陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報系統(tǒng)(秦智)在佛坪的檢驗

董蒼鵬，趙 磊

(1.佛坪縣氣象局，陜西佛坪 723400；2.鎮(zhèn)巴縣氣象局，陜西鎮(zhèn)巴 723600)

研究型業(yè)務(wù)建設(shè)是中國氣象局2019年一項重大工作部署，是對2018年中國氣象局黨組集約化業(yè)務(wù)建設(shè)成果的進(jìn)一步落實，是要通過研究型業(yè)務(wù)建設(shè)實現(xiàn)氣象業(yè)務(wù)更高質(zhì)量發(fā)展，其內(nèi)涵是要以科技創(chuàng)新驅(qū)動業(yè)務(wù)發(fā)展，以業(yè)務(wù)需求牽引科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，形成觀測自動、預(yù)報智能、服務(wù)智慧的新時代氣象業(yè)務(wù)體系[1]。在研究型預(yù)報業(yè)務(wù)建設(shè)中，通過檢驗和訂正網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品，優(yōu)化網(wǎng)格預(yù)報本地訂正閾值，進(jìn)一步提升網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)的預(yù)報能力和業(yè)務(wù)質(zhì)量。目前世界多個國家已建立形成多個無縫隙精細(xì)化網(wǎng)格氣象預(yù)報模式與系統(tǒng)[2]，國內(nèi)北京、上海、廣東、福建等地已經(jīng)初步建立格點化預(yù)報業(yè)務(wù)體系[3]。陜西省氣象局依據(jù)業(yè)務(wù)需求建立了陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報系統(tǒng)(秦智)(下簡稱秦智系統(tǒng))，該系統(tǒng)自2018年投入業(yè)務(wù)使用以來，增加了多個應(yīng)用模塊，完善了各項預(yù)報、監(jiān)測、服務(wù)功能，為市縣級的預(yù)報工作提供了指導(dǎo)作用。秦智系統(tǒng)采用了模式動態(tài)交叉最優(yōu)要素預(yù)報(dynamic cross element forecast，簡稱DCOEF)方法，形成了一套全要素網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品[4]。目前，全省市縣級預(yù)報主要借助于秦智系統(tǒng)，因此對秦智系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)報準(zhǔn)確率檢驗對于提高本地預(yù)報準(zhǔn)確性和服務(wù)質(zhì)量有重要意義。依托研究型業(yè)務(wù)工作的開展，佛坪縣氣象局作為全省研究型業(yè)務(wù)建設(shè)試點單位率先開展了秦智系統(tǒng)溫度和降水精細(xì)化格點預(yù)報的檢驗并得到了初步的檢驗結(jié)論。

1 資料選取與方法

佛坪縣有1個國家級自動站和9個區(qū)域站(圖1)。使用資料為2019年1月1日至10月31日10個站點的逐日最高氣溫、最低氣溫、日降水量觀測數(shù)據(jù)，每日14時至15時使用秦智系統(tǒng)解析應(yīng)用模塊中配置模板保存預(yù)報數(shù)據(jù)，模板中配置有秦智系統(tǒng)對當(dāng)日20時至次日20時的最高氣溫、最低氣溫、天氣現(xiàn)象的預(yù)報數(shù)據(jù)。預(yù)報模板中通過臺站號和經(jīng)緯度定位了站點位置，確保預(yù)報位置與實況觀測位置處于同一經(jīng)緯度上，這一方法克服了傳統(tǒng)的使用空間插值方法對觀測和預(yù)報進(jìn)行對比存在的缺陷，傳統(tǒng)的空間插值方法對站點分布密度及所處地形、海拔高度、季節(jié)變化依賴很大，在平原地區(qū)插值效果較好，在高原山區(qū)插值效果較差[5-8]。

圖1 佛坪檢驗站點分布圖

1.1 溫度檢驗方法

對溫度預(yù)報結(jié)果開展平均誤差(TME)檢驗、平均絕對誤差(TMAE)檢驗、均方根誤差(TRMSE)檢驗、≤1 ℃和≤2 ℃的預(yù)報準(zhǔn)確率(Tk)檢驗[9]。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，F(xiàn)i為某站第i天預(yù)報溫度，Oi為該點第i天實況溫度，N為預(yù)報總天數(shù)，k為1、2，分別代表絕對誤差≤1 ℃和2 ℃，Nk為絕對誤差≤1 ℃或2 ℃時預(yù)報正確的天數(shù)。

1.2 降水檢驗方法

對降水預(yù)報進(jìn)行晴雨(雪)的TS評分(TS)、空報率(FAR)、漏報率(PO)、命中率(POD)檢驗[9]。

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，NA為預(yù)報正確次數(shù)，NB為空報次數(shù)，NC為漏報次數(shù)。

2 氣溫檢驗

2.1 誤差分析

秦智系統(tǒng)20時最高氣溫24 h預(yù)報誤差見表1。平均誤差龍草坪和茱萸園為負(fù)值，其余站點為正值。其中平均誤差最大值為大河壩1.64 ℃，絕對誤差最大值為茱萸園2.59 ℃，均方根誤差最大值為石墩河3.72 ℃。≤1 ℃的準(zhǔn)確率最高為佛坪35.3%，最低為茱萸園20.3%。≤2 ℃的準(zhǔn)確率最高為佛坪54.7%，最低為茱萸園42.3%。總體上最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最低的是岳壩和茱萸園。

表1 2019-01-01—2019-10-31陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報系統(tǒng)(秦智)日最高氣溫在佛坪地區(qū)的檢驗

秦智系統(tǒng)20時最低氣溫24 h預(yù)報誤差見表2。平均誤差佛坪、岳壩和龍草坪為負(fù)，其余站點為正。其中平均誤差最大為西岔河為0.7 ℃，絕對誤差最大為龍草坪1.66 ℃，均方根誤差最大為十畝地2.31 ℃。≤1 ℃的準(zhǔn)確率最高為岳壩63.2%，最低為龍草坪36.9%。≤2 ℃的準(zhǔn)確率最高為岳壩86.6%，最低為茱萸園70.1%。總體上最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最低的是龍草坪和茱萸園。

通過以上誤差分析可以看出，總體來說秦智系統(tǒng)在佛坪地區(qū)的日最低氣溫的預(yù)報準(zhǔn)確率高于日最高氣溫，誤差≤2 ℃的平均準(zhǔn)確率日最高氣溫51.6%，日最低氣溫79.8%，平均絕對誤差日最高氣溫2.4 ℃，日最低氣溫1.3 ℃，說明秦智系統(tǒng)DCOEF方法對佛坪地區(qū)的氣溫預(yù)報有具有較強的指導(dǎo)作用。

表2 2019-01-01—2019-10-31陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報系統(tǒng)(秦智)日最低氣溫在佛坪地區(qū)的誤差

從站點分析來看，最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最低的是茱萸園和岳壩，最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最低的是龍草坪和茱萸園。此三站均在北部山區(qū)海拔1 000 m以上，說明地形因素對溫度預(yù)報的準(zhǔn)確性有一定影響，氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率與海拔高度呈負(fù)相關(guān)[10]。

2.2 準(zhǔn)確率月變化

圖2為日最高氣溫誤差≤1 ℃和2 ℃、日最低氣溫誤差≤1 ℃和2 ℃的準(zhǔn)確率月變化。最高氣溫準(zhǔn)確率最低的月份依次是5、6、9月。分析原因可能是5、6月強對流天氣多發(fā)，9月連陰雨持續(xù)時間較長，天氣形勢復(fù)雜影響預(yù)報準(zhǔn)確性，降水導(dǎo)致日最高氣溫預(yù)報偏高。最低氣溫準(zhǔn)確率最低的月份是1月和4月，分析原因可能是1月冷空氣活動較頻繁，4月冬春交接時節(jié)冷暖空氣比較活躍，氣溫起伏較大，影響數(shù)值預(yù)報的穩(wěn)定性[11]。

圖2 2019年1—10月陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報系統(tǒng)(秦智)溫度預(yù)報準(zhǔn)確率月變化

3 降水檢驗結(jié)果

3.1 晴雨檢驗

圖3為2019年1—10月秦智系統(tǒng)20時24 h站點晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率對比。TS評分最高的三個站分別是栗子壩66.7%、佛坪63.9%、茱萸園62.6%，最低的三個站分別是龍草坪56.3%、岳壩56.4%、大河壩56.9%；空報率最高的三個站分別是石墩河33.1%、西岔河32.8%、十畝地32.8%，最低的三個站分別是茱萸園24.3%、栗子壩25.4%、陳家壩27.6%；漏報率最高的三個站分別是岳壩27.4%、陳家壩26.9%、龍草坪26.4%，最低的三個站分別是栗子壩13.7%、佛坪14.1%、十畝地18.8%；命中率最高的三個站分別是栗子壩86.3%、佛坪85.9%、十畝地81.3%，最低的三個站分別是岳壩72.6%、陳家壩73.1%、龍草坪73.6%。綜合來看，晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率最高的是栗子壩和佛坪，最差的是岳壩和龍草坪。晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率最低的站點與氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最低的站點有重合，且均為北部山區(qū)高海拔站點，說明預(yù)報準(zhǔn)確率受地形影響較大[12]。

圖3 2019年1—10月陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報系統(tǒng)(秦智)24 h晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率站點對比

圖4為2019年1—10月秦智系統(tǒng)20時24 h晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率月變化。TS評分最高的月份是10月為85.9%，最低的月份是4月為37.4%，其原因可能是因為10月天氣形勢穩(wěn)定，降水較多，預(yù)報難度較低，4月季節(jié)交替，冷暖空氣活動頻繁，陣性降水較多不易把握；空報率最高的是4月為54.5%，最低的是1月為5.0%，分析原因1月降水過程很少且降水多為過程性降水，容易把握；漏報率最高的是4月為54.8%，最低的是8月為1.0%，其原因可能是因為8月中下旬為伏旱期，降水次數(shù)少不易漏報；成功率最高的是8月為99.1%，最低的是3月為50.6%。總體來看，晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率最高的月份是10月，最低的是4月。

圖4 2019年1—10月陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報系統(tǒng)(秦智)24 h晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率

3.2 暴雨預(yù)報準(zhǔn)確性檢驗

對秦智系統(tǒng)20時24 h、48 h、72 h暴雨預(yù)報進(jìn)行準(zhǔn)確性檢驗，計算其暴雨預(yù)報的TS評分、空報率、漏報率和命中率。通過在秦智系統(tǒng)“解析應(yīng)用”模塊查詢4—9月每天24 h、48 h、72 h格點降雨量預(yù)報，與實況降雨量進(jìn)行對比檢驗，檢驗站點為佛坪縣內(nèi)15個氣象站。假如秦智系統(tǒng)在佛坪縣內(nèi)報了暴雨，實況只要有一個或以上站點出現(xiàn)暴雨，則計為預(yù)報正確，否則即為空報；假如秦智在佛坪縣內(nèi)沒有預(yù)報暴雨，而實況只要有站點出現(xiàn)暴雨則計為漏報。

2019年佛坪地區(qū)出現(xiàn)了12次暴雨(實況)，秦智DCOEF方法20時24 h降水量預(yù)報在佛坪地區(qū)總共預(yù)報了9次暴雨，預(yù)報正確6次，漏報6次，空報3次；48 h降水量預(yù)報總共報了5次暴雨，預(yù)報正確2次，漏報10次，空報3次；72 h降水量預(yù)報總共報了4次暴雨，預(yù)報正確2次，空報2次，漏報10次。對24～72 h暴雨預(yù)報進(jìn)行準(zhǔn)確性檢驗結(jié)果如圖5。

圖5 2019-01-01—2019-10—31陜西智能網(wǎng)格氣象預(yù)報系統(tǒng)(秦智)DCOEF 20時暴雨預(yù)報準(zhǔn)確性檢驗

可以看到秦智在佛坪的暴雨預(yù)報不是很理想，24小時TS評分40%，命中率50%，且預(yù)報時效越長TS評分和命中率越低，空報率和漏報率越高。

4 結(jié)論與討論

(1)秦智在佛坪地區(qū)的日最低氣溫的預(yù)報準(zhǔn)確率高于日最高氣溫的預(yù)報準(zhǔn)確率，誤差≤2 ℃的平均準(zhǔn)確率日最高氣溫51.6%，日最低氣溫79.8%，平均絕對誤差日最高氣溫2.4 ℃，日最低氣溫1.3 ℃，說明秦智在佛坪地區(qū)的氣溫預(yù)報有具有較強的指導(dǎo)作用。

(2)氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率和晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率最低的三個站均在北部山區(qū)海拔1 000 m以上，說明地形因素對數(shù)值預(yù)報的準(zhǔn)確性有一定影響。

(3)最高氣溫準(zhǔn)確率最低的月份依次是6月、5月、9月，最低氣溫準(zhǔn)確率最低的月份是1月和4月；晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率最低的月份是4月，最高的是10月。

(5)暴雨預(yù)報24小時TS評分40%，命中率50%，且預(yù)報時效越長TS評分和命中率越低，空報率和漏報率越高。

(6)所選數(shù)據(jù)時間序列較短，后期應(yīng)加長統(tǒng)計數(shù)據(jù)的時間序列，提高檢驗結(jié)論的代表性，并通過檢驗得出訂正指標(biāo)應(yīng)運到實際預(yù)報中提高預(yù)報準(zhǔn)確率。