天津一體化平臺氣象要素預報在寧河秋季的檢驗評估

李靜楠，張春同

(1.天津市寧河區氣象局 天津301500；2.成都市氣象局 四川成都611130)

0 引 言

隨著氣象觀測方法的革新以及資料的同化應用，數值預報模式的初始場愈加精確，時空分辨率不斷提高，物理過程參數化方案日趨完善，對大氣運動的描述更為精準。近年來，數值模式的形勢預報水平已超過了預報員[1-4]，并且國內外關于數值模式的研究仍在進行中，許多專家學者致力于應用多源觀測資料、改進資料同化算法、優化參數化方案等方式[5-9]，使數值模式的預報性能不斷提高。但由于模式框架、物理過程等計算方法的限制，數值模式還存在很多不確定性因素造成的誤差[10-11]，其輸出的要素預報在時間、空間上的精度還比較低，不能完全滿足國家防災減災和公眾對氣象服務日益增長的需求。

《2005—2020年中國氣象事業發展戰略》[12]指出，必須把提高預報預測準確率放在突出位置，加快短、中期天氣預報的精細化進程，著力提高關鍵性、轉折性、災害性重大天氣預警預報的水平，不斷提高短期氣候預測和氣候變化預估的水平，實現從傳統的、比較粗泛的預報預測向更準確、更及時、更精細、多時空尺度“無縫隙”預報預測轉變。為此，天津市氣象臺結合氣象業務的實際情況，以 EC、T639數值預報產品為基礎，利用 MySql數據庫開發了一體化綜合氣象業務平臺(Tianjin Multiple Meteorological Operation Platform，TIPTOP)，于2017年正式投入業務運行，并已成功應用于第十三屆全運會等大型活動的氣象保障服務中。該平臺致力于提高市、區兩級業務單位的氣象分析及氣候監測、警報預測能力，可滾動提供 24、48、72h時效的逐小時氣象要素格點預報結果，對氣象預報尤其是重大災害性天氣的預警提供強有力的技術支撐。

為了把握一體化平臺格點預報對天津市寧河區的要素預報性能，更好地進行本地化應用，本文選取寧河轄區內 7個地點，對一體化平臺制作的 24h預報時效逐小時 4種地面氣象要素(氣溫、相對濕度、風向和風速)預報產品進行了比較全面的檢驗評估，為寧河區氣象預報、服務提供保障。

1 資料與方法

1.1 檢驗站點

選取蘆臺城區(39.352°N，117.828°E)、七里海古海岸與濕地自然保護區(39.318°N，117.680°E)、道教圣地天尊閣(39.564°N，117.765°E)、國家級種豬繁育基地(39.446°N，117.650°E)、于方舟故居(39.333°N，117.561°E)、一汽大眾華北基地(39.237°N ，117.548°E)和齊心蘑法小鎮(39.347°N，117.391°E)作為寧河區內不同區域的代表站。

1.2 數據資料

資料時段為2017年9月1日至2017年11月30日。一體化平臺每日 14時對上述 7個代表站24h預報時效內的逐時要素格點預報數據。實況數據為相應時間的觀測數據。

本文檢驗的內容包括 2m 氣溫、相對濕度、風速、風向等，考察要素格點預報在每日不同時間的預報能力，將預報結果與相對應的實況進行檢驗分析。

1.3 檢驗方法

本文參照中國氣象局《天氣預報質量檢驗辦法》[13]的規定，進行預報檢驗。

③風向：檢驗按八方位風的規定，計算每一方位±22.5°內的預報準確率等。

④風速：檢驗包括相關系數、平均絕對誤差和平均誤差等。

2 檢驗結果分析

2.1 氣溫檢驗

2.1.1 相關系數

從逐日氣溫格點預報與實況的相關系數分布可以看出，檢驗時段內樣本的相關系數較高，普遍達到0.95以上。但在10月8至9日相關系數出現明顯波動，部分地區的預報值與實況出現了負相關，如 9日一汽大眾華北基地的負相關最明顯，相關系數達到-0.429，可能由于10月7日下午至9日下午寧河地區有高空槽過境，出現明顯的降水、大風降溫過程。從 9～11月各代表站氣溫格點預報相關系數的平均值分布來看，2017年秋季，除蘆臺城區為 0.726以外，其余各站的平均相關系數在 0.810以上。這表明，一體化平臺對格點溫度的連續變化趨勢預報性能穩定，對氣溫預報具有較高的參考價值。

2.1.2 平均絕對誤差和平均誤差

分析氣溫格點預報與實況的平均絕對誤差隨時間的分布，可以發現各代表站的平均絕對誤差略有差異，差值均在0.7～2.3℃之間。從圖1顯示的7個代表站氣溫平均誤差可以看出，24小時內平均誤差介于-2.3～0.6℃之間；在 16:00～20:00的小時氣溫預報結果偏大，而其他 20個時次的平均誤差多為負值，20:00～08:00格點預報與實況的誤差較小，08:00～16:00誤差的負值明顯增大。這表明一體化平臺在秋季的氣溫格點預報值普遍偏低，尤其是在日出到午后時段。

2.1.3 氣溫預報準確率

圖2給出了一體化平臺氣溫格點預報誤差在±1℃范圍內的準確率隨時間的變化。可以看出，誤差在±1℃范圍內的準確率集中在 0.2～0.8，24小時內不同時段的誤差差異不大，且隨時間的增長誤差的分布沒有顯著的變化規律。誤差在±2℃范圍內的準確率集中在 0.6～1.0，不同時次之間的差別也不明顯，隨時間的增長無明顯變化規律。綜合對比圖1、圖2可以發現，一體化平臺對齊心蘑法小鎮在08:00～09:00的氣溫預報值和準確率偏低；對道教圣地天尊閣在白天段的氣溫預報值和準確率也偏低，將影響該地最高氣溫的預報。

圖1 一體化平臺氣溫預報的平均誤差隨時間的分布Fig.1 Variation of average error of TIPTOP temperature prediction with time

圖2 一體化平臺氣溫預報準確率(誤差為±1℃)隨時間的變化Fig.2 Variation of accuracy of TIPTOP temperature prediction with time(error ±1 ℃)

2.2 相對濕度檢驗

2.2.1 相關系數

同氣溫格點預報與實況的相關系數類似，相對濕度的相關系數整體較高，平均為 0.6～0.8。從逐日相對濕度格點預報與實況的相關系數表可以看出，9—11月中除10月7至9日數值較低以外，其他時段相關系數主要集中在 0.7～0.9。由此可見，一體化平臺對相對濕度的預報值與實況的變化趨勢相符。

2.2.2 平均絕對誤差和平均誤差

分析相對濕度平均絕對誤差和平均誤差可見，7個代表站的平均絕對誤差集中在 8%～18%，大多數時次預報的平均誤差為負值，且隨預報時間的增加平均誤差負值減小，在 13:00～17:00轉為正偏差，隨后平均誤差迅速向負值增加(圖3)。這表明，一體化平臺預報的相對濕度整體偏小，隨預報時間的增加，相對濕度預報值呈先偏高后偏低的趨勢，在午后及日落時段的預報與實況最接近。

圖3 一體化平臺相對濕度預報的平均誤差隨時間的變化Fig.3 Variation of average error of TIPTOP relative humidity prediction with time

2.2.3 相對濕度預報準確率

相對濕度格點預報準確率隨時間的變化情況如圖4所示。可以看出，24小時內各代表站預報準確率的變化趨勢大體是一致的。在日出后的 08:00～09:00以及日落后的 18:00～19:00預報誤差均有增加，準確率平均下降約 40%；清晨和傍晚的預報準確率最高，可達到 80%～90%。對比各站可以發現，在夜間(20:00～08:00)格點預報的預報技巧差異顯著，對寧河區西側(如齊心蘑法小鎮、于方舟故居)的預報準確率相對較低，對寧河區東、南側的預報準確率相對較高，如蘆臺城區、一汽大眾華北基地和七里海古海岸與濕地自然保護區。

圖4 一體化平臺相對濕度預報準確率(誤差≤10%)隨時間的變化Fig.4 Variation of accuracy of TIPTOP relative humidity prediction with time(error≤10%)

2.3 風向檢驗

分析發現，24h內逐小時風向預報準確率在各代表站的變化趨勢基本一致。從圖5給出的 7個代表站逐小時預報準確率的平均情況來看，24小時內風向格點預報的準確率在 33%～59%之間。24小時蘆臺城區、七里海古海岸與濕地自然保護區、道教圣地天尊閣、國家級種豬繁育基地、于方舟故居、一汽大眾華北基地和齊心蘑法小鎮的預報準確率分別為38.52%、46.06%、34.81%、34.63%、46.13%、49.26%和36.81%，七里海古海岸與濕地自然保護區、于方舟故居和一汽大眾華北基地相對其他地區，預報準確率較高，在 46%以上，而道教圣地天尊閣和國家級種豬繁育基地準確率低于 35%。值得注意的是，夜間不同地區預報準確率的差異明顯，于方舟故居的夜間準確率明顯高一些，而道教圣地天尊閣的準確率下降到低谷。

圖5 一體化平臺風向各站平均預報準確率隨時間的變化(誤差為±22.5°)Fig.5 Variation of average accuracy of TIPTOPwind direction prediction with time(error ±22.5°)

2.4 風速檢驗

2.4.1 相關系數

一體化平臺對風速預報的相關系數不高，相比溫、濕度要素，各站風速預報與實況的相關系數為負值的情況明顯增多。在蘆臺城區、于方舟故居和齊心蘑法小鎮等地的平均相關系數相對較小，分別為0.065、0.015和0.063，一汽大眾華北基地的平均相關系數較大，也僅為0.353。

2.4.2 平均絕對誤差和平均誤差

分析逐小時風速格點預報的平均絕對誤差和平均誤差的分布，可以發現各代表站平均絕對誤差隨時間的變化趨于一致，多數站點預報值的平均絕對誤差都在1～2m/s之間。從風速平均誤差來看，一體化平臺對風速的預報總體偏高1～2m/s。對比分析7個代表站，24小時內道教圣地天尊閣和齊心蘑法小鎮的平均絕對誤差明顯高出其他地點約 0.5m/s，國家級種豬繁育基地的平均絕對誤差最低，為 1.5m/s；于方舟故居夜間的平均絕對誤差和平均誤差都較小，但白天段預報的絕對誤差和平均誤差都明顯增加。

3 結 論

本文使用寧河區 7個格點秋季的逐小時實況資料，對天津一體化平臺逐小時氣溫、相對濕度、風向、風速要素格點預報進行檢驗評估，得到以下結論：

①一體化平臺對秋季 2m氣溫的變化趨勢預報很好，預報準確率較高，1℃誤差的準確率為 0.2～0.8，2℃誤差的準確率為 0.6～1.0。24小時內格點預報性能與預報時長無明顯關系。秋季的氣溫預報平均偏低，尤其是在日出到午后時段。

②一體化平臺對相對濕度變化趨勢的預報較好，總體來說相對濕度的預報值比實況略低，在午后到日落時段的預報與實況最接近，預報準確率可達到80%～90%。24小時預報時效內，風向預報準確率在33%～59%之間；風速的預報總體比實況偏高 1～2m/s，平均絕對誤差在1.6m/s左右。

③一體化平臺對不同區域的不同要素預報性能存在差別，總體來說寧河區東部到南部地區的蘆臺城區、七里海古海岸與濕地自然保護區到一汽大眾華北基地一線的預報性能相對較好，對一汽大眾華北基地的預報最為準確；而對西部到北部地區的預報性能相對較差，對齊心蘑法小鎮的預報準確性最差。