EC細網(wǎng)格10 m風場產(chǎn)品在渤、黃海海域的預報能力檢驗與評估

連喜虎，劉桂艷，高松，王彬，白志鵬

（1.國家海洋局北海預報中心，山東青島266033；2.中國人民解放軍61741部隊，北京100083）

1 引言

海上大風是引起海洋災害的重要原因之一。海浪和風暴潮的預報準確度在很大程度上依賴于海面風場的預報能力，因此海面風場的準確預報是海洋防災減災的基礎工作。提高海面風的預警報能力, 尤其是大風預報精確度, 對避免或減少海上大風災害有重要意義。早期學者對海上大風的預報主要通過經(jīng)驗預報和統(tǒng)計預報[1-6]。隨著數(shù)值預報技術的發(fā)展、數(shù)值預報產(chǎn)品的豐富和改進以及計算機能力的提高，高分辨率的數(shù)值預報產(chǎn)品和先進的數(shù)值釋用方法已成為近年來的研究熱點，并取得了一定的成果[7-10]。歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的大氣模式確定性預報產(chǎn)品是高時空分辨率的氣象數(shù)值預報資料[11-12]（以下簡稱“EC細網(wǎng)格”）。該模式使用了先進的四維變分同化系統(tǒng)，預報產(chǎn)品精確度較高。目前已有學者對EC 細網(wǎng)格數(shù)值預報資料中的降水、氣溫以及海面風等氣象要素進行了詳盡的檢驗和分析[13-14]。例如方艷瑩等[15]針對不同天氣系統(tǒng)下EC 細網(wǎng)格對浙江沿海10 m 風預報性能進行了評估，指出預報場和觀測站點的相關性與站點地理位置、海拔高度及地形等都有較大關系；吳俞等[16]對EC 細網(wǎng)格10 m 風場在南海的預報能力進行了檢驗，并詳細分析了南海4 個海島站的風速預報偏差；楊亦萍等[17]利用EC細網(wǎng)格對不同天氣形勢下影響浙江臺風的路徑預報進行了詳細評估；萬瑜等[18]利用EC細網(wǎng)格數(shù)值預報產(chǎn)品對一次東南大風過程進行診斷分析和預報釋用，發(fā)現(xiàn)細網(wǎng)格資料在預報時空的分辨率和預報性能等方面均有提高，提高了預報的準確性，對東南大風預報具有指示意義。但是目前針對EC 細網(wǎng)格10 m風場數(shù)據(jù)在渤、黃海海域的預報能力檢驗與評估工作尚不多見。

隨著計算機技術和數(shù)值預報技術的發(fā)展，為廣大預報員提供的數(shù)值預報產(chǎn)品越來越多，EC細網(wǎng)格數(shù)值預報是目前預報員使用的主要數(shù)值預報產(chǎn)品之一。為了更好地開展黃、渤海海面風的預報服務，提高該海域海面風的預報水平，本文擬對EC 細網(wǎng)格的10 m 風場在黃、渤海海域的預報能力進行初步檢驗與評估，充分發(fā)揮數(shù)值預報產(chǎn)品在海洋預報服務中的作用，以期為做好海上風場預報、保障廣大漁民及漁業(yè)生產(chǎn)安全，以及今后進一步開展海洋預報服務提供有價值的預報參考。

2 資料與方法

考慮到數(shù)據(jù)的連續(xù)性，本文選取2018 年1—12月的EC 細網(wǎng)格數(shù)據(jù)資料進行統(tǒng)計（EC 細網(wǎng)格數(shù)值預報產(chǎn)品分辨率為0.125°×0.125°，時間分辨率為3 h），檢驗10 m 風場數(shù)值預報產(chǎn)品在黃、渤海海域的預報準確度。觀測資料采用10 m 大型海洋觀測浮標觀測的10 m 風速和風向，數(shù)據(jù)通過嚴格質(zhì)量控制。選取渤海中部2 個（N01、N02）、渤海海峽1 個（N03）、黃海北部2 個（N04、N05）和黃海中部4 個（N06、N07、N08、N09）浮標共計9 個海上大型浮標觀測的10 m風速和風向數(shù)據(jù)（站位見圖1），與EC細網(wǎng)格10 m 風速和風向數(shù)值預報產(chǎn)品進行直接對比，并利用雙線性插值法將EC 細網(wǎng)格數(shù)據(jù)插值到觀測站點進行誤差統(tǒng)計。誤差統(tǒng)計方法如下：

圖1 站位示意圖（其中渤海中部浮標在A區(qū)，渤海海峽浮標在B區(qū)，黃海北部浮標在C區(qū)，黃海中部浮標在D區(qū)）

式中：doi為檢驗海域?qū)崪y的海面10 m風速；dfi為檢驗海域預報的海面10 m風速；N為檢驗樣本數(shù)。

3 誤差分析

3.1 風速預報誤差分析

將EC 細網(wǎng)格預報的24 h、48 h 和72 h 的10 m風場資料插值到9個浮標站與實測風速進行對比分析。利用箱線圖能直觀體現(xiàn)不同預報時效下EC 細網(wǎng)格10 m 風場數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)預報偏差的離散程度和數(shù)據(jù)的集中趨勢（見圖2）。各浮標站的風速24 h預報偏差中位數(shù)在0.11～0.52 m/s之間（表略），預報風速比實際風速略偏大。黃海中部浮標（N07、N08、N09）24 h 預報偏差離散度最小且風速偏差的中位數(shù)接近0，渤海浮標（N01、N02）預報偏差離散度較大。同時，各浮標站預報偏差離散度隨著預報時效的增長而不斷增大，且48 h 和72 h 預報大于24 h 預報偏差。從以上分析可以看出，EC 細網(wǎng)格24 h 預報的10 m 風速在黃、渤海海區(qū)預報結(jié)果總體略偏大，但在黃海中部預報效果優(yōu)于渤海及黃海北部海區(qū)，隨著預報時效的增大，預報偏差離散度增大。

圖2 EC細網(wǎng)格24 h、48 h和72 h預報的10 m風速與各浮標站實測風速預報偏差箱線圖（箱中黑色實線代表預報偏差中位數(shù)；箱中的中位數(shù)代表數(shù)據(jù)的集中趨勢；箱子長短和虛線長短代表數(shù)據(jù)的離散程度）

為了進一步對比分析EC細網(wǎng)格預報的10 m 風速與實測風速，圖3 給出了24 h 預報和觀測的散點圖及相關系數(shù)、相對誤差和均方根誤差。由圖中可以看出，除渤海的N01浮標外，EC細網(wǎng)格預報的24 h 10 m 風速和實測風速的相關系數(shù)均達到0.85 及以上，相關性較好。黃海中部浮標N08 和N09 的24 h預報與觀測風速相關系數(shù)最大，分別為0.9 和0.91。各浮標站24 h預報的10 m 風速（本文只統(tǒng)計了不低于5級風的風速）相對誤差平均約為12%，均方根誤差平均約為1.63 m/s，其中黃海中部浮標N08和N09的相對誤差和均方根誤差最小，預報效果最好，這可能與該浮標站離岸線較遠、開闊海域受陸地海拔高度等要素影響較小有關。各浮標站的相對誤差和均方根誤差隨著預報時效的增長而增大，相關系數(shù)隨著預報時效的增長而減小。各浮標站48 h 預報的10 m 風速相對誤差平均約為14%，均方根誤差平均約為1.88 m/s；72 h 預報的10 m 風速相對誤差平均約為16%，均方根誤差平均約為2.11 m/s（圖略）。總體而言，EC 細網(wǎng)格預報的10 m 風速在渤海和黃海海域預報效果較好，可以為該海域的風速預報訂正提供有價值的參考。

圖3 各浮標站24 h預報風速和實測風速散點圖、相對誤差、均方根誤差和相關系數(shù)

圖4 為各浮標站不同風速等級下EC細網(wǎng)格24 h預報數(shù)據(jù)的均方根誤差和平均偏差。表1為不同風速等級條件下的有效樣本數(shù)。由圖4 可以看出，各浮標站在5 級風時均方根誤差和平均偏差最小，平均偏差約為0.07 m/s，均方根誤差約為1.41 m/s，而且有效樣本數(shù)在5 級風力下最多，平均約為730 個，這說明在5 級風速條件下的有效樣本離散程度最小；當風速＜5 級（8.0 m/s）時，各浮標站平均偏差均為正值，說明EC細網(wǎng)格對小于5級風風速的預報偏大；當風速＞5級（8.0 m/s）時,平均偏差變?yōu)樨撝担f明EC 對大于5 級風風速的預報偏小；當風速＞8 級時，平均偏差絕對值和均方根誤差隨著風速的增大而快速增大，這可能與有效樣本數(shù)太少有關，可信度需進一步驗證。圖5為風速平均偏差分布直方圖，從圖中可以看出，風速平均偏差分布多集中在-0.5～0.5 m/s 之間，其 次為-1.5～-0.5 m/s 和0.5～1.5 m/s之間。隨著預報時效的增長，不同風速等級下EC 細網(wǎng)格48 h 和72 h 預報數(shù)據(jù)的均方根誤差和平均偏差也隨之增大（圖略），與上文結(jié)論相同。

3.2 風向預報誤差分析

為了更全面地評估EC細網(wǎng)格預報的10 m 風場在黃、渤海海域的預報性能，圖6給出了不同浮標站EC 細網(wǎng)格24 h 預報的風向和觀測風向的頻率分布對比圖。從圖中可以看出，對于渤海和渤海海峽的浮標，N02浮標EC細網(wǎng)格預報風向與實測風向基本一致；N03 浮標預報的主導風向與實測風向相比略有差異，預報的主導風向為N，實測主導風向為NNE；N01 預報主導風向為NNE，次主導風向為SSW，實測主導風向為SSW，次主導風向S，這可能與該浮標離岸較近、受陸地影響較大有關。黃海海域的N04、N06和N09浮標預報的主導風向與實測

風向一致；N07 預報主導風向為SSE，實測主導風向為S；N08 浮標預報主導風向為S，次主導風向為NNE，實測主導風向為N，次主導風向為SSE；N05浮標預報主導風向和次主導風向分別為S 和N，實測主導風向和次主導風向分別為N 和SSW。48 h和72 h 預報的主導風向與24 h 預報的主導風向基本一致（圖略）。從以上分析可以看出，預報和實測風向概率分布雖然在數(shù)值上存在一定的差異，但分布形式基本一致。預報數(shù)據(jù)可以反映出實際風向的分布情況。

表1 各浮標站不同風速等級樣本數(shù)

圖4 各浮標站不同風速等級下EC細網(wǎng)格預報數(shù)據(jù)的均方根誤差和平均偏差

圖5 風速平均偏差分布直方圖

圖5 （續(xù)）

圖6 EC細網(wǎng)格10 m風向24 h預報結(jié)果與觀測風向的頻率分布

圖7給出了不同風速下24 h預報風向和實測風向的平均偏差分布。風向平均偏差統(tǒng)計方法參考吳俞等[16]，即以不同風速下的風向作為起點0°，偏于該風向左邊（逆時針方向）的為負值，變化范圍為-180°～0°，偏向右邊（順時針方向）的為正值，變化范圍為0°～180°。圖中可以看出，預報風向和實測風向的平均偏差基本集中在-45°～45°之間，風速越小，風向預報偏差樣本的離散度越大。相較而言，黃海的3個浮標（N07、N08、N09）風向預報偏差離散度最小，樣本最集中。圖8 為不同風向條件下24 h預報風向與實測風向的平均偏差。各向的24 h 預報風向平均偏差在-20°～12°之間，48 h和72 h各向風向平均偏差分別為-22°～14°和-20°～15之間（圖略），24 h預報風向結(jié)果優(yōu)于48 h和72 h。由圖中還可以看出，在實況為偏北向風時，風向平均偏差較大；實況為偏南向風時，風向平均偏差較少。這說明EC 細網(wǎng)格在渤海和黃海海域?qū)ζ舷蝻L預報效果較好。這可能是由于偏北向風時，海上浮標觀測的風向受北部陸地影響較大。

圖7 不同風速條件下24 h預報的風向預報偏差散點圖

圖8 不同風向條件下的風向預報平均偏差

4 結(jié)論

本文通過對2018 年1—12 月EC 細網(wǎng)格24 h、48 h 和72 h 的10 m 風速和風向數(shù)據(jù)進行檢驗，結(jié)論如下：

（1）EC 細網(wǎng)格24 h 預報的10 m 風速與各浮標站的實測風速預報偏差中位數(shù)在0.11～0.52 m/s 之間，預報的10 m 風速在黃、渤海海區(qū)預報結(jié)果總體略偏大，但在黃海中部預報效果優(yōu)于渤海以及黃海北部海區(qū)。隨著預報時效的增長，風速預報偏差變大。

（2）EC 細網(wǎng)格24 h 預報的10 m 風速與實測風速相關性較好，對比的9 個浮標站中有8 個站相關系數(shù)達到0.85 及以上。各浮標站24 h 預報的10 m風速相對誤差平均約為12%，均方根誤差平均約為1.63 m/s；48 h 預報的10 m 風速相對誤差平均約為14%，均方根誤差平均約為1.88 m/s；72 h 預報的10 m 風速相對誤差平均約為16%，均方根誤差平均約為2.11 m/s。48～72 h 預報各浮標站風速和實測風速誤差增大。總體而言，EC 細網(wǎng)格預報的10 m風速在渤海和黃海海域預報效果較好，可為該海域的風速預報訂正提供有價值的參考。

（3）不同風速條件下，EC 細網(wǎng)格的5 級風預報結(jié)果與實測風速最為接近，預報效果最好。預報和實測風向的平均偏差基本集中在-45°～45°之間，風速越小，風向預報偏差樣本的離散度越大。EC細網(wǎng)格對5 級風預報效果最好，其次為4 級和6 級風。EC 細網(wǎng)格對小于5 級風風速的預報偏大，對大于5級風風速的預報偏小；風速大于8級時，由于樣本數(shù)量有限，可信度需進一步驗證。各向的24 h 預報風向平均偏差在-20°～12°之間，48 h和72 h各向風向平均偏差分別為-22°～14°和-20°～15°之間，24 h預報風向結(jié)果優(yōu)于48 和72 h 預報風向。在實況為偏北向風時，風向平均偏差較大，實況為偏南向風時，風向平均偏差較少。

本文僅對EC細網(wǎng)格10 m 風速和風向的預報性能進行了初步研究，以期為日后進行的實際風速和風向的預報訂正和釋用提供有意義的參考。