智能網格預報在拉薩的性能檢驗和應用技術研究

丁真貢嘎 益西曲珍 賽 珍 多典洛珠 拉 巴 潘 多

（1、拉薩市氣象局，西藏 拉薩 850000 2、西藏自治區氣象局，西藏 拉薩 850000）

拉薩市作為西藏經濟、文化、旅游的活動中心[1]，近些年來旅游業大規模發展，各種大型活動層出不窮，各行各業對預報產品的時空精細度和要素多樣性需求越來越高，氣象保障任務變得更加艱巨。目前正在推廣使用的智能網格預報不僅能滿足天氣預報要素多樣性的需求，其高精度時空分辨率對于高原地廣人稀、氣象站點分布密度低、傳統的站點預報覆蓋面小等問題能得到最大限度的彌補和解決。

然而受到高原氣候特殊性和下墊面復雜性的影響，使得智能網格產品在本地準確率普遍較低，因此對其進行訂正和改進是十分必要的。鑒于訂正和改進的首要任務就是對其在高原地區的預報效果進行檢驗，因此本文擬通過分析過去三年來智能網格預報在拉薩市的性能檢驗，并與本地預報檢驗結果作對比分析[2]，為后期開展模式訂正方法的研究提供科學的數據依據和正確的研究方向，為本地站點預報實現更好的參考價值，最終為智能網格預報在高原地區的應用起到領頭羊的作用。

1 資料與方法

1.1 資料

選取2017 年8 月～2020 年7 月拉薩市常規天氣預報業務8 個站（表1）的智能網格預報、傳統站點預報及實況數據進行檢驗對比，對比要素包括：20～20 時逐日降水量、最低溫度、最高溫度。

1.2 方法

按照《氣象預報預測業務與科研管理規范匯編[3]》中關于“全國智能網格氣象預報業務中短期天氣預報質量檢驗辦法”規定，對降水預報的晴雨（雪）準確率[4]進行檢驗分析；溫度預報則檢驗日最高溫度和日最低溫度的準確率（誤差≤2℃）。

為整體檢驗智能網格預報的性能，選取站點所處的西南、西北、東南和東北四個格點值分別與站點實況進行檢驗，以便獲取智能網格預報的最優參考信息。

2 檢驗結果分析

2.1 降水檢驗

晴雨準確率：

（1）不同格點晴雨準確率

表1 為近三年拉薩各站智能網格4 個格點對降水預報的晴雨準確率，可見各站周圍分布的4 個格點晴雨準確率均在70%以上（除尼木站東南、東北角外），墨竹工卡站更是達到77%。且各站西側格點的準確率高于東側，尤其是西北角的準確率普遍高于其他格點，對判斷24h 內是否會出現降水[5]和本地人工訂正預報有較好的參考價值。

表1 拉薩各站4 個格點智能網格預報晴雨準確率

自2017 年8 月智能網格預報首次在拉薩市范圍參考試用后，至2020 年7 月智能網格預報的晴雨準確率在73%以上。三年來智能網格預報晴雨準確率經歷了高、低、高的變化過程（圖1），2018 年、2019 年本地站點預報優于智能網格預報，2020 年正好相反，這說明隨著機器學習應用的不斷深入，很好地集成了模式預報經驗和方法，進一步提高了智能網格預報的準確率。因此，智能網格預報模式將來在本地的應用期望值是非常高的，其預報結果作為重要的模式參考在一定程度上是比較合理、有效的。

圖1 本地預報與智能網格預報晴雨準確率對比

與智能網格預報不同的是本地站點預報的晴雨準確率在近3 年內顯示略微下降的趨勢，但整體的晴雨準確率仍能一直保持在75%以上。

（2）逐月晴雨準確率

從不同格點的晴雨準確率月變化看，總體上呈現出：西北角＞西南角＞東北角＞東南角。其中西北角、東南角和東北角3 個格點的預報準確率均呈現出SIN 曲線分布（圖2B、C、D），即年初時各站的晴雨準確率先開始上升，在4～5 月達到第一個峰值，晴雨準確率平均能達到90%～95%；而在主汛期準確率出現緩慢下降，到9～10 月處于谷值，且10 月份各站的晴雨準確率是全年最低的；年底隨著降水的減弱，各站的晴雨準確率也逐漸上升，并在11～12 月再次出現峰值。

與上述幾個格點所不同的是，西南角的晴雨準確率在一年內呈現出“W”型分布（圖2A），兩個谷值分別出現在4～6 月和9～10 月，即汛期與非汛期轉換時段晴雨預報的準確率低；三個峰值分別出現在年初（1～2 月）、年底（11～12 月）以及主汛期（7～8 月），其中12 月、元月的大部分站點晴雨準確率超過了95%，其余時段在70%～85%之間。這與拉薩非汛期空氣干燥、降水稀少[6]有密切相關。

圖2 拉薩各站周圍4 個不同格點智能網格預報逐月晴雨準確率

綜合以上分析，在參考智能網格預報時，西側格點的預報值對于本地的人工訂正預報有較好的價值。其中：①1、2、7、8、11、12 月這六個月西南角的預報對判斷未來24 小時是否出現降水有著非常好的指示意義；②3～6 月西北角的晴雨準確率在88%以上，對人工訂正預報有著很好的參考價值；③9 月和10 月所有格點的晴雨準確率都比較低，對本地訂正預報參考意義不大，還需要在今后這方面進一步加強研究，并找到合適的模式訂正方法。

2.2 氣溫檢驗

以日最低溫度和日最高溫度的預報絕對誤差上下浮動2℃內（包括2℃）為預報正確的標準[7]，對拉薩市8個氣象站的智能網格預報結果進行檢驗分析，結果如下：

2.2.1 不同格點溫度預報準確率

表2 為近三年拉薩市8 個站點周圍分布的4 個格點的智能網格溫度預報準確率，結果顯示最高溫度4 個格點的準確率由高到低（各站平均值）排序依次為：西南角＞東南角＞東北角＞西北角；最低溫度為：西南角＞東北角＞東南角＞西北角。即整體上西南角的平均準確率優于其他格點值，但曲水、林周、墨竹工卡和堆龍德慶站，東南角的最高溫度預報準確率明顯高于其它格點值。

表2 拉薩各站不同格點智能網格溫度預報準確率

此外，溫度預報年變化表明（圖3），智能網格對于最高溫度的預報準確率整體上稍有下降的趨勢，最低溫度的預報準確率呈現高、低、高的走勢。其中2018 年最高溫度和2020 年最低溫度的準確率在60%以上，其余時期只有55%上下。而在過去3 年本地站點預報對于最高溫度、最低溫度的預報準確率較為穩定，均在80%以上。

圖3 拉薩各站智能網格與本地預報的溫度準確率年變化圖

總體上智能網格對溫度的預報，其準確率最低溫度要優于最高溫度，且西南角預報準確率普遍高于其他格點。本地的溫度預報始終優于智能網格預報，這說明人工干預對氣溫預報有正向的作用。

2.2.2 逐月溫度預報準確率

2017 年起，各站的智能網格對溫度預報的逐月準確率分析（圖4），不管是最高溫度還是最低溫度，在4 個格點上的準確率總是：西南角＞東南角＞東北角＞西北角，其中最高溫度預報準確率最高值為57%，出現于10 月份西南角；最低溫度預報準確率最高值出現在7 月份西南角，為66%。

圖4 智能網格模式對拉薩四個格點溫度預報逐月準確率圖

從逐月準確率的趨勢變化看，最高溫度的預報在汛期（5～9 月）預報準確率平均只有45%，而非汛期（10 月至次年4 月）預報準確率平均值達到了51%，而最低溫度準確率趨勢變化正好相反，在汛期準確率更高，特別是7～8 月的準確率達到了65%；非汛期相對低些，其中9 月、12 月至翌年3 月的準確率在51%以內。出現這種現象的原因可能是智能網格預報模式對本地天空狀況的考慮權重不夠，因為在拉薩溫度預報除了常規的冷空氣、降水和積雪的影響外，太陽輻射的加熱效果十分明顯，即氣溫與日照時數存在密切的正相關性[8]。

拉薩本地最低氣溫一般出現早上7～9 點，在這段時間如果天空狀況是陰天或晴天，則受晴空輻射降溫的影響最低溫度會明顯下降[9]；但如果是多云，則在云層的保溫作用下，最低溫度會保持偏高或出現小幅度的降溫現象。而最高溫度則正好相反，白天如果以晴好天氣為主，在強紫外線輻射的加熱作用下，氣溫會一路飆升；但如果白天天空狀況較差，最高氣溫始終升不上去，特別是在冬季，還會下降到零度以下。所以，未來智能網格模式在溫度預報方面需要將天空狀況的權重適當的增加，進一步研究和優化模式，找到合適的影響因子權重系數，以便提高預報準確率。

綜上所述，智能網格在溫度預報方面，其最低溫度的準確率高于最高溫度，而且汛期最低溫度和非汛期最高溫度的預報效果較好，可以作為輔助參考依據進行人工訂正預報，具有較好的參考價值。在過去三年預報員根據智能網格預報結果進行人工訂正后，本地的溫度預報準確率始終保持在80%以上。

3 結論

3.1 2017～2020 年智能網格模式對降水預報晴雨（雪）準確率呈現上升趨勢，且西北角的準確率普遍高于其他格點值。

3.2 在參考智能網格降水預報時：①1、2、7、8、11、12月這六個月西南角的預報對判斷未來24 小時是否出現降水有著非常好的指示意義；②3～6 月西北角的晴雨準確率在88%以上，對人工訂正預報有著很好的參考價值。

3.3 智能網格對溫度的預報，總體上其最低溫度的準確率優于最高溫度，站點周圍4 個格點上的準確率依次為：西南角＞東南角＞東北角＞西北角；汛期最低溫度和非汛期最高溫度的預報效果較好，具有較高的參考價值。

3.4 經過檢驗，隨著機器學習應用的不斷深入，很好地集成了數值模式的預報經驗和方法，智能網格預報的準確率得到了進一步提高，未來在高原地區預報中將發揮更重要的作用。