黑龍江省2020年6-8月數(shù)值預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估

高夢(mèng)竹,劉松濤,李有緣,齊 鐸,張 宇,張惠君,袁美英

（黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱150001）

1 氣候概況

2020年6-8月黑龍江省平均降水量440.2 mm，比歷史同期多29%（歷史同期341.3 mm）。大興安嶺西部、黑河西南部、伊春北部、齊齊哈爾大部、大慶、綏化西部、牡丹江大部及雙城、延壽、雙鴨山累計(jì)降水量為252.9-399.5 mm，其它地區(qū)401.4-589.5 mm。與歷史同期相比，加格達(dá)奇、五營、杜爾伯特、尚志、延壽少1-2成，其它地區(qū)多1-8成。全省平均氣溫為20.4℃，比歷史同期（20.5℃）低0.1。大興安嶺、黑河大部、伊春大部、佳木斯東部及鶴崗、饒河、綏芬河平均氣溫在16.2-19.9℃，其它地區(qū)20-22.6℃。與歷史同期相比，大興安嶺大部、黑河大部、伊春大部、齊齊哈爾大部、大慶大部、綏化東北部、哈爾濱大部、牡丹江大部及密山正?；蚋?.1-0.9℃，其它地區(qū)低0.1-1.7℃。

2 數(shù)據(jù)與檢驗(yàn)辦法

本文對(duì)2020年6-8月全球模式預(yù)報(bào)、中尺度模式預(yù)報(bào)、客觀訂正預(yù)報(bào)在黑龍江省的降水、氣溫、風(fēng)等要素預(yù)報(bào)效果進(jìn)行評(píng)估。

2.1 數(shù)據(jù)

被檢驗(yàn)產(chǎn)品為2020年06月01日-2020年08月31日（北京時(shí)）黑龍江省內(nèi)歐洲中心細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)、中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)、grapes_meso預(yù)報(bào)、上海華東模式預(yù)報(bào)、黑龍江省網(wǎng)格訂正預(yù)報(bào)、黑龍江省網(wǎng)格融合預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)時(shí)效0-72 h，部分模式預(yù)報(bào)在業(yè)務(wù)應(yīng)用中延時(shí)12 h（歐洲中心細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)、grapesmeso預(yù)報(bào)、上海華東模式預(yù)報(bào)為12-84 h）。

檢驗(yàn)要素：24 h累計(jì)降水、2 m氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、10 m風(fēng)等要素，空間分辨率為5 km。

檢驗(yàn)源數(shù)據(jù)為黑龍江省范圍內(nèi)共計(jì)979個(gè)地面自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)，包括83個(gè)國家站和896個(gè)區(qū)域自動(dòng)站。

2.2 檢驗(yàn)辦法

以觀測站點(diǎn)資料作為“真值”，將預(yù)報(bào)插值到觀測點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)比較一段時(shí)間內(nèi)兩者的誤差或相關(guān)關(guān)系。其中，氣溫、風(fēng)要素采用雙線性插值方法，降水要素采用自然相鄰插值方法。

3 檢驗(yàn)結(jié)果

3.1 降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

對(duì)2020年06月01日-08月31日黑龍江省區(qū)域內(nèi)24小時(shí)累計(jì)降水進(jìn)行分析。檢驗(yàn)對(duì)象：歐洲中心細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)ec、中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)sc、grapes_meso預(yù)報(bào)、上海華東模式預(yù)報(bào)warms、黑龍江省網(wǎng)格訂正預(yù)報(bào)pm_fm、黑龍江省網(wǎng)格融合預(yù)報(bào)fuse。起報(bào)時(shí)間08時(shí)、20時(shí)，一日兩次，預(yù)報(bào)時(shí)效0-72 h。

各模式預(yù)報(bào)對(duì)比結(jié)果（圖1）：六種預(yù)報(bào)相比較，均方根誤差，24、48 h為省氣象臺(tái)客觀訂正pm_fm最優(yōu)，72 h為中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)最優(yōu)；晴雨準(zhǔn)確率，24、48、72 h均為省氣象臺(tái)客觀訂正pm_fm最優(yōu)；偏差bias，24 h為pm_fm最優(yōu)，48 h為grapes_meso為最優(yōu)，72 h為中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)為最優(yōu)。分級(jí)降水TS檢驗(yàn)，小雨量級(jí)、暴雨量級(jí)為省氣象臺(tái)客觀訂正pm_fm表現(xiàn)最優(yōu)，中雨、大雨為中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)、ec、省氣象臺(tái)融合預(yù)報(bào)表現(xiàn)較好。

圖1 24 h累計(jì)降水綜合分析圖

定量降水預(yù)報(bào)誤差與觀測降水量密切相關(guān)，夏季降水量較大，預(yù)報(bào)定量誤差相比其它季節(jié)更明顯。六種預(yù)報(bào)相比較，中尺度模式grapes_meso和warms的定量降水誤差相對(duì)較大，其余四種降水預(yù)報(bào)定量誤差差異較小；各家模式晴雨準(zhǔn)確率得分均較高，維持在71%-79%之間，但均存在降水預(yù)報(bào)范圍偏大的問題，ec預(yù)報(bào)范圍偏大現(xiàn)象最明顯；降水分級(jí)檢驗(yàn)結(jié)果表明，中尺度模式grapes_meso和warms在大暴雨量級(jí)有一定的預(yù)報(bào)能力，但在其他量級(jí)預(yù)報(bào)能力較差，省氣象臺(tái)客觀訂正pm_fm在小雨、暴雨量級(jí)上預(yù)報(bào)能力明顯優(yōu)于其他模式，有較好的預(yù)報(bào)參考價(jià)值。

3.2 氣溫預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

對(duì)2020年06月01日-08月31日黑龍江省區(qū)域內(nèi)逐3時(shí)2 m氣溫、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫進(jìn)行分析。檢驗(yàn)對(duì)象：歐洲中心細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)ec、中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)sc、黑龍江省網(wǎng)格訂正預(yù)報(bào)BREM。起報(bào)時(shí)間08時(shí)、20時(shí)，一日兩次，預(yù)報(bào)時(shí)效0-72 h。

由表1可知，0-72 h逐3 h整點(diǎn)氣溫，三種預(yù)報(bào)相比，省氣象臺(tái)客觀訂正BREM預(yù)報(bào)表現(xiàn)最優(yōu)。ec、BREM預(yù)報(bào)氣溫偏低，中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)氣溫偏高。平均絕對(duì)誤差mae、均方根誤差rmse項(xiàng)，中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)誤差較大。氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，BREM預(yù)報(bào)明顯優(yōu)于ec、中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長，各家模式預(yù)報(bào)均為誤差逐漸變大，準(zhǔn)確率逐漸下降（圖略）。

表1 對(duì)比站點(diǎn)觀測的2 m氣溫誤差特征

由圖2可知，日最高氣溫ec預(yù)報(bào)平均誤差-0.752,平均絕對(duì)誤差2.017,均方根誤差2.571,相關(guān)系數(shù)0.842,誤差±2℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:58.34%,誤差±1℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:30.6%。sc預(yù)報(bào)平均誤差-0.78,平均絕對(duì)誤差1.78,均方根誤差2.307,相關(guān)系數(shù)0.879,誤差±2℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:64.78%,誤差±1℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:36.36%。BREM預(yù)報(bào)平均誤差-0.735,平均絕對(duì)誤差1.888,均方根誤差2.653,相關(guān)系數(shù)0.832,誤差±2℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:64.91%,誤差±1℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:35.65%。

得分能力是一支球隊(duì)的核心競爭力，也是一切技、戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的最終目的?；@球比賽中影響得分的因素較為復(fù)雜，從定量研究角度考慮，投籃次數(shù)與投籃命中率是2個(gè)最重要的影響因素(投籃次數(shù)屬于有“較大差距”的指標(biāo)，留在后面分析)。就投籃命中率而言，中國隊(duì)平均投籃命中率為41.12%，比對(duì)手低6.10個(gè)百分點(diǎn)，因投籃命中率不及對(duì)手，中國男籃平均每場比對(duì)手少得10分(見表3)。世界強(qiáng)隊(duì)隊(duì)員能夠通過積極跑動(dòng)、掩護(hù)、策應(yīng)等配合，獲得較為輕松的投籃機(jī)會(huì)，或通過突破分球、快速轉(zhuǎn)移球等方法，盡可能為同伴創(chuàng)造空位投籃機(jī)會(huì)，因此，投籃命中率較高。中國男籃受制于自身的能力，導(dǎo)致命中率不如對(duì)手，影響了得分。

圖2 誤差綜合分析圖（a.日最高氣溫，b.日最低氣溫，me為平均誤差，rmse為均方根誤差），誤差≤±2℃準(zhǔn)確率圖（c.日最高氣溫，d.日最低氣溫）

日最低氣溫ec預(yù)報(bào)平均誤差-0.355,平均絕對(duì)誤差1.513,均方根誤差2.038,相關(guān)系數(shù)0.854,誤差±2℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:72.97%,誤差±1℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:43.99%。sc預(yù)報(bào)平均誤差0.12,平均絕對(duì)誤差1.296,均方根誤差1.761,相關(guān)系數(shù)0.886,誤差±2℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:79.36%,誤差±1℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:49.12%。BREM預(yù)報(bào)平均誤差0.003,平均絕對(duì)誤差1.332,均方根誤差1.86,相關(guān)系數(shù)0.875,誤差±2℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:78.81%,誤差±1℃以內(nèi)準(zhǔn)確率:49.47%。

氣溫誤差≤2℃準(zhǔn)確率空間分布上看（圖略），日最高氣溫預(yù)報(bào)在西北部、東南部站點(diǎn)表現(xiàn)較差，其余地區(qū)表現(xiàn)較好。三種預(yù)報(bào)對(duì)比，ec表現(xiàn)相對(duì)較差。日最低氣溫預(yù)報(bào)在我省西北部站點(diǎn)表現(xiàn)較差，其余地區(qū)表現(xiàn)較好。三種預(yù)報(bào)對(duì)比，ec表現(xiàn)相對(duì)較差。

誤差檢驗(yàn)結(jié)果表明，日最高氣溫，三種預(yù)報(bào)均較實(shí)況觀測偏低，中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)的均方根誤差最?。蝗兆畹蜌鉁仡A(yù)報(bào)，ec預(yù)報(bào)較實(shí)況偏低，其它兩種預(yù)報(bào)無明顯偏差，且均方根誤差較小。整體上看，在日最高、低氣溫預(yù)報(bào)中，中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)、BREM預(yù)報(bào)均優(yōu)于ec預(yù)報(bào)，且日最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高于日最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

3.3 風(fēng)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

對(duì)2020年06月01日-08月31日黑龍江省區(qū)域內(nèi)逐3時(shí)10 m風(fēng)速進(jìn)行分析。檢驗(yàn)對(duì)象：歐洲中心細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)ec、中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)sc。起報(bào)時(shí)間08時(shí)、20時(shí)，一日兩次，預(yù)報(bào)時(shí)效0-72 h。對(duì)比站點(diǎn)觀測的ec預(yù)報(bào)平均誤差0.904,平均絕對(duì)誤差1.389,均方根誤差1.796,相關(guān)系數(shù)0.469,誤差±2 m/s以內(nèi)準(zhǔn)確率:76.59%,誤差±1 m/s以內(nèi)準(zhǔn)確率:44.5%。sc預(yù)報(bào)平均誤差0.554,平均絕對(duì)誤差1.215,均方根誤差1.604,相關(guān)系數(shù)0.447,誤差±2 m/s以內(nèi)準(zhǔn)確率:82.08%,誤差±1 m/s以內(nèi)準(zhǔn)確率:51.31%。sc預(yù)報(bào)誤差、準(zhǔn)確率均優(yōu)于ec預(yù)報(bào)結(jié)果。

從圖3綜合分析時(shí)序圖可知，與站點(diǎn)觀測相比，ec、中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)整體偏大。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長，均方根誤差逐漸變大，誤差±2 m/s以內(nèi)準(zhǔn)確率較穩(wěn)定。整體上中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)優(yōu)于ec預(yù)報(bào)。

圖3 10 m風(fēng)速綜合分析時(shí)序圖

3.4 災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.4.1 臺(tái)風(fēng)“巴威”

臺(tái)風(fēng)“巴威”強(qiáng)降水時(shí)段為8月27日08時(shí)-28日08時(shí)，鶴崗南部、佳木斯西部、雙鴨山大部、七臺(tái)河、雞西等地出現(xiàn)區(qū)域性暴雨。6家模式預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比，暴雨量級(jí)準(zhǔn)確率最高的是EC為40%、其次為fuse為39.4%，除grapes_meso為25.9%以外，其他模式暴雨TS評(píng)分大部分都在35%以上。大雨量級(jí)最高的是warms，TS得分為70.4%，其次是sc為69.6%。對(duì)于綏化東部的局地暴雨，各家模式均存在明顯漏報(bào)，ec在綏化暴雨落區(qū)比實(shí)況偏西，sc、grapes_meso、warms在東部的暴雨區(qū)預(yù)報(bào)存在明顯空?qǐng)?bào)現(xiàn)象。預(yù)報(bào)強(qiáng)降水時(shí)間：實(shí)況強(qiáng)降水開始時(shí)間為27日17-20時(shí)，從東南部地區(qū)開始出現(xiàn)強(qiáng)降水，各家模式對(duì)上述兩處地區(qū)降水開始時(shí)間預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確。

3.4.2 臺(tái)風(fēng)“美莎克”

臺(tái)風(fēng)“美莎克”強(qiáng)降水時(shí)段為9月3日08時(shí)-9月4日08時(shí)，此時(shí)段內(nèi)黑龍江省西南部地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性暴雨，局地大暴雨天氣過程。暴雨量級(jí)準(zhǔn)確率最高的是pm_fm，得分為74.8%，第二是grapes_meso，得分是72.8%，第三是ec，得分為72.1%；大暴雨量級(jí)準(zhǔn)確率最高的是grapes_meso，得分為5.2%。對(duì)比各家預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)于大雨落區(qū)pm_fm與實(shí)況更接近，6家模式均預(yù)報(bào)出了黑龍江省西南部的暴雨落區(qū)，除grapes_meso范圍明顯偏大以外，其余各家模式結(jié)果差別不大；黑河地區(qū)出現(xiàn)的暴雨，除fuse預(yù)報(bào)較差以外，其余預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況較為接近。

落區(qū)及起止時(shí)間檢驗(yàn)：從逐小時(shí)區(qū)域自動(dòng)站觀測看，本次臺(tái)風(fēng)降水影響黑龍江的開始時(shí)間為9月2日20-21時(shí)，降水落區(qū)在東寧、綏芬河。各家模式，2日08時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)，降水開始時(shí)間均為20-23時(shí)，降水落區(qū)預(yù)報(bào)與實(shí)況基本一致；2日20時(shí)起報(bào)預(yù)報(bào)，降水開始時(shí)間也與實(shí)況基本一致，但是落區(qū)均略偏大。西南部觀測降水的開始時(shí)間為3日11-12時(shí)，落區(qū)在綏化、大慶東部，各家模式預(yù)報(bào)的開始時(shí)間和范圍與實(shí)況基本相同。持續(xù)性降水于3日14時(shí)基本結(jié)束，各家模式預(yù)報(bào)的持續(xù)性降水結(jié)束時(shí)間與實(shí)況也基本一致。本次過程的強(qiáng)降水時(shí)段，出現(xiàn)在3日20-23時(shí)，位于黑龍江省西南地區(qū)。各家模式預(yù)報(bào)的強(qiáng)降水時(shí)段與實(shí)況一致，但是降水落區(qū)與實(shí)況差別較大，pm_fm、ec預(yù)報(bào)范圍較小，漏報(bào)較多，空?qǐng)?bào)較少，sc預(yù)報(bào)范圍較大，漏報(bào)較少，空?qǐng)?bào)較多。

3.4.3 臺(tái)風(fēng)“海神”

臺(tái)風(fēng)“海神”強(qiáng)降水時(shí)段為9月7日08時(shí)-8日08時(shí)，此時(shí)段內(nèi)黑龍江省東南部地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性暴雨，局地大暴雨。暴雨量級(jí)準(zhǔn)確率最高的是warms，得分為44.8%，第二是pm_fm，得分為37.3%，第三是grapes_meso，得分為36.8%；大暴雨量級(jí)準(zhǔn)確率最高的是warms，得分為25%，其次是grapes_meso，得分為10%，其它模式均沒有得分。對(duì)比各家預(yù)報(bào)結(jié)果，各家模式預(yù)報(bào)中東部地區(qū)大雨量級(jí)落區(qū)與實(shí)況基本一致；對(duì)于東南部的暴雨落區(qū)，與實(shí)況比較接近的是warms和grapes_meso，但預(yù)報(bào)范圍偏大，其它幾家模式范圍明顯偏??；對(duì)于大暴雨落區(qū)，warms與實(shí)況更接近。

落區(qū)及起始時(shí)間：從逐小時(shí)區(qū)域自動(dòng)站觀測看，受臺(tái)風(fēng)外圍云系影響本次降水過程在9月7日07-08時(shí)開始，落區(qū)在東寧。各家模式，7日08時(shí)起報(bào)的08-11時(shí)預(yù)報(bào)中，預(yù)報(bào)落區(qū)均與實(shí)況較一致。

對(duì)比本次降水過程各家預(yù)報(bào)結(jié)果，模式均預(yù)報(bào)出了黑龍江省中東部的大范圍的大雨，各家模式差別不大，對(duì)于東南部的暴雨落區(qū)，與實(shí)況比較接近的是warms和grapes_meso，warms的大暴雨落區(qū)與實(shí)況更接近。從落區(qū)及起始時(shí)間來看，各家模式的起始時(shí)間和落區(qū)基本與實(shí)況一致。

4 結(jié)論

本文利用黑龍江省加密自動(dòng)站觀測資料，對(duì)2020年6-8月全球尺度模式預(yù)報(bào)、中尺度模式預(yù)報(bào)、客觀訂正預(yù)報(bào)等預(yù)報(bào)在黑龍江省的預(yù)報(bào)性能、預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行了對(duì)比分析。得出以下結(jié)論：

（1）降水預(yù)報(bào)：對(duì)比六種預(yù)報(bào)，中尺度模式grapes_meso和warms的定量降水誤差相對(duì)較大，其余四種降水預(yù)報(bào)定量誤差差異較小；各家模式晴雨準(zhǔn)確率得分均較高，但均存在降水預(yù)報(bào)范圍偏大的問題，ec預(yù)報(bào)范圍偏大現(xiàn)象最明顯；從降水分級(jí)檢驗(yàn)結(jié)果分析，兩種中尺度模式對(duì)大暴雨有一定的預(yù)報(bào)能力，但其他量級(jí)預(yù)報(bào)能力較差，省氣象臺(tái)客觀訂正pm_fm在小雨、暴雨量級(jí)上預(yù)報(bào)能力明顯優(yōu)于其他模式，有較好的預(yù)報(bào)參考價(jià)值。

（2）氣溫預(yù)報(bào)：0-72 h逐3 h整點(diǎn)氣溫，省氣象臺(tái)客觀訂正BREM預(yù)報(bào)表現(xiàn)優(yōu)于ec、中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)。從日最高氣溫平均誤差看，三種預(yù)報(bào)均較實(shí)況觀測偏低。從日最低氣溫平均誤差看，ec預(yù)報(bào)較實(shí)況偏低，其它兩種預(yù)報(bào)無明顯偏差。日最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在黑龍江省西北部、東南部站點(diǎn)表現(xiàn)較差，其余地區(qū)表現(xiàn)較好；日最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在黑龍江省西北部站點(diǎn)表現(xiàn)較差，其余地區(qū)表現(xiàn)較好。整體上看，在日最高、低氣溫預(yù)報(bào)中，中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)、BREM預(yù)報(bào)均優(yōu)于ec預(yù)報(bào)，且日最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高于日最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

（3）風(fēng)預(yù)報(bào)：與站點(diǎn)觀測相比，ec、中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)整體偏大。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長，均方根誤差逐漸變大，誤差±2 m/s以內(nèi)準(zhǔn)確率較穩(wěn)定。整體上中央氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)優(yōu)于ec預(yù)報(bào)。

（4）綜上所述，本文通過對(duì)多種尺度模式預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)性能和誤差特征進(jìn)行了對(duì)比分析，從不同預(yù)報(bào)時(shí)效、不同空間分布等角度討論了模式對(duì)降水、氣溫、風(fēng)在黑龍江省的預(yù)報(bào)能力，為預(yù)報(bào)員在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作中使用數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品和經(jīng)驗(yàn)訂正提供參考。