數值天氣預報系統溫度場訂正方法研究

侯維佳 楊麗博

摘要 利用GPS探空氣象數據對研制的數值天氣預報系統溫度場預報結果進行精度檢驗。在此基礎上，綜合利用平均偏差方法和回歸方法對溫度場預報結果進行訂正。研究表明：研究出的溫度場訂正方法進一步提高了預報效果。

關鍵詞：溫度場；數值天氣預報；誤差分析；回歸分析

1.引言

數值天氣預報模式結果與實測值之間始終存在誤差。隨著預報時效的延長，誤差逐漸增大、預報準確率逐漸下降。本研究研制了一套數值天氣預報系統軟件，利用中國氣象局衛星廣播系統提供的氣象資料，輸出中國區域及周邊國家和地區的氣象要素預報結果。通過利用GPS探空間隔2小時進行實時探測，同步利用研制的數值天氣預報系統進行實時預報，并利用氣象要素預報結果與實時探測資料進行對比分析。在此基礎上，通過對氣象要素數值預報產品進行精度檢驗和誤差分析訂正，以提高預報效果，提供客觀、定量的氣象參數。

2.研究方法

2.1 數值天氣預報技術

自主研制的新一代數值天氣預報系統由實時氣象資料匯集與質量控制、三維變分資料同化處理和WRF中尺度數值天氣預報等模塊組成，可對實時觀探測資料與全球大尺度大氣資料進行處理、同化分析，自動生成連續72小時從地面至30km高空、400km半徑范圍的內5km網格點精度各規定高度城的風向、風速、氣溫、氣壓、濕度及相關數值預報產品。

2.2外場探測方法

通過觀測試驗，一方面分析相距不同距離兩點之間氣象要素的差異，以及同一探測點相鄰兩個時次之間氣象要素差異的統計分析；另一方面通過實時探測數據與數值預報結果的對比分析，檢驗數值預報模式對不同高度上氣溫的預報精度，驗證利用實測氣象數據進行預報結果修正的算法。

此次外場觀探測試驗選取了距離不等的4個站點，其中一站（S1）與二站（S2）相距大約10km，二站與三站（S3）相距約5km，三站與四站（S4）相距約25km。探測的具體時間為秋季、冬季、春季和夏季各10天。4個站點每天在08時、10時、14時、16時和20時5個時次同時進行探測。探測高度一般都在30公里左右。

2.3溫度場訂正方法

本軟件設計了多種統計訂正方案，最后對多種訂正結果采用綜合集成技術進行訂正。

1）平均偏差訂正

通過上述氣象要素數值預報精度檢驗，獲得了數值預報模式的系統性誤差。通過垂直插值得到各高度層等高面上的溫、壓、濕的客觀定量預報結果，將不同季節的預報結果用相應季節的平均偏差進行訂正，即可得到氣象要素的訂正預報。

2）回歸技術

依據歷史資料建立氣象要素數值預報產品與同一時間探測的氣象要素之間的多元統計關系，利用多時次的探測結果和對應時次的氣象要素數值預報，采用最小二乘法或神經網絡方法求出具體的函數關系式。

3.結果分析

3.1探測結果分析

3.1.1不同站點同一觀測時間的氣溫差異分析

圖1和圖2分別給出了兩站相距5km和25km時，春、夏、秋、冬四季氣溫的差值隨高度的變化。其中秋季差異最小，夏季差異最大，最大可達2℃。

3.1.2同一站點不同觀測時間之間的氣溫差異分析

根據探測結果，統計了同一探測點相鄰探測時間之間，即08與10時、14時與16時之間和10時與14時、16時與20時之間氣溫的變化。

表1～4給出了春、夏、秋、冬四個季節4個觀測站點在相鄰2小時、4小時間隔觀測的溫度差的絕對值在1℃以內、1～2℃、2～3℃和超過3℃占總觀測次數的比例。由表可見，對同一個站點而言，時間間隔2小時、4小時，溫度存在較大的差異，特別是冬季和春季差異更大。

3.2數值天氣預報結果精度分析

用氣象要素預報軟件預報時效為12h、24h、36h、48h結果與實時GPS探測資料進行對比分析，給出預報溫度與實際觀測溫度12h、24h、36h、48h的標準差。

表5、表6、表7、表8分別給出了春夏秋冬各季各預報時效對應的溫度隨機誤差垂直平均值。溫度誤差標準差除部分站部分時次外，均在1.7℃以下，并且預報時效越短，溫度隨機誤差越小，即12小時的預報效果最佳。

3.3 數值天氣預報溫度場訂正結果分析

利用上述氣象要素預報訂正方法，分別對預報時效為12、24、36和48小時的溫度訂正效果進行了統計分析。

溫度場12小時預報結果訂正后的平均均方根誤差均明顯減小，表明總體預報訂正效果比較好。其中秋季和冬季預報的溫度均方根誤差減小最大，訂正后平均溫度均方根誤差在2℃以內；春季效果較差，平均均方根誤差在4℃以內。

訂正后各氣象要素的24小時預報效果有所提高，訂正后預報的24小時氣溫的平均均方根誤差在3℃以下，尤其秋冬季各層的溫度平均均方根誤差在2℃以下；與訂正后12小時的預報效果對比看，春季氣溫24小時預報訂正的效果更明顯。

訂正后各氣象要素的36小時預報效果有所提高，訂正后預報的36小時氣溫的平均均方根誤差在4℃以下，秋冬季各層的溫度平均均方根誤差在2℃以下；36小時預報訂正后的效果與12、24小時的預報訂正效果基本相同。

訂正后各氣象要素的48小時預報效果有所提高，訂正后預報的48小時氣溫的平均均方根誤差在4℃以下，秋冬季各層的溫度平均均方根誤差在2℃以下；48小時預報訂正后的效果與12、24和36小時的預報訂正效果基本相同，表明本試驗提出的訂正方法的訂正預報效果隨著預報時效增大效果更好。

4.結論

本研究利用GPS探空氣象數據對研制的數值天氣預報系統溫度場預報結果進行精度檢驗，并利用平均偏差方法和回歸方法對溫度場預報結果進行訂正。得到如下結論：

1）從實時探測的不同水平距離兩個站點看，兩站不同層次氣溫差異不大，大部分在2℃以內。其中，隨著兩站之間距離的增大，氣溫差異也加大。秋季差異最小，春季差異最大。對同一站點而言，不同觀測時間間隔之間實時氣象要素也會發生變化，有11%以上溫度差值超過了3℃。

2）氣象要素數值預報軟件對溫度的預報與實際觀測較為一致。從氣象要素的誤差標準差分析看，模式系統對夏季相對溫度的預報效果最好。從不同分辨率的預報結果看，溫度預報結果平均偏差和平均均方根誤差隨高度的演變曲線基本類似，差別不大。從不同預報時效的預報誤差看，溫度隨著預報時效的增長預報誤差也隨之增大，即12小時預報效果最好，48小時預報效果最差。

3）利用試驗提出的氣象要素預報訂正方法可以對預報結果進行訂正，并對站點的預報效果有一定的提高，其中溫度訂正效果最明顯。48小時預報訂正后的效果與12、24和36小時的預報訂正效果基本相同，表明本試驗提出的訂正方法其訂正效果隨著預報時效增大效果更好。

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