數(shù)值降水模式預報在尼爾基流域應(yīng)用的精度分析

孟祥國，張 王月，黃曉宇

（嫩江尼爾基水利水電有限責任公司，黑龍江齊齊哈爾161005）

1 概述

目前，我國降水預報精度評定廣泛采用中國氣象局制定的《重要天氣預報質(zhì)量評定辦法》，此辦法主要對各種降水預報產(chǎn)品預報的正確率、空報率和漏報率進行統(tǒng)計分析，對數(shù)值降水模式預報精度評定辦法較少。研究分析降水模式預報的數(shù)據(jù)由中國洪水預報系統(tǒng)提供，預報數(shù)據(jù)與尼爾基流域面雨量作對比，分析方法借鑒洪水預報中的精度評定指標，結(jié)合現(xiàn)有的降水預報檢驗方法，為尼爾基流域預報應(yīng)用提供參考。

2 數(shù)值降水模式預報類型

中國洪水預報系統(tǒng)由水利部水文局編制，系統(tǒng)提供了三種類型數(shù)值降水模式預報產(chǎn)品，分別為歐洲氣象中心模式、日本模式和中國氣象局模式。

3 預報的精度分析方法和評定標準

文中按照綜合評定、小雨、中雨以上量級評定進行劃分。其中：綜合評定是應(yīng)用相關(guān)系數(shù)和確定性系數(shù)指標從總體上對各降水預報產(chǎn)品進行綜合分析；在小雨、中雨量級評定上，均采用平均偏大、偏小誤差指標評估。

文中所采用的面雨量等級按照（GBT 28592-2012）《降水量等級》中的降水量等級劃分標準進行分級，詳見表1。

3.1 相關(guān)系數(shù)r

文中采用相關(guān)系數(shù)的值，來判斷實測雨量和預報雨量兩個變量線性相關(guān)的密切程度，用相關(guān)系數(shù)的值是否接近于1，來衡量兩者間密切程度的高低，在一定程度上可以反映出預報值的準確性，相關(guān)系數(shù) r的計算公式如下：

表1 24 h降雨量等級劃分表

式中：Po，i和 Pf，i分別為實測降雨量和預報降雨量，和分別為實測平均降雨量和預報平均降雨量。

3.2 確定性系數(shù)DC

參照（GB/T 22482-2008）《水文情報預報規(guī)范》，在水文預報方案評定中常用確定性系數(shù)來評定其有效性，根據(jù)其概念，可評定降水預報的有效性，確定性系數(shù) DC的計算公式如下

3.3 偏大、偏小誤差率

為了定量描述降雨預報值相對實況值的偏大、偏小程度，同時考慮強降雨的重要性，將小雨、中雨量級以上降雨進行統(tǒng)計，引入偏大率 Pb、平均偏大誤差Wb、偏小率 Ps、平均偏小誤差Ws等指標，各指標計算公式如下：

式中：Nb、Ns分別為預報偏大、預報偏小的樣本數(shù)目；N為樣本總數(shù)。

4 尼爾基流域應(yīng)用

尼爾基水利樞紐位于黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界的嫩江干流中上游，是一座以防洪、城鎮(zhèn)生活和工農(nóng)業(yè)供水為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧改善下游航運和水生態(tài)環(huán)境，并為松遼流域水資源的優(yōu)化配置創(chuàng)造條件的大型控制性工程。壩址以上控制流域面積66 382 km2，占嫩江流域面積的22.4%，共建設(shè)了40個雨量站、11個水位雨量站、1個水位站。

4.1 尼爾基面雨量

尼爾基流域面雨量的計算是采用泰森多邊形法，對壩址以上流域內(nèi)的遙測站進行計算，進而求得尼爾基流域面平均降雨量。

4.2 預報精度檢驗

嫩江流域每年汛期為6—9月，文中文所采用的歐洲氣象中心、日本和中國氣象局數(shù)值降水模式預報數(shù)據(jù)為2017年汛期逐日，預見期為7 d的面雨量預報值。經(jīng)計算，當預見期大于3 d時，各項參數(shù)的相關(guān)性、確定性系數(shù)、偏大、偏小誤差均出現(xiàn)數(shù)據(jù)不規(guī)律情況，失去對比意義，對流域預報應(yīng)用參考價值不大，故采用預見期1～3 d的計算值進行精度檢驗。

4.2.1 預報精度綜合分析

采用相關(guān)系數(shù)分析各模式預報系列與實際降雨系列的相關(guān)程度，采用確定性系數(shù)評估各項預報系列與實際系列間的吻合程度。詳見表2。

表2 尼爾基雨量綜合預報評價

由表可知，隨著預見期增長，各模式預報系列與實際降雨系列相關(guān)程度呈下降趨勢。①當預見期為1d時，歐洲氣象中心模式相關(guān)系數(shù)達到88%，日本模式預報相關(guān)系數(shù)為81%；②當預見期2～3 d時，歐洲氣象中心模式相關(guān)系數(shù)分別為76%、62%，日本模式預報相關(guān)系數(shù)分別為80%，69%。各模式預報系列的確定性系數(shù)隨著預見期增長，計算結(jié)果呈不同趨勢下降。

綜上所述，對2017年的預報產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析可得：預見期為1 d時，歐洲氣象中心模式預報的結(jié)果較好，日本模式次之，中國氣象局模式則最差；預見期2～3 d時，日本模式的預報的結(jié)果較好，歐洲氣象中心模式次之，中國氣象局模式則最差。

4.2.2 誤差分析

以小雨、中雨以上量級的降雨為基礎(chǔ)，分析偏大、偏小率和平均偏大、偏下誤差，定量分析數(shù)值降水預報產(chǎn)品的預報誤差。詳見表3、表4。

表3 小雨量級定量誤差統(tǒng)計

表4 中雨以上量級定量誤差統(tǒng)計

小雨量級平均偏大、偏小誤差，由表可知：①降雨預報在小雨量級時，各模式預報偏小率小于偏大率；②各模式預報平均偏小誤差在26.6%～53.6%之間，總體而言，預見期為1 d時，模式預報平均偏小誤差由大到小的順序為：日本大于中國氣象局大于歐洲氣象中心；預見期大于2 d時，日本模式預報與歐洲氣象中心模式預報誤差基本相當，中國氣象局模式平均偏小誤差最大；③各模式預報平均偏大誤差在233.0%～370.3%之間，預見期為1～2 d時，模式預報平均偏大誤差由大到小的順序為：中國氣象局＞歐洲氣象中心＞日本；預見期大于2 d時，模式預報平均偏大誤差由大到小的順序為：歐洲氣象中心大于日本大于中國氣象局。

由表可知：①降雨預報在中雨以上量級時，各模式預報偏小率小于偏大率（日本模式預見期1 d的預報除外）；②各模式預報平均偏小誤差在14.0%～46.5%之間，預見期為1 d時，歐洲氣象中心與中國氣象局模式預報誤差基本相當，日本模式預報平均偏小誤差最大；預見期2 d時，模式預報平均偏小誤差由大到小的順序為：歐洲氣象中心大于中國氣象局大于日本；預見期3 d時，模式預報平均偏小誤差由大到小的順序為：中國氣象局大于歐洲氣象中心大于日本。③各模式預報平均偏大誤差在111.0%～1495.4%之間，預見期為1 d時，日本模式與歐洲氣象中心模式預報誤差基本相當，中國氣象局預報模式平均偏大誤差最大；預見期2～3 d時，模式預報平均偏大誤差由大到小的順序為：中國氣象局大于歐洲氣象中心大于日本。

5 結(jié)論

綜上，三種預報模式預報偏大（中雨以上量級降雨預報定量誤差統(tǒng)計中，日本模式預見期1 d的預報除外）的情況較多，平均偏大誤差明顯大于平均偏小誤差，一旦預報偏大，其誤差比偏小誤差更大?？傮w而言，中國洪水預報軟件提供的三種數(shù)值預報模式，預見期1 d時，歐洲模式預報較好、2～3 d時日本模式預報較好、3 d后的模式預報，基本無參考價值。