基于數(shù)值產(chǎn)品的鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報方法研究與應(yīng)用_圖文

1、 收稿日期:2005-11-10; 修訂日期:2006-09-05。作者簡介:張繼贏, 男,1963年生, 高級工程師, 主要從事天氣預(yù)報服務(wù)管理工作?；跀?shù)值產(chǎn)品的鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報方法研究與應(yīng)用張繼贏費(fèi)杰邢宇航汪麗新(葫蘆島市氣象局, 葫蘆島125000摘要:通過對數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品的對比分析, 應(yīng)用MM5和T213數(shù)值模式產(chǎn)品, 對鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報的降水和溫度預(yù)報進(jìn)行研究。將2005年810月模式預(yù)報結(jié)果分別進(jìn)行效果檢驗(yàn)和分析, 得到主客觀預(yù)報訂正規(guī)律, 準(zhǔn)確率, 由此形成基于數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品的鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報方法。關(guān)鍵詞:鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報; 數(shù)值產(chǎn)品; 方法研制; 檢驗(yàn)分析1引言作, 2005年提出的一項(xiàng)

2、新的預(yù)報業(yè)務(wù)。開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報服務(wù)具有十分重要的意義, 它不僅標(biāo)志著預(yù)報服務(wù)領(lǐng)域的拓寬和延伸, 而且也表明氣象部門的預(yù)報服務(wù)正在向精細(xì)化方向發(fā)展。同時, 也充分體現(xiàn)了“以人為本、無微不至、無所不在”的氣象服務(wù)理念。葫蘆島市氣象局不斷探索制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報方法的研制工作, 推進(jìn)精細(xì)化預(yù)報進(jìn)程。在借鑒省內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報試點(diǎn)單位經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 擺脫傳統(tǒng)的以統(tǒng)計(jì)預(yù)報為主的思路, 走以數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品為基礎(chǔ)的技術(shù)路線, 將現(xiàn)有的數(shù)值產(chǎn)品應(yīng)用到本地的鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報中, 研制開發(fā)出一套基于國內(nèi)數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的預(yù)報結(jié)論、又結(jié)合訂正預(yù)報的鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報制作方法。2基本思路在預(yù)報方法的研究中, 依據(jù)以數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品為基礎(chǔ)的技術(shù)路線, 選取格點(diǎn)精度高

3、的數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品, 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理, 計(jì)算出某鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在經(jīng)緯度的格點(diǎn)值, 作為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)對應(yīng)時效的預(yù)報值。同時, 根據(jù)次日實(shí)況檢驗(yàn)預(yù)報結(jié)果, 及時查找預(yù)報差異, 確定訂正誤差值加以訂正, 并逐漸結(jié)合本地氣候特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)報經(jīng)驗(yàn)訂正, 最終形成以數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品為主、訂正預(yù)報為輔的鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報制作方法, 應(yīng)用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報業(yè)務(wù)工作。編制程序建立工作平臺, 自動實(shí)現(xiàn)制作、輸出、發(fā)布等功能。3數(shù)值產(chǎn)品研制鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報311資料的選取1104萬km 2, 所轄99個鄉(xiāng), 100km 2分布著一個鄉(xiāng)鎮(zhèn), 空間分布密集。鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報主要以降水、溫度預(yù)報為主要內(nèi)容。目前, 數(shù)值預(yù)報模式有很多, 包括:T213全球模式、MM5中尺

4、度模式、HLAFS 有限區(qū)域模式、ECMWF ,JAPAN 和GERMAN Y 等, 各模式的精度在不斷提高。在眾多的數(shù)值預(yù)報模式中, 選擇適合制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報的模式產(chǎn)品, 確定的原則如下:(1 預(yù)報模式空間分辨率相對較高; (2 模式預(yù)報產(chǎn)品本身準(zhǔn)確率較高、模式運(yùn)行穩(wěn)定; (3 模式輸出數(shù)據(jù)文件傳輸穩(wěn)定; (4 不依賴于單一某一種模式產(chǎn)品, 多個模式產(chǎn)品并行, 便于對比檢驗(yàn)。兼顧以上原則, 選取中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所制作的810月MM5中尺度地面降水24h 間隔、溫度6h 間隔的格點(diǎn)預(yù)報模式產(chǎn)品1和國家氣象中心制作的T213近地面層1000hPa 溫度6h 間隔的格點(diǎn)預(yù)報模式產(chǎn)品作為主

5、要預(yù)報場。MM5模式為0117°×0113°格距的預(yù)報場, 相當(dāng)于15km ×15km 范圍內(nèi)一個預(yù)報值, 接近鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布密度, 預(yù)報精度高; T213溫度預(yù)報模式為1°×1°格距, 預(yù)報精度相對低些, 但是模式運(yùn)行和輸出穩(wěn)定且確率較高。預(yù)報起始場選擇T213模式20時,MM5模式08時和20時。經(jīng)過對選擇的數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)處理直接計(jì)算出99個鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)對應(yīng)的經(jīng)緯度上的降水、溫度預(yù)報值作為模式預(yù)報結(jié)果, 之后又進(jìn)一步根據(jù)效果檢驗(yàn)分析結(jié)果和本地氣候差異對模式預(yù)報結(jié)果加以修訂。312數(shù)據(jù)處理以選取的MM5中尺度降水24h 間

6、隔、溫度1h間隔格點(diǎn)預(yù)報場(0117°×0113°和T213近地面層第23卷第1期2007年2月氣象與環(huán)境學(xué)報Vol 123No 11February 2007 1000hPa 溫度6h 間隔格點(diǎn)預(yù)報場(1°×1°作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報的起始場, 應(yīng)用單位網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)等值內(nèi)差的計(jì)算方法, 計(jì)算該網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)任一點(diǎn)的模式運(yùn)算值:X (M , N +1×y -X (M , N =y(1X (M +1×x , N +1×y -X (M +1×x , N =y(2X (M +1×x , n -X (M , n

7、=x(3 如圖1所示, (m , n 點(diǎn)為任一鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)的經(jīng)度 、圖1等值內(nèi)差方法計(jì)算單位網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)任一點(diǎn)緯度坐標(biāo)值, (M , N , (M , N +1×y , (M +1×x , N , (M +1×x , N +1×y 4點(diǎn)則分別為某一預(yù)報模式內(nèi)該鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)相臨的西南、西北、東南、東北網(wǎng)格點(diǎn)經(jīng)度、緯度坐標(biāo)值, x 和y 分別是模式單位經(jīng)度格距和單位緯度格距, 而X (M , N , X (M , N +1 , X (M +1, N , X (M +1, N +1 項(xiàng)分別為對應(yīng)點(diǎn)的格點(diǎn)值。由式(1 和式(2 可以計(jì)算出X (M , n , X (M +1

8、×x , n , 代入式(3 計(jì)算出X (m , n , X (m , n 即為該單位網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)任一點(diǎn)的模式運(yùn)算值, 也就是該鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)的預(yù)報值。以上各式中的X 可以代換為任一數(shù)值預(yù)報模式(降水、溫度 預(yù)報格點(diǎn)值, 從而計(jì)算出MM5模式24h 降水量, T213模式02, 08, 14時和20時溫度預(yù)報, 而24h 最高、最低溫度則分別從T213每日4次溫度預(yù)報和MM5每日24次溫度預(yù)報中挑選。313計(jì)算輸出計(jì)算出的單位網(wǎng)格內(nèi)任一點(diǎn)模式等值差分值需要一個統(tǒng)一、整齊的輸出與顯示方式, 將各計(jì)算值99個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的單要素預(yù)報值以2種格式輸出與顯示:一種為純文本格式輸出, 形成文字描述類型; 一種是

9、M ICAPS 格式輸出, 即把各鄉(xiāng)鎮(zhèn)溫度、降水預(yù)報值填寫到M ICAPS 第三類數(shù)據(jù)格式2中。該格式為“通用填圖和離散點(diǎn)等值線”填圖類型, 此類數(shù)據(jù)主要用于非規(guī)范的站點(diǎn)單要素填圖, 分別繪成離散點(diǎn)等值線圖, 在M ICAPS 中顯示, 如圖2和圖3所示 。 20時鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水預(yù)報圖3T 213模式20時鄉(xiāng)鎮(zhèn)溫度預(yù)報4效果檢驗(yàn)與分析本文對810月T213的1000hPa 20時24h 溫度預(yù)報和810月MM5中尺度模式20時降水, 及10月MM5中尺度模式08,20時溫度預(yù)報進(jìn)行了抽樣效果檢驗(yàn)。溫度預(yù)報所抽取的樣本是具有4要素以上自動站與人工站資料的葫蘆島轄區(qū)內(nèi)的8個站點(diǎn)的溫度(最高氣溫、最低氣溫

10、 要素預(yù)報值。降水預(yù)報所抽取的樣本是單要素以上轄區(qū)內(nèi)的19個站點(diǎn)的降水要素預(yù)報值。最高氣溫、最低氣溫評定計(jì)算公式為:絕對誤差E =|S -F |, 絕對誤差小于等于2的預(yù)報準(zhǔn)確率T =P/N 。其中S 和F 分別為測站的實(shí)況與預(yù)報值, P 為絕對誤差小于等于2的站數(shù)(定性預(yù)報正確的總站數(shù) , N 為4要素以上總站數(shù)。同理, 降水評定晴雨、一般降水和暴雨, 統(tǒng)計(jì)計(jì)算各項(xiàng)定性預(yù)報準(zhǔn)確率R =P/N , 其中P 為正確站數(shù), N 為全市雨量站總站數(shù)。411溫度預(yù)報效果檢驗(yàn)最高、最低氣溫預(yù)報值效果檢驗(yàn)如圖4。由圖4a 和圖4b 可見, 絕對誤差小于等于2的正確率:T213模式20時預(yù)報最高氣溫為48%

11、61%, 平均32第1期張繼贏等:基于數(shù)值產(chǎn)品的鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報方法研究與應(yīng)用 為54%, 最低氣溫低于40%, 平均為22%; MM5模式20時預(yù)報最低氣溫為68%, 最高氣溫為46%, MM5模式08時預(yù)報最低氣溫為53%, 最高氣溫為28%。412降水預(yù)報效果檢驗(yàn)MM5模式降水預(yù)報效果檢驗(yàn)如圖4c 和圖4d 。810月MM5模式晴雨預(yù)報與一般降水預(yù)報正確率平均為60%或以上, 尤其是晴雨預(yù)報為80%或以上; 暴雨預(yù)報正確率小于30%。413 效果分析圖4最高和最低氣溫和降水與暴雨預(yù)報質(zhì)量檢驗(yàn)(1 應(yīng)用T213模式預(yù)報各鄉(xiāng)鎮(zhèn)最高氣溫效果較好, 可以參考, 但需訂正; 最低氣溫預(yù)報效果差, 目前

12、預(yù)報結(jié)論不可用。(2 從MM5模式20時溫度預(yù)報效果檢驗(yàn)結(jié)果可見, 最低氣溫預(yù)報較好, 可以參考, 但多數(shù)存在著預(yù)報值略高于實(shí)況值的情況; 最高氣溫預(yù)報不理想, 表現(xiàn)在轉(zhuǎn)折性天氣預(yù)報值滯后于實(shí)況值, 除轉(zhuǎn)折性天氣外, 最高氣溫預(yù)報值略低于實(shí)況值; MM5模式08時溫度預(yù)報效果不理想, 并同樣存在著預(yù)報值滯后于實(shí)況值的問題。(3 MM5模式降水預(yù)報晴雨可以直接使用和發(fā)布; 一般降水可以作為指導(dǎo)預(yù)報使用, 但預(yù)報確率仍有待進(jìn)一步提高, 尤其是需要減少空報; 暴雨預(yù)報可作為參考。(4 由以上檢驗(yàn)分析可知, 單純應(yīng)用數(shù)值模式制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣要素預(yù)報作為最終的預(yù)報值都具有一定的指示意義, 可以作為指導(dǎo)預(yù)報;

13、 但還需要在此基礎(chǔ)上, 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)和本地氣候規(guī)律對以上初級產(chǎn)品加以訂正, 以提高鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報的準(zhǔn)確率。414數(shù)值模式鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報的訂正針對以上效果檢驗(yàn)和分析中具有指示意義(50%以上 的模式運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行如下訂正。41411從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度進(jìn)行訂正T213模式20時最高氣溫、MM5模式20時最低氣溫預(yù)報指示意義較好。但通過分析絕對誤差大于等于2的情況發(fā)現(xiàn), 最高氣溫的預(yù)報值多數(shù)低于實(shí)況值, 誤差值為13; 最低溫度的預(yù)報值多數(shù)高于實(shí)況值, 誤差值為13。MM5模式20時降水預(yù)報中晴雨預(yù)報基本可以作為預(yù)報結(jié)論; 一般降水預(yù)報則空報率較高, 可以適當(dāng)把有無降水的臨界值提高。41412從本地氣候角度進(jìn)行訂正葫蘆島

14、地區(qū)季節(jié)氣候特征明顯, 沿海平原和內(nèi)陸山區(qū)氣候差異顯著。年平均降水量沿海多于內(nèi)陸, 但6月平均降水量內(nèi)陸山區(qū)一般多于沿海。區(qū)域性的暴雨過程年平均017次, 集中在78月, 華北氣旋、臺風(fēng)和江淮氣旋北上是區(qū)域性暴雨的主要影響系統(tǒng), 高空槽、地面冷鋒和冷渦是局地性暴雨主要影響系統(tǒng)(遼寧省氣象局編, 遼寧省短期天氣預(yù)報指導(dǎo)手冊,1989年 。由于地理位置、季節(jié)、風(fēng)向風(fēng)速的不同, 沿海和內(nèi)陸的氣候差異在溫度上體現(xiàn)較為明顯。以8月和42氣象與環(huán)境學(xué)報第23卷 10月為例。(1 10月最高氣溫:東部與西部沿海溫度差異在±1之間的概率為74%。但當(dāng)出現(xiàn)偏北風(fēng)且北風(fēng)較小時, 東部比西北部山區(qū)偏高34

15、; 當(dāng)東部沿海出現(xiàn)東風(fēng)或東南風(fēng)時, 其他地區(qū)為偏南風(fēng)或靜風(fēng)時, 東部沿海地區(qū)最高氣溫要比西部及西部山區(qū)偏低35, 如果東部云量明顯比西部偏多, 則至少偏低68; (2 8月最低氣溫:東部沿海地區(qū)最低氣溫偏高西部1以上, 其中, 在天氣條件一致的前提下, 沿海地區(qū)的最低氣溫要比西北部山區(qū)高出至少2, 如果沿海地區(qū)有偏北風(fēng), 而西北部山區(qū)為靜風(fēng)時, 至少要高出4。5程序設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上, 利用VB 610語言3-4開發(fā)了集制作、顯示與打印等于一體的鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報平臺, 其中包括數(shù)值模式單要素預(yù)報的計(jì)算、結(jié)論輸出到M I 2CAPS 填圖與文本文件的自動處理、市縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)指導(dǎo)預(yù)報的自動下發(fā)等功能。圖5為鄉(xiāng)鎮(zhèn)

16、預(yù)報平臺主界面。界面左下方為葫蘆島地區(qū)99個鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃小圖, 可以放大和復(fù)原。, “MM5圖5葫蘆島市鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報制作與顯示平臺模式降水預(yù)報”、“T213模式溫度預(yù)報”等按鍵, 點(diǎn)擊計(jì)算并在M ICAPS 系統(tǒng)內(nèi)顯示輸出單要素值。6結(jié)語綜上所述, 以數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品為主, 利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法, 結(jié)合本地氣候特點(diǎn)進(jìn)行主客觀訂正為輔的制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報產(chǎn)品的技術(shù)路線是目前預(yù)報業(yè)務(wù)精細(xì)化、預(yù)報產(chǎn)品定時、定點(diǎn)、定量的客觀選擇, 也是我國氣象事業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略及氣象部門技術(shù)體制改革的客觀要求。與此同時, 在研制、應(yīng)用鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報的過程中也存在諸如預(yù)報效果受數(shù)值模式精度制約, 開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報時間短、樣本少, 氣象監(jiān)測

17、網(wǎng)絡(luò)不夠密集等缺陷, 使得目前開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報依然無法擺脫經(jīng)驗(yàn)預(yù)報訂正, 訂正結(jié)果的量化指標(biāo)穩(wěn)定性較差, 以及相當(dāng)一部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報得不到檢驗(yàn), 導(dǎo)致檢驗(yàn)效果代表性不強(qiáng)等。因此, 在改進(jìn)數(shù)值預(yù)報模式方面要進(jìn)一步提高模式時空分辨率, 加大氣象監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè), 使其布局足夠密集, 積累鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報制作的樣品數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn), 是提高數(shù)值模式制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報準(zhǔn)確性的努力方向。參考文獻(xiàn)1劉寧微, 紀(jì)瑞鵬. 地表物理參數(shù)影響MM5模式預(yù)報的個例分析J.遼寧氣象,2005(3 :2-4.2常富玉, 張繼贏. 市級系統(tǒng)本地化和二次開發(fā)初探J.遼寧氣象,1999(4 :34-36.3Evangclos Petroutsos. V

18、isual Basic 5從入門到精通M .北京:電子工業(yè)出版社,1997:62-82,136-142.4Microsoft/希望圖書創(chuàng)作室譯. Visual Basic 5. 0語言參考手冊M .北京:科學(xué)出版社,1998:434-435,854-855,970-972.52第1期張繼贏等:基于數(shù)值產(chǎn)品的鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報方法研究與應(yīng)用 Application of villages and tow ns w eather forecast method based onnumerical productsZHAN G Jiying FEI Jie XIN G Yuhang WAN G Lixin(Huludao Meteorological Bureau ,Huludao 125000Abstract :According to analysis and comparison of NWP products ,precipitation and temperature forecasts of vil 2lages and towns weather forecast were