T639数值预报产品对黄渤海沿海大风预报效果检验

2014-12-06侯淑梅张少林盛春岩范苏丹

海洋预报 2014年6期

侯淑梅，张少林，盛春岩，范苏丹

（1.山东省气象台，山东济南250031；2.山东省气象科学研究所，山东济南250031）

1 引言

山东省地处我国东部的中纬度地区，位于黄渤海沿岸，海岸线长，航运及水产养殖业发达。受北方冷空气和气旋等影响，沿海经常出现大风天气，对海上交通和水产养殖影响很大，仅在1985—1994年的10年间，在烟台所辖海域发生的海难事故就高达151 起[1]。许多学者[2-5]对黄渤海大风发生规律、影响系统、客观预报等方面进行了深入细致的研究，对黄渤海海上大风的预报提供了很多有益的参考。

T639数值模式是在T213中期数值预报系统的基础上发展的，该模式垂直分辨率为60 层，使模式层顶升至0.1 hPa，并采用Rayleigh 摩擦增加平流层的稳定性[6]。自2008年夏季开始投入业务应用以来，以其高时空分辨率及多要素多层次等特点，受到一线预报员的青睐。该产品不仅有海平面气压场预报，更有10 m 风场预报，对地面大风的预报有一定的指导价值。朱智慧等[7]就T639预报产品对上海市南汇站的24 h 风速进行了检验并建立MOS 方程模型，结果表明，T639 模式对南汇站风速预报误差较大，MOS方程结果优于模式直接输出结果。蔡芗宁[8]研究结果表明T639 模式较好的预报出引起2011年4月28日沙尘天气的冷空气位置和范围，说明该模式对于地面大风的预报有较好的参考价值。

对T639数值预报产品的环流形势、气温和降水等方面的效果检验已取得了许多成果[9-11]，但对于大风的检验很少，尤其是对于沿海大风的分类检验更是凤毛麟角。阎丽凤[12]对MM5、WRF-RUC及T639模式对山东沿海风的预报进行了分级检验，结果表明，T639 模式风力预报偏弱，对于4 级以下的风预报评分较高，而对于8 级以上大风几乎没有预报能力。本文就T639 数值预报产品对黄渤海沿海地区大风天气的影响系统和大风的预报准确率进行统计，根据不同的天气类型、不同预报时效分别对天气系统和10 m风场进行检验，以期更好地对预报提供参考，提高黄渤海沿海大风的预报准确率，减少大风对海上作业的危害。

2 资料和方法

2.1 资料

资料时间：2008年8月1日—2011年12月31日。

检验区域：山东省海岸线10 km 以内黄渤海沿海地区，将沿海区域分了3个预报区（见图1）。

实况资料：山东省黄渤海沿海138 个地面、海岛、浮标、石油平台等自动站（见图1）逐小时10 min平均最大风速，统计6级（10.8 m/s）以上的大风天气过程，4年间共有221 个个例。其中1 区内有40 个站，2区内有60个站，3区内有38个站，每个区内不设代表站，只要同一区域内有2个以上自动站连续3 h出现6级以上大风，即认为该区出现大风，因此个别站缺测不影响预报区域评分。

T639 数值预报资料：高空500 hPa、700 hPa、850 hPa 高度场、温度场和风场，海平面气压场和10 m 风场。该产品格点空间分辨率为1°×1°，起报时间为每天08 时和20 时，预报时效间隔3 h。根据实际业务应用中获取资料的时间和预报可用时效，取其12—48 h预报产品。

2.2 方法

图1 黄渤海山东沿海预报区域划分及沿海自动站和T639数值产品格点分布图

大风过程：规定沿海自动站同一预报区域内2个以上自动站出现6级以上大风，并持续3 h以上作为一次大风天气过程，一个站连续两个小时或同时有两个站风力达到6级以上为一个过程的大风开始时间，所有自动站的风力均小于6 级风时为大风结束时间，每个大风过程中出现的最大风速作为该大风过程的风速最大值，若最大值只有一个站出现一个时次，则取次大值，依次类推。

天气分型：根据大风天气的影响系统将大风过程分为气旋（41 例）、低槽冷锋（西北路55 例、北路47 例、西路33 例）、台风（4 例）和综合类（41 例）4 个类型。天气系统按照以地面形势为主，高空形势为辅的原则：当有台风北上，黄渤海沿海受台风环流直接影响时归为台风类；当受温带气旋环流影响时归为气旋类；当地面有冷锋，高空有西风槽时归为低槽冷锋类；当地面没有上述天气系统，而是受倒槽、低压、东高西低或西高东低等形势控制时，归为综合类。综合类冷空气势力较弱或不明显，但由于海上高压增强等原因造成气压梯度增大，黄渤海沿海出现大风，这类大风的强度一般比其他三类弱。另外，由于冷空气的路径不同，产生大风的强度和区域也不同，根据冷空气的路径[13]又将低槽冷锋类细分为西北路、北路和西路三个小类分别进行统计。

预报时间：规定10 m风场有一个格点的风速大于等于10 m/s持续2个时次以上或有两个以上格点的风速值大于等于10 m/s，是预报大风的开始时间，当所有黄渤海沿海格点风速均小于10 m/s 时，为预报大风结束时间。

预报时效：是指当实况发生的时间在距离起报时间12—24 h 之内时，称为12 h 预报，当实况发生时间在距离起报时间24—36 h之内时，称为24 h预报，当实况发生时间在距离起报时间36—48 h之内时，称为36 h 预报。由于数值预报每3 h 输出一次产品，当预报大风出现时间与实况大风出现时间差的绝对值小于3 h时，为正确，当二者差大于等于3 h时，为预报偏晚，当二者差小于等于-3 h时，为预报偏早。其他时间同理。

大风落区：将黄渤海沿海分为3 个海区（见图1），当T639数值产品格点预报大风与实况大风落在同一区域内时，为预报正确，当预报大风区域大于实况区域时，为偏大，否则为偏小，若预报大风区域与实况不在同一区域时为错误。

根据以上原则，统计2008—2011年T639 数值预报12—36 h 预报时效对各类型大风过程的天气系统的影响时间、强度和中心位置以及大风出现的开始时间、结束时间、大风落区、最大风速值、最大风速值的开始时间、结束时间和落区的预报准确率。

3 天气系统

3.1 影响时间

从图2可见，对于天气系统的影响时间，各种类型的漏报率除低槽冷锋北路（36 h、12 h）和综合类（各时次）分别有1 个个例漏报外，其他类型漏报率均为零。各类型的预报正确率，低槽冷锋西路12 h最高，达75.8%，其次是气旋类，三个时效的正确率均在60%—70%之间，台风类预报正确率最低，3 个预报时效均为25%，这与蔡芗宁[14]和符娇兰[15]的研究结果一致：蔡芗宁[14]分析T639模式对0808号台风凤凰的路径及强度预报与实况差异较大，符娇兰[15]研究结果表明，T639 模式对1107 号强台风纳沙的预报性能较差，中期时效内路径误差在1000 km 以上。从预报时效来看，各类型的正确率三个时效之间没有明显的优劣区别，低槽冷锋北路36 h、24 h、12 h 预报正确率依次降低，低槽冷锋西路的正确率依次升高，台风类三个时次正确率相同，其他类型的12 h 预报正确率均略高于36 h 和24 h 时效。台风类预报偏早概率较高，36 h 和24 h 偏早概率均高达50%，其次是综合类，预报正确率与偏早概率相当，均在40%左右；低槽冷锋三个路径预报偏晚概率均大于偏早概率，西北路和北路预报偏晚概率均在30%—40%，明显大于偏早概率（10%左右）。

综上所述，就天气系统的影响时间而言，各类型的正确率三个预报时效之间没有明显的优劣，气旋类、低槽冷锋类正确率在50%—70%，气旋类偏早概率大于偏晚概率，低槽冷锋类预报偏晚概率大于偏早概率。台风类和综合类预报正确率较低，预报偏早概率较高。

3.2 强度

根据影响黄渤海沿海大风的四类天气系统，本文天气系统的强度是指地面高（低）压的中心气压值和气压梯度，当高（低）压中心距离黄渤海较远时，主要是指气压梯度。从图3可见，对于天气系统的强度，各种类型的漏报同3.1。各类型的预报正确率均较高，一般在50%—70%，低槽冷锋西路预报准确率最高，3个预报时效均超过60%，其12 h预报准确率高达69.7%，其次是综合类，三个时效的正确率均在55%—70%之间，12h 预报正确率达68.3%，其他几个类型的预报正确率在40%—55%之间。系统偏强的概率气旋类最高，为30%—40%，其次是综合类和台风类，为20%—30%；系统偏弱的概率低槽冷锋西北路最高，为30%—40%，综合类最低，为10%左右。低槽冷锋类预报偏弱的概率明显大于偏强的概率，台风类偏强和偏弱的概率相当，气旋类和综合类偏强的概率明显高于偏弱类。从预报时效来看，除了低槽冷锋西北路是12 h预报正确率小于36 h，其他类型的正确率36 h、24 h、12 h均是依次升高的。

综上所述，就天气系统的强度而言，各类型的预报正确率均较高，一般在50%—70%，12 h预报正确率一般要高于36 h和24 h，低槽冷锋类预报偏弱的概率明显大于偏强的概率，台风类偏强和偏弱的概率相当，气旋类和综合类偏强的概率明显高于偏弱类。

3.3 中心位置

从图4可见，对于天气系统的中心位置，各种类型的漏报率同3.1。各类型的预报正确率均较高，除了台风类，其他类型均在80%—90%，低槽冷锋北路预报准确率最高，3个预报时效均超过90%，其24 h预报正确率高达93.6%；其次是综合类，其24 h 和12 h 预报正确率均为90.2%之间；台风类预报正确率最低，36 h、24 h 预报正确率均为50%，12 h 正确率为75%。预报偏快、偏慢概率最大的是台风类，均为25%，其他类型预报偏快偏慢的概率均较低，一般在10%以下。

4 大风

4.1 大风开始时间

以山东黄渤海沿海T639 产品10m 风场的预报场检验黄渤海沿岸6级以上大风的预报准确率。从图5可见，对于大风的开始时间，各种类型的预报正确率均不高，最高的是低槽冷锋西北路，其12 h 预报正确率为38.8%，最低的为低槽冷锋北路，其12 h预报正确率为11.1%，其他类型的预报正确率均为20%—30%之间。三个预报时效中，只有低槽冷锋北路的预报正确率是36 h、24 h、12 h 依次降低的，其他类型的预报正确率均是36 h、24 h、12 h依次升高或不变的。台风类预报偏早的概率最高，其24 h预报偏早的概率高达75%，其36 h、12 h预报偏早的概率为50%。气旋类、台风类和综合类预报偏早的概率大于偏晚的概率，低槽冷锋西北路和西路预报偏早的概率与偏晚概率相当，北路预报偏早的概率低于偏晚的概率。所有类型的漏报率中低槽冷锋北路最高，其12 h、24 h、36 h 漏报率分别为24.4%、17.4%、15.2%，其他类型的漏报率均低于10%，台风类的漏报率最低，3个时次的漏报率均为0。

4.2 大风结束时间

由图6可见，对于大风的结束时间，各类型的预报正确率均低于30%，正确率最高的是气旋类和低槽冷锋西路，其12 h 预报正确率分别为25.7%、25%，台风类的预报正确率3 个时次均为0，其他类型的预报正确率均在10%左右。所有类型预报偏晚的概率远远高于正确率和偏早概率，均在40%以上，台风类偏晚概率最高，其36 h 预报偏晚概率高达100%，低槽冷锋北路偏晚概率最低，其36 h偏晚概率为43.8%，这与党英娜[1]统计T639 预报渤海海峡气旋类和热带气旋类大风结束时间均偏晚的结论一致。

4.3 大风落区

由图7 可见，对于大风落区，气旋、低槽冷锋西北路和西路预报正确率均在60%以上，其他类型的正确率均为40%—50%，最高的是低槽冷锋西路，其12 h 预报正确率高达81.3%，最低的是台风类，其24 h、12 h 正确率均为25%。台风类预报落区偏大的概率最高，其24、12 h偏大的概率高达75%，其他类型预报偏大的概率均低于20%。预报偏小的概率综合类最高，36 h 预报偏小概率为28.2%。预报错误的概率各类型均低于10%，漏报的概率只有低槽冷锋北路超过10%，其12 h预报漏报率高达24.4%，台风类漏报率和错误率均为0。

4.4 最大风速值

本文规定当实况为6级（10.8 m/s）大风时，山东黄渤海沿海同一区域格点预报场均小于10 m/s为漏报；当实况大于6级风时，山东黄渤海沿海格点预报场均小于12 m/s为漏报。

由图8可见，对于最大风速值，预报正确率均不高，最高的为台风类，其3 个预报时效正确率均为50%，其次是综合类，其24 h和12 h预报正确率均为36.6%；正确率最低的为低槽冷锋西北路，三个时效均低于20%，12 h 预报正确率仅为14.3%。各类型预报偏小的概率均较大，均在20%以上，其中低槽冷锋西北路预报偏小的概率最大，三个时效偏小概率均大于60%，12 h预报偏小概率高达69.4%，其次是气旋类，三个时效偏小概率均在50%左右，其24 h预报偏小概率为57.1%。各类型中预报偏大的只有低槽冷锋西路和台风类，台风类24 h偏大的概率最高，为50%，其次是低槽冷锋西路24 h，预报偏大的概率为43.8%。各类型漏报的概率是综合类36 h最高，为42.5%，低槽冷锋北路三个时效漏报率均较高，36 h 为41.3%，其他类型的漏报率均低于20%，台风类漏报率为0。

4.5 最大风速值开始时间

由图9可见，对于最大风速开始时间，预报正确率均不高，最高的为低槽冷锋西路，其36 h 正确率为31.3%，其他类型的正确率均低于30%，其中综合类的正确率最低，其36 h正确率仅为7.5%。预报最大风开始时间偏早的概率台风类最高，三个时效均高达50%，其次是综合类，其36 h 偏早的概率为32.5%。多数类型预报偏晚的概率大于偏早的概率，其中低槽冷锋西路偏晚的概率最高，其12 h预报偏晚概率为46.9%，其次为低槽冷锋西北路，其36 h偏晚概率为45.8%。各类的的漏报率同4.4。

4.6 最大风速值结束时间

由图10 可见，对于最大风速结束时间，预报正确率均很低，最高的为低槽冷锋西路，其36 h 正确率为29.4%，其他类型的正确率均低于20%，其中台风类的正确率最低，三个时效均为0。大多数类型预报最大风结束时间偏晚的概率大于偏早的概率，其中台风类预报偏晚的概率最高，三个时效均为100%，其次为气旋类，其36和12 h预报偏晚的概率均为50%，其他类型偏晚概率一般在30%左右。预报偏早的概率最大的是低槽冷锋西北路12 h预报，为43.6%，其他类型多在30%以下。漏报的概率综合类36 h预报最高，为51.5%，其次是低槽冷锋北路，其三个时效的漏报率均超过40%，36 h 漏报率为48.7%。台风类的漏报率最低，三个时次均为0。其他类型的漏报率一般低于30%。

除了龙王庙，笔者认为，船厂附近还应有衙署、军营、驿站、工棚、库房、工匠住宅、码头等设施，当然这些不可能全是刘清所建。因为刘清第一次来到船厂时，船厂已经建立整整十年了，基础设施和军政建制应该完善了，刘清对此大多是进行修缮和增扩建。

4.7 最大风速值落区

由图11可见，对于最大风速落区各类预报的正确率差别较大，最高的是低槽冷锋西路，其12 h 正确率为75.0%，36 h 和24 h 正确率为68.8%，其次是气旋和低槽冷锋西北路的12 h预报，均为57.1%，正确率最低的是低槽冷锋北路，其12 h预报正确率为24.4%；除低槽冷锋北路外，各类型12 h落区正确率均高于36 h 和24 h，36 h 和24 h 正确率却各有千秋。预报落区偏大概率最大的是台风类，其24 h偏大概率为75%，36 h和12 h概率为50%，其他类型偏大概率均小于20%，低槽冷锋西路概率最小，其36 h和12 h 概率均为3.1%。各类预报落区偏小的概率最大的是综合类24 h预报，为26.8%，其次是低槽冷锋北路，其12 h预报偏小概率为26.7%，台风类预报偏小的概率三个时次均为0。各类型落区预报错误的概率均很低，均小于10%。各类型漏报的概率高低不同，综合类36 h最高，为42.5%，其次是低槽冷锋北路，三个时效的漏报率相差无几，36 h、24 h、12 h漏报率依次为41.3%、39.1%、37.8%。其他类型的漏报率小于20%。

5 T639 数值产品10 m 风场预报黄渤海沿海大风应用技巧

统计T639数值产品10 m风场对黄渤海沿海各类型大风过程的预报，发现有以下规律，使用时可以根据情况加以订正：

（1）T639的10 m风预报大风比实况偏小，一般情况下可遵循以下规则使用：

预报10 m/s，沿海可以出现6级或6—7级阵风8级的大风；

预报12 m/s，沿海可以出现7 级阵风8—9 级大风或7—8级阵风9—10级大风；

预报12—14 m/s，且时间长、范围较大时，沿海可以出现7—8级阵风10—11级大风；

预报14 m/s 以上，且时间长、范围较大时，沿海可以出现8—9级阵风10—11级大风。

（2）当大风预报时间长，范围大时，沿海大风可能将增大1—2个量级。

（3）当有气旋生成（本地或上下游）均可能导致气压梯度增大，沿海实况大风将增大1—2个量级。

6 小结

（1）对于造成黄渤海沿海大风的天气系统，T639 基本没有漏报，对于系统的中心位置和强度，各类型、各时效12 h正确率一般高于36 h和24 h，中心位置预报正确率一般大于80%；强度预报正确率一般在50%—70%，低槽冷锋类预报正确或偏弱，气旋类和综合类预报正确或偏强；影响时间预报各类型大多数12 h 正确率高于36 h 和24 h，正确率一般在50%—70%，低槽冷锋类预报正确或偏晚，气旋类预报正确或偏早。台风的影响时间和中心位置预报正确率明显低于其他天气系统；

（2）T639 对于大风的开始时间预报正确率较低，气旋类、台风类和综合类预报开始时间正确或偏早，低槽冷锋类预报偏晚概率略大于偏早概率；对于大风的结束时间所有类型和时效均是预报偏晚的概率较大；对于大风的落区，台风类落区预报偏大，其他类型均是正确或偏小；

（3）对于最大风速值预报，台风类和低槽冷锋西路预报正确或偏大，其他类型预报正确或偏小，综合类和低槽冷锋北路的漏报率高达30%—40%；最大风的开始时间台风类和综合类偏早，其他类型正确或偏晚；最大风结束时间低槽冷锋北路没有明显规律，其他类型均偏晚，台风类偏晚概率三个时效均为100%；最大风落区台风类明显偏大，其他类型正确或偏小；

（4）T639 对于台风，无论是天气系统还是其造成的大风，预报能力是所有类型中最差的，原因之一是台风个例少，可能代表性差；原因之二是T639对于台风路径的预报准确率直接影响着大风的准确率；

（5）三个预报时效相比，12 h 一般情况要优于36 h 和24 h，36 h和24 h预报之间没有明显的优劣。

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