林曉娟，李響，劉曉燕，祖子清，王延強(qiáng)

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

0 引言

海面風(fēng)是海表面運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿碓碵1]。海上大風(fēng)會(huì)引發(fā)海浪、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害，因此，海洋災(zāi)害的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度十分依賴海面風(fēng)場的預(yù)報(bào)能力，準(zhǔn)確的海面風(fēng)場預(yù)報(bào)是海洋防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)[2]。早期對海面風(fēng)的研究主要通過經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)和統(tǒng)計(jì)分析[3-4]開展，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的發(fā)展和海洋預(yù)報(bào)模式的成熟，數(shù)值預(yù)報(bào)方法依靠其更高的精度和準(zhǔn)確度，逐漸發(fā)展成為海洋預(yù)報(bào)的主流方法[5-7]。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF，簡稱EC）經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展和積累得到了較好的預(yù)報(bào)結(jié)果[8]。國內(nèi)也有許多專家學(xué)者參考并使用了EC 的細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。萬夫敬等[9]分析了EC 預(yù)報(bào)2 m 氣溫產(chǎn)品在山東地區(qū)最高氣溫和最低氣溫上的預(yù)報(bào)性能，并給出了訂正思路；趙杰等[10]使用了EC 預(yù)報(bào)溫度數(shù)據(jù)，并結(jié)合觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了訂正。作為當(dāng)前許多預(yù)報(bào)平臺(tái)都會(huì)參考的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場數(shù)據(jù)在中國近海的使用頻率較高，例如，吳俞等[11]在南海海域參考了EC 預(yù)報(bào)10m風(fēng)場數(shù)據(jù)（0.25°×0.25°）進(jìn)行了風(fēng)向和風(fēng)速預(yù)報(bào)，常奮華等[12]將東海海域的EC 數(shù) 據(jù)、WRF（Weather Research and Forecasting Model）數(shù)據(jù)以及華東區(qū)域的模型與實(shí)測數(shù)據(jù)作了對比檢驗(yàn)，結(jié)果表明預(yù)報(bào)效果最好的是EC 數(shù)據(jù)，連喜虎等[13]評估了EC數(shù)據(jù)在渤海和黃海的預(yù)報(bào)能力。上述研究在一定程度上證明了EC 數(shù)據(jù)在中國近海的適用性，但是，吳俞等只運(yùn)用了南海4個(gè)島上的站點(diǎn)進(jìn)行分析，且利用的是分辨率為0.25°的EC數(shù)據(jù)，連喜虎等沒有對渤黃海的臺(tái)風(fēng)和冷空氣大風(fēng)過程進(jìn)行分析?？偟膩碚f，目前還沒有研究對EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)速數(shù)據(jù)在中國近海各海域的預(yù)報(bào)性能進(jìn)行定量分析，以及對臺(tái)風(fēng)和冷空氣大風(fēng)過程進(jìn)行評估。

我國海域遼闊，EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場數(shù)據(jù)在我國近海的可信度、在不同海區(qū)的適用性以及EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對我國近海臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度等都是需要研究的問題。本文利用中國近海大型浮標(biāo)的10 m 風(fēng)觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地評估了EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場產(chǎn)品的精度，驗(yàn)證其在我國近海和不同海區(qū)的適用性，以及對臺(tái)風(fēng)和冷空氣大風(fēng)過程的預(yù)報(bào)性能，為使用EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)速數(shù)據(jù)提供參考，充分發(fā)揮ECMWF 的預(yù)報(bào)產(chǎn)品在海洋預(yù)報(bào)服務(wù)中的參考作用，有利于更好地開展海浪、風(fēng)暴潮等海洋預(yù)報(bào)防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文選取2021 年1 月1 日—12 月31 日的EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，檢驗(yàn)10 m 風(fēng)場數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在中國近海海域的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.125°×0.125°，每天預(yù)報(bào)兩次，起報(bào)時(shí)刻為00 時(shí)（世界時(shí)，下同）和12 時(shí)，72 h 內(nèi)每3 h 輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)為該時(shí)刻即時(shí)數(shù)據(jù)。

觀測資料采用大型海洋觀測浮標(biāo)的10 m 風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，浮標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制，刪除了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之外的異常數(shù)據(jù)。浮標(biāo)站位見圖1，其中渤海選取4 個(gè)浮標(biāo)（圖1 中符號(hào)為B01—B04）、黃海6 個(gè)浮標(biāo)（圖1 中符號(hào)為H01—H06）、東海2 個(gè)浮標(biāo)（圖1中符號(hào)為D01、D02）、南海北部8 個(gè)浮標(biāo)（圖1 中符號(hào)為N01—N08）、南海南部2 個(gè)浮標(biāo)（圖1 中符號(hào)為N09、N10），共計(jì)22 個(gè)浮標(biāo)觀測的10 m 風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，利用3 次樣條插值法將EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場數(shù)據(jù)插值到觀測站點(diǎn)并進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，浮標(biāo)時(shí)刻數(shù)據(jù)為該時(shí)刻過去10 min的平均值。

1.2 方法

本文使用的誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有平均偏差（BIAS）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）和平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）。具體公式如下：

平均偏差：

均方根誤差：

平均絕對誤差：

式中：Bi代表浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)；Ei代表EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場數(shù)據(jù)插值到浮標(biāo)站點(diǎn)后的值；n代表總樣本數(shù)。

風(fēng)向誤差（Wind Direction Error，WDE）的范圍是-180°～180°，WDE的計(jì)算公式為：

同樣使用BIAS、RMSE 和MAE 進(jìn)行WDE 檢驗(yàn)，式（1）—（3）中的Ei-Bi用WDE 的計(jì)算結(jié)果來替代。

2 風(fēng)場數(shù)據(jù)對比評估

2.1 風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差評估

將各實(shí)測風(fēng)速（浮標(biāo)站點(diǎn)觀測值）與EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)相應(yīng)位置的值進(jìn)行對比分析。利用箱型圖能直觀地看出數(shù)據(jù)的異常值、判斷數(shù)據(jù)的離散程度，并根據(jù)數(shù)據(jù)的中位數(shù)集中程度看出數(shù)據(jù)的集中趨勢。圖2 表明，中國近海22 個(gè)浮標(biāo)站的風(fēng)速24 h 預(yù)報(bào)偏差中位數(shù)為-0.12～0.44 m/s，48 h 預(yù)報(bào)偏差中位數(shù)為-0.33～0.49 m/s，72 h 預(yù)報(bào)偏差中位數(shù)為-0.39～0.53 m/s。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，偏差中位數(shù)略有增大。從箱線圖來看，EC預(yù)報(bào)結(jié)果在渤海和黃?？傮w略偏大，在東海略偏小，南海略偏大。EC在黃海、南海和東海的預(yù)報(bào)效果優(yōu)于渤海海區(qū)，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增大，預(yù)報(bào)偏差離散度增大。

為了進(jìn)一步對比分析EC預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速之間的差別，表1 列出了各海區(qū)不同預(yù)報(bào)時(shí)效下EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的風(fēng)速和風(fēng)向檢驗(yàn)結(jié)果。各浮標(biāo)站24 h 預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速的MAE 為0.96～1.62 m/s（圖略），22個(gè)站點(diǎn)的平均MAE為1.27 m/s（見表1），均方根誤差為1.71 m/s，48 h 預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速的平均MAE 為1.46 m/s，72 h 的為1.64 m/s，各浮標(biāo)站點(diǎn)的MAE 隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長而增大，BIAS 隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長而減小。

表1 各海區(qū)不同預(yù)報(bào)時(shí)效下EC預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的10 m風(fēng)速和風(fēng)向檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Validation results of the EC 10 m wind speed and direction forecasts at various leading time in different seas

圖3 為各海區(qū)24 h 預(yù)報(bào)值和觀測值的散點(diǎn)圖及BIAS、RMSE 和相關(guān)系數(shù)（R），渤海海區(qū)R 為0.83，黃海為0.88，東海為0.87，南海為0.88，黃海和南海的預(yù)報(bào)效果最好，東海次之，渤海相對較差。總體而言EC 的10 m 風(fēng)速在中國近海的預(yù)報(bào)效果較好。

圖3 各海區(qū)風(fēng)速散點(diǎn)圖Fig.3 Wind speed scatter plot in different seas

圖4為各浮標(biāo)站在不同風(fēng)速等級(jí)下EC 24 h、48 h、72 h 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的BIAS 和MAE。從圖中可以看出，不同預(yù)報(bào)時(shí)效的BIAS 和MAE 數(shù)據(jù)具有相同的變化趨勢，各站點(diǎn)BIAS 為0 的點(diǎn)分布在風(fēng)力為3～5級(jí)之間，大部分在4 級(jí)左右，說明EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)在風(fēng)力等級(jí)小于4 級(jí)時(shí)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏大，大于4 級(jí)時(shí)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏小，當(dāng)風(fēng)力為3～5 級(jí)時(shí)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。這一點(diǎn)也可以從風(fēng)力等級(jí)的MAE 中體現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)力為3～6 級(jí)時(shí)，MAE 最小。當(dāng)浮標(biāo)站的實(shí)測風(fēng)力為4～5 級(jí)時(shí)，預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速的BIAS 最小，隨著風(fēng)力增大（或減?。?，BIAS和MAE都增大。

圖4 平均偏差和平均絕對誤差隨風(fēng)力等級(jí)的變化Fig.4 Change of mean error and mean absolute error with various wind levels

2.2 風(fēng)向預(yù)報(bào)誤差評估

圖5 為各海區(qū)不同風(fēng)向的預(yù)報(bào)和觀測誤差以及頻率圖。從圖中可以看出，渤海各個(gè)風(fēng)向的頻率分布較為均勻，偏東和偏南方向風(fēng)頻率略高于其他風(fēng)向；黃海偏西方向風(fēng)頻率較小，其他方向頻率分布較為均勻；東海的盛行風(fēng)向?yàn)楸逼骱推珫|方向，西風(fēng)較少；南海的盛行風(fēng)向?yàn)楸北睎|—東，即東北偏東。渤海和黃海的風(fēng)向預(yù)報(bào)偏差總體分布在±40°之間，各海區(qū)的風(fēng)向預(yù)報(bào)BIAS 均為0°左右。

圖5 各海區(qū)不同風(fēng)向的預(yù)報(bào)平均偏差（紅線）和頻率（數(shù)字代表該方向風(fēng)頻率）Fig.5 Mean error(red line)and frequency(the number represents the wind frequency in this direction)of each wind direction in different seas

為了更全面地評估EC預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場在中國近海海域的預(yù)報(bào)性能，圖6 給出了不同浮標(biāo)站EC 24 h預(yù)報(bào)的風(fēng)向和觀測風(fēng)向的偏差分布以及各個(gè)風(fēng)向的偏差分布，圖中紅色虛線為各個(gè)方向上風(fēng)向預(yù)報(bào)的平均偏差。從圖中可以看出，渤海海域B02、B03、B04 浮標(biāo)的預(yù)報(bào)效果較好，風(fēng)向預(yù)報(bào)角度偏差集中在±30°之間，平均偏差都在±20°之間。B02 浮標(biāo)站點(diǎn)的主導(dǎo)風(fēng)向是SSW，出現(xiàn)的頻次最大，為65次，在該方向上大部分誤差集中在-20°～15°；次主導(dǎo)風(fēng)向是SE，誤差也較為集中，集中在-30°～10°；這也可以看出在主導(dǎo)風(fēng)向上，預(yù)報(bào)偏差不大。黃海海域（H 系列）選取的6 個(gè)浮標(biāo)站點(diǎn)總體的風(fēng)向預(yù)報(bào)偏差集中在±20°之間，其中H03 站點(diǎn)預(yù)報(bào)效果較差，風(fēng)向偏差較大，其他站點(diǎn)的預(yù)報(bào)效果都很好，預(yù)報(bào)風(fēng)向偏差較為集中，平均偏差較?。恢鲗?dǎo)風(fēng)向和次主導(dǎo)風(fēng)向的表現(xiàn)均較為良好；除H05 站點(diǎn)的平均偏差為正值，其他站點(diǎn)的平均偏差多為負(fù)值。東海區(qū)域D01站點(diǎn)的EC預(yù)報(bào)效果較好，平均偏差在0°左右，主導(dǎo)風(fēng)向和次主導(dǎo)風(fēng)向的誤差大體分布在±20°之間；但該站點(diǎn)在W方向的總體偏差較大，有4個(gè)數(shù)據(jù)不具備參考價(jià)值。D02預(yù)報(bào)平均偏差在45°左右，總體偏大。南海海域共有10 個(gè)站點(diǎn)，N01—N04 靠近岸邊分布，這幾個(gè)站點(diǎn)的主導(dǎo)風(fēng)向和次主導(dǎo)風(fēng)向的預(yù)報(bào)效果較好，預(yù)報(bào)效果較差的是WNW、NW、NNW 方向的風(fēng)；N05—N08 站點(diǎn)預(yù)報(bào)效果總體較好，平均偏差在10°左右，在NW、NNW 方向上預(yù)報(bào)效果較差，但是這兩個(gè)方向上的風(fēng)頻率較小，可信度較低；N09 和N10 站點(diǎn)在南海中部，N10 站點(diǎn)預(yù)報(bào)效果較好（圖略），主導(dǎo)風(fēng)向NE 和次主導(dǎo)風(fēng)向ENE的預(yù)報(bào)平均偏差較小，且偏差分布較為集中，N09站點(diǎn)總體預(yù)報(bào)效果較差，這可能是由于浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)受客觀條件影響產(chǎn)生觀測誤差，需要更長的時(shí)間序列和其他觀測數(shù)據(jù)輔助驗(yàn)證。不同風(fēng)向下風(fēng)向預(yù)報(bào)的平均誤差大部分在0°～20°。

圖6 站點(diǎn)風(fēng)向偏差分布和風(fēng)向頻次（紅線代表平均偏差）Fig.6 Distribution of error and frequency of each wind direction at different stations(the red line represents the mean error)

圖7 為不同風(fēng)力等級(jí)的風(fēng)向預(yù)報(bào)BIAS、RMSE和MAE，預(yù)報(bào)時(shí)效為24 h。從圖中可以看出，隨著風(fēng)力等級(jí)逐漸增大，風(fēng)向預(yù)報(bào)的RMSE 和MAE 在5 級(jí)達(dá)到最小后趨于穩(wěn)定，隨著風(fēng)力等級(jí)變大，風(fēng)向預(yù)報(bào)的RMSE 和MAE 減小。風(fēng)力等級(jí)小，預(yù)報(bào)偏差較大，風(fēng)力等級(jí)大，預(yù)報(bào)偏差較小。48 h和72 h的預(yù)報(bào)結(jié)果也有同樣變化趨勢（圖略）。對比4 個(gè)海區(qū)的結(jié)果可以看出，渤海和黃海的RMSE 和MAE 相對較小。

圖7 不同風(fēng)力等級(jí)的風(fēng)向預(yù)報(bào)平均偏差、均方根誤差和平均絕對誤差Fig.7 BIAS，RMSE and MAE of wind direction forecasts for different wind levels

2.3 臺(tái)風(fēng)天氣過程下的適用性評估

臺(tái)風(fēng)是海上大風(fēng)的典型過程，選取經(jīng)過中國近海的臺(tái)風(fēng)過程，評估EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場對臺(tái)風(fēng)過程的適用性。本文選取受臺(tái)風(fēng)影響浮標(biāo)觀測風(fēng)力達(dá)到7級(jí)及以上的時(shí)間段進(jìn)行評估。為了更直觀地看到EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的效果，選取24～33 h（3 h 一個(gè)數(shù)據(jù)）預(yù)報(bào)時(shí)效的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析。

臺(tái)風(fēng)“煙花”在2021 年7 月18 日生成后，先向西后逐漸向西北方向靠近我國（見圖8）。利用臺(tái)風(fēng)“煙花”在行進(jìn)過程中影響的兩個(gè)浮標(biāo)D02（24日00 時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為191 km）、D01（25 日00 時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為97 km）的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，對兩個(gè)站點(diǎn)的EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。浮標(biāo)站點(diǎn)的分布位置和檢驗(yàn)結(jié)果見圖8 和圖9。當(dāng)臺(tái)風(fēng)“煙花”逐漸靠近D02 站點(diǎn)，風(fēng)速在24 日06 時(shí)左右達(dá)到峰值，在21 日00 時(shí)—25 日00時(shí)這個(gè)時(shí)間段內(nèi)（見圖9），EC 預(yù)報(bào)風(fēng)速較好地再現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速變化趨勢，通過風(fēng)羽結(jié)果可以看出，D02 的風(fēng)向預(yù)報(bào)總體存在一定偏差，在23 日18時(shí)前，預(yù)報(bào)風(fēng)向?yàn)楸逼珫|，而觀測風(fēng)向?yàn)楸逼?。?dāng)臺(tái)風(fēng)“煙花”靠近D01 站點(diǎn)后，風(fēng)速在24 日12 時(shí)到達(dá)峰值，EC 預(yù)報(bào)風(fēng)速的大體變化趨勢與實(shí)況相同，但對于最大風(fēng)速的預(yù)報(bào)存在滯后性，整體風(fēng)速預(yù)報(bào)略偏小。從D01 的風(fēng)羽圖可以看出，該站點(diǎn)的風(fēng)向預(yù)報(bào)效果較好，浮標(biāo)風(fēng)向與預(yù)報(bào)風(fēng)向變化趨勢也較為一致，其原因可能是D01 站點(diǎn)觀測風(fēng)速較大，這與我們在2.2 節(jié)評估得出的結(jié)論是一致的。

圖8 臺(tái)風(fēng)路徑及受影響浮標(biāo)點(diǎn)位圖Fig.8 Typhoon path and map of buoy points

圖9 臺(tái)風(fēng)“煙花”過程下D02和D01浮標(biāo)及EC預(yù)報(bào)風(fēng)速和風(fēng)向的時(shí)間序列Fig.9 Time series of wind speed and direction at D02,D01 buoys and EC wind forecasts during the Typhoon"In-Fa"

針對臺(tái)風(fēng)“煙花”影響到的兩個(gè)浮標(biāo)站點(diǎn)，從24 h 預(yù)報(bào)時(shí)效的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看（見表2），風(fēng)速預(yù)報(bào)的平均誤差為-0.76 m/s，總體略偏小，MAE 為1.93 m/s，預(yù)報(bào)效果總體較好；風(fēng)向預(yù)報(bào)的MAE 為24.66°，誤差較大，主要是由于D02 站點(diǎn)的風(fēng)向預(yù)報(bào)誤差大。

表2 臺(tái)風(fēng)過程EC預(yù)報(bào)風(fēng)速和風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)評估結(jié)果Tab.2 Statistical results of the EC wind speed and direction during typhoon process

臺(tái)風(fēng)“盧碧”自2021 年8 月2 日在南海生成后，沿著東北方向貼近海岸線移動(dòng)（見圖8），利用臺(tái)風(fēng)“盧碧”在行進(jìn)過程中影響的3 個(gè)浮標(biāo)N06（4 日12時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為337 km）、N07（4 日18時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為265 km）和N05（5 日00 時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為33 km）對3 個(gè)站點(diǎn)的EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，浮標(biāo)站點(diǎn)分布位置和檢驗(yàn)結(jié)果見圖8 和圖10。從圖10 可以看出EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)較好地再現(xiàn)了部分風(fēng)速的變化趨勢，但是大風(fēng)時(shí)的風(fēng)速預(yù)報(bào)偏差較大（例如N05 站點(diǎn)8-5-00 時(shí)刻）。從圖10 的風(fēng)羽圖對比可以看出，3 個(gè)站點(diǎn)預(yù)報(bào)和觀測風(fēng)向的一致性較好，風(fēng)向偏差不大。24 h 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示風(fēng)速預(yù)報(bào)的BIAS 為-0.57 m/s（見表2），總體略偏小，MAE 為1.89 m/s；風(fēng)向預(yù)報(bào)的BIAS 為1.16°，MAE為8.74°。通過3個(gè)浮標(biāo)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出，EC預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對臺(tái)風(fēng)“盧碧”的預(yù)報(bào)效果較好。

圖10 臺(tái)風(fēng)“盧碧”過程下N06、N07和N05浮標(biāo)及EC預(yù)報(bào)風(fēng)速和風(fēng)向的時(shí)間序列Fig.10 Time series of wind speed and direction at N06，N07，N05 buoys and EC wind forecasts during the Typhoon"LUPIT"

臺(tái)風(fēng)“燦都”自2021 年9 月7 日生成后，11 日00時(shí)開始經(jīng)過臺(tái)灣東側(cè)，后一路向北經(jīng)過東海、黃海（見圖8）。利用臺(tái)風(fēng)“燦都”行進(jìn)過程中影響的東海浮標(biāo)D02（12 日12 時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為30 km）、D01（13 日00 時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為58 km）對EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，浮標(biāo)站點(diǎn)分布位置和檢驗(yàn)結(jié)果見圖8 和圖11。當(dāng)臺(tái)風(fēng)靠近D02 站點(diǎn)，距離站點(diǎn)最近時(shí)的最大觀測風(fēng)速達(dá)到38.6 m/s，而預(yù)報(bào)風(fēng)速為25.9 m/s，兩者差距較大。從D02、D01的風(fēng)速折線圖可以看出（見圖11），EC預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)模擬出了風(fēng)速變化的趨勢，但是預(yù)報(bào)的最大風(fēng)速普遍比浮標(biāo)觀測值小。從對應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)羽來看，預(yù)報(bào)和浮標(biāo)觀測風(fēng)向的偏差較小，預(yù)報(bào)風(fēng)向能較好地反應(yīng)出浮標(biāo)風(fēng)向的變化趨勢。24 h預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)顯示風(fēng)速預(yù)報(bào)BIAS 為-1.70 m/s（見表2），預(yù)報(bào)風(fēng)速較觀測風(fēng)速偏小，MAE 為2.82 m/s，RMSE 為4.49 m/s。相較其他兩個(gè)臺(tái)風(fēng)，臺(tái)風(fēng)“燦都”風(fēng)速預(yù)報(bào)的MAE 和RMSE 都更大，這是因?yàn)榕_(tái)風(fēng)“燦都”離兩個(gè)觀測浮標(biāo)距離更近，強(qiáng)度更強(qiáng)，而EC 對大風(fēng)的風(fēng)速預(yù)報(bào)偏小。風(fēng)向預(yù)報(bào)的平均誤差較小，為-0.08°，MAE 為13.70°。

圖11 臺(tái)風(fēng)“燦都”過程下D02、D01浮標(biāo)及EC預(yù)報(bào)風(fēng)速和風(fēng)向的時(shí)間序列Fig.11 Time series of wind speed and direction at D02,D01 buoys and EC wind forecasts during the Typhoon"CHANTHU"

2.4 典型冷空氣大風(fēng)過程下的適用性評估

選取典型冷空氣大風(fēng)過程，評估EC 預(yù)報(bào)10 m風(fēng)場數(shù)據(jù)在不同天氣過程下的可信度。選取2021年11 月6 日09 時(shí)—8 日12 時(shí)（簡稱1106—1108）和2021 年12 月23 日06 時(shí)—25 日12 時(shí)（簡稱1223—1225）兩次冷空氣過程中實(shí)測風(fēng)力達(dá)7 級(jí)及以上的時(shí)間段，檢驗(yàn)結(jié)果見表3、圖12 和13，相應(yīng)站點(diǎn)位置見圖1。從風(fēng)速結(jié)果來看，1106—1108冷空氣過程中浮標(biāo)觀測到的最大風(fēng)速出現(xiàn)在B01站點(diǎn)，為20.80 m/s，此時(shí)EC 預(yù)報(bào)風(fēng)速為15.53 m/s，誤差為5.27 m/s。表3 統(tǒng)計(jì)了兩次過程中24 h 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的各項(xiàng)誤差，其中1106—1108 過程的MAE 為2.02 m/s，1223—1225 過程的MAE 為1.70 m/s，這可能是因?yàn)?106—1108過程的風(fēng)力更大，而1223—1225過程中中觀測到的最大風(fēng)速不超過20 m/s，風(fēng)速越小，EC 預(yù)報(bào)的誤差也越小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，兩次過程中7級(jí)風(fēng)的MAE 為1.84 m/s，8 級(jí)風(fēng)為2.96 m/s，后者的預(yù)報(bào)誤差明顯大于前者，即隨著風(fēng)力等級(jí)的增大，MAE也變大，這與2.1 節(jié)得出的結(jié)論一致?？偟膩砜矗珽C 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)速能較好得模擬出風(fēng)速的變化趨勢，但是對大風(fēng)的預(yù)報(bào)結(jié)果偏小。從風(fēng)向的預(yù)報(bào)結(jié)果來看，表3 統(tǒng)計(jì)得到的1106—1108 過程的MAE 為20.61°，1223—1225過程的MAE為14.67°。從圖12和圖13也可以看出EC 預(yù)報(bào)結(jié)果能夠較好地預(yù)報(bào)兩次冷空氣過程引起的風(fēng)向變化。

表3 典型冷空氣大風(fēng)過程EC預(yù)報(bào)風(fēng)速和風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)評估結(jié)果Tab.3 Statistical results of the EC wind speed and direction during typical cold air processes

圖12 11月6日—8日冷空氣過程下受影響浮標(biāo)站點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)間序列Fig.12 Time series of wind speed and direction of affected buoy sites during cold air processes from November 6 to 8

圖13 12月23日—25日冷空氣過程下受影響浮標(biāo)站點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)間序列Fig.13 Time series of wind speed and direction at affected buoy sites during cold air processes from December 23 to 25

3 結(jié)論

本文利用2021 年中國近海22 個(gè)浮標(biāo)點(diǎn)位數(shù)據(jù)與EC 細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對24 h、48 h 和72 h 的風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行對比檢驗(yàn)。結(jié)論如下：

①總體而言EC細(xì)網(wǎng)格10 m 風(fēng)速數(shù)據(jù)在中國近海預(yù)報(bào)效果較好。風(fēng)力小于4級(jí)時(shí)，EC預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏大，風(fēng)力大于4 級(jí)時(shí)，EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏小，當(dāng)風(fēng)力為3～6級(jí)時(shí)，風(fēng)速預(yù)報(bào)的MAE最小。

②不同風(fēng)向條件下，EC 風(fēng)向預(yù)報(bào)的BIAS 大部分在0°～20°。渤海、黃海風(fēng)向預(yù)報(bào)BIAS 最小值出現(xiàn)在4～5 級(jí)風(fēng)力附近，東海、南海風(fēng)向預(yù)報(bào)BIAS 最小值出現(xiàn)在3～5 級(jí)風(fēng)力附近。風(fēng)力等級(jí)越小，風(fēng)向的預(yù)報(bào)偏差越大，風(fēng)力等級(jí)越大，預(yù)報(bào)偏差則越小。

③EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對于臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)向變化有較好的反應(yīng)，臺(tái)風(fēng)“燦都”和臺(tái)風(fēng)“盧碧”預(yù)報(bào)風(fēng)向的MAE 均小于20°，臺(tái)風(fēng)“煙花”預(yù)報(bào)風(fēng)向的MAE 偏大，為24.66°。在風(fēng)速較低時(shí)，EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)表現(xiàn)較好，而在臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速的預(yù)報(bào)上效果欠佳。

④EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對于冷空氣引起的風(fēng)向變化有較好的反映，兩次冷空氣過程的風(fēng)向預(yù)報(bào)MAE 分別為20.61°和14.67°。風(fēng)速越小，EC 預(yù)報(bào)的誤差也越小，風(fēng)力等級(jí)增大，預(yù)報(bào)誤差明顯增大，EC對大風(fēng)的風(fēng)速預(yù)報(bào)偏小，誤差偏大。

本文對EC細(xì)網(wǎng)格10 m 風(fēng)速和風(fēng)向的預(yù)報(bào)性能進(jìn)行了初步的研究，并對臺(tái)風(fēng)和冷空氣大風(fēng)過程進(jìn)行了直觀的時(shí)間序列分析，以期為沿海使用EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的專家學(xué)者提供參考，也為日后對數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正提供初步分析。