基于偏差分析的風(fēng)力預(yù)報(bào)訂正釋用技術(shù)

於敏佳 劉菡 李曉麗 胡瀟杰 吳姍姍 徐逸雯

（舟山市氣象局，舟山 316000）

0 引言

舟山地處中緯度地帶，區(qū)位優(yōu)勢明顯，是“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”交匯點(diǎn)。然而舟山四季災(zāi)害頻發(fā)，年平均8～9級大風(fēng)日數(shù)129.2 d，10～11級大風(fēng)日數(shù)12.7 d，12級以上大風(fēng)日數(shù)0.8天[1]。當(dāng)?shù)氐陌踩a(chǎn)發(fā)展和公眾的生命財(cái)產(chǎn)安全等都深受大風(fēng)制約，因此，深入研究風(fēng)力預(yù)報(bào)技術(shù)，提供精準(zhǔn)的風(fēng)力預(yù)報(bào)產(chǎn)品，具有十分重要的意義。

關(guān)于風(fēng)力預(yù)報(bào)的訂正釋用技術(shù)，目前我國已有較多的科技人員進(jìn)行了深入研究。胡海川等[2]利用概率密度匹配方法對我國近海10 m風(fēng)預(yù)報(bào)進(jìn)行修正；楊程等[3]基于偏最小二乘回歸進(jìn)行了區(qū)域換式風(fēng)速預(yù)報(bào)訂正技術(shù)研究；楊曉君等[4]將BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到渤海海風(fēng)的預(yù)報(bào)訂正；趙文婧等[5]應(yīng)用相似誤差訂正方法訂正短期風(fēng)速預(yù)報(bào)；陳豫英等[6]采用多元線性和逐步回歸的MOS統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行風(fēng)的精細(xì)化釋用；劉鴻升等[7]設(shè)計(jì)了最大值?閾值綜合集成法進(jìn)行偏北大風(fēng)的數(shù)值預(yù)報(bào)釋用；李江萍等[8]初步探討了統(tǒng)計(jì)降尺度法在數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用中的應(yīng)用；錢燕珍等[9]將支持向量機(jī)（SVM）回歸方法應(yīng)用于近海和登陸熱帶氣旋的強(qiáng)度預(yù)報(bào)，對GFS數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行了釋用。以上方法，都取得了一定的訂正釋用效果，但對于模式預(yù)報(bào)偏差分析尚可更深入研究，本文將基于模式預(yù)報(bào)偏差分析，對舟山沿海風(fēng)力預(yù)報(bào)進(jìn)行訂正釋用。

1 資料與方法

1.1 資料介紹

10 m風(fēng)格點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品采用浙江省氣象局的Fruit細(xì)網(wǎng)格產(chǎn)品，該產(chǎn)品是對中國氣象局下發(fā)的ECMWF產(chǎn)品全要素的整合和縮容產(chǎn)品，模式起報(bào)時(shí)間是20時(shí)（北京時(shí)，下同），資料覆蓋0°—60°N，60°—150°N，時(shí)間分辨率為3 h，預(yù)報(bào)時(shí)效為0～240 h，空間分辨率為0.125°×0.125°。選取時(shí)間段為2019年1月1日至2021年4月1日，每日20時(shí)起報(bào)場預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，其中2019年和2020年數(shù)據(jù)為建模樣本，2021年數(shù)據(jù)為獨(dú)立檢驗(yàn)樣本。

10 m風(fēng)站點(diǎn)實(shí)況資料來自嵊泗國家基準(zhǔn)站、定海國家基本站、普陀和岱山國家一般站，站點(diǎn)基本信息見表1。這些站點(diǎn)代表性強(qiáng)、數(shù)據(jù)完整，且經(jīng)過人工異常值剔除、缺測記錄消除，數(shù)據(jù)較為真實(shí)可靠。

表1 各實(shí)況指標(biāo)站點(diǎn)經(jīng)緯度表 Table 1 Latitude and longitude of each index station

1.2 訂正釋用技術(shù)

目前，在風(fēng)力預(yù)報(bào)方面，較為成熟的方法是以d氣形勢為基礎(chǔ)，參考各家模式的風(fēng)力要素預(yù)報(bào)，結(jié)合預(yù)報(bào)員的主觀預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，最終得出風(fēng)力預(yù)報(bào)。而在各家的風(fēng)力要素預(yù)報(bào)中，尤以EC模式的預(yù)報(bào)最為穩(wěn)定和準(zhǔn)確，平時(shí)業(yè)務(wù)中對EC的參考比重也較大。經(jīng)過多年的對比釋用，發(fā)現(xiàn)EC風(fēng)要素預(yù)報(bào)與平均風(fēng)較為對應(yīng)，而站點(diǎn)的平均風(fēng)又與極大風(fēng)存在對應(yīng)關(guān)系。因此，可以通過先訂正平均風(fēng)，再套用平均風(fēng)與極大風(fēng)之間的關(guān)系，來進(jìn)行風(fēng)力預(yù)報(bào)的訂正釋用。

1.3 訂正釋用效果評價(jià)方法

本文采用平均絕對誤差的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)參數(shù)來評價(jià)訂正釋用效果，具體對2021年1月1日至4月1日，20時(shí)起報(bào)場，3～33 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)逐3 h，共計(jì)1001個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次進(jìn)行檢驗(yàn)評估，具體公式如下：

2 訂正模型的建立

2.1 平均風(fēng)偏差分析

受遮蔽較小的站點(diǎn)，其模式預(yù)報(bào)的風(fēng)力與實(shí)況平均風(fēng)較為接近，如嵊泗站，而定海站這類受山體、城市樓房等地形影響較大的站點(diǎn)，其預(yù)報(bào)和實(shí)況平均風(fēng)也相差較大。另外，同一時(shí)次，有些相鄰的站點(diǎn)雖對應(yīng)同一格點(diǎn)，但實(shí)況平均風(fēng)卻仍大不相同。以上，都是在同一時(shí)次上相鄰站點(diǎn)或者各個(gè)站點(diǎn)之間的預(yù)報(bào)實(shí)況誤差比較。那么，對于同一站點(diǎn)，在不同時(shí)次的預(yù)報(bào)實(shí)況偏差進(jìn)行研究，又存在怎樣的關(guān)系？如圖1，對四個(gè)指標(biāo)站點(diǎn)兩年的0～72 h逐3 h預(yù)報(bào)實(shí)況平均絕對誤差分析，嵊泗、岱山、定海3個(gè)站點(diǎn)0～33 h逐3 h的預(yù)報(bào)實(shí)況平均絕對誤差具有較好的穩(wěn)定性，定海存在一定的誤差震蕩，但也在0.5 m/s之間，0～33 h各時(shí)次的誤差絕對值存在一定的穩(wěn)定性，經(jīng)計(jì)算嵊泗、定海、岱山、普陀四站點(diǎn)的誤差絕對值穩(wěn)定為1.32 m/s、2.30 m/s、1.09 m/s、1.09 m/s，33 h之后的誤差震蕩加劇，超過0.5 m/s，不穩(wěn)定。

在平時(shí)的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，預(yù)報(bào)員可以掌握已出實(shí)況時(shí)次的預(yù)報(bào)絕對誤差與絕對誤差穩(wěn)定值的比值，是否可通過前時(shí)次的預(yù)報(bào)絕對誤差與絕對誤差穩(wěn)定值的比值，來推算后時(shí)次絕對誤差與絕對誤差穩(wěn)定值的比值？這兩者是否存在一定的關(guān)系？對嵊泗、定海、岱山、普陀4個(gè)站點(diǎn)，2019—2020年（剔除缺測異常后共706 d），每天12個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)實(shí)況絕對誤差與絕對誤差穩(wěn)定值的比值，進(jìn)行前后時(shí)次的絕對誤差與絕對誤差穩(wěn)定值的比值關(guān)系深入研究，如圖1，四個(gè)站點(diǎn)0～33 h逐3 h的前后時(shí)次預(yù)報(bào)實(shí)況絕對誤差與絕對誤差穩(wěn)定值的比值，存在一元線性關(guān)系，以為模型進(jìn)行擬合，經(jīng)查表檢驗(yàn)，擬合得出的各站點(diǎn)全部時(shí)次的方程顯著性檢驗(yàn)值F均遠(yuǎn)大于臨界值F（1706）=3.85，擬合方程顯著。

圖1 站點(diǎn)0～33 h逐3 h平均絕對誤差示意圖（a），站點(diǎn)前后時(shí)次誤差示意圖（b，c，d） Fig. 1 Diagram of 0-33 h site mean absolute error by every 3-h (a); diagram of site error at different times(b, c, d)

對擬合公式的系數(shù)進(jìn)一步分析（表2），一元線性擬合公式中系數(shù)A和B也較為穩(wěn)定，系數(shù)A尤為穩(wěn)定，這表明前后時(shí)次的預(yù)報(bào)實(shí)況誤差存在穩(wěn)定關(guān)系，可根據(jù)前一時(shí)次的預(yù)報(bào)實(shí)況絕對誤差與絕對誤差穩(wěn)定值的比值，采用同一擬合公式，進(jìn)行后一時(shí)次的預(yù)報(bào)實(shí)況絕對誤差與絕對誤差穩(wěn)定值的比值預(yù)測，進(jìn)而修正風(fēng)力預(yù)報(bào)值。

表2 站點(diǎn)擬合系數(shù)表 Table 2 Site fitting coefficient

2.2 平均風(fēng)偏差分析檢驗(yàn)

基于站點(diǎn)前后時(shí)次預(yù)報(bào)實(shí)況絕對誤差與絕對誤差穩(wěn)定值的比值存在線性關(guān)系，且系數(shù)基本穩(wěn)定這一分析結(jié)論，對2021年1月1日至4月1日（共91 d）各指標(biāo)站點(diǎn)，0～33 h逐3 h的EC預(yù)報(bào)風(fēng)力進(jìn)行平均風(fēng)修正，以驗(yàn)證偏差分析結(jié)論，如圖2和表3所示，利用此偏差分析結(jié)論對于EC預(yù)報(bào)風(fēng)力具有一定的修正效果，嵊泗、定海、岱山、普陀四個(gè)站點(diǎn)的平均預(yù)報(bào)實(shí)況絕對誤差由1.33 m/s、2.29 m/s、1.14 m/s、1.06 m/s分別精減至1.16 m/s、0.86 m/s、0.94 m/s、0.94 m/s，改進(jìn)百分比分別為12%、62%、17%、10%，因此，基于偏差分析結(jié)論的平均風(fēng)預(yù)報(bào)修正總體上優(yōu)于EC本身的模式預(yù)報(bào)，實(shí)際業(yè)務(wù)中，可利用已出現(xiàn)時(shí)次的預(yù)報(bào)實(shí)況絕對誤差與絕對誤差穩(wěn)定值的比值推算下一時(shí)次，進(jìn)而修正模式風(fēng)力預(yù)報(bào)，且對于定海站這類本身受地形影響明顯而模式風(fēng)力預(yù)報(bào)自身就存在較大誤差的站點(diǎn)，具有非常明顯的修正效果。

表3 站點(diǎn)修正前后絕對誤差對比表 Table 3 Site absolute errors before and after correction

圖2 站點(diǎn)修正前后絕對誤差對比圖 Fig. 2 Comparison of absolute errors before and after correction

2.3 平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系探究

對于平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系探究，陳錦冠等[10]和汪宏宇等[11]專家研究發(fā)現(xiàn)兩者大致滿足線性關(guān)系。在大尺度運(yùn)動中，當(dāng)不考慮摩擦力和地形時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動遵從地轉(zhuǎn)風(fēng)規(guī)則，這是進(jìn)行風(fēng)力預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。但實(shí)際中，有地形作用且摩擦力并不為零。

地形方面，風(fēng)速的大小除與水平氣壓梯度有直接關(guān)系外，與地形也有較大關(guān)系，舟山群島地形復(fù)雜，各觀測站點(diǎn)多有地形影響，而地形的作用主要有山體阻擋使風(fēng)力減小，狹管效應(yīng)、爬坡使風(fēng)力增大等，而地形不管以哪種形式對風(fēng)力產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)在站點(diǎn)風(fēng)力測量中都為在相同氣壓梯度下，不同風(fēng)向的站點(diǎn)風(fēng)速大小是不同的，因此可分16風(fēng)向進(jìn)一步細(xì)化研究，如圖3所示，同一站點(diǎn)各風(fēng)向關(guān)系式明顯不同。另外，隨著風(fēng)力的增大，極大風(fēng)和平均風(fēng)之間的差距也在加大，而一元線性關(guān)系并不能反映這個(gè)變化趨勢，因此，分風(fēng)向的一元二次模型能更好地描繪平均風(fēng)極大風(fēng)關(guān)系。

圖3 四個(gè)縣區(qū)本站東北、南到東南、西到西北風(fēng)向平均風(fēng)與極大風(fēng)關(guān)系圖（橫縱坐標(biāo)單位均為0.1 m/s） Fig. 3 The relationship between the mean and extreme wind of NE, SSE and WNW wind direction at four county stations (0.1 m/s in both horizontal and vertical coordinates)

摩擦力方面，近地面層摩擦力來自于粗糙的地面以及近地面層空氣的黏性力，而空氣黏性力主要是由湍流活動引起，近地面層湍流與低層溫度層有關(guān)，也即與大氣穩(wěn)定度相關(guān)，因此需要分下墊面。對比2012年1月至2020年1月嵊泗、岱山、普陀、定海四個(gè)縣區(qū)本站和舟山浮標(biāo)站的實(shí)況平均風(fēng)與極大風(fēng)之差，如圖4，發(fā)現(xiàn)四個(gè)縣區(qū)本站極大風(fēng)與平均風(fēng)16風(fēng)向的平均差分別為2.51 m/s、2.37 m/s、2.37 m/s、2.51 m/s，基本一致，而舟山浮標(biāo)站的平均差卻僅為0.91 m/s，因此在空曠的海上，平均風(fēng)與極大風(fēng)相差較小，下墊面不同，平均風(fēng)與極大風(fēng)的關(guān)系也不同。因此，平均風(fēng)與極大風(fēng)的關(guān)系與地形、風(fēng)力大小、站點(diǎn)下墊面有關(guān)。

圖4 四個(gè)縣區(qū)本站與舟山浮標(biāo)站各風(fēng)向平均風(fēng)與極大風(fēng)關(guān)系對比圖 Fig. 4 Comparison of the relationship between the mean and extreme wind of four county stations and Zhoushan buoy station in 16 directions

3 訂正模型的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

3.1 整體檢驗(yàn)

對嵊泗國家基準(zhǔn)、普陀國家基本站、岱山與定海國家一般站這四個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)評估，計(jì)算結(jié)果如表4，四個(gè)站點(diǎn)各預(yù)報(bào)時(shí)次的誤差4 m/s以下占比86%，3 m/s以下占比63%，平均絕對誤差分別為2.12 m/s、2.58 m/s、2.69 m/s、2.86 m/s，總體上訂正釋用效果較好。

表4 站點(diǎn)各預(yù)報(bào)時(shí)次誤差評價(jià)表 Table 4 Error evaluation for each forecast time at four county stations

3.2 寒潮個(gè)例檢驗(yàn)評估

2021年1月6—9日，受寒潮影響，舟山沿海6日半夜起北到西北風(fēng)9級，7日白天出現(xiàn)10級北到西北風(fēng)，夜里減弱到9級，8日白天7級陣風(fēng)8～9級北到西北風(fēng)維持。嵊泗（58472）、定海（58477）、岱山（58484）三個(gè)縣區(qū)本站分別都在7日9時(shí)出現(xiàn)了22.5 m/s、14.5 m/s、18.8 m/s的過程極大風(fēng)，普陀站（58570）在8日13時(shí)出現(xiàn)了17.1 m/s的過程極大風(fēng)。如圖5，經(jīng)訂正釋用后嵊泗、定海、岱山、普陀四個(gè)站點(diǎn)的過程極大風(fēng)力分別為22.6 m/s、12.3 m/s、15.9 m/s、15.3 m/s，與實(shí)況分別相差0.1 m/s、2.2 m/s、2.9 m/s、1.8 m/s，對于過程極大風(fēng)力的把握具有一定的準(zhǔn)確度。對逐時(shí)次的極大風(fēng)預(yù)報(bào)進(jìn)行對照，可發(fā)現(xiàn)個(gè)別時(shí)次極大風(fēng)誤差還是比較大的，如定海站（58477）7日23時(shí)，平均風(fēng)訂正值和實(shí)況值非常吻合，但極大風(fēng)偏差達(dá)到4 m/s，實(shí)況平均風(fēng)與極大風(fēng)之差達(dá)到了8～9 m/s，再如普陀6日08時(shí)，訂正平均風(fēng)誤差也較小，但極大風(fēng)偏差3 m/s，實(shí)況平均風(fēng)與極大風(fēng)之差達(dá)到了9～10 m/s，分析發(fā)現(xiàn)，個(gè)別時(shí)次的較大偏差是由于實(shí)況平均風(fēng)和極大風(fēng)的差距明顯加大造成的，目前不分系統(tǒng)的各風(fēng)向平均風(fēng)極大風(fēng)擬合關(guān)系還不能較好地反映個(gè)別時(shí)次的風(fēng)力陣性差異，對于受冷空氣影響時(shí)，平均風(fēng)與極大風(fēng)之差在個(gè)別時(shí)次有明顯加大的現(xiàn)象，需進(jìn)一步分系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分研究。

圖5 四個(gè)縣區(qū)本站EC預(yù)報(bào)風(fēng)力、訂正平均風(fēng)、釋用極大風(fēng)、實(shí)況平均風(fēng)與極大風(fēng)對比圖 Fig. 5 Comparison Chart of EC forecast wind speed, corrected mean wind, interpreted extreme wind, actual mean wind and extreme wind in four counties on 6 January 2021

3.3 臺風(fēng)個(gè)例檢驗(yàn)評估

2020年8月3日到5日，受臺風(fēng)“黑格比”影響，舟山沿海出現(xiàn)了11級的大風(fēng)過程，嵊泗、定海、岱山、普陀四個(gè)縣區(qū)本站分別出現(xiàn)了27.4 m/s、19.3 m/s，21.4 m/s、22.7 m/s的過程極大風(fēng)。如圖6，四個(gè)站點(diǎn)訂正釋用的極大風(fēng)力分別為22.5 m/s、17.6 m/s、20.0 m/s，21.7 m/s，其中定海站、岱山站、普陀站的誤差分別僅有1.7 m/s、1.4 m/s、1.0 m/s，效果較好，而嵊泗站誤差較大，具體表現(xiàn)在8月4日20時(shí)，由于平均風(fēng)和極大風(fēng)之差達(dá)到10～11 m/s，顯著增大，目前所得出的不分系統(tǒng)的平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系不適用，因此，出現(xiàn)了訂正釋用極大風(fēng)的較大偏差。從以上兩個(gè)個(gè)例來看，極大風(fēng)的較大偏差主要是由于冷空氣、臺風(fēng)等系統(tǒng)的風(fēng)力的陣性更強(qiáng)，不分系統(tǒng)的平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系存在一定的不適應(yīng)性。

圖6 四個(gè)縣區(qū)本站EC預(yù)報(bào)風(fēng)力、訂正平均風(fēng)、釋用極大風(fēng)、實(shí)況平均風(fēng)與極大風(fēng)對比圖 Fig. 6 Comparison Chart of EC forecast wind speed, corrected mean wind, interpreted extreme wind, actual mean wind and extreme wind in four counties on 3 August 2020

總的來講，不分系統(tǒng)的平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系在一般情況下，能較好地反映平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系，但對于臺風(fēng)、寒潮等系統(tǒng)的風(fēng)力陣性差異還沒有很好地把握。因此今后將在這方面開展更細(xì)致的研究，能進(jìn)一步提高臺風(fēng)、低壓、冷空氣等系統(tǒng)的訂正水平，提高風(fēng)力要素預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論與討論

本文介紹了一種基于模式偏差分析的風(fēng)力預(yù)報(bào)訂正釋用技術(shù)，該技術(shù)在有效修正模式平均風(fēng)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，利用站點(diǎn)平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系，進(jìn)行訂正釋用，取得了一定的應(yīng)用成效。

得出以下結(jié)論：

1）站點(diǎn)0～33 h逐3 h的預(yù)報(bào)實(shí)況誤差絕對值較為穩(wěn)定，經(jīng)計(jì)算嵊泗、定海、岱山、普陀四站點(diǎn)的絕對值誤差穩(wěn)定為1.32 m/s、2.30 m/s、1.09 m/s、1.09 m/s。

2）站點(diǎn)0～33 h逐3 h的前后時(shí)次平均風(fēng)預(yù)報(bào)實(shí)況絕對誤差與絕對誤差穩(wěn)定值的比值，存在一元線性關(guān)系，且系數(shù)較為穩(wěn)定，可根據(jù)已出的前時(shí)次平均風(fēng)預(yù)報(bào)實(shí)況誤差，用同一公式推算下一時(shí)次的預(yù)報(bào)實(shí)況誤差，進(jìn)而訂正EC風(fēng)力預(yù)報(bào)。

3）基于偏差分析結(jié)論的平均風(fēng)預(yù)報(bào)修正總體上優(yōu)于EC本身的模式預(yù)報(bào)，四個(gè)指標(biāo)站點(diǎn)的平均預(yù)報(bào)實(shí)況絕對誤差分別精減至1.16 m/s、0.86 m/s、0.94 m/s、0.94 m/s，改進(jìn)百分比分別為12%、62%、17%、10%，具有一定的訂正效果，可應(yīng)用于實(shí)際業(yè)務(wù)。

4）對四個(gè)指標(biāo)站點(diǎn)的極大風(fēng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)評估，平均絕對誤差分別為2.12 m/s、2.58 m/s、2.69 m/s、2.86 m/s，總體上基于偏差分析的訂正釋用效果較好。

站點(diǎn)平均風(fēng)極大風(fēng)關(guān)系受地形、風(fēng)力大小、下墊面等因素影響。同一站點(diǎn)，各個(gè)風(fēng)向的地形遮蔽不同，平均風(fēng)極大風(fēng)關(guān)系不同；風(fēng)力越大，平均風(fēng)與極大風(fēng)的插值越大，一元二次模型越能更好地反映此特征；與陸地相比，海面風(fēng)力的陣性明顯較弱，平均風(fēng)和極大風(fēng)相差較小，陸地平均風(fēng)與極大風(fēng)對應(yīng)關(guān)系不適用于海面。針對冷空氣、臺風(fēng)等風(fēng)力陣性較強(qiáng)的系統(tǒng)，還需進(jìn)一步分系統(tǒng)研究其平均風(fēng)極大風(fēng)關(guān)系。