付炳秀， 王同美， 韋翠， 鄧志明

(1．仁化縣氣象局，廣東仁化　512300；2．中山大學(xué)大氣科學(xué)系，廣東廣州　510275；3.清遠(yuǎn)市氣象局，廣東清遠(yuǎn)　511510)

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基于CFSv2對夏季西太平洋副高逐日預(yù)測能力的檢驗(yàn)評估

付炳秀1， 王同美2， 韋翠3， 鄧志明1

(1．仁化縣氣象局，廣東仁化512300；2．中山大學(xué)大氣科學(xué)系，廣東廣州510275；3.清遠(yuǎn)市氣象局，廣東清遠(yuǎn)511510)

摘要：利用NCEP的氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)第2版(CFSv2)提供的2000—2010年夏季逐日500 hPa位勢高度歷史回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果，通過均方根誤差分析等方法，檢驗(yàn)評估了該系統(tǒng)對夏季500 hPa西太平洋副高的預(yù)測能力，發(fā)現(xiàn)CFSv2對夏季西太平洋500 hPa位勢高度場的整體相關(guān)性較高。CFSv2對副高西脊點(diǎn)和脊線位置的1～7 d的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在61.8%以上，對副高面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)以及北界位置6～42 h預(yù)報(bào)時效的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在60%以上。此外，對副高面積指數(shù)、強(qiáng)度值和北界位置的預(yù)測結(jié)果作功率譜分析，得出CFSv2對500 hPa副高強(qiáng)度指數(shù)1～7 d預(yù)測能力的變化在6—8月存在著顯著的2.2～3.3 d的變化周期。

關(guān)鍵詞：氣象預(yù)報(bào)； 氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)第2版； 西太平洋副高； 預(yù)測檢驗(yàn)評估

美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的氣候預(yù)測系統(tǒng)第2版(CFSv2)于2011年3月開始進(jìn)行業(yè)務(wù)實(shí)時預(yù)測，并提供了1982—2010年的回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果[1]。目前基于CFSv2的研究工作主要集中于氣溫、降雨以及季節(jié)振蕩方面的預(yù)測能力研究[2-6]。在大尺度環(huán)流的回報(bào)檢驗(yàn)方面，陳官軍等[7]曾利用CFS提供的歷史回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)并評估了其對夏季東亞地區(qū)大氣環(huán)流的預(yù)報(bào)技巧和系統(tǒng)誤差，而對一些在天氣預(yù)測方面具有指示意義的具體環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)測評估，如西太平洋副熱帶高壓這一對我國夏季天氣及短期氣候預(yù)測都有著非常重要影響的系統(tǒng)，暫無相關(guān)工作報(bào)告發(fā)表。

本研究將采用CFSv2的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，對夏季500 hPa副高的中短期歷史回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，找出CFSv2預(yù)報(bào)模式對500 hPa副高的預(yù)測上存在的偏差，從而為預(yù)報(bào)員分析數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品提供客觀依據(jù)，向模式研發(fā)人員提供更多的反饋信息。

1資料與方法

1.1資料

CFSv2所提供的2000—2010年的夏季(6—8月)逐日歷史回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果資料，預(yù)報(bào)時效從6 ～162 h，間隔6 h，本研究使用此歷史回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果資料作為副高預(yù)測場。NCEP提供的2000—2010年的夏季(6—8月)FNL 500 hPa位勢高度場再分析資料，作為CFSv2對500 hPa副高預(yù)測檢驗(yàn)的再分析場。資料的水平網(wǎng)格分辨率均為1°×1°。

1.2方法

1)異常相關(guān)系數(shù)(abnormal correlation coefficient，ACC)：異常相關(guān)系數(shù)越趨近于1.0，表示2個變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度越高，2個變量的變化趨勢也越相近。

2)均方根誤差(root．mean—square error，RMSE)：均方根誤差用于衡量觀測值同真值之間的偏差。

3)功率譜分析：用于了解對副高的預(yù)測能力在6—8月的低頻信號分布。

2預(yù)測能力檢驗(yàn)

2.1夏季500 hPa位勢高度預(yù)測場和再分析場的相關(guān)分析

在天氣預(yù)報(bào)分析過程中，588 dagpm特征線是劃分副高脊線、西脊點(diǎn)的重要參考線。因此，有必要了解預(yù)測檢驗(yàn)工作是否有位勢高度場的高相關(guān)性進(jìn)行匹配。本研究對夏季500 hPa位勢高度場的預(yù)測場和再分析場進(jìn)行相關(guān)分析，由于對500 hPa副高預(yù)測的檢驗(yàn)主要區(qū)域在60°—180°E，10°N以北，故選取該區(qū)域進(jìn)行相關(guān)分析。

圖1是從各預(yù)報(bào)時效對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分布圖中選取的4個預(yù)報(bào)時效所對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分布圖，在中緯度10°—50°N，80°—180°E區(qū)域的相關(guān)性都較高，在靠近赤道區(qū)域相關(guān)性都很差，而在30°N以北地區(qū)，相關(guān)性隨著預(yù)報(bào)時效的增長有明顯的下降。CFSv2歷史回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果對500 hPa位勢高度場的預(yù)報(bào)能力在空間上隨預(yù)報(bào)時效的增長而下降。在10°—50°N，80°—180°E的范圍內(nèi)，預(yù)測場與再分析場的相關(guān)系數(shù)也基本達(dá)到0.65，通過α=0.05的可信度檢驗(yàn)，CFSv2對西太平洋500 hPa副高的預(yù)測值得檢驗(yàn)。

圖1　預(yù)測場與分析場的相關(guān)系數(shù)分布

2.2對500 hPa西太平洋副高的預(yù)測檢驗(yàn)

1)副高指數(shù)定義。

目前我國業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的氣候預(yù)測中使用副高的5個指數(shù)(北界位置、脊線位置、面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)、西伸脊點(diǎn))來表征副高。本研究參考中央氣象臺長期預(yù)報(bào)組在長期天氣預(yù)報(bào)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)工作中副高指數(shù)的定義[8]，陳官軍等人在基于低頻振蕩特征的夏季江淮持續(xù)性降水延伸期預(yù)報(bào)方法工作中副高強(qiáng)度指數(shù)、脊線位置以及西脊點(diǎn)的定義[9]，并結(jié)合CFSv2提供的歷史回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)以及編程計(jì)算的特點(diǎn)，對引用的各種副高指數(shù)定義修改后定義如下：

(1)面積指數(shù)(Subtropical High Area index，SubHA)：在網(wǎng)格數(shù)據(jù)為1°×1°的500 hPa位勢高度圖上，110°—180°E，10°N以北范圍內(nèi)，位勢高度大于588 dagpm網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)稱為副高的面積指數(shù)。

(2)強(qiáng)度指數(shù)(Subtropical High Intensity index，SubHI)：10°N以北，110°—150°E范圍內(nèi)，大于588 dagpm的編碼之和為副高的強(qiáng)度指數(shù)。(對≥588 并<589 dagpm的數(shù)值編碼為1，≥589 并<590 dagpm的數(shù)值編碼為2，其余類推)

(3)西脊點(diǎn)(Western end of the Subtropical High ridge，SubHW)：取90°—180°E范圍內(nèi)，位勢高度值大于等于588 dagpm并且位置最西的格點(diǎn)所在經(jīng)度定義為副高的西脊點(diǎn)。

(4)脊線位置(The position of Subtropical High Ridge，SubHR)：在110°—150°E范圍內(nèi)，以赤道500 hPa位勢高度值為基準(zhǔn)，求北半球各個維度與赤道500 hPa位勢高度值偏差最大的格點(diǎn)的緯度平均值，將此平均值定義為脊線位置。

(5)北界位置(The northern boundary of Subtropical High，SubHN)：在110°—150°E范圍內(nèi)，分別求各個經(jīng)度所對應(yīng)的大于等于588 dagpm并且位于該經(jīng)度最北位置的格點(diǎn)的緯度，取這些格點(diǎn)的緯度平均值定義為北界位置。

2)對副高指數(shù)的預(yù)測檢驗(yàn)。

(1)副高指數(shù)均方根誤差檢驗(yàn)。

均方根誤差用來衡量觀測值同真值之間的偏差，誤差越小，表明預(yù)報(bào)越準(zhǔn)確?；陬A(yù)測場與再分析場的相關(guān)系數(shù)基本達(dá)到0.65，CFSv2對西太平洋500 hPa副高的預(yù)測值得檢驗(yàn)的結(jié)論，本研究對6—8月份各預(yù)報(bào)時段的預(yù)測場和再分析場的5個副高指數(shù)分別求RMSE，得到一個隨6—8月以及預(yù)報(bào)時效變化的二維均方根誤差分布圖(圖2)。

圖2　各副高指數(shù)RMSE隨時間分布

在圖2各副高指數(shù)RMSE隨時間分布圖中，各副高指數(shù)的RMSE值均隨著預(yù)報(bào)時效的增長而增大，表明預(yù)測場對5個副高指數(shù)的預(yù)測能力均隨著預(yù)報(bào)時效的增長而下降。副高面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)和北界位置的RMSE值分布在6—8月則呈現(xiàn)先增后減的變化，說明CFSv2對副高面積指數(shù)和強(qiáng)度指數(shù)以及北界位置的預(yù)測能力在6—8月先減后增。預(yù)測場對副高西脊點(diǎn)的預(yù)測能力在6—8月期間遞增，對脊線位置的預(yù)測能力在6—8月期間遞減。從各副高指數(shù)的RMSE值分布圖對比，預(yù)測場對副高西脊點(diǎn)和脊線位置的預(yù)測效果比對副高面積指數(shù)和強(qiáng)度指數(shù)以及北界位置的預(yù)測效果更好。

此外，CFSv2對副高面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)和北界位置的預(yù)測能力在6—8月的變化中有比較明顯的、有規(guī)律的波動，這種波動在72 ～144 h預(yù)報(bào)時效的預(yù)報(bào)中更為明顯。

(2)預(yù)測場對各副高指數(shù)的預(yù)測評分。

根據(jù)各副高指數(shù)的均方根誤差時間分布情況，選定面積指數(shù)的誤差范圍≤100，強(qiáng)度指數(shù)的誤差范圍為≤200，西脊點(diǎn)的誤差范圍≤5，脊線位置的誤差范圍≤3，北界位置的誤差范圍≤6，再分別對各副高指數(shù)在預(yù)測場中的值和再分析場中的值做差值后取其絕對值，若所得的絕對值在選定的相應(yīng)誤差范圍內(nèi)則認(rèn)為預(yù)報(bào)成功。為更直觀了解預(yù)測評分變化，本研究分別將統(tǒng)計(jì)的各副高指數(shù)預(yù)報(bào)成功的次數(shù)與總預(yù)報(bào)次數(shù)求比值，并將所得比值作為預(yù)測評分，得到預(yù)測評分圖(圖3)。圖3是CFSv2對夏季500 hPa 5個副高指數(shù)6～162 h預(yù)報(bào)時效的預(yù)測評分，預(yù)報(bào)時效間隔為6 h，預(yù)測評分滿分為1分。此外，圖3中評分?jǐn)?shù)值乘以100%后即為預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

圖3　預(yù)測場對各副高指數(shù)6～162 h預(yù)報(bào)時效的預(yù)測評分

從圖3中的數(shù)據(jù)可以看出，預(yù)測場對夏季500 hPa西太平洋5個副高指數(shù)的預(yù)測評分在整體上均隨著預(yù)報(bào)時效的增長呈現(xiàn)著下降的趨勢。副高西脊點(diǎn)和脊線位置的預(yù)測評分最低分為0.618和0.665，其預(yù)報(bào)成功的誤差范圍分別是5個經(jīng)度和3個緯度。CFSv2對夏季副高西脊點(diǎn)和脊線位置在7 d內(nèi)的預(yù)報(bào)中整體的預(yù)報(bào)評分較高，誤差范圍較小。CFSv2對西脊點(diǎn)和脊線位置的1～7 d的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在61.8%以上，對面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)以及北界位置6～42 h預(yù)報(bào)時效的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率基本在60%以上。

(3)預(yù)測能力的頻譜分析。

基于在均方根誤差時間分布的分析中預(yù)測場對副高面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)以及北界位置的預(yù)測能力在6—8月份存在較明顯且有規(guī)律的波動特點(diǎn)，本研究對副高面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)以及北界位置6—8月的均方根誤差值進(jìn)行功率譜分析，并將相應(yīng)周期的譜密度除以α=0.05的紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜，繪制成6—8月CFSv2對500 hPa副高面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)和北界位置預(yù)測能力的譜比值分布(圖4)，當(dāng)譜比值>1.0時代表該周期超過0.05顯著性檢驗(yàn)水平，比值越大表明周期越顯著。

副高強(qiáng)度指數(shù)預(yù)測能力的譜比值分布圖(圖4)顯示，在6～162 h預(yù)報(bào)中，CFSv2對6—8月500 hPa副高強(qiáng)度指數(shù)的預(yù)測能力變化存在著通過檢驗(yàn)的2.2～3.3 d的變化周期，其中最顯著的變化周期為2.5和2.9 d。在副高面積、北界位置指數(shù)預(yù)測能力的譜比值分布圖(圖略)中，CFSv2對副高面積指數(shù)和北界位置的預(yù)測能力在6—8月期間通過檢驗(yàn)的變化周期零散分布于個別預(yù)報(bào)時效中，變化周期不明顯。CFSv2對副高面積指數(shù)的預(yù)測能力變化在42、66、78、90、96和138 h預(yù)報(bào)中有通過檢驗(yàn)的2.5～3.3 d的變化周期。CFSv2對6—8月500 hPa北界位置的預(yù)測能力變化在42和66 h預(yù)報(bào)中都存在著通過檢驗(yàn)的3.3 d左右的變化周期，在60和78 h預(yù)報(bào)中存在通過檢驗(yàn)的2.5 d左右的周期。通過對副高面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)和北界位置預(yù)測能力的譜比值分布圖的對比分析，發(fā)現(xiàn)在副高面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)、北界位置的周期顯著性中，CFSv2對強(qiáng)度指數(shù)的預(yù)測能力變化周期最為明顯。

圖4　6—8月CFSv2對500 hPa副高強(qiáng)度預(yù)測能力的譜比值分布

3結(jié)論

1)在10°—50°N，80°—180°E的范圍內(nèi)，預(yù)測場與再分析場的相關(guān)系數(shù)基本達(dá)到0.65，通過了α=0.05的可信度檢驗(yàn)，CFSv2對西太平洋500 hPa副高的預(yù)測值得檢驗(yàn)。CFSv2歷史回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果對500 hPa位勢高度場的預(yù)報(bào)能力在空間上隨預(yù)報(bào)時效的增長而下降。

2)CFSv2歷史回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果對5個副高指數(shù)的預(yù)測能力都隨著預(yù)報(bào)時效的增長而下降。CFSv2對副高面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)和北界位置的預(yù)測能力在6—8月期間先減后增，對副高西脊點(diǎn)的預(yù)測能力在6—8月期間遞增，對副高脊線位置的預(yù)測能力在6—8月期間遞減。

3)預(yù)測場對夏季西太平洋500 hPa 5個副高指數(shù)的預(yù)測評分在整體上均隨著預(yù)報(bào)時效的增長呈現(xiàn)著下降的趨勢。CFSv2對副高西脊點(diǎn)和脊線位置的1～7 d的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在61.8%以上，對副高面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)以及北界位置6～42 h預(yù)報(bào)時效的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在60%以上。

4)在6～162 h各個預(yù)報(bào)時段中，CFSv2對副高強(qiáng)度指數(shù)的預(yù)測能力在6—8月期間有2.2～3.3 d的變化周期，其中最顯著的變化周期為2.5和2.9 d。CFSv2對副高面積指數(shù)和副高北界位置的預(yù)測能力在6—8月期間通過檢驗(yàn)的變化周期零散分布于個別預(yù)報(bào)時效中，變化周期不明顯。

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收稿日期：2015-08-22

作者簡介：付炳秀(1990年生)，女，本科，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作和地面氣象觀測。E-mail：fubingx@126.com

中圖分類號：P456

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.02.004

Testing and Assessment of Capabilities of Day-to-Day Predicting ofSummertime West Pacific Subtropical High Based on CFS v2

FUBing-xiu1,WANGTong-mei2,WEICui3,DENGZhi-ming1

(1. Meteorological Bureau of Renhua County, Renhua 512300; Department of Atmospheric Sciences,Sun Yet-Sen University, Guangzhou 510275; Meteorological Bureau of Qingyuan City, Qingyuan 511510)

Abstract：Using historical hindcasts of day-to-day 500-hPa geopotential heights from 2000 to 2010 given by the second version of Climate Forecasting System of NCEP (CFSv2) and with the methods such as the root mean square analysis, we tested and assessed its capabilities of predicting summertime day-to-day 500-hPa geopotential heights, with the finding that CFSv2 has high overall correlation with the geopotential field for the same level. Its accuracy is more than 61.8% in predicting the westernmost point and position of the subtropical high ridge one to seven days ahead and more than 60% in predicting the area and intensity indexes as well as the position of the northern boundary of the subtropical high for the coming 6-42 h. Besides, CFSv2 varies with a significant period of 2.2 to 3.3 d in June to August when it is used to predict the intensity index at 500 hPa.

Key words：weather forecast; second version of Climate Forecasting System; western Pacific subtropical high; testing and assessment of prediction

付炳秀， 王同美， 韋翠， 等.基于CFSv2對夏季西太平洋副高逐日預(yù)測能力的檢驗(yàn)評估[J].廣東氣象，2016,38(2)：15-19.