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user: 3. 数值预报产品预报能力对比 3.1. 不同时效温度场的预报能力对比 将2018年6月1日~8月31日气温的观测和预报场进行时间平均后，分析2018年夏季平均值在不同站点上的差异，得到表1。从表中可以看到，在平均误差上，两个模式预报场与观测值的误差均小于1℃，其中，ECMWF的平均变差在不同层次(200 hPa、500 hPa、700 hPa和850 hPa)的12 h和24 h预报时效的对比中均小于GRAPES的结果。类似的结果也可以在相关系数COR和均方根误差RMSE的对比中发现，反映了ECMWF在气温预报中的优势。 Table 1 Test statistics of GRAPES and ECMWF temperature forecasts in the summer of 201 层次 模式 12 h 24 h ME COR RMSE ME COR RMSE 200 hPa ECMWF 0.03 0.95 0.54 0.05 0.94 0.58 GRAPES −0.26 0.94 0.75 −0.41 0.93 0.86 500 hPa ECMWF −0.04 0.99 0.38 −0.02 0.99 0.39 GRAPES 0.52 0.99 0.66 0.84 0.99 0.94 700 hPa ECMWF −0.11 0.99 0.46 −0.05 0.99 0.47 GRAPES 0.35 0.99 0.55 0.6 0.99 0.76 850 hPa ECMWF 0.01 0.96 0.91 0.03 0.95 0.91 GRAPES 0.15 0.94 1.13 0.09 0.93 1.21 表1. 2018年夏季GRAPES和ECMWF温度预报检验统计表 在每一个站点上，分析2018年夏季逐时次预报序列与观测序列的相关性，得到图2。从图中可以看到，整体而言，模式对于北部的预报效果优于南部地区，北部的相关系数普遍在0.9以上，而我国华南地区的相关系数则多在0.8以下。分时效来看，两个模式都是12 h预报时效的结果优于24 h预报时效的结果。分层次来看，在对流层中高层的200 hPa和500 hPa，ECMWF的结果与GRAPES的结果类似，二者差异较小。但在对流层低层的700 hPa和850 hPa，ECMWF结果的优势明显。 图2. 2018年夏季GRAPES和ECMWF温度预报相关系数空间分布图。1~4行分别为200 hPa、500 hPa、700 hPa和850 hPa的结果。第一列和第三列分别为ECMWF的12 h和24 h预报时效的结果，第二列和第四列分别为GRAPES的12 h和24 h预报时效的结果 为了更为直观的对比ECMWF和GRAPES的结果，绘制了图3的散点图。从图中可以看到，ECMWF的相关系数在不同层次均高于GRAPES的结果，而均方根误差则小于GRAPES的结果，这与前面表1和图2的结果是一致的。 3.2. 不同时效位势高度场的预报能力对比 将2018年6月1日~8月31日位势高度的观测和预报场进行时间平均后，分析2018年夏季平均值在不同站点上的差异，得到表2。从表中可以看到，在平均误差上，对流层高层的200 hPa误差相对较大，ECMWF和GRAPES的12 h预报时效误差分别为−1.25和−1.3 gpm，而在24 h预报时效的误差略小，分别为−1.11和−0.93 gpm。在对流层中低层的500 hPa、700 hPa和850 hPa，位势高度的误差相对较小，且除24 h时效500 hPa的结果外，ECMWF的结果均略优于GRAPES的结果。而在均方根误差RMSE的分析上也可以看到，500 hPa的GRAPES的RMSE在12 h和24 h预报时效的结果均小于ECMWF的结果，反映了GRAPES在500 hPa环流场预报中的优势，但在其他层次则仍然为ECMWF的结果更好，类似的结果也存在于空间相关系数COR中，反映了ECMWF在环流场预报中的优势。 图3. 2018年夏季GRAPES和ECMWF温度预报相关系数散点分布图。图中，横坐标为ECMWF的结果，纵坐标为GRAPES的结果，第一行为相关系数COR，第二行为均方根误差RMSE，黑点为12小时预报的结果，红点为24小时预报的结果 Table 2 Test statistics of GRAPES and ECMWF geopotential height forecasts in the summer of 201 层次 模式 12 h 24 h ME COR RMSE ME COR RMSE 200 hPa ECMWF −1.25 0.99 2.62 −1.11 0.99 2.57 GRAPES −1.3 0.99 2.62 −0.93 0.99 2.6 500 hPa ECMWF −0.45 0.99 1.05 −0.36 0.98 1.05 GRAPES −0.2 0.99 0.87 −0.06 0.99 0.91 700 hPa ECMWF −0.25 0.96 0.71 −0.18 0.96 0.73 GRAPES −0.55 0.97 0.88 −0.7 0.96 1.02 850 hPa ECMWF −0.37 0.84 1.13 −0.31 0.83 1.15 GRAPES −0.8 0.8 1.41 −0.99 0.77 1.6 表2. 2018年夏季GRAPES和ECMWF位势高度预报检验统计表 在每一个站点上，分析2018年夏季位势高度逐时次预报序列与观测序列的相关性，得到图4。从图中可以看到，整体而言，和温度场的分析类似，模式对于北部的预报效果优于南部地区，北部的相关系数普遍在0.9以上，而我国华南地区的相关系数则多在0.8以下，但从相关系数上来看，模式对于位势高度的预报效果优于温度场的预报效果。分时效来看，两个模式都是12 h预报时效的结果优于24 h预报时效的结果，且在我国西部地区的差异更为明显。分层次来看，在对流层中高层的200 hPa和500 hPa，ECMWF的结果与GRAPES的结果类似，二者差异较小。但在对流层低层的700 hPa和850 hPa，ECMWF结果的优势明显，且这种优势主要表现在我国西部地区。 图4. 2018年夏季GRAPES和ECMWF位势高度相关系数空间分布图。1~4行分别为200 hPa、500 hPa、700 hPa和850 hPa的结果。第一列和第三列分别为ECMWF的12 h和24 h预报时效的结果，第二列和第四列分别为GRAPES的12 h和24 h预报时效的结果 为了更为直观的对比ECMWF和GRAPES的结果，绘制了图5的散点图。从图中可以看到，在对流层中高层的200 hPa和500 hPa，二者的差异相对较小，但在700 hPa和850 hPa，则ECMWF的相关系数大于GRAPES的结果，而ECMWF的RMSE则小于GRAPES的结果，反映ECMWF对于对流层低层位势高度的预报效果优于GRAPES的结果。 3.3. 不同时效风场的预报能力对比 将2018年6月1日~8月31日观测和预报的风速场进行时间平均后，分析2018年夏季平均值在不同站点上的差异，得到表3。从表中可以看到，在平均误差上，ECMWF在200 hPa的偏低10 m/s以上，而在其他层次上则偏低5 m/s以上。GRAPES的误差在各层均小于1 m/s，明显优于ECMWF的结果。类似的结果也可以在相关系数COR和均方根误差RMSE的对比中发现，反映了ECMWF在气温预报中的优势。 在每一个站点上，分析2018年夏季风速场逐时次预报序列与观测序列的相关性，得到图6。从图中可以看到，整体而言，模式对于高层的预报效果优于低层的结果，而在对流层高层的200 hPa，北方的预报效果也优于南方的效果。分模式来看，GRAPES的预报结果显著优于ECMWF的结果，反映了其在风速预报上的优势。 图5. 2018年夏季GRAPES和ECMWF位势高度预报相关系数散点分布图。图中，横坐标为ECMWF的结果，纵坐标为GRAPES的结果，第一行为相关系数COR，第二行为均方根误差RMSE，黑点为12小时预报的结果，红点为24小时预报的结果 Table 3 Test statistics of GRAPES and ECMWF wind speed forecasts in the summer of 201 层次 模式 12 h 24 h ME COR RMSE ME COR RMSE 200 hPa ECMWF −10.64 0.87 13.35 −10.59 0.87 13.29 GRAPES −0.38 0.99 0.86 −0.3 0.99 1.02 500 hPa ECMWF −5.19 0.8 5.63 −5.13 0.81 5.55 GRAPES −0.35 0.98 0.59 −0.25 0.98 0.59 700 hPa ECMWF −5.24 0.61 5.65 −5.24 0.61 5.65 GRAPES −0.14 0.94 0.58 −0.02 0.93 0.59 850 hPa ECMWF −5.42 0.59 6.02 −5.5 0.58 6.11 GRAPES 0.5 0.89 1.02 0.75 0.88 1.2 表3. 2018年夏季GRAPES和ECMWF风速预报检验统计表 为了更为直观的对比ECMWF和GRAPES的结果，绘制了图7的散点图。从图中可以看到，GRAPES的相关系数在不同层次均高于ECMWF的结果，而均方根误差则小于ECMWF的结果，这与前面表3和图6的结果是一致的。 图6. 2018年夏季GRAPES和ECMWF风速预报相关系数空间分布图。1~4行分别为200 hPa、500 hPa、700 hPa和850 hPa的结果。第一列和第三列分别为ECMWF的12 h和24 h预报时效的结果，第二列和第四列分别为GRAPES的12 h和24 h预报时效的结果 图7. 2018年夏季GRAPES和ECMWF风速预报相关系数散点分布图。图中，横坐标为ECMWF的结果，纵坐标为GRAPES的结果，第一行为相关系数COR，第二行为均方根误差RMSE，黑点为12小时预报的结果，红点为24小时预报的结果