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泉州市鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化氣溫、降水預(yù)報(bào)初探

1.泉州市氣象局 2.石獅市氣象局 藍(lán)秋萍1饒?jiān)铞?程 思1

該文針對(duì)泉州市鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，采用相鄰區(qū)域的相似預(yù)報(bào)法，分別對(duì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)四季的不同天氣要素與參考站的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中高溫、低溫和沿海風(fēng)力預(yù)報(bào)得出基于參考站預(yù)報(bào)訂正值，而降水預(yù)報(bào)給出兩者間的晴雨同步率。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，全市高低溫歷史擬合率在90%左右，說明該結(jié)論具有較高的歷史相似性，可作為預(yù)報(bào)的訂正值；四季各鄉(xiāng)鎮(zhèn)與參考站的晴雨同步性平均達(dá)85%以上，在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中可作為參考；進(jìn)一步對(duì)山區(qū)高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)、與參考站海陸差異明顯的鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)方法改進(jìn)訂正，擬合效果明顯提高。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象預(yù)報(bào) 相似預(yù)報(bào)法 統(tǒng)計(jì)分析 晴雨同步率 泉州市

2010年中央一號(hào)文件部署了健全農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系、加強(qiáng)農(nóng)村氣象災(zāi)害防御體系建設(shè)任務(wù)（簡稱“兩個(gè)體系”），其中精確到各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的天氣預(yù)報(bào)是當(dāng)中的一個(gè)重要組成部分。

為了適應(yīng)氣象預(yù)報(bào)精細(xì)化的要求，提高泉州市氣象預(yù)報(bào)服務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)能力，泉州市氣象局在2010年開展了精細(xì)化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的天氣預(yù)報(bào)。鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動(dòng)氣象站和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)為依托，以數(shù)值預(yù)報(bào)和福建省氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，制定泉州范圍內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象要數(shù)預(yù)報(bào)，包括降水、最低氣溫、最高氣溫、風(fēng)力等級(jí)和風(fēng)向。通過處理鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，發(fā)布到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象信息服務(wù)平臺(tái)、電子顯示屏等終端上，開展相應(yīng)服務(wù)。至2013年，泉州市已有6個(gè)縣市的公眾影視天氣節(jié)目對(duì)外發(fā)布鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)。但鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化預(yù)報(bào)缺乏客觀定量的預(yù)報(bào)參考，主要依靠預(yù)報(bào)員在本縣（市）基準(zhǔn)站的天氣預(yù)報(bào)上并借助簡單外推而進(jìn)行的訂正預(yù)報(bào)，整體預(yù)報(bào)效果欠佳。

近年來，區(qū)域自動(dòng)氣象觀測站網(wǎng)的密度有了快速提高，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)都至少擁有一套4要素以上的自動(dòng)氣象觀測站，而且，自動(dòng)觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量也得到了較好控制，這些都為開展精細(xì)化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的天氣預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。因此，本文從鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化氣溫、降水預(yù)報(bào)入手，結(jié)合自動(dòng)氣象觀測站和地面氣象觀測站，探討氣溫、降水預(yù)報(bào)訂正的方法，切實(shí)提高鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫、降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

目前，國內(nèi)已有許多從事鄉(xiāng)鎮(zhèn)最低、最高氣溫預(yù)報(bào)的研究工作。如連志鸞等[1]利用ECMWF資料、地面常規(guī)觀測資料和自動(dòng)站氣溫資料，采用多級(jí)相似和站際間的氣溫差額預(yù)報(bào)方法制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最低、最高氣溫預(yù)報(bào)，得到了較高的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[2]～[5]利用高分辨率的中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)方法（如輸出統(tǒng)計(jì)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法）來制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)溫度預(yù)報(bào)；另外，利用統(tǒng)計(jì)降尺度方法制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化溫度預(yù)報(bào)[6]，也取得較高的準(zhǔn)確率。但是，這些基于數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果的溫度訂正預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果都表明[7-8]，數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果誤差越大，溫度預(yù)報(bào)的誤差也越大。因此，邱學(xué)興等人[8]撇開數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果，利用準(zhǔn)確率最高的主觀縣站最低、最高氣溫預(yù)報(bào)來制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)的溫度，并建立了不同季節(jié)、不同天氣狀況下的溫度預(yù)報(bào)訂正方程，溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有了顯著提升。

本文從還原自動(dòng)氣象觀測數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，系統(tǒng)分析全市的氣溫、降水分布特征，建立基于區(qū)域自動(dòng)氣象觀測站的鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫、降水預(yù)報(bào)訂正指標(biāo)，為全市的精細(xì)化鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)水平和準(zhǔn)確率的提高提供技術(shù)支撐。

1 泉州氣候特征

泉州市東臨臺(tái)灣海峽，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，冬半年主要受蒙古冷高壓楔控制，盛行偏北風(fēng)，氣溫低，干燥少雨；夏半年主要受副熱帶高壓影響，盛行偏南風(fēng)，氣溫高，濕潤多雨。

1.1 平均氣溫時(shí)空分布

泉州市年平均氣溫的高值區(qū)在安溪縣東部、南安縣西部的低丘陵地帶。由該區(qū)向東南部沿海緩降，與濱海地區(qū)相差約1℃；向西北部地區(qū)遞降，幅度較大，與德化縣城關(guān)相差約3℃。低值區(qū)在德化縣西北部的高海拔山區(qū)。

春季氣溫變化基本趨勢是升溫，但升中有降，過程性頻繁，幅度也大，有時(shí)一天升降可達(dá)10℃以上，有的年份3月下旬后仍會(huì)出現(xiàn)連續(xù)3d以上日平均氣溫低于12℃的“倒春寒”天氣。夏季炎熱，但真正的酷暑天氣不多，高海拔地區(qū)和濱海地區(qū)相對(duì)溫低，臺(tái)風(fēng)和雷陣雨則是緩解高溫的兩種主要天氣過程。秋季氣溫迅速下降，連續(xù)3d以上平均氣溫低于20℃的“秋寒”一般出現(xiàn)在10月中旬（半山區(qū)）至11月上旬（沿海），但秋季仍常出現(xiàn)“十月小陽春”天氣，日較差也增大。冬季大部分地區(qū)仍較暖和，比較寒冷的是高海拔山區(qū)。

1.2 最高氣溫時(shí)空分布

泉州市月平均最高氣溫分布基本與月平均氣溫一致，中部低丘陵地帶高，濱海地區(qū)與西北部高海拔地區(qū)較低。“熱都”在安溪城廂一帶。濱海崇武各月平均氣溫高于德化，而1～8月平均最高氣溫均比德化低，反映出該地日較差較小的海洋性氣候特征。

1.3 最低氣溫時(shí)空分布

泉州市月平均最低氣溫的分布亦同月平均氣溫分布基本一致。崇武12月和1月的平均最低氣溫高于德化，也是該地海洋性氣候的特征之一。

從以上統(tǒng)計(jì)可以看出，最高、最低氣溫從海濱鄉(xiāng)鎮(zhèn)（崇武）到半沿海鄉(xiāng)鎮(zhèn)（鯉城）到內(nèi)陸低丘陵鄉(xiāng)鎮(zhèn)（南安）逐步遞增，再向西北部高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)（德化）遞減。反映出最高、最低氣溫的時(shí)空變化具有統(tǒng)一性與差異性,也反映了泉州氣候具有一定的區(qū)域性特征。例如，安溪、南安同樣地處泉州市中部低丘陵地帶，兩者測站的海拔高度均在50m左右，其各月最高、最低氣溫基本持平，反映兩者的氣溫變化狀況基本同步。本文氣象要素的預(yù)報(bào)也是基于這種同步性展開。

1.4 年降水量的空間分布

泉州市自動(dòng)站平均年降水量在800～2000mm，降水量分布受天氣系統(tǒng)和地形地勢影響；其時(shí)空分布不均，地理分布特征是由西北向東南遞減，山區(qū)多、沿海少；兩大多雨中心與海拔高值區(qū)相對(duì)應(yīng)，分別位于德化境內(nèi)戴云山脈主峰附近和安溪西南隅，年均降水量在1700mm以上，這些地方的多雨是地形對(duì)氣流的動(dòng)力抬升作用所致。年降水量與站點(diǎn)高度分布的關(guān)系是：低于200m的自動(dòng)站年降水量基本少于1500mm，高于200m的基本在1500mm以上；年降水量隨自動(dòng)站高度呈指數(shù)性增長。

1.5 降水量的季節(jié)分布

春季是強(qiáng)對(duì)流天氣活躍，降水相對(duì)比較穩(wěn)定、均勻的季節(jié)。全市區(qū)域自動(dòng)站平均春季降水量186.6mm（石獅鴻山）～504.5mm（德化大銘）。春季降水量的分布與平均年降水量分布基本相似：西北多、東南少；山區(qū)春季降水量均在400mm以上，≥450mm的區(qū)域在德化西部、永春西北部和安溪西北部；東南部沿海一帶的雨量在300mm左右。

夏季降水主要因熱帶天氣系統(tǒng)的影響所致，是降水量時(shí)空分布最懸殊的季節(jié)。全市區(qū)域自動(dòng)站平均夏季降水量174.6mm（惠安埕邊鹽場）～905.9mm（永春呈祥）。其分布特點(diǎn)表現(xiàn)為：西北多、東南少；山區(qū)均在600mm以上，≥700mm的多雨區(qū)集中在德化西部、永春中部、安溪南部以及南安西南角；東南部沿海一帶的雨量在300～500mm之間，僅為山區(qū)的一半左右。

秋季是秋高氣爽、干燥少雨的季節(jié)，也是降水變化無常的季節(jié)，容易出現(xiàn)秋冬連旱。秋季降水量少且平緩，全市平均秋季降水量139.6mm（石獅鴻山）～407.1mm（安溪龍涓）。多雨區(qū)位置與夏季分布基本一致，雨量在300mm左右。

冬季冷空氣影響頻繁，風(fēng)高物燥，是降水最少的季節(jié)。全市區(qū)域自動(dòng)站平均冬季降水量33.4mm（泉港涂嶺）～161.4mm（德化桂陽）。冬季降水量分布自西北山區(qū)向東南沿海減少；德化西北部降水量超過150mm，沿海一帶降水量則在100mm以下。

2 資料整理

本文采用泉州市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2008—2013年的（自動(dòng)）觀測站逐小時(shí)報(bào)文資料。統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)逐日相關(guān)氣象要素值，其中包括日降水、日最高氣溫、日最低氣溫和日極大風(fēng)力4個(gè)氣象要素。對(duì)資料進(jìn)行整理，形成預(yù)報(bào)中常用的08～08和20～20這2個(gè)時(shí)段的實(shí)況資料。

以2008—2012年資料作為樣本統(tǒng)計(jì)，2013年資料作為歷史擬合效果檢驗(yàn)。本文所用的自動(dòng)站資料文件數(shù)量大，時(shí)間跨度長，基本涵蓋了泉州范圍內(nèi)自動(dòng)站建站以來的所有數(shù)據(jù)。

3 站點(diǎn)篩選

3.1 有效鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)站點(diǎn)篩選

泉州市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動(dòng)站從2007年以來陸續(xù)建成，各自動(dòng)站資料的時(shí)間跨度不一，且由于自動(dòng)站故障造成數(shù)據(jù)缺失和錯(cuò)誤等原因，需對(duì)資料進(jìn)行初步整理，篩選出滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化預(yù)報(bào)條件的自動(dòng)站。

數(shù)據(jù)樣本數(shù)的長度對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果有重要影響，樣本長度太小，統(tǒng)計(jì)出的對(duì)比數(shù)據(jù)偶然性太大，歷史擬合的準(zhǔn)確率低，無參考意義。因此本文選取有效樣本資料多于3年的站點(diǎn)作統(tǒng)計(jì)分析。以此為依據(jù)共選出130個(gè)有效鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)站點(diǎn)。

3.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)況對(duì)比站點(diǎn)與預(yù)報(bào)對(duì)比站點(diǎn)的選取

本文選取鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在縣（市）的氣象基準(zhǔn)（或基本）站作為實(shí)況、預(yù)報(bào)對(duì)比站點(diǎn)。如無基準(zhǔn)（或基本）站，則選最近的自動(dòng)站。例如泉州市局以及洛江區(qū)范圍內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道選取F5103東海自動(dòng)站作為實(shí)況對(duì)比站點(diǎn)，石獅范圍內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道選取F5652寶蓋自動(dòng)站作為實(shí)況對(duì)比站（具體見表1）。該選取方法在泉州氣候特征的基礎(chǔ)上考慮了地理行政的分布，有利于日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的執(zhí)行。

表1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)對(duì)比站點(diǎn)與實(shí)況對(duì)比站點(diǎn)

4 要素預(yù)報(bào)方法

我們針對(duì)泉州天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀，分別對(duì)不同天氣要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中高溫、低溫預(yù)報(bào)根據(jù)相似預(yù)報(bào)法得出預(yù)報(bào)訂正值；而降水預(yù)報(bào)給出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)和預(yù)報(bào)對(duì)比站的晴雨同步率，為鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水預(yù)報(bào)提供一定參考。

4.1 相似預(yù)報(bào)法

泉州氣候?yàn)閬啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，氣象要素在沿海區(qū)域和內(nèi)陸區(qū)域具有差異性和同步性。本文在泉州市近五年區(qū)域自動(dòng)站資料的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)四個(gè)季節(jié)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)的最高溫度、最低溫度與其相應(yīng)的實(shí)況對(duì)比站點(diǎn)氣象要素的平均差距，初步得出預(yù)報(bào)參考指標(biāo)。

其中為預(yù)報(bào)訂正值，為樣本長度，為鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)的天氣要素值，為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)況對(duì)比站點(diǎn)的天氣要素值。

4.2 晴雨的歷史同步率

假設(shè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)和實(shí)況對(duì)比站點(diǎn)的晴雨天氣具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，某一季節(jié)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及本站的降水序列為個(gè)樣本，兩個(gè)站點(diǎn)共同出現(xiàn)降水的樣本數(shù)為1，共同沒有降水的樣本數(shù)為2，則（1+2）/代表兩者的晴雨同步性。（1+2）/的值越大，即表示兩者的晴雨同步性越好。

5 歷史擬合效果檢驗(yàn)

5.1 氣溫的歷史擬合效果檢驗(yàn)

采用2010年實(shí)施的《短期氣候預(yù)測質(zhì)量分級(jí)檢驗(yàn)辦法》中的PS評(píng)分方法。用鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)與本縣市的實(shí)況對(duì)比站點(diǎn)的實(shí)際高低溫差減去該鄉(xiāng)鎮(zhèn)的高低溫訂正值，其絕對(duì)值在2℃以內(nèi)的視為正確樣本。全市擬合效果見表2。

表2 高、低溫歷史擬合效果

從表2可以看出，基于相似預(yù)報(bào)法得出的高、低溫訂正值具有較高的準(zhǔn)確率，四季各縣市的準(zhǔn)確率在90%左右，該訂正值可運(yùn)用于實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中；各縣市的準(zhǔn)確率存在差異，南安、永春、晉江、石獅、市區(qū)及洛江區(qū)的準(zhǔn)確率較高，說明這些縣市的氣象要素日差異小、區(qū)域性氣候明顯。德化、惠安及泉港區(qū)的準(zhǔn)確率較低，說明這些縣市的氣候區(qū)域內(nèi)差異大。

5.2 晴雨的歷史同步率

通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)與其對(duì)應(yīng)的實(shí)況對(duì)比站點(diǎn)的平均晴雨同步性在85%左右，尤其是冬季晴雨同步率最高，具有較高的預(yù)報(bào)參考價(jià)值（見表3）。

表3 晴雨同步率

6 效果改進(jìn)

（1）通常情況下，山區(qū)高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最低氣溫低于本站，但在秋冬季，受晴空輻射的影響，山區(qū)出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最低氣溫要高于本站。逆溫層高度一般從幾百米到幾千米。因此，在考慮可能出現(xiàn)逆溫的情況下，結(jié)合逆溫層高度的預(yù)算（800m左右），高于逆溫層高度的鄉(xiāng)鎮(zhèn)最低氣溫預(yù)報(bào)要做相應(yīng)調(diào)整。

統(tǒng)計(jì)德化本站和九仙山站點(diǎn)的逆溫情況，2008年1月～2012年12月共出現(xiàn)逆溫71次，平均溫差1.6℃。德化本站海拔為520m左右，九仙山為1650m左右，逆溫為0.15℃ /100m。

統(tǒng)計(jì)永春本站和呈祥站點(diǎn)的逆溫情況，2008年1月～2012年12月共出現(xiàn)逆溫39次，平均溫差1.1℃。永春本站海拔為170m左右，呈祥為800m左右，逆溫為0.17℃/100m。

統(tǒng)計(jì)安溪本站和大坪站點(diǎn)的逆溫情況，2008年1月～2012年12月共出現(xiàn)逆溫17次，平均溫差1.0℃。安溪本站海拔為69m左右，大坪為849m左右，逆溫為0.13℃/100m。

（2）惠安、泉港區(qū)的內(nèi)陸鄉(xiāng)鎮(zhèn)采用崇武站（59133）為實(shí)況對(duì)比站點(diǎn)和預(yù)報(bào)對(duì)比站點(diǎn)，歷史擬合效果低，崇武為海濱鄉(xiāng)鎮(zhèn)，海洋性氣候特征明顯，而惠安、泉港屬內(nèi)陸鄉(xiāng)鎮(zhèn)，改為采用惠安本站（預(yù)報(bào)對(duì)比站點(diǎn)99901，實(shí)況對(duì)比站點(diǎn)F5706螺城），歷史擬合效果明顯提高。

7 結(jié)論

（1）以2013年四季的高低溫實(shí)況作為原始資料，檢驗(yàn)高低溫訂正值的歷史擬合率。通過相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，全市高低溫歷史擬合率的PS評(píng)分在90%左右，說明該結(jié)論具有較高的歷史相似性，可作為預(yù)報(bào)的訂正值。

（2）四季各鄉(xiāng)鎮(zhèn)與本站的晴雨同步性平均達(dá)85%以上，在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中可作為參考。

（3）在高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)和與本站距離較遠(yuǎn)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低，對(duì)這部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)做預(yù)報(bào)時(shí)，可加入當(dāng)天的溫度實(shí)況和冷暖空氣的活動(dòng)情況做進(jìn)一步調(diào)整，如高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)的逆溫情況。惠安、泉港區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)改為采用惠安本站為實(shí)況對(duì)比站點(diǎn)和預(yù)報(bào)對(duì)比站點(diǎn)，歷史擬合效果明顯有所提高。這樣改進(jìn)后，可提高這些地區(qū)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

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