2021年影響廣東臺風風場主客觀預報檢驗評估

葉萌，郭春迓，黃曉瑩，涂靜

（廣東省氣象臺，廣東 廣州 510640）

廣東省瀕臨南海，海洋資源極其豐富，但臺風災害影響頻繁，給國民經濟和人民生命造成嚴重威脅。臺風災害種類主要包括暴雨和大風，其中大風可引發(fā)樹木倒伏、損壞建筑物、造成風暴潮、海水倒灌等等災害［1-2］。一直以來，廣東省氣象工作者都非常重視對臺風的風雨影響的研究［3-5］，然而由于海上觀測資料匱乏，對于海洋風場預報能力的評估仍較少。本研究將對2021年登陸或嚴重影響廣東省的臺風主客觀風場預報開展檢驗評估，尤其對擁有自主知識產權的華南區(qū)域3 km分辨率中尺度模式（CMA-GD）和南海臺風模式（CMA-TRAMS）進行細化評估，總結各模式對臺風大風的預報能力，為預報員綜合參考模式提供參考，進而更好地為決策部門和公眾服務。

1 資料與方法

本研究統(tǒng)計了2021年5個登陸或嚴重影響（陸地或沿海指標站錄得≥8級大風）廣東的臺風，其中2個登陸、3個嚴重影響，檢驗評估5個臺風影響期間，主客觀模式對海洋風場的預報能力（表1）。

表1 2021年登陸或嚴重影響廣東省的臺風

預報產品：檢驗對象評估包括省級主觀網格預報（簡稱省級主觀）和歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）、CMA-GD、CMA-TRAMS模式產品，起報時間為20：00（北京時，下同），評估主觀預報取提前24 h，客觀預報取提前48 h，評估逐6 h預報。

實況資料：因海上資料匱乏，每個觀測資料都非常珍貴，因此將質控后南海海上浮標站、海島站、石油平臺站、沿海站點和船舶站作為檢驗實況站，基于整點2 min平均風速風向資料進行檢驗評估。

檢驗評估指標包括風向預報準確率、風力準確率、風速平均絕對誤差。本研究根據中國氣象局的《中短期天氣預報質量檢驗辦法》［6］計算檢驗評估指標。另外，對CMA-GD、CMATRAMS模式產品臺風風場的預報能力進行了更細化的檢驗比較，項目包括風場預報平均絕對誤差、均方根誤差、風力滿分率、風力偏低率和風力偏高率。

2 預報檢驗評估

2.1 風向檢驗

風向檢驗結果分正確、不正確兩種。當預報風向與實況觀測風向的絕對偏差≤45°時，評定為正確，否則為不正確。

風向正確率＝預報正確次數(shù)／所有預報次數(shù)。

由表2可以看出，ECMWF整體的風向預報表現(xiàn)最佳，省級主觀預報也與之接近，CMA-GD風向正確率相對得分較低。

表2 主客觀預報對臺風風向的預報準確率 %

同樣可以看到，主客觀對各臺風風向預報的表現(xiàn)較為一致，在5個臺風中，主客觀對于“查帕卡”和“盧碧”的風向預報準確率相對較低，對于“獅子山”的預報準確率最高。

2.2 風力檢驗

1）預報準確率：定義風力預報與實況值的絕對誤差小于或等于半級為滿分（HIT），滿分率即預報準確率（HIT），計算公式為

其中，NHIT為預報滿分次數(shù)；NT為預報次數(shù)。

統(tǒng)計結果表明，ECMWF對臺風的整體預報準確率表現(xiàn)最佳，CMA-GD次之，省級主觀得分較低（表3）。

表3 主客觀預報對臺風風力的預報準確率 %

2）平均絕對誤差（MAE）：假設F為風力預報值，O為觀測值，N為檢驗區(qū)中的預報次數(shù)，平均絕對誤差計算如式（2）所示。

計算結果顯示，ECMWF平均絕對誤差最小，省級主觀預報誤差較大（表略）。

同時，結果也顯示各家預報對“獅子山”、“圓規(guī)”的預報誤差均大于其他3個臺風，可見模式對秋季臺風的風力預報效果明顯不如夏季臺風。模式對秋季臺風的預報具有較大的偏高率，與高估冷空氣的作用有一定的關系。

另外，從各表可見，省級主觀預報的風力絕對誤差和準確率低于客觀模式。

本研究進一步分析風力的偏高率、偏低率。定義風力預報與實況值的誤差大于半級為偏高（HIGH），小于半級為偏低（LOW）。假定，所有預報次數(shù)為NT，預報滿分次數(shù)為NHit，預報偏高次數(shù)為NHigh，預報偏低次數(shù)為NLow，則

表示所有預報時次中滿分預報的概率，概率越大表示預報效果越好。

偏高率：HIGH＝NHigh／NT，表示所有預報時次中偏高預報的概率。

偏低率：LOW ＝NLow／NT，表示所有預報時次中偏低預報的概率。

統(tǒng)計可知，對5次臺風的風力預報，ECMWF偏高率最低，省級主觀偏高率最高，除“查帕卡”外，其余4個臺風的主觀風力預報偏高率均接近或超過60%。對于“小熊”和“查帕卡”這種強風影響時間短、強度偏弱的臺風，主觀預報較客觀模式風力預報的偏強尤為明顯。主客觀預報的偏低率則＜20%（圖1），尤其是省級主觀偏低率最低。

圖1 主客觀預報的風力偏高率（a）、偏低率（b）

結合預報準確率、平均絕對誤差、偏高率和偏低率檢驗結果，表明在實時業(yè)務預報中，需要經?？紤]實際臺風路徑及強度預報的不確定性以及防災需求，易傾向于影響更嚴重的方向做出預報。盡管這樣處理會使評分受到影響，但對降低臺風災害仍具有重要的現(xiàn)實意義。

3）對CMA-GD、CMA-TRAMS模式進行細化檢驗。包括風力偏高率、偏低率，均方根誤差。

對比CMA-GD和CMA-TRAMS模式在臺風影響過程中對風場預報的表現(xiàn)可知，兩家模式對于臺風大風的預報能力基本相當。兩家模式的平均絕對誤差、均方根誤差峰值都在3 m／s左右，多數(shù)樣本誤差在4 m／s范圍以內（圖2）。

圖2 CMA-GD（a）、CMA-TRAMS（b）對5個臺風的風速預報均方根誤差

從5個嚴重影響廣東的臺風來看，兩家模式的均方根誤差、平均絕對誤差、滿分率、偏高偏低率（圖略）沒有明顯的量級差異，但臺風之間有明顯差異?！靶⌒堋钡木礁`差在5個臺風中最小，“獅子山”和“圓規(guī)”相對較大。從平均絕對誤差來看，“查帕卡”“盧碧”“小熊”的誤差最小，基本在2.5 m／s左右。

3 結論

1）ECMWF對風向的預報表現(xiàn)最佳，省級主觀預報與之接近，CMA-GD相對得分較低。

2）模式對秋季臺風的風力預報效果明顯不如夏季臺風。對秋季臺風的預報具有較大的偏高率，與高估冷空氣的作用有一定的關系。

3）CMA-GD和CMA-TRAMS對于臺風大風的預報能力基本相當。