影响广州不同路径冷空气的气温预报对比分析

许欢，张兰，郝笑，魏蕾，钟晨

（1.广州市气象台，广东广州 511430；2.广东省突发事件预警信息发布中心，广东广州 510640）

数值预报模式在现代气象预报中起重要作用［1］，对模式进行系统化检验，可以为预报员提供订正数值模式的客观化指标和主观化经验，从而提高实际预报准确率。目前实际预报业务中，欧洲中期天气预报中心模式（ECMWF）（简称EC模式）在中短期预报中精度较高，使用范围广，综合评价高，特别是在大尺度形势场预报中，EC模式具有较高的参考价值［2］。中国气象局自主研发新一代数值天气预报系统全球预报系统（GRAPES），自2001年以来，通过改进动力框架、模式框架、物理过程方案、陆面过程方案等，全面提升模式物理过程的预报能力［3-4］。

温度预报在天气预报业务中十分重要，但温度变化受诸多因素影响，如天况、风、气压等，因此控制预报误差有一定难度。不少对比检验表明，EC模式对气温预报能力呈现出明显的季节性及区域性差异［5-7］，比如EC模式对新疆气温预报的准确率表现较好，且最低气温的预报准确率提高程度高于最高气温［7］。与EC模式相比，GRAPES区域集合预报能较好地预报冬季明显降温、高低空环流形势及冷平流的入侵，对低温预报能力较好，日最高温的预报误差大幅下降［8］，在随着智能网格算法的发展，客观算法订正后的温度预报有所提高［9-12］。

广州位于粤港澳大湾区中心区域，南北纬度相差150 km左右，而且东北部以山地为主，中部区域以中低山和丘陵为主，南部区域以平原为主。海拔高度与纬度的不同，造成冷空气影响过程，最高、最低气温出现明显差异。目前数值预报虽然对温度预报有效提高，但针对气温预报及预报效果的成果偏少，且主要探究数值模式对气温的整体预报效果，对强冷空气过程分类及精细化程度不够。因此，本研究利用统计检验方法细化分析在2018—2021年不同路径冷空气影响下，EC与GRAPES模式对广州气温预报过程的评估分析，以期为后期科学合理地运用模式预报产品提供参考。

1 资料和方法

1.1 数据

实况数据选取2018—2021年冷空气过程（表1）广州市从化、增城、花都、五山与番禺自动站（图1）日最高温度、最低温度，其中冷空气过程以冷空气影响当天及前后3 d为一次过程，共7 d。模式数据选择相对应自动站距离最近的格点，读取EC、GRAPES 20：00（北京时，下同）起报的最高温度、最低温度。为精细化检验模式结果，本研究对强冷空气路径进行分类，按照《广东省天气预报技术手册》［13］，将侵入的冷空气分中路、西路和东路3条路径。

表1 2018—2021年影响广州市冷空气过程

图1 广州市5个代表站点分布

1.2 统计检验方法

根据中国气象局《中短期天气预报质量检验办法》［14］，本研究主要使用的评估参数为平均相对误差，公式如下：

其中，tME为气温相对误差（℃），Fi为第i站预报温度（℃）；Oi为第i站实况温度（℃）；n为冷空气个例总数。

2 预报结果与分析

2.1 不同路径冷空气气温预报整体效果分析

图2是不同路径冷空气过程中平均最高气温预报与实况的相对误差。从西路冷空气最高气温的相对误差来看，除GRAPES模式在冷空气影响第3天时预报比实况偏大外，其他时段EC与GRAPES模式均是预报较实况偏小，不过随着冷空气的逐渐影响，偏小范围有所减小，EC模式最大的误差达到1.3℃，GRAPES模式最大误差在1.2℃。中路冷空气预报结果与西路的节奏相似，也是在冷空气影响过后的第3天预报结果比实况偏大，这也说明冷空气减弱的速度较模式预报偏慢，但在冷空气逐渐影响后，EC 与GRAPES模式均是误差减小到0.5℃以内。东路冷空气影响前，EC模式预报气温较实况偏大，最大误差在1.4℃，随着冷空气逐渐影响，误差减小，冷空气影响当日气温又较实况偏小，可以说EC模式对冷空气预报的强度较实况偏强，冷空气影响后的前两日，气温预报偏大，也说明模式预报的回温速度偏快，最大误差有1℃。GRAPES模式对冷空气来之前与影响中大部分是偏小于实况的，强度较实况偏大有1.2℃，而回温速度也较实况偏快。而对所有的冷空气个例影响期间的最高气温误差对比来看，EC与GRAPES模式大部分时次是偏小于实况，尤其是EC模式，冷空气影响当日，最高气温的平均误差达1.2℃，实际预报过程中可对其进行调整。

图2 冷空气过程5站平均最高气温EC与GRAPES预报相对误差

图3是不同路径冷空气过程中平均最低气温预报与实况的相对误差结果。冷空气影响过程，中路、西路冷空气以及所有个例最低气温预报与实况的误差基本是一致的，明显偏小于实况，也就是说模式对最低气温的预报较实况偏低，最大误差时间在冷空气影响广州的前1 d，GRAPES最大值达2.1℃，EC最大值达1.2℃。而影响前2 d、影响当天及影响后1 d的误差在0.5～2.1℃。其他时段在0.0～0.5℃。且GRAPES模式最低气温误差偏大于EC模式。对于东路冷空气的影响，EC与GRAPES模式基本是除了在冷空气影响前1 d以及影响2～3 d的最低气温低于实况外，其他时段均是高于实况的，表明冷空气影响当天及后1 d的降温幅度比模式预报的大。

图3 冷空气过程5站平均最低气温EC与GRAPES预报相对误差

2.2 不同路径冷空气气温预报区域效果分析

图4a-c分别是中路、西路与东路路径冷空气EC与GRAPES在广州不同站点最高气温相对误差。对于中路冷空气，冷空气影响前，EC与GRAPES模式对从化区最高气温预报偏小效果最明显，接近1.5℃，其他站点基本在0.5～1.0℃，GRAPES模式对增城站误差最小0.2～0.5℃。冷空气影响当天，花都站与五山站预报稍优，较实况低于1.0℃。冷空气影响过后，除从化站外，其余基本接近实况，误差大部分在0.5℃以内。对于西路冷空气，从影响时间、影响区域的误差来看，绝对误差明显呈自北向南、自影响前至影响后呈减小趋势。冷空气影响前与影响过程中，基本大都是预报偏小于实况，中北部误差1.5～2.0℃，南部番禺误差在1.0～1.5℃。冷空气影响后，绝对误差明显减小，而且多个时次EC与GRAPES模式预报大于实况，中北部误差0.5～1.0℃，番禺误差低于0.5℃。对于东路冷空气，EC模式在冷空气影响前3 d时，对五山站预报偏大于实况在1.5℃上下，增城站误差最小，而前2至1 d时，GRAPES模式对从化与番禺站相对误差超过-2℃，对其他3站相对误差也在1℃以上。冷空气影响当天，EC模式对增城站相对误差最大为-1.7℃。影响过后的1～2 d，基本是偏大于实况1℃以内，而在第3 d时，除对花都站预报小于实况1.5℃以下外，其他4站，EC与GRAPES模式均接近-2℃的误差。

图4d-f分别是中路、西路与东路路径冷空气EC与GRAPES在广州不同站点最低气温相对误差。对于中路冷空气，最大误差主要在冷空气影响前1 d的五山、增城与花都站，相对误差达到-2℃左右，且主要是GRAPES模式造成的；其次是番禺与从化站，相对误差接近-1.5℃。EC模式在冷空气影响前，从化站相对误差最小，番禺站最大，前3至前1 d时，相对误差均在-1℃以上。冷空气影响的中后期，EC模式对北部站点的预报效果优于中南部，绝对误差基本呈自北向南增大趋势，尤其是番禺站点，相对误差在-1℃左右。对于西路冷空气，EC与GRAPES模式的表现与中路冷空气基本一致，EC模式对中西路冷空气最低气温预报误差呈自北向南逐渐增大趋势，GRAPES模式对五山站预报误差最大，其次是番禺站，相对误差在-2.5℃左右。对于东路冷空气，冷空气影响前3至前2 d，误差基本维持在0.5℃以内，前1 d时，EC与GRAPES模式分别对增城与五山站的绝对误差在1℃以上，其他站点均在1℃以下。影响过程后的2～3 d GRAPES模式对增城与五山站均是偏小于实况，误差在1℃以上，EC模式除对增城站预报误差在1℃以上外，其他站点均是偏小在1℃以内，也就是说，对于东路冷空气，增城站点预报绝对误差最大，其次是五山站，EC模式除了在冷空气影响过后2～3 d对增城站点的预报偏小误差在1℃以上，其他时次其他站点的绝对误差基本在1℃以内。GRAPES模式除了增城站点外，五山站点预报绝对误差也在1℃以上。

图4 冷空气过程-3到3 d最高气温（a、b、c）与最低气温（d、e、f）气温预报相对误差（单位：℃）

3 结论

1）中路与西路冷空气，EC与GRAPES模式对最高与最低气温预报效果一致。对于最高气温，除了GRAPES模式在冷空气影响第3 d时预报比实况偏大外，其他时段EC与GRAPES模式均是预报较实况偏小，随着冷空气的逐渐影响，偏小范围有所减小。东路冷空气影响前，EC模式预报气温较实况是偏大的，最大偏差在1.5℃，GRAPES模式对冷空气来之前与影响中大部分偏小于实况，强度较实况偏大1.2℃。对于最低气温，中西路冷空气模式预报明显偏小于实况。

2）从不同路径冷空气气温预报区域效果分析来看，对于最高气温，EC与GRAPES模式对于中西路冷空气；从影响时间、影响区域的误差来看，绝对误差明显自北向南、自影响前至影响后呈减小趋势，即在冷空气影响前3 d，从化站绝对误差最大，且是预报明显偏小于实况，接近2℃。对于东路冷空气，EC模式除冷空气影响后第3天气温明显低于实况外，其他时段基本是预报偏大，尤其是前3 d时，大部站点较实况偏高1.5℃左右。GRAPES模式大部时段大部站点是偏小于实况，尤其是影响过后的第3天。

3）对于最低气温，EC模式预报绝对误差小于GRAPES 模式，效果较优。不过 EC 与GRAPES模式对中西路冷空气的预报效果基本一致，EC模式对中西路冷空气最低气温预报误差自北向南呈逐渐增大趋势，GRAPES模式对五山站预报误差最大，其次是番禺站，误差在-2.5℃左右。对于东路冷空气，增城站点预报绝对误差最大，其次是五山站。