董蒼鵬,趙 磊
(1.佛坪縣氣象局,陜西佛坪 723400;2.鎮(zhèn)巴縣氣象局,陜西鎮(zhèn)巴 723600)
研究型業(yè)務(wù)建設(shè)是中國(guó)氣象局2019年一項(xiàng)重大工作部署,是對(duì)2018年中國(guó)氣象局黨組集約化業(yè)務(wù)建設(shè)成果的進(jìn)一步落實(shí),是要通過研究型業(yè)務(wù)建設(shè)實(shí)現(xiàn)氣象業(yè)務(wù)更高質(zhì)量發(fā)展,其內(nèi)涵是要以科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展,以業(yè)務(wù)需求牽引科學(xué)技術(shù)進(jìn)步,形成觀測(cè)自動(dòng)、預(yù)報(bào)智能、服務(wù)智慧的新時(shí)代氣象業(yè)務(wù)體系[1]。在研究型預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)建設(shè)中,通過檢驗(yàn)和訂正網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品,優(yōu)化網(wǎng)格預(yù)報(bào)本地訂正閾值,進(jìn)一步提升網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的預(yù)報(bào)能力和業(yè)務(wù)質(zhì)量。目前世界多個(gè)國(guó)家已建立形成多個(gè)無縫隙精細(xì)化網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)模式與系統(tǒng)[2],國(guó)內(nèi)北京、上海、廣東、福建等地已經(jīng)初步建立格點(diǎn)化預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系[3]。陜西省氣象局依據(jù)業(yè)務(wù)需求建立了陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)(秦智)(下簡(jiǎn)稱秦智系統(tǒng)),該系統(tǒng)自2018年投入業(yè)務(wù)使用以來,增加了多個(gè)應(yīng)用模塊,完善了各項(xiàng)預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)、服務(wù)功能,為市縣級(jí)的預(yù)報(bào)工作提供了指導(dǎo)作用。秦智系統(tǒng)采用了模式動(dòng)態(tài)交叉最優(yōu)要素預(yù)報(bào)(dynamic cross element forecast,簡(jiǎn)稱DCOEF)方法,形成了一套全要素網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品[4]。目前,全省市縣級(jí)預(yù)報(bào)主要借助于秦智系統(tǒng),因此對(duì)秦智系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率檢驗(yàn)對(duì)于提高本地預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性和服務(wù)質(zhì)量有重要意義。依托研究型業(yè)務(wù)工作的開展,佛坪縣氣象局作為全省研究型業(yè)務(wù)建設(shè)試點(diǎn)單位率先開展了秦智系統(tǒng)溫度和降水精細(xì)化格點(diǎn)預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)并得到了初步的檢驗(yàn)結(jié)論。
佛坪縣有1個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)站和9個(gè)區(qū)域站(圖1)。使用資料為2019年1月1日至10月31日10個(gè)站點(diǎn)的逐日最高氣溫、最低氣溫、日降水量觀測(cè)數(shù)據(jù),每日14時(shí)至15時(shí)使用秦智系統(tǒng)解析應(yīng)用模塊中配置模板保存預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),模板中配置有秦智系統(tǒng)對(duì)當(dāng)日20時(shí)至次日20時(shí)的最高氣溫、最低氣溫、天氣現(xiàn)象的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。預(yù)報(bào)模板中通過臺(tái)站號(hào)和經(jīng)緯度定位了站點(diǎn)位置,確保預(yù)報(bào)位置與實(shí)況觀測(cè)位置處于同一經(jīng)緯度上,這一方法克服了傳統(tǒng)的使用空間插值方法對(duì)觀測(cè)和預(yù)報(bào)進(jìn)行對(duì)比存在的缺陷,傳統(tǒng)的空間插值方法對(duì)站點(diǎn)分布密度及所處地形、海拔高度、季節(jié)變化依賴很大,在平原地區(qū)插值效果較好,在高原山區(qū)插值效果較差[5-8]。
圖1 佛坪檢驗(yàn)站點(diǎn)分布圖
對(duì)溫度預(yù)報(bào)結(jié)果開展平均誤差(TME)檢驗(yàn)、平均絕對(duì)誤差(TMAE)檢驗(yàn)、均方根誤差(TRMSE)檢驗(yàn)、≤1 ℃和≤2 ℃的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率(Tk)檢驗(yàn)[9]。
(1)
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其中,F(xiàn)i為某站第i天預(yù)報(bào)溫度,Oi為該點(diǎn)第i天實(shí)況溫度,N為預(yù)報(bào)總天數(shù),k為1、2,分別代表絕對(duì)誤差≤1 ℃和2 ℃,Nk為絕對(duì)誤差≤1 ℃或2 ℃時(shí)預(yù)報(bào)正確的天數(shù)。
對(duì)降水預(yù)報(bào)進(jìn)行晴雨(雪)的TS評(píng)分(TS)、空?qǐng)?bào)率(FAR)、漏報(bào)率(PO)、命中率(POD)檢驗(yàn)[9]。
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(8)
其中,NA為預(yù)報(bào)正確次數(shù),NB為空?qǐng)?bào)次數(shù),NC為漏報(bào)次數(shù)。
秦智系統(tǒng)20時(shí)最高氣溫24 h預(yù)報(bào)誤差見表1。平均誤差龍草坪和茱萸園為負(fù)值,其余站點(diǎn)為正值。其中平均誤差最大值為大河壩1.64 ℃,絕對(duì)誤差最大值為茱萸園2.59 ℃,均方根誤差最大值為石墩河3.72 ℃?!? ℃的準(zhǔn)確率最高為佛坪35.3%,最低為茱萸園20.3%?!? ℃的準(zhǔn)確率最高為佛坪54.7%,最低為茱萸園42.3%??傮w上最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最低的是岳壩和茱萸園。
表1 2019-01-01—2019-10-31陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)(秦智)日最高氣溫在佛坪地區(qū)的檢驗(yàn)
秦智系統(tǒng)20時(shí)最低氣溫24 h預(yù)報(bào)誤差見表2。平均誤差佛坪、岳壩和龍草坪為負(fù),其余站點(diǎn)為正。其中平均誤差最大為西岔河為0.7 ℃,絕對(duì)誤差最大為龍草坪1.66 ℃,均方根誤差最大為十畝地2.31 ℃?!? ℃的準(zhǔn)確率最高為岳壩63.2%,最低為龍草坪36.9%。≤2 ℃的準(zhǔn)確率最高為岳壩86.6%,最低為茱萸園70.1%??傮w上最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最低的是龍草坪和茱萸園。
通過以上誤差分析可以看出,總體來說秦智系統(tǒng)在佛坪地區(qū)的日最低氣溫的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高于日最高氣溫,誤差≤2 ℃的平均準(zhǔn)確率日最高氣溫51.6%,日最低氣溫79.8%,平均絕對(duì)誤差日最高氣溫2.4 ℃,日最低氣溫1.3 ℃,說明秦智系統(tǒng)DCOEF方法對(duì)佛坪地區(qū)的氣溫預(yù)報(bào)有具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。
表2 2019-01-01—2019-10-31陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)(秦智)日最低氣溫在佛坪地區(qū)的誤差
從站點(diǎn)分析來看,最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最低的是茱萸園和岳壩,最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最低的是龍草坪和茱萸園。此三站均在北部山區(qū)海拔1 000 m以上,說明地形因素對(duì)溫度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性有一定影響,氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率與海拔高度呈負(fù)相關(guān)[10]。
圖2為日最高氣溫誤差≤1 ℃和2 ℃、日最低氣溫誤差≤1 ℃和2 ℃的準(zhǔn)確率月變化。最高氣溫準(zhǔn)確率最低的月份依次是5、6、9月。分析原因可能是5、6月強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā),9月連陰雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),天氣形勢(shì)復(fù)雜影響預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性,降水導(dǎo)致日最高氣溫預(yù)報(bào)偏高。最低氣溫準(zhǔn)確率最低的月份是1月和4月,分析原因可能是1月冷空氣活動(dòng)較頻繁,4月冬春交接時(shí)節(jié)冷暖空氣比較活躍,氣溫起伏較大,影響數(shù)值預(yù)報(bào)的穩(wěn)定性[11]。
圖2 2019年1—10月陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)(秦智)溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率月變化
圖3為2019年1—10月秦智系統(tǒng)20時(shí)24 h站點(diǎn)晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率對(duì)比。TS評(píng)分最高的三個(gè)站分別是栗子壩66.7%、佛坪63.9%、茱萸園62.6%,最低的三個(gè)站分別是龍草坪56.3%、岳壩56.4%、大河壩56.9%;空?qǐng)?bào)率最高的三個(gè)站分別是石墩河33.1%、西岔河32.8%、十畝地32.8%,最低的三個(gè)站分別是茱萸園24.3%、栗子壩25.4%、陳家壩27.6%;漏報(bào)率最高的三個(gè)站分別是岳壩27.4%、陳家壩26.9%、龍草坪26.4%,最低的三個(gè)站分別是栗子壩13.7%、佛坪14.1%、十畝地18.8%;命中率最高的三個(gè)站分別是栗子壩86.3%、佛坪85.9%、十畝地81.3%,最低的三個(gè)站分別是岳壩72.6%、陳家壩73.1%、龍草坪73.6%。綜合來看,晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高的是栗子壩和佛坪,最差的是岳壩和龍草坪。晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最低的站點(diǎn)與氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最低的站點(diǎn)有重合,且均為北部山區(qū)高海拔站點(diǎn),說明預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率受地形影響較大[12]。
圖3 2019年1—10月陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)(秦智)24 h晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率站點(diǎn)對(duì)比
圖4為2019年1—10月秦智系統(tǒng)20時(shí)24 h晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率月變化。TS評(píng)分最高的月份是10月為85.9%,最低的月份是4月為37.4%,其原因可能是因?yàn)?0月天氣形勢(shì)穩(wěn)定,降水較多,預(yù)報(bào)難度較低,4月季節(jié)交替,冷暖空氣活動(dòng)頻繁,陣性降水較多不易把握;空?qǐng)?bào)率最高的是4月為54.5%,最低的是1月為5.0%,分析原因1月降水過程很少且降水多為過程性降水,容易把握;漏報(bào)率最高的是4月為54.8%,最低的是8月為1.0%,其原因可能是因?yàn)?月中下旬為伏旱期,降水次數(shù)少不易漏報(bào);成功率最高的是8月為99.1%,最低的是3月為50.6%。總體來看,晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高的月份是10月,最低的是4月。
圖4 2019年1—10月陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)(秦智)24 h晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率
對(duì)秦智系統(tǒng)20時(shí)24 h、48 h、72 h暴雨預(yù)報(bào)進(jìn)行準(zhǔn)確性檢驗(yàn),計(jì)算其暴雨預(yù)報(bào)的TS評(píng)分、空?qǐng)?bào)率、漏報(bào)率和命中率。通過在秦智系統(tǒng)“解析應(yīng)用”模塊查詢4—9月每天24 h、48 h、72 h格點(diǎn)降雨量預(yù)報(bào),與實(shí)況降雨量進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn),檢驗(yàn)站點(diǎn)為佛坪縣內(nèi)15個(gè)氣象站。假如秦智系統(tǒng)在佛坪縣內(nèi)報(bào)了暴雨,實(shí)況只要有一個(gè)或以上站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨,則計(jì)為預(yù)報(bào)正確,否則即為空?qǐng)?bào);假如秦智在佛坪縣內(nèi)沒有預(yù)報(bào)暴雨,而實(shí)況只要有站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨則計(jì)為漏報(bào)。
2019年佛坪地區(qū)出現(xiàn)了12次暴雨(實(shí)況),秦智DCOEF方法20時(shí)24 h降水量預(yù)報(bào)在佛坪地區(qū)總共預(yù)報(bào)了9次暴雨,預(yù)報(bào)正確6次,漏報(bào)6次,空?qǐng)?bào)3次;48 h降水量預(yù)報(bào)總共報(bào)了5次暴雨,預(yù)報(bào)正確2次,漏報(bào)10次,空?qǐng)?bào)3次;72 h降水量預(yù)報(bào)總共報(bào)了4次暴雨,預(yù)報(bào)正確2次,空?qǐng)?bào)2次,漏報(bào)10次。對(duì)24~72 h暴雨預(yù)報(bào)進(jìn)行準(zhǔn)確性檢驗(yàn)結(jié)果如圖5。
圖5 2019-01-01—2019-10—31陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)(秦智)DCOEF 20時(shí)暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性檢驗(yàn)
可以看到秦智在佛坪的暴雨預(yù)報(bào)不是很理想,24小時(shí)TS評(píng)分40%,命中率50%,且預(yù)報(bào)時(shí)效越長(zhǎng)TS評(píng)分和命中率越低,空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率越高。
(1)秦智在佛坪地區(qū)的日最低氣溫的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高于日最高氣溫的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率,誤差≤2 ℃的平均準(zhǔn)確率日最高氣溫51.6%,日最低氣溫79.8%,平均絕對(duì)誤差日最高氣溫2.4 ℃,日最低氣溫1.3 ℃,說明秦智在佛坪地區(qū)的氣溫預(yù)報(bào)有具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。
(2)氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最低的三個(gè)站均在北部山區(qū)海拔1 000 m以上,說明地形因素對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性有一定影響。
(3)最高氣溫準(zhǔn)確率最低的月份依次是6月、5月、9月,最低氣溫準(zhǔn)確率最低的月份是1月和4月;晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最低的月份是4月,最高的是10月。
(5)暴雨預(yù)報(bào)24小時(shí)TS評(píng)分40%,命中率50%,且預(yù)報(bào)時(shí)效越長(zhǎng)TS評(píng)分和命中率越低,空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率越高。
(6)所選數(shù)據(jù)時(shí)間序列較短,后期應(yīng)加長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列,提高檢驗(yàn)結(jié)論的代表性,并通過檢驗(yàn)得出訂正指標(biāo)應(yīng)運(yùn)到實(shí)際預(yù)報(bào)中提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。