於敏佳，劉菡，李曉麗

（舟山市氣象局，浙江舟山316000）

1 引言

舟山地處中緯度地帶，是“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”的交匯點，區(qū)位優(yōu)勢明顯。海上的物流運輸、油品加注、生產(chǎn)作業(yè)和項目建設(shè)等都與氣象因素緊密相關(guān)，其中尤以風(fēng)力最受關(guān)注。風(fēng)力預(yù)報的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到生產(chǎn)發(fā)展與生命安全，深入研究風(fēng)力預(yù)報技術(shù)，對于推動“21世紀(jì)海上絲綢之路”建設(shè)并促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)更快更好發(fā)展具有十分重要的意義。舟山年平均8級以上大風(fēng)日數(shù)142.7 d，其中8～9級大風(fēng)日數(shù)129.2 d[1]。舟山群島地形復(fù)雜，受島嶼和山系遮蔽影響，各海域風(fēng)力具有明顯的局地性特征[2]。針對舟山各港口風(fēng)力局地性特點，精細(xì)化的智能格點預(yù)報顯得尤為重要。

關(guān)于精細(xì)化網(wǎng)格天氣預(yù)報技術(shù)，國內(nèi)外都有一些研究成果。美國最早于2003年開始發(fā)展國家數(shù)字預(yù)報數(shù)據(jù)庫[3]，提供逐1h更新、2.5/5 km分辨率和0～45 d延伸期的無縫隙網(wǎng)格天氣預(yù)報。奧地利氣象局發(fā)展了無縫隙概率預(yù)報系統(tǒng)[4]，逐10 min更新生成最小分辨率1 km的概率和確定性天氣預(yù)報，預(yù)報時效由分鐘級臨近預(yù)報～72 h，同時也提供15 km分辨率的14 d中短期網(wǎng)格預(yù)報。德國基于強(qiáng)大的數(shù)值模式能力，利用多個模式解釋應(yīng)用和統(tǒng)計后處理預(yù)報的優(yōu)化集成預(yù)報方法，提供逐5 min更新2.5 km分辨率的分鐘級～30 d延伸期的訂正網(wǎng)格預(yù)報。澳大利亞自2012年起開展了基于業(yè)務(wù)集成預(yù)報技術(shù)的5 km分辨率8 d內(nèi)網(wǎng)格指導(dǎo)預(yù)報[5]。

我國無縫隙精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)技術(shù)起步于2014年，2012年起發(fā)展的多源資料融合實況分析業(yè)務(wù)系統(tǒng)[6-8]為網(wǎng)格預(yù)報模型建立、實況信息更新和預(yù)報產(chǎn)品檢驗提供了基礎(chǔ)條件。中國氣象局自主研發(fā)了全球/區(qū)域同化預(yù)報系統(tǒng)（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System，GRAPES），在動力框架、物理過程和變分同化技術(shù)等方面均取得顯著進(jìn)展[9-14]，并且建立了體系完善的全球、區(qū)域和集合預(yù)報模式系統(tǒng)。目前，我國初步建立了逐1 h滾動更新并實時共享的全國5 km分辨率0～30 d和每日兩次滾動更新的全球10 km分辨率0～10 d無縫隙精細(xì)化網(wǎng)格天氣預(yù)報業(yè)務(wù)[15]。舟山市氣象局已開展各港口風(fēng)力專業(yè)專項預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)，經(jīng)過多年的數(shù)值模式預(yù)報與站點實況風(fēng)力對比，已得出各港口風(fēng)力預(yù)報實況偏差的定性經(jīng)驗判斷，但并未獲得精確定量的訂正數(shù)值，因此，做好舟山風(fēng)力智能網(wǎng)格訂正釋用產(chǎn)品，提供精準(zhǔn)的高時空分辨率的氣象產(chǎn)品，具有十分重要的意義。

2 資料與方法

2.1 資料介紹

10 m風(fēng)格點預(yù)報產(chǎn)品采用歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF，簡稱“EC”）細(xì)網(wǎng)格資料（ERAInterim），模式起報時間是20時（北京時，下同），資料覆蓋10°S～60°N，60°～150°E，時間分辨率為3 h，預(yù)報時效0～48 h，空間分辨率為0.125°×0.125°。選取時間段為2020年8月1日—11月1日，每日20時起報場預(yù)報數(shù)據(jù)，預(yù)報效果檢驗共計1 456個時次，17 472個檢驗樣本。

10 m風(fēng)格點實況資料采用經(jīng)篩選的46個舟山本地觀測站點風(fēng)力資料（見表1），站點包括嵊泗、普陀、岱山和定海等國家基準(zhǔn)站、基本站和一般站，其中包括秀山和新奧等港區(qū)和港口指標(biāo)站點，還包括舟山浮標(biāo)和蝦峙門浮標(biāo)等浮標(biāo)站，這些站點代表性強(qiáng)，數(shù)據(jù)完整，且經(jīng)過人工異常值剔除和缺測記錄消除，得到的實況數(shù)據(jù)真實可靠。

2.2 釋用技術(shù)

2.2.1 訂正釋用總體思路

（1）加密EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報風(fēng)力資料，空間上采用雙線性插值法將網(wǎng)格資料加密至0.05°精度，時間上采用線性插值法加密至1 h間隔（見圖1）。

圖1 訂正釋用總體思路

（2）根據(jù)46個觀測站點經(jīng)緯度，選取最鄰近網(wǎng)格點作為訂正釋用點。

（3）對照網(wǎng)格訂正釋用點的EC加密風(fēng)力預(yù)報值和站點實況平均風(fēng)值，起報20～05時，采用20時、23時、02時和05時4個時次的預(yù)報實況誤差平均值進(jìn)行平均風(fēng)修正，05時后采用逐時加權(quán)滾動訂正的方法進(jìn)行平均風(fēng)修正。

（4）應(yīng)用考慮地形的站點平均風(fēng)極大風(fēng)對應(yīng)關(guān)系，對修正后的EC加密風(fēng)力預(yù)報進(jìn)行極大風(fēng)釋用，得到46個站點0～48 h的極大風(fēng)釋用結(jié)果。

（5）對EC加密網(wǎng)格海面區(qū)域的風(fēng)力預(yù)報資料進(jìn)行訂正釋用，采用舟山浮標(biāo)站作為整個舟山沿海海面的指標(biāo)站點，進(jìn)行平均風(fēng)訂正后，應(yīng)用舟山浮標(biāo)站平均風(fēng)極大風(fēng)對應(yīng)關(guān)系，得到海面區(qū)域格點的極大風(fēng)釋用值。

（6）整合（4）、（5）兩步得到的加密網(wǎng)格訂正釋用極大風(fēng)值，采用雙線性插值的方法插值得到陸地上的加密網(wǎng)格空缺點，最終形成0.05°×0.05°的智能網(wǎng)格訂正釋用產(chǎn)品。

2.2.2逐時加權(quán)滾動訂正釋用方法

目前，在風(fēng)力預(yù)報方面，較為成熟的方法是以天氣形勢為基礎(chǔ)，參考各家模式的風(fēng)力要素預(yù)報，結(jié)合預(yù)報員的主觀預(yù)報經(jīng)驗，最終得出風(fēng)力預(yù)報。在各家的風(fēng)力要素預(yù)報中，尤以EC模式的預(yù)報最為穩(wěn)定和準(zhǔn)確，平時業(yè)務(wù)中對EC的參考比重也較大，因此，選用EC細(xì)網(wǎng)格資料作為智能網(wǎng)格產(chǎn)品的初始材料。經(jīng)過多年的對比釋用，我們發(fā)現(xiàn)EC風(fēng)要素預(yù)報與平均風(fēng)較為對應(yīng)，而站點的極大風(fēng)又與平均風(fēng)存在對應(yīng)的關(guān)系，大致滿足線性關(guān)系，這與國內(nèi)一些專家的研究互為映證[16-17]。我們也發(fā)現(xiàn)，由于站點地形的原因，存在同樣梯度下個別風(fēng)向極大風(fēng)與平均風(fēng)關(guān)系較為特殊的現(xiàn)象，如國家基準(zhǔn)站嵊泗站就存在NNE風(fēng)平均風(fēng)較大且與極大風(fēng)相差小的現(xiàn)象，這些都與地形有關(guān)，因此，在做平均風(fēng)與極大風(fēng)的對應(yīng)關(guān)系研究時需考慮地形因素，并分風(fēng)向研究各測站點的平均風(fēng)和極大風(fēng)對應(yīng)關(guān)系。在應(yīng)用EC風(fēng)力要素預(yù)報時發(fā)現(xiàn)，實況平均風(fēng)力值與預(yù)報風(fēng)力值之間的誤差存在變化，即時而實況大于預(yù)報，時而預(yù)報大于實況，且不存在明顯的規(guī)律性，因此，在訂正EC預(yù)報風(fēng)力值時，需要抓住實況和預(yù)報之間的變化趨勢，而這個變化趨勢又以最臨近時次的參考為最大，且需要根據(jù)最新實況資料逐時滾動更新平均風(fēng)預(yù)報實況偏差。按照以上思路，本文設(shè)計了逐時加權(quán)滾動訂正釋用方法。

2.2.3 平均風(fēng)逐時加權(quán)滾動訂正

EC模式風(fēng)力要素預(yù)報產(chǎn)品的訂正主要考慮3個方面，分別為預(yù)報大小、預(yù)報快慢和偏差趨勢。預(yù)報大小方面，對于開闊地遮蔽較少的站點，如國家基準(zhǔn)站嵊泗和舟山浮標(biāo)，EC模式的風(fēng)力要素預(yù)報與實況平均風(fēng)比較對應(yīng)，相差較小，而對于受地形影響較大或遮蔽較多的站點，如基本站定海和一般站普陀，卻相差較大，針對這種現(xiàn)象，必須根據(jù)實況加以修正。預(yù)報快慢方面，由于模式預(yù)報的系統(tǒng)與實況并不完全一致，存在系統(tǒng)偏快或偏慢的問題，有時一個系統(tǒng)預(yù)報偏慢可長達(dá)半天之多，也需要及時根據(jù)實況修正之后的預(yù)報。偏差趨勢方面，指的是在大小相差不大和系統(tǒng)快慢基本準(zhǔn)確的情況下，預(yù)報與實況之間的偏差也存在變化，可能前幾個時次都是預(yù)報大于實況，而接下來就變成了實況大于預(yù)報，這樣的變化趨勢也需要捕捉。綜上考量，設(shè)計了逐時加權(quán)滾動訂正方法，具體如下：

式中，Si和Yi分別為前i時次的實況平均風(fēng)和EC加密資料風(fēng)力；Et-1為平均風(fēng)實況預(yù)報滾動修正誤差；Yt為當(dāng)前時次EC加密資料風(fēng)力，Y′t為當(dāng)前時次訂正后的平均風(fēng)。

2.2.4 平均風(fēng)極大風(fēng)關(guān)系釋用

對于平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系探究，除了其自身存在的大致的線性關(guān)系外，還必須考慮地形的影響。具體表現(xiàn)為，同一站點各風(fēng)向關(guān)系式不同，不同站點同風(fēng)向關(guān)系式也不同，實際上，隨著風(fēng)力的增大，極大風(fēng)和平均風(fēng)之間的差距也在加大，而線性關(guān)系并不能反映這個變化趨勢，因此，文章采用一元二次模型，分風(fēng)向?qū)?6個實況站點進(jìn)行平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系研究。

由于站點和風(fēng)向較多，此處隨機(jī)選取了4個縣區(qū)本站個別風(fēng)向的平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系圖進(jìn)行說明。由圖2可知，同一站點，如嵊泗和普陀，不同風(fēng)向的平均風(fēng)與極大風(fēng)對應(yīng)關(guān)系不同；同一風(fēng)向下，如NE風(fēng)，嵊泗、定海和岱山的平均風(fēng)與極大風(fēng)對應(yīng)關(guān)系也不同。

圖2 嵊泗、岱山、定海和普陀4個縣區(qū)本站個別風(fēng)向平均風(fēng)與極大風(fēng)關(guān)系圖（單位：×0.1 m/s）

2.2.5 智能網(wǎng)格精細(xì)化風(fēng)場訂正釋用

經(jīng)過以上兩步，已得出46個站點的EC細(xì)網(wǎng)格加密資料的訂正釋用結(jié)果，但對于舟山沿海（范圍為121.1°～123.7°E，29.1°～31.4°N，精度為0.05°×0.05°，共計2 491個格點）來說還是少數(shù)，多數(shù)格點位于海上，因此缺乏對比觀測站點。由于海上地形開闊平坦，平均風(fēng)與極大風(fēng)的差異不如陸地站點大（見圖3），對比2012年1月—2020年1月嵊泗、岱山、普陀和定海4個縣區(qū)本站和舟山浮標(biāo)站的實況平均風(fēng)與極大風(fēng)之差，發(fā)現(xiàn)4個縣區(qū)本站平均差相差較小，分別為2.51 m/s、2.37 m/s、2.37 m/s和2.51 m/s，舟山浮標(biāo)站的平均差僅為0.91 m/s，因此，在空曠的海上，由于平均風(fēng)與極大風(fēng)相差較小，若將陸地觀測點上平均風(fēng)與極大風(fēng)的關(guān)系套用到沿海大風(fēng)預(yù)報中，是存在較大不科學(xué)性的。

圖3 嵊泗、岱山、定海、普陀和舟山浮標(biāo)16風(fēng)向極大風(fēng)與平均風(fēng)之差對比圖

因此，對于大量的海上格點，我們采用舟山浮標(biāo)平均風(fēng)與極大風(fēng)對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行釋用。對于沒有對應(yīng)觀測站點或觀測站點數(shù)據(jù)質(zhì)量不合格的格點，本文采用了簡單的雙線性插值法進(jìn)行補(bǔ)充。至此，整張舟山沿海0.05°精度的智能網(wǎng)格訂正釋用完成。

3 預(yù)報檢驗

3.1 訂正釋用效果評價方法

本文采用平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）和均方根誤差（Root Mean Squared Error，RMSE）的統(tǒng)計指標(biāo)參數(shù)來評價各考核關(guān)鍵點的訂正釋用效果，具體對2020年8月1日—11月1日每日48 h預(yù)報時效內(nèi)逐時次進(jìn)行檢驗評估。具體公式如下：

式中，Yi和分別是站點實況極大風(fēng)和訂正釋用極大風(fēng)。

對浙江省氣象局要求考核檢驗的12個考核關(guān)鍵點進(jìn)行了統(tǒng)計檢驗評估，結(jié)果見表2。各考核關(guān)鍵點0～6 h、0～12 h、0～24 h和0～48 h平均極大風(fēng)絕對誤差為1.14 m/s、1.23 m/s、1.48 m/s和1.72 m/s，均方根誤差為1.58 m/s、1.69 m/s、1.99 m/s和2.27 m/s，總體上訂正釋用效果較好。

表2 考核關(guān)鍵點各預(yù)報時效誤差評價表（單位：m/s）

3.2 臺風(fēng)、低壓個例檢驗評估

為將本訂正釋用方法用于平時業(yè)務(wù)工作，給預(yù)報員提供一個相對準(zhǔn)確可靠的風(fēng)力預(yù)報基數(shù)據(jù)參考，我們開發(fā)了舟山風(fēng)力智能網(wǎng)格精細(xì)化訂正釋用平臺。該平臺可實時展示縣區(qū)本站、公益港區(qū)、服務(wù)港口、沿海浮標(biāo)和考核關(guān)鍵點等46個點48 h的實況平均風(fēng)、實況極大風(fēng)、EC原始加密預(yù)報風(fēng)力、訂正平均風(fēng)和釋用極大風(fēng)（見圖4）。預(yù)報員可輸入具體坐標(biāo)點，查看舟山沿海任意點48 h 10 m平均風(fēng)和極大風(fēng)預(yù)報，平臺還具有考核點預(yù)報質(zhì)量檢驗功能。該平臺能逐時滾動更新訂正，時效越近，預(yù)報越精準(zhǔn)。下面對臺風(fēng)“美莎克”和2020年9月11日低壓這兩次過程進(jìn)行檢驗，檢驗站點為4個縣區(qū)本站。

圖4 舟山風(fēng)力智能網(wǎng)格精細(xì)化訂正釋用平臺

受臺風(fēng)“美莎克”影響，2020年9月1日08時—2日18時，舟山市沿海出現(xiàn)9～10級西北風(fēng)。嵊泗、岱山、定海和普陀4個縣區(qū)本站分別出現(xiàn)了20.9 m/s、18.8 m/s、15.5 m/s和18.8 m/s的過程極大風(fēng)力，平臺預(yù)報過程極大風(fēng)力對應(yīng)為20.9 m/s、16.0 m/s、15.8 m/s和16.9 m/s，實況和預(yù)報分別相差0.0 m/s、2.8 m/s、0.3 m/s和1.9 m/s，其中嵊泗和定海預(yù)報最為準(zhǔn)確，而岱山和普陀偏差相對較大。這主要是因為兩地有臺風(fēng)螺旋雨帶降水，雨滴攜帶高層的動能，風(fēng)力陣性加大，因此，需要在今后分系統(tǒng)進(jìn)一步研究平均風(fēng)和極大風(fēng)的對應(yīng)關(guān)系。

對嵊泗站點進(jìn)行分析（見圖5），平臺最新更新時間為9月1日17時，平臺根據(jù)EC原始風(fēng)力預(yù)報和之前已經(jīng)出現(xiàn)的站點實況平均風(fēng)，對之后時次的極大風(fēng)預(yù)報進(jìn)行了訂正釋用。根據(jù)平臺最新預(yù)報，在9月1日23時和9月2日08時將出現(xiàn)兩個20.9 m/s的峰值，實況在1日21時和2日07時出現(xiàn)20.9 m/s和19.2 m/s兩個峰值，這兩個峰值預(yù)報在時間和大小上總體較為精準(zhǔn)。但在1日23時以后，訂正釋用的極大風(fēng)與實況極大風(fēng)存在相對較大的差距，主要原因在于1日17時之前的9個時次，實況平均風(fēng)略大于EC原始預(yù)報風(fēng)力，在做訂正時，將平均風(fēng)進(jìn)行了上調(diào)。從圖5可以看到，1日8—17時的訂正釋用效果較好，18—22時臨近的4個時次預(yù)報效果也不錯，而從23時之后，實況的平均風(fēng)明顯小于EC原始預(yù)報平均風(fēng)，平均風(fēng)偏差由正變負(fù)且變化較大，致使訂正釋用的極大風(fēng)偏大明顯，這也進(jìn)一步說明了根據(jù)實況不斷修正EC原始預(yù)報的重要性。

圖5 嵊泗站點9月1日17時平臺最新預(yù)報與實況對比圖

對岱山站點進(jìn)行分析（見圖6），總體上EC原始預(yù)報風(fēng)力對平均風(fēng)的預(yù)報偏差較大，經(jīng)過加權(quán)修正后對平均風(fēng)預(yù)報效果顯著改良。9月1日17時之前訂正平均風(fēng)與實況平均風(fēng)基本吻合，釋用得到的極大風(fēng)略偏小于實況，個別時次偏差較大，這也說明臺風(fēng)系統(tǒng)的陣性較大。1日18時—2日04時10個時次的預(yù)報效果較好，平均風(fēng)基本吻合，極大風(fēng)相差也較小，從2日05時開始，平均風(fēng)修正誤差發(fā)生明顯變化，實況平均風(fēng)明顯大于訂正平均風(fēng)，對應(yīng)實況極大風(fēng)與訂正釋用極大風(fēng)之間的差距也加大，由此同樣反映了及時更新的重要性。

圖6 岱山站點9月1日17時平臺最新預(yù)報與實況對比圖

受東海小尺度低壓影響，2020年9月11日8—16時，舟山市自西向東依次出現(xiàn)了9～10級東北風(fēng)，此次小低壓過程，美國和日本兩家的模式均無反應(yīng)，只有ECWMF報了低壓，但路徑預(yù)報較實況略偏北，導(dǎo)致北部站點預(yù)報偏大。如嵊泗站，從EC預(yù)報來看，下午14時會出現(xiàn)9～10級的過程最大風(fēng)力，可實況過程最大風(fēng)力僅13.9 m/s，各級氣象臺站當(dāng)天也均未提前做出準(zhǔn)確預(yù)報。而舟山風(fēng)力智能網(wǎng)格精細(xì)化訂正釋用平臺通過逐時加權(quán)滾動訂正釋用，預(yù)報14時的極大風(fēng)為12.7 m/s（見圖7），實況14時極大風(fēng)為10.2 m/s，將極大風(fēng)從9～10級訂正到7級以下，訂正釋用效果非常明顯。

圖7 嵊泗站點9月11日13時平臺最新預(yù)報

針對數(shù)值模式的訂正釋用技術(shù)已有不少研究[18-20]，主要有完全預(yù)報法（Perfect Prognosis，PP）、模式輸出統(tǒng)計法（MOS）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等，這些方法各有優(yōu)勢，都是對過去一段時間內(nèi)模式預(yù)報資料與實況資料之間的關(guān)系的最優(yōu)擬合，但得出的關(guān)系對于臺風(fēng)和低壓等小概率系統(tǒng)適用性并不太好；另外，海島地形復(fù)雜且局地性強(qiáng)，須對大量站點進(jìn)行局地性研究。海陸差異的存在，進(jìn)一步增加了精細(xì)化訂正釋用的研究需求，本文設(shè)計的訂正釋用新方法在這兩方面都有較好的改進(jìn)效果。

4 結(jié)論

本文介紹了一種智能網(wǎng)格訂正釋用技術(shù)，該技術(shù)對EC細(xì)網(wǎng)格風(fēng)力資料進(jìn)行簡單加密，對比EC加密風(fēng)力資料和站點實況，采用逐時加權(quán)滾動更新的方法，利用站點平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系進(jìn)行訂正釋用，目前取得了一定的應(yīng)用成效。結(jié)論如下：

（1）站點平均風(fēng)和極大風(fēng)存在一元兩次關(guān)系，平均風(fēng)增大，極大風(fēng)增大，且兩者之間的差距也增大。受地形等因素影響，不同站點的平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系不同，同一站點不同風(fēng)向時平均風(fēng)和極大風(fēng)關(guān)系也不同。

（2）受地形和下墊面等因素影響，與陸地相比，海面風(fēng)力的陣性明顯較弱，平均風(fēng)和極大風(fēng)相差較小，陸地平均風(fēng)與極大風(fēng)對應(yīng)關(guān)系不適用于海面。

（3）EC風(fēng)力預(yù)報與實況平均風(fēng)較為對應(yīng)，但兩者之間的偏差并不穩(wěn)定，需要及時根據(jù)實況資料進(jìn)行訂正，本文設(shè)計的逐時加權(quán)滾動訂正方法訂正效果較好。

（4）省氣象局指定的各考核關(guān)鍵點0～6 h、0～12 h、0～24 h和0～48 h平均極大風(fēng)絕對誤差為1.14 m/s、1.23 m/s、1.48 m/s和1.72 m/s，取得了一定的訂正釋用效果。

（5）針對臺風(fēng)等風(fēng)力陣性較強(qiáng)的系統(tǒng)還需進(jìn)一步研究，今后可開展分系統(tǒng)的站點平均風(fēng)和極大風(fēng)對應(yīng)關(guān)系研究。