大渡河上游面雨量預報質(zhì)量檢驗與釋用

黃 瑤,劉新超,淡 嘉

(1.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室,四川 成都 610072;2.四川省氣象服務中心,四川 成都 610072)

0 引言

面雨量是洪水預報的重要參數(shù),是抗洪救災及水電資源調(diào)度的重要參考依據(jù)[1-3],面雨量預報成為水文氣象服務的重要業(yè)務之一。隨著數(shù)值預報的發(fā)展,各類數(shù)值預報產(chǎn)品被應用于面雨量預報研究,各類產(chǎn)品對不同區(qū)域的預報效果也不盡相同,因而預報產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗及釋用不可或缺。關于面雨量預報產(chǎn)品檢驗方面的研究已經(jīng)有了諸多成果[4-7]。劉靜等[8]基于站點降水資料和4個數(shù)值模式預報資料對淮河流域汛期面雨量進行了檢驗評估,發(fā)現(xiàn)ECMWF預報整體上優(yōu)于其他模式預報。王紅燕等[9]利用T213預報產(chǎn)品構建了沙澧河上游關鍵區(qū)的暴雨和大暴雨模型并檢驗了該模型對強降水的預報準確率。楊詩芳等[10]運用模糊評分法研究了MM5數(shù)值預報產(chǎn)品在錢塘江和太湖地區(qū)面雨量的預報水平,發(fā)現(xiàn)應用對數(shù)線性釋用方法釋用該數(shù)值預報產(chǎn)品后使預報可信度明顯增加。朱占云等[11]研究了多模式預報產(chǎn)品在浙江省水庫流域面雨量的預報效果,檢驗結果表明對大雨、暴雨的預報ECMWF效果優(yōu)于其他模式,而對中雨的預報則是OCT模式較好。張艷等[12]應用動態(tài)系統(tǒng)響應校正技術,對大渡河面雨量進行實時修正處理,提高了預報精度。

大渡河流域是岷江的最大支流,是岷江正源,發(fā)源于青海省玉樹藏族自治州境內(nèi)阿尼瑪卿山脈的果洛山南麓,全長1062 km,流域面積達7.77萬km2。大渡河上游地形復雜,流經(jīng)川西高原,高度差顯著,徑流量大,擁有多個梯級水電站,是西南地區(qū)重要的水利樞紐和淡水來源[13-14]。面雨量預報對大渡河水電調(diào)度、洪峰預測均有重要影響。開展大渡河流域面雨量預報質(zhì)量檢驗及本地化釋用研究,對于提高大渡河流域防汛決策以及水電氣象服務水平具有重要意義 。智能網(wǎng)格預報模式(NWGD)應用于大渡河面雨量預報方面的研究還不多,NWGD產(chǎn)品是四川省流域預報業(yè)務中的重要參考指標,而對該預報產(chǎn)品的預報效果還需檢驗評估。本文基于NWGD降水預報產(chǎn)品,同時利用CMPAS-V2.1融合降水產(chǎn)品作為實況資料,計算大渡河上游面雨量,采用平均絕對誤差、晴雨預報正確率、TS評分、空報率、漏報率等指標對面雨量進行分級檢驗,并對評估結果進行解釋應用。

1 資料來源及方法

1.1 資料來源及研究區(qū)域

本文主要以2019年6—10月期間大渡河上游降水為研究對象,研究區(qū)域包括色達、斑馬、久治等14個縣域,具體區(qū)域范圍見圖1。本文選用的數(shù)值預報產(chǎn)品是中央氣象臺下發(fā)的NWGD降水預報產(chǎn)品,空間分辨率為5 km×5 km,預報時效為24～240 h,該數(shù)據(jù)可通過省級通訊網(wǎng)絡獲取。降水實況資料選用CMPAS-V2.1融合降水產(chǎn)品,空間分辨率為5 km×5 km,時間分辨率為1 h,通過時間重采樣將時間分辨率調(diào)整為1 d,該數(shù)據(jù)可通過中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)獲取。CMPAS-V2.1產(chǎn)品是由國家信息中心研發(fā),基于“概率密度函數(shù)(PDF)+貝葉斯模式平均(BMA)+最優(yōu)插值(OI)”方法研制的中國區(qū)域地面自動站、衛(wèi)星、雷達三源降水融合的降水實況產(chǎn)品?；讵毩颖镜慕y(tǒng)計檢驗表明,該產(chǎn)品各項統(tǒng)計指標均優(yōu)于TRMM多衛(wèi)星降水分析產(chǎn)品和NOAA/CPC研制的全球陸地日值降水格點分析產(chǎn)品(GPCP),能更好地反映我國地面降水實況。該產(chǎn)品已經(jīng)在全國范圍內(nèi)投入業(yè)務使用,其在智能網(wǎng)格預報、氣象災害預警業(yè)務監(jiān)測及產(chǎn)品檢驗、GPAPES檢驗評估等業(yè)務中發(fā)揮積極作用[15-16]。預報產(chǎn)品和實況產(chǎn)品均采用算數(shù)平均法[17-18]計算大渡河上游流域面雨量。

圖1 大渡河上游研究區(qū)域Fig.1 Research area in the upper reaches of Dadu River

1.2 檢驗方法

參考我國江河面雨量等級劃分標準,將24 h面雨量劃分為小雨(0.1～5.9 mm) 、中雨(6.0～14.9 mm)、大雨(15.0～29.9 mm )、暴雨(≥30.0 mm) 4個等級。根據(jù)《中短期天氣預報質(zhì)量檢驗辦法》(中國氣象局,2005)中降水預報質(zhì)量評分標準和《全國七大江河流域面雨量監(jiān)測預報業(yè)務規(guī)定》中面雨量檢驗方法,采用平均絕對誤差、平均晴雨正確率和TS分級評分統(tǒng)計評價指標,對大渡河上游面雨量預報產(chǎn)品進行檢驗。各統(tǒng)計評價指標如下[5-6]:

平均絕對誤差(En):指預報值和實況值的平均絕對誤差,其計算式為:

(1)

式中,n為有降水預報正確的天數(shù),Rf為有降水且預報正確時的面雨量預報值,R0為有降水且預報正確時的面雨量實況值,本文僅統(tǒng)計實況有降水且預報也有降水時的誤差。

晴雨預報正確率為:

(2)

式中,NA為有降水預報正確次數(shù),NB為空報次數(shù),NC為漏報次數(shù) ,ND為無降水預報正確的次數(shù)。

對降水分級檢驗,各級TS評分為 :

(3)

漏報率為:

(4)

空報率為:

(5)

式中,k為1～4級,分別代表小雨、中雨、大雨、暴雨及以上降水預報。NAk為k級別降水預報正確次數(shù),NBk為k級別降水空報次數(shù),NCk為k級別降水漏報次數(shù)。

統(tǒng)計6—10月降水情況,大雨及其暴雨的次數(shù)較少,為了使統(tǒng)計結果更具可信度,本文僅對小雨及中雨量級預報結果進行檢驗。

2 預報質(zhì)量檢驗評估

2.1 平均絕對誤差檢驗

圖2給出了基于NWGD預報產(chǎn)品24～240 h面雨量預報的平均絕對誤差,由圖可見240 h預報時效內(nèi),平均絕對誤差范圍控制在5.6 mm以內(nèi),預報整體效果較好。144 h時效內(nèi),隨著預報時效延長,面雨量預報的平均絕對誤差呈現(xiàn)增大的趨勢。24 h時效平均誤差最小為3.9 mm,144 h時效平均誤差最大為5.6 mm。168～240 h之間平均絕對誤差有減小的趨勢,平均絕對誤差小于120 h和144 h時效,其中216 h時效平均絕對誤差僅大于24 h時效。從平均絕對誤差檢驗結果看,NWGD預報產(chǎn)品在大渡河面雨量中具有參考意義,24 h和216 h預報時效效果最佳。

圖2 平均絕對誤差Fig.2 Distribution of mean absolute error

2.2 晴雨預報質(zhì)量檢驗

圖3給出了基于NWGD預報產(chǎn)品不同時效面雨量的晴雨預報正確率。分析發(fā)現(xiàn)晴雨預報正確率隨預報時效沒有明顯的變化規(guī)律。24～240 h的預報正確率維持在78%～88%之間,72 h預報時效正確率最高,達到88%,其次是24 h預報和168 h預報,正確率均達到87%。192 h和216 h的正確率較低,在80%以下,其余預報時效均在80%以上?？傮w來看,NWGD預報產(chǎn)品在大渡河上游面雨量的晴雨預報可信度較高,具有參考意義。

圖3 晴雨預報正確率Fig.3 Distribution of forecast accuracy rate

2.3 降水預報分級檢驗

2.3.1TS評分 從小雨和中雨量級的TS評分(圖4)來看,小雨的TS評分遠大于中雨TS評分。小雨24 h時效TS評分最高,達到76%,192 h和240 h預報時效的評分較低,分別為54%和59%,其余時效的TS評分均在60%以上,其中24 h和48 h預報時效在70%以上。中雨量級24～240 h預報時效的TS評分均較低,最高的是24 h預報時效為35%,TS評分隨時效變化沒有明顯的規(guī)律。以上分析說明NWGD預報產(chǎn)品對中雨量級面雨量預報質(zhì)量還有待提高,對小雨的預報質(zhì)量較好,參考意義較大。

圖4 小雨、中雨面雨量TS評分Fig.4 The TS score of light rain and moderate rain

2.3.2 空報率 從各時效的空報率來看(圖5),小雨的空報率均遠低于中雨的空報率。小雨24～240 h空報率范圍為14%～27%,空報率最低的是120 h和168 h時效,均為14%,192 h預報時效空報率最高,為27%,24～240 h時效的平均空報率為19%。中雨空報率較大,平均達到70%,48 h的空報率最小為59%,引起中雨空報最主要的原因是將小雨量級面雨量報大。

圖5 小雨、中雨面雨量空報率Fig.5 The false report rate of light rain and moderate rain

2.3.3 漏報率 從各時效的漏報率來看(圖6),小雨的平均漏報率比空報率略大,平均21.8%。24 h時效漏報率最低為8%,其次是48 h為11%,各時效漏報率范圍在8%～32%之間波動,其中最容易漏報的時效為192 h,為32%。中雨各時效的漏報率均高于小雨,范圍在25%～50%之間,其中漏報率最小的是120 h時效,最大的是96 h和216 h時效,均達到50%。各時效的中雨漏報率均小于空報率,平均為36.6%。

圖6 小雨、中雨面雨量漏報率Fig.6 The missing report rate of light rain and moderate rain

3 預報產(chǎn)品的釋用

3.1 小雨的消空處理

為了降低小雨的空報率從而提高晴雨預報正確率,有必要對小雨進行消空處理。12～72 h預報時效空報時的絕對誤差范圍大多集中于1 mm以內(nèi),而96～240 h預報時效發(fā)生空報的絕對誤差范圍相對較大,如果修正范圍過大又將引起24～72 h預報時效內(nèi)漏報率增大,綜合考慮各指標最優(yōu)化消空方案,本文將各預報時效小雨量級低于0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm和1 mm的預報值分別當做0 mm處理,結果如圖7所示。各預報時效消空處理后晴雨預報率提升不明顯。24～72 h預報時效分別將0.6 mm、0.4 mm、0.2 mm預報值當做0 mm處理后,晴雨預報正確率略有提升,其余時效預報晴雨正確率消空之后均有所降低。所以在實際預報中可適當考慮在72 h時效范圍內(nèi)將0.6 mm以下降水當做0 mm處理,一定程度可以提高晴雨預報正確率。

圖7 各預報時效小雨的消空處理Fig.7 The forecast accuracy rate of light rain as the forecast of precipitation below 1 mm removed

3.2 中雨的消空處理

由于中雨量級的空報率較大,所以將中雨以上面雨量預報超出小雨量級 1 mm、2 mm、3 mm、4 mm的降雨預報值分別減去1 mm、2 mm、3 mm、4 mm的方式來降低中雨空報率(以24 h預報時效為例),如圖8所示。綜合來看將中雨量級介于6～9 mm的預報量減去3 mm的效果最好。在漏報率保持不變的基礎上,TS評分從原來的34.8%提升至42.1%,空報率從原來的60%降低至50%。

圖8 24 h預報時效中雨量級的消空處理Fig.8 The TS score , false report rate and missing report rate of moderate rain as the forecast value of moderate rain reduced to light rain

4 結論與討論

本文選取2019年6—10月CMPAS-V2.1融合降水分析實時數(shù)據(jù)產(chǎn)品檢驗NWGD降水預報產(chǎn)品在大渡河上游面雨量的預報效果,并對預報產(chǎn)品小雨和中雨量級進行了消空處理,得到如下結論:

(1)NWGD降水預報產(chǎn)品在大渡河上游面雨量平均絕對誤差范圍控制在5.6 mm以內(nèi),預報整體效果較好,其中以24 h預報時效效果最佳。晴雨預報可信度較高,預報正確率維持在78%～88%之間,其中72 h預報時效正確率最高為88%,具有較高的參考意義。

(2)NWGD降水預報產(chǎn)品小雨的TS評分遠大于中雨,空報率和漏報率均遠低于中雨。小雨量級的平均漏報率比空報率略大,而中雨量級的漏報率小于空報率?？傮w來說中雨量級面雨量預報質(zhì)量還有待提高,而對小雨的預報效果較好,參考意義較大。

(3)將小雨和中雨分別做消空處理,小雨72 h時效范圍內(nèi)將0.6 mm以下降水當做0 mm處理,一定程度可以提高晴雨預報正確率。將中雨量級介于6～9 mm的預報量減去3 mm做消空處理后預報效果有明顯提升,在漏報率保持不變的基礎上,TS評分從原來的34.8%提升至42.1%,空報率從原來的60%降低至50%。

由于本文研究所收集到的數(shù)據(jù)時間較短,涵蓋的樣本個例較少,文章中的消空處理僅簡單的對所有預報時效采用了統(tǒng)一的處理方案?？紤]到預報誤差通常會隨預報時效、月份或季節(jié)而變化,消空處理方案也應該針對不同時間尺度進行調(diào)整。下一步將收集更長時間序列的研究數(shù)據(jù),根據(jù)預報產(chǎn)品對各降雨量等級在不同時間尺度上的誤差表現(xiàn),進行更有針對性的消空處理,并對各消空方案進行應用驗證,以提升NWGD降水預報產(chǎn)品在大渡河上游地區(qū)的預報準確率。