基于统计降尺度的中国高温和热浪中短期预报.pdf

第 卷 第 期 年 月南昌工程学院学报 收稿日期：基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目（）作者简介：徐文浩（），男，硕士生，通信作者：吴立峰（），男，博士，讲师，文章编号：（）基于统计降尺度的中国高温和热浪中短期预报徐文浩，吴立峰（昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 ；南昌工程学院 水利与生态工程学院，江西 南昌 ）摘要：基于中国 个气象站 年 年日最高温度数据，以 的第二代全球集合预报系统提供的 天气预报日最高温度数据以等距累积分布函数匹配（）法进行降尺度后作为预报值，统计分析这 年的高温和热浪情况，将气象站点实测值和预报值进行比较，对站点年高温日次数和年热浪发生频率的预报进行适用性评价。结果表明，通过对年高温日次数和年热浪频率的拟合，相关系数 分别超过了 和 ；但有些站点由于所处的地理环境，没有高温和热浪的情况；方法能很好地提高数值预报系统的精度，天气预报的修正值对站点高温热浪事件预报具有较好的适用性，并且 预报的效果最好。关键词：高温热浪；统计降尺度；中短期预报；数值天气预报中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，（），：；近些年来由于全球气候变暖影响，全球气温上升，导致世界各地经常发生持续性高温灾难性天气。例如，年，欧洲及澳大利亚等地遭遇异常高温热浪天气，持续性高温天气导致澳大利亚林火持续个月之久，带来极大的经济损失、环境破坏 ；年欧洲和北美等地遭受高温热浪，高温热浪导致欧洲多地山林大火蔓延，损失惨重，同时北美还出现许多与高温有关的死亡病例 ；年夏季，中国共有 个站的日最高气温突破历史极值，其中 个站位于南方。由于持续性高温天气，引发了严重的干旱，对农作物生长产生了不利影响 。年，我国高温（日最高气温 ）日数为 年以来第二多，全国平均为 ，较常年偏多 ，历史最多为 年的 。上述持续性高温天气，对于工业、农业和人们生活都造成了极大影响，同时也会造成人民群众生命财产损失。中国气象局规定将日最高气温大于等于 作为一个高温日，连续 及以上高温日事件作为一次热浪事件。对于数值天气预报和高温热浪的预报，中外研究人员进行了许多研究。对于数值天气预报，李玲萍 等选用 数值预报产品格点场资料，采用诊断方法、因子组合和天气分型等手段，建立日极端气温的统计预报模型。该模型可以提高预报定量化、客观化水平。等证实，多天气预报产品集合预报方法可以增加 预报的准确性。对于中短期高温热浪的预报，谢洁宏 在基于次季节季节（）对长江流域高温热浪的评估与订正中提出累积分布变换函数法能够提升 模式对区域热浪日预报的准确率。白雪 基于海南省海口市气象自动站的近年逐小时历史数据，建立了时间序列模型和 的组合模型来对气温进行预测并得到较好的结果，提高了分类预测的准确率。等为中期预测模型开发了一种极端高温验证方法，并将其应用于 耦合预测模型。等在 年 月西欧热浪的研究中利用 进行次季节季节（）预报。这些学者的研究证明了数值天气预报产品可以提高对高温热浪事件预报的准确率。针对高温热浪这一现象，我国大多数地区通过中短期预报来减少损失 。因此，本文以 第 代全球预报系统的日最高温度数据为例，以 为预报期，利用等距累积分布函数匹配（）法进行降尺度，检验降尺度后的 天气预报值与相应站点实测值的匹配程度，探索使用数值天气预报系统可以提高区域高温热浪预报精度的可能性，以提高对中国各地区高温热浪的预报能力，对持续性高温天气预报提供支撑。材料与方法 研究区域概况中国幅员辽阔，各地与海洋距离差距较大，并且地势高低不同，造成了中国多种多样的气候。为了更好地研究不同气候区域温度的变化情况，中国大陆可划分为 个气候带，分别是亚热带季风气候带、温带季风气候带、温带大陆性气候带、山地高原气候带。其中 个气候带对应的站点数量分别为 个、个、个、个。个气候带的年平均最高温度分别为 、和 。数据来源气象站点数据来自中国气象数据共享网（：），选取了 年中国 个气候带 个站点数据作为研究对象。气象数据包括每日 处最高和最低气温（和 ），所有数据均由中国气象局进行质量控制。数值天气预报数据来自美国国家海洋和大气管理局（）的第二代全球集合预报系统预测的 数据（），数据包括未来 的 处最高和最低温度。研究方法累积分布函数匹配（）这种偏差校正方法是被广泛应用于数据偏差校正的方法，但此方法需要假设的模型与观测数据的累积分布相同。为了改善此方法，等提出了等距累积分布函数匹配（）法，该方法对模型和观测的累积分布曲线进行了偏差的校正。定义为：（）（），（）式中 为累积频率函数；为累积频率函数的反函数；为校正后的未来模型预测值；为数值天气预报的未来模型预测值；下标 为历史训练期观测值；下标 表示历史训练期模拟值；下标 为模型的模拟值。方法是一种关于分位数后处理的方法，其原理是基于可用的历史数据集在模型的输出值和观测值之间建立统计关系，利用这种关系应用于未来的模型输出，对未来可能发生的事情进行预测。本文先对 年气象数据用于 模 型 训 练，然 后 用 该 模 型 对 年 数据降尺度，最后用 年气象数据检验模型。将 数据降尺度到选定 个气象站点所对应网格单元。降尺度方法是将每个气象站周围 个网格点气象变量预报值作为输入，每个气象站气象变量预报值作为输出。评估指标本文使用相关系数（）、均方根误差（）、平均绝对误差（）作为评估指标，对中国高温日次数和热浪频率的预报效果进行评价，来判定 模型在研究区域上的适用性。（，）（，）（，）（，），（）（，）槡，（），（）其中 ，、，分别表示实测值、预报值；，、，分南昌工程学院学报 年别表示实测值和预报值的平均值。越接近 ，表示模型预报高温和热浪性能越好；越小，则表示模型预报高温和热浪性能越好；用于判断数据波动情况，越小越好。结果与分析 中短期高温预报 年高温日次数统计在 年中 个站点总共出现了 次高温日。其中在 年出现了 次高温日；在 年出现了 次高温日；在 年出现了 次高温日；在 年出现了 次高温日；在 年出现了 次高温日。在 年中高温日次数相对稳定。由图 可知，年高温日次数的平均值最大在 年，而 年的中值却明显低于 年和 年。从整体上来看，年高温日次数实测值的中值和均值在 年内变化不大，说明这 年中国发生的高温日次数处于一个平稳状态。其中还有部分站点存在没有高温日的情况，这可能与站点所处的地理环境有关。图 个站点 年中年高温日次数实测值箱线图 站点实测值与预报值年高温日次数拟合通过对表 和图 分析，可知 预报值与实测值吻合程度较好。年高温次数主要集中在 次之间，由于 次附近的点多且密集，说明 次附近的拟合效果更好。站点平均 介于 ，介于 ，介于 。其中 预报的效果最好，相关系数 ，大于其他天数预报相关系数，而且评估指标 和 都小于其他天数预报的结果。从表 可知，第一天的误差很明显是最低的，从第二天开始整体是一个平稳的趋势，其中 处在一个均值为 的波动情况，处在一个均值为 的波动情况，处在一个均值为 的波动情况。从平均绝对误差来看，预报和 预报的数据波动较大。表 实测值与 预报值年高温日次数拟合评估指标评估指标 预报 预报 预报 预报 预报 预报 预报 预报 第 期徐文浩，等：基于统计降尺度的中国高温和热浪中短期预报图 实测值与 预报值年高温日次数散点图 中短期热浪预报 年热浪发生频率的计算热浪发生频率为 。其中 为一年内发生热浪的总天数；是一年的总天数。通过对 年 个气象站点实测值热浪发生频率的统计和分析，大部分站点热浪发生频率集中在 之间，部分站点热浪发生频率较高，在 之间。通过分析图 ，年热浪发生频率的平均值最大在 年，但是 年的中值却明显低于 年和 年。从整体上来看，热浪发生频率实测值的中值和均值 年内变化不大，说明这 年中国发生的热浪频率处于一个平稳的状态。部分站点没有发生热浪，这同样可能与站点所处的地理环境有关。图 个站点 年中年热浪发生频率实测值箱线图 实测值与预报值年热浪发生频率的拟合通过对表 和图 分析，可知 预报热浪发生频率与实测值热浪发生频率拟合较好。站点平均 介于 ，介于 ，介于 。其中 预报的预报效果最好，达到了 ，但 预报的预报效果最差，为 ，而且 预报的评估指标 和 都小于其他天数预报的结果。第 的预报整体是一个平稳趋势，同时从平均绝对误差可以看出 预报的数据波动比较平稳，其中 处在一个均值为 的波动情况，处在一个均值为 的波动情况，处在一个均值在 的波动情况。热浪发生的频率主要集中在 这个范围内，所以当实测值热浪发生的频率在这个范围内拟合效果更好，说明在这个范围内修正后的数值天气预报数据有较好的预报效果。表 实测值与 预报值年热浪发生频率拟合评估指标评估指标 预报 预报 预报 预报 预报 预报 预报 预报 南昌工程学院学报 年图 实测值与 天气预报值年热浪发生频率散点图 讨论目前，高温天气预报主要基于公共天气预报和数值天气预报的数据进行预报。公共天气预报容易获得、处理起来简单，但存在数据有时候不全的问题，公共天气预报的预报期通常较短 。数值天气预报具有更完整的数据集，且预报期更长，但数值天气预报通常前处理比较复杂，需要在预报数据集的基础上进行偏差校正 。采用等距累积分布函数匹配（）法对数据进行处理，分析 年中国 个站点高温数据实测值和预报值，发现经 法处理后的数据预报效果良好，同时通过 法对数据修正能够改善数据的精度。研究结果显示，修正后的预报数据与实测值的拟合度比较高，尤其是 预报。许多研究证明了这一观点，郑魏斐 等采用 降尺度的方法统计长江中上游的气温，结果发现月平均气温与实测值的相关系数达到了 以上。该结果与本文的研究结果类似，证明了 降尺度的可用性。等以 日温资料为基础，采用 降尺度的方法对模型模拟中国中部和东部地区极端气温的能力进行了评估，然后预测未来的温度变化。结果表明，方法有效地校正了日平均气温和极端气温的空间分布，显著地减少了模型模拟的偏差，有效地提高了模型对极端气温空间格局的识别能力。该结果再次证明了 降尺度方法对数据的精度有一定的改善，与本文得出的结论基本一致。虽然数值天气预报产品应用广泛，但是精度不高，需要利用一些提高精度的方法。史诗杨 等从概率统计方法出发，应用数值预报资料，利用多元逐步回归分析方法，建立常州、金坛及溧阳三地 和 的本地化温度预报方程预测未来高温预估值，给预报员提供参考。李扬 等用 年逐日最高气温观测资料和 逐日再分析资料，统计分析了长江三角洲地区近 年夏季温度的低频周期，建立多元线性回归模型并对 年长江三角洲地区的夏季温度进行预报，取得了较好的预报效果。与本研究相比，虽然这二者使用的方法与本研究的不一样，但都起到了不同程度提高精度的效果。不足之处：在 个站点中出现了部分未发生高温或高温日极少的站点，对于上述站点 天气预报并不能起到很好的预报效果，这里需要考虑气象站点周围的地理环境对预报效果的影响。同时预报的天数只有 ，可能由于天数较少，结果存在一定的局限性和偶然性。对数值预报数据的修正方法只使用了一种，在之后的研究中可以增加更多修正方法，来探索一种对高温热浪中短期预报准确性较高的方法。结论研究表明，利用等距累积分布函数匹配（）法对数值天气预报数据进行降尺度，天气预报的高温数据修正值对 年 个站点年高温日次数有较好的预报效果，模型的预报值与实测值的相关性较好，它们的 都超过了 ，其中 预报的预报效果最好，达到了 ，和 都最小。其次，天气预报的高温数据修正值也能够较好地预报年热浪发生的频率，模型的预报值和实测值拟合的 都超过了 ，且处在一个均值为 的水平，其中 预报的效果也是最好的。综上所述，方法能够有效提升 的第二代全球集合预报系统（）数据的精度，对中国提前 的高温和热浪事件有很好的预报效果。这对工农业生产具有重要意义。参考文献：尹宜舟，李多，孙劭，等 年全球重大天气气候事件第 期徐文浩，等：基于统计降尺度的中国高温和热浪中短期预报及其成因 气象，（）：张颖娴，孙劭，刘远，等 年全球重大天气气候事件及其成因 气象，（）：代潭龙，王秋玲，王国复，等 年中国气候主要特征及主要天气气候事件 气象，（）：陈峪，王凌，赵俊虎，等 年中国气候主要特征及主要天气气候事件 气象，（）：李玲萍，尚可政，钱莉，等 最优子集回归在夏季高温极值预报中的应用 兰州大学学报（自然科学版），（）：，：谢洁宏 基于次季节季节（）预报模式对长江流域高温热浪预报的评估与订正 南京：南京信息工程大学，：白雪 基于时间序列模型和 组合的气温预测与高温热浪预警分析 南京：南京信息工程大学，：，（）：，（）：，：周长春，汪丽，郭善云，等 四川盆地高温热浪时空特征及预报模型研究 高原山地气象研究，（）：唐秋艳，佟铃，寇思聪，等 本溪市高温天气特征分析及预报 农业灾害研究，（）：阮楚雯，杨砲斌，李少远 年连州市高温热浪的特征 广东气象，（）：尹洁，金米娜，肖安，等 江西夏季高温天气期间副高特征与预报方法 气象与减灾研究，（）：，：，：，：，（）：江显群，陈武奋，邵金龙 基于公共天气预报的参考作物腾发量预报 排灌机械工程学报，（）：姚付启，董建华，范军亮，等 基于数值天气预报后处理的参考作物蒸散量预报改进 农业机械学报，（）：郑巍斐，程雪蓉，杨肖丽，等 基于统计降尺度的长江上游流域降水和气温的时空变化趋势研究 中国农村水利水电，（）：，（）：史诗杨，吴晶璐，吴建秋 数值预报产品对温度预报的释用技术研究 江苏省气象学会，浙江省气象学会，上海市气象学会 第九届长三角气象科技论坛论文集，：李扬，郭品文 长江三角洲夏季持续性高温预报方法的研究 气象研究与应用，（）：南昌工程学院学报 年