ECMWF细网格2 m温度在抚州市预报能力检验

董 玲，周湘萍，邓雅敏

(江西省抚州市气象局，344000，江西，抚州)

0 引言

近年来，数值预报模式产品检验释用对提高天气预报准确率和精细化水平，取得了较好的效果。ECMWF是欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的中期天气预报数值模式，一方面国内气象学者对T639、ECMWF及日本高分辨率模式中期预报性能进行检验对比后发现[1-4]，ECMWF对亚洲中高纬环流形势、西太平洋副热带高压、850 hPa温度变化趋势预报具有较高预报水平。另一方面利用误差订正技术对数值预报产品进行解释应用[5-7]，以降低高分辨率模式中的相对误差可能导致的模式低命中率和高虚假预警率。李佰平[10]采用一元线性回归、多元线性回归、单时效消除偏差和多时效消除偏差平均的订正方法，对ECMWF模式地面气温预报进行订正，发现4种订正方法均能有效减小地面气温多个时效预报的误差，改进幅度约为1℃。

本文2015-2017年3 a的ECMWF细网格模式2 m温度预报产品，采用格点映射站点法挑选出参考格点，并用天气学检验方法，对该模式在不同季节、不同天气时的抚州市温度预报能力进行检验，同时采用逐步回归分析法拟合建立模式订正方法，对24 h内的最高温度和最低温度预报提供参考依据。

1 资料和方法

1.1 资料选取

选用2015-2017年3 a的ECMWF细网格模式2 m温度预报产品，模式预报的起始时间是每日20:00，产品输出的空间分辨率分别是0.125°×0.125°，时间分辨率是3 h。

选用抚州区域内3个具有代表性的国家自动站分别是临川、资溪、广昌，它们分布在抚州市的北部、东部和南部，预报员常用这3个站点分析温度预报。实况数据采用这3个国家自动站的日最高、最低温度。

1.2 日最高最低温度选取

预报时效为24 h内的02:00、05:00和14:00的2 m温度进行检验分析，24 h内的02:00、05:00和14:00预报对应的预报时效为006 h、009 h、018 h，后文中不再使用具体的预报时效，统一用24 h。日最高、最低温度预报是气象台对公众发布的基本要素，同时也是目前中国气象局对各地市城镇天气预报考核的重要内容。

在气象学中通常是以08:00作为日界来划分日最高、最低温度，通过SPSS分析ECMWF模式24 h预报的02:00、05:00、24:00与日最低、最高温度的相关性(表1)，结果显示02:00和05:00的 EC和实况的最低温度的相关性临川0.964、0.961，资溪0.943、0.938，广昌0.954、0.950。14:00的EC和实况的最高温度的相关性临川0.890，资溪0.859，广昌0.859，且均通过了置信度0.01的显著性检验，存在明显的相关性。02:00较05:00更接近于最低温度，故选用02:00和14:00作为日最低、最高温度的检验预报数据。

表1 ECMWF模式24 h预报的02:00、05:00、24:00与日最低、最高温度的相关性

站点02:00与最低温度相关性05:00与最低温度相关性14:00与最高温度相关性临川0.9640.9610.89资溪0.9430.9380.859广昌0.9540.9500.859

1.3 检验方法

格点映射站点方法：ECMWF模式2 m温度产品为格点数据，抚州市临川区、资溪县、广昌县的实况资料为站点数据，因此将附近格点数据映射到站点上，来代表ECMWF模式2 m温度对临川、资溪、广昌的预报值，称为格点映射站点方法。由图1所示，临川(站号58617)、资溪(站号58713)、广昌(站号58813)站点分别对应的ECMWF格点坐标为：A格点坐标(116.375°E，28°N)、B格点坐标(117.125°E，27.75°N)、C格点坐标(116.375°E，26.875°N)。

(a)临川 ；(b)资溪 ；(c)广昌(圆圈标记为映射的格点)

检验方法：采用预报准确率(TTK)、平均误差(TE)、平均绝对误差(TMAE)和技巧评分(SST)等统计方法检验(公式如下)，对ECMWF模式2 m温度预报值按月、季、晴雨类型分别检验。

其中，Fi为第i站(次)预报温度，Oi为第i站(次)实况温度，K为1、2，分别代表|Fi-Oi|≤1℃、|Fi-Oi|≤2℃，Mrk为预报正确的站(次)数，Mfk为预报总站(次)数。

评分技巧是指ECMWF细网格模式2 m温度预报产品的最高、最低气温预报平均绝对误差相对于国家气象中心指导预报的提高率，TMAEN为国家气象中心指导预报最高、最低气温预报平均绝对误差，TMAEF为ECMWF细网格2 m温度预报产品的最高、最低气温预报平均绝对误差。

2 温度预报能力检验及分析

2.1 逐月的日最高、最低温度预报检验

2.1.1 预报准确率 中国气象局《天气分析预报质量检验方法》中的规定，温度预报误差在±2℃以内都认为是正确的。根据2015-2016年ECMWF模式2 m温度对抚州未来24 h日最高、最低温度预报准确率(图1)显示，日最高温度预报准确率要明显低于最低温度。临川、资溪、广昌2016年的最高温度预报准确率均高于2015年，2016年最高温度预报准确率从高到低的排列分别是临川、广昌、资溪。临川、资溪、广昌2016年的最低温度预报准确率均低于2015年，2016年最低温度预报准确率从高到低的排列分别是广昌、临川、资溪。

(a)最高温度 (b)最低温度

图2(a)显示，临川最高温度预报准确率呈现出“双峰型”，在春季、秋季的准确率明显高于其他时期，2016年2月、12月的最高温度预报准确率超过60.0%。广昌2016年的温度预报准确率逐月增长，比2015年呈直线增长的趋势，在12月最高达74.0%。资溪温度预报准确率最低，各月的准确率均低于42.0%，2015-2016年的平均预报准确率分别为26.0%、30.0%。可见最高温度在12月、1月的预报准确率较其他月份高。3个站点映射的格点最高温度预报能力普遍较差，预报准确率都偏低，在26.0%～41.0%之间。

图2(b)显示，2016年的最低温度预报准确率均低于2015年。临川2016年最低温度预报准确率比较均匀，平均为59.7%，其中7月、10月、11月的最低温度预报准确率超过了70.0%。资溪2016年最低温度预报准确率在6-10月有着明显的优势，其中7月、10月的最低温度预报准确率超过了80.0%。广昌2016年最低温度预报准确率在6-11月有着明显的优势，7月、10月的最低温度预报准确率超过了80.0%，其中10月的最低温度预报准确率达到了94.0%。

2.1.2 平均误差和平均绝对误差 根据2015-2016年ECMWF模式2 m温度对抚州温度未来24 h预报误差分析(图3)显示，检验模式预报的平均误差和平均绝对误差，其中平均误差能够量化预报和实况之间的平均偏差，也是模式预报的系统误差；平均绝对误差能够量化预报和实况的总体偏差程度。

(a)最高温度平均误差；(b)最高温度平均绝对误差；(c)最低温度平均误差；(d)最低温度平均绝对误差

由图3(a)可以看出，3个格点的最高气温随季节也有明显的变化，临川最高气温平均误差最小，2015年1-3月温度预报较实况略偏高，平均误差在0～1.7℃之间，在4-10月迅速转为偏低，平均误差在-2.5～0℃之间，随后11-12月又转为偏高，平均误差在0～0.9℃之间。开始转换的时期3月和11月，正值冬春、秋冬的过渡时期。2016年除1月和3月外，其他月均为预报负误差，即预报偏低误差，平均误差在-1.8～0℃之间。广昌最高气温平均误差次之，1-3月温度预报较实况略偏高，平均误差在0～0.9℃之间，4-12月温度预报较实况略偏低，平均误差在-2.8～-0.1℃之间。资溪最高气温平均误差最大，全年温度预报均较实况略偏低，平均误差在-3.7～0℃之间。尤其夏半年(6-9月)的温度预报平均误差较大，最高达到-3.7℃。

从图3(b)分析来看，3个点最高气温的平均绝对误差走势一致均呈现出了“双峰型”，平均绝对误差最高值分别在3月和11月附近，最高偏离值达到6.6℃，其他时段的平均绝对误差在2.0～4.0℃之间。2015年3个站点的趋势图在1-3月增加，4-10月减弱，11月又迅速增至最大。2016年在2月达到最大值，临川、资溪、广昌的最高气温平均绝对误差分别为5.9℃、6.4℃、6.6℃，随后3-9月又逐渐减弱，到10-11月略增加，之后又减弱。

由图3(c)可以看出，3个格点的最低气温的平均误差均为预报正误差，且均低于1.8℃。临川2015年最低气温温度预报较实况略偏高，平均误差在0.1～1.0℃之间，2016年的平均误差较2015年大，平均误差在0.8～1.74℃之间。广昌最低气温温度预报较实况略偏高，平均误差在0.2～1.4℃之间。资溪最低气温温度预报较实况略偏高，平均误差在0～1.5℃之间。

从图3(d)分析来看，3个点最低气温的平均绝对误差走势一致，在1-3月平均绝对误差不断增加至极大值，随后在4-8月迅速减弱，又从9-10月逐渐增加，11月达到极大值，12月开始减弱。其中在2016年2月最低气温预报值较实况偏离程度最大，临川、资溪、广昌的最低气温平均绝对误差分别为2.7℃、3.5℃、2.9℃，其他时段的平均绝对误差在1.0～3.0℃之间。

通过2015-2016年2 a的ECMWF模式2 m温度的未来24 h最高、最低气温预报准确率和预报误差分析，得出各格点的未来24 h预报水平有着相似的逐月变化规律，具有较好的指导和参考意义。随着季节的变化，不同参考点对抚州市的最高最低气温预报能力也有相应的变化，在冬春和秋冬的过渡时期(3月和11月)，各格点的系统误差会发生明显变化，多数时间格点映射站点的方法要优于双线性插值法[12]。经分析，ECMWF模式2 m温度中，A格点14:00预报的气温代表临川区1月、2月、3月、4月、5月、8月、9月、10月、11月、12月的日最高气温预报，B格点14:00预报的气温代表资溪县1月的日最高气温预报，C格点14:00预报的气温代表广昌县1月、3月、9月、10月、11月、12月的日最高气温预报。A格点、B格点、C格点02:00预报的气温很好地代表临川区、资溪县、广昌县全年的日最低气温预报。

2.2 季度的日最高、最低温度预报检验

本文将采用3-5月为春季、6-8月为夏季、9-11月为秋季、12月-次年2月为冬季的季节划分法。通过分析ECMWF模式2 m温度的未来24 h最高、最低气温逐季节预报准确率的变化(见表2)得出。

1)关于抚州市逐季最高气温预报准确率，冬半年的逐季最高气温预报准确率高出夏半年9.7%～27.4%。逐季2015年的最高气温预报准确率在冬季最高，临川、资溪、广昌的逐季节预报准确率分别是47.7%、32.3%、57.0%；2016年的最高气温预报准确率在秋季最高，临川、资溪、广昌的逐季节预报准确率分别是52.0%、34.3%、51.7%，夏季最低，在25.3%～39.7%之间。

表2 2015-2016年ECMWF模式2 m温度对抚州温度24 h逐季节预报准确率/%

季节 站点临川资溪广昌2015年2016年2015年2016年2015年2016年最高气温春36.7 32.7 29.7 30.3 39.0 28.3 夏28.7 39.7 25.3 26.0 32.3 39.0 秋33.0 52.0 20.0 34.3 24.0 51.7 冬47.7 41.0 32.3 31.7 57.0 43.0 最低气温春60.7 56.3 62.0 52.0 65.0 63.0 夏90.3 61.7 80.3 72.0 82.7 77.7 秋71.7 65.7 63.3 70.3 71.0 74.7 冬72.3 55.0 54.3 44.0 56.7 50.7

2)关于抚州市逐季最低气温预报准确率，夏半年的逐季最低气温预报准确率高出冬半年7.0%～24.7%。最低气温预报准确率在夏季最高，临川、资溪、广昌的逐季节预报准确率2015年分别是90.3%、80.3%、82.7%，资溪、广昌2016年分别是72.0%、77.7%；最低气温预报准确率在冬季最低，资溪、广昌的逐季节预报准确率2015年分别是54.3%、56.7%，临川、资溪、广昌的逐季节预报准确率2016年分别是55.0%、44.0%、50.7%。

3)最低气温的预报准确率四季均比最高气温高，其中在春季高出21.7%～34.7%，在夏季高出22%～61.66%，在秋季高出13.67%～47%，在冬季高出-0.33%～24.6%。

3 抚州ECMWF四季降雨日和非降雨日最高气温订正公式

根据A格点、B格点、C格点02:00预报的气温很好地代表临川区、资溪县、广昌县全年的日最低气温预报，因此本文对ECMWF细网格模式的2 m温度最高气温预报产品进行订正。选取2015-2016年实况雨量的数据，依照不同天气类型和不同季节的特点分成春、夏、秋、冬四季的降雨日和非雨日，将出现0.01 mm以上的降水定义为降雨日，无降水的天气定义为非降雨日。

通过划分出春、夏、秋、冬四季的降雨日和非降雨日，然后运用SPSS Statistics17.0软件使用逐步回归分析法拟合ECMWF模式预报的温度与站点实况的误差订正模型，得出四季降雨日和非降雨日的24 h内温度误差订正公式。

3.1 临川ECMWF四季降雨日最高温度订正公式

运用SPSS Statistics17.0软件使用逐步回归分析法拟合出临川四季降雨日ECMWF模式2 m最高温度与实况模拟数据统计表(表略)，得出临川春季、夏季、秋季、冬季降雨日24 h的ECMWF模式预报2 m最高气温与实况误差订正公式，分别如下：

春季：Y1=(0.851±0.066)·X1+(2.903±1.479)；

夏季：Y2=(0.518±0.114)·X2+(15.531±3.320)；

秋季：Y3=(0.796±0.066)·X3+(4.395±1.448)；

冬季：Y4=(0.851±0.088)·X4+(1.636±1.078)；

其中：Y1,Y2,Y3,Y4表示临川春季、夏季、秋季、冬季降雨日最高气温实况，X1,X2,X3,X4表示临川春季、夏季、秋季、冬季降雨日最高气温ECMWF模式预报2 m最高温度。

3.2 临川ECMWF四季非降雨日最高温度订正公式

临川四季非降雨日ECMWF模式2 m最高温度与实况模拟数据统计表(表略)，得出临川春季、夏季、秋季、冬季非降雨日24 h的ECMWF模式预报2 m最高气温与实况误差订正公式，分别如下：

春季：Y5=(0.796±0.105)·X5+(6.592±2.684)；

夏季：Y6=(0.752±0.073)·X6+(10.141±2.395)；

秋季：Y7=(0.930±0.065)·X7+(2.850±1.632)；

冬季：Y8=(0.922±0.077)·X8+(0.414±1.149)；

其中：Y5,Y6,Y7,Y8表示临川春季、夏季、秋季、冬季非降雨日最高气温实况，X5,X6,X7,X8表示临川春季、夏季、秋季、冬季非降雨日最高气温ECMWF模式预报2 m最高温度。

3.3 资溪ECMWF四季降雨日最高温度订正公式

运用SPSS Statistics17.0软件使用逐步回归分析法拟合出资溪四季降雨日ECMWF模式2 m最高温度与实况模拟数据统计表(表略)，得出资溪春季、夏季、秋季、冬季降雨日24 h的ECMWF模式预报2 m最高气温与实况误差订正公式，分别如下：

春季：Y9=(0.832±0.063)·X9+(4.948±1.370)；

夏季：Y10=(0.665±0.086)·X10+(12.621±2.403)；

秋季：Y11=(0.757±0.073)·X11+(7.251±1.547)；

冬季：Y12=(0.676±0.096)·X12+(4.883±1.079)；

其中：Y9,Y10,Y11,Y12表示资溪春季、夏季、秋季、冬季降雨日最高气温实况，X9,X10,X11,X12表示资溪春季、夏季、秋季、冬季降雨日最高气温ECMWF模式预报2 m最高温度。

3.4 资溪ECMWF四季非降雨日最高温度订正公式

资溪四季非降雨日ECMWF模式2 m最高温度与实况模拟数据统计表(表略)，得出资溪春季、夏季、秋季、冬季非降雨日24 h的ECMWF模式预报2 m最高气温与实况误差订正公式，分别如下：

春季：Y13=(0.808±0.104)·X13+(7.484±2.377)；

夏季：Y14=(0.506±0.073)·X14+(18.357±2.221)；

秋季：Y15=(0.865±0.073)·X15+(6.335±1.749)；

冬季：Y16=(0.799±0.087)·X16+(5.033±1.260)；

其中：Y13,Y14,Y15,Y16表示资溪春季、夏季、秋季、冬季非降雨日最高气温实况，X13,X14,X15,X16表示资溪春季、夏季、秋季、冬季非降雨日最高气温ECMWF模式预报2 m最高温度。

3.5 广昌ECMWF四季降雨日最高温度订正公式

由广昌四季降雨日ECMWF模式2 m最高温度与实况模拟数据统计表(表略)显示出，广昌春季、夏季、秋季、冬季降雨日24 h的ECMWF模式预报2 m最高气温与实况误差订正公式，分别如下：

春季：Y17=(0.875±0.066)·X17+(3.172±1.527)；

夏季：Y18=(0.717±0.088)·X18+(10.634±2.616)；

秋季：Y19=(0.85±0.068)·X19+(4.511±1.523)；

冬季：Y20=(0.684±0.09)·X20+(4.484±1.21)；

其中：Y17,Y18,Y19,Y20表示广昌春季、夏季、秋季、冬季降雨日最高气温实况，X17,X18,X19,X20表示广昌春季、夏季、秋季、冬季降雨日最高气温ECMWF模式预报2 m最高温度。

3.6 广昌ECMWF四季非降雨日最高温度订正公式

广昌四季非降雨日ECMWF模式2 m最高温度与实况模拟数据统计表(表略)，得出广昌春季、夏季、秋季、冬季非降雨日24 h的ECMWF模式预报2 m最高气温与实况误差订正公式，分别如下：

春季：Y21=(0.65±0.091)·X21+(11.137±2.237)；

夏季：Y22=(0.562±0.073)·X22+(16.534±2.334)；

秋季：Y23=(0.698±0.068)·X23+(10.024±1.735)；

冬季：Y24=(1.035±0.079)·X24+(0.032±1.231)；

其中：Y21,Y22,Y23,Y24表示广昌春季、夏季、秋季、冬季非降雨日最高气温实况，X21,X22,X23,X24表示广昌春季、夏季、秋季、冬季非降雨日最高气温ECMWF模式预报2 m最高温度。

ECMWF细网格订正公式用2017年温度数据做对比检验，订正前后的24 h最高温度和最低温度预报准确率在TS评分系统中平均提高了0.10%，对24 h内的最高温度和最低温度提供参考依据。

4 结论

选用2015-2017年3 a的ECMWF细网格模式2 m温度预报产品，采用格点映射站点法挑选出参考格点，并用天气学检验方法，对该模式在不同季节、不同天气时的抚州市温度预报能力进行检验，同时采用逐步回归分析法拟合建立模式订正方法。结果表明如下。

1)通过相关性检验，ECMWF细网格模式2 m温度预报的02:00和14:00作为日最低、最高温度的检验预报数据。

2)ECMWF细网格模式最高温度在12月、1月的预报准确率较其他月份高。3个站点映射的格点最高温度预报能力普遍较差，预报准确率都偏低，在26.0%～41.0%之间。

3)最低温度预报能力较高。临川2016年最低温度预报准确率比较均匀，平均为59.7%。资溪2016年最低温度预报准确率在6-10月有着明显的优势，其中7月、10月的最低温度预报准确率超过了80.0%。广昌2016年最低温度预报准确率在6-11月有着明显的优势，其中10月的最低温度预报准确率达到了94.0%。

4)ECMWF模式2 m温度中，A格点14:00预报的气温代表临川区1月、2月、3月、4月、5月、8月、9月、10月、11月、12月的日最高气温预报，B格点14:00预报的气温代表资溪县1月的日最高气温预报，C格点14:00预报的气温代表广昌县1月、3月、9月、10月、11月、12月的日最高气温预报。A格点、B格点、C格点02:00预报的气温很好地代表临川区、资溪县、广昌县全年的日最低气温预报。

5)冬半年的逐季最高气温预报准确率高出夏半年9.7%～27.4%。夏半年的逐季最低气温预报准确率高出冬半年7.0%～24.7%。最低气温的预报准确率四季均比最高气温高，其中在春季高出21.7%～34.7%，在夏季高出22%～61.66%，在秋季高出13.67%～47%，在冬季高出-0.33%～24.6%。

6)运用逐步回归分析法拟合ECMWF模式预报的温度与站点实况的误差订正模型，得出四季降雨日和非降雨日的24 h内温度误差订正公式适用于日常业务预报，对24 h内的最高温度和最低温度提供参考依据。