葉萌，郭春迓，黃曉瑩，涂靜

（廣東省氣象臺，廣東 廣州 510640）

廣東省瀕臨南海，海洋資源極其豐富，但臺風(fēng)災(zāi)害影響頻繁，給國民經(jīng)濟(jì)和人民生命造成嚴(yán)重威脅。臺風(fēng)災(zāi)害種類主要包括暴雨和大風(fēng)，其中大風(fēng)可引發(fā)樹木倒伏、損壞建筑物、造成風(fēng)暴潮、海水倒灌等等災(zāi)害［1-2］。一直以來，廣東省氣象工作者都非常重視對臺風(fēng)的風(fēng)雨影響的研究［3-5］，然而由于海上觀測資料匱乏，對于海洋風(fēng)場預(yù)報能力的評估仍較少。本研究將對2021年登陸或嚴(yán)重影響廣東省的臺風(fēng)主客觀風(fēng)場預(yù)報開展檢驗評估，尤其對擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的華南區(qū)域3 km分辨率中尺度模式（CMA-GD）和南海臺風(fēng)模式（CMA-TRAMS）進(jìn)行細(xì)化評估，總結(jié)各模式對臺風(fēng)大風(fēng)的預(yù)報能力，為預(yù)報員綜合參考模式提供參考，進(jìn)而更好地為決策部門和公眾服務(wù)。

1 資料與方法

本研究統(tǒng)計了2021年5個登陸或嚴(yán)重影響（陸地或沿海指標(biāo)站錄得≥8級大風(fēng)）廣東的臺風(fēng)，其中2個登陸、3個嚴(yán)重影響，檢驗評估5個臺風(fēng)影響期間，主客觀模式對海洋風(fēng)場的預(yù)報能力（表1）。

表1 2021年登陸或嚴(yán)重影響廣東省的臺風(fēng)

預(yù)報產(chǎn)品：檢驗對象評估包括省級主觀網(wǎng)格預(yù)報（簡稱省級主觀）和歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）、CMA-GD、CMA-TRAMS模式產(chǎn)品，起報時間為20：00（北京時，下同），評估主觀預(yù)報取提前24 h，客觀預(yù)報取提前48 h，評估逐6 h預(yù)報。

實況資料：因海上資料匱乏，每個觀測資料都非常珍貴，因此將質(zhì)控后南海海上浮標(biāo)站、海島站、石油平臺站、沿海站點和船舶站作為檢驗實況站，基于整點2 min平均風(fēng)速風(fēng)向資料進(jìn)行檢驗評估。

檢驗評估指標(biāo)包括風(fēng)向預(yù)報準(zhǔn)確率、風(fēng)力準(zhǔn)確率、風(fēng)速平均絕對誤差。本研究根據(jù)中國氣象局的《中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗辦法》［6］計算檢驗評估指標(biāo)。另外，對CMA-GD、CMATRAMS模式產(chǎn)品臺風(fēng)風(fēng)場的預(yù)報能力進(jìn)行了更細(xì)化的檢驗比較，項目包括風(fēng)場預(yù)報平均絕對誤差、均方根誤差、風(fēng)力滿分率、風(fēng)力偏低率和風(fēng)力偏高率。

2 預(yù)報檢驗評估

2.1 風(fēng)向檢驗

風(fēng)向檢驗結(jié)果分正確、不正確兩種。當(dāng)預(yù)報風(fēng)向與實況觀測風(fēng)向的絕對偏差≤45°時，評定為正確，否則為不正確。

風(fēng)向正確率＝預(yù)報正確次數(shù)／所有預(yù)報次數(shù)。

由表2可以看出，ECMWF整體的風(fēng)向預(yù)報表現(xiàn)最佳，省級主觀預(yù)報也與之接近，CMA-GD風(fēng)向正確率相對得分較低。

表2 主客觀預(yù)報對臺風(fēng)風(fēng)向的預(yù)報準(zhǔn)確率 %

同樣可以看到，主客觀對各臺風(fēng)風(fēng)向預(yù)報的表現(xiàn)較為一致，在5個臺風(fēng)中，主客觀對于“查帕卡”和“盧碧”的風(fēng)向預(yù)報準(zhǔn)確率相對較低，對于“獅子山”的預(yù)報準(zhǔn)確率最高。

2.2 風(fēng)力檢驗

1）預(yù)報準(zhǔn)確率：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），滿分率即預(yù)報準(zhǔn)確率（HIT），計算公式為

其中，NHIT為預(yù)報滿分次數(shù)；NT為預(yù)報次數(shù)。

統(tǒng)計結(jié)果表明，ECMWF對臺風(fēng)的整體預(yù)報準(zhǔn)確率表現(xiàn)最佳，CMA-GD次之，省級主觀得分較低（表3）。

表3 主客觀預(yù)報對臺風(fēng)風(fēng)力的預(yù)報準(zhǔn)確率 %

2）平均絕對誤差（MAE）：假設(shè)F為風(fēng)力預(yù)報值，O為觀測值，N為檢驗區(qū)中的預(yù)報次數(shù)，平均絕對誤差計算如式（2）所示。

計算結(jié)果顯示，ECMWF平均絕對誤差最小，省級主觀預(yù)報誤差較大（表略）。

同時，結(jié)果也顯示各家預(yù)報對“獅子山”、“圓規(guī)”的預(yù)報誤差均大于其他3個臺風(fēng)，可見模式對秋季臺風(fēng)的風(fēng)力預(yù)報效果明顯不如夏季臺風(fēng)。模式對秋季臺風(fēng)的預(yù)報具有較大的偏高率，與高估冷空氣的作用有一定的關(guān)系。

另外，從各表可見，省級主觀預(yù)報的風(fēng)力絕對誤差和準(zhǔn)確率低于客觀模式。

本研究進(jìn)一步分析風(fēng)力的偏高率、偏低率。定義風(fēng)力預(yù)報與實況值的誤差大于半級為偏高（HIGH），小于半級為偏低（LOW）。假定，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，則

表示所有預(yù)報時次中滿分預(yù)報的概率，概率越大表示預(yù)報效果越好。

偏高率：HIGH＝NHigh／NT，表示所有預(yù)報時次中偏高預(yù)報的概率。

偏低率：LOW ＝NLow／NT，表示所有預(yù)報時次中偏低預(yù)報的概率。

統(tǒng)計可知，對5次臺風(fēng)的風(fēng)力預(yù)報，ECMWF偏高率最低，省級主觀偏高率最高，除“查帕卡”外，其余4個臺風(fēng)的主觀風(fēng)力預(yù)報偏高率均接近或超過60%。對于“小熊”和“查帕卡”這種強(qiáng)風(fēng)影響時間短、強(qiáng)度偏弱的臺風(fēng)，主觀預(yù)報較客觀模式風(fēng)力預(yù)報的偏強(qiáng)尤為明顯。主客觀預(yù)報的偏低率則＜20%（圖1），尤其是省級主觀偏低率最低。

圖1 主客觀預(yù)報的風(fēng)力偏高率（a）、偏低率（b）

結(jié)合預(yù)報準(zhǔn)確率、平均絕對誤差、偏高率和偏低率檢驗結(jié)果，表明在實時業(yè)務(wù)預(yù)報中，需要經(jīng)常考慮實際臺風(fēng)路徑及強(qiáng)度預(yù)報的不確定性以及防災(zāi)需求，易傾向于影響更嚴(yán)重的方向做出預(yù)報。盡管這樣處理會使評分受到影響，但對降低臺風(fēng)災(zāi)害仍具有重要的現(xiàn)實意義。

3）對CMA-GD、CMA-TRAMS模式進(jìn)行細(xì)化檢驗。包括風(fēng)力偏高率、偏低率，均方根誤差。

對比CMA-GD和CMA-TRAMS模式在臺風(fēng)影響過程中對風(fēng)場預(yù)報的表現(xiàn)可知，兩家模式對于臺風(fēng)大風(fēng)的預(yù)報能力基本相當(dāng)。兩家模式的平均絕對誤差、均方根誤差峰值都在3 m／s左右，多數(shù)樣本誤差在4 m／s范圍以內(nèi)（圖2）。

圖2 CMA-GD（a）、CMA-TRAMS（b）對5個臺風(fēng)的風(fēng)速預(yù)報均方根誤差

從5個嚴(yán)重影響廣東的臺風(fēng)來看，兩家模式的均方根誤差、平均絕對誤差、滿分率、偏高偏低率（圖略）沒有明顯的量級差異，但臺風(fēng)之間有明顯差異?！靶⌒堋钡木礁`差在5個臺風(fēng)中最小，“獅子山”和“圓規(guī)”相對較大。從平均絕對誤差來看，“查帕卡”“盧碧”“小熊”的誤差最小，基本在2.5 m／s左右。

3 結(jié)論

1）ECMWF對風(fēng)向的預(yù)報表現(xiàn)最佳，省級主觀預(yù)報與之接近，CMA-GD相對得分較低。

2）模式對秋季臺風(fēng)的風(fēng)力預(yù)報效果明顯不如夏季臺風(fēng)。對秋季臺風(fēng)的預(yù)報具有較大的偏高率，與高估冷空氣的作用有一定的關(guān)系。

3）CMA-GD和CMA-TRAMS對于臺風(fēng)大風(fēng)的預(yù)報能力基本相當(dāng)。