摘要: 为了分析EC数值模式对新疆区域机场气温预报的效果，本文选取2015年1月至2020年3月期间EC数值模式对新疆区域20个机场的2 m温度预报结果进行检验，结果表明：EC模式输出的新疆区域机场温度预报在2.12℃左右，其中北疆大部分地区机场平均绝对误差超过2℃，南疆大部分地区机场平均绝对误差低于2℃，其中吐鲁番机场误差相对较小。结合不同月份的分析结果可以看到，大部分机场在冬季温度预报效果较差，其余季节平均绝对误差较小。
Abstract:
In order to analyze the effect of the EC numerical model on the temperature forecast of Xinjiang regional airports, this paper selects the EC numerical model from January 2015 to March 2020 to test the 2 m temperature forecast results of 20 airports in Xinjiang. The regional airport temperature forecast in Xinjiang is around 2.12˚C. The average absolute error of airports in most areas of northern Xinjiang exceeds 2˚C, and the average absolute error of airports in most areas of southern Xinjiang is lower than 2˚C. Among them, the error of Turpan airport is relatively small. Combining the analysis results of different months, it can be seen that most airports have poor temperature forecasting effects in winter, and the average absolute errors in other seasons are small.
1. 引言
随着新疆区域民航机场建设的发展，公众选择高效、安全的民航出行逐渐增多，这就对民航气象业务保障提出了新的要求。气温是描述大气的基本要素之一，机场气温的差异，将会导致大气密度变化，随着气温的升高，大气密度降低，飞机起降滑跑所需的距离将会增加，飞机载重大幅减少，因此准确预测机场气温，对民航飞机运行安全和效益起着至关重要的作用 [1]。
结合数值预报技术的不断发展，高时空分辨率的数值预报产品在客观要素预报中的作用越来越大，欧洲中期天气预报中心数值模式(以下简称EC模式)作为在国内气象业务部门应用较为广泛的产品，EC模式主要有地面、高空的温度、湿度、风等要素的预报，同时还还包含降水量、气压、能见度、云量等要素预测，为预报业务人员判断天气形式演变，制作中短期要素预报提供客观的参考依据 [2] - [9]，在国内气象业务部门中取得了较好的应用效果。
为了客观地评估模式实际的预测效果，已有的研究对其产品的预测效果进行检验分析，包括对气温的详细检验 [10] - [21]。本研究主要针对新疆区域20个机场的2 m温度，通过分析2015年1月至2020年3月EC模式对新疆区域机场逐3小时的2 m温度进行评估，分析不同预报时次、不同月份下EC模式的2 m温度预报误差规律，为机场预报气温提供合理的订正依据，为用户提供更准确的温度预报服务。
2. 数据资料和检验方法
本研究通过收集2015年1月至2020年3月的EC模式中逐3小时的2 m温度预报格点产品，水平空间分辨率为0.125˚ × 0.125˚，模式起报时间为12:00 (UTC，下同)，预报有效时间为3~72小时，时间分辨率3小时，预报时效78~96小时，时间分辨率为6小时。模式格点资料采用最近网格点对应到机场。实况资料依托机场历史METAR报文数据，目前新疆区域目前有23个机场，考虑历史数据累积长度，选取乌鲁木齐、喀什、和田等20个机场进行检验。机场的2 m温度从机场逐小时METAR报文中提取，将实况时次与EC模式的时次一一对应。
对新疆区域20个机场EC模式2 m温度的预测值，按照预报有效时间、月份等分别进行检验，计算获得平均绝对误差，具体计算方法如公式1所示：
(1)
3. 预报检验结果与分析
3.1. 不同机场的误差检验
通过分析EC模式逐3小时的2 m温度预报对新疆区域20个机场的平均绝对误差可以看到，EC模式对新疆区域机场的温度平均绝对误差为2.12℃，由于新疆区域地形复杂，不同的机场气候特征差异大，EC模式对不同机场的平均绝对误差差异较大，其中南疆区域机场整体误差较小，吐鲁番机场平均绝对误差最低，为1.37℃，北疆区域平均绝对误差偏大，其中那拉提机场平均绝对误差最大，为3.51℃，具体机场的平均绝对误差如图1所示：
Figure 1. Comparison of the mean absolute errors of different airports
图1. 不同机场的平均绝对误差对比图
3.2. 不同预报有效时间预测效果检验
考虑EC模式不同预报有效时间的性能变化，通常随着预报有效时间的增加，误差逐渐增大。本文单独统计新疆区域20个机场的不同预报有效时间下的平均绝对误差，EC模式起报时间为12时，经过分析EC模式整体的误差可以看到，随着预报有效时间的增加，平均绝对误差趋势逐渐增加，同时，预测误差具备明显的日变化，白天平均绝对误差相对较小，为1.59℃，夜间误差较大，最大为2.49℃ (图2)。
分析新疆区域20个机场的平均绝对误差可以看到，不同机场的平均绝对误差有明显的差异，其中吐鲁番机场的误差最小，且日变化变化不大，那拉提、喀纳斯机场平均绝对误差最大；其余机场的平均绝对误差均存在明显的日变化(图3)。
3.3. 逐月温度预报误差检验
新疆区域机场温度存在较为明显的季节差异，尤其是北疆区域，冬季、夏季的温度极值相差较大。通过分析逐月变化可以看到，大部分机场的平均绝对误差在11月、12月、
1月、2月偏差较大，EC模式2 m温度在冬季预测误差较大，其余月份平均绝对误差为1.5℃~3℃，吐鲁番机场各个月份的预测结果稳定，月季变化不大。那拉提机场的平均绝对误差变化趋势与其他机场差异较大，12月、1月、2月平均绝对误差较小，其余月份较大为4℃左右，这可能与那拉提机场周边特殊的地理特征和气候特征有关(图4)。
Figure 2. Prediction error distribution of EC mode under different valid times
图2. 不同有效时间下EC模式预测误差分布
Figure 3. Comparison of the mean absolute errors of different airports with different valid times
图3. 各个机场不同有效时间下的平均绝对误差对比图
Figure 4. Monthly distribution of the mean absolute error at different airports
图4. 不同机场平均绝对误差的月度分布图
4. 结论
结合2015年1月至2020年3月EC模式输出的3小时机场温度预测，通过分析机场温度的平均绝对误差可以看到，EC模式输出的新疆区域机场温度预报在2.12℃左右，考虑新疆区域机场分布较广，气候特征差异巨大，分析各个机场的温度平均绝对误差可以看到，北疆大部分地区机场平均绝对误差超过2℃，其中那拉提、喀纳斯、富蕴等机场误差相对较大，南疆大部分地区机场平均绝对误差低于2℃，其中吐鲁番机场误差相对较小。结合不同月份的分析结果可以看到，大部分机场在冬季温度预报效果较差，其余季节平均绝对误差较小。在民航机场日常运行过程中，预报人员通过充分了解EC模式对不同机场温度预测效果的特征，可以利用模式输出的温度为机场客观要素预报提供依据和参考。
考虑到EC模式预测中存在的系统性误差，尤其模式冬季整体预测效果较差，后续可以采用机器学习方法进行模式预报结果的订正，改善模式输出产品的准确性，提高气象服务产品的服务质量。