，可以根據(jù)情況在模式預報風速的基礎上減小約2m/s。

3.3 誤差空間分布

三個模式的平均誤差、平均絕對誤差、均方根誤差最大的站點均是海峽2號，海峽1號次之，誤差最小的是寧德浮標。

圖7給出三個模式的誤差空間分布，從圖7可見，三種模式對福建北部海區(qū)(寧德浮標站)的風速預報誤差最小，誤差值在±0.5m/s以內(nèi)。越往外海，預報風速誤差越大，對海峽2號的風速誤差值達到4m/s左右，如果換算成風力等級，則偏大1～2個風級。

(a)站點誤差分布圖(ec) (b)站點誤差分布圖(sh) (c)站點誤差分布圖(wrf)

3.4 分季節(jié)檢驗

按觀測時間分月計算平均誤差，由圖8可知，各模式對1月-3月/11月-12月預報風速整體偏小，4月-10月的預報風速整體偏大，其中6月預報偏差最大。

圖8 不同月份平均誤差

在預報風速偏小的月份里，華東區(qū)域模式偏小的更多；在4月-10月，華東區(qū)域模式較EC和WRF表現(xiàn)更好。

3.5 臺風個例

圖9為白鹿臺風過程逐3小時風速預報，登陸期間三種模式預報結果都明顯偏強，其中平均風速誤差最大為FJ-WRF模式，達13m/s，EC總體誤差相對較小，平均在6m/s左右，所以遇到臺風類過程時，須根據(jù)形勢適當調(diào)整預報風速。

圖9 臺風“白鹿”期間誤差分布

4 結論

本文利用遠海海洋浮標站風觀測數(shù)據(jù)，通過平均絕對誤差、均方根誤差等檢驗指標對FJ-WRF、EC-thin、華東區(qū)域模式沿海風的預報性能進行檢驗評估，得出如下結論。

①從風預報評分各檢驗量來看，在弱風級時各模式表現(xiàn)較好，當風力達到6級以上時，TS評分下降明顯，漏報、空報率增加，20起報結果優(yōu)于08時。

②從風速的模擬效果來看，預報效果最好的是模式是EC，平均絕對誤差為2～2.5m/s，其次是上海區(qū)域模式，WRF模式的平均絕對誤差最大。3個模式的預報風速與實況風速最大風速相比，總體來說都偏大。

③空間檢驗結果顯示，近海風速的平均絕對誤差均小于遠海。3個模式對近海北部和南部模擬效果最好，遠海北部預報效果優(yōu)于南部。

④不同月份平均誤差方面，各模式對1月-3月/11月-12月預報風速整體偏小，華東區(qū)域模式較其余兩種模式偏小的更多；4月-10月的預報風速整體偏大，其中6月預報偏差最大，華東區(qū)域模式在4月-10月較EC和WRF表現(xiàn)更好。

本研究就2019年福建沿海5個浮標站實測的風速對FJ-WRF、EC-thin、華東區(qū)域模式進行檢驗，檢驗結果可為站點附近漁場、航運等的風速預報提供參考依據(jù)。在海上最大風速預報時，可根據(jù)天氣形勢模式預報風速可適當下調(diào)2m/s。由于三個模式風速預報偏差在不同季節(jié)表現(xiàn)有所區(qū)別，未來可以根據(jù)評分結果開展動態(tài)選優(yōu)，綜合生成海上風速預報產(chǎn)品，以提高預報準確性，更好地服務漁業(yè)和海上安全。