“21·7”河南極端暴雨多模式預(yù)報(bào)性能綜合評估

栗晗,王新敏*,朱楓

① 中國氣象局 河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003; ② 河南省氣象臺,河南 鄭州 450003; ③ 新鄉(xiāng)市氣象臺,河南 新鄉(xiāng) 453000

2021年7月17—22日,河南省出現(xiàn)歷史罕見的極端暴雨(簡稱“21·7”極端暴雨),河南省中北部大部地區(qū)累積降雨量超過500 mm,最高達(dá)1 122.6 mm(鶴壁市科創(chuàng)中心站),過程短時(shí)雨量強(qiáng)度出現(xiàn)明顯極端性特征,7個(gè)國家級氣象站1 h降雨量突破建站以來小時(shí)降雨量歷史極值,其中鄭州站最大小時(shí)降雨量達(dá)201.9 mm,突破內(nèi)陸地區(qū)小時(shí)降雨量歷史極值。此次過程導(dǎo)致鄭州、鶴壁、新鄉(xiāng)、安陽等城市發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇,多條河流發(fā)生超警洪水,造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

近年來,我國高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)快速發(fā)展,國家級以及各區(qū)域氣象中心也相繼建立了水平分辨率達(dá)9 km甚至3 km的高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng),在預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用的同時(shí)也相繼開展了相關(guān)的檢驗(yàn)評估工作(祁莉等,2017;佟華和張玉濤,2019;張小雯等,2020;王婧卓等,2021)。在“21·7”極端暴雨過程中不同尺度模式的降水預(yù)報(bào)表現(xiàn)出較大差異,由于較小的落區(qū)位置偏差可能導(dǎo)致過大的空報(bào)和漏報(bào),從而導(dǎo)致評分偏低難以有效評估模式的預(yù)報(bào)性能。針對此類問題,近年來也已經(jīng)發(fā)展出多種降水空間檢驗(yàn)技術(shù),如鄰域法、尺度分離法、場變換法以及基于降水對象的評估方法等(Davis et al.,2009;Ebert and Gallus,2009;Gilleland et al.,2009;Wernli et al.,2009;Mittermaier and Roberts,2010)。鄰域法是傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)檢驗(yàn)方法在空間鄰域上地拓展,目前應(yīng)用較為廣泛的是分?jǐn)?shù)技巧評分(Fractional Skill Score,FSS;Roberts and Lean,2008)。趙濱和張博(2018)對比了TS評分和FSS在不同降水閾值條件下的評估效果指出,兩者在小量級降水評估時(shí)表現(xiàn)相似,但對于較高量級或者降水預(yù)報(bào)較弱時(shí)段FSS評分能夠更好地區(qū)分降水預(yù)報(bào)特征。張小雯等(2020)將FSS方法應(yīng)用到高分辨率模式對流風(fēng)暴預(yù)報(bào)能力評估中,結(jié)果表明鄰域檢驗(yàn)?zāi)軌蛟谀Ｊ綄α黠L(fēng)暴預(yù)報(bào)存在位移和強(qiáng)度偏差時(shí)仍然給出有價(jià)值的評分結(jié)果。李子良等(2021)將FSS方法拓展應(yīng)用至集合預(yù)報(bào)領(lǐng)域,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建適用于集合預(yù)報(bào)的降水空間檢驗(yàn)指標(biāo)EFSS。基于降水對象的評估方法則利用各種空間診斷技術(shù)對預(yù)報(bào)與觀測的位置、面積、方位、形態(tài)等特征進(jìn)行全面評估。符嬌蘭等(2014)、符嬌蘭和代刊(2016)基于連續(xù)降雨區(qū)(Continues Rain Area,CRA)方法評估了EC模式對于我國西南地區(qū)降水的預(yù)報(bào)能力,指出了EC對于大雨量級以上降水預(yù)報(bào)范圍偏大且雨帶偏西的特征。王新敏和栗晗(2020)基于CRA方法評估了多個(gè)業(yè)務(wù)模式在2018年三次登陸臺風(fēng)暴雨過程中的降水預(yù)報(bào)空間偏差特征,指出該方法能夠從位移、強(qiáng)度、形態(tài)等角度區(qū)分模式的誤差特征。Chen et al.(2018)應(yīng)用CRA方法評估了ACCESS臺風(fēng)模式對于2012—2013年間15次臺風(fēng)過程的降水預(yù)報(bào)能力,結(jié)果表明該模式更傾向于在臺風(fēng)中心(臺風(fēng)眼)附近預(yù)報(bào)出更多的極端強(qiáng)降水。與CRA同為面向?qū)ο蟮目臻g檢驗(yàn)方法,不同的是,MODE檢驗(yàn)利用對降水場的空間卷積實(shí)現(xiàn)降水個(gè)體的識別和分類。潘留杰等(2016,2017)評估了不同種類空間檢驗(yàn)方法的適用性指出MODE方法除了給出傳統(tǒng)技巧評分在不同尺度上的變化特征以外,還能夠表現(xiàn)降水對象的多種空間偏差屬性,能夠?yàn)橛脩籼峁┒嘁暯堑脑u估信息。

由于數(shù)值模式對于極端強(qiáng)降水的落區(qū)、強(qiáng)度預(yù)報(bào)不確定性遠(yuǎn)大于一般性降水,單一檢驗(yàn)方法往往不能夠全面評估模式預(yù)報(bào)偏差特征。因此,針對“21·7”極端降水過程,本文綜合應(yīng)用CRA、鄰域TS評分、FSS等多種空間檢驗(yàn)方法,對不同尺度的業(yè)務(wù)數(shù)值模式預(yù)報(bào)性能進(jìn)行多角度地檢驗(yàn),并評估模式對于24、3 h極端強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)性能及有效預(yù)報(bào)尺度,以期揭示模式降水預(yù)報(bào)的偏差特征,評價(jià)其不確定性,從而提高數(shù)值模式的應(yīng)用水平。同時(shí),也對比分析不同檢驗(yàn)方法對于模式偏差信息的提取能力,對其適用場景進(jìn)行評估,從而為智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)技術(shù)中多尺度模式產(chǎn)品的釋用提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

本文針對“21·7”河南極端暴雨逐24 h和逐3 h累積降水對模式預(yù)報(bào)性能進(jìn)行檢驗(yàn)評估,選取2021年7月19日08時(shí)—22日08時(shí)(北京時(shí)，下同)主要降水時(shí)段作為研究對象。評估對象主要包括2個(gè)全球模式(EC、GRAPES_GFS)和4個(gè)中尺度模式(WARMS、GRAPES_MESO、GRAPES_3 km、RMAPS)共6個(gè)業(yè)務(wù)模式(模式詳細(xì)信息見表1)。其中GRAPES_3 km和RMAPS每日有多個(gè)起報(bào)時(shí)次產(chǎn)品,為方便各模式之間進(jìn)行對比,本文僅檢驗(yàn)各模式每日08時(shí)、20時(shí)兩個(gè)起報(bào)時(shí)次的降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品。同時(shí)考慮產(chǎn)品在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中的滯后時(shí)間,模式產(chǎn)品第一天的預(yù)報(bào)時(shí)效為12～36 h(對應(yīng)實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)0～24 h),其他以此類推。

表1 模式基本信息Table 1 Basic information of models

為了更好地評估模式預(yù)報(bào)降水的空間偏差特征,選取國家氣象信息中心地面、衛(wèi)星、雷達(dá)三源降水融合產(chǎn)品(CMPA_Hourly V2.1)作為模式檢驗(yàn)的實(shí)況觀測資料,時(shí)間分辨率為1 h,空間分辨率為0.05°。模式預(yù)報(bào)降水偏差診斷分析對比實(shí)況數(shù)據(jù)為ECMWF(European Centre for Medium-range Weather Forecast)全球氣候再分析資料第五代產(chǎn)品(ERA5),時(shí)間分辨率為1 h,空間分辨率為0.25°。

1.2 檢驗(yàn)方法

1.2.1 傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)檢驗(yàn)

傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)的檢驗(yàn)方法(如TS評分)能夠方便有效地對不同模式預(yù)報(bào)降水的性能差異進(jìn)行評估,但由于雨帶位置和強(qiáng)度的微小偏差有可能帶來空報(bào)率或漏報(bào)率地增加則會使評分大大降低。TS評分綜合考慮模式預(yù)報(bào)命中()、空報(bào)()、漏報(bào)()情況,計(jì)算公式如下:

(1)

1.2.2 鄰域空間檢驗(yàn)

鄰域空間檢驗(yàn)主要是基于升尺度的方法將高分辨率模式信息調(diào)整到更大尺度上與實(shí)況觀測信息進(jìn)行對比,包括“面對面”的FSS以及“點(diǎn)對面”的鄰域TS方法等。FSS檢驗(yàn)方法是通過比較不同尺度的窗口區(qū)內(nèi)不同閾值降水發(fā)生的概率來評估模式預(yù)報(bào)與實(shí)況的差異,如果在一定尺度的窗口區(qū)內(nèi)模式預(yù)報(bào)降水發(fā)生概率與實(shí)況接近則為有效預(yù)報(bào),其衡量的是預(yù)報(bào)與實(shí)況在鄰域窗內(nèi)發(fā)生頻率的相似度,如果FSS趨于0則表示無技巧,趨于1則表示在鄰域尺度內(nèi)預(yù)報(bào)與實(shí)況降水發(fā)生頻率相同,具體計(jì)算方法見(Mittermaier and Roberts,2010;潘留杰等,2017;趙濱和張博,2018;王新敏和栗晗,2020)。

而鄰域TS評分則是在TS評分的基礎(chǔ)上,將檢驗(yàn)對象從實(shí)況點(diǎn)變?yōu)橐云錇橹行南蛲馔卣沟泥徲蜻M(jìn)行點(diǎn)對面的評分,當(dāng)鄰域內(nèi)格點(diǎn)預(yù)報(bào)有相應(yīng)閾值降水且對應(yīng)實(shí)況點(diǎn)也出現(xiàn)時(shí),記為命中(),若實(shí)況點(diǎn)無對應(yīng)閾值降水則記為空報(bào)(),當(dāng)鄰域內(nèi)格點(diǎn)預(yù)報(bào)無相應(yīng)閾值降水而對應(yīng)實(shí)況點(diǎn)達(dá)到閾值時(shí),記為漏報(bào)(),依據(jù)式(1)計(jì)算鄰域TS評分。

1.2.3 基于目標(biāo)的CRA空間檢驗(yàn)及實(shí)況降水預(yù)處理

CRA檢驗(yàn)方法首先將預(yù)報(bào)與實(shí)況降水場進(jìn)行疊加(重疊格點(diǎn)取降水與實(shí)況的最大值),在固定閾值下對疊加降水場的連續(xù)降雨區(qū)進(jìn)行分離,并從中識別出符合降水面積閾值的降水目標(biāo)個(gè)體,同一連續(xù)雨區(qū)中所識別的預(yù)報(bào)與降水目標(biāo)個(gè)體則互相匹配,并在此基礎(chǔ)上計(jì)算個(gè)體間的各類評價(jià)指標(biāo)(Ebert and Mcbride,2000;Ebert and Gallus,2009;符嬌蘭和代刊,2016;Sharma et al.,2018;王新敏和栗晗,2020)。

在實(shí)際檢驗(yàn)分析過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn),如果對實(shí)況降水格點(diǎn)場直接進(jìn)行降水目標(biāo)識別匹配,得到的評價(jià)結(jié)果往往涵蓋了整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的所有降水事件。為了使評價(jià)結(jié)果更有針對性,同時(shí)不同模式間的對比也更加公平,本文采用CRA檢驗(yàn)方法中的降水目標(biāo)識別技術(shù)對24和3 h實(shí)況累積降水場進(jìn)行預(yù)處理,將實(shí)況降水場中不同閾值下的降水目標(biāo)個(gè)體進(jìn)行識別分離(24 h累積降水目標(biāo)范圍大于1°×1°,3 h累積降水目標(biāo)范圍大于0.5°×0.5°),形成包含單個(gè)降水目標(biāo)個(gè)體的降水場,以此為實(shí)況降水檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)再對各模式不同閾值的預(yù)報(bào)降水進(jìn)行評估分析。

由于本文的主要研究對象為不同閾值下實(shí)況降水場中的連續(xù)雨區(qū),而較高量級降水閾值(如24 h累積降水達(dá)100 mm以上)對應(yīng)的連續(xù)雨區(qū)較難識別,因此,本文中24 h累積降水的鄰域TS和FSS評分對于50 mm及以上量級的評估均基于25 mm閾值所識別的實(shí)況連續(xù)降雨區(qū),同理,3 h累積降水對于20 mm及以上量級的評估則均基于10 mm閾值所識別的實(shí)況連續(xù)降雨區(qū)。

2 實(shí)況降水及識別連續(xù)降雨區(qū)分布特征

從自動站實(shí)況降水觀測數(shù)據(jù)來看,17日08時(shí)—23日08時(shí),河南省全省平均降水量達(dá)224.1 mm,河南省中北部大部分地區(qū)累積降水量超過400 mm,過程最大累積降水量為鶴壁科創(chuàng)中心1 122.6 mm。從過程分階段降水實(shí)況來看,此次過程最強(qiáng)降水時(shí)段集中在19—21日(圖略),強(qiáng)降水中心在逐漸北移的過程中主要影響鄭州、鶴壁、新鄉(xiāng)和安陽等地區(qū),其中20日16—17時(shí),鄭州最大小時(shí)降雨量達(dá)201.9 mm。

基于格點(diǎn)實(shí)況降水對此次過程中超過對應(yīng)閾值的降水目標(biāo)進(jìn)行識別,從7月19日08時(shí)—22日08時(shí)逐24 h累積降水場中分別識別出超過25、50和100 mm各5個(gè)連續(xù)降雨區(qū),3 h累積降水場中則分別識別出55(超過10 mm)、41(超過20 mm)、13個(gè)(超過50 mm)連續(xù)降雨區(qū)(圖1)。從降水目標(biāo)中格點(diǎn)最大降水量的分布可以看出,24 h累積降水超過500 mm以及3 h累積降水超過50 mm降水目標(biāo)的分布區(qū)域與實(shí)況強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)域基本一致,其中24 h累積降水目標(biāo)中格點(diǎn)最大降水量為553.85 mm,3 h累積降水目標(biāo)最大降水量為211.26 mm。從識別出的降水目標(biāo)頻次空間分布也可以看出,更多的強(qiáng)降雨區(qū)(24 h累積超過100 mm和3 h超過50 mm)分布在豫中鄭州及豫北新鄉(xiāng)、鶴壁等地區(qū)附近。以上結(jié)果表明,基于格點(diǎn)實(shí)況降水客觀識別出的連續(xù)降雨區(qū)能夠較好地反映出此次過程的實(shí)況降水特征,為了使數(shù)值模式檢驗(yàn)評估更聚焦于強(qiáng)降水發(fā)生的時(shí)段和區(qū)域,下文將基于上述識別的降水目標(biāo)對各模式預(yù)報(bào)開展檢驗(yàn)對比。

圖1 2021年7月19日08時(shí)—22日08時(shí)識別的24 h(1)和3 h(2)累積降水量降水目標(biāo)大于等于對應(yīng)閾值的平均降水量(a—c)、最大降水量(d—f)和降水頻次(g—i)的空間分布：(a1、d1、g1)≥25 mm；(b1、e1、h1)≥50 mm；(c1、f1、i1)≥100 mm；(a2、d2、g2)≥10 mm；(b2、e2、h2)≥20 mm；(c2、f2、i2)≥50 mmFig.1 Spatial distributions of (a—c)average precipitation,(d—f)maximum precipitation and (g—i)precipitation frequency of (1) 24 h and (2) 3 h cumulative precipitation individuals greater than or equal to the corresponding threshold,identified from the forecast fields from 08:00 BST 19 to 08:00 BST 22 July 2021:(a1,d1,g1)≥25 mm；(b1,e1,h1)≥50 mm；(c1,f1,i1)≥100 mm；(a2,d2,g2)≥10 mm；(b2,e2,h2)≥20 mm；(c2,f2,i2)≥50 mm

3 24 h累積降水點(diǎn)對點(diǎn)檢驗(yàn)評估

首先針對格點(diǎn)實(shí)況降水場中所識別的降水目標(biāo)計(jì)算點(diǎn)對點(diǎn)的TS評分,對比不同模式對于此次過程逐24 h累積降水中暴雨、大暴雨的預(yù)報(bào)能力(表2、3)。17—18日除豫東部分地區(qū)外,河南省其他大部分地區(qū)都出現(xiàn)了零散的暴雨區(qū),其中豫北沿太行山附近強(qiáng)降水集中且出現(xiàn)連片的大暴雨落區(qū),RMAPS模式提前36 h對于此階段強(qiáng)降水預(yù)報(bào)優(yōu)于其他模式(18日大暴雨預(yù)報(bào)TS評分為0.064)。19日強(qiáng)降水自豫中地區(qū)開始發(fā)展加強(qiáng),RMAPS模式依然維持了較好的預(yù)報(bào)水平,其對于19日08時(shí)—20日08時(shí)大暴雨預(yù)報(bào)TS評分達(dá)0.235優(yōu)于其他模式。20日大暴雨落區(qū)繼續(xù)向北擴(kuò)展,強(qiáng)降水中心集中在鄭州附近,在此階段GRAPES_3 km對于大暴雨以上量級降水的預(yù)報(bào)表現(xiàn)出優(yōu)勢,對于暴雨以上量級降水預(yù)報(bào)則GRAPES_MESO評分最高。21日,強(qiáng)降水中心移至豫北,EC對于強(qiáng)降水落區(qū)的預(yù)報(bào)能力較前期有明顯提升,對于21日08時(shí)—22日08時(shí)暴雨、大暴雨的預(yù)報(bào)TS評分分別為0.482、0.362均優(yōu)于其他模式。22日為此次過程的降水減弱階段,在豫北和豫西部分地區(qū)出現(xiàn)了局地對流性降水導(dǎo)致的零散暴雨落區(qū),從TS評分來看各模式對此階段強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)能力均較差。

表2 2021年7月17日08時(shí)—23日08時(shí)各模式逐12 h起報(bào)36 h預(yù)報(bào)TS評分(≥50 mm)Table 2 The 36 h forecast TS scores for each model initiated every 12 h from 08:00 BST 17 to 08:00 BST 23 July 2021 (≥50 mm)

表3 2021年7月17日08時(shí)—23日08時(shí)各模式逐12 h起報(bào)36 h預(yù)報(bào)TS評分(≥100 mm)Table 3 The 36 h forecast TS scores for each model initiated every 12 h from 08:00 BST 17 to 08:00 BST 23 July 2021 (≥100 mm)

綜上,從點(diǎn)對點(diǎn)的TS評分評估結(jié)果來看,對于此次過程的開始階段(17—18日)及首日強(qiáng)降水集中時(shí)段(19日),RMAPS模式對于暴雨及大暴雨預(yù)報(bào)優(yōu)于其他模式。對于20日以鄭州地區(qū)為中心的強(qiáng)降水,GRAPES系列中尺度模式表現(xiàn)出優(yōu)勢,尤其GRAPES_3 km對于大暴雨預(yù)報(bào)明顯優(yōu)于其他模式。21日隨著強(qiáng)降水中心繼續(xù)北抬,EC模式預(yù)報(bào)強(qiáng)降水落區(qū)較前期有所調(diào)整,其對21日豫北暴雨、大暴雨預(yù)報(bào)把握較好。22日,隨著過程降水逐漸減弱,暴雨落區(qū)明顯減小,各模式對于零散的局地對流性暴雨預(yù)報(bào)能力均較差。

4 模式預(yù)報(bào)降水空間偏差特征

從上述分析來看,基于傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)TS評分能夠一定程度上區(qū)分不同模式的預(yù)報(bào)性能,但無法給出模式預(yù)報(bào)降水的偏差來源。因此,本節(jié)基于CRA方法從降水個(gè)體格點(diǎn)數(shù)、平均和最大降水量等角度對17日08時(shí)—23日08時(shí)模式降水預(yù)報(bào)進(jìn)行評估,以期更好地分析各模式的主要偏差特征。

4.1 24 h累積降水空間偏差特征

從不同閾值下識別的降水個(gè)體格點(diǎn)數(shù)對比可以看出,對于大雨以上量級,WARMS和RMAPS兩個(gè)模式預(yù)報(bào)降水個(gè)體較實(shí)況范圍偏大,其中RMAPS預(yù)報(bào)降水格點(diǎn)數(shù)分布更加集中,偏大的特征更加明顯(圖2a)。隨著量級的增大,各模式預(yù)報(bào)降水范圍大小與實(shí)況的差異也更加顯著,對于100 mm以上量級,GRAPES_GFS幾乎沒有預(yù)報(bào)能力,其預(yù)報(bào)降水個(gè)體格點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)小于實(shí)況,EC和MESO兩個(gè)模式也呈現(xiàn)出較實(shí)況偏小的特征。對比各模式預(yù)報(bào)格點(diǎn)數(shù)平均值,WARMS、GRAPES_3 km和RMAPS與實(shí)況均較為接近,但從預(yù)報(bào)降水個(gè)體格點(diǎn)數(shù)的離散度可以看出,RMAPS預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)于其他模式。

圖2 2021年7月17日08時(shí)—23日08時(shí)CRA從各模式逐12 h起報(bào)36 h預(yù)報(bào)24 h累積降水場中識別出的大于等于對應(yīng)閾值的降水個(gè)體格點(diǎn)數(shù)(a、d、g)、平均降水量(b、e、h)和最大降水量(c、f、i)的統(tǒng)計(jì)特征：(a—c)≥25 mm；(d—f)≥50 mm；(g—i)≥100 mmFig.2 Statistical characteristics of (a,d,g)grid points,(b,e,h)average rainfall and (c,f,i)maximum rainfall of 24 h cumulative precipitation individuals greater than or equal to the corresponding threshold,identified by CRA from 36 h forecast fields of each model initiated every 12 h from 08:00 BST 17 to 08:00 BST 23 July 2021:(a—c)≥25 mm；(d—f)≥50 mm；(g—i)≥100 mm

從平均降水量(圖2b、e、h)和最大降水量(圖2c、f、i)的統(tǒng)計(jì)特征來看,對于25和50 mm閾值,WARMS、GRAPES_3 km、RMAPS預(yù)報(bào)結(jié)果較其他模式更接近實(shí)況,EC與MESO對于降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)能力相當(dāng),均略小于實(shí)況,GRAPES_GFS則較實(shí)況明顯偏弱。對于100 mm量級,無論是平均降水量還是最大降水量,RMAPS預(yù)報(bào)均較實(shí)況明顯偏強(qiáng),即在預(yù)報(bào)降水落區(qū)范圍大小與實(shí)況相當(dāng)?shù)那闆r下,RMAPS對于強(qiáng)降水的強(qiáng)度預(yù)報(bào)出現(xiàn)較大的偏差。

分析19—21日強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段各模式預(yù)報(bào)降水個(gè)體的空間位置偏差可以看出,部分模式此次過程部分時(shí)次的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)出現(xiàn)了明顯偏西的特征(圖3)。如EC在18日20時(shí)起報(bào)產(chǎn)品預(yù)報(bào)19日降水較實(shí)況降水個(gè)體位置偏西接近1.5°,且對于100 mm降水個(gè)體預(yù)報(bào)偏西程度更大(接近2°)。類似偏差特征也表現(xiàn)在RMAPS模式的預(yù)報(bào)結(jié)果中,其18日20時(shí)和19日08時(shí)起報(bào)的36 h效產(chǎn)品對于100 mm降水預(yù)報(bào)結(jié)果分別較實(shí)況偏西1.1°和1°。對于20日08時(shí)—21日08時(shí)強(qiáng)降水時(shí)段,RMAPS預(yù)報(bào)偏西的特征仍然較明顯,其對于25、50、100 mm降水個(gè)體位置預(yù)報(bào)偏西均接近1.3°,而EC預(yù)報(bào)較前期有所調(diào)整,其對于25、50 mm降水個(gè)體位置預(yù)報(bào)偏差較小,但其對于100 mm降水個(gè)體預(yù)報(bào)仍明顯偏西(達(dá)1.5°)。對于21日豫北強(qiáng)降水階段,從緯向位置偏差來看,RMAPS仍然維持了較明顯的偏西特征,尤其20日20時(shí)起報(bào)產(chǎn)品預(yù)報(bào)不同閾值降水個(gè)體均偏西接近1°。從19—21日強(qiáng)降水過程整體降水位置預(yù)報(bào)偏差來看,WARMS預(yù)報(bào)性能優(yōu)于其他模式(100 mm降水個(gè)體平均緯向偏差0.1°、平均經(jīng)向偏差0.6°),其次為GRAPES_3 km(100 mm降水個(gè)體平均緯向偏差0.42°、平均經(jīng)向偏差0.64°)。

圖3 2021年7月19日08時(shí)—22日08時(shí)CRA從各模式逐12 h起報(bào)36 h預(yù)報(bào)24 h累積降水場中識別出的大于等于對應(yīng)閾值的降水個(gè)體相對于實(shí)況的經(jīng)向和緯向位移偏差(序號代表數(shù)值模式、填色代表起報(bào)時(shí)次)：(a)≥25 mm；(b)≥50 mm；(c)≥100 mmFig.3 Meridional and zonal displacement deviations (relative to the observations) of 24 h cumulative precipitation individuals greater than or equal to the corresponding threshold,identified by CRA from 36 h forecast fields of each model initiated every 12 h from 08:00 BST 19 to 08:00 BST 22 July 2021 (Serial number represents the numerical model,and color filling represents the initial time):(a)≥25 mm；(b)≥50 mm；(c)≥100 mm

4.2 3 h累積降水空間偏差特征

由于3 h累積降水個(gè)體雨區(qū)范圍較小,尤其在17—18日及23日降水較弱階段,識別個(gè)體數(shù)量較少,因此本節(jié)主要分析各模式對于19—21日連續(xù)三天強(qiáng)降水階段大于20 mm的3 h累積降水預(yù)報(bào)空間偏差特征(圖4)。從19日的空間偏差特征統(tǒng)計(jì)分布情況來看,各模式對于該日強(qiáng)降水范圍預(yù)報(bào)明顯較實(shí)況偏小,實(shí)況降水個(gè)體范圍平均大小接近200個(gè)格點(diǎn),4個(gè)中尺度模式預(yù)報(bào)降水個(gè)體平均范圍低于100個(gè)格點(diǎn),EC、GRAPES_GFS偏小程度更加明顯。從各模式平均降水量預(yù)報(bào)對比來看,WARMS和RMAPS與實(shí)況更為接近,EC、MESO和GRAPES_3 km預(yù)報(bào)平均降水強(qiáng)度較實(shí)況偏弱,GRAPES_GFS則偏弱最為明顯。最大降水量則僅RMAPS模式預(yù)報(bào)平均強(qiáng)度與實(shí)況較為接近,但其預(yù)報(bào)離散度也較實(shí)況明顯偏大,其他模式則均較實(shí)況偏弱。

圖4 2021年7月19日08時(shí)—22日08時(shí)CRA從各模式逐12 h起報(bào)36 h預(yù)報(bào)3 h累積降水場中識別出的大于等于20 mm的降水個(gè)體格點(diǎn)數(shù)(a、d、g)、平均降水量(b、e、h)和最大降水量(c、f、i)的統(tǒng)計(jì)特征：(a—c)19日08時(shí)—20日08時(shí)；(d—f)20日08時(shí)—21日08時(shí)；(g—i)21日08時(shí)—22日08時(shí)Fig.4 Statistical characteristics of (a,d,g)grid points,(b,e,h)average rainfall and (c,f,i)maximum rainfall of 3 h cumulative precipitation individuals greater than or equal to 20 mm,identified by CRA from 36 h forecast fields of each model initiated every 12 h from 08:00 BST 19 to 08:00 BST 22 July 2021:(a—c)08:00 BST 19 to 08:00 BST 20；(d—f)08:00 BST 20 to 08:00 BST 21；(g—i)08:00 BST 21 to 08:00 BST 22

20日強(qiáng)降水落區(qū)繼續(xù)北移,除GRAPES_GFS以外其他各模式對于3 h累積降水個(gè)體格點(diǎn)數(shù)的預(yù)報(bào)與實(shí)況較為接近,但全球模式對于平均降水量以及最大降水量的預(yù)報(bào)仍然明顯小于實(shí)況,4個(gè)中尺度模式中RMAPS預(yù)報(bào)降水強(qiáng)度最大,其預(yù)報(bào)降水個(gè)體最大降水量平均值接近200 mm。21日,隨著強(qiáng)降水落區(qū)移至豫北安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)等地區(qū),3 h累積降水個(gè)體范圍較前期有所減小,EC、WARMS、GRAPES_3 km等模式預(yù)報(bào)降水個(gè)體范圍均較實(shí)況略微偏大。從平均降水量和最大降水量的預(yù)報(bào)來看,EC和GRAPES_3 km預(yù)報(bào)降水個(gè)體的統(tǒng)計(jì)分布情況與實(shí)況更為接近,RMAPS則仍然維持降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏大的特征。

19日,EC、GRAPES_GFS、MESO識別降水個(gè)體較少不做討論,其他模式中RMAPS偏西明顯,識別出的降水個(gè)體中有86.7%出現(xiàn)了偏西的緯向位置偏差,平均緯向偏差達(dá)0.74°,WARMS也有70.6%的降水個(gè)體出現(xiàn)偏西的特征,但平均緯向偏差為0.35°(圖5)。對比經(jīng)向位置偏差來看,WARMS在經(jīng)向方向上位置偏差離散度最大,標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)0.59°,GRAPES_3 km則南北偏差離散度較低。20日,EC、GRAPES_GFS、RMAPS分別有73.7%、83.3%和91.3%的降水個(gè)體出現(xiàn)位置較實(shí)況偏西的特征,平均緯向偏差分別為0.69°、0.43°和0.85°,也均超過了平均經(jīng)向偏差。WARMS、MESO和GRAPES_3 km的位置偏差則更多表現(xiàn)在經(jīng)向方向,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.97°、0.9°、0.8°,均大于緯向方向的位置偏差離散度。盡管EC對于21日豫北強(qiáng)降水階段的3 h降水預(yù)報(bào)仍有82.1%降水個(gè)體位置較實(shí)況偏西,但平均緯向偏差減小至0.35°。同理,盡管GRAPES_GFS僅識別出4個(gè)超過20 mm的降水個(gè)體且均較實(shí)況偏西,但平均偏西僅0.28°。中尺度模式中RMAPS預(yù)報(bào)偏西特征仍較為明顯(72.7%),同時(shí)也出現(xiàn)63.6%的降水個(gè)體預(yù)報(bào)較實(shí)況偏南。

圖5 2021年7月19日08時(shí)—20日08時(shí)(a—f)、20日08時(shí)—21日08時(shí)(g—l)、21日08時(shí)—22日08時(shí)(m—r)CRA從各模式逐12 h起報(bào)36 h預(yù)報(bào)3 h累積降水場中識別出的大于等于20 mm的降水個(gè)體相對于實(shí)況的經(jīng)向和緯向位移偏差(百分比代表對應(yīng)方向位移偏差降水個(gè)體數(shù)所占比例，填色代表預(yù)報(bào)時(shí)效)：(a、g、m)EC；(b、h、n)GRAPES_GFS；(c、i、o)WARMS；(d、j、p)MESO；(e、k、q)GRAPES_3km；(f、l、r)RMAPSFig.5 Meridional and zonal displacement deviations (relative to the observations) of 3 h cumulative precipitation individuals greater than or equal to 20 mm,identified by CRA from 36 h forecast fields of each model initiated every 12 h from (a—f)08:00 BST 19 to 08:00 BST 20,(g—l)08:00 BST 20 to 08:00 BST 21,and (m—r)08:00 BST 21 to 08:00 BST 22 July 2021 (Percentage represents the proportion of precipitation individuals in the displacement deviation of corresponding direction,and the coloring represents the forecast hours):(a,g,m)EC；(b,h,n)GRAPES_GFS；(c,i,o)WARMS；(d,j,p)MESO；(e,k,q)GRAPES_3km；(f,l,r)RMAPS

對比各模式12～24 h和24～ 36 h前后各12 h預(yù)報(bào)降水個(gè)體的平均經(jīng)向、緯向位置偏差變化情況(表4),WARMS和GRAPES_3 km在更臨近時(shí)效(12～24 h)預(yù)報(bào)降水個(gè)體的經(jīng)向偏差明顯減小,表現(xiàn)為19—21日平均經(jīng)向偏差由0.9°(0.86°)減小至0.41°(0.37°),EC與RMAPS的經(jīng)向偏差也隨時(shí)效臨近有所減小,但MESO模式則相反,其平均經(jīng)向偏差由0.55°進(jìn)一步增大至0.62°。各模式在緯向的偏差隨時(shí)效變化較小,其中GRAPES_3 km隨時(shí)效臨近平均緯向偏差由0.44°減小至0.31°,EC則由0.29°增大至0.42°。

表4 2021年7月19日08時(shí)—22日08時(shí)各模式12～24 h和24～36 h預(yù)報(bào)3 h降水個(gè)體的平均緯向、經(jīng)向偏差Table 4 Average zonal and meridional deviations of 3 h precipitation individuals from 12—24 h and 24—36 h forecast fields of each model from 08:00 BST 19 to 08:00 BST 22 July 2021 (°)

5 強(qiáng)降水空間鄰域檢驗(yàn)評估

從點(diǎn)對點(diǎn)的TS評分和基于CRA的空間檢驗(yàn)偏差分析可以看出,對于“21·7”降水過程不同階段降水的預(yù)報(bào),各模式存在較大差異:如EC對于19—20日強(qiáng)降水預(yù)報(bào)明顯偏西但對21日降水預(yù)報(bào)位置偏差較小,從而獲得了較高的TS評分;RMAPS預(yù)報(bào)降水強(qiáng)度較實(shí)況普遍偏大,且其對于19—21日連續(xù)3 d降水預(yù)報(bào)均較實(shí)況偏西,但對于強(qiáng)降水開始階段(19日)預(yù)報(bào)優(yōu)于其他模式;WARMS和GRAPES_3 km降水預(yù)報(bào)的偏差則主要來自其預(yù)報(bào)降水個(gè)體在經(jīng)向方向上的位置偏差。上述檢驗(yàn)主要針對24 h累積降水大于50、100 mm和3 h累積降水大于20 mm的識別降水個(gè)體,本節(jié)則主要基于鄰域TS評分、FSS評分評估各模式對于24 h累積大于250 mm和3 h累積超過50、70 mm強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)能力,同時(shí),為了避免FSS鄰域空間尺度過大時(shí)導(dǎo)致不同天氣系統(tǒng)降水合并檢驗(yàn)而引起誤導(dǎo),本節(jié)在計(jì)算FSS評分時(shí),24 h累積降水實(shí)況降水場均基于25 mm閾值所識別的實(shí)況連續(xù)降雨區(qū),同理,3 h累積降水均基于10 mm閾值所識別的實(shí)況連續(xù)降雨區(qū)。

5.1 24 h累積降水預(yù)報(bào)尺度檢驗(yàn)

首先評估各模式對19—21日250 mm以上24 h累積強(qiáng)降水在不同鄰域空間尺度下的預(yù)報(bào)能力(圖6)。19日,從實(shí)況觀測降水的分布(圖略)來看,250 mm以上降水主要位于鄭州南部及平頂山與南陽交界地區(qū),雨區(qū)面積較小且分布較為零散。對比模式預(yù)報(bào)結(jié)果,僅RMAPS預(yù)報(bào)出了較明顯的250 mm以上降水落區(qū),但雨區(qū)范圍較實(shí)況偏大且位置偏西,這與圖3中對100 mm降水空間偏差檢驗(yàn)結(jié)果較為一致。因此,從空間尺度為0 km的鄰域TS評分(即為點(diǎn)對點(diǎn)的TS評分)來看,只有RMAPS獲得有效評分,其他模式均為0。隨著空間尺度地增大,鄰域內(nèi)包含了更多的模式預(yù)報(bào)和實(shí)況信息,可以看到由于RMAPS預(yù)報(bào)250 mm強(qiáng)降水明顯范圍偏大,因此當(dāng)尺度增加時(shí)鄰域內(nèi)包含了更多的空報(bào)信息導(dǎo)致鄰域TS評分隨尺度增加而減小。對比60～70 km尺度的FSS評分來看,RMAPS、WARMS均有不同程度地增加,同時(shí)也可以看到RMAPS的鄰域TS評分也略微增加,這是由于60 km左右的空間尺度容納了更遠(yuǎn)距離的實(shí)況降水所導(dǎo)致。

圖6 各模式在不同鄰域尺度對250 mm以上特大暴雨預(yù)報(bào)的鄰域TS(a—c)和FSS(d—f)評分的分布特征:(a、d)18日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)19日08時(shí)—20日08時(shí);(b、e)19日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)20日08時(shí)—21日08時(shí);(c、f)20日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)21日08時(shí)—22日08時(shí)Fig.6 Distribution characteristics of (a—c)TS scores in the neighborhood and (d—f)FSS scores of the extreme heavy rain forecasts above 250 mm for each model at different neighborhood scales:(a,d)forecast from 08:00 BST 19 to 08:00 BST 20 of model initiated at 20:00 BST 18;(b,e)forecast from 08:00 BST 20 to 08:00 BST 21 of model initiated at 20:00 BST 19;(c,f)forecast from 08:00 BST 21 to 08:00 BST 22 of model initiated at 20:00 BST 20

20日,強(qiáng)降水區(qū)北抬至鄭州、新鄉(xiāng)、開封等地。從鄰域TS評分來看,GRAPES_3 km在不同空間尺度上均明顯優(yōu)于其他模式,但是其FSS評分在空間尺度達(dá)到40 km后則幾乎不變。從模式預(yù)報(bào)降水預(yù)報(bào)(圖略)可以看出,GRAPES_3 km預(yù)報(bào)250 mm降水范圍較小,RMAPS模式預(yù)報(bào)范圍較大但較實(shí)況整體偏西,因此,當(dāng)鄰域尺度較小時(shí)(30 km以內(nèi)),GRAPES_3 km較小的250 mm落區(qū)預(yù)報(bào)因?yàn)槲恢门c實(shí)況較為接近,其鄰域TS、FSS評分均較高。當(dāng)鄰域尺度增加時(shí),更多的250 mm以上實(shí)況格點(diǎn)被包含,當(dāng)模式預(yù)報(bào)降水范圍較小時(shí)(如GRAPES_3 km)則導(dǎo)致模式降水漏報(bào)增加,鄰域TS評分降低、FSS評分則持平,而預(yù)報(bào)強(qiáng)降水范圍較大的模式(如RMAPS),其FSS評分隨鄰域增大而迅速增加,但由于位置上的偏差導(dǎo)致強(qiáng)降水空報(bào)、漏報(bào)均增多,鄰域TS評分也有所降低。

21日,特大暴雨主要集中在豫北安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)等地區(qū)沿太行山區(qū)域。從點(diǎn)對點(diǎn)的TS評分來看,WARMS、RMAPS、GRAPES_3 km有一定預(yù)報(bào)技巧。隨著鄰域尺度的增大,各模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確、空報(bào)和漏報(bào)的站次數(shù)均隨之增加,GRAPES_3 km和EC預(yù)報(bào)的250 mm格點(diǎn)較少,因此在0～60 km內(nèi)尺度增大時(shí),預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的站次數(shù)增加更為明顯,導(dǎo)致TS評分有所增大,隨后當(dāng)鄰域尺度增大到足夠包含所有出現(xiàn)250 mm的實(shí)況信息時(shí),尺度的繼續(xù)增大僅會帶來更多的空報(bào)和漏報(bào),導(dǎo)致TS評分下降。同理,由于WARMS和RMAPS模式預(yù)報(bào)250 mm格點(diǎn)較多,鄰域尺度增大帶來的空報(bào)、漏報(bào)的懲罰更為嚴(yán)重,導(dǎo)致TS評分在更小尺度上出現(xiàn)持平或下降的趨勢。從FSS評分變化來看,WARMS在更小尺度上得到了較高的評分,說明其空間偏差小于其他模式。而EC則在100 km尺度上FSS評分才接近WARMS,這說明EC對于21日強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)范圍與WARMS相當(dāng),但空間位置偏差更大。

綜上,在此次過程的強(qiáng)降水開始階段(19日),僅RMAPS模式對250 mm以上降水預(yù)報(bào)具有指示意義,但空間位置偏差較大。對于20日降水,GRAPES_3 km在較小的鄰域尺度上獲得了優(yōu)于其他模式的評分,主要原因是其預(yù)報(bào)強(qiáng)降水落區(qū)較為準(zhǔn)確但量級、范圍較實(shí)況偏小,因此在較大尺度上RMAPS的FSS評分優(yōu)勢更加明顯。21日豫北強(qiáng)降水階段,EC對于250 mm降水空間位置預(yù)報(bào)偏差較大。

5.2 不同強(qiáng)度3 h累積降水鄰域檢驗(yàn)

對比模式預(yù)報(bào)和實(shí)況3 h累積降水大于50、70 mm的格點(diǎn)數(shù)(從CRA識別3 h累積降水大于10 mm的降水個(gè)體中提取),RMAPS幾乎在強(qiáng)降水過程整個(gè)階段預(yù)報(bào)降水個(gè)體范圍大于實(shí)況,WARMS預(yù)報(bào)范圍偏大的特征則主要表現(xiàn)在20日夜里至21日(圖7)。對比FSS和鄰域TS評分的時(shí)間變化特征,對于WARMS和RMAPS兩個(gè)預(yù)報(bào)強(qiáng)降水范圍較大的模式,其FSS、鄰域TS評分變化特征基本一致。但對于模式預(yù)報(bào)范圍較小、實(shí)況降水個(gè)體范圍較大的時(shí)次,鄰域TS評分可能會出現(xiàn)誤導(dǎo)性的評價(jià)。如20日02—05時(shí)50 mm強(qiáng)降水檢驗(yàn),GRAPES_3 km預(yù)報(bào)降水格點(diǎn)數(shù)明顯小于實(shí)況,且其FSS評分也明顯較低(圖7c),但其鄰域TS評分接近0.2(圖7e),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于WARMS和RMAPS兩個(gè)模式,這是由于TS過度放大了預(yù)報(bào)降水位置偏差帶來的懲罰所導(dǎo)致。類似的情況也出現(xiàn)在20日02—05時(shí)MESO對于50 mm強(qiáng)降水的檢驗(yàn)結(jié)果中(圖7b、d、f)。從70 mm強(qiáng)降水的檢驗(yàn)結(jié)果中可以看出,雖然RMAPS在大多數(shù)時(shí)次預(yù)報(bào)降水格點(diǎn)數(shù)大于實(shí)況,但由于其位置偏差導(dǎo)致部分時(shí)次FSS、鄰域TS評分均較低,如21日凌晨到上午的預(yù)報(bào)結(jié)果(圖8)。

圖7 2021年7月19日08時(shí)—22日08時(shí)逐3 h累積降水大于等于50 mm的預(yù)報(bào)與實(shí)況格點(diǎn)數(shù)(a—b)、30 km空間尺度FSS評分(c—d)和鄰域TS評分(e—f):(a、c、e)模式20時(shí)起報(bào);(b、d、f)模式08時(shí)起報(bào)Fig.7 (a,b)Grid points of prediction and observation,(c,d)FSS scores at 30 km spatial scale and (e,f)TS scores in the neighborhood of 3 h cumulative precipitation greater than or equal to 50 mm from 08:00 BST 19 to 08:00 BST 22 July 2021:(a,c,e)model initiated at 20:00 BST;(b,d,f)model initiated at 08:00 BST

圖8 2021年7月19日08時(shí)—22日08時(shí)逐3 h累積降水大于等于70 mm預(yù)報(bào)與實(shí)況格點(diǎn)數(shù)(a—b)、50 km空間尺度FSS評分(c—d)和鄰域TS評分(e—f):(a、c、e)模式20時(shí)起報(bào);(b、d、f)模式08時(shí)起報(bào)Fig.8 (a,b)Grid points of prediction and observation,(c,d)FSS scores at 50 km spatial scale and (e，f)TS scores in the neighborhood of 3 h cumulative precipitation greater than or equal to 70 mm from 08:00 BST 19 to 08:00 BST 22 July 2021:(a,c,e)model initiated at 20:00 BST;(b,d,f)model initiated at 08:00 BST

6 模式降水偏差診斷分析

從上述不同檢驗(yàn)方法的評估結(jié)果來看,“21·7”不同強(qiáng)降水階段各模式降水預(yù)報(bào)的偏差特征出現(xiàn)較大差異,本節(jié)結(jié)合模式預(yù)報(bào)環(huán)境場進(jìn)行診斷分析以期尋找模式降水偏差的主要原因。由于業(yè)務(wù)中未獲取GRAPES_3 km的高空預(yù)報(bào)資料,同時(shí)GRAPES_GFS對于此次過程預(yù)報(bào)偏差較大,因此本節(jié)僅對EC、MESO、WARMS和RMAPS四個(gè)模式進(jìn)行診斷分析。從850 hPa風(fēng)場分布情況來看,19日20時(shí)在河南地區(qū)中部自東向西大部分地區(qū)出現(xiàn)超過12m/s的東風(fēng)急流,20至21日急流帶逐漸北抬,強(qiáng)降水區(qū)由伏牛山區(qū)東側(cè)逐漸北移至太行山區(qū)沿山一帶(圖9)。對比模式預(yù)報(bào)可以看出,EC盡管在19、20日都預(yù)報(bào)出了大范圍東風(fēng)急流,但較實(shí)況明顯偏西,21日則預(yù)報(bào)急流較實(shí)況明顯偏北。WARMS雖然落區(qū)位置偏差較小,但其預(yù)報(bào)急流范圍或強(qiáng)度較實(shí)況偏小。MESO在19、20日預(yù)報(bào)出了與實(shí)況接近的低空急流分布特征,但其預(yù)報(bào)降水仍較實(shí)況明顯偏小,這說明急流預(yù)報(bào)偏差并不是導(dǎo)致其降水預(yù)報(bào)偏差的主要原因。RMAPS則持續(xù)表現(xiàn)出低空急流預(yù)報(bào)偏西偏南的特征,盡管從降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)來看RMAPS較其他模式更接近實(shí)況,但急流位置預(yù)報(bào)的較大偏差導(dǎo)致了降水落區(qū)的明顯偏移。

圖9 ERA5(a、f、k)及EC(b、g、l)、WARMS(c、h、m)、MESO(d、i、n)、RMAPS(e、j、o)模式預(yù)報(bào)的24 h累積降水和850 hPa風(fēng)場(大于等于12 m/s;字母A、B、C分別代表太行山、嵩山、伏牛山位置):(a—d)18日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)19日08時(shí)—20日08時(shí)累積降水和19日20時(shí)風(fēng)場;(f—i)19日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)20日08時(shí)—21日08時(shí)累積降水和20日20時(shí)風(fēng)場;(k—n)20日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)21日08時(shí)—22日08時(shí)累積降水和21日20時(shí)風(fēng)場Fig.9 The 24 h cumulative precipitation and 850 hPa wind field (greater than or equal to 12 m/s) from (a,f,k)ERA5,and predicted by (b,g,l)EC,(c,h,m)WARMS,(d,i,n)MESO and (e,j,o)RMAPS models (Letters A,B and C respectively represent the locations of Taihang Mountain,Songshan Mountain and Funiu Mountain):(a—d)predicted cumulative precipitation from 08:00 BST 19 to 08:00 BST 20 and wind field at 20:00 BST 19 of model initiated at 20:00 BST 18;(f—i)predicted cumulative precipitation from 08:00 BST 20 to 08:00 BST 21 and wind field at 20:00 BST 20 of model initiated at 20:00 BST 19;(k—n)predicted cumulative precipitation from 08:00 BST 21 to 08:00 BST 22 and wind field at 20:00 BST 21 of model initiated at 20:00 BST 20

從19—21日850 hPa風(fēng)場的分布情況來看,此次過程的強(qiáng)降水落區(qū)隨偏東或東南低空急流的逐漸北抬而向北移動,因此對比不同緯度范圍內(nèi)緯向大氣環(huán)境場的分布特征,對模式逐3 h降水預(yù)報(bào)偏差的原因進(jìn)行分析。19日EC與RMAPS預(yù)報(bào)降水較實(shí)況均偏西、MESO預(yù)報(bào)偏弱,上述模式850 hPa東南低空急流西伸程度明顯大于WARMS,即在112°E附近仍維持了超過12 m/s的偏東或東南急流,而WARMS預(yù)報(bào)風(fēng)速輻合區(qū)則與實(shí)況降水區(qū)對應(yīng)更好(圖10)。對比水汽通量散度可以看出,RMAPS在112.5°E附近預(yù)報(bào)出了較實(shí)況明顯偏強(qiáng)的低層水汽輻合區(qū),同時(shí)配合較實(shí)況也偏大的CAPE值,可能是導(dǎo)致其強(qiáng)降水預(yù)報(bào)偏西的原因之一(圖11)。WARMS則對于19日夜間112.5°以東的低層水汽輻合強(qiáng)度預(yù)報(bào)與實(shí)況更為接近,EC與MESO則較實(shí)況明顯偏弱。

圖10 ERA5(a、g、m)及EC(b、h、n)、WARMS(c、i、o)、MESO(d、j、p)、RMAPS(e、k、q)模式預(yù)報(bào)的逐3 h降水(陰影;單位:mm)和850 hPa風(fēng)場(箭矢)、風(fēng)速(等值線;單位:m/s):(a—e)18日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)19日08時(shí)—20日08時(shí)沿34°～34.8°N的緯向剖面;(g—k)19日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)20日08時(shí)—21日08時(shí)沿34.2°～35°N的緯向剖面;(m—q)20日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)21日08時(shí)—22日08時(shí)沿35.3°～36.1°N的緯向剖面;f、l、r分別為對應(yīng)剖面的地形高度Fig.10 The 3 h precipitation (shadings;units:mm) and 850 hPa wind field (arrows)speed (contours;units:m/s) from (a,g,m)ERA5,and predicted by (b,h,n)EC,(c,i,o)WARMS,(d,j,p)MESO and (e,k,q)RMAPS models:(a—e)zonal profile of forecasts from 08:00 BST 19 to 08:00 BST 20 of model initiated at 20:00 BST 18 along 34°—34.8°N;(g—k)zonal profile of forecasts from 08:00 BST 20 to 08:00 BST 21 of model initiated at 20:00 BST 19 along 34.2°—35°N;(m—q)zonal profile of forecasts from 08:00 BST 21 to 08:00 BST 22 of model initiated at 20:00 BST 20 along 35.3°—36.1°N

圖11 ERA5(a,g,m)及EC(b,h,n)、WARMS(c,i,o)、MESO(d,j,p)、RMAPS(e,k,q)模式預(yù)報(bào)的逐3 h對流有效位能(等值線;單位:J/kg)和850 hPa水汽通量散度(填色;單位:10-7 kg·m-2·s-1·hPa-1):(a—e)18日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)19日08時(shí)—20日08時(shí)沿34°～34.8°N的緯向剖面;(g—k)19日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)20日08時(shí)—21日08時(shí)沿34.2°～35°N的緯向剖面;(m—q)20日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)21日08時(shí)—22日08時(shí)沿35.3°～36.1°N的緯向剖面;f、l、r分別為對應(yīng)剖面的地形高度Fig.11 The 3 h CAPE (contours;units:J/kg) and 850 hPa moisture flux divergence (color shadings;units:10-7 kg·m-2·s-1·hPa-1) from (a,g,m)ERA5,and predicted by (b,h,n)EC,(c,i,o)WARMS,(d,j,p)MESO and (e,k,q)RMAPS models:(a—e)zonal profile of forecasts from 08:00 BST 19 to 08:00 BST 20 of model initiated at 20:00 BST 18 along 34°—34.8°N;(g—k)zonal profile of forecasts from 08:00 BST 20 to 08:00 BST 21 of model initiated at 20:00 BST 19 along 34.2°—35°N;(m—q)zonal profile of forecasts from 08:00 BST 21 to 08:00 BST 22 of model initiated at 20:00 BST 20 along 35.3°—36.1°N

對于20日強(qiáng)降水,僅有RMAPS預(yù)報(bào)出接近實(shí)況的降水強(qiáng)度,其在低海拔及平原地區(qū)CAPE超過1 500 J/kg,較其他模式來說與實(shí)況更為接近,但其預(yù)報(bào)水汽通量散度在111.5°～113°E附近明顯強(qiáng)于實(shí)況,導(dǎo)致其強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報(bào)明顯偏西。MESO盡管預(yù)報(bào)低空東南急流及水汽通量輻合較實(shí)況略偏強(qiáng),但CAPE預(yù)報(bào)明顯偏小,導(dǎo)致對流性降水強(qiáng)度估計(jì)不足。其他模式則預(yù)報(bào)低空急流風(fēng)速和CAPE較實(shí)況偏小,且低層水汽強(qiáng)輻合時(shí)段與CAPE高值出現(xiàn)時(shí)段并不一致,低層輻合抬升時(shí)段熱力條件不足可能是導(dǎo)致降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏小的原因。

21日,實(shí)況在太行山東側(cè)以低空偏南急流為主,強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段主要為低層水汽強(qiáng)輻合導(dǎo)致,CAPE值相對較小。EC和WARMS均在太行山東側(cè)預(yù)報(bào)了與實(shí)況風(fēng)向較為接近的偏南氣流,其WARMS預(yù)報(bào)急流強(qiáng)度與實(shí)況更為接近,MESO與RMAPS則對于急流偏東分量預(yù)報(bào)較實(shí)況偏大。從低層水汽輻合強(qiáng)度及出現(xiàn)時(shí)段的預(yù)報(bào)來看,EC預(yù)報(bào)出了21日下午與22日凌晨兩個(gè)水汽強(qiáng)輻合時(shí)段,與實(shí)況較為一致。WARMS則僅預(yù)報(bào)出22日凌晨時(shí)段的低層水汽強(qiáng)輻合特征,這也可能是導(dǎo)致其22日預(yù)報(bào)降水位置經(jīng)向偏差不確定性較大的原因。從低空急流風(fēng)向和地形的分布情況來看,RMAPS對于此階段降水預(yù)報(bào)部分來源于低層偏東急流遇高海拔地形強(qiáng)迫抬升作用,850 hPa的水汽輻合區(qū)也伸展至113.5°以西的高海拔山區(qū),從而導(dǎo)致預(yù)報(bào)降水偏西的特征更加顯著。

7 結(jié)論和討論

本文首先對格點(diǎn)實(shí)況降水場中的降水目標(biāo)進(jìn)行識別、篩選,得到了“21·7”極端暴雨過程中24 h和3 h累積降水的主要降水對象,并結(jié)合CRA、鄰域TS、FSS等多種空間檢驗(yàn)方法,對各數(shù)值模式24 h和3 h降水預(yù)報(bào)性能進(jìn)行了多角度的綜合檢驗(yàn)評估,并結(jié)合ERA5再分析資料和模式預(yù)報(bào)水汽、熱動力學(xué)要素的天氣學(xué)檢驗(yàn)對比分析了模式降水預(yù)報(bào)的偏差原因。

1)綜合多角度的檢驗(yàn)結(jié)果來看,本文所評估的各個(gè)模式對“21·7”過程的預(yù)報(bào)效果各有優(yōu)劣,并且在過程的不同階段模式的降水預(yù)報(bào)偏差特征也表現(xiàn)出了明顯的差異性。EC模式由于其對降水強(qiáng)度估計(jì)不足且前期預(yù)報(bào)降水落區(qū)較實(shí)況明顯偏西,導(dǎo)致其對于19—20日大暴雨或更強(qiáng)降水幾乎無預(yù)報(bào)能力,盡管對21日大暴雨落區(qū)及范圍把握較好,但鄰域檢驗(yàn)顯示其對250 mm以上強(qiáng)降水預(yù)報(bào)仍有較大的空間位置誤差。RMAPS在此次過程中預(yù)報(bào)降水強(qiáng)度及范圍均遠(yuǎn)大于其他模式,接近甚至超過了實(shí)況降水強(qiáng)度,但持續(xù)出現(xiàn)落區(qū)較實(shí)況偏西的特征;基于FSS的檢驗(yàn)結(jié)果也表明,RMAPS只有在較大鄰域范圍內(nèi)才能夠表現(xiàn)出對極端強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)效果。WARMS和GRAPES_3 km對于19—21日強(qiáng)降水過程整體降水位置預(yù)報(bào)偏差優(yōu)于其他模式,首先表現(xiàn)在對于大暴雨降水個(gè)體的徑向、緯向位置偏差均較小,同時(shí)對于3 h累積降水,隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的臨近經(jīng)向偏差也明顯減小。MESO模式對20日大暴雨具有一定預(yù)報(bào)能力,但基于FSS的檢驗(yàn)結(jié)果顯示其即使在較大的鄰域空間上也沒有對24 h超過250 mm或3 h超過70 mm強(qiáng)降水的有效評分,對極端強(qiáng)降水的指示意義較差。

2)結(jié)合ERA5再分析資料的診斷分析來看,此次過程的強(qiáng)降水主要發(fā)生在太行山、伏牛山東側(cè)低海拔區(qū)域850 hPa急流帶內(nèi)。19日在嵩山附近及其東側(cè)低層出現(xiàn)接近或超過14 m/s的低空急流,同時(shí)配合有低層水汽輻合,配合嵩山局地地形作用出現(xiàn)了較明顯的降水。對于20日強(qiáng)降水階段,主要降水區(qū)低層并沒有表現(xiàn)出明顯的水汽輻合或較強(qiáng)的CAPE值,該階段極端強(qiáng)降水的出現(xiàn)可能更多的源于中小尺度系統(tǒng)的發(fā)展增強(qiáng),其可預(yù)報(bào)性偏低也是導(dǎo)致模式出現(xiàn)較大預(yù)報(bào)偏差的原因之一。21日白天及前半夜,太行山東側(cè)出現(xiàn)了較明顯的低層水汽輻合,各模式對于低空急流及水汽輻合強(qiáng)度和位置的預(yù)報(bào)是影響降水預(yù)報(bào)的關(guān)鍵因素。

3)從各模式預(yù)報(bào)低層風(fēng)場、水汽輻合及CAPE與ERA5再分析資料的診斷對比分析表明,19日EC、RMAPS等模式預(yù)報(bào)850 hPa急流區(qū)明顯較實(shí)況偏西是導(dǎo)致降水落區(qū)偏西的原因之一;從日變化特征來看,RMAPS在19日白天即預(yù)報(bào)出了較強(qiáng)的低空急流和強(qiáng)水汽輻合,導(dǎo)致其強(qiáng)降水預(yù)報(bào)時(shí)間偏早,WARMS對低空急流和水汽輻合出現(xiàn)時(shí)段預(yù)報(bào)優(yōu)于其他模式,但其強(qiáng)度估計(jì)偏弱導(dǎo)致其強(qiáng)降水預(yù)報(bào)范圍和強(qiáng)度偏小。隨著20日強(qiáng)降水區(qū)東移,EC與RMAPS仍然維持了低空急流及降水較實(shí)況預(yù)報(bào)偏西的特征,但從降水演變可以看出,20日白天RMAPS在嵩山區(qū)域附近預(yù)報(bào)出了較強(qiáng)的低層水汽輻合并配合有略強(qiáng)于實(shí)況的CAPE,這對該時(shí)段強(qiáng)降水的發(fā)生有較好的指示意義;WARMS對于急流和水汽輻合強(qiáng)度預(yù)報(bào)均偏弱導(dǎo)致其降水預(yù)報(bào)偏小;MESO對急流和水汽輻合發(fā)生時(shí)間和位置均預(yù)報(bào)較好,因此其給出了更好的大暴雨預(yù)報(bào)結(jié)果,但明顯偏低的CAPE導(dǎo)致其缺乏對極端強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)能力。21日,實(shí)況低層氣流逐漸轉(zhuǎn)為以偏南分量為主,MESO和RMAPS過多的偏東分量導(dǎo)致其在太行山陡峭地形處預(yù)報(bào)了偏強(qiáng)的地形增幅降水,而對于東側(cè)淺地形處降水則預(yù)報(bào)偏弱;EC和WARMS預(yù)報(bào)低空急流風(fēng)向更接近實(shí)況,因此其預(yù)報(bào)降水也主要發(fā)生在太行山東側(cè)低海拔山區(qū),但對于低層水汽輻合強(qiáng)度和時(shí)間的預(yù)報(bào)偏差也導(dǎo)致兩者對于強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)間預(yù)報(bào)存在誤差,同時(shí),低層偏南急流遇太行山東側(cè)低海拔起伏地形產(chǎn)生的風(fēng)速脈動輻合,也導(dǎo)致EC和WARMS降水預(yù)報(bào)出現(xiàn)了明顯的經(jīng)向位置偏差。

本文利用了多種檢驗(yàn)方法對模式降水預(yù)報(bào)偏差信息進(jìn)行了綜合評估,其中鄰域檢驗(yàn)既保留了TS評分量化評價(jià)的特點(diǎn),又能夠?qū)δＪ筋A(yù)報(bào)空間尺度進(jìn)行評估,CRA則能夠從降水目標(biāo)分析的角度提供更詳細(xì)的空間偏差特征,以上多角度的空間偏差信息更有利于對模式預(yù)報(bào)誤差來源進(jìn)行有針對性的診斷分析。對可能導(dǎo)致強(qiáng)降水預(yù)報(bào)誤差出現(xiàn)的低層急流、水汽輻合、熱力環(huán)境場等因子進(jìn)行了診斷分析,部分模式(EC、RMAPS等)在“21·7”過程中表現(xiàn)出了持續(xù)偏西的位置偏差特征,這與其他針對西南地區(qū)低渦切變型暴雨以及影響黃淮地區(qū)的登陸臺風(fēng)暴雨個(gè)例中對于模式偏差特征的檢驗(yàn)結(jié)果較為一致(符嬌蘭和代刊,2016;王新敏和栗晗,2020),但降水偏差特征可能來源于天氣尺度系統(tǒng)移動的預(yù)報(bào)偏差(如登陸臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)),也可能來自復(fù)雜地形對模式降水預(yù)報(bào)的影響,未來仍需要通過典型降水個(gè)例并結(jié)合不同模式的形勢場預(yù)報(bào)誤差分析或不同分辨率地形的降水預(yù)報(bào)性能評估進(jìn)一步探索。