馮景瑜 慕秀香 張瑩瑩 姚 帥

（1.延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林延吉 133001；2.吉林省氣象臺，吉林長春 130062）

1 引言

隨著高分辨率數(shù)值預(yù)報技術(shù)的快速發(fā)展，預(yù)報員可參考的客觀預(yù)報產(chǎn)品越來越豐富，但受模式初始場、物理過程、地形、植被等的影響，模式預(yù)報不可避免的存在一定誤差[1-3]。鄒陽等[4]發(fā)現(xiàn)，ECMWF對昆明的預(yù)報準確率存在季節(jié)性差異，預(yù)報準確率從高到低依次為秋季、冬季、夏季和春季；潘留杰等[5]提出了“站點訂正值向格點傳遞”的方法來訂正格點氣溫，并發(fā)現(xiàn)中央氣象臺站點溫度指導(dǎo)預(yù)報差值傳遞在訂正ECMWF最低氣溫上效果較好，利用一元線性回歸方法訂正ECMWF最高氣溫的效果較好；薛諶彬等[6]提出一種結(jié)合滑動雙權(quán)重平均訂正法和空間誤差逐步訂正法的綜合訂正技術(shù)，較好地訂正了ECMWF的最高氣溫和最低氣溫預(yù)報。

ECMWF是歐洲中期天氣預(yù)報中心的中期天氣預(yù)報數(shù)值模式。尹姍等[7]檢驗發(fā)現(xiàn)ECMWF對亞洲中高緯環(huán)流形式、850hPa溫度變化及西太平洋副熱帶高壓的預(yù)報水平較高，對中短期預(yù)報的指導(dǎo)意義較高。吉林省地貌形態(tài)差異明顯，地勢自東南向西北傾斜，呈現(xiàn)出明顯的東南高西北低的特征。而ECMWF中應(yīng)用的地形高度與實際地形高度偏差較大，因此為了減小模式預(yù)報誤差，本文采用高度差訂正[8]的方法，對ECMWF氣溫預(yù)報進行訂正，以期對今后日常的預(yù)報業(yè)務(wù)起到一定的幫助。

2 資料和方法

2.1 資料

本文采用的資料包括：2016年1月1日—2018年12月31日吉林省381個站（國家站和區(qū)域自動站）的逐日最高氣溫、最低氣溫和逐3h定時氣溫觀測數(shù)據(jù)；2016年1月1日—2018年12月31日空間分辨率為0.125°×0.125°的ECMWF高分辨率數(shù)值模式的氣溫預(yù)報，包括每日08時和20時起報的最高氣溫和最低氣溫，以及2m氣溫預(yù)報（12～72h逐3h，72～84h逐6h）；吉林省381個站的實際海拔高度數(shù)據(jù)，ECMWF高分辨率數(shù)值模式中應(yīng)用的地形高度數(shù)據(jù)（0.5°×0.5°）。

2.2 方法

利用雙線性插值方法，計算出各站點的ECMWF數(shù)值預(yù)報的模式地形高度，得到各站點實際地形高度與模式地形高度的差值，利用高度差訂正公式，用以下5種方法確定訂正系數(shù)，對2016—2017年站點氣溫進行訂正，并檢驗訂正前后72h預(yù)報時效的最高氣溫、最低氣溫、定時氣溫的預(yù)報準確率、平均絕對誤差、均方根誤差。

方法一：訂正系數(shù)為-0.6℃/100m。

方法二：取系數(shù)在-1.0℃/100m～1.0℃/100m，各站點訂正后24h氣溫預(yù)報準確率最高時的系數(shù)（保留一位小數(shù)），作為該站點的訂正系數(shù)。

方法三：取系數(shù)在-1.0℃/100m～1.0℃/100m，分別計算春季、夏季、秋季、冬季各站點訂正后24h氣溫預(yù)報準確率最高時的系數(shù)（保留一位小數(shù)），作為在該季節(jié)該站點的訂正系數(shù)。

方法四：取系數(shù)在-1.00℃/100m～1.00℃/100m，各站點訂正后24h氣溫預(yù)報準確率最高時的系數(shù)（保留兩位小數(shù)），作為該站點的訂正系數(shù)。

方法五：按訂正前24h氣溫逐月預(yù)報準確率的高低將12個月劃分為3類月份，取系數(shù)在-1.0℃/100m～1.0℃/100m，分別計算各類月份各站點訂正后24h氣溫預(yù)報準確率最高時的系數(shù)（保留一位小數(shù)），作為該站點在該類月份的訂正系數(shù)。

3 模式應(yīng)用地形偏差分析

通過381個站點的實際地形高度與ECMWF數(shù)值模式地形高度的差可以發(fā)現(xiàn)，白城西部、長春北部、吉林北部和東部、白山東部、長白山保護區(qū)、延邊西部和北部模式應(yīng)用地形高度較實際偏低，其他地方模式應(yīng)用地形高度偏高。其中長白山保護區(qū)、吉林省南部和東部模式應(yīng)用地形偏差最大，偏差絕對值大于160m，而吉林省中西部地區(qū)大部分地方地形偏差較小，僅在-40～40m。

4 氣溫檢驗結(jié)果分析

4.1 ECMWF數(shù)值模式氣溫預(yù)報檢驗

從ECMWF數(shù)值模式的2016年1月1日—2017年12月31日的最高氣溫、最低氣溫和定時氣溫的預(yù)報來看，預(yù)報時效越長，預(yù)報準確率越低，預(yù)報誤差越大。從空間分布來看，吉林省自西向東氣溫預(yù)報準確率逐漸降低，預(yù)報誤差逐漸增大，且東西差異在最高氣溫的表現(xiàn)最明顯，在最低氣溫的表現(xiàn)最弱。

從最高氣溫的預(yù)報來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別為52%、51%、50%；平均絕對誤差分別為2.29℃、2.33℃、2.4℃；均方根誤差分別為3.16℃、3.22℃、3.31℃。從空間分布來看，以24h預(yù)報為例，西部大部分地方準確率在60%～80%，平均絕對誤差集中在1.5℃～2.0℃，均方根誤差主要集中在2.0℃～3.0℃；中部地區(qū)準確率分布在40%～70%，平均絕對誤差集中在2.0℃～3.0℃，均方根誤差主要集中在2.0℃～3.5℃；東部大部分地方準確率在30%～50%，最低不足30%，平均絕對誤差集中在2.5℃～3.5℃，均方根誤差主要集中在3.0℃～6.0℃。

從最低氣溫的預(yù)報來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別為58%、56%、54%；平均絕對誤差分別為2.32℃、2.41℃、2.53℃；均方根誤差分別為4.03℃、4.10℃、4.20℃。從空間分布來看，以24h預(yù)報為例，西部大部分地方準確率在60%～75%，平均絕對誤差集中在1.5℃～2.5℃，均方根誤差在2.5℃～4.0℃；中部地區(qū)準確率分布在50%～60%，平均絕對誤差集中在2.0℃～3.0℃，均方根誤差主要集中在3.5℃～6.0℃；東部大部分地方準確率在30%～60%，平均絕對誤差集中在2.0℃～3.5℃，均方根誤差主要集中在3.0℃～10.0℃。

從定時氣溫的預(yù)報來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別為63%、60%、58%；平均絕對誤差分別為1.89℃、2.00℃、2.10℃；均方根誤差分別為2.57℃、2.69℃、2.82℃。從空間分布來看，以24h預(yù)報為例，西部大部分地方準確率在65%～75%，平均絕對誤差集中在1.5℃～2.0℃，均方根誤差主要集中在1.5℃～2.5℃；中部地區(qū)準確率分布在60%～75%，平均絕對誤差集中在1.5℃～2.5℃，均方根誤差主要集中在2.0℃～3.0℃；東部大部分地方準確率在40%～65%，平均絕對誤差集中在1.5℃～3.0℃，均方根誤差主要集中在2.5℃～4.0℃。

4.2 5種訂正方法效果對比

4.2.1 方法一訂正后，381個站日最高氣溫24h、48h、72h的預(yù)報準確率較訂正前分別提高3%、2%、1%（圖1a），訂正后的誤差較訂正前有小幅度降低。而最低氣溫（圖1b）和定時氣溫訂正后，預(yù)報準確率均下降，預(yù)報誤差增大。

圖1 2016—2017年5種方法訂正ECMWF數(shù)值模式后81站最高氣溫（a）、最低氣溫（b）預(yù)報準確率提高百分比

另外，訂正后吉林省北部和東部山區(qū)的24 h最高氣溫準確率下降，其他地方準確率有所升高。而全省大部分地區(qū)的最低氣溫和定時氣溫的準確率均有所下降，因此訂正的意義不大。

4.2.2 利用方法二、方法三訂正后發(fā)現(xiàn)，極端氣溫和定時氣溫的準確率均明顯提高，且方法三較方法二訂正后的預(yù)報效果又有提高。方法三與方法二相比，24 h預(yù)報381站最高氣溫預(yù)報準確率（圖1a）提高1%，最低氣溫提高2%（圖1b）；平均絕對誤差和均方根誤差較方法二減小。以381站24h預(yù)報為例，方法三訂正后較訂正前，最高氣溫的準確率提高15%（圖1a），平均絕對誤差減小0.52℃，均方根誤差減少0.48℃；最低氣溫準確率提高6%（圖1b），平均絕對誤差減小0.22℃，均方根誤差較之前減少0.19℃。定時氣溫準確率提高4%，平均絕對誤差減小0.09℃，均方根誤差減少0.07℃。較方法二而言，方法三最低氣溫訂正效果提高比最高氣溫更顯著。

方法三訂正后，全省的最高氣溫、最低氣溫和定時氣溫的準確率均有明顯提高。以24h預(yù)報為例，較訂正前，最高氣溫（圖2a）西部大部分地方提高2%～6%；中東部提高10%以上，尤其在東部部分地區(qū)可提高20%以上。最低氣溫（圖2b）訂正后，西部提高5%左右；中東部提高4%～8%，最大可達10%以上。定時氣溫訂正后，中西部提高2%左右；東部提高4%～8%。

圖2 方法三訂正后最高氣溫（a、c、e）和最低氣溫（b、d、f）預(yù)報準確率升降百分比示意圖（a、b為24h預(yù)報；c、d為48h預(yù)報；e、f為72h預(yù)報。單位：%）

4.2.3 利用方法四訂正后，與方法二比，最低氣溫基本無變化，最高氣溫略有提高，但仍低于方法三。利用方法五，通過計算54個國家站逐月預(yù)報的準確率后，得到訂正最高氣溫時，第一類月份為1月、3月、11月，第二類月份為2月、6月、7月、8月、10月、12月，第三類月份為4月、5月、9月；得到訂正最低氣溫時，第一類月份為6月、7月、8月，第二類月份為3月、4月、5月、9月，第三類月份為1月、2月、10月、11月、12月。與方法二比，訂正后的效果基本沒有提高，且個別時段訂正后的效果略有下降。因此方法四和方法五的訂正價值較小。

4.3 高度差訂正后效果檢驗

通過5種方法對比分析后，選取方法三的結(jié)果作為高度差訂正的最終結(jié)果。通過檢驗分析發(fā)現(xiàn)，訂正后，隨預(yù)報時效增長，預(yù)報準確率仍有所降低，預(yù)報誤差增大；且從準確率來看，仍然存在西高東低的分布狀態(tài)。具體情況如下：

從最高氣溫來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別從訂正前的52%、51%、50%，提高至58%、56%、54%，提高幅度為6%、5%、4%，其中54個國家站的24h預(yù)報準確率可達81%；381個站的24h、48h、72h的平均絕對誤差分別從訂正前的2.29℃、2.33℃、2.4℃，減 小 至1.77℃、1.87℃、1.99℃，減小幅度為0.52℃、0.46℃、0.41℃；381個站的24h、48h、72h的均方根誤差分別從訂正前的3.16℃、3.22℃、3.31℃，減 小 至2.68℃、2.78℃、2.91℃，減小幅度為0.48℃、0.44℃、0.40℃。另外，24h訂正后，西部地區(qū)大部分地方準確率在70%～85%（圖3a），平均絕對誤差集中在1.0～2.0℃，均方根誤差主要集中在1.5～2.5℃；中部地區(qū)準確率分布在65%～80%（圖3a），平均絕對誤差集中在1.5～2.0℃，均方根誤差主要集中在2.0～3.0℃；東部地區(qū)大部分地方準確率在30%～75%（圖3a），平均絕對誤差集中在1.5～2.5℃，均方根誤差主要集中在2.0～4.0℃。

從最低氣溫來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別從訂正前的58%、56%、54%，提高至64%、62%、59%，提高幅度為6%、6%、5%，其中54個國家站的24h預(yù)報準確率可達70%；381個站的24h、48h、72h的平均絕對誤差分別從訂正前的2.32℃、2.41℃、2.53℃，減 小 至2.1℃、2.19℃、2.3℃，減小幅度為0.22℃、0.22℃、0.23℃；381個站的24h、48h、72h的均方根誤差分別從訂正前的4.03℃、3.90℃、4.00℃，減 小 至3.84℃、3.90℃、4.00℃，減小幅度為0.19℃、0.20℃、0.20℃。另外24h訂正后，西部地區(qū)大部分地方準確率在60%～80%（圖3b），平均絕對誤差集中在1.5～2.5℃，均方根誤差在2.5～3.5℃；中部地區(qū)準確率分布在60%～70%（圖3b），平均絕對誤差集中在1.5～2.5℃，均方根誤差主要集中在2.5～4.0℃；東部地區(qū)大部分地方準確率在40%～65%（圖3b），平均絕對誤差集中在2.0～3.0℃，均方根誤差主要集中在2.5～6.0℃。

圖3 ECMWF數(shù)值模式通過方法三訂正后最高氣溫（a、c、e）和最低氣溫（b、d、f）預(yù)報準確率示意圖

從定時氣溫來看，381個站的24h、48h、72h的準確率分別從訂正前的63%、60%、58%，提高至67%、63%、61%，提高幅度為4%、3%、3%，其中54個國家站的24h預(yù)報準確率達70%；381個站的24h、48h、72h的平均絕對誤差分別從訂正前的1.89℃、2.00℃、2.10℃， 減 小 至1.80℃、1.92℃、2.03℃，減小幅度為0.09℃、0.08℃、0.07℃；381個站的24h、48h、72h的均方根誤差分別從訂正前的2.57℃、2.69℃、2.82℃，減小至2.5℃、2.63℃、2.75℃，減小幅度為0.07℃、0.06℃、0.07℃。另外，訂正后，西部地區(qū)大部分地方24h準確率在70%～80%，平均絕對誤差集中在1.0～2.0℃，均方根誤差主要集中在1.5～2.5℃；中部地區(qū)準確率分布在65%～75%，平均絕對誤差集中在1.5～2.0℃，均方根誤差主要集中在2.0～3.0℃；東部地區(qū)大部分地方準確率在40%～70%，平均絕對誤差集中在1.5～2.5℃，均方根誤差主要集中在2.5～3.5℃。

4.4 2018年氣溫訂正后效果檢驗

將2018年1月1日—12月31日EC MWF的預(yù)報進行高度差訂正后，與訂正前的結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，訂正后的預(yù)報準確率較訂正前均有所提高，且最高氣溫的訂正效果最好。以54個站24h預(yù)報為例，訂正后最高氣溫準確率達到81%，提高了6%；最低氣溫準確率達到64%，提高了5%；定時氣溫準確率達到69%，提高了3%。另外，東部山區(qū)的訂正效果明顯好于西部和中部地區(qū)，最高氣溫準確率可提高了10%以上。

5 結(jié)語

由于ECMWF模式地形高度與實際地形高度偏差較大，因此可以通過高度差訂正的方法減小模式預(yù)報誤差，以提高模式預(yù)報應(yīng)用能力。對高度差訂正前后的ECMWF氣溫預(yù)報進行檢驗分析發(fā)現(xiàn)：

（1）ECMWF對吉林省氣溫的預(yù)報隨預(yù)報時效增長，預(yù)報準確率略有降低，預(yù)報誤差增大。從水平分布來看，吉林省自西向東，氣溫預(yù)報準確率逐漸降低，氣溫預(yù)報誤差逐漸增大，且東西差異在最高氣溫的表現(xiàn)最明顯，在最低氣溫的表現(xiàn)最弱。

（2）方法一確定訂正系數(shù)的方法僅對訂正吉林省南部和東部部分地方最高氣溫的預(yù)報有一定的訂正效果，而對最低氣溫、定時氣溫以及其他地區(qū)的訂正效果沒有指示作用。

（3）方法二確定訂正系數(shù)的方法對訂正吉林省氣溫的預(yù)報效果較好，準確率提高較大，誤差減小較大。其中東部地區(qū)的訂正效果好于西部地區(qū)，最高氣溫的訂正效果最好，最低氣溫訂正效果最弱。

（4）方法三確定訂正系數(shù)的方法是幾種方法中訂正效果最好的，且最高氣溫的訂正效果最顯著，東部地區(qū)的訂正效果好于西部地區(qū)。與方法二相比，最高氣溫的訂正效果提高不大，最低氣溫的訂正效果提高最顯著，定時氣溫的訂正效果提高次之。

（5）方法四和方法五在方法二的基礎(chǔ)上，最高氣溫的訂正效果有所提高，但不如方法三的訂正效果，且從最低氣溫來看，訂正效果基本無變化。

（6）基于地形因素的ECMWF氣溫預(yù)報訂正方法已經(jīng)應(yīng)用于吉林省客觀預(yù)報的訂正算法中，并已投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，訂正算法的評分有明顯的提高，為預(yù)報員的氣溫預(yù)報和格點預(yù)報的制作提供了極大的幫助。