遼西丘陵地區(qū)城鎮(zhèn)最低氣溫的訂正預(yù)報方法研究

吳丹等

摘要 利用朝陽2009年、2010年地面常規(guī)觀測資料和臨近探空站的高空資料，分析朝陽四季最低氣溫與850 hPa溫度、925 hPa溫度、風(fēng)場、云量和變溫等因子的關(guān)系，結(jié)果表明：朝陽最低氣溫與當(dāng)日8：00 925 hPa溫度相關(guān)性最好。可利用925 hPa溫度建立回歸方程，通過方程得到初步的溫度預(yù)報結(jié)果，再根據(jù)風(fēng)場、云量和變溫場對預(yù)報結(jié)果進(jìn)行訂正，得到最終的預(yù)報結(jié)果。

關(guān)鍵詞 925 hPa溫度；相關(guān)性分析；預(yù)報誤差；定量化訂正；遼西丘陵地區(qū)

中圖分類號 P423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）14-0233-04

當(dāng)前，人們對天氣預(yù)報的需求不斷加強，據(jù)統(tǒng)計，天氣預(yù)報已成為收視率最高的電視節(jié)目之一，足見人們對天氣預(yù)報的依賴。在天氣預(yù)報的各氣象要素中，尤其以氣溫和降水的關(guān)注度更高，然而氣溫的變化受多種因素影響。劉 梅等[1]使用日最高溫度與850 hPa的溫差作為預(yù)報因子建立夏季日最高氣溫模型取得了較好的預(yù)報效果；鄧 瑋等[2]對850 hPa溫度在不同季節(jié)和不同天氣過程中與地面溫度的變化特征的相關(guān)性進(jìn)行了研究。以上研究都是把850 hPa溫度作為溫度的預(yù)報因子展開分析，在實際業(yè)務(wù)工作中，隨著模式的發(fā)展，很多模式開始提供925 hPa溫度預(yù)報產(chǎn)品，925 hPa溫度也將成為地面最低氣溫預(yù)報的重要參考依據(jù)。

遼寧朝陽地處遼西丘陵地區(qū)，境內(nèi)山地屬陰山系努魯爾虎山脈，地表層巒疊嶂，丘陵起伏，只有小塊山間平地和沿河沖擊平原，結(jié)構(gòu)為“七山一水二分田”。由于地理位置的特殊，導(dǎo)致朝陽境內(nèi)四季分明，不同季節(jié)最低氣溫變化規(guī)律各異。本文重點對四季最低氣溫與925 hPa溫度的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，并對影響因子的作用進(jìn)行討論。

1 資料與方法

朝陽地區(qū)素有春秋短、冬夏長的季節(jié)分布特征，按照氣象意義上四季的劃分方法，朝陽地區(qū)四季可劃分為春季4—5月、夏季6—8月、秋季9—10月和冬季11月至次年3月。由于朝陽地區(qū)沒有探空站，因此利用臨近探空站（赤峰探空站）的高空資料和朝陽2009年、2010年地面常規(guī)觀測資料，分析朝陽四季最低氣溫與850 hPa溫度、925 hPa溫度的相關(guān)關(guān)系，建立回歸方程。然后利用回歸方程得出預(yù)報溫度和觀測溫度的誤差，分析風(fēng)場、變溫場和云量對誤差分布的影響，進(jìn)一步訂正預(yù)報溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 最低氣溫與850、925 hPa溫度相關(guān)分析

冬季，通過對地面最低氣溫與當(dāng)日8：00 850 hPa（圖1a）和925 hPa（圖1b）溫度的相關(guān)分析可以看出，地面最低氣溫與850 hPa和925 hPa溫度都有很好的相關(guān)性，散點圍繞擬合直線均勻分布。最低氣溫與850、925 hPa溫度為線性關(guān)系，計算相關(guān)系數(shù)可得地面最低氣溫與當(dāng)日8：00 850 hPa溫度相關(guān)系數(shù)為0.687，與當(dāng)日925 hPa溫度相關(guān)系數(shù)為0.805，分別得到線性回歸方程Tmin=0.635×T850-3.352和Tmin=0.829×T925-3.089。

春季、夏季和秋季同樣按以上方法做地面最低氣溫與當(dāng)日8：00 850 hPa和925 hPa溫度的相關(guān)分析，計算相關(guān)系數(shù)和線性回歸方程進(jìn)行分類匯總?cè)绫?所示。可以得出，春、夏、秋、冬4個季節(jié)地面最低氣溫都與925 hPa溫度的相關(guān)性更高些。因此用925 hPa溫度數(shù)據(jù)和最低氣溫做回歸分析，得到相應(yīng)的四季回歸方程。

利用四季的線性回歸方程分別計算每日最低氣溫，并與實況最低氣溫對比發(fā)現(xiàn)，回歸方程計算的最低氣溫誤差（預(yù)報—實況）很大，回歸方程計算結(jié)果均有超過5 ℃的誤差。其中，夏季的預(yù)報效果稍好于春季、秋季和冬季，預(yù)報誤差多集中分布在-2～2 ℃之間，有一定的參考意義，而春季、秋季和冬季的預(yù)報結(jié)果需進(jìn)一步訂正[3-4]?？紤]到最低氣溫的影響因子有很多并且影響機制很復(fù)雜，本文選取地面風(fēng)向、風(fēng)速、夜間平均低云量和變溫等主要因子進(jìn)行分析。

2.2 主要因子對預(yù)報誤差的影響分析

2.2.1 風(fēng)場對預(yù)報誤差的影響分析。風(fēng)場包括風(fēng)向和風(fēng)速。一般來講，吹偏北風(fēng)時，受北方冷空氣影響，溫度會隨之降低；吹偏南風(fēng)時，受南來暖濕空氣的影響，氣溫會隨之升高。同時，風(fēng)速較大時，受氣流混合影響，溫度不至于降得太低。因此分別從風(fēng)向和風(fēng)速的角度分析其對溫度的影響。

（1）風(fēng)向?qū)︻A(yù)報誤差的影響分析。從圖2可以看出，四季最低氣溫預(yù)報誤差與8：00風(fēng)向（風(fēng)向采用16方位表述）有一定統(tǒng)計關(guān)系，在地面吹偏南風(fēng)（風(fēng)向在8附近時）的情況下，預(yù)報誤差主體位于0線以上，預(yù)報結(jié)果偏高；在地面吹偏北風(fēng)（風(fēng)向在16和1附近時），預(yù)報誤差主體位于0線以下，預(yù)報結(jié)果偏低；夏季整體預(yù)報誤差較小，預(yù)報效果較好。

（2）風(fēng)速對預(yù)報誤差的影響分析。風(fēng)速影響夜間的地面輻射降溫，當(dāng)空氣流動明顯時，熱交換頻繁地面溫度趨于均勻，局地輻射降溫影響小，因此風(fēng)速越大，輻射降溫影響越弱，地面最低氣溫可能越高。統(tǒng)計分析表明：夏季和秋季預(yù)報誤差和地面風(fēng)速相關(guān)性沒有一定的統(tǒng)計規(guī)律，不予考慮。

春季和冬季預(yù)報誤差與地面風(fēng)速呈近似線性關(guān)系，風(fēng)速大，負(fù)誤差大，風(fēng)速小，正誤差大。春季地面風(fēng)速小于4 m/s時，預(yù)報誤差波動性較大，風(fēng)速在3～4 m/s之間時，預(yù)報結(jié)果偏高；風(fēng)速大于4 m/s時預(yù)報結(jié)果偏低。冬季，地面風(fēng)速小于3 m/s時方程預(yù)報結(jié)果偏高；而風(fēng)速大于3 m/s時預(yù)報結(jié)果則偏低，說明當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速小于3 m/s時，地面的輻射降溫明顯，最低氣溫較低，導(dǎo)致預(yù)報結(jié)果偏高；而風(fēng)速大于3 m/s時，空氣流動明顯，地面最低氣溫較高，導(dǎo)致預(yù)報結(jié)果偏低。

2.2.2 云量對預(yù)報誤差的影響分析。夜間低云對地面的輻射降溫有很大影響，夜間有云時，云層像暖蓋一樣將地面輻射反射回地面使得地面不易散熱，最低氣溫反而比晴天時高。四季云量對預(yù)報誤差的影響略有不同（圖3），將四季云量進(jìn)行劃分：春季、夏季和秋季少云1～5，多云6～10；冬季少云1～3，多云4～10，可以看出：四季在無云的情況下方程預(yù)報結(jié)果均偏高，少云時地面輻射降溫明顯，導(dǎo)致地面氣溫偏低；多云時，云將地面發(fā)射的長波輻射返回地表，使得地面氣溫偏高，導(dǎo)致預(yù)報結(jié)果偏低。endprint

2.2.3 變溫對預(yù)報誤差的影響分析。朝陽地區(qū)位于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，地形復(fù)雜，受北部蒙古高原的干燥冷空氣東移侵入的影響，冷暖空氣交替頻繁，地面最低氣溫預(yù)報難度大。冷暖空氣的交替可大概用夜間變溫和白天變溫表示，夜間變溫用T8：00-前日T20：00表示，白天變溫用T20：00-T8：00表示。統(tǒng)計最低氣溫預(yù)報誤差與變溫的關(guān)系可得：春季預(yù)報誤差與白天變溫、秋季預(yù)報誤差與夜間變溫、冬季預(yù)報誤差與白天和夜間變溫關(guān)系最為顯著。

從圖4可以看出，春季當(dāng)白天925 hPa氣溫下降（T20：00-T8：00≤5）時，預(yù)報結(jié)果平均偏低1.02 ℃，當(dāng)白天925 hPa氣溫明顯上升（T20：00-T8：00>5）時，預(yù)報結(jié)果平均偏高0.98 ℃；夏季溫度預(yù)報誤差與變溫關(guān)系不明顯，不予考慮；秋季當(dāng)夜間925 hPa氣溫明顯下降（T20：00-T8：00<-8）時，預(yù)報結(jié)果偏低，平均偏低1.80 ℃；冬季當(dāng)夜間925 hPa氣溫明顯下降（T20：00-T8：00<-5）時，預(yù)報結(jié)果平均偏低2.18 ℃，當(dāng)夜間925 hPa氣溫上升（T20：00-T8：00>-5）時，預(yù)報結(jié)果平均偏高了1.11 ℃；冬季當(dāng)白天925 hPa氣溫下降（T20：00-T8：00<0）時，預(yù)報結(jié)果平均偏低0.94 ℃。

2.3 對原始回歸方程的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行訂正分析

分析表明，風(fēng)向、風(fēng)速、夜間平均低云量和變溫對原始回歸方程的預(yù)報結(jié)果均有一定的影響，定量化總結(jié)校正誤差匯總?cè)绫?所示，在原始回歸方程得到的預(yù)報結(jié)果基礎(chǔ)上按表2進(jìn)行訂正，得到訂正后的預(yù)報結(jié)果，將“訂正后預(yù)報結(jié)果-實況”作為訂正后誤差，對訂正后的誤差進(jìn)行分析。

訂正后預(yù)報誤差（圖5）比訂正前（圖略）預(yù)報誤差分布更集中，誤差更小。春季，在訂正前的預(yù)報誤差圖中有2個誤差峰值，均位于-2～2 ℃范圍之外，誤差較大；在訂正后的預(yù)報誤差圖中有1個主誤差峰值，位于-2～2 ℃之內(nèi)，相比訂正前預(yù)報準(zhǔn)確率提高了20個百分點。夏季訂正后相比訂正前誤差更集中，預(yù)報效果更好，預(yù)報準(zhǔn)確率提高了4個百分點。秋季，訂正前預(yù)報誤差分布比較分散，誤差較大；訂正后，預(yù)報誤差峰值主體集中在準(zhǔn)確范圍內(nèi)，預(yù)報準(zhǔn)確率提高近20個百分點。冬季，訂正前預(yù)報誤差主峰值位于2 ℃附近，訂正后預(yù)報誤差峰值調(diào)整到0 ℃附近，預(yù)報結(jié)果稍好些，預(yù)報準(zhǔn)確率提高了8個百分點，但仍然有部分超過-2～2 ℃范圍的較大誤差存在，因此冬季預(yù)報方法有待進(jìn)一步的改進(jìn)。

3 結(jié)論與討論

（1）朝陽地區(qū)四季最低氣溫與925 hPa溫度的相關(guān)性最顯著。

（2）四季最低氣溫預(yù)報誤差與8：00風(fēng)向有一定統(tǒng)計關(guān)系，在地面偏南風(fēng)的情況下，預(yù)報結(jié)果偏高；在地面偏北風(fēng)時，預(yù)報結(jié)果偏低。春季和冬季預(yù)報誤差與地面風(fēng)速呈近似線性關(guān)系，風(fēng)速大，負(fù)誤差大，風(fēng)速小，正誤差大，夏季和秋季預(yù)報誤差和地面風(fēng)速相關(guān)性統(tǒng)計規(guī)律不明顯。

（3）四季在無云的情況下回歸方程預(yù)報結(jié)果均偏高，多云時預(yù)報結(jié)果偏低。

（4）變溫對四季最低氣溫影響規(guī)律不同，但總體呈現(xiàn)正變溫時，預(yù)報結(jié)果偏高，負(fù)變溫時，預(yù)報結(jié)果偏低。

（5）在回歸方程預(yù)報結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行訂正后得到的預(yù)報誤差較訂正前更小，預(yù)報結(jié)果比較接近實際。春季、夏季和秋季的訂正效果很好，可為以后預(yù)報提供參照；冬季由于冷空氣活動頻繁，訂正后的預(yù)報誤差仍較大。

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