mos方法在动力延伸期候平均气温预报中的应用

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1、书书书陈豫英， 陈楠， 王素艳， 等 方法在动力延伸期候平均气温预报中的应用应用气象学报， ， （） ： 犕犗 犛方法在动力延伸期候平均气温预报中的应用陈豫英）陈楠）王素艳）邵建）穆建华）纳丽）（ 宁夏气象防灾减灾重点实验室， 银川 ）（ 宁夏回族自治区气象台， 银川 ）摘要利用 年月 年月动力延伸预报产品及宁夏候平均气温， 采用逐步回归的 统计方法， 预报宁夏 个测站未来 逐候平均气温， 为了对比模式直接输出结果与资料按月和按季节划分建立的 方法预报效果， 对 年和 年月的预报效果分别进行了对比检验。结果表明： 预报效果较模式直接输出有显著提高； 不同时段的资料划分， 不同的建模样本长度，

2、都会使 预报效果产生差异。虽然利用按季节划分的资料所建立的 方程样本数明显多于按月划分的样本数， 但由于按月划分的资料所选择的预报因子更能集中反映这一时段预报对象的相关性， 物理意义更为明确， 因而预报效果较好； 对于同样按月划分的 方法而言，样本数越多， 温度预报的效果越好， 稳定性越强； 进一步检验该方法对极端候平均气温的预报能力， 出现极端气温时， 该方法能够预报出气温剧烈变化的趋势和变温幅度， 并随着预报时效临近逐步订正， 误差值逐渐减小， 预报结果可作为中期业务预报的参考。关键词： 方法；动力延伸预报；候平均气温；效果评估引言从经济建设和社会发展、 人民生活及防灾减灾的需求出发， 特

3、别是农业生产的需要， 人们希望得到时效更长的客观定量化预报产品。目前， 在实际预报业务中， 中短期制作 以内的预报， 短期气候预测做月趋势预报， 而 的预报则处于空白。国家气候中心研发的动力气候模式 填补了这一空白， 其预测结果在实际业务中得到应用， 并逐步成为我国短期气候预测业务的重要依据 。许多对动力气候模式的检验结果表明： 模式对气温的预测能力明显高于降水， 然而由于大气内在的不确定性、 数值模式的近似和模式物理过程的不完善等原因， 模式的预报水平离实际业务需求仍有较大的差距， 因而在现有数值预报水平的基础上更好地利用动力产品制作要素预报是业务应用的需要 。一些研究人员利用动力与统计相结

4、合的方法预报月降水、 温 度 等 要 素 的 趋 势 变 化， 取 得 了 较 好 的 结果 。与其他数值预报释用方法相比较， （ ） 方法可以引入许多其他方法难以引入的预报因子， 还能自动订正数值预报的系统性误差 ， 因此在国家级和各省市气象业务中得到了广泛应用。相关研究 利用 方法制作 温度、 降水、 相对湿度、 风等要素预报， 检验结果显示， 预报较模式直接输出结果有明显提高。因此， 本文尝试采用 方法预报宁夏未来 （个候） 候平均气温， 力求获得长时效内更为准确的客观定量化预报结果， 同时也为动力延伸预报产品的解释应用技术提供新思路。资料及技术方案 资料及其处理本文使用国家气候中心 年

5、月 年月每月， ， ， ， 日下发 的 未 来 各 候（） 的候平均预测格点场资料作为预报因子， 以宁夏 个测站候平均气温实况资料作为预报对象。动力延伸预报产品与文献 相同， 包括 个要素的格 收到， 收到再改稿。资助项目：国家自然科学基金项目（ ， ） ， 宁夏回族自治区科技攻关项目（ ） ： 第 卷 第期 年月 应 用 气 象 学 报 ， 点场资料： 海平面气压， ， 和 高度场，温度， 和 水平风场， 积雪， 对流降水场及大尺度降水。每个要素场水平分辨率为 ， 共 个格点。为了对比动力延伸模式直接输出结果与 预报结果， 采用加权反距离权重插值方法 将动力延伸模式预报的温度格点场资料插值到

6、宁夏 个测站的相应位置上。计算实况温度距平时， 采用 年的 年实况温度平均值作为气候场， 温度预报距平的计算也与其相同， 而模式温度距平计算则选取数值模式资料时间序列的平均值作为气候场。 技术方案 方程建立前， 首先确定预报对象和预报时段， 针对具体的预报对象进行资料选取和季节划分。为了检验不同资料划分及样本长度对预报质量的影响， 这里设计了种资料划分技术方案。方案， 依据传统 方法 ， 将资料按自然季节， 分别以月、月、 月、 月次年月划分为春、 夏、 秋、 冬四季， 按季节建立宁夏 个测站个候的候平均气温 预报方程， 共计 个预报方程。方案， 将模式预报资料按月划分， 建立 个候平均气温

7、预报方程。方案和方案使用 年的动力延伸预报产品作为建模数据（ 经过质量控制， 剔除了错误数据） ， 年的资料作为预测检验数据。方案， 同样将资料按月处理， 但用 年资料建模， 为了对比方案和方案预报效果， 将 年月资料的预报结果作为检验对比。方案，的建模样本长度分别为 ， ， （ 每候） 。 因子初选就单站而言， 降水、 天空云量、 日照时数、 风向风速、 气压、 温度梯度、 湿度、 垂直运动、 大气稳定度、 大气环流背景等都对温度都有较大的影响 ， 且每一次过程引起温度变化的原因都不尽相同， 很难用统计方法来区分各个温度变化过程 ， 而动力模式提供的要素场层次和个数有限， 为了能尽可能全面、

8、 准确地选取因子， 首先将数值预报产品格点资料进行深加工处理， 利用这些基本要素通过动力诊断得到一些反映天气系统、 热量、 能量、 对流不稳定等的热力、 动力因子以及它们的变化量。目前国家气象中心和各省气象台的 方法 对预报因子的处理基本都是将格点场资料通过线性插值到所预报的站点上， 建立站点因子库。由于动力延伸预报产品格距较粗， 而宁夏区域小， 所以对预报因子区域进行“ 挖块” 处理。根据以往的研究结果 ， 宁夏天气影响系统的关键区为 ， 。在这一区域内， 按照上述种技术方案， 将预报因子与同期宁夏 站候平均气温求相关。依据相关系数大小， 按能通过 显著性检验的因子进行排序， 筛选建立 方程

9、的待选因子库（ 季节或月份不同， 站点不同， 待选因子的个数和内容也不同， 因子个数总体控制在 ） 。从 个测站所选的预报因子看， 基本集中在河套附近的中低层物理量， 如海平面气压、 气压水平梯度、 高度场、 水平风场及水平梯度、 位涡等，且春、 秋季因子的相关系数较大， 在 以上， 夏、 冬季相对较小， 为 ； 资料按月划分的因子相关性总体上较资料按季划分好。 方法 方 法 是 建 立 在 多 元 线 性 回 归 的 基 础上 ， ， 研究预报量狔与狆个因子狓之间的定量统计关系：狔犫犫狓犫狓犫狆狓狆，（）其中，狔狔狔熿燀燄燅狀犫犫犫熿燀燄燅狀狓 狓 狓狆狓 狓 狓狆狓狀狓狀狓狀熿燀燄燅狆犲犲

10、犲熿燀燄燅狀。式（） 中，狔为预报对象，犫为回归系数，狓为预报因子（ 从待选因子库中选取） ，犲为误差矩阵。为了检验预报量与预报因子之间是否确有线性关系， 这里采用犉检验， 在显著水平下， 若犉犉， 则认为回归关系是显著的； 反之， 则认为回归关系不显著。使用最小二乘法 ， 对因子逐步剔除和引进（ 逐步回归） 。其中， 使用犉检验时， 要求误差分布， 即预报量本身的分布是正态的。由于温度变化遵从正态分布， 所以使用 方法预报 候平均气温是可行的。就入选因子数目来说， 当增加进入回归方程中的因子数目时， 残差平方和下降， 复相关系数也增大， 但是当因子增加到一定数目残差平方和下降的第期 陈豫英等

11、： 方法在动力延伸期候平均气温预报中的应用 幅度就很小了， 通过计算试验可知， 所选入的因子数目为 时预报效果最佳。建立 方程过程中， 随机选取 的样本作为预报试算而获得预报误差， 并以此来检验所建预报方程的稳定性和质量。如试算结果误差过大，首先需要检查所用资料是否有错， 然后调整因子个数及值， 以改善方程质量和预报效果 。日常预报时， 只需将数值预报资料代入建好的方程中， 即可获得宁夏 个测站未来 候平均气温。预报因子分析从上述种方案建立的预报模型中， 分析各模型所挑选的预报因子及其对应的回归系数和常数项， 可以看出， 各模型所选的因子随季节（ 月份） 、 站点、 时次不同而改变， 入选 方

12、程频率较高的预报因子基本集中在宁夏及周边区域内与本地温度物理意义明确的中低层物理量， 如温度、 海平面气压及气压梯度、 中低层风速、 纬向风、 经向风、 风切变等； 资料按月划分的 方程检验值为 预报效果较好， 资料按季节划分的 方程检验值为 预报效果较好， 且夏半年 方程的检验值高于冬半年； 资料按季节划分的 方程预报因子相对分散， 按月划分的 方程预报因子相对集中， 主要反映与当月天气影响系统物理意义明确的因子； 不论资料如何划分， 方程的常数项都为负值， 量级为 ， 数值大小表现为夏、 冬季小， 春、 秋季大， 其中月最小、月最大。这说明候平均气温预报既与大气环流背景有关， 又与中小尺度

13、天气系统密切相联， 相对东南沿海地区，陆地受地形、 地貌的影响很大， 所以资料按月划分后所选的预报因子应能更好地反映这些影响因素， 且资料序列越长， 建立的预报模型越符合当地实际情况， 预报效果也更好。预报效果评估分别对上述种方案的 预报结果与模式直接输出结果进行对比检验。本文参考现行中短期及短期气候预测业务规范， 以平均绝对误差狓及其均方根误差狕、 距平相关系数狉和距平符号一致率狆为评定内容， 并以误差绝对值小于作为候平均气温 评分标准。其中，预报与 预报中， 相关系数均为距平相关系数。 年预报评估结果为了评估使用相同资料不同方法的预报效果，对方案（ ） 和方案（ ） 及预报结果进行评估。从

14、表及图得到如下结论：从预报评估结果的时空分布上看， 预报效果和稳定性都显著优于， 与 相比各项评估指标都有明显提高。总体上， 与预报相比，狓降低，狕降低，狉的绝对值降低 ， 提高 ，狆提高 ； 与 相 比，狓降 低 ，狕降低 ，狉的绝对值降低 ， 提高 ，狆提高 （ 表） 。表 年宁夏候平均气温种预报结果评估犜 犪 犫 犾 犲犜 犺 犲犲 狏 犪 犾 狌 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狆 狉 犲 犱 犻 犮 狋 犻 狅 狀狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 狀狆 犲 狀 狋 犪 犱犿 犲 犪 狀狋 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲狆 狉 犲 犱 犻 犮 犻 狋 狅 狀犻 狀犖 犻 狀 犵 狓 犻

15、犪狅 犳 统计量预报第候第候第候第候第候第候第候第候平均狓 狕 狉 狆 评分 应用气象学报 第 卷图 年宁夏候平均气温平均绝对误差、 均方根误差及其 评分 ， 种预报方法评估结果的空间分布表明：预报效果差的地区， 通过 方法释用后误差明显降低， 预报水平明显提高， 提高的幅度更大。六盘山和陶乐是预报效果最差的测站， 与狓和狕相 比， 结 果 降 低， 结果降低； 与预报 评分相比， 提高 ， 提高 ； 与预报狆相比， 提高 ， 提高 ， 可见动力延伸模式预报效果差的地方， 利用月资料 方法释用后预报效果得到明显改善。综合各项指标， 偏北、 偏西地区的 预报效果和稳定性更好， 在日常预报中可作重

16、点参考。由各项评估指标的月分布（ 图） 可知： 方法在月预报效果最好， 尤其是月和月， 预报狓小于 ， 评分超过 ， 月预报效果相对较 差， 预 报狓大 于， 评分小于 ； 而预报各月的狓都在 以上， 评分都在 以下， 预报效果差。总体上， 方法的预报效果和稳定性夏半年好于冬半年， 过渡季节相对较差， 这与基于 产品的 方法制作 最高、 最低气温的预报评估结果一致 。上述分析结果表明： 预报效果比模式直接输出明显提高， 使用月资料的 预报效果提高的 更 为 显 著。 这 说 明 虽 然 建 模 样 本 比 多， 但 方法挑选的预报因子更具代表性， 更能反映宁夏候平均气温的预报信息， 物理意义更

17、明确， 因此预报效果更好。第期 陈豫英等： 方法在动力延伸期候平均气温预报中的应用 图 年宁夏候平均气温种预报结果的距平相关系数及距平符号一致率分布 图 年宁夏候平均气温种预报评估结果的月分布 应用气象学报 第 卷 年月预报效果评估为了比较同一方法不同历史样本数目的 预报效果， 对方案（ ） 和方案（ ） 预报的 年月候平均气温作对比检验。从图及表评估结果可以看出： 与 相比， 预报水平和稳定性都有小幅提高。总体上， 与 相 比，狓和狕分 别 降 低 和 ， 评 分 和狆提 高 和 ，狉的绝对值明显降低。表 年月宁夏候平均气温两种犕犗 犛预报结果评估犜 犪 犫 犾 犲犜 犺 犲犲 狏 犪 犾

18、狌 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狋 狑 狅狊 犮 犺 犲 犿 犲 狊狅 犳犕犗 犛犿 犲 狋 犺 狅 犱狅 狀狆 犲 狀 狋 犪 犱犿 犲 犪 狀狋 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲狆 狉 犲 犱 犻 犮 犻 狋 狅 狀犻 狀犖 犻 狀 犵 狓 犻 犪 犳 狉 狅 犿犑 犪 狀狋 狅犕 犪 狉 犻 狀 统计量方案第候第候第候第候第候第候第候第候平均狓 狕 狉 狆 评分 从图、 图可以看出： 除了西吉和隆德， 其他测站 的狓均在 以上， 的狓全区都在 以内， 西吉和隆德最小为 ； 除了平罗、 陶乐、西吉和隆德站， 其 他 站 的狕超 过 ， 的狕都在 以下， 有站低于 ； 的 评分只有中宁、

19、 同心、 固原、 西吉和隆德站超过 ， 而 除了固原， 其他站 评分都大于 ， 西吉最高为 ； 和 的狉都呈弱负相关，狆都较低， 不超过 。图反映两种 方案在月预报效果最好，月较差； 与 相比，月的狓降低 ，狕降低 ， 评分提高 ， 预报效果提高的最为明显。图 年月宁夏候平均气温平均绝对误差、 均方根误差及其 评分 ， 第期 陈豫英等： 方法在动力延伸期候平均气温预报中的应用 图 年月宁夏候平均气温种预报方案的距平相关系数及距平符号一致率分布 图 年月宁夏候平均气温种预报方案评估结果的月分布 应用气象学报 第 卷续图上述分析表明， 同样按月资料划分， 虽然 较 仅多了个样本， 但预报水平和稳定

20、性已有小幅提高。 极端气温预报效果检验研究结果 表明： 中短期时段内， 当有强冷暖空气活动时， 数值预报模式稳定性下降直接导致 对极端气温的预报能力降低。 下面以 年 月第，候和 年月第，候银川站候平均气温为例， 进一步检验 方法（ 年使用 预报结果， 年使用 预报结果） 对极端候平均气温的预报能力。 年 月和 年月， 冷暖空气活动频繁， 宁夏气温变化异常剧烈， 年 月第，候候平均气温分别为宁夏历史同期第、 第低值； 年月第，候候平均气温也同为宁夏历史同期极高值。分析图和 的预报绝对误差可知： 预报误差值较预报明显降低， 而且无论模式还是 预报误差都随预报时效临近而减小， 说明模式对环流形势的

21、预报随着预报时效的临近而趋于更为准确， 预报也随之订正， 误差值在减小， 尤其是从第候开始到第候， 预报的订正能力逐渐增强， 预报误差在以内， 能满足现行业务使用。图和 方法对宁夏极端候平均气温预报误差 上述分析表明， 出现极端气温时， 虽然第到第候预报误差较大， 但与预报相比， 预报误差值明显降低， 并随着预报时效临近逐步订正，误差值逐渐减小， 说明 方案对极端候平均气温有预报能力。第期 陈豫英等： 方法在动力延伸期候平均气温预报中的应用 结果和讨论）无论是准确性， 还是稳定性， 预报都比模式直接输出有显著提高， 即使是出现极端气温， 预报误差值随预报时效临近逐步减小， 预报结果能满足现行业

22、务需求。）不同时段的资料划分， 不同的建模样本长度， 预 报 效 果 有 差 异。虽 然 按 季 节 划 分 的 方程样本数明显多于按月划分的， 但由于按月划分的资料选择的预报因子物理意义更明确， 因而预报效果更好； 对于同样按月划分的 方法， 样本数越多， 预报效果越好， 稳定性越强。）由于动力延伸模式本身的精确度和稳定性差， 模式预报与实况呈显著的负相关， 同时 方法本身存在的缺陷， 导致 预报距平符号一致率偏低、 预报与实况呈弱负相关。）由于该方法仅选用了动力延伸模式的输出产品， 使其预报质量严重依赖于模式预报的准确性和稳定性。今后建立 预报方程时， 若适当增加一些测站的实况因子、 本地

23、经验因子及气候因子，如本站温、 压、 湿等基本要素场资料， 预报效果可能会更好。另外， 方程建立有点值得注意：应以试算误差大小来确定各站检验值和 预报方程；由于各年温度变化特点不同， 预报效果有较大差别， 所以 “ 是 否 使 用 更 多的 月 资 料 样 本 建 立 的 方法预报效果会更好” 这一结论还需更长的样本资料和评估结果进行验证；随着资料积累、 动力延伸预报模式完善和 方法更新， 应不断补充资料更新完善 方程来提高预报效果。致谢： 感谢国家气象中心刘还珠研究员对本文的指导。参 考 文 献丁一汇， 刘一鸣， 宋永加， 等我国短期气候动力预测模式系统的研究及试验气候与环境研究， ，（）

24、： 丁一汇， 李清泉， 李维京， 等中国业务动力季节预报的进展气象学报， ， （） ： 李维京， 张培群， 李清泉， 等动力气候模式预测系统业务化及其应用应用气象学报， ， （ 增刊） ： 陈桂英， 黄嘉佑， 王会军现有短期气候预测方法的检验、 评估和集成研究短期气候监测、 预测、 服务综合业务系统的研制北京： 气象出版社， ： 李维京月动力延伸预报研究进展动力延伸预报研究（ 文集）北京： 气象出版社， 张道民， 纪立人动力延伸（ 月） 预报的季节变化和误差分析大气科学， ， （） ： 张培群， 丑纪范改进月延 伸 预 报 的 一 种方 法高 原 气象， ， （） ： 王娜， 方建月动力延伸预

25、报产品在陕西月降水预测中的释用气象科技， ， （） ： 陈廷芝月动力延伸预测与统计预测方法效果比较内蒙古气象， （） ： 周德平， 陈力强， 李辑动力延伸预报产品在辽宁短期气候预测中的释用气象与环境学报， ， （） ： 李维京， 陈丽娟动力延伸预报产品释用方法研究气象学报， ， （） ： 陈丽娟， 李维京月动力延伸预报产品的评估和解释应用应用气象学报， ， （） ： 张立祥， 陈力强， 刘文明， 等东北区夏季月降水数值产品释用预报方法应用气象学报， ， （） ： 陈丽娟， 李维京， 张培群， 等降尺度技术在月降水预报中的应用应用气象学报， ， （） ： 江双五， 田红， 陈丽娟动力延伸预报产品

26、释用方法的改进试验应用气象学报， ， （） ： 林纾， 陈丽娟， 陈彦山， 等动力延伸预报产品在西北地区月降水预测中的释用应用气象学报， ， （） ： 何慧， 金龙， 覃志年， 等动力延伸预报产品在广西月降水预报中的应用应用气象学报， ， （） ： 池俊成， 史印山 迭代模型的月动力延伸预报产品释用方法应用气象学报， ， （） ： 何慧， 欧艺， 覃志年动力延伸预报产品在广西月尺度降水滚动预测中的释用气象研究与应用， ， （） ： 王娜， 方建刚月动力延伸预报产品在陕西月降水预测中的释用气象科技， ， （） ： 刘还珠， 赵声蓉， 陆志善， 等国家气象中心气象要素的客观预报 系统应用气象学报，

27、 ， （） ： 陈豫英， 陈晓光， 马金仁， 等基于 模式的精细化 温度预报干旱气象， ， （） ： 陈豫英， 陈晓光， 马金仁， 等风的精细化 预报方法研究气象科学， ， （） ： 陈豫英， 陈晓光， 马筛艳， 等精细化 相对湿度预报方法研究气象科技， ， （） ： 李生艳， 高安宁广西中短期极端温度客观预报方法研究气象应用与研究， ， （） ： 潘家友， 李姜宏， 蒋冬雁横县温度客观预报研究气象研究与应用， ， （） ： 李昌义， 赵丛兰， 谭志华秋季中期变温客观预报的试验山东气象， ， （） ： 王建国， 李玉华， 耿波， 等客观预报中格点因子处理方法探讨气象， ， （） ： 徐士良 常

28、用算法程序集北京： 清华大学出版社， ： 朱乾根， 林锦瑞， 寿绍文天气学原理和方法北京： 气象出版社， 应用气象学报 第 卷 黄海洪， 董蕙青， 凌颖， 等南宁市夏季不同下垫面温度特征分析与预报研究气象科技， ， （） ： 宁夏气象局短期天气预报指导手册 黄嘉佑气象统计分析与预报方法北京： 气象出版社， 犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犕犗 犛犕 犲 狋 犺 狅 犱狅 狀犘 犲 狀 狋 犪 犱犕 犲 犪 狀犜 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲犘 狉 犲 犱 犻 犮 狋 犻 狅 狀犻 狀犇 狔 狀 犪 犿 犻 犮 犪 犾犈 狓 狋 犲 狀 犱 犲 犱犚 犪 狀 犵 犲 ）

29、 ） ） ） ） ）（犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔犳 狅 狉犕 犲 狋 犲 狅 狉 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾犇 犻 狊 犪 狊 狋 犲 狉犘 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犚 犲 犱 狌 犮 狋 犻 狅 狀狅 犳犖 犻 狀 犵 狓 犻 犪，犢 犻 狀 犮 犺 狌 犪 狀 ）（犖 犻 狀 犵 狓 犻 犪犕 犲 狋 犲 狅 狉 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾犗 犫 狊 犲 狉 狏 犪 狋 狅 狉 狔，犢 犻 狀 犮 犺 狌 犪 狀 ）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 ， （） ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； 犉 ； ； ， 犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊： ； ； ； 第期 陈豫英等： 方法在动力延伸期候平均气温预报中的应用