馮景瑜 慕秀香 張瑩瑩 姚 帥

（1.延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林延吉 133001；2.吉林省氣象臺，吉林長春 130062）

1 引言

隨著高分辨率數(shù)值預報技術的快速發(fā)展，預報員可參考的客觀預報產(chǎn)品越來越豐富，但受模式初始場、物理過程、地形、植被等的影響，模式預報不可避免的存在一定誤差[1-3]。鄒陽等[4]發(fā)現(xiàn)，ECMWF對昆明的預報準確率存在季節(jié)性差異，預報準確率從高到低依次為秋季、冬季、夏季和春季；潘留杰等[5]提出了“站點訂正值向格點傳遞”的方法來訂正格點氣溫，并發(fā)現(xiàn)中央氣象臺站點溫度指導預報差值傳遞在訂正ECMWF最低氣溫上效果較好，利用一元線性回歸方法訂正ECMWF最高氣溫的效果較好；薛諶彬等[6]提出一種結合滑動雙權重平均訂正法和空間誤差逐步訂正法的綜合訂正技術，較好地訂正了ECMWF的最高氣溫和最低氣溫預報。

ECMWF是歐洲中期天氣預報中心的中期天氣預報數(shù)值模式。尹姍等[7]檢驗發(fā)現(xiàn)ECMWF對亞洲中高緯環(huán)流形式、850hPa溫度變化及西太平洋副熱帶高壓的預報水平較高，對中短期預報的指導意義較高。吉林省地貌形態(tài)差異明顯，地勢自東南向西北傾斜，呈現(xiàn)出明顯的東南高西北低的特征。而ECMWF中應用的地形高度與實際地形高度偏差較大，因此為了減小模式預報誤差，本文采用高度差訂正[8]的方法，對ECMWF氣溫預報進行訂正，以期對今后日常的預報業(yè)務起到一定的幫助。

2 資料和方法

2.1 資料

本文采用的資料包括：2016年1月1日—2018年12月31日吉林省381個站（國家站和區(qū)域自動站）的逐日最高氣溫、最低氣溫和逐3h定時氣溫觀測數(shù)據(jù)；2016年1月1日—2018年12月31日空間分辨率為0.125°×0.125°的ECMWF高分辨率數(shù)值模式的氣溫預報，包括每日08時和20時起報的最高氣溫和最低氣溫，以及2m氣溫預報（12～72h逐3h，72～84h逐6h）；吉林省381個站的實際海拔高度數(shù)據(jù)，ECMWF高分辨率數(shù)值模式中應用的地形高度數(shù)據(jù)（0.5°×0.5°）。

2.2 方法

利用雙線性插值方法，計算出各站點的ECMWF數(shù)值預報的模式地形高度，得到各站點實際地形高度與模式地形高度的差值，利用高度差訂正公式，用以下5種方法確定訂正系數(shù)，對2016—2017年站點氣溫進行訂正，并檢驗訂正前后72h預報時效的最高氣溫、最低氣溫、定時氣溫的預報準確率、平均絕對誤差、均方根誤差。

方法一：訂正系數(shù)為-0.6℃/100m。

方法二：取系數(shù)在-1.0℃/100m～1.0℃/100m，各站點訂正后24h氣溫預報準確率最高時的系數(shù)（保留一位小數(shù)），作為該站點的訂正系數(shù)。

方法三：取系數(shù)在-1.0℃/100m～1.0℃/100m，分別計算春季、夏季、秋季、冬季各站點訂正后24h氣溫預報準確率最高時的系數(shù)（保留一位小數(shù)），作為在該季節(jié)該站點的訂正系數(shù)。

方法四：取系數(shù)在-1.00℃/100m～1.00℃/100m，各站點訂正后24h氣溫預報準確率最高時的系數(shù)（保留兩位小數(shù)），作為該站點的訂正系數(shù)。

方法五：按訂正前24h氣溫逐月預報準確率的高低將12個月劃分為3類月份，取系數(shù)在-1.0℃/100m～1.0℃/100m，分別計算各類月份各站點訂正后24h氣溫預報準確率最高時的系數(shù)（保留一位小數(shù)），作為該站點在該類月份的訂正系數(shù)。

3 模式應用地形偏差分析

通過381個站點的實際地形高度與ECMWF數(shù)值模式地形高度的差可以發(fā)現(xiàn)，白城西部、長春北部、吉林北部和東部、白山東部、長白山保護區(qū)、延邊西部和北部模式應用地形高度較實際偏低，其他地方模式應用地形高度偏高。其中長白山保護區(qū)、吉林省南部和東部模式應用地形偏差最大，偏差絕對值大于160m，而吉林省中西部地區(qū)大部分地方地形偏差較小，僅在-40～40m。

4 氣溫檢驗結果分析

4.1 ECMWF數(shù)值模式氣溫預報檢驗

從ECMWF數(shù)值模式的2016年1月1日—2017年12月31日的最高氣溫、最低氣溫和定時氣溫的預報來看，預報時效越長，預報準確率越低，預報誤差越大。從空間分布來看，吉林省自西向東氣溫預報準確率逐漸降低，預報誤差逐漸增大，且東西差異在最高氣溫的表現(xiàn)最明顯，在最低氣溫的表現(xiàn)最弱。

從最高氣溫的預報來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別為52%、51%、50%；平均絕對誤差分別為2.29℃、2.33℃、2.4℃；均方根誤差分別為3.16℃、3.22℃、3.31℃。從空間分布來看，以24h預報為例，西部大部分地方準確率在60%～80%，平均絕對誤差集中在1.5℃～2.0℃，均方根誤差主要集中在2.0℃～3.0℃；中部地區(qū)準確率分布在40%～70%，平均絕對誤差集中在2.0℃～3.0℃，均方根誤差主要集中在2.0℃～3.5℃；東部大部分地方準確率在30%～50%，最低不足30%，平均絕對誤差集中在2.5℃～3.5℃，均方根誤差主要集中在3.0℃～6.0℃。

從最低氣溫的預報來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別為58%、56%、54%；平均絕對誤差分別為2.32℃、2.41℃、2.53℃；均方根誤差分別為4.03℃、4.10℃、4.20℃。從空間分布來看，以24h預報為例，西部大部分地方準確率在60%～75%，平均絕對誤差集中在1.5℃～2.5℃，均方根誤差在2.5℃～4.0℃；中部地區(qū)準確率分布在50%～60%，平均絕對誤差集中在2.0℃～3.0℃，均方根誤差主要集中在3.5℃～6.0℃；東部大部分地方準確率在30%～60%，平均絕對誤差集中在2.0℃～3.5℃，均方根誤差主要集中在3.0℃～10.0℃。

從定時氣溫的預報來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別為63%、60%、58%；平均絕對誤差分別為1.89℃、2.00℃、2.10℃；均方根誤差分別為2.57℃、2.69℃、2.82℃。從空間分布來看，以24h預報為例，西部大部分地方準確率在65%～75%，平均絕對誤差集中在1.5℃～2.0℃，均方根誤差主要集中在1.5℃～2.5℃；中部地區(qū)準確率分布在60%～75%，平均絕對誤差集中在1.5℃～2.5℃，均方根誤差主要集中在2.0℃～3.0℃；東部大部分地方準確率在40%～65%，平均絕對誤差集中在1.5℃～3.0℃，均方根誤差主要集中在2.5℃～4.0℃。

4.2 5種訂正方法效果對比

4.2.1 方法一訂正后，381個站日最高氣溫24h、48h、72h的預報準確率較訂正前分別提高3%、2%、1%（圖1a），訂正后的誤差較訂正前有小幅度降低。而最低氣溫（圖1b）和定時氣溫訂正后，預報準確率均下降，預報誤差增大。

圖1 2016—2017年5種方法訂正ECMWF數(shù)值模式后81站最高氣溫（a）、最低氣溫（b）預報準確率提高百分比

另外，訂正后吉林省北部和東部山區(qū)的24 h最高氣溫準確率下降，其他地方準確率有所升高。而全省大部分地區(qū)的最低氣溫和定時氣溫的準確率均有所下降，因此訂正的意義不大。

4.2.2 利用方法二、方法三訂正后發(fā)現(xiàn)，極端氣溫和定時氣溫的準確率均明顯提高，且方法三較方法二訂正后的預報效果又有提高。方法三與方法二相比，24 h預報381站最高氣溫預報準確率（圖1a）提高1%，最低氣溫提高2%（圖1b）；平均絕對誤差和均方根誤差較方法二減小。以381站24h預報為例，方法三訂正后較訂正前，最高氣溫的準確率提高15%（圖1a），平均絕對誤差減小0.52℃，均方根誤差減少0.48℃；最低氣溫準確率提高6%（圖1b），平均絕對誤差減小0.22℃，均方根誤差較之前減少0.19℃。定時氣溫準確率提高4%，平均絕對誤差減小0.09℃，均方根誤差減少0.07℃。較方法二而言，方法三最低氣溫訂正效果提高比最高氣溫更顯著。

方法三訂正后，全省的最高氣溫、最低氣溫和定時氣溫的準確率均有明顯提高。以24h預報為例，較訂正前，最高氣溫（圖2a）西部大部分地方提高2%～6%；中東部提高10%以上，尤其在東部部分地區(qū)可提高20%以上。最低氣溫（圖2b）訂正后，西部提高5%左右；中東部提高4%～8%，最大可達10%以上。定時氣溫訂正后，中西部提高2%左右；東部提高4%～8%。

圖2 方法三訂正后最高氣溫（a、c、e）和最低氣溫（b、d、f）預報準確率升降百分比示意圖（a、b為24h預報；c、d為48h預報；e、f為72h預報。單位：%）

4.2.3 利用方法四訂正后，與方法二比，最低氣溫基本無變化，最高氣溫略有提高，但仍低于方法三。利用方法五，通過計算54個國家站逐月預報的準確率后，得到訂正最高氣溫時，第一類月份為1月、3月、11月，第二類月份為2月、6月、7月、8月、10月、12月，第三類月份為4月、5月、9月；得到訂正最低氣溫時，第一類月份為6月、7月、8月，第二類月份為3月、4月、5月、9月，第三類月份為1月、2月、10月、11月、12月。與方法二比，訂正后的效果基本沒有提高，且個別時段訂正后的效果略有下降。因此方法四和方法五的訂正價值較小。

4.3 高度差訂正后效果檢驗

通過5種方法對比分析后，選取方法三的結果作為高度差訂正的最終結果。通過檢驗分析發(fā)現(xiàn)，訂正后，隨預報時效增長，預報準確率仍有所降低，預報誤差增大；且從準確率來看，仍然存在西高東低的分布狀態(tài)。具體情況如下：

從最高氣溫來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別從訂正前的52%、51%、50%，提高至58%、56%、54%，提高幅度為6%、5%、4%，其中54個國家站的24h預報準確率可達81%；381個站的24h、48h、72h的平均絕對誤差分別從訂正前的2.29℃、2.33℃、2.4℃，減 小 至1.77℃、1.87℃、1.99℃，減小幅度為0.52℃、0.46℃、0.41℃；381個站的24h、48h、72h的均方根誤差分別從訂正前的3.16℃、3.22℃、3.31℃，減 小 至2.68℃、2.78℃、2.91℃，減小幅度為0.48℃、0.44℃、0.40℃。另外，24h訂正后，西部地區(qū)大部分地方準確率在70%～85%（圖3a），平均絕對誤差集中在1.0～2.0℃，均方根誤差主要集中在1.5～2.5℃；中部地區(qū)準確率分布在65%～80%（圖3a），平均絕對誤差集中在1.5～2.0℃，均方根誤差主要集中在2.0～3.0℃；東部地區(qū)大部分地方準確率在30%～75%（圖3a），平均絕對誤差集中在1.5～2.5℃，均方根誤差主要集中在2.0～4.0℃。

從最低氣溫來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別從訂正前的58%、56%、54%，提高至64%、62%、59%，提高幅度為6%、6%、5%，其中54個國家站的24h預報準確率可達70%；381個站的24h、48h、72h的平均絕對誤差分別從訂正前的2.32℃、2.41℃、2.53℃，減 小 至2.1℃、2.19℃、2.3℃，減小幅度為0.22℃、0.22℃、0.23℃；381個站的24h、48h、72h的均方根誤差分別從訂正前的4.03℃、3.90℃、4.00℃，減 小 至3.84℃、3.90℃、4.00℃，減小幅度為0.19℃、0.20℃、0.20℃。另外24h訂正后，西部地區(qū)大部分地方準確率在60%～80%（圖3b），平均絕對誤差集中在1.5～2.5℃，均方根誤差在2.5～3.5℃；中部地區(qū)準確率分布在60%～70%（圖3b），平均絕對誤差集中在1.5～2.5℃，均方根誤差主要集中在2.5～4.0℃；東部地區(qū)大部分地方準確率在40%～65%（圖3b），平均絕對誤差集中在2.0～3.0℃，均方根誤差主要集中在2.5～6.0℃。

圖3 ECMWF數(shù)值模式通過方法三訂正后最高氣溫（a、c、e）和最低氣溫（b、d、f）預報準確率示意圖

從定時氣溫來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別從訂正前的63%、60%、58%，提高至67%、63%、61%，提高幅度為4%、3%、3%，其中54個國家站的24h預報準確率達70%；381個站的24h、48h、72h的平均絕對誤差分別從訂正前的1.89℃、2.00℃、2.10℃， 減 小 至1.80℃、1.92℃、2.03℃，減小幅度為0.09℃、0.08℃、0.07℃；381個站的24h、48h、72h的均方根誤差分別從訂正前的2.57℃、2.69℃、2.82℃，減小至2.5℃、2.63℃、2.75℃，減小幅度為0.07℃、0.06℃、0.07℃。另外，訂正后，西部地區(qū)大部分地方24h準確率在70%～80%，平均絕對誤差集中在1.0～2.0℃，均方根誤差主要集中在1.5～2.5℃；中部地區(qū)準確率分布在65%～75%，平均絕對誤差集中在1.5～2.0℃，均方根誤差主要集中在2.0～3.0℃；東部地區(qū)大部分地方準確率在40%～70%，平均絕對誤差集中在1.5～2.5℃，均方根誤差主要集中在2.5～3.5℃。

4.4 2018年氣溫訂正后效果檢驗

將2018年1月1日—12月31日EC MWF的預報進行高度差訂正后，與訂正前的結果進行對比發(fā)現(xiàn)，訂正后的預報準確率較訂正前均有所提高，且最高氣溫的訂正效果最好。以54個站24h預報為例，訂正后最高氣溫準確率達到81%，提高了6%；最低氣溫準確率達到64%，提高了5%；定時氣溫準確率達到69%，提高了3%。另外，東部山區(qū)的訂正效果明顯好于西部和中部地區(qū)，最高氣溫準確率可提高了10%以上。

5 結語

由于ECMWF模式地形高度與實際地形高度偏差較大，因此可以通過高度差訂正的方法減小模式預報誤差，以提高模式預報應用能力。對高度差訂正前后的ECMWF氣溫預報進行檢驗分析發(fā)現(xiàn)：

（1）ECMWF對吉林省氣溫的預報隨預報時效增長，預報準確率略有降低，預報誤差增大。從水平分布來看，吉林省自西向東，氣溫預報準確率逐漸降低，氣溫預報誤差逐漸增大，且東西差異在最高氣溫的表現(xiàn)最明顯，在最低氣溫的表現(xiàn)最弱。

（2）方法一確定訂正系數(shù)的方法僅對訂正吉林省南部和東部部分地方最高氣溫的預報有一定的訂正效果，而對最低氣溫、定時氣溫以及其他地區(qū)的訂正效果沒有指示作用。

（3）方法二確定訂正系數(shù)的方法對訂正吉林省氣溫的預報效果較好，準確率提高較大，誤差減小較大。其中東部地區(qū)的訂正效果好于西部地區(qū)，最高氣溫的訂正效果最好，最低氣溫訂正效果最弱。

（4）方法三確定訂正系數(shù)的方法是幾種方法中訂正效果最好的，且最高氣溫的訂正效果最顯著，東部地區(qū)的訂正效果好于西部地區(qū)。與方法二相比，最高氣溫的訂正效果提高不大，最低氣溫的訂正效果提高最顯著，定時氣溫的訂正效果提高次之。

（5）方法四和方法五在方法二的基礎上，最高氣溫的訂正效果有所提高，但不如方法三的訂正效果，且從最低氣溫來看，訂正效果基本無變化。

（6）基于地形因素的ECMWF氣溫預報訂正方法已經(jīng)應用于吉林省客觀預報的訂正算法中，并已投入業(yè)務應用，訂正算法的評分有明顯的提高，為預報員的氣溫預報和格點預報的制作提供了極大的幫助。