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        ECMWF細網(wǎng)格10 m風(fēng)產(chǎn)品在南海北部的檢驗與評估

        2021-11-10 04:49:48于鑫于明洋蔡景就
        廣東氣象 2021年5期
        關(guān)鍵詞:強風(fēng)冷空氣時效

        于鑫,于明洋,蔡景就

        (1.廣東省氣象臺,廣東廣州 510640;2.中山市氣象公共安全技術(shù)支持中心,廣東中山 528400)

        廣東省瀕臨浩瀚南海,海洋資源極其豐富,海洋氣象信息服務(wù)在廣東省尤為重要,特別是近年來,隨著南海海上石油開發(fā)、航運、海洋捕撈、海水養(yǎng)殖、海島旅游、海上救撈等海上作業(yè)活動的不斷增加,對海面氣象要素預(yù)報服務(wù)需求也隨之日益增長。海面風(fēng)作為最重要的海面氣象要素之一,其監(jiān)測、預(yù)報和服務(wù)在日常海洋預(yù)報服務(wù)中占比頗高。為了更好的為公眾和用戶提供準確的海面風(fēng)預(yù)報產(chǎn)品,有必要對南海海面風(fēng)的精細化預(yù)報提出更高的要求。

        目前,廣東省氣象臺主要對外提供7 d逐6 h的10 km分辨率的格點海洋氣象預(yù)報產(chǎn)品,包括海面風(fēng)向、風(fēng)速、降水、濕度、能見度等預(yù)報要素,由于歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECWMF)模式在天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中應(yīng)用廣泛,且10 m風(fēng)場產(chǎn)品對風(fēng)向和風(fēng)速的預(yù)報效果表現(xiàn)較好[1-2],因而業(yè)務(wù)上海面風(fēng)場預(yù)報主要參考ECWMF細網(wǎng)格(0.125°×0.125°)10 m風(fēng)場預(yù)報產(chǎn)品,其產(chǎn)品自2013年開始接收使用,至今已穩(wěn)定使用近8年,模式產(chǎn)品覆蓋整個南海海域[3-4]。但是,廣東省氣象臺業(yè)務(wù)上開展的海面風(fēng)精細化訂正大多參考天氣形式等主觀經(jīng)驗,缺乏定量誤差參考,因而開展ECWMF模式10 m風(fēng)場產(chǎn)品在南海海域,特別是南海北部海域的檢驗評估工作是十分有必要的。

        1 資料與方法

        本研究采用ECMWF細網(wǎng)格(簡稱EC細網(wǎng)格,下同)10 m風(fēng)產(chǎn)品資料,分辨率0.125°×0.125°,資料時間為2019年1月1日—2020年12月31日,起報時刻為20:00(北京時,下同),預(yù)報時效為0~72 h。地面風(fēng)速實況資料來自廣東沿海及南海北部海域(18°N以北)的海島站、沿海站、浮標站和平臺站,其中沿海站距離海岸線不超過5 km[5],站點海拔高度控制在30 m以下,如代表性較好則可適當放寬,但不超過70 m。對其進行質(zhì)控后[6],最終篩選出南海北部檢驗代表站點117個(圖1)。

        圖1 南海北部檢驗代表站分布圖

        實況資料采用整點2 min平均風(fēng)速風(fēng)向資料,資料間隔為1 h,模式資料選取距離測站最近的格點風(fēng)速值,檢驗時間間隔參考業(yè)務(wù)產(chǎn)品發(fā)布時間間隔為6 h,檢驗結(jié)果采用0~24、24~48、48~72 h(簡稱24、48、72 h,下同)時效的誤差指標進行統(tǒng)計。檢驗指標除了平均誤差(ME)、6級以上強風(fēng)TS評分(簡稱TS評分)[7],還采用了風(fēng)力滿分率的概念,其計算公式為

        其中,定義風(fēng)力預(yù)報與實況值的絕對誤差小于或等于半級為滿分(HIT);風(fēng)力預(yù)報與實況值的誤差大于半級為偏高(HIGH);風(fēng)力預(yù)報與實況值的誤差小于半級為偏低(LOW)。所有預(yù)報次數(shù)為NT,預(yù)報滿分次數(shù)為NHit,預(yù)報偏高次數(shù)為NHigh,預(yù)報偏低次數(shù)為NLow。

        2 預(yù)報誤差分析

        為了檢驗ECWMF細網(wǎng)格10 m風(fēng)產(chǎn)品在南海北部的預(yù)報性能,本研究統(tǒng)計了不同時效按風(fēng)級、風(fēng)向、站點類型分類的模式風(fēng)速預(yù)報誤差,統(tǒng)計結(jié)果見表1、表2、表3和圖2。通過對比發(fā)現(xiàn)(表1),檢驗樣本基本覆蓋了7級以下的平均風(fēng)速,3級以下的樣本數(shù)最多占71.6%,其次為4~5級占24.3%,7級以上的平均風(fēng)樣本很少被記錄到。模式對3級以下和4~5級風(fēng)的預(yù)報效果較好,風(fēng)速預(yù)報滿分率均在50%以上,其中,3級以下風(fēng)以預(yù)報偏高為主,4~5級風(fēng)以偏低為主,6~7級和7級以上風(fēng)預(yù)報效果較差,主要失分于預(yù)報偏低站次較多;不同預(yù)報時效下,3級以下、4~5級、6~7級和7級以上的平均誤差樣本50%集中分布在0.7~2.2、-1.9~-0.3、-4.9~-2.5和-7.7~-3.8 m/s(圖2a)。

        表1 不同預(yù)報時效下不同風(fēng)級的風(fēng)速預(yù)報評分占比和平均誤差的平均值

        以45°為間隔將0~360°劃分為北風(fēng)(0°~22.5°或337.5°~360°)、東北風(fēng)(22.5°~67.5°)、東風(fēng)(67.5°~112.5°)、東南風(fēng)(112.5°~157.5°)、南風(fēng)(157.5°~202.5°)、西南風(fēng)(202.5°~247.5°)、西風(fēng)(247.5°~292.5°)和西北風(fēng)(292.5°~337.5°)8個風(fēng)向。不同風(fēng)向的檢驗樣本中(表2),東風(fēng)樣本占比最多達23.3%,西風(fēng)和西北風(fēng)樣本占比最少不足10%。不同風(fēng)向的預(yù)報滿分率相差不大,均達到了60%以上,其中模式對西風(fēng)和西北風(fēng)預(yù)報效果較好,滿分率達到了70%以上,對偏南風(fēng)和偏東風(fēng)的預(yù)報效果較差,體現(xiàn)為偏南風(fēng)的預(yù)報偏高率最大,偏東風(fēng)的預(yù)報偏低率最大,模式對不同風(fēng)向的風(fēng)速預(yù)報誤差系統(tǒng)性偏大,偏北風(fēng)和西北風(fēng)偏大最明顯,不同時效下不同風(fēng)向的平均誤差樣本50%集中分布在0.2~2.0 m/s(圖2b)。

        表2 不同預(yù)報時效下不同風(fēng)向的風(fēng)速預(yù)報評分占比和平均誤差的平均值

        不同站點類型的檢驗樣本中(表3),海島站樣本占比最多,平臺站和沿海站樣本占比相當,最少為浮標站。模式對不同站點類型的預(yù)報滿分率均在60%以上,其中沿海站和浮標站的風(fēng)速預(yù)報滿分率相對較高,平臺站和海島站的風(fēng)速預(yù)報滿分率相對較低,海島站和沿海站的預(yù)報主要失分于預(yù)報偏高,浮標站主要失分于預(yù)報偏低,平臺站偏高和偏低比例相當,不同時效下,浮標站、平臺站、海島站和沿海站的平均誤差樣本50%集中分布在-1.5~-0.3、-0.6~1.0、0.3~1.3和0.2~1.2 m/s(圖2c)。此外,還可以發(fā)現(xiàn)無論是按風(fēng)級、風(fēng)向還是站點類型進行統(tǒng)計,其對應(yīng)的風(fēng)速預(yù)報滿分率都會隨著預(yù)報時效的增加而減小,預(yù)報誤差隨著預(yù)報時效的增加而增大,且預(yù)報偏差樣本的離散度隨著預(yù)報時效的增加而增大。

        圖2 24、48、72 h風(fēng)速預(yù)報平均誤差箱線圖

        表3 不同預(yù)報時效下不同站點類型的風(fēng)速預(yù)報評分占比和平均誤差的平均值

        3 強風(fēng)過程檢驗

        3.1 強風(fēng)過程篩選與天氣系統(tǒng)分型

        海面強風(fēng)業(yè)務(wù)規(guī)定定義,每年的9月至翌年的6月,受北方冷空氣影響,當廣東任意海面出現(xiàn)≥6級的偏北風(fēng)(含東北風(fēng))或偏東風(fēng)時,就定義該海面出現(xiàn)強風(fēng)[8]。根據(jù)以上業(yè)務(wù)規(guī)定并結(jié)合日常預(yù)報業(yè)務(wù)要求,本研究定義當南海北部(18°N以北)海區(qū)中不少于兩個站點平均風(fēng)≥6級(10.8 m/s),且至少有1個站點連續(xù)2個時次平均風(fēng)≥6級時,即南海北部出現(xiàn)強風(fēng),強風(fēng)出現(xiàn)的當天定義為南海北部的強風(fēng)日。一般情況下造成南海北部海面強風(fēng)過程的主要影響天氣系統(tǒng)有冷空氣、臺風(fēng)、臺風(fēng)和冷空氣共同影響等。經(jīng)統(tǒng)計,2019—2020年共有393個強風(fēng)日,其中冷空氣影響的強風(fēng)日有300 d,臺風(fēng)影響的強風(fēng)日有43 d,臺風(fēng)和冷空氣共同影響的強風(fēng)日有50 d。按路徑屬性信息進行分類(表4),冷空氣造成的強風(fēng)過程可以劃分為東路、中路、西路、混合、冷高壓脊5種,東路冷空氣最多占34%,西路和中路冷空氣較少分別占12%和13%;臺風(fēng)造成的強風(fēng)過程可以劃分為西行、西北行、轉(zhuǎn)向、北上、打轉(zhuǎn)5種,西行和西北行最多,合計占比超過70%;臺風(fēng)和冷空氣共同造成的強風(fēng)過程中,西行路徑臺風(fēng)占比高達73%。按強度屬性信息進行分類(表4),冷空氣造成的強風(fēng)過程根據(jù)廣州站最低氣溫48 h降幅可以劃分為弱冷空氣、中等強度冷空氣、較強冷空氣、強冷空氣和寒潮5種[9],由于弱冷空氣占比高達92%,中等及以上級別的冷空氣歸為一類進行統(tǒng)計;臺風(fēng)造成的強風(fēng)過程按臺風(fēng)強度可以劃分為TD或擾動、TS、STS、TY、STY和SUPERTY共6個級別,TD和擾動、TS級別占比較大,分別為34%和33%,故STS及以上級別歸為一類進行統(tǒng)計;臺風(fēng)和冷空氣共同造成的強風(fēng)過程中均為弱冷空氣,TY級別以上歸為一類進行統(tǒng)計。

        表4 24 h不同天氣系統(tǒng)分型下的強風(fēng)過程預(yù)報評分占比及TS

        3.2 強風(fēng)過程預(yù)報誤差分析

        圖3為EC細網(wǎng)格10 m風(fēng)速產(chǎn)品對應(yīng)24、48、72 h預(yù)報時效的不同天氣系統(tǒng)分型下的強風(fēng)過程預(yù)報評分,可以看到隨著時效的增加風(fēng)速預(yù)報滿分率和TS評分逐漸減小,并以臺風(fēng)系統(tǒng)表現(xiàn)最為明顯。結(jié)合圖3和表4以24 h預(yù)報時效為例進一步分析。冷空氣影響下的強風(fēng)過程中,模式風(fēng)速預(yù)報滿分率為60.2%,主要失分于預(yù)報偏高站次較多,平均誤差樣本50%集中分布在0.6~1.3 m/s之間,TS評分為24.7%,主要失分于強風(fēng)漏報;其中,冷高壓脊或弱冷空氣影響下強風(fēng)過程預(yù)報滿分率相對較高,中路冷空氣相對較低,主要由于預(yù)報偏高站次最多,但其對應(yīng)的TS評分最高。臺風(fēng)影響下的強風(fēng)過程中,模式風(fēng)速預(yù)報滿分率和TS評分均略低于冷空氣分別為57.1%和21.9%,同樣主要失分于預(yù)報偏高站次較多和強風(fēng)的漏報,平均誤差樣本50%集中分布在0.2~1.2 m/s之間。其中,不同路徑的臺風(fēng)對應(yīng)的評分相差較大,轉(zhuǎn)向和北上型臺風(fēng)的滿分率明顯高于其他,但TS評分也很不穩(wěn)定,這可能與樣本數(shù)較少有關(guān),因而這兩種路徑下的評分參考性較低;從滿分率和TS評分綜合表現(xiàn)來看,模式對TD或擾動級別的臺風(fēng)造成的強風(fēng)過程預(yù)報效果更好。臺風(fēng)和冷空氣共同影響下的強風(fēng)過程中,模式預(yù)報滿分率與臺風(fēng)相當,偏高率相對前二者略高,平均誤差樣本50%集中分布在0.8~1.4 m/s之間,TS評分最高達31.9%,原因是強風(fēng)漏報站次相對前二者較少;從滿分率和TS評分綜合表現(xiàn)來看,模式對西北行臺風(fēng)和弱冷空氣造成的強風(fēng)過程預(yù)報效果相對較好。

        圖3 24、48、72 h的不同天氣系統(tǒng)分型下的強風(fēng)過程預(yù)報評分

        4 結(jié)論

        1)EC模式對3級以下、4到5級風(fēng)的預(yù)報效果較好,風(fēng)速預(yù)報滿分率均在50%以上,其中,3級以下風(fēng)以預(yù)報偏高為主,4到5級風(fēng)以偏低為主,6到7級和7級以上風(fēng)預(yù)報效果較差,基本失分于預(yù)報偏低,因此可對6級以上風(fēng)進行重點訂正。EC模式對不同風(fēng)向的風(fēng)速預(yù)報誤差相對穩(wěn)定,體現(xiàn)為系統(tǒng)性偏大,多數(shù)樣本平均誤差集中分布在0.2~2.0 m/s;EC模式對沿海站和浮標站的風(fēng)速預(yù)報滿分率較沿海站和平臺站更高,海島站和沿海站的預(yù)報主要失分于預(yù)報偏高,浮標站主要失分于預(yù)報偏低,平臺站偏高和偏低比例相當。

        2)造成南海北部強風(fēng)過程的天氣系統(tǒng)中,冷空氣占比最多達76%,其中又以弱冷空氣占比最多,3種天氣系統(tǒng)下的滿分率和TS評分主要失于分預(yù)報偏高站次較多和強風(fēng)的漏報。TS評分較高的天氣系統(tǒng)通常對應(yīng)的偏高率也較高,不利于滿分率得分,比如臺風(fēng)和冷空氣共同影響,因而在人工訂正過程中需綜合考慮二者的關(guān)系。綜合表現(xiàn)來看,模式對冷空氣影響下的強風(fēng)過程的預(yù)報效果最好,其中又以冷高脊和弱冷空氣類型的預(yù)報效果最佳。

        3)預(yù)報時效越長,滿分率和TS評分越低,預(yù)報誤差越大,預(yù)報偏差樣本的離散度越大,體現(xiàn)出EC模式在海面風(fēng)預(yù)報中的不穩(wěn)定性。

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