基于EC-2T的黔西南州春季靜止鋒氣溫預報研究

范 倩，李 剛，王 芬，孟慶怡，劉 相，陳曉燕

(1.貴州省黔西南布依族苗族自治州氣象局，貴州 興義 562400；2.貴州省畢節市氣象局，貴州 畢節 551700；3.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

0 引 言

滇黔準靜止鋒常出現在冬春季，平均地理位置一般在沾益、威寧以西[1]，靜止鋒較強時向西可達昆明以西，較弱時向東北收縮至貴州東北部，東西跨度最大達7個經距左右。滇黔準靜止鋒是影響貴州冬春季天氣氣候最為重要的天氣系統之一，它的活動具有明顯的季節變化特征，主要出現在每年11月—次年4月，還具有白天北退、夜晚南進及晝夜擺動特點[2]。黔西南冬春季主要影響系統之一是滇黔準靜止鋒，常造成黔西南低溫陰雨、凝凍、大霧等重大天氣產生，一旦配合有其它系統共同影響，就會導致冰雹、大風、暴雨等強對流天氣，對農業產生重大危害。

滇黔準靜止鋒作為黔西南天氣預報技術的重要難點之一，為更好地進行地方預報及服務，對滇黔準靜止鋒的研究十分必要。但黔西南州地處云貴高原東南側、貴州西南部，下墊面復雜，東、西各地氣候背景有較為明顯差異，能否把滇黔準靜止鋒位置變化時對黔西南氣溫的變化影響特征總結出來，利用數值預報模式，預報滇黔準靜止鋒影響下黔西南氣溫預報等等。這些工作的開展，將給業務人員進行滇黔準靜止鋒影響下氣溫預報提供參考依據，以期提高氣象預報及服務能力，從而進一步促進社會經濟協調發展。

1 資料與方法

1.1 資料

本文使用近5 a(2015—2019年)春季資料，包括：①MICAPS風、氣溫、天氣現象、云量、海平面氣壓等實況資料；②EC細網格模式資料采用20 h起報的2 m氣溫預報場資料，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為3 h；③實況數據采用黔西南州8個市(縣)地面氣象觀測站日最高、最低氣溫和日降水量、日照時數以及日平均風速等資料，資料來源于貴州省氣象信息中心。

1.2 檢驗方法

主要采用預報準確率、平均誤差、平均絕對誤差以及采用偏差訂正法，對EC2T的預報數據進行訂正，輸出最終預報結果。公式如下：

Y=Y0±W×B

(1)

其中Y為訂正后的預報值，Y0為訂正前的預報值，W×B為一階偏差訂正值，W為一階偏差訂正系數，B為平均預報誤差。

從理論上講，W×B應該是氣候平均預報誤差，本文采用近5 a(2015—2019年)春季在Ⅰ型弱靜止鋒下的平均相對預報誤差。對于W的選取，依據有關文獻[9]，當絕對誤差減去相對誤差的絕對值較小時，說明一階偏差訂正值與平均預報誤差之間相關性較好，即訂正值主要取決于平均預報誤差，此時對應的一階偏差訂正系數應較大。本文定義：當絕對誤差減去相對誤差的絕對值≤1.0時，W選取為0.8；當絕對誤差減去相對誤差的絕對值>1.0時，W選取為0.5。

2 近5 a春季滇黔準靜止鋒在貴州西南部的分布

2.1 滇黔準靜止鋒在貴州西南部出現情況

統計近5 a春季滇黔準靜止鋒(簡稱靜止鋒，下同)在黔西南州出現的天數可知(表1)，共出現104 d靜止鋒天氣，以2019年春季34 d為最多，其次是2015年的22 d，以2016年春季15 d為最少，平均每年春季出現20.8 d。在春季靜止鋒出現天數中，以3月64 d為最多，5月21 d次之，4月19 d最少。由表1還可以看出，近5 a均以3月出現靜止鋒天氣最多,2015年和2018年4月出現靜止鋒次數均比5月偏多，2016年5月和2017年4月靜止鋒出現均為1 d。

表1 春季及各月靜止鋒出現天數統計(單位：d)Tab.1 Statistics of days of static front in spring and each month (unit∶ d)

2.2 影響黔西南州的靜止鋒類型

根據實際預報經驗，將黔西南州有重要影響的靜止鋒所處的位置分為3種類型[8]。根據近5a春季靜止鋒出現的實況資料，并結合文獻[8]，統計得到(表2)，黔西南州位于鋒后冷氣團內(Ⅰ型)的天數為最多，占3種類型總和的67.3%；其次為在黔西南州境內擺動(Ⅲ型)，占20.2%；黔西南州位于鋒前的暖氣團中(Ⅱ型)為最少，占12.5%。由表2還可以看出，Ⅰ型在春季各月均為最多，Ⅲ型次之，Ⅱ型最少；3種類型均以3月出現天數為最多；以Ⅰ型靜止鋒春季平均天數14 d為最多，其次為Ⅲ型靜止鋒4.2 d，Ⅱ型2.6 d為最少。

表2 春季及各月不同類型靜止鋒出現的天數(單位：d)Tab.2 days of different types of stationary fronts in spring and each month (unit∶ d)

2.3 靜止鋒強度規律統計

為區別靜止鋒的強弱對天氣的影響，根據實際預報經驗，按照鋒前后的溫差分3種強度來定義靜止鋒的強弱。統計近5 a春季不同強度靜止鋒出現天數可知(表3)，在黔西南州出現弱靜止鋒51 d為最多，中等靜止鋒40 d次之，強靜止鋒13 d最少。不同強度靜止鋒均以3月出現天數最多(見表2)。分析不同強度靜止鋒出現平均天數可知，弱靜止鋒每年春季平均出現10.2 d，占不同強度靜止鋒出現天數總和的49%，中等強度靜止鋒8 d次之，占38.5%，強靜止鋒2.6 d最少，占12.5%。

由表3可以看出，在3種強度下，均以Ⅰ型靜止鋒出現天數為最多，其次為Ⅲ型，Ⅱ型最少。

表3 不同強度下不同類型靜止鋒的分布(單位：d)Tab.3 distribution of different types of stationary fronts under different intensities (unit∶ d)

3 Ⅰ型弱靜止鋒附近要素分布特征

根據上述的統計結果，在春季Ⅰ型弱靜止鋒出現次數較多，結合實際工作的需要，本文挑選弱靜止鋒中的Ⅰ型進行合成分析。

3.1 氣溫

由圖1可以看出，在Ⅰ型弱靜止鋒背景下，黔西南州最低氣溫具有“東南高北低”的分布特征，最高為望謨的16.7 ℃，最低為普安的10.3 ℃，平均最低氣溫為13.1 ℃。Ⅰ型弱靜止鋒最低氣溫分布特征與近5 a春季最低氣溫平均值的分布特征基本一致，均具有“東南高北低”的分布特征，但Ⅰ型弱靜止鋒背景下的最低氣溫明顯偏低，以晴隆、普安偏低最為明顯，達1.9 ℃，以興義、望謨偏低1.3 ℃為最少。

圖1 Ⅰ型弱靜止鋒最低氣溫(a)、近5a春季最低氣溫平均值(b)以及Ⅰ型弱靜止鋒最低氣溫與近5a春季最低氣溫平均值的差值(c)分布Fig.1 The distribution of minimum temperature of type I weak stationary front (a)、average minimum temperature in spring in recent five years (b) and difference between minimum temperature of type I weak stationary front and average minimum temperature in spring in recent five years (c)

由圖2可以看出，在Ⅰ型弱止鋒背景下,黔西南州最高氣溫具有“東南高北低”的分布特征，最高為望謨的22.7 ℃，最低為普安的15.3 ℃，平均最高氣溫為18.3 ℃。Ⅰ型弱止鋒最高氣溫的分布特征與近5a春季最高氣溫平均值的分布特征基本一致，均具有“東南高北低”的分布特征，但Ⅰ型弱靜止鋒背景下的最高氣溫明顯偏低，以普安、興義偏低5.9 ℃最為明顯，以望謨、貞豐偏低4.7 ℃為最少。

3.2 雨日

由圖3a可以看出，在Ⅰ型弱靜止鋒背景下，黔西南的雨日空間分布基本呈現“西高東南低”形勢，以興義、普安和興仁23 d的雨日為最多，以冊亨、望謨19 d的雨日為最少。比較圖3b發現，Ⅰ型弱靜止鋒背景下的雨日空間分布與近5 a春季雨日平均值空間分布形勢并不一致，近5 a春季雨日空間分布為“東高南低”形勢，以晴隆、貞豐14.1 d為最多，以安龍11.9 d為最少。

圖2 Ⅰ型弱靜止鋒最高氣溫(a)、近5a春季最高氣溫平均值(b)以及Ⅰ型弱靜止鋒最高氣溫與近5a春季最高氣溫平均值的差值(c)分布Fig.2 The distribution of the maximum temperature of type I weak stationary front (a)、the average value of the maximum temperature in spring in recent five years (b)and the difference between the maximum temperature of type I weak stationary front and the average value of the maximum temperature in spring in recent five years (c)

圖3 Ⅰ型弱靜止鋒雨日(a)和近5a春季雨日平均值(b)分布Fig.3 Distribution of rain days (a) of type I weak stationary front and mean value (b) of spring rain days in recent five years

3.3 日照時數

由圖4a可以看出，在Ⅰ型弱靜止鋒背景下,黔西南州的日照時數平均只有0.8 h，而晴隆日照時數每日平均只0.4 h，其余縣市均在0.7 h以上，以安龍、冊亨、望謨0.9 h為最多。由圖4還可以看出，近5a春季日照時數平均值分布與Ⅰ型弱靜止鋒背景下的日照時數有明顯差異，近5a春季日照時數平均值為4.9 h，以興義、普安日照時數5.4 h為最長，其次為安龍，晴隆日照時數4.2 h為最少。

圖4 Ⅰ型弱靜止鋒日照時數(a)和近5a春季日照時數平均值(b)分布Fig.4 Distribution of sunshine hours (a) of type I weak stationary front and average sunshine hours (b) in spring in recent five years

3.4 平均風速

由圖5a看出，在Ⅰ型弱靜止鋒背景下，黔西南的平均風速以冊亨、望謨0.9 m·s-1為最低，其余縣市均在1.5 m·s-1以上，以安龍2.1 m·s-1為最高，全州平均風速為1.5 m·s-1。由圖5b看出，近5a春季平均風速為2.0 m·s-1，除望謨偏小0.2 m·s-1以外，其余偏小0.4～0.6 m·s-1。由圖5還可以看出，Ⅰ型弱靜止鋒背景下,黔西南的平均風速空間分布形勢與近5a春季平均風速平均值空間分布形勢基本一致，但Ⅰ型弱靜止鋒背景下的平均風速比近5a春季平均風速偏小。

圖5 Ⅰ型弱靜止鋒平均風速(a)、近5a春季平均風速平均值(b)以及Ⅰ型弱靜止鋒平均風速與近5a春季平均風速平均值的差值(c)分布Fig.5 The distribution of the average wind speed of type I weak stationary front (a)、the average wind speed in spring in recent five years (b)and the difference between the average wind speed of type I weak stationary front and the average wind speed in spring in recent five years (c)

4 Ⅰ型弱靜止鋒氣溫預報

根據以上選出的Ⅰ型弱靜止鋒個例，將黔西南州8個站點EC-2T的24 h預報值與實際值進行對比，從而得出8個站點預報模式。根據現行評分標準，預報值與實際值的差值在±2 ℃之內，即為預報正確。

4.1 最高或最低氣溫準確率檢驗

由表4可以看出，EC-2T最高氣溫的預報準確率總體在50%以上，在3月和4月預報較好，但參考意義一般，安龍、貞豐準確率均在60%以上，具有很好參考意義，晴隆、冊亨、望謨準確率均在45%以下，參考意義較小。EC-2T在最低氣溫的預報比最高氣溫預報表現好(表略)，準確率均為68%，尤其是3月為75%，具有較好的參考意義，興義、普安、安龍、貞豐準確率均在75%以上，尤其4月，興仁、安龍、貞豐準確率達到100%，可以直接進行使用。

表4 黔西南州近5a春季EC-2T最高氣溫預報準確率(單位：%)Tab.4 Forecast accuracy of ec-2t maximum temperature in spring of recent five years in Southwest Guizhou (unit∶%)

4.2 預報誤差分析

因EC-2T在最低氣溫的預報準確率較好，所以本文主要分析最高氣溫。

由表5看出，在相對誤差上，興仁、安龍、冊亨、望謨為正值，預報偏高,正值最大為望謨，興義、晴隆、普安、貞豐為負值，負值最大為晴隆；絕對誤差以望謨3.2 ℃為最大值。由表5還可以看出，3月絕對誤差和相對誤差的結果與3—5月的結果相似；4月相對誤差興義為正值，與3月和3—5月的結果相反，其余站點均與3月和3—5月的結果相似，以冊亨3.3 ℃為最大，且絕對誤差以冊亨為最大值；5月相對誤差興仁、安龍為負值，與3月、4月和3—5月的結果相反，其余站點均與3月和3—5月的結果相似，以冊亨1.2 ℃為最大，但絕對誤差以晴隆為最大值。總之，無論是相對誤差還是絕對誤差，在各月的差異均較大。

表5 黔西南州8個站點最高氣溫平均預報誤差統計(單位：℃)Tab.5 Statistics of average forecast error of maximum temperature at 8 stations in Southwest Guizhou (unit∶℃)

綜上所述，用總體的平均值沒有太大的意義，故本文采取分月建立預報方程。

4.3 建立訂正預報方程

采用偏差訂正法，對EC-2T的預報數據進行訂正，輸出最終預報結果。由表6可以看出，在每個月，晴隆、普安、貞豐偏差訂正系數為負值，說明預報偏高，興仁、冊亨、望謨偏差訂正系數為正值，說明預報偏低；興義4月偏差訂正系數為正值，說明預報偏低，其余月份為負值，說明預報偏高；安龍5月偏差訂正系數為負值，說明預報偏高，其余月份為正值，說明預報偏低。

表6 黔西南州各站點最高氣溫預報方程(單位：℃)Tab.6 Prediction equation of maximum temperature at stations in Southwest Guizhou (unit∶℃)

4.4 訂正后預報準確率檢驗

根據訂正后的預報方程，進行預報準確率檢驗。由表7看出，3—5月訂正后的最高氣溫預報準確率均有所提高，尤其4月份的準確率由53.1%提高到64.1%；3月安龍預報準確率由75%提高到83.3%，晴隆由50%提高到83.3%；4月晴隆預報準確率由37.5%提高到75%，冊亨由25%提高到75%。

表7 最高氣溫訂正后準確率檢驗(單位：%)Tab.7 accuracy test after correction of maximum temperature (unit∶ %)

5 小結

利用近5a(2015—2019年)影響黔西南的滇黔準靜止鋒個例進行統計整理分析，針對不同類型靜止鋒出現的規律及其附近要素分布特征，以歐洲中心(EC)數值預報產品及相應觀測事實的研究結果為基礎，初步建立黔西南的氣溫天氣學預報指標。結果如下：

①近5 a春季，黔西南州出現滇黔準靜止鋒104 d，以2019年春季34 d為最多，其次是2015年的22 d，以2016年春季 15 d為最少，平均每個春季出現20.8 d；靜止鋒均以3月出現天數為最多。

②黔西南州位于鋒后冷氣團內的天數為最多(Ⅰ型)，位于鋒前暖氣團中(Ⅱ型)為最少。Ⅰ型在春季平均天數及其各月均最多，Ⅱ型最少，3種類型均在3月出現天數最多。出現弱靜止鋒為最多，強靜止鋒為最少，不同強度靜止鋒均在3月出現天數為最多。

③在Ⅰ型弱靜止鋒中，黔西南最低氣溫空間分布具有“東南高北低”特征，平均最低氣溫為13.1 ℃；最高氣溫空間分布具有“東南高北低”特征，平均最高氣溫為18.3 ℃；雨日空間分布呈現“西高東南低”形勢，雨日最多的為興義、普安、興仁，最少的為冊亨、望謨；日照時數平均值為0.8 h，晴隆日照時數僅有0.4 h，其余縣市均在0.7 h以上；平均風速冊亨、望謨0.9 m·s-1為最低，安龍2.1 m·s-1為最高，全州平均風速為1.5 m·s-1。

④利用偏差訂正法，建立訂正方程訂正后，黔西南州春季Ⅰ型弱靜止鋒最高氣溫3—5月預報準確率均有所提高，尤其4月份的準確率由53.1%提高到64.1%。