基于CFSv2对夏季西太平洋副高逐日预测能力的检验评估

付炳秀， 王同美， 韦翠， 邓志明

(1．仁化县气象局，广东仁化　512300；2．中山大学大气科学系，广东广州　510275；3.清远市气象局，广东清远　511510)



基于CFSv2对夏季西太平洋副高逐日预测能力的检验评估

付炳秀1， 王同美2， 韦翠3， 邓志明1

(1．仁化县气象局，广东仁化512300；2．中山大学大气科学系，广东广州510275；3.清远市气象局，广东清远511510)

摘要：利用NCEP的气候预报系统第2版(CFSv2)提供的2000—2010年夏季逐日500 hPa位势高度历史回报试验结果，通过均方根误差分析等方法，检验评估了该系统对夏季500 hPa西太平洋副高的预测能力，发现CFSv2对夏季西太平洋500 hPa位势高度场的整体相关性较高。CFSv2对副高西脊点和脊线位置的1～7 d的预报准确率在61.8%以上，对副高面积指数、强度指数以及北界位置6～42 h预报时效的预报准确率在60%以上。此外，对副高面积指数、强度值和北界位置的预测结果作功率谱分析，得出CFSv2对500 hPa副高强度指数1～7 d预测能力的变化在6—8月存在着显著的2.2～3.3 d的变化周期。

关键词：气象预报； 气候预报系统第2版； 西太平洋副高； 预测检验评估

美国国家环境预报中心(NCEP)的气候预测系统第2版(CFSv2)于2011年3月开始进行业务实时预测，并提供了1982—2010年的回报试验结果[1]。目前基于CFSv2的研究工作主要集中于气温、降雨以及季节振荡方面的预测能力研究[2-6]。在大尺度环流的回报检验方面，陈官军等[7]曾利用CFS提供的历史回报试验结果检验并评估了其对夏季东亚地区大气环流的预报技巧和系统误差，而对一些在天气预测方面具有指示意义的具体环流系统的预测评估，如西太平洋副热带高压这一对我国夏季天气及短期气候预测都有着非常重要影响的系统，暂无相关工作报告发表。

本研究将采用CFSv2的预报产品，对夏季500 hPa副高的中短期历史回报试验结果进行检验，找出CFSv2预报模式对500 hPa副高的预测上存在的偏差，从而为预报员分析数值预报产品提供客观依据，向模式研发人员提供更多的反馈信息。

1资料与方法

1.1资料

CFSv2所提供的2000—2010年的夏季(6—8月)逐日历史回报试验结果资料，预报时效从6 ～162 h，间隔6 h，本研究使用此历史回报试验结果资料作为副高预测场。NCEP提供的2000—2010年的夏季(6—8月)FNL 500 hPa位势高度场再分析资料，作为CFSv2对500 hPa副高预测检验的再分析场。资料的水平网格分辨率均为1°×1°。

1.2方法

1)异常相关系数(abnormal correlation coefficient，ACC)：异常相关系数越趋近于1.0，表示2个变量之间相关关系密切程度越高，2个变量的变化趋势也越相近。

2)均方根误差(root．mean—square error，RMSE)：均方根误差用于衡量观测值同真值之间的偏差。

3)功率谱分析：用于了解对副高的预测能力在6—8月的低频信号分布。

2预测能力检验

2.1夏季500 hPa位势高度预测场和再分析场的相关分析

在天气预报分析过程中，588 dagpm特征线是划分副高脊线、西脊点的重要参考线。因此，有必要了解预测检验工作是否有位势高度场的高相关性进行匹配。本研究对夏季500 hPa位势高度场的预测场和再分析场进行相关分析，由于对500 hPa副高预测的检验主要区域在60°—180°E，10°N以北，故选取该区域进行相关分析。

图1是从各预报时效对应的相关系数分布图中选取的4个预报时效所对应的相关系数分布图，在中纬度10°—50°N，80°—180°E区域的相关性都较高，在靠近赤道区域相关性都很差，而在30°N以北地区，相关性随着预报时效的增长有明显的下降。CFSv2历史回报试验结果对500 hPa位势高度场的预报能力在空间上随预报时效的增长而下降。在10°—50°N，80°—180°E的范围内，预测场与再分析场的相关系数也基本达到0.65，通过α=0.05的可信度检验，CFSv2对西太平洋500 hPa副高的预测值得检验。

图1　预测场与分析场的相关系数分布

2.2对500 hPa西太平洋副高的预测检验

1)副高指数定义。

目前我国业务预报的气候预测中使用副高的5个指数(北界位置、脊线位置、面积指数、强度指数、西伸脊点)来表征副高。本研究参考中央气象台长期预报组在长期天气预报技术经验总结工作中副高指数的定义[8]，陈官军等人在基于低频振荡特征的夏季江淮持续性降水延伸期预报方法工作中副高强度指数、脊线位置以及西脊点的定义[9]，并结合CFSv2提供的历史回报试验结果数据以及编程计算的特点，对引用的各种副高指数定义修改后定义如下：

(1)面积指数(Subtropical High Area index，SubHA)：在网格数据为1°×1°的500 hPa位势高度图上，110°—180°E，10°N以北范围内，位势高度大于588 dagpm网格点数称为副高的面积指数。

(2)强度指数(Subtropical High Intensity index，SubHI)：10°N以北，110°—150°E范围内，大于588 dagpm的编码之和为副高的强度指数。(对≥588 并<589 dagpm的数值编码为1，≥589 并<590 dagpm的数值编码为2，其余类推)

(3)西脊点(Western end of the Subtropical High ridge，SubHW)：取90°—180°E范围内，位势高度值大于等于588 dagpm并且位置最西的格点所在经度定义为副高的西脊点。

(4)脊线位置(The position of Subtropical High Ridge，SubHR)：在110°—150°E范围内，以赤道500 hPa位势高度值为基准，求北半球各个维度与赤道500 hPa位势高度值偏差最大的格点的纬度平均值，将此平均值定义为脊线位置。

(5)北界位置(The northern boundary of Subtropical High，SubHN)：在110°—150°E范围内，分别求各个经度所对应的大于等于588 dagpm并且位于该经度最北位置的格点的纬度，取这些格点的纬度平均值定义为北界位置。

2)对副高指数的预测检验。

(1)副高指数均方根误差检验。

均方根误差用来衡量观测值同真值之间的偏差，误差越小，表明预报越准确。基于预测场与再分析场的相关系数基本达到0.65，CFSv2对西太平洋500 hPa副高的预测值得检验的结论，本研究对6—8月份各预报时段的预测场和再分析场的5个副高指数分别求RMSE，得到一个随6—8月以及预报时效变化的二维均方根误差分布图(图2)。

图2　各副高指数RMSE随时间分布

在图2各副高指数RMSE随时间分布图中，各副高指数的RMSE值均随着预报时效的增长而增大，表明预测场对5个副高指数的预测能力均随着预报时效的增长而下降。副高面积指数、强度指数和北界位置的RMSE值分布在6—8月则呈现先增后减的变化，说明CFSv2对副高面积指数和强度指数以及北界位置的预测能力在6—8月先减后增。预测场对副高西脊点的预测能力在6—8月期间递增，对脊线位置的预测能力在6—8月期间递减。从各副高指数的RMSE值分布图对比，预测场对副高西脊点和脊线位置的预测效果比对副高面积指数和强度指数以及北界位置的预测效果更好。

此外，CFSv2对副高面积指数、强度指数和北界位置的预测能力在6—8月的变化中有比较明显的、有规律的波动，这种波动在72 ～144 h预报时效的预报中更为明显。

(2)预测场对各副高指数的预测评分。

根据各副高指数的均方根误差时间分布情况，选定面积指数的误差范围≤100，强度指数的误差范围为≤200，西脊点的误差范围≤5，脊线位置的误差范围≤3，北界位置的误差范围≤6，再分别对各副高指数在预测场中的值和再分析场中的值做差值后取其绝对值，若所得的绝对值在选定的相应误差范围内则认为预报成功。为更直观了解预测评分变化，本研究分别将统计的各副高指数预报成功的次数与总预报次数求比值，并将所得比值作为预测评分，得到预测评分图(图3)。图3是CFSv2对夏季500 hPa 5个副高指数6～162 h预报时效的预测评分，预报时效间隔为6 h，预测评分满分为1分。此外，图3中评分数值乘以100%后即为预报准确率。

图3　预测场对各副高指数6～162 h预报时效的预测评分

从图3中的数据可以看出，预测场对夏季500 hPa西太平洋5个副高指数的预测评分在整体上均随着预报时效的增长呈现着下降的趋势。副高西脊点和脊线位置的预测评分最低分为0.618和0.665，其预报成功的误差范围分别是5个经度和3个纬度。CFSv2对夏季副高西脊点和脊线位置在7 d内的预报中整体的预报评分较高，误差范围较小。CFSv2对西脊点和脊线位置的1～7 d的预报准确率在61.8%以上，对面积指数、强度指数以及北界位置6～42 h预报时效的预报准确率基本在60%以上。

(3)预测能力的频谱分析。

基于在均方根误差时间分布的分析中预测场对副高面积指数、强度指数以及北界位置的预测能力在6—8月份存在较明显且有规律的波动特点，本研究对副高面积指数、强度指数以及北界位置6—8月的均方根误差值进行功率谱分析，并将相应周期的谱密度除以α=0.05的红噪音标准谱，绘制成6—8月CFSv2对500 hPa副高面积指数、强度指数和北界位置预测能力的谱比值分布(图4)，当谱比值>1.0时代表该周期超过0.05显著性检验水平，比值越大表明周期越显著。

副高强度指数预测能力的谱比值分布图(图4)显示，在6～162 h预报中，CFSv2对6—8月500 hPa副高强度指数的预测能力变化存在着通过检验的2.2～3.3 d的变化周期，其中最显著的变化周期为2.5和2.9 d。在副高面积、北界位置指数预测能力的谱比值分布图(图略)中，CFSv2对副高面积指数和北界位置的预测能力在6—8月期间通过检验的变化周期零散分布于个别预报时效中，变化周期不明显。CFSv2对副高面积指数的预测能力变化在42、66、78、90、96和138 h预报中有通过检验的2.5～3.3 d的变化周期。CFSv2对6—8月500 hPa北界位置的预测能力变化在42和66 h预报中都存在着通过检验的3.3 d左右的变化周期，在60和78 h预报中存在通过检验的2.5 d左右的周期。通过对副高面积指数、强度指数和北界位置预测能力的谱比值分布图的对比分析，发现在副高面积指数、强度指数、北界位置的周期显著性中，CFSv2对强度指数的预测能力变化周期最为明显。

图4　6—8月CFSv2对500 hPa副高强度预测能力的谱比值分布

3结论

1)在10°—50°N，80°—180°E的范围内，预测场与再分析场的相关系数基本达到0.65，通过了α=0.05的可信度检验，CFSv2对西太平洋500 hPa副高的预测值得检验。CFSv2历史回报试验结果对500 hPa位势高度场的预报能力在空间上随预报时效的增长而下降。

2)CFSv2历史回报试验结果对5个副高指数的预测能力都随着预报时效的增长而下降。CFSv2对副高面积指数、强度指数和北界位置的预测能力在6—8月期间先减后增，对副高西脊点的预测能力在6—8月期间递增，对副高脊线位置的预测能力在6—8月期间递减。

3)预测场对夏季西太平洋500 hPa 5个副高指数的预测评分在整体上均随着预报时效的增长呈现着下降的趋势。CFSv2对副高西脊点和脊线位置的1～7 d的预报准确率在61.8%以上，对副高面积指数、强度指数以及北界位置6～42 h预报时效的预报准确率在60%以上。

4)在6～162 h各个预报时段中，CFSv2对副高强度指数的预测能力在6—8月期间有2.2～3.3 d的变化周期，其中最显著的变化周期为2.5和2.9 d。CFSv2对副高面积指数和副高北界位置的预测能力在6—8月期间通过检验的变化周期零散分布于个别预报时效中，变化周期不明显。

参考文献:

[1]Suranjana Saha，Shrinivas Moorthi，Xingren Wu，et al.The NCEP Climate Forecast System version 2[J].Journal of Climate，2014，27(6)：2185-2208.

[2] Wang Wanqiu， Hung Mengpai，Scott J Weaver，et al.MJO prediction in the NCEP Climate Forecast System version2[J].Climate Dynamics，2014，42(9)：2509-2520.

[3] Zhang Qin，Chul-Su Shin，Huug van den Dool，et al.CFSv2 prediction skill of stratospheric temperature anomalies[J].Climate Dynamics，2013，41(7)：2231-2249.

[4] Luo Lifeng，Tang Wei，Lin Zhaohui，et al.Evaluation of summer temperature and precipitation predictions from NCEP CFSv2 retrospective forecast over China[J].Climate Dynamics，2013，41(8)：2213-2230.

[5]Abhilash S，Sahai A K ，Borah N，et al.Prediction and monitoring of monsoon intraseasonal oscillations over Indian monsoon region in an ensemble prediction system using CFSv2[J].Climate Dynamics，2014，42(9)：2801-2815.

[6]陈官军，魏凤英，巩远发.NCEP/CFS模式对东亚夏季延伸预报的检验评估[J].应用气象学报，2010，21(6)：659-670.

[7]中央气象台长期预报组.长期天气预报技术经验总结(附录)[Z].北京：中央气象台，1976.

[8]陈官军，魏凤英.基于低频振荡特征的夏季江淮持续性降水延伸期预报方法[J].大气科学，2012，36(3)：633-644.

[9]李江南，蒙伟光，王安宇，等.西太平洋副热带高压强度和位置的气候特征[J].热带地理，2003，23(1)：35-39.

收稿日期：2015-08-22

作者简介：付炳秀(1990年生)，女，本科，主要从事短期天气预报工作和地面气象观测。E-mail：fubingx@126.com

中图分类号：P456

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.02.004

Testing and Assessment of Capabilities of Day-to-Day Predicting ofSummertime West Pacific Subtropical High Based on CFS v2

FUBing-xiu1,WANGTong-mei2,WEICui3,DENGZhi-ming1

(1. Meteorological Bureau of Renhua County, Renhua 512300; Department of Atmospheric Sciences,Sun Yet-Sen University, Guangzhou 510275; Meteorological Bureau of Qingyuan City, Qingyuan 511510)

Abstract：Using historical hindcasts of day-to-day 500-hPa geopotential heights from 2000 to 2010 given by the second version of Climate Forecasting System of NCEP (CFSv2) and with the methods such as the root mean square analysis, we tested and assessed its capabilities of predicting summertime day-to-day 500-hPa geopotential heights, with the finding that CFSv2 has high overall correlation with the geopotential field for the same level. Its accuracy is more than 61.8% in predicting the westernmost point and position of the subtropical high ridge one to seven days ahead and more than 60% in predicting the area and intensity indexes as well as the position of the northern boundary of the subtropical high for the coming 6-42 h. Besides, CFSv2 varies with a significant period of 2.2 to 3.3 d in June to August when it is used to predict the intensity index at 500 hPa.

Key words：weather forecast; second version of Climate Forecasting System; western Pacific subtropical high; testing and assessment of prediction

付炳秀， 王同美， 韦翠， 等.基于CFSv2对夏季西太平洋副高逐日预测能力的检验评估[J].广东气象，2016,38(2)：15-19.