榮艷敏，閻麗鳳，盛春巖，范蘇丹，車軍輝

(山東省氣象科學研究所，山東濟南250031)

1 引言

海上大風是影響海上航行及漁業(yè)生產(chǎn)的最主要的災(zāi)害性天氣。據(jù)統(tǒng)計，對海洋產(chǎn)業(yè)構(gòu)成影響的各類自然災(zāi)害中，90%以上是氣象災(zāi)害及其衍生災(zāi)害，而在這些災(zāi)害中，海上強風（平均風力大于等于7 級）以及由此引起的涌浪破壞力是最大的。根據(jù)海洋作業(yè)人員反映，通常情況下預報員對于海上風的預報常常偏高，而當有大風影響時，常引起局地強風天氣，它有著很強的局地性和短時性，預報員往往會漏報。同時，山東沿海還受海陸風影響嚴重，風的預報與內(nèi)陸有明顯不同。因此，加強海上風預報技術(shù)的研究，提高對此類天氣現(xiàn)象的認識及預報準確率，是氣象服務(wù)于海洋經(jīng)濟和海上安全生產(chǎn)的迫切需求。要提高海上風的精細化預報，在有效利用數(shù)值預報的同時，大力發(fā)展數(shù)值預報產(chǎn)品的解釋應(yīng)用技術(shù)是非常必要的。目前，MOS方法是被廣泛采用的一種比較成熟的釋用方法，基于數(shù)值預報產(chǎn)品的MOS預報對于氣溫有較好的改進作用[1-3]，但對風的預報依然是個難點，這主要由它本身的復雜多變以及局域性強等特點所決定的。早在20 世紀90年代中期，范淦清[4]就開始利用數(shù)值模式產(chǎn)品使用MOS方法來制作風的預報，之后不少氣象工作者[5-7]針對風向風速的預報采用MOS 方法進行了不斷地嘗試，取得了較好的效果。

近些年來，山東省引進并發(fā)展了中尺度數(shù)值模式WRF_RUC[8]（WRF 快速循環(huán)同化系統(tǒng)），針對山東天氣預報業(yè)務(wù)需求開發(fā)了精細化預報產(chǎn)品，而對其產(chǎn)品進行深入加工，進一步提高預報精度方面所做工作相對較少。本文通過對山東省使用的業(yè)務(wù)模式（T639、MM5、WRF_RUC 等）對海上風的預報效果進行分析評估，綜合選取適合山東海上風的預報的數(shù)值模式，基于山東12 個精細海區(qū)代表站實況觀測資料，采用MOS 釋用技術(shù)訂正模式預報結(jié)果，研制山東精細化海區(qū)風的客觀預報產(chǎn)品。

2 資料與方法

2.1 資料來源

根據(jù)山東省海洋氣象業(yè)務(wù)需求，按照沿海市級行政區(qū)域和天氣氣候特點，《關(guān)于印發(fā)山東省海洋氣象業(yè)務(wù)規(guī)定的通知》（魯氣辦發(fā)〔2011〕125 號）中規(guī)定，將山東海岸線10 km 以內(nèi)的沿海精細劃分為12個沿海海區(qū)（見圖1），每個海區(qū)選取一主一備（或一主二備）海洋氣象觀測代表站點，本文選取觀測資料比較穩(wěn)定、質(zhì)量比較可靠的各個海區(qū)代表站的自動站逐時報文資料建立實況庫。

山東省氣象科學研究所當前運行的WRF_RUC模式分辨率已達到4×4 km，可以根據(jù)用戶需要輸出逐時不同層次的各種氣象要素。模式自2009年8月業(yè)務(wù)運行至今，已積累了一套高分辨率的中尺度模式資料，為得到連續(xù)完整的樣本資料，對2010—2013年間缺失的資料進行了逐日反算，選取逐日20時起報的48 h 預報時效的預報產(chǎn)品建立模式因子庫。

在進行MOS預報前，首先確定預報對象和預報時段，根據(jù)具體的預報對象進行資料選取。本文主要研制山東精細化海區(qū)風的客觀預報產(chǎn)品，研究對象選為日最大平均風速和日極大風速，預報時效為48 h。山東海上大風災(zāi)害以春季冬季最多[9]，秋季次之，為克服樣本量偏少，也考慮到風速有明顯的季節(jié)性變化，所以選取2009年9月—2010年4月、2010年9月—2011年4月及2011年9月—2012年4月，共726天的資料作為樣本建立預報方程。

2.2 MOS客觀方程的建立

采用MOS 方法建立逐站的日最大平均風速和日極大風速的預報模型，該方法能自動訂正數(shù)值模式的偏差和不確定性，同時還可以引入很多其他方法不易引進的因子。

（1）預報因子處理：在建立預報方程前，將WRF_RUC模式的格點預報值直接內(nèi)插在站點上作為站點的預報因子，在插值的過程中，計算相關(guān)物理量并同時插值到站點上。這些物理量除了模式輸出的1000—100 hPa 各層的高度、溫度、相對濕度、風等基本因子，還包括某些層次的溫度露點差、水汽通量散度、K指數(shù)、Q矢量、水平或垂直梯度、平流等診斷物理量；

圖1 山東沿海12個海區(qū)劃分示意圖

（2）因子篩選:在全部預報因子中，分別計算各因子與預報對象的相關(guān)系數(shù)，依據(jù)相關(guān)系數(shù)大小對因子庫進行排序篩選，剔除一些與預報對象相關(guān)不大且物理意義不明顯的因子；

（3）建立回歸方程: 最后入選的為相關(guān)性較好且相互獨立的高相關(guān)因子，將篩選出的因子與預報對象之間進行逐步回歸計算，建立各預報對象在不同站點、不同時次的MOS方程；

（4）業(yè)務(wù)預報：日常業(yè)務(wù)預報中，只需將WRF_RUC 模式預報資料按原定的診斷程序計算、并插值到各個站點，代入建好的MOS 預報方程中，便可獲得各代表站的要素預報值，這里主要提供了山東12個精細海區(qū)代表站20時起報的大風預報產(chǎn)品。

3 效果檢驗

3.1 風速分級檢驗辦法

根據(jù)目前氣象部門廣泛應(yīng)用的《中短期天氣預報質(zhì)量檢驗辦法》中的有關(guān)規(guī)定[10]，設(shè)計了一種風速分級預報檢驗辦法[11]，即如果風速預報和實況是同一等級，則為該等級風速預報正確；如果預報風力小于實況等級，則為預報偏弱；如果預報風力大于實況等級，則為預報偏強。具體計算辦法如下：

式中，NAk為預報正確站（次）數(shù)、NBk為空報站（次）數(shù)、NCk為預報偏弱偏強站（次）數(shù)。

3.2 多模式風速預報對比檢驗

閻麗鳳等[12]曾對MM5、WRF 和T639 模式對山東沿海的風速預報情況進行了對比檢驗，這里為進一步了解各模式的預報性能，增加EC的預報結(jié)果，對省級中尺度數(shù)值模式MM5、WRF_RUC以及國家級數(shù)值模式T639、EC 的風速預報進行了分級對比檢驗。將所有模式預報的10 m 風速均插值到山東12 個精細化海區(qū)代表站上，其中，檢驗時效為各模式20 時起報的72 h 內(nèi)日最大風速，WRF_RUC 模式預報時效較短，檢驗時效為48 h。為更好地對不同模式預報結(jié)果進行比較，在進行TS 評分及風速預報平均絕對誤差檢驗時，各模式資料均選2013年9月—2014年4月。

分析MM5、WRF_RUC、T639及EC模式對山東沿海12 個精細化海區(qū)的日最大風速預報檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)（見圖2），T639 和EC 模式對于2—3 級的風預報效果明顯好于WRF_RUC和MM5；而4級以上的較大風力，T639 和EC 模式預報準確率迅速下降，MM5和WRF_RUC評分相對增加，其中WRF_RUC對于6 級以上較強風力預報效果最好，但各模式均預報偏??；T639 和EC 模式對于6 級風力預報準確率很低，不到10 分，對于8 級以上大風沒有預報能力，而MM5和WRF_RUC模式對于8級大風仍有一定的預報能力。

由圖3中各模式日最大風速預報的平均絕對誤差曲線可以發(fā)現(xiàn)，WRF_RUC模式預報的風速平均絕對誤差最小，MM5略大，T639模式誤差最大。結(jié)合風速預報分級評分可以認為，對于4 級以上的較強風力，MM5 和WRF_RUC 預報效果較好，尤其是WRF_RUC 模式對沿海大風預報誤差最小，具有較高的參考價值。所以，基于WRF_RUC 模式預報產(chǎn)品的精細化MOS風速預報，有助于進一步提高預報精度。

3.3 MOS預報效果檢驗

為檢驗所建MOS方程質(zhì)量的好壞，選取未參加回歸計算的2013年9月—2014年4月的預報結(jié)果，利用山東12個海區(qū)代表站的逐時風速資料，針對每日20 時起報WRF_RUC 模式預報的10 m 最大風速和MOS 預報的日最大風速進行對比檢驗。結(jié)果表明（見圖4），WRF_RUC模式對于5級以下小風預報效果要好于MOS方法，而MOS方法空報較多，說明MOS 方法對小風的預報偏大；MOS 方法對于6—7級大風預報評分達70 左右，WRF_RUC 模式對6 級以上的風力漏報較多；對于8—9 級大風MOS 預報評分高達50，而WRF_RUC 模式幾乎沒有預報能力。

圖2 山東沿海2013年9月—2014年4月平均的MM5、WRF_RUC、T639以及EC模式日最大風速預報評分

圖3 山東沿海2013年9月—2014年4月平均的MM5、WRF_RUC、T639以及EC模式日最大風速預報平均絕對誤差

圖4 山東沿海2013年9月—2014年4月平均的WRF_RUC模式及MOS方法日最大風速預報評分

圖5 山東沿海2013年9月—2014年4月平均的WRF_RUC模式及MOS方法日最大風速預報平均絕對誤差

為分析模式對于山東沿海各代表站的風速預報情況，對12個海區(qū)代表站的風速預報逐一進行了評分分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模式對于單站風速預報結(jié)果與整個沿海代表站平均結(jié)果類似，對于6 級以上的較強風力，MOS方法預報評分要高于WRF_RUC模式的預報。如圖4所示，不同站點6—7級大風的TS預報評分存在顯著差異，但總體來說MOS預報好于WRF_RUC模式。

由圖5中各模式日最大風速預報的平均絕對誤差曲線可以發(fā)現(xiàn)，對于所有風級總平均絕對誤差，MOS 預報誤差最大，但對于6 級以上大風MOS 預報的誤差要小于WRF_RUC 模式，MOS 方法對4 級以下弱風預報效果不好，即增加了小風的誤差。結(jié)合風速預報分級評分可以認為，對于6 級以上的大風天氣，MOS 方法具有較高的參考性，相對于WRF_RUC 模式直接輸出的預報有了較大的提高，這就顯示了釋用預報的意義。

4 修正的MOS預報方法及效果檢驗

上述檢驗結(jié)果表明，基于WRF_RUC 模式產(chǎn)品的精細化MOS 預報，適用于6 級以上的大風天氣，對5 級以下小風的效果不好。針對這種現(xiàn)象，本文主要做了以下改進，如果代表站的WRF_RUC 預報風力大于某一等級，就用該站同一天的MOS預報結(jié)果來替換，利用實況資料對替換后的結(jié)果進行風速的分級檢驗。按照此辦法，日最大風速的風力分別選擇為3級、4級和5級，TS評分如表1所示，改進后對于2—3 級風的預報評分要高于WRF_RUC 直接輸出的37.82，但隨著所選風力的增加，評分結(jié)果減小；如果預報風力大于5 級時替換，對4—5 級風的預報準確率有很大的提高，但同時削弱了對6 級以上大風的預報能力。綜合考慮，WRF_RUC 預報風力大于4 級時用MOS 預報結(jié)果替換，在保證6 級以上大風的預報效果前提下，提高MOS方法對4級以下小風的預報效果。無論是4級以下小風還是6級以上大風，MOS方法預報效果都較WRF_RUC直接輸出有了一定提高。

表1 不同條件下WRF_RUC模式及MOS方法24 h日最大風速預報評分

5 日極大風速的效果檢驗

對MOS預報的日極大風速進行效果檢驗，如圖6 所示，MOS 方法對日極大風的直接預報效果不理想，尤其是6級以上的大風漏報較多，說明該方法對日極大風的預報偏弱。根據(jù)多年的地面自動站觀測資料進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，日極大風速與日最大風速有一定的相關(guān)性（見表2），根據(jù)統(tǒng)計關(guān)系和預報經(jīng)驗做了以下試驗：當預報的日最大風速為4 級以下時，日極大風速按照MOS方法直接預報的值來評分；當預報的日最大風速大于4級時，各站點的日極大風速存在如表2 的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即在日最大風速的基礎(chǔ)上相應(yīng)的增加一定風級。轉(zhuǎn)換以后的評分結(jié)果如圖6 中的MOS_DZ，對于6 級以上風力預報效果明顯提高，7—8 級風力預報評分可達30 以上，對10級強風也有一定的預報能力，這對日極大風速的預報具有很好的參考價值。

圖6 山東沿海2013年9月—2014年4月平均的MOS方法日極大風速預報評分

表2 山東12個精細海區(qū)代表站日最大風速與日極大風速的統(tǒng)計關(guān)系

6 小結(jié)

基于中尺度數(shù)值模式WRF_RUC 的預報產(chǎn)品，采用MOS 釋用技術(shù)訂正模式預報結(jié)果，研制山東12個精細化海區(qū)風的客觀預報產(chǎn)品，并對20起報的24 h 和48 h日最大風和日極大風進行風速分級檢驗，可以得到以下結(jié)論：

（1）綜合各模式對于山東沿海風速預報的平均絕對誤差，WRF_RUC 模式對沿海大風預報誤差最小，具有較高的參考價值。而MOS 方法相對于WRF_RUC 模式來說，對于5 級以下的風速預報效果比較差，對于6 級以上較強風力的預報效果要好，尤其是對于8—9 級大風仍有較強的預報能力；

（2）如果WRF_RUC 模式預報風力大于4 級時用MOS 預報結(jié)果替換，無論是4 級以下小風還是6級以上大風，MOS預報效果都較WRF_RUC直接輸出有了一定提高；

（3）充分利用沿海及海島站風的觀測資料進行統(tǒng)計分析，將平均風速與陣風的統(tǒng)計關(guān)系應(yīng)用到陣風客觀預報中，MOS 方法對于改進的日極大風速的預報效果也有明顯提高，對于7—8 級風力預報評分可達30 以上，對10 級強風也有一定的預報能力，這對日極大風速的預報具有很好的參考價值；

（4）該方法的研究初步表明，對6 級以上風速MOS 方法對WRF_RUC 模式預報有很好的訂正效果，具有較高的參考價值。隨著WRF_RUC 模式資料的積累和MOS 方法在實際應(yīng)用中的不斷改進和完善，期待今后的預報效果還會有所提高。

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