全球和區(qū)域模式在2022年廣東龍舟水期間的評(píng)估

唐思瑜，沙天陽(yáng)，涂靜，張華龍，羅聰，黃曉瑩

（廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州 510640）

2022年“龍舟水”期間［1］，廣東省平均降水量514.5 mm，較歷史同期偏多54%，是有氣象記錄以來(lái)的第3多，且期間每日均有區(qū)縣出現(xiàn)暴雨，其中有26 d出現(xiàn)大暴雨、12 d出現(xiàn)特大暴雨；龍舟水空間分布嚴(yán)重不均，呈現(xiàn)異常的“北多南少”態(tài)勢(shì)，主要降水區(qū)高度集中在粵北的市縣，其中6月13—21日，廣東省持續(xù)9 d出現(xiàn)了大范圍強(qiáng)降水，具有“降水時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)雨量大、暴雨落區(qū)重疊、多種災(zāi)害疊加”的特點(diǎn)。

多年來(lái)，數(shù)值預(yù)報(bào)的模式及產(chǎn)品釋用對(duì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高起到了非常重要的作用［2-3］，但同一模式對(duì)不同天氣過(guò)程、不同模式對(duì)同一個(gè)要素預(yù)報(bào)的結(jié)果也均有差異，因此，天氣過(guò)程結(jié)束后對(duì)數(shù)值模式的評(píng)估就顯得非常必要，本研究以歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）、中國(guó)氣象局全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（CMA-GFS）和中國(guó)氣象局廣東模式（CMA-GD）在2022年“龍舟水”期間的表現(xiàn)為研究對(duì)象，評(píng)估其對(duì)此類(lèi)持續(xù)性強(qiáng)降水天氣的預(yù)報(bào)能力，為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料和方法

本研究評(píng)估對(duì)象為全球模式ECMWF、CMA-GFS與區(qū)域模式CMA-GD（表1），采用最近格點(diǎn)法得到站點(diǎn)降水預(yù)報(bào)，評(píng)估時(shí)段為2022年5月21日—6月21日（業(yè)務(wù)上“龍舟水”定義是5月21日到6月20日［4］，但考慮今年的強(qiáng)降水實(shí)際情況，本研究統(tǒng)計(jì)至6月21日），起報(bào)時(shí)間為每日20：00（北京時(shí)，下同）。Roebber檢驗(yàn)［5］實(shí)況為86個(gè)國(guó)家站的日累計(jì)降水量。

表1 評(píng)估對(duì)象說(shuō)明

為避免遺漏主雨帶位于相鄰省份，而廣東省內(nèi)亦有明顯降水的過(guò)程，采用MODE（基于對(duì)象診斷的空回方法）進(jìn)行空間檢驗(yàn)［6］時(shí)選取華南范圍（100°E—125°E，15°N—30°N），實(shí)況為融合降水分析產(chǎn)品（CMPA）（5 km×5 km分辨率）的三源融合24 h雨量資料，預(yù)報(bào)取模式24～48 h時(shí)效，將模式均插值至5 km×5 km分辨率后再進(jìn)行計(jì)算?？臻g檢驗(yàn)算法中高斯閾值38 mm、對(duì)象閾值50 mm、有效對(duì)象最少格點(diǎn)數(shù)300個(gè)、搜索半徑20 km、幾何中心最小距離50 km、最大距離500 km。

另外，需要說(shuō)明的是，5月23日，6月5、6、16、17日共5 d因模式部分時(shí)次數(shù)據(jù)缺失，不納入本研究的統(tǒng)計(jì)。

2 各模式分級(jí)降水評(píng)分

從整個(gè)“龍舟水”期間Roebber檢驗(yàn)（圖1）來(lái)看，隨著雨量量級(jí)的增大，各模式的相應(yīng)TS評(píng)分均明顯下降；ECMWF在中雨及以上和大雨及以上量級(jí)的各個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)TS評(píng)分最高、CMA-GD次之、CMA-GFS最低，且隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)，3家模式對(duì)這兩個(gè)量級(jí)降水的預(yù)報(bào)能力基本呈下降趨勢(shì)。

圖1 中雨及以上（a）、大雨及以上（b）、暴雨及以上（c）不同預(yù)報(bào)時(shí)效與不同模式產(chǎn)品Roebber檢驗(yàn)

在暴雨及以上量級(jí)降水的預(yù)報(bào)能力方面，CMA-GD的TS評(píng)分最優(yōu)、ECMWF次之、CMAGFS在提前168 h以上的時(shí)效內(nèi)對(duì)暴雨以上降水預(yù)報(bào)能力很有限；另外，ECMWF在96～192 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，對(duì)暴雨以上降水的預(yù)報(bào)能力反而高于更臨近的預(yù)報(bào)。

從相對(duì)誤差（BIAS）來(lái)看，CMA-GD在其所有預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，對(duì)各不同量級(jí)降水的BIAS均處在較為合理的區(qū)間；而ECMWF僅對(duì)大雨及以上量級(jí)的預(yù)報(bào)誤差相對(duì)合理，對(duì)于中雨及以上和暴雨及以上降水的預(yù)報(bào)分別為空?qǐng)?bào)和漏報(bào)偏多；CMA-GFS則在各量級(jí)降水的預(yù)報(bào)中，均表現(xiàn)為漏報(bào)明顯偏多。

3 各模式暴雨日預(yù)報(bào)能力

當(dāng)前，主客觀預(yù)報(bào)對(duì)于小范圍或分散暴雨的預(yù)報(bào)能力非常有限。通常來(lái)說(shuō)，較大范圍的強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)生產(chǎn)生活的影響更大，因此本研究參照廣東省氣象臺(tái)中期預(yù)報(bào)服務(wù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)廣東省內(nèi)有不少于4個(gè)相鄰站點(diǎn)的日雨量達(dá)到暴雨（50 mm）以上量級(jí)時(shí)，則定義當(dāng)日為1個(gè)暴雨日。當(dāng)實(shí)況和預(yù)報(bào)同時(shí)滿足暴雨日標(biāo)準(zhǔn)時(shí)（不要求落區(qū)一致），認(rèn)為模式命中暴雨日的預(yù)報(bào)。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，龍舟水期間共有11個(gè)暴雨日，各模式的命中與空?qǐng)?bào)情況如圖2所示，CMA-GD在96 h內(nèi)，對(duì)暴雨日命中次數(shù)最多的同時(shí)空?qǐng)?bào)也最多；ECMWF和GFS在幾乎所有預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，對(duì)暴雨日的空?qǐng)?bào)次數(shù)差別都不大，但除個(gè)別預(yù)報(bào)時(shí)效外，EC的命中次數(shù)均明顯多于CMAGFS，即ECMWF在幾乎所有預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，對(duì)暴雨日的預(yù)報(bào)能力均優(yōu)于CMA-GFS。

圖2 全省暴雨日客觀模式的命中及空?qǐng)?bào)

另外，值得關(guān)注的是，ECMWF在96～168 h的預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，暴雨日命中次數(shù)多于更臨近的預(yù)報(bào)，即ECMWF對(duì)于暴雨日的預(yù)報(bào)，并不一定越臨近越準(zhǔn)確，而提前幾天的預(yù)報(bào)可能更具參考性。

4 暴雨空間檢驗(yàn)評(píng)估

為更加客觀的比較各模式在龍舟水過(guò)程中降水預(yù)報(bào)的強(qiáng)度、落區(qū)偏差程度，本研究應(yīng)用MODE空間檢驗(yàn)算法，提取降水實(shí)況和預(yù)報(bào)暴雨對(duì)象的中心、面積（格點(diǎn)數(shù)）、平均強(qiáng)度和極大值4個(gè)指標(biāo)，以模式預(yù)報(bào)華南范圍24～48 h為例，評(píng)估當(dāng)預(yù)報(bào)與實(shí)況對(duì)象成功匹配，且實(shí)況對(duì)象影響到廣東省范圍的降水過(guò)程。

排除模式數(shù)據(jù)缺失日期及空漏報(bào)過(guò)程后，CMA-GD和ECMWF模式均提取到7次匹配過(guò)程，而CMA-GFS僅有2次，其預(yù)報(bào)偏弱且以漏報(bào)為主。如圖3a-b所示，CMA-GD預(yù)報(bào)平均強(qiáng)度略偏強(qiáng)，但相對(duì)ECMWF有更多的預(yù)報(bào)樣本接近實(shí)況，在極大值預(yù)報(bào)上也表現(xiàn)相對(duì)較好，7次過(guò)程中有5次預(yù)報(bào)接近實(shí)況；ECMWF多數(shù)樣本傾向于平均強(qiáng)度與預(yù)報(bào)偏弱、極大值普遍偏小，對(duì)于250 mm左右的極值降水，ECMWF均預(yù)報(bào)在200 mm以下。由圖3c-d可以看出，各模式對(duì)暴雨落區(qū)面積的預(yù)報(bào)中，CMA-GD和ECMWF接近實(shí)況或偏大，整體成線性分布。對(duì)于暴雨落區(qū)中心，多數(shù)樣本的偏差在2°以?xún)?nèi)，預(yù)報(bào)偏東和偏西的離散程度要大于偏南和偏北，其中，CMA-GD預(yù)報(bào)更易偏東，而ECMWF則相反，預(yù)報(bào)偏西的樣本更多。

圖3 暴雨及以上量級(jí)預(yù)報(bào)與實(shí)況偏差

5 結(jié)論

1）ECMWF在中雨及以上和大雨及以上量級(jí)的各個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)評(píng)分均最高，CMA-GD次之；在暴雨及以上量級(jí)降水的預(yù)報(bào)能力方面，CMA-GD的評(píng)分最優(yōu)，ECMWF次之；CMA-GD在其所有預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，對(duì)各不同量級(jí)降水的BIAS均處在較為合理的區(qū)間，而ECMWF僅對(duì)大雨及以上量級(jí)的預(yù)報(bào)誤差相對(duì)合理，對(duì)于中雨及以上和暴雨及以上降水的預(yù)報(bào)分別為空?qǐng)?bào)和漏報(bào)偏多；CMA-GFS在各量級(jí)降水預(yù)報(bào)中預(yù)報(bào)能力最弱，表現(xiàn)為漏報(bào)偏多。

2）在全省暴雨日統(tǒng)計(jì)中，CMA-GD在96 h內(nèi)命中次數(shù)最多的同時(shí)空?qǐng)?bào)也最多；ECMWF在幾乎所有預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)的預(yù)報(bào)能力均優(yōu)于CMAGFS；另外，ECMWF對(duì)于暴雨日的預(yù)報(bào)，并不一定越臨近越準(zhǔn)確，而提前幾天的預(yù)報(bào)可能更具參考性。

3）空間分布方面，各模式24～48 h暴雨及以上量級(jí)預(yù)報(bào)中，CMA-GFS預(yù)報(bào)最弱且以漏報(bào)為主；CMA-GD預(yù)報(bào)平均降水量略偏強(qiáng)，且相對(duì)ECMWF有更多的預(yù)報(bào)樣本接近實(shí)況，在極大值預(yù)報(bào)上也表現(xiàn)相對(duì)較好；ECMWF多數(shù)樣本傾向于平均降水量預(yù)報(bào)偏弱，極大值普遍偏??；對(duì)暴雨落區(qū)面積的預(yù)報(bào)，CMA-GD和ECMWF模式預(yù)報(bào)接近實(shí)況或偏大，整體成線性分布；CMAGD對(duì)落區(qū)中心的預(yù)報(bào)易偏東，而ECMWF則偏西更多。