2021年攀西地區(qū)精細(xì)化預(yù)報(bào)與數(shù)值模式小時(shí)降水檢驗(yàn)

王佳津 , 曹萍萍 , 肖遞祥*

（1. 四川省氣象臺(tái), 成都 610072；2. 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610072）

引言

隨著氣象服務(wù)需求的日益提高，針對(duì)服務(wù)需求的精細(xì)化預(yù)報(bào)水平也需不斷提高[1?2]。目前，各種專題服務(wù)需要預(yù)報(bào)員做到定點(diǎn)、定時(shí)、定量預(yù)報(bào)，提供更為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果[3?5]。精細(xì)化預(yù)報(bào)的發(fā)展離不開以高分辨率模式為基礎(chǔ)的客觀技術(shù)，一方面依靠高分辨率模式本身的不斷發(fā)展，從而提高精細(xì)化要素的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，另一方面通過改進(jìn)釋用方法，在“訂正-檢驗(yàn)-訂正”的循環(huán)中，提高精細(xì)化要素預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率[6?10]。因此，開展對(duì)數(shù)值產(chǎn)品和釋用方法的檢驗(yàn)評(píng)估是必不可少的工作[11?16]。

通過檢驗(yàn)高分辨率模式可以了解預(yù)報(bào)偏差，客觀評(píng)估預(yù)報(bào)能力，為預(yù)報(bào)訂正提供客觀依據(jù)。針對(duì)高分辨率預(yù)報(bào)模式，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了檢驗(yàn)和評(píng)估。國(guó)外，Gilleland等[17]檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)網(wǎng)疏密程度對(duì)高分辨率模式降水預(yù)報(bào)的評(píng)分影響較大；Theis等[18]運(yùn)用鄰域法將確定性降水預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)換成概率預(yù)報(bào)，并運(yùn)用概率預(yù)報(bào)評(píng)估方法進(jìn)行檢驗(yàn)；Lean等[19]對(duì)多種高分辨率模式模擬對(duì)流性降水進(jìn)行了檢驗(yàn)；Ebert[20]系統(tǒng)闡述了鄰域法檢驗(yàn)高分辨率模式預(yù)報(bào)降水的基本框架。國(guó)內(nèi)，熊秋芬[21]通過檢驗(yàn)CMA-MESO模式的模擬降水，發(fā)現(xiàn)模式對(duì)復(fù)雜地形影響的降水預(yù)報(bào)能力偏弱；潘留杰等[22]基于鄰域法檢驗(yàn)了多家高分辨率模式的預(yù)報(bào)能力，結(jié)果表明在暖季隨著降水量的增大，模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率逐漸下降；曹越等[23]通過建立一個(gè)綜合標(biāo)準(zhǔn)差和平均值的R指數(shù)，對(duì)ECMWF高分辨率模式降水能力進(jìn)行了評(píng)估。近年來，對(duì)于高分辨率模式在西南區(qū)域的適用性研究也在逐步開展。例如，趙寧坤等[11]檢驗(yàn)了3家高分辨率模式降水預(yù)報(bào)在云南的適用性，對(duì)比分析了在不同量級(jí)降水中，各家高分辨率模式的預(yù)報(bào)能力；謝漪云等[24]基于GRAPES千米尺度模式，從逐時(shí)降水量和降水頻次入手，分析了西南復(fù)雜地形區(qū)降水預(yù)報(bào)偏差。

根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，了解各家高分辨率模式降水預(yù)報(bào)小時(shí)頻次、小時(shí)強(qiáng)度、峰值時(shí)間等方面的具體表現(xiàn)，對(duì)于進(jìn)一步完善數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品應(yīng)用，進(jìn)而提升預(yù)報(bào)員對(duì)模式的理解釋用能力具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。但目前在諸多高分辨率模式檢驗(yàn)研究中，針對(duì)小時(shí)尺度降水的相關(guān)工作并不多見。本文基于高分辨率模式和精細(xì)化降水預(yù)報(bào)結(jié)果，針對(duì)2021年汛期攀西地區(qū)發(fā)生的主要降水過程開展小時(shí)尺度檢驗(yàn)，以期為提升四川省精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)水平提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

1.1 資料

本文所有降水檢驗(yàn)指標(biāo)均基于站點(diǎn)計(jì)算獲取。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)主要為CMA-MESO、西南區(qū)域模式（SWC-9 KM，以下簡(jiǎn)稱SWC）兩家數(shù)值模式預(yù)報(bào)的1 h降水?dāng)?shù)據(jù)（08時(shí)起報(bào)），CMA-MESO模式空間分辨率為3 km×3 km，SWC模式空間分辨率為9 km×9 km，精細(xì)化預(yù)報(bào)格點(diǎn)訂正（GDDZ）1 h降水?dāng)?shù)據(jù)（20時(shí)起報(bào)），空間分辨率5 km×5 km，時(shí)間分辨率為1 h。實(shí)況站點(diǎn)數(shù)據(jù)為攀西地區(qū)483個(gè)區(qū)域自動(dòng)站的逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)。檢驗(yàn)過程中所用到的資料為各小時(shí)實(shí)況所對(duì)應(yīng)的模式08時(shí)起報(bào)和GDDZ 20時(shí)起報(bào)所對(duì)應(yīng)的不同時(shí)效資料，應(yīng)用站點(diǎn)所在5 km范圍內(nèi)格點(diǎn)最大值賦值的方法將格點(diǎn)資料轉(zhuǎn)化為站點(diǎn)資料。

攀西降水過程挑選標(biāo)準(zhǔn)為： ①日降水量50 mm以上站點(diǎn)超過50個(gè)；②日降水量25 mm以上站點(diǎn)超過50個(gè)且滿足當(dāng)天有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生或日最大降水量超100 mm站點(diǎn)有3個(gè)以上。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，2021年汛期共挑選出16次降水過程，具體時(shí)間如表1所示。針對(duì)這16次攀西降水過程，開展小時(shí)降水TS（Threat Score）評(píng)分、小時(shí)降水頻次、小時(shí)降水強(qiáng)度、峰值時(shí)間的檢驗(yàn)。

表1 降水過程個(gè)例時(shí)間

1.2 方法

根據(jù)中國(guó)氣象局制定的《重要天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定辦法》，TS評(píng)分計(jì)算公式為：

式中：h為預(yù)報(bào)時(shí)間，Arain(h)為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)h時(shí)刻累計(jì)降水量，Nrain(h)為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)h時(shí)刻的有效降水時(shí)數(shù)（降水量≥0.1 mm/h）。

峰值時(shí)間（Peak Hour，PH），計(jì)算各站24 h預(yù)報(bào)在一天中不同時(shí)刻降水量、小時(shí)降水強(qiáng)度和降雨頻率的平均時(shí)間序列，最大值的時(shí)刻即為峰值時(shí)刻。

2 逐小時(shí)降水TS評(píng)分檢驗(yàn)

2.1 晴雨TS評(píng)分

圖1給出了GDDZ和CMA-MESO、SWC兩家模式各個(gè)時(shí)次的晴雨TS評(píng)分。如圖所示，GDDZ評(píng)分呈單峰型，最高評(píng)分為0.58，出現(xiàn)在07時(shí)、08時(shí)和09時(shí)。CMA-MESO、SWC兩家模式評(píng)分均呈雙峰型，CMAMESO第一峰值出現(xiàn)在07時(shí)和08時(shí)，評(píng)分為0.5，第二峰值出現(xiàn)在12時(shí)，評(píng)分為0.55；SWC第一峰值出現(xiàn)在05時(shí)，評(píng)分為0.44，第二峰值出現(xiàn)在13時(shí)，評(píng)分為0.38。對(duì)比3家評(píng)分，01～11時(shí)，GDDZ評(píng)分優(yōu)于兩家模式評(píng)分；12～23時(shí)，CMA-MESO模式評(píng)分優(yōu)于SWC模式和GDDZ評(píng)分；在00時(shí)，GDDZ和CMA-MESO評(píng)分優(yōu)于SWC，二者相差不大，GDDZ評(píng)分為0.3，CMAMESO為0.31。綜上所述，從晴雨TS評(píng)分來看，GDDZ在00～11時(shí)表現(xiàn)較優(yōu)，CMA-MESO模式在12～23時(shí)表現(xiàn)較優(yōu)。

圖1 GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式晴雨TS評(píng)分

2.2 大雨TS評(píng)分

圖2為GDDZ和CMA-MESO、SWC兩家模式各個(gè)時(shí)次的大雨TS評(píng)分。如圖所示，GDDZ在24個(gè)時(shí)次中共11個(gè)時(shí)次有評(píng)分，分別是00～09時(shí)和13時(shí)，其中00時(shí)評(píng)分最高為0.12，且顯著高于CMA-MESO、SWC兩家模式，此外03時(shí)、04時(shí)、13時(shí)評(píng)分與CMAMESO持平，且優(yōu)于SWC模式。CMA-MESO模式在24個(gè)時(shí)次中共23個(gè)時(shí)次有評(píng)分，其中10個(gè)時(shí)次評(píng)分優(yōu)于GDDZ和SWC模式（01時(shí)、02時(shí)、06～09時(shí)、12時(shí)、15時(shí)、16時(shí)、19時(shí)），最高評(píng)分為0.11，出現(xiàn)在12時(shí)，7個(gè)時(shí)次評(píng)分與GDDZ、SWC模式評(píng)分持平（03時(shí)、04時(shí)、10時(shí)、13時(shí)、14時(shí)、18時(shí)、23時(shí)）。SWC模式在24個(gè)時(shí)次中共19個(gè)時(shí)次有評(píng)分，其中4個(gè)時(shí)次評(píng)分最高（00時(shí)、01時(shí)、05時(shí)、11時(shí)），最高評(píng)分為0.05，4個(gè)時(shí)次與CMA-MESO評(píng)分持平（10時(shí)、14時(shí)、18時(shí)、23時(shí)）。綜合而言，CMA-MESO模式在大雨TS評(píng)分中表現(xiàn)較優(yōu)。

圖2 同圖1，但為大雨TS評(píng)分

2.3 暴雨TS評(píng)分

圖3為GDDZ和CMA-MESO、SWC兩家模式各個(gè)時(shí)次的暴雨TS評(píng)分。如圖所示，GDDZ只有1個(gè)時(shí)次有評(píng)分，即01時(shí)，且評(píng)分低于CMA-MESO和SWC模式。CMA-MESO模式評(píng)分在24個(gè)時(shí)次中有8個(gè)時(shí)次有評(píng)分，最高評(píng)分為0.06，分別出現(xiàn)在12時(shí)、14時(shí)、18時(shí)。SWC模式在24個(gè)時(shí)次中有6個(gè)時(shí)次有評(píng)分，最高評(píng)分為0.03，出現(xiàn)在01時(shí)。綜合而言，CMA-MESO模式在暴雨TS評(píng)分中表現(xiàn)較優(yōu)。

圖3 同圖1，但為暴雨TS評(píng)分

3 小時(shí)降水頻次檢驗(yàn)

圖4～7分別是實(shí)況、GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式逐小時(shí)發(fā)生降水（降水≥0.1mm）頻次的空間分布。從實(shí)況發(fā)生降水頻次空間分布（圖4）來看，00～08時(shí)，涼山州和攀枝花市大部降水發(fā)生頻次高于20次，其中00～02時(shí)攀枝花市南部降水發(fā)生頻次在15～20次；09～11時(shí)，涼山州西部降水發(fā)生頻次約為15次，攀西其余地區(qū)降水發(fā)生頻次仍高于20次；12～15時(shí)，涼山州東部和攀枝花市個(gè)別地方降水發(fā)生頻次高于20次，攀西其余地區(qū)降水發(fā)生頻次基本在5～10次；16～20時(shí)，涼山州西部個(gè)別地方降水發(fā)生頻次高于20次，攀西其余地區(qū)大部降水發(fā)生頻次在5～10次；21～23時(shí)，涼山州大部降水發(fā)生頻次高于20次，攀枝花市21時(shí)、22時(shí)降水發(fā)生頻次在5～10次，23時(shí)大部地區(qū)降水發(fā)生頻次在15～20次。結(jié)合實(shí)況對(duì)比，分析GDDZ、CMAMESO、SWC模式降水發(fā)生頻次空間分布可知，GDDZ（圖5）在攀西地區(qū)各時(shí)效降水發(fā)生頻次基本大于實(shí)況，均在20次以上，只有13～17時(shí)攀枝花市南部降水發(fā)生頻次在5～10次，與實(shí)況較為接近。CMA-MESO模式（圖6）預(yù)報(bào)攀西地區(qū)各時(shí)效降水發(fā)生頻次均在20次以上，大于實(shí)況。SWC模式（圖7）預(yù)報(bào)00～09時(shí)涼山州發(fā)生頻次與實(shí)況一致，均在20次以上；00～02時(shí)，攀枝花市北部降水發(fā)生頻次在20次以上，攀枝花市南部降水發(fā)生頻次在15～20次，與實(shí)況一致；03～09時(shí)，攀枝花市南部降水發(fā)生頻次小于實(shí)況；10～11時(shí)，涼山州降水頻次大于實(shí)況，攀枝花市降水發(fā)生頻次與實(shí)況較為接近；12～21時(shí)，攀西地區(qū)大部降水發(fā)生頻次大于實(shí)況；22～23時(shí)，涼山州西北部降水發(fā)生頻次在20次以上與實(shí)況較一致，攀西其余地區(qū)降水發(fā)生頻次大于實(shí)況。綜合而言，SWC模式預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降水發(fā)生頻次與實(shí)況更為接近。

圖4 實(shí)況逐小時(shí)降水發(fā)生頻次空間分布（閾值0.1 mm）

圖5 同圖4，但為GDDZ

圖6 同圖4，但為CMA-MESO

圖7 同圖4，但為SWC

4 小時(shí)降水強(qiáng)度檢驗(yàn)

圖8～11分別是實(shí)況、GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式逐小時(shí)降水強(qiáng)度空間分布。從實(shí)況降水強(qiáng)度空間分布（圖8）來看，22時(shí)～次日07時(shí)，攀西地區(qū)降水強(qiáng)度較大，基本在1.5 mm/h以上，其中涼山州南部和攀枝花市部分地方可達(dá)5 mm/h以上；08～12時(shí)，攀枝花市降水強(qiáng)度在1.5 mm/h以上，而涼山州降水強(qiáng)度大部分在1 mm/h以下；13～21時(shí)，攀西地區(qū)大部分降水強(qiáng)度在1 mm/h以下，個(gè)別地方降水強(qiáng)度達(dá)5 mm/h以上。GDDZ（圖9）預(yù)報(bào)22時(shí)～次日12時(shí)攀西地區(qū)降水強(qiáng)度在涼山州與實(shí)況接近，攀枝花市較實(shí)況偏??；13～21時(shí)，攀西地區(qū)降水強(qiáng)度大部在0.5 mm/h以上，較實(shí)況整體偏強(qiáng)，特別是在18～21時(shí)，涼山州大部降水強(qiáng)度在1.5 mm/h以上，遠(yuǎn)高于實(shí)況強(qiáng)度。CMAMESO模式（圖10）預(yù)報(bào)攀西地區(qū)各時(shí)次降水強(qiáng)度，除9～12時(shí)，攀枝花市降水強(qiáng)度較實(shí)況偏小，其余時(shí)次攀西地區(qū)大部地方較實(shí)況偏強(qiáng)。SWC模式（圖11）預(yù)報(bào)攀西地區(qū)各時(shí)次降水強(qiáng)度，22時(shí)～次日07時(shí)涼山州降水強(qiáng)度較實(shí)況偏大，其中22～23時(shí)攀枝花市降水強(qiáng)度較實(shí)況偏大，其余時(shí)段較實(shí)況偏??；09～10時(shí)，攀枝花市降水強(qiáng)度較實(shí)況偏小，涼山州與實(shí)況較為接近；08時(shí)和11～12時(shí)，與上述情況相反，涼山州降水強(qiáng)度較實(shí)況偏小，攀枝花市與實(shí)況較為接近；13～21時(shí)，攀西地區(qū)整體降水強(qiáng)度較實(shí)況偏大。綜合而言，GDDZ預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降水強(qiáng)度與實(shí)況更為接近。

圖8 逐小時(shí)降水強(qiáng)度實(shí)況（單位：mm/h）

圖9 同圖8，但為GDDZ

圖10 同圖8，但為CMA-MESO

圖11 同圖8，但為SWC

5 小時(shí)降水峰值時(shí)間檢驗(yàn)

5.1 降水量

根據(jù)不同時(shí)刻降水量確定峰值時(shí)間， 圖12給出了實(shí)況、GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式降水量峰值時(shí)間的空間分布。從實(shí)況（圖12a）來看，攀西地區(qū)峰值時(shí)間主要在03～06時(shí)，個(gè)別站點(diǎn)在18～21時(shí)和21～23時(shí)。GDDZ（圖12b）預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降水峰值時(shí)間整體也在03～06時(shí)，但與實(shí)況不同的是涼山州北部降水峰值時(shí)間多在21～23時(shí)。從CMA-MESO模式（ 圖12c）預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降水峰值時(shí)間來看，涼山州北部大多在21～23時(shí)，涼山州南部大多在00～03時(shí)，而攀枝花市北部大多在00～03時(shí)，攀枝花市南部與實(shí)況接近在03～06時(shí)。從SWC模式（ 圖12d）預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降水峰值時(shí)間來看，涼山州西部大多在21～23時(shí)，涼山州東部在00～03時(shí)，而攀枝花市大多在18～21時(shí)。綜合而言，GDDZ預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降水峰值時(shí)間更接近實(shí)況。

圖12 實(shí)況（a）、GDDZ（b）、CMA-MESO模式（c）、SWC模式（d）降水量峰值時(shí)間的空間分布（單位：時(shí)）

5.2 小時(shí)降水強(qiáng)度

根據(jù)不同時(shí)刻小時(shí)降水強(qiáng)度確定峰值時(shí)間，圖13給出了實(shí)況、GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式降水強(qiáng)度峰值時(shí)間的空間分布。從實(shí)況（圖13a）來看，攀西地區(qū)降水強(qiáng)度峰值時(shí)間大多在03～06時(shí)，但18～21時(shí)和21～23時(shí)峰值站點(diǎn)只略少于上述峰值站點(diǎn)，零散分布于攀西地區(qū)。從GDDZ(圖13b)預(yù)報(bào)攀西地區(qū)小時(shí)降水強(qiáng)度峰值時(shí)間來看，涼山州主要出現(xiàn)在15～21時(shí)，攀枝花市峰值分別出現(xiàn)在00～03時(shí)、03～06時(shí)、21～23時(shí)，各占1/3。CMA-MESO模式（圖13c）預(yù)報(bào)涼山州降水強(qiáng)度峰值時(shí)間大多在18～23時(shí)，而攀枝花市峰值時(shí)段出現(xiàn)在03～06時(shí)和18～21時(shí)，各占1/2。SWC模式（圖13d）預(yù)報(bào)涼山州降水強(qiáng)度峰值時(shí)間大多在18～23時(shí)，攀枝花市大多在15～18時(shí)。綜合而言，CMAMESO模式預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降水強(qiáng)度峰值時(shí)間更接近實(shí)況。

圖13 同圖12，但為降水強(qiáng)度峰值時(shí)間

5.3 降雨頻率

根據(jù)不同時(shí)刻降雨頻率確定峰值時(shí)間，圖14給出了實(shí)況、GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式降雨頻率峰值時(shí)間的空間分布。從實(shí)況（圖14a）來看，攀西地區(qū)降雨頻率峰值時(shí)間主要在03～06時(shí)，其中涼山州北部峰值主要出現(xiàn)在00～03時(shí)。從GDDZ（圖14b）預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降雨頻率峰值時(shí)間來看，涼山州西部峰值主要出現(xiàn)在21～23時(shí)，攀西其余地區(qū)主要出現(xiàn)在00～06時(shí)。CMA-MESO模式（圖14c）預(yù)報(bào)涼山州北部降雨頻率峰值大多在21～23時(shí)，涼山州其余地區(qū)主要在03～06時(shí)，攀枝花市大多在03～06時(shí)。SWC模式（圖14d）預(yù)報(bào)涼山州西部降雨頻率峰值時(shí)間大多在21～23時(shí)，涼山州東部在00～03時(shí)，攀枝花市大多在09～12時(shí)。綜合來看，CMA-MESO模式預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降雨頻率峰值時(shí)間更接近實(shí)況。

圖14 同圖12，但為降水頻率峰值時(shí)間

6 結(jié)論與討論

本文基于精細(xì)化預(yù)報(bào)（GDDZ）和CMA-MESO、西南區(qū)域模式（SWC）兩家高分辨率模式的小時(shí)降水預(yù)報(bào)，從TS評(píng)分、小時(shí)降水頻次、小時(shí)降水強(qiáng)度、峰值時(shí)間等方面，對(duì)2021年汛期攀西地區(qū)16次降水過程進(jìn)行小時(shí)尺度的檢驗(yàn)，得到如下主要結(jié)論：

（1）從逐小時(shí)降水TS評(píng)分來看，對(duì)于晴雨（≥0.1 mm），GDDZ在00～11時(shí)表現(xiàn)較優(yōu)，CMA-MESO模式在12～23時(shí)表現(xiàn)較優(yōu)；對(duì)于大雨（≥7 mm）和暴雨（≥15 mm），CMA-MESO模式表現(xiàn)較優(yōu)。

（2）從小時(shí)降水頻次來看，SWC模式預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降水發(fā)生頻次的空間分布與實(shí)況更為接近，00～09時(shí)涼山州降水發(fā)生頻次與實(shí)況較為一致，22～23時(shí)涼山州西北部降水發(fā)生頻次與實(shí)況較為一致，而GDDZ與CMA-MESO模式預(yù)報(bào)降水發(fā)生頻次均大多高于實(shí)況。從小時(shí)降水強(qiáng)度來看，GDDZ預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降水強(qiáng)度與實(shí)況更為接近，特別是09～10時(shí)涼山州降水強(qiáng)度與實(shí)況較為接近，而CMA-MESO與SWC兩家模式預(yù)報(bào)攀西地區(qū)降水強(qiáng)度在大部分時(shí)次較實(shí)況偏強(qiáng)。

（3）根據(jù)降水量確定峰值時(shí)間，GDDZ在攀西地區(qū)的峰值時(shí)間更接近實(shí)況，能夠反映出攀西地區(qū)降水量峰值多集中在03～06時(shí)的特征。根據(jù)小時(shí)降水強(qiáng)度和降雨頻率確定峰值時(shí)間，CMA-MESO模式對(duì)攀西地區(qū)小時(shí)降水峰值時(shí)間的預(yù)報(bào)效果最優(yōu)，而攀枝花市小時(shí)降水強(qiáng)度峰值主要出現(xiàn)在03～06時(shí)和18～21時(shí)。根據(jù)降雨頻率確定峰值時(shí)間，預(yù)報(bào)涼山州北部降雨頻率峰值大多在21～23時(shí)，涼山州其余地區(qū)主要在03～06時(shí)，攀枝花市大多在03～06時(shí)。