崔海霞，劉 娜

（甘肅省氣象局蘭州中心氣象臺(tái)，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

甘肅省位于我國(guó)大陸部分的地理中心，介于32°31′～42°57′N 和92°13′～108°46′E 之間。甘肅省地處黃土高原、內(nèi)蒙古高原和青藏高原的交匯處，境內(nèi)山脈縱橫交錯(cuò)，地形地貌十分復(fù)雜。同時(shí)甘肅省又處于我國(guó)綜合自然區(qū)劃中的東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)和青藏高原區(qū)三大自然區(qū)交匯處，其自然景觀和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展均具有顯著的地域差異。境內(nèi)有山地、高原、河谷、丘陵、盆地、平原、沙漠、戈壁、沼澤、永久性積雪和冰川等多種地形地貌。在我國(guó)一級(jí)行政區(qū)劃中，甘肅市唯一包含三大自然景區(qū)的省份，這種獨(dú)具一格的地理位置形成了多種自然生態(tài)環(huán)境和氣候類型[1]。這種復(fù)雜多樣的地形地貌使得局地小氣候特征明顯，特別是旅游景點(diǎn)地區(qū)的預(yù)報(bào)就更是一種挑戰(zhàn)。

氣溫是天氣預(yù)報(bào)中的基本氣象要素之一，它不但對(duì)于干旱、霜凍、大霧等災(zāi)害性天氣的發(fā)生發(fā)展起著重要的作用，也是農(nóng)林牧魚等部門判斷災(zāi)害狀況的重要指標(biāo)，而且對(duì)于高低溫的預(yù)警、舒適度等各種公共預(yù)報(bào)服務(wù)項(xiàng)目，均需要精細(xì)化的氣溫預(yù)報(bào)作為基礎(chǔ)[2]?，F(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)是以天氣預(yù)報(bào)的精細(xì)化發(fā)展為基本特征，以提高精細(xì)化預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為根本要求[3]。在模式預(yù)報(bào)性能基本穩(wěn)定的前提下，加強(qiáng)對(duì)高分辨率模式產(chǎn)品的解釋應(yīng)用能力就成為提高個(gè)點(diǎn)要素預(yù)報(bào)能力的關(guān)鍵問題[4]。

氣溫的預(yù)報(bào)具有連續(xù)性，方便展開精細(xì)化業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)，成為智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)探索的重要方向。精細(xì)化預(yù)報(bào)是天氣預(yù)報(bào)發(fā)展的方向，也是社會(huì)各行業(yè)的迫切需求，近年來區(qū)域自動(dòng)氣象站的建設(shè)，為開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)及旅游景點(diǎn)精細(xì)化預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供了可能[5]。近期，通過對(duì)甘肅省174 個(gè)旅游景點(diǎn)的最高、最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，以期為天氣預(yù)報(bào)在甘肅省旅游業(yè)方面的發(fā)展提供一定數(shù)據(jù)支撐。如圖1 所示。

圖1 甘肅省174 個(gè)旅游景點(diǎn)分布

2 資料與方法

2.1 資料

旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品是基于城鎮(zhèn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品按照其經(jīng)緯度用鄰域法直接導(dǎo)出，而所用的實(shí)況資料為甘肅省蘭州中心氣象臺(tái)數(shù)據(jù)中心提供的區(qū)域自動(dòng)氣象站逐小時(shí)的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得出的地面最高和最低氣溫?cái)?shù)據(jù)；時(shí)間均選取為2020 年3-6 月；

用于訂正的模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)是歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心（the European Center of Medium-range Weather Forecast，ECMWF，以下簡(jiǎn)稱EC）提供的20 時(shí)（北京時(shí)，下同）起報(bào)的逐日最高、最低氣溫格點(diǎn)資料，其水平分辨率為0.125°×0.125°，預(yù)報(bào)時(shí)效選擇24、48 和72h。訓(xùn)練樣本時(shí)間選取2018 年1-12 月，測(cè)試樣本選取2020 年3-6 月。

2.2 小波分析法

利用Morlet 小波變換法[6]分析174 個(gè)旅游景點(diǎn)的最高、最低氣溫周期，如式（1）所示，其中c 為常數(shù)（設(shè)定為6.2）、i 表示虛數(shù)。

Morlet 小波函數(shù)為復(fù)數(shù),其實(shí)部表示不同特征時(shí)間尺度信號(hào)在不同時(shí)間上的分布和位相兩方面的信息。不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)，可以反映系統(tǒng)在該時(shí)間尺度下變化特征：正的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)于偏多期,負(fù)的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)于偏少期，小波系數(shù)絕對(duì)值越大，表明該時(shí)間尺度的周期特征越顯著。

2.3 滑動(dòng)訓(xùn)練訂正法

1）采取鄰域法[7]篩選出174 個(gè)旅游景點(diǎn)對(duì)應(yīng)的預(yù)報(bào)值，與對(duì)應(yīng)的觀測(cè)值作差，得到72h 預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)的最高（低）氣溫差值時(shí)間序列。

2）通過Morlet 小波分析法對(duì)步驟（1）得到的溫差序列進(jìn)行計(jì)算，得出每個(gè)旅游景點(diǎn)不同預(yù)報(bào)時(shí)次的最高（低）氣溫的周期特征。

3）將所選日期向前滑動(dòng)t 天，將前t 天的預(yù)報(bào)值與對(duì)應(yīng)日期的觀測(cè)值作差后進(jìn)行平均，即為對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)訂正系數(shù)；將滑動(dòng)訂正系數(shù)與對(duì)應(yīng)預(yù)報(bào)值相加，即為該旅游景點(diǎn)的滑動(dòng)訓(xùn)練訂正值。

2.4 檢驗(yàn)方法

最高（低）溫度檢驗(yàn)評(píng)估采用預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，即溫度預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值誤差不超過2℃的百分率。即：

式（2）F2中為氣溫預(yù)報(bào)值與實(shí)況值誤差不超過2℃的百分率；n2為誤差不超過2℃的樣本量；n 為樣本總量。

3 結(jié)果分析

3.1 旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)

最高溫度預(yù)報(bào)24h、48h、72h 時(shí)效內(nèi)旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品準(zhǔn)確率分別為36.1%、33.0%、30.3%。3-5月24h 最高溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均明顯高于其他兩個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次，6 月的略偏低一些（如圖2a 所示）。而最低溫度預(yù)報(bào)24h、48h、72h 時(shí)效內(nèi)旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品準(zhǔn)確率分別為43.7%、39.1%、36.8%。3-6 月24h最低溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均明顯高于其他兩個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次；除6 月外，48h 最低溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高于72h 的（如圖2b 所示）。

圖2 旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的24h、48h、72h 溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率

最高、最低溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的空間分布在三個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)結(jié)果類似，現(xiàn)以24h 的空間檢驗(yàn)結(jié)果為例（如圖3所示）進(jìn)行說明：最高溫度在河西地區(qū)預(yù)報(bào)效果較好，河?xùn)|地區(qū)特別是高原邊坡地區(qū)的預(yù)報(bào)成績(jī)較低，這可能與復(fù)雜的地形地貌有關(guān)。而最低溫度在河西中東部和河?xùn)|地區(qū)的中部預(yù)報(bào)效果相對(duì)較好，而其余地區(qū)的預(yù)報(bào)成績(jī)較低，特別是迭部-舟曲一帶。

圖3 旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品最高（a、c、e）、最低（b、d、f）溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率空間分布（（a、b）24h；（c、d）48h；（e、f）72h）

3.2 模式訂正產(chǎn)品檢驗(yàn)

以上研究結(jié)果表明，現(xiàn)有旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低，無法滿足人們對(duì)于旅游景點(diǎn)天氣預(yù)報(bào)的要求，也達(dá)不到目前精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，基于現(xiàn)有業(yè)務(wù)中常用的EC 高分辨率模式數(shù)據(jù)產(chǎn)品，建立了一套預(yù)報(bào)效果更佳的旅游景點(diǎn)溫度客觀預(yù)報(bào)產(chǎn)品。如圖4 所示。

圖4 旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品與EC 模式及其訂正產(chǎn)品的對(duì)比

對(duì)最高溫度而言，EC 模式產(chǎn)品本身預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在24h、48h、72h 時(shí)效內(nèi)依次為36.61%、36.68%、37.26%，與旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率持平或略高。而72h 時(shí)效內(nèi)EC 訂正產(chǎn)品的預(yù)報(bào)效果比旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品和EC 模式產(chǎn)品均有了顯著的提升，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率依次為72.17%、67.87%、64.55%。而對(duì)最低溫度來說，EC 模式產(chǎn)品本身預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在24h、48h、72h 時(shí)效內(nèi)依次為52.95%、51.96%、51.39%，比旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別高9.21%、12.85%、14.63%。而72h 時(shí)效內(nèi)EC 訂正產(chǎn)品的預(yù)報(bào)效果比旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品和EC 模式產(chǎn)品均有了顯著的提升，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率依次為68.32%、65.95%、64.08%。如圖5 所示。

以上的結(jié)果表明，EC 模式產(chǎn)品訂正之后的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有了顯著的提高，最高溫度平均提高了35.11%，最低溫度平均提高了26.25%。訂正后的最高、最低溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率基本維持在60%以上，其中24h 的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高，且隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加而降低。在24h 時(shí)效內(nèi)，最高溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的最大值在5 月達(dá)81.05%，最低溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的最大值在6 月達(dá)73.67%。

圖5 EC 訂正產(chǎn)品的24h、48h、72h 溫度逐月預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率

圖6 EC 訂正產(chǎn)品的最高（a、c、e）、最低（b、d、f）溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率空間分布（（a、b）24h；（c、d）48h；（e、f）72h）

EC 訂正產(chǎn)品的空間檢驗(yàn)結(jié)果（如圖6 所示）表明，與旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品相比，整體上最高溫度的預(yù)報(bào)效果有明顯的改善，特別是在河西地區(qū)；而河?xùn)|地區(qū)特別是高原邊坡地區(qū)的預(yù)報(bào)成績(jī)依然較低，說明EC 模式訂正產(chǎn)品對(duì)復(fù)雜地形造成的低預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率并沒有顯著的改進(jìn)。與最高溫度相比，最低溫度的預(yù)報(bào)效果雖然有一定的提高，但提升幅度較小。

4 結(jié)論與討論

針對(duì)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)開展以來所面對(duì)的客觀化預(yù)報(bào)的問題，提出基于歐洲中心的ECMWF 精細(xì)化網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，通過小波分析法和滑動(dòng)訓(xùn)練技術(shù)對(duì)甘肅省174 個(gè)旅游景點(diǎn)的最高、最低氣溫進(jìn)行客觀訂正，結(jié)果表明該方法能有效地提升旅游景點(diǎn)現(xiàn)有的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，主要結(jié)論如下：

1）旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率基本在50%以下，其中24h 高溫為36.1%、低溫為46.7%；且隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在降低。最高溫度在河西地區(qū)的預(yù)報(bào)效果整體較好，而最低溫度在河西和河?xùn)|中部的預(yù)報(bào)效果較好；二者均是在高原邊坡及祁連山區(qū)的預(yù)報(bào)效果較差，特別是肅南、夏河及迭部等高海拔地區(qū)。

2）EC 模式產(chǎn)品訂正之后的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有了顯著的提高，最高溫度平均提高了35.11%，最低溫度平均提高了26.25%。訂正后的最高、最低溫度3-6月各月的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率基本維持在60%以上；在24h時(shí)效內(nèi)，最高溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的最大值在5 月達(dá)81.05%，最低溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的最大值在6 月達(dá)73.67%。

3）空間誤差檢驗(yàn)表明：整體上看，EC 模式訂正產(chǎn)品的預(yù)報(bào)能力要明顯優(yōu)于旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的。最高溫度的預(yù)報(bào)效果有明顯的改善，特別是在河西地區(qū)；而河?xùn)|地區(qū)特別是高原邊坡地區(qū)的預(yù)報(bào)成績(jī)依然較低，說明EC 模式訂正產(chǎn)品對(duì)復(fù)雜地形造成的低預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率并沒有顯著的改進(jìn)。與最高溫度相比，最低溫度的預(yù)報(bào)效果雖然有一定的提高，但提升幅度較小。