基于ECMWF和WRF的嘉陵江流域面雨量預(yù)報精度評估

，，

(1.河海大學(xué) a.水文水資源學(xué)院；b.水安全與水科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心；c.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，南京 210098; 2.水利部珠江水利委員會 技術(shù)咨詢中心，廣州 510611)

1 研究背景

面雨量是指一定面積或流域內(nèi)的平均降水量，是水文學(xué)研究領(lǐng)域一個重要的變量[1]，不僅可作為分布式水文模型的輸入，而且是實(shí)時洪水預(yù)報和防汛決策的重要依據(jù)[2]。尤其在每年汛期，人們更希望根據(jù)可靠的面雨量預(yù)報，提前對強(qiáng)降水引發(fā)的各種自然災(zāi)害進(jìn)行規(guī)避，保障人民生命財產(chǎn)安全[3]。因此各國都建立了定量降水預(yù)報業(yè)務(wù)化系統(tǒng)，數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品成為定量降水預(yù)報的基礎(chǔ)手段[4]。隨著研究者對各種產(chǎn)品在不同地區(qū)的降水預(yù)報檢驗(yàn)工作的開展，應(yīng)用人員對數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)及預(yù)報效果也有了越來越深入的認(rèn)識。王雨等[5-6]從時間、空間及統(tǒng)計(jì)方面對我國2004年主汛期降水預(yù)報產(chǎn)品的預(yù)報性能進(jìn)行綜合評估，發(fā)現(xiàn)各種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的預(yù)報效果各有優(yōu)勢；張寧娜等[7]利用T639、德國模式和日本模式對云南地區(qū)雨季降水預(yù)報進(jìn)行檢驗(yàn)，充分了解各數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的預(yù)報效果；劉靜等[8]采用5種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品對淮河流域2011年6—8月面雨量預(yù)報結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)MM5，ECMWF產(chǎn)品預(yù)報效果相對優(yōu)于其他產(chǎn)品。

嘉陵江流域處于東亞季風(fēng)區(qū)，夏季降水分布不均勻，由于其似扇形的流域形狀與山區(qū)為主的地貌特征，往往一雨成災(zāi)。因此，嘉陵江流域面雨量預(yù)報顯得尤為重要。歐洲中期天氣預(yù)報中心數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品ECMWF在中期預(yù)報領(lǐng)域具有世界權(quán)威性，并得到了廣泛的應(yīng)用；WRF數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品具有完善的參數(shù)化方案，在暴雨預(yù)測方面具有良好的應(yīng)用前景[9-10]。因此，本文選取以上2種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，對2016年5—10月的面雨量預(yù)報精度進(jìn)行評估，以期了解各產(chǎn)品在嘉陵江研究區(qū)的預(yù)報效果，為增強(qiáng)洪水預(yù)報精度的穩(wěn)健性、延長洪水作業(yè)預(yù)報的預(yù)見期提供支持。

2 研究區(qū)概況

嘉陵江是長江水系含沙量最大的河流。干流全長1 345 km，干流流域面積3.92萬km2。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，水量豐沛。北碚站多年平均流量為2 120 m3/s，最大流量為44 800 m3/s，最小流量為322 m3/s，年徑流量為681億m3，5—10月份為汛期，其中7—9月份水量占全年水量50%以上。由于嘉陵江流域位于中緯度地帶，歷來是南北氣團(tuán)相遇地區(qū)，因而暴雨頻繁。由于流域呈扇形，其洪水歷時短、洪峰高、漲勢洶涌，常與重慶至宜昌間洪水相遭遇，或與岷江洪水相繼發(fā)生，是形成宜昌洪峰的重要因素。根據(jù)宜昌站50余個洪峰分析，其中以嘉陵江洪水為主要來源的占43%。

為了使研究結(jié)果能更好地為水文預(yù)報工作提供科學(xué)依據(jù)，以嘉陵江預(yù)報區(qū)間為研究區(qū)，共劃分涪江橋以上、小河壩以上、河溪以上、武勝以上、鳳灘以上、羅渡溪以上、北碚以上7個分區(qū)進(jìn)行面雨量預(yù)報檢驗(yàn)分析。研究區(qū)概況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Map of the study area

本文選取2016年5—10月嘉陵江流域遙測站網(wǎng)的逐日降雨數(shù)據(jù)作為實(shí)況數(shù)據(jù)，選取7個分區(qū)2種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的面雨量預(yù)報結(jié)果作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 面雨量計(jì)算

3.1 面雨量計(jì)算方法

常用的面雨量計(jì)算方法有算術(shù)平均法、泰森多邊形法、等雨量線法和網(wǎng)格法等[11]。算術(shù)平均法即對區(qū)域內(nèi)測站雨量求算術(shù)平均作為該區(qū)域的面雨量；泰森多邊形法通過設(shè)定各雨量站的計(jì)算權(quán)重，得到加權(quán)平均面雨量；等雨量線法主要通過繪制等雨量線計(jì)算流域面雨量；網(wǎng)格法將研究區(qū)域網(wǎng)格化，由實(shí)測降雨通過空間插值得到網(wǎng)格點(diǎn)的雨量，然后求出流域所包含網(wǎng)格的平均值即為面雨量[12]。

3.2 面雨量實(shí)況值計(jì)算

根據(jù)《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》，內(nèi)陸濕潤山區(qū)每站控制面積應(yīng)在300～1 000 km2之間，嘉陵江研究區(qū)遙測站網(wǎng)的密度為489.08 km2/站，符合相關(guān)要求。同時，為避免由面雨量實(shí)況值與預(yù)報值計(jì)算方法不同引入的誤差，面雨量實(shí)況值計(jì)算采用算術(shù)平均法。

3.3 面雨量預(yù)報值計(jì)算

研究采用ECMWF和WRF 2種數(shù)值天氣預(yù)報產(chǎn)品對2016年汛期嘉陵江研究區(qū)面雨量進(jìn)行預(yù)報。

歐洲中期天氣預(yù)報中心成立于1973年，由18個歐洲國家共同支持組建，是全球較為先進(jìn)和成熟的國際性天氣預(yù)報研究機(jī)構(gòu)。其研發(fā)的ECMWF產(chǎn)品在北京時間每天8:00和20:00各發(fā)布一次預(yù)報成果，預(yù)見期為10 d。預(yù)報范圍為60°E—150°E， -10°N—60°N，時間步長為3 h。

WRF產(chǎn)品是目前應(yīng)用最廣泛的降水預(yù)報模式，為以美國環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)、美國國家大氣研究中心(NCAR)等美國科研機(jī)構(gòu)為中心開發(fā)的一種中尺度預(yù)報模式和同化系統(tǒng)。該模式每天發(fā)布一次預(yù)報成果，預(yù)見期為4 d，時間步長為24 h。

因數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品可以獲得嘉陵江流域降水格點(diǎn)場的降水資料，降水格點(diǎn)場本身比較密集，故采用算術(shù)平均法計(jì)算面雨量預(yù)報值。

4 面雨量預(yù)報精度評估

4.1 面雨量預(yù)報檢驗(yàn)方法

本文主要采用《中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗(yàn)辦法》規(guī)定的TS評分、空報率、漏報率、正確率檢驗(yàn)2種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品在嘉陵江研究區(qū)的面雨量預(yù)報精度，各公式見式(1)—式(4)。采用平均絕對誤差對面雨量預(yù)報誤差進(jìn)行時空分析，其公式見式(5)。

4.1.1 預(yù)報產(chǎn)品公式

TS評分、空報率、漏報率、正確率公式分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：FAR表示空報率；PO表示漏報率；PC表示正確率；其他符號含義見表1和表2。

表1 式(1)—式(3)中參數(shù)意義Table 1 Meanings of parameters in equation (1)-(3)

表2 式(4)中參數(shù)意義Table 2 Meanings of parameters in equation (4)

4.1.2 平均絕對誤差

平均絕對誤差反映預(yù)報值可能的誤差范圍，公式為

(5)

式中：n為預(yù)報系列個數(shù)；Pc為預(yù)報面雨量；Po為實(shí)況面雨量。

4.2 面雨量預(yù)報結(jié)果分析

4.2.1 TS評分

分別計(jì)算2種氣象預(yù)報產(chǎn)品的TS評分，如圖2所示。由圖2可知，無論是ECMWF產(chǎn)品還是WRF產(chǎn)品，各分區(qū)TS評分隨預(yù)報時效的增加基本呈減小趨勢。對于ECMWF產(chǎn)品，北碚以上分區(qū)預(yù)報效果最好，4個預(yù)報時效的TS評分分別為74.13%，71.3%，69.79%，69.88%，基本在70%左右；對于WRF產(chǎn)品，各分區(qū)TS評分差異并不明顯，基本保持在30%～40%之間，效果不理想。

圖2 2種產(chǎn)品TS評分Fig.2 TS scores of ECMWF product andWRF product

4.2.2 空報率

空報率反映實(shí)際無雨而預(yù)報有雨的概率。由圖3可知，2種模式的空報率基本都在20%以上，并且呈現(xiàn)了明顯一致的趨勢關(guān)系，即空報率隨預(yù)報時效的增加而增加，且除涪江橋以上分區(qū)外，WRF產(chǎn)品的空報率基本低于ECMWF產(chǎn)品，說明WRF產(chǎn)品對于實(shí)際無雨情況的預(yù)報準(zhǔn)確性較高。不難發(fā)現(xiàn)，2種產(chǎn)品的空報率隨預(yù)報時效的變化趨勢與TS評分隨預(yù)報時效的變化趨勢相反(如圖4所示)，且TS評分越高，其空報率越低。

圖3 2種產(chǎn)品空報率Fig.3 False alarm rates of ECMWF product and WRF product

圖4 2種產(chǎn)品的TS評分和空報率與預(yù)報時效關(guān)系Fig.4 Relationship of TS score and false alarm rate of ECMWF product and WRF product against period of forecast validity

圖5 2種產(chǎn)品漏報率Fig.5 Point over rates of ECMWF product and WRF product

4.2.3 漏報率

漏報率反映實(shí)際有雨而預(yù)報無雨的概率。由圖5可知，ECMWF產(chǎn)品的漏報率較低，各分區(qū)預(yù)報時效內(nèi)的漏報率基本維持在10%以下，涪江橋以上分區(qū)漏報率最低，平均漏報率為2.83%，說明ECMWF產(chǎn)品有較少的漏報現(xiàn)象，能較準(zhǔn)確地預(yù)報實(shí)際降雨情況；而WRF產(chǎn)品的漏報率基本在60%左右，對于各面雨量分區(qū)的預(yù)報存在漏報現(xiàn)象，降水預(yù)報的完整性較差。此外，2種產(chǎn)品漏報率與預(yù)報時效并無明顯趨勢關(guān)系。

圖6 2種產(chǎn)品晴雨預(yù)報正確率Fig.6 Success hit rates of sunny/rainy forecast by ECMWF product and WRF product

4.2.4 正確率

正確率常用來進(jìn)行晴雨檢驗(yàn)，從而判斷氣象預(yù)報產(chǎn)品對未來有無降水情況預(yù)報的準(zhǔn)確性。圖6顯示了各分區(qū)2種氣象產(chǎn)品24，48，72，96 h晴雨預(yù)報正確率。由圖6可知：①ECMWF產(chǎn)品對4種預(yù)報時效的晴雨檢驗(yàn)效果較好，各分區(qū)正確率幾乎均在70%上下。北碚以上分區(qū)正確率最高，分別為77.53%，74.52%，72.60%，72.60%；涪江橋以上分區(qū)正確率最低，分別為66.30%，65.48%，66.03%，65.75%。說明ECMWF產(chǎn)品基本能正確預(yù)測各分區(qū)實(shí)際有無降水情況。②WRF產(chǎn)品對于4種預(yù)報時效的晴雨檢驗(yàn)效果劣于ECMWF產(chǎn)品，其24 h預(yù)報正確率最低，各分區(qū)正確率均在40%以下，說明用WRF產(chǎn)品對嘉陵江研究區(qū)進(jìn)行24 h晴雨檢驗(yàn)不確定性較大，48，72，96 h預(yù)報時效正確率基本在50%以上，說明WRF產(chǎn)品對48～96 h晴雨預(yù)報基本可行。

圖7 分區(qū)正確率均值與預(yù)報時效的關(guān)系Fig.7 Relationship between average accuracy of subareas and period of forecast validity

從面雨量分區(qū)正確率均值與預(yù)報時效(圖7)可以看出，ECMWF產(chǎn)品的正確率明顯高于WRF產(chǎn)品，且其正確率隨預(yù)報時效的增加逐漸降低，但預(yù)報時效>72 h，正確率基本無變化；WRF產(chǎn)品的正確率24 h最低，45，72，96 h預(yù)報時效正確率基本不變，維持在50%左右。

4.2.5 平均絕對誤差

圖8顯示了各分區(qū)2種氣象產(chǎn)品24，48，72，96 h平均絕對誤差，除涪江橋以上分區(qū)和武勝以上分區(qū)外，WRF產(chǎn)品對24，48，72，96 h預(yù)報的平均絕對誤差基本都大于ECMWF產(chǎn)品。對ECMWF產(chǎn)品而言，涪江橋以上分區(qū)在各預(yù)報時效內(nèi)平均絕對誤差均最大;對WRF產(chǎn)品，涪江橋以上分區(qū)在24，48，72 h預(yù)報時效內(nèi)平均絕對誤差最大，預(yù)報時效為96 h時，羅渡溪以上分區(qū)的平均絕對誤差最大。在研究區(qū)北部及東北部平均絕對誤差較大，南部及西南部平均絕對誤差較小。

4.2.6 降水分級檢驗(yàn)

除了用TS評分、空報率、漏報率、正確率等指標(biāo)對氣象產(chǎn)品預(yù)報的面雨量進(jìn)行評估外，相關(guān)部門往往對降水量進(jìn)行分級，即通過降水等級檢驗(yàn)對氣象產(chǎn)品進(jìn)行降水分級預(yù)報精度評估。

降水分級檢驗(yàn)即根據(jù)24 h降水量(P)大小，將面雨量分為小雨(P<10 mm)、中雨(10 mm≤P<25 mm)、大雨(25 mm≤P<50 mm)、暴雨(50 mm≤P<100 mm)等10個等級，檢驗(yàn)氣象產(chǎn)品對不同量級降水的預(yù)報能力。本文統(tǒng)計(jì)24 h的 2種數(shù)值模式不同降水等級的TS評分(因資料時段內(nèi)僅出現(xiàn)了小雨、中雨、大雨和暴雨4種降水等級，故只對這4種情況進(jìn)行檢驗(yàn))，結(jié)果如圖9所示。

圖8 2種產(chǎn)品預(yù)報時效平均絕對誤差Fig.8 Mean average error of period of forecast validity by ECMWF product and WRF product

從整體上看，ECMWF產(chǎn)品預(yù)報效果優(yōu)于WRF產(chǎn)品。對于北碚以上分區(qū)，ECMWF產(chǎn)品對于中雨、大雨預(yù)報效果較好，WRF產(chǎn)品對于暴雨預(yù)報效果較好；對于鳳灘以上分區(qū)和武勝以上分區(qū)，ECMWF產(chǎn)品對于小雨、中雨和大雨的預(yù)報效果均優(yōu)于WRF產(chǎn)品，2種產(chǎn)品對于暴雨的預(yù)報的TS評分均達(dá)到100%；對于涪江橋、河溪、羅渡溪、小河壩以上分區(qū)，ECMWF產(chǎn)品的TS評分，無論小雨、中雨、大雨還是暴雨，均高于WRF產(chǎn)品相應(yīng)的TS評分。此外，ECWMF產(chǎn)品對7個面雨量分區(qū)的大雨預(yù)報，TS評分均達(dá)到了100%，說明此產(chǎn)品對于大雨預(yù)報的效果有較好的參考性；WRF產(chǎn)品對于小雨的預(yù)報能力明顯較低，7個面雨量分區(qū)的TS評分分別為34.63%，33.06%，30.63%，32.52%，34.92%，32%，31.98%。因此，應(yīng)用WRF產(chǎn)品對嘉陵江流域各分區(qū)進(jìn)行小雨預(yù)報時需謹(jǐn)慎考慮。

圖9 降水等級及分區(qū)TS評分Fig.9 Precipitation grade and TS score of subareas

圖10 分區(qū)TS評分均值與降水等級關(guān)系Fig.10 Relationship between average TS score of subareas and precipitation grade

統(tǒng)計(jì)2種產(chǎn)品對7個分區(qū)不同降水等級TS評分的均值，從圖10可以看出，ECMWF產(chǎn)品和WRF產(chǎn)品的TS評分隨降水等級的增大總體呈波動上升趨勢，ECMWF產(chǎn)品由64.49%增加到95.83%；WRF產(chǎn)品由32.83%增加到86.11%，說明2種產(chǎn)品對于降雨強(qiáng)度較大的降水預(yù)報能力較好。但是，WRF產(chǎn)品的整體預(yù)報效果仍不如ECMWF理想。

5 結(jié) 論

對嘉陵江研究區(qū)2016年5—10月2種數(shù)值天氣預(yù)報產(chǎn)品面雨量預(yù)報進(jìn)行了精度評估和誤差分析，得出以下結(jié)論：

(1)2種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的TS評分均隨預(yù)報時效的增大而降低；ECMWF產(chǎn)品漏報現(xiàn)象較少，WRF產(chǎn)品對于實(shí)際無雨情況的預(yù)報準(zhǔn)確性較高；且2種產(chǎn)品空報率隨預(yù)報時效的變化趨勢與TS評分隨預(yù)報時效的變化趨勢相反。

(2)ECWMF產(chǎn)品和WRF產(chǎn)品均可用于嘉陵江流域晴雨預(yù)報，但ECWMF產(chǎn)品的預(yù)報正確率高于WRF產(chǎn)品。

(3)2種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品平均絕對誤差隨預(yù)報時效的增加呈增大趨勢，2種產(chǎn)品對各分區(qū)面雨量預(yù)報的平均絕對誤差有所差異。

(4)在降水分級檢驗(yàn)中，ECMWF產(chǎn)品對中雨、大雨、暴雨的預(yù)報效果較好，WRF產(chǎn)品對暴雨的預(yù)報效果最好，對小雨的預(yù)報不確定性較大。

(5)綜上研究，ECMWF產(chǎn)品對嘉陵江研究區(qū)的預(yù)報效果更好，實(shí)際應(yīng)用中，建議以ECMWF數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品為主，以WRF產(chǎn)品為輔，綜合考慮2種產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)對嘉陵江研究區(qū)進(jìn)行面雨量預(yù)報。