連喜虎，劉桂艷，高松，王彬，白志鵬

（1.國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島266033；2.中國人民解放軍61741部隊(duì)，北京100083）

1 引言

海上大風(fēng)是引起海洋災(zāi)害的重要原因之一。海浪和風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度在很大程度上依賴于海面風(fēng)場的預(yù)報(bào)能力，因此海面風(fēng)場的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)是海洋防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)工作。提高海面風(fēng)的預(yù)警報(bào)能力, 尤其是大風(fēng)預(yù)報(bào)精確度, 對避免或減少海上大風(fēng)災(zāi)害有重要意義。早期學(xué)者對海上大風(fēng)的預(yù)報(bào)主要通過經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)[1-6]。隨著數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的豐富和改進(jìn)以及計(jì)算機(jī)能力的提高，高分辨率的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和先進(jìn)的數(shù)值釋用方法已成為近年來的研究熱點(diǎn)，并取得了一定的成果[7-10]。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的大氣模式確定性預(yù)報(bào)產(chǎn)品是高時(shí)空分辨率的氣象數(shù)值預(yù)報(bào)資料[11-12]（以下簡稱“EC細(xì)網(wǎng)格”）。該模式使用了先進(jìn)的四維變分同化系統(tǒng)，預(yù)報(bào)產(chǎn)品精確度較高。目前已有學(xué)者對EC 細(xì)網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報(bào)資料中的降水、氣溫以及海面風(fēng)等氣象要素進(jìn)行了詳盡的檢驗(yàn)和分析[13-14]。例如方艷瑩等[15]針對不同天氣系統(tǒng)下EC 細(xì)網(wǎng)格對浙江沿海10 m 風(fēng)預(yù)報(bào)性能進(jìn)行了評估，指出預(yù)報(bào)場和觀測站點(diǎn)的相關(guān)性與站點(diǎn)地理位置、海拔高度及地形等都有較大關(guān)系；吳俞等[16]對EC 細(xì)網(wǎng)格10 m 風(fēng)場在南海的預(yù)報(bào)能力進(jìn)行了檢驗(yàn)，并詳細(xì)分析了南海4 個(gè)海島站的風(fēng)速預(yù)報(bào)偏差；楊亦萍等[17]利用EC細(xì)網(wǎng)格對不同天氣形勢下影響浙江臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)進(jìn)行了詳細(xì)評估；萬瑜等[18]利用EC細(xì)網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品對一次東南大風(fēng)過程進(jìn)行診斷分析和預(yù)報(bào)釋用，發(fā)現(xiàn)細(xì)網(wǎng)格資料在預(yù)報(bào)時(shí)空的分辨率和預(yù)報(bào)性能等方面均有提高，提高了預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，對東南大風(fēng)預(yù)報(bào)具有指示意義。但是目前針對EC 細(xì)網(wǎng)格10 m風(fēng)場數(shù)據(jù)在渤、黃海海域的預(yù)報(bào)能力檢驗(yàn)與評估工作尚不多見。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，為廣大預(yù)報(bào)員提供的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品越來越多，EC細(xì)網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報(bào)是目前預(yù)報(bào)員使用的主要數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品之一。為了更好地開展黃、渤海海面風(fēng)的預(yù)報(bào)服務(wù)，提高該海域海面風(fēng)的預(yù)報(bào)水平，本文擬對EC 細(xì)網(wǎng)格的10 m 風(fēng)場在黃、渤海海域的預(yù)報(bào)能力進(jìn)行初步檢驗(yàn)與評估，充分發(fā)揮數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在海洋預(yù)報(bào)服務(wù)中的作用，以期為做好海上風(fēng)場預(yù)報(bào)、保障廣大漁民及漁業(yè)生產(chǎn)安全，以及今后進(jìn)一步開展海洋預(yù)報(bào)服務(wù)提供有價(jià)值的預(yù)報(bào)參考。

2 資料與方法

考慮到數(shù)據(jù)的連續(xù)性，本文選取2018 年1—12月的EC 細(xì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（EC 細(xì)網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品分辨率為0.125°×0.125°，時(shí)間分辨率為3 h），檢驗(yàn)10 m 風(fēng)場數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在黃、渤海海域的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。觀測資料采用10 m 大型海洋觀測浮標(biāo)觀測的10 m 風(fēng)速和風(fēng)向，數(shù)據(jù)通過嚴(yán)格質(zhì)量控制。選取渤海中部2 個(gè)（N01、N02）、渤海海峽1 個(gè)（N03）、黃海北部2 個(gè)（N04、N05）和黃海中部4 個(gè)（N06、N07、N08、N09）浮標(biāo)共計(jì)9 個(gè)海上大型浮標(biāo)觀測的10 m風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)（站位見圖1），與EC細(xì)網(wǎng)格10 m 風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行直接對比，并利用雙線性插值法將EC 細(xì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)插值到觀測站點(diǎn)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)。誤差統(tǒng)計(jì)方法如下：

圖1 站位示意圖（其中渤海中部浮標(biāo)在A區(qū)，渤海海峽浮標(biāo)在B區(qū)，黃海北部浮標(biāo)在C區(qū)，黃海中部浮標(biāo)在D區(qū)）

式中：doi為檢驗(yàn)海域?qū)崪y的海面10 m風(fēng)速；dfi為檢驗(yàn)海域預(yù)報(bào)的海面10 m風(fēng)速；N為檢驗(yàn)樣本數(shù)。

3 誤差分析

3.1 風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差分析

將EC 細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的24 h、48 h 和72 h 的10 m風(fēng)場資料插值到9個(gè)浮標(biāo)站與實(shí)測風(fēng)速進(jìn)行對比分析。利用箱線圖能直觀體現(xiàn)不同預(yù)報(bào)時(shí)效下EC 細(xì)網(wǎng)格10 m 風(fēng)場數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)偏差的離散程度和數(shù)據(jù)的集中趨勢（見圖2）。各浮標(biāo)站的風(fēng)速24 h預(yù)報(bào)偏差中位數(shù)在0.11～0.52 m/s之間（表略），預(yù)報(bào)風(fēng)速比實(shí)際風(fēng)速略偏大。黃海中部浮標(biāo)（N07、N08、N09）24 h 預(yù)報(bào)偏差離散度最小且風(fēng)速偏差的中位數(shù)接近0，渤海浮標(biāo)（N01、N02）預(yù)報(bào)偏差離散度較大。同時(shí)，各浮標(biāo)站預(yù)報(bào)偏差離散度隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長而不斷增大，且48 h 和72 h 預(yù)報(bào)大于24 h 預(yù)報(bào)偏差。從以上分析可以看出，EC 細(xì)網(wǎng)格24 h 預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速在黃、渤海海區(qū)預(yù)報(bào)結(jié)果總體略偏大，但在黃海中部預(yù)報(bào)效果優(yōu)于渤海及黃海北部海區(qū)，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增大，預(yù)報(bào)偏差離散度增大。

圖2 EC細(xì)網(wǎng)格24 h、48 h和72 h預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)速與各浮標(biāo)站實(shí)測風(fēng)速預(yù)報(bào)偏差箱線圖（箱中黑色實(shí)線代表預(yù)報(bào)偏差中位數(shù)；箱中的中位數(shù)代表數(shù)據(jù)的集中趨勢；箱子長短和虛線長短代表數(shù)據(jù)的離散程度）

為了進(jìn)一步對比分析EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速，圖3 給出了24 h 預(yù)報(bào)和觀測的散點(diǎn)圖及相關(guān)系數(shù)、相對誤差和均方根誤差。由圖中可以看出，除渤海的N01浮標(biāo)外，EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的24 h 10 m 風(fēng)速和實(shí)測風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.85 及以上，相關(guān)性較好。黃海中部浮標(biāo)N08 和N09 的24 h預(yù)報(bào)與觀測風(fēng)速相關(guān)系數(shù)最大，分別為0.9 和0.91。各浮標(biāo)站24 h預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速（本文只統(tǒng)計(jì)了不低于5級風(fēng)的風(fēng)速）相對誤差平均約為12%，均方根誤差平均約為1.63 m/s，其中黃海中部浮標(biāo)N08和N09的相對誤差和均方根誤差最小，預(yù)報(bào)效果最好，這可能與該浮標(biāo)站離岸線較遠(yuǎn)、開闊海域受陸地海拔高度等要素影響較小有關(guān)。各浮標(biāo)站的相對誤差和均方根誤差隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長而增大，相關(guān)系數(shù)隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長而減小。各浮標(biāo)站48 h 預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速相對誤差平均約為14%，均方根誤差平均約為1.88 m/s；72 h 預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速相對誤差平均約為16%，均方根誤差平均約為2.11 m/s（圖略）。總體而言，EC 細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速在渤海和黃海海域預(yù)報(bào)效果較好，可以為該海域的風(fēng)速預(yù)報(bào)訂正提供有價(jià)值的參考。

圖3 各浮標(biāo)站24 h預(yù)報(bào)風(fēng)速和實(shí)測風(fēng)速散點(diǎn)圖、相對誤差、均方根誤差和相關(guān)系數(shù)

圖4 為各浮標(biāo)站不同風(fēng)速等級下EC細(xì)網(wǎng)格24 h預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的均方根誤差和平均偏差。表1為不同風(fēng)速等級條件下的有效樣本數(shù)。由圖4 可以看出，各浮標(biāo)站在5 級風(fēng)時(shí)均方根誤差和平均偏差最小，平均偏差約為0.07 m/s，均方根誤差約為1.41 m/s，而且有效樣本數(shù)在5 級風(fēng)力下最多，平均約為730 個(gè)，這說明在5 級風(fēng)速條件下的有效樣本離散程度最??；當(dāng)風(fēng)速＜5 級（8.0 m/s）時(shí)，各浮標(biāo)站平均偏差均為正值，說明EC細(xì)網(wǎng)格對小于5級風(fēng)風(fēng)速的預(yù)報(bào)偏大；當(dāng)風(fēng)速＞5級（8.0 m/s）時(shí),平均偏差變?yōu)樨?fù)值，說明EC 對大于5 級風(fēng)風(fēng)速的預(yù)報(bào)偏小；當(dāng)風(fēng)速＞8 級時(shí)，平均偏差絕對值和均方根誤差隨著風(fēng)速的增大而快速增大，這可能與有效樣本數(shù)太少有關(guān)，可信度需進(jìn)一步驗(yàn)證。圖5為風(fēng)速平均偏差分布直方圖，從圖中可以看出，風(fēng)速平均偏差分布多集中在-0.5～0.5 m/s 之間，其 次為-1.5～-0.5 m/s 和0.5～1.5 m/s之間。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長，不同風(fēng)速等級下EC 細(xì)網(wǎng)格48 h 和72 h 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的均方根誤差和平均偏差也隨之增大（圖略），與上文結(jié)論相同。

3.2 風(fēng)向預(yù)報(bào)誤差分析

為了更全面地評估EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)場在黃、渤海海域的預(yù)報(bào)性能，圖6給出了不同浮標(biāo)站EC 細(xì)網(wǎng)格24 h 預(yù)報(bào)的風(fēng)向和觀測風(fēng)向的頻率分布對比圖。從圖中可以看出，對于渤海和渤海海峽的浮標(biāo)，N02浮標(biāo)EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)風(fēng)向與實(shí)測風(fēng)向基本一致；N03 浮標(biāo)預(yù)報(bào)的主導(dǎo)風(fēng)向與實(shí)測風(fēng)向相比略有差異，預(yù)報(bào)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹，實(shí)測主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE；N01 預(yù)報(bào)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SW，實(shí)測主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SW，次主導(dǎo)風(fēng)向S，這可能與該浮標(biāo)離岸較近、受陸地影響較大有關(guān)。黃海海域的N04、N06和N09浮標(biāo)預(yù)報(bào)的主導(dǎo)風(fēng)向與實(shí)測

風(fēng)向一致；N07 預(yù)報(bào)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SE，實(shí)測主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾；N08 浮標(biāo)預(yù)報(bào)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE，實(shí)測主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SE；N05浮標(biāo)預(yù)報(bào)主導(dǎo)風(fēng)向和次主導(dǎo)風(fēng)向分別為S 和N，實(shí)測主導(dǎo)風(fēng)向和次主導(dǎo)風(fēng)向分別為N 和SSW。48 h和72 h 預(yù)報(bào)的主導(dǎo)風(fēng)向與24 h 預(yù)報(bào)的主導(dǎo)風(fēng)向基本一致（圖略）。從以上分析可以看出，預(yù)報(bào)和實(shí)測風(fēng)向概率分布雖然在數(shù)值上存在一定的差異，但分布形式基本一致。預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)可以反映出實(shí)際風(fēng)向的分布情況。

表1 各浮標(biāo)站不同風(fēng)速等級樣本數(shù)

圖4 各浮標(biāo)站不同風(fēng)速等級下EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的均方根誤差和平均偏差

圖5 風(fēng)速平均偏差分布直方圖

圖5 （續(xù)）

圖6 EC細(xì)網(wǎng)格10 m風(fēng)向24 h預(yù)報(bào)結(jié)果與觀測風(fēng)向的頻率分布

圖7給出了不同風(fēng)速下24 h預(yù)報(bào)風(fēng)向和實(shí)測風(fēng)向的平均偏差分布。風(fēng)向平均偏差統(tǒng)計(jì)方法參考吳俞等[16]，即以不同風(fēng)速下的風(fēng)向作為起點(diǎn)0°，偏于該風(fēng)向左邊（逆時(shí)針方向）的為負(fù)值，變化范圍為-180°～0°，偏向右邊（順時(shí)針方向）的為正值，變化范圍為0°～180°。圖中可以看出，預(yù)報(bào)風(fēng)向和實(shí)測風(fēng)向的平均偏差基本集中在-45°～45°之間，風(fēng)速越小，風(fēng)向預(yù)報(bào)偏差樣本的離散度越大。相較而言，黃海的3個(gè)浮標(biāo)（N07、N08、N09）風(fēng)向預(yù)報(bào)偏差離散度最小，樣本最集中。圖8 為不同風(fēng)向條件下24 h預(yù)報(bào)風(fēng)向與實(shí)測風(fēng)向的平均偏差。各向的24 h 預(yù)報(bào)風(fēng)向平均偏差在-20°～12°之間，48 h和72 h各向風(fēng)向平均偏差分別為-22°～14°和-20°～15之間（圖略），24 h預(yù)報(bào)風(fēng)向結(jié)果優(yōu)于48 h和72 h。由圖中還可以看出，在實(shí)況為偏北向風(fēng)時(shí)，風(fēng)向平均偏差較大；實(shí)況為偏南向風(fēng)時(shí)，風(fēng)向平均偏差較少。這說明EC 細(xì)網(wǎng)格在渤海和黃海海域?qū)ζ舷蝻L(fēng)預(yù)報(bào)效果較好。這可能是由于偏北向風(fēng)時(shí)，海上浮標(biāo)觀測的風(fēng)向受北部陸地影響較大。

圖7 不同風(fēng)速條件下24 h預(yù)報(bào)的風(fēng)向預(yù)報(bào)偏差散點(diǎn)圖

圖8 不同風(fēng)向條件下的風(fēng)向預(yù)報(bào)平均偏差

4 結(jié)論

本文通過對2018 年1—12 月EC 細(xì)網(wǎng)格24 h、48 h 和72 h 的10 m 風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)論如下：

（1）EC 細(xì)網(wǎng)格24 h 預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速與各浮標(biāo)站的實(shí)測風(fēng)速預(yù)報(bào)偏差中位數(shù)在0.11～0.52 m/s 之間，預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速在黃、渤海海區(qū)預(yù)報(bào)結(jié)果總體略偏大，但在黃海中部預(yù)報(bào)效果優(yōu)于渤海以及黃海北部海區(qū)。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長，風(fēng)速預(yù)報(bào)偏差變大。

（2）EC 細(xì)網(wǎng)格24 h 預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速相關(guān)性較好，對比的9 個(gè)浮標(biāo)站中有8 個(gè)站相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85 及以上。各浮標(biāo)站24 h 預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)速相對誤差平均約為12%，均方根誤差平均約為1.63 m/s；48 h 預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速相對誤差平均約為14%，均方根誤差平均約為1.88 m/s；72 h 預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速相對誤差平均約為16%，均方根誤差平均約為2.11 m/s。48～72 h 預(yù)報(bào)各浮標(biāo)站風(fēng)速和實(shí)測風(fēng)速誤差增大?？傮w而言，EC 細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)速在渤海和黃海海域預(yù)報(bào)效果較好，可為該海域的風(fēng)速預(yù)報(bào)訂正提供有價(jià)值的參考。

（3）不同風(fēng)速條件下，EC 細(xì)網(wǎng)格的5 級風(fēng)預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測風(fēng)速最為接近，預(yù)報(bào)效果最好。預(yù)報(bào)和實(shí)測風(fēng)向的平均偏差基本集中在-45°～45°之間，風(fēng)速越小，風(fēng)向預(yù)報(bào)偏差樣本的離散度越大。EC細(xì)網(wǎng)格對5 級風(fēng)預(yù)報(bào)效果最好，其次為4 級和6 級風(fēng)。EC 細(xì)網(wǎng)格對小于5 級風(fēng)風(fēng)速的預(yù)報(bào)偏大，對大于5級風(fēng)風(fēng)速的預(yù)報(bào)偏小；風(fēng)速大于8級時(shí)，由于樣本數(shù)量有限，可信度需進(jìn)一步驗(yàn)證。各向的24 h 預(yù)報(bào)風(fēng)向平均偏差在-20°～12°之間，48 h和72 h各向風(fēng)向平均偏差分別為-22°～14°和-20°～15°之間，24 h預(yù)報(bào)風(fēng)向結(jié)果優(yōu)于48 和72 h 預(yù)報(bào)風(fēng)向。在實(shí)況為偏北向風(fēng)時(shí)，風(fēng)向平均偏差較大，實(shí)況為偏南向風(fēng)時(shí)，風(fēng)向平均偏差較少。

本文僅對EC細(xì)網(wǎng)格10 m 風(fēng)速和風(fēng)向的預(yù)報(bào)性能進(jìn)行了初步研究，以期為日后進(jìn)行的實(shí)際風(fēng)速和風(fēng)向的預(yù)報(bào)訂正和釋用提供有意義的參考。