BCC-CPSv3 S2S模式對廣東汛期降水的預(yù)測技巧分析

汪明圣，胡婷，謝潔宏，胡婭敏

（1.廣東省氣候中心，廣東廣州 510640；2.廣州市氣象臺，廣東廣州 511430；3.揭陽市氣象局，廣東揭陽 522000）

廣東位于我國南部地區(qū)，所處的緯度較低，其天氣氣候變化深受熱帶季風活動的影響，具有干濕季分明的特征。汛期主要集中在4—9月份，其降水量的多寡是造成廣東旱澇的最主要因素［1］。根據(jù)造成降水的主要天氣系統(tǒng)的差異又可將雨季劃分為前汛期（4—6月）和后汛期（7—9月）。前汛期的暴雨洪澇和后汛期臺風是廣東省主要的氣象災(zāi)害，歷來受到防災(zāi)減災(zāi)機構(gòu)和廣大氣象業(yè)務(wù)人員的關(guān)注，開展了一系列研究［2-4］。

國內(nèi)外氣候模式的快速發(fā)展和應(yīng)用，為開展客觀定量化的氣候預(yù)測提供了有效而可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。近年來，國家氣候中心研制的客觀化氣候預(yù)測新技術(shù)如多模式解釋應(yīng)用系統(tǒng)（MODES）［5］、動力與統(tǒng)計相結(jié)合季節(jié)預(yù)測系統(tǒng)（FODAS）［6］以及月內(nèi)重要過程預(yù)測系統(tǒng)（MAPFS）［7］等在全國進行推廣應(yīng)用，提升了?。▍^(qū)、市）氣候預(yù)測業(yè)務(wù)的客觀化水平。自2016年起，中國氣象局國家氣候中心在第二代氣候預(yù)測模式系統(tǒng)基礎(chǔ)上，引入了國外模式發(fā)展的一些先進經(jīng)驗，并不斷對其進行了改進和創(chuàng)新，建立了一個包含海陸冰氣系統(tǒng)、植被和碳循環(huán)的多圈層耦合的次季節(jié)-季節(jié)-年際尺度一體化氣候模式預(yù)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)——第三代模式預(yù)測系統(tǒng)（BCC_CPSv3），包含次季節(jié)至季節(jié)（Sub-Seasonal to Seasonal，簡稱S2S）預(yù)測和季節(jié)預(yù)測兩個子系統(tǒng)，于2020年底投入準業(yè)務(wù)運行。

模式預(yù)測能力的檢驗評估是了解模式性能，有效應(yīng)用模式信息的重要基礎(chǔ)［8-10］。但截至目前，BCC-CPSv3 S2S模式對廣東地區(qū)氣象要素預(yù)測能力的檢驗評估和解釋應(yīng)用工作尚未開展。因此，有必要結(jié)合業(yè)務(wù)實際需求和防災(zāi)減災(zāi)重點，評估分析BCC-CPSv3 S2S模式對于廣東汛期降水的預(yù)測技巧，為進一步解釋應(yīng)用模式產(chǎn)品，提高極端降水預(yù)測準確率，延長預(yù)測時效打下科學基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 資料

站點資料：由國家信息中心整編的《中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集（V3.0）》，選取其中廣東省86站逐日降水觀測資料，時間2005—2019年。

模式數(shù)據(jù)：中國氣象局次季節(jié)-季節(jié)-年際氣候一體化預(yù)測模式系統(tǒng)（BCC-CPSv3）中的S2S預(yù)測子系統(tǒng)產(chǎn)品，該模式每周發(fā)報兩次（周一、周四），預(yù)報時效0～60 d，水平分辨率為0.25°×0.25°，包含4個子成員，歷史回報時間為2005—2019年。

本研究所用站點資料和模式數(shù)據(jù)的氣候平均值統(tǒng)一為2005—2019年。格點插值到站點的方法采用的是雙線性插值。對BCC-CPSv3 S2S模式產(chǎn)品的4個子成員進行等權(quán)重平均，得到集合平均預(yù)報結(jié)果參與評估?？紤]到業(yè)務(wù)的適用性，本研究僅評估月內(nèi)未來30 d的模式預(yù)測能力，汛期評估樣本量為795個，其中前汛期390個、后汛期405個。

1.2 方法

為了系統(tǒng)性的評估模式的預(yù)測效果，本研究參考世界氣象組織（World Meteorological Organisation，WMO）推薦的標準和方法［11］，采用均方根誤差（RMSE）、距平相關(guān)系數(shù)（ACC）和時間相關(guān)系數(shù)（TCC）共3種指標分別對預(yù)測回報試驗結(jié)果的整體偏差、空間異常模態(tài)一致性和站點異常預(yù)報能力進行定量評估。

2 結(jié)果與分析

2.1 汛期月內(nèi)降水預(yù)測技巧

為比較BCC-CPSv3 S2S模式集合平均和子成員對廣東汛期降水的預(yù)測技巧，分別從整體偏差和空間異常模態(tài)一致性對汛期降水預(yù)測效果進行檢驗評估。

BCC-CPSv3 S2S模式對廣東汛期降水的預(yù)測技巧隨預(yù)測時效的改變而變化。如圖1所示，模式集合平均預(yù)測的均方根誤差明顯小于其他子成員（圖1a），而且對于空間異常模態(tài)一致性（ACC）的把握也優(yōu)于其他子成員（圖1b）。當預(yù)測時效為1 d時，集合平均和各子成員預(yù)測與實況的偏差最小，ACC預(yù)測技巧最高，隨預(yù)測時效的延長模式預(yù)測偏差快速增加，預(yù)測技巧快速衰減。整體來看，模式預(yù)測偏差1～20 d持續(xù)增加，21～30 d變化平緩。以α＝0.01作為相關(guān)檢驗的顯著性水平，BCC-CPSv3 S2S模式對廣東汛期降水空間異常模態(tài)一致性的預(yù)測技巧上限為6 d。按不同預(yù)報時效劃分來看，在天氣尺度（1～10 d）內(nèi)預(yù)測偏差為11.9～14.3 mm，ACC為0.065～0.232。進入次季節(jié)尺度（11～30 d）后，預(yù)測偏差增加為14.6～15.2 mm，ACC降低為0.004～0.028。由此可以看出，BCC-CPSv3 S2S模式在天氣尺度內(nèi)的定量預(yù)測技巧均優(yōu)于次季節(jié)尺度，而集合平均和各子成員之間預(yù)測技巧的差異在次季節(jié)尺度大于天氣尺度，集合平均的預(yù)測結(jié)果明顯優(yōu)于其他子成員。

圖1 BCC-CPSv3 S2S模式對廣東汛期月內(nèi)降水的預(yù)測技巧

廣東省汛期氣候復(fù)雜多變，前汛期與后汛期的影響系統(tǒng)截然不同，前汛期主要以鋒面降水和季風降水為主［12-14］，后汛期降水則主要來自于臺風［1］，因此有必要分開討論模式對于前汛期和后汛期兩個時段的預(yù)測技巧。

與汛期相似，BCC-CPSv3 S2S模式集合平均結(jié)果對前汛期降水預(yù)測的整體偏差小于其他子成員，對于空間異常模態(tài)一致性的把握也優(yōu)于其他子成員。如圖2所示，預(yù)測與實況的均方根誤差在預(yù)測時效為1 d時最小，ACC預(yù)測技巧最高，隨著預(yù)測時效的增加預(yù)測偏差逐漸增加，預(yù)測技巧逐漸下降。同樣表現(xiàn)出天氣尺度內(nèi)的預(yù)測能力高于次季節(jié)尺度，集合平均結(jié)果在次季節(jié)尺度優(yōu)于其他子成員的特征。不同的是，BCCCPSv3 S2S模式對于廣東前汛期降水的預(yù)測偏差呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，空間異常模態(tài)一致性的預(yù)測技巧上限為7 d。天氣尺度內(nèi)的預(yù)測偏差為9.4～12.2 mm，ACC為0.085～0.292。次季節(jié)尺度的預(yù)測偏差為12.2～14.9 mm，ACC為0.009～0.069。與整個汛期相比，前汛期期間模式的預(yù)測偏差降低，定量預(yù)測技巧提高?？梢钥闯?，模式集合平均預(yù)測效果最佳，且對于前汛期降水的預(yù)測能力總體高于整個汛期，對整個汛期的預(yù)測技巧具有正向貢獻。

圖2 BCC-CPSv3 S2S模式對廣東前汛期月內(nèi)降水的預(yù)測技巧

對于后汛期（圖3），模式集合平均在整體偏差和空間異常模態(tài)一致性上的預(yù)測效果也是優(yōu)于其他子成員。同樣，預(yù)測整體偏差在預(yù)測時效為1 d時最低，ACC預(yù)測技巧最高，并隨預(yù)測時效增加而降低，天氣尺度優(yōu)于次季節(jié)尺度。不同的是，模式對后汛期的預(yù)測偏差在天氣尺度持續(xù)增加，而進入次季節(jié)尺度后變化平穩(wěn)，21～30 d有微弱下降，空間異常模態(tài)一致性的預(yù)測技巧上限僅有2 d。天氣尺度內(nèi)的預(yù)測偏差為14.3～16.4 mm，ACC為0.047～0.175。次季節(jié)尺度的預(yù)測偏差為15.1～16.9 mm，ACC為-0.005～0.022。與汛期和前汛期相比，后汛期期間模式的預(yù)測偏差增加，定量預(yù)測技巧降低。由此可以看出，模式集合平均對于后汛期的預(yù)測效果同樣表現(xiàn)最好，但是整體預(yù)測技巧明顯低于前汛期，對整個汛期的預(yù)測技巧是負貢獻。

圖3 BCC-CPSv3 S2S模式對廣東后汛期月內(nèi)降水的預(yù)測技巧

有研究表明，BCC-CPSv3 S2S模式對于四川汛期極端降水的預(yù)測技巧隨著起報時間的臨近而提高，在天氣尺度高于次季節(jié)尺度［9］；BCC-CPSv3 S2S模式對長江上中游地區(qū)的日降水和極端降水事件的預(yù)報性能隨預(yù)見期的增加而下降，6月預(yù)報精度相對較好，這可能與6月主要受大范圍水汽輸送或鋒面這樣較容易預(yù)報的天氣系統(tǒng)有關(guān)［15］，這些研究與本研究的結(jié)論是一致的。

2.2 預(yù)測技巧的空間分布特征

由2.1節(jié)可知，BCC-CPSv3 S2S模式集合平均的預(yù)測技巧明顯優(yōu)于其他子成員，因此在模式預(yù)測技巧的空間變化特征研究中，主要評估了模式集合平均的預(yù)測效果。

圖4為BCC-CPSv3 S2S模式集合平均對于前汛期月內(nèi)候平均降水預(yù)測檢驗的TCC，其中1至6候的提前預(yù)報時效分別為0、5、10、15、20和25 d。從圖4可以看出，模式的降水預(yù)測與觀測降水之間普遍為正相關(guān)。模式對于各站點異常的預(yù)測能力在天氣尺度（前2候）同樣優(yōu)于次季節(jié)尺度（3～6候）。最高的預(yù)測技巧出現(xiàn)在第1候，中北部和粵西部分地區(qū)TCC可達到0.5以上。隨著預(yù)報時效的增加，預(yù)測技巧逐漸下降。全省來看，模式對于前4候的預(yù)測都是有技巧的（通過0.01顯著性水平檢驗）；進入到第5候，預(yù)測技巧明顯降低，只在粵西和東部地區(qū)還存在預(yù)測技巧；而第6候存在預(yù)測技巧的區(qū)域僅有粵西和粵東沿海的部分地區(qū)。由此可見，模式對于前汛期降水的預(yù)測表現(xiàn)較好，大部分地區(qū)有技巧預(yù)測可以持續(xù)到第4候，粵西和粵東沿?？蛇_到第6候。

圖4 BCC-CPSv3 S2S模式對廣東前汛期月內(nèi)候平均降水預(yù)測的TCC分布

與前汛期相比，模式對于后汛期降水的預(yù)測技巧下降較為明顯。與前汛期相似，模式在天氣尺度的預(yù)測效果也是優(yōu)于次季節(jié)尺度的，同樣在第1候表現(xiàn)最好，北部和雷州半島的TCC都在0.5以上（圖5）。

圖5 BCC-CPSv3 S2S模式對廣東后汛期月內(nèi)候平均降水預(yù)測的TCC分布

但是，隨著預(yù)報時效的增加，預(yù)測技巧快速下降。全省來看，模式只對前2候的預(yù)測是有技巧的（通過0.01顯著性水平檢驗）；第3候只有北部地區(qū)部分站點還存在預(yù)測技巧，東部地區(qū)出現(xiàn)了負技巧；第4候僅在粵西部分站點有預(yù)測技巧；第5和6候的預(yù)測在全省都是無技巧的。因此，模式對于后汛期降水的預(yù)測能力較差，全省大部地區(qū)僅在前2候有預(yù)測技巧，進入第3候以后模式預(yù)測技巧大幅降低，全省大部地區(qū)預(yù)測為無技巧。

3 結(jié)論

為提高汛期降水預(yù)測準確率，延長預(yù)測時效，為國產(chǎn)數(shù)值模式產(chǎn)品應(yīng)用打下基礎(chǔ)，本研究基于2005—2019年廣東氣象觀測降水資料和BCC-CPSv3 S2S模式的降水回報資料，采用多種指標評估分析了模式產(chǎn)品對廣東汛期降水的預(yù)測能力。結(jié)果表明：

1）BCC-CPSv3 S2S模式集合平均的預(yù)測技巧優(yōu)于其他4個子成員，模式預(yù)測技巧隨預(yù)測時效的增加而降低，對于天氣尺度的預(yù)測能力明顯高于次季節(jié)尺度。

2）模式對于前汛期降水的預(yù)測能力明顯優(yōu)于后汛期，主要體現(xiàn)在前汛期預(yù)測偏差明顯低于后汛期，且前汛期空間異常模態(tài)一致性的預(yù)測技巧上限可達7 d，后汛期僅為2 d，這反映了模式對于鋒面降水和季風降水的預(yù)測能力優(yōu)于臺風降水。

3）從模式預(yù)測技巧的空間分布來看，模式對于前汛期降水的預(yù)測表現(xiàn)較好，大部分地區(qū)有技巧預(yù)測可以持續(xù)到第4候，粵西和粵東沿?？蛇_到第6候；而對于后汛期降水的預(yù)測能力較差，全省大部地區(qū)僅在前兩候有預(yù)測技巧，進入第3候以后全省大部地區(qū)為無技巧。

本研究主要分析了BCC-CPSv3 S2S模式對廣東汛期降水的預(yù)測技巧，但是由于篇幅有限，未對模式的誤差來源進行研究，同時對于模式的誤差訂正工作也有待下一步開展。