基于區(qū)域氣候模式RegCM4的長江流域降水預(yù)報效果分析

(長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

區(qū)域氣候模式RegCM誕生于美國國家大氣研究中心(NCAR)[1]，其理論框架主要是基于中尺度氣象模式MM4，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之具備短期氣候模擬的能力[2-3]。2010 年6月，意大利國際理論物理中心(ICTP)發(fā)布了第四代區(qū)域氣候模式RegCM4，該模式在第三代的基礎(chǔ)上做了較大的改進(jìn)和變動，主要包括：針對原來的邊界層方案模擬的湍流垂直輸送過大進(jìn)行修正，修正后的方案能夠更好地模擬邊界層變量并捕捉逆溫[4-5]；不同的積云參數(shù)化都有各自的優(yōu)劣，RegCM4能夠?qū)⒉煌姆e云參數(shù)化混合使用，使得各方案優(yōu)勢得到互補(bǔ)；RegCM4新增了陸面方案clm 3.5，同時原有的陸面方案bat也有了調(diào)整，增加了兩種陸面類型，并進(jìn)一步調(diào)整簡化版原始水汽方案[6-7]；原來Zeng海洋通量方案中的SST為海面上層的平均溫度，考慮到這段距離的冷卻或加熱，修正后的溫度更接近實際。ICTP開發(fā)的RegCM系列模式是全球最具代表性的區(qū)域氣候模式之一。該中心最新發(fā)布的RegCM 4.5模式在原有BATS陸面參數(shù)化方案的基礎(chǔ)上又增加了clm方案，包括clm 3.5和clm 4.5[8-9]。

本文評估檢驗區(qū)域氣候模式RegCM4在不同陸面參數(shù)方案下對長江流域降雨的預(yù)報能力，探討在不同時間段該模式對長江流域降水的預(yù)報能力的差別。

1 評分方法

評估模式預(yù)測效果通常采用模式評分的方法，該法可較全面地反映出預(yù)測結(jié)果的優(yōu)劣。本文采用以下3種評分方法來分析區(qū)域氣候模式RegCM4的預(yù)測效果。

(1)距平符號一致率(P)反映了預(yù)測結(jié)果對氣候變化趨勢預(yù)測的準(zhǔn)確率：

(1)

式中，N代表總站點數(shù)；Ni,j代表距平符號一致的站點數(shù)。

(2)空間距平相關(guān)系數(shù)(A)評分是預(yù)測與觀測的氣候距平之間位相誤差的度量：

式中，F(xiàn)代表模式預(yù)測場；O代表觀測場；C代表觀測氣候距平場。

(3)均方根誤差(R)反映預(yù)測和觀測變量之間的偏離程度：

(3)

同時，由于目前長期預(yù)報主要為趨勢預(yù)報，結(jié)合實際業(yè)務(wù)需求，本文還將就區(qū)域氣候模式RegCM4對長江流域11個分區(qū)的趨勢預(yù)報效果進(jìn)行檢驗，若預(yù)測趨勢與實況趨勢一致，則為正確；若預(yù)測趨勢與實況趨勢相反，則為錯誤。

2 區(qū)域氣候模式RegCM4建立

建立區(qū)域氣候模式RegCM4。中心點：(29.5°N，106°E)；水平分辨率：長江流域30 km和全國60 km；網(wǎng)格數(shù)：200×240和100×120；垂直分層：23層和18層。全國的模擬區(qū)域設(shè)置為68～140°E，0～55°N(見圖1)，長江流域的范圍是22～35°N，90～122°E(見圖2)，初始場及邊界條件：EC-earth。陸面方案有3種，分別為bat、clm 3.5、clm 4.5。每月預(yù)報3次，分別為上旬的7號，中旬的17號，下旬的27號，對未來3個月的降雨進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)業(yè)務(wù)需要將長江流域劃分為11個區(qū)域，分別為金沙江、岷沱江、嘉陵江、長上干區(qū)、烏江、漢江上游、漢江中下游、長中干區(qū)、洞庭湖水系、長下干區(qū)和鄱陽湖水系。

圖1 模擬區(qū)域(全國)

圖2 模擬區(qū)域(長江流域)

3 長江流域的預(yù)測評估與檢驗

區(qū)域氣候模式RegCM4于2015年底開始正式運行，以下分別就該模式對于長江流域2016年及2017年的降水預(yù)測效果進(jìn)行檢驗，主要分為2016年及2017年主汛期(6～8月)及2016年秋汛期(9～10月)兩個時段。

3.1 主汛期6～8月的評估分析

由表1可知，對2016年及2017年主汛期(6～8月)降水，clm 3.5陸面方案的P評分為62.54及63.25，均高于其余兩個陸面方案的評分結(jié)果，clm 4.5陸面方案的P評分略低于clm 3.5陸面方案的P評分，bat陸面方案的P評分最低。這說明clm 3.5陸面方案對長江流域夏季降水的預(yù)測效果最好，clm 4.5方案次之，bat陸面方案的預(yù)測效果最差。由空間距平相關(guān)系數(shù)評分A和均方根誤差評分R得到與P評分相同的結(jié)論。

表1 2016及2017年6～8月模式對長江流域降水評分

將2016年主汛期6～8月區(qū)域氣候模式RegCM4的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行趨勢檢驗，每月各旬的預(yù)測結(jié)果均檢驗一次，所得結(jié)果如表2所示。由表2看出，2016年5月上旬對6～8月的預(yù)測結(jié)果，bat陸面方案的結(jié)果總體較差，且僅對烏江、漢江中下游、長江中游干流附近及洞庭湖水系的趨勢預(yù)報正確。clm 3.5的陸面方案的預(yù)測結(jié)果優(yōu)于bat陸面方案的預(yù)測結(jié)果，對長江上游的預(yù)測效果要優(yōu)于長江中下游。而clm 4.5的陸面方案的預(yù)測效果最好，除長上干區(qū)、長下干區(qū)及鄱陽湖水系的趨勢預(yù)報錯誤之外，其余均正確。總而言之，這3種陸面方案對長江下游的預(yù)報效果均較差，bat陸面方案對上游的預(yù)報效果較差，clm4.5的陸面方案對長江上中游及漢江的預(yù)報效果最優(yōu)。

就2016年5月中旬對6～8月的預(yù)測結(jié)果而言，bat陸面方案的結(jié)果總體較差，且僅對烏江、漢江中下游、長江中游干流附近及兩湖水系的趨勢預(yù)報正確。clm 3.5及clm 4.5陸面方案的預(yù)測效果相當(dāng)，均優(yōu)于bat陸面方案的預(yù)報效果，這兩種陸面方案除長上干區(qū)、長下干區(qū)及鄱陽湖水系的趨勢預(yù)報錯誤之外，其余均正確。5月中旬的預(yù)測，這3種陸面方案對長江下游的預(yù)報效果均較差，bat陸面方案對上游的預(yù)報效果較差，clm 3.5及clm 4.5的陸面方案對長江上中游及漢江的預(yù)報效果均較好。

就2016年5月下旬對6～8月的預(yù)測結(jié)果而言，bat陸面方案對長江上游及漢江上游的預(yù)報效果較差，對長江中下游的預(yù)報效果較好。clm 3.5的陸面方案對長江上游的預(yù)報效果優(yōu)于bat陸面方案的預(yù)報效果，但對于長江中下游的預(yù)報效果較差，并且clm 3.5的陸面方案及clm 4.5的陸面方案的預(yù)報效果大體相當(dāng)，對長江上游的預(yù)測效果要優(yōu)于長江中下游。

表2 2016年長江流域6～8月各區(qū)降水預(yù)測與實況的趨勢檢驗統(tǒng)計 mm

表3 2017年長江流域6～8月各區(qū)降水預(yù)測與實況的趨勢檢驗統(tǒng)計 mm

表3為2017年5月上、中、下旬區(qū)域氣候模式RegCM4對2017年主汛期6～8月長江流域各分區(qū)降雨趨勢預(yù)測檢驗結(jié)果。由表2的結(jié)果看出，從2017年5月上旬的預(yù)測來看，clm 3.5陸面方案的預(yù)報效果優(yōu)于其余兩個陸面方案，且對長江上中游及漢江的預(yù)報效果較好，對長江下游干流及兩湖水系的預(yù)報效果較差。bat陸面方案對流域的預(yù)報效果最差，clm 4.5陸面方案對長江上游的預(yù)報效果較好，對漢江及長江中下游的預(yù)報效果較差。從2017年5月中旬的預(yù)測結(jié)果可以看出，clm 3.5及clm 4.5這兩種陸面方案的預(yù)報效果基本相當(dāng)且對長江上游及漢江的預(yù)報效果較好，對長江下游干流及兩湖水系的預(yù)報效果較差，bat陸面方案的預(yù)報效果最差，僅對長江上游干流、烏江及洞庭湖水系的趨勢預(yù)報正確，其余均預(yù)報錯誤。從2017年5月下旬的預(yù)測可以看出，clm 3.5及clm 4.5這兩種陸面方案的預(yù)報效果基本相當(dāng)，且對長江上游及漢江的預(yù)報效果較好，對長江下游干流及兩湖水系的預(yù)報效果較差。bat陸面方案的預(yù)報效果也為最差。

3.2 秋汛期9～10月的評估分析

由表4可知，對2016年秋汛期(9～10月)降水，bat陸面方案的P評分為 64.51，遠(yuǎn)高于其余兩個陸面方案的評分結(jié)果，這說明9～10月bat陸面方案對長江流域季降水的預(yù)測效果最好。由空間距平相關(guān)系數(shù)評分A和均方根誤差評分R得到與P評分相同的結(jié)論。

表4 2016年9～10月模式對長江流域降水評分

表5為2016年7月上、中及下旬區(qū)域氣候模式RegCM4對2016年秋汛期9～10月長江流域各分區(qū)降雨趨勢預(yù)測檢驗結(jié)果?？紤]到實際業(yè)務(wù)需求，9～10月檢驗主要針對長江上游及漢江。由表5的結(jié)果看出，對長江上游而言，7月上旬、中旬的預(yù)報bat陸面方案的預(yù)報效果最好，clm 3.5及clm 4.5的陸面方案效果較差。7月下旬的預(yù)報結(jié)果，clm 4.5陸面方案的預(yù)報效果要優(yōu)于其余兩個陸面方案。對漢江而言，這3種陸面方案的預(yù)報效果均較差。

表6為2016年8月上、中、下旬區(qū)域氣候模式RegCM4對2016年秋汛期9～10月長江流域各分區(qū)降雨趨勢預(yù)測檢驗結(jié)果。由表6的結(jié)果看出，對長江上游而言，8月上、中、下旬的預(yù)報均為bat陸面方案的預(yù)報效果最好，要優(yōu)于clm3.5及clm4.5這兩個陸面方案。對漢江而言，這3種陸面方案的預(yù)報效果均較差。

4 結(jié) 論

(1)總體而言，2016年與2017年主汛期6～8月，從3種評分結(jié)果來看，clm3.5陸面方案的預(yù)報效果最好，clm4.5的陸面方案預(yù)報效果次之，均明顯優(yōu)于bat陸面方案。

(2)從趨勢檢驗來看，6～8月，clm3.5陸面方案的預(yù)報效果與clm4.5的陸面方案預(yù)報效果相當(dāng)，均明顯優(yōu)于bat陸面方案的預(yù)報效果。且bat陸面方案對長江上游及長江下游的預(yù)報效果較差，對長江中游的預(yù)報效果較好。clm3.5及clm4.5陸面方案均對長江上中游、漢江的預(yù)報效果較好，對長江下游的預(yù)報效果較差。按預(yù)報起始時間來看，中下旬的預(yù)報效果優(yōu)于上旬的預(yù)報效果。

(3)秋汛期9～10月，從3種評分結(jié)果來看，bat陸面方案的預(yù)報效果最好，明顯優(yōu)于clm3.5及clm4.5這兩種陸面方案。

(4)從趨勢檢驗來看，9～10月，對長江上游的的預(yù)報，bat陸面方案的預(yù)報效果要優(yōu)于clm3.5及clm4.5這兩種陸面方案。對漢江流域的預(yù)報，這3種陸面方案的效果均較差。且8月份的預(yù)報效果總體比7月份的預(yù)報效果好。

表5 2016年長江流域9～10月各區(qū)降水預(yù)測與實況的趨勢檢驗統(tǒng)計(7月預(yù)報) mm

表6 2016年長江流域9～10月各區(qū)降水預(yù)測與實況的趨勢檢驗統(tǒng)計(8月預(yù)報) mm