黑龍江省一次強降水過程的數(shù)值模式預報及誤差分析

張桂華，齊鐸，趙廣娜，白雪梅

（黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

數(shù)值天氣預報是現(xiàn)代天氣預報的一種重要的手段技術和方法，近幾十年來數(shù)值模式快速發(fā)展，預報水平也不斷提高。對數(shù)值模式的預報能力進行科學評估對于不斷改進模式的預報水平和提高預報員應用模式預報結(jié)果的能力有重要意義。

當前，我國業(yè)務上常用的數(shù)值模式的檢驗方法主要集中于基于站點的傳統(tǒng)檢驗評分方法和基于預報員思路的主觀天氣學檢驗?？陀^檢驗評分方法簡單實用，能夠從預報的準確性、空報、漏報率等統(tǒng)計學角度提供模式預報效果的客觀總體評價，在日常預報業(yè)務和模式性能評估中多采用此方法[1－3]。但客觀評分檢驗缺乏天氣學意義，僅通過評分不能全面了解預報中更為關注的雨帶位置、范圍和移速等方面的預報效果及偏差，對預報員了解模式在具體天氣過程中的預報性能及對其進行相應的訂正參考意義不大。在主觀檢驗中，預報員通過對預報和觀測進行主觀對比來判別天氣系統(tǒng)和雨帶的預報偏差，在一定程度上能彌補客觀評分在天氣學意義上的不足。因此，日常業(yè)務中多借助數(shù)值模式的主觀天氣學檢驗來深入了解模式性能[4－10]

近些年，國際上預報檢驗專家提出了一些新的檢驗技術方法，如尺度分解檢驗法[11－13]、臨近點檢驗方法[14]、面向?qū)ο髾z驗方法[15]、面向目標的檢驗方法[16]等。近年來，國內(nèi)的公穎等[17]、熊秋芬[18]、劉湊華等[19]學者陸續(xù)引入了國外發(fā)展相對成熟的空間預報檢驗技術并做了相應的本地化改進。本文就目前業(yè)務常用的 T639 （分辨率為 0.28125°×0.28125°）、GRAPES 全球模式（分辨率為 0.25°×0.25°）和 EC_thin（地面層分辨率為0.125°×0.125°；模式層分析場和預報場分辨率為 0.25°×0.25°）三類數(shù)值模式降水、500 hPa 高度、850 hPa溫度、850 hPa緯向風和經(jīng)向風進行評估。

2016年8月5日20時-7日08時黑龍江省出現(xiàn)了一次區(qū)域性的大到暴雨天氣過程。8月5日的強降水主要出現(xiàn)在齊齊哈爾及綏化北部，屬低渦前部的暖區(qū)降水；6日隨高空槽進一步東移，副高南退，降水范圍進一步擴大但強度有所減弱，大雨落區(qū)主要位于黑龍江省中部偏南；7日降水落區(qū)東移，強降水主要出現(xiàn)在低渦切變附近，以大雨以上量級為主，其中佳木斯東部有7站出現(xiàn)50 mm/12h以上的暴雨。本文將利用加密自動站降水觀測資料和客觀分析資料來評估T639、GRAPES全球模式及EC_thin對此次降水過程的預報效果，為在相似天氣背景下對數(shù)值模式預報產(chǎn)品的經(jīng)驗訂正提供參考依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 資料

降水實況為黑龍江省加密自動站降水觀測資料及T639、GRAPES全球模式和EC_thin模式預報產(chǎn)品。其中降水實況為黑龍江省內(nèi)，模式預報產(chǎn)品資料范圍降水為 43°N-55°N、121°E-136°E；500 hPa 高度、 溫度分析資料范圍為 30°N-70°N、90°E-140°E；緯向風、經(jīng)向風分析資料范圍為 30°N-60°N、110°E-140°E。

2.2 方法

從降水分布形態(tài)、范圍及預報的快慢，降水中心強度和位置等方面逐12 h對比分析，并對12 h累積降水進行TS評分。從三個預報時效 （36 h、60 h、84 h）分析三種模式對于業(yè)務預報的指導作用。

對不同起報時次的三種模式500 hPa高度場、誤差分布及均方根誤差分布進行對比分析，并對副熱帶高壓的面積指數(shù)、強度指數(shù)、脊線位置、副高北界進行對比分析。同樣的方法對850 hPa溫度、緯向風和經(jīng)向風進行上述分析。

3 結(jié)果分析

3.1 降水預報檢驗分析

分析5日20時-7日08時逐12 h時段的降水預報及實況對比。8月5日20時-6日08時模式預報的降水走向與實況基本一致，均表現(xiàn)為東西帶狀分布。其中T639模式預報的強降水中心隨預報時效臨近逐漸向西移動，36 h預報的降水分布形態(tài)和中心位置與實況最接近，但中心強度較實況偏弱，對于齊齊哈爾、綏化北部的區(qū)域性暴雨存在嚴重的漏報，且降水落區(qū)范圍較60 h偏大，在小雨量級上存在相對較大的空報。另外，除84 h預報，其他兩個時次對哈爾濱東部的降水存在漏報。GRAPES全球模式的降水預報范圍較實況偏大，中心位置與實況接近，但強度偏弱。因此，小雨空報比較明顯，大雨以上量級降水存在嚴重漏報。EC_thin降水落區(qū)預報與實況最接近，但是根據(jù)降水中心位置及對于哈爾濱東部降水預報的位置上看，存在預報偏快的現(xiàn)象，將降水落區(qū)向西調(diào)整，可提高降水預報的準確率。模式預報的暴雨落區(qū)與實況相比偏東明顯，預報的中雨范圍也較實況明顯偏大。綜合三個模式的表現(xiàn)，EC_thin細網(wǎng)格的降水預報偏快，但若向西調(diào)整一下，降水落區(qū)預報及中心強度和位置預報準確率都很高，T639臨近時段預報降水中心的位置和分布形態(tài)與實況相似度相對較高。

8月6日20時-7日08時，實況降水分為南北兩個部分，南部為前期東移高空槽配合低渦影響產(chǎn)生的大范圍降水，北部大興安嶺地區(qū)為北部冷槽東移產(chǎn)生的分散性降水，模式成功預報出了南北兩個降水落區(qū)的降水分布情況。對于北部的降水GRAPES和EC_thin預報范圍明顯偏大，T639范圍偏小，與實況更為接近，其中72 h時效預報的小雨與中雨范圍與實況相比最接近，但是對于大興安嶺南部的分散性大雨預報失敗。對于南部的降水，T639預報范圍偏小，對于哈爾濱南部及牡丹江西部的降水存在明顯的漏報，且強降水落區(qū)與實況相比偏小，中心偏北，對東南部的分散性暴雨存在嚴重的預報失敗。GRAPES預報的降水落區(qū)范圍與實況一致度最高，特別是72 h時效預報0.1 mm以上降水范圍與實況降水分布基本一致，但強降水中心位置偏北，范圍偏小，強度偏弱，對東南部的大雨以上量級降水幾乎沒有報出來。EC_thin預報在72、96 h時效上存在嚴重的預報偏快的現(xiàn)象，將降水落區(qū)向西部調(diào)整后能在一定程度上提高預報質(zhì)量。

從TS評分結(jié)果上看（表1），T639隨預報時效臨近，預報準確率有所提升；GRAPES預報綜合表現(xiàn)最好，特別是72 h時效預報，小雨和中雨預報準確率都相對較高，與天氣學檢驗結(jié)果一致；EC_thin預報準確率相對穩(wěn)定，隨預報時效變化不大。

表1 2016年8月6日08-20時累積降水TS評分

8月6日20時－7日08時，降水仍舊分為南北兩個部分，降水中心相對明顯，北部降水中心位于大興安嶺中部偏東的位置，中心為大雨量級，南部大雨以上降水表現(xiàn)為東北西南的帶狀分布，暴雨集中在大雨雨帶的最東北端。對比三個模式，均預報出南北兩支降水系統(tǒng)。其中T639降水落區(qū)及雨帶走向與實況最接近，并且隨著預報時效的臨近，與實況的一致度逐漸提高，但大雨落區(qū)雨帶走向與實況相比與緯向的夾角偏小，通過逆時針旋轉(zhuǎn)可提高預報準確率。GRAPES預報存在一定程度偏快的現(xiàn)象，隨著預報時效的臨近，偏快現(xiàn)象得到一定程度的調(diào)整，36 h時效大雨以上降水落區(qū)預報相比其他時次預報與實況最接近，但是對哈爾濱東部大雨存在漏報。EC_thin預報仍存在偏快的現(xiàn)象，隨預報時效臨近，偏快現(xiàn)象得到調(diào)整，但是仍然存在明顯偏快的特點。

結(jié)合TS評分結(jié)果，T639預報效果最佳，且預報能力相對穩(wěn)定。三個模式對東北部的暴雨都存在嚴重的漏報。

降水預報分析結(jié)果表明，模式在三個階段表現(xiàn)不盡相同?？傮w而言，第一階段，EC除移速較快外，落區(qū)預報與實況一致度最高，T639對降水結(jié)構的預報也具有一定參考意義；第二階段，GRAPES對于降水落區(qū)預報與實況最接近，特別是72 h時效，預報效果最好，EC_thin預報較實況偏快現(xiàn)象更加明顯；第三階段，T639對于降水落區(qū)范圍和結(jié)構預報效果最好，GRAPES和EC_thin都存在預報偏快的現(xiàn)象。另外，除第一階段EC_thin對暴雨預報有一定指示意義外，三個模式對暴雨量級的降水都存在嚴重的漏報，降水中心強度預報與實況相比存在明顯偏小的現(xiàn)象。上述評估可知：對于東北地區(qū)的暴雨預報，模式的預報能力仍十分有限。

3.2 預報誤差分析

3.2.1 高度場誤差分析

圖1 2016年8月5日20時-6日20時T639、GRAPES_gfs 500hPa高度場均方根誤差（單位：gpm）分解 0-96 小時預報對比（a）5 日 20時；（b）6 日 08時；（c）6日 20 時

從500 hPa高度場的偏差及誤差分布上看，05日20時，T639高度場預報的偏差隨預報時效臨近不斷減小，84 h北部槽偏強，南部槽前有正偏差，脊前有負偏差槽脊移動落后于初始場，副高中心強度偏強。60 h北部槽仍偏強，南部槽、脊偏弱，但偏弱程度小于2位勢什米，且位置與實況接近。36 h南北兩槽位置均偏弱，但全區(qū)與初始場的偏差均在2位勢什米以下。GRAPES預報與T639相似，但是全區(qū)均存在一個比較明顯的系統(tǒng)性負偏差，這種特點在（圖1（a））中有明顯體現(xiàn)。EC_thin預報在北部槽移動偏快，南部槽脊偏弱，隨預報時效臨近，預報偏差逐漸降低。對比三個模式的分析場，T639與GRAPES形態(tài)接近，但T639的槽脊強度較GRAPES略偏強，EC_thin分析場中系統(tǒng)移速較其他兩家模式明顯偏快。另外，從均方根誤差的分布上看，T639與EC_thin均方根誤差普遍偏小，預報穩(wěn)定性較好，特別是EC_thin均方根誤差僅在槽線附近略偏大，其他普遍在2位勢什米以下。6日08時，T639預報96 h時效南部槽偏弱，北部槽偏強，黑龍江東部脊偏弱，副高偏強。72和48 h特點也基本相同，但北部槽移速快于分析場。同時，隨預報時效臨近，預報偏差逐漸減小。GRAPES對于槽脊強度預報偏差較T639小，其中對于槽強度預報在72 h時效與實況基本一致。但全區(qū)仍存在一個比較明顯的系統(tǒng)性負偏差 （圖1（b））。EC_thin分析場仍存在移速明顯偏快的現(xiàn)象。另外，從均方根誤差分布上看，110°E以東的范圍內(nèi)，GRAPES的預報偏差明顯偏小，預報穩(wěn)定性相對較好。06日20時，T639槽脊位置與實況基本一致，強度偏弱。GRAPES在60°N以北高度場表現(xiàn)為一致的負偏差，影響黑龍江省北部的槽移速偏快，南部槽脊位置偏差不大，強度偏弱。另外，GRAPES系統(tǒng)性負偏差仍然存在（圖1（c））。從均方根誤差分布上看，仍是T639更穩(wěn)定。

本次過程在高空槽東移過程中，副高東撤南退。副高的變化與降水的范圍和強度關系密切。因此，對三個模式在 90°E-140°E、15°N-60°N 范圍內(nèi)副高指數(shù)的變化進行對比分析，檢驗模式對于副高演變的預報能力。從副高面積指數(shù)變化上看，隨時間推移，三個模式都表現(xiàn)為副高面積不斷減小的特點，從各模式在不同預報時效的時間變化特征上看，T639和GRAPES都表現(xiàn)為隨預報時效的臨近面積預報與分析場偏差表現(xiàn)為先增大后減小的特點，EC_thin預報與分析場一致性較高，預報結(jié)果穩(wěn)定。副高強度在5日20時最強，6日08時強度減弱，6日20時基本維持。GRAPES副高強度預報較分析場偏弱，T639與EC_thin預報與分析基本一致。副高脊線位置6日08時有小幅北跳，6日20時又有所回落。T639和GRAPES對05日20時、06日08時預報比實況偏北，06日20時起報的預報與實況基本一致。EC_thin對05日20時預報與實況基本一致，對06日08時的脊線位置預報與實況相比一致偏北。副高北界預報除EC_thin對06日08時預報偏北外，其他預報與實況基本一致。另外，6日08時開始副高北界南落。

3.2.2 溫度場誤差分析

對5日20時預報，從三個模式初始場850 hPa溫度場的偏差分布對比上看，T639與GRAPE形態(tài)基本一致，但在黑龍江省南部，T639的溫度脊更強，而GRAPES溫度槽占主導地位，EC_thin在黑龍江省北部溫度槽與南部溫度脊位置偏東，移速偏快。T639各個預報時效內(nèi)，對于黑龍江省北部溫度槽預報偏強，位置與實際接近，南部的脊預報也偏強，范圍偏東。GRAPES對溫度槽的預報偏弱，位置偏西。EC_thin溫度脊預報位置較分析場更偏東偏北，這與降水偏東偏北的特點有相似之處。三個模式對6日08時的預報，仍表現(xiàn)為EC_thin分析場明顯快于其他兩個模式的特點。T639對溫度槽的預報偏弱，導致冷空氣影響范圍和強度偏小，降水落區(qū)與實況偏差較大。GRAPES預報相比T639與分析場偏差小。對6日20時溫度場預報，T639預報槽脊位置與實況相比略偏東，隨預報時效臨近，偏東的特點得到一定的緩解GRAPES對溫度槽預報偏弱且偏弱程度高于T639，槽脊的位置也存在偏東的特點。

從均方根誤差分解上看，均方根誤差中形態(tài)分量占主導地位，T639與GRAPES在溫度場上的誤差主要以空間形態(tài)差異為主，系統(tǒng)性偏差不明顯。

3.2.3 風場誤差分析

從850 hPa緯向風與經(jīng)向風場上看，對05日20時預報，T639預報黑龍江省西部的低渦環(huán)流中的經(jīng)向和緯向風都較弱，對黑龍江省南部的西南風預報略偏強。GRAPES風場也存在偏弱的情況，但緯向風的東西風位置較分析場更加偏南。EC_thin緯向風預報中東風偏弱、西風偏強，經(jīng)向風預報中南風及北風中心位置較實況偏東。對06日08時預報，T639對緯向風預報偏弱，對經(jīng)向風大值中心預報偏北偏西，黑龍江省東南部在一致的偏南風氣流影響下，降水開始較晚。GRAPES在72 h時效上存在全區(qū)一致的正偏差，導致西南風強、東北風弱，在其他兩個時效內(nèi)，均表現(xiàn)為低渦系統(tǒng)一致偏弱的特點。對06日20時預報，T639也表現(xiàn)為緯向風較實際偏弱的特點，60 h及84 h時效，偏北風位置較實況偏東，強度偏強，36 h強度較實況略偏弱，但位置基本一致。GRAPES風場與實況相比更偏南，強度明顯偏弱。

T639及GRAPES的均方根誤差分解中，形態(tài)分量仍占據(jù)主要位置，系統(tǒng)性偏差不明顯。

4 結(jié)論與討論

本文利用黑龍江省加密自動站降水觀測資料、T639、GRAPES全球模式、EC－thin降水及形勢場預報資料對2016年8月5－7日黑龍江省一次降水過程中各模式對降水預報的能力及形勢場預報的誤差進行分析和對比，得到以下結(jié)論：

（1）降水預報中EC_thin預報降水較實況明顯偏快，T639的降水落區(qū)的形態(tài)結(jié)構與實況一致度較高，中雨以上量級降水的分布和走向的預報具有較大的參考意義。三個模式對降水中心強度的預報比實況明顯偏弱，對于暴雨以上量級降水存在較嚴重的漏報。

（2）在形勢場分析中，EC_thin分析場系統(tǒng)移速明顯快于其他兩家模式。高度場預報中，模式對于黑龍江省南部槽脊預報強度有一致偏弱的特點，T639與EC_thin對500 hPa高度場的預報相對GRAPES表現(xiàn)更穩(wěn)定。GRAPES對于500 hPa高度場預報存在一個相對明顯的系統(tǒng)性負偏差。對于副高范圍、強度以及演變趨勢的預報三家模式都表現(xiàn)出預報與實況基本一致的特點。T639溫度場偏差在大部分預報時效上都較GRAPES小。T639在850 hPa的風場預報與分析場相比多表現(xiàn)為強度偏弱，GRAPES預報在850 hPa風場上除表現(xiàn)為強度偏弱的特點以外，在對5日20時及6日20時的預報中還表現(xiàn)為系統(tǒng)較分析場普遍偏南、偏東的特征。