四川省分县延伸期预测系统设计与实现

赖 江 赵金鹏 王劲廷 蒋昌旭 王 庆

（1.四川省气候中心（西南区域气候中心），四川 成都 610072；2.四川省农村经济综合信息中心，四川 成都 610072；3.巴塘县气象局，四川 甘孜 513335）

延伸期预报是指中期预报的延伸，它与中期预报在预报内容方面一样，但与长期预报（主要预报气象要素的平均值和趋势）不同。延伸期预报对于开展防灾减灾，提高极端气候灾害风险防范能力，促进经济可持续发展具有重要的意义，所以长期以来有着广泛的服务需求。因延伸期预报时效超过了确定性预报理论上限，且预报对象时间尺度小于月和季，所以其是近20多年来国际大气科学研究的难点。对此，国内外气象专家展开了多角度的研究，杨秋明对近些年来的延伸期预报研究进展进行了详细总结。

尽管天气模式难以突破2周以上的预报时效，但并不意味着气候模式在延伸期时段没有预报能力。基于以上思路，国家气候中心制作了基于CFSv2模式的逐日气温和降水预报产品，有些省市制作了基于CFSv2或Derf2.0模式延伸期预报产品，相应的延伸期预报平台也相继被建立。虽然此类预报平台能够提供基本的预报产品，但也存在一定的不完善，主要表现在以下几点：1）平台未进行数字化和网格化设计，致使制作的预报产品无法有效支撑市、区（县）的业务；2）预报产品模式单一，在一定程度上导致预报体系不完整，无法满足日益复杂的气象业务需求；3）未建立完善的预报检测机制，在只有预报结果的情况下，预报员无法评判预测结果的是否准确。

四川省气候中心充分考虑以上问题，并结合四川省气象业务的实际情况，于2016年研发了分县延伸期预测系统，系统制作基于CFSv2、Derf2.0的网格化延伸期预报产品，并对预报质量进行检验。自上线以来，运行稳定，有效支撑省、市、区（县）三级的延伸期预测业务。本文详细阐述了四川省分县延伸期预测系统的设计思路、系统架构、系统功能及产品体系，分析了系统存在问题和不足，展望分县延伸期系统和多元化产品服务未来完善方向。

1.系统技术路线

1.1 数据类型及获取

系统主要包括五大类数据，即基础地理信息数据、气象监测数据、预测模式数据、预测产品数据和质量检验数据。其中，基础地理数据是系统的背景和精细地形数据；气象监测数据是实时采集的四川各站点逐日气象资料；预测模式数据指需要参考或参与集成运算的延伸期预测模式数据；质量检验数据是采用Zs、Cs等检验评分方法，对四川月内强降水、强降温过程预测效果进行检验评估的结果。系统设计了数据自动化采集入库模块，此模块作为一个单独运行的后台程序，采用多线程下载策略实现数据的实时下载。

系统设计了数据自动化采集入库模块，此模块作为一个单独运行的后台程序，采用多线程下载策略实现数据的实时下载，该模块包括管理、监控、调度、执行任务四个功能，其中任务管理功能主要实现自动化数据采集与处理任务的浏览、配置、删除、修改，任务配置的基本参数包括数据来源、数据目标、处理参数以及自动化运行的时间和周期；任务监控功能为数据管理员提供一个一站式自动化数据采集任务监控工具，方便其查看所有数据采集任务的工作状况；任务调度功能主要由后台任务调度引擎根据任务执行的时间和周期设置参数定时执行相关任务，收集任务执行的信息；任务执行功能是自动化数据采集与处理模块的核心功能，系统通过管理员或任务调度程序触发某个采集任务后就进入了任务执行流程，包括获取、预处理、规格化、存储、更新数据及日志记录等一系列子过程。

1.2 网格划分方案

CFSv2、Derf2.0数值预报模式产品的分辨率分别为0.9°×0.9°和1°×1°，对于精细化的预报需求，此两种数值模式产品分辨率较粗，所以系统采用澳大利亚国立大学资源和环境研究中心研发的专用气候数据空间插值软件ANUSPLIN，将模式原始输出结果插值到分辨率0.25°×0.25°的网格上。

1.3 站点预报方案

使用插值软件ANUSPLIN，将CFSv2、Derf2.0两种数值预报模式产品结果插值到四川158个国家站上，在此基础上实现划定区域预报，即画笔圈定区域内所有站点预报值的平均值。同时，系统提供CFSv2、Derf2.0等二种数值预报模式产品的预报结果平均值，即集合站点预报产品。

1.4 网格订正方案

针对县级气象部门精细化预报需求，系统提供画落区订正、趋势订正等格点预报订正功能。画落区订正主要是对画笔圈定的区域内格点值进行调整、移动、复制的操作：调整操作是对格点赋相同值（增加或者减少固定值）和增量（格点乘以该幅度值）；移动操作主要是将画定区域移动到其他地方，原来的位置将利用外围格点插值填充。趋势订正是指对预设或自定义区域内代表站逐时次构成的预报趋势曲线进行订正，将各时段数据订正百分率应用到该区域所有格点，预报趋势曲线订正的方式有两种，即移动曲线节点调整曲线形态和曲线空处划动鼠标调整曲线形态。

1.5 预测检验方案

针对站点预报结果，采用趋势异常综合评分（Ps）、符号一致率（Pc）、Zs等检验评分方法对四川月内强降水、强降温过程预测效果检验评估，生成逐旬评分表格。Ps方法主要考虑预报的趋势项、异常项和漏报项；Pc方法统计逐月逐站（四川158站）气温、降水分别0.5和1个标准差分布情况，并将其转化为降水和气温距平百分率；Zs方法主要考核强降水过程预测是否准确，不严格考核过程降水强度（量级），该评分方法针对强降水过程预测正确、空报、漏报的天数进行评分。

2.系统功能展示

四川省分县延伸期预测系统基于J2EE技术框架，以CFSv2和DERF2.0数值预报模式产品为依托，运用插值软件ANUSPLIN生成0.25°×0.25°格点和站点预报产品。系统主要包含数据浏览、格点预报、分县预报、预报测评及产品展示等功能模块。下面对系统的重点模块进行介绍：

2.1 格点预报模块

格点预报模块实现不同模式数据在指定起报时间、预报时效下的降水和气温格点展示及数据订正功能，图1展示了格点预报界面。如图所示，格点预报界面分为菜单栏（左侧）、结果显示（中间）和落区订正工具栏（右侧）三部分。菜单栏可进行预测模式资料、预测要素、预测时效和显示方式的选择，其中预测模式资料包括CFSv2和Derf2.0两种，选取不同的预测模式资料，对应展现相应的数据，并可对模式数据进行订正操作；预测要素则是选定的预测模式展现的数据类型，包括“气温”和“降水”两种；预测时效是起报日期的第几天，系统根据起报日期自动生成未来1～30逐日日期。显示方式则是控制页面中部的结果显示形式，包括填值、填色、等值线、色板图、站点、白化和动画等显现。

图1 基于CFSv2模式的降水量格点预报图

2.2 分县预报

图2 展示的分县气温、降水预报界面，包括导航栏（左侧）和结果显示栏（右侧）两部分。导航栏包括逐日预报和强降水强降温预报，其中逐日预报可查看各县域内30日内国家站气温（降水）预测结果，强降水强降温预报则可查看各县域内30日内国家站监测到的气温（降水）过程及时长。

图2 分县逐日气温预报界面

2.3 产品展示

四川省分县延伸期预测系统提供格点和站点两种预报产品。图3为基于CSF模式预测结果产品展示图，页面左上角可以选择起报日期、预测要素（气温、降水）、时间要素（天、候、旬），待预测条件选定后，预测结果将以空间格点形式在地图上展示。点击地图上某个区域，右侧自动切换到该区域代表站（也可以在右上角选择站点），显示该站的温度、降水、温度距平、降水距平柱状图，同时页面左下角以时序多要素形式显示选定站点的逐日温度和降水预测值。

图3 基于CFS模式预报产品展示图

3.未来优化及升级思路

面对日益增强的防灾减灾需求，该系统仍然存在较多的问题和不足，为此新版本将从以下几个方面进行优化：

3.1 进一步优化预测模型

虽然基于CFSv2和DERF2.0模式产品进行延伸期集合预报是一种重要的预报方法，但从空间上看，其对气温和降水的确定性预测效果仍然较差。对此，系统后期在保留CFSv2、DERF2.0的基础上，增加EC、S2S-CMA、S2S-JMA模式资料，并对多种延伸期智能网格模式资料采用误差订正等方法进行解释应用。

3.2 进一步精细化预测服务

建立分辨率为0.05°×0.05°的延伸期基本要素、强降水、强降温、高温过程智能网格点预报模型；实现不同模式数据（CFSv2、Derf2.0）在起报时间以及预报时效下降水、气温的降尺度分布图展示功能指数预报；实现西南雨季以及华西秋雨的开始日期以及预报日期的计算功能。

3.3 进一步完善评分方案

主要针对延伸期、月、次季节、季节、年度预测，完成各动力模式、动力模式降尺度方案、多模式集合方案、统计预测模型、包括MODES和FODAS在内的各种客观预测模型，采用Ps、ACC、Pc、Pg、Zs和Cs等检验评分方法，进行历史回报检验和实时检验评估，给出不同时间尺度模式的预报技巧的数据集。

4.结语

本文从设计思想、系统架构、系统展示等3个方面对四川省分县延伸期预测系统进行了介绍，该系统基于CFSv2、Derf2.0两种模式产品，包含强降水过程和强降温过程2个栏目，以格点预报图、预测与实况对比图、动态评分表格、气温（降水）预报趋势图、气温（降水）距平图等形式对预测结果进行展示。最后，文章展望了未来分县延伸期预测系统的升级思路，将重点从预测模型优化、预测服务精细化、预测评分方案完善等方面进行升级。