通河縣溫度預(yù)報中對ECMWF細(xì)網(wǎng)格2 m溫度預(yù)報產(chǎn)品的檢驗與應(yīng)用

摘 要：利用2019年1月—2021年12月ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式2 m溫度預(yù)報產(chǎn)品及通河國家基本氣象站逐日最高、最低氣溫實況資料，以ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式為研究對象，利用預(yù)報準(zhǔn)確率（TTK）、平均誤差（TE）、平均絕對誤差（TMAE）和技巧評分（SST）等手段，研究ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式在不同月份、不同天氣條件下的氣溫預(yù)測能力。研究發(fā)現(xiàn)，ECMWF細(xì)網(wǎng)格2 m溫度預(yù)報產(chǎn)品能夠有效對通河縣未來1～2 d的氣溫進行預(yù)報，全年最高氣溫預(yù)報精度達59%，氣溫預(yù)測精度最高溫情況下產(chǎn)品性能略高于最低氣溫；結(jié)果表明，該產(chǎn)品具有較強的季節(jié)性特征，其預(yù)測精度在夏季大于冬季；該模式對降雨和大風(fēng)天氣的預(yù)測效果較好，在有雪和霧的情況下該產(chǎn)品預(yù)報的最低溫度要遠(yuǎn)高于實際情況。

關(guān)鍵詞：ECMWF細(xì)網(wǎng)格；2 m溫度；檢驗；通河

中圖分類號：P456.7 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

隨著社會經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展，公眾對氣溫預(yù)測的精準(zhǔn)度提出了更高的要求，而作為天氣預(yù)報的重要內(nèi)容，氣溫預(yù)報也對人們的生活具有重要影響。數(shù)值預(yù)報技術(shù)的快速發(fā)展、預(yù)報精度的不斷提高，給精細(xì)化天氣預(yù)報提供了重要的科技支撐。但數(shù)值模式的初值過程存在一定誤差，為了更好地使用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，必須對其預(yù)報效果進行檢驗，為精準(zhǔn)預(yù)報提供訂正的依據(jù)。

通河縣位于黑龍江省中部，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。低溫冷害、霜凍災(zāi)害是通河縣主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，經(jīng)常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟造成比較嚴(yán)重的損失[1]。

氣溫預(yù)報對預(yù)防低溫冷害、霜凍等災(zāi)害性具有重要作用[2]。準(zhǔn)確的溫度預(yù)報可以為通河農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)提供更加科學(xué)的指導(dǎo)，為農(nóng)民增產(chǎn)增收提供保障。

1 資料與研究方法

以通河縣為研究對象，結(jié)合國家基本氣象站提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選擇該地2019年1月—2021年12月的最高溫度和最低溫度實況數(shù)據(jù)。ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式2 m溫度預(yù)報資料使用2019年1月—2021年12月共3年的預(yù)報產(chǎn)品。針對每日20：00起報未來24～48 h的溫度預(yù)報資料進行檢驗，從預(yù)報時效內(nèi)的8個時次數(shù)據(jù)中選取最高、最低與第二天的實況最高、最低值做對比。依托TTK、TE、TMAE、SST等手段，對ECMWF模式2 m溫度預(yù)報值按月、季、晴雨類型分別進行檢驗[3]。

預(yù)報準(zhǔn)確率：TTK=×100%

平均誤差：

平均絕對誤差：

Fi代表第i站的預(yù)報溫度；Oi代表第i站的實況溫度；K為1、2，分別代表|Fi－Oi|≤1 ℃、|Fi－Oi|≤2 ℃的條件。在此評估體系中，Mrk和Mfk是2個關(guān)鍵指標(biāo)。Mrk表示預(yù)報準(zhǔn)確的站（次）數(shù)，即滿足K=1或K=2的站（次）數(shù)。Mfk則表示預(yù)報的總站（次）數(shù)，包括所有預(yù)報的站（次）。

預(yù)報準(zhǔn)確率可以通過以下公式計算：

準(zhǔn)確率=Mrk/Mfk×100%

技巧評分：SST=×100%

SST代表ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式2 m氣溫預(yù)測產(chǎn)品最高與最低氣溫預(yù)測值的平均絕對誤差與國家氣象臺的引導(dǎo)預(yù)報相比；TMAEN為中央氣象臺的最高和最低氣溫預(yù)測值的平均絕對誤差；TMAEF則為該產(chǎn)品的最高與最低氣溫預(yù)測值的平均絕對誤差。

2 結(jié)果分析

2.1 年預(yù)報準(zhǔn)確率

根據(jù)中國氣象局對各省區(qū)及地級市的要求，以絕對誤差＜2 ℃作為預(yù)測精度的臨界值。

表1為2019—2021年通河縣ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式不同預(yù)報時效2 m最高氣溫和最低氣溫預(yù)測值的準(zhǔn)確率。結(jié)果表明：對最高氣溫與最低氣溫的預(yù)測精度均值為59%，最高氣溫與最低氣溫的預(yù)測精度分別達到64%和54%，表明該產(chǎn)品在最高溫狀態(tài)下的預(yù)測精度要優(yōu)于最低氣溫的預(yù)測狀態(tài)。在48 h內(nèi)，產(chǎn)品的預(yù)測精度隨時間的增長而有所降低，24 h最高氣溫與最低氣溫的預(yù)測精度分別為66%和54%，而48 h最高氣溫與最低氣溫的預(yù)測精度分別為62%和53%。由此可知，該產(chǎn)品的氣溫預(yù)測對通河縣的最高與最低氣溫預(yù)測值具有一定的參考價值。

2.2 高、低溫預(yù)報季度檢驗

2.2.1 各季溫度預(yù)報準(zhǔn)確率

針對各季溫度預(yù)報準(zhǔn)確率，按季度劃分進行檢驗，3—5月為第一季度，6—8月為第二季度，9—11日為第三季度，12月—翌年2月為第四季度。著重對ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式2 m溫度未來24 h預(yù)報產(chǎn)品各季準(zhǔn)確率進行分析，結(jié)果表明，該產(chǎn)品在夏季即（第二季度）的氣溫預(yù)測精度要顯著優(yōu)于冬季[4]。最高、最低氣溫準(zhǔn)確率均在夏季最高，分別達79%、94%；冬季最低，分別為39%、3%。除第二季度外，該產(chǎn)品在各個季度均表現(xiàn)為當(dāng)季最高溫氣溫預(yù)測精度比最低溫氣溫預(yù)測精度更優(yōu)。

2.2.2 各季誤差檢驗

最高氣溫預(yù)報在第一到第三季度偏離實況程度小，平均偏離值為1.4～1.5 ℃，而第四季度（12月至翌年2月）與實際值偏差最大，其均值與實際值相差臨近2.8 ℃的閾值，第二季度的平均絕對誤差最小為1 ℃左右，最大值為第四季度，其平均誤差值臨近6.5 ℃閾值。第一、第二與第四季度最低氣溫預(yù)報的平均絕對誤差均小于同期最高氣溫預(yù)報的平均誤差，第二季度比最高氣溫預(yù)報的平均值要高，第四季度則與實際氣溫偏差最大。

2.3 高、低溫預(yù)報逐月檢驗

2.3.1 預(yù)報準(zhǔn)確率檢驗

從圖1可以看出，通河縣最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率在4月最高，達88%，而在12月準(zhǔn)確率最低為27%。3—11月最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率＞60%。1—2月最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率＜50%，說明冬季的預(yù)測精度不佳，預(yù)測準(zhǔn)確率為20%～50%。6—8月最低溫度的預(yù)測準(zhǔn)確率在90%以上，6、7月最高，均為95%，1月、2月、11月和12月的預(yù)測準(zhǔn)確率都在40%以下，1月的預(yù)測準(zhǔn)確率只有6%。最高溫度的預(yù)測精度比最低溫度的預(yù)測精度要高，最低溫度的預(yù)測能力存在較大的季節(jié)性差異。

2.3.2 誤差檢驗

圖2為2019年1月—2021年12月ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式2 m溫度未來24 h的最高氣溫和最低溫度的誤差，檢驗ECMWF細(xì)網(wǎng)格2 m產(chǎn)品預(yù)測的平均誤差和平均絕對誤差，并對預(yù)測結(jié)果與實際數(shù)據(jù)的整體偏差進行定量分析，從而更直觀地了解產(chǎn)品氣溫預(yù)測與實際數(shù)據(jù)的整體偏差度。

由圖2a可知，最高溫度的平均誤差在季節(jié)上也存在顯著差異，4—10月的產(chǎn)品平均誤差值為負(fù)值，11月至翌年3月產(chǎn)品的平均誤差值為正，這一轉(zhuǎn)變的時段正好是第四、第一季度向第三、第四季度的轉(zhuǎn)折期。由圖2c可知，3—11月的最高溫度預(yù)測值與實際的偏差不大，均在1.9 ℃以下，而第四季度的偏差則快速增加，達到2.5～2.0 ℃。

由圖2b可以看出，下半年的氣溫預(yù)測值與實際值相近，而在第四季度則快速變暖，1月的升幅最大，達到6～7 ℃，這一轉(zhuǎn)變的時間點，正好是第四、第一與第三季度之間的過渡期。

由圖2d可知，最低氣溫的平均絕對誤差在4—10月較實況偏離程度較小，均在2.0 ℃以下，而11—翌年3月的偏差則急劇上升，達到3.0～6.8 ℃。

綜上所述，該產(chǎn)品對通河縣未來1～2d的氣溫預(yù)測具有較高的參考價值，通河縣的溫預(yù)報能力受季節(jié)變化影響顯著，在第四、第一季度和第三、第四季度的過渡時期，產(chǎn)品的氣溫預(yù)測誤差值顯著提升。

2.4 典型天氣過程溫度檢驗

在日常氣溫預(yù)測中，預(yù)報員對相對穩(wěn)定天氣的把握度較高，而轉(zhuǎn)折性天氣則對天氣預(yù)報的預(yù)測精度產(chǎn)生較大的考驗。結(jié)合通河本地氣候特點和預(yù)報難點，選取2019年1月—2021年12月降雨、降雪、大風(fēng)、大霧天氣類型（表2），鑒于第一、第三季度是雨雪天氣的轉(zhuǎn)換時期，天氣對雨、雪的狀況難以分辨。為了便于研究，將4—10月08：00至翌日08：00連續(xù)0.1 mm的降水量作為雨天；11月至翌年3月08：00至翌日08：00，降水量＞0.1 mm作為雪天；全年08：00至翌日08：00出現(xiàn)極大風(fēng)速超過17.2 m/s的風(fēng)定義為大風(fēng)日；全年08：00至翌日08：00出現(xiàn)能見度＜1 kW的霧，定義為大霧日，并分析了4種類型氣象條件下的氣溫預(yù)測效果。

其中，降水日最高溫度和最低溫度的預(yù)測精度比較高，分別達到75.9%和82.8%，均高于全年平均值，并且具有良好的穩(wěn)定性，平均絕對誤差＜1.5 ℃。在261 d中，9次最高溫度預(yù)測偏差＞4 ℃，其中，2個為正誤差，7個為負(fù)誤差；在預(yù)測中，有6次最低溫度預(yù)報偏差＞4 ℃，有2個正誤差、4個負(fù)誤差。

在各類天氣變化中，ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式2 m溫度產(chǎn)品受積雪對氣溫的影響最為顯著，最高氣溫和最低氣溫的預(yù)測精度分別為58.7%、33.9%，在所有類型的天氣過程中是最低的，預(yù)測的穩(wěn)定性也不高。主要原因在于積雪期間逆溫的破壞和維持都會對氣溫預(yù)報產(chǎn)生影響。最高溫度預(yù)測的平均絕對誤差為2.0、3.9 ℃，最高溫度預(yù)測最大誤差為9.2 ℃，其中，9次偏差＞4 ℃，且全部為正誤差；最低溫度預(yù)測最大偏差值為14.2 ℃，其中50次與4 ℃以上偏差＞45%，其中45次為正誤差，5次為負(fù)誤差。

ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式2 m產(chǎn)品在大風(fēng)日天氣預(yù)報中，最高氣溫預(yù)報精度為86.4%，最低溫度預(yù)報精度為71.2%。最高溫度和最低溫度的預(yù)測比較平穩(wěn)，平均絕對偏差分別為1.1 ℃和1.6 ℃。最高溫度預(yù)測值最大值為5.7 ℃，其中一個值偏差＞4 ℃。對最低溫度的最大預(yù)測偏差為7.2 ℃，其中，6次偏差＞4 ℃，4次為正誤差，2次為負(fù)誤差。

ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式2 m溫度產(chǎn)品受大霧影響也較大，其中，最高溫度預(yù)報精度為62.1%，最低溫度預(yù)測精度為51.5%，最高溫度預(yù)測精度比最低溫度預(yù)測精度稍好，平均絕對偏差均在2 ℃以上。最高溫度預(yù)測最大偏差為8 ℃，其中，11次偏差＞4 ℃，全部為正值；最低溫度預(yù)測最大偏差達到14 ℃，其中，24次偏差＞4 ℃，發(fā)生概率＞36%，全部為正值?？梢姰a(chǎn)品在大霧的情況下最低溫度預(yù)測值要比實際值高得多。

3 結(jié)論與討論

（1）ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式2 m氣溫預(yù)報產(chǎn)品對通河縣的氣溫預(yù)報具有參考意義。該產(chǎn)品全年各預(yù)報時效平均預(yù)報準(zhǔn)確率為59%，該產(chǎn)品在最高氣溫的預(yù)報水平要高于最低氣溫，同時該產(chǎn)品的預(yù)報時效與準(zhǔn)確率存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）該產(chǎn)品存在顯著的季節(jié)差異性，該產(chǎn)品在夏季的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性上要顯著高于冬季的平均水平，第四季度最高氣溫、最低氣溫偏離值較大，同時第四季度是影響年度氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率的主要原因。

（3）模式最高氣溫3—11月預(yù)報準(zhǔn)確率較高，在60%以上，4月最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高，達88%，12月準(zhǔn)確率最低。第四季度的氣溫預(yù)測值與實際情況相比偏離較大。最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率在1月最低，6—8月最高。

（4）該產(chǎn)品在一定程度上受天氣類型影響，受雪天、霧天的影響較大，受雨天、大風(fēng)天的影響較小，同時天氣類型的變化會導(dǎo)致該產(chǎn)品模型最低氣溫預(yù)報高于實際情況。

參考文獻

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收稿日期：2024-05-11

作者簡介：譚雪玥（1987—），女，黑龍江通河人，高級工程師，研究方向為預(yù)報預(yù)測。