2021年影响广东台风风场主客观预报检验评估

叶萌，郭春迓，黄晓莹，涂静

（广东省气象台，广东 广州 510640）

广东省濒临南海，海洋资源极其丰富，但台风灾害影响频繁，给国民经济和人民生命造成严重威胁。台风灾害种类主要包括暴雨和大风，其中大风可引发树木倒伏、损坏建筑物、造成风暴潮、海水倒灌等等灾害［1-2］。一直以来，广东省气象工作者都非常重视对台风的风雨影响的研究［3-5］，然而由于海上观测资料匮乏，对于海洋风场预报能力的评估仍较少。本研究将对2021年登陆或严重影响广东省的台风主客观风场预报开展检验评估，尤其对拥有自主知识产权的华南区域3 km分辨率中尺度模式（CMA-GD）和南海台风模式（CMA-TRAMS）进行细化评估，总结各模式对台风大风的预报能力，为预报员综合参考模式提供参考，进而更好地为决策部门和公众服务。

1 资料与方法

本研究统计了2021年5个登陆或严重影响（陆地或沿海指标站录得≥8级大风）广东的台风，其中2个登陆、3个严重影响，检验评估5个台风影响期间，主客观模式对海洋风场的预报能力（表1）。

表1 2021年登陆或严重影响广东省的台风

预报产品：检验对象评估包括省级主观网格预报（简称省级主观）和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、CMA-GD、CMA-TRAMS模式产品，起报时间为20：00（北京时，下同），评估主观预报取提前24 h，客观预报取提前48 h，评估逐6 h预报。

实况资料：因海上资料匮乏，每个观测资料都非常珍贵，因此将质控后南海海上浮标站、海岛站、石油平台站、沿海站点和船舶站作为检验实况站，基于整点2 min平均风速风向资料进行检验评估。

检验评估指标包括风向预报准确率、风力准确率、风速平均绝对误差。本研究根据中国气象局的《中短期天气预报质量检验办法》［6］计算检验评估指标。另外，对CMA-GD、CMATRAMS模式产品台风风场的预报能力进行了更细化的检验比较，项目包括风场预报平均绝对误差、均方根误差、风力满分率、风力偏低率和风力偏高率。

2 预报检验评估

2.1 风向检验

风向检验结果分正确、不正确两种。当预报风向与实况观测风向的绝对偏差≤45°时，评定为正确，否则为不正确。

风向正确率＝预报正确次数／所有预报次数。

由表2可以看出，ECMWF整体的风向预报表现最佳，省级主观预报也与之接近，CMA-GD风向正确率相对得分较低。

表2 主客观预报对台风风向的预报准确率 %

同样可以看到，主客观对各台风风向预报的表现较为一致，在5个台风中，主客观对于“查帕卡”和“卢碧”的风向预报准确率相对较低，对于“狮子山”的预报准确率最高。

2.2 风力检验

1）预报准确率：定义风力预报与实况值的绝对误差小于或等于半级为满分（HIT），满分率即预报准确率（HIT），计算公式为

其中，NHIT为预报满分次数；NT为预报次数。

统计结果表明，ECMWF对台风的整体预报准确率表现最佳，CMA-GD次之，省级主观得分较低（表3）。

表3 主客观预报对台风风力的预报准确率 %

2）平均绝对误差（MAE）：假设F为风力预报值，O为观测值，N为检验区中的预报次数，平均绝对误差计算如式（2）所示。

计算结果显示，ECMWF平均绝对误差最小，省级主观预报误差较大（表略）。

同时，结果也显示各家预报对“狮子山”、“圆规”的预报误差均大于其他3个台风，可见模式对秋季台风的风力预报效果明显不如夏季台风。模式对秋季台风的预报具有较大的偏高率，与高估冷空气的作用有一定的关系。

另外，从各表可见，省级主观预报的风力绝对误差和准确率低于客观模式。

本研究进一步分析风力的偏高率、偏低率。定义风力预报与实况值的误差大于半级为偏高（HIGH），小于半级为偏低（LOW）。假定，所有预报次数为NT，预报满分次数为NHit，预报偏高次数为NHigh，预报偏低次数为NLow，则

表示所有预报时次中满分预报的概率，概率越大表示预报效果越好。

偏高率：HIGH＝NHigh／NT，表示所有预报时次中偏高预报的概率。

偏低率：LOW ＝NLow／NT，表示所有预报时次中偏低预报的概率。

统计可知，对5次台风的风力预报，ECMWF偏高率最低，省级主观偏高率最高，除“查帕卡”外，其余4个台风的主观风力预报偏高率均接近或超过60%。对于“小熊”和“查帕卡”这种强风影响时间短、强度偏弱的台风，主观预报较客观模式风力预报的偏强尤为明显。主客观预报的偏低率则＜20%（图1），尤其是省级主观偏低率最低。

图1 主客观预报的风力偏高率（a）、偏低率（b）

结合预报准确率、平均绝对误差、偏高率和偏低率检验结果，表明在实时业务预报中，需要经常考虑实际台风路径及强度预报的不确定性以及防灾需求，易倾向于影响更严重的方向做出预报。尽管这样处理会使评分受到影响，但对降低台风灾害仍具有重要的现实意义。

3）对CMA-GD、CMA-TRAMS模式进行细化检验。包括风力偏高率、偏低率，均方根误差。

对比CMA-GD和CMA-TRAMS模式在台风影响过程中对风场预报的表现可知，两家模式对于台风大风的预报能力基本相当。两家模式的平均绝对误差、均方根误差峰值都在3 m／s左右，多数样本误差在4 m／s范围以内（图2）。

图2 CMA-GD（a）、CMA-TRAMS（b）对5个台风的风速预报均方根误差

从5个严重影响广东的台风来看，两家模式的均方根误差、平均绝对误差、满分率、偏高偏低率（图略）没有明显的量级差异，但台风之间有明显差异。“小熊”的均方根误差在5个台风中最小，“狮子山”和“圆规”相对较大。从平均绝对误差来看，“查帕卡”“卢碧”“小熊”的误差最小，基本在2.5 m／s左右。

3 结论

1）ECMWF对风向的预报表现最佳，省级主观预报与之接近，CMA-GD相对得分较低。

2）模式对秋季台风的风力预报效果明显不如夏季台风。对秋季台风的预报具有较大的偏高率，与高估冷空气的作用有一定的关系。

3）CMA-GD和CMA-TRAMS对于台风大风的预报能力基本相当。