數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)溫度場(chǎng)訂正方法研究

侯維佳 楊麗博

摘要 利用GPS探空氣象數(shù)據(jù)對(duì)研制的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)溫度場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，綜合利用平均偏差方法和回歸方法對(duì)溫度場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行訂正。研究表明：研究出的溫度場(chǎng)訂正方法進(jìn)一步提高了預(yù)報(bào)效果。

關(guān)鍵詞：溫度場(chǎng)；數(shù)值天氣預(yù)報(bào)；誤差分析；回歸分析

1.引言

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間始終存在誤差。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)，誤差逐漸增大、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率逐漸下降。本研究研制了一套數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件，利用中國(guó)氣象局衛(wèi)星廣播系統(tǒng)提供的氣象資料，輸出中國(guó)區(qū)域及周邊國(guó)家和地區(qū)的氣象要素預(yù)報(bào)結(jié)果。通過(guò)利用GPS探空間隔2小時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，同步利用研制的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，并利用氣象要素預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)時(shí)探測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)氣象要素?cái)?shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行精度檢驗(yàn)和誤差分析訂正，以提高預(yù)報(bào)效果，提供客觀(guān)、定量的氣象參數(shù)。

2.研究方法

2.1 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)

自主研制的新一代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)由實(shí)時(shí)氣象資料匯集與質(zhì)量控制、三維變分資料同化處理和WRF中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等模塊組成，可對(duì)實(shí)時(shí)觀(guān)探測(cè)資料與全球大尺度大氣資料進(jìn)行處理、同化分析，自動(dòng)生成連續(xù)72小時(shí)從地面至30km高空、400km半徑范圍的內(nèi)5km網(wǎng)格點(diǎn)精度各規(guī)定高度城的風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓、濕度及相關(guān)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

2.2外場(chǎng)探測(cè)方法

通過(guò)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)，一方面分析相距不同距離兩點(diǎn)之間氣象要素的差異，以及同一探測(cè)點(diǎn)相鄰兩個(gè)時(shí)次之間氣象要素差異的統(tǒng)計(jì)分析；另一方面通過(guò)實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果的對(duì)比分析，檢驗(yàn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)不同高度上氣溫的預(yù)報(bào)精度，驗(yàn)證利用實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報(bào)結(jié)果修正的算法。

此次外場(chǎng)觀(guān)探測(cè)試驗(yàn)選取了距離不等的4個(gè)站點(diǎn)，其中一站（S1）與二站（S2）相距大約10km，二站與三站（S3）相距約5km，三站與四站（S4）相距約25km。探測(cè)的具體時(shí)間為秋季、冬季、春季和夏季各10天。4個(gè)站點(diǎn)每天在08時(shí)、10時(shí)、14時(shí)、16時(shí)和20時(shí)5個(gè)時(shí)次同時(shí)進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)高度一般都在30公里左右。

2.3溫度場(chǎng)訂正方法

本軟件設(shè)計(jì)了多種統(tǒng)計(jì)訂正方案，最后對(duì)多種訂正結(jié)果采用綜合集成技術(shù)進(jìn)行訂正。

1）平均偏差訂正

通過(guò)上述氣象要素?cái)?shù)值預(yù)報(bào)精度檢驗(yàn)，獲得了數(shù)值預(yù)報(bào)模式的系統(tǒng)性誤差。通過(guò)垂直插值得到各高度層等高面上的溫、壓、濕的客觀(guān)定量預(yù)報(bào)結(jié)果，將不同季節(jié)的預(yù)報(bào)結(jié)果用相應(yīng)季節(jié)的平均偏差進(jìn)行訂正，即可得到氣象要素的訂正預(yù)報(bào)。

2）回歸技術(shù)

依據(jù)歷史資料建立氣象要素?cái)?shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品與同一時(shí)間探測(cè)的氣象要素之間的多元統(tǒng)計(jì)關(guān)系，利用多時(shí)次的探測(cè)結(jié)果和對(duì)應(yīng)時(shí)次的氣象要素?cái)?shù)值預(yù)報(bào)，采用最小二乘法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法求出具體的函數(shù)關(guān)系式。

3.結(jié)果分析

3.1探測(cè)結(jié)果分析

3.1.1不同站點(diǎn)同一觀(guān)測(cè)時(shí)間的氣溫差異分析

圖1和圖2分別給出了兩站相距5km和25km時(shí)，春、夏、秋、冬四季氣溫的差值隨高度的變化。其中秋季差異最小，夏季差異最大，最大可達(dá)2℃。

3.1.2同一站點(diǎn)不同觀(guān)測(cè)時(shí)間之間的氣溫差異分析

根據(jù)探測(cè)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了同一探測(cè)點(diǎn)相鄰探測(cè)時(shí)間之間，即08與10時(shí)、14時(shí)與16時(shí)之間和10時(shí)與14時(shí)、16時(shí)與20時(shí)之間氣溫的變化。

表1～4給出了春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)4個(gè)觀(guān)測(cè)站點(diǎn)在相鄰2小時(shí)、4小時(shí)間隔觀(guān)測(cè)的溫度差的絕對(duì)值在1℃以?xún)?nèi)、1～2℃、2～3℃和超過(guò)3℃占總觀(guān)測(cè)次數(shù)的比例。由表可見(jiàn)，對(duì)同一個(gè)站點(diǎn)而言，時(shí)間間隔2小時(shí)、4小時(shí)，溫度存在較大的差異，特別是冬季和春季差異更大。

3.2數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果精度分析

用氣象要素預(yù)報(bào)軟件預(yù)報(bào)時(shí)效為12h、24h、36h、48h結(jié)果與實(shí)時(shí)GPS探測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，給出預(yù)報(bào)溫度與實(shí)際觀(guān)測(cè)溫度12h、24h、36h、48h的標(biāo)準(zhǔn)差。

表5、表6、表7、表8分別給出了春夏秋冬各季各預(yù)報(bào)時(shí)效對(duì)應(yīng)的溫度隨機(jī)誤差垂直平均值。溫度誤差標(biāo)準(zhǔn)差除部分站部分時(shí)次外，均在1.7℃以下，并且預(yù)報(bào)時(shí)效越短，溫度隨機(jī)誤差越小，即12小時(shí)的預(yù)報(bào)效果最佳。

3.3 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)溫度場(chǎng)訂正結(jié)果分析

利用上述氣象要素預(yù)報(bào)訂正方法，分別對(duì)預(yù)報(bào)時(shí)效為12、24、36和48小時(shí)的溫度訂正效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

溫度場(chǎng)12小時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果訂正后的平均均方根誤差均明顯減小，表明總體預(yù)報(bào)訂正效果比較好。其中秋季和冬季預(yù)報(bào)的溫度均方根誤差減小最大，訂正后平均溫度均方根誤差在2℃以?xún)?nèi)；春季效果較差，平均均方根誤差在4℃以?xún)?nèi)。

訂正后各氣象要素的24小時(shí)預(yù)報(bào)效果有所提高，訂正后預(yù)報(bào)的24小時(shí)氣溫的平均均方根誤差在3℃以下，尤其秋冬季各層的溫度平均均方根誤差在2℃以下；與訂正后12小時(shí)的預(yù)報(bào)效果對(duì)比看，春季氣溫24小時(shí)預(yù)報(bào)訂正的效果更明顯。

訂正后各氣象要素的36小時(shí)預(yù)報(bào)效果有所提高，訂正后預(yù)報(bào)的36小時(shí)氣溫的平均均方根誤差在4℃以下，秋冬季各層的溫度平均均方根誤差在2℃以下；36小時(shí)預(yù)報(bào)訂正后的效果與12、24小時(shí)的預(yù)報(bào)訂正效果基本相同。

訂正后各氣象要素的48小時(shí)預(yù)報(bào)效果有所提高，訂正后預(yù)報(bào)的48小時(shí)氣溫的平均均方根誤差在4℃以下，秋冬季各層的溫度平均均方根誤差在2℃以下；48小時(shí)預(yù)報(bào)訂正后的效果與12、24和36小時(shí)的預(yù)報(bào)訂正效果基本相同，表明本試驗(yàn)提出的訂正方法的訂正預(yù)報(bào)效果隨著預(yù)報(bào)時(shí)效增大效果更好。

4.結(jié)論

本研究利用GPS探空氣象數(shù)據(jù)對(duì)研制的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)溫度場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，并利用平均偏差方法和回歸方法對(duì)溫度場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行訂正。得到如下結(jié)論：

1）從實(shí)時(shí)探測(cè)的不同水平距離兩個(gè)站點(diǎn)看，兩站不同層次氣溫差異不大，大部分在2℃以?xún)?nèi)。其中，隨著兩站之間距離的增大，氣溫差異也加大。秋季差異最小，春季差異最大。對(duì)同一站點(diǎn)而言，不同觀(guān)測(cè)時(shí)間間隔之間實(shí)時(shí)氣象要素也會(huì)發(fā)生變化，有11%以上溫度差值超過(guò)了3℃。

2）氣象要素?cái)?shù)值預(yù)報(bào)軟件對(duì)溫度的預(yù)報(bào)與實(shí)際觀(guān)測(cè)較為一致。從氣象要素的誤差標(biāo)準(zhǔn)差分析看，模式系統(tǒng)對(duì)夏季相對(duì)溫度的預(yù)報(bào)效果最好。從不同分辨率的預(yù)報(bào)結(jié)果看，溫度預(yù)報(bào)結(jié)果平均偏差和平均均方根誤差隨高度的演變曲線(xiàn)基本類(lèi)似，差別不大。從不同預(yù)報(bào)時(shí)效的預(yù)報(bào)誤差看，溫度隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)預(yù)報(bào)誤差也隨之增大，即12小時(shí)預(yù)報(bào)效果最好，48小時(shí)預(yù)報(bào)效果最差。

3）利用試驗(yàn)提出的氣象要素預(yù)報(bào)訂正方法可以對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行訂正，并對(duì)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)效果有一定的提高，其中溫度訂正效果最明顯。48小時(shí)預(yù)報(bào)訂正后的效果與12、24和36小時(shí)的預(yù)報(bào)訂正效果基本相同，表明本試驗(yàn)提出的訂正方法其訂正效果隨著預(yù)報(bào)時(shí)效增大效果更好。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘留杰，薛春芳，王建鵬，張宏芳，王丹，胡皓.一個(gè)簡(jiǎn)單的格點(diǎn)溫度預(yù)報(bào)訂正方法[J].氣象，2017，43（12）：1584-1593.

[2]章大全，陳麗娟.基于DERF2.0的月平均溫度概率訂正預(yù)報(bào)[J].大氣科學(xué)，2016，40（05）：1022-1032.

[3]張旭.綜合偏差訂正法在內(nèi)蒙古溫度預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古氣象，2016（01）：29-32.

[4]朱正心，楊秋明，陳焱，黃琳.用T42產(chǎn)品作17城市溫度預(yù)報(bào)及其誤差訂正[J].氣象科學(xué)，1994（04）：381-385.

[5]賈旭軒. 基于誤差訂正、MOS方法的中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在遼寧冬季溫度預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究[D].蘭州大學(xué)，2015.

[6]郭佰匯，陳碩，吳丹，劉丹丹，于芳健，王夢(mèng)琳.基于各站溫差分型的本地溫度預(yù)報(bào)訂正方法研究[J].吉林農(nóng)業(yè)，2017（24）：98-99.