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        河北省智能網(wǎng)格預(yù)報在張家口最高、最低氣溫中的檢驗

        2023-12-08 11:03:18郭旭暉石文伯張曦丹
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年35期
        關(guān)鍵詞:格點最低氣溫智能網(wǎng)

        郭旭暉,石文伯,張曦丹

        (張家口市氣象局,河北張家口 075000)

        智能網(wǎng)格預(yù)報作為適應(yīng)當(dāng)前信息技術(shù)快速發(fā)展,滿足人民群眾日益增長的氣象預(yù)報服務(wù)需求的技術(shù)方法正成為國內(nèi)氣象部門的研究熱點。中國氣象局提出了構(gòu)建智慧氣象、改進氣象服務(wù)供給的氣象現(xiàn)代化目標(biāo),編織更高分辨率、更高準(zhǔn)確率、更高更新頻率和更敏捷適應(yīng)需求的智能網(wǎng)格預(yù)報“一張網(wǎng)”。自2019 年起,河北省正式下發(fā)的72 h 內(nèi)分辨率為1 h、經(jīng)緯度分辨率為0.01°的高時空分辨率的智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品,成了提供精細(xì)化預(yù)報服務(wù)的數(shù)據(jù)支撐。智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品的核心是利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù),提高多源氣象數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用能力、預(yù)警預(yù)報關(guān)鍵信息的綜合提煉能力、預(yù)報技術(shù)的自主積累能力、預(yù)報與服務(wù)需求的雙向互動能力,全面提升氣象預(yù)報客觀化、精準(zhǔn)化、智能化水平。隨著省局對智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品業(yè)務(wù)化的推進,智能網(wǎng)格預(yù)報的結(jié)果也需要進行大量的檢驗工作以適應(yīng)本地預(yù)報服務(wù)需求,通過預(yù)報檢驗改進本地預(yù)報方法以提高預(yù)報準(zhǔn)確性,并逐步將智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品應(yīng)用到本地區(qū)的精細(xì)化預(yù)報中,為做好專業(yè)化氣象服務(wù)打下基礎(chǔ)。

        1 研究內(nèi)容及主要方法

        通過對2020 年7 月到2021 年7 月河北省最高、最低氣溫智能網(wǎng)格24 h 預(yù)報及實況數(shù)據(jù),按“鄰近距離最短優(yōu)先原則”,讀取張家口市14 個國家站和18 個冬奧區(qū)域站智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品,運用統(tǒng)計學(xué)方法對智能網(wǎng)格預(yù)報進行預(yù)報準(zhǔn)確率及誤差分析。同時選取天氣個例分析最高、最低氣溫格點預(yù)報在重大天氣過程中的預(yù)報表現(xiàn)。

        2 最高、最低氣溫準(zhǔn)確率分析

        以溫度預(yù)報絕對誤差上下浮動2 ℃以內(nèi)(包含2 ℃)作為預(yù)報正確標(biāo)準(zhǔn),對32 個氣象觀測站的預(yù)報結(jié)果進行檢驗。

        2.1 逐月檢驗

        統(tǒng)計13 個月國家站與區(qū)域站格點預(yù)報與實況數(shù)據(jù)得知(圖1),國家站與區(qū)域站最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率都整體呈上升趨勢,但夏季和冬季最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率相對較低,國家站不到60%、區(qū)域站不到50%。國家站最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率高于區(qū)域站,國家站、區(qū)域站最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率分別為64.2%、52.4%。11 月最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)檢驗時段內(nèi)最低(國家站54.2%、區(qū)域站38.6%),分析原因可能是11 月冷空氣活動較頻繁,風(fēng)力較大,對氣溫預(yù)報影響較大;國家站4 月最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)檢驗時段內(nèi)最高,為78.4%,區(qū)域站7 月最高為61.2%;最高氣溫預(yù)報在春秋具有較好的指導(dǎo)意義。國家站最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率經(jīng)歷高-低-高的過程,呈冬季較低,夏季較高的趨勢;區(qū)域站最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率整體呈上升趨勢,同時也呈現(xiàn)冬季較低,夏季較高的趨勢。國家站最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率低于區(qū)域站,國家站、區(qū)域站最低氣溫平均準(zhǔn)確率分別為49.7%、53.3%。國家站2 月最低氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)檢驗時段內(nèi)最低,為40.5%,8 月最高為65.9%,區(qū)域站11 月最低為40.9%,2021 年7 月最高為65.2%。最低氣溫預(yù)報在夏季具有較好的指導(dǎo)意義。

        圖1 最高、最低氣溫逐月預(yù)報準(zhǔn)確率

        2.2 分站檢驗

        從國家站和區(qū)域站最高、最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率來看(圖2),國家站最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率在55%~70%,涿鹿最高為68.5%、萬全最低為57.8%;最低氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率在45%~55%,張北最高為54.3%、尚義最低為45.18%。壩上(康保、沽源、尚義和張北)平均氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率(64.3%)略高于壩下(63.0%)。冬奧區(qū)域站最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率在50%~57%,最低氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率在50%~55%。云頂、冬兩、越野和太舞最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率分別為52.0%、52.9%、52.7%和51.5%,最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率相差不大。云頂、冬兩、越野和太舞最低氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率分別為54.1%、52.7%、52.1%和52.9%,最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率云頂較好。

        圖2 國家站和區(qū)域站最高、最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率

        3 誤差評估

        誤差是一個量的預(yù)測值或計算值與其真值之差,能反映預(yù)測值誤差的實際情況。誤差為正,表明預(yù)測結(jié)果偏高;反之,偏低。

        檢驗時段內(nèi),國家站最高、最低氣溫格點預(yù)報整體良好,平均誤差在-1~1 ℃;最高氣溫預(yù)報誤差低于最低氣溫預(yù)報誤差,且最高氣溫預(yù)報值偏高,最低氣溫預(yù)報值偏低;2021 年1 月、2 月、3 月和4 月最低預(yù)報平均誤差達(dá)-2 ℃,其余時段預(yù)報平均誤差較小,且最高氣溫預(yù)報值偏高,最低氣溫預(yù)報值偏低。冬奧區(qū)域站最高、最低格點預(yù)報平均誤差整體呈下降趨勢(圖3)。河北省智能網(wǎng)格對最高氣溫預(yù)報的指導(dǎo)高于對最低氣溫預(yù)報的指導(dǎo)。

        圖3 國家站和區(qū)域站最高、最低氣溫預(yù)報誤差

        4 典型個例分析

        4.1 降水

        選取了2020 年8 月12 日強降水和2021 年6 月8 日弱降水天氣過程進行最高、最低氣溫預(yù)報檢驗。

        分析2 次過程可以看出(圖4),2020 年8 月12 日最高、最低氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率均為28.6%;最高、最低氣溫預(yù)報平均誤差分別為2.78 ℃、2.59 ℃。最高氣溫張家口、沽源、崇禮和陽原預(yù)報較好、誤差小于2℃,尚義、涿鹿預(yù)報較差、誤差達(dá)6 ℃以上。最低氣溫張家口、康保、赤城和懷來預(yù)報較好、誤差小于2 ℃,涿鹿預(yù)報較差,誤差達(dá)5 ℃以上。此次過程智能網(wǎng)格產(chǎn)品對張家口城區(qū)溫度預(yù)報具有較好的指導(dǎo)意義。2021 年6 月8 日最高、最低氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率為85.7%、78.6%,最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率高于最低氣溫;最高、最低氣溫預(yù)報誤差分別為-0.16 ℃、1.25 ℃,沽源、萬全最低氣溫預(yù)報誤差在4 ℃左右,其余地區(qū)誤差值在2 ℃以內(nèi)。此次過程智能網(wǎng)格產(chǎn)品對張家口地區(qū)溫度預(yù)報具有較好的指導(dǎo)意義。

        圖4 2020 年8 月12 日和2021 年6 月8 日最高、最低氣溫預(yù)報誤差

        分析表明,弱降水時段格點預(yù)報最高、最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較高,而在較大過程降水時段智能網(wǎng)格溫度預(yù)報準(zhǔn)確率較差。

        4.2 降雪

        選取了2021 年2 月27—3 月1 日降雪天氣過程進行最高、最低氣溫預(yù)報檢驗。

        2 月27 日最高、最低氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率為64.3%、35.7%,2 月28 日最高、最低氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率為42.9%、21.4%。27 日過程開始前,最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較高,降水時段最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率有所下降;最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較低。27 日最高、最低氣溫預(yù)報誤差分別為0.09 ℃、-1.62 ℃;28 日最高、最低氣溫預(yù)報誤差分別為1.48 ℃、-3.34 ℃;最高氣溫預(yù)報值偏高,最低氣溫預(yù)報值偏低(圖5)。

        圖5 2021 年2 月27—28 日最高、最低氣溫預(yù)報誤差

        分析表明,降雪過程格點最高預(yù)報準(zhǔn)確率較高,最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較差,且在降雪較大時段智能網(wǎng)格溫度預(yù)報準(zhǔn)確率有所下降。

        4.3 寒潮、大風(fēng)

        選取了2021 年1 月5—7 日大風(fēng)天氣過程進行最高、最低氣溫預(yù)報檢驗。

        1 月5—7 日過程期間最高氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率可達(dá)85.7%,最低氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率3 天分別為35.7%、42.9%、7.1%。從預(yù)報準(zhǔn)確率可以看出最低氣溫預(yù)報較差,因此選取3 天最低氣溫格點預(yù)報進行誤差分析(圖6),最低氣溫3 天相預(yù)報誤差分別為-2.61 ℃、-1.64 ℃、-4.40 ℃,最低氣溫預(yù)報值與實況值相比偏低。

        圖6 2021 年1 月5—7 日最低氣溫預(yù)報誤差

        在寒潮天氣過程中,最高氣溫預(yù)報具有較好的指導(dǎo)意義,平均準(zhǔn)確率可達(dá)70%以上;最低氣溫預(yù)報值準(zhǔn)確率較低,平均準(zhǔn)確率不到50%,誤差較大,平均誤差可達(dá)3 ℃以上,且預(yù)報值相比于實況值偏低。

        5 結(jié)論

        1)國家站最高、最低氣溫格點預(yù)報平均準(zhǔn)確率為64.2%、49.7%,最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率高于最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率,最高氣溫格點預(yù)報準(zhǔn)確率均超過50%,壩上略高于壩下,涿鹿最高,萬全最低;最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較差,一半站點預(yù)報準(zhǔn)確率不到50%。

        2)國家站預(yù)報準(zhǔn)確率高于區(qū)域站,且預(yù)報準(zhǔn)確率總體呈上升趨勢;國家站最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率略低于區(qū)域站,預(yù)報準(zhǔn)確率呈冬季差夏季優(yōu)趨勢。

        3)國家站最高、最低氣溫格點預(yù)報整體良好,平均誤差在-1~1 ℃;最高氣溫預(yù)報誤差低于最低氣溫預(yù)報誤差,2021 年1 月、2 月、3 月最低平均誤差達(dá)-2 ℃,其余時段預(yù)報平均誤差較小,且最高氣溫預(yù)報值偏高,最低氣溫預(yù)報值偏低。

        4)冬奧區(qū)域站最高、最低氣溫格點預(yù)報平均誤差整體呈下降趨勢。

        5)重大天氣過程時段最高、最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較差,格點預(yù)報誤差較大,智能網(wǎng)格最高、最低氣溫預(yù)報指導(dǎo)意義不足。

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