威寧縣鄉鎮最高最低氣溫分析與預報方法探討

蔡 軍,楊承梅,倪 妮,張玉逵,余 呂

(貴州省威寧縣氣象局，貴州 威寧 553100)

0 引言

隨著經濟社會的快速發展，人們對天氣預報的精細化準確度要求越來越高，因而天氣預報的加工制作正逐步向精細化方向拓展和延伸，鄉鎮氣溫的準確預報成為當前預報的重點[1]。為了更好地提高鄉鎮氣溫預報的準確率，許多專家學者做了研究和分析[2-7]。李佰平等[8]對EC模式地面氣溫預報運用4種誤差訂正方法進行比較研究，結果顯示4種方法都能有效地減小預報誤差。李莉等[9]利用統計學方法對T213降水預報進行修訂，取得了不錯的效果。王丹等[10]對EC模式在陜西春夏季氣溫預報性能方面做了評估，分析得出隨著預報時效的增加，模式的氣溫預報能力和穩定性呈波浪式下降。范蘇丹等[11]對山東氣溫預報的幾種數值產品進行對比分析，發現EC細網格對內陸最高最低氣溫預報的準確率最高。

由于威寧鄉鎮氣溫預報長期直接使用EC細網格模式2 m氣溫預報產品，發現預報值和實況隨季節存在不同程度的誤差，且大部分鄉鎮氣溫的預報值比實況相差較大。因此，本文利用2012年12月—2018年8月地面氣象觀測資料，運用加權最小二乘法分析國家站和部分區域站最高最低氣溫的相關性，模擬出相關方程，將訂正后的國家站預報氣溫代入方程，得出各鄉鎮氣溫的預報值，這將為預報員在日常鄉鎮氣溫預報工作中提供有效的預報方法，對提高威寧縣各鄉鎮氣溫預報的準確性有重要意義。

1 資料和方法

本文所用資料為2012年12月1日—2018年8月31日威寧縣國家站和52個區域站的逐日最高最低氣溫觀測資料。利用統計學方法[12]分析威寧縣季平均最高最低氣溫的分布及其變化情況，為了減小異常點(偏離總體分布的點)的影響，通過加權最小二乘法得出國家站與各鄉鎮最高最低氣溫的擬合方程，并使用2017年9月1日—2018年8月31日的逐日最高最低氣溫資料對方程的預報效果進行檢驗。溫度預報的準確率參照預報值與實況值的誤差≤|2|℃。

2 各鄉鎮最高最低氣溫分布

威寧縣位于貴州省西北部高寒山區，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，全縣面積達6 295 km2，平均海拔高度為2 200 m，是貴州省面積最大、海拔最高的縣，面積大、海拔高度差異明顯的地理特征導致各鄉鎮氣溫參差不齊(圖1)。國家站年平均氣溫10.6 ℃，年平均最高氣溫16.5 ℃，年平均最低氣溫7.1 ℃，最熱月為7月，最冷月為1月，且具有年溫較差小、日溫差較大的特點。

從圖2看出，威寧縣最低氣溫在四季中存在穩定的低值中心和高值中心，低值中心主要位于威寧縣中部以北(雪山鎮、迤那鎮、觀風海鎮為主，大致呈“U”字型)和梅花山一線，高值中心主要位于東南部(東風、二塘、猴場、龍場、金斗、金鐘、幺站等鄉鎮的部分區域)和西北部邊緣地區(玉龍、中水等鄉鎮)。最低氣溫的高、低值范圍隨季節沒有明顯的差異，其分布大致相同。

從圖3看出，威寧縣最高氣溫在四季中只存在穩定的高值中心，主要位于東南部(東風、二塘、猴場、龍場、金斗、金鐘、幺站等鄉鎮的部分區域)、西北部邊緣地區(玉龍、中水等鄉鎮)和哈喇河鄉。最高氣溫的分布隨季節有明顯變化，春、夏、秋季的分布大致相同，雪山鎮至觀風海鎮東南部一線、梅花山一線、幺站鎮與雙龍鄉交界處、海拉鄉、鹽倉鎮為低值中心，但在冬季，原位于雪山鎮至觀風海鎮東南部一線的低值中心轉至北部邊緣地區(石門鄉、云貴鄉為主)。

圖3 各鄉鎮春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均最高氣溫分布(單位：℃)Fig.3 Distribution of mean maximum temperature in spring(a), summer(b), autumn(c) and winter(d) of each town (unit: ℃)

根據圖2和圖3最高最低氣溫分布情況，結合圖1，發現春、夏、秋季的最高最低氣溫和冬季的最低氣溫分布與地形基本一致，即低值與高值中心對應山脈與河谷地帶，說明該時段氣溫的變化主要受海拔高度的影響。冬季的最高氣溫卻略有調整，造成冬季的最高氣溫與其他時期氣溫分布不一致的主要原因是威寧縣冬季還受滇黔靜止鋒影響，滇黔靜止鋒在威寧縣多以東北—西南走向來回擺動，夜間冷空氣加強將靜止鋒推出威寧縣到云南曲靖，白天暖空氣加強又將靜止鋒推回威寧縣，以靜止鋒為界，威寧縣受兩個不同性質的氣團控制，不同環境下影響氣溫變化的主要因素也有所區別，峰前偏暖(海拔高度影響為主)，峰后偏冷(冷空氣強度影響為主)，形成冬季最高氣溫分布多為南暖北冷的特點。

3 各鄉鎮氣溫預報模型建立

由于各鄉鎮安裝多個自動站，在分析國家站和各鄉鎮氣溫的相關性上，選取距鄉鎮行政中心最近的自動站來代表該鄉鎮的氣溫。對國家站和各區域站的氣溫資料進行預處理，使其在相同時段的氣溫數據匹配。

利用2012年12月1日—2018年8月31日威寧縣國家站和33個區域站的資料，通過加權最小二乘法得出國家站與各鄉鎮區域站最高最低氣溫的擬合方程(表1～表4，分別為春、夏、秋、冬季威寧縣國家站與部分鄉鎮區域站最高最低氣溫的相關方程)，并通過顯著性檢驗(α=0.05)，同時計算出方程的相關系數(r的范圍：0.70～0.99，表略)。

表1 春季威寧縣國家站與部分鄉鎮區域站最高最低氣溫相關方程Tab.1 Relative equations of maximum and minimum temperature for national station and town regional stations in spring

表2 夏季威寧縣國家站與部分鄉鎮區域站最高最低氣溫相關方程Tab.2 Relative equations of maximum and minimum temperature for national station and town regional stations in summer

表3 秋季威寧縣國家站與部分鄉鎮區域站最高最低氣溫相關方程Tab.3 Relative equations of maximum and minimum temperature for national station and town regional stations in autumn

表4 冬季威寧縣國家站與部分鄉鎮區域站最高最低氣溫相關方程Tab.4 Relative equations of maximum and minimum temperature for national station and town regional stations in winter

4 相關性分析及典型測站預報檢驗

4.1 相關系數分析

相關系數顯示出國家站與各鄉鎮氣溫存在不同程度的正相關關系，從表5看出，根據相關系數等級劃分，各區域站的最高最低氣溫與國家站的相關性存在季節性差異，總體呈高度相關最多，顯著相關次之，中度相關最少。四季中最低氣溫的高度相關占75.8%，顯著相關占21.2%，中度相關占3%；最高氣溫的高度相關占68.2%，顯著相關占28.8%，中度相關占3%。秋季的顯著相關最多，冬季的中度相關最多，說明對秋季的預報效果最好，冬季最差，在實際預報業務工作中得到了印證。

表5 各季節中各鄉鎮最高最低氣溫方程的相關系數等級分布Tab.5 Grade distribution of correlation coefficients of the highest and lowest temperature equation in each town and each season

4.2 典型方程預報檢驗

本文將修訂后的國家站最高最低預報氣溫作為預報因子，各鄉鎮最高最低預報氣溫作為預報量，33個鄉鎮(264個方程)中選取相關系數最高和最低的方程作為檢驗對象，分別是秋季鹽倉站的最低氣溫(r=0.99)和冬季茶山站的最低氣溫(r=0.70)。將當日的預報因子(基于每日08時起報的EC細網格模式2 m氣溫逐3 h最高最低預報值訂正)代入方程，得出的預報結果將與次日實況值進行比較。

從圖4a看出，鹽倉站預報值和真實值的差距顯得小，少數真實值超出置信區間范圍，說明總體預報效果良好但仍存在預報值和真實值差距較大的情況，出現預報效果差的情況主要原因是預報因子自身是一個經過修訂的預報值，存在誤差性。36.7%的預報值低于真實值，63.3%的預報值高于真實值，預報值較真實值總體以偏高居多。從圖4b看出，94.4%的誤差在±2 ℃以內，5.6%的誤差超過該范圍，誤差范圍在±1 ℃的占86.7%。最大誤差為-3.4 ℃(負號表示預報值大于真實值)，最小誤差為0 ℃，平均誤差為-0.4 ℃。

從圖5a看出，茶山站預報值與實況值的差距比鹽倉站有小范圍加大，同樣有少數實況值超出置信區間范圍。52.2%的預報值低于實況值，47.8%的預報值高于實況值。從圖5b看出，76.7%的誤差在±2 ℃以內，23.3%的誤差超過此范圍，誤差范圍在±1 ℃的占47.8%。最大誤差為-8.1 ℃，最小誤差為0 ℃，平均誤差為-0.6 ℃。

圖4 秋季鹽倉站最低氣溫預報值與實況值對比(a)和誤差散點分布(b)(單位：℃)Fig.4 The comparison between the predicted and observed minimum temperature values at Yancang in autumn (a) and the error scatter distribution (b) (unit: ℃)

圖5 冬季茶山站最低氣溫預報值與實況值對比(a)和誤差散點分布(b)(單位：℃)Fig.5 The comparisons between the predicted and observed minimum temperature values at Chashan in winter (a) and the error scatter distribution (b) (unit: ℃)

對其他方程做上述分析(圖略)，發現用方程得出的各鄉鎮氣溫預報值比直接用EC模式的預報值準確率更高。隨著相關系數的減小，預報準確率相應降低，誤差范圍對應增大，預報準確率的高低與相關系數的變化具有一致性，如鹽倉站的相關系數為0.99，其預報準確率為94.4%；茶山站的相關系數為0.70，其預報準確率為76.7%。因此，相關系數能較好地反映出方程的預報效果。

5 結論與討論

綜上分析，得到以下結論：

①威寧縣在四季中，最低氣溫存在穩定的低值中心和高值中心，低值中心主要位于威寧縣中部以北和梅花山一線，高值中心主要位于東南部和西北部邊緣地區；最高氣溫只存在穩定的高值中心，主要位于東南部、西北部邊緣地區和哈喇河鄉。

②春、夏、秋季的最高最低氣溫和冬季的最低氣溫分布與地形基本一致，同時該時段氣溫的變化主要受海拔高度的影響。冬季的最高氣溫分布與其他季節氣溫分布不一致的主要原因是冬季的最高氣溫還受滇黔靜止鋒的影響，以靜止鋒為界，受兩個不同性質的氣團控制，峰前偏暖(海拔高度影響為主)，峰后偏冷(冷空氣強度影響為主)。

③用方程得出的各鄉鎮最高最低氣溫的預報值比直接用EC模式的預報值準確率更高。隨著相關系數的減小，預報準確率相應降低，誤差范圍對應增大，預報準確率的高低與相關系數的變化具有一致性。

本文主要是從數理角度出發，并未對影響各鄉鎮氣溫變化的其他因素進行分析，如海拔高度、冷暖空氣強度等，造成了冬季最高氣溫的預報效果仍存在較大不足。同時，為增強方程的穩定性，減少了對異常點的分析，對相關性之外的氣溫預報還有缺陷。因此，利用方程預報各鄉鎮最高最低氣溫的結果并結合影響氣溫變化的其他因素進行綜合分析將是下一步氣溫預報的重點。