梁穎瑜，徐麗麗，徐婷婷，姚圣康，于蕓，郜海，馬衛(wèi)軍

（自然資源部東海預(yù)報(bào)減災(zāi)中心，上海 201306）

0 引言

海浪災(zāi)害是海洋災(zāi)害的主要災(zāi)種之一[1]，我國也是海浪災(zāi)害的多發(fā)地區(qū)。每年的海洋災(zāi)害都會(huì)給人民生命和財(cái)產(chǎn)造成重大損失[2-5]，根據(jù)《2021 年中國海洋災(zāi)害公報(bào)》[6]的數(shù)據(jù)，近10 年來，我國近海平均每年發(fā)生有效波高4.0 m（含）以上的災(zāi)害性海浪過程37.6 次，年直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.60 億元。我國的海浪預(yù)報(bào)始于1966 年，海浪警報(bào)始于2006 年，海浪預(yù)警報(bào)為各級(jí)海洋行政管理部門提供防災(zāi)減災(zāi)決策依據(jù)，為海洋經(jīng)濟(jì)、國防安全、涉海企事業(yè)保障服務(wù)做出了積極的貢獻(xiàn)。近幾年來，隨著我國海洋經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，沿海政府各級(jí)海洋管理部門、涉海企事業(yè)單位在港口航運(yùn)、涉海工程、漁業(yè)養(yǎng)殖、濱海旅游等方面的防災(zāi)減災(zāi)工作中，對(duì)海浪預(yù)警報(bào)質(zhì)量的要求越來越高。預(yù)報(bào)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)估是促進(jìn)與提升預(yù)報(bào)技術(shù)水平的主要措施，也是評(píng)價(jià)海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)資質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

由于海上實(shí)況資料匱乏，早期海浪預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)估主要基于每日08時(shí)（北京時(shí)，下同）、14時(shí)、20時(shí)繪制的海浪實(shí)況分析圖，因獲取的實(shí)況資料來源不同，評(píng)估參考用的實(shí)況分析圖差異較大，所以檢驗(yàn)結(jié)果具有較大的主觀性。《海洋預(yù)報(bào)和警報(bào)發(fā)布（GB/T 19721.2—2017）》標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范了海浪預(yù)報(bào)發(fā)布的頻次、時(shí)效、內(nèi)容等[7]，但對(duì)波高、波向的發(fā)布方式?jīng)]有明確規(guī)定，至今我國海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)還沒有形成一套常規(guī)海浪預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)外海浪預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)多針對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)開展，常使用均方根誤差、絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差等檢驗(yàn)指標(biāo)，目前的海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式基本基于第三代數(shù)值預(yù)報(bào)模式建立[8]，尤其是WAVE WATCH Ⅲ模式能真實(shí)地描述波高變化，穩(wěn)定性好，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性高，應(yīng)用廣泛，有效波高的預(yù)報(bào)值與觀測值呈明顯的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.85[9]。東海區(qū)海浪模式預(yù)報(bào)的24 h 的波高平均絕對(duì)誤差在0.3 m 左右，平均相對(duì)誤差在20%以內(nèi)[10]。

國內(nèi)常規(guī)海浪預(yù)報(bào)主要是綜合不同模式的預(yù)報(bào)結(jié)果，預(yù)報(bào)員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)逐時(shí)的波高、波向通過文字加字符的方式進(jìn)行釋用。在平穩(wěn)的天氣系統(tǒng)過程中，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率與數(shù)值預(yù)報(bào)處于同一水平，在天氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)換較快或有災(zāi)害性天氣系統(tǒng)影響時(shí)，受預(yù)報(bào)單篇幅限制，預(yù)報(bào)只描述主要過程或嚴(yán)重過程，此時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率與數(shù)值預(yù)報(bào)會(huì)出現(xiàn)偏差，但不會(huì)明顯偏離，所以針對(duì)常規(guī)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)的評(píng)估規(guī)則與規(guī)定，其檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果應(yīng)該與數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相當(dāng)。海洋環(huán)境預(yù)報(bào)遵循的是可以適當(dāng)空報(bào)、不允許漏報(bào)的原則，而評(píng)估檢驗(yàn)又以實(shí)況為依據(jù)，所以在檢驗(yàn)評(píng)估過程中，當(dāng)結(jié)果存在爭議時(shí)遵循有利于預(yù)報(bào)的原則。

本文基于對(duì)我國海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的海浪預(yù)報(bào)產(chǎn)品的深入細(xì)致調(diào)研，系統(tǒng)分析了各家海浪預(yù)報(bào)產(chǎn)品的發(fā)布內(nèi)容與形式，制定了一套將海浪常規(guī)預(yù)報(bào)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為可檢驗(yàn)評(píng)估的逐時(shí)波高、波向轉(zhuǎn)換規(guī)則，對(duì)其中的關(guān)鍵性技術(shù)問題開展了專題論證，在遵循海洋預(yù)報(bào)客觀規(guī)律的基礎(chǔ)上，完善了評(píng)估規(guī)則，成功地實(shí)現(xiàn)了海浪預(yù)報(bào)質(zhì)量的定量化檢驗(yàn)評(píng)估。

1 數(shù)據(jù)及來源

本文研究及測試數(shù)據(jù)主要包括自然資源部東海預(yù)報(bào)減災(zāi)中心發(fā)布的海浪預(yù)報(bào)單與警報(bào)單、自然資源部東海局所屬波浪觀測站及海洋觀測浮標(biāo)數(shù)據(jù)、上海市海洋局所屬海洋觀測浮標(biāo)數(shù)據(jù)。檢驗(yàn)所用的波高與波向?qū)崨r數(shù)據(jù)采用整點(diǎn)前的有效波高及相對(duì)應(yīng)的波向、有效波周期。

2 海浪預(yù)報(bào)內(nèi)容處理規(guī)則

常規(guī)海浪預(yù)報(bào)主要包含預(yù)報(bào)要素、預(yù)報(bào)時(shí)段、預(yù)報(bào)趨勢等文字，例如某一海區(qū)的海浪預(yù)報(bào)內(nèi)容為“NE 1.0～1.8 m，明晨SE 2.0～3.0 m”，不同預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)預(yù)報(bào)內(nèi)容的形式差異較大。因此，對(duì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，須應(yīng)用一定的規(guī)則將其轉(zhuǎn)換為可定量化檢驗(yàn)評(píng)估的要素。

2.1 預(yù)報(bào)要素處理

由于波高和波向?yàn)閱沃?，因此可以直接?yīng)用實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。

波高為區(qū)間值，假定預(yù)報(bào)波高為“N1～N2”，其中N1為預(yù)報(bào)波高下限，N2為預(yù)報(bào)波高上限，則檢驗(yàn)評(píng)估波高的取值可分兩種情況：①取N1～N2的任意值，如預(yù)報(bào)波高為2.0～3.0 m，則待檢驗(yàn)評(píng)估值取2.0～3.0 的任一值；②取預(yù)報(bào)波高的平均值，如預(yù)報(bào)波高為2.0～3.0 m，則檢驗(yàn)評(píng)估波高取為2.5 m。本文采用取預(yù)報(bào)波高平均值的方式。

波向?yàn)榉轿?，可?yīng)用表1 將預(yù)報(bào)波向轉(zhuǎn)換為檢驗(yàn)評(píng)估波向。

表1 預(yù)報(bào)波向與檢驗(yàn)評(píng)估波向換算表Tab.1 Wave direction conversion table for forecasts and evaluation

2.2 預(yù)報(bào)時(shí)段處理

在常規(guī)海浪預(yù)報(bào)中，會(huì)使用上午、下午、傍晚、半夜等時(shí)間段，按照2020 年頒布并實(shí)施的《海洋預(yù)報(bào)術(shù)語（GB/T 39628—2020）》的規(guī)定可劃定對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍（見表2），其中早晨—下半夜分8 個(gè)時(shí)段，主要應(yīng)用于24 h 預(yù)報(bào)，白天和夜間主要應(yīng)用于海浪警報(bào)或超過48 h 的預(yù)報(bào)。由于相鄰兩個(gè)時(shí)段有一個(gè)重復(fù)時(shí)次，檢驗(yàn)評(píng)估時(shí)，誤差取兩個(gè)時(shí)次中的較小值。

表2 預(yù)報(bào)時(shí)段及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍Tab.2 Forecasting period and the corresponding time range

2.3 趨勢變化處理

當(dāng)預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)的天氣系統(tǒng)發(fā)生較大變化時(shí)，預(yù)報(bào)波高、波向也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，預(yù)報(bào)內(nèi)容會(huì)對(duì)趨勢變化進(jìn)行描述，但不同預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的描述差異較大。在24 h 預(yù)報(bào)中，絕大多數(shù)機(jī)構(gòu)會(huì)對(duì)趨勢變化進(jìn)行具體描述；而在48 h 及以上時(shí)效的預(yù)報(bào)中，只有少數(shù)機(jī)構(gòu)會(huì)描述趨勢變化，主要分3種情況：無趨勢變化；有趨勢變化且有發(fā)生時(shí)間；有趨勢變化但無發(fā)生時(shí)間。

①無趨勢變化

按照2.1節(jié)的規(guī)則檢驗(yàn)評(píng)估波高、波向。

②有趨勢變化且有發(fā)生時(shí)間

在趨勢變化前的時(shí)段，波高、波向取變化前的檢驗(yàn)評(píng)估值，在趨勢變化及變化后的時(shí)段，波高、波向取變化后的檢驗(yàn)評(píng)估值，其中趨勢變化時(shí)段的4個(gè)時(shí)次，波高、波向與實(shí)況的誤差取4個(gè)時(shí)次中的最小值。

以08：00 發(fā)布的24 h 海浪預(yù)報(bào)“NE 2.0～3.0 m上半夜轉(zhuǎn)SW 4.0～5.0 m”為例。預(yù)報(bào)時(shí)效為09：00—次日08：00；趨勢變化前，即上半夜前（09:00—19:00）的檢驗(yàn)評(píng)估波高、波向分別為2.5 m 與45°；趨勢變化時(shí)段（上半夜）及趨勢變化后，即20:00—次日08:00，檢驗(yàn)評(píng)估波高、波向分別為4.5 m 與227.5°，其中對(duì)變化時(shí)段（20:00—23:00）進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估時(shí)，時(shí)段中4 個(gè)時(shí)次的波高、波向的誤差均取該時(shí)段中的最小值。

③有趨勢變化但無發(fā)生時(shí)間

自預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)的第二時(shí)段起，若某時(shí)次的實(shí)況波高、波向達(dá)到趨勢變化后的預(yù)報(bào)值，則該時(shí)次所在時(shí)段定為趨勢變化時(shí)段（若該時(shí)次為兩個(gè)時(shí)段分界時(shí)，則將前一時(shí)段定為趨勢變化時(shí)段）；檢驗(yàn)評(píng)估時(shí)，變化時(shí)段中4 個(gè)時(shí)次的誤差均取該時(shí)段中的最小值；若自預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)第二時(shí)段起—預(yù)報(bào)時(shí)效結(jié)束都沒有實(shí)況達(dá)到趨勢變化后的波高、波向，則默認(rèn)將預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)最后兩個(gè)時(shí)段設(shè)定為趨勢變化時(shí)段，該時(shí)段前所有時(shí)次的波高、波向取趨勢變化前的值進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，最后兩個(gè)時(shí)段的波高、波向取趨勢變化后的值進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。

以08：00 發(fā)布的24 h 預(yù)報(bào)“NE 2.5～3.5 m 轉(zhuǎn)SW 3.0～5.0 m”為例。預(yù)報(bào)時(shí)效為09：00—次日08：00；趨勢變化前，檢驗(yàn)評(píng)估波高為3.0 m、波向?yàn)?5°；趨勢變化時(shí)段及趨勢變化后，檢驗(yàn)評(píng)估波高為4.0 m，波向?yàn)?27.5°，趨勢變化時(shí)段未知。自預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)第二時(shí)段的第一時(shí)次（11：00）起檢索實(shí)況數(shù)據(jù)，如17：00 實(shí)況波高≥4.0 m，則17：00 為變化時(shí)段，由于17：00 均屬于下午與傍晚時(shí)段，根據(jù)規(guī)則，取下午（14:00—17:00）為變化時(shí)段，則趨勢變化前的時(shí)間段為09:00—13:00，變化后時(shí)間段為18:00—次日08:00，下午（14:00—17:00）時(shí)段中4 個(gè)時(shí)次的波高、波向與實(shí)況的誤差取該時(shí)段中的最小值；如11：00起實(shí)況波高均＜4.0 m，則預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)最后兩個(gè)時(shí)段，即下半夜（02:00—05:00）和次日早晨（05:00—08:00）默認(rèn)為達(dá)到趨勢變化，則趨勢變化前時(shí)間段為09:00—次日01:00，趨勢變化后時(shí)間段為02:00—08:00。

3 海浪預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估規(guī)則

3.1 檢驗(yàn)規(guī)則

根據(jù)相對(duì)誤差進(jìn)行波高檢驗(yàn)，計(jì)算公式為：

式中：R波高為波高的相對(duì)誤差；HF為評(píng)估波高；HM為觀測波高。

根據(jù)絕對(duì)誤差進(jìn)行波向檢驗(yàn)，計(jì)算公式為：

式中：X波向?yàn)椴ㄏ虻慕^對(duì)誤差；WF為評(píng)估波向；WM為觀測波向。

3.2 評(píng)估規(guī)則

為了管理部門能直觀明了地評(píng)估海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)與預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)質(zhì)量，在基于波高、波向誤差檢驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了波高、波向評(píng)估得分規(guī)則，本文采用波高占比80%、波向占比20%的權(quán)重分配。

波高評(píng)分規(guī)則為：根據(jù)《國際波級(jí)表》中有效波高范圍，對(duì)每個(gè)觀測波高賦評(píng)估值d，賦予一個(gè)預(yù)報(bào)的滿分d值。d值測試時(shí)，應(yīng)滿足海浪預(yù)報(bào)年平均分為75～95分。d值計(jì)算公式為：

式中：d為100分時(shí)的預(yù)報(bào)波高與實(shí)測波高的最大差值。根據(jù)評(píng)估波高與觀測波高的絕對(duì)誤差進(jìn)行評(píng)估，方法為：

（a）波高絕對(duì)誤差≤d時(shí)為100分；

（b）波高絕對(duì)誤差＞d時(shí)，每相差0.1 m 扣5 分，直至0分；

波向評(píng)分規(guī)則為：根據(jù)評(píng)估波向與觀測波向的絕對(duì)誤差進(jìn)行評(píng)估。

（a）誤差≤1.5個(gè)方位為100分；

（b）誤差＞1.5 個(gè)方位且≤2 個(gè)方位時(shí)，每偏差1°扣1分；

（c）誤差＞2個(gè)方位時(shí)，每偏差1°扣5分，直至0分。

單個(gè)海區(qū)波高、波向的誤差或得分為該海區(qū)所有時(shí)次的累加平均，單份預(yù)報(bào)單波高、波向誤差或得分為所有預(yù)報(bào)海區(qū)的累加平均。

4 檢驗(yàn)測試與問題討論

基于以上設(shè)計(jì)規(guī)則，本文應(yīng)用2009 年QF205、QF206 浮標(biāo)實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行海浪預(yù)報(bào)質(zhì)量測試，結(jié)果見表3。預(yù)報(bào)海區(qū)編號(hào)劃分見圖1。由于在原始觀測數(shù)據(jù)審核過程中發(fā)現(xiàn)，浮標(biāo)的波向存在系統(tǒng)性偏差，故預(yù)報(bào)波向不作檢驗(yàn)。

圖1 預(yù)報(bào)海區(qū)和1808號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”路徑Fig.1 Forecast area and the path of 1808 Typhoon"Maria"

表3 2009年東海區(qū)5、9海區(qū)常規(guī)海浪預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果表Tab.3 Evaluation and assessment results of conventional wave forecast in sea areas 5 and 9 of the East China Sea in 2009

從表3可以看出，檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果誤差較大，預(yù)報(bào)質(zhì)量較差，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性遠(yuǎn)低于數(shù)值預(yù)報(bào)。通過核查天氣系統(tǒng)影響過程并對(duì)比檢驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了偏差較大的主要原因，為完善檢驗(yàn)評(píng)估方法，增強(qiáng)規(guī)則的合理性、兼容性及適用性，東海區(qū)及全國各級(jí)海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行了多次工作研討，經(jīng)意見征詢、討論與研究，從以下3點(diǎn)對(duì)檢驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行補(bǔ)充完善。

4.1 波高最小值的設(shè)定

通過分析檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)況波高小于1.0 m是常規(guī)波高預(yù)報(bào)誤差較大的主要來源。多數(shù)海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)在發(fā)布近海波高預(yù)報(bào)時(shí)，出于預(yù)警目的，設(shè)定最小預(yù)報(bào)波高范圍為1.0～1.8 m或0.8～1.6 m，按照2.2 節(jié)的規(guī)則，檢驗(yàn)評(píng)估波高分別為1.4 m 和1.2 m，因此在實(shí)況小于1.0 m 時(shí)，誤差較大。例如，2022 年6 月4 日，東海西南部海域受到華南弱倒槽影響，該海區(qū)海洋浮標(biāo)的波高實(shí)況顯示波高較小（見圖2），按照預(yù)報(bào)波高1.0～1.8 m或0.8～1.6 m 檢驗(yàn)評(píng)估，導(dǎo)致結(jié)果的誤差較大（見表4），預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較差，與實(shí)際預(yù)報(bào)質(zhì)量預(yù)期不符。

圖2 2022年6月4日08:00—6月5日09:00波高實(shí)況圖Fig.2 Wave height observation during 2022-06-04 08:00 and 2022-06-05 09:00

表4 2022年6月4日09:00—6月5日08:00 7海區(qū)海浪預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)測試表Tab.4 Quality evaluation table of sea wave forecasts during 2022-06-04 09:00~2022-06-05 08:00

中國近海海區(qū)在處于高壓中心或弱天氣系統(tǒng)控制且沒有涌浪的情況下，1.0 m以下的波浪過程較多，尤其是每年5—8月受西北太平洋副熱帶高壓控制期間，若無熱帶氣旋影響，1.0 m 以下的海況比例較大。依據(jù)舟山外海浮標(biāo)1999—2018 年的波高實(shí)況資料，統(tǒng)計(jì)分析了1.0 m 及0.7 m 以下波高年均出現(xiàn)頻率分別約為16.6%和34.7%（見表5）。

表5 1999—2018年舟山浮標(biāo)0.7 m和1.0m以下波浪年出現(xiàn)頻次統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Statistical analysis table of annual frequency of waves below 0.7 m and 1.0 m recorded by Zhoushan buoy from 1999 to 2018

針對(duì)上述情況，為遵循海洋預(yù)報(bào)客觀規(guī)律，設(shè)定檢驗(yàn)評(píng)估最小波高，當(dāng)實(shí)況波高小于0.7 m 時(shí)，取0.7 m作為檢驗(yàn)評(píng)估波高。依據(jù)此規(guī)定計(jì)算后，預(yù)報(bào)1.0～1.8 m 與0.8～1.6 m 的平均絕對(duì)誤差分別降為0.675 m和0.475 m（見表6）；若預(yù)報(bào)波高為0.6～1.2 m時(shí)，平均絕對(duì)誤差降為0.175 m，檢驗(yàn)結(jié)果與模式預(yù)報(bào)結(jié)果較為接近。

表6 設(shè)定實(shí)況最小波高后檢驗(yàn)結(jié)果表Tab.6 Evalution table after setting the minimum sea wave height

4.2 檢驗(yàn)結(jié)果有效性

海洋浮標(biāo)、島嶼或岸基觀測站是一個(gè)點(diǎn)，波浪觀測數(shù)據(jù)代表的是觀測點(diǎn)所在的小范圍海域內(nèi)的海浪狀況，而常規(guī)預(yù)報(bào)范圍是海區(qū)內(nèi)所有觀測點(diǎn)集合而成的面，在進(jìn)行預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)，觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)能否代表整個(gè)海區(qū)面的海浪狀況，應(yīng)視影響海區(qū)的天氣系統(tǒng)而定。在平穩(wěn)或弱天氣系統(tǒng)影響海域時(shí)，同一海區(qū)內(nèi)的波高不會(huì)發(fā)生顯著差異，此時(shí)觀測點(diǎn)的波高能夠代表所在海區(qū)的實(shí)況，檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果有效；在熱帶氣旋或強(qiáng)溫帶氣旋影響海域時(shí)，由于氣旋近中心海域一般是波高最大區(qū)域，從中心向外延伸，波高在水平方向上呈顯著減小趨勢，此時(shí)觀測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)一般不能代表整個(gè)預(yù)報(bào)海區(qū)，需要甄別檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果是否合理有效。

4.2.1 有效性測試1

應(yīng)用中央氣象臺(tái)發(fā)布的2004 號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”、1917 號(hào)臺(tái)風(fēng)“塔巴”、2114 號(hào)臺(tái)風(fēng)“燦都”、1808號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”、2106 號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”這5 個(gè)影響預(yù)報(bào)海區(qū)的臺(tái)風(fēng)路徑信息（見圖3）以及東海區(qū)6 個(gè)浮標(biāo)的實(shí)況風(fēng)浪數(shù)據(jù)來測試檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果的有效性。

圖3 測試臺(tái)風(fēng)路徑與測波點(diǎn)概位示意圖Fig.3 Schematic diagram of typhoon path and wave measuring points

測試發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)的中心強(qiáng)度、7 級(jí)風(fēng)圈大小、移動(dòng)速度會(huì)影響某一海域的波高大小，但與觀測波高能否代表預(yù)報(bào)海區(qū)的關(guān)聯(lián)度不高。如在2021 年7月23 日03 時(shí)，舟山外海浮標(biāo)與2106 號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”中心（T中心）距離700 km，受冷空氣影響風(fēng)力達(dá)9 級(jí)，波高為4.5 m，觀測波高能代表所在預(yù)報(bào)海區(qū)，檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果有效。

觀測波高能否代表所在預(yù)報(bào)海區(qū)，關(guān)鍵在于測點(diǎn)能否觀測到臺(tái)風(fēng)影響該海區(qū)時(shí)的最大有效波高。在臺(tái)風(fēng)未進(jìn)入預(yù)報(bào)海區(qū)前，主要影響因子是臺(tái)風(fēng)的7 級(jí)風(fēng)圈半徑（r7級(jí)）何時(shí)影響預(yù)報(bào)海區(qū)；在臺(tái)風(fēng)進(jìn)入預(yù)報(bào)海區(qū)后，主要影響因子是測波點(diǎn)處于臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向的位置。檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果有效性測試結(jié)果見表7。測試得到如下結(jié)論：

表7 檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果有效性測試表Tab.7 Validation table of test availability

①預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)7 級(jí)風(fēng)圈未影響預(yù)報(bào)海區(qū)時(shí)，波高大小變化相對(duì)平穩(wěn)，由近海海區(qū)傳播而來的涌浪基本覆蓋全海區(qū)，觀測波高能代表所在海區(qū)的海浪狀況，檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果有效。

②預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)7 級(jí)風(fēng)圈影響預(yù)報(bào)海區(qū)時(shí)，波高大小會(huì)隨著風(fēng)圈半徑與觀測點(diǎn)的遠(yuǎn)近出現(xiàn)劇烈變化，此時(shí)觀測波高能否代表所在海區(qū)的海況主要取決于觀測點(diǎn)能否觀測到臺(tái)風(fēng)近中心的最大有效波高。

③預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，若臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過觀測點(diǎn)且形成臺(tái)風(fēng)眼時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心有強(qiáng)烈的下沉氣流，海面波高在短時(shí)內(nèi)迅速減小，而常規(guī)海浪預(yù)報(bào)由于受預(yù)報(bào)單篇幅限制和出于預(yù)警目的，不會(huì)描述這一減小過程，所以此時(shí)觀測波高不能代表該海域的海況，檢驗(yàn)結(jié)果視為無效。

例如2019 年9 月21 日07 時(shí)，1917 號(hào)臺(tái)風(fēng)“塔巴”位于25.8°N，125.7°E，近中心最大風(fēng)力為11 級(jí)（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)），圖4 為21—22 日該臺(tái)風(fēng)中心穿過位于東海東北部D08 浮標(biāo)時(shí)的實(shí)況波高圖。東海預(yù)報(bào)減災(zāi)中心根據(jù)未來24 h臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)的趨勢，發(fā)布該海域24 h 波高預(yù)報(bào)為偏東浪3.5～5.5↑6.0～9.0 m。根據(jù)實(shí)測有效波高看，如果不考慮臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過的5個(gè)時(shí)次的記錄，預(yù)報(bào)結(jié)果正確。

圖4 2019年9月21—22日D08浮標(biāo)風(fēng)速（黑線）、風(fēng)向與波高（紅線）實(shí)況圖Fig.4 Wind speed(black line),wind direction and wave height(red line)of D08 buoy on September 21—22,2019

4.2.2 有效性測試2

2020 年，東海預(yù)報(bào)減災(zāi)中心聯(lián)合上海市海洋監(jiān)測預(yù)報(bào)中心，應(yīng)用位于5 海區(qū)的崇明外和長江口外浮標(biāo)，上海預(yù)警2號(hào)與4號(hào)、佘山3 m 浮標(biāo)和大戢山、佘山、嵊山海洋觀測站2007—2020 年風(fēng)浪實(shí)況資料，針對(duì)影響上海沿海的55 次臺(tái)風(fēng)和7 次溫帶氣旋警報(bào)結(jié)果進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。綜合有效性測試1的結(jié)論，考慮到發(fā)布的r7級(jí)和實(shí)況有偏差以及溫帶氣旋無大風(fēng)半徑數(shù)據(jù)，最終確定在熱帶氣旋或溫帶氣旋影響預(yù)報(bào)海區(qū)時(shí)，檢驗(yàn)結(jié)果有效性判定按以下具體規(guī)則執(zhí)行：

①預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，氣旋7 級(jí)風(fēng)圈外緣距預(yù)報(bào)海域邊緣＞200 km，檢驗(yàn)結(jié)果有效；

②預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，氣旋7 級(jí)風(fēng)圈外緣距預(yù)報(bào)海域邊緣≤200 km，且氣旋中心距實(shí)況站點(diǎn)≤40 km，檢驗(yàn)結(jié)果有效；

③預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，氣旋7 級(jí)風(fēng)圈外緣距預(yù)報(bào)海域邊緣≤200 km，但氣旋中心距實(shí)況站點(diǎn)＞40 km，檢驗(yàn)結(jié)果無效；

④預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，氣旋中心經(jīng)過觀測站點(diǎn)時(shí)，檢驗(yàn)結(jié)果無效。

若檢驗(yàn)結(jié)果判斷為無效，則將該結(jié)果從檢驗(yàn)結(jié)果中剔除。在具體應(yīng)用上述有效性規(guī)則時(shí)，還應(yīng)根據(jù)海區(qū)情況加以調(diào)整參數(shù)，如D08浮標(biāo)位于20海區(qū)與21 海區(qū)交界處（見圖1），當(dāng)1917 號(hào)臺(tái)風(fēng)“塔巴”從南向北移動(dòng)時(shí)，浮標(biāo)觀測波高能代表20海區(qū)的最大波高，評(píng)估結(jié)果有效。

4.3 同一海域多個(gè)實(shí)況資料的選取

若預(yù)報(bào)海域內(nèi)無實(shí)況資料，預(yù)報(bào)質(zhì)量不作檢驗(yàn)評(píng)估；若預(yù)報(bào)海域內(nèi)有多個(gè)實(shí)況數(shù)據(jù)，取同一時(shí)次的最優(yōu)值為檢驗(yàn)結(jié)果。

以1808 號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”經(jīng)過7 海區(qū)為例（見圖1），該海區(qū)內(nèi)共有科技、溫州外海及寧德外海3個(gè)海洋浮標(biāo)。由圖5可見，11日01時(shí)，科技浮標(biāo)在距離臺(tái)風(fēng)中心最近約65 km 時(shí)，觀測到的最大有效波高為14.6 m；11 日04 時(shí)，溫州浮標(biāo)在距離臺(tái)風(fēng)中心約150 km 時(shí)，觀測到的最大有效波高為10.3 m；11 日05 時(shí)，寧德浮標(biāo)在距離臺(tái)風(fēng)中心約60 km 時(shí)，觀測到的最大有效波高為12.2 m。3 個(gè)浮標(biāo)都位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的右側(cè)前方，其中科技浮標(biāo)距離臺(tái)風(fēng)中心最近，實(shí)測有效波高為14.6 m、最大波高為19.1 m，為我國近海波高有觀測以來的最高記錄。

圖5 2018年7月10—12日7海區(qū)浮標(biāo)有效波高實(shí)況圖Fig.5 Buoy-recorded effective wave height in the 7th Sea Area in July 10—12，2018

7 月10 日07 時(shí)，東海預(yù)報(bào)減災(zāi)中心針對(duì)該海域的波高預(yù)報(bào)結(jié)果為：E'3.5～5.5 m下午↑6.0～9.0 m，根據(jù)檢驗(yàn)評(píng)估規(guī)則，在3個(gè)浮標(biāo)觀測記錄中選取最優(yōu)值，檢驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于單個(gè)浮標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果（見表8）。

表8 2018年7月10日09:00—7月11 日08:00 7海區(qū)海浪預(yù)報(bào)檢驗(yàn)表Tab.8 Sea wave forecast checklist during 2018-07-10 09:00 and 2018-07-11 08:00:00

4.4 檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果

應(yīng)用完善后的檢驗(yàn)規(guī)則重新對(duì)2009 年5 海區(qū)、9 海區(qū)進(jìn)行預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)測試。由表9 的檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩個(gè)海區(qū)的絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差均有明顯下降，檢驗(yàn)效果較檢驗(yàn)規(guī)則完善之前（見表3）大大提高。

表9 2009年東海區(qū)5、9海區(qū)常規(guī)海浪預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果表（完善規(guī)則后）Tab.9 Evalution and assessment results of conventional wave forecast in sea areas 5 and 9 of the East China Sea in 2009（after improving the rules）

應(yīng)用3.2 節(jié)的評(píng)估規(guī)則，對(duì)東海預(yù)報(bào)減災(zāi)中心2015—2018 年5 海區(qū)、7 海區(qū)的常規(guī)海浪預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，波高得分情況見表10。從評(píng)估結(jié)果來看，兩個(gè)海區(qū)的年波高平均得分為83～91 分，評(píng)估結(jié)果與主流數(shù)值預(yù)報(bào)模式的精度量級(jí)相當(dāng)，可見本文針對(duì)常規(guī)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)評(píng)估規(guī)則與規(guī)定是合理有效的，滿足預(yù)警報(bào)定量化檢驗(yàn)評(píng)估的業(yè)務(wù)需求。

表10 2015—2018年東海預(yù)報(bào)減災(zāi)中心常規(guī)海浪預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估報(bào)表Tab.10 Evalution and assessment results of conventional wave forecast of the East China Sea forecast and disaster reduction center from 2015 to 2018

5 結(jié)論

本文在詳細(xì)調(diào)研全國海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)常規(guī)海浪預(yù)報(bào)產(chǎn)品基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套把常規(guī)海浪預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)換為預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)逐時(shí)量化值的處理規(guī)則，應(yīng)用實(shí)況數(shù)據(jù)開展預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)測試，在遵循海洋預(yù)報(bào)客觀規(guī)律、保證安全預(yù)警的基礎(chǔ)上，形成一套相對(duì)客觀、合理、標(biāo)準(zhǔn)化的常規(guī)海浪檢驗(yàn)評(píng)估方法，應(yīng)用評(píng)估系統(tǒng)可對(duì)常規(guī)海浪預(yù)報(bào)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。結(jié)果表明，在平穩(wěn)的波高狀態(tài)下，設(shè)定的評(píng)估規(guī)則能較好地體現(xiàn)預(yù)報(bào)質(zhì)量狀況；在預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)波高發(fā)生劇烈變化時(shí)，只能體現(xiàn)局部海域的檢驗(yàn)評(píng)估狀況?？傮w來說，本文的技術(shù)方法雖存在缺陷，需要不斷改進(jìn)和完善，但也填補(bǔ)了常規(guī)海浪預(yù)報(bào)定量化檢驗(yàn)評(píng)估的空白。該方法于2013 年在自然資源部東海局下屬9 家海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)中試用運(yùn)行，每月初發(fā)布上月度預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告。預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)估增強(qiáng)了海洋預(yù)報(bào)員之間的技術(shù)交流，提升了海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的整體預(yù)報(bào)保障能力，對(duì)健全海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的預(yù)報(bào)質(zhì)量管理制度具有促進(jìn)作用。

致謝：海浪檢驗(yàn)評(píng)估程序編制及測試工作由上海超恒軟件技術(shù)有限公司完成，在此表示誠摯謝意。