四川省分縣延伸期預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賴 江 趙金鵬 王勁廷 蔣昌旭 王 慶

（1.四川省氣候中心（西南區(qū)域氣候中心），四川 成都 610072；2.四川省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)綜合信息中心，四川 成都 610072；3.巴塘縣氣象局，四川 甘孜 513335）

延伸期預(yù)報(bào)是指中期預(yù)報(bào)的延伸，它與中期預(yù)報(bào)在預(yù)報(bào)內(nèi)容方面一樣，但與長期預(yù)報(bào)（主要預(yù)報(bào)氣象要素的平均值和趨勢）不同。延伸期預(yù)報(bào)對于開展防災(zāi)減災(zāi)，提高極端氣候?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范能力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義，所以長期以來有著廣泛的服務(wù)需求。因延伸期預(yù)報(bào)時(shí)效超過了確定性預(yù)報(bào)理論上限，且預(yù)報(bào)對象時(shí)間尺度小于月和季，所以其是近20多年來國際大氣科學(xué)研究的難點(diǎn)。對此，國內(nèi)外氣象專家展開了多角度的研究，楊秋明對近些年來的延伸期預(yù)報(bào)研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)。

盡管天氣模式難以突破2周以上的預(yù)報(bào)時(shí)效，但并不意味著氣候模式在延伸期時(shí)段沒有預(yù)報(bào)能力。基于以上思路，國家氣候中心制作了基于CFSv2模式的逐日氣溫和降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品，有些省市制作了基于CFSv2或Derf2.0模式延伸期預(yù)報(bào)產(chǎn)品，相應(yīng)的延伸期預(yù)報(bào)平臺也相繼被建立。雖然此類預(yù)報(bào)平臺能夠提供基本的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，但也存在一定的不完善，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1）平臺未進(jìn)行數(shù)字化和網(wǎng)格化設(shè)計(jì)，致使制作的預(yù)報(bào)產(chǎn)品無法有效支撐市、區(qū)（縣）的業(yè)務(wù)；2）預(yù)報(bào)產(chǎn)品模式單一，在一定程度上導(dǎo)致預(yù)報(bào)體系不完整，無法滿足日益復(fù)雜的氣象業(yè)務(wù)需求；3）未建立完善的預(yù)報(bào)檢測機(jī)制，在只有預(yù)報(bào)結(jié)果的情況下，預(yù)報(bào)員無法評判預(yù)測結(jié)果的是否準(zhǔn)確。

四川省氣候中心充分考慮以上問題，并結(jié)合四川省氣象業(yè)務(wù)的實(shí)際情況，于2016年研發(fā)了分縣延伸期預(yù)測系統(tǒng)，系統(tǒng)制作基于CFSv2、Derf2.0的網(wǎng)格化延伸期預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并對預(yù)報(bào)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。自上線以來，運(yùn)行穩(wěn)定，有效支撐省、市、區(qū)（縣）三級的延伸期預(yù)測業(yè)務(wù)。本文詳細(xì)闡述了四川省分縣延伸期預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)功能及產(chǎn)品體系，分析了系統(tǒng)存在問題和不足，展望分縣延伸期系統(tǒng)和多元化產(chǎn)品服務(wù)未來完善方向。

1.系統(tǒng)技術(shù)路線

1.1 數(shù)據(jù)類型及獲取

系統(tǒng)主要包括五大類數(shù)據(jù)，即基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)測模式數(shù)據(jù)、預(yù)測產(chǎn)品數(shù)據(jù)和質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的背景和精細(xì)地形數(shù)據(jù)；氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)采集的四川各站點(diǎn)逐日氣象資料；預(yù)測模式數(shù)據(jù)指需要參考或參與集成運(yùn)算的延伸期預(yù)測模式數(shù)據(jù)；質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是采用Zs、Cs等檢驗(yàn)評分方法，對四川月內(nèi)強(qiáng)降水、強(qiáng)降溫過程預(yù)測效果進(jìn)行檢驗(yàn)評估的結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集入庫模塊，此模塊作為一個(gè)單獨(dú)運(yùn)行的后臺程序，采用多線程下載策略實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)下載。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集入庫模塊，此模塊作為一個(gè)單獨(dú)運(yùn)行的后臺程序，采用多線程下載策略實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)下載，該模塊包括管理、監(jiān)控、調(diào)度、執(zhí)行任務(wù)四個(gè)功能，其中任務(wù)管理功能主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與處理任務(wù)的瀏覽、配置、刪除、修改，任務(wù)配置的基本參數(shù)包括數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)目標(biāo)、處理參數(shù)以及自動(dòng)化運(yùn)行的時(shí)間和周期；任務(wù)監(jiān)控功能為數(shù)據(jù)管理員提供一個(gè)一站式自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集任務(wù)監(jiān)控工具，方便其查看所有數(shù)據(jù)采集任務(wù)的工作狀況；任務(wù)調(diào)度功能主要由后臺任務(wù)調(diào)度引擎根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間和周期設(shè)置參數(shù)定時(shí)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，收集任務(wù)執(zhí)行的信息；任務(wù)執(zhí)行功能是自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與處理模塊的核心功能，系統(tǒng)通過管理員或任務(wù)調(diào)度程序觸發(fā)某個(gè)采集任務(wù)后就進(jìn)入了任務(wù)執(zhí)行流程，包括獲取、預(yù)處理、規(guī)格化、存儲、更新數(shù)據(jù)及日志記錄等一系列子過程。

1.2 網(wǎng)格劃分方案

CFSv2、Derf2.0數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品的分辨率分別為0.9°×0.9°和1°×1°，對于精細(xì)化的預(yù)報(bào)需求，此兩種數(shù)值模式產(chǎn)品分辨率較粗，所以系統(tǒng)采用澳大利亞國立大學(xué)資源和環(huán)境研究中心研發(fā)的專用氣候數(shù)據(jù)空間插值軟件ANUSPLIN，將模式原始輸出結(jié)果插值到分辨率0.25°×0.25°的網(wǎng)格上。

1.3 站點(diǎn)預(yù)報(bào)方案

使用插值軟件ANUSPLIN，將CFSv2、Derf2.0兩種數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品結(jié)果插值到四川158個(gè)國家站上，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)劃定區(qū)域預(yù)報(bào)，即畫筆圈定區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)預(yù)報(bào)值的平均值。同時(shí)，系統(tǒng)提供CFSv2、Derf2.0等二種數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品的預(yù)報(bào)結(jié)果平均值，即集合站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

1.4 網(wǎng)格訂正方案

針對縣級氣象部門精細(xì)化預(yù)報(bào)需求，系統(tǒng)提供畫落區(qū)訂正、趨勢訂正等格點(diǎn)預(yù)報(bào)訂正功能。畫落區(qū)訂正主要是對畫筆圈定的區(qū)域內(nèi)格點(diǎn)值進(jìn)行調(diào)整、移動(dòng)、復(fù)制的操作：調(diào)整操作是對格點(diǎn)賦相同值（增加或者減少固定值）和增量（格點(diǎn)乘以該幅度值）；移動(dòng)操作主要是將畫定區(qū)域移動(dòng)到其他地方，原來的位置將利用外圍格點(diǎn)插值填充。趨勢訂正是指對預(yù)設(shè)或自定義區(qū)域內(nèi)代表站逐時(shí)次構(gòu)成的預(yù)報(bào)趨勢曲線進(jìn)行訂正，將各時(shí)段數(shù)據(jù)訂正百分率應(yīng)用到該區(qū)域所有格點(diǎn)，預(yù)報(bào)趨勢曲線訂正的方式有兩種，即移動(dòng)曲線節(jié)點(diǎn)調(diào)整曲線形態(tài)和曲線空處劃動(dòng)鼠標(biāo)調(diào)整曲線形態(tài)。

1.5 預(yù)測檢驗(yàn)方案

針對站點(diǎn)預(yù)報(bào)結(jié)果，采用趨勢異常綜合評分（Ps）、符號一致率（Pc）、Zs等檢驗(yàn)評分方法對四川月內(nèi)強(qiáng)降水、強(qiáng)降溫過程預(yù)測效果檢驗(yàn)評估，生成逐旬評分表格。Ps方法主要考慮預(yù)報(bào)的趨勢項(xiàng)、異常項(xiàng)和漏報(bào)項(xiàng)；Pc方法統(tǒng)計(jì)逐月逐站（四川158站）氣溫、降水分別0.5和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差分布情況，并將其轉(zhuǎn)化為降水和氣溫距平百分率；Zs方法主要考核強(qiáng)降水過程預(yù)測是否準(zhǔn)確，不嚴(yán)格考核過程降水強(qiáng)度（量級），該評分方法針對強(qiáng)降水過程預(yù)測正確、空報(bào)、漏報(bào)的天數(shù)進(jìn)行評分。

2.系統(tǒng)功能展示

四川省分縣延伸期預(yù)測系統(tǒng)基于J2EE技術(shù)框架，以CFSv2和DERF2.0數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品為依托，運(yùn)用插值軟件ANUSPLIN生成0.25°×0.25°格點(diǎn)和站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)瀏覽、格點(diǎn)預(yù)報(bào)、分縣預(yù)報(bào)、預(yù)報(bào)測評及產(chǎn)品展示等功能模塊。下面對系統(tǒng)的重點(diǎn)模塊進(jìn)行介紹：

2.1 格點(diǎn)預(yù)報(bào)模塊

格點(diǎn)預(yù)報(bào)模塊實(shí)現(xiàn)不同模式數(shù)據(jù)在指定起報(bào)時(shí)間、預(yù)報(bào)時(shí)效下的降水和氣溫格點(diǎn)展示及數(shù)據(jù)訂正功能，圖1展示了格點(diǎn)預(yù)報(bào)界面。如圖所示，格點(diǎn)預(yù)報(bào)界面分為菜單欄（左側(cè)）、結(jié)果顯示（中間）和落區(qū)訂正工具欄（右側(cè)）三部分。菜單欄可進(jìn)行預(yù)測模式資料、預(yù)測要素、預(yù)測時(shí)效和顯示方式的選擇，其中預(yù)測模式資料包括CFSv2和Derf2.0兩種，選取不同的預(yù)測模式資料，對應(yīng)展現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并可對模式數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正操作；預(yù)測要素則是選定的預(yù)測模式展現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型，包括“氣溫”和“降水”兩種；預(yù)測時(shí)效是起報(bào)日期的第幾天，系統(tǒng)根據(jù)起報(bào)日期自動(dòng)生成未來1～30逐日日期。顯示方式則是控制頁面中部的結(jié)果顯示形式，包括填值、填色、等值線、色板圖、站點(diǎn)、白化和動(dòng)畫等顯現(xiàn)。

圖1 基于CFSv2模式的降水量格點(diǎn)預(yù)報(bào)圖

2.2 分縣預(yù)報(bào)

圖2 展示的分縣氣溫、降水預(yù)報(bào)界面，包括導(dǎo)航欄（左側(cè)）和結(jié)果顯示欄（右側(cè)）兩部分。導(dǎo)航欄包括逐日預(yù)報(bào)和強(qiáng)降水強(qiáng)降溫預(yù)報(bào)，其中逐日預(yù)報(bào)可查看各縣域內(nèi)30日內(nèi)國家站氣溫（降水）預(yù)測結(jié)果，強(qiáng)降水強(qiáng)降溫預(yù)報(bào)則可查看各縣域內(nèi)30日內(nèi)國家站監(jiān)測到的氣溫（降水）過程及時(shí)長。

圖2 分縣逐日氣溫預(yù)報(bào)界面

2.3 產(chǎn)品展示

四川省分縣延伸期預(yù)測系統(tǒng)提供格點(diǎn)和站點(diǎn)兩種預(yù)報(bào)產(chǎn)品。圖3為基于CSF模式預(yù)測結(jié)果產(chǎn)品展示圖，頁面左上角可以選擇起報(bào)日期、預(yù)測要素（氣溫、降水）、時(shí)間要素（天、候、旬），待預(yù)測條件選定后，預(yù)測結(jié)果將以空間格點(diǎn)形式在地圖上展示。點(diǎn)擊地圖上某個(gè)區(qū)域，右側(cè)自動(dòng)切換到該區(qū)域代表站（也可以在右上角選擇站點(diǎn)），顯示該站的溫度、降水、溫度距平、降水距平柱狀圖，同時(shí)頁面左下角以時(shí)序多要素形式顯示選定站點(diǎn)的逐日溫度和降水預(yù)測值。

圖3 基于CFS模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品展示圖

3.未來優(yōu)化及升級思路

面對日益增強(qiáng)的防災(zāi)減災(zāi)需求，該系統(tǒng)仍然存在較多的問題和不足，為此新版本將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

3.1 進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)測模型

雖然基于CFSv2和DERF2.0模式產(chǎn)品進(jìn)行延伸期集合預(yù)報(bào)是一種重要的預(yù)報(bào)方法，但從空間上看，其對氣溫和降水的確定性預(yù)測效果仍然較差。對此，系統(tǒng)后期在保留CFSv2、DERF2.0的基礎(chǔ)上，增加EC、S2S-CMA、S2S-JMA模式資料，并對多種延伸期智能網(wǎng)格模式資料采用誤差訂正等方法進(jìn)行解釋應(yīng)用。

3.2 進(jìn)一步精細(xì)化預(yù)測服務(wù)

建立分辨率為0.05°×0.05°的延伸期基本要素、強(qiáng)降水、強(qiáng)降溫、高溫過程智能網(wǎng)格點(diǎn)預(yù)報(bào)模型；實(shí)現(xiàn)不同模式數(shù)據(jù)（CFSv2、Derf2.0）在起報(bào)時(shí)間以及預(yù)報(bào)時(shí)效下降水、氣溫的降尺度分布圖展示功能指數(shù)預(yù)報(bào)；實(shí)現(xiàn)西南雨季以及華西秋雨的開始日期以及預(yù)報(bào)日期的計(jì)算功能。

3.3 進(jìn)一步完善評分方案

主要針對延伸期、月、次季節(jié)、季節(jié)、年度預(yù)測，完成各動(dòng)力模式、動(dòng)力模式降尺度方案、多模式集合方案、統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型、包括MODES和FODAS在內(nèi)的各種客觀預(yù)測模型，采用Ps、ACC、Pc、Pg、Zs和Cs等檢驗(yàn)評分方法，進(jìn)行歷史回報(bào)檢驗(yàn)和實(shí)時(shí)檢驗(yàn)評估，給出不同時(shí)間尺度模式的預(yù)報(bào)技巧的數(shù)據(jù)集。

4.結(jié)語

本文從設(shè)計(jì)思想、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)展示等3個(gè)方面對四川省分縣延伸期預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，該系統(tǒng)基于CFSv2、Derf2.0兩種模式產(chǎn)品，包含強(qiáng)降水過程和強(qiáng)降溫過程2個(gè)欄目，以格點(diǎn)預(yù)報(bào)圖、預(yù)測與實(shí)況對比圖、動(dòng)態(tài)評分表格、氣溫（降水）預(yù)報(bào)趨勢圖、氣溫（降水）距平圖等形式對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行展示。最后，文章展望了未來分縣延伸期預(yù)測系統(tǒng)的升級思路，將重點(diǎn)從預(yù)測模型優(yōu)化、預(yù)測服務(wù)精細(xì)化、預(yù)測評分方案完善等方面進(jìn)行升級。