呂 靜，姚 浪，聶 祥，萬漢蕓，柯莉萍

(1.貴州省威寧彝族回族苗族自治縣氣象局，貴州 威寧 553100；2.貴州省畢節(jié)市氣象局，貴州 畢節(jié) 551700)

0 引言

數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)在給定一定邊界條件和初始場(chǎng)的條件下給出了不同預(yù)報(bào)時(shí)效的天氣預(yù)報(bào)，甚至能夠?qū)庀笠剡M(jìn)行定量預(yù)報(bào)，為預(yù)報(bào)員日常工作提供了較為可靠的參考依據(jù)，是天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)不可或缺的重要工具。目前我國(guó)預(yù)報(bào)員運(yùn)用比較多的數(shù)值預(yù)報(bào)模式主要有EC預(yù)報(bào)模式、Grapes預(yù)報(bào)模式、日本預(yù)報(bào)模式等。我國(guó)幅員遼闊，各地氣候特征差異明顯，各家模式預(yù)報(bào)在不同地域的預(yù)報(bào)效果也不一樣。由于數(shù)值模式對(duì)地面要素預(yù)報(bào)水平差，當(dāng)天氣形勢(shì)比較穩(wěn)定時(shí)，溫度預(yù)報(bào)結(jié)果穩(wěn)定，當(dāng)有轉(zhuǎn)折性天氣時(shí)，預(yù)報(bào)結(jié)果不穩(wěn)定，準(zhǔn)確率低[1]。為了提高預(yù)報(bào)質(zhì)量，需要對(duì)數(shù)值模式預(yù)報(bào)進(jìn)行本地化釋用。

截至到目前很多學(xué)者針對(duì)EC細(xì)網(wǎng)格2 m溫度的預(yù)報(bào)進(jìn)行了檢驗(yàn)。王婧[2]對(duì)天津市EC 2 m溫度預(yù)報(bào)的分析表明預(yù)報(bào)質(zhì)量隨預(yù)報(bào)時(shí)效增加而降低，白天預(yù)報(bào)略優(yōu)于夜間，夏秋優(yōu)于冬春。萬明[3]等人研究提出地形影響江西省溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。張超[4]等檢驗(yàn)烏魯木齊市溫度預(yù)報(bào)結(jié)果表明模式對(duì)降雨、降雪時(shí)的溫度預(yù)報(bào)較好，大霧天氣差。陳海鳳[5]提出不同天氣背景下貴陽地區(qū)的溫度預(yù)報(bào)效果不同。陳茜茜[6]檢驗(yàn)了遵義市溫度預(yù)報(bào)效果，并用平均絕對(duì)誤差進(jìn)行訂正，訂正效果明顯。

畢節(jié)地區(qū)位于云貴高原東斜坡上，是四川盆地和廣西丘陵之間的高原山區(qū)，與平原地區(qū)相比，溫度預(yù)報(bào)難度更大。EC細(xì)網(wǎng)格2 m溫度的預(yù)報(bào)是畢節(jié)地區(qū)可信度較高的模式預(yù)報(bào)之一，但目前并沒有對(duì)其預(yù)報(bào)效果進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，有必要針對(duì)本地模式溫度預(yù)報(bào)進(jìn)行釋用分析。鑒于轉(zhuǎn)折性天氣過程中溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率低，當(dāng)前對(duì)于EC細(xì)網(wǎng)格2 m溫度預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)分析雖然很多，但并沒有專門對(duì)轉(zhuǎn)折性天氣過程討論，所以需要分升溫、平穩(wěn)、降溫3類天氣過程檢驗(yàn)溫度預(yù)報(bào)效果，為下一步模式溫度預(yù)報(bào)訂正奠定基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文使用的預(yù)報(bào)資料為2016—2018年冬季(12月、1月、2月)EC細(xì)網(wǎng)格數(shù)值模式2 m溫度預(yù)報(bào)場(chǎng)資料，分辨率為 0.25°×0.25°，預(yù)報(bào)場(chǎng)格點(diǎn)資料以離該格點(diǎn)最近的值作為該站的預(yù)報(bào)值。模式預(yù)報(bào)起始時(shí)間為每日20時(shí)，預(yù)報(bào)時(shí)效為1～5 d，對(duì)02、14時(shí)的溫度預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)分析(文中02時(shí)1～5 d內(nèi)的預(yù)報(bào)對(duì)應(yīng)EC細(xì)網(wǎng)格2 m溫度預(yù)報(bào)6、30、54、78、102 h預(yù)報(bào)時(shí)效；14時(shí)1～5 d內(nèi)的預(yù)報(bào)對(duì)應(yīng)18、42、 66、90、114 h預(yù)報(bào)時(shí)效，后文中統(tǒng)一使用1～5 d內(nèi)預(yù)報(bào)時(shí)效)。實(shí)況數(shù)據(jù)為2016—2018年冬季(12月、1月、2月)畢節(jié)市8個(gè)國(guó)家站02、14時(shí)的地面整點(diǎn)氣溫資料。

1.2 檢驗(yàn)方法

以實(shí)況資料14時(shí)的溫度為基準(zhǔn)，設(shè)前后兩天的絕對(duì)溫差ΔT=T2-T1，定義ΔT>5 ℃為升溫天氣，ΔT<-5 ℃為降溫天氣，|ΔT|≤5 ℃為平穩(wěn)天氣，在3 a溫度預(yù)報(bào)平均的基礎(chǔ)上再處理，計(jì)算不同天氣過程的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、平均絕對(duì)誤差、絕對(duì)誤差，從而分析畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度在不同天氣過程的預(yù)報(bào)效果。溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的實(shí)際含義是溫度預(yù)報(bào)誤差≤2 ℃的百分率。設(shè)Nr為預(yù)報(bào)正確的次數(shù)，N為總的預(yù)報(bào)次數(shù)，F(xiàn)i為某格點(diǎn)第i天的預(yù)報(bào)溫度，Qi為某格點(diǎn)第i天的實(shí)況溫度，具體計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

絕對(duì)誤差：ΔT=Fi-Qi

(3)

2 結(jié)果分析

2.1 畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率

通過分析畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度1～5 d內(nèi)站點(diǎn)平均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率(圖1)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同時(shí)次的預(yù)報(bào)，02時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率比14時(shí)高約10%；不同預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，02時(shí)和14時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率波動(dòng)不大。1～5 d中，02時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率約65%；14時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率小于60%，在55%左右。畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度對(duì)02、14時(shí)的站點(diǎn)平均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率都不高，在預(yù)報(bào)工作中的參考意義不大，但是由于畢節(jié)地區(qū)地形影響較大，不排除個(gè)別站點(diǎn)極端值的影響，所以在下面的分析中考慮站點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)確率的影響。

圖1 畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度1～5 d內(nèi)站點(diǎn)平均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率Fig.1 Average forecast accuracy of stations within 1～5 days of 2 m temperature in winter in Bijie area

圖2a是畢節(jié)地區(qū)冬季8個(gè)站點(diǎn)02時(shí)EC 2 m溫度1～5 d內(nèi)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，從不同站點(diǎn)的預(yù)報(bào)情況來看，除了赫章站以外，其余站點(diǎn)02時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率都大于60%。其中大方站總體預(yù)報(bào)效果最好，5 d內(nèi)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率都在70%以上，最高可達(dá)88%；而赫章站的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不到50%；其余站點(diǎn)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在60%～80%之間不均勻分布。圖2b是14時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，準(zhǔn)確率分布特征與02時(shí)一致，赫章站的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率比其他各站點(diǎn)明顯偏低；14時(shí)大部分站點(diǎn)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在50%～60%之間。比較圖2a、2b發(fā)現(xiàn)02時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高，預(yù)報(bào)參考意義大，14時(shí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率低，預(yù)報(bào)偏差大，在使用過程中需要人工訂正，這與圖1的結(jié)論相符合；另外對(duì)02、14時(shí)各站點(diǎn)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率進(jìn)行一步分析表明，赫章站的預(yù)報(bào)效果異常差，這是造成全市站點(diǎn)平均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低的重要原因；其余站點(diǎn)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相差不大，預(yù)報(bào)結(jié)果有一定參考意義。

圖2 各站點(diǎn)02時(shí)(a)、14時(shí)(b)1～5 d預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率Fig.2 Accuracy of temperature prediction within 1～5 days at 02∶00 (a) and 14∶00(b) for each station

關(guān)于赫章站預(yù)報(bào)質(zhì)量異常低，可能是地形和準(zhǔn)靜止鋒活動(dòng)兩方面的原因。畢節(jié)地區(qū)西高東低，境內(nèi)重巒疊峰，溝壑不平，地形對(duì)天氣系統(tǒng)的影響大。冬季云貴準(zhǔn)靜止鋒活躍，鋒面位置在畢節(jié)地區(qū)擺動(dòng)，準(zhǔn)靜止鋒前后天氣差別很大。數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)地形影響和鋒面位置預(yù)報(bào)能力較差。赫章地勢(shì)西部高東部低，南北高中部低，南部韭菜坪海拔2 900 m，是全省海拔最高的地方。測(cè)站南北兩側(cè)為東西走向的山脈，地勢(shì)低，地形較其他站點(diǎn)更為復(fù)雜，一般吹東北風(fēng)。較高的山脈對(duì)北部南下赫章的冷空氣有阻擋作用，同時(shí)影響赫章的冷空氣也不易翻越山脈。冬半年云貴準(zhǔn)靜止鋒常在赫章一帶擺動(dòng)，模式很難準(zhǔn)確預(yù)報(bào)準(zhǔn)靜止鋒擺動(dòng)日變化的幅度和位置對(duì)赫章的影響。總的來說，相同的天氣背景下赫章溫度預(yù)報(bào)質(zhì)量比其余站點(diǎn)要差。

02時(shí)溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高，隨機(jī)抽取2018年12月21—24日02時(shí)1～3 d時(shí)效溫度預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)。分析發(fā)現(xiàn)21—23日兩股冷空氣先后南下影響畢節(jié)地區(qū)，赫章中小尺度地形復(fù)雜，模式不能準(zhǔn)確計(jì)算地形影響系數(shù)，預(yù)報(bào)誤差比其他站點(diǎn)大2～3 ℃左右。21日貴州中部靜止鋒建立，赫章實(shí)況6.9 ℃，模式預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差4.9 ℃，其余站點(diǎn)絕對(duì)誤差平均為1～2 ℃；22—23日靜止鋒活躍西進(jìn)，赫章預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差4 ℃，其余站點(diǎn)小于2 ℃；24日靜止鋒東退北抬，赫章預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差3.6 ℃，其余站點(diǎn)基本在2 ℃以內(nèi)。模式總體考慮鋒面對(duì)赫章的影響與實(shí)況偏差大，赫章的溫度預(yù)報(bào)誤差大于其他站點(diǎn)。21—24日天氣過程中溫度預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)結(jié)果與上面關(guān)于赫章預(yù)報(bào)質(zhì)量差的分析一致。

2.2 畢節(jié)地區(qū)冬季不同天氣過程中EC 2 m溫度預(yù)報(bào)效果

2.2.1 不同天氣過程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分析 檢驗(yàn)冬季不同天氣過程中1～5 d內(nèi)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)02時(shí)的溫度預(yù)報(bào)，1～4 d預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在60%左右，而第5 d預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率偏小，不到35%；1～2 d、5 d平穩(wěn)天氣總體預(yù)報(bào)效果較好，3～4 d降溫過程預(yù)報(bào)效果更好，5 d內(nèi)升溫過程相對(duì)另外兩個(gè)天氣過程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率略低；14時(shí)的溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率總體隨時(shí)間呈波動(dòng)性減小，1～2 d降溫天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率更高，3～5 d平穩(wěn)天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率更大，升溫天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最低。02時(shí)3個(gè)天氣過程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相差不大，14時(shí)平穩(wěn)天氣和降溫天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相差不大，且都比升溫天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率大。比較3個(gè)天氣過程的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可以看出平穩(wěn)天氣和降溫天氣中EC 2 m溫度預(yù)報(bào)效果都比較好，且兩個(gè)天氣過程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相差不大；升溫天氣中溫度預(yù)報(bào)效果比平穩(wěn)天氣和升溫天氣都差。

2.2.2 冬季不同天氣過程預(yù)報(bào)誤差分析

2.2.2.1 不同天氣過程預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差分析 表1分別給出了升溫、平穩(wěn)和降溫3類天氣過程中1～5 d預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)02時(shí)溫度預(yù)報(bào)的平均絕對(duì)誤差。分析發(fā)現(xiàn)，升溫天氣的預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差2.07 ℃(3 d)～4.61 ℃(5 d)；平穩(wěn)天氣過程中平均絕對(duì)誤差1.70 ℃(2 d)～3.95 ℃(5 d)；降溫天氣過程溫度預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差1.74 ℃(3 d)～5.07 ℃(5 d)。1～4 d內(nèi)3類天氣過程的平均誤差波動(dòng)不大，基本為2 ℃；第5 d預(yù)報(bào)平均誤差異常偏大，比1～4 d預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)平均絕對(duì)誤差高2～3 ℃。平穩(wěn)天氣和降溫天氣過程預(yù)報(bào)平均誤差<2 ℃，升溫天氣預(yù)報(bào)平均誤差>2 ℃，前兩者的溫度預(yù)報(bào)效果相對(duì)更好。

圖3 不同天氣過程02時(shí)(a)、14時(shí)(b)1～5 d內(nèi)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率Fig.3 Forecast accuracy of different weather processes within 1～5 days at 02∶00 (a) and 14∶00 (b)

表1 不同天氣過程中02時(shí)、14時(shí)的1～5 d預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)平均絕對(duì)誤差(單位：℃)Tab.1 Average absolute error within 1～5 d of 02∶00 and 14∶00 in different weather processes (unit: ℃)

表1還給出了升溫、平穩(wěn)和降溫3類天氣過程中1～5 d預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)14時(shí)溫度預(yù)報(bào)的平均絕對(duì)誤差。結(jié)果表明1～5 d預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)3類天氣過程溫度預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差變化不大。14時(shí)升溫天氣的溫度預(yù)報(bào)總體平均絕對(duì)誤差略小于3 ℃；平穩(wěn)天氣平均絕對(duì)誤差2.4 ℃左右；降溫天氣最小平均絕對(duì)誤差為2.25 ℃(1 d)，最大平均絕對(duì)誤差為2.90 ℃(4 d)，1～5 d內(nèi)平均絕對(duì)誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)效增加而增大。

比較3類天氣過程溫度預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于02、14時(shí)的溫度預(yù)報(bào)，平穩(wěn)天氣過程中平均絕對(duì)誤差最小，降溫天氣預(yù)報(bào)平均誤差略大于平穩(wěn)天氣，升溫天氣過程平均絕對(duì)誤差最大。

2.2.2.2 不同天氣過程預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差分析 從升溫天氣過程中1～5 d預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)02時(shí)(4a)、14時(shí)(4b)預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差在不同區(qū)間所占比例的數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，升溫天氣過程中02時(shí)、14時(shí)的溫度預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差呈負(fù)誤差更大的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，預(yù)報(bào)值大多偏低約0～4 ℃；分析溫度絕對(duì)誤差在不同區(qū)間的具體分布特征，02時(shí)溫度絕對(duì)誤差在-2≤ΔT<0區(qū)間比重最大，其次分別是-4≤ΔT<-2、0≤ΔT≤2、ΔT<-4、2<ΔT≤4，ΔT>4區(qū)間；14時(shí)溫度絕對(duì)誤差在-4≤ΔT<-2區(qū)間次數(shù)最多，其次分別是-2≤ΔT<0、ΔT<-4、0≤ΔT≤2、2<ΔT≤4、ΔT>4區(qū)間。在溫度考核的標(biāo)準(zhǔn)下，在升溫天氣過程中可以考慮對(duì)02時(shí)溫度預(yù)報(bào)訂正2～3 ℃，對(duì)14時(shí)溫度預(yù)報(bào)訂正4 ℃。降溫天氣過程中1～5 d預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)02時(shí)(4c)、14時(shí)(4d)的預(yù)報(bào)誤差在不同區(qū)間所占比例的數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，02時(shí)的預(yù)報(bào)值總體偏低0～4 ℃，14時(shí)的預(yù)報(bào)值偏高0～4 ℃。02時(shí)溫度誤差各區(qū)間所占次數(shù)從多到少分別-2≤ΔT<0、-4≤ΔT<-2、0≤ΔT≤2、ΔT<-4、2<ΔT≤4、ΔT>4；14時(shí)各溫度誤差區(qū)間所占比例從多到少分別為0≤ΔT≤2、-2≤ΔT<0、2<ΔT≤4、ΔT>4、-4≤ΔT<-2、ΔT<-4區(qū)間。綜合考慮分析結(jié)果可對(duì)降溫天氣過程02時(shí)溫度預(yù)報(bào)訂正4 ℃，14時(shí)溫度預(yù)報(bào)訂正-4 ℃。

3 結(jié)論

本文對(duì)2016—2018年冬季畢節(jié)地區(qū)EC 2 m溫度預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)和分析發(fā)現(xiàn)：

①對(duì)于畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度預(yù)報(bào)總體預(yù)報(bào)效果，不同時(shí)次的預(yù)報(bào)，02時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率比14時(shí)高約10%，不同預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，02、14時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率波動(dòng)不大；不同站點(diǎn)的預(yù)報(bào)，赫章站的預(yù)報(bào)質(zhì)量異常偏低，其余站點(diǎn)預(yù)報(bào)質(zhì)量相對(duì)分布均勻。

②從準(zhǔn)確率方面分析畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度不同天氣過程預(yù)報(bào)效果，平穩(wěn)天氣和降溫天氣EC 2 m溫度對(duì)02、14時(shí)的預(yù)報(bào)效果都比較好，兩個(gè)天氣過程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相差不大，升溫過程02、14時(shí)溫度預(yù)報(bào)效果遠(yuǎn)不如平穩(wěn)天氣和升溫天氣。

圖4 升溫天氣02時(shí)(a)、14時(shí)(b)的1～5 d預(yù)報(bào)時(shí)效絕對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)；降溫天氣02時(shí)(c)、14時(shí)(d)的1～5 d預(yù)報(bào)時(shí)效絕對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)Fig.4 Absolute Error Statistics of Temperature Prediction in Warming Weather within 1～5 Days at 02∶00 (a) and 14∶00 (b);Absolute Error Statistics of Temperature Prediction in Cooling Weather within 1～5 Days at 02∶00 (c) and 14∶00 (d)

③從平均絕對(duì)誤差分析方面討論畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度不同天氣過程預(yù)報(bào)效果，平穩(wěn)天氣過程中02、14時(shí)的溫度預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差最小，其次預(yù)報(bào)效果較好的是降溫天氣過程、升溫天氣過程。

④從絕對(duì)誤差分析方面討論畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度不同天氣過程預(yù)報(bào)效果，升溫天氣過程02、14時(shí)的溫度預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差呈負(fù)誤差更大的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，預(yù)報(bào)值大多偏低0～4 ℃；降溫天氣過程02時(shí)溫度預(yù)報(bào)總體偏低0～4 ℃，14時(shí)偏高0～4 ℃。