玛依热·艾海提，希热娜依·铁里瓦尔地，杨利鸿

（喀什地区气象局，新疆 喀什 844000）

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对天气预报的关注度也明显提升。 公众对气温预报的精准度有了更高的要求。 精细化天气预报成为全球预报业务发展的总趋势， 中国气象事业发展战略把精细化天气预报业务列为改革的重点发展方向之一[1]。 数值预报技术的快速发展、预报精度的不断提高，给精细化天气预报提供了重要的科技支撑。南疆西部位于塔克拉玛干沙漠西缘，三面环山，东部为一望无垠的塔克拉玛干沙漠， 平原地区属暖温带大陆性干旱气候，而山区属于高原山区气候。由于南疆西部特殊地形，山区及非山区气温分布差异较大，温度变率较大，导致模式预报误差不均衡，为了更好地释用数值预报产品，必须对其预报效果进行检验，为精准预报提供订正的依据[2-3]。 因此许多气象科技工作者在数值预报的检验方面做了大量的工作[4—11]。曲巧娜等[12]对包括T639、EC-thin 在内的多模式对山东省降水预报进行检验， 得出EC-thin 预报效果较其他模式较好、漏报率较小。 贾丽红等[13]对T639模式产品对新疆影响系统预报性能研究发现，48 h以内的预报能力非常好。 关于ECMWF 细网格温度预报检验，陈海凤等[14]对贵阳地区的预报检验发现，升温时的预报准确率高于降温时的预报准确率；刘春风等[15]对新疆周边地区预报效果检验发现，预报误差在南疆盆地最小、蒙古国西部最大；祁丽燕等[16]研究得出，不同季节、不同天气形势下的高、低温预报性能差异明显， 地理区域不同预报性能差别也较大；张超等[17]检验发现对乌鲁木齐市温度预报准确率要高于国家气象中心下发的指导预报， 随着预报时效延长，优势更明显；万明等[18]指出对江西省区域自动站的预报准确率受地形影响较大， 山区及丘陵站预报准确率比平原地区明显偏低。 这些研究工作对于数值预报使用技术提供了较好的思路和方法，值得学习与借鉴， 但是在南疆西部并没有对该产品进行过系统的检验。由于最高、最低气温的预报准确率在春秋季对初霜期与终霜期、 开春期与入冬期等预报非常重要， 此种情形下找出数值预报产品与实况之间的偏差，从而提高南疆西部最高、最低气温的预报准确率是非常必要的。

本文对2016 年1 月—2018 年12 月ECMWF细网格模式2 m 温度在南疆西部预报效果进行了检验评估， 以期得出ECMWF 模式温度预报产品在南疆西部的预报中存在的问题， 为以后的温度精准预报提供参考依据。

1 数据资料与检验方法

数据考虑到实况资料的连续性和可靠性， 本文选取喀什地区、 克州12 个国家站与15 个区域自动站共27 个站2016 年1 月—2018 年12 月逐日最高、 最低气温实况资料。 以海拔高度2 000 m 为分界，将塔什库尔干县及乌恰县境内的4 个站（塔什库尔干、红其拉甫、乌恰、吐尔尕特）作为山区站来分析，其他23 个站作为非山区站来分析（图1）。

图1 喀什地区、克州地形及27 个气象站点分布

ECMWF 细网格模式2 m 温度预报资料使用2016 年1 月—2018 年12 月共3 a 的预报产品，空间分辨率为0.125°×0.125°，时间分辨率为3 h，预报格点资料用三次多项式差值方法内插到站点。 针对每日20 时起报未来24～48 h 的温度预报资料进行检验，从预报时效内的8 个时次数据中选取最高、最低与第二天的实况最高、最低值做对比。检验样本数共8 007 个。

对南疆西部27 个站ECMWF 细网格模式2 m温度预报值，按月、季、天气类型分别进行平均误差、平均绝对误差、均方根误差及预报准确率等检验，在统计检验中平均误差、平均绝对误差、均方根误差的误差值太大， 其离散度就高， 只有3 种误差均较小时，模式预报才有意义。 平均误差TE、平均绝对误差TMAE、 均方根误差TRMSE和预报准确率TTK计算公式如下：

2 预报检验结果与分析

2.1 高、低温预报区域性检验

2.1.1 年预报准确率

根据中国气象局对各省、地（市）气象台的考核标准， 用误差绝对值在2 ℃以内作为温度预报准确率的阈值。

分析各站的预报准确率的情况（图2） 可以看出，非山区站的最高、最低气温预报准确率≤60%，最高气温预报能力略高于最低气温，1/3 以上参考站最高气温预报准确率≥50%。 英吉沙、麦盖提、泽普、莎车、疏附、伽师、巴楚、牙甫泉镇、阿克萨克马热勒乡、巴依阿瓦提乡等站最高气温预报准确率≥50%，英吉沙县最高气温预报准确率最高，为59.5%。英吉沙、泽普、喀什市、克孜勒乡、棋盘乡等站最低气温预报准确率≥50%，英吉沙县准确率最高为57.7%。 山区站的预报准确率非常低， 最高气温预报准确率在1.4%～18.8%， 乌恰县最高气温预报准确率为18.8%；最低气温预报准确率在1%～22.8%，塔什库尔干县最低气温预报准确率为22.8%。 针对山区站预报准确率很低的原因进行分析， 由于南疆西部山区的海拔高度均高于2 000 m，吐尔尕特站海拔高度最高达3 504.4 m，通过差值方法将模式格点预报值差值到站点上，对高山站的误差值会较大，同时山区受到太阳辐射后温度变化跟平原差异较大， 造成数值模式预报对山区站的预报准确率较低。 可见，ECMWF 细网格模式2 m 温度预报对南疆西部山区的最高、最低气温预报缺乏参考意义，而对非山区站的最高、最低气温的预报有一定的参考意义。

图2 2016—2018 年ECMWF 细网格2 m 温度对南疆西部预报误差的绝对值≤2 ℃准确率区域分布

2.1.2 年预报误差

ECMWF 细网格模式2 m 温度预报产品在南疆西部的预报误差见图3。 检验模式预报对不同站点的平均误差、平均绝对误差和均方根误差，其中平均误差能够量化预报和实况之间的平均偏差， 也是模式预报的系统误差。 平均绝对误差能够量化预报与实况的总体偏差程度。 均方根误差代表模式预报相对实况的绝对偏差程度， 平均绝对误差与均方根误差结合一起分析可以判断模式的预报效果。

从图3 a 可看出，除乌恰、吐尔尕特（偏北山区站）最高气温平均误差为正误差外，其他站点均为负误差， 其中塔什库尔干及红其拉普误差超过-5 ℃，即模式对北部山区预报明显偏高、 对南部山区预报明显偏低，平均绝对误差均＞3 ℃、山区站的平均绝对误差均＞5 ℃，均方根误差则均＞4 ℃、山区站误差则均＞6 ℃，英吉沙平均绝对误差、均方根误差最小，偏离实况的程度最小，山区站偏离实况较严重。从图3b 可知，红其拉甫、伽师大峡谷等最低气温平均误差为负误差最大，卡尔苏、乌恰、吐尔尕特站平均误差为正误差最大，吐尔尕特最大正误差达9.6 ℃，说明上述站点预报较实况明显偏高， 全区平均绝对误差、均方根误差分别＞2、3 ℃，山区站误差均＞5 ℃，说明山区站预报较实况偏高幅度大，吐尔尕特站误差在10 ℃左右，误差最大。 非山区站中巴楚、伽师等平均误差均在2 ℃左右，平均绝对误差及均方根误差分别在3、4 ℃左右， 即预报偏高误差且偏离实况程度较大，英吉沙平均误差最小为0.1 ℃，平均绝对误差、 均方根误差最小分别为2.4、3.2 ℃。由此得出， 全年模式最低气温预报对北部山区预报明显偏高、对南部山区预报明显偏低，平原地区最低气温预报普遍偏低， 模式最高气温山区站预报明显偏高，大部平原站最高气温预报略偏高，其中模式对英吉沙的最高、最低气温预报能力较好，偏离实况程度较小。

图3 2016—2018 年ECMWF 细网格2 m 温度在南疆西部27 个自动站的平均误差、平均绝对误差、均方根误差

2.2 高、低温预报季度检验

2.2.1 各季温度预报准确率

为了便于统计分析， 采用3—5 月为春季，6—8月为夏季，9—11 月为秋季，12 月—次年2 月为冬季。 重点分析ECMWF 细网格模式2 m 温度未来24 h 预报产品各季预报准确率，发现有明显的季节变化，夏季预报准确率高出冬季10%。 最高、最低气温准确率均在夏季最高，分别达68.6%、58.6%，秋季最低，分别为57.6%、44.2%。最高气温预报准确率全年均高出同季节最低气温预报准确率7%～13%。

2.2.2 各季误差检验

四季最高气温平均误差在-0.3～-1.5 ℃，模式预报普遍比实况值偏低，而最低气温平均误差在0.3～1.7 ℃，模式预报比实况值偏高。最高气温在春、夏季偏离实况程度较小，平均绝对误差在2 ℃以内，秋、冬季偏离程度相当。 最低气温平均绝对误差在春季最低，为2.3 ℃，最低气温预报在四季偏离实况程度高于同季节最高气温预报。

2.3 高、低温预报逐月检验

通过对南疆西部预报准确率的检验， 发现ECMWF 细网格对南疆西部的山区站预报准确率极低，因此高、低温预报逐月误差检验将非山区站及山区站分开进行检验并解释应用。

2.3.1 预报准确率检验

从图4 中可以看出， 非山区站最高气温预报准确率在6 月最高，达78%，而在11 月准确率最低为44.4%。1—10 月预报准确率＞60%，11—12 月准确率在45%左右； 最低气温预报7—8 月准确率高于60%，8 月最高，为69.6%，1、6、10、11 月预报准确率均低于50%，11 月最低，为37.6%。 最高气温预报准确率明显好于最低气温。

图4 2016—2018 年ECMWF 细网格2 m 温度对南疆西部非山区最高、最低气温逐月预报准确率

全年平均气温检验除了11 月平均气温准确率最低为41%以外，其他月份准确率均＞50%，4—8 月准确率均在60%以上，8 月准确率高于其他月，达到64.7%。最高气温2 月、4—7 月的预报准确率在70%左右，最低气温7—8 月预报准确率在60%左右，预报工作中可依此进行取舍。

2.3.2 误差检验

图5 为模式未来24 h 的最高、最低气温的预报误差。分别检验模式预报对非山区站、山区站的平均误差、平均绝对误差和均方根误差。非山区站最高气温平均误差1—8 月在0 ℃左右（图5a），5、6 月为正误差， 其他月份为负误差， 即预报偏低误差，9—12月平均误差在1～2 ℃，其中11 月误差最大，为-1.9 ℃。非山区站平均绝对误差1—10 月均在2 ℃以内，其中6 月误差最小，为1.4 ℃，均方根误差为4 ℃、6 月误差最小，为1.8 ℃，说明6 月预报偏离实况的程度最小，11—12 月偏离程度最大，平均绝对误差、均方根误差分别为2.6、3.5 ℃。

非山区站最低气温平均误差呈现三谷型（图5b），2、8、12 月为3 个低值，偏离值分别为-0.4、1.1、0.7 ℃，除2—3 月是负误差外，其他月均为正误差，其中6、11 月平均误差最大，均为2.2 ℃。 平均绝对误差除了8 月为1.6 ℃外，其他月份在2～3 ℃，11 月平均绝对误差最大，为2.9 ℃，均方根误差全年在2～4 ℃，8 月误差最小为2.2 ℃，3、11 月误差最大分别为3.9、3.4 ℃， 即8 月预报较实况偏离程度最小、11月偏离程度最大。

山区最高气温平均误差除了2 月为0.1 ℃正误差以外，其他月均为负误差，误差范围在-0.3～-2.4 ℃（图5c）。 平均绝对误差≥5 ℃， 均方根误差≥5.5 ℃， 说明模式对山区最高气温预报明显偏低。山区最低气温平均误差均为正误差，误差范围在1.1～5.5 ℃（图5d），其中12 月误差超过5 ℃，平均绝对误差全年≥5 ℃，均方根误差则全年≥6 ℃，偏离实况程度很大， 最低气温预报比实况明显偏高。ECMWF 细网格模式2 m 温度产品对南疆西部非山区站的预报有一定的指导意义， 山区站最高气温预报比实况明显偏低，最低气温预报较实况明显偏高。

图5 2016—2018 年ECMWF 细网格2 m 温度逐月平均误差、平均绝对误差、均方根误差分析

2.4 典型天气过程温度检验

在平常的预报工作中， 预报员对稳定少变的天气比较容易把握， 而转折性天气出现时的剧烈气温变化往往成为温度预报的难点[19-20]。 结合南疆西部本地气候特点和预报难点，选取2016 年1 月—2018年12 月降雨、降雪、大风/沙尘、高温等4 种天气类型（表1），分析4 类天气发生时期，模式的温度预报效果。

表1 2016—2018 年选取的复杂天气类型标准及预报准确率

由表1 可知，降雪、高温时模式对最高气温的预报准确率分别为73.5%、75.2%， 明显高于最低气温预报准确率。降雨时恰好相反，最低气温预报准确率为73.3%，比最高气温预报准确率高出14.2%。 在4类天气中，大风/沙尘预报准确率最低，最高、最低温度预报准确率分别为61%、53%，ECMWF 模式2 m温度产品受大风/沙尘影响最大。 大风/沙尘天气下能见度往往较低，冷空气侵入影响温度变化的同时，沙尘密布的空气影响太阳辐射加热升温或者地表长波辐射降温，对气温变化影响较大。

通过绘制4 类不同天气形势下模式最高、 最低气温预报误差（预报值与实况值之差） 箱线图（图6），对模式在复杂天气下的预报性能进行检验。降雨时（图6a）叶城最高气温预报偏高2 ℃，其他站偏低1 ℃左右；最低气温预报喀什、英吉沙持平，其他站偏高1～2 ℃。 降雪时（图6b）最高气温预报伽师、叶城、泽普持平，喀什偏低2 ℃；最低气温预报喀什、英吉沙预报误差较大，为-3～-5 ℃，叶城偏低2 ℃，巴楚偏高1 ℃，其他站持平。大风/沙尘天气（图6 c）叶城最高气温预报偏高1 ℃左右，伽师、莎车、泽普持平，其他站平均偏低1～2 ℃；最低气温预报喀什、英吉沙偏低1 ℃，巴楚偏高1 ℃，其他站基本持平。 高温事件（图6d） 中最高气温预报叶城偏高3 ℃，伽师、喀什偏高1 ℃，其他站基本持平；最低气温预报伽师、巴楚、岳普湖、叶城、麦盖提偏高3～4 ℃，其他站偏高1～2 ℃。 ECMWF 模式对于降雨、大风/沙尘天气最高气温除了叶城预报偏高，其他站预报易偏低，降雪时最高气温预报偏低， 副高影响下的高温事件预报偏高；降雨、高温天气最低气温预报易偏高，降雪时最低气温预报易偏低，大风/沙尘天气最低气温预报偏东地区偏高、偏北地区偏低。降雨、大风/沙尘天气时各站出现的异常值较多，预报效果不太稳定。降雪、高温时预报比较稳定。因此在这些天气类型下使用ECMWF 模式产品预报最高、 最低气温时需要做相应订正。

图6 4 种天气类型下模式最高、最低温度预报误差箱线图

3 结论

对南疆西部2016—2018 年ECMWF 模式最高、最低气温预报效果进行了检验并解释应用， 得出如下结论：

（1）ECMWF 细网格模式2 m 温度预报对南疆西部非山区站的最高、 最低气温预报准确率均在60%以下，最高气温预报准确率高于最低气温。最高气温预报偏低，最低气温预报略偏高。模式对英吉沙的气温预报准确率最好。 山区站的预报准确率非常低，最高、最低气温预报准确率基本在20%以下。

（2）模式预报准确率有明显的季节变化，夏季预报准确率高于冬季。夏季预报气温准确率最高，秋季最低。四季最高气温预报普遍偏低，而最低气温预报偏高。 最高、最低气温均在春、夏季偏离实况程度较小，平均绝对误差在2 ℃左右，最低气温预报在四季偏离实况程度高于同季节最高气温预报。

（3）模式最高气温1—10 月预报准确率较高，在60%以上，6 月最高气温预报准确率最高， 达78%，11 月准确率最低。11—12 月模式预报偏离实况程度较明显。最低气温预报准确率8 月最高，11 月最低。

（4）不同天气类型下ECMWF 模式2 m 气温预报对最高气温预报性能好于最低气温。降雪、高温天气最高气温预报准确率较高； 降雨天气最低气温预报准确率最高，高温天气最低气温预报准确率最低。模式对于降雨、降雪、大风/沙尘天气最高气温预报偏低，高温事件中最高气温预报偏高；降雨、高温天气最低气温预报偏高，降雪时最低气温预报偏低，大风/沙尘天气最低气温预报偏东地区偏高、偏北地区偏低。降雪、高温天气预报相对降雨、大风/沙尘天气预报效果更稳定。 出现这些天气时使用ECMWF 模式2 m 气温预报产品时需要做相应订正。