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    2016年夏季DOGRAFS系統(tǒng)站點(diǎn)24 h降水量級預(yù)報檢驗

    2018-05-21 12:52:29琚陳相馬玉芬馬秀梅
    沙漠與綠洲氣象 2018年2期
    關(guān)鍵詞:報時漏報晴天

    李 曼,琚陳相,辛 渝,杜 娟,馬玉芬,馬秀梅

    (1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊830002;2.中亞大氣科學(xué)研究中心,新疆 烏魯木齊830002)

    降水是氣象預(yù)報預(yù)測業(yè)務(wù)中的重要要素,也是社會公眾最為關(guān)心的氣象要素[1]。隨著社會各個領(lǐng)域?qū)邓A(yù)報的要求越來越高,傳統(tǒng)的晴雨預(yù)報已無法滿足需求,需要提供高時空分辨率、定量化、更精準(zhǔn)的降水預(yù)報產(chǎn)品。新疆地處干旱半干旱區(qū),復(fù)雜的“三山夾兩盆”地形(北部阿爾泰山、中部天山、南部昆侖山,北疆準(zhǔn)噶爾盆地、南疆塔里木盆地)使新疆降水具有獨(dú)特的分布特征[2-4],例如北疆降水多于南疆、西部降水多于東部、山區(qū)降水多于盆地等等,進(jìn)一步增大了新疆區(qū)域精細(xì)化定量降水預(yù)報的難度。

    隨著數(shù)值預(yù)報技術(shù)的發(fā)展,模式表現(xiàn)出對客觀定量降水的巨大潛力,已經(jīng)成為目前天氣預(yù)報業(yè)務(wù)領(lǐng)域中不可替代的可用參考預(yù)報方法[5-8]。由于定量降水提供的是一段時間內(nèi)的總降水量,其準(zhǔn)確度受到降水發(fā)生位置、移動方向、持續(xù)時間等諸多因素的影響[1,9],加之模式的初始條件、邊界條件、物理過程、復(fù)雜下墊面以及模式框架自身設(shè)計不足等諸多因素產(chǎn)生的不確定性,模式降水預(yù)報與實(shí)況始終存在一定偏差[10-12]。不同模式在不同地區(qū),對降水預(yù)報的系統(tǒng)性誤差方面表現(xiàn)各異[13-14],有必要對本地區(qū)域數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的降水性能進(jìn)行時空上定量的檢驗和評估,為降水偏差訂正方法和集合預(yù)報技術(shù)研究做鋪墊[15-17]。烏魯木齊區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)DOGRAFS(Desert-Oasis-GobiRegionalAssimilation and Forecast System)前身為新疆快速更新循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)XJ-RUC,經(jīng)過參數(shù)化方案優(yōu)選優(yōu)化、同化方案優(yōu)選等本地化工作,2014年升級并更名,2015年底通過中國氣象局業(yè)務(wù)化評審,現(xiàn)行版本為1.0。該系統(tǒng)為全疆區(qū)、地、縣氣象部門以及國家電網(wǎng)等業(yè)務(wù)單位提供精細(xì)化預(yù)報產(chǎn)品,在實(shí)際預(yù)報預(yù)測業(yè)務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。目前對DOGRAFS系統(tǒng)的檢驗多針對2 m溫度和地面風(fēng)場[18-19],也有基于TS評分的逐6 h降水的檢驗[20-21],未對站點(diǎn)逐日不同量級降水的定量預(yù)報性能做綜合評估。因此本文針對烏魯木齊區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)在2016年夏季各站點(diǎn)逐日24 h累積降水量的預(yù)報性能進(jìn)行統(tǒng)計檢驗。

    1 資料和方法

    DOGRAFS v1.0基于WRF v3.5.1和WRFDA v3.5.1搭建,采用三重嵌套網(wǎng)格(27/9/3 km),9 km水平分辨率區(qū)域覆蓋全疆,文中主要對9 km區(qū)域預(yù)報產(chǎn)品進(jìn)行分析;垂直方向采用滓坐標(biāo)共40層,模式層頂為100 hPa。模式主要采用WSM6微物理參數(shù)化方案、KF積云參數(shù)化方案、ACM2邊界層參數(shù)化方案、RRTM輻散方案和Noah陸面過程,每日運(yùn)行4次(08時、14時、20時、02時)(北京時間,下同),其中08時和20時為冷啟、預(yù)報時效84 h,為新疆氣象臺等業(yè)務(wù)部門提供預(yù)報產(chǎn)品。

    實(shí)況資料為2016年6月1日—8月31日每天08時—08時的全疆105個站(站點(diǎn)分布見圖1)24 h累積降水,預(yù)報結(jié)果為與實(shí)況對應(yīng)的前一日08時和20時起報的相應(yīng)預(yù)報時段的24 h累積降水。文中將前一日08時起報的預(yù)報結(jié)果定義為提前24 h預(yù)報,將前一日20時起報的預(yù)報結(jié)果定義為提前12 h預(yù)報。例如:實(shí)況為2016年6月2日08時—3日08時累積降水量,提前24 h預(yù)報指的是2016年6月1日08時起報的24耀48 h累積降水量,提前12 h預(yù)報指的是2016年6月1日20時起報的12耀36 h累積降水量。

    圖1 檢驗站點(diǎn)及地形高度(單位:m)

    DOGRAFS v1.0生成的產(chǎn)品均為格點(diǎn)預(yù)報產(chǎn)品,首先利用反距離權(quán)重法[22-23]將網(wǎng)格預(yù)報值插值到圖1中的105個觀測站點(diǎn)上生成預(yù)報值,再與觀測值進(jìn)行對比檢驗,分別檢驗各個站點(diǎn)92個樣本中晴天預(yù)報正確率,不同量級降水(根據(jù)新疆降水量級標(biāo)準(zhǔn)的劃分[24],24 h降水量逸6.1 mm為中雨,逸12.1 mm為大雨,逸24.1 mm為暴雨)的正確率、漏報率、報強(qiáng)率和報弱率,其中正確率是指預(yù)報降水量級與實(shí)況相一致的比率;漏報率是指實(shí)況出現(xiàn)降水、模式未預(yù)報出降水的比率;報強(qiáng)率是指實(shí)況出現(xiàn)降水、模式預(yù)報降水量級大于實(shí)況的比率;報弱率是指實(shí)況出現(xiàn)降水、模式預(yù)報也出現(xiàn)降水但降水量級小于實(shí)況的比率。

    2 降水量級預(yù)報性能

    根據(jù)24 h累積降水實(shí)況統(tǒng)計出全疆105個站點(diǎn)2016年夏季晴天日數(shù)和各量級降水日數(shù)(圖2),從結(jié)果上可以看出,塔城、博州、伊犁、天山山區(qū)及其兩側(cè)、阿克蘇、克州降水日數(shù)較高,晴天日數(shù)大部分小于65 d;大雨及以上量級降水主要出現(xiàn)在天山山區(qū)及其兩側(cè)、南疆西部山區(qū)、北疆局部,與新疆降水空間分布特征相一致。2016年夏季全疆只有3個站點(diǎn)24 h累積降水量達(dá)到大暴雨,分別是尼勒克(1 d)、天池(3 d)、巴里坤(1 d)。巴州中南部、吐魯番和哈密大部分地區(qū)晴天日數(shù)在80 a以上;昭蘇和大西溝晴天日數(shù)最少(31 d和32 d)。

    2.1 晴天預(yù)報性能

    統(tǒng)計各個站點(diǎn)2016年夏季DOGRAFS系統(tǒng)對晴天的預(yù)報性能(圖3),可以看出除阿勒泰北部山區(qū)、塔城北部山區(qū)、西天山、中天山和南疆西部山區(qū)外,DOGRAFS系統(tǒng)兩個起報時次對晴天預(yù)報準(zhǔn)確率均在85%以上,其中和田地區(qū)、巴州南部、吐魯番地區(qū)、哈密東部地區(qū)晴天預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上。比較兩個預(yù)報時次預(yù)報結(jié)果,可以看到提前12 h預(yù)報結(jié)果中,昌吉州北部地區(qū)、烏蘇—奎屯晴天預(yù)報準(zhǔn)確率也在95%以上;提前12 h預(yù)報結(jié)果中巴州北部山區(qū)、南疆西部山區(qū)晴天預(yù)報準(zhǔn)確率在50%左右,提前24 h預(yù)報結(jié)果中上述區(qū)域晴天預(yù)報準(zhǔn)確率在40%左右;降水日數(shù)最多的昭蘇站晴天預(yù)報提前12 h預(yù)報準(zhǔn)確率僅為25%,提前24 h預(yù)報準(zhǔn)確率僅為15%,表明模式對該站空報率較高。烏魯木齊站提前12 h晴天預(yù)報準(zhǔn)確率為92%,提前24 h晴天預(yù)報準(zhǔn)確率為82%。整體來看,隨著預(yù)報時效的延長,DOGRAFS系統(tǒng)對全疆站點(diǎn)的晴天預(yù)報準(zhǔn)確率有所降低。

    2.2 降水量級預(yù)報性能

    2.2.1 小雨

    圖2 2016年夏季晴天天數(shù)和各個量級降水天數(shù)(單位:d)

    圖3 模式各起報時次對2016年夏季晴天預(yù)報性能(單位:%)

    從2016年夏季小雨出現(xiàn)日數(shù)統(tǒng)計結(jié)果上來看(圖2),北疆西部、天山山區(qū)及其兩側(cè)、南疆西部山區(qū)出現(xiàn)小雨的日數(shù)較多,大部分在25耀30 d,溫泉、大西溝和昭蘇站達(dá)到40 d;吐魯番盆地、巴州南部出現(xiàn)小雨日數(shù)小于10 d。統(tǒng)計各個站點(diǎn)2016年夏季DOGRAFS系統(tǒng)對小雨的預(yù)報性能(圖4)可以看到,兩個起報時次的預(yù)報結(jié)果中對降水出現(xiàn)較多的站點(diǎn),預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到55%以上,部分站點(diǎn)準(zhǔn)確率達(dá)到70%;對于降水較多的站點(diǎn),DOGRAFS系統(tǒng)預(yù)報結(jié)果中存在一定的報強(qiáng)率,報強(qiáng)概率大體在15%左右;對于降水較少的和田、巴州南部、吐魯番盆地等地區(qū)DOGRAFS系統(tǒng)整體以漏報為主,漏報率在80%以上。對比兩個起報時次的預(yù)報結(jié)果可以看到,提前12 h預(yù)報結(jié)果在南疆西部地區(qū)的小雨預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到60%耀70%,提前24 h預(yù)報結(jié)果在該區(qū)域小雨預(yù)報準(zhǔn)確率為40%耀45%;提前12 h預(yù)報結(jié)果對昌吉州、烏魯木齊地區(qū)小雨預(yù)報準(zhǔn)確率僅為20%,提前24 h對該區(qū)域小雨預(yù)報準(zhǔn)確率為40%耀45%;提前12 h預(yù)報結(jié)果在和田、巴州南部、吐魯番地區(qū)的漏報率低于提前24 h預(yù)報結(jié)果;提前24 h預(yù)報結(jié)果對伊犁地區(qū)小雨的報強(qiáng)率高于提前12 h預(yù)報結(jié)果。整體來看,對全疆站點(diǎn)的小雨降水來說,DOGRAFS系統(tǒng)提前12 h預(yù)報性能優(yōu)于提前24 h預(yù)報。

    2.2.2 中雨

    本研究嚴(yán)格按照Delphi專家咨詢法,構(gòu)建了一套科學(xué)、合理的康復(fù)??谱o(hù)士核心能力評價指標(biāo)體系,包括8個一級指標(biāo)、21個二級指標(biāo)和66個三級指標(biāo)。專家對各個指標(biāo)的意見具有高度的一致性,可信度高,同時具有一定的科學(xué)性和權(quán)威性,并且各指標(biāo)的權(quán)重設(shè)置合理,為康復(fù)??谱o(hù)士培養(yǎng)、資質(zhì)認(rèn)證和能力評價提供參考依據(jù)。本研究并未對指標(biāo)內(nèi)在品質(zhì)進(jìn)行研究,因此,對康復(fù)??谱o(hù)士核心能力評價指標(biāo)的信效度檢驗,將是下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

    從2016年夏季各站點(diǎn)中雨出現(xiàn)日數(shù)統(tǒng)計結(jié)果上來看(圖2),除巴州南部、和田、吐魯番地區(qū)外,全疆大部分站點(diǎn)在夏季都出現(xiàn)中量降水,塔城、博州、伊犁、天山山區(qū)及其兩側(cè)、南疆西部山區(qū)中雨日數(shù)在5 d及以上,其中昭蘇站13 d、中天山多個站點(diǎn)中雨日數(shù)達(dá)到10 d。統(tǒng)計DOGRAFS系統(tǒng)兩個起報時次對全疆各個站中雨預(yù)報的性能(圖5)可以看到,模式對北疆大部分地區(qū)和南疆西部山區(qū)的中雨預(yù)報準(zhǔn)確率整體在30%左右,北疆中部及哈密中西部準(zhǔn)確率在60%左右;對于伊犁、阿克蘇、喀什南部、巴州大部、阿勒泰地區(qū)模式主要以報弱為主,部分站點(diǎn)報弱率達(dá)到85%及以上;北疆沿天山山區(qū)一帶存在一定的漏報,漏報率在30%左右,提前12 h預(yù)報結(jié)果中漏報站點(diǎn)較多,對于喀什北部、和田、巴州東南部、吐魯番東部地區(qū)模式兩個起報時次主要以漏報為主;對于中雨出現(xiàn)較多的中天山及其兩側(cè),模式預(yù)報結(jié)果中有20%左右的報強(qiáng)率,提前24 h預(yù)報結(jié)果在伊犁和博州地區(qū)也出現(xiàn)20%左右的報強(qiáng)率;整體來看兩個起報時次對全疆各個站點(diǎn)的中量降水預(yù)報性能相當(dāng)。

    2.2.3 大雨

    從2016年夏季大雨出現(xiàn)日數(shù)統(tǒng)計結(jié)果上來看(圖2),大雨主要出現(xiàn)在塔城北部山區(qū)、博州、伊犁、天山山區(qū)及其兩側(cè)以及南疆西部部分地區(qū),其中博州、伊犁和天山山區(qū)大雨日數(shù)在5 d左右,大雨日數(shù)較多的站點(diǎn)為新源(10 d)、特克斯(8 d)、大西溝(8 d),其余站點(diǎn)大雨日數(shù)在3 d以內(nèi)。統(tǒng)計DOGRAFS系統(tǒng)兩個起報時次對各個站點(diǎn)大雨預(yù)報結(jié)果(圖6)可以看到,對于大雨日數(shù)出現(xiàn)較多的伊犁地區(qū),提前24 h預(yù)報準(zhǔn)確性優(yōu)于提前12 h預(yù)報(昭蘇站大雨日數(shù)6 d,提前24 h準(zhǔn)確預(yù)報出5 d),準(zhǔn)確率達(dá)到30%;整體以報弱為主,無漏報,個別站點(diǎn)報強(qiáng)。對于中天山及其兩側(cè),提前24 h預(yù)報準(zhǔn)確率較高,在昌吉、烏魯木齊區(qū)域達(dá)到25%左右;兩個起報時次在巴州北部存在一定的漏報,漏報率在60%左右;整體仍以報弱為主。阿勒泰、塔城、博州、石河子地區(qū)整體以報弱為主,個別站點(diǎn)存在漏報。南疆西部地區(qū),提前12 h預(yù)報準(zhǔn)確率平均值約30%,優(yōu)于提前24 h預(yù)報結(jié)果;對烏恰站基本漏報;整體仍以報弱為主。和田地區(qū)大雨均漏報,巴州南部盆地均報弱。

    圖4 模式各起報時次對2016年夏季小雨預(yù)報性能(單位:%)

    圖5 模式各起報時次對2016年夏季中雨預(yù)報性能(單位:%)

    圖6 模式各起報時次對2016年夏季大雨預(yù)報性能(單位:%)

    2.2.4 暴雨及大暴雨

    2016年夏季24 h累積降水達(dá)到暴雨量級的站點(diǎn)主要出現(xiàn)在伊犁、博州、塔城局地、中天山山區(qū)及其兩側(cè)和克州北部山區(qū),各站點(diǎn)暴雨日數(shù)多為1耀2 d。統(tǒng)計各個站點(diǎn)模式不同起報時次對暴雨的預(yù)報性能(表1)可以看出,DOGRAFS對暴雨的預(yù)報整體偏弱,未報降水的站點(diǎn)極少,報強(qiáng)的站點(diǎn)極少。提前12 h預(yù)報結(jié)果中能準(zhǔn)確預(yù)報出5 d暴雨、1 d報強(qiáng),這些站點(diǎn)大多位于伊犁地區(qū);提前24 h預(yù)報結(jié)果中能準(zhǔn)確預(yù)報出4 d暴雨,站點(diǎn)相對分散。

    2016年夏季共3個站、5日出現(xiàn)大暴雨,兩個起報時次模式均預(yù)報的有降水,但量級均偏弱。

    表1 模式各起報時次對2016年夏季暴雨預(yù)報性能%

    報弱率霍爾果斯 1 0 0 0 100 0 0 0 100霍城 1 0 0 0 100 0 0 0 100察布查爾 1 0 0 0 100 0 100 0 0伊寧縣 1 0 0 0 100 0 0 0 100新源 1 100 0 0 0 100 0 0 0昭蘇 1 100 0 0 0 0 0 0 100小渠子 2 0 0 0 100 0 0 0 100大西溝 2 0 0 0 100 0 0 0 100米泉 1 0 0 0 100 0 0 0 100烏魯木齊 1 0 0 0 100 0 0 0 100牧試站 1 0 0 0 100 0 0 0 100天池 3 33 0 0 67 0 0 0 100蔡家湖 1 0 0 0 100 0 0 0 100昌吉 1 0 0 0 100 0 0 0 100阜康 1 0 0 0 100 0 0 0 100吉木薩爾 1 0 0 0 100 0 0 0 100奇臺 1 0 0 0 100 0 0 0 100木壘 1 0 0 0 100 0 0 0 100巴侖臺 2 0 0 0 100 0 0 0 100巴音布魯克 2 0 0 0 100 100 0 0 0和碩 1 0 0 0 100 0 0 0 100尉犁 1 0 100 0 0 0 0 0 100庫爾勒 1 0 0 0 100 0 0 0 100新和 2 0 0 0 100 0 0 0 100沙雅 1 0 0 0 100 0 0 0 100烏什 1 0 0 0 100 0 100 0 0阿合奇 2 0 0 0 100 0 0 0 100吐爾尕特 1 0 0 0 100 0 0 0 100站名觀測出現(xiàn)日數(shù)提前12h預(yù)報 提前24h預(yù)報正確率漏報率報強(qiáng)率報弱率正確率漏報率報強(qiáng)率

    2.2.5 烏魯木齊站降水預(yù)報性能

    表2 模式各起報時次對2016年夏季烏魯木齊站降水的預(yù)報性能 %

    3 結(jié)論

    本文對烏魯木齊區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)DOGRAFS v1.0在2016年夏季全疆105個站點(diǎn)的24 h累積降水量的預(yù)報性能進(jìn)行統(tǒng)計檢驗,分別檢驗各個站點(diǎn)92個樣本中晴天預(yù)報正確率,不同量級降水的正確率、漏報率、報強(qiáng)率和報弱率,主要結(jié)論如下:

    (1)除中天山山區(qū)、南疆西部山區(qū)外,全疆晴天預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到85%以上,其中和田地區(qū)、巴州南部、吐魯番地區(qū)、哈密東部地區(qū)晴天預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上。降水日數(shù)最多的昭蘇站空報率明顯,提前12 h晴天預(yù)報準(zhǔn)確率為25%,提前24 h晴天預(yù)報準(zhǔn)確率僅為15%。提前12 h預(yù)報結(jié)果對中天山北側(cè)地區(qū)晴天預(yù)報準(zhǔn)確率也達(dá)到95%以上,整體預(yù)報性能優(yōu)于提前24 h預(yù)報。

    (2)對于小雨出現(xiàn)較多的站點(diǎn),DOGRAFS系統(tǒng)預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到55%以上、部分站點(diǎn)達(dá)到70%,系統(tǒng)對上述區(qū)域的預(yù)報存在15%左右的報強(qiáng)率;對于降水較少的和田、巴州南部、吐魯番盆地等地DOGRAFS系統(tǒng)整體以漏報為主,漏報率在80%以上。整體來看,提前12 h預(yù)報性能較優(yōu)。

    (3)DOGRAFS系統(tǒng)對北疆大部分地區(qū)和南疆西部山區(qū)的中雨預(yù)報準(zhǔn)確率整體在30%左右,中雨日數(shù)較多的中天山及其兩側(cè)準(zhǔn)確率在60%左右,該區(qū)域也存在20%左右的報強(qiáng)率;對于伊犁、阿克蘇、南疆西部地區(qū)模式主要以報弱為主;和田地區(qū)大部分為漏報。整體來看,兩個預(yù)報時次的預(yù)報性能相當(dāng)。

    (4)大雨及以上量級降水,DOGRAFS系統(tǒng)整體表現(xiàn)為預(yù)報降水偏弱,無明顯漏報,對于降水出現(xiàn)較多的地區(qū),如伊犁、中天山山區(qū)及其兩側(cè),預(yù)報平均準(zhǔn)確率為25%耀30%。

    參考文獻(xiàn):

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