许贵阳1，杜俊霖1，杨强1，邹婧1，刘洪彦1
1.奉节气象局，重庆 奉节，404600
摘要：本文利用2011-2016年奉节本站及29个乡镇站的日最低和最高温度，在本站最低、最高温度预报准确率较稳定的情况下，用乡镇站和本站的变温同步性对乡镇站温度进行订正后，乡镇站最低温度的预报准确率（≤2℃）平均提高26.7%，和本站的预报准确率差距减小20.9%，最低温度平均绝对误差（TminABS）减小1.0℃；乡镇站最高温度的预报准确率（≤2℃）平均提高12.5%，和本站的预报准确率差距减小17.8%，最高温度平均绝对误差（TmaxABS）减小0.7℃。各乡镇站最低温度预报准确率均有提高；大部分乡镇站TminABS减小0.1℃～3.0℃。大部分乡镇站最高温度预报准确率提高3%以上；TmaxABS减小0.1～2.7℃。
关键词 温度 变温 预报准确率 平均绝对误差
引言
随着气象科学的进步和经济社会的发展，公众对天气预报的要求及气象服务的需求越来越高，对气象业务来说，精细化预报已经成为业务发展的必然趋势。高分辨率的数值模式是进行精细化预报的基础[1]。发展数值预报模式的释用订正技术，提高数值预报模式输出的气象要素预报水平，是开展精细化预报的重要环节[2]。对数值模式进行评估是评价模式预报水平和提高预报员预报水平的重要手段[3]。通过与一个基准站点的极值温度差值的日温差比来计算如何得到其他站点的精细化气温预报是可行的[4]。利用等差值方法做乡镇温度订正预报是可行的[5]。基于高分辨率的数值预报模式结果及其释用产品，美国等气象发达国家已建立了精细化格点预报业务系统。温度预报作为天气预报的重要组成部分，同样具有相当的研究意义。近几年来，我国也一直探索气象要素精细化格点预报业务的发展，为适应这一发展趋势，本文通过分析奉节本站与乡镇站点的历史气温资料，确定乡镇站点与本站的相关关系，进而对乡镇站点的温度预报进行订正，提供温度预报准确率。也将为重庆市开展精细化气象要素格点预报业务提供一定的技术参考。
当前业务中气温预报存在的问题：①只考虑了海拔高度的影响，未考虑实况订正和其它可能影响温度变化的因素，导致乡镇预报与实况相差较大；②精细化乡镇站较多，预报员逐站订正预报将浪费大量时间和精力；③预报员对乡镇站的气候背景熟悉程度不及奉节本站。因此，本文利用奉节本站最高、最低温度的历史实况资料，统计分析本站与各个乡镇站点之间的关系，再批量对各个乡镇站的温度预报进行订正，不仅能满足气象现代化关于气象要素预报精细化的要求，而且能大大减轻预报员的工作量。
奉节县位于重庆东北部，其北部为大巴山南麓的一部分，东部和南部为巫山和七曜山的一部分，长江横贯中部，山峦起伏，沟壑纵横。奉节境内以山地为主，山高谷深，海拔高度变化很大，受地形地貌影响，垂直变化较为明显，形成典型的立体气候。奉节县30个乡镇站的海拔高度分布极不均匀，位于200-1451m之间，其中1000m以上的站点有4个，和奉节本站（299.8m）海拔高度差在500m以上的站点有8个。复杂的地形环境和较大的海拔落差进一步增加了温度预报的难度。
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图1 奉节县地形高度图
1、资料和方法
1.1 资料
文中所用资料为奉节本站和29个乡镇预报气象考核站2011-2016年的逐日最高、最低温度资料；以及DEM25m分辨率原始高程数据。
1.2 方法
从2016年9月下旬起，拟用乡镇站和本站各自温度序列上的变温同步性来对乡镇做预报。
1.2.1 历史温度分析方法
为了检验该方法的适用性，首先利用2011-2016年奉节本站及29个乡镇站点当天的最高气温Tmax减去前一天的最高气温Tmax，分别得到奉节本站逐日的变温差ΔTmax，以及各个乡镇的逐日变温差ΔTmax(i)(i=1,2…,29)；再利用奉节本站ΔTmax分别减去各个乡镇站的ΔTmax(i) (i=1,2…,29)，得出奉节本站相对于各个乡镇站点逐日变温差的差值ΔTmax(i)’(i=1,2…,29)。此外，为保证数据的稳定性，根据各乡镇站温度变化的实际情况和经验对ΔTmax(i)’进行数据质控，具体方法如下：当乡镇站点与本站海拔高度(299.8m)差小于600m时，剔除ΔTmax(i)’在±6.0℃之外的异常值；当乡镇站点与本站海拔高度差大于600m时，剔除ΔTmax(i)’在±10.0℃之外的异常值。最低温度Tmin处理方法同Tmax相同。
1.2.1.1相关系数及显著性检验
图2给出了2011年～2016年奉节本站逐日最低气温变温差和最高气温变温差分别与各个乡镇最低气温变温差（a）和最高气温变温差（b）的相关系数。可以看出2011-2016年本站逐日最低气温变温差与各乡镇站逐日最低气温变温差的相关系数主要在0.75～0.90之间，最小为龙桥站0.60，最大为鱼复站0.95，平均相关系数为0.82；奉节本站与各乡镇站的最高气温变温差相关系数均大于0.70，最小为云雾0.74，最大为鱼复0.95，平均相关系数为0.89。各站质控后的逐日最低气温/最高气温变温差序列容量均大于1500，对应各乡镇站逐日最低/最高气温变温差均通过α=0.01的显著性检验（α=0.01，自由度n=1000时，相关系数Rc=0.081）。
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（a） （b）
图2 2011年～2016年奉节本站逐日最低气温变温差和最高气温变温差分别与各个乡镇站最低气温变温差（a）和最高气温变温差（b）的相关系数
1.2.1.2概率分布
为了进一步检验奉节本站与各个乡镇站点气温的变化情况。计算了2011年～2016年奉节本站最低气温变温差和最高气温变温差分别与各乡镇站的最低气温变温差和最高气温变温差在︱2︱℃的概率分布（图3），由图可知，全县的最低气温变温差在︱2︱℃的概率在63.7%～95.3%之间，最小为太和站，最大为新民站，平均概率达81.2%；最高气温变温差在︱2︱℃的概率主要在75%以上，最小为龙桥站66.9%，最大为永安站达99.4%，平均概率达89.3%。
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（a） （b）
图3 2011年～2016年奉节本站逐日最低气温变温差和最高气温变温差分别与各乡镇站最低气温变温差（a）和最高气温变温差（b）在︱2︱℃的概率分布
从奉节本站最低气温变温差和最高气温变温差分别与各乡镇站最低气温变温差和最高气温变温差的相关系数和︱2︱℃内的概率分布来看，和本站水平距离越近、海拔落差越小、地形差异越小，相关性越高、概率越大。这表明与影响温度差异性的主要因子相一致。
1.2.2实时温度预报方法
从1.2.1的分析表明，奉节本站变温差和各个乡镇站的变温差之间存在较高的相关性，并且计算方法简单易实现，这里将利用变温差来设计实时温度预报方案，具体如下：以最高温度为例，根据2011～2016年奉节本站最高气温变温差ΔTmax与各个乡镇站最高气温变温差ΔTmax(i)’序列(i=1,2…,29)，分别求出各乡镇站最高气温变温差全部为正时的平均值+(i=1,2…,29)和全部位负时的平均值-(i=1,2…,29)。设奉节本站预报时段最高温度相对于当天实况最高温度的变温为X；各乡镇站当天最高温度实况为Ni= Tmax（i），(i=1,2…,29)；各个乡镇站最高气温变温差参数为Mi=+-，(i=1,2…,29)。各乡镇站未来最高气温预报值为T(i)=Ni+X+Mi（i=1,2…,29）。受实际业务需求，奉节本站和各乡镇站当天最高气温一般用前一天21时至当天15时的最高温度代替。最低温度的预报方法与最高气温的相同，这里不再赘述。
一般情况，即：连晴、阴、雨，持续降温等未来48小时天气和当天天气差别不大时。例：当天奉节本站（前一天21时至当天15时）最高温度为35℃，某乡镇站的最高温度为30℃；本站24小时预报值为38℃，那么乡镇站1的24小时预报值=30+（38-35）+（+M1）；48小时的预报方法和24小时预报相同。
特殊情况，即：24小时天气和当天差别较大；48小时和24小时差别较大或48小时天气与24小时和当天差别都较大。主要指天空云量突变或转折性天气（如晴天转阴天、阴天转晴天、晴天转阴雨天气或雨天转晴等）。预报检验中发现上述情况下不同下垫面（裸地、草地、硬化地）[6]和不同海拔高度的站点有较大的差别。特殊情况下的温度预报有两种预报方法：Ⅰ、站点最高温度预报值Ti=Ni+X+Mi（i=1,2…,29）+ 特定种类该站点温度补偿值。Ⅱ、找（一段时间内）相似天气日的温度实况按1.2.2中一般情况的预报方法来预报乡镇站最高温度。当某些站点出现Ⅰ和Ⅱ预报的温度值差距较大时，可根据实况适当订正。以上预报24小时和48小时可分别选取不同的实况基础数据。
最低温度的预报方法同最高温度。
2.结果分析
2.1 整体检验
本段引用重庆市气象要素预报一体化平台2016年1月至2017年9月（共21月）质量考核数据（所有检验数据均为24小时的预报检验），从表1、表2来看，本站最低准确率在80%以下的只有3个月，最低为71%；最高为100%，平均为87.3%；最高准确率均在50%以上，平均得分率为70.0%。最低、最高准确率均较高且较稳定，具有相当的参考性。特别说明：2016年1月至2016年9月（以下简称前9月，预报方式为代表站点下推），2016年10月至2017年9月（以下简称后12月，预报方式为预报软件下推）。
2.1.1 最低2℃准确率、TminABS及乡镇站和本站之差
由表1可知，前9月最低准确率为(2016年1月)37.6%，最高为（2016年4月）63.5%，且60%以上的只有3个月，平均准确率为49.7%。后12月最低准确率为（2016年11月）64.6%，最高为（2017年8月）91.0%，80%以上的有5个月，平均准确率达76.4%。逐月乡镇站和本站准确率差距前后两段差距明显，前9月准确率之差在-24.0%～-51.2%，后12月准确率之差在-5.1%～-22.6%；平均差值从前9月的-34.3%减小至后12月的-13.4%。预报和实况误差绝对值TminABS来看，本站TminABS比较稳定，维持在1.0℃附近。前9月的乡镇站最高误差为（2016年1月）3.5℃，平均误差为2.5℃；后12月后均在2.0℃以下,平均误差为1.5℃。
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2.1.2 最高2℃准确率、TmaxABS及乡镇站和本站之差
表2可知，最高温度准确率前9月平均准确率为45.4%，最低为42.4%，最高为51.3%；后12月平均准确率为57.9%，最低为47%，最高达72%，且50%以下的只有一个月。逐月乡镇站和本站最高温度准确率差距前后两段差距明显，从前9月平均差值-27.3%减小至后12月的-9.5%。预报和实况误差绝对值TmaxABS本站主要集中在1.1～2.0℃之间，平均值为1.7℃。乡镇站前9月基本在2.6℃以上，平均值为2.9℃；后12月基本在2.4℃以下，平均值为2.2℃。逐月乡镇站和本站TmaxABS差距前后两段差距明显,从前9月平均差值-1.2℃减小至后12月的-0.5℃。
表
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总体来看，在本站最低、最高温度预报准确率较稳定的情况下，乡镇站最低温度后12月较前9月准确率平均提高26.7%，和本站的准确率差距减小20.9%，平均绝对误差减小1.0℃。乡镇站最高温度后12月较前9月准确率平均提高12.5%；和本站的准确率差距减小17.8%，平均绝对误差减小0.7℃。
2.2 站点检验
2.2.1 乡镇最低温度2℃准确率、TminABS及乡镇站和本站准确率之差
前9月各站最低温度2℃准确率（图略）主要在40%～70%，最高为公平站78.1%，最低为长安站5.6%，各站平均值为50.0%。后12月各站准确率集中于70%～80%，五马站、永安站最高均为82.9%，距本站较远、海拔落差较大的龙桥、太和、云雾均小于70%，最低为云雾63.5%，各站平均值为76.6%。后12月较前9月各站均有提高，最小幅度为甲高站1.3%，最大为长安站71.5%。前9月TminABS各站主要在2.0℃附近，最大为长安6.7℃，最小为公平站1.3℃，整体平均值为2.5℃。后12月各站ABS均在1.2～2.0℃之间，整体平均值为1.5℃。后12月较前9月TminABS,除甲高站持平，新民略增0.1℃外，其余大部站点减小0.1℃～3.0℃，长安减小5.2℃。
2.2.2 乡镇最高温度2℃准确率、TmaxABS及乡镇站和本站之差
前9月各站最高温度2℃准确率(图略)主要在40%～60%，最高为草堂站65.1%，最低为长安站5.2%，各站平均值为45.4%。后12月各站准确率集中于55%～60%，安坪站、草堂站最高均为63.5%，最低为平安站51.9%，各站平均值为57.7%。后12月较前9月大部分站点提高3%以上，其中最大为鱼复站50.5%；5个站点略有下降，最大降幅为吐祥站-1.5%。前9月TmaxABS各站主要在2.0℃附近，最大为长安6.7℃，最小为公平站1.3℃，整体平均值为2.5℃。后12月各站ABS均在1.2～2.0℃之间，整体平均值为1.5℃。后12月较前9月TmaxABS，除永安、草堂、大树、青龙、鹤峰5站持平，康乐、朱衣2站分别略增0.1℃和0.2℃外；其余大部份站点减小0.1～2.7℃，长安减小5.6℃。
后12月较前9月各站最低2℃准确率均有提高，最小幅度为甲高站1.3%，最大为长安站71.5%，整体平均提高26.6%；大部站点TminABS减小0.1℃～3.0℃，长安站减小5.2℃；整体减小1.0℃。最高2℃准确率后12月较前9月，大部分站点提高3%以上，其中最大为鱼复站50.5%，整体平均提高12.3%。后12月较前9月TmaxABS，大部份站点减小0.1-2.7℃，长安减小5.6℃；后12月较前9月TmaxABS减小0.7℃。
3 结论
（1）在本站最低、最高温度预报准确率较稳定的情况下，乡镇站最低温度后12月较前9月准确率平均提高26.7%，和本站的准确率差距减小20.9%，平均绝对误差减小1.0℃。后12月较前9月乡镇站最高温度准确率平均提高12.5%；和本站的准确率差距减小17.8%，平均绝对误差减小0.7℃。
（2）后12月较前9月各站最低2℃准确率均有提高，最小幅度为甲高站1.3%；大部站点TminABS减小0.1℃～3.0℃。最高2℃准确率后12月较前9月，大部分站点提高3%以上；后12月较前9月TmaxABS，大部份站点减小0.1～2.7℃。
4 讨论
（1）提高乡镇预报水平主要途径：除正确的预报方法外，乡镇站下垫面、站点周边环境和本站需尽量保持一致，站点故障或数据异常的需及时维修维护。
（2）创新点：利用乡镇站和本站的变温同步性预报各个乡镇的气温，将大大的减小下垫面、海拔高度和站点阴阳坡等对气温的影响。
致谢：感谢重庆市气象台翟丹华高工在资料和方法设计方面给予的支持和帮助。
参考文献
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作者简介：许贵阳（1986.04）男，汉族，重庆市万盛区人，大学本科，工程师，从事研究方向或职业：天气预报、气象服务、农业气象等。