CN112836881A - 一种近海海面风的预报质量评估方法及装置 - Google Patents

一种近海海面风的预报质量评估方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种近海海面风的预报质量评估方法及装置，包括：获取海面风预报的检验评估要素、待检测的预报数据，实况观测数据；若预报数据存在趋势变化，则将预报数据的预报时效分成变化时间段和非变化时间段，确定预报时效的变化时间段、变化时间段的预报信息以及非变化时间段的预报信息；根据每个时间段的预报信息和观测信息对每个时间段的预报数据进行质量评估；若在预报时效内出现气旋，则根据实况气旋中心是否进入预报海域以及与观测点的距离，判断前述质量评估是否有效。本发明可以解决海面风预报中不同趋势变化的预报质量的定量评估难题，天气剧烈变化时评估结果误差较大的问题，以及气旋影响问题。

Description

一种近海海面风的预报质量评估方法及装置
技术领域
本发明涉及海洋预报检验技术领域，不涉及数值模式预报，尤指一种近海海面风的预报质量评估方法及装置。
背景技术
海洋预报机构以前在开展海面风预报质量评估工作中，由于海上观测资料较少，主要采用人工定性评估(应用每天4张或8张东亚天气实况图及船舶实况观测资料，主观地评价发布的预报)，没有科学统一的评估方法和规范的评估流程，缺乏客观性、科学性与公正性，严重制约了预报质量检验评估的客观化和标准化，不利于预报技术水平的发展与提高。
近几年，随着布放的海洋观测浮标越来越多，在东经125度以西的中国近海海域，海洋观测浮标几乎覆盖了大部分海域，应用实况观测资料为发布预报质量检验评估提供了基础。为了提高海洋预报服务技术水平，有必要应用实况观测资料，对发布的预报进行定量评估。
目前海面风预报有多种预报形式，比如预报数据无趋势变化和预报数据有趋势变化的，在预报数据有趋势变化时又存在有明确的变化时段和没有变化时段的。
在定量评估过程中，如何解决实况观测点是海洋上一个点与预报海区是一个区域，以及当预报存在趋势变化时，该如何科学和客观地去评估是一个值得解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种近海海面风的预报质量评估方法及装置，用于解决现有技术中存在趋势变化的海面风预报质量的定量评估问题。
本发明提供的技术方案如下：
一种近海海面风的预报质量评估方法，包括：获取海面风预报的检验评估要素，所述检验评估要素包括风速和/或风向；获取所述检验评估要素的待检测的预报数据，以及在所述预报数据的预报时效内的实况观测数据；若所述预报数据存在趋势变化，则将所述预报数据的预报时效分成变化时间段和非变化时间段，确定所述预报时效的变化时间段及所述变化时间段的预报信息，根据所述变化时间段确定所述非变化时间段及所述非变化时间段的预报信息；根据所述实况观测数据获取所述预报时效的每个时间段的观测信息；根据每个时间段的预报信息和观测信息对所述时间段的预报质量进行评估。
进一步地，若所述预报数据存在趋势变化，则确定所述预报时效的所有变化时间段及每个变化时间段的预报信息，包括：若所述预报数据存在趋势变化，且不包含变化时段时，则从所述预报时效的第二个预报时段开始搜索所述实况观测数据；若获得达到所述趋势变化的观测信息，则将最先达到的观测信息的观测时间点所在的预报时段作为所述预报时效的变化时间段，所述趋势变化对应的预报信息作为所述变化时间段的预报信息。
进一步地，所述的将最先达到的观测信息的观测时间点所在的预报时段作为所述预报时效的变化时间段，包括：若最先达到的观测信息的观测时间点处在多个预报时段，则取先达到的预报时段作为所述预报时效的变化时间段。
进一步地，从所述预报时效的第二个预报时段开始搜索所述实况观测数据，之后还包括：若未获得达到所述趋势变化的观测信息，则按第一预设规则设置所述预报时效的变化时间段，所述趋势变化对应的预报信息作为所述变化时间段的预报信息。
进一步地，所述检验评估要素为风速；根据每个时间段的预报信息和观测信息对所述时间段的预报质量进行评估，包括：所述预报信息为预报风级，所述观测信息为观测风速；根据所述预报风级得到评估风级，根据所述评估风级对应的评估风速，根据所述观测风速得到观测风级；根据所述观测风级和所述评估风级得到风级绝对误差，根据所述风级绝对误差计算所述时间段的风级预报的评估得分；根据观测风速和评估风速计算所述时间段的风速相对误差。
进一步地，根据每个时间段的预报信息和观测信息对所述时间段的预报质量进行评估，还包括：若所述预报风级不大于第一预设风级，且所述观测风速不大于所述第一预设风级时，所述预报准确；若所述预报风级大于第二预设风级，且所述时间段存在达到所述第二预设风级的观测风速时，所述预报准确；其中，所述第二预设风级大于所述第一预设风级。
进一步地，所述检验评估要素为风向；根据每个时间段的预报信息和观测信息对所述时间段的预报质量进行评估，包括：所述预报信息为预报风向，所述观测信息为观测风向；若所述预报风向为常规风向，则根据所述预报风向和所述观测风向计算所述时间段的风向预报质量评估指标；若所述预报风向为旋转风，则根据所述观测风向判断预报海域是否出现旋转风；若出现，则预报正确。
进一步地，所述的根据所述预报风向和所述观测风向计算所述时间段的风向预报质量评估指标，包括：根据所述时间段的预报风向得到所述时间段的评估风向；根据所述时间段的观测风向和所述时间段的评估风向得到风向绝对误差，根据所述风向绝对误差计算所述时间段的风向预报的评估得分；根据所述时间段的观测风向和所述时间段的评估风向得到所述时间段的风向相对误差。
进一步地，在对所述时间段的预报质量进行评估之后包括：若在所述预报时效内出现气旋，则根据实况气旋中心在所述时间段与预报海域的距离以及与实况观测点的距离，判断所述时间段的预报质量评估是否有效。
本发明还提供一种近海海面风的预报质量评估装置，包括：信息获取模块，用于获取海面风预报的检验评估要素，所述检验评估要素包括风速和/或风向；获取所述检验评估要素的待检测的预报数据，以及在所述预报数据的预报时效内的实况观测数据；预报信息确定模块，用于若所述预报数据存在趋势变化，则将所述预报数据的预报时效分成变化时间段和非变化时间段，确定所述预报时效的变化时间段及所述变化时间段的预报信息，根据所述变化时间段确定所述非变化时间段及所述非变化时间段的预报信息；预报质量评估模块，用于根据所述实况观测数据获取所述预报时效的每个时间段的观测信息；根据每个时间段的预报信息和观测信息对所述时间段的预报质量进行评估。
通过本发明提供的一种近海海面风的预报质量评估方法及装置，至少能够带来以下有益效果：
1、本发明通过确定变化时间段及其预报信息，将每个时间段的预报信息与观测信息相结合进行预报质量评估，不仅解决了近海海面风的风速预报和风向预报中存在趋势变化的评估难题，还提高了评估的客观性、科学性和公正性。
2、本发明通过对边界风级值进行特殊处理，解决了天气形势剧烈变化时预报无法完全覆盖导致评估结果误差较大的问题。
3、本发明通过判断气旋在预报时间段是否进入预报海区以及距离观测点远近，解决了气旋影响时存在的点与面的难题。
4、本发明提高了海面风的预报产品质量，同时也促进预报员提高预报水平，进一步提高各级预报机构防灾减灾应急服务能力。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种近海海面风的预报质量评估方法及装置的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明的一种近海海面风的预报质量评估方法的一个实施例的流程图；
图2是图1中步骤S500的一个实施例的流程图；
图3是图1中步骤S500的另一个实施例的流程图；
图4是本发明的一种近海海面风的预报质量评估装置的一个实施例的结构示意图；
图5是图4中单时段评估单元的一个实施例的结构示意图；
图6是图4中单时段评估单元的另一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘制了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
本发明的一个实施例，如图1所示，一种近海海面风的预报质量评估方法，包括：
步骤S100获取海面风预报的检验评估要素。
近海海面风的检验评估要素包括风速和/或风向，其中风速为平均风速，风向为主要风向。由于瞬时风速/风向变化较大，不对瞬时风速/风向做评估，比如不对阵风做评估。若检验评估要素有多种，则分别对每种要素的预报质量进行评估。
步骤S200获取检验评估要素的待检测的预报数据，以及该预报数据的预报时效内的实况观测数据。
获取预报海域内的海面风预报数据和实况观测数据(来自海上实况观察点测量的数据)，从中获取检验评估要素的预报数据和对应的实况观测数据。
若检验评估要素为风速，则待检测的预报数据是指发布的风速预报。若检验评估要素为风向，则待检测的预报数据是指发布的风向预报。
预报时效是指预报有效的时间段，一般从预报发布的时间开始，持续预报有效时间的时间段。
比如，08时发布的某海区风速预报5-6▽7(即5-6级阵风7级，▽表示阵风)，其为待检测的预报数据，以预报有效时间24小时为例，其预报时效为(09时～第二天08时)。在预报时效内的风速测量数据为该预报数据对应的实况观测数据。
步骤S300判断预报数据是否存在趋势变化。
具体地，海面风数据预报存在多种预报形式。以风速预报为例，主要有：
第一种预报形式：预报数据无趋势变化，如5-6▽7(5-6级阵风7级)。
第二种预报形式：预报数据有趋势变化，且有明确的变化时段。
比如：5-6▽7下午↑6▽7-8(5-6级阵风7级下午增大到6级阵风7-8级)，其中包括一次变化趋势，变化时段为下午。
5-6▽7上半夜↑6-7▽8下半夜↑7-8▽9(5-6级阵风7级上半夜增大到6-7级阵风8级下半夜增大到7-8级阵风9级)，其中包括两次变化趋势，第一个变化时段为上半夜，第二个变化时段为下半夜。
第三种预报形式：预报数据有趋势变化，没有变化时段。比如5-6▽7↑6▽7-8(5-6级阵风7级增大到6级阵风7-8级)，其中包括一次变化趋势，没有变化时段。
第二种预报形式和第三种预报形式中存在趋势变化，第一种预报形式不存在趋势变化。风向预报也是类似形式，比如：第一种预报形式：E(东风)；第二种预报形式：E下午SE(东风下午转东南风)；第三种预报形式：E->SE(东风转东南风)。
步骤S310若预报数据不存在趋势变化，则预报数据的预报时效对应一个时间段，根据预报数据确定该时间段的预报信息。
针对不存在趋势变化的预报数据(即第一种预报形式)，其整个预报时效对应一个时间段。比如，以08时发布的某海区风向风速预报E5-6▽7为例，风速的预报数据为5-6▽7，风向的预报数据为E，预报时效为(09时～第二天08时)，整个预报时效对应一个时间段。预报信息是指预报数据中用于检验评估的有效信息。因不对阵风预报做评估，所以该时间段的风速的预报信息(又称为预报风级)为5-6级，风向的预报信息(又称为预报风向)为E。
步骤S320若预报数据存在趋势变化，则将预报数据的预报时效分成变化时间段和非变化时间段，确定预报时效的变化时间段及变化时间段的预报信息。
步骤S321根据预报时效的变化时间段确定预报时效的非变化时间段及非变化时间段的预报信息。
具体地，若预报数据存在趋势变化，则预报时效至少分成两个时间段，每个时间段属于变化时间段或非变化时间段。
时间段的最小单位为预报时段。现有海洋预报时段如表1所示，理论上可以调整，本申请对此不做限制。
表1预报时段及其对应的时间范围
预报时段 北京时间
白天 08:00～20:00
夜间 20:00～08:00
早晨 05:00～08:00
上午 08:00～11:00
中午 11:00～14:00
下午 14:00～17:00
傍晚 17:00～20:00
上半夜 20:00～23:00
半夜 23:00～02:00
下半夜 02:00～05:00
相对前一时间段，预报信息发生了变化的时间段称为变化时间段，预报信息没有发生变化的时间段称为非变化时间段，非变化时间段继承前一时间段的预报信息。若预报数据存在N次趋势变化，则对应的预报时效存在N个变化时间段。
当所有变化时间段确定后，预报时效内剩下的时间段为非变化时间段。第一时间段为非变化时间段，其预报信息从预报数据中获取。其他非变化时间段的预报信息，根据非变化时间段继承前一时间段的预报信息的原则确定。所以在对存在趋势变化的预报数据的预报质量评估中，关键是先确定预报时效的变化时间段及变化时间段的预报信息。
若预报数据存在趋势变化，且包含变化时段(即预报数据采用第二种预报形式)，则根据预报数据的变化时段确定预报时效的变化时间段，根据预报数据的趋势变化(即预报数据中变化时段的预报信息)确定变化时间段的预报信息。
比如，以08时发布的风速预报5-6▽7下午↑6▽7-8为例，该风速预报的预报时效为(09时～第二天08时)，该风速预报的变化时段为下午，从表1可知是(14:00～17:00)。所以预报时效分成了三段，分别是第一时间段(09:00～13:00，非变化时间段)、第二时间段(14:00～17:00，变化时间段)和第三时间段(18:00～第二天08时，非变化时间段)。
第一时间段的预报信息为预报风级5-6级；第二时间段为变化时间段，取预报数据中变化时段的预报信息作为该变化时间段的预报信息，即预报风级6级；第三时间段为非变化时间段，继承前一时间段的预报信息，即预报风级6级。
又比如，以08时发布的风速预报5-6▽7上半夜↑6-7▽8下半夜↑7-8▽9为例，该风速预报的预报时效为(09时～第二天08时)，该风速预报存在两个变化时段，分别为上半夜(20:00～23:00)和下半夜(第二天02:00～05:00)，所以预报时效分成了五段，分别是第一时间段(09:00～19:00，非变化时间段)、第二时间段(20:00～23:00，第一变化时间段)、第三时间段(半夜23:00～02:00，非变化时间段)、第四时间段(02:00～05，第二变化时间段)和第五时间段(06:00～08，非变化时间段)。第一变化时间段的预报信息为6-7级(第一个趋势变化)，第二变化时间段的预报信息为7-8级(第二个趋势变化)。所以第一时间段～第五时间段的预报信息分别为预报风级5-6级、6-7级、6-7级、7-8级和7-8级。
又比如，以08时发布的风向预报“E下午SE”为例，预报时效为(09时～第二天08时)，该风向预报存在一个变化时段，其变化时段为下午(14:00～17:00)。其预报时效分成了三段，分别是第一时间段(09:00～13:00，非变化时间段)、第二时间段(14:00～17:00，变化时间段)和第三时间段(18:00～第二天08时，非变化时间段)。第一时间段～第三时间段的预报风向分别为：E、SE、SE。
若预报数据存在趋势变化，且不包含变化时段(即预报数据采用第三种预报形式)，则根据实况观测数据确定预报时效的变化时间段，根据预报数据的趋势变化确定变化时间段的预报信息。
从预报时效的第二个预报时段开始搜索实况观测数据；若在搜索过程中获得达到该趋势变化的观测信息，则将最先达到的观测信息的观测时间点所在的预报时段作为预报时效的变化时间段，该趋势变化对应的预报信息作为变化时间段的预报信息。
比如，以08时发布的风速预报5-6▽7↑6▽7-8为例，该风速预报采用第三种预报形式，预报时效为(09时～第二天08时)。从预报时效的第二个预报时段(本例的第一个预报时段为上午，第二个预报时段为中午，从中午11时)开始搜索实况观测数据，假设测得15时风速增大到12.3米/秒，即达到6级(趋势变化)，则15时为最先达到的观测信息的观测时间点，取15时所在的预报时段(即下午，14:00～17:00)作为预报时效的变化时间段。该趋势变化对应的预报信息(风速6级)作为该变化时间段的预报信息。
所以预报时效分成了三段，分别是第一时间段(09:00～13:00，非变化时间段)、第二时间段(14:00～17:00，变化时间段)和第三时间段(18:00～第二天08时，非变化时间段)。第一时间段～第三时间段的预报信息分别为预报风级5-6级、6级、6级。
又比如，以08时发布的风向预报“E->SE”为例，该风向预报采用第三种预报形式，预报时效为(09时～第二天08时)。从预报时效的第二个预报时段(中午11时)开始搜索实况观测数据，假设测得15时风向为SE，即达到趋势变化，则15时为最先达到的观测信息的观测时间点，取15时所在的预报时段(即下午，14:00～17:00)作为预报时效的变化时间段。该趋势变化(SE)作为该变化时间段的预报信息。
所以其预报时效分成了三段，分别是第一时间段(09:00～13:00，非变化时间段)、第二时间段(14:00～17:00，变化时间段)和第三时间段(18:00～第二天08时，非变化时间段)。第一时间段～第三时间段的预报风向分别为：E、SE、SE。
进一步，若最先达到的观测信息的观测时间点处在多个预报时段，则取先达到的预报时段作为预报时效的变化时间段。
比如，以08时发布的风速预报5-6▽7↑6▽7-8为例，假设在搜索实况观测数据中，测得14时风速增大到12.3米/秒，即达到6级，则14时为最先达到趋势变化的观测信息的观测时间点。14时处于两个预报时段(中午11:00～14:00和下午14:00～17:00)，则取先达到的预报时段作为预报时效的变化时间段，即中午作为预报时效的变化时间段。该趋势变化(风速6级)作为变化时间段的预报信息。
所以预报时效分成了三段，分别是第一时间段(09:00～10:00，非变化时间段)、第二时间段(11:00～14:00，变化时间段)和第三时间段(15:00～第二天08时，非变化时间段)。第一时间段～第三时间段的预报信息分别为预报风级5-6级、6级、6级。
又比如，以08时发布的风向预报“E->SE”为例，假设在搜索实况观测数据中，测得14时风向为SE，即达到趋势变化，则14时为最先达到的观测信息的观测时间点。14时处于两个预报时段(中午11:00～14:00和下午14:00～17:00)，则取先达到的预报时段作为预报时效的变化时间段，即中午作为预报时效的变化时间段。该趋势变化(SE)作为该变化时间段的预报信息。
其预报时效分成了三段，分别是第一时间段(09:00～10:00，非变化时间段)、第二时间段(11:00～14:00，变化时间段)和第三时间段(15:00～第二天08时，非变化时间段)。第一时间段～第三时间段的预报风向分别为：E、SE、SE。
可选地，若未获得达到该趋势变化的观测信息时，则按第一预设规则设置预报时效的变化时间段，该趋势变化对应的预报信息作为变化时间段的预报信息。
比如，以08时发布的风速预报5-6▽7↑6▽7-8为例，预报时效为(09时～第二天08时)。假设在搜索实况观测数据中未搜索到达到该趋势变化(6级)的观测信息时，则将最后二个时段(一种预设规则，也可以为其他规则，此处仅是示例)设为预报时效的变化时间段。预报时效的最后两个预报时段分别为下半夜02:00～05:00和早晨05:00～08:00，这两个预报时段构成的时间段(02:00～第二天08:00)为变化时间段，该趋势变化(风速6级)作为变化时间段的预报信息。
所以预报时效分成了两段，分别是第一时间段(09:00～第二天01:00，非变化时间段)、第二时间段(02:00～08:00，变化时间段)。第一时间段～第二时间段的预报信息分别为预报风级5-6级、6级。
又比如，以08时发布的风向预报“E->SE”为例，假设在搜索实况观测数据中未搜索到达到该趋势变化(SE)的观测信息时，则将最后二个时段设为预报时效的变化时间段。预报时效的最后两个预报时段分别为下半夜02:00～05:00和早晨05:00～08:00，这两个预报时段构成的时间段(02:00～第二天08:00)为变化时间段，该趋势变化(风向SE)作为变化时间段的预报信息。
其预报时效分成了两段，分别是第一时间段(09:00～第二天01:00，非变化时间段)、第二时间段(02:00～08:00，变化时间段)。第一时间段～第二时间段的预报信息分别为E、SE。
通过上述方式，借助实况观测数据，我们能很好地确定第三种预报形式的变化时间段及变化时间段的预报信息。
当风向预报中出现旋转风时需要特殊处理：
风向预报中存在常规风向和旋转风。按照一定规则识别旋转风，比如连续12小时内出现7个以上不同风位，或者预报时效内出现11个以上不同风位为旋转风。常规风向的风位较单一，在风向预报中，用方位表示，比如E(东风)、NE(东北风)。
由于相对预报时效(通常为24小时)，旋转风需要长时间的观测数据才能确定，所以出现旋转风时简化处理。
当风向预报中出现旋转风，且采用第三种预报形式，则根据旋转风在预报时效内的位置，将预报时效分成前后12小时来判别预报旋转风是否准确。具体地，将预报时效分成2个时间段，每个时间段为12小时，若旋转风为变化风向，则将第二时间段的预报信息设为旋转风；若旋转风为变化前的风向，则将第一时间段的预报信息设为旋转风。比如，以08时发布的风向预报“E->旋转风”为例，将预报时效(09时～第二天08时)分成2个时间段，分别是第一时间段(09:00～20:00，非变化时间段)、第二时间段(21:00～第二天08:00，变化时间段)。旋转风为变化风向，所以第二时间段的预报信息为旋转风，第一时间段的预报信息为E。
如果08时发布的风向预报为“旋转风->E”，旋转风为变化前风向，则第一时间段的预报信息为旋转风，第二时间段的预报信息为东风E。
步骤S400根据实况观测数据获取预报时效的每个时间段的观测信息。
若时间段内有多个时次的观测值，可根据多个时次的观测值得到该时间段的观测信息，比如对于风速可取最高值，对于风向可选取风速最高值时刻对应风向或出现频次高的风向；也可将多个时次的观测值及其对应的时次作为该时间段的观测信息。
若在同一时次存在多个实况观测值，比如存在多个实况观测站点的情况，则选取同一时次中风速最高值或主要风向值参与检验评估。
步骤S500根据每个时间段的预报信息和观测信息对对应时间段的预报质量进行评估。
可选地，若一个时间段的观测信息存在多个时次的观测值，则根据该时间段的预报信息和每个时次的观测值对预报数据的预报质量分别进行评估，得到对应的多个评估结果；再根据得到的多个评估结果，得到本时间段的预报质量的评估。可选地，若每个评估结果包括评估得分、预报值与实测值的相对误差，则可以取多个评估结果中的最高评估得分作为最终的评估得分，取多个评估结果中的最小的相对误差作为最终的相对误差。
若检验评估要素为风速，则根据每个时间段的预报信息和观测信息计算对应时间段的风速预报质量评估指标。若检验评估要素为风向，则根据每个时间段的预报信息和观测信息计算对应时间段的风向预报质量评估指标。
风速/风向预报质量评估指标包括预报值与实测值的相对误差和绝对误差，以及评估得分中的至少一种。
步骤S600若在预报时效内出现气旋，则根据实况气旋中心在该时间段与预报海域的距离以及与实况观测点的距离，判断该时间段的预报质量评估是否有效。
具体地，气旋包括热带气旋和温带气旋。
由于海上实况观测站点与预报范围相比密度少，而预报海区相对较大，实况观测点数据理论上不能代表预报海区的实况，尤其在气旋影响某一海区时，气旋中心距离实况观测点与预报海区的距离远近对风速的影响较大，此时用观测点数据代表预报海区明显失去客观性与公正性。
对2013年至2014年12个热带气旋和10个温带气旋影响东海南部时钓鱼岛附近海域、温州外海4个海洋浮标风浪进行了详细分析对比，结论表明在热带气旋和温带气旋影响某一海区时，应用海域内的某一点来代表预报区域将会失去评估的科学性与客观性。
故在气旋影响预报海域时应根据气旋的中心强度和气旋的移动速度及路径变化趋势判断实况气旋中心是否在评估时间段进入该海域，若进入，则前述评估数据有效；若未进入，则前述评估数据无效。
进一步，可根据以下方式判断评估是否有效：
a)若预报时效内出现气旋，且在该时间段气旋的7级风圈外缘距离预报海域边缘大于第一预设距离，比如250km，则该时间段的预报质量评估有效。
说明气旋距离观测点较远，对观测点这片海区没有影响，观测点的记录数据可以代表这片海区的，所以评估结果有效。
b)若预报时效内出现气旋，且在该时间段气旋的7级风圈外缘距离预报海域边缘不大于第一预设距离，比如250km，且距离实况观测点不大于第二预设距离，比如40km，则该时间段的预报质量评估有效。
说明气旋距离观测点较近，观测点这片海区处于气旋影响最严重阶段，观测点的记录数据可以代表这片海区的，所以评估结果有效。
c)若预报时效内出现气旋，且在该时间段气旋的7级风圈外缘距离预报海域边缘不大于第一预设距离，比如250km，但距离实况观测点大于第二预设距离，比如40km，则该时间段的预报质量评估有效。
说明气旋距离观测点介于一个过渡阶段，有影响，但是影响不大，此时在观测点至气旋中心点的直线上，各点的风速差距较大，用观测点的记录数据不能代表这片海区的，所以评估结果无效。
进一步，在热带气旋影响时，在应用上述评判原则时，还可根据我国中央气象台发布的距离预报时刻最近一期的关于热带气旋的移动速度及路径变化的趋势决定某一预报海域评估是否有效。
本实施例，通过确定变化时间段及其预报信息，将每个时间段的预报信息与观测信息相结合进行预报质量评估，不仅解决了近海海面风的风速预报和风向预报中存在趋势变化的评估难题，还提高了评估的客观性、科学性和公正性；通过判断气旋在预报时间段是否进入预报海区，解决了气旋对预报质量评估的影响。
本发明的另一个实施例，如图1、图2所示，一种近海海面风的预报质量评估方法，用于风速预报质量评估，包括：
在图1所示实施例基础上，步骤S500根据一个时间段的预报信息和观测信息对该时间段的风速预报质量进行评估，具体包括：
该预报信息为预报风级，该观测信息为观测风速。
步骤S510若预报风级不大于第一预设风级，且观测风速不大于第一预设风级时，则预报准确；否则，执行步骤S520。
步骤S520若预报风级大于第二预设风级，且该时间段存在达到第二预设风级的观测风速时，则预报准确；否则，执行步骤S530。
其中第二预设风级大于第一预设风级。
具体地，灾害天气影响前夕与结束后期，风速的变化范围较大，预报无法全覆盖；同时在实况风速较小时，由于预报警示特性，不可能预报最小风速，造成评估结果误差较大。
为了合理解决这个问题，设置预报风级下限，即第一预设风级，比如4级，该风级为近海预报的最小风级。若预报4级风时，实况风级在4级以下时，判断误差为0，认为预报准确。
设置第二预设风级(比如10级)，当预报风级大于10级时，只要实况达到10级，则认为预报准确，判断误差为0。
步骤S530根据预报风级得到评估风级，计算评估风级对应的评估风速、观测风速对应的观测风级。
具体地，预报风级有多种形式，有可能单级风速(如5级)，也有可能二级风速(如5-6级)，在灾害性天气影响时，会出现发布三级风速、四级风速的情况(如7-9级，10-13级)。
如果是单级风速，则评估风级等于预报风级。如果是多级风速，则评估风级等于预报风级的数学平均值，比如5-6级的评估风级为5.5级，7-9级的评估风级为8级，10-13级的评估风级为11.5级。
根据以下公式计算评估风速和观测风级：
Figure BDA0002938925230000161
其中，N为风的级数，
Figure BDA0002938925230000162
为N级风的平均风速值，单位米/秒(m/s)。
当N为评估风级时，计算得到的
Figure BDA0002938925230000163
为对应的评估风速；当
Figure BDA0002938925230000164
为观测风速时，根据上述公式的逆向运算得到的N为对应的观测风级。
步骤S540根据观测风级和评估风级得到风级绝对误差，根据风级绝对误差计算该时间段的风速预报的评估得分。
根据以下公式计算风级绝对误差：
Figure BDA0002938925230000165
其中，DL为风级绝对误差，FL为评估风级，ML为观测风级，风级阈值根据需要设置，比如为4.1。
根据风速绝对误差按一定的规则计算风速预报的评估得分，比如：
a)风级绝对误差不大于1时为满分100分；
b)风级绝对误差大于1且不大于2时，风速每相差0.1m/s扣1分；
c)风级绝对误差大于2且不大于3时，风速每相差0.1m/s扣2分；
d)风级绝对误差大于3时为0分；
e)单个海域风速得分为该海域所有时次的累加平均，单份预报单的风速得分为所有预报海域风速得分的累加平均。
步骤S550根据观测风速与评估风速计算风速相对误差。
按以下公式计算风速相对误差R风速：
Figure BDA0002938925230000171
其中，V观测为观测风速，V预报为评估风速。
单份预报单的风速相对误差为所有预报海域的风速相对误差的累加平均。
将风速预报的评估得分和风速相对误差作为该时间段的风速预报质量评估指标。
本实施例，根据预报风级/风速和观测风级/风速计算风速预报质量评估指标，更客观、全面、科学地对风速预报进行评估；通过设置第一预设风级和第二预设风级，对边界风级值进行特殊处理，解决了天气形势剧烈变化时预报无法完全覆盖导致评估结果误差较大的问题。
本发明的另一个实施例，如图1、图3所示，一种近海海面风的预报质量评估方法，用于风向预报质量评估，包括：
在图1所示实施例基础上，步骤S500根据一个时间段的预报信息和观测信息对该时间段的风向预报质量进行评估，具体包括：
该预报信息为预报风向，该观测信息为观测风向。
风向预报中存在常规风向和旋转风。常规风向的风位单一，在预报中用方位表示，比如E(东风)、NE(东北风)。而旋转风同时存在多种风位，所以在预报质量评估上分别处理。
步骤S511判断预报风向是否为常规风向。
步骤S512若预报风向为常规风向，则根据预报风向和观测风向计算本时间段的风向预报质量评估指标。
风向预报质量评估指标包括风向预报的评估得分和风向相对误差。
步骤S521若预报风向为旋转风，则根据观测风向判断预报海域是否出现旋转风；若出现，则预报正确；否则预报错误。
步骤S512进一步包括：
步骤S531根据预报风向得到评估风向。
具体地，不同的风向符号对应的角度不同，根据下述风向换算表，将预报风向(方位)换算成对应的评估风向(度)。
表2预报风向(方位)与评估风向(度)换算表
Figure BDA0002938925230000181
步骤S541根据观测风向与评估风向得到风向绝对误差，根据风向绝对误差计算风向预报的评估得分。
根据以下公式计算风向绝对误差X风向：
X风向＝|(FD-MD)mod360-180|；
其中，FD为评估风向，单位度(°)；MD为观测风向，单位度(°)。
根据风向绝对误差按一定的规则计算风向预报的评估得分，比如：
a)风向绝对误差不大于1.5个方位为满分100分；
b)风向绝对误差大于1.5个方位且不大于2个方位，每偏差1°扣1.5分；
c)风向绝对误差大于2个方位，每偏差1°扣2分，直至0分；
d)单个海域风向得分为该海域所有时次的累加平均，单份预报单的风向得分为所有预报海域的累加平均。
步骤S551根据观测风向与评估风向计算风向相对误差。
按以下公式计算风向相对误差R风向：
Figure BDA0002938925230000191
其中，MD为观测风向，单位度；FD为评估风向，单位度。
单份预报单的风向相对误差为所有预报海域的风向相对误差的累加平均。
将风向预报的评估得分和风向相对误差作为该时间段的风向预报质量评估指标。
本实施例，通过对旋转风和常规风向区别处理，以及对常规风向的评估通过计算风向预报质量评估指标，更客观、全面、科学地对风向预报进行评估。
本发明的一个实施例，如图4所示，一种近海海面风的预报质量评估装置，包括：
信息获取模块100，用于获取海面风预报的检验评估要素；获取检验评估要素的待检测的预报数据，以及该预报数据的预报时效内的实况观测数据。
近海海面风的检验评估要素包括风速和/或风向，其中风速为平均风速，风向为主要风向。若检验评估要素有多种，分别对每种要素的预报质量进行评估。
获取预报海域内的海面风预报数据和实况观测数据，从中获取检验评估要素的预报数据和对应的实况观测数据。预报时效是指预报有效的时间段。
预报形式判断模块200，用于判断预报数据是否存在趋势变化。
具体地，海面风数据预报存在多种预报形式。以风速预报为例，主要有：
第一种预报形式：预报数据无趋势变化。
第二种预报形式：预报数据有趋势变化，且有明确的变化时段。
第三种预报形式：预报数据有趋势变化，没有变化时段。
第二种预报形式和第三种预报形式存在趋势变化，第一种预报形式不存在趋势变化。风向预报也是类似形式，不重述。
预报信息确定模块300，用于若预报数据不存在趋势变化，则预报数据的预报时效对应一个时间段，根据预报数据确定该时间段的预报信息。
针对第一种预报形式，其整个预报时效对应一个时间段。预报信息是指预报数据中用于检验评估的有效信息。
预报信息确定模块300，还用于若预报数据存在趋势变化，则将预报数据的预报时效分成变化时间段和非变化时间段，确定预报时效的变化时间段及变化时间段的预报信息；根据预报时效的变化时间段确定预报时效的非变化时间段及非变化时间段的预报信息。
具体地，若预报数据存在趋势变化，则预报时效至少分成两个时间段，每个时间段属于变化时间段或非变化时间段，时间段的最小单位为预报时段。
相对前一时间段，预报信息发生了变化的时间段称为变化时间段，预报信息没有发生变化的时间段称为非变化时间段，非变化时间段继承前一时间段的预报信息。若预报数据存在N次趋势变化，则对应的预报时效存在N个变化时间段。
当所有变化时间段确定后，预报时效内剩下的时间段为非变化时间段。第一时间段为非变化时间段，其预报信息从预报数据中获取。其他非变化时间段的预报信息，根据非变化时间段继承前一时间段的预报信息的原则确定。所以在对存在趋势变化的预报数据的预报质量评估中，关键是先确定预报时效的变化时间段及变化时间段的预报信息。
若预报数据采用第二种预报形式，则将预报数据中的变化时段作为预报时效的变化时间段，预报数据的趋势变化(即预报数据中变化时段的预报信息)作为变化时间段的预报信息。
若预报数据采用第三种预报形式，则根据实况观测数据确定预报时效的变化时间段，根据预报数据的趋势变化确定变化时间段的预报信息。
从预报时效的第二个预报时段开始搜索实况观测数据；若在搜索过程中获得达到该趋势变化的观测信息，则将最先达到的观测信息的观测时间点所在的预报时段作为预报时效的变化时间段，该趋势变化对应的预报信息作为变化时间段的预报信息。
进一步，若最先达到的观测信息的观测时间点处在多个预报时段，则取先达到的预报时段作为预报时效的变化时间段。
可选地，若未获得达到该趋势变化的观测信息时，则按第一预设规则设置预报时效的变化时间段，该趋势变化对应的预报信息作为变化时间段的预报信息。
通过上述方式，借助实况观测数据，我们能很好地确定第三种预报形式的变化时间段及变化时间段的预报信息。
当风向预报中出现旋转风时需要特殊处理：
风向预报中存在常规风向和旋转风。由于相对预报时效(通常为24小时)，旋转风需要长时间的观测数据才能确定，所以出现旋转风时简化处理。当风向预报中出现旋转风，且采用第三种预报形式，则根据旋转风在预报时效内的位置，将预报时效分成前后12小时来判别预报旋转风是否准确。具体地，将预报时效分成2个时间段，每个时间段为12小时，若旋转风为变化风向，则将第二时间段的预报信息设为旋转风；若旋转风为变化前的风向，则将第一时间段的预报信息设为旋转风。
预报质量评估模块400，用于根据实况观测数据获取预报时效的每个时间段的观测信息；根据每个时间段的预报信息和观测信息对对应时间段的预报质量进行评估。
预报质量评估模块400包括单时段评估单元410，单时段评估单元410用于根据一个时间段的预报信息和观测信息对对应时间段的预报质量进行评估。
若时间段内有多个时次的观测值，可根据多个时次的观测值计算得到该时间段的观测信息；也可将多个时次的观测值及其对应的时次作为该时间段的观测信息。
若在同一时次存在多个实况观测值，则选取同一时次中风速最高值或主要风向值参与检验评估。
可选地，若一个时间段的观测信息存在多个时次的观测值，则根据该时间段的预报信息和每个时次的观测值对预报数据的预报质量分别进行评估，得到对应的多个评估结果；再根据得到的多个评估结果，得到本时间段的预报质量的评估。可选地，每个评估结果包括评估得分、预报值与实测值的相对误差，则可以取多个评估结果中的最高评估得分作为最终的评估得分，取多个评估结果中的最小的相对误差作为最终的相对误差。
气旋影响模块500，用于若在预报时效内出现气旋，则根据实况气旋中心在该时间段与预报海域的距离以及与实况观测点的距离，判断该时间段的预报质量评估是否有效。
进一步，可根据以下方式判断评估是否有效：
a)若预报时效内出现气旋，且在该时间段气旋的7级风圈外缘距离预报海域边缘大于第一预设距离，则该时间段的预报质量评估有效。
b)若预报时效内出现气旋，且在该时间段气旋的7级风圈外缘距离预报海域边缘不大于第一预设距离，且距离实况观测点不大于第二预设距离，则该时间段的预报质量评估有效。
c)若预报时效内出现气旋，且在该时间段气旋的7级风圈外缘距离预报海域边缘不大于第一预设距离，但距离实况观测点大于第二预设距离，则该时间段的预报质量评估有效。
本实施例，通过确定变化时间段及其预报信息，将每个时间段的预报信息与观测信息相结合进行预报质量评估，解决了近海海面风的风速预报和风向预报中存在趋势变化的评估难题，还提高了评估的客观性、科学性和公正性；通过判断气旋在预报时间段是否进入预报海区，解决了气旋对预报质量评估的影响。
本发明的另一个实施例，如图4、图5所示，一种近海海面风的预报质量评估装置，用于风速预报质量评估，包括：
在图4所示实施例基础上，单时段评估单元410具体包括：
该预报信息为预报风级，该观测信息为观测风速。
风速边界评估单元411，用于若预报风级不大于第一预设风级，且观测风速不大于第一预设风级时，则预报准确；若预报风级大于第二预设风级，且该时间段存在达到第二预设风级的观测风速时，则预报准确；其中第二预设风级大于第一预设风级。
具体地，灾害天气影响前夕与结束后期，风速的变化范围较大，预报无法全覆盖；同时在实况风速较小时，由于预报警示特性，不可能预报最小风速，造成评估结果误差较大。
为了合理解决这个问题，设置预报风级下限，即第一预设风级，比如4级，该风级为近海预报的最小风级。若预报4级风时，实况风级在4级以下时，判断误差为0，认为预报准确。设置第二预设风级(比如10级)，当预报风级大于10级时，只要实况达到10级，则认为预报准确，判断误差为0。
若不满足上述两种情况，则由风速正常评估单元412对该时间段的风速预报质量进行评估。
风速正常评估单元412，用于根据预报风级得到评估风级，计算评估风级对应的评估风速、观测风速对应的观测风级。
具体地，预报风级有多种形式，如果是单级风速，则评估风级等于预报风级。如果是多级风速，则评估风级等于预报风级的数学平均值。
风速正常评估单元412，还用于根据观测风级和评估风级得到风级绝对误差，根据风级绝对误差计算该时间段的风速预报的评估得分；根据观测风速与评估风速计算风速相对误差。
根据风速绝对误差按一定的规则计算风速预报的评估得分。单份预报单的风速相对误差为所有预报海域的风速相对误差的累加平均。
将风速预报的评估得分和风速相对误差作为该时间段的风速预报质量评估指标。
本实施例，根据预报风级/风速和观测风级/风速计算风速预报质量评估指标，更客观、全面、科学地对风速预报进行评估；通过设置第一预设风级和第二预设风级，对边界风级值进行特殊处理，解决了天气形势剧烈变化时预报无法完全覆盖导致评估结果误差较大的问题。
本发明的另一个实施例，如图4、图6所示，一种近海海面风的预报质量评估装置，用于风向预报质量评估，包括：
在图4所示实施例基础上，单时段评估单元410具体包括：
该预报信息为预报风级，该观测信息为观测风速。风向预报中存在常规风向和旋转风，对其预报质量分别做评估。
常规风向评估单元413，用于若预报风向为常规风向，根据预报风向和观测风向计算所述时间段的风向预报质量评估指标。
旋转风评估单元414，用于若预报风向为旋转风，则根据观测风向判断预报海域是否出现旋转风；若出现，则预报正确；否则预报错误。
常规风向评估单元413，还用于根据预报风向得到评估风向；根据观测风向与评估风向得到风向绝对误差，根据风向绝对误差计算风向预报的评估得分；根据观测风向与评估风向计算风向相对误差。
具体地，不同的风向符号对应的角度不同，根据风向换算表，将预报风向(方位)换算成对应的评估风向(度)。根据评估风向和观测方向计算风向绝对误差。根据风向绝对误差按一定的规则计算风向预报的评估得分。根据评估风向和观测方向计算风向相对误差。
单份预报单的风向相对误差为所有预报海域的风向相对误差的累加平均。将风向预报的评估得分和风向相对误差作为该时间段的风向预报质量评估指标。
本实施例，通过对旋转风和常规风向区别处理，对常规风向的评估通过计算风向预报质量评估指标，更客观、全面、科学地对风向预报进行评估。
需要说明的是，本发明提供的用于近海海面风的预报质量评估装置的实施例与前述提供的应用于近海海面风的预报质量评估方法的实施例均基于同一发明构思，能够取得相同的技术效果。因而，用于近海海面风的预报质量评估装置的实施例的其它具体内容可以参照前述应用于近海海面风的预报质量评估方法的实施例内容的记载。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种近海海面风的预报质量评估方法，其特征在于，包括：
获取海面风预报的检验评估要素，所述检验评估要素包括风速和/或风向；
获取所述检验评估要素的待检测的预报数据，以及在所述预报数据的预报时效内的实况观测数据；
若所述预报数据存在趋势变化，则将所述预报数据的预报时效分成变化时间段和非变化时间段，确定所述预报时效的变化时间段及所述变化时间段的预报信息，根据所述变化时间段确定所述非变化时间段及所述非变化时间段的预报信息；
根据所述实况观测数据获取所述预报时效的每个时间段的观测信息；
根据每个时间段的预报信息和观测信息对所述时间段的预报质量进行评估。
2.根据权利要求1所述的预报质量评估方法，其特征在于，若所述预报数据存在趋势变化，则确定所述预报时效的所有变化时间段及每个变化时间段的预报信息，包括：
若所述预报数据存在趋势变化，且不包含变化时段，则从所述预报时效的第二个预报时段开始搜索所述实况观测数据；
若获得达到所述趋势变化的观测信息，则将最先达到的观测信息的观测时间点所在的预报时段作为所述预报时效的变化时间段，所述趋势变化对应的预报信息作为所述变化时间段的预报信息。
3.根据权利要求2所述的预报质量评估方法，其特征在于，所述的将最先达到的观测信息的观测时间点所在的预报时段作为所述预报时效的变化时间段，包括：
若最先达到的观测信息的观测时间点处在多个预报时段，则取先达到的预报时段作为所述预报时效的变化时间段。
4.根据权利要求2所述的预报质量评估方法，其特征在于，从所述预报时效的第二个预报时段开始搜索所述实况观测数据，之后还包括：
若未获得达到所述趋势变化的观测信息，则按第一预设规则设置所述预报时效的变化时间段，所述趋势变化对应的预报信息作为所述变化时间段的预报信息。
5.根据权利要求1所述的预报质量评估方法，其特征在于：
所述检验评估要素为风速；
根据每个时间段的预报信息和观测信息对所述时间段的预报质量进行评估，包括：
所述预报信息为预报风级，所述观测信息为观测风速；
根据所述预报风级得到评估风级，根据所述评估风级对应的评估风速，根据所述观测风速得到观测风级；
根据所述观测风级和所述评估风级得到风级绝对误差，根据所述风级绝对误差计算所述时间段的风级预报的评估得分；
根据观测风速和评估风速计算所述时间段的风速相对误差。
6.根据权利要求5所述的预报质量评估方法，其特征在于，根据每个时间段的预报信息和观测信息对所述时间段的预报质量进行评估，还包括：
若所述预报风级不大于第一预设风级，且所述观测风速不大于所述第一预设风级时，所述预报准确；
若所述预报风级大于第二预设风级，且所述时间段存在达到所述第二预设风级的观测风速时，所述预报准确；
其中，所述第二预设风级大于所述第一预设风级。
7.根据权利要求1所述的预报质量评估方法，其特征在于：
所述检验评估要素为风向；
根据每个时间段的预报信息和观测信息对所述时间段的预报质量进行评估，包括：
所述预报信息为预报风向，所述观测信息为观测风向；
若所述预报风向为常规风向，则根据所述预报风向和所述观测风向计算所述时间段的风向预报质量评估指标；
若所述预报风向为旋转风，则根据所述观测风向判断预报海域是否出现旋转风；若出现，则预报正确。
8.根据权利要求7所述的预报质量评估方法，其特征在于，所述的根据所述预报风向和所述观测风向计算所述时间段的风向预报质量评估指标，包括：
根据所述时间段的预报风向得到所述时间段的评估风向；
根据所述时间段的观测风向和所述时间段的评估风向得到风向绝对误差，根据所述风向绝对误差计算所述时间段的风向预报的评估得分；
根据所述时间段的观测风向和所述时间段的评估风向得到所述时间段的风向相对误差。
9.根据权利要求1所述的预报质量评估方法，其特征在于，在对所述时间段的预报质量进行评估之后包括：
若所述预报时效内出现气旋，则根据实况气旋中心在所述时间段与预报海域的距离以及与实况观测点的距离，判断所述时间段的预报质量评估是否有效。
10.一种近海海面风的预报质量评估装置，其特征在于，包括：
信息获取模块，用于获取海面风预报的检验评估要素，所述检验评估要素包括风速和/或风向；获取所述检验评估要素的待检测的预报数据，以及在所述预报数据的预报时效内的实况观测数据；
预报信息确定模块，用于若所述预报数据存在趋势变化，则将所述预报数据的预报时效分成变化时间段和非变化时间段，确定所述预报时效的所有变化时间段及每个变化时间段的预报信息，根据所述变化时间段确定所述非变化时间段及所述非变化时间段的预报信息；
预报质量评估模块，用于根据所述实况观测数据获取所述预报时效的每个时间段的观测信息；根据每个时间段的预报信息和观测信息对所述时间段的预报质量进行评估。
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