2011, Vol. 37 
2010年12月至2011年2月，全国平均气温为-4.4 ℃，较常年同期偏低0.2 ℃。其中，1月除青藏高原和黑龙江西北部外，全国大部分地区气温明显偏低，新疆北部、内蒙古西部、贵州和广西大部气温偏低4 ℃以上。12月和2月全国大部地区气温接近常年同期或偏高[1]。
全国平均降水量为37.6 mm, 基本接近常年同期(38.2 mm)。其中，12月全国平均降水量较常年同期偏多，内蒙古、新疆和黑龙江降水量为1961年以来最多。1月和2月降水偏少，华北、黄淮气象干旱持续发展，2月底得到有效缓解。
2010年12月至2011年2月主要有9次冷空气过程影响我国，其中有两次全国性强冷空气过程(2010年12月11—16日和2011年2月7—14日)，一次南方强冷空气过程(2011年2月25—28日)。1月我国南方地区持续低温，出现4次较强的雨雪冰冻天气过程。
2 资料本文所用资料为2010年12月至2011年2月T639、EC及JP模式20时(北京时)实况分析场和中期时效预报场，主要包括该三个模式的500 hPa高度、850 hPa温度、海平面气压等。T639模式的水平分辨率为1.125°×1.125°，EC和JP模式为2.5°×2.5°。为了方便对比分析，利用样条插值将T639模式资料插值为2.5°×2.5°。
3 模式中期预报性能检验 3.1 亚洲中高纬环流形势预报检验冬季北半球对流层中层是以极地低压为中心的环绕纬圈的西风环流，整个中国地区都在西风环流控制之下。西风带环流主要有纬向环流型和经向环流型两大类，为了定量描述西风带的环流特征，一般采用西风指数，盛行纬(经)向环流时称高(低)指数。因此，可以通过检验西风指数来了解数值模式对中高纬地区对流层中层环流形势调整与演变的中期时效预报性能。图 1给出的是2010年12月至2011年2月三家模式对西风指数不同时效预报场与零场的相关系数，发现在120小时内，三家模式相关系数均达0.95以上，对大尺度环流预报的差异不大。随着预报时效的延长，各家模式误差均加大，尤其是168小时以后，T639模式的预报误差显著加强，EC模式相对好一些。
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图 1 2010年12月1日至2011年2月23日三家模式对西风指数的预报与零场的相关系数随预报时效的变化 实线为EC模式，虚线为T639模式，点划线为JP模式 Fig. 1 Correlation coefficients between initial westerly index and forecasting fields for the three models from December 1, 2010 to February 23, 2011 |
根据以往数值模式检验结果[2-4], 三家模式对西风指数的96小时和120小时预报效果差异不大，这里给出144小时的预报情况(图 2)。由预报场随时间的演变曲线可以看出，尽管高频扰动明显增强，预报误差增大，模式不稳定性增强，但是由于扰动振幅相对较小，高低指数转换的总趋势仍清楚可见，表明在144小时时效三家模式对大尺度环流形势演变和调整仍具有较强的预报能力。EC模式预报与零场最为接近，扰动振幅相对较小。当预报时效为192小时时，扰动振幅明显增强，尤其是T639模式(图略)，最大振幅可达300 dagpm, 接近2010年12月底至2011年1月初零场的高低指数转换振幅，模式的预报能力显著减弱。从趋势的拟合来看，三家模式对极值的预报多数情况下存在其振幅偏小的情况，T639模式偏小最明显。但对于2010年12月10日左右的低指数，三家模式预报的振幅均偏大，且位相存在1~2天的滞后。
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图 2 2010年12月至2011年2月不同模式西风指数零场(实线)及对应的144小时预报(虚线)逐日演变(单位：dagpm) Fig. 2 The daily evolution of initial westerly index (solid line) and 144 h forecasting (dashed line) for different models form December 2010 to February 2011 (unit: dagpm) |
总体上，对大尺度环流形势演变和调整的预报，三家模式在144小时时效上仍具有较强的预报能力。随着时效的延长，高频扰动振幅增强，模式趋于不稳定。
3.2 850 hPa温度变化趋势的预报检验冬季冷空气活动频繁，温度变化剧烈，地面降温预报是冬季灾害性天气预报的重要部分。由于850 hPa温度对地面温度的预报有很好的指示意义，了解和掌握数值模式850 hPa温度预报性能对提高预报水平有重要作用。本文选取两个格点(北方：40°N、117.5°E；南方：25°N、115°E)分别代表北方地区和南方地区[2-3]进行850 hPa温度检验。
图 3是不同模式850 hPa温度120小时预报与零场的时间演变，发现在2010年12月下旬至2011年1月中上旬期间，T639模式(图 3a)对南方代表格点850 hPa温度的预报振幅偏弱，对北方代表格点850 hPa温度预报明显偏低。除此之外，尽管2010年12月至2011年2月冷空气活动较为频繁，温度起伏多变，但三家模式对南、北方代表格点850 hPa温度趋势预报基本与零场一致。对2010年12月11—16日和2011年2月7—14日的两次全国强冷空气过程，三家模式都能准确把握。这些均表明模式对温度趋势变化具有较好的预报性能和参考价值。
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图 3 2010年12月至2011年2月不同模式850 hPa温度零场(实线)及对应的120小时预报(虚线)逐日演变(单位：℃) Fig. 3 The daily evolution of initial temperature (solid line) and 120 h forecasting (dashed line) at 850 hPa for different models from December 2010 to February 2011 (unit: ℃) |
通过对预报结果的对比分析发现，三家模式存在一些差别。EC模式(图 3b)对南、北方850 hPa温度的预报整体略偏高，对弱的降温过程有较强的预报能力。T639模式对北方850 hPa温度预报整体偏低，对南方一些弱的降温过程的预报能力偏弱。JP模式(图 3c)对北方850 hPa温度预报整体偏低，对南方850 hPa温度预报偏高的情况多一些。
前面讨论了120小时时效的预报情况，为了对其他时效各家模式的预报性能有所了解，图 4给出了三家模式850 hPa温度预报场的标准误差。发现在北方(图 4a)，EC模式预报效果最好，144小时时效以内标准误差小于3 ℃；T639模式预报较为逊色，整个中期时段标准误差均大于3 ℃。在南方地区(图 4b)，JP模式标准误差最小，三家模式标准误差较北方地区均减弱。通过计算相关系数(图 5)发现，三家模式在南方地区的相关系数明显小于北方，尤其是96小时和120小时时效。表明在北方地区，各家模式对850 hPa温度趋势的预报能力较南方地区好，但相对零场的偏差较大(图 3)。另外发现，在南方从144小时开始，EC模式相关系数(标准误差)显著减小(增大)，且小于(大于)T639模式，表明在南方地区，预报时效较长时T639模式的预报性能好于EC模式。
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图 4 2010年12月1日至2011年2月27日三家模式850 hPa温度预报场的标准误差随预报时效的变化(单位：℃) Fig. 4 Standard deviations of forecasting temperature at 850 hPa for different models from December 1, 2010 to February 27, 2011 (unit:℃) |
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图 5 2010年12月1日至2011年2月27日三家模式850 hPa温度预报与零场的相关系数随预报时效的变化 Fig. 5 Correlation coefficients between initial temperature and forecasting fields at 850 hPa for different models from December 1, 2010 to February 27, 2011 |
2011年1月，我国南方地区出现了大范围低温雨雪冰冻天气，给交通、电力、农业和人民生活等方面带来了很大影响。冰冻天气一个重要的影响系统是南支槽，槽前强劲的西南暖湿气流为持续的雨雪天气提供能量和水汽条件。这里取80°~115°E范围内25°N[3]500 hPa高度场表征南支槽的活动情况，并选取120小时预报场进行检验。
由图 6可以看出，2011年1月有4次南支槽东移过程，第二次和第三次持续时间长，且强度强，各家模式对4次过程的预报整体上讲都比较成功，但仍然存在偏差与不足。对第二次过程，T639模式120小时预报(图 6d)的南支槽较零场(图 6a)略偏强; EC模式(图 6b、图 6e)略偏弱; JP模式(图 6c、图 6f)明显偏强。对第三次过程，T639模式120小时预报的南支槽移速较零场偏慢，且强度偏弱; EC模式略偏弱; JP模式显著偏强。综上所述，EC模式的预报效果最好，JP模式的预报明显偏强，T639模式较不稳定，误差因过程而异。
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图 6 2010年12月至2011年2月不同模式25°N 500 hPa高度零场(a，b, c)和120小时预报场(d, e, f)的时间-经度演变(单位：dagpm)
(a) T639零场，(d) T639预报场，(b) EC零场，(e) EC预报场，(c) JP零场，(f) JP预报场 阴影表示小于576 dagpm Fig. 6 The time-longitude cross sections of initial (a, b, c) and forecasting (d, e, f) fields of 500 hPa geopotential height at 25°N for different models from December 2010 to February 2011 (unit: dagpm) (a) initial and (d) forecasting fields for T639, (b) initial and (e) forecasting fields for EC, (c) initial and (f) forecasting fields for JP The regions with geopotential height less than 576 dagpm are shaded |
虽然2010年12月至2011年2月影响我国的冷空气过程较频繁，但大多数为中等强度冷空气过程。下面选取2010年12月11—16日全国强冷空气过程对各模式预报的地面冷高压进行对比检验分析。
表 1是冷高压中心强度零场、120小时预报及误差的逐日变化，发现三家模式预报均偏弱, 这与以前的检验分析结果一致[2-4]。当地面高压达到最强时，T639模式和EC模式误差突然增大，EC模式更突出。T639、EC和JP模式120小时预报的标准差分别为4.97、10.31和7.52 hPa，说明T639模式对高压强度的预报效果最好，JP模式次之。由于14日地面高压达到最强(表 1)，下面选取14日进行分析(图 7)。
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表 1 2010年12月11—16日全国性强冷空气过程不同模式20时地面高压中心强度零场与120小时预报场及预报误差(单位：hPa) Table 1 The strength of initial and 120 h forecasting fields at the center of surface high pressure and errors for different models from December 11 to 16, 2010 (unit:hPa) |
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图 7 2010年12月14日20时不同模式海平面气压零场(a、c、e)与120小时预报及偏差(b、d、f)
(a, b) T639模式，(c, d) EC模式，(e, f) JP模式 阴影为误差小于等于-5 hPa的区域且间隔为5 hPa(单位：hPa) Fig. 7 The initial (a, c, e) and 120 h forecasting (b, d, f) fields and errors of sea level pressure for different models at 20 December 14, 2010 (a, b) T639, (c, d) EC, (e, f) JP The regions with errors less than-5 hPa are shaded and the contour interval is 5 hPa (unit: hPa) |
由图 7可以看出，三家模式对地面高压的120小时预报均比零场偏弱，EC模式(图 7d)误差最大，T639模式(图 7b)次之，且EC和T639模式误差大值区出现在高压的后部，这可能与模式预报的冷空气移速偏快有关。
总之，对地面高压强度来说，T639模式误差最小，EC模式误差最大。从14日20日120小时预报误差分布来看，JP模式预报效果最好，T639模式次之。
4 小结本文通过对T639、EC及JP模式中期时段预报产品的检验，主要得出以下几点结论。
(1) 对大尺度环流形势演变和调整的预报，三家模式在144小时时效上仍具有较强的预报能力，EC模式预报效果最好。随着时效的延长，高频扰动明显增强，模式预报性能降低。
(2) 三家模式120小时时效基本能准确预报850 hPa温度趋势变化，EC模式预报略偏高，T639和JP模式对北方温度预报偏低。从整个中期时段看，三家模式在北方地区对850 hPa温度趋势的预报性能强于南方地区，但相对零场的偏差较大。
(3) 对2011年1月南支槽的4次东移过程，三家模式预报均比较成功。EC模式的预报效果最好，JP模式预报的槽强度偏强，T639模式误差因过程而异。
(4) 在地面冷高压中心强度预报方面，三家模式均偏弱，T639预报与零场最接近，EC模式误差最大。从对地面高压预报误差的水平分布看，JP模式预报效果最好，EC和T639模式误差大值区出现在高压的后部，反映出模式对冷空气移速的预报偏快。
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