南海海洋網(wǎng)格預(yù)報(bào)的鄰域檢驗(yàn)方法

馮冬玲，張華龍，賴(lài)鵬宇，葉萌，肖柳絲

（1.懷集縣突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東肇慶 526400；2.廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州510640；3.肇慶市氣象局，廣東肇慶 526400；4.廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州511430）

隨著網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的發(fā)展，南海海洋天氣預(yù)報(bào)也實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)、大面積區(qū)域預(yù)報(bào)向網(wǎng)格化預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變，目前已有多家業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)研發(fā)了針對(duì)不同要素的海洋網(wǎng)格預(yù)報(bào)技術(shù)，取得較好的應(yīng)用效果［1-3］。但面對(duì)大范圍、精細(xì)化的網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品，如何用較少的站點(diǎn)或船舶等觀測(cè)資料，開(kāi)展對(duì)海洋網(wǎng)格預(yù)報(bào)能力的客觀檢驗(yàn)和評(píng)估，是預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中亟待被重視的一個(gè)問(wèn)題。目前已有較多研究工作應(yīng)用站點(diǎn)實(shí)況資料，開(kāi)展對(duì)覆蓋南海的網(wǎng)格產(chǎn)品的檢驗(yàn)研究，如方艷瑩等［4］利用EC細(xì)網(wǎng)格資料，針對(duì)不同天氣系統(tǒng)下預(yù)報(bào)與實(shí)況的差異進(jìn)行評(píng)估，指出風(fēng)速預(yù)報(bào)質(zhì)量和觀測(cè)站點(diǎn)的位置、海拔高度和地形之間均具有較大關(guān)系；吳俞等［5］對(duì)EC細(xì)網(wǎng)格的10 m風(fēng)場(chǎng)在南海4個(gè)海島站的風(fēng)速偏差進(jìn)行了檢驗(yàn)分析；田光輝等［6］利用南海浮標(biāo)站檢驗(yàn)了ASCAT風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的風(fēng)速和風(fēng)向的精度；林芳妮等［7］應(yīng)用東莞浮標(biāo)站對(duì)2019年全年粵中海面的主客觀預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，得到主客觀檢驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比評(píng)估。

上述工作均是將格點(diǎn)產(chǎn)品插值到站點(diǎn)上，開(kāi)展點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢驗(yàn)。然而預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)需要對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有格點(diǎn)預(yù)報(bào)開(kāi)展評(píng)估，因此需引進(jìn)“點(diǎn)對(duì)面”的檢驗(yàn)方法，以得到更全面客觀的檢驗(yàn)結(jié)果。鄰域法作為空間模糊識(shí)別方法的一種，可用于擴(kuò)大具有與預(yù)報(bào)場(chǎng)相似空間特征但數(shù)量稀少的測(cè)站的檢驗(yàn)范圍，能夠通過(guò)變換鄰域窗獲得不同空間尺度上的傳統(tǒng)預(yù)報(bào)技巧［8］，其相關(guān)參數(shù)需要根據(jù)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)對(duì)象的特征確定。劉雪晴等［9］應(yīng)用鄰域集合概率法對(duì)降水預(yù)報(bào)進(jìn)行試驗(yàn)，表明降水鄰域集合概率方法具有較好的應(yīng)用前景，恰當(dāng)?shù)泥徲蚋怕史椒班徲虬霃娇梢垣@得更合理的降水概率預(yù)報(bào)結(jié)果，鄰域檢驗(yàn)法在廣東降水要素預(yù)報(bào)中也被嘗試應(yīng)用，有助于評(píng)估不同尺度的降水預(yù)報(bào)性能［10］。本研究工作以南海各海區(qū)的海平面風(fēng)場(chǎng)為例，采用鄰近格點(diǎn)法、鄰域最優(yōu)法分別對(duì)格點(diǎn)預(yù)報(bào)開(kāi)展檢驗(yàn)探索，分析鄰域法參數(shù)對(duì)于檢驗(yàn)結(jié)果的影響，以增強(qiáng)對(duì)于該方法在預(yù)報(bào)檢驗(yàn)業(yè)務(wù)中適用能力的理解。

1 資料與技術(shù)方法

1.1 應(yīng)用資料

挑選南海不同海域的觀測(cè)站作為代表站，探索預(yù)報(bào)格點(diǎn)和站點(diǎn)實(shí)況的對(duì)應(yīng)檢驗(yàn)方法。挑選站點(diǎn)包括海洋浮標(biāo)站、海島自動(dòng)站、石油平臺(tái)站以及沿海國(guó)家、自動(dòng)站，檢驗(yàn)要素為整點(diǎn)2 min平均風(fēng)速（逐小時(shí)）與整點(diǎn)2 min平均風(fēng)向（逐小時(shí)），站點(diǎn)分布主要位于廣東省沿海與近海海域，少數(shù)站點(diǎn)位于南海中部、西北部海域。郭春迓等［11］對(duì)南海北部的50多個(gè)測(cè)站風(fēng)速資料開(kāi)展了質(zhì)量評(píng)估，認(rèn)為大部分測(cè)站觀測(cè)風(fēng)速質(zhì)量較好。但部分沿?；蛘吆u測(cè)站受到地理位置、地形、海報(bào)高度等因素影響，無(wú)法準(zhǔn)確反映鄰域風(fēng)力狀況。在本研究中，將參考郭春迓等［11］的評(píng)估結(jié)果，挑選質(zhì)量較高、代表性較好的海洋測(cè)站開(kāi)展檢驗(yàn)方法研究。

預(yù)報(bào)產(chǎn)品為廣東省氣象臺(tái)制作的海洋格點(diǎn)精細(xì)化預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)產(chǎn)品時(shí)間分辨率為6 h，空間分辨率為0.1°，檢驗(yàn)產(chǎn)品的預(yù)報(bào)時(shí)效包含6與12 h，對(duì)不同起報(bào)時(shí)的產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明，不同預(yù)報(bào)時(shí)效的主客觀預(yù)報(bào)性能差異較小，因此在檢驗(yàn)中把預(yù)報(bào)時(shí)效為6與12 h的預(yù)報(bào)場(chǎng)進(jìn)行合并處理。預(yù)報(bào)產(chǎn)品與觀測(cè)資料在時(shí)間上對(duì)應(yīng)一致。預(yù)報(bào)資料時(shí)間為2017年1月1日06：00（世界時(shí)，00：00起報(bào)）至2017年6月30日18：00（世界時(shí)，12：00起報(bào)）。

1.2 技術(shù)方法

本研究采用以觀測(cè)站點(diǎn)為中心，固定距離（R）為半徑的矩形范圍作為鄰域區(qū)域。采用以下2種方法處理鄰域范圍內(nèi)的格點(diǎn)預(yù)報(bào)值，并與測(cè)站數(shù)據(jù)相互對(duì)比檢驗(yàn)：

（1）最鄰近格點(diǎn)法：取與測(cè)站最鄰近的格點(diǎn)風(fēng)速（或風(fēng)向）值。

（2）鄰域最優(yōu)法：取鄰域范圍內(nèi)與站點(diǎn)觀測(cè)值最接近的格點(diǎn)值。

確定格點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品處理方法后，計(jì)算的檢驗(yàn)指標(biāo)：

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

對(duì)檢驗(yàn)時(shí)段內(nèi)觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)部分站點(diǎn)存在多頻次的數(shù)據(jù)缺測(cè)、數(shù)據(jù)明顯錯(cuò)誤等問(wèn)題，因此本研究先挑選一部分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量較好的測(cè)站進(jìn)行分析。一般而言，海區(qū)預(yù)報(bào)對(duì)應(yīng)的海平面風(fēng)速（或風(fēng)向）在小范圍內(nèi)具有均勻分布特征，而觀測(cè)站平均風(fēng)速容易受瞬變風(fēng)、復(fù)雜地形的影響，在時(shí)域、空域均存在波動(dòng)和“噪音”，此時(shí)若采用最鄰近格點(diǎn)法，會(huì)因樣本量較小而容易得到預(yù)報(bào)質(zhì)量較差的檢驗(yàn)結(jié)果。為最大程度減小上述影響，挑選汕尾浮標(biāo)站、茂名浮標(biāo)站、粵東海區(qū)石油平臺(tái)站（簡(jiǎn)稱(chēng)東部平臺(tái)站）、南海西北部海區(qū)石油平臺(tái)站（簡(jiǎn)稱(chēng)西部平臺(tái)站）4個(gè)站點(diǎn)（站點(diǎn)信息見(jiàn)表1），并應(yīng)用鄰近格點(diǎn)法、鄰域最優(yōu)法分別對(duì)格點(diǎn)預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，以評(píng)估鄰域法對(duì)評(píng)分的改善幅度。海洋浮標(biāo)站、平臺(tái)站由于常有人工維護(hù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)傳輸較穩(wěn)定，且與大陸有一定距離，通常能較好反映海洋背景風(fēng)速（或風(fēng)向）分布狀況。

表1 檢驗(yàn)站點(diǎn)信息表

2.2 不同檢驗(yàn)方法對(duì)比

圖1為東部平臺(tái)站、西部平臺(tái)站、汕尾浮標(biāo)站、茂名浮標(biāo)站采用最鄰近格點(diǎn)法、鄰域最優(yōu)法得到的風(fēng)速預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值散點(diǎn)分布圖，鄰域半徑為0.5°。從圖1可知，對(duì)于最鄰近格點(diǎn)法預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，4個(gè)測(cè)站均出現(xiàn)預(yù)報(bào)風(fēng)速大于觀測(cè)風(fēng)速的散點(diǎn)分布特征，在低風(fēng)速范圍內(nèi)（＜5 m／s），該特征更為明顯。應(yīng)用鄰域最優(yōu)法后的散點(diǎn)離散性較最鄰近格點(diǎn)法小，相應(yīng)地，鄰域最優(yōu)法對(duì)應(yīng)的風(fēng)速偏差、均方根誤差更小，相關(guān)系數(shù)更大。

圖1 東部平臺(tái)站（a）、西部平臺(tái)站（b）、汕尾浮標(biāo)站（c）、茂名浮標(biāo)站（d）預(yù)報(bào)與實(shí)況風(fēng)速散點(diǎn)圖

對(duì)于東部海區(qū)的站點(diǎn)，由于常受東北季風(fēng)影響，東部海區(qū)兩站強(qiáng)風(fēng)頻次較西部海區(qū)兩站更多，且鄰域法應(yīng)用效果更好。對(duì)于茂名浮標(biāo)站，由于海拔高度較低，強(qiáng)風(fēng)頻次較少，因此鄰域法應(yīng)用效果弱于西部平臺(tái)站。

2.3 鄰域半徑對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的影響

對(duì)于鄰域法而言，當(dāng)鄰域范圍擴(kuò)大，可選的預(yù)報(bào)格點(diǎn)更多，則預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)應(yīng)性更好，檢驗(yàn)結(jié)果也更優(yōu)。為評(píng)估不同鄰域范圍對(duì)檢驗(yàn)指標(biāo)的影響，計(jì)算不同鄰域范圍時(shí)4個(gè)測(cè)站檢驗(yàn)指標(biāo)。從圖2可見(jiàn)，當(dāng)鄰域范圍擴(kuò)大時(shí)，風(fēng)速偏差、風(fēng)速均方差均明顯減小，相關(guān)系數(shù)顯著上升，但不同站點(diǎn)檢驗(yàn)指標(biāo)隨鄰域范圍變化有所區(qū)別，當(dāng)鄰域范圍在0.3°～0.8°范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，西部海區(qū)測(cè)站（茂名浮標(biāo)站、西部平臺(tái)站）檢驗(yàn)指標(biāo)的改進(jìn)幅度明顯大于東部海區(qū)測(cè)站（汕尾浮標(biāo)站、東部平臺(tái)站），這可能是由于東部海區(qū)與西部海區(qū)氣候背景不同，東部海區(qū)常受冷高壓脊影響，海平面氣壓梯度易增大，致使東部海域強(qiáng)風(fēng)頻次高于西部；粵西造成強(qiáng)風(fēng)的天氣背景相對(duì)復(fù)雜，強(qiáng)風(fēng)頻次較低，在弱風(fēng)條件下，風(fēng)向快速變化的特征難以被網(wǎng)格預(yù)報(bào)所準(zhǔn)確反映。因此擴(kuò)大鄰域范圍，對(duì)于西部海區(qū)站點(diǎn)檢驗(yàn)指標(biāo)的改善具有較大的作用。

圖2 不同觀測(cè)站點(diǎn)鄰域范圍與預(yù)報(bào)指標(biāo)偏差關(guān)系

對(duì)比平臺(tái)站與浮標(biāo)站相關(guān)系數(shù)，可見(jiàn)當(dāng)鄰域范圍為0.3°時(shí)，浮標(biāo)站（汕尾浮標(biāo)站、茂名浮標(biāo)站）的相關(guān)系數(shù)已經(jīng)較高（＞0.85），顯著高于東、西部平臺(tái)站，表明鄰域范圍較小時(shí)，浮標(biāo)站觀測(cè)風(fēng)速與預(yù)報(bào)風(fēng)速已有較好的對(duì)應(yīng)性。而平臺(tái)站由于海拔高度較高，與海平面風(fēng)速對(duì)應(yīng)關(guān)系較差，因此較小的鄰域范圍對(duì)于高海拔的觀測(cè)風(fēng)速檢驗(yàn)效果改進(jìn)較差。

根據(jù)上述分析，鄰域法的適用性與影響該海區(qū)的常見(jiàn)天氣系統(tǒng)和氣候背景有密切關(guān)系，粵東海區(qū)鄰域法適用性?xún)?yōu)于粵西海區(qū)。鄰域范圍并非越大越好，當(dāng)鄰域范圍過(guò)大時(shí)，會(huì)引入與主觀預(yù)報(bào)描述該區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的無(wú)關(guān)信息。當(dāng)鄰域范圍為0.3°～0.5°時(shí)，浮標(biāo)站與鄰域法預(yù)報(bào)值相關(guān)系數(shù)已大于0.85，因此鄰域范圍以＜0.5°為宜。

2.4 強(qiáng)風(fēng)閾值對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的影響

應(yīng)用鄰域法進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)TS檢驗(yàn)時(shí)，通常計(jì)算鄰域范圍內(nèi)所有格點(diǎn)達(dá)到強(qiáng)風(fēng)（平均風(fēng)＞6級(jí)，10.8 m／s）的比例，當(dāng)該比例達(dá)到一定閾值時(shí)，則判定該領(lǐng)域出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)，這一比例值為強(qiáng)風(fēng)閾值。為尋找最優(yōu)的強(qiáng)風(fēng)閾值，設(shè)置不同的鄰域范圍，并對(duì)4個(gè)測(cè)站分別設(shè)置不同的強(qiáng)風(fēng)閾值，計(jì)算對(duì)應(yīng)的強(qiáng)風(fēng)TS評(píng)分。從圖3可見(jiàn)，對(duì)于汕尾浮標(biāo)站，當(dāng)鄰域范圍為0.3°和0.5°時(shí)，強(qiáng)風(fēng)閾值為0.7時(shí)TS最高，強(qiáng)風(fēng)閾值為0.9時(shí)TS迅速下降，此時(shí)格點(diǎn)預(yù)報(bào)強(qiáng)風(fēng)以漏報(bào)為主；強(qiáng)風(fēng)閾值為0.1～0.5時(shí)，TS隨強(qiáng)風(fēng)閾值增加而上升。對(duì)于東部平臺(tái)站，強(qiáng)風(fēng)閾值為0.7時(shí)TS最高。

圖3 汕尾（a）、東部平臺(tái)（b）、茂名（c）、西部平臺(tái)（d）的強(qiáng)風(fēng)閾值與強(qiáng)風(fēng)TS關(guān)系

對(duì)于茂名浮標(biāo)站、西部平臺(tái)站，強(qiáng)風(fēng)TS較低，這一特征與2.3節(jié)中粵西海域強(qiáng)風(fēng)的可預(yù)報(bào)性更差的結(jié)論一致。對(duì)于茂名浮標(biāo)站，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)閾值變化時(shí)TS變化幅度不大；對(duì)于西部平臺(tái)站，強(qiáng)風(fēng)閾值為0.5時(shí)TS最高。

綜上所述，設(shè)置鄰域范圍內(nèi)強(qiáng)風(fēng)格點(diǎn)數(shù)占總格點(diǎn)比例（強(qiáng)風(fēng)閾值）＞0.5時(shí)TS最高，且不同的鄰域范圍對(duì)于強(qiáng)風(fēng)TS的影響不大。

2.5 鄰域法應(yīng)用于海區(qū)各代表站點(diǎn)結(jié)果

計(jì)算鄰域范圍為0.5°，強(qiáng)風(fēng)閾值為0.5時(shí)各測(cè)站的風(fēng)速偏差、相關(guān)系數(shù)與強(qiáng)風(fēng)TS，并將檢驗(yàn)指標(biāo)與鄰近格點(diǎn)法、鄰域平均法進(jìn)行對(duì)比。表2為觀測(cè)站種類(lèi)、地理位置信息與檢驗(yàn)結(jié)果。

從表2可見(jiàn)，所有觀測(cè)站的風(fēng)速偏差均為正值，表明預(yù)報(bào)風(fēng)速整體大于觀測(cè)風(fēng)速。多數(shù)站點(diǎn)應(yīng)用鄰域法后，風(fēng)速相關(guān)系數(shù)較鄰近格點(diǎn)法有顯著提高，其中53%（17）的站點(diǎn)鄰域最優(yōu)法相關(guān)系數(shù)＞0.75，沿海站與近海海島站風(fēng)速相關(guān)系數(shù)上升較為明顯，強(qiáng)風(fēng)TS評(píng)分也有明顯增加。而沿海站與平臺(tái)站則由于鄰近格點(diǎn)法的相關(guān)系數(shù)已經(jīng)較高，應(yīng)用鄰域法后相關(guān)系數(shù)的提升幅度反而較小。但由于沿海區(qū)域往往是陸地較小風(fēng)速區(qū)域與海洋大風(fēng)區(qū)的過(guò)渡區(qū)，因此鄰域范圍的擴(kuò)大會(huì)顯著影響利用鄰域法進(jìn)行檢驗(yàn)的可靠性。在不同類(lèi)別站點(diǎn)中，海島站、近海沿海站鄰域法相關(guān)系數(shù)提高幅度遠(yuǎn)大于南海中部的海洋海島站（渚碧礁、永暑礁、美濟(jì)礁），后者的強(qiáng)風(fēng)TS評(píng)分較低，且風(fēng)速偏差較大，表明格點(diǎn)預(yù)報(bào)風(fēng)速常遠(yuǎn)大于實(shí)況風(fēng)速，強(qiáng)風(fēng)預(yù)報(bào)也以空?qǐng)?bào)為主。

表2 不同觀測(cè)站點(diǎn)類(lèi)別、地理高度信息與不同檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

3 結(jié)論

1）對(duì)于4個(gè)代表測(cè)站，鄰域最優(yōu)法計(jì)算的檢驗(yàn)指標(biāo)均優(yōu)于鄰近格點(diǎn)法；對(duì)于不同海區(qū)站點(diǎn)，鄰域最優(yōu)法在近海的浮標(biāo)站和平臺(tái)站應(yīng)用效果較好，在南海中部對(duì)強(qiáng)風(fēng)預(yù)報(bào)則無(wú)顯著的改善能力，主要原因是格點(diǎn)預(yù)報(bào)對(duì)于南海中部的風(fēng)速預(yù)報(bào)常較實(shí)況偏高。較大的鄰域范圍會(huì)對(duì)沿海站、海島站鄰域法應(yīng)用的準(zhǔn)確性與可靠性造成影響。

2）不同海區(qū)鄰域最優(yōu)法的適用性與氣候背景有密切關(guān)系，粵東海區(qū)鄰域法的適用性?xún)?yōu)于粵西海區(qū)，鄰域范圍以小于0.5°為宜。設(shè)置鄰域范圍內(nèi)強(qiáng)風(fēng)格點(diǎn)數(shù)占總格點(diǎn)比例（強(qiáng)風(fēng)閾值）大于0.5時(shí)，TS最高，且不同的鄰域范圍對(duì)于強(qiáng)風(fēng)TS的影響不大。

3）固定鄰域參數(shù)對(duì)各海區(qū)代表站進(jìn)行檢驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所有測(cè)站的風(fēng)速偏差均為正值，沿海站與近海海島站風(fēng)速應(yīng)用鄰域檢驗(yàn)后各檢驗(yàn)指標(biāo)提升顯著，但南海中部海島站TS較低，體現(xiàn)鄰域法在不同海區(qū)應(yīng)用效果的差異。