基于数值产品的乡镇天气预报方法研究与应用

1、 收稿日期:2005-11-10; 修订日期:2006-09-05。作者简介:张继赢, 男,1963年生, 高级工程师, 主要从事天气预报服务管理工作。基于数值产品的乡镇天气预报方法研究与应用张继赢费杰邢宇航汪丽新(葫芦岛市气象局, 葫芦岛125000摘要:通过对数值预报模式产品的对比分析, 应用MM5和T213数值模式产品, 对乡镇天气预报的降水和温度预报进行研究。将2005年810月模式预报结果分别进行效果检验和分析, 得到主客观预报订正规律, 准确率, 由此形成基于数值模式预报产品的乡镇天气预报方法。关键词:乡镇天气预报; 数值产品; 方法研制; 检验分析1引言作, 2005年提出的一项

2、新的预报业务。开展乡镇预报服务具有十分重要的意义, 它不仅标志着预报服务领域的拓宽和延伸, 而且也表明气象部门的预报服务正在向精细化方向发展。同时, 也充分体现了“以人为本、无微不至、无所不在”的气象服务理念。葫芦岛市气象局不断探索制作乡镇预报方法的研制工作, 推进精细化预报进程。在借鉴省内乡镇预报试点单位经验的基础上, 摆脱传统的以统计预报为主的思路, 走以数值预报产品为基础的技术路线, 将现有的数值产品应用到本地的乡镇预报中, 研制开发出一套基于国内数值预报产品的预报结论、又结合订正预报的乡镇预报制作方法。2基本思路在预报方法的研究中, 依据以数值预报产品为基础的技术路线, 选取格点精度高

3、的数值模式预报产品, 经过数据处理, 计算出某乡镇所在经纬度的格点值, 作为该乡镇对应时效的预报值。同时, 根据次日实况检验预报结果, 及时查找预报差异, 确定订正误差值加以订正, 并逐渐结合本地气候特点进行预报经验订正, 最终形成以数值预报产品为主、订正预报为辅的乡镇预报制作方法, 应用于乡镇预报业务工作。编制程序建立工作平台, 自动实现制作、输出、发布等功能。3数值产品研制乡镇天气预报311资料的选取1104万km 2, 所辖99个乡, 100km 2分布着一个乡镇, 空间分布密集。乡镇天气预报主要以降水、温度预报为主要内容。目前, 数值预报模式有很多, 包括:T213全球模式、MM5中尺

4、度模式、HLAFS 有限区域模式、ECMWF ,JAPAN 和GERMAN Y 等, 各模式的精度在不断提高。在众多的数值预报模式中, 选择适合制作乡镇天气预报的模式产品, 确定的原则如下:(1 预报模式空间分辨率相对较高; (2 模式预报产品本身准确率较高、模式运行稳定; (3 模式输出数据文件传输稳定; (4 不依赖于单一某一种模式产品, 多个模式产品并行, 便于对比检验。兼顾以上原则, 选取中国气象局沈阳大气环境研究所制作的810月MM5中尺度地面降水24h 间隔、温度6h 间隔的格点预报模式产品1和国家气象中心制作的T213近地面层1000hPa 温度6h 间隔的格点预报模式产品作为主

5、要预报场。MM5模式为0117°×0113°格距的预报场, 相当于15km ×15km 范围内一个预报值, 接近乡镇分布密度, 预报精度高; T213温度预报模式为1°×1°格距, 预报精度相对低些, 但是模式运行和输出稳定且确率较高。预报起始场选择T213模式20时,MM5模式08时和20时。经过对选择的数值预报模式产品进行数据处理直接计算出99个乡镇站点对应的经纬度上的降水、温度预报值作为模式预报结果, 之后又进一步根据效果检验分析结果和本地气候差异对模式预报结果加以修订。312数据处理以选取的MM5中尺度降水24h 间

6、隔、温度1h间隔格点预报场(0117°×0113°和T213近地面层第23卷第1期2007年2月气象与环境学报Vol 123No 11February 2007 1000hPa 温度6h 间隔格点预报场(1°×1°作为乡镇预报的起始场, 应用单位网格点内等值内差的计算方法, 计算该网格点内任一点的模式运算值: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 如图1所示, (m , n 点为任一乡镇站点的经度 、图1等值内差方法计算单位网格点内任一点纬度坐标值, (M , N , (M , N +1×y , (M +1×x , N , (M +1×x , N +1×y 4点则分别为某一预报模式内该乡镇站点相临的西南、西北、东南、东北网格点经度、纬度坐标值, x 和y 分别是模式单位经度格距和单位纬度格距, 而X (M , N , X (M , N +1 , X (M +1, N , X (M +1, N +1 项分别为对应点的格点值。由式(1 和式(2 可以计算出X (M , n , X (M +1

8、×x , n , 代入式(3 计算出X (m , n , X (m , n 即为该单位网格点内任一点的模式运算值, 也就是该乡镇站点的预报值。以上各式中的X 可以代换为任一数值预报模式(降水、温度 预报格点值, 从而计算出MM5模式24h 降水量, T213模式02, 08, 14时和20时温度预报, 而24h 最高、最低温度则分别从T213每日4次温度预报和MM5每日24次温度预报中挑选。313计算输出计算出的单位网格内任一点模式等值差分值需要一个统一、整齐的输出与显示方式, 将各计算值99个乡镇的单要素预报值以2种格式输出与显示:一种为纯文本格式输出, 形成文字描述类型; 一种是

9、M ICAPS 格式输出, 即把各乡镇温度、降水预报值填写到M ICAPS 第三类数据格式2中。该格式为“通用填图和离散点等值线”填图类型, 此类数据主要用于非规范的站点单要素填图, 分别绘成离散点等值线图, 在M ICAPS 中显示, 如图2和图3所示 。 20时乡镇降水预报图3T 213模式20时乡镇温度预报4效果检验与分析本文对810月T213的1000hPa 20时24h 温度预报和810月MM5中尺度模式20时降水, 及10月MM5中尺度模式08,20时温度预报进行了抽样效果检验。温度预报所抽取的样本是具有4要素以上自动站与人工站资料的葫芦岛辖区内的8个站点的温度(最高气温、最低气温

10、 要素预报值。降水预报所抽取的样本是单要素以上辖区内的19个站点的降水要素预报值。最高气温、最低气温评定计算公式为:绝对误差E =|S -F |, 绝对误差小于等于2的预报准确率T =P/N 。其中S 和F 分别为测站的实况与预报值, P 为绝对误差小于等于2的站数(定性预报正确的总站数 , N 为4要素以上总站数。同理, 降水评定晴雨、一般降水和暴雨, 统计计算各项定性预报准确率R =P/N , 其中P 为正确站数, N 为全市雨量站总站数。411温度预报效果检验最高、最低气温预报值效果检验如图4。由图4a 和图4b 可见, 绝对误差小于等于2的正确率:T213模式20时预报最高气温为48%

11、61%, 平均32第1期张继赢等:基于数值产品的乡镇天气预报方法研究与应用 为54%, 最低气温低于40%, 平均为22%; MM5模式20时预报最低气温为68%, 最高气温为46%, MM5模式08时预报最低气温为53%, 最高气温为28%。412降水预报效果检验MM5模式降水预报效果检验如图4c 和图4d 。810月MM5模式晴雨预报与一般降水预报正确率平均为60%或以上, 尤其是晴雨预报为80%或以上; 暴雨预报正确率小于30%。413 效果分析图4最高和最低气温和降水与暴雨预报质量检验(1 应用T213模式预报各乡镇最高气温效果较好, 可以参考, 但需订正; 最低气温预报效果差, 目前

12、预报结论不可用。(2 从MM5模式20时温度预报效果检验结果可见, 最低气温预报较好, 可以参考, 但多数存在着预报值略高于实况值的情况; 最高气温预报不理想, 表现在转折性天气预报值滞后于实况值, 除转折性天气外, 最高气温预报值略低于实况值; MM5模式08时温度预报效果不理想, 并同样存在着预报值滞后于实况值的问题。(3 MM5模式降水预报晴雨可以直接使用和发布; 一般降水可以作为指导预报使用, 但预报确率仍有待进一步提高, 尤其是需要减少空报; 暴雨预报可作为参考。(4 由以上检验分析可知, 单纯应用数值模式制作乡镇天气要素预报作为最终的预报值都具有一定的指示意义, 可以作为指导预报;

13、 但还需要在此基础上, 应用统计学和本地气候规律对以上初级产品加以订正, 以提高乡镇预报的准确率。414数值模式乡镇预报的订正针对以上效果检验和分析中具有指示意义(50%以上 的模式运行结果进行如下订正。41411从统计学角度进行订正T213模式20时最高气温、MM5模式20时最低气温预报指示意义较好。但通过分析绝对误差大于等于2的情况发现, 最高气温的预报值多数低于实况值, 误差值为13; 最低温度的预报值多数高于实况值, 误差值为13。MM5模式20时降水预报中晴雨预报基本可以作为预报结论; 一般降水预报则空报率较高, 可以适当把有无降水的临界值提高。41412从本地气候角度进行订正葫芦岛

14、地区季节气候特征明显, 沿海平原和内陆山区气候差异显著。年平均降水量沿海多于内陆, 但6月平均降水量内陆山区一般多于沿海。区域性的暴雨过程年平均017次, 集中在78月, 华北气旋、台风和江淮气旋北上是区域性暴雨的主要影响系统, 高空槽、地面冷锋和冷涡是局地性暴雨主要影响系统(辽宁省气象局编, 辽宁省短期天气预报指导手册,1989年 。由于地理位置、季节、风向风速的不同, 沿海和内陆的气候差异在温度上体现较为明显。以8月和42气象与环境学报第23卷 10月为例。(1 10月最高气温:东部与西部沿海温度差异在±1之间的概率为74%。但当出现偏北风且北风较小时, 东部比西北部山区偏高34

15、; 当东部沿海出现东风或东南风时, 其他地区为偏南风或静风时, 东部沿海地区最高气温要比西部及西部山区偏低35, 如果东部云量明显比西部偏多, 则至少偏低68; (2 8月最低气温:东部沿海地区最低气温偏高西部1以上, 其中, 在天气条件一致的前提下, 沿海地区的最低气温要比西北部山区高出至少2, 如果沿海地区有偏北风, 而西北部山区为静风时, 至少要高出4。5程序设计在此基础上, 利用VB 610语言3-4开发了集制作、显示与打印等于一体的乡镇天气预报平台, 其中包括数值模式单要素预报的计算、结论输出到M I 2CAPS 填图与文本文件的自动处理、市县乡镇指导预报的自动下发等功能。图5为乡镇

16、预报平台主界面。界面左下方为葫芦岛地区99个乡镇行政区划小图, 可以放大和复原。, “MM5图5葫芦岛市乡镇天气预报制作与显示平台模式降水预报”、“T213模式温度预报”等按键, 点击计算并在M ICAPS 系统内显示输出单要素值。6结语综上所述, 以数值预报模式产品为主, 利用统计学方法, 结合本地气候特点进行主客观订正为辅的制作乡镇天气预报产品的技术路线是目前预报业务精细化、预报产品定时、定点、定量的客观选择, 也是我国气象事业发展战略及气象部门技术体制改革的客观要求。与此同时, 在研制、应用乡镇天气预报的过程中也存在诸如预报效果受数值模式精度制约, 开展乡镇预报时间短、样本少, 气象监测

17、网络不够密集等缺陷, 使得目前开展乡镇预报依然无法摆脱经验预报订正, 订正结果的量化指标稳定性较差, 以及相当一部分乡镇预报得不到检验, 导致检验效果代表性不强等。因此, 在改进数值预报模式方面要进一步提高模式时空分辨率, 加大气象监测站网建设, 使其布局足够密集, 积累乡镇预报制作的样品数据及经验, 是提高数值模式制作乡镇天气预报准确性的努力方向。参考文献1刘宁微, 纪瑞鹏. 地表物理参数影响MM5模式预报的个例分析J.辽宁气象,2005(3 :2-4.2常富玉, 张继赢. 市级系统本地化和二次开发初探J.辽宁气象,1999(4 :34-36.3Evangclos Petroutsos. V

18、isual Basic 5从入门到精通M .北京:电子工业出版社,1997:62-82,136-142.4Microsoft/希望图书创作室译. Visual Basic 5. 0语言参考手册M .北京:科学出版社,1998:434-435,854-855,970-972.52第1期张继赢等:基于数值产品的乡镇天气预报方法研究与应用 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