大連地區(qū)ECMWF細(xì)網(wǎng)格風(fēng)向與實(shí)況的對比檢驗(yàn)

隋玉秀，楊景泰，?；哿?，卞若玢，趙華睿，肖劍，曹波

（1.大連市氣象服務(wù)中心，遼寧 大連 116001；2.大連市旅順口區(qū)氣象局，遼寧 大連 116041；3.空軍航空大學(xué)，遼寧 錦州 121000）

1 引言

風(fēng)是影響海上航運(yùn)與作業(yè)最主要的氣象因素之一，海上及沿海風(fēng)場研究對于理解海洋-陸地-大氣之間的相互作用，以及開展相關(guān)領(lǐng)域的研究尤為重要。受客觀條件制約，目前海上氣象觀測資料的空間分辨率和覆蓋范圍均非常有限，并且大多離海岸線較近，這在一定程度上制約了海上風(fēng)的科研與服務(wù)。大連屬半島地形，東部毗鄰黃海北部海域，西部緊鄰渤海這一較為特殊的內(nèi)陸海，南部為黃渤海交界的渤海海峽，是我國海陸分布最為復(fù)雜的地區(qū)之一，海陸風(fēng)和地形風(fēng)效應(yīng)均非常明顯，陸地及周邊海域大風(fēng)天氣頻發(fā)，嚴(yán)重影響著海上運(yùn)輸、漁業(yè)、港口及海上作業(yè)等。

近年來，隨著天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模式逐漸成為研究和預(yù)報(bào)風(fēng)要素的主要方法[1-3]。數(shù)值產(chǎn)品再分析資料作為初始場和邊界場，對沿海及周邊海域的風(fēng)要素進(jìn)行研究[4-6]，這在一定程度上彌補(bǔ)了海上觀測資料的不足，給海洋氣象服務(wù)創(chuàng)造了良好的效益。然而風(fēng)要素是一個(gè)矢量，既包含風(fēng)速也包含風(fēng)向，由于其本身具有非連續(xù)和非正態(tài)分布的特點(diǎn)，加之具有較強(qiáng)的地域性，因此，在實(shí)際工作中需要針對當(dāng)?shù)鼐唧w情況進(jìn)行檢驗(yàn)和訂正。在風(fēng)的檢驗(yàn)方面，很多學(xué)者都發(fā)現(xiàn)某些數(shù)值模式在不同的時(shí)間和季節(jié)對風(fēng)的預(yù)報(bào)存在差異[7-10]，不同的風(fēng)向、風(fēng)速、時(shí)效和地理位置等也都對最終預(yù)報(bào)效果產(chǎn)生影響[8-12]。一些學(xué)者還針對不同數(shù)值模式產(chǎn)品預(yù)報(bào)的風(fēng)場開展了比較研究。孫逸涵等[10]綜合分析檢驗(yàn)了全球天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Global Forecasting System，GFS）、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-range Weather Forecasts，ECMWF，簡稱EC）模式和T639 資料在中國境內(nèi)近地層的風(fēng)速預(yù)報(bào)效果；曾瑾瑜等[11]對天氣預(yù)報(bào)模式（Weather Research and Forecasting，WRF）、ECMWF 和T639這3 種模式預(yù)報(bào)的福建沿海風(fēng)場進(jìn)行了對比檢驗(yàn)；夏曉玲等[13]檢驗(yàn)了ECMWF 模式、中國氣象局新一代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System，GRAPES）和日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）模式對貴州省風(fēng)速的預(yù)報(bào)誤差，總體來看ECMWF 模式評價(jià)較好。以上研究大多側(cè)重于風(fēng)速方面，而對風(fēng)向的研究較少。當(dāng)風(fēng)力達(dá)到一定等級時(shí)，同樣的風(fēng)力作用下，不同的側(cè)風(fēng)對航運(yùn)、海上鉆井平臺和港口等地高危作業(yè)產(chǎn)生的影響有顯著差異，甚至?xí)?yán)重影響飛機(jī)的起降和飛行安全[14-16]。即使在風(fēng)不大的情況下，風(fēng)向?qū)馂?zāi)救援、城市熱島效應(yīng)[17]以及霧和霾等低能見度天氣或空氣污染過程[18-21]也具有不可忽略的作用。對于大連來說，風(fēng)向的變化及海陸風(fēng)的轉(zhuǎn)換有時(shí)還會(huì)對氣溫產(chǎn)生顯著影響，例如春季當(dāng)風(fēng)向由陸風(fēng)轉(zhuǎn)為海風(fēng)時(shí)，大連站小時(shí)降溫有時(shí)可達(dá)6 ℃以上，降幅超過多數(shù)冷空氣過程降溫。

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)向的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，曾曉青等[22]基于北京地區(qū)的情況給出了一種基于模式輸出統(tǒng)計(jì)法（Model Output Statistics，MOS）的風(fēng)向矢量預(yù)測方案，對風(fēng)向預(yù)測具有較好能力。吳曼麗等[23]采用卡爾曼濾波方法對第五代中尺度模式（Mesoscale Model 5，MM5）預(yù)報(bào)的遼寧沿海風(fēng)矢量進(jìn)行檢驗(yàn)，但得出的風(fēng)向預(yù)報(bào)效果并不理想，即便是預(yù)報(bào)結(jié)果最好的黃海北部，準(zhǔn)確率也僅為57.3%，渤海北部只有41.1%。在實(shí)際觀測業(yè)務(wù)中，風(fēng)向的正點(diǎn)常規(guī)觀測記錄包含瞬時(shí)風(fēng)向、2 min 平均風(fēng)向、10 min 平均風(fēng)向、極大風(fēng)向和最大風(fēng)向5類，但關(guān)于各類實(shí)況風(fēng)向與數(shù)值預(yù)報(bào)格點(diǎn)風(fēng)向的對應(yīng)參考性研究目前還比較稀缺。呂明華等[24]雖然提出了使用不同小時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)風(fēng)向的方法，但與常規(guī)氣象觀測記錄存在差異，不便于實(shí)際預(yù)報(bào)工作使用。因此，在日常的海洋氣象服務(wù)中，有必要對照實(shí)際觀測風(fēng)向，對常用數(shù)值模式提供的大連沿海風(fēng)向初始場和預(yù)報(bào)場資料進(jìn)行系統(tǒng)性檢驗(yàn)，從而獲得高精度的本地化格點(diǎn)訂正產(chǎn)品。

2 資料與方法

ECMWF 模式具有較高的預(yù)報(bào)水平，在天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中應(yīng)用廣泛，其10 m 風(fēng)產(chǎn)品是海洋氣象預(yù)報(bào)的重要參考要素之一，對風(fēng)的預(yù)報(bào)效果較好[25-27]。選取2016年1月—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)（北京時(shí)，下同）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、長興島和旅順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)（見圖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 個(gè)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)向和風(fēng)速值。

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

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（見表1）。

表1 正點(diǎn)觀測5類風(fēng)風(fēng)向的含義、算法及類別Tab.1 The meanings,algorithms and classifications of the five kinds of wind directions 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，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)向預(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（Mean Error，ME）、平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）和相關(guān)性分析3種方式，對EC 10 m風(fēng)向與大連地區(qū)8個(gè)站的上述5 類風(fēng)向進(jìn)行對比，按照風(fēng)級、風(fēng)向、站點(diǎn)、預(yù)報(bào)時(shí)限以及起報(bào)時(shí)次等不同分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其誤差計(jì)算公式為：

3 結(jié)果分析

3.1 EC 10 m 風(fēng)向預(yù)報(bào)與實(shí)況比較

表2給出了2016—2018年期間EC 10 m 風(fēng)產(chǎn)品對大連地區(qū)8 個(gè)站的風(fēng)向分析、預(yù)報(bào)與各類實(shí)況風(fēng)向的ME、MAE 和相關(guān)系數(shù)r。表中“00 h”表示08或20 時(shí)起報(bào)的000 時(shí)次、003 時(shí)次、006 時(shí)次和009時(shí)次分析和預(yù)報(bào)，簡稱“00 h時(shí)限”；“12 h”表示08或20時(shí)起報(bào)的012時(shí)次、015時(shí)次、018時(shí)次和021時(shí)次12～21 h預(yù)報(bào)，簡稱“12 h時(shí)限”（其他“24 h”、“36 h”……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)。文中用H表示時(shí)次、h表示時(shí)限加以區(qū)分。

表2可以看出，ME陣風(fēng)類風(fēng)向小于平均風(fēng)類風(fēng)向，但各類風(fēng)的風(fēng)向ME 差別不大，即使在ME 相差最大的00 h 時(shí)限，誤差也均在3.6°～5.0°之間，相差最大僅1.4°，因而認(rèn)為各類風(fēng)的風(fēng)向ME 基本相當(dāng)。MAE 則與ME 相反，平均風(fēng)類的風(fēng)向誤差小于陣風(fēng)類，正點(diǎn)最大風(fēng)的風(fēng)向預(yù)報(bào)誤差最小，各類風(fēng)的風(fēng)向MAE 均隨著預(yù)報(bào)時(shí)限的延長而增大，但各類風(fēng)之間相差依然不大，相差最大的00 h 時(shí)限僅3.7°。從相關(guān)系數(shù)分析來看，最大風(fēng)在各時(shí)限下r均大于其他類風(fēng)，其次是極大風(fēng)，瞬時(shí)風(fēng)在各時(shí)限下的r均最小。隨著預(yù)報(bào)時(shí)限延長，EC 10 m 風(fēng)與實(shí)況風(fēng)向的r多呈減小趨勢，但均通過了置信度α=0.05和α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。綜合來看，EC 模式預(yù)報(bào)的風(fēng)向與正點(diǎn)最大風(fēng)對應(yīng)關(guān)系最好，這與該模式預(yù)報(bào)的風(fēng)速情況一致[28]。

表2 2016—2018年EC 10 m 00～240 h時(shí)限風(fēng)向與大連8個(gè)站各類觀測風(fēng)向之間的ME、MAE和相關(guān)系數(shù)Tab.2 The ME,MAE and correlation coefficients between various observation wind directions of the eight stations in Dalian and the EC 10 m 00～240 h time wind directions from 2016 to 2018

3.2 基于正點(diǎn)最大風(fēng)的誤差統(tǒng)計(jì)與分析

與正點(diǎn)最大風(fēng)實(shí)況相比，00～240 h 時(shí)限內(nèi)EC 10 m風(fēng)對大連地區(qū)8個(gè)站的風(fēng)向預(yù)報(bào)ME均在0.1°～6°之間，預(yù)報(bào)略偏向?qū)崨r風(fēng)的來向左側(cè)，108 h 時(shí)限后ME 呈顯著減小的趨勢。除00 h 時(shí)限外，各預(yù)報(bào)時(shí)限下MAE 均在36°或以上，且隨著預(yù)報(bào)時(shí)限的延長而增大，228～240 h 時(shí)限接近72°。ME 很小而MAE 較大，說明EC 預(yù)報(bào)具體到個(gè)例風(fēng)向偏差比較顯著，但左、右偏離程度較為接近。

3.2.1 不同風(fēng)向間的風(fēng)向誤差

圖2 為2016—2018 年EC 10 m 風(fēng)對大連地區(qū)8站各風(fēng)向分析預(yù)報(bào)的誤差情況。圖中可以看出，EC對各風(fēng)向預(yù)報(bào)的ME 差異比較明顯，但84 h 以前平均ME 呈略增大趨勢，整體差異很小，各風(fēng)向的ME趨勢也大致相同，96 h 之后平均ME 有增有減且各時(shí)限差異較大，穩(wěn)定性下降。從8個(gè)站平均來看，北風(fēng)和東北風(fēng)為負(fù)差，84 h 內(nèi)誤差為-4.4°～-1.4°；其他為正差，東風(fēng)誤差最大，84 h內(nèi)誤差大于20°；其次是東南風(fēng)，誤差也大于10°。從MAE 來看，東風(fēng)與東北風(fēng)的誤差最大，多在50°以上；其次是東南風(fēng)和西風(fēng)，在40°上下；所有MAE 隨預(yù)報(bào)時(shí)限延長而明顯增大。

圖2 2016—2018年EC 10 m 00～240 h時(shí)限風(fēng)向與大連8個(gè)站不同風(fēng)向的ME（實(shí)線）與MAE（虛線）Fig.2 The ME(solid line)and MAE(dashed)between EC 10 m 00～240 h time wind directions and actual wind directions of different wind directions of the eight stations in Dalian from 2016 to 2018

3.2.2 不同風(fēng)級的風(fēng)向誤差

從圖3 給出的2016—2018 年EC 預(yù)報(bào)的大連地區(qū)8 個(gè)站不同風(fēng)級的風(fēng)向ME 和MAE 情況可以看出，ME 和MAE 隨預(yù)報(bào)時(shí)限延長偏離0°越來越明顯，但ME變化相對很小，說明誤差具體到個(gè)例不但會(huì)隨著預(yù)報(bào)時(shí)限延長而增大，而且其正、負(fù)離散程度也在逐漸增大。從ME 來看，當(dāng)實(shí)況風(fēng)力小于4級時(shí)，各時(shí)限預(yù)報(bào)均為正差，預(yù)報(bào)的風(fēng)向偏向?qū)崨r風(fēng)來向的左側(cè)，風(fēng)越小偏左的程度越大；風(fēng)級越大誤差越向負(fù)值方向偏離，即隨著風(fēng)級增大，預(yù)報(bào)的風(fēng)向向?qū)崨r風(fēng)來向的右側(cè)偏離的程度增大；00～96 h 時(shí)限ME 差異不明顯，108 h 時(shí)限以后呈逐漸減小趨勢；由于7～8 級次數(shù)較少，其統(tǒng)計(jì)規(guī)律與6 級以下個(gè)別時(shí)限有一定差異。MAE 則隨預(yù)報(bào)時(shí)限延長呈逐漸增大的趨勢，且風(fēng)級越小誤差越大，1 級誤差普遍在70°以上，其中，216～228 h 時(shí)限最大可達(dá)82.6°，隨著風(fēng)級增大，預(yù)報(bào)偏差的幅度逐漸減小。

圖3 2016—2018年EC 10 m 00～240 h時(shí)限風(fēng)向與大連8個(gè)站不同風(fēng)級的風(fēng)向ME（實(shí)線）和MEA（虛線）Fig.3 The ME(solid line)and MAE(dashed)between EC 10 m 00～240 h time wind directions and the actual wind directions of different wind scales of the eight stations in Dalian from 2016 to 2018

箱線圖能更直觀地反映出不同風(fēng)級間風(fēng)向預(yù)報(bào)的偏差程度。以24 h 時(shí)限為例（見圖4），圖中明顯可以看出風(fēng)級越大，預(yù)報(bào)風(fēng)向偏離實(shí)況風(fēng)向的離散度越小，中位值（50%線）由正值逐漸向負(fù)值偏離，其中1～3級為正差（由19°逐漸減小至2°），4～7級為負(fù)差（由-1°增大至-11°），但8 級的中位值為-3°，這可能與8級實(shí)況個(gè)例少且統(tǒng)計(jì)意義相對較差有關(guān)。此外，從各級風(fēng)的線端值來看，1～6 級均可能出現(xiàn)達(dá)到或接近180°的極端偏差，7～8 級風(fēng)向預(yù)報(bào)則比較穩(wěn)定。

圖4 2016—2018年EC 10 m 24 h時(shí)限預(yù)報(bào)大連8個(gè)站不同風(fēng)級的風(fēng)向ME箱線圖Fig.4 The wind direction ME box plots for different wind scales of the eight stations in Dalian forecasted by EC 10 m 24 h time wind product from 2016 to 2018

3.2.3 不同風(fēng)向與風(fēng)級的風(fēng)向誤差

表3 列出了2016—2018 年EC 10 m 風(fēng)分析、預(yù)報(bào)不同風(fēng)向和風(fēng)級下，大連地區(qū)8 個(gè)站風(fēng)向的ME。表中可以看出，1 級和2 級除北風(fēng)為負(fù)差外，其他風(fēng)向均為正差；與冷空氣對應(yīng)密切的西風(fēng)—東北風(fēng)在在3 級及以上基本均為負(fù)差，而與暖空氣對應(yīng)密切的東風(fēng)—西南風(fēng)在3 級及以上多對應(yīng)為正差，但西風(fēng)和西北風(fēng)在6 級及以上時(shí)又出現(xiàn)了正差現(xiàn)象，而西南風(fēng)在5 級和6 級時(shí)對應(yīng)負(fù)差。部分風(fēng)向在風(fēng)力偏大時(shí)，表現(xiàn)與多數(shù)風(fēng)級規(guī)律有所不同，可能與大風(fēng)次數(shù)偏少且統(tǒng)計(jì)意義相對較差有關(guān)。

表3 2016—2018年不同風(fēng)級與風(fēng)向疊加下EC 10 m 00～240 h時(shí)限風(fēng)向與大連8個(gè)站風(fēng)向的METab.3 The ME between EC 10 m 00～240 h time wind directions and the actual wind directions of the eight stations in Dalian under the superposition of different wind scales and different wind directions from 2016 to 2018

綜合來看，北風(fēng)在所有風(fēng)級中都是負(fù)差；3 級以上的東北風(fēng)對應(yīng)較大的負(fù)差；而東風(fēng)、東南風(fēng)和南風(fēng)在所有風(fēng)級中都是正差，且東風(fēng)和東南風(fēng)幾乎每個(gè)風(fēng)級都對應(yīng)較大的正差；其他風(fēng)向則是1～2級時(shí)為正差，風(fēng)力增大后逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)差，或隨著風(fēng)力增加略有反復(fù)?？傊?，風(fēng)向的預(yù)報(bào)誤差與各風(fēng)向和風(fēng)級均密切相關(guān)。

3.2.4 風(fēng)向誤差的日變化

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。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)EC 10 m 風(fēng)速對大連地區(qū)的預(yù)報(bào)ME具有明顯的日變化[28]，EC 10 m 風(fēng)向預(yù)報(bào)誤差在大連地區(qū)是否也存在著類似的日變化？統(tǒng)計(jì)2016—2018 年，EC 10 m 003～024 H 時(shí)次預(yù)報(bào)與大連地區(qū)8個(gè)站每日不同風(fēng)級和風(fēng)向的ME，可以看出各風(fēng)級（由于7～8級出現(xiàn)次數(shù)少，有些時(shí)次沒有，故不對其日變化進(jìn)行單獨(dú)統(tǒng)計(jì)分析，下同）的風(fēng)向ME日變化非常明顯（見圖5a）。夜間誤差整體大于白天，其中，17—20 時(shí)是全天風(fēng)向誤差最小的時(shí)段。夜間1～4 級均為正差，5～6 級負(fù)差逐漸增多，白天則正、負(fù)差概率均等，其中，17 時(shí)是全天負(fù)差最明顯的時(shí)段。誤差的日變化與風(fēng)級大小也較為密切，風(fēng)越小則全天的誤差振幅越大，1 級及以下日夜振幅可達(dá)14.8°，6級振幅僅4.8°。

從不同風(fēng)向?qū)?yīng)的風(fēng)向ME 日變化來看（見圖5b），白天ME 整體小于夜間，且負(fù)差的情況多對應(yīng)白天時(shí)段，17 時(shí)仍舊是全天負(fù)差最明顯的時(shí)段。東風(fēng)和東南風(fēng)的日變化趨勢相較于其他風(fēng)向有所不同，11—14時(shí)正差達(dá)最大，20時(shí)為全天最小時(shí)段，而其他風(fēng)向白天則多呈正差減小并轉(zhuǎn)為負(fù)差的趨勢。不同的風(fēng)向日變化振幅差異明顯，西風(fēng)在一日之內(nèi)誤差振幅最大，為35.2°，北風(fēng)和南風(fēng)振幅相對其他風(fēng)向較小，分別為9.4°和11°。

圖5 2016—2018年EC 10 m風(fēng)產(chǎn)品預(yù)報(bào)大連8個(gè)站的風(fēng)向ME日變化Fig.5 Daily change of wind direction ME by EC 10m wind product of the eight stations in Dalian from 2016 to 2018

3.2.5 不同站點(diǎn)間的差異

表4給出了24 h時(shí)限EC預(yù)報(bào)各站點(diǎn)的風(fēng)向ME與風(fēng)級對應(yīng)情況。表中可以看出隨著風(fēng)級的增大，多數(shù)站的誤差從較大的正差變?yōu)樨?fù)差或較小的正差。普蘭店站所有風(fēng)級均為正差，其他各站正、負(fù)差均存在，大連站3 級轉(zhuǎn)為負(fù)差，但風(fēng)級增大到6 級時(shí)又轉(zhuǎn)為正差。各站點(diǎn)的ME 與實(shí)際風(fēng)向未顯示出很好的對應(yīng)關(guān)系（見表5），但東風(fēng)的誤差明顯大于其他風(fēng)向，其次是西風(fēng)、東北風(fēng)和東南風(fēng)，北風(fēng)的誤差最小。南風(fēng)和東南風(fēng)除大連站為較小的負(fù)差外，其他均為正差，東風(fēng)除長興島外其他站均為正差。對于某個(gè)單一站來說，不同風(fēng)向ME 的差異非常明顯，其中瓦房店站東風(fēng)誤差為25.2°，而西風(fēng)則是-19.7°。對于同一風(fēng)向，不同站點(diǎn)間的差異也很顯著，其中東北風(fēng)、東風(fēng)和西風(fēng)兩站之間最大誤差均超過50°。

表4 2016—2018年EC 10 m 24 h時(shí)限風(fēng)向與大連各站不同風(fēng)級的風(fēng)向ME（單位:°）Tab.4 The ME for different wind scales between actual wind directions of different stations in Dalian and EC 10 m 24 h time wind direction from 2016 to 2018(unit：°)

表5 2016—2018年EC 10 m 24 h時(shí)限風(fēng)向與大連各站不同風(fēng)向的風(fēng)向ME（單位：°）Tab.5 The ME for different wind directions between actual wind directions of different stations in Dalian and EC 10 m 24 h time wind direction from 2016 to 2018(unit：°)

3.2.6 08時(shí)與20時(shí)EC 10 m風(fēng)產(chǎn)品預(yù)報(bào)效果比較

表6 為08 時(shí)與20 時(shí)起報(bào)時(shí)間下，EC 10 m 風(fēng)與最大風(fēng)向在各時(shí)限的誤差統(tǒng)計(jì)情況。為了更準(zhǔn)確地比較出08 時(shí)與20 時(shí)EC 對風(fēng)向的預(yù)報(bào)效果，除ME 與MAE 外，對各時(shí)限下EC 與實(shí)況風(fēng)向的均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）也進(jìn)行了比較。表中可以看出除228～240 h時(shí)限外，MAE與RMSE 均隨著預(yù)報(bào)時(shí)限延長呈整體增大趨勢。除240 h 時(shí)限外，其余時(shí)限下08 時(shí)預(yù)報(bào)的風(fēng)向MAE 與RMSE 均略小于20 時(shí)。20 時(shí)預(yù)報(bào)的各時(shí)限MAE 與08 時(shí)平均相差3.2°，RMSE 平均相差3.6°。08 時(shí)各時(shí)限預(yù)報(bào)ME平均為3.7°，20時(shí)平均為4.1°，其中00～96 h 時(shí)限08 時(shí)ME 均小于20時(shí)，但108～240 h 時(shí)限08 時(shí)多大于20 時(shí)。綜合3 種誤差統(tǒng)計(jì)情況來看，EC 10 m 風(fēng)產(chǎn)品兩個(gè)起報(bào)時(shí)次的風(fēng)向預(yù)報(bào)存在著一定的差異，08時(shí)預(yù)報(bào)的風(fēng)向略好于20時(shí)。

表6 2016—2018年不同起報(bào)時(shí)間下EC 10 m 00～240 h時(shí)限大連8個(gè)站風(fēng)向ME、MAE和RMSE（單位：°）Tab.6 The ME,MAE and RMSE between actual wind directions of the eight stations in Dalian and EC 10 m 00～240 h time wind direction at different initial forecast times from 2016 to 2018(unit：°)

4 結(jié)論

本文基于大連8 個(gè)站各類風(fēng)的觀測實(shí)況，與ECMWF 細(xì)網(wǎng)格10 m 風(fēng)產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗(yàn)及相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)正點(diǎn)最大風(fēng)與預(yù)報(bào)對應(yīng)最好。通過預(yù)報(bào)與最大風(fēng)向的比較檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，EC 10 m 風(fēng)對風(fēng)向的預(yù)報(bào)效果與最大風(fēng)的風(fēng)級、風(fēng)向以及地域（站點(diǎn)）等都具有密切的相關(guān)性，其ME 具有明顯的日變化特征。具體結(jié)論如下：

（1）通過對EC 10 m 風(fēng)與大連地區(qū)5 類實(shí)況風(fēng)向的ME、MAE 和r比較與分析發(fā)現(xiàn)，各類風(fēng)的風(fēng)向ME 差別較小，即使在ME 相差最大的00 h 時(shí)限，誤差相差最大也僅1.4°。正點(diǎn)最大風(fēng)MAE 最小且各時(shí)限r(nóng)均最大，綜合來看，EC 模式對大連地區(qū)風(fēng)向的分析、預(yù)報(bào)與正點(diǎn)最大風(fēng)實(shí)況最為接近。5 種風(fēng)的風(fēng)向誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)限延長ME 呈減小的趨勢，而MAE均不斷增大。

（2）與正點(diǎn)最大風(fēng)實(shí)況相比，00～240 h 時(shí)限內(nèi)EC 10 m 風(fēng)對大連地區(qū)8 個(gè)站風(fēng)向的分析和預(yù)報(bào)ME均為0.1°～6°的正差，預(yù)報(bào)略偏向?qū)崨r風(fēng)的來向左側(cè)，但MAE 則均在36°以上，說明EC 預(yù)報(bào)具體到個(gè)例時(shí)風(fēng)向預(yù)報(bào)偏差大多比較顯著，但左、右偏離程度較為接近。

（3）EC 10 m 風(fēng)與正點(diǎn)最大風(fēng)的風(fēng)向誤差對于不同的風(fēng)向和風(fēng)級等差異明顯。從全區(qū)8個(gè)站風(fēng)向與風(fēng)級的ME 比較來看，北風(fēng)在所有風(fēng)級中都是負(fù)差；3 級以上的東北風(fēng)對應(yīng)較大的負(fù)差；而東風(fēng)、東南風(fēng)和南風(fēng)在所有風(fēng)級中都是正差，且東風(fēng)和東南風(fēng)幾乎每個(gè)風(fēng)級都對應(yīng)較大的正差。東風(fēng)的ME最大；東風(fēng)與東北風(fēng)的MAE 最大，多在50°以上。當(dāng)實(shí)況風(fēng)力小于4 級時(shí)，各時(shí)限ME 均為正差，風(fēng)級越小正差越大，4 級及以上均為負(fù)差，風(fēng)級越大負(fù)差越大，而MAE 則是風(fēng)級越小誤差越大。對于單站來說，ME 在風(fēng)級上雖有差異，但在變化趨勢上與全區(qū)平均基本相同，其中普蘭店站所有風(fēng)級均為正差，大連站則是3～5級為負(fù)差。

（4）ME 在不同風(fēng)級和風(fēng)向上均存在明顯的日變化。夜間誤差整體大于白天，17—20 時(shí)是全天誤差最小的時(shí)段。對比08 時(shí)和20 時(shí)兩個(gè)起報(bào)時(shí)次的風(fēng)向ME、MAE 和RMSE，總體來看08 時(shí)各時(shí)限的預(yù)報(bào)風(fēng)向略好于20時(shí)。

本文的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果是基于大連地區(qū)風(fēng)的觀測實(shí)況得出的，也是今后進(jìn)行ECMWF 本地化風(fēng)向誤差訂正的必要的基礎(chǔ)工作。風(fēng)速小預(yù)報(bào)偏差大的原因既可能與微風(fēng)時(shí)風(fēng)向穩(wěn)定性較差有關(guān)，也可能與遼東半島的局地性海陸風(fēng)有關(guān)。但風(fēng)速偏大時(shí)ME 向負(fù)差轉(zhuǎn)變、不同風(fēng)向的偏差原因以及ME日變化的原因等還有待進(jìn)一步研究和探討。此外，如何應(yīng)用本文所揭示的規(guī)律和特征進(jìn)行風(fēng)向預(yù)報(bào)的誤差訂正，有必要在今后進(jìn)一步研究。