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)。
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。
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。
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。
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)。