常奮華 林 艷 于子敏

(1.福建省氣象服務(wù)中心，福建 福州 350008;2.福建省大氣探測技術(shù)保障中心，福建 福州 350008)

1 概述

福建省地處東南沿海，海岸線長度居全國第二位[1]。隨著海洋漁業(yè)、海洋交通運(yùn)輸、海濱旅游、海洋能源等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對海洋災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)能力提出了更高的要求。海上大風(fēng)對漁業(yè)生產(chǎn)、海上航運(yùn)等行業(yè)影響重大，是威脅海上安全的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。目前福建沿海建設(shè)海洋氣象浮標(biāo)5座，共享海洋部門2座，初步構(gòu)建遠(yuǎn)海海洋氣象觀測陣列，彌補(bǔ)了遠(yuǎn)海海洋氣象觀測數(shù)據(jù)的空白，對于開展海上大風(fēng)和臺風(fēng)觀測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

目前針對海上的氣象預(yù)報(bào)主要依賴數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果，所以提高模式的預(yù)報(bào)性能對于開展海洋氣象精細(xì)化預(yù)報(bào)尤為重要。針對數(shù)值預(yù)報(bào)模式進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)是不斷提高模式預(yù)報(bào)性能的主要途徑。近些年來關(guān)于模式檢驗(yàn)和評估方法的研究進(jìn)展和應(yīng)用[2-7]不斷增多，為深入開展沿海風(fēng)的評估分析提供了有益借鑒。

本文利用福建海洋浮標(biāo)站觀測的大風(fēng)數(shù)據(jù)，對目前福建省業(yè)務(wù)運(yùn)行中常用的數(shù)值模式(EC-thin、FJ-WRF、華東區(qū)域模式)風(fēng)速預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，為福建沿海、臺灣海峽、漁業(yè)漁場等大風(fēng)預(yù)報(bào)提供客觀訂正依據(jù)，為提升臺灣海峽航運(yùn)氣象服務(wù)品質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

2 資料與方法

2.1 資料

2.1.1 實(shí)況資料

福建沿海5個(gè)浮標(biāo)站分別為寧德浮標(biāo)、福州浮標(biāo)、廈門浮標(biāo)、海峽1號、海峽2號，其中寧德浮標(biāo)、福州浮標(biāo)和廈門浮標(biāo)距離海岸線約50km左右，海峽1號和海峽2號距離海岸線約200km左右。資料時(shí)間段為2019年1月1日至2019年12月31日，時(shí)間間隔為1h。

5個(gè)浮標(biāo)的位置如圖1所示。

2.1.2 模式資料

選取全球模式(歐洲EC細(xì)網(wǎng)格模式)、華東區(qū)域模式、福建引進(jìn)開發(fā)的WRF中尺度數(shù)值模式，其中EC細(xì)網(wǎng)格模式分辨率為0.25°×0.25°，輸出間隔為3h；華東區(qū)域模式分辨率為0.25°×0.25°，輸出間隔為3h；WRF模式分辨率為0.09°×0.09°，輸出間隔為1h。

資料時(shí)間段為2019年1月1日至2019年12月31日，08h、20h起報(bào)的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行對比分析時(shí)，采用雙線性插值，將模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)插值到站點(diǎn)，利用實(shí)測資料對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2 方法

為統(tǒng)一預(yù)報(bào)時(shí)效，選取3個(gè)模式對08∶00、20∶00起報(bào)的72h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)的10m風(fēng)速進(jìn)行檢驗(yàn)。文中檢驗(yàn)用到的統(tǒng)計(jì)量主要有：ST評分、準(zhǔn)確率、空報(bào)率、漏報(bào)率、平均誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)等。各統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式[8]如下：

①平均絕對誤差

平均絕對誤差為預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)況風(fēng)速之間的誤差絕對值的平均值，檢驗(yàn)公式如下：

②均方根誤差

均方根誤差為預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)況風(fēng)速之間誤差的平方與風(fēng)速預(yù)報(bào)總站(次)數(shù)比值的平方根，檢驗(yàn)公式如下：

③平均誤差

平均誤差為預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)況風(fēng)速之間誤差的平均值，檢驗(yàn)公式如下：

④風(fēng)預(yù)報(bào)評分，檢驗(yàn)量包括準(zhǔn)確率、漏報(bào)率和空報(bào)率，分?jǐn)?shù)范圍為0～1.0。

具體評分方法為：

式中，NAk為預(yù)報(bào)正確次數(shù)、NBk為空報(bào)次數(shù)、NCk為漏報(bào)次數(shù)。

3 檢驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 分風(fēng)力等級檢驗(yàn)

3.1.1 TS評分

TS評分準(zhǔn)確率(圖2)在弱風(fēng)級的時(shí)候較高，而高風(fēng)級的評分較低，1級、2級風(fēng)的平均預(yù)報(bào)評分在0.8以上。整體上看隨著風(fēng)速的增加，預(yù)報(bào)風(fēng)速的TS評分開始迅速減少，3級～5級風(fēng)的時(shí)候?yàn)?.3～0.5之間，6級風(fēng)的評分下降為0.25左右，而到7級風(fēng)的時(shí)候，預(yù)報(bào)評分就只有0.1左右?？梢娔Ｊ斤L(fēng)場預(yù)報(bào)在低風(fēng)速時(shí)效果較好，而對高風(fēng)速的風(fēng)場預(yù)報(bào)則較差。

圖2 不同起報(bào)時(shí)間的TS評分

弱風(fēng)級時(shí)三種模式預(yù)報(bào)的TS評分相差無幾，當(dāng)風(fēng)速超過7級時(shí)，F(xiàn)J-WRF的效果相對優(yōu)于其余兩種。

對比08時(shí)與20時(shí)起報(bào)來看，20時(shí)起報(bào)的TS評分比08時(shí)起報(bào)的要高。

3.1.2 漏報(bào)率

整體上來說，漏報(bào)率(圖3)是從小風(fēng)級到大風(fēng)級逐漸增大。弱風(fēng)級的時(shí)候漏報(bào)率較小，1級風(fēng)的漏報(bào)率為0，2級風(fēng)的漏報(bào)率為0.025左右，3～4級風(fēng)的漏報(bào)率增加到0.1和0.25左右；到6級強(qiáng)風(fēng)時(shí)，漏報(bào)率為0.7左右。

圖3 不同起報(bào)時(shí)間的漏報(bào)率

3.1.3 空報(bào)率

空報(bào)率(圖4)的情況與漏報(bào)率類似，都是從小風(fēng)級到大風(fēng)級逐漸增大。弱風(fēng)級的時(shí)候空報(bào)率小，1級風(fēng)的空報(bào)率為0，2級風(fēng)的空報(bào)率為0.1左右，3～4級風(fēng)的空報(bào)率增加到0.25和0.3上下；到9級強(qiáng)風(fēng)時(shí),空報(bào)率達(dá)到0.8左右。

圖4 不同起報(bào)時(shí)間的空報(bào)率

同樣，三種模式產(chǎn)品在弱風(fēng)級時(shí)表現(xiàn)一致，EC略優(yōu)于FJ-WRF和華東(上海)區(qū)域模式。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10級時(shí),EC的空報(bào)率略有增加。20時(shí)起報(bào)空報(bào)率略低于08時(shí)起報(bào)。

對比空報(bào)率與漏報(bào)率，空報(bào)率高于漏報(bào)率，說明模式預(yù)報(bào)的風(fēng)速整體偏強(qiáng)。

3.2 分預(yù)報(bào)時(shí)效檢驗(yàn)

風(fēng)速平均誤差(圖5)反映了模式0～72小時(shí)預(yù)報(bào)時(shí)效的平均預(yù)報(bào)風(fēng)速和浮標(biāo)站實(shí)測風(fēng)速的平均差別，從結(jié)果來看，3～72小時(shí)平均誤差均為正值，模式預(yù)報(bào)風(fēng)速較實(shí)況風(fēng)速偏大0.8～1.5m/s。FJ-WRF在3小時(shí)優(yōu)于其余兩種，華東區(qū)域模式的整體平均誤差是最小的。

圖5 不同預(yù)報(bào)時(shí)效平均誤差

風(fēng)速的平均絕對誤差和均方根誤差體現(xiàn)預(yù)報(bào)風(fēng)速和實(shí)況風(fēng)速之間離散程度，但是均方根誤差對風(fēng)速差別特別大或特別小的樣本反映更為敏感。從圖6可見，風(fēng)速的平均絕對誤差和均方根誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)效都呈逐漸增大趨勢。

就平均絕對誤差(圖6上)而言，三種模式的誤差均在2m/s以上，表示模式預(yù)報(bào)風(fēng)速比實(shí)測風(fēng)速平均偏大2m/s以上。EC比其余兩種的誤差略小，其次為華東區(qū)域模式，F(xiàn)J-WRF的平均絕對誤差最大。

從均方根誤差(圖6下)來看，EC對所有預(yù)報(bào)時(shí)效的預(yù)報(bào)水平都相差不大，F(xiàn)J-WRF模式會隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，預(yù)報(bào)水平起伏較大。

圖6 不同預(yù)報(bào)時(shí)效平均絕對誤差和均方根誤差

綜合以上各檢驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果，浮標(biāo)站的預(yù)報(bào)風(fēng)速總體上比實(shí)況風(fēng)速偏大，準(zhǔn)確率隨預(yù)報(bào)時(shí)效逐漸降低，20時(shí)起報(bào)效果優(yōu)于08時(shí)。因此在日常預(yù)報(bào)最大風(fēng)速時(shí)，可以根據(jù)情況在模式預(yù)報(bào)風(fēng)速的基礎(chǔ)上減小約2m/s。

3.3 誤差空間分布

三個(gè)模式的平均誤差、平均絕對誤差、均方根誤差最大的站點(diǎn)均是海峽2號，海峽1號次之，誤差最小的是寧德浮標(biāo)。

圖7給出三個(gè)模式的誤差空間分布，從圖7可見，三種模式對福建北部海區(qū)(寧德浮標(biāo)站)的風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差最小，誤差值在±0.5m/s以內(nèi)。越往外海，預(yù)報(bào)風(fēng)速誤差越大，對海峽2號的風(fēng)速誤差值達(dá)到4m/s左右，如果換算成風(fēng)力等級，則偏大1～2個(gè)風(fēng)級。

(a)站點(diǎn)誤差分布圖(ec) (b)站點(diǎn)誤差分布圖(sh) (c)站點(diǎn)誤差分布圖(wrf)

3.4 分季節(jié)檢驗(yàn)

按觀測時(shí)間分月計(jì)算平均誤差，由圖8可知，各模式對1月-3月/11月-12月預(yù)報(bào)風(fēng)速整體偏小，4月-10月的預(yù)報(bào)風(fēng)速整體偏大，其中6月預(yù)報(bào)偏差最大。

圖8 不同月份平均誤差

在預(yù)報(bào)風(fēng)速偏小的月份里，華東區(qū)域模式偏小的更多；在4月-10月，華東區(qū)域模式較EC和WRF表現(xiàn)更好。

3.5 臺風(fēng)個(gè)例

圖9為白鹿臺風(fēng)過程逐3小時(shí)風(fēng)速預(yù)報(bào)，登陸期間三種模式預(yù)報(bào)結(jié)果都明顯偏強(qiáng)，其中平均風(fēng)速誤差最大為FJ-WRF模式，達(dá)13m/s，EC總體誤差相對較小，平均在6m/s左右，所以遇到臺風(fēng)類過程時(shí)，須根據(jù)形勢適當(dāng)調(diào)整預(yù)報(bào)風(fēng)速。

圖9 臺風(fēng)“白鹿”期間誤差分布

4 結(jié)論

本文利用遠(yuǎn)海海洋浮標(biāo)站風(fēng)觀測數(shù)據(jù)，通過平均絕對誤差、均方根誤差等檢驗(yàn)指標(biāo)對FJ-WRF、EC-thin、華東區(qū)域模式沿海風(fēng)的預(yù)報(bào)性能進(jìn)行檢驗(yàn)評估，得出如下結(jié)論。

①從風(fēng)預(yù)報(bào)評分各檢驗(yàn)量來看，在弱風(fēng)級時(shí)各模式表現(xiàn)較好，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到6級以上時(shí)，TS評分下降明顯，漏報(bào)、空報(bào)率增加，20起報(bào)結(jié)果優(yōu)于08時(shí)。

②從風(fēng)速的模擬效果來看，預(yù)報(bào)效果最好的是模式是EC，平均絕對誤差為2～2.5m/s，其次是上海區(qū)域模式，WRF模式的平均絕對誤差最大。3個(gè)模式的預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)況風(fēng)速最大風(fēng)速相比，總體來說都偏大。

③空間檢驗(yàn)結(jié)果顯示，近海風(fēng)速的平均絕對誤差均小于遠(yuǎn)海。3個(gè)模式對近海北部和南部模擬效果最好，遠(yuǎn)海北部預(yù)報(bào)效果優(yōu)于南部。

④不同月份平均誤差方面，各模式對1月-3月/11月-12月預(yù)報(bào)風(fēng)速整體偏小，華東區(qū)域模式較其余兩種模式偏小的更多；4月-10月的預(yù)報(bào)風(fēng)速整體偏大，其中6月預(yù)報(bào)偏差最大，華東區(qū)域模式在4月-10月較EC和WRF表現(xiàn)更好。

本研究就2019年福建沿海5個(gè)浮標(biāo)站實(shí)測的風(fēng)速對FJ-WRF、EC-thin、華東區(qū)域模式進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果可為站點(diǎn)附近漁場、航運(yùn)等的風(fēng)速預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。在海上最大風(fēng)速預(yù)報(bào)時(shí)，可根據(jù)天氣形勢模式預(yù)報(bào)風(fēng)速可適當(dāng)下調(diào)2m/s。由于三個(gè)模式風(fēng)速預(yù)報(bào)偏差在不同季節(jié)表現(xiàn)有所區(qū)別，未來可以根據(jù)評分結(jié)果開展動態(tài)選優(yōu)，綜合生成海上風(fēng)速預(yù)報(bào)產(chǎn)品，以提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，更好地服務(wù)漁業(yè)和海上安全。