4種數(shù)值降水預(yù)報產(chǎn)品在海河流域的應(yīng)用檢驗

徐 姝，魏 琳，鄧 巖

4種數(shù)值降水預(yù)報產(chǎn)品在海河流域的應(yīng)用檢驗

徐 姝1，魏 琳2，鄧 巖3

（1.天津市氣象臺，天津300074；2.海河水利委員會水文局，天津300170，3.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司航測遙感院，天津300222）

模式定量降水預(yù)報作為一種客觀化預(yù)報方式已成為天氣預(yù)報業(yè)務(wù)工作中的主要參考依據(jù)，為了解日本、德國、T639及天津（TJ-WRF）4種模式降水預(yù)報產(chǎn)品在海河流域的預(yù)報性能，從TS評分、漏報率、空報率、預(yù)報偏差等方面對4種模式進(jìn)行了檢驗和評估。結(jié)果表明，4種模式各有優(yōu)劣，對于小雨的預(yù)報，WRF和T639表現(xiàn)好于其它模式；對于中雨的預(yù)報，日本模式和T639的可信度較高；對于大雨的預(yù)報，T639的表現(xiàn)略好于其它模式；對于暴雨以上的預(yù)報，各模式的表現(xiàn)均很差。就預(yù)報偏差而言，各模式的預(yù)報偏差都基本偏小，且量級越大預(yù)報偏差誤差越大，其中天津WRF和T639的偏小幅度小于其它2個模式。

海河流域；數(shù)值模式；降水預(yù)報；統(tǒng)計檢驗；定量誤差

海河流域東臨渤海，南界黃河，西靠云中、太岳山，北倚蒙古高原，地跨8個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）。流域內(nèi)發(fā)源于太行山、燕山背風(fēng)坡的河流，源遠(yuǎn)流長，山區(qū)匯水面積大，水流集中；而發(fā)源于太行山、燕山迎風(fēng)坡的河流，支流分散，源短流急，洪峰高、歷時短、突發(fā)性強。海河流域地理位置特殊，地形地貌復(fù)雜，天氣氣候多變，暴雨災(zāi)害頻發(fā)。海河流域氣象中心工作的重點是降水預(yù)報和與之相關(guān)的災(zāi)害性天氣預(yù)報。在眾多的降水預(yù)報方法中，數(shù)值預(yù)報模式表現(xiàn)出對客觀定量降水預(yù)報的巨大潛力，已經(jīng)成為目前業(yè)務(wù)預(yù)報領(lǐng)域不可替代的參考預(yù)報方法。國內(nèi)從1991年北半球數(shù)值模式（T42），發(fā)展到1997年高分辨率的有限區(qū)模式（HLAFS）和全球模式（T213）。國外目前應(yīng)用的模式有歐洲中心全球譜模式（T319L60）、日本譜展開模式（T213L30）。數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品在內(nèi)容、時效、層次上不斷增多，已經(jīng)成為廣大預(yù)報員在日常天氣預(yù)報中的主要參考依據(jù)。面對如此眾多的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，究竟哪個模式對海河流域的天氣預(yù)報更好？產(chǎn)品檢驗及誤差分析[1-5]是擇優(yōu)使用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品、提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確率的有效途徑，同時也可為研究數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品釋用方法提供一定的參考依據(jù)。本文對在海河流域業(yè)務(wù)使用的T639數(shù)值預(yù)報、德國降水預(yù)報、日本數(shù)值預(yù)報以及天津WFR的結(jié)果進(jìn)行檢驗，以了解4種模式對海河流域區(qū)域的預(yù)報能力，以便更好地為應(yīng)用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品、改進(jìn)數(shù)值模式提供參考。

1 資料和方法

降水預(yù)報檢驗以檢驗落點預(yù)報為主，檢驗區(qū)域為海河流域，涉及北京、天津、河北、山西、河南、內(nèi)蒙古、山東、遼寧8個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），共238個站點。檢驗時段為2014年和2015年6—9月。降水實況為當(dāng)日8時（北京時間）至次日8時的24 h累計降水，模式的預(yù)報為與實況相對應(yīng)的每天20時起報的12～36和36～60 h的24 h累計降水預(yù)報。首先將日本（JMA）、德國（GRE）、T639以及TJ-WRF 4個模式12～36、36～60 h格點預(yù)報數(shù)據(jù)采用雙線性插值的辦法內(nèi)插到海河流域各氣象站點，以此作為數(shù)值模式對氣象站點的24、48 h降水預(yù)報資料。

模式的客觀預(yù)報檢驗參考中國氣象局下發(fā)的降水檢驗辦法，采用分級降水評分和累加降水評分。分級降水評分分為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6個等級，累加降水評分分為≥0.1 mm、≥10 mm、≥25 mm、≥50 mm 4個等級?？陀^預(yù)報檢驗使用TS評分、空報率、漏報率、晴雨評分和預(yù)報偏差（B值）等檢驗量來綜合分析各模式在海河流域的預(yù)報性能。

針對強降水預(yù)報，全球數(shù)值模式存在一定的系統(tǒng)性誤差，預(yù)報往往偏小，誤差具有一致性，有利于預(yù)報員在強降水預(yù)報中進(jìn)行相關(guān)訂正及解釋。因此，采用類似于溫度、氣壓預(yù)報評價中常使用的誤差檢驗方法，對日本、德國、T639及TJ-WRF 4種降水產(chǎn)品預(yù)報誤差的平均偏大率、平均偏小率、平均偏大誤差、平均偏小誤差等特征量進(jìn)行統(tǒng)計檢驗，其中相關(guān)定義如下：

（1）強降水：日降水（8—8時）≥25 mm。

（2）預(yù)報誤差：Xi=[（Xp-X0）/X0]×100%，Xp為預(yù)報值，X0為實況值。

（3）預(yù)報偏大率：Sg=（Ng/N）×100%。在強降水個例中，如果某站預(yù)報誤差Xi＞0，則認(rèn)為該站預(yù)報偏大。Ng為所有強降水過程中預(yù)報誤差Xi＞0的總站次，N則為日降水（8—8時）≥25 mm的總站次。

（4）預(yù)報偏小率：Sl=（Nl/N）×100%。在強降水個例中，如果某站預(yù)報誤差Xi＜0，則認(rèn)為該站預(yù)報偏小。Nl為所有強降水過程中預(yù)報誤差Xi＜0的總站次，N定義同上文。

2 客觀檢驗結(jié)果

2.1 海河流域降水預(yù)報統(tǒng)計檢驗結(jié)果

4種數(shù)值模式對海河流域238站的降水要素預(yù)報累加檢驗結(jié)果，詳見表1。檢驗結(jié)果表明，4種模式的預(yù)報能力均隨著預(yù)報時效和降水量級的增加不斷減弱，且隨著降水量級的增加模式預(yù)報逐漸以空報為主轉(zhuǎn)為漏報為主。對于小雨以上的預(yù)報來說，24/36 h模式的空報率為36%～54%，明顯大于漏報率（4%～24%）；4個模式中TJ-WRF模式各時效的TS評分最高（24/36 hTS評分為53.3），空報率最?。?4/ 36 h空報率36%）、預(yù)報偏差也最小，但其對應(yīng)的漏報率最大；雖然日本模式的預(yù)報TS評分較TJ-WRF模式略低，但需要指出的是，其漏報率明顯小于其它3個模式，24/36 h漏報率僅為4.2%，因此在業(yè)務(wù)工作中可以作為補漏的參考資料。對于中雨以上的預(yù)報來說，日本與T639的總體預(yù)報性能相當(dāng)，略好于其它2個模式。對于大雨以上的預(yù)報來說，T639的預(yù)報性能略好于其它3個模式，4個模式的空報率均小于漏報率，日本與T639的24/36 h的空報率相當(dāng)，TJ-WRF的漏報率相對較小。對于暴雨以上的預(yù)報來說，4個模式的表現(xiàn)均較差，TJ-WRF及T639性能略好于其它2個模式，TJ-WRF的漏報率最低，日本模式的空報率最低。降水要素預(yù)報分級檢驗結(jié)果，詳見表2。從檢驗結(jié)果分析，其規(guī)律與累加檢驗的結(jié)果類似，這里不做具體分析。

表1 各數(shù)值預(yù)報模式降水預(yù)報累加檢驗結(jié)果

表2 各數(shù)值預(yù)報模式降水預(yù)報分級檢驗結(jié)果

2.2 海河流域降水檢驗結(jié)果空間分布

2.2.1 小雨預(yù)報

海河流域4個模式24 h小雨預(yù)報TS分布，如圖1所示。從圖1可以看到，各模式對小雨預(yù)報的TS評分在海河流域中部和南部較低，中南部以外的地區(qū)評分較高，其中海河流域北部的TS評分在50以上。就4個模式而言，日本、T639和TJ-WRF的TS評分40以上的區(qū)域大于德國，其中T639、TJ-WRF的TS評分就空間分布而言好于日本的模式。

圖14 種模式對海河流域小雨預(yù)報TS評分空間分布

2.2.2 中雨預(yù)報

海河流域4個模式24 h中雨預(yù)報TS分布，如圖2所示。從圖2可以看到，總體而言，各模式在海河流域西南部和東北部的評分高于其它區(qū)域。4個模式中，德國的TS評分小于30的區(qū)域明顯大于其它3個模式，日本的TS評分好于其它3個模式，且對于流域中部的預(yù)報TS評分來說，日本模式明顯好于其它3個模式。

圖24 種模式對海河流域中雨預(yù)報TS評分空間分布

2.2.3 大雨預(yù)報

海河流域4個模式24 h大雨預(yù)報TS分布，如圖3所示。從圖3可以看到，總體而言，各模式在海河流域全區(qū)范圍的TS評分較低，在流域西北部的TS評分略高于其它區(qū)域。

圖34 種模式對海河流域大雨預(yù)報TS評分空間分布

2.2.4 暴雨及以上預(yù)報

海河流域4個模式24 h暴雨及以上預(yù)報TS分布，如圖4所示。從圖4可以看到，總體而言，各模式在海河流域全區(qū)范圍的TS評分較低，日本模式TS評分在流域東部較高，其余3個模式在流域西北部的TS評分略高于其它區(qū)域。

圖44 種模式對海河流域暴雨預(yù)報TS評分空間分布

3 短期強降水預(yù)報定量誤差評估

參照中國氣象局TS技巧評分中雨量等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將強降水過程按照24 h降水量劃分為大雨、暴雨、大暴雨以上3個量級，并按這個劃分標(biāo)準(zhǔn)，計算3種預(yù)報產(chǎn)品的統(tǒng)計量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 按量級4種降水產(chǎn)品的預(yù)報偏小率、平均偏小誤差、平均偏大誤差

從圖5（a）、（b）的24、48 h 2個時段預(yù)報偏小率的分布可見，對于各量級降水，4種產(chǎn)品預(yù)報值均小于實況值，且隨著實況量級的增加預(yù)報偏小的次數(shù)也逐漸增多，反映了數(shù)值模式對降水預(yù)報一致偏小的系統(tǒng)特征。4種產(chǎn)品之間預(yù)報偏小率也各有不同，其中日本模式在24、48 h 2個時次大雨和暴雨的預(yù)報偏小率均高于其它3種產(chǎn)品，暴雨的預(yù)報偏小率接近100%；TJ-WRF的大雨、暴雨和大暴雨2個時次的預(yù)報偏小率均小于其它3種產(chǎn)品。

從圖5（c）、（d）可以看出，4種產(chǎn)品的預(yù)報值與實況相比，預(yù)報平均偏小誤差均偏小明顯，24 h的最小誤差也在-50%以上。比較而言，TJ-WRF和T639的大雨和暴雨2個時次的平均偏小誤差相當(dāng)，均小于其它2個模式；對于大暴雨及以上的降水，TJ-WRF的平均偏小誤差相對其它3種產(chǎn)品最小。

4種產(chǎn)品的預(yù)報大多數(shù)比實況偏小，但也存在偏大的情況。從圖5（e）、（f）可以看出，4種產(chǎn)品2個時次的平均偏大誤差基本在20%以內(nèi)，其中大雨預(yù)報平均偏大較明顯；4種產(chǎn)品中，日本的平均偏大誤差小于其它3個模式，TJ-WRF的平均偏大誤差大于其它3個模式。

綜合分析表明，4種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品在各個雨量量級上的預(yù)報基本上都偏小，且偏小誤差較大。4個模式中，T639和TJ-WRF對于大雨和暴雨的預(yù)報偏差相當(dāng)，好于日本和德國的模式，對于大暴雨來說TJ-WRF偏差最小。

4 結(jié)語

綜上所述，對于小雨的預(yù)報，主要參考TJ-WRF和T639的預(yù)報結(jié)果，并參考日本模式的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行補漏，且降水落區(qū)位于流域中南部以外地區(qū)的可信度較高；對于中雨的預(yù)報，主要參考日本模式的預(yù)報結(jié)果，并結(jié)合T639的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行綜合考慮，且對于降水落區(qū)位于流域中部的情況，日本模式的可信度較高；對于大雨的預(yù)報，T639的表現(xiàn)略優(yōu)于其它3個模式，模式的預(yù)報以漏報為主，可適當(dāng)參考漏報率較低的TJ-WRF的預(yù)報結(jié)果，且降水落區(qū)位于流域西北部的情況較可信；對于暴雨及以上的預(yù)報，各模式的表現(xiàn)均較差，相對而言TJ-WRF的表現(xiàn)較好，漏報率較低，另外可適當(dāng)參考日本模式的結(jié)果（空報率低），日本模式預(yù)報降水落區(qū)位于流域東部的情況較可信，其它3個模式預(yù)報降水落區(qū)位于流域西北部的情況較可信。

就預(yù)報偏差而言，各模式的預(yù)報偏差都基本偏小，其中TJ-WRF和T639的偏小概率和幅度小于其它2個模式，且量級越大預(yù)報偏差誤差越大。因此，在釋用模式的預(yù)報結(jié)果時，應(yīng)在模式預(yù)報的基礎(chǔ)上適當(dāng)加大預(yù)報降水值的訂正，量級越大增加幅度越大。

[1]許美玲，孫績?nèi)A.MM 5中尺度非靜力模式對云南省降水預(yù)報檢驗[J].氣象，2002，28（12）：24-26.

[2]孔海江.2003年汛期3種中尺度數(shù)值預(yù)報模式降水預(yù)報檢驗[J].河南氣象，2005（1）：9-11.

[3]羅綱.T213對貴州省24小時雨量預(yù)報檢驗[J].貴州氣象，2003，27（1）：18-20.

[4]李輝，宋靖，霍傳秀，等.T213模式對河南省降水預(yù)報檢驗評價[J].河南氣象，2004（4）：16-17.

[5]康玲，祁伏裕，孔文甲，等.數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品檢驗及誤差分析方法簡介[J].內(nèi)蒙古氣象，2003（3）：16-19.

ContrastiveVerificationofPrecipitationForecastingofFourNWPModels
intheHaiheRiverBasin

XU Shu1，WEI Lin2，DENG Yan3
（1.Tianjin Meteorological Observatory，Tianjin 300074，China；2.Bureau of Hydrology，Haihe Water Conservancy Commission，Tianjin 300170，China；3.Aerial Survey and Remote Sensing Institution，Beifang Investigation，Design&Research Co.Ltd，Tianjin 300222，China）

The quantitative precipitation forecast of NWP models has become a major basis of everyday operation weather forecast at the moment.The precipitation forecasts of four NWP models，including a Germen global model，a Japanese global model，T639 and Tianjin-WRF are verified and assessed by the objective rainfall verification methods to find out the prediction performance of them in the Haihe River Basin.The results show that there are unique advantages of the four models for different rainfall classification.The forecast by Tianjin-WRF and T639 model is better than the others for the light rain；the forecast by Japanese and T639 model is more credible for the moderate rain；the performance of T639 is the best among the four models forecast for the heavy rain；the performance of four models are poorly for the more severe rain.The predicted error is small for all of the four models，and the heavier the rain is，the greater the predicted error is.The amplitude of predicted error of Tianjin-WRF and T639 model is smaller than the other two models.

the Haihe River Basin；numerical model；precipitation forecasting；statistic test；quantitative error

TV124；P338

A

1004-7328（2017）02-0045-07

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.015

2016—11—12

徐姝（1984—），女，碩士，工程師，主要從事短期天氣預(yù)報工作。