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1、北京地区中尺度数值业务预报的客观检验陈 敏 王迎春 仲跻芹 张朝林?中国气象局北京城市气象科学研究所?北京?摘 要对北京地区中尺度数值天气预报客观检验系统的框架和方法进行了详细的介绍?分析了北京地区冬季?年?月?日 ?年?月?日?主要预报要素的客观检验结果?在此基础上给出北京地区冬季中尺度数值预报业务的误差特征?并根据检验结果定性地分析了模式预报系统性和非系统性误差的可能来源结果表明?模式地形的强迫作用是地面和对流层低层预报系统性误差的重要来源?测站高空预报要素的非系统性误差显著?初始时刻存在的误差在积分过程中被进一步放大?对北京?单站地面要素预报的检验结果发现? ?2?温度预报冬季整体偏低在
2、系统性误差为主要误差分量时对模式的平均误差进行订正能有效地提高温度预报的准确率关键词?客观检验 系统误差 非系统误差 中尺度模式引 言随着观测手段的日益丰富和计算机软硬件水平的飞速提高?数值模式在天气预报业务中得到了越来越广泛的应用但是由于数值预报结果受模式初值场!边界条件!物理过程!地形!植被及模式本身的设计等诸多方面的影响?模式输出产品不可避免地会存在一定的误差数值预报模式的检验正是对模式预报误差?即预报产品和相应的观测数据集二者相互关系的评估及量化了解模式预报误差的时空分布特征无论对于模式用户还是研发人员都是十分有益的一方面可以检验模式性能在空间?时间上的差异?向模式研发者提供反馈信息?
3、有助于模式研发人员诊断和修正模式物理参数化中可能存在的缺陷?另外还为预报员订正预报结果提供客观依据?如? ? ? ? ?和? ? ? ? ? ? ? ? ? ?指出?发展本地化实时订正可分辨模式误差的技术可以提高客观定点预报的准 确率?因此它对于数值预报产品的释用起到了重要的决策作用北京地区中尺度数值预报业务系统从?年就已开始运行?数值预报模式是基于?发展的非静力中尺度数值模式? ? ? ?模式水平分辨率为? ? ?清华同 方集群计算机提供了主要的运行环境通过近两年多的运行和业务预报发现?该预报系统性能稳定?预报结果对业务预报有一定的参考意义?并在北京重大政治文化活动的气象服务和保障中发挥了重
4、要作用?同时也积累了大量的数值预报产品和实况资料尽管已第?卷?期 ?年?月 应 用 气 象 学 报 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?本文由北京市自然科学基金?编号?和北京市科委项目/奥运会气象保障科学技术试验与研究0?合同号?共同资助?2?2?收到? ?2?2?收到修改稿有多年的模式运行经验?但是对模式预报产品质量一直缺乏客观的评价为了对模式性能和预报效果形成较为客观全面的认识?并进一步为数值预报产品的统计和动力释用提供基础?北京市气象科学研究所开发建立了北京地区中尺度气象预报产品的客观检验系统本文将对该系统的框架!方法等作出详细的介绍?并且将着重
5、分析北京地区主要预报产品的检验结果?然后给出?年冬季北京地区中尺度数值预报业务的误差分布特征? 客观检验系统目前中尺度数值模式的客观检验系统已在北京市气象局投入准业务运行该系统提供了对中尺度数值业务模式? ? ?的形势场预报统计检验?其中包括两方面内容?一是以客观分析资料为实况对网格点上的预报产品进行的检验?即预报场相对分析场的检验?另一部分是用探空和地面观测资料为实况?对插值到测站上的预报产品进行检验?即预报相对观测的检验1 ? 1 用分析资料检验预报效果 客观检验实况场的产生与数值预报业务系统前处理的客观分析类似?但? ? ?北京时?下同?和? ? ?实况的初估场分别由?的? ?预报场和?
6、在? ? ?的分析场插值到中尺度网格点上生成?然后加入常规高空资料对初估场进行再分析后产生检验系统的实况场由于预报时效为? ?每天获得当日的观测实况后只能对两天前的预报进行检验而且受每天只有两次高空观测报文的局限?检验时效也只能为? !? !? !? ?的预报检验要素为海平面气压!位势高度!温度!风和比湿?检验层次为? ?!?! ? ?! ? ?!? ?另外还包括了对?2?温度和?2?风的检验?但?2?温 度和?2?风的实况场由?预报场经地面温度和风的观测值修正后再插值到中尺度网格点上诊断生成检验区域覆盖了业务模式第二层嵌套网格的全部范围1 ? 2 用观测资料检验预报效果 利用业务模式网格范围
7、内的基准探空和地面站观测资料为实况?将网格点预报值线性内插到站点?再与观测资料进行比较并计算区域评分其中检验区域内有约?个探空观测站和?个左右的地面观测站?图? 检验要素!检验时效!检验层次和区域均与全场格点检验一致?地面温度和风的观测直接用于检验?2?温度和?2?风另外?对于预报员更为关注的单站?如北京? ?测站?输出要素的预报值与观测值对照表?以便于进行单站进一步的时间序列检验?总结单站预报误差的时间分布特征1 ? 3 检验统计量 该系统计算的检验统计量包括平均误差!均方根误差!误差标准差!位势高度的?评分以及倾向相关系数1 ? 4 检验系统运作流程 检验系统每天运行一次?对? ? ?的业
8、务预报结果进行检验其业务流程分为资料采集!检验量计算和输出显示三个部分资料采集部分从存储器中调用制作实况场和待检验数据集的?资料!高空和地面观测资料和业务预报输出数据?生成全场格点和测站检验的实况场及预报场后?由检验量计算部分分别进行分析和测站检验?最后将检验结?期 陈 敏等?北京地区中尺度数值业务预报的客观检验 果以文本文件的形式输出?并由?图形显示各预报要素在网格点上的偏差?即预报值?观测值? 具体的运作流程见图? 图? 检验区域内高空和地面测站分布图? 客观检验系统的业务流程? 北京地区中尺度数值业务预报的误差分析2 ? 1 资料和方法客观检验系统从?年?月起开始试运行北京地区冬季?年?
9、月?日?年?月?日?的预报检验结果积累得相对完整排除由于?资料缺失造成模式 未能正常运行以及观测资料不全导致检验出错的个别天数?总共获得了?个检验样本?应 用 气 象 学 报 ?卷 待检验地面要素包括?2?风速! ?2?温度?高空要素包括了风速!温度!位势高度和比湿?待检验的气压层为? ?! ? ?! ? ?和? ?针对上述要素将分别给出全场平均格点误差分析结果以及北京?单站的误差特征本文中用于量化模式预报误差的统计量包括预报平均误差? ? ? ?即预报值?观测值? !均方根误差和误差标准差必须认识到模式误差中包含了系统性和非系统性误差?见附录? ?其中预报平均误差表示了模式的系统性误差分量?
10、它是真实大气环境和模式大 气环境之间的差异?诸如地形!辐射!对流等过程在模式中不可能得到完全正确的描述?造成的?非系统性误差由误差标准差来衡量?代表了由初始条件的不确定性以及观测和预报之间分辨率尺度不一致等造成的随机性误差对模式误差的统计结果进行分析?有助于定性地判断预报误差的可能来源2 ? 2 格点平均误差分析 全场格点检验提供了数值模式预报天气形势能力的客观评估对模式全场每个格点的时间序列进行统计获得了全场预报在空间上的误差分布特征图?分别给出?2?温度在? ?的平均误差和均方根误差等值线很明显?海面上温度预报显著偏高? ? ?可能是因为模式采用海温的气候平均值制作初始场导致的系统性误差另
11、外?除了海上以外陆地的整场格点预报值均低于实况而且与图?所示的模式地形高度分布相比较后不难看出?温度的误差等值线与模式地形高度分布有密切的相关?即在高地形区似乎更容易出现较大的温度误差?而地势较为平坦的地区温度平均误差较小且分布均匀例如南北走向的太行山脉就与密集的误差等值线吻合得很好北京东南部地形平坦?西北部为山区?实际海拔高度最高可达到? ?以上相应地? ?2?温度平均误差在北京西北部最大?比实况低了约? ?相反在北京的平坦地区迅速减至? 左右?即地形高度从高到低的过渡带对应了?2?温度平均误差梯度最大的区域或者更确切地说?似乎在高地形的背风坡方向更易产生较大的温度平均误差梯度由于地形在数值
12、模式中对模拟结果的影响有着固定的强迫作用?对于? ?! ? ?! ? ?预报的检验结果?图略?中均可以找到这种图? ? ? ?时?2?温度的平均误差? ?负值为虚线?等值线间隔为? ? ? ?和均方根误差? ?等值线间隔为? ? ? ?期 陈 敏等?北京地区中尺度数值业务预报的客观检验 地形高度和温度平均误差的相关而且?比较图?中?2?温度平均误差和均方根误差等值线分布?二者无论大小和分布形势均十分吻合因此可以认为?2?温度的预报误差很大一部分来自由平均误差代表的系统性误差?而其中地形的影响是造成这种系统性误差不可忽略的重要来源由于模式地形高度由精度为? 分的全球地形资料插值而得?不可避免地受
13、到一定程度的平滑?不可能完全真实地反映实际的地形状况一般认为?地形细节在数值模式中的表述往往为中尺度现象的产生提供固定的图? 模拟区域内地形高度的等值线分布?等值线间隔为? ?强迫机制但是全场格点误差统计结果表明?不仅仅是近地面预报要素?中高层的形势分布也很大程度地受到了模式地形分布的影响例如? ?温度平均误差的等值线?图? ?应 用 气 象 学 报 ?卷 呈现出与地形走向密切的相关?即高地形区偏暖?或相对较小程度地偏冷? 这一方面可能是由于高地形对高空的实际增暖效应未能由观测系统分辨出来?也有可能是高分辨率模式在处理高地形区域时的系统误差?即模式地形往往低于实际地形?这在高地形区尤为明显?因
14、此导致高地形区的暖偏差另外? ? ?的位势高度!风速!比湿场的平均误差具有与温度十分类似的误差特征?图略? 这说明地形的强迫作用在很大程度上也是对流层中层系统误差的重要来源但是在分析? ?温度的均方根误差和误差标准差?图? ? ?后可以发现?非系统性误差分量的大小和分布与均方根误差更为相似因此高空 要素预报全场误差主要由非系统性误差造成值得注意的是模拟区域的西边界附近为误差标准差的大值区?这可能是边界条件带来的误差向积分区域内传递的结果另外?误差标准差和均方根误差的分布均出现一些尺度较小的误差中心?这有可能是基于低分辨率背景场和高空观测资料的实况分析场与模式输出之间分辨率的差异导致的2 ? 3
15、 测站平均误差分析 对测站预报误差进行检验?其目的是研究数值模式在特定空间位置上的整体预报能力因为模式在特定测站位置上的预报产品为预报员进行定时定点预报提供了最直接的参考?因此定点预报的客观检验是模式性能最关键的度量指标之一表?给出了高空温度!位势高度!比湿!风速以及地面?2?风速和?2?温度的平均误差和均方根误差分析? ? ?的检验结果可以发现各气压层测站要素的初始值就已存在误差?其中温度的平均误差在? 以下?低层位势高度的平均误差量级约为? ? ? ?而风速的平均误差随高度向上从? ?#? ?增大到? ?#? ?左右初始时刻各变量的均方根误差更为显著?其中位 势高度的均方根误差达到了? ? ?以上?或许这是因为位势高度由模式诊断输出的缘故这种误差很大程
