EC預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)在中國(guó)近海的適用性研究

林曉娟，李響，劉曉燕，祖子清，王延強(qiáng)

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

0 引言

海面風(fēng)是海表面運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?lái)源[1]。海上大風(fēng)會(huì)引發(fā)海浪、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害，因此，海洋災(zāi)害的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度十分依賴海面風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力，準(zhǔn)確的海面風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)是海洋防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)[2]。早期對(duì)海面風(fēng)的研究主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)和統(tǒng)計(jì)分析[3-4]開(kāi)展，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的發(fā)展和海洋預(yù)報(bào)模式的成熟，數(shù)值預(yù)報(bào)方法依靠其更高的精度和準(zhǔn)確度，逐漸發(fā)展成為海洋預(yù)報(bào)的主流方法[5-7]。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF，簡(jiǎn)稱EC）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和積累得到了較好的預(yù)報(bào)結(jié)果[8]。國(guó)內(nèi)也有許多專家學(xué)者參考并使用了EC 的細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。萬(wàn)夫敬等[9]分析了EC 預(yù)報(bào)2 m 氣溫產(chǎn)品在山東地區(qū)最高氣溫和最低氣溫上的預(yù)報(bào)性能，并給出了訂正思路；趙杰等[10]使用了EC 預(yù)報(bào)溫度數(shù)據(jù)，并結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了訂正。作為當(dāng)前許多預(yù)報(bào)平臺(tái)都會(huì)參考的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)在中國(guó)近海的使用頻率較高，例如，吳俞等[11]在南海海域參考了EC 預(yù)報(bào)10m風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)（0.25°×0.25°）進(jìn)行了風(fēng)向和風(fēng)速預(yù)報(bào)，常奮華等[12]將東海海域的EC 數(shù) 據(jù)、WRF（Weather Research and Forecasting Model）數(shù)據(jù)以及華東區(qū)域的模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作了對(duì)比檢驗(yàn)，結(jié)果表明預(yù)報(bào)效果最好的是EC 數(shù)據(jù)，連喜虎等[13]評(píng)估了EC數(shù)據(jù)在渤海和黃海的預(yù)報(bào)能力。上述研究在一定程度上證明了EC 數(shù)據(jù)在中國(guó)近海的適用性，但是，吳俞等只運(yùn)用了南海4個(gè)島上的站點(diǎn)進(jìn)行分析，且利用的是分辨率為0.25°的EC數(shù)據(jù)，連喜虎等沒(méi)有對(duì)渤黃海的臺(tái)風(fēng)和冷空氣大風(fēng)過(guò)程進(jìn)行分析。總的來(lái)說(shuō)，目前還沒(méi)有研究對(duì)EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)速數(shù)據(jù)在中國(guó)近海各海域的預(yù)報(bào)性能進(jìn)行定量分析，以及對(duì)臺(tái)風(fēng)和冷空氣大風(fēng)過(guò)程進(jìn)行評(píng)估。

我國(guó)海域遼闊，EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)在我國(guó)近海的可信度、在不同海區(qū)的適用性以及EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)近海臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度等都是需要研究的問(wèn)題。本文利用中國(guó)近海大型浮標(biāo)的10 m 風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地評(píng)估了EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的精度，驗(yàn)證其在我國(guó)近海和不同海區(qū)的適用性，以及對(duì)臺(tái)風(fēng)和冷空氣大風(fēng)過(guò)程的預(yù)報(bào)性能，為使用EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)速數(shù)據(jù)提供參考，充分發(fā)揮ECMWF 的預(yù)報(bào)產(chǎn)品在海洋預(yù)報(bào)服務(wù)中的參考作用，有利于更好地開(kāi)展海浪、風(fēng)暴潮等海洋預(yù)報(bào)防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文選取2021 年1 月1 日—12 月31 日的EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，檢驗(yàn)10 m 風(fēng)場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在中國(guó)近海海域的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.125°×0.125°，每天預(yù)報(bào)兩次，起報(bào)時(shí)刻為00 時(shí)（世界時(shí)，下同）和12 時(shí)，72 h 內(nèi)每3 h 輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)為該時(shí)刻即時(shí)數(shù)據(jù)。

觀測(cè)資料采用大型海洋觀測(cè)浮標(biāo)的10 m 風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，浮標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制，刪除了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之外的異常數(shù)據(jù)。浮標(biāo)站位見(jiàn)圖1，其中渤海選取4 個(gè)浮標(biāo)（圖1 中符號(hào)為B01—B04）、黃海6 個(gè)浮標(biāo)（圖1 中符號(hào)為H01—H06）、東海2 個(gè)浮標(biāo)（圖1中符號(hào)為D01、D02）、南海北部8 個(gè)浮標(biāo)（圖1 中符號(hào)為N01—N08）、南海南部2 個(gè)浮標(biāo)（圖1 中符號(hào)為N09、N10），共計(jì)22 個(gè)浮標(biāo)觀測(cè)的10 m 風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，利用3 次樣條插值法將EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)插值到觀測(cè)站點(diǎn)并進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，浮標(biāo)時(shí)刻數(shù)據(jù)為該時(shí)刻過(guò)去10 min的平均值。

1.2 方法

本文使用的誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有平均偏差（BIAS）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）和平均絕對(duì)誤差（Mean Absolute Error，MAE）。具體公式如下：

平均偏差：

均方根誤差：

平均絕對(duì)誤差：

式中：Bi代表浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)；Ei代表EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)插值到浮標(biāo)站點(diǎn)后的值；n代表總樣本數(shù)。

風(fēng)向誤差（Wind Direction Error，WDE）的范圍是-180°～180°，WDE的計(jì)算公式為：

同樣使用BIAS、RMSE 和MAE 進(jìn)行WDE 檢驗(yàn)，式（1）—（3）中的Ei-Bi用WDE 的計(jì)算結(jié)果來(lái)替代。

2 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比評(píng)估

2.1 風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差評(píng)估

將各實(shí)測(cè)風(fēng)速（浮標(biāo)站點(diǎn)觀測(cè)值）與EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)相應(yīng)位置的值進(jìn)行對(duì)比分析。利用箱型圖能直觀地看出數(shù)據(jù)的異常值、判斷數(shù)據(jù)的離散程度，并根據(jù)數(shù)據(jù)的中位數(shù)集中程度看出數(shù)據(jù)的集中趨勢(shì)。圖2 表明，中國(guó)近海22 個(gè)浮標(biāo)站的風(fēng)速24 h 預(yù)報(bào)偏差中位數(shù)為-0.12～0.44 m/s，48 h 預(yù)報(bào)偏差中位數(shù)為-0.33～0.49 m/s，72 h 預(yù)報(bào)偏差中位數(shù)為-0.39～0.53 m/s。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，偏差中位數(shù)略有增大。從箱線圖來(lái)看，EC預(yù)報(bào)結(jié)果在渤海和黃海總體略偏大，在東海略偏小，南海略偏大。EC在黃海、南海和東海的預(yù)報(bào)效果優(yōu)于渤海海區(qū)，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增大，預(yù)報(bào)偏差離散度增大。

為了進(jìn)一步對(duì)比分析EC預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速之間的差別，表1 列出了各海區(qū)不同預(yù)報(bào)時(shí)效下EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的風(fēng)速和風(fēng)向檢驗(yàn)結(jié)果。各浮標(biāo)站24 h 預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速的MAE 為0.96～1.62 m/s（圖略），22個(gè)站點(diǎn)的平均MAE為1.27 m/s（見(jiàn)表1），均方根誤差為1.71 m/s，48 h 預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)速的平均MAE 為1.46 m/s，72 h 的為1.64 m/s，各浮標(biāo)站點(diǎn)的MAE 隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)而增大，BIAS 隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)而減小。

表1 各海區(qū)不同預(yù)報(bào)時(shí)效下EC預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的10 m風(fēng)速和風(fēng)向檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Validation results of the EC 10 m wind speed and direction forecasts at various leading time in different seas

圖3 為各海區(qū)24 h 預(yù)報(bào)值和觀測(cè)值的散點(diǎn)圖及BIAS、RMSE 和相關(guān)系數(shù)（R），渤海海區(qū)R 為0.83，黃海為0.88，東海為0.87，南海為0.88，黃海和南海的預(yù)報(bào)效果最好，東海次之，渤海相對(duì)較差。總體而言EC 的10 m 風(fēng)速在中國(guó)近海的預(yù)報(bào)效果較好。

圖3 各海區(qū)風(fēng)速散點(diǎn)圖Fig.3 Wind speed scatter plot in different seas

圖4為各浮標(biāo)站在不同風(fēng)速等級(jí)下EC 24 h、48 h、72 h 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的BIAS 和MAE。從圖中可以看出，不同預(yù)報(bào)時(shí)效的BIAS 和MAE 數(shù)據(jù)具有相同的變化趨勢(shì)，各站點(diǎn)BIAS 為0 的點(diǎn)分布在風(fēng)力為3～5級(jí)之間，大部分在4 級(jí)左右，說(shuō)明EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)在風(fēng)力等級(jí)小于4 級(jí)時(shí)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏大，大于4 級(jí)時(shí)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏小，當(dāng)風(fēng)力為3～5 級(jí)時(shí)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。這一點(diǎn)也可以從風(fēng)力等級(jí)的MAE 中體現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)力為3～6 級(jí)時(shí)，MAE 最小。當(dāng)浮標(biāo)站的實(shí)測(cè)風(fēng)力為4～5 級(jí)時(shí)，預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速的BIAS 最小，隨著風(fēng)力增大（或減小），BIAS和MAE都增大。

圖4 平均偏差和平均絕對(duì)誤差隨風(fēng)力等級(jí)的變化Fig.4 Change of mean error and mean absolute error with various wind levels

2.2 風(fēng)向預(yù)報(bào)誤差評(píng)估

圖5 為各海區(qū)不同風(fēng)向的預(yù)報(bào)和觀測(cè)誤差以及頻率圖。從圖中可以看出，渤海各個(gè)風(fēng)向的頻率分布較為均勻，偏東和偏南方向風(fēng)頻率略高于其他風(fēng)向；黃海偏西方向風(fēng)頻率較小，其他方向頻率分布較為均勻；東海的盛行風(fēng)向?yàn)楸逼骱推珫|方向，西風(fēng)較少；南海的盛行風(fēng)向?yàn)楸北睎|—東，即東北偏東。渤海和黃海的風(fēng)向預(yù)報(bào)偏差總體分布在±40°之間，各海區(qū)的風(fēng)向預(yù)報(bào)BIAS 均為0°左右。

圖5 各海區(qū)不同風(fēng)向的預(yù)報(bào)平均偏差（紅線）和頻率（數(shù)字代表該方向風(fēng)頻率）Fig.5 Mean error(red line)and frequency(the number represents the wind frequency in this direction)of each wind direction in different seas

為了更全面地評(píng)估EC預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場(chǎng)在中國(guó)近海海域的預(yù)報(bào)性能，圖6 給出了不同浮標(biāo)站EC 24 h預(yù)報(bào)的風(fēng)向和觀測(cè)風(fēng)向的偏差分布以及各個(gè)風(fēng)向的偏差分布，圖中紅色虛線為各個(gè)方向上風(fēng)向預(yù)報(bào)的平均偏差。從圖中可以看出，渤海海域B02、B03、B04 浮標(biāo)的預(yù)報(bào)效果較好，風(fēng)向預(yù)報(bào)角度偏差集中在±30°之間，平均偏差都在±20°之間。B02 浮標(biāo)站點(diǎn)的主導(dǎo)風(fēng)向是SSW，出現(xiàn)的頻次最大，為65次，在該方向上大部分誤差集中在-20°～15°；次主導(dǎo)風(fēng)向是SE，誤差也較為集中，集中在-30°～10°；這也可以看出在主導(dǎo)風(fēng)向上，預(yù)報(bào)偏差不大。黃海海域（H 系列）選取的6 個(gè)浮標(biāo)站點(diǎn)總體的風(fēng)向預(yù)報(bào)偏差集中在±20°之間，其中H03 站點(diǎn)預(yù)報(bào)效果較差，風(fēng)向偏差較大，其他站點(diǎn)的預(yù)報(bào)效果都很好，預(yù)報(bào)風(fēng)向偏差較為集中，平均偏差較小；主導(dǎo)風(fēng)向和次主導(dǎo)風(fēng)向的表現(xiàn)均較為良好；除H05 站點(diǎn)的平均偏差為正值，其他站點(diǎn)的平均偏差多為負(fù)值。東海區(qū)域D01站點(diǎn)的EC預(yù)報(bào)效果較好，平均偏差在0°左右，主導(dǎo)風(fēng)向和次主導(dǎo)風(fēng)向的誤差大體分布在±20°之間；但該站點(diǎn)在W方向的總體偏差較大，有4個(gè)數(shù)據(jù)不具備參考價(jià)值。D02預(yù)報(bào)平均偏差在45°左右，總體偏大。南海海域共有10 個(gè)站點(diǎn)，N01—N04 靠近岸邊分布，這幾個(gè)站點(diǎn)的主導(dǎo)風(fēng)向和次主導(dǎo)風(fēng)向的預(yù)報(bào)效果較好，預(yù)報(bào)效果較差的是WNW、NW、NNW 方向的風(fēng)；N05—N08 站點(diǎn)預(yù)報(bào)效果總體較好，平均偏差在10°左右，在NW、NNW 方向上預(yù)報(bào)效果較差，但是這兩個(gè)方向上的風(fēng)頻率較小，可信度較低；N09 和N10 站點(diǎn)在南海中部，N10 站點(diǎn)預(yù)報(bào)效果較好（圖略），主導(dǎo)風(fēng)向NE 和次主導(dǎo)風(fēng)向ENE的預(yù)報(bào)平均偏差較小，且偏差分布較為集中，N09站點(diǎn)總體預(yù)報(bào)效果較差，這可能是由于浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)受客觀條件影響產(chǎn)生觀測(cè)誤差，需要更長(zhǎng)的時(shí)間序列和其他觀測(cè)數(shù)據(jù)輔助驗(yàn)證。不同風(fēng)向下風(fēng)向預(yù)報(bào)的平均誤差大部分在0°～20°。

圖6 站點(diǎn)風(fēng)向偏差分布和風(fēng)向頻次（紅線代表平均偏差）Fig.6 Distribution of error and frequency of each wind direction at different stations(the red line represents the mean error)

圖7 為不同風(fēng)力等級(jí)的風(fēng)向預(yù)報(bào)BIAS、RMSE和MAE，預(yù)報(bào)時(shí)效為24 h。從圖中可以看出，隨著風(fēng)力等級(jí)逐漸增大，風(fēng)向預(yù)報(bào)的RMSE 和MAE 在5 級(jí)達(dá)到最小后趨于穩(wěn)定，隨著風(fēng)力等級(jí)變大，風(fēng)向預(yù)報(bào)的RMSE 和MAE 減小。風(fēng)力等級(jí)小，預(yù)報(bào)偏差較大，風(fēng)力等級(jí)大，預(yù)報(bào)偏差較小。48 h和72 h的預(yù)報(bào)結(jié)果也有同樣變化趨勢(shì)（圖略）。對(duì)比4 個(gè)海區(qū)的結(jié)果可以看出，渤海和黃海的RMSE 和MAE 相對(duì)較小。

圖7 不同風(fēng)力等級(jí)的風(fēng)向預(yù)報(bào)平均偏差、均方根誤差和平均絕對(duì)誤差Fig.7 BIAS，RMSE and MAE of wind direction forecasts for different wind levels

2.3 臺(tái)風(fēng)天氣過(guò)程下的適用性評(píng)估

臺(tái)風(fēng)是海上大風(fēng)的典型過(guò)程，選取經(jīng)過(guò)中國(guó)近海的臺(tái)風(fēng)過(guò)程，評(píng)估EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)程的適用性。本文選取受臺(tái)風(fēng)影響浮標(biāo)觀測(cè)風(fēng)力達(dá)到7級(jí)及以上的時(shí)間段進(jìn)行評(píng)估。為了更直觀地看到EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的效果，選取24～33 h（3 h 一個(gè)數(shù)據(jù)）預(yù)報(bào)時(shí)效的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析。

臺(tái)風(fēng)“煙花”在2021 年7 月18 日生成后，先向西后逐漸向西北方向靠近我國(guó)（見(jiàn)圖8）。利用臺(tái)風(fēng)“煙花”在行進(jìn)過(guò)程中影響的兩個(gè)浮標(biāo)D02（24日00 時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為191 km）、D01（25 日00 時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為97 km）的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，對(duì)兩個(gè)站點(diǎn)的EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。浮標(biāo)站點(diǎn)的分布位置和檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8 和圖9。當(dāng)臺(tái)風(fēng)“煙花”逐漸靠近D02 站點(diǎn)，風(fēng)速在24 日06 時(shí)左右達(dá)到峰值，在21 日00 時(shí)—25 日00時(shí)這個(gè)時(shí)間段內(nèi)（見(jiàn)圖9），EC 預(yù)報(bào)風(fēng)速較好地再現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速變化趨勢(shì)，通過(guò)風(fēng)羽結(jié)果可以看出，D02 的風(fēng)向預(yù)報(bào)總體存在一定偏差，在23 日18時(shí)前，預(yù)報(bào)風(fēng)向?yàn)楸逼珫|，而觀測(cè)風(fēng)向?yàn)楸逼鳌．?dāng)臺(tái)風(fēng)“煙花”靠近D01 站點(diǎn)后，風(fēng)速在24 日12 時(shí)到達(dá)峰值，EC 預(yù)報(bào)風(fēng)速的大體變化趨勢(shì)與實(shí)況相同，但對(duì)于最大風(fēng)速的預(yù)報(bào)存在滯后性，整體風(fēng)速預(yù)報(bào)略偏小。從D01 的風(fēng)羽圖可以看出，該站點(diǎn)的風(fēng)向預(yù)報(bào)效果較好，浮標(biāo)風(fēng)向與預(yù)報(bào)風(fēng)向變化趨勢(shì)也較為一致，其原因可能是D01 站點(diǎn)觀測(cè)風(fēng)速較大，這與我們?cè)?.2 節(jié)評(píng)估得出的結(jié)論是一致的。

圖8 臺(tái)風(fēng)路徑及受影響浮標(biāo)點(diǎn)位圖Fig.8 Typhoon path and map of buoy points

圖9 臺(tái)風(fēng)“煙花”過(guò)程下D02和D01浮標(biāo)及EC預(yù)報(bào)風(fēng)速和風(fēng)向的時(shí)間序列Fig.9 Time series of wind speed and direction at D02,D01 buoys and EC wind forecasts during the Typhoon"In-Fa"

針對(duì)臺(tái)風(fēng)“煙花”影響到的兩個(gè)浮標(biāo)站點(diǎn)，從24 h 預(yù)報(bào)時(shí)效的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看（見(jiàn)表2），風(fēng)速預(yù)報(bào)的平均誤差為-0.76 m/s，總體略偏小，MAE 為1.93 m/s，預(yù)報(bào)效果總體較好；風(fēng)向預(yù)報(bào)的MAE 為24.66°，誤差較大，主要是由于D02 站點(diǎn)的風(fēng)向預(yù)報(bào)誤差大。

表2 臺(tái)風(fēng)過(guò)程EC預(yù)報(bào)風(fēng)速和風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果Tab.2 Statistical results of the EC wind speed and direction during typhoon process

臺(tái)風(fēng)“盧碧”自2021 年8 月2 日在南海生成后，沿著東北方向貼近海岸線移動(dòng)（見(jiàn)圖8），利用臺(tái)風(fēng)“盧碧”在行進(jìn)過(guò)程中影響的3 個(gè)浮標(biāo)N06（4 日12時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為337 km）、N07（4 日18時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為265 km）和N05（5 日00 時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為33 km）對(duì)3 個(gè)站點(diǎn)的EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，浮標(biāo)站點(diǎn)分布位置和檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8 和圖10。從圖10 可以看出EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)較好地再現(xiàn)了部分風(fēng)速的變化趨勢(shì)，但是大風(fēng)時(shí)的風(fēng)速預(yù)報(bào)偏差較大（例如N05 站點(diǎn)8-5-00 時(shí)刻）。從圖10 的風(fēng)羽圖對(duì)比可以看出，3 個(gè)站點(diǎn)預(yù)報(bào)和觀測(cè)風(fēng)向的一致性較好，風(fēng)向偏差不大。24 h 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示風(fēng)速預(yù)報(bào)的BIAS 為-0.57 m/s（見(jiàn)表2），總體略偏小，MAE 為1.89 m/s；風(fēng)向預(yù)報(bào)的BIAS 為1.16°，MAE為8.74°。通過(guò)3個(gè)浮標(biāo)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出，EC預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)風(fēng)“盧碧”的預(yù)報(bào)效果較好。

圖10 臺(tái)風(fēng)“盧碧”過(guò)程下N06、N07和N05浮標(biāo)及EC預(yù)報(bào)風(fēng)速和風(fēng)向的時(shí)間序列Fig.10 Time series of wind speed and direction at N06，N07，N05 buoys and EC wind forecasts during the Typhoon"LUPIT"

臺(tái)風(fēng)“燦都”自2021 年9 月7 日生成后，11 日00時(shí)開(kāi)始經(jīng)過(guò)臺(tái)灣東側(cè)，后一路向北經(jīng)過(guò)東海、黃海（見(jiàn)圖8）。利用臺(tái)風(fēng)“燦都”行進(jìn)過(guò)程中影響的東海浮標(biāo)D02（12 日12 時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為30 km）、D01（13 日00 時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心到浮標(biāo)的距離為58 km）對(duì)EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，浮標(biāo)站點(diǎn)分布位置和檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8 和圖11。當(dāng)臺(tái)風(fēng)靠近D02 站點(diǎn)，距離站點(diǎn)最近時(shí)的最大觀測(cè)風(fēng)速達(dá)到38.6 m/s，而預(yù)報(bào)風(fēng)速為25.9 m/s，兩者差距較大。從D02、D01的風(fēng)速折線圖可以看出（見(jiàn)圖11），EC預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)模擬出了風(fēng)速變化的趨勢(shì)，但是預(yù)報(bào)的最大風(fēng)速普遍比浮標(biāo)觀測(cè)值小。從對(duì)應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)羽來(lái)看，預(yù)報(bào)和浮標(biāo)觀測(cè)風(fēng)向的偏差較小，預(yù)報(bào)風(fēng)向能較好地反應(yīng)出浮標(biāo)風(fēng)向的變化趨勢(shì)。24 h預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)顯示風(fēng)速預(yù)報(bào)BIAS 為-1.70 m/s（見(jiàn)表2），預(yù)報(bào)風(fēng)速較觀測(cè)風(fēng)速偏小，MAE 為2.82 m/s，RMSE 為4.49 m/s。相較其他兩個(gè)臺(tái)風(fēng)，臺(tái)風(fēng)“燦都”風(fēng)速預(yù)報(bào)的MAE 和RMSE 都更大，這是因?yàn)榕_(tái)風(fēng)“燦都”離兩個(gè)觀測(cè)浮標(biāo)距離更近，強(qiáng)度更強(qiáng)，而EC 對(duì)大風(fēng)的風(fēng)速預(yù)報(bào)偏小。風(fēng)向預(yù)報(bào)的平均誤差較小，為-0.08°，MAE 為13.70°。

圖11 臺(tái)風(fēng)“燦都”過(guò)程下D02、D01浮標(biāo)及EC預(yù)報(bào)風(fēng)速和風(fēng)向的時(shí)間序列Fig.11 Time series of wind speed and direction at D02,D01 buoys and EC wind forecasts during the Typhoon"CHANTHU"

2.4 典型冷空氣大風(fēng)過(guò)程下的適用性評(píng)估

選取典型冷空氣大風(fēng)過(guò)程，評(píng)估EC 預(yù)報(bào)10 m風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)在不同天氣過(guò)程下的可信度。選取2021年11 月6 日09 時(shí)—8 日12 時(shí)（簡(jiǎn)稱1106—1108）和2021 年12 月23 日06 時(shí)—25 日12 時(shí)（簡(jiǎn)稱1223—1225）兩次冷空氣過(guò)程中實(shí)測(cè)風(fēng)力達(dá)7 級(jí)及以上的時(shí)間段，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、圖12 和13，相應(yīng)站點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。從風(fēng)速結(jié)果來(lái)看，1106—1108冷空氣過(guò)程中浮標(biāo)觀測(cè)到的最大風(fēng)速出現(xiàn)在B01站點(diǎn)，為20.80 m/s，此時(shí)EC 預(yù)報(bào)風(fēng)速為15.53 m/s，誤差為5.27 m/s。表3 統(tǒng)計(jì)了兩次過(guò)程中24 h 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的各項(xiàng)誤差，其中1106—1108 過(guò)程的MAE 為2.02 m/s，1223—1225 過(guò)程的MAE 為1.70 m/s，這可能是因?yàn)?106—1108過(guò)程的風(fēng)力更大，而1223—1225過(guò)程中中觀測(cè)到的最大風(fēng)速不超過(guò)20 m/s，風(fēng)速越小，EC 預(yù)報(bào)的誤差也越小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，兩次過(guò)程中7級(jí)風(fēng)的MAE 為1.84 m/s，8 級(jí)風(fēng)為2.96 m/s，后者的預(yù)報(bào)誤差明顯大于前者，即隨著風(fēng)力等級(jí)的增大，MAE也變大，這與2.1 節(jié)得出的結(jié)論一致。總的來(lái)看，EC 預(yù)報(bào)10 m 風(fēng)速能較好得模擬出風(fēng)速的變化趨勢(shì)，但是對(duì)大風(fēng)的預(yù)報(bào)結(jié)果偏小。從風(fēng)向的預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)看，表3 統(tǒng)計(jì)得到的1106—1108 過(guò)程的MAE 為20.61°，1223—1225過(guò)程的MAE為14.67°。從圖12和圖13也可以看出EC 預(yù)報(bào)結(jié)果能夠較好地預(yù)報(bào)兩次冷空氣過(guò)程引起的風(fēng)向變化。

表3 典型冷空氣大風(fēng)過(guò)程EC預(yù)報(bào)風(fēng)速和風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果Tab.3 Statistical results of the EC wind speed and direction during typical cold air processes

圖12 11月6日—8日冷空氣過(guò)程下受影響浮標(biāo)站點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)間序列Fig.12 Time series of wind speed and direction of affected buoy sites during cold air processes from November 6 to 8

圖13 12月23日—25日冷空氣過(guò)程下受影響浮標(biāo)站點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)間序列Fig.13 Time series of wind speed and direction at affected buoy sites during cold air processes from December 23 to 25

3 結(jié)論

本文利用2021 年中國(guó)近海22 個(gè)浮標(biāo)點(diǎn)位數(shù)據(jù)與EC 細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)24 h、48 h 和72 h 的風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。結(jié)論如下：

①總體而言EC細(xì)網(wǎng)格10 m 風(fēng)速數(shù)據(jù)在中國(guó)近海預(yù)報(bào)效果較好。風(fēng)力小于4級(jí)時(shí)，EC預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏大，風(fēng)力大于4 級(jí)時(shí)，EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏小，當(dāng)風(fēng)力為3～6級(jí)時(shí)，風(fēng)速預(yù)報(bào)的MAE最小。

②不同風(fēng)向條件下，EC 風(fēng)向預(yù)報(bào)的BIAS 大部分在0°～20°。渤海、黃海風(fēng)向預(yù)報(bào)BIAS 最小值出現(xiàn)在4～5 級(jí)風(fēng)力附近，東海、南海風(fēng)向預(yù)報(bào)BIAS 最小值出現(xiàn)在3～5 級(jí)風(fēng)力附近。風(fēng)力等級(jí)越小，風(fēng)向的預(yù)報(bào)偏差越大，風(fēng)力等級(jí)越大，預(yù)報(bào)偏差則越小。

③EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)于臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)向變化有較好的反應(yīng)，臺(tái)風(fēng)“燦都”和臺(tái)風(fēng)“盧碧”預(yù)報(bào)風(fēng)向的MAE 均小于20°，臺(tái)風(fēng)“煙花”預(yù)報(bào)風(fēng)向的MAE 偏大，為24.66°。在風(fēng)速較低時(shí)，EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)表現(xiàn)較好，而在臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速的預(yù)報(bào)上效果欠佳。

④EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)于冷空氣引起的風(fēng)向變化有較好的反映，兩次冷空氣過(guò)程的風(fēng)向預(yù)報(bào)MAE 分別為20.61°和14.67°。風(fēng)速越小，EC 預(yù)報(bào)的誤差也越小，風(fēng)力等級(jí)增大，預(yù)報(bào)誤差明顯增大，EC對(duì)大風(fēng)的風(fēng)速預(yù)報(bào)偏小，誤差偏大。

本文對(duì)EC細(xì)網(wǎng)格10 m 風(fēng)速和風(fēng)向的預(yù)報(bào)性能進(jìn)行了初步的研究，并對(duì)臺(tái)風(fēng)和冷空氣大風(fēng)過(guò)程進(jìn)行了直觀的時(shí)間序列分析，以期為沿海使用EC 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的專家學(xué)者提供參考，也為日后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正提供初步分析。