天津一体化平台气象要素预报在宁河秋季的检验评估

李静楠，张春同

(1.天津市宁河区气象局 天津301500；2.成都市气象局 四川成都611130)

0 引 言

随着气象观测方法的革新以及资料的同化应用，数值预报模式的初始场愈加精确，时空分辨率不断提高，物理过程参数化方案日趋完善，对大气运动的描述更为精准。近年来，数值模式的形势预报水平已超过了预报员[1-4]，并且国内外关于数值模式的研究仍在进行中，许多专家学者致力于应用多源观测资料、改进资料同化算法、优化参数化方案等方式[5-9]，使数值模式的预报性能不断提高。但由于模式框架、物理过程等计算方法的限制，数值模式还存在很多不确定性因素造成的误差[10-11]，其输出的要素预报在时间、空间上的精度还比较低，不能完全满足国家防灾减灾和公众对气象服务日益增长的需求。

《2005—2020年中国气象事业发展战略》[12]指出，必须把提高预报预测准确率放在突出位置，加快短、中期天气预报的精细化进程，着力提高关键性、转折性、灾害性重大天气预警预报的水平，不断提高短期气候预测和气候变化预估的水平，实现从传统的、比较粗泛的预报预测向更准确、更及时、更精细、多时空尺度“无缝隙”预报预测转变。为此，天津市气象台结合气象业务的实际情况，以 EC、T639数值预报产品为基础，利用 MySql数据库开发了一体化综合气象业务平台(Tianjin Multiple Meteorological Operation Platform，TIPTOP)，于2017年正式投入业务运行，并已成功应用于第十三届全运会等大型活动的气象保障服务中。该平台致力于提高市、区两级业务单位的气象分析及气候监测、警报预测能力，可滚动提供 24、48、72h时效的逐小时气象要素格点预报结果，对气象预报尤其是重大灾害性天气的预警提供强有力的技术支撑。

为了把握一体化平台格点预报对天津市宁河区的要素预报性能，更好地进行本地化应用，本文选取宁河辖区内 7个地点，对一体化平台制作的 24h预报时效逐小时 4种地面气象要素(气温、相对湿度、风向和风速)预报产品进行了比较全面的检验评估，为宁河区气象预报、服务提供保障。

1 资料与方法

1.1 检验站点

选取芦台城区(39.352°N，117.828°E)、七里海古海岸与湿地自然保护区(39.318°N，117.680°E)、道教圣地天尊阁(39.564°N，117.765°E)、国家级种猪繁育基地(39.446°N，117.650°E)、于方舟故居(39.333°N，117.561°E)、一汽大众华北基地(39.237°N ，117.548°E)和齐心蘑法小镇(39.347°N，117.391°E)作为宁河区内不同区域的代表站。

1.2 数据资料

资料时段为2017年9月1日至2017年11月30日。一体化平台每日 14时对上述 7个代表站24h预报时效内的逐时要素格点预报数据。实况数据为相应时间的观测数据。

本文检验的内容包括 2m 气温、相对湿度、风速、风向等，考察要素格点预报在每日不同时间的预报能力，将预报结果与相对应的实况进行检验分析。

1.3 检验方法

本文参照中国气象局《天气预报质量检验办法》[13]的规定，进行预报检验。

③风向：检验按八方位风的规定，计算每一方位±22.5°内的预报准确率等。

④风速：检验包括相关系数、平均绝对误差和平均误差等。

2 检验结果分析

2.1 气温检验

2.1.1 相关系数

从逐日气温格点预报与实况的相关系数分布可以看出，检验时段内样本的相关系数较高，普遍达到0.95以上。但在10月8至9日相关系数出现明显波动，部分地区的预报值与实况出现了负相关，如 9日一汽大众华北基地的负相关最明显，相关系数达到-0.429，可能由于10月7日下午至9日下午宁河地区有高空槽过境，出现明显的降水、大风降温过程。从 9～11月各代表站气温格点预报相关系数的平均值分布来看，2017年秋季，除芦台城区为 0.726以外，其余各站的平均相关系数在 0.810以上。这表明，一体化平台对格点温度的连续变化趋势预报性能稳定，对气温预报具有较高的参考价值。

2.1.2 平均绝对误差和平均误差

分析气温格点预报与实况的平均绝对误差随时间的分布，可以发现各代表站的平均绝对误差略有差异，差值均在0.7～2.3℃之间。从图1显示的7个代表站气温平均误差可以看出，24小时内平均误差介于-2.3～0.6℃之间；在 16:00～20:00的小时气温预报结果偏大，而其他 20个时次的平均误差多为负值，20:00～08:00格点预报与实况的误差较小，08:00～16:00误差的负值明显增大。这表明一体化平台在秋季的气温格点预报值普遍偏低，尤其是在日出到午后时段。

2.1.3 气温预报准确率

图2给出了一体化平台气温格点预报误差在±1℃范围内的准确率随时间的变化。可以看出，误差在±1℃范围内的准确率集中在 0.2～0.8，24小时内不同时段的误差差异不大，且随时间的增长误差的分布没有显著的变化规律。误差在±2℃范围内的准确率集中在 0.6～1.0，不同时次之间的差别也不明显，随时间的增长无明显变化规律。综合对比图1、图2可以发现，一体化平台对齐心蘑法小镇在08:00～09:00的气温预报值和准确率偏低；对道教圣地天尊阁在白天段的气温预报值和准确率也偏低，将影响该地最高气温的预报。

图1 一体化平台气温预报的平均误差随时间的分布Fig.1 Variation of average error of TIPTOP temperature prediction with time

图2 一体化平台气温预报准确率(误差为±1℃)随时间的变化Fig.2 Variation of accuracy of TIPTOP temperature prediction with time(error ±1 ℃)

2.2 相对湿度检验

2.2.1 相关系数

同气温格点预报与实况的相关系数类似，相对湿度的相关系数整体较高，平均为 0.6～0.8。从逐日相对湿度格点预报与实况的相关系数表可以看出，9—11月中除10月7至9日数值较低以外，其他时段相关系数主要集中在 0.7～0.9。由此可见，一体化平台对相对湿度的预报值与实况的变化趋势相符。

2.2.2 平均绝对误差和平均误差

分析相对湿度平均绝对误差和平均误差可见，7个代表站的平均绝对误差集中在 8%～18%，大多数时次预报的平均误差为负值，且随预报时间的增加平均误差负值减小，在 13:00～17:00转为正偏差，随后平均误差迅速向负值增加(图3)。这表明，一体化平台预报的相对湿度整体偏小，随预报时间的增加，相对湿度预报值呈先偏高后偏低的趋势，在午后及日落时段的预报与实况最接近。

图3 一体化平台相对湿度预报的平均误差随时间的变化Fig.3 Variation of average error of TIPTOP relative humidity prediction with time

2.2.3 相对湿度预报准确率

相对湿度格点预报准确率随时间的变化情况如图4所示。可以看出，24小时内各代表站预报准确率的变化趋势大体是一致的。在日出后的 08:00～09:00以及日落后的 18:00～19:00预报误差均有增加，准确率平均下降约 40%；清晨和傍晚的预报准确率最高，可达到 80%～90%。对比各站可以发现，在夜间(20:00～08:00)格点预报的预报技巧差异显著，对宁河区西侧(如齐心蘑法小镇、于方舟故居)的预报准确率相对较低，对宁河区东、南侧的预报准确率相对较高，如芦台城区、一汽大众华北基地和七里海古海岸与湿地自然保护区。

图4 一体化平台相对湿度预报准确率(误差≤10%)随时间的变化Fig.4 Variation of accuracy of TIPTOP relative humidity prediction with time(error≤10%)

2.3 风向检验

分析发现，24h内逐小时风向预报准确率在各代表站的变化趋势基本一致。从图5给出的 7个代表站逐小时预报准确率的平均情况来看，24小时内风向格点预报的准确率在 33%～59%之间。24小时芦台城区、七里海古海岸与湿地自然保护区、道教圣地天尊阁、国家级种猪繁育基地、于方舟故居、一汽大众华北基地和齐心蘑法小镇的预报准确率分别为38.52%、46.06%、34.81%、34.63%、46.13%、49.26%和36.81%，七里海古海岸与湿地自然保护区、于方舟故居和一汽大众华北基地相对其他地区，预报准确率较高，在 46%以上，而道教圣地天尊阁和国家级种猪繁育基地准确率低于 35%。值得注意的是，夜间不同地区预报准确率的差异明显，于方舟故居的夜间准确率明显高一些，而道教圣地天尊阁的准确率下降到低谷。

图5 一体化平台风向各站平均预报准确率随时间的变化(误差为±22.5°)Fig.5 Variation of average accuracy of TIPTOPwind direction prediction with time(error ±22.5°)

2.4 风速检验

2.4.1 相关系数

一体化平台对风速预报的相关系数不高，相比温、湿度要素，各站风速预报与实况的相关系数为负值的情况明显增多。在芦台城区、于方舟故居和齐心蘑法小镇等地的平均相关系数相对较小，分别为0.065、0.015和0.063，一汽大众华北基地的平均相关系数较大，也仅为0.353。

2.4.2 平均绝对误差和平均误差

分析逐小时风速格点预报的平均绝对误差和平均误差的分布，可以发现各代表站平均绝对误差随时间的变化趋于一致，多数站点预报值的平均绝对误差都在1～2m/s之间。从风速平均误差来看，一体化平台对风速的预报总体偏高1～2m/s。对比分析7个代表站，24小时内道教圣地天尊阁和齐心蘑法小镇的平均绝对误差明显高出其他地点约 0.5m/s，国家级种猪繁育基地的平均绝对误差最低，为 1.5m/s；于方舟故居夜间的平均绝对误差和平均误差都较小，但白天段预报的绝对误差和平均误差都明显增加。

3 结 论

本文使用宁河区 7个格点秋季的逐小时实况资料，对天津一体化平台逐小时气温、相对湿度、风向、风速要素格点预报进行检验评估，得到以下结论：

①一体化平台对秋季 2m气温的变化趋势预报很好，预报准确率较高，1℃误差的准确率为 0.2～0.8，2℃误差的准确率为 0.6～1.0。24小时内格点预报性能与预报时长无明显关系。秋季的气温预报平均偏低，尤其是在日出到午后时段。

②一体化平台对相对湿度变化趋势的预报较好，总体来说相对湿度的预报值比实况略低，在午后到日落时段的预报与实况最接近，预报准确率可达到80%～90%。24小时预报时效内，风向预报准确率在33%～59%之间；风速的预报总体比实况偏高 1～2m/s，平均绝对误差在1.6m/s左右。

③一体化平台对不同区域的不同要素预报性能存在差别，总体来说宁河区东部到南部地区的芦台城区、七里海古海岸与湿地自然保护区到一汽大众华北基地一线的预报性能相对较好，对一汽大众华北基地的预报最为准确；而对西部到北部地区的预报性能相对较差，对齐心蘑法小镇的预报准确性最差。