泉州市乡镇精细化气温、降水预报初探

2016-02-09泉州市气象局石狮市气象局蓝秋萍饶灶鑫程

海峡科学 2016年11期

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泉州市乡镇精细化气温、降水预报初探

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该文针对泉州市乡镇精细化天气预报业务，采用相邻区域的相似预报法，分别对各乡镇四季的不同天气要素与参考站的关系进行统计分析，其中高温、低温和沿海风力预报得出基于参考站预报订正值，而降水预报给出两者间的晴雨同步率。统计分析发现，全市高低温历史拟合率在90%左右，说明该结论具有较高的历史相似性，可作为预报的订正值；四季各乡镇与参考站的晴雨同步性平均达85%以上，在实际预报业务中可作为参考；进一步对山区高海拔乡镇、与参考站海陆差异明显的乡镇预报方法改进订正，拟合效果明显提高。

乡镇气象预报相似预报法统计分析晴雨同步率泉州市

2010年中央一号文件部署了健全农业气象服务体系、加强农村气象灾害防御体系建设任务（简称“两个体系”），其中精确到各个乡镇的天气预报是当中的一个重要组成部分。

为了适应气象预报精细化的要求，提高泉州市气象预报服务和防灾减灾能力，泉州市气象局在2010年开展了精细化到乡镇的天气预报。乡镇天气预报以乡镇自动气象站和网络系统建设为依托，以数值预报和福建省气象台指导预报为基础，制定泉州范围内的乡镇气象要数预报，包括降水、最低气温、最高气温、风力等级和风向。通过处理乡镇预报产品，发布到各乡镇气象信息服务平台、电子显示屏等终端上，开展相应服务。至2013年，泉州市已有6个县市的公众影视天气节目对外发布乡镇天气预报。但乡镇精细化预报缺乏客观定量的预报参考，主要依靠预报员在本县（市）基准站的天气预报上并借助简单外推而进行的订正预报，整体预报效果欠佳。

近年来，区域自动气象观测站网的密度有了快速提高，大部分乡镇都至少拥有一套4要素以上的自动气象观测站，而且，自动观测的数据质量也得到了较好控制，这些都为开展精细化到乡镇的天气预报奠定了基础。因此，本文从乡镇精细化气温、降水预报入手，结合自动气象观测站和地面气象观测站，探讨气温、降水预报订正的方法，切实提高乡镇气温、降水预报的准确率。

目前，国内已有许多从事乡镇最低、最高气温预报的研究工作。如连志鸾等[1]利用ECMWF资料、地面常规观测资料和自动站气温资料，采用多级相似和站际间的气温差额预报方法制作乡镇的最低、最高气温预报，得到了较高的预报准确率。文献[2]～[5]利用高分辨率的中尺度数值预报结果和统计方法（如输出统计方法、神经网络方法）来制作乡镇温度预报；另外，利用统计降尺度方法制作乡镇精细化温度预报[6]，也取得较高的准确率。但是，这些基于数值模式预报结果的温度订正预报检验结果都表明[7-8]，数值模式预报结果误差越大，温度预报的误差也越大。因此，邱学兴等人[8]撇开数值模式预报结果，利用准确率最高的主观县站最低、最高气温预报来制作乡镇的温度，并建立了不同季节、不同天气状况下的温度预报订正方程，温度预报准确率有了显著提升。

本文从还原自动气象观测数据的角度出发，系统分析全市的气温、降水分布特征，建立基于区域自动气象观测站的乡镇气温、降水预报订正指标，为全市的精细化乡镇预报水平和准确率的提高提供技术支撑。

1 泉州气候特征

泉州市东临台湾海峡，属亚热带海洋性季风气候，冬半年主要受蒙古冷高压楔控制，盛行偏北风，气温低，干燥少雨；夏半年主要受副热带高压影响，盛行偏南风，气温高，湿润多雨。

1.1 平均气温时空分布

泉州市年平均气温的高值区在安溪县东部、南安县西部的低丘陵地带。由该区向东南部沿海缓降，与滨海地区相差约1℃；向西北部地区递降，幅度较大，与德化县城关相差约3℃。低值区在德化县西北部的高海拔山区。

春季气温变化基本趋势是升温，但升中有降，过程性频繁，幅度也大，有时一天升降可达10℃以上，有的年份3月下旬后仍会出现连续3d以上日平均气温低于12℃的“倒春寒”天气。夏季炎热，但真正的酷暑天气不多，高海拔地区和滨海地区相对温低，台风和雷阵雨则是缓解高温的两种主要天气过程。秋季气温迅速下降，连续3d以上平均气温低于20℃的“秋寒”一般出现在10月中旬（半山区）至11月上旬（沿海），但秋季仍常出现“十月小阳春”天气，日较差也增大。冬季大部分地区仍较暖和，比较寒冷的是高海拔山区。

1.2 最高气温时空分布

泉州市月平均最高气温分布基本与月平均气温一致，中部低丘陵地带高，滨海地区与西北部高海拔地区较低。“热都”在安溪城厢一带。滨海崇武各月平均气温高于德化，而1～8月平均最高气温均比德化低，反映出该地日较差较小的海洋性气候特征。

1.3 最低气温时空分布

泉州市月平均最低气温的分布亦同月平均气温分布基本一致。崇武12月和1月的平均最低气温高于德化，也是该地海洋性气候的特征之一。

从以上统计可以看出，最高、最低气温从海滨乡镇（崇武）到半沿海乡镇（鲤城）到内陆低丘陵乡镇（南安）逐步递增，再向西北部高海拔乡镇（德化）递减。反映出最高、最低气温的时空变化具有统一性与差异性,也反映了泉州气候具有一定的区域性特征。例如，安溪、南安同样地处泉州市中部低丘陵地带，两者测站的海拔高度均在50m左右，其各月最高、最低气温基本持平，反映两者的气温变化状况基本同步。本文气象要素的预报也是基于这种同步性展开。

1.4 年降水量的空间分布

泉州市自动站平均年降水量在800～2000mm，降水量分布受天气系统和地形地势影响；其时空分布不均，地理分布特征是由西北向东南递减，山区多、沿海少；两大多雨中心与海拔高值区相对应，分别位于德化境内戴云山脉主峰附近和安溪西南隅，年均降水量在1700mm以上，这些地方的多雨是地形对气流的动力抬升作用所致。年降水量与站点高度分布的关系是：低于200m的自动站年降水量基本少于1500mm，高于200m的基本在1500mm以上；年降水量随自动站高度呈指数性增长。

1.5 降水量的季节分布

春季是强对流天气活跃，降水相对比较稳定、均匀的季节。全市区域自动站平均春季降水量186.6mm（石狮鸿山）～504.5mm（德化大铭）。春季降水量的分布与平均年降水量分布基本相似：西北多、东南少；山区春季降水量均在400mm以上，≥450mm的区域在德化西部、永春西北部和安溪西北部；东南部沿海一带的雨量在300mm左右。

夏季降水主要因热带天气系统的影响所致，是降水量时空分布最悬殊的季节。全市区域自动站平均夏季降水量174.6mm（惠安埕边盐场）～905.9mm（永春呈祥）。其分布特点表现为：西北多、东南少；山区均在600mm以上，≥700mm的多雨区集中在德化西部、永春中部、安溪南部以及南安西南角；东南部沿海一带的雨量在300～500mm之间，仅为山区的一半左右。

秋季是秋高气爽、干燥少雨的季节，也是降水变化无常的季节，容易出现秋冬连旱。秋季降水量少且平缓，全市平均秋季降水量139.6mm（石狮鸿山）～407.1mm（安溪龙涓）。多雨区位置与夏季分布基本一致，雨量在300mm左右。

冬季冷空气影响频繁，风高物燥，是降水最少的季节。全市区域自动站平均冬季降水量33.4mm（泉港涂岭）～161.4mm（德化桂阳）。冬季降水量分布自西北山区向东南沿海减少；德化西北部降水量超过150mm，沿海一带降水量则在100mm以下。

2 资料整理

本文采用泉州市各乡镇2008—2013年的（自动）观测站逐小时报文资料。统计站点逐日相关气象要素值，其中包括日降水、日最高气温、日最低气温和日极大风力4个气象要素。对资料进行整理，形成预报中常用的08～08和20～20这2个时段的实况资料。

以2008—2012年资料作为样本统计，2013年资料作为历史拟合效果检验。本文所用的自动站资料文件数量大，时间跨度长，基本涵盖了泉州范围内自动站建站以来的所有数据。

3 站点筛选

3.1 有效乡镇预报站点筛选

泉州市各乡镇自动站从2007年以来陆续建成，各自动站资料的时间跨度不一，且由于自动站故障造成数据缺失和错误等原因，需对资料进行初步整理，筛选出满足乡镇精细化预报条件的自动站。

数据样本数的长度对统计结果有重要影响，样本长度太小，统计出的对比数据偶然性太大，历史拟合的准确率低，无参考意义。因此本文选取有效样本资料多于3年的站点作统计分析。以此为依据共选出130个有效乡镇预报站点。

3.2 乡镇实况对比站点与预报对比站点的选取

本文选取乡镇所在县（市）的气象基准（或基本）站作为实况、预报对比站点。如无基准（或基本）站，则选最近的自动站。例如泉州市局以及洛江区范围内的乡镇、街道选取F5103东海自动站作为实况对比站点，石狮范围内的乡镇、街道选取F5652宝盖自动站作为实况对比站（具体见表1）。该选取方法在泉州气候特征的基础上考虑了地理行政的分布，有利于日常预报业务的执行。

表1 乡镇预报对比站点与实况对比站点

4 要素预报方法

我们针对泉州天气预报业务的现状，分别对不同天气要素进行统计分析，其中高温、低温预报根据相似预报法得出预报订正值；而降水预报给出各乡镇和预报对比站的晴雨同步率，为乡镇降水预报提供一定参考。

4.1 相似预报法

泉州气候为亚热带海洋性季风气候，气象要素在沿海区域和内陆区域具有差异性和同步性。本文在泉州市近五年区域自动站资料的基础上,统计四个季节各乡镇站点的最高温度、最低温度与其相应的实况对比站点气象要素的平均差距，初步得出预报参考指标。

其中为预报订正值，为样本长度，为乡镇站点的天气要素值，为该乡镇站点对应的实况对比站点的天气要素值。

4.2 晴雨的历史同步率

假设乡镇站点和实况对比站点的晴雨天气具有一一对应关系，某一季节乡镇及本站的降水序列为个样本，两个站点共同出现降水的样本数为1，共同没有降水的样本数为2，则（1+2）/代表两者的晴雨同步性。（1+2）/的值越大，即表示两者的晴雨同步性越好。

5 历史拟合效果检验

5.1 气温的历史拟合效果检验

采用2010年实施的《短期气候预测质量分级检验办法》中的PS评分方法。用乡镇站点与本县市的实况对比站点的实际高低温差减去该乡镇的高低温订正值，其绝对值在2℃以内的视为正确样本。全市拟合效果见表2。

表2 高、低温历史拟合效果

从表2可以看出，基于相似预报法得出的高、低温订正值具有较高的准确率，四季各县市的准确率在90%左右，该订正值可运用于实际预报业务中；各县市的准确率存在差异，南安、永春、晋江、石狮、市区及洛江区的准确率较高，说明这些县市的气象要素日差异小、区域性气候明显。德化、惠安及泉港区的准确率较低，说明这些县市的气候区域内差异大。

5.2 晴雨的历史同步率

通过统计发现，全市各乡镇与其对应的实况对比站点的平均晴雨同步性在85%左右，尤其是冬季晴雨同步率最高，具有较高的预报参考价值（见表3）。