1、第40卷 第4期2023年8月海洋预报MARINE FORECASTSVol.40，No.4Aug.2023收稿日期：2022-04-11。基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC1407002)；山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室2020年度开放基金（202005）。作者简介：李文博（1991-），男，工程师，硕士，主要从事海浪与小尺度海气相互作用研究。E-mail：*通信作者：李锐（1985-），男，高级工程师，博士，主要从事海浪方面研究。E-mail:不同海浪数值预报产品在渤海和黄海的预报水平评估李文博1,2，李锐1,2*，王彬1,2，张薇1,2，高山1,2，侯乔琨1,2，孙雅
2、文1,2（1 山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室 山东 青岛 266100；2 自然资源部北海预报减灾中心 山东 青岛 266100）摘要：选取欧洲中尺度天气预报中心、美国国家环境预报中心和自然资源部北海预报减灾中心2021年的海浪数值预报产品与渤海和黄海10个海洋观测浮标和5个海洋站观测的有效波高数据进行对比，评估3种产品对海浪有效波高的预报水平。结果表明：从整体来看，3种数值预报产品对24 h 2 m以上有效波高的预报相对误差均不超过19%，欧洲中尺度天气预报中心的误差最低，但三者对于大浪过程的预报值整体偏低。通过分析不同月份、不同海域以及不同天气过程下有效波高的预报误差发现，3种产品
3、在渤海和黄海中部的有效波高预报误差大于黄海北部，近岸的有效波高预报误差高于外海，欧洲中尺度天气预报中心对冷空气期间海浪预报效果较好，自然资源部北海预报减灾中心对温带气旋期间海浪的预报效果更好。关键词：海浪预报；第三代海浪模式；均方根误差；渤海；黄海中图分类号：P731.22 文献标识码：A文章编号：1003-0239（2023）04-0010-12DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2023.04.0020引言海浪灾害是人类在海上和近岸活动的最主要威胁，对生命和财产安全可能造成巨大损害1-5，因此，准确的海浪预报是海上活动的最基本保障。随着数值预报技术的发展、数值预报产
4、品的丰富和改进以及计算机运算能力的提高，以海浪数值模式为核心的海浪数值预报系统已成为海浪预报和业务研究的主要手段，海浪预报水平也有了较大提高6-9。目前常用的海浪预报数值模式主要为第三代海浪数值模式WAM10-12和WAVEWATCH-13-15，两种模式均可模拟大洋和近海的海浪生成、传播与耗散过程。随着海浪数值预报产品的广泛应用，对其预报误差的系统检验也必不可少。目前已有不少学者在海浪数值预报产品的评估方面做出研究。20世纪 末 21 世 纪 初，TOLMAN 等16-18通 过 对 比WAVEWATCH-模式计算结果与浮标数据，改进了模式源函数；BIDLOT19对21 a的数值预报结果进行
5、检验评估，发现包括欧洲中尺度天气预报中心（EuropeanCentreforMedium-Range WeatherForecasts，ECMWF）海浪预报产品（简称EC）在内的几种产品的预报准确性均有提高；WANG 等20首次利用中国近海的波浪浮标观测数据检验了 EC海浪预报产品的误差，并分别从离岸距离、水深等方面讨论了 EC产品的误差分布情况；李燕等21对WAVEWATCH-在渤海的预报结果进行了检验；梁 小 力 等22对 基 于 SWAN（Simulating WavesNearshore）模式的全球海浪预报结果进行了初步验证。然而，目前的海浪数值预报产品评估仅限于对不同站位的误差开展统
6、计，而对于误差的时空分布、尤其是不同天气过程下的误差分析却鲜有研究。另外，目前海浪预报水平评估主要聚焦于大洋和开阔海域，渤海和黄海作为半封闭海，海浪风区短、水深浅，与大洋海浪生成传播机制有较大不同，对现有海浪预报产品在渤海和黄海的预报能力缺李文博等：不同海浪数值预报产品在渤海和黄海的预报水平评估4期少系统分析。为了系统评估渤海和黄海的海浪数值预报水平，本文拟对EC、美国国家环境预报中心（NationalCentersforEnvironmentalPrediction，NCEP）的全球天气预报系统（Global ForecastingSystem）海浪预报产品（简称GFS）和自然资源部北海预报
7、减灾中心（North China Sea Marine ForecastingCenter of State Oceanic Administration）海浪预报产品（简称 NMFC）在渤海和黄海海域的预报能力进行初步检验与评估，充分发挥数值预报产品在海洋环境预报中的作用，为今后渤海和黄海海浪预报技术发展提供有价值的参考。1资料与方法1.1数值预报产品EC产品所用海浪模式为WAM。NMFC与GFS两种产品所用海浪模式均为WAVEWATCH-，其能量输入耗散项均采用 ST4 参数化方案，其中NMFC主要参数化方案设置包括ST4风浪模型和海浪耗散项、JONSWAP底部摩擦方法、线性风时间插值、三
8、阶传播方案等。考虑到资料的连续性，本文收集 2021 年 EC、GFS、NMFC 3 种预报产品 24 h、48 h、72 h、96 h预报时效的有效波高预报结果用于评估。EC和GFS的时间分辨率为3 h，NMFC的时间分辨率包括3 h和1 h两种，其中3 h分辨率的NMFC用于与EC和GFS横向比较，1 h分辨率的NMFC用于日极值误差分析。各预报产品的简要情况介绍见表1。EC模式的整体预报效果优于 GFS，其中 2472 h 的均方根误差（RMSE）比GFS减小了6.8%8%，EC 2472 h风速预报偏差中位数在0.190.25 m/s之间，GFS同类中位数在0.330.41 m/s之间
9、，两种预报产品风速的预报结果整体略偏大，EC的偏离程度相对更小。1.2观测资料观测资料包括10个10 m大型海洋观测浮标以及5个海洋站观测的2021年有效波高数据，数据均通过严格的质量控制。渤海有3个浮标，位于119121E，37.540N这一矩形海域内；渤海海峡有两个浮标，为南北分布；黄海北部有1个浮标，位置约在该海域中心处；黄海中部有4个浮标，位于120124E，3536.5N这一矩形海域内；5个海洋站分别为东营港、小长山、龙口、小麦岛和日照港。观测结果分别与上述3种海浪预报产品进行直接对比，并利用双线性插值将3种数值预报网格数据插值到观测站点进行误差统计。1.3误差统计方法采用相对误差、
10、均方根误差和平均偏差来评估数值预报产品偏离实际观测的情况，误差统计的具体方法如下：相对误差（Er，单位：%）反映了预报偏离观测的相对程度。计算公式为：Er=i=1N|xif-xio/xioN 100%（1）式中：xio为观测值，xif为预测值，i为数据编号；N为样本总数。考虑到较小的观测值会造成Er趋向于无穷大，因此选取2 m以上有效波高的观测值进行检验。表1 各机构海浪数值预报产品及驱动风场情况Tab.1 Brief list of different ocean wave forecast products and wind forcing要素海浪海面风指标数值模式模式分辨率/产品分辨率/
11、预报时效/d数值模式模式分辨率/km产品分辨率/NMFCWAVEWATCH-1/361/368.5WRF91/25ECWAM1/81/410HRES91/8GFSWAVEWATCH-1/41/416FV3131/411海洋预报40卷均方根误差（Erms，单位：m）反映了预报偏离观测的离散程度。计算公式为：Erms=i=1N(xif-xio)2N（2）式中：xio为观测值，xif为预测值，i为数据编号；N为样本总数。平均偏差（Ebias，单位：m）反映了预测相对于观测的整体偏离程度。计算公式为：Ebias=i=1N(xif-xio)N（3）式中：xio为观测值，xif为预测值，i为数据编号；N为
12、样本总数。2误差分析2.1误差总体分析2021年3种预报产品到报率均超过95%。将预报产品24 h、48 h、72 h和96 h的有效波高预报数值插值到10个浮标站位和5个海洋站位，将所有结果与实测有效波高进行对比分析，并制作预报与观测数据对比图（见图1），其中红色线为利用最小二乘法拟合出的线（简称LSF线），误差统计见表2。从图1可以看出，渤海和黄海2021年低于2 m的有效波高出现概率超过60%，2 m以上有效波高出现概率较小，最大有效波高超过5 m。从表2可以看出，不同波高分段情况下EC的 RMSE均为最低。3 m以上有效波高的预报相对误差、均方根误差和平均偏差均为EC最小，GFS最大，
13、NMFC居中，三者24 h预报相对误差均在21%以下；3 m及以下有效波高的预报均方根误差也是EC最小，说明EC对于海浪有效波高的整体预报水平高于 NMFC和 GFS。从图1的LSF线和表2平均偏差统计结果来看，3种预报产品对于2 m以上有效波高的预报结果整体偏小0.2 0.6 m，且GFS大浪预报结果偏小的情况最为明显，这可能与现有海浪预报模式的风能输入参图1预报有效波高与实测有效波高对比Fig.1Comparison of significant wave height forecasts with observations12李文博等：不同海浪数值预报产品在渤海和黄海的预报水平评估4期数
14、化方案和参数设置更适用于开阔海域，渤海和黄海风区较短且波浪成长机制与开阔海域不同有关。图2为3种产品的偏差箱线图，用来体现不同预报时效下预报偏差的离散程度和数据的集中趋势23。从图中可以看出，EC、NMFC 和 GFS 2496 h 有效波高的预报偏差中位数分别在 0.060.08 m、0.040.09 m、0.010.02 m之间，预报结果整体均略偏大。考虑到3种产品对2 m以上有效波高的预报偏差偏小，说明它们对2 m以下有效波高的小浪预报偏大。从图中箱子和虚线长短来看，3种产品中EC的离散程度最小，GFS的负偏离较多，NMFC 的正偏离较多，说明 EC 与观测更为接近，GFS漏报较多而NM
15、FC误报较多。另外，从图中可以看出，3种模式预报偏差的离散度随着预报时效的增长而不断增大。表2 有效波高预报误差统计Tab.2 Statistical parameter of the comparison of significant wave height forecasts with buoy observations有效波高/m（12（233指标相对误差/%均方根误差/m平均偏差/m相对误差/%均方根误差/m平均偏差/m相对误差/%均方根误差/m平均偏差/m预报机构NMFCECGFSNMFCECGFSNMFCECGFSNMFCECGFSNMFCECGFSNMFCECGFSNMFCECG
16、FSNMFCECGFSNMFCECGFS24 h20.1615.9418.730.360.290.35-0.05-0.09-0.1215.5513.6617.290.470.420.58-0.25-0.20-0.3617.4114.0720.390.740.600.84-0.60-0.44-0.7248 h23.4318.0021.290.410.320.39-0.02-0.07-0.1017.7915.5219.530.540.480.64-0.18-0.22-0.3419.6915.8122.110.850.680.93-0.66-0.50-0.7572 h28.3320.7924.680.490.370.44-0.01-0.09-0.1220.2617.7321.130.610.540.67-0.16-0.26-0.4120.8317.4824.310.910.781.00-0.69-0.58-0.8496 h30.6923.7027.510.530.410.48-0.04-0.09-0.1522.7220.2622.240.680.640.70-0.29-0.32-0.4424