基于數(shù)值產(chǎn)品的鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預報方法研究與應用_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, 主要從事天氣預報服務管理工作?；跀?shù)值產(chǎn)品的鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預報方法研究與應用張繼贏費杰邢宇航汪麗新(葫蘆島市氣象局, 葫蘆島125000摘要:通過對數(shù)值預報模式產(chǎn)品的對比分析, 應用MM5和T213數(shù)值模式產(chǎn)品, 對鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預報的降水和溫度預報進行研究。將2005年810月模式預報結果分別進行效果檢驗和分析, 得到主客觀預報訂正規(guī)律, 準確率, 由此形成基于數(shù)值模式預報產(chǎn)品的鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預報方法。關鍵詞:鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預報; 數(shù)值產(chǎn)品; 方法研制; 檢驗分析1引言作, 2005年提出的一項

2、新的預報業(yè)務。開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報服務具有十分重要的意義, 它不僅標志著預報服務領域的拓寬和延伸, 而且也表明氣象部門的預報服務正在向精細化方向發(fā)展。同時, 也充分體現(xiàn)了“以人為本、無微不至、無所不在”的氣象服務理念。葫蘆島市氣象局不斷探索制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報方法的研制工作, 推進精細化預報進程。在借鑒省內鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報試點單位經(jīng)驗的基礎上, 擺脫傳統(tǒng)的以統(tǒng)計預報為主的思路, 走以數(shù)值預報產(chǎn)品為基礎的技術路線, 將現(xiàn)有的數(shù)值產(chǎn)品應用到本地的鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報中, 研制開發(fā)出一套基于國內數(shù)值預報產(chǎn)品的預報結論、又結合訂正預報的鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報制作方法。2基本思路在預報方法的研究中, 依據(jù)以數(shù)值預報產(chǎn)品為基礎的技術路線, 選取格點精度高

3、的數(shù)值模式預報產(chǎn)品, 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理, 計算出某鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在經(jīng)緯度的格點值, 作為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)對應時效的預報值。同時, 根據(jù)次日實況檢驗預報結果, 及時查找預報差異, 確定訂正誤差值加以訂正, 并逐漸結合本地氣候特點進行預報經(jīng)驗訂正, 最終形成以數(shù)值預報產(chǎn)品為主、訂正預報為輔的鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報制作方法, 應用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報業(yè)務工作。編制程序建立工作平臺, 自動實現(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)天氣預報主要以降水、溫度預報為主要內容。目前, 數(shù)值預報模式有很多, 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)值預報模式中, 選擇適合制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預報的模式產(chǎn)品, 確定的原則如下:(1 預報模式空間分辨率相對較高; (2 模式預報產(chǎn)品本身準確率較高、模式運行穩(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。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 間隔的格點預報模式產(chǎn)品1和國家氣象中心制作的T213近地面層1000hPa 溫度6h 間隔的格點預報模式產(chǎn)品作為主

5、要預報場。MM5模式為0117°×0113°格距的預報場, 相當于15km ×15km 范圍內一個預報值, 接近鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布密度, 預報精度高; T213溫度預報模式為1°×1°格距, 預報精度相對低些, 但是模式運行和輸出穩(wěn)定且確率較高。預報起始場選擇T213模式20時,MM5模式08時和20時。經(jīng)過對選擇的數(shù)值預報模式產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)處理直接計算出99個鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點對應的經(jīng)緯度上的降水、溫度預報值作為模式預報結果, 之后又進一步根據(jù)效果檢驗分析結果和本地氣候差異對模式預報結果加以修訂。312數(shù)據(jù)處理以選取的MM5中尺度降水24h 間

6、隔、溫度1h間隔格點預報場(0117°×0113°和T213近地面層第23卷第1期2007年2月氣象與環(huán)境學報Vol 123No 11February 2007 1000hPa 溫度6h 間隔格點預報場(1°×1°作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報的起始場, 應用單位網(wǎng)格點內等值內差的計算方法, 計算該網(wǎng)格點內任一點的模式運算值: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 點為任一鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點的經(jīng)度 、圖1等值內差方法計算單位網(wǎng)格點內任一點緯度坐標值, (M , N , (M , N +1×y , (M +1×x , N , (M +1×x , N +1×y 4點則分別為某一預報模式內該鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點相臨的西南、西北、東南、東北網(wǎng)格點經(jīng)度、緯度坐標值, 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 項分別為對應點的格點值。由式(1 和式(2 可以計算出X (M , n , X (M +1

8、×x , n , 代入式(3 計算出X (m , n , X (m , n 即為該單位網(wǎng)格點內任一點的模式運算值, 也就是該鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點的預報值。以上各式中的X 可以代換為任一數(shù)值預報模式(降水、溫度 預報格點值, 從而計算出MM5模式24h 降水量, T213模式02, 08, 14時和20時溫度預報, 而24h 最高、最低溫度則分別從T213每日4次溫度預報和MM5每日24次溫度預報中挑選。313計算輸出計算出的單位網(wǎng)格內任一點模式等值差分值需要一個統(tǒng)一、整齊的輸出與顯示方式, 將各計算值99個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的單要素預報值以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“通用填圖和離散點等值線”填圖類型, 此類數(shù)據(jù)主要用于非規(guī)范的站點單要素填圖, 分別繪成離散點等值線圖, 在M ICAPS 中顯示, 如圖2和圖3所示 。 20時鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水預報圖3T 213模式20時鄉(xiāng)鎮(zhèn)溫度預報4效果檢驗與分析本文對810月T213的1000hPa 20時24h 溫度預報和810月MM5中尺度模式20時降水, 及10月MM5中尺度模式08,20時溫度預報進行了抽樣效果檢驗。溫度預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)內的8個站點的溫度(最高氣溫、最低氣溫

10、 要素預報值。降水預報所抽取的樣本是單要素以上轄區(qū)內的19個站點的降水要素預報值。最高氣溫、最低氣溫評定計算公式為:絕對誤差E =|S -F |, 絕對誤差小于等于2的預報準確率T =P/N 。其中S 和F 分別為測站的實況與預報值, P 為絕對誤差小于等于2的站數(shù)(定性預報正確的總站數(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)計計算各項定性預報準確率R =P/N , 其中P 為正確站數(shù), N 為全市雨量站總站數(shù)。411溫度預報效果檢驗最高、最低氣溫預報值效果檢驗如圖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)天氣預報方法研究與應用 為54%, 最低氣溫低于40%, 平均為22%; MM5模式20時預報最低氣溫為68%, 最高氣溫為46%, MM5模式08時預報最低氣溫為53%, 最高氣溫為28%。412降水預報效果檢驗MM5模式降水預報效果檢驗如圖4c 和圖4d 。810月MM5模式晴雨預報與一般降水預報正確率平均為60%或以上, 尤其是晴雨預報為80%或以上; 暴雨預報正確率小于30%。413 效果分析圖4最高和最低氣溫和降水與暴雨預報質量檢驗(1 應用T213模式預報各鄉(xiāng)鎮(zhèn)最高氣溫效果較好, 可以參考, 但需訂正; 最低氣溫預報效果差, 目前

12、預報結論不可用。(2 從MM5模式20時溫度預報效果檢驗結果可見, 最低氣溫預報較好, 可以參考, 但多數(shù)存在著預報值略高于實況值的情況; 最高氣溫預報不理想, 表現(xiàn)在轉折性天氣預報值滯后于實況值, 除轉折性天氣外, 最高氣溫預報值略低于實況值; MM5模式08時溫度預報效果不理想, 并同樣存在著預報值滯后于實況值的問題。(3 MM5模式降水預報晴雨可以直接使用和發(fā)布; 一般降水可以作為指導預報使用, 但預報確率仍有待進一步提高, 尤其是需要減少空報; 暴雨預報可作為參考。(4 由以上檢驗分析可知, 單純應用數(shù)值模式制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣要素預報作為最終的預報值都具有一定的指示意義, 可以作為指導預報;

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

14、地區(qū)季節(jié)氣候特征明顯, 沿海平原和內陸山區(qū)氣候差異顯著。年平均降水量沿海多于內陸, 但6月平均降水量內陸山區(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, 遼寧省短期天氣預報指導手冊,1989年 。由于地理位置、季節(jié)、風向風速的不同, 沿海和內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%。但當出現(xiàn)偏北風且北風較小時, 東部比西北部山區(qū)偏高34

15、; 當東部沿海出現(xiàn)東風或東南風時, 其他地區(qū)為偏南風或靜風時, 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, 而西北部山區(qū)為靜風時, 至少要高出4。5程序設計在此基礎上, 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)天氣預報平臺, 其中包括數(shù)值模式單要素預報的計算、結論輸出到M I 2CAPS 填圖與文本文件的自動處理、市縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)指導預報的自動下發(fā)等功能。圖5為鄉(xiāng)鎮(zhèn)

16、預報平臺主界面。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, 可以放大和復原。, “MM5圖5葫蘆島市鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預報制作與顯示平臺模式降水預報”、“T213模式溫度預報”等按鍵, 點擊計算并在M ICAPS 系統(tǒng)內顯示輸出單要素值。6結語綜上所述, 以數(shù)值預報模式產(chǎn)品為主, 利用統(tǒng)計學方法, 結合本地氣候特點進行主客觀訂正為輔的制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預報產(chǎn)品的技術路線是目前預報業(yè)務精細化、預報產(chǎn)品定時、定點、定量的客觀選擇, 也是我國氣象事業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略及氣象部門技術體制改革的客觀要求。與此同時, 在研制、應用鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預報的過程中也存在諸如預報效果受數(shù)值模式精度制約, 開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報時間短、樣本少, 氣象監(jiān)測

17、網(wǎng)絡不夠密集等缺陷, 使得目前開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報依然無法擺脫經(jīng)驗預報訂正, 訂正結果的量化指標穩(wěn)定性較差, 以及相當一部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報得不到檢驗, 導致檢驗效果代表性不強等。因此, 在改進數(shù)值預報模式方面要進一步提高模式時空分辨率, 加大氣象監(jiān)測站網(wǎng)建設, 使其布局足夠密集, 積累鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報制作的樣品數(shù)據(jù)及經(jīng)驗, 是提高數(shù)值模式制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預報準確性的努力方向。參考文獻1劉寧微, 紀瑞鵬. 地表物理參數(shù)影響MM5模式預報的個例分析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)天氣預報方法研究與應用 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