岳陽市ECMWF數(shù)值模式降水預(yù)報檢驗與釋用

陳姣榮，曹向林，肖 平

(湖南省岳陽市氣象局，湖南 岳陽 414000)

0 引言

為了提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率，不少專家、學(xué)者基于不同數(shù)值模式、對不同地區(qū)的降水等要素開展了檢驗研究[1-3]。張宏芳等[4]對比分析了ECMWF模式和日本模式對降水的預(yù)報能力；熊秋芬[5]利用TS評分、預(yù)報偏差、ETS評分及TSS評分等方法檢驗了GRAPES_Meso模式在我國不同地區(qū)降水的預(yù)報效果和能力。還有一些專家對基于目標(biāo)的降水檢驗和極端天氣的檢驗方法進(jìn)行了研究和應(yīng)用[6-9]。2013年以前，我國的天氣預(yù)報以24 h為單元進(jìn)行TS預(yù)報評分檢驗，2013年開始，降水量預(yù)報將24 h單元分為兩段12 h進(jìn)行檢驗。目前對于ECMWF數(shù)值預(yù)報模式以12 h降水為單元、針對湖南省不同地區(qū)、不同季節(jié)的預(yù)報檢驗研究不多，針對模式預(yù)報有微弱降水[10]時的檢驗研究更少。為了進(jìn)一步了解ECMWF模式對岳陽市不同季節(jié)、不同時效及不同量級降水的預(yù)報能力，本文對ECMWF模式預(yù)報的2015年12月—2018年12月岳陽市降水場資料開展晴雨和分級降水檢驗；同時，通過對ECMWF模式預(yù)報岳陽市有微弱降水時的空報情況進(jìn)行分析檢驗與預(yù)報訂正，力求提高預(yù)報質(zhì)量和服務(wù)效果。

1 資料與方法

1.1 資料

資料來源于2015年12月—2018年12月ECMWF模式預(yù)報的降水場資料，插值到岳陽市6個國家氣象觀測站，時間分辨率為12 h，空間分辨率為0.125°×0.125°。ECMWF模式資料按08時起報和20時起報分別進(jìn)行檢驗。目前湖南省重點(diǎn)考核120 h 時效內(nèi)的城鎮(zhèn)天氣預(yù)報質(zhì)量，故檢驗時效也統(tǒng)一為0～120 h。2015年12月—2018年12月的實況降水資料分夜間(20時—翌日08時)和白天(08—20時)兩個時段，來源于岳陽市6個國家氣象觀測站。4個季節(jié)的劃分：12月—次年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月秋季。

根據(jù)《中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗辦法(試行)》(氣發(fā)[2005]109號)和《預(yù)報司關(guān)于印發(fā)中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗工作改革方案的通知》(氣預(yù)函[2012]157號)及后續(xù)補(bǔ)充說明，本文中12 h降水量(白天和夜間時段)的等級按照24 h降水量分級標(biāo)準(zhǔn)劃分(表1)。

表1 降水等級劃分表Tab.1 The grade classification of precipitation

1.2 檢驗方法

根據(jù)《中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗辦法(試行)》(氣發(fā)[2005]109號)進(jìn)行預(yù)報檢驗。

晴雨預(yù)報正確率公式：

(1)

式(1)和表2中，PC為預(yù)報準(zhǔn)確率；a為有降水預(yù)報正確的站(次)數(shù)；b為空報的站(次)數(shù)；c為漏報的站(次)數(shù)；d為無降水預(yù)報正確的站(次)數(shù)。

表2 晴雨(雪)檢驗分類Tab.2 Verifying classification of clear or rain(snow)

采用TS評分、漏報率和空報率對降水分級進(jìn)行檢驗。公式分別為

TS評分：

(2)

漏報率：

(3)

空報率：

(4)

式(2)～式(4)和表3中，ak預(yù)報正確的站(次)數(shù)；bk為空報的站(次)數(shù)；ck為漏報的站(次)數(shù)。k取值為1～4，分別代表小雨、中雨、大雨和暴雨量級降水。

表3 降水預(yù)報檢驗分類Tab.3 Verifying classification of rainfall forecasting

檢驗ECMWF模式的預(yù)報偏差BIAS，計算公式為：

(5)

式(5)中，a為有降水預(yù)報正確的站(次)數(shù)；b為空報的站(次)數(shù)；c為漏報的站(次)數(shù)。BIAS為預(yù)報事件的發(fā)生頻率，不考慮預(yù)報的準(zhǔn)確率。當(dāng)無空報和漏報時(b=0，c=0)，BIAS=1，表示預(yù)報完全正確；當(dāng)空報次數(shù)多于漏報次數(shù)時，BIAS>1，表示預(yù)報過度；當(dāng)漏報次數(shù)多于空報次數(shù)時，BIAS<1，表示預(yù)報不足。

2 晴雨預(yù)報檢驗

2.1 全市晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率總體情況

圖1為2016—2018年岳陽市基于ECMWF細(xì)網(wǎng)格數(shù)值模式12 h分辨率(08時起報和20時起報綜合平均)的晴雨預(yù)報檢驗結(jié)果箱線圖。分析發(fā)現(xiàn)，總體來看：岳陽市0～120 h晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率在0.74～0.80之間；從不同時效上看，隨著時效的延長，晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率逐步下降，預(yù)報準(zhǔn)確率在24 h最高(為0.80)，120 h最低(為0.74)。

圖1 2016—2018年岳陽市ECMWF數(shù)值模式總體晴雨預(yù)報效果檢驗Fig.1 Verification of overall clear rain effect of ECMWF model in Yue yang city from 2016 to 2018

從不同起報時次來看(圖2)，20時起報的準(zhǔn)確率比08時起報的高，但差別不明顯(≤2%)；無論是20時起報還是08時起報，兩者任一時效的夜間時段(20—08時)的晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率均明顯優(yōu)于白天時段(08—20時)，呈夜間高白天低波浪狀起伏；平均而言，對夜間晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率較白天高6%左右；預(yù)報時效越長準(zhǔn)確率越低，兩個時次起報則較為一致。

圖2 2016—2018年岳陽市ECMWF數(shù)值模式不同起報時次晴雨預(yù)報效果檢驗Fig.2 Verification of clear rain effect of ECMWF model in Yueyang city from 2016 to 2018

2.2 月、季、年晴雨預(yù)報檢驗

從逐月晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率檢驗結(jié)果來看(表4)：12月最高，0～120 h準(zhǔn)確率的算術(shù)平均值可達(dá)0.87，其中0～24 h準(zhǔn)確率高達(dá)0.92；1月、2月、10月、11月為次高月份，0～120 h平均準(zhǔn)確率在0.82～0.85；8月最低，0～120 h準(zhǔn)確率的算術(shù)平均值為0.61，8月準(zhǔn)確率最高也僅為0.73～0.77，均出現(xiàn)在兩個起報時次的24 h時效內(nèi)的夜間時段，而白天時段內(nèi)的晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率僅為0.44～0.53，且與時效的長短無明顯關(guān)系，這與岳陽地區(qū)8月份多局地性、陣性降水有一定關(guān)系；6月、7月次低，其他月份無明顯差異。

表4 2016—2018年岳陽市逐月ECMWF模式晴雨預(yù)報檢驗結(jié)果Tab.4 Monthly ECMWF clear rain forecast test results of Yueyang city from 2016 to 2018

從不同季節(jié)晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率檢驗結(jié)果來看(表5)：季節(jié)差異大，冬季最高，秋季次之，夏季最低。其中冬季48 h時效內(nèi)的準(zhǔn)確率為0.86以上，較其他季節(jié)均偏高；而夏季0～120 h時效內(nèi)晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率均低于其他季節(jié)，且24 h時效內(nèi)準(zhǔn)確率不足0.7，預(yù)報效果較差。

表5 2016—2018年岳陽市各季ECMWF模式晴雨預(yù)報檢驗結(jié)果Tab.5 Inspection results of ECMWF model clear rain of seasons in Yueyang city from 2016 to 2018

從逐年晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率檢驗結(jié)果來看(表6)，2016—2018年晴雨預(yù)報性能總體較穩(wěn)定，年際變化幅度較小。36 h時效內(nèi)晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率均達(dá)到了0.81以上，其中2017年除96 h外各時效均略高于其他年份。

表6 2016—2018年岳陽市逐年ECMWF模式晴雨預(yù)報檢驗結(jié)果Tab.6 Annual test results of ECMWF model of clear rain in Yueyang city from 2016 to 2018

2.3 不同站點(diǎn)晴雨預(yù)報檢驗

從全市6個站點(diǎn)晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率來看(圖3)，同一預(yù)報時效的晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率最多相差3%。其中岳陽站0～120 h各時效準(zhǔn)確率均明顯高于其他站，而不同時效預(yù)報準(zhǔn)確率偏低的站點(diǎn)分布不均，24 h 時效內(nèi)汨羅、湘陰最低，36 h、72 h華容最低，48 h、60 h、84 h平江最低，96 h、108 h汨羅最低，120 h 臨湘最低。從空間分布上看，岳陽市的北部縣市(岳陽、華容、臨湘)晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率略高于南部(湘陰、汨羅、平江)。

圖3 2016—2018年岳陽市ECMWF數(shù)值模式預(yù)報不同站點(diǎn)晴雨預(yù)報效果檢驗Fig.3 Verification of clear rain effect at different stations of ECMWF model forecast in Yueyang city from 2016 to 2018

3 降水分級檢驗

3.1 分級降水的TS評分

對2016—2018年岳陽市ECMWF模式的降水場資料進(jìn)行分級檢驗，從不同起報時次的預(yù)報效果對比來看，與晴雨預(yù)報相同，即總體差別不大，20時起報的各時效各量級降水預(yù)報TS評分略高于08時起報(圖略)。從不同量級降水分級檢驗來看(表7)：小雨量級0～120 h時效的TS評分在0.34～0.50之間，均明顯高于其他量級的降水TS評分，其中0～60 h的TS評分均在0.40以上；中雨量級TS評分僅次于小雨量級，0～120 h時效的TS評分為0.16～0.33之間，且呈現(xiàn)出白天評分高于晚上的規(guī)律，這種規(guī)律在08時起報的檢驗結(jié)果中尤為明顯。大雨和暴雨以上量級的TS評分偏低，均在0.12以下，預(yù)報能力較低，尤其是暴雨，TS評分均在0.06以下，且無明顯規(guī)律，與大雨和暴雨以上量級樣本偏少有關(guān)。

表7 2016—2018年岳陽市ECMWF數(shù)值模式降水預(yù)報的降水分級檢驗結(jié)果Tab.7 Precipitation grading test results of ECMWF model precipitation prediction in Yueyang city from 2016 to 2018

3.2 分級降水的空報率和漏報率

對2016—2018年岳陽市ECMWF模式的降水場資料小雨、中雨和大雨3個量級降水的空報率和漏報率進(jìn)行統(tǒng)計(圖4)。結(jié)果表明：隨著量級的增大和時效的延長，空報率均呈逐步升高的態(tài)勢，但小雨量級的空報率上升至72 h時達(dá)最高，之后差異不明顯；3個量級的漏報率隨著量級的增大逐步升高，隨著時效的延長，小雨和中雨量級也呈現(xiàn)出逐步升高的態(tài)勢，但大雨量級的漏報率在時效上呈現(xiàn)出高—低—高的態(tài)勢，在48 h表現(xiàn)得最低，0～24 h和60～196 h時效差別不大，108～120 h漏報率最高。對比圖4a和圖4b可見, 3個量級任一時效的空報率整體上比漏報率大，小雨量級表現(xiàn)得尤為明顯，空報率比漏報率大0.30以上，中雨和大雨量級的空報率和漏報率雖然較小雨高，但差異均不及小雨大，說明小雨量級的空報更嚴(yán)重。暴雨及以上量級由于樣本數(shù)少，并沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，也不能很好地反映模式的特點(diǎn)，在此未作討論。

圖4 2016—2018年岳陽市ECMWF數(shù)值模式降水預(yù)報的分級空報率(a)和漏報率(b)Fig.4 Graded null rate (a) and missing-reporting rate (b) of precipitation forecast by ECMWF model in Yueyang City from 2016 to 2018

4 降水預(yù)報產(chǎn)品的解釋應(yīng)用

4.1 微弱降水預(yù)報消空處理

日常預(yù)報中ECMWF模式常在岳陽地區(qū)預(yù)報出不足1 mm的降水(以下稱為微弱降水)，而實況通常為無降水。前文分析也發(fā)現(xiàn)，小雨量級空報嚴(yán)重，即小雨預(yù)報過度，這種情況對晴雨和降水分級預(yù)報準(zhǔn)確率有較大的不利影響。

為了進(jìn)一步了解ECMWF模式對微弱降水的預(yù)報效果，依次將2016—2018年ECMWF數(shù)值預(yù)報12 h 分辨率的岳陽市雨量預(yù)報值≤0.2 mm、≤0.4 mm、≤0.6 mm、≤0.8 mm、≤1.0 mm和≤1.2 mm的站點(diǎn)分別訂正為無降水，再進(jìn)行晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率檢驗，并與消空前(即常規(guī)檢驗)對比(表8)，總體來看，ECMWF模式預(yù)報降水量大于0.6 mm以上時，訂正后技巧不明顯，且可能會導(dǎo)致小雨的漏報率增大。

表8 2016—2018年岳陽市ECMWF數(shù)值模式預(yù)報微弱降水消空前后晴雨檢驗結(jié)果對比Tab.8 Comparison of the test results of the ECMWF model in Yueyang City between 2016 (a)nd 2018 before and after the weak precipitation disappeared

由于每個季節(jié)的降水特征不同，冬季、春季和秋季多為穩(wěn)定性降水，夏季多為對流性降水，為了更好的分析微弱降水消空處理對晴雨預(yù)報的影響，按4個季節(jié)作了進(jìn)一步分析檢驗(表9)。結(jié)果表明：夏季岳陽市ECMWF模式預(yù)報降水量為1.0 mm以下訂正為無降水，晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率可提高10%左右；春季和秋季將0.4 mm以下訂正為無降水時，晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率提高3%；由于冬季晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率本來就相對較高，訂正技巧不明顯，可以視情況將0.2 mm以下訂正為無降水。消空處理后，小雨量級預(yù)報的TS評分略有提升(2%)，個別時效有所下降，即增加了一定的漏報風(fēng)險(圖略)，調(diào)整后ECMWF模式預(yù)報的正技巧總體上大于負(fù)技巧。

表9 2016—2018年岳陽市ECMWF數(shù)值模式預(yù)報各季節(jié)微弱降水消空前后晴雨檢驗結(jié)果對比Tab.9 Comparison of the test results of the ECMWF model in Yueyang City between 2016 (a)nd 2018 before and after weak precipitation disappeared in each season

4.2 微弱降水消空應(yīng)用

按照夏季對微量降水消空處理方法，即預(yù)報量≤1.0 mm的降水預(yù)報處理為0 mm，對2019年8月的資料進(jìn)行消空處理應(yīng)用檢驗，重點(diǎn)檢驗24～36 h 晴雨和小雨量級TS評分(圖略)。全市6個站點(diǎn)每天兩次預(yù)報全月樣本數(shù)共計744站次，因8月1日20時和8月11日08時起報的資料缺測，因此檢驗時予以剔除，即按720站次計算，未處理前空報170站次，對≤1.0 mm預(yù)報降水量進(jìn)行消空處理后小雨空報下降到了36站次，雖漏報次數(shù)略有上升，但晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率為從0.73升至0.88，同時對小雨量級預(yù)報的TS評分影響不大，均為0.16。為了進(jìn)一步驗證消空處理對小雨量級預(yù)報的影響，需要對消漏前后小雨量級降水的預(yù)報偏差進(jìn)行分析。根據(jù)公式(5)，對8月份24～36 h小雨量級降水的預(yù)報偏差BIAS進(jìn)行計算，結(jié)果顯示，不進(jìn)行消空處理時，8月份24～36 h小雨量級降水的BIAS=3.67，說明空報嚴(yán)重；消空處理后BIAS降至了0.83，證明空報現(xiàn)象明顯改善，但漏報現(xiàn)象增多，即小雨量級預(yù)報不足。但綜合來看，消空后ECMWF模式預(yù)報的正貢獻(xiàn)大于負(fù)貢獻(xiàn)，因此在日常預(yù)報中，若同時結(jié)合每次降水過程發(fā)生的季節(jié)、類型及大氣環(huán)流背景等實際情況，預(yù)計降水預(yù)報的訂正效果將更好。

5 結(jié)論與討論

①2015年12月—2018年12月岳陽市ECMWF數(shù)值模式對岳陽市晴雨預(yù)報性能總體較穩(wěn)定，年際變化幅度較小；季節(jié)差異大，冬季晴雨預(yù)報的準(zhǔn)確率最高，秋季次之，夏季最低；從逐月晴雨預(yù)報檢驗來看，12月份最高，8月最低；晴雨預(yù)報還存在明顯的日變化規(guī)律，對夜間的預(yù)報能力明顯優(yōu)于白天；空間上總體呈北高南低的分布特征。

②對小雨、中雨和大雨3個量級進(jìn)行分級降水預(yù)報檢驗，小雨量級降水預(yù)報評分明顯高于其他量級降水，中雨次之，大雨及以上量級評分較低且規(guī)律不顯著。3個量級任一時效的空報率整體上比漏報率大，小雨量級表現(xiàn)得尤為明顯，空報率比漏報率大0.30以上，中雨和大雨量級的空報率和漏報率雖然較小雨高，但差異均不及小雨大，說明小雨量級降水空報更嚴(yán)重。

③針對小雨降水預(yù)報空報率高的現(xiàn)象，本文對岳陽市ECMWF模式預(yù)報降水量1.2 mm以下消空處理后進(jìn)行了預(yù)報釋用，結(jié)果表明：冬季訂正空間較?。幌募靖鲿r效可適度訂正；春季和秋季可視情況適度訂正，訂正后可以明顯提升預(yù)報技巧，但漏報風(fēng)險有一定增大。

④由于本文中采用點(diǎn)對點(diǎn)檢驗，加上資料序列有限，無法全面真實地評價一個模式。實際工作中，數(shù)值模式預(yù)報的降水落區(qū)位置偏差造成評分低，也不能簡單認(rèn)為模式性能差。此外，暴雨及以上量級降水在岳陽的檢驗和應(yīng)用[11-12]，也有待進(jìn)一步研究。