ECMWF和GFS模式对一例温带气旋预报性能的对比分析

李庆，王力群，马卫民，姜旻

(中国卫星海上测控部，江苏江阴214431)

1 引言

ECMWF（以下简写为EC）的全球数值天气预报产品应用非常广泛，在广大气象科技工作者中具有良好的口碑，国内对其中期预报性能和热带气旋预报效果进行的检验研究工作较多[1-4]，但是针对中α尺度海洋温带气旋的预报性能研究较少。GFS的数值天气预报和NMWW3 的海浪数值预报产品由于其开放性，国内对其应用较多，但对其预报性能的检验研究工作较少。集合预报被WMO（世界气象组织）列为数值预报四个发展方向之一，能成功处理数值预报的不确定性[5]。1994年，EC的集合预报系统投入业务运行[6-8]，2010年，EC免费发布了其集合预报产品（以下简写为EC-ENS）中的平均值和标准差场，目前对该产品的解释应用研究非常少。确定性数值预报产品对中α 尺度温带气旋预报的不稳定，曾给“神舟八号”飞船海上测控任务的指挥决策带来较大的困难。对该类气旋若能在4—6 天前较准确的预报其中心位置和强度，3 天前准确保障要素预报，则对指挥决策非常有利。本文对比分析了EC、GFS 和NMWW3 模式产品[9]对西南太平洋一例上述尺度温带气旋的预报性能，总结了一些综合应用上述产品提高气象水文保障质量的方法与经验。本文中使用的数值产品水平分辨率均为0.5°×0.5°，涉及的时间均为世界时（UTC）。

2 天气过程实况

2.1 高空形势

高空形势场上（见图1），28日在160°W 附近的中低纬度海域上空有一短波槽，与其对应的中高纬海域有一长波槽快速过境，30日短波槽向北发展，并切断出一冷涡，冷涡与长波槽脱离，冷涡南侧是缓慢移动发展中的脊。31—2日，冷涡逐渐增强，并缓慢向西南移动，冷涡中心位势高度降低率约为40 gpm/d，31—1日，冷涡南侧脊的强度维持，缓慢东移，2日冷涡南移，脊强度明显减弱。

2.2 海平面形势

图1 EC 2011年10月28—11月2日00时500 hPa位势高度客观分析场（单位/10 gpm）

图2 EC10月28日—11月2日00时海平面气压客观分析场（单位/hPa）

图3 EC11月1日00时客观分析场（虚）与10—5天前确定性预报的海平面形势（实）对比（单位/hPa）

海平面形势场上（见图2），28日在中低纬海域有一倒槽，从28—31日倒槽几乎未发展，但其南侧的冷性高压迅速增强，30日其中心强度达到1040 hPa，31日冷高压继续增强，在倒槽与冷高压之间形成较强的气压梯度带。1日倒槽迅速发展加深，向南锲入冷高压中，在中纬度海域形成很强的气压梯度带。2日倒槽迅速增强为具有2条闭合等值线的温带气旋，之后气旋缓慢向西南方向移动，强度维持，此时预定作业海域（见图6）已处于温带气旋后部，等值线较为稀疏，温带气旋对该海域的影响反而较1日弱，所以后面的对比分析只针对11月1日。

天气过程形势概括为，中高纬长波槽过境，中低纬短波槽切断为冷涡，并逐渐增强，海平面形势场上倒槽发展加强为温带气旋，与其南侧的强冷性高压间形成非常强的气压梯度带。该气旋的发展符合Petterssen 提出的B类气旋发展[10]的概念模型，即气旋发生发展的启动机制主要在高空。

3 中期形势预报对比分析

3.1 EC海平面形势预报

图4 EC-ENS10—5天前预报11月1日00时海平面气压的平均及标准差场（单位/hPa）

下面分别分析EC 提前10—5 天预报的11月1日00 时海平面形势场（见图3）的准确性，10 天预报的冷性高压中心位置偏西南，倒槽形势预报较差，高低值系统基本上都报出。9 天预报的冷高压形势较好，强度稍偏弱，倒槽的位相预报准确，但是报出一较强的温带气旋（2 条闭合等值线），整个高低压形势场与实况比较接近。8天预报冷高压被气旋切断成两个高压单体，倒槽预报偏强（1条闭合等值线），位置偏东南，整个形势场较差。7 天预报高压形势较好，中心位置偏西南，倒槽位置预报稍偏东，强度偏强（2条闭合等值线），整个形势预报较好。6天预报高压中心稍偏西南，倒槽位置预报准确，强度偏强（1条闭合等值线），整个形势场预报准确，强气压梯度带的预报也非常好，各等值线的形态与零场接近。5 天预报高压形势准确，中心位置稍稍偏东，各等值线基本与零场吻合，但预报的倒槽位置稍偏东北，导致预报的强气压梯度带比零场稍偏东。

EC10—8天（除9天外）确定性预报的海平面形势场较差，7—5 天的形势预报较好，总的趋势是时效越短，高低值系统的强度和位置预报的准确性提高，中期（7—5天）预报的稳定性较好。

3.2 EC-ENS平均值及标准差

下面分析EC-ENS提前10—5天预报的11月1日00时海平面气压的平均及标准差场（见图4）。10天预报的平均场上，高压呈长条状，强度较零场偏弱较多，倒槽位相预报准确，强度偏弱，倒槽底部是标准差的高值区，大于8 hPa，整个形势预报较好。9天预报的高压也呈长条状，中心位置预报较好，但是高压后部形势预报较差，倒槽较10 天的预报偏浅，位置稍偏西。8 天预报的倒槽位相和高压形势较好，高低压间的标准差较大，中心区大于7 hPa，整个形势预报较好。7 天预报高压形势较好，中心强度偏弱，倒槽的位相和强度预报均较好，强气压梯度带的形势预报准确，高低压间的标准差较大。5—6天预报的形势准确，强气压梯度带和倒槽的位相预报准确，高压的形势预报准确，但中心稍偏弱。

从第8 天前的预报开始，标准差的高值区主要集中在平均场倒槽的底部，由此，预报员基本上可以把握倒槽的位相，但是倒槽强度还有较大的不确定性。从第6 天前的预报开始，高压中心区的标准差较小，依此可以确定高压中心的位置，或者认为6天前EC确定性模式预报的高压位置和强度可信度较高。

3.3 GFS海平面形势预报

图5 GFS11月1日00时客观分析场（虚）与10—5天前确定性预报（实）的海平面形势对比（单位/hPa）

下面分别分析GFS提前10—5天预报的11月1日00时海平面形势场（见图5）。10天预报高压系统偏弱，中心位置落后零场较多，倒槽预报位置偏东，强度偏强（1条闭合等值线），整个形势场较差。第9天和8天预报的形势相似，高压系统位置偏东，倒槽系统预报出，但形势较差，整个形势场预报较差。7天预报高压偏东较多，倒槽位相基本准确，整个形势预报也较差。6天预报高压形态较好，强度稍偏弱，倒槽位置偏东北，强度稍偏强，高低压间的气压梯度较零场偏弱，整个形势预报较好。5 天预报的高压形态较好，强度偏弱，倒槽位置偏东北，中心偏强（1条闭合等值线），强气压梯度带较零场偏东北，整个形势预报较好。

图6 EC11月1日00时零场（黑）与4天内（含）EC确定性预报（红）及集合预报平均值（蓝）和GFS确定性预报（紫）预报的海平面形势对比

图7 NMWW3模式提前7—1天预报11月1日00时和客观分析的有效波高（单位/m）

GFS确定性预报10—7天前的整个形势预报较差，6—5 天的形势预报较好，但是低值系统位置预报较差，强度偏强。

3.4 小结

EC 和GFS 的确定性预报均提前8—10 天报出中低纬度的倒槽和中高纬的高压系统，但倒槽强度和中心位置预报的稳定性较差，EC预报倒槽的位相更好一点；EC-ENS 也提前8—10 天预报出上述系统，整体形势预报更好和稳定，对倒槽和高压的位相预报更好，但系统强度预报偏弱较多，可以从标准差场估计系统强度。EC 和GFS 的确定性预报5—6天前的形势预报较好，EC的预报相对稳定，倒槽的位置预报更加准确，GFS 的预报稳定性较EC差，倒槽的位置预报误差较EC 偏大；EC-ENS 的预报稳定，系统位相预报准确，整体形势较好，但是系统偏弱。综上所述，由于确定性预报的不稳定，只应用该产品7—10天前较难准确预报倒槽和高压系统的位置和强度，也就较难预报强气压梯度带的位置和强度，若利用EC-ENS 的产品则能在8 天前较准确的预报倒槽位相和整个形势场，6 天前准确预报高压中心的位置和形势，结合EC 和GFS 的确定性预报即可以较好的预报倒槽和高压系统的强度，从而可以对NMWW3 的海浪数值预报进行定性的主观修正。

4 4天及短期数值预报对比分析

EC 4天的高压形势预报准确，中心强度预报准确，对强气压梯度带的位置预报准确，但是倒槽稍偏弱，对1012 hPa 等值线预报较差（见图6）；ECENS 4 天预报的整体形势较好，强气压梯度带预报准确，但是高低压中心预报均偏弱，导致预报的气压梯度形势偏弱，高低压之间仍然存在较大的不确定性；GFS 4天预报的整体形势准确，但倒槽位置整体偏北，强度偏强，导致强气压梯度带预报偏北，更加接近预定作业海域。EC和GFS短期1—3天的形势预报准确，无论是冷高压还是倒槽形势预报都非常准确，高低压间的强气压梯度带位置与强度预报的也非常好，各等值线基本与零场吻合；EC-ENS 3 天前预报的倒槽强度稍偏弱，倒槽底部的标准差较小，2天和1天预报的各等值线基本与零场吻合。

4 天前各家预报仍然存在较明显的差别，ECENS 强气压梯度带的标准差仍然偏大，3 天内的整体形势预报各家都好，差别不明显。EC-ENS 3 天前预报强气压梯度带位置的标准差非常小，由此，预报员可以将EC 的确定性预报评估为非常准确，因GFS 与EC 的确定性预报吻合，可以定性评估NMWW3海浪预报误差将非常小。

综上所述，集合（平均值和标准差）预报的优势在于其预报的整个形势场较为稳定，随着预报时效变短，越来越接近客观分析场，强气压梯度带区域的标准差总的趋势也是逐渐变小，表明预报的不确定性越来越小，其标准差场还可以用来估计天气系统的强度（高值区加上标准差，低值区减去标准差，高低压之间的过渡区域不适用此原则）。一般情况下，由于计算平均的过程中已经把一些预报的随机信息过滤掉[11]，集合平均预报通常比单个预报准确。其缺点是由于简单平均的原因，一般情况下，天气系统会变弱，其形势场也不代表模式的相空间轨迹。对上述个例的对比分析表明，若综合集合预报和确定性预报的优点来对天气系统进行预报，则能在8 天前较好的预报整个天气形势，4—6 天前准确预报天气形势和高低值系统的强度，3 天内确定性预报的准确性本来就非常高，但还可以用ECENS 的标准差来评估其准确性，增强预报员和指挥决策者的信心。

5 NMWW3模式海浪预报

NMWW3 模式的风场强迫来自GFS 的海面（10 m）风场预报，因此浪高预报的准确性直接依赖于GFS形势预报的准确性。分析图7（h）可知，11月1日00时，预定作业海域浪高4 m左右，在其东南侧海域有一大浪区，中心浪高超过6 m。NMWW3 模式7 天前的预报场与分析场差别较大，漏报预定作业海域的大浪过程。6—5天报出大浪过程，形势预报基本准确，因GFS 未准确预报强气压梯度带，大浪中心预报偏弱，预定作业海域浪高偏小。4—1天的形势预报准确，但是5 m 以上浪高范围和大浪中心位置预报不断调整，导致预定作业海域浪高预报不断修正，浪高预报的具体误差见表1。7天因GFS预报的形势与EC-ENS 相差较大，因此浪高应该作较大的修正，6、5 天因GFS 预报的强气压梯度带远离预定作业海区，4 m 以上浪区中心应更靠近预定作业海域，4 天因GFS 预报较EC 偏强，可以适当减小浪高值，3—1 天可以不作修订。综上所述，若依据EC、EC-ENS 和GFS 的综合形势预报，对7—4 天的浪高预报进行定量化的主观修正，可以有效改善浪高的中期形势和要素预报。

表1 预定作业海域NMWW3模式浪高预报值与客观分析场比较

6 结论

通过综合分析EC、EC-ENS、GFS和NMWW3模式对一例中α 尺度温带气旋的预报，本文得出了以下结论：

（1）EC 确定性模式对中α 尺度温带气旋的中期形势预报较GFS模式稳定；

（2）EC-ENS 8—10天的形势预报比EC确定性模式更具有优势，预报更加稳定，系统的位相误差更小，但是系统的强度偏弱较多；4—7 天的预报也较确定性预报稳定，系统强度仍然偏弱，但是逐渐接近真实强度；标准差场可以估计系统的强度；

（3）EC 和GFS 模式的短期确定性预报没有显著差别，EC-ENS 的标准差场可以用来评估确定性预报形势场的可信度；

（4）NMWW3 模式3 天内的浪高要素预报误差较小，4—7 天预报可以依据EC、EC-ENS 和GFS 的综合预报进行主观改善性的修正。

集合预报的数据量非常大，本文只应用了EC集合预报的平均值和标准差场，对上述个例的分析表明，该产品的应用有助于提升对中α 尺度海洋温带气旋中期形势和要素预报的准确性。

致谢：感谢ECMWF和NCEP提供全球数值预报产品的免费下载。

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