隋玉秀，楊景泰，?；哿?，卞若玢，趙華睿，肖劍，曹波

（1.大連市氣象服務中心，遼寧 大連 116001；2.大連市旅順口區(qū)氣象局，遼寧 大連 116041；3.空軍航空大學，遼寧 錦州 121000）

1 引言

風是影響海上航運與作業(yè)最主要的氣象因素之一，海上及沿海風場研究對于理解海洋-陸地-大氣之間的相互作用，以及開展相關領域的研究尤為重要。受客觀條件制約，目前海上氣象觀測資料的空間分辨率和覆蓋范圍均非常有限，并且大多離海岸線較近，這在一定程度上制約了海上風的科研與服務。大連屬半島地形，東部毗鄰黃海北部海域，西部緊鄰渤海這一較為特殊的內陸海，南部為黃渤海交界的渤海海峽，是我國海陸分布最為復雜的地區(qū)之一，海陸風和地形風效應均非常明顯，陸地及周邊海域大風天氣頻發(fā)，嚴重影響著海上運輸、漁業(yè)、港口及海上作業(yè)等。

近年來，隨著天氣預報技術的不斷發(fā)展，數值模式逐漸成為研究和預報風要素的主要方法[1-3]。數值產品再分析資料作為初始場和邊界場，對沿海及周邊海域的風要素進行研究[4-6]，這在一定程度上彌補了海上觀測資料的不足，給海洋氣象服務創(chuàng)造了良好的效益。然而風要素是一個矢量，既包含風速也包含風向，由于其本身具有非連續(xù)和非正態(tài)分布的特點，加之具有較強的地域性，因此，在實際工作中需要針對當地具體情況進行檢驗和訂正。在風的檢驗方面，很多學者都發(fā)現某些數值模式在不同的時間和季節(jié)對風的預報存在差異[7-10]，不同的風向、風速、時效和地理位置等也都對最終預報效果產生影響[8-12]。一些學者還針對不同數值模式產品預報的風場開展了比較研究。孫逸涵等[10]綜合分析檢驗了全球天氣預報系統(tǒng)（Global Forecasting System，GFS）、歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-range Weather Forecasts，ECMWF，簡稱EC）模式和T639 資料在中國境內近地層的風速預報效果；曾瑾瑜等[11]對天氣預報模式（Weather Research and Forecasting，WRF）、ECMWF 和T639這3 種模式預報的福建沿海風場進行了對比檢驗；夏曉玲等[13]檢驗了ECMWF 模式、中國氣象局新一代數值天氣預報系統(tǒng)（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System，GRAPES）和日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）模式對貴州省風速的預報誤差，總體來看ECMWF 模式評價較好。以上研究大多側重于風速方面，而對風向的研究較少。當風力達到一定等級時，同樣的風力作用下，不同的側風對航運、海上鉆井平臺和港口等地高危作業(yè)產生的影響有顯著差異，甚至會嚴重影響飛機的起降和飛行安全[14-16]。即使在風不大的情況下，風向對火災救援、城市熱島效應[17]以及霧和霾等低能見度天氣或空氣污染過程[18-21]也具有不可忽略的作用。對于大連來說，風向的變化及海陸風的轉換有時還會對氣溫產生顯著影響，例如春季當風向由陸風轉為海風時，大連站小時降溫有時可達6 ℃以上，降幅超過多數冷空氣過程降溫。

為了實現風向的準確預報，曾曉青等[22]基于北京地區(qū)的情況給出了一種基于模式輸出統(tǒng)計法（Model Output Statistics，MOS）的風向矢量預測方案，對風向預測具有較好能力。吳曼麗等[23]采用卡爾曼濾波方法對第五代中尺度模式（Mesoscale Model 5，MM5）預報的遼寧沿海風矢量進行檢驗，但得出的風向預報效果并不理想，即便是預報結果最好的黃海北部，準確率也僅為57.3%，渤海北部只有41.1%。在實際觀測業(yè)務中，風向的正點常規(guī)觀測記錄包含瞬時風向、2 min 平均風向、10 min 平均風向、極大風向和最大風向5類，但關于各類實況風向與數值預報格點風向的對應參考性研究目前還比較稀缺。呂明華等[24]雖然提出了使用不同小時數據統(tǒng)計風向的方法，但與常規(guī)氣象觀測記錄存在差異，不便于實際預報工作使用。因此，在日常的海洋氣象服務中，有必要對照實際觀測風向，對常用數值模式提供的大連沿海風向初始場和預報場資料進行系統(tǒng)性檢驗，從而獲得高精度的本地化格點訂正產品。

2 資料與方法

ECMWF 模式具有較高的預報水平，在天氣預報業(yè)務中應用廣泛，其10 m 風產品是海洋氣象預報的重要參考要素之一，對風的預報效果較好[25-27]。選取2016年1月—2018年12月ECMWF細網格10 m風（簡稱“EC 10 m風”）逐日預報資料，包含08時（北京時，下同）和20時模式的分析場，以及003～240 h逐3 h 或6 h 預報，共計53 個時次的分析和預報資料，空間分辨率為0.125°×0.125°?？紤]到觀測資料的連續(xù)性和準確性，選取大連境內的大連、金州、長海、莊河、普蘭店、瓦房店、長興島和旅順8個國家氣象觀測站，這些站點遍布渤海、渤海海峽、黃海北部沿岸、海島以及相對內陸的地區(qū)（見圖1），能較好地代表大連海陸分布的特殊地理狀況。將EC 10 m風預報插值到上述8 個站，所有站點的風矢量分析和預報值均經過U、V分量雙線性插值法內插到各個站點，然后再計算該站的風向和風速值。

圖1 大連地區(qū)站點分布圖Fig.1 Distribution of stations in Dalian area

在實際觀測中，風的正點記錄包含5 類。按照觀測規(guī)范對各類風的定義，2 min 平均風、10 min 平均風和最大風屬平均風類，瞬時風和極大風屬瞬時風或陣風類（見表1）。

表1 正點觀測5類風風向的含義、算法及類別Tab.1 The meanings,algorithms and classifications of the five kinds of wind directions observed on schedule

EC 10 m 風預報與各類地面風觀測值均存在不同程度的誤差，因此有必要探討實際觀測記錄的各類風與EC 10 m 風預報的對應性，以對應最好的某類風為參照進行分析訂正。規(guī)定風向預報誤差值為預報值減實況值，按照實況對風向和風級進行分類，其中1 級含靜風。選取平均誤差（Mean Error，ME）、平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）和相關性分析3種方式，對EC 10 m風向與大連地區(qū)8個站的上述5 類風向進行對比，按照風級、風向、站點、預報時限以及起報時次等不同分類進行統(tǒng)計分析，其誤差計算公式為：

3 結果分析

3.1 EC 10 m 風向預報與實況比較

表2給出了2016—2018年期間EC 10 m 風產品對大連地區(qū)8 個站的風向分析、預報與各類實況風向的ME、MAE 和相關系數r。表中“00 h”表示08或20 時起報的000 時次、003 時次、006 時次和009時次分析和預報，簡稱“00 h時限”；“12 h”表示08或20時起報的012時次、015時次、018時次和021時次12～21 h預報，簡稱“12 h時限”（其他“24 h”、“36 h”……等以此類推，下同）。這樣歸類可將53 個時次縮減為21個時限，便于比較和縮減表列數。文中用H表示時次、h表示時限加以區(qū)分。

表2可以看出，ME陣風類風向小于平均風類風向，但各類風的風向ME 差別不大，即使在ME 相差最大的00 h 時限，誤差也均在3.6°～5.0°之間，相差最大僅1.4°，因而認為各類風的風向ME 基本相當。MAE 則與ME 相反，平均風類的風向誤差小于陣風類，正點最大風的風向預報誤差最小，各類風的風向MAE 均隨著預報時限的延長而增大，但各類風之間相差依然不大，相差最大的00 h 時限僅3.7°。從相關系數分析來看，最大風在各時限下r均大于其他類風，其次是極大風，瞬時風在各時限下的r均最小。隨著預報時限延長，EC 10 m 風與實況風向的r多呈減小趨勢，但均通過了置信度α=0.05和α=0.01的顯著性檢驗。綜合來看，EC 模式預報的風向與正點最大風對應關系最好，這與該模式預報的風速情況一致[28]。

表2 2016—2018年EC 10 m 00～240 h時限風向與大連8個站各類觀測風向之間的ME、MAE和相關系數Tab.2 The ME,MAE and correlation coefficients between various observation wind directions of the eight stations in Dalian and the EC 10 m 00～240 h time wind directions from 2016 to 2018

3.2 基于正點最大風的誤差統(tǒng)計與分析

與正點最大風實況相比，00～240 h 時限內EC 10 m風對大連地區(qū)8個站的風向預報ME均在0.1°～6°之間，預報略偏向實況風的來向左側，108 h 時限后ME 呈顯著減小的趨勢。除00 h 時限外，各預報時限下MAE 均在36°或以上，且隨著預報時限的延長而增大，228～240 h 時限接近72°。ME 很小而MAE 較大，說明EC 預報具體到個例風向偏差比較顯著，但左、右偏離程度較為接近。

3.2.1 不同風向間的風向誤差

圖2 為2016—2018 年EC 10 m 風對大連地區(qū)8站各風向分析預報的誤差情況。圖中可以看出，EC對各風向預報的ME 差異比較明顯，但84 h 以前平均ME 呈略增大趨勢，整體差異很小，各風向的ME趨勢也大致相同，96 h 之后平均ME 有增有減且各時限差異較大，穩(wěn)定性下降。從8個站平均來看，北風和東北風為負差，84 h 內誤差為-4.4°～-1.4°；其他為正差，東風誤差最大，84 h內誤差大于20°；其次是東南風，誤差也大于10°。從MAE 來看，東風與東北風的誤差最大，多在50°以上；其次是東南風和西風，在40°上下；所有MAE 隨預報時限延長而明顯增大。

圖2 2016—2018年EC 10 m 00～240 h時限風向與大連8個站不同風向的ME（實線）與MAE（虛線）Fig.2 The ME(solid line)and MAE(dashed)between EC 10 m 00～240 h time wind directions and actual wind directions of different wind directions of the eight stations in Dalian from 2016 to 2018

3.2.2 不同風級的風向誤差

從圖3 給出的2016—2018 年EC 預報的大連地區(qū)8 個站不同風級的風向ME 和MAE 情況可以看出，ME 和MAE 隨預報時限延長偏離0°越來越明顯，但ME變化相對很小，說明誤差具體到個例不但會隨著預報時限延長而增大，而且其正、負離散程度也在逐漸增大。從ME 來看，當實況風力小于4級時，各時限預報均為正差，預報的風向偏向實況風來向的左側，風越小偏左的程度越大；風級越大誤差越向負值方向偏離，即隨著風級增大，預報的風向向實況風來向的右側偏離的程度增大；00～96 h 時限ME 差異不明顯，108 h 時限以后呈逐漸減小趨勢；由于7～8 級次數較少，其統(tǒng)計規(guī)律與6 級以下個別時限有一定差異。MAE 則隨預報時限延長呈逐漸增大的趨勢，且風級越小誤差越大，1 級誤差普遍在70°以上，其中，216～228 h 時限最大可達82.6°，隨著風級增大，預報偏差的幅度逐漸減小。

圖3 2016—2018年EC 10 m 00～240 h時限風向與大連8個站不同風級的風向ME（實線）和MEA（虛線）Fig.3 The ME(solid line)and MAE(dashed)between EC 10 m 00～240 h time wind directions and the actual wind directions of different wind scales of the eight stations in Dalian from 2016 to 2018

箱線圖能更直觀地反映出不同風級間風向預報的偏差程度。以24 h 時限為例（見圖4），圖中明顯可以看出風級越大，預報風向偏離實況風向的離散度越小，中位值（50%線）由正值逐漸向負值偏離，其中1～3級為正差（由19°逐漸減小至2°），4～7級為負差（由-1°增大至-11°），但8 級的中位值為-3°，這可能與8級實況個例少且統(tǒng)計意義相對較差有關。此外，從各級風的線端值來看，1～6 級均可能出現達到或接近180°的極端偏差，7～8 級風向預報則比較穩(wěn)定。

圖4 2016—2018年EC 10 m 24 h時限預報大連8個站不同風級的風向ME箱線圖Fig.4 The wind direction ME box plots for different wind scales of the eight stations in Dalian forecasted by EC 10 m 24 h time wind product from 2016 to 2018

3.2.3 不同風向與風級的風向誤差

表3 列出了2016—2018 年EC 10 m 風分析、預報不同風向和風級下，大連地區(qū)8 個站風向的ME。表中可以看出，1 級和2 級除北風為負差外，其他風向均為正差；與冷空氣對應密切的西風—東北風在在3 級及以上基本均為負差，而與暖空氣對應密切的東風—西南風在3 級及以上多對應為正差，但西風和西北風在6 級及以上時又出現了正差現象，而西南風在5 級和6 級時對應負差。部分風向在風力偏大時，表現與多數風級規(guī)律有所不同，可能與大風次數偏少且統(tǒng)計意義相對較差有關。

表3 2016—2018年不同風級與風向疊加下EC 10 m 00～240 h時限風向與大連8個站風向的METab.3 The ME between EC 10 m 00～240 h time wind directions and the actual wind directions of the eight stations in Dalian under the superposition of different wind scales and different wind directions from 2016 to 2018

綜合來看，北風在所有風級中都是負差；3 級以上的東北風對應較大的負差；而東風、東南風和南風在所有風級中都是正差，且東風和東南風幾乎每個風級都對應較大的正差；其他風向則是1～2級時為正差，風力增大后逐漸轉為負差，或隨著風力增加略有反復?？傊?，風向的預報誤差與各風向和風級均密切相關。

3.2.4 風向誤差的日變化

由于大氣運動存在明顯的日變化，一些影響風速大小的因子，如動量下傳等也存在明顯的日變化。統(tǒng)計發(fā)現EC 10 m 風速對大連地區(qū)的預報ME具有明顯的日變化[28]，EC 10 m 風向預報誤差在大連地區(qū)是否也存在著類似的日變化？統(tǒng)計2016—2018 年，EC 10 m 003～024 H 時次預報與大連地區(qū)8個站每日不同風級和風向的ME，可以看出各風級（由于7～8級出現次數少，有些時次沒有，故不對其日變化進行單獨統(tǒng)計分析，下同）的風向ME日變化非常明顯（見圖5a）。夜間誤差整體大于白天，其中，17—20 時是全天風向誤差最小的時段。夜間1～4 級均為正差，5～6 級負差逐漸增多，白天則正、負差概率均等，其中，17 時是全天負差最明顯的時段。誤差的日變化與風級大小也較為密切，風越小則全天的誤差振幅越大，1 級及以下日夜振幅可達14.8°，6級振幅僅4.8°。

從不同風向對應的風向ME 日變化來看（見圖5b），白天ME 整體小于夜間，且負差的情況多對應白天時段，17 時仍舊是全天負差最明顯的時段。東風和東南風的日變化趨勢相較于其他風向有所不同，11—14時正差達最大，20時為全天最小時段，而其他風向白天則多呈正差減小并轉為負差的趨勢。不同的風向日變化振幅差異明顯，西風在一日之內誤差振幅最大，為35.2°，北風和南風振幅相對其他風向較小，分別為9.4°和11°。

圖5 2016—2018年EC 10 m風產品預報大連8個站的風向ME日變化Fig.5 Daily change of wind direction ME by EC 10m wind product of the eight stations in Dalian from 2016 to 2018

3.2.5 不同站點間的差異

表4給出了24 h時限EC預報各站點的風向ME與風級對應情況。表中可以看出隨著風級的增大，多數站的誤差從較大的正差變?yōu)樨摬罨蜉^小的正差。普蘭店站所有風級均為正差，其他各站正、負差均存在，大連站3 級轉為負差，但風級增大到6 級時又轉為正差。各站點的ME 與實際風向未顯示出很好的對應關系（見表5），但東風的誤差明顯大于其他風向，其次是西風、東北風和東南風，北風的誤差最小。南風和東南風除大連站為較小的負差外，其他均為正差，東風除長興島外其他站均為正差。對于某個單一站來說，不同風向ME 的差異非常明顯，其中瓦房店站東風誤差為25.2°，而西風則是-19.7°。對于同一風向，不同站點間的差異也很顯著，其中東北風、東風和西風兩站之間最大誤差均超過50°。

表4 2016—2018年EC 10 m 24 h時限風向與大連各站不同風級的風向ME（單位:°）Tab.4 The ME for different wind scales between actual wind directions of different stations in Dalian and EC 10 m 24 h time wind direction from 2016 to 2018(unit：°)

表5 2016—2018年EC 10 m 24 h時限風向與大連各站不同風向的風向ME（單位：°）Tab.5 The ME for different wind directions between actual wind directions of different stations in Dalian and EC 10 m 24 h time wind direction from 2016 to 2018(unit：°)

3.2.6 08時與20時EC 10 m風產品預報效果比較

表6 為08 時與20 時起報時間下，EC 10 m 風與最大風向在各時限的誤差統(tǒng)計情況。為了更準確地比較出08 時與20 時EC 對風向的預報效果，除ME 與MAE 外，對各時限下EC 與實況風向的均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）也進行了比較。表中可以看出除228～240 h時限外，MAE與RMSE 均隨著預報時限延長呈整體增大趨勢。除240 h 時限外，其余時限下08 時預報的風向MAE 與RMSE 均略小于20 時。20 時預報的各時限MAE 與08 時平均相差3.2°，RMSE 平均相差3.6°。08 時各時限預報ME平均為3.7°，20時平均為4.1°，其中00～96 h 時限08 時ME 均小于20時，但108～240 h 時限08 時多大于20 時。綜合3 種誤差統(tǒng)計情況來看，EC 10 m 風產品兩個起報時次的風向預報存在著一定的差異，08時預報的風向略好于20時。

表6 2016—2018年不同起報時間下EC 10 m 00～240 h時限大連8個站風向ME、MAE和RMSE（單位：°）Tab.6 The ME,MAE and RMSE between actual wind directions of the eight stations in Dalian and EC 10 m 00～240 h time wind direction at different initial forecast times from 2016 to 2018(unit：°)

4 結論

本文基于大連8 個站各類風的觀測實況，與ECMWF 細網格10 m 風產品進行了檢驗及相關性分析，發(fā)現正點最大風與預報對應最好。通過預報與最大風向的比較檢驗發(fā)現，EC 10 m 風對風向的預報效果與最大風的風級、風向以及地域（站點）等都具有密切的相關性，其ME 具有明顯的日變化特征。具體結論如下：

（1）通過對EC 10 m 風與大連地區(qū)5 類實況風向的ME、MAE 和r比較與分析發(fā)現，各類風的風向ME 差別較小，即使在ME 相差最大的00 h 時限，誤差相差最大也僅1.4°。正點最大風MAE 最小且各時限r均最大，綜合來看，EC 模式對大連地區(qū)風向的分析、預報與正點最大風實況最為接近。5 種風的風向誤差隨預報時限延長ME 呈減小的趨勢，而MAE均不斷增大。

（2）與正點最大風實況相比，00～240 h 時限內EC 10 m 風對大連地區(qū)8 個站風向的分析和預報ME均為0.1°～6°的正差，預報略偏向實況風的來向左側，但MAE 則均在36°以上，說明EC 預報具體到個例時風向預報偏差大多比較顯著，但左、右偏離程度較為接近。

（3）EC 10 m 風與正點最大風的風向誤差對于不同的風向和風級等差異明顯。從全區(qū)8個站風向與風級的ME 比較來看，北風在所有風級中都是負差；3 級以上的東北風對應較大的負差；而東風、東南風和南風在所有風級中都是正差，且東風和東南風幾乎每個風級都對應較大的正差。東風的ME最大；東風與東北風的MAE 最大，多在50°以上。當實況風力小于4 級時，各時限ME 均為正差，風級越小正差越大，4 級及以上均為負差，風級越大負差越大，而MAE 則是風級越小誤差越大。對于單站來說，ME 在風級上雖有差異，但在變化趨勢上與全區(qū)平均基本相同，其中普蘭店站所有風級均為正差，大連站則是3～5級為負差。

（4）ME 在不同風級和風向上均存在明顯的日變化。夜間誤差整體大于白天，17—20 時是全天誤差最小的時段。對比08 時和20 時兩個起報時次的風向ME、MAE 和RMSE，總體來看08 時各時限的預報風向略好于20時。

本文的統(tǒng)計對比結果是基于大連地區(qū)風的觀測實況得出的，也是今后進行ECMWF 本地化風向誤差訂正的必要的基礎工作。風速小預報偏差大的原因既可能與微風時風向穩(wěn)定性較差有關，也可能與遼東半島的局地性海陸風有關。但風速偏大時ME 向負差轉變、不同風向的偏差原因以及ME日變化的原因等還有待進一步研究和探討。此外，如何應用本文所揭示的規(guī)律和特征進行風向預報的誤差訂正，有必要在今后進一步研究。