河北省智能網(wǎng)格預(yù)報在張家口最高、最低氣溫中的檢驗

郭旭暉，石文伯，張曦丹

（張家口市氣象局，河北張家口 075000）

智能網(wǎng)格預(yù)報作為適應(yīng)當(dāng)前信息技術(shù)快速發(fā)展，滿足人民群眾日益增長的氣象預(yù)報服務(wù)需求的技術(shù)方法正成為國內(nèi)氣象部門的研究熱點(diǎn)。中國氣象局提出了構(gòu)建智慧氣象、改進(jìn)氣象服務(wù)供給的氣象現(xiàn)代化目標(biāo)，編織更高分辨率、更高準(zhǔn)確率、更高更新頻率和更敏捷適應(yīng)需求的智能網(wǎng)格預(yù)報“一張網(wǎng)”。自2019 年起，河北省正式下發(fā)的72 h 內(nèi)分辨率為1 h、經(jīng)緯度分辨率為0.01°的高時空分辨率的智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品，成了提供精細(xì)化預(yù)報服務(wù)的數(shù)據(jù)支撐。智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品的核心是利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，提高多源氣象數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用能力、預(yù)警預(yù)報關(guān)鍵信息的綜合提煉能力、預(yù)報技術(shù)的自主積累能力、預(yù)報與服務(wù)需求的雙向互動能力，全面提升氣象預(yù)報客觀化、精準(zhǔn)化、智能化水平。隨著省局對智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品業(yè)務(wù)化的推進(jìn)，智能網(wǎng)格預(yù)報的結(jié)果也需要進(jìn)行大量的檢驗工作以適應(yīng)本地預(yù)報服務(wù)需求，通過預(yù)報檢驗改進(jìn)本地預(yù)報方法以提高預(yù)報準(zhǔn)確性，并逐步將智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品應(yīng)用到本地區(qū)的精細(xì)化預(yù)報中，為做好專業(yè)化氣象服務(wù)打下基礎(chǔ)。

1 研究內(nèi)容及主要方法

通過對2020 年7 月到2021 年7 月河北省最高、最低氣溫智能網(wǎng)格24 h 預(yù)報及實況數(shù)據(jù)，按“鄰近距離最短優(yōu)先原則”，讀取張家口市14 個國家站和18 個冬奧區(qū)域站智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品，運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)方法對智能網(wǎng)格預(yù)報進(jìn)行預(yù)報準(zhǔn)確率及誤差分析。同時選取天氣個例分析最高、最低氣溫格點(diǎn)預(yù)報在重大天氣過程中的預(yù)報表現(xiàn)。

2 最高、最低氣溫準(zhǔn)確率分析

以溫度預(yù)報絕對誤差上下浮動2 ℃以內(nèi)（包含2 ℃）作為預(yù)報正確標(biāo)準(zhǔn)，對32 個氣象觀測站的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行檢驗。

2.1 逐月檢驗

統(tǒng)計13 個月國家站與區(qū)域站格點(diǎn)預(yù)報與實況數(shù)據(jù)得知（圖1），國家站與區(qū)域站最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率都整體呈上升趨勢，但夏季和冬季最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率相對較低，國家站不到60%、區(qū)域站不到50%。國家站最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率高于區(qū)域站，國家站、區(qū)域站最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率分別為64.2%、52.4%。11 月最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)檢驗時段內(nèi)最低（國家站54.2%、區(qū)域站38.6%），分析原因可能是11 月冷空氣活動較頻繁，風(fēng)力較大，對氣溫預(yù)報影響較大；國家站4 月最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)檢驗時段內(nèi)最高，為78.4%，區(qū)域站7 月最高為61.2%；最高氣溫預(yù)報在春秋具有較好的指導(dǎo)意義。國家站最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率經(jīng)歷高-低-高的過程，呈冬季較低，夏季較高的趨勢；區(qū)域站最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率整體呈上升趨勢，同時也呈現(xiàn)冬季較低，夏季較高的趨勢。國家站最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率低于區(qū)域站，國家站、區(qū)域站最低氣溫平均準(zhǔn)確率分別為49.7%、53.3%。國家站2 月最低氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)檢驗時段內(nèi)最低，為40.5%，8 月最高為65.9%，區(qū)域站11 月最低為40.9%，2021 年7 月最高為65.2%。最低氣溫預(yù)報在夏季具有較好的指導(dǎo)意義。

圖1 最高、最低氣溫逐月預(yù)報準(zhǔn)確率

2.2 分站檢驗

從國家站和區(qū)域站最高、最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率來看（圖2），國家站最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率在55%～70%，涿鹿最高為68.5%、萬全最低為57.8%；最低氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率在45%～55%，張北最高為54.3%、尚義最低為45.18%。壩上（康保、沽源、尚義和張北）平均氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率（64.3%）略高于壩下（63.0%）。冬奧區(qū)域站最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率在50%～57%，最低氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率在50%～55%。云頂、冬兩、越野和太舞最高氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率分別為52.0%、52.9%、52.7%和51.5%，最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率相差不大。云頂、冬兩、越野和太舞最低氣溫平均預(yù)報準(zhǔn)確率分別為54.1%、52.7%、52.1%和52.9%，最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率云頂較好。

圖2 國家站和區(qū)域站最高、最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率

3 誤差評估

誤差是一個量的預(yù)測值或計算值與其真值之差，能反映預(yù)測值誤差的實際情況。誤差為正，表明預(yù)測結(jié)果偏高；反之，偏低。

檢驗時段內(nèi)，國家站最高、最低氣溫格點(diǎn)預(yù)報整體良好，平均誤差在-1～1 ℃；最高氣溫預(yù)報誤差低于最低氣溫預(yù)報誤差，且最高氣溫預(yù)報值偏高，最低氣溫預(yù)報值偏低；2021 年1 月、2 月、3 月和4 月最低預(yù)報平均誤差達(dá)-2 ℃，其余時段預(yù)報平均誤差較小，且最高氣溫預(yù)報值偏高，最低氣溫預(yù)報值偏低。冬奧區(qū)域站最高、最低格點(diǎn)預(yù)報平均誤差整體呈下降趨勢（圖3）。河北省智能網(wǎng)格對最高氣溫預(yù)報的指導(dǎo)高于對最低氣溫預(yù)報的指導(dǎo)。

圖3 國家站和區(qū)域站最高、最低氣溫預(yù)報誤差

4 典型個例分析

4.1 降水

選取了2020 年8 月12 日強(qiáng)降水和2021 年6 月8 日弱降水天氣過程進(jìn)行最高、最低氣溫預(yù)報檢驗。

分析2 次過程可以看出（圖4），2020 年8 月12 日最高、最低氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率均為28.6%；最高、最低氣溫預(yù)報平均誤差分別為2.78 ℃、2.59 ℃。最高氣溫張家口、沽源、崇禮和陽原預(yù)報較好、誤差小于2℃，尚義、涿鹿預(yù)報較差、誤差達(dá)6 ℃以上。最低氣溫張家口、康保、赤城和懷來預(yù)報較好、誤差小于2 ℃，涿鹿預(yù)報較差，誤差達(dá)5 ℃以上。此次過程智能網(wǎng)格產(chǎn)品對張家口城區(qū)溫度預(yù)報具有較好的指導(dǎo)意義。2021 年6 月8 日最高、最低氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率為85.7%、78.6%，最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率高于最低氣溫；最高、最低氣溫預(yù)報誤差分別為-0.16 ℃、1.25 ℃，沽源、萬全最低氣溫預(yù)報誤差在4 ℃左右，其余地區(qū)誤差值在2 ℃以內(nèi)。此次過程智能網(wǎng)格產(chǎn)品對張家口地區(qū)溫度預(yù)報具有較好的指導(dǎo)意義。

圖4 2020 年8 月12 日和2021 年6 月8 日最高、最低氣溫預(yù)報誤差

分析表明，弱降水時段格點(diǎn)預(yù)報最高、最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較高，而在較大過程降水時段智能網(wǎng)格溫度預(yù)報準(zhǔn)確率較差。

4.2 降雪

選取了2021 年2 月27—3 月1 日降雪天氣過程進(jìn)行最高、最低氣溫預(yù)報檢驗。

2 月27 日最高、最低氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率為64.3%、35.7%，2 月28 日最高、最低氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率為42.9%、21.4%。27 日過程開始前，最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較高，降水時段最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率有所下降；最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較低。27 日最高、最低氣溫預(yù)報誤差分別為0.09 ℃、-1.62 ℃；28 日最高、最低氣溫預(yù)報誤差分別為1.48 ℃、-3.34 ℃；最高氣溫預(yù)報值偏高，最低氣溫預(yù)報值偏低（圖5）。

圖5 2021 年2 月27—28 日最高、最低氣溫預(yù)報誤差

分析表明，降雪過程格點(diǎn)最高預(yù)報準(zhǔn)確率較高，最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較差，且在降雪較大時段智能網(wǎng)格溫度預(yù)報準(zhǔn)確率有所下降。

4.3 寒潮、大風(fēng)

選取了2021 年1 月5—7 日大風(fēng)天氣過程進(jìn)行最高、最低氣溫預(yù)報檢驗。

1 月5—7 日過程期間最高氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率可達(dá)85.7%，最低氣溫預(yù)報平均準(zhǔn)確率3 天分別為35.7%、42.9%、7.1%。從預(yù)報準(zhǔn)確率可以看出最低氣溫預(yù)報較差，因此選取3 天最低氣溫格點(diǎn)預(yù)報進(jìn)行誤差分析（圖6），最低氣溫3 天相預(yù)報誤差分別為-2.61 ℃、-1.64 ℃、-4.40 ℃，最低氣溫預(yù)報值與實況值相比偏低。

圖6 2021 年1 月5—7 日最低氣溫預(yù)報誤差

在寒潮天氣過程中，最高氣溫預(yù)報具有較好的指導(dǎo)意義，平均準(zhǔn)確率可達(dá)70%以上；最低氣溫預(yù)報值準(zhǔn)確率較低，平均準(zhǔn)確率不到50%，誤差較大，平均誤差可達(dá)3 ℃以上，且預(yù)報值相比于實況值偏低。

5 結(jié)論

1）國家站最高、最低氣溫格點(diǎn)預(yù)報平均準(zhǔn)確率為64.2%、49.7%，最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率高于最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率，最高氣溫格點(diǎn)預(yù)報準(zhǔn)確率均超過50%，壩上略高于壩下，涿鹿最高，萬全最低；最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較差，一半站點(diǎn)預(yù)報準(zhǔn)確率不到50%。

2）國家站預(yù)報準(zhǔn)確率高于區(qū)域站，且預(yù)報準(zhǔn)確率總體呈上升趨勢；國家站最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率略低于區(qū)域站，預(yù)報準(zhǔn)確率呈冬季差夏季優(yōu)趨勢。

3）國家站最高、最低氣溫格點(diǎn)預(yù)報整體良好，平均誤差在-1～1 ℃；最高氣溫預(yù)報誤差低于最低氣溫預(yù)報誤差，2021 年1 月、2 月、3 月最低平均誤差達(dá)-2 ℃，其余時段預(yù)報平均誤差較小，且最高氣溫預(yù)報值偏高，最低氣溫預(yù)報值偏低。

4）冬奧區(qū)域站最高、最低氣溫格點(diǎn)預(yù)報平均誤差整體呈下降趨勢。

5）重大天氣過程時段最高、最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較差，格點(diǎn)預(yù)報誤差較大，智能網(wǎng)格最高、最低氣溫預(yù)報指導(dǎo)意義不足。