頻率匹配法在浙江臺州ECMWF細(xì)網(wǎng)格降水產(chǎn)品中的應(yīng)用效果研究*

朱昊 翁之梅 楊詩芳 謝成玉

(1.臺州市氣象局,浙江 臺州 318000;2.南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境中心,江蘇 南京 210044)

0 引 言

ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)模式代表了當(dāng)前較先進(jìn)的數(shù)值預(yù)報(bào)模式水平,是各級預(yù)報(bào)員進(jìn)行預(yù)報(bào)的重要參考,但由于模式的初始條件、邊界條件等因素的不確定性,其降水預(yù)報(bào)與實(shí)況仍存在一定偏差。臺州地處浙江省東南部沿海,西部地區(qū)山地縱橫,東部海岸線寬廣。由于受地理特點(diǎn)的影響,模式對復(fù)雜地形下降水量等天氣要素的預(yù)報(bào)仍存在一定偏差,對模式的訂正成為日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

為提升預(yù)報(bào)效果,學(xué)者們發(fā)展了多種模式的釋用方法,取得了良好的效果[1-4]。目前常用的釋用方法主要包括模式輸出統(tǒng)計(jì)法(MOS法)、完全預(yù)報(bào)法(PP法)、卡爾曼濾波法(KF法)等。隨著對模式釋用方法的深入研究,針對各種氣象要素預(yù)報(bào)訂正方法的研究也廣泛開展起來。在降水預(yù)報(bào)方面,形成了頻率訂正、偏差訂正、區(qū)域建模、貝葉斯降水訂正等客觀訂正方法。李莉和朱躍建[5]發(fā)現(xiàn)利用降水頻率進(jìn)行訂正，可使訂正后的降水預(yù)報(bào)偏差顯著改善,小雨以下量級ETS評分得到提高,降水預(yù)報(bào)值更接近實(shí)際降水量。李俊等人[6]進(jìn)一步分析了頻率匹配法的原理、實(shí)現(xiàn)過程及優(yōu)缺點(diǎn),認(rèn)為其適用于降水預(yù)報(bào)的偏差訂正,在TS、ETS評分以及晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率上都有一定程度的提升。周迪等[7]利用Gamma函數(shù)擬合降水頻率分布,對四川盆地暴雨預(yù)報(bào)進(jìn)行訂正,取得了較明顯的改善效果。曹萍萍等[8]改進(jìn)分區(qū)方法并引入遞減權(quán)重系數(shù),改進(jìn)后的方法能夠有效減小模式的濕偏差,預(yù)報(bào)的范圍和平均強(qiáng)度均有改善,并發(fā)現(xiàn)分區(qū)方法與傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)方法相比具有一定的優(yōu)勢。

目前針對頻率匹配法的研究區(qū)域大多范圍較大，而空間分辨率相對較低,且多是對24 h降雨量進(jìn)行研究。隨著對預(yù)報(bào)精細(xì)化程度需求的不斷發(fā)展,對高時(shí)空分辨率雨量預(yù)報(bào)的需求日趨緊迫。本研究從日常降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作出發(fā),開展了頻率匹配法對臺州12 h降水量訂正效果的研究,探索臺州本地化降水客觀訂正新方法,進(jìn)而有效地提高降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率,提高氣象防災(zāi)減災(zāi)的服務(wù)能力和公信力。

1 資料方法

1.1 研究資料

以2019年汛期(4—10月)ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和實(shí)況降水量數(shù)據(jù)為訂正對象。預(yù)報(bào)降水量選取20時(shí)起報(bào)ECMWF細(xì)網(wǎng)格降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品逐12 h的降水預(yù)報(bào)結(jié)果(12—24 h預(yù)報(bào)代表白天;24—36 h預(yù)報(bào)代表夜間),插值到臺州市24個(gè)氣象站(表1);實(shí)況降水量數(shù)據(jù)采用這24個(gè)氣象站的觀測數(shù)據(jù)資料。

表1 臺州市24個(gè)氣象站點(diǎn)經(jīng)緯度

1.2 頻率匹配法介紹

頻率匹配法利用降水頻率來訂正降水預(yù)報(bào),通過統(tǒng)計(jì)在不同閾值條件下降水出現(xiàn)的參考頻率和預(yù)報(bào)頻率,將有偏差的預(yù)報(bào)頻率調(diào)整到較準(zhǔn)確的參考頻率,達(dá)到訂正降水偏差的目的。

降水頻率的計(jì)算公式為：

(1)

式中Fj為研究區(qū)內(nèi)某個(gè)閾值的降水頻率分布;Bj為某個(gè)閾值降水每天出現(xiàn)的總站次;j代表某個(gè)降水閾值;A為每天的總站次;i為滑動窗口天數(shù)。每日采用站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的方式,根據(jù)式(1)計(jì)算降水頻率?；瑒悠骄諗?shù)i選取20 d;降水閾值根據(jù)臺州常年降水量設(shè)置為0.1 mm、1.0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、35 mm、50 mm、100 mm、150 mm、250 mm共12個(gè)。以2019年4月21日為例,計(jì)算前20 d實(shí)況和ECMWF模式預(yù)報(bào)降水的頻率分布,再通過多項(xiàng)式插值方法,得到不同閾值降水預(yù)報(bào)的訂正系數(shù)。最后根據(jù)這組閾值上的訂正系數(shù)采用內(nèi)插的方法,得到任意降水量的訂正系數(shù)。采用該訂正系數(shù)乘以4月21日對應(yīng)氣象站降水量的預(yù)報(bào)值,即為訂正后的降水量。采用以上方法逐一訂正臺州市24個(gè)氣象站降水的預(yù)報(bào)結(jié)果,并逐日滾動,得到4月21日至10月31日每日訂正后的預(yù)報(bào)降水量。

1.3 檢驗(yàn)評分方法

降水檢驗(yàn)方案參考中國氣象局氣發(fā)[2005]109號《中短期天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)辦法(試行)》。

晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率：

(2)

式中,NA為有降水預(yù)報(bào)正確站(次)數(shù);NB為空報(bào)站(次)數(shù);NC為漏報(bào)站(次)數(shù);ND為無降水預(yù)報(bào)正確的站(次)數(shù)(表2)。

表2 晴雨預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評定表

TS評分：

(3)

式中,將降雨量級(K)分為小雨(0.1～9.9 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)、暴雨(50.0～100.0 mm)和大暴雨(100～250.0 mm)5個(gè)量級分別進(jìn)行檢驗(yàn),NAK為預(yù)報(bào)正確站(次)數(shù);NBK為空報(bào)站(次)數(shù);NCK為漏報(bào)站(次)數(shù)。TS檢驗(yàn)評定表如表3。

表3 TS檢驗(yàn)評定表

技巧評分：

SSPC=PC-PC′
SSTS=TS-TS′

(4)

式中,PC和PC′為訂正后和EC模式的晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率；TS和TS′為訂正后和EC模式的TS評分。

2 結(jié)果分析

2.1 典型個(gè)例分析

2.1.1 一次超強(qiáng)臺風(fēng)登陸強(qiáng)降水過程

1909號臺風(fēng)“利奇馬”于2019年8月4日14時(shí)生成,8日夜間進(jìn)入東海海域,并于8月10日1時(shí)45分以超強(qiáng)臺風(fēng)級在臺州溫嶺城南沿海登陸。受“利奇馬”影響,8月8—10日臺州全市普遍出現(xiàn)大暴雨到特大暴雨,局地出現(xiàn)極端降水。臨海括蒼山過程雨量達(dá)834.3 mm。

通過對比臺風(fēng)利奇馬影響期間臺州逐12 h實(shí)況雨量以及訂正前后的預(yù)報(bào)雨量,發(fā)現(xiàn)頻率匹配法訂正會將中雨以上預(yù)報(bào)雨量的量級調(diào)大,同時(shí)將大量級的降水范圍擴(kuò)大;從與實(shí)況雨量對比來看,在8日夜間和9日白天預(yù)報(bào)雨量調(diào)大，使得沿海和中部山地的部分地區(qū)雨量量級與實(shí)況更為接近,表現(xiàn)出一定的預(yù)報(bào)指導(dǎo)效果,但對暴雨和大暴雨量級的落區(qū)往往調(diào)整過大,導(dǎo)致一定程度的空報(bào)。該方法依賴模式的預(yù)報(bào)表現(xiàn),對局部極端降水仍不能較好地訂正(9日夜間)。

2.1.2 一次海上轉(zhuǎn)向臺風(fēng)影響的弱降水過程

1913號臺風(fēng)“玲玲”于2019年9月2日08時(shí)生成,5日下午進(jìn)入東海南部海域,6日11時(shí)左右距臺州市最近,隨后繼續(xù)北行逐漸遠(yuǎn)離臺州市,對臺州市影響趨于結(jié)束,過程雨量小,降雨時(shí)段主要在6日白天。

對比6日白天段12 h的實(shí)況和預(yù)報(bào)降水量,ECMWF模式預(yù)報(bào)和頻率匹配法訂正都將雨量量級預(yù)報(bào)確定在小雨及以下,與實(shí)況基本相符,但在降水落區(qū)方面經(jīng)頻率匹配法訂正的降水落區(qū)與實(shí)況的基本相近,很大程度上減少了模式的空報(bào)區(qū)域,說明頻率匹配法對于有雨、無雨定性預(yù)報(bào)的訂正效果較好。

2.1.3 一次冷空氣影響的降水過程

對2019年10月26—28日的一次典型秋季冷空氣降水過程,選取雨量較集中的27日白天段和夜間段的實(shí)況與12 h預(yù)報(bào)降水量進(jìn)行對比分析。

對比發(fā)現(xiàn),在白天段ECMWF模式預(yù)報(bào)和頻率匹配法訂正預(yù)報(bào)結(jié)果一致,都報(bào)出了全市范圍的降水,但雨量與實(shí)況相比都略偏小，且未報(bào)出西部局部地區(qū)的中雨量級(10～25 mm)的降水;在夜間段,兩者預(yù)報(bào)降雨范圍與實(shí)況一致,但在雨量量級上,頻率匹配法訂正后報(bào)出了西部地區(qū)的中雨量級的降水,同時(shí)其他地區(qū)的預(yù)報(bào)雨量也略調(diào)大,與實(shí)況更為接近,說明頻率匹配法能夠?qū)㈩A(yù)報(bào)降雨量訂正到更為接近實(shí)況,對雨量量級的預(yù)報(bào)有參考價(jià)值。

2.2 晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率PC檢驗(yàn)

由2019年5月1日至10月31日臺州市ECMWF降水預(yù)報(bào)訂正前后的晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可以發(fā)現(xiàn),無論白天還是夜間的12 h降雨量預(yù)報(bào),經(jīng)過頻率匹配法的訂正后各站點(diǎn)的晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率都有較顯著的提高,說明頻率匹配法使模式預(yù)報(bào)的晴雨定性降水預(yù)報(bào)質(zhì)量有了明顯、穩(wěn)定的提高,這一結(jié)果與有關(guān)研究者[5-6]在我國具有其他地形特征地區(qū)的應(yīng)用研究相一致。另外,我們發(fā)現(xiàn)隨著ECMWF模式的晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高,頻率匹配法訂正的技巧評分呈降低的趨勢,說明模式晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率越低,訂正效果越顯著(圖1)。從訂正的技巧評分來看,白天段的技巧評分呈現(xiàn)自西北向東南逐漸增大的趨勢,而夜間段技巧評分分布相對平均;從整體上看，在沿海地區(qū)都有較好的訂正效果。

圖1 各地區(qū)訂正前后平均晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率及技巧評分(a.白天段、b.夜間段)

2.3 TS評分檢驗(yàn)

頻率匹配法訂正技巧評分(TS評分)的結(jié)果表明：頻率匹配法在小雨量級下的技巧評分基本都為正訂正,且在臺州沿海地區(qū)的訂正效果更為顯著;在大暴雨量級下,在臺州沿海的大部分地區(qū),都表現(xiàn)出較顯著的正訂正效果。這說明經(jīng)頻率匹配法訂正后的小雨和大暴雨量級的評分都有較顯著的改善,其中對小雨量級降水預(yù)報(bào)的改善較為明顯且穩(wěn)定,對其他量級的降水預(yù)報(bào)在個(gè)別站點(diǎn)上出現(xiàn)了不同程度的負(fù)訂正效果。這與徐姝等[9]對基于EC模式的頻率匹配法訂正效果的研究結(jié)果相一致。

改善主要表現(xiàn)在小雨和大暴雨量級的原因，一般認(rèn)為是由于兩端降水的偏差都較大：小雨量級的降水段有大片的虛報(bào)面積,而大雨量級的降水段本身雖然面積小，但雨量偏差較大,訂正方法對兩端的調(diào)整效果要明顯一些。另外,小雨的TS評分的提高,也可以從側(cè)面說明頻率匹配法訂正提高了有雨、無雨定性預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

而其他量級的TS評分技巧評分不顯著或負(fù)訂正,一個(gè)可能的原因是由于模式對降水落區(qū)的預(yù)報(bào)與實(shí)況存在較大偏差。頻率匹配法的基本原理是通過調(diào)節(jié)降水量，使某一降水量級在預(yù)報(bào)中出現(xiàn)的頻率與實(shí)況的頻率一致,對頻率的統(tǒng)計(jì)是在一個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,不區(qū)分具體的站點(diǎn)位置,故不能訂正雨區(qū)位置、形狀[6]。雖然頻率匹配法的訂正使雨區(qū)量級預(yù)報(bào)得到改善,但無法訂正模式預(yù)報(bào)的降水落區(qū),對雨區(qū)位置預(yù)報(bào)的偏差導(dǎo)致對站點(diǎn)上的降水預(yù)報(bào)誤差不減甚至反增。所以,在降水落區(qū)基本報(bào)錯(cuò)的情況下,訂正的降水預(yù)報(bào)TS可能會變得更差。

3 結(jié) 語

本文采用頻率匹配法在臺州地區(qū)對ECMWF細(xì)網(wǎng)格降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行了訂正和有效性檢驗(yàn),結(jié)果表明：

(1)頻率匹配法對有雨、無雨的定性降水預(yù)報(bào)(晴雨預(yù)報(bào))質(zhì)量改善效果明顯,能夠消除大片虛報(bào)的降水落區(qū),一般模式晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率越低,訂正效果越顯著。晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的訂正效果在白天段呈自西北向東南逐漸增大的趨勢,在夜間段則分布相對平均；從整體上看，在沿海地區(qū)都有較好的訂正效果。

(2)在白天段和夜間段,訂正后的TS評分在小雨量級和大暴雨量級上都有較好的改善,在臺州沿海的大部分地區(qū)這種改善效果更佳。

(3)頻率匹配法在對中雨以上量級的降水量和落區(qū)預(yù)報(bào)上往往有向大調(diào)整的趨勢,這對部分地區(qū)的降雨量級的預(yù)報(bào)調(diào)整具有積極作用,但對降水量的調(diào)整幅度和降水落區(qū)仍需預(yù)報(bào)員結(jié)合地區(qū)特點(diǎn)和模式調(diào)整進(jìn)一步判斷。

(4)該研究使用了多項(xiàng)式差值方法的分段訂正函數(shù)。當(dāng)將降水預(yù)報(bào)頻率調(diào)整到與實(shí)況一致時(shí),具有偏差越大調(diào)整幅度越大、訂正效果越明顯的特點(diǎn)。未來可通過嘗試分析和對比Gamma函數(shù)等擬合方法，結(jié)合臺州地區(qū)的特點(diǎn),引入根據(jù)地理?xiàng)l件分區(qū)、權(quán)重系數(shù)和訓(xùn)練期調(diào)整等[8,10,11],研究其對當(dāng)?shù)亟邓A(yù)報(bào)的客觀訂正效果,形成更有效的本地化降水訂正方法。