長江流域多模式降雨預(yù)報效果檢驗

邱 輝 李春龍 張方偉

(長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

長江流域多模式降雨預(yù)報效果檢驗

邱 輝 李春龍 張方偉

(長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

2016年夏季，長江流域暴雨過程頻繁，數(shù)值模式預(yù)報在防汛預(yù)報中起到了重要作用?；仡櫫?016年6～7月長江流域的降雨過程，對長江水利委員會水文局運行的WRF模型、中國氣象局T639模式、歐洲中心細網(wǎng)格降雨預(yù)報、日本氣象廳數(shù)值模型降雨預(yù)報與降雨實況進行了對比分析，并選取了一次典型強降雨過程進行個例分析，比較了多種數(shù)值模式對長江流域分區(qū)面雨量的預(yù)報效果。結(jié)果表明,長江流域26個分區(qū)的預(yù)報評分差別較大，區(qū)間越小，TS評分越低?？傮w而言，分辨率較高的ECMWF和WRF模式對強降雨過程的模擬較為精確，尤其是ECMWF的預(yù)報具有較高的參考價值。

降雨預(yù)報；數(shù)值預(yù)報; 模糊評分; 檢驗評估；長江流域

隨著氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)的迅速發(fā)展，數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品不斷增多，已經(jīng)成為日常預(yù)報的主要參考依據(jù)[1-2]。但由于數(shù)值模式受初值、物理過程和地形等多因素影響，數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品存在一定的預(yù)報誤差[3-5]。對于預(yù)報業(yè)務(wù)而言，全面了解一種模式的性能十分重要，開展數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品檢驗有利于加深對數(shù)值模式的認識，對不同數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的解釋應(yīng)用、適當(dāng)選取合適的預(yù)報產(chǎn)品進行訂正是數(shù)值預(yù)報的關(guān)鍵問題。

數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的相關(guān)研究較多，肖紅茹等人對比了T639和ECMWF(歐洲中心)模式預(yù)報產(chǎn)品性能的優(yōu)劣[4]。屠妮妮等人對國家氣象中心T213、T639全球模式、成都區(qū)域中心實時運行的AREM、GRAPES和MM5中尺度數(shù)值模式預(yù)報結(jié)果進行了研究[5]，通過對比分析我國9個重要站點日降雨量的預(yù)報效果，發(fā)現(xiàn)各模式對我國西部城市降雨預(yù)報能力偏弱。付偉等人對比了JMA、T213、GRAPES、MM5、T639和德國6種數(shù)值模式產(chǎn)品對蕪湖市地面氣溫及降水預(yù)報效果[6]。張寧娜等人通過對 T639、T213、德國及歐洲中心等數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品在東北地區(qū)降水預(yù)報中的應(yīng)用檢驗[7]，發(fā)現(xiàn)德國模式對東北地區(qū)晴雨和一般性降水的預(yù)報效果較好。肖明靜等人分析了山東區(qū)域MM5、WRF-RUC (WRF快速循環(huán)同化系統(tǒng))和T639模式24h、48h累積降水預(yù)報產(chǎn)品[8]；高松影等人對日本數(shù)值模式暴雨預(yù)報性能和誤差進行了檢驗和分析[9]。

關(guān)于數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品對站點降水預(yù)報效果檢驗和對比分析的研究較多，而對面雨量預(yù)報的檢驗和分析較少，因此，本文利用天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中常用的 WRF、T639、ECMWF(歐洲中心)和JMA(日本) 等4 種模式產(chǎn)品，針對2016年6～7月長江流域的降雨，利用不同的面雨量評分方法，評估不同模式的預(yù)報效果，掌握不同降水預(yù)報產(chǎn)品的優(yōu)點和缺點，以期能夠科學(xué)有效地合理利用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，提高面雨量的預(yù)報準(zhǔn)確率。

1 資料和方法

1.1 資 料

實況降雨資料來自國家基本氣象觀測站和長江流域水文自動測報站降雨觀測資料，常用雨量站共3 517個。模式降雨資料分別來自長江水利委員會水文局運行的WRF模型、中國氣象局T639模式、歐洲中心ECMWF細網(wǎng)格降雨預(yù)報及日本氣象廳JMA數(shù)值模型降雨預(yù)報資料，網(wǎng)格分辨率分別為：27 km×27 km、1.0°×1.0°、0.125°×0.125°、1.25°×1.25°。

1.2 方 法

1.2.1 面雨量

長江流域按照流域特性分為26個區(qū)間，面雨量計算采用泰森多邊形法(Thiessen Polygons)。首先通過連接相鄰降雨量觀測站點，將區(qū)域劃分為大量的銳角三角形，然后在三角形的每一邊作垂直平分線，每一個站點周圍相互的垂直平分線形成一個多邊形，計算此多邊形面積與流域面積的比值，作為該站點相對整個流域面雨量的權(quán)重系數(shù)，最后用各站點降雨量與其所占面積權(quán)重相乘后累加即為流域面雨量。

參考《中國江河面雨量等級》劃分標(biāo)準(zhǔn)[10],將日面雨量劃分為小雨(0.1～5.9 mm)、中雨(6.0～14.9 mm)、大雨(15.0～29.9 mm)、暴雨(30.0～59.9 mm)、大暴雨(60.0～150.0 mm)和特大暴雨(>150.0 mm)6級。

1.2.2 降雨預(yù)報檢驗

(1) 平均絕對誤差：

其中，n為預(yù)報天數(shù)，RF為預(yù)報面雨量，RO為實況面雨量。

(2) 面雨量模糊評分檢驗。根據(jù)中國氣象局發(fā)布的《全國七大江河流域面雨量監(jiān)測和預(yù)報業(yè)務(wù)規(guī)定》(試行)，面雨量檢驗可以采用模糊評分檢驗方法。

當(dāng)空報和漏報時，模糊評分為零，實況無雨且預(yù)報無雨時，不參與評分。其他情況模糊評分數(shù)值應(yīng)與3個因子有關(guān)：預(yù)報等級j、等級誤差|Fi-Oi|和該等級最大等級誤差Max(j)。用式(1)表示第i個代表站點(格點)第j級降雨預(yù)報的模糊評分

(1)

式中，第一項是有雨預(yù)報正確的基礎(chǔ)分，規(guī)定為60分；第二項是強度(等級)預(yù)報的加權(quán)分。根據(jù)模糊評分的式(1)可知，當(dāng)預(yù)報等級和實況等級一致時(即等級誤差為零)，該等級預(yù)報評為100。當(dāng)預(yù)報等級有誤差時，按其誤差大小給分。誤差越大，分值越低?？梢钥闯觯鶕?jù)誤差大小計算的模糊評分，表征預(yù)報貼近實況的程度，分值越高，預(yù)報越接近于實況。

(3) TS評分。檢驗方法采用目前氣象部門應(yīng)用比較廣泛的《中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗辦法》，采用TS評分來檢驗面雨量的預(yù)報效果。對降水分級檢驗：

2 結(jié)果與分析

2.1 平均絕對誤差

圖1給出了2016年6～7月長江流域多模式24 h，48 h，72 h面雨量預(yù)報平均絕對誤差。從圖1中可以看到，對24 h降雨預(yù)報，JMA模式的預(yù)報誤差最小，其次為ECMWF；48 h預(yù)報，ECMWF的平均絕對誤差最小，其次為JMA,72 h預(yù)報，T639平均絕對誤差最小，其次是ECMWF。

圖1 2016年6～7月長江流域多模式面雨量預(yù)報平均絕對誤差

2.2 模糊評分

圖2給出了2016年6～7月ECMWF、JMA、T639、WRF共4種數(shù)值模式對長江流域不同時效(24～72h)面雨量預(yù)報的模糊評分。從圖中可以看出，隨著預(yù)報時效的延長，4種模式預(yù)報的模糊評分變化不是很大。從降雨等級來看，4種模式對小雨、中雨和大雨預(yù)報的差別不大，對暴雨及大暴雨預(yù)報的差別相對較大，其中，JMA模式預(yù)報評分相對較好，最具有參考意義。

圖2 2016年6～7月長江流域多模式面雨量預(yù)報模糊評分

2.3 TS評分

2.3.1 流域平均TS評分及空報率和漏報率

圖3～5給出了2016年6～7月ECMWF、JMA、T639、WRF共4種數(shù)值模式對長江流域不同時效(24～72 h)面雨量預(yù)報的TS評分、空報率和漏報率。從中可以看出：

圖3 2016年6～7月長江流域多模式面雨量預(yù)報TS評分

圖4 2016年6～7月長江流域多模式面雨量預(yù)報空報率

圖5 2016年6～7月長江流域多模式面雨量預(yù)報漏報率

(1) 隨著面雨量預(yù)報等級的增加，4種模式預(yù)報的TS評分均明顯下降，各等級的TS評分中，4種模式相差不大。其中24 h預(yù)報中，ECMWF、JMA和WRF模式預(yù)報TS評分差別不大，T639對晴雨、小雨預(yù)報評分較低，但中雨以上等級預(yù)報評分較高。

(2) 4種模式對中雨以上級別的空報率和漏報率較高，均在70%以上。

2.3.2 長江流域分區(qū)面雨量24 h預(yù)報TS評分

根據(jù)以上分析可知，3 d以內(nèi)各模式預(yù)報差別不大，因此對長江流域各個區(qū)間面雨量分析時僅分析24 h預(yù)報。圖6～9給出了2016年6～7月長江流域26個分區(qū)晴雨、小雨、中雨和大雨預(yù)報TS評分。從圖中可以看出:

(1) 由于區(qū)間不同，模式的預(yù)報評分差別較大，其中金沙江流域的評分最高；

(2) 對于晴雨預(yù)報，4種模式之間的差別不大；

(3) 對于小雨以上級別的預(yù)報，4種模式間差別較大，整體上講，金沙江流域的預(yù)報評分最高，澧水、陸水、武漢等小區(qū)間的預(yù)報評分較低。

圖6 2016年6～7月長江流域26個分區(qū)24 h晴雨預(yù)報TS評分

圖7 2016年6～7月長江流域26個分區(qū)24 h小雨預(yù)報TS評分

圖8 2016年6～7月長江流域26個分區(qū)24 h中雨預(yù)報TS評分

圖9 2016年6～7月長江流域26個分區(qū)24 h大雨預(yù)報TS評分

2.4 典型降水過程面雨量預(yù)報檢驗評估

2016年6月30日～7月6日，長江中下游發(fā)生了入汛以來最強的一次降雨過程，強降雨過程自長江上游開始，在長江中下游長時間維持，本次強降雨過程維持時間7d，強度也為入汛以來最強，過程降雨中心位于長江中下游干流一線(圖10)。

圖10 梅雨期主要降雨過程累計降雨分布(2016年6月30日～7月6日)

圖11 7月1～3日長江流域?qū)崨r累計降雨分布及4種模式3 d累計雨量預(yù)報

考慮到模式缺報的問題，這里對4種模式6月30日20：00對未來3 d累計雨量預(yù)報進行分析。圖11給出了7月1～3日長江流域?qū)崨r累計降雨分布以及4種模式3d累計雨量預(yù)報圖。

7月1～3日實況降雨位于洞庭湖至長江下游一線，面雨量為100～200 mm，其中長江下游干流附近有大于250 mm的降雨中心。從雨帶分布來看，4種模式基本模擬出該次降雨過程雨帶分布，但從量級上來看， WRF模式的預(yù)報與實況最為接近，其次為ECMWF，JMA降雨量級預(yù)報偏小，降雨中心位置偏西，T639降雨量級預(yù)報更偏小，降雨中心位置偏西南。

3 結(jié) 論

本文檢驗評估了ECMWF、JMA、T639和WRF等4種模式對2016年6～7月長江流域面雨量預(yù)報效果，并選取了一次強降雨過程進行典型個例分析，結(jié)論如下：

(1) 平均絕對誤差檢驗顯示，ECMWF和JMA模式的預(yù)報誤差較??；

(2) 模糊評分和TS評分結(jié)果顯示，4種模式對長江流域面雨量預(yù)報沒有較大差別；各模式對長江流域面雨量預(yù)報均具有參考價值；

(3) 分區(qū)面雨量TS評分顯示，由于分區(qū)不同，各區(qū)間模式的預(yù)報評分差別較大，其中金沙江流域面雨量預(yù)報較為穩(wěn)定，各模式預(yù)報效果較好；澧水、陸水、武漢等小區(qū)間的預(yù)報評分相對較低。

(4) WRF模式和ECWFM模式對強降雨過程的模擬較好，雨帶和量級預(yù)報較為準(zhǔn)確，具有重要的參考意義。

綜上，分辨率較高的ECMWF和WRF模式對雨帶的把握較為精確。但由于本文分析的時間長度只有2016年6～7月，得到4種模式在長江流域面雨量預(yù)報能力上的一些初步結(jié)論，各模式的預(yù)報性能還有待于今后積累更長時間序列資料進行評估分析。

[1] 許敏，叢波，劉艷杰,等．廊坊地區(qū)5 種數(shù)值模式降水預(yù)報性能檢驗與評估[J]．氣象與環(huán)境學(xué)報，2016，32(1):9-15．

[2] 朱占云，陳光宇，姜瑜君,等．浙江省六大水庫流域面雨量模式預(yù)報效果檢驗[J]．氣象與環(huán)境學(xué)報，2016，32(3):28-33.

[3] 崔錦，周曉珊，張愛忠,等．天氣學(xué)檢驗在東北區(qū)域數(shù)值模式秋冬季降水預(yù)報中的應(yīng)用[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2009，25(4)：17-21.

[4] 肖紅茹，王燦偉，周秋雪,等.T639、ECMWF 細網(wǎng)格模式對2012 年5～8 月四川盆地降水預(yù)報的天氣學(xué)檢驗[J].高原山地氣象研究，2013，33(1)：80-85.

[5] 屠妮妮，何光碧，張利紅.成都區(qū)域氣象中心業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品檢驗分析[J].高原山地氣象研究，2010，30(1)：21-28.

[6] 付偉，呂娟，何冬燕．六種數(shù)值模式對蕪湖市地面氣溫和降水預(yù)報的對比檢驗分析[J]．氣象與環(huán)境科學(xué)，2010，33(Z1) :109-114.

[7] 張寧娜，黃閣，吳曼麗,等．2010 年國內(nèi)外3種數(shù)值預(yù)報在東北地區(qū)的預(yù)報檢驗[J]．氣象與環(huán)境學(xué)報，2012，28(2) :28-33．

[8] 肖明靜，盛春巖，石春玲,等．2010 年汛期多模式對山東降水預(yù)報的檢驗[J]．氣象與環(huán)境學(xué)報，2013，29 (2) :27-33．

[9] 高松影，劉天偉，李慧琳，等．日本數(shù)值產(chǎn)品對丹東暴雨預(yù)報的天氣學(xué)檢驗與誤差分析[J]．暴雨災(zāi)害，2011，30(3) :234-240．

[10]GB /T 20486—2006江河流域面雨量等級 [S]．

(編輯：唐湘茜)

2017-03-31

邱輝，女，長江水利委員會水文局，高級工程師.

1006-0081(2017)06-0039-04

P426.6

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水文預(yù)報