山东精细化海区风的MOS预报方法研究

荣艳敏，阎丽凤，盛春岩，范苏丹，车军辉

(山东省气象科学研究所，山东济南250031)

1 引言

海上大风是影响海上航行及渔业生产的最主要的灾害性天气。据统计，对海洋产业构成影响的各类自然灾害中，90%以上是气象灾害及其衍生灾害，而在这些灾害中，海上强风（平均风力大于等于7 级）以及由此引起的涌浪破坏力是最大的。根据海洋作业人员反映，通常情况下预报员对于海上风的预报常常偏高，而当有大风影响时，常引起局地强风天气，它有着很强的局地性和短时性，预报员往往会漏报。同时，山东沿海还受海陆风影响严重，风的预报与内陆有明显不同。因此，加强海上风预报技术的研究，提高对此类天气现象的认识及预报准确率，是气象服务于海洋经济和海上安全生产的迫切需求。要提高海上风的精细化预报，在有效利用数值预报的同时，大力发展数值预报产品的解释应用技术是非常必要的。目前，MOS方法是被广泛采用的一种比较成熟的释用方法，基于数值预报产品的MOS预报对于气温有较好的改进作用[1-3]，但对风的预报依然是个难点，这主要由它本身的复杂多变以及局域性强等特点所决定的。早在20 世纪90年代中期，范淦清[4]就开始利用数值模式产品使用MOS方法来制作风的预报，之后不少气象工作者[5-7]针对风向风速的预报采用MOS 方法进行了不断地尝试，取得了较好的效果。

近些年来，山东省引进并发展了中尺度数值模式WRF_RUC[8]（WRF 快速循环同化系统），针对山东天气预报业务需求开发了精细化预报产品，而对其产品进行深入加工，进一步提高预报精度方面所做工作相对较少。本文通过对山东省使用的业务模式（T639、MM5、WRF_RUC 等）对海上风的预报效果进行分析评估，综合选取适合山东海上风的预报的数值模式，基于山东12 个精细海区代表站实况观测资料，采用MOS 释用技术订正模式预报结果，研制山东精细化海区风的客观预报产品。

2 资料与方法

2.1 资料来源

根据山东省海洋气象业务需求，按照沿海市级行政区域和天气气候特点，《关于印发山东省海洋气象业务规定的通知》（鲁气办发〔2011〕125 号）中规定，将山东海岸线10 km 以内的沿海精细划分为12个沿海海区（见图1），每个海区选取一主一备（或一主二备）海洋气象观测代表站点，本文选取观测资料比较稳定、质量比较可靠的各个海区代表站的自动站逐时报文资料建立实况库。

山东省气象科学研究所当前运行的WRF_RUC模式分辨率已达到4×4 km，可以根据用户需要输出逐时不同层次的各种气象要素。模式自2009年8月业务运行至今，已积累了一套高分辨率的中尺度模式资料，为得到连续完整的样本资料，对2010—2013年间缺失的资料进行了逐日反算，选取逐日20时起报的48 h 预报时效的预报产品建立模式因子库。

在进行MOS预报前，首先确定预报对象和预报时段，根据具体的预报对象进行资料选取。本文主要研制山东精细化海区风的客观预报产品，研究对象选为日最大平均风速和日极大风速，预报时效为48 h。山东海上大风灾害以春季冬季最多[9]，秋季次之，为克服样本量偏少，也考虑到风速有明显的季节性变化，所以选取2009年9月—2010年4月、2010年9月—2011年4月及2011年9月—2012年4月，共726天的资料作为样本建立预报方程。

2.2 MOS客观方程的建立

采用MOS 方法建立逐站的日最大平均风速和日极大风速的预报模型，该方法能自动订正数值模式的偏差和不确定性，同时还可以引入很多其他方法不易引进的因子。

（1）预报因子处理：在建立预报方程前，将WRF_RUC模式的格点预报值直接内插在站点上作为站点的预报因子，在插值的过程中，计算相关物理量并同时插值到站点上。这些物理量除了模式输出的1000—100 hPa 各层的高度、温度、相对湿度、风等基本因子，还包括某些层次的温度露点差、水汽通量散度、K指数、Q矢量、水平或垂直梯度、平流等诊断物理量；

图1 山东沿海12个海区划分示意图

（2）因子筛选:在全部预报因子中，分别计算各因子与预报对象的相关系数，依据相关系数大小对因子库进行排序筛选，剔除一些与预报对象相关不大且物理意义不明显的因子；

（3）建立回归方程: 最后入选的为相关性较好且相互独立的高相关因子，将筛选出的因子与预报对象之间进行逐步回归计算，建立各预报对象在不同站点、不同时次的MOS方程；

（4）业务预报：日常业务预报中，只需将WRF_RUC 模式预报资料按原定的诊断程序计算、并插值到各个站点，代入建好的MOS 预报方程中，便可获得各代表站的要素预报值，这里主要提供了山东12个精细海区代表站20时起报的大风预报产品。

3 效果检验

3.1 风速分级检验办法

根据目前气象部门广泛应用的《中短期天气预报质量检验办法》中的有关规定[10]，设计了一种风速分级预报检验办法[11]，即如果风速预报和实况是同一等级，则为该等级风速预报正确；如果预报风力小于实况等级，则为预报偏弱；如果预报风力大于实况等级，则为预报偏强。具体计算办法如下：

式中，NAk为预报正确站（次）数、NBk为空报站（次）数、NCk为预报偏弱偏强站（次）数。

3.2 多模式风速预报对比检验

阎丽凤等[12]曾对MM5、WRF 和T639 模式对山东沿海的风速预报情况进行了对比检验，这里为进一步了解各模式的预报性能，增加EC的预报结果，对省级中尺度数值模式MM5、WRF_RUC以及国家级数值模式T639、EC 的风速预报进行了分级对比检验。将所有模式预报的10 m 风速均插值到山东12 个精细化海区代表站上，其中，检验时效为各模式20 时起报的72 h 内日最大风速，WRF_RUC 模式预报时效较短，检验时效为48 h。为更好地对不同模式预报结果进行比较，在进行TS 评分及风速预报平均绝对误差检验时，各模式资料均选2013年9月—2014年4月。

分析MM5、WRF_RUC、T639及EC模式对山东沿海12 个精细化海区的日最大风速预报检验结果发现（见图2），T639 和EC 模式对于2—3 级的风预报效果明显好于WRF_RUC和MM5；而4级以上的较大风力，T639 和EC 模式预报准确率迅速下降，MM5和WRF_RUC评分相对增加，其中WRF_RUC对于6 级以上较强风力预报效果最好，但各模式均预报偏小；T639 和EC 模式对于6 级风力预报准确率很低，不到10 分，对于8 级以上大风没有预报能力，而MM5和WRF_RUC模式对于8级大风仍有一定的预报能力。

由图3中各模式日最大风速预报的平均绝对误差曲线可以发现，WRF_RUC模式预报的风速平均绝对误差最小，MM5略大，T639模式误差最大。结合风速预报分级评分可以认为，对于4 级以上的较强风力，MM5 和WRF_RUC 预报效果较好，尤其是WRF_RUC 模式对沿海大风预报误差最小，具有较高的参考价值。所以，基于WRF_RUC 模式预报产品的精细化MOS风速预报，有助于进一步提高预报精度。

3.3 MOS预报效果检验

为检验所建MOS方程质量的好坏，选取未参加回归计算的2013年9月—2014年4月的预报结果，利用山东12个海区代表站的逐时风速资料，针对每日20 时起报WRF_RUC 模式预报的10 m 最大风速和MOS 预报的日最大风速进行对比检验。结果表明（见图4），WRF_RUC模式对于5级以下小风预报效果要好于MOS方法，而MOS方法空报较多，说明MOS 方法对小风的预报偏大；MOS 方法对于6—7级大风预报评分达70 左右，WRF_RUC 模式对6 级以上的风力漏报较多；对于8—9 级大风MOS 预报评分高达50，而WRF_RUC 模式几乎没有预报能力。

图2 山东沿海2013年9月—2014年4月平均的MM5、WRF_RUC、T639以及EC模式日最大风速预报评分

图3 山东沿海2013年9月—2014年4月平均的MM5、WRF_RUC、T639以及EC模式日最大风速预报平均绝对误差

图4 山东沿海2013年9月—2014年4月平均的WRF_RUC模式及MOS方法日最大风速预报评分

图5 山东沿海2013年9月—2014年4月平均的WRF_RUC模式及MOS方法日最大风速预报平均绝对误差

为分析模式对于山东沿海各代表站的风速预报情况，对12个海区代表站的风速预报逐一进行了评分分析，结果发现，模式对于单站风速预报结果与整个沿海代表站平均结果类似，对于6 级以上的较强风力，MOS方法预报评分要高于WRF_RUC模式的预报。如图4所示，不同站点6—7级大风的TS预报评分存在显著差异，但总体来说MOS预报好于WRF_RUC模式。

由图5中各模式日最大风速预报的平均绝对误差曲线可以发现，对于所有风级总平均绝对误差，MOS 预报误差最大，但对于6 级以上大风MOS 预报的误差要小于WRF_RUC 模式，MOS 方法对4 级以下弱风预报效果不好，即增加了小风的误差。结合风速预报分级评分可以认为，对于6 级以上的大风天气，MOS 方法具有较高的参考性，相对于WRF_RUC 模式直接输出的预报有了较大的提高，这就显示了释用预报的意义。

4 修正的MOS预报方法及效果检验

上述检验结果表明，基于WRF_RUC 模式产品的精细化MOS 预报，适用于6 级以上的大风天气，对5 级以下小风的效果不好。针对这种现象，本文主要做了以下改进，如果代表站的WRF_RUC 预报风力大于某一等级，就用该站同一天的MOS预报结果来替换，利用实况资料对替换后的结果进行风速的分级检验。按照此办法，日最大风速的风力分别选择为3级、4级和5级，TS评分如表1所示，改进后对于2—3 级风的预报评分要高于WRF_RUC 直接输出的37.82，但随着所选风力的增加，评分结果减小；如果预报风力大于5 级时替换，对4—5 级风的预报准确率有很大的提高，但同时削弱了对6 级以上大风的预报能力。综合考虑，WRF_RUC 预报风力大于4 级时用MOS 预报结果替换，在保证6 级以上大风的预报效果前提下，提高MOS方法对4级以下小风的预报效果。无论是4级以下小风还是6级以上大风，MOS方法预报效果都较WRF_RUC直接输出有了一定提高。

表1 不同条件下WRF_RUC模式及MOS方法24 h日最大风速预报评分

5 日极大风速的效果检验

对MOS预报的日极大风速进行效果检验，如图6 所示，MOS 方法对日极大风的直接预报效果不理想，尤其是6级以上的大风漏报较多，说明该方法对日极大风的预报偏弱。根据多年的地面自动站观测资料进行统计分析发现，日极大风速与日最大风速有一定的相关性（见表2），根据统计关系和预报经验做了以下试验：当预报的日最大风速为4 级以下时，日极大风速按照MOS方法直接预报的值来评分；当预报的日最大风速大于4级时，各站点的日极大风速存在如表2 的转换关系，即在日最大风速的基础上相应的增加一定风级。转换以后的评分结果如图6 中的MOS_DZ，对于6 级以上风力预报效果明显提高，7—8 级风力预报评分可达30 以上，对10级强风也有一定的预报能力，这对日极大风速的预报具有很好的参考价值。

图6 山东沿海2013年9月—2014年4月平均的MOS方法日极大风速预报评分

表2 山东12个精细海区代表站日最大风速与日极大风速的统计关系

6 小结

基于中尺度数值模式WRF_RUC 的预报产品，采用MOS 释用技术订正模式预报结果，研制山东12个精细化海区风的客观预报产品，并对20起报的24 h 和48 h日最大风和日极大风进行风速分级检验，可以得到以下结论：

（1）综合各模式对于山东沿海风速预报的平均绝对误差，WRF_RUC 模式对沿海大风预报误差最小，具有较高的参考价值。而MOS 方法相对于WRF_RUC 模式来说，对于5 级以下的风速预报效果比较差，对于6 级以上较强风力的预报效果要好，尤其是对于8—9 级大风仍有较强的预报能力；

（2）如果WRF_RUC 模式预报风力大于4 级时用MOS 预报结果替换，无论是4 级以下小风还是6级以上大风，MOS预报效果都较WRF_RUC直接输出有了一定提高；

（3）充分利用沿海及海岛站风的观测资料进行统计分析，将平均风速与阵风的统计关系应用到阵风客观预报中，MOS 方法对于改进的日极大风速的预报效果也有明显提高，对于7—8 级风力预报评分可达30 以上，对10 级强风也有一定的预报能力，这对日极大风速的预报具有很好的参考价值；

（4）该方法的研究初步表明，对6 级以上风速MOS 方法对WRF_RUC 模式预报有很好的订正效果，具有较高的参考价值。随着WRF_RUC 模式资料的积累和MOS 方法在实际应用中的不断改进和完善，期待今后的预报效果还会有所提高。

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