李慶，王力群，馬衛(wèi)民，姜旻

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431)

1 引言

ECMWF（以下簡(jiǎn)寫為EC）的全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品應(yīng)用非常廣泛，在廣大氣象科技工作者中具有良好的口碑，國(guó)內(nèi)對(duì)其中期預(yù)報(bào)性能和熱帶氣旋預(yù)報(bào)效果進(jìn)行的檢驗(yàn)研究工作較多[1-4]，但是針對(duì)中α尺度海洋溫帶氣旋的預(yù)報(bào)性能研究較少。GFS的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和NMWW3 的海浪數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品由于其開放性，國(guó)內(nèi)對(duì)其應(yīng)用較多，但對(duì)其預(yù)報(bào)性能的檢驗(yàn)研究工作較少。集合預(yù)報(bào)被WMO（世界氣象組織）列為數(shù)值預(yù)報(bào)四個(gè)發(fā)展方向之一，能成功處理數(shù)值預(yù)報(bào)的不確定性[5]。1994年，EC的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行[6-8]，2010年，EC免費(fèi)發(fā)布了其集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品（以下簡(jiǎn)寫為EC-ENS）中的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差場(chǎng)，目前對(duì)該產(chǎn)品的解釋應(yīng)用研究非常少。確定性數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)中α 尺度溫帶氣旋預(yù)報(bào)的不穩(wěn)定，曾給“神舟八號(hào)”飛船海上測(cè)控任務(wù)的指揮決策帶來較大的困難。對(duì)該類氣旋若能在4—6 天前較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)其中心位置和強(qiáng)度，3 天前準(zhǔn)確保障要素預(yù)報(bào)，則對(duì)指揮決策非常有利。本文對(duì)比分析了EC、GFS 和NMWW3 模式產(chǎn)品[9]對(duì)西南太平洋一例上述尺度溫帶氣旋的預(yù)報(bào)性能，總結(jié)了一些綜合應(yīng)用上述產(chǎn)品提高氣象水文保障質(zhì)量的方法與經(jīng)驗(yàn)。本文中使用的數(shù)值產(chǎn)品水平分辨率均為0.5°×0.5°，涉及的時(shí)間均為世界時(shí)（UTC）。

2 天氣過程實(shí)況

2.1 高空形勢(shì)

高空形勢(shì)場(chǎng)上（見圖1），28日在160°W 附近的中低緯度海域上空有一短波槽，與其對(duì)應(yīng)的中高緯海域有一長(zhǎng)波槽快速過境，30日短波槽向北發(fā)展，并切斷出一冷渦，冷渦與長(zhǎng)波槽脫離，冷渦南側(cè)是緩慢移動(dòng)發(fā)展中的脊。31—2日，冷渦逐漸增強(qiáng)，并緩慢向西南移動(dòng)，冷渦中心位勢(shì)高度降低率約為40 gpm/d，31—1日，冷渦南側(cè)脊的強(qiáng)度維持，緩慢東移，2日冷渦南移，脊強(qiáng)度明顯減弱。

2.2 海平面形勢(shì)

圖1 EC 2011年10月28—11月2日00時(shí)500 hPa位勢(shì)高度客觀分析場(chǎng)（單位/10 gpm）

圖2 EC10月28日—11月2日00時(shí)海平面氣壓客觀分析場(chǎng)（單位/hPa）

圖3 EC11月1日00時(shí)客觀分析場(chǎng)（虛）與10—5天前確定性預(yù)報(bào)的海平面形勢(shì)（實(shí)）對(duì)比（單位/hPa）

海平面形勢(shì)場(chǎng)上（見圖2），28日在中低緯海域有一倒槽，從28—31日倒槽幾乎未發(fā)展，但其南側(cè)的冷性高壓迅速增強(qiáng)，30日其中心強(qiáng)度達(dá)到1040 hPa，31日冷高壓繼續(xù)增強(qiáng)，在倒槽與冷高壓之間形成較強(qiáng)的氣壓梯度帶。1日倒槽迅速發(fā)展加深，向南鍥入冷高壓中，在中緯度海域形成很強(qiáng)的氣壓梯度帶。2日倒槽迅速增強(qiáng)為具有2條閉合等值線的溫帶氣旋，之后氣旋緩慢向西南方向移動(dòng)，強(qiáng)度維持，此時(shí)預(yù)定作業(yè)海域（見圖6）已處于溫帶氣旋后部，等值線較為稀疏，溫帶氣旋對(duì)該海域的影響反而較1日弱，所以后面的對(duì)比分析只針對(duì)11月1日。

天氣過程形勢(shì)概括為，中高緯長(zhǎng)波槽過境，中低緯短波槽切斷為冷渦，并逐漸增強(qiáng)，海平面形勢(shì)場(chǎng)上倒槽發(fā)展加強(qiáng)為溫帶氣旋，與其南側(cè)的強(qiáng)冷性高壓間形成非常強(qiáng)的氣壓梯度帶。該氣旋的發(fā)展符合Petterssen 提出的B類氣旋發(fā)展[10]的概念模型，即氣旋發(fā)生發(fā)展的啟動(dòng)機(jī)制主要在高空。

3 中期形勢(shì)預(yù)報(bào)對(duì)比分析

3.1 EC海平面形勢(shì)預(yù)報(bào)

圖4 EC-ENS10—5天前預(yù)報(bào)11月1日00時(shí)海平面氣壓的平均及標(biāo)準(zhǔn)差場(chǎng)（單位/hPa）

下面分別分析EC 提前10—5 天預(yù)報(bào)的11月1日00 時(shí)海平面形勢(shì)場(chǎng)（見圖3）的準(zhǔn)確性，10 天預(yù)報(bào)的冷性高壓中心位置偏西南，倒槽形勢(shì)預(yù)報(bào)較差，高低值系統(tǒng)基本上都報(bào)出。9 天預(yù)報(bào)的冷高壓形勢(shì)較好，強(qiáng)度稍偏弱，倒槽的位相預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，但是報(bào)出一較強(qiáng)的溫帶氣旋（2 條閉合等值線），整個(gè)高低壓形勢(shì)場(chǎng)與實(shí)況比較接近。8天預(yù)報(bào)冷高壓被氣旋切斷成兩個(gè)高壓?jiǎn)误w，倒槽預(yù)報(bào)偏強(qiáng)（1條閉合等值線），位置偏東南，整個(gè)形勢(shì)場(chǎng)較差。7 天預(yù)報(bào)高壓形勢(shì)較好，中心位置偏西南，倒槽位置預(yù)報(bào)稍偏東，強(qiáng)度偏強(qiáng)（2條閉合等值線），整個(gè)形勢(shì)預(yù)報(bào)較好。6天預(yù)報(bào)高壓中心稍偏西南，倒槽位置預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，強(qiáng)度偏強(qiáng)（1條閉合等值線），整個(gè)形勢(shì)場(chǎng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，強(qiáng)氣壓梯度帶的預(yù)報(bào)也非常好，各等值線的形態(tài)與零場(chǎng)接近。5 天預(yù)報(bào)高壓形勢(shì)準(zhǔn)確，中心位置稍稍偏東，各等值線基本與零場(chǎng)吻合，但預(yù)報(bào)的倒槽位置稍偏東北，導(dǎo)致預(yù)報(bào)的強(qiáng)氣壓梯度帶比零場(chǎng)稍偏東。

EC10—8天（除9天外）確定性預(yù)報(bào)的海平面形勢(shì)場(chǎng)較差，7—5 天的形勢(shì)預(yù)報(bào)較好，總的趨勢(shì)是時(shí)效越短，高低值系統(tǒng)的強(qiáng)度和位置預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性提高，中期（7—5天）預(yù)報(bào)的穩(wěn)定性較好。

3.2 EC-ENS平均值及標(biāo)準(zhǔn)差

下面分析EC-ENS提前10—5天預(yù)報(bào)的11月1日00時(shí)海平面氣壓的平均及標(biāo)準(zhǔn)差場(chǎng)（見圖4）。10天預(yù)報(bào)的平均場(chǎng)上，高壓呈長(zhǎng)條狀，強(qiáng)度較零場(chǎng)偏弱較多，倒槽位相預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，強(qiáng)度偏弱，倒槽底部是標(biāo)準(zhǔn)差的高值區(qū)，大于8 hPa，整個(gè)形勢(shì)預(yù)報(bào)較好。9天預(yù)報(bào)的高壓也呈長(zhǎng)條狀，中心位置預(yù)報(bào)較好，但是高壓后部形勢(shì)預(yù)報(bào)較差，倒槽較10 天的預(yù)報(bào)偏淺，位置稍偏西。8 天預(yù)報(bào)的倒槽位相和高壓形勢(shì)較好，高低壓間的標(biāo)準(zhǔn)差較大，中心區(qū)大于7 hPa，整個(gè)形勢(shì)預(yù)報(bào)較好。7 天預(yù)報(bào)高壓形勢(shì)較好，中心強(qiáng)度偏弱，倒槽的位相和強(qiáng)度預(yù)報(bào)均較好，強(qiáng)氣壓梯度帶的形勢(shì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，高低壓間的標(biāo)準(zhǔn)差較大。5—6天預(yù)報(bào)的形勢(shì)準(zhǔn)確，強(qiáng)氣壓梯度帶和倒槽的位相預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，高壓的形勢(shì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，但中心稍偏弱。

從第8 天前的預(yù)報(bào)開始，標(biāo)準(zhǔn)差的高值區(qū)主要集中在平均場(chǎng)倒槽的底部，由此，預(yù)報(bào)員基本上可以把握倒槽的位相，但是倒槽強(qiáng)度還有較大的不確定性。從第6 天前的預(yù)報(bào)開始，高壓中心區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差較小，依此可以確定高壓中心的位置，或者認(rèn)為6天前EC確定性模式預(yù)報(bào)的高壓位置和強(qiáng)度可信度較高。

3.3 GFS海平面形勢(shì)預(yù)報(bào)

圖5 GFS11月1日00時(shí)客觀分析場(chǎng)（虛）與10—5天前確定性預(yù)報(bào)（實(shí)）的海平面形勢(shì)對(duì)比（單位/hPa）

下面分別分析GFS提前10—5天預(yù)報(bào)的11月1日00時(shí)海平面形勢(shì)場(chǎng)（見圖5）。10天預(yù)報(bào)高壓系統(tǒng)偏弱，中心位置落后零場(chǎng)較多，倒槽預(yù)報(bào)位置偏東，強(qiáng)度偏強(qiáng)（1條閉合等值線），整個(gè)形勢(shì)場(chǎng)較差。第9天和8天預(yù)報(bào)的形勢(shì)相似，高壓系統(tǒng)位置偏東，倒槽系統(tǒng)預(yù)報(bào)出，但形勢(shì)較差，整個(gè)形勢(shì)場(chǎng)預(yù)報(bào)較差。7天預(yù)報(bào)高壓偏東較多，倒槽位相基本準(zhǔn)確，整個(gè)形勢(shì)預(yù)報(bào)也較差。6天預(yù)報(bào)高壓形態(tài)較好，強(qiáng)度稍偏弱，倒槽位置偏東北，強(qiáng)度稍偏強(qiáng)，高低壓間的氣壓梯度較零場(chǎng)偏弱，整個(gè)形勢(shì)預(yù)報(bào)較好。5 天預(yù)報(bào)的高壓形態(tài)較好，強(qiáng)度偏弱，倒槽位置偏東北，中心偏強(qiáng)（1條閉合等值線），強(qiáng)氣壓梯度帶較零場(chǎng)偏東北，整個(gè)形勢(shì)預(yù)報(bào)較好。

圖6 EC11月1日00時(shí)零場(chǎng)（黑）與4天內(nèi)（含）EC確定性預(yù)報(bào)（紅）及集合預(yù)報(bào)平均值（藍(lán)）和GFS確定性預(yù)報(bào)（紫）預(yù)報(bào)的海平面形勢(shì)對(duì)比

圖7 NMWW3模式提前7—1天預(yù)報(bào)11月1日00時(shí)和客觀分析的有效波高（單位/m）

GFS確定性預(yù)報(bào)10—7天前的整個(gè)形勢(shì)預(yù)報(bào)較差，6—5 天的形勢(shì)預(yù)報(bào)較好，但是低值系統(tǒng)位置預(yù)報(bào)較差，強(qiáng)度偏強(qiáng)。

3.4 小結(jié)

EC 和GFS 的確定性預(yù)報(bào)均提前8—10 天報(bào)出中低緯度的倒槽和中高緯的高壓系統(tǒng)，但倒槽強(qiáng)度和中心位置預(yù)報(bào)的穩(wěn)定性較差，EC預(yù)報(bào)倒槽的位相更好一點(diǎn)；EC-ENS 也提前8—10 天預(yù)報(bào)出上述系統(tǒng)，整體形勢(shì)預(yù)報(bào)更好和穩(wěn)定，對(duì)倒槽和高壓的位相預(yù)報(bào)更好，但系統(tǒng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏弱較多，可以從標(biāo)準(zhǔn)差場(chǎng)估計(jì)系統(tǒng)強(qiáng)度。EC 和GFS 的確定性預(yù)報(bào)5—6天前的形勢(shì)預(yù)報(bào)較好，EC的預(yù)報(bào)相對(duì)穩(wěn)定，倒槽的位置預(yù)報(bào)更加準(zhǔn)確，GFS 的預(yù)報(bào)穩(wěn)定性較EC差，倒槽的位置預(yù)報(bào)誤差較EC 偏大；EC-ENS 的預(yù)報(bào)穩(wěn)定，系統(tǒng)位相預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，整體形勢(shì)較好，但是系統(tǒng)偏弱。綜上所述，由于確定性預(yù)報(bào)的不穩(wěn)定，只應(yīng)用該產(chǎn)品7—10天前較難準(zhǔn)確預(yù)報(bào)倒槽和高壓系統(tǒng)的位置和強(qiáng)度，也就較難預(yù)報(bào)強(qiáng)氣壓梯度帶的位置和強(qiáng)度，若利用EC-ENS 的產(chǎn)品則能在8 天前較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)倒槽位相和整個(gè)形勢(shì)場(chǎng)，6 天前準(zhǔn)確預(yù)報(bào)高壓中心的位置和形勢(shì)，結(jié)合EC 和GFS 的確定性預(yù)報(bào)即可以較好的預(yù)報(bào)倒槽和高壓系統(tǒng)的強(qiáng)度，從而可以對(duì)NMWW3 的海浪數(shù)值預(yù)報(bào)進(jìn)行定性的主觀修正。

4 4天及短期數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)比分析

EC 4天的高壓形勢(shì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，中心強(qiáng)度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，對(duì)強(qiáng)氣壓梯度帶的位置預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，但是倒槽稍偏弱，對(duì)1012 hPa 等值線預(yù)報(bào)較差（見圖6）；ECENS 4 天預(yù)報(bào)的整體形勢(shì)較好，強(qiáng)氣壓梯度帶預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，但是高低壓中心預(yù)報(bào)均偏弱，導(dǎo)致預(yù)報(bào)的氣壓梯度形勢(shì)偏弱，高低壓之間仍然存在較大的不確定性；GFS 4天預(yù)報(bào)的整體形勢(shì)準(zhǔn)確，但倒槽位置整體偏北，強(qiáng)度偏強(qiáng)，導(dǎo)致強(qiáng)氣壓梯度帶預(yù)報(bào)偏北，更加接近預(yù)定作業(yè)海域。EC和GFS短期1—3天的形勢(shì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，無論是冷高壓還是倒槽形勢(shì)預(yù)報(bào)都非常準(zhǔn)確，高低壓間的強(qiáng)氣壓梯度帶位置與強(qiáng)度預(yù)報(bào)的也非常好，各等值線基本與零場(chǎng)吻合；EC-ENS 3 天前預(yù)報(bào)的倒槽強(qiáng)度稍偏弱，倒槽底部的標(biāo)準(zhǔn)差較小，2天和1天預(yù)報(bào)的各等值線基本與零場(chǎng)吻合。

4 天前各家預(yù)報(bào)仍然存在較明顯的差別，ECENS 強(qiáng)氣壓梯度帶的標(biāo)準(zhǔn)差仍然偏大，3 天內(nèi)的整體形勢(shì)預(yù)報(bào)各家都好，差別不明顯。EC-ENS 3 天前預(yù)報(bào)強(qiáng)氣壓梯度帶位置的標(biāo)準(zhǔn)差非常小，由此，預(yù)報(bào)員可以將EC 的確定性預(yù)報(bào)評(píng)估為非常準(zhǔn)確，因GFS 與EC 的確定性預(yù)報(bào)吻合，可以定性評(píng)估NMWW3海浪預(yù)報(bào)誤差將非常小。

綜上所述，集合（平均值和標(biāo)準(zhǔn)差）預(yù)報(bào)的優(yōu)勢(shì)在于其預(yù)報(bào)的整個(gè)形勢(shì)場(chǎng)較為穩(wěn)定，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效變短，越來越接近客觀分析場(chǎng)，強(qiáng)氣壓梯度帶區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差總的趨勢(shì)也是逐漸變小，表明預(yù)報(bào)的不確定性越來越小，其標(biāo)準(zhǔn)差場(chǎng)還可以用來估計(jì)天氣系統(tǒng)的強(qiáng)度（高值區(qū)加上標(biāo)準(zhǔn)差，低值區(qū)減去標(biāo)準(zhǔn)差，高低壓之間的過渡區(qū)域不適用此原則）。一般情況下，由于計(jì)算平均的過程中已經(jīng)把一些預(yù)報(bào)的隨機(jī)信息過濾掉[11]，集合平均預(yù)報(bào)通常比單個(gè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。其缺點(diǎn)是由于簡(jiǎn)單平均的原因，一般情況下，天氣系統(tǒng)會(huì)變?nèi)?，其形?shì)場(chǎng)也不代表模式的相空間軌跡。對(duì)上述個(gè)例的對(duì)比分析表明，若綜合集合預(yù)報(bào)和確定性預(yù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn)來對(duì)天氣系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，則能在8 天前較好的預(yù)報(bào)整個(gè)天氣形勢(shì)，4—6 天前準(zhǔn)確預(yù)報(bào)天氣形勢(shì)和高低值系統(tǒng)的強(qiáng)度，3 天內(nèi)確定性預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性本來就非常高，但還可以用ECENS 的標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)估其準(zhǔn)確性，增強(qiáng)預(yù)報(bào)員和指揮決策者的信心。

5 NMWW3模式海浪預(yù)報(bào)

NMWW3 模式的風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫來自GFS 的海面（10 m）風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)，因此浪高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性直接依賴于GFS形勢(shì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。分析圖7（h）可知，11月1日00時(shí)，預(yù)定作業(yè)海域浪高4 m左右，在其東南側(cè)海域有一大浪區(qū)，中心浪高超過6 m。NMWW3 模式7 天前的預(yù)報(bào)場(chǎng)與分析場(chǎng)差別較大，漏報(bào)預(yù)定作業(yè)海域的大浪過程。6—5天報(bào)出大浪過程，形勢(shì)預(yù)報(bào)基本準(zhǔn)確，因GFS 未準(zhǔn)確預(yù)報(bào)強(qiáng)氣壓梯度帶，大浪中心預(yù)報(bào)偏弱，預(yù)定作業(yè)海域浪高偏小。4—1天的形勢(shì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，但是5 m 以上浪高范圍和大浪中心位置預(yù)報(bào)不斷調(diào)整，導(dǎo)致預(yù)定作業(yè)海域浪高預(yù)報(bào)不斷修正，浪高預(yù)報(bào)的具體誤差見表1。7天因GFS預(yù)報(bào)的形勢(shì)與EC-ENS 相差較大，因此浪高應(yīng)該作較大的修正，6、5 天因GFS 預(yù)報(bào)的強(qiáng)氣壓梯度帶遠(yuǎn)離預(yù)定作業(yè)海區(qū)，4 m 以上浪區(qū)中心應(yīng)更靠近預(yù)定作業(yè)海域，4 天因GFS 預(yù)報(bào)較EC 偏強(qiáng)，可以適當(dāng)減小浪高值，3—1 天可以不作修訂。綜上所述，若依據(jù)EC、EC-ENS 和GFS 的綜合形勢(shì)預(yù)報(bào)，對(duì)7—4 天的浪高預(yù)報(bào)進(jìn)行定量化的主觀修正，可以有效改善浪高的中期形勢(shì)和要素預(yù)報(bào)。

表1 預(yù)定作業(yè)海域NMWW3模式浪高預(yù)報(bào)值與客觀分析場(chǎng)比較

6 結(jié)論

通過綜合分析EC、EC-ENS、GFS和NMWW3模式對(duì)一例中α 尺度溫帶氣旋的預(yù)報(bào)，本文得出了以下結(jié)論：

（1）EC 確定性模式對(duì)中α 尺度溫帶氣旋的中期形勢(shì)預(yù)報(bào)較GFS模式穩(wěn)定；

（2）EC-ENS 8—10天的形勢(shì)預(yù)報(bào)比EC確定性模式更具有優(yōu)勢(shì)，預(yù)報(bào)更加穩(wěn)定，系統(tǒng)的位相誤差更小，但是系統(tǒng)的強(qiáng)度偏弱較多；4—7 天的預(yù)報(bào)也較確定性預(yù)報(bào)穩(wěn)定，系統(tǒng)強(qiáng)度仍然偏弱，但是逐漸接近真實(shí)強(qiáng)度；標(biāo)準(zhǔn)差場(chǎng)可以估計(jì)系統(tǒng)的強(qiáng)度；

（3）EC 和GFS 模式的短期確定性預(yù)報(bào)沒有顯著差別，EC-ENS 的標(biāo)準(zhǔn)差場(chǎng)可以用來評(píng)估確定性預(yù)報(bào)形勢(shì)場(chǎng)的可信度；

（4）NMWW3 模式3 天內(nèi)的浪高要素預(yù)報(bào)誤差較小，4—7 天預(yù)報(bào)可以依據(jù)EC、EC-ENS 和GFS 的綜合預(yù)報(bào)進(jìn)行主觀改善性的修正。

集合預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)量非常大，本文只應(yīng)用了EC集合預(yù)報(bào)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差場(chǎng)，對(duì)上述個(gè)例的分析表明，該產(chǎn)品的應(yīng)用有助于提升對(duì)中α 尺度海洋溫帶氣旋中期形勢(shì)和要素預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

致謝：感謝ECMWF和NCEP提供全球數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的免費(fèi)下載。

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