大連地區(qū)ECMWF細(xì)網(wǎng)格10 m風(fēng)場與觀測實(shí)況對比與檢驗(yàn)

楊景泰 隋玉秀 肖劍2 王麗娜 ?；哿?鄔曉冬 王巖

(1.大連市氣象服務(wù)中心，遼寧 大連 116001； 2 空軍航空大學(xué)，遼寧 錦州 121000)

引言

在現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)中，數(shù)值預(yù)報(bào)有著舉足輕重的地位，隨著數(shù)值模式的不斷成熟與發(fā)展，使用模式產(chǎn)品對大風(fēng)過程進(jìn)行預(yù)報(bào)和分析是當(dāng)前氣象部門的研究重點(diǎn)[1-5]，因此模式對風(fēng)預(yù)報(bào)的效果檢驗(yàn)具有重要意義[6-7]。ECMWF模式(簡稱EC)是歐洲中心的中短期天氣預(yù)報(bào)模式，該模式產(chǎn)品具有較高的預(yù)報(bào)水平，對中短期天氣預(yù)報(bào)具有重要的指示意義。目前EC模式在天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中應(yīng)用廣泛[8-12]，其10 m風(fēng)場產(chǎn)品是海洋氣象預(yù)報(bào)的重要參考要素之一，對風(fēng)向和風(fēng)速的預(yù)報(bào)效果均表現(xiàn)較好[13-14]。但具體到不同區(qū)域和站點(diǎn)[14-15]、不同月份季節(jié)[13,15-16]和不同等級的風(fēng)速[15,17]，EC的預(yù)報(bào)效果也會(huì)有一定差異。因此，為了使用該模式做出更加準(zhǔn)確的風(fēng)場預(yù)報(bào)，一些學(xué)者還針對實(shí)際需要對EC模式的風(fēng)產(chǎn)品進(jìn)行了訂正[18-21]。

以往的研究結(jié)果對實(shí)際工作均具有較好的借鑒作用。但在實(shí)際觀測業(yè)務(wù)中，僅風(fēng)速的正點(diǎn)常規(guī)觀測記錄就包含了瞬時(shí)風(fēng)速、2 min平均風(fēng)速、10 min平均風(fēng)速、極大風(fēng)速和最大風(fēng)速等5類，其中正點(diǎn)記錄的2 min、10 min平均風(fēng)速很多時(shí)候并不能反映出天氣過程最大的風(fēng)力等級，而逐時(shí)極大風(fēng)速雖能完整記錄每小時(shí)內(nèi)的陣風(fēng)情況，但與平均風(fēng)速屬性不同、偏差較大。但關(guān)于各類實(shí)況風(fēng)與EC細(xì)網(wǎng)格10 m風(fēng)場的對應(yīng)參考性研究目前還比較稀缺，而且目前對EC模式10 m風(fēng)場產(chǎn)品誤差日變化的研究檢驗(yàn)也比較欠缺，可能使得模式風(fēng)的訂正效果有所降低。

位于遼東半島和山東半島之間的渤海海峽，是中國北方海域最繁忙的海上通道，素有“黃金水道”之稱，大連陸地東南部至長山群島的里長山海峽航線更是長?？h當(dāng)?shù)厝罕姷摹吧€”，僅大連當(dāng)?shù)孛咳者M(jìn)出港航線就涉及多個(gè)線路時(shí)次和方向，加上內(nèi)、外海三面環(huán)繞的特殊地形條件使得這里的海陸風(fēng)和地形風(fēng)效應(yīng)也非常明顯，實(shí)際工作中需要對不同區(qū)域的風(fēng)進(jìn)行精細(xì)化預(yù)報(bào)，從而提高海洋氣象的預(yù)報(bào)服務(wù)水平。目前國內(nèi)針對渤海以及黃海北部海域的研究一般更側(cè)重于大風(fēng)的情況[22-24]，非大風(fēng)情況研究較少。對于EC細(xì)網(wǎng)格10 m風(fēng)場產(chǎn)品來說，哪個(gè)區(qū)域的預(yù)報(bào)效果好，不同風(fēng)力的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率如何，這些方面的研究也不多見。因此，對EC細(xì)網(wǎng)格10 m風(fēng)場產(chǎn)品在大連及周邊海域進(jìn)行檢驗(yàn)，了解其在當(dāng)?shù)卣`差分布的特點(diǎn)和規(guī)律是一項(xiàng)迫在眉睫的工作，也是實(shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的精細(xì)化預(yù)報(bào)必須進(jìn)行的基礎(chǔ)性工作。

1 資料與方法

選取2016年1月至2018年12月ECMWF細(xì)網(wǎng)格10 m風(fēng)(簡稱“EC 10 m風(fēng)”)逐日預(yù)報(bào)資料，包含08時(shí)和20時(shí)模式的分析場，以及003—240 h逐3 h或6 h預(yù)報(bào)，共計(jì)53個(gè)時(shí)次的分析和預(yù)報(bào)資料，空間分辨率為0.125°×0.125°?？紤]到觀測資料的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，選取大連境內(nèi)的大連、金州、長海、莊河、普蘭店、瓦房店、長興島、旅順8個(gè)國家氣象觀測站，這些站點(diǎn)遍布渤海、渤海海峽、黃海北部沿岸、海島以及相對內(nèi)陸的地區(qū)(圖1)，能較好地代表大連海陸分布的特殊地理狀況。將EC 10 m風(fēng)預(yù)報(bào)插值到上述8站，所有站點(diǎn)的風(fēng)矢量分析和預(yù)報(bào)值均經(jīng)過U、V分量雙線性插值法內(nèi)插到各個(gè)站點(diǎn)，然后再計(jì)算該站的風(fēng)向、風(fēng)速值。

圖1 大連地區(qū)站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of stations in Dalian

在實(shí)際觀測中，風(fēng)的正點(diǎn)記錄包含5類，按照觀測規(guī)范對各類風(fēng)的定義，2 min平均風(fēng)、10 min平均風(fēng)和最大風(fēng)屬平均風(fēng)類，瞬時(shí)風(fēng)和極大風(fēng)屬瞬時(shí)風(fēng)或陣風(fēng)類(表1)。

表1 正點(diǎn)觀測5類風(fēng)的含義、算法及類別Table 1 The meanings,algorithms,and classifications of the five kinds of wind observed on schedule

EC 10 m風(fēng)預(yù)報(bào)與各類地面風(fēng)觀測值均存在不同程度的誤差，因此有必要探討實(shí)際觀測記錄的各類風(fēng)與EC 10 m風(fēng)預(yù)報(bào)的對應(yīng)性，從而以對應(yīng)最好的某類風(fēng)為參照進(jìn)行分析訂正。規(guī)定風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差值為預(yù)報(bào)值減實(shí)況值，按照實(shí)況對風(fēng)向和風(fēng)級進(jìn)行分類，其中1級含靜風(fēng)。選取平均誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)以及相關(guān)性分析3種統(tǒng)計(jì)分析方式，對EC 10 m風(fēng)速與大連地區(qū)8個(gè)站的上述5類風(fēng)速進(jìn)行對比，并重點(diǎn)對EC 10 m風(fēng)速000—240時(shí)次內(nèi)的分析、預(yù)報(bào)資料與最大風(fēng)速，按照風(fēng)級、風(fēng)向、站點(diǎn)、預(yù)報(bào)時(shí)限(歸類方法詳見“2.1部分”具體說明)以及起報(bào)時(shí)次等不同分類進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，因此，參與各種誤差統(tǒng)計(jì)分析的樣本數(shù)隨分類而不同。其誤差計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式(1)—式(2)中，i代表測站代碼；ns、ms取值均為1—8，當(dāng)統(tǒng)計(jì)單站時(shí)，ns=ms；j代表起報(bào)時(shí)次，分08時(shí)、20時(shí)2種情況，用代碼1—2表示；nf、mf取值均為1—2，數(shù)據(jù)計(jì)算只在“不同起報(bào)時(shí)次的風(fēng)速誤差比較”中分08、20時(shí)次，其余均為2個(gè)起報(bào)時(shí)次；單一起報(bào)時(shí)次時(shí)nf=mf；k代表歸類的預(yù)報(bào)時(shí)限，用代碼1—21與預(yù)報(bào)時(shí)限對應(yīng)，nl取值為1—21；p代表風(fēng)向，代碼取值均為1—8，分別代表8個(gè)風(fēng)向，當(dāng)統(tǒng)計(jì)某單一風(fēng)向時(shí)，nd=md；q代表風(fēng)級，代碼取值均為1—11，分別與1—11級對應(yīng)(極大風(fēng)速實(shí)況最大為11級)，當(dāng)統(tǒng)計(jì)某個(gè)風(fēng)級時(shí)，nv=mv；s代表某時(shí)限中包含的預(yù)報(bào)時(shí)次數(shù)，mt因不同的時(shí)限取值不同，時(shí)限取值01—07時(shí)(相當(dāng)于72 h內(nèi)預(yù)報(bào))，mt=4；時(shí)限取值08—20時(shí)(相當(dāng)于078—234時(shí)次預(yù)報(bào))，mt=2；時(shí)限取值21時(shí)(相當(dāng)于240時(shí)次預(yù)報(bào))，mt=1；VF(i,j,k,s)(t)為某站某時(shí)刻EC 10 m預(yù)報(bào)風(fēng)速，VC(i,j,k,p,q,s)(t)為與某站某時(shí)刻EC 10 m預(yù)報(bào)對應(yīng)時(shí)間的5類實(shí)況風(fēng)速中的某類(風(fēng)向、風(fēng)級分類以實(shí)況為準(zhǔn))，t的取值為2016年1月1日至2018年12月31日逐日02、05、08、11、14、17、20、23時(shí)，EC 10 m風(fēng)分析、各時(shí)次預(yù)報(bào)與5類實(shí)況風(fēng)對應(yīng)的時(shí)間。本文資料起止時(shí)間簡寫為2016—2018年。

2 結(jié)果分析

2.1 EC 10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)與各類實(shí)況風(fēng)速比較

表2為2016—2018年逐日08、20時(shí)起報(bào)的000—240時(shí)次內(nèi)，EC 10 m風(fēng)速與大連地區(qū)8站5類實(shí)況觀測風(fēng)速的平均誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)和相關(guān)系數(shù)(r)。本文“00”表示08或20時(shí)起報(bào)的000、003、006、009時(shí)次分析和預(yù)報(bào)，簡稱“00時(shí)限”；“12”表示08或20時(shí)起報(bào)的012、015、018、021時(shí)次12—21預(yù)報(bào)，簡稱“12時(shí)限”(其他“24”、“36”……等以此類推，下同)。這樣歸類可將53個(gè)時(shí)次縮減為21個(gè)時(shí)限，便于比較和縮減表列數(shù)。

表2 2016—2018年EC 10 m 00—240時(shí)限風(fēng)速與大連8站各類觀測風(fēng)速之間的ME、 MAE及相關(guān)系數(shù)Table 2 ME,MAE and correlation coefficients between various observation wind speed of the eight stations in Dalian and the EC 10 m 00-240 time wind speed from 2016 to 2018

從ME可以看出，EC 10 m風(fēng)速的預(yù)報(bào)相比3類平均風(fēng)速均偏大，相比兩類陣風(fēng)風(fēng)速均偏小。從接近的程度來看，瞬時(shí)風(fēng)速、最大風(fēng)速最好，168時(shí)限內(nèi)預(yù)報(bào)誤差基本在±0.2 m·s-1之內(nèi)，168時(shí)限后最大風(fēng)速誤差最大為0.4 m·s-1；2 min平均風(fēng)速和10 min平均風(fēng)速的誤差偏大一些，120時(shí)限內(nèi)預(yù)報(bào)比實(shí)際偏大0.9 m·s-1，120—240時(shí)限最大誤差可達(dá)1.1 m·s-1；預(yù)報(bào)與極大風(fēng)速偏差最大，最大可偏小2.1 m·s-1。

從MAE來看，隨著預(yù)報(bào)時(shí)限延長，絕對誤差呈逐漸增大的趨勢。預(yù)報(bào)與最大風(fēng)速誤差最小，72時(shí)限內(nèi)預(yù)報(bào)誤差為1.3—1.4 m·s-1，72時(shí)限以上最大誤差可達(dá)2 m·s-1；其次是2 min平均風(fēng)速和10 min平均風(fēng)速，72時(shí)限內(nèi)預(yù)報(bào)誤差為1.4—1.6 m·s-1，72時(shí)限以上最大誤差可達(dá)2.1 m·s-1；瞬時(shí)風(fēng)速在72時(shí)限內(nèi)誤差為1.5—1.8 m·s-1，72時(shí)限以上最大誤差可達(dá)2.4 m·s-1；極大風(fēng)速誤差仍最大，最大偏差可達(dá)3.1 m·s-1。綜合5類風(fēng)MAE隨時(shí)限的變化，72時(shí)限內(nèi)差異很小，72時(shí)限后則隨著時(shí)限的延長誤差不斷增大。

對ME與MAE的綜合分析可以得出，MAE最大風(fēng)速最??；而從ME來看，EC 10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)不僅比2 min平均風(fēng)速和10 min平均風(fēng)速大0.9 m·s-1以上，也比最大風(fēng)速偏高0.2 m·s-1左右，說明預(yù)報(bào)對于大連地區(qū)各類實(shí)況平均風(fēng)速來講，總體平均是偏大的。

從表2可以看出，隨著預(yù)報(bào)時(shí)限延長，相關(guān)系數(shù)均呈減小趨勢，由00時(shí)限0.7左右降至240時(shí)限0.2左右，但均通過了信度α= 0.01顯著性檢驗(yàn)。其中極大風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)最大，其次是瞬時(shí)風(fēng)速和最大風(fēng)速，2 min平均風(fēng)速最小。但具體到各風(fēng)級的相關(guān)系數(shù)與整體卻差異明顯(表3)，以12時(shí)限為例，1—6級(7級以上次數(shù)少，統(tǒng)計(jì)意義較差)均在0.006—0.281，且各類風(fēng)速整體相關(guān)系數(shù)越大，其各風(fēng)級的相關(guān)系數(shù)差異越顯著。其中，極大風(fēng)速整體相關(guān)系數(shù)最大，但預(yù)報(bào)與1級的相關(guān)系數(shù)僅為0.006，5級相關(guān)性最好也僅為0.251，與全部風(fēng)級整體相比，相關(guān)性明顯減弱。綜合5類風(fēng)全部預(yù)報(bào)時(shí)限相關(guān)系數(shù)來看(表略)，2—4級的顯著性最好，其他風(fēng)級存在部分預(yù)報(bào)時(shí)限未通過顯著性檢驗(yàn)的情況，且4級以上隨著風(fēng)級增大，未通過顯著性檢驗(yàn)的情況增多，平均風(fēng)類的相關(guān)性明顯好于陣風(fēng)類。而各風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)與整體雖有差異但不顯著(表略)，且全部通過信度α= 0.01的顯著性檢驗(yàn)。以12時(shí)限為例，極大風(fēng)速東北風(fēng)最大相關(guān)系數(shù)為0.830，東風(fēng)最小為0.563，均為強(qiáng)相關(guān)，因此風(fēng)向間的相關(guān)性明顯好于風(fēng)級間。綜上所述，盡管EC 10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)與極大風(fēng)速相關(guān)性最好，但與各風(fēng)級實(shí)況風(fēng)速卻大多呈弱相關(guān)甚至不相關(guān)，且不同風(fēng)級之間差異明顯，其他類實(shí)況風(fēng)的情況也基本如此，說明各級風(fēng)速預(yù)報(bào)與實(shí)況的誤差可能均較大。同時(shí)，預(yù)報(bào)與5類實(shí)況風(fēng)速的ME或MAE接近程度與相關(guān)性并不一致，因此本文選取ME和MAE討論、分析EC 10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)與實(shí)況的對應(yīng)情況。

表3 2016—2018年EC 10 m 12 時(shí)限風(fēng)速預(yù)報(bào)與大連8站各類實(shí)況風(fēng)級間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between the EC 10 m 12 time wind speed forecasts and various wind speed levels from the observations of the eight stations in Dalian from 2016 to 2018

綜合ME與MAE統(tǒng)計(jì)可以得出，EC 10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)與最大風(fēng)速的兩種誤差最小、接近程度最好，同時(shí)最大風(fēng)速在平均風(fēng)類中與預(yù)報(bào)相關(guān)性最好?？梢哉J(rèn)為EC 10 m風(fēng)預(yù)報(bào)與最大風(fēng)速觀測實(shí)況更接近，因此選取最大風(fēng)速與預(yù)報(bào)進(jìn)行對比分析。但具體到各站之間又有所差異，多年觀測平均風(fēng)速偏大的站點(diǎn)，其EC 10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)值與最大風(fēng)速接近程度更好，而觀測風(fēng)速偏小的站點(diǎn)誤差則相對偏大。

2.2 基于最大風(fēng)速的誤差統(tǒng)計(jì)與分析

統(tǒng)計(jì)分析2016—2018年EC 10 m 00—240時(shí)限風(fēng)速與8站最大風(fēng)速的誤差，在不劃分風(fēng)向和風(fēng)級的情況下(表2)，從ME來看各時(shí)限相差不大，除240時(shí)限為0.4 m·s-1外，其余均在0.1—0.3 m·s-1，預(yù)報(bào)與最大風(fēng)速對應(yīng)比較好。從MAE來看各時(shí)限差異也不大，但隨預(yù)報(bào)時(shí)限延長，誤差呈緩慢增大趨勢，00—240時(shí)限從1.3 m·s-1增至 2 m·s-1。而按風(fēng)級、風(fēng)向和站點(diǎn)來統(tǒng)計(jì)分析，則差異明顯。

2.2.1 不同風(fēng)級的風(fēng)速誤差

圖2為2016—2018年EC 10 m 00—240時(shí)限風(fēng)速與大連地區(qū)8站不同風(fēng)級下風(fēng)速M(fèi)E與MAE情況。從ME可以看出，3級預(yù)報(bào)與實(shí)況最為接近，大多在0.0—0.1 m·s-1；當(dāng)實(shí)況風(fēng)力小于3級時(shí)，預(yù)報(bào)誤差為正差偏大，并且風(fēng)力越小偏大越明顯，1級和靜風(fēng)的平均誤差均大于1 m·s-1，最大可達(dá)2.2 m·s-1；當(dāng)實(shí)況風(fēng)力大于3級時(shí)，預(yù)報(bào)誤差均為負(fù)差，風(fēng)力越大負(fù)差越明顯，7級以上風(fēng)力誤差均小于-3.2 m·s-1，最小可達(dá)-10.1 m·s-1；8級由于實(shí)況出現(xiàn)次數(shù)少，統(tǒng)計(jì)意義相對偏差。

圖2 2016—2018年EC 10 m 00—240時(shí)限與大連8站不同風(fēng)級的風(fēng)速M(fèi)E(實(shí)線)與MAE(虛線)Fig.2 ME (solid line) and MAE (dashed line) between actual wind speed of different wind levels of eight stations in Dalian and EC 10 m 00-240 time wind speed from 2016 to 2018

從MAE來看，3級及以下誤差相差不大，120時(shí)限內(nèi)誤差為1.1—1.6 m·s-1，120時(shí)限后誤差可達(dá)1.5—2.3 m·s-1，其中2級和3級的誤差比較接近，相對其他風(fēng)級誤差最小。當(dāng)實(shí)況大于3級時(shí)，誤差隨著風(fēng)力增強(qiáng)而增大，7級和8級誤差可達(dá)10 m·s-1以上。

對比各風(fēng)級的ME與MAE，實(shí)況4級及以下時(shí)，ME的絕對值與MAE相差較大，而5級以上時(shí)，二者的相差出現(xiàn)明顯減小的情況，且風(fēng)級越大，相差越小。如7級時(shí)，其ME的絕對值與MAE在各預(yù)報(bào)時(shí)限下，相差均在0.1—0.2 m·s-1；而8級時(shí)，在各預(yù)報(bào)時(shí)限下二者誤差均一致。說明當(dāng)實(shí)況小于等于4級時(shí)，誤差存在正、負(fù)，預(yù)報(bào)偏大和偏小的情況均存在，且預(yù)報(bào)偏大的個(gè)例多；而當(dāng)實(shí)況為5—7級時(shí)，預(yù)報(bào)多為偏小，但仍有少數(shù)偏大的可能；而對于8級的預(yù)報(bào)則均偏小。

2.2.2 不同風(fēng)向的風(fēng)速誤差

對2016—2018年EC 10 m 00—240時(shí)限風(fēng)速與大連8站不同風(fēng)向的風(fēng)速誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3)，從ME和MAE來看，與不同風(fēng)級間的風(fēng)速誤差相比，在各風(fēng)向上風(fēng)速誤差的差異要小一些。在ME方面，各風(fēng)向各時(shí)限風(fēng)速誤差基本在0.5 m·s-1以下，多數(shù)風(fēng)向的風(fēng)速誤差為正差，差別并不顯著；但北風(fēng)與東北風(fēng)比其他風(fēng)向的風(fēng)速誤差略大一些，均為正差，最大為0.5 m·s-1；而東南風(fēng)則為負(fù)差，最小為-0.2 m·s-1。在MAE方面，各風(fēng)向上的風(fēng)速誤差差別也不大，且均隨著預(yù)報(bào)時(shí)限的延長而增大，各時(shí)限風(fēng)速誤差除北風(fēng)、東北風(fēng)比其他風(fēng)向略大些，在1.2—2.3 m·s-1，其他均在1.2—2.0 m·s-1。

圖3 2016—2018年EC 10 m 00—240時(shí)限風(fēng)速與大連8站不同風(fēng)向的風(fēng)速M(fèi)E(實(shí)線)與MAE(虛線)Fig.3 ME (solid line) and MAE (dashed line) between actual wind speed of different wind directions of eight stations in Dalian and EC 10 m 00-240 time wind speed from 2016 to 2018

2.2.3 不同風(fēng)級與風(fēng)向的風(fēng)速誤差對比

從風(fēng)級與風(fēng)向?qū)︼L(fēng)速誤差的共同影響來看，以24時(shí)限預(yù)報(bào)為例(表4)，仍是風(fēng)級對ME的影響較大，1—2級為正差，隨著風(fēng)級增大，風(fēng)速誤差逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)差。但由于各風(fēng)向?qū)︼L(fēng)速誤差的影響不同，當(dāng)風(fēng)向誤差與風(fēng)級疊加時(shí)，對風(fēng)級誤差會(huì)起到增大或減小的作用。如5級全風(fēng)向的平均誤差為-1.5 m·s-1，但5級東南風(fēng)誤差則擴(kuò)大到-2.8 m·s-1，而5級北風(fēng)誤差則縮小至-0.8 m·s-1。因此，風(fēng)速誤差可以認(rèn)為是風(fēng)向和風(fēng)級共同疊加影響的結(jié)果。

2.2.4 不同站點(diǎn)間的差異

比較大連各站點(diǎn)間不同風(fēng)向和風(fēng)級的風(fēng)速M(fèi)E，以24時(shí)限預(yù)報(bào)為例(表5)，各站點(diǎn)每種風(fēng)向的大小和正負(fù)均不一致，金州、瓦房店、莊河、長興島8個(gè)風(fēng)向均為負(fù)值、預(yù)報(bào)偏小，其他站點(diǎn)預(yù)報(bào)偏大。不同站點(diǎn)間每種風(fēng)向的風(fēng)速M(fèi)E均不同，同一站點(diǎn)不同風(fēng)向的風(fēng)速M(fèi)E也各異，某種風(fēng)向?qū)?yīng)任一站不存在均為正值(負(fù)值)或偏大(偏小)情況，但大連、長海、莊河所有風(fēng)向的風(fēng)速M(fèi)E均為正差。在不同風(fēng)級的風(fēng)速M(fèi)E方面(表6)，盡管各站點(diǎn)間不同風(fēng)級均不一致且差異明顯，但隨著風(fēng)級增大，平均誤差均由正變負(fù)，即模式預(yù)報(bào)逐漸偏小，這也與全部站點(diǎn)隨風(fēng)級變化的風(fēng)速誤差規(guī)律相一致。但各站點(diǎn)預(yù)報(bào)值由偏大轉(zhuǎn)為偏小的風(fēng)級有所不同，多數(shù)站點(diǎn)在3級或4級轉(zhuǎn)入負(fù)差，但大連和長海到6級時(shí)才轉(zhuǎn)成負(fù)差。各站點(diǎn)隨風(fēng)級的增大，風(fēng)速誤差的差異也隨之增大。因此，不同站點(diǎn)風(fēng)級和風(fēng)向的風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差差異較大，即風(fēng)速誤差與測站、風(fēng)向、風(fēng)級均高度相關(guān)。

表4 2016—2018年EC 10 m 24時(shí)限風(fēng)速預(yù)報(bào)不同風(fēng)級與風(fēng)向疊加下大連8站風(fēng)速的METable 4 Wind speed ME of eight stations in Dalian forecasted by EC 10 m 24 time wind speed under the superposition of different wind scales and directions from 2016 to 2018 m·s-1

表5 2016—2018年EC 10 m 24時(shí)限風(fēng)速與大連各站不同風(fēng)向的風(fēng)速M(fèi)ETable 5 ME between actual wind speed of different wind directions of eight stations in Dalian and EC 10 m 24 time wind speed from 2016 to 2018 m·s-1

表6 2016—2018年EC 10 m 24時(shí)限風(fēng)速與大連各站不同風(fēng)級的風(fēng)速M(fèi)ETable 6 ME between actual wind speed of different wind scales of eight stations in Dalian and EC 10 m 24 time wind speed from 2016 to 2018 m·s-1

2.3 EC 10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差的日變化

由于大氣運(yùn)動(dòng)存在明顯的日變化，一些影響風(fēng)速大小的因子，如動(dòng)量下傳等也存在明顯的日變化，可能使得EC對風(fēng)的預(yù)報(bào)也具有相應(yīng)的日變化。統(tǒng)計(jì)003—024共8個(gè)時(shí)次的24 h預(yù)報(bào)與每日相對應(yīng)時(shí)間的風(fēng)速M(fèi)E，探討EC風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差在大連地區(qū)是否存在日變化。

統(tǒng)計(jì)2016—2018年EC 10 m 24 h預(yù)報(bào)風(fēng)速與大連地區(qū)8站1—6級的風(fēng)速M(fèi)E(7—8級出現(xiàn)次數(shù)少，有些時(shí)間沒有，故不統(tǒng)計(jì)分析日變化，下同)發(fā)現(xiàn)(圖4 a)，EC預(yù)報(bào)的風(fēng)速M(fèi)E日變化比較明顯，夜間誤差明顯大于白天，下半夜(02—08時(shí))是誤差最大的時(shí)段，午后(14—17時(shí))是全天最小的時(shí)段，17時(shí)誤差最小，平均最大、最小誤差相差達(dá)0.9 m·s-1。同時(shí)，日變化與風(fēng)級關(guān)系也較密切，2級以上日變化明顯，4級振幅最大為0.9 m·s-1。而各風(fēng)向的風(fēng)速M(fèi)E日變化與風(fēng)級ME完全相同(圖4b)，且比風(fēng)級ME日變化更明顯，依然表現(xiàn)出夜間大、白天小，02—08時(shí)誤差最大，14—17時(shí)全天最小，各個(gè)風(fēng)向差異明顯，其中西南風(fēng)、西風(fēng)和西北風(fēng)最明顯，西風(fēng)的晝夜振幅最大可達(dá)1.8 m·s-1，而南風(fēng)、東南風(fēng)和東風(fēng)相對其他風(fēng)向來講日變化偏弱，振幅在0.5—0.7 m·s-1。

2.4 不同起報(bào)時(shí)次的風(fēng)速誤差比較

對比2016—2018年EC 10 m風(fēng)08時(shí)和20時(shí)起報(bào)時(shí)次的預(yù)報(bào)誤差(表7)，各時(shí)限預(yù)報(bào)下，08時(shí)和20時(shí)的MAE基本一致，均在1.2 m·s-1以上，08時(shí)比20時(shí)整體偏高約0.1 m·s-1。ME則相差明顯，20時(shí)誤差明顯大于08時(shí)，08時(shí)起報(bào)的ME接近0，但08時(shí)的MAE卻大于20時(shí)，說明08時(shí)起報(bào)的具體個(gè)例誤差偏離平均值的程度高，預(yù)報(bào)的穩(wěn)定性低于20時(shí)，這與預(yù)報(bào)員日常應(yīng)用EC預(yù)報(bào)的體會(huì)相符。兩種起報(bào)時(shí)次誤差的不一致性，很可能與風(fēng)速誤差、風(fēng)向誤差的日變化有關(guān)。

圖4 2016—2018年EC 10 m 24 h預(yù)報(bào)風(fēng)速與大連8站風(fēng)級風(fēng)速M(fèi)E(a)和風(fēng)向風(fēng)速M(fèi)E(b)日變化Fig.4 Diurnal variation of wind speed ME for different wind levels (a) and different wind directions (b) forecasted by EC 10 m 24 h wind speed at eight stations in Dalian from 2016 to 2018

表7 2016—2018年EC 10 m風(fēng)08時(shí)和20時(shí)起報(bào)時(shí)次00—120時(shí)限風(fēng)速與大連8站風(fēng)速的ME與MAE比較Table 7 Comparing of ME and MAE between EC 10 m 00-120 time wind speed at 08:00 and 20:00 and the actual wind speed of eight stations in Dalian from 2016 to 2018 m·s-1

3 結(jié)論

(1)大連地區(qū)EC 10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)與最大風(fēng)速最為接近，所預(yù)報(bào)的風(fēng)速比瞬時(shí)風(fēng)速和極大風(fēng)速小，比2 min平均風(fēng)速、10 min平均風(fēng)速和最大風(fēng)速大，相對各類實(shí)況平均風(fēng)速來講，總體預(yù)報(bào)是偏大的。但相關(guān)性分析則是極大風(fēng)速最好，其次是最大風(fēng)速和瞬時(shí)風(fēng)速。

(2)分析大連地區(qū)8站EC 10 m風(fēng)速與最大風(fēng)速的ME得出，實(shí)況3級與預(yù)報(bào)最接近，小于3級時(shí)預(yù)報(bào)偏大，風(fēng)級越小偏大越明顯；大于3級時(shí)預(yù)報(bào)偏小，風(fēng)級越大偏小的程度越明顯；MAE則是2—3級誤差最小。在各風(fēng)向上風(fēng)速誤差也比較明顯，但比風(fēng)級間的誤差要小一些。各時(shí)限ME相差不大，基本在0.1—0.3 m·s-1，MAE則隨時(shí)限延長呈緩慢增大趨勢，從1.3 m·s-1增至2 m·s-1，但72時(shí)限內(nèi)差異很小，72時(shí)限以上則隨著時(shí)限的延長誤差不斷增大。不同測站的最大風(fēng)速M(fèi)E在風(fēng)級和風(fēng)向上大小各不相同，差異明顯。

(3)統(tǒng)計(jì)表明，風(fēng)速M(fèi)E具有明顯的日變化，白天小夜間大，午后最小，下半夜最大。而誤差的日變化很可能是EC模式08時(shí)和20時(shí)兩種起報(bào)時(shí)次對大連地區(qū)風(fēng)速M(fèi)E不一致的原因之一。

(4)預(yù)報(bào)誤差對于任何地區(qū)來講都是存在的，精細(xì)化預(yù)報(bào)的效果關(guān)鍵在于預(yù)報(bào)的訂正，但傳統(tǒng)的分類方法顯然并不太適宜區(qū)域性的精細(xì)化格點(diǎn)訂正。本文得出的預(yù)報(bào)誤差與測站(地域)、風(fēng)向、風(fēng)級、起報(bào)時(shí)次及日變化均有關(guān)的結(jié)論，對于精細(xì)化分類訂正具有很好的參考和借鑒意義，但在具體應(yīng)用時(shí)效果如何還有待于檢驗(yàn)和改進(jìn)。同時(shí)，正點(diǎn)觀測5類風(fēng)與預(yù)報(bào)相關(guān)性整體較好，但具體到各風(fēng)級時(shí)相關(guān)性卻全部減弱，這種差異對于風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差訂正的影響和指示意義，也有必要深入研究以更好提高模式風(fēng)的訂正效果。