許晨璐 袁慧玲 吳玲芳 柳貴鈞

1 中國(guó)民用航空華北地區(qū)空中交通管理局氣象中心，北京 100621

2 南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023

1 引言

基于天氣雷達(dá)的預(yù)報(bào)是災(zāi)害天氣臨近預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，雷達(dá)資料雖然具有高時(shí)空分辨率，能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到雷暴的發(fā)生發(fā)展，并模擬出強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的精確結(jié)構(gòu)，但是由于雷達(dá)觀測(cè)的徑向速度和反射率因子都不是模式常規(guī)量，不能直接用于初始化，因此許多研究致力于將雷達(dá)資料同化進(jìn)入模式預(yù)報(bào)初始場(chǎng)，再定量的應(yīng)用于數(shù)值預(yù)報(bào)（孫娟珍等,2016）。目前常用的方法有三維變分同化（Gao et al., 2004; Xiao et al., 2005; Gao and Stensrud, 2012）、四 維 變 分 同 化（Xu, 1996; Sun and Crook, 1997;Sun, 2005; Wang et al., 2013b），集合卡爾曼濾波方 法（Tong and Xue, 2005; Wang et al., 2013a），以及與閃電、衛(wèi)星觀測(cè)等資料相結(jié)合的混合同化方法（Hamill and Snyder, 2000; Gao and Stensrud,2014; Pan et al., 2018）。

目前國(guó)際上流行的快速循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，每日多次啟動(dòng)，不斷吸收最新的探測(cè)資料用以更新初始預(yù)報(bào)場(chǎng)，將其最大程度地應(yīng)用于數(shù)值模式中。相關(guān)研究表明，快速更新由于同化了大量的實(shí)時(shí)觀測(cè)資料，能夠得到更為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果（Davis et al., 2002）。2012 年以來(lái)，華北空管局氣象中心數(shù)值模式團(tuán)隊(duì)運(yùn)用快速更新同化預(yù)報(bào)的關(guān)鍵技術(shù)（https://s3.us-east-1.amazonaws.com/library.oarcloud.noaa.gov/noaa_documents.lib/NOAA_historic_docum ents/WB/TPB/1990-1999/TPB_416.pdf[2021-11-22]；Benjamin et al., 2004; 陳葆德等, 2013），自主研發(fā)了“第一代快速更新循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)”（NMC-RAP）（Huang et al., 2019），該系統(tǒng)以非靜力模式WRF 為基礎(chǔ)，資料同化工具為ARPS 模式，可以實(shí)現(xiàn)快速循環(huán)同化氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)，精細(xì)化預(yù)報(bào)華北管制區(qū)域未來(lái)0～9 h 強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展及演變特征，時(shí)間分辨率6 min，空間分辨率4 km，是我國(guó)民航氣象領(lǐng)域第一套具備雷達(dá)資料快速循環(huán)同化技術(shù)的短時(shí)臨近數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。系統(tǒng)于2015 年正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，為雷雨天氣條件下管制繞飛指揮、區(qū)域流量管理方案制定提供了定量化決策依據(jù)，逐漸成為管制流量管理輔助決策的重要工具。經(jīng)過(guò)兩年的產(chǎn)品體驗(yàn)和運(yùn)行分析，在第一代快速循環(huán)同化系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)其存在積分早期的回波反射率強(qiáng)度激增和回波位置與實(shí)況差異較大的問(wèn)題，需要系統(tǒng)性的技術(shù)調(diào)整升級(jí)以消除該問(wèn)題。因此基于Alexander et al.（2015）的研究結(jié)果，將美國(guó)高分辨率快速循環(huán)同化系統(tǒng)的同化理念引入民航華北氣象中心，利用雷達(dá)反射率因子換算出的潛熱加熱率配合數(shù)字濾波技術(shù)建立溫度傾向加熱場(chǎng)，取代了第一代預(yù)報(bào)系統(tǒng)早期版本將雷達(dá)反射率因子換算為水成物直接加入模式的方法，新方法在動(dòng)力、熱力及水物質(zhì)的平衡方面更具優(yōu)勢(shì)。在對(duì)第一代快速循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行更新改善的同時(shí)，采用了GSI 同化系統(tǒng)（Gridpoint Statistical Interpolation）（Hu et al., 2006）的第二代快速更新循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)NMC-HRRR 也開發(fā)完成，并于2018 年正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行（Shen et al., 2019）。

近年來(lái)，基于快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)性能的檢驗(yàn)評(píng)估受到越來(lái)越多的重視（范水勇等, 2009;魏東等, 2010; 楊顯玉等, 2020），對(duì)于模式定量降水預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)也開展了廣泛的研究（Zhou et al.,2008; 熊 秋 芬, 2011; 許 晨 璐 等, 2017; 蘇 翔 等,2021），國(guó)內(nèi)外研究者不斷創(chuàng)新雷達(dá)回波強(qiáng)度的定量降水估測(cè)算法（Ciach and Krajewski, 1999; 勾亞彬等, 2014; 王玨等, 2015），但針對(duì)模式預(yù)報(bào)的雷達(dá)回波強(qiáng)度進(jìn)行的評(píng)估工作還十分有限（Bodas et al., 2008; 彭菊香等, 2011; 唐文苑等, 2018）。Shen et al.（2019）對(duì)NMC-RAP 在2016 年和2017 年的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示，第一代系統(tǒng)的建立，對(duì)于首都機(jī)場(chǎng)雷雨天氣的臨近預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有顯著提升；并介紹了第二代系統(tǒng)NMC-HRRR 的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)更新。不過(guò)，對(duì)于現(xiàn)行兩代業(yè)務(wù)版本NMC-RAP 和NMC-HRRR 在升級(jí)前后，雷達(dá)回波強(qiáng)度、落區(qū)、定量評(píng)分和對(duì)主要機(jī)場(chǎng)對(duì)流預(yù)警的預(yù)報(bào)效果等多方面的綜合表現(xiàn)和存在的問(wèn)題，仍缺乏系統(tǒng)的評(píng)估和認(rèn)識(shí)，為了更好地改善臨近預(yù)報(bào)效果，有必要開展關(guān)于快速循環(huán)同化系統(tǒng)雷達(dá)反射率預(yù)報(bào)結(jié)果的客觀校驗(yàn)評(píng)估工作，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果有針對(duì)性的對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

本文選取2020 年和2021 年6～8 月華北區(qū)域出現(xiàn)的3 次大范圍雷雨天氣過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，通過(guò)對(duì)比模式輸出場(chǎng)和原始觀測(cè)場(chǎng)的雷達(dá)回波判斷模式的系統(tǒng)性偏差，分析NMC-RAP 和NMC-HRRR兩代預(yù)報(bào)系統(tǒng)是否能在雷達(dá)回波的時(shí)空分布上顯示出各自優(yōu)勢(shì)，自身有哪些不足等，以期為系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展及其產(chǎn)品在預(yù)報(bào)中的有效應(yīng)用提供有益的參考信息。

2 資料和方法

2.1 資料

應(yīng)用民航華北氣象中心自主開發(fā)的第一代快速更新循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NMC-RAP）和更新后的第二代快速更新循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NMC-HRRR）對(duì)華北區(qū)域雷達(dá)反射率的預(yù)報(bào)結(jié)果，與同區(qū)域中國(guó)氣象局雷達(dá)拼圖實(shí)況資料進(jìn)行比對(duì)。

2020 年6 月1 日、2021 年6 月13 日、2021年8 月23 日均是在天氣尺度高空槽系統(tǒng)的影響下，華北大部地區(qū)自西向東出現(xiàn)的大范圍雷雨天氣過(guò)程。針對(duì)上述3 次相似天氣形勢(shì)下的雷雨過(guò)程，通過(guò)對(duì)兩代快速循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行客觀分析，檢驗(yàn)其對(duì)大范圍雷雨天氣過(guò)程是否能合理描述，是否能對(duì)臨近預(yù)報(bào)起指導(dǎo)作用。

本文選取上述3 個(gè)雷雨天氣過(guò)程，具體評(píng)估時(shí)段為2020 年6 月1 日06:00 至15:00（世界協(xié)調(diào)時(shí)，下同）（首都機(jī)場(chǎng)雷雨時(shí)段10:03 至11:46）、2021 年6 月13 日04:00 至13:00（首都機(jī)場(chǎng)雷雨時(shí)段09:38 至11:12）、2021 年8 月23 日08:00 至17:00（首都機(jī)場(chǎng)雷雨時(shí)段12:59 至14:47）。主要資 料 包 括：1）NMC-RAP 和NMC-HRRR 系 統(tǒng)2020 年6 月1 日06:00、2021 年6 月13 日04:00、2021 年8 月23 日08:00 起報(bào)的華北區(qū)域0～9 h 的雷達(dá)反射率（水平分辨率約4 km），時(shí)間間隔30 min；2）同時(shí)段、同區(qū)域中國(guó)氣象局雷達(dá)拼圖實(shí)況資料；3）檢驗(yàn)關(guān)注區(qū)域中心為（40.06°N，116.60°E）（首都機(jī)場(chǎng)），范圍在（36.06°N～44.02°N，112.00°E～121.16°E）（模式輸出數(shù)據(jù)的各方向去掉50 個(gè)邊界點(diǎn)）。

2.2 方法

在進(jìn)行雷達(dá)回波預(yù)報(bào)與實(shí)況結(jié)果比較時(shí)，采取就近點(diǎn)匹配的方法。在高分辨率情況下，該方法更加合理，可避免插值過(guò)程對(duì)變量帶來(lái)的較大誤差（https://community.wmo.int/wwrp-publications[2021-11-22]）。

文中用到的配對(duì)方法由實(shí)況格點(diǎn)匹配到模式格點(diǎn)，即以模式格點(diǎn)為基準(zhǔn)，取距離模式格點(diǎn)最近的實(shí)況格點(diǎn)的雷達(dá)回波值作為該格點(diǎn)的實(shí)況值，然后進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)果的比較。

2.2.2 ATNS 評(píng)分方案

參考香港天文臺(tái)航空雷暴臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Aviation Thunderstorm Nowcasting System, ATNS）（http://alnowcast.weather.gov.hk/jcatns/index.html [2021-11-08]）的評(píng)分方案，結(jié)合民航地區(qū)運(yùn)行的實(shí)際特點(diǎn)，制定了華北區(qū)域?qū)α髋R近預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方法。即利用鄰域空間檢驗(yàn)方法，首先將雷達(dá)回波分為兩級(jí)：35 dBZ（含）以 上（強(qiáng)）、20 dBZ（含）以上（弱），在對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果檢驗(yàn)時(shí)，某點(diǎn)的實(shí)況或預(yù)報(bào)結(jié)果并不僅由該點(diǎn)的值來(lái)表示，還由以該點(diǎn)為中心半徑12 km 區(qū)域的雷達(dá)回波決定。如區(qū)域內(nèi)達(dá)到35 dBZ（含）以上的點(diǎn)，達(dá)到上述區(qū)域總點(diǎn)數(shù)的10%，則認(rèn)為該點(diǎn)回波為強(qiáng)，同理得到實(shí)況和預(yù)報(bào)為弱的格點(diǎn)。如果預(yù)報(bào)和實(shí)況的結(jié)果一致，則認(rèn)為命中，反之，認(rèn)為未命中。使用臨界成功指數(shù)CSI對(duì)預(yù)報(bào)能力進(jìn)行檢驗(yàn)：

CSI（強(qiáng)）=強(qiáng)命中數(shù)/（強(qiáng)漏報(bào)數(shù)+強(qiáng)空?qǐng)?bào)數(shù)+強(qiáng)命中數(shù)），

CSI（弱）=弱命中數(shù)/（弱漏報(bào)數(shù)+弱空?qǐng)?bào)數(shù)+弱命中數(shù)）。

當(dāng)前算法在三種優(yōu)先級(jí)權(quán)重陣型對(duì)應(yīng)加權(quán)作用下，會(huì)自然表現(xiàn)出選擇最適合當(dāng)前局面的陣型進(jìn)行游戲的行為。當(dāng)然由于在游戲中沒(méi)有固定方向，所以必須考慮權(quán)重矩陣對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)的情況。

2.2.3 對(duì)華北區(qū)域主要機(jī)場(chǎng)對(duì)流預(yù)警的預(yù)報(bào)效果評(píng)估方案

同樣采用ATNS 評(píng)分方案，參考Li（2009,https://ams.confex.com/ams/89annual/techprogram/pa per_146911.htm[2021-11-22]）在航空氣象領(lǐng)域的檢驗(yàn)方法，分別對(duì)華北區(qū)域幾個(gè)重要機(jī)場(chǎng)0～9 h 對(duì)流預(yù)警的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行評(píng)估，包括首都、大興、天津、石家莊、太原機(jī)場(chǎng)。將雷達(dá)回波分為兩級(jí)：35 dBZ（含）以上（強(qiáng)）、20 dBZ（含）以上（弱），每個(gè)機(jī)場(chǎng)、每個(gè)時(shí)次滿足條件記為命中1 次，20 dBZ以下視為對(duì)飛行無(wú)重要影響，不評(píng)。

3 快 速 更 新 循 環(huán) 同 化 系 統(tǒng)NMCRAP 和NMC-HRRR 的 預(yù) 報(bào) 性 能評(píng)估

3.1 雷達(dá)回波強(qiáng)度的空間分布

圖1給出的是NMC-RAP 和NMC-HRRR 系統(tǒng)預(yù)報(bào)的2020 年6 月1 日06:00 起報(bào)的第150 分鐘雷達(dá)反射率強(qiáng)度的空間分布與實(shí)況的對(duì)比圖。實(shí)況顯示（圖1a），雷達(dá)反射率強(qiáng)度大值區(qū)位于北京西部、河北中部及山東半島西部，區(qū)域西部由高空槽系統(tǒng)產(chǎn)生的對(duì)流回波呈東北—西南向分布，強(qiáng)中心位于河北中部。由圖1b 和1c 可以看到，兩代系統(tǒng)預(yù)報(bào)的回波強(qiáng)度的空間分布與實(shí)況均比較接近。NMC-HRRR 很好地捕捉到了回波形態(tài)、大值落區(qū)和位于河北中部的強(qiáng)中心，相比之下，NMC-RAP預(yù)報(bào)的回波強(qiáng)中心偏弱、范圍偏小，相比實(shí)況略有前傾，整體偏東。

圖1 （a）實(shí)況、（b）NMC-RAP 和（c）NMC-HRRR 系統(tǒng)預(yù)報(bào)的2020 年6 月1 日06:00 起報(bào)的第150 分鐘雷達(dá)反射率強(qiáng)度的空間分布Fig. 1 Spatial distributions of (a) observation and predicted radar reflectivity with the 150th minute forecasts from (b) NMC-RAP and (c) NMCHRRR systems, both initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

圖2給出的是NMC-RAP 和NMC-HRRR 系統(tǒng)預(yù)報(bào)的2021 年6 月13 日04:00 起報(bào)的第240 分鐘雷達(dá)反射率強(qiáng)度的空間分布與實(shí)況的對(duì)比圖。實(shí)況顯示（圖2a），對(duì)流回波呈東北—西南帶狀分布，位于內(nèi)蒙中部到河北南部一線，強(qiáng)中心位于北京西北部。由圖2b 和2c 可以看到，NMC-HRRR 可以較好地預(yù)報(bào)出上述對(duì)流回波的形態(tài)和落區(qū)，只是范圍和強(qiáng)度略偏大，而NMC-RAP 預(yù)報(bào)的回波位置與實(shí)況差異就比較大，主要表現(xiàn)在強(qiáng)對(duì)流整體偏北、集中在內(nèi)蒙區(qū)域，漏報(bào)了河北南部的大范圍對(duì)流回波。

圖3給出的是NMC-RAP 和NMC-HRRR 系統(tǒng)預(yù)報(bào)的2021 年8 月23 日08:00 起報(bào)的第300 分鐘雷達(dá)反射率強(qiáng)度的空間分布與實(shí)況的對(duì)比圖。實(shí)況顯示（圖3a），此次對(duì)流發(fā)生的范圍較前兩次更廣，主體位于內(nèi)蒙古中部—河北大部一帶，幾乎全面覆蓋華北區(qū)域中南部，強(qiáng)中心位于北京及河北中北部。由圖3b 和3c 可以看到，NMC-RAP 預(yù)報(bào)的對(duì)流回波范圍較小，僅覆蓋北京及其南、北的小范圍區(qū)域，對(duì)于華北區(qū)域內(nèi)對(duì)流形態(tài)的描述一般，預(yù)報(bào)整體偏東。相比之下，NMC-HRRR 可以較好地捕捉到北京區(qū)域及以南的強(qiáng)回波中心，且預(yù)報(bào)的強(qiáng)回波形態(tài)和落區(qū)更接近實(shí)況，展現(xiàn)了更好的預(yù)報(bào)效果。不過(guò)，兩代系統(tǒng)對(duì)于河北南部及山東半島西部的對(duì)流回波預(yù)報(bào)都偏弱。

因此，對(duì)于雷達(dá)回波強(qiáng)度和空間分布形態(tài)的預(yù)報(bào)，兩代預(yù)報(bào)系統(tǒng)均有較好體現(xiàn)。不過(guò)對(duì)于強(qiáng)回波中心落區(qū)這樣的關(guān)鍵點(diǎn)，NMC-HRRR 總能體現(xiàn)出自身的優(yōu)勢(shì)，與實(shí)況更吻合。

3.2 雷達(dá)回波的ATNS 評(píng)分

從兩代系統(tǒng)2020 年6 月1 日06:00 起報(bào)的雷達(dá)反射率預(yù)報(bào)結(jié)果的ATNS 評(píng)分（表1）可知，對(duì)同一系統(tǒng)，弱回波相對(duì)強(qiáng)回波的評(píng)分更高，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的遞增，30 min 后評(píng)分總體呈遞減趨勢(shì)。從兩代系統(tǒng)對(duì)比來(lái)看，NMC-HRRR 預(yù)報(bào)的強(qiáng)、弱回波的臨界成功指數(shù)較高，均顯著優(yōu)于NMC-RAP。對(duì)于強(qiáng)回波，特別是在前360 分鐘，NMC-HRRR的預(yù)報(bào)評(píng)分始終維持在0.38～0.65，相對(duì)NMCRAP（0.21～0.54）有明顯優(yōu)勢(shì)，在經(jīng)歷420～480 min小幅低于NMC-RAP 后，NMC-HRRR 在540 min的評(píng)分又大幅優(yōu)于第一代系統(tǒng)0.2 分，在第9 小時(shí)的預(yù)報(bào)中實(shí)屬難得。同樣地，除240～360 min 的評(píng)分短時(shí)間略低于NMC-RAP 外，NMC-HRRR 對(duì)于弱回波的評(píng)分均優(yōu)于第一代系統(tǒng)，評(píng)分在前180分鐘穩(wěn)定在0.63 以上，甚至達(dá)到了0.82 的高分，而NMC-RAP 最低分為0.57，相對(duì)較低?？傮w而言，NMC-HRRR 對(duì)360 min 內(nèi)和第540 分鐘的強(qiáng)回波以及180 min 內(nèi)弱回波的預(yù)報(bào)顯著優(yōu)于NMC-RAP。

表1 NMC-RAP 和NMC-HRRR 系 統(tǒng)2020 年6 月1 日06:00 起報(bào)的0～9 h 雷達(dá)反射率預(yù)報(bào)結(jié)果的航空雷暴臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)（ATNS）評(píng)分Table 1 Aviation Thunderstorm Nowcasting System(ATNS) scores of radar reflectivity with 0-9 h forecasts from NMC-RAP and NMC-HRRR systems initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

從 兩 代 系 統(tǒng)2021 年6 月13 日04:00 和8 月23 日08:00 起報(bào)的雷達(dá)反射率預(yù)報(bào)結(jié)果的ATNS評(píng)分（表2 和表3）可見(jiàn)，同一系統(tǒng)預(yù)報(bào)的強(qiáng)、弱回波的臨界成功指數(shù)與上述結(jié)論一致。對(duì)比兩代系統(tǒng)，同樣地，NMC-HRRR 預(yù)報(bào)的0～9 h 強(qiáng)、弱回波的臨界成功指數(shù)總體上顯著優(yōu)于NMC-RAP。6月13 日，前360 分鐘NMC-HRRR 對(duì)強(qiáng)回波預(yù)報(bào)的評(píng)分始終維持在0.32～0.77，相對(duì)NMC-RAP（0.09～0.45）有明顯優(yōu)勢(shì)，除第420 分鐘的評(píng)分有小波動(dòng)外，第480～540 分鐘也優(yōu)于NMC-RAP。對(duì)比弱回波與強(qiáng)回波在評(píng)分上有同樣的體現(xiàn)。8 月23 日，NMC-HRRR 對(duì)前期強(qiáng)回波的預(yù)報(bào)有一些波動(dòng)，表現(xiàn)為30～90 min 評(píng)分比NMC-RAP 略低，不過(guò)120 min 后逐漸反超，且隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，分?jǐn)?shù)優(yōu)勢(shì)愈發(fā)顯著。NMC-HRRR 預(yù)報(bào)的弱回波則一直表現(xiàn)穩(wěn)定，優(yōu)于第一代系統(tǒng)。因此，NMCHRRR 對(duì)于強(qiáng)、弱回波的評(píng)分均大幅優(yōu)于第一代系統(tǒng)。

表2 同表1，但為2021 年6 月13 日04:00 起報(bào)的ATNS 評(píng)分Table 2 Same as Table 1, but for the ATNS scores initialized at 0400 UTC 13 Jun 2021

表3 同表1，但為2021 年8 月23 日08:00 起報(bào)的ATNS 評(píng)分Table 3 Same as Table 1, but for the ATNS scores initialized at 0800 UTC 23 Aug 2021

綜上，對(duì)比系統(tǒng)預(yù)報(bào)的強(qiáng)、弱回波，≥20 dBZ弱回波的ATNS 評(píng)分均優(yōu)于≥35 dBZ的強(qiáng)回波。比較兩代系統(tǒng)NMC-RAP 和NMC-HRRR，結(jié)合3個(gè)個(gè)例綜合分析，除了個(gè)別時(shí)刻N(yùn)MC-RAP 的ATNS 評(píng)分相對(duì)較高外，預(yù)報(bào)時(shí)效0～9 h 內(nèi)NMCHRRR 預(yù)報(bào)的強(qiáng)、弱回波的評(píng)分整體較高，顯著優(yōu)于NMC-RAP，尤其是300 min 內(nèi)的強(qiáng)回波，定量證明了NMC-HRRR 系統(tǒng)對(duì)于臨近預(yù)報(bào)在強(qiáng)回波空間分布方面的改進(jìn)是清楚、有效的。

3.3 對(duì)華北區(qū)域主要機(jī)場(chǎng)對(duì)流預(yù)警的預(yù)報(bào)效果評(píng)估

本文選取的3 個(gè)大范圍對(duì)流天氣過(guò)程覆蓋了華北區(qū)域的5 個(gè)主要機(jī)場(chǎng)，即首都、大興、天津、石家莊和太原機(jī)場(chǎng)，為了定點(diǎn)研究?jī)纱A(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)于主要機(jī)場(chǎng)0～9 h 的對(duì)流天氣預(yù)報(bào)效果，考慮對(duì)飛行有影響的回波強(qiáng)度，將雷達(dá)回波分為兩級(jí)：35 dBZ（含）以 上（強(qiáng)）、20 dBZ（含）以上（弱），每個(gè)機(jī)場(chǎng)、每個(gè)時(shí)次滿足條件記為命中1 次，在表格中分別用強(qiáng)和弱表示。

表4展示了實(shí)況、NMC-RAP、NMC-HRRR系統(tǒng)2020 年6 月1 日06:00 至15:00 對(duì)上述5 個(gè)機(jī)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)流預(yù)警（影響程度）的預(yù)報(bào)評(píng)估結(jié)果。實(shí)況顯示，06:00 后的240 min 起，首都、大興、天津、石家莊機(jī)場(chǎng)都出現(xiàn)了≥20 dBZ的回波，其中首都和天津機(jī)場(chǎng)分別在第300 分鐘和第360 分鐘出現(xiàn)≥35 dBZ的強(qiáng)回波。對(duì)比兩代預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，NMC-HRRR不僅預(yù)報(bào)出了上述4 個(gè)機(jī)場(chǎng)的弱回波及開始時(shí)間，還準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出了第300 分鐘和第360 分鐘發(fā)生在首都和天津機(jī)場(chǎng)的強(qiáng)回波，與實(shí)況一致。而NMCRAP 對(duì)于回波強(qiáng)度的預(yù)報(bào)偏弱，沒(méi)有預(yù)報(bào)出首都和天津兩個(gè)機(jī)場(chǎng)的強(qiáng)回波，對(duì)弱回波出現(xiàn)時(shí)間的把握也不如NMC-HRRR 準(zhǔn)確。對(duì)于420 min 以后石家莊機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)的弱回波，兩代預(yù)報(bào)系統(tǒng)均沒(méi)有很好體現(xiàn)。

表4 實(shí)況和NMC-RAP 系統(tǒng)、NMC-HRRR 系統(tǒng)2020 年6 月1 日06:00 起報(bào)的0～9 h 雷達(dá)反射率對(duì)華北區(qū)域5 個(gè)主要機(jī)場(chǎng)的對(duì)流預(yù)警Table 4 Severe convective warning of radar reflectivity at five airports in North China based on observations, and 0-9 h forecasts from NMC-RAP and NMC-HRRR systems initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

從5 個(gè)機(jī)場(chǎng)實(shí)況、NMC-RAP、NMC-HRRR對(duì)流預(yù)警總和（表5）也可以直觀看出，實(shí)況的強(qiáng)、弱回波分別出現(xiàn)了2 次和6 次，對(duì)應(yīng)NMC-HRRR分別為2 次和4 次，相比于NMC-RAP 的0 次和2次優(yōu)勢(shì)顯著。

表5 實(shí)況和NMC-RAP、NMC-HRRR 2020 年6 月1 日06:00 起報(bào)的0～9 h 雷達(dá)反射率預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)華北區(qū)域5 個(gè)主要機(jī)場(chǎng)的對(duì)流預(yù)警總和Table 5 Counts of total severe convective warning of radar reflectivity at 5 airports in North China based on observations, and 0-9 h forecasts from NMC-RAP and NMC-HRRR systems initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

表6展示了實(shí)況、NMC-RAP、NMC-HRRR系統(tǒng)2021 年6 月13 日04:00 至13:00 對(duì)5 個(gè)機(jī)場(chǎng)對(duì)流預(yù)警的預(yù)報(bào)評(píng)估結(jié)果。實(shí)況顯示，對(duì)于飛行重點(diǎn)關(guān)注的強(qiáng)回波，04:00 后的180 min 起，天津、石家莊、首都和大興機(jī)場(chǎng)先后出現(xiàn)了≥35 dBZ的回波。對(duì)比兩代預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，此次過(guò)程二者對(duì)第240 分鐘石家莊機(jī)場(chǎng)的強(qiáng)回波，以及第360 分鐘首都和大興機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)的強(qiáng)回波均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。另外，NMC-HRRR 和NMC-RAP 分別對(duì)第180 分鐘和第540 分鐘天津出現(xiàn)的強(qiáng)回波預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，前者表明第二代系統(tǒng)在回波強(qiáng)度預(yù)報(bào)的中前期更有優(yōu)勢(shì)，后者則在一定程度上體現(xiàn)出NMC-RAP 在8～9 h 預(yù)報(bào)階段對(duì)于強(qiáng)回波強(qiáng)度的預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工作中需要根據(jù)預(yù)報(bào)的不同階段綜合運(yùn)用。

表6 同表4，但為2021 年6 月13 日04:00 起報(bào)Table 6 Same as Table 4, but initialized at 0400 UTC 13 Jun 2021

從5 個(gè)機(jī)場(chǎng)實(shí)況、NMC-RAP、NMC-HRRR對(duì)流預(yù)警總和（表7）可以直觀看出，實(shí)況的強(qiáng)、弱回波分別出現(xiàn)了6 次和9 次，對(duì)應(yīng)NMC-HRRR分別為4 次和5 次，NMC-RAP 分別為4 次和2 次?？梢?jiàn)NMC-HRRR 在弱回波的預(yù)報(bào)上優(yōu)勢(shì)更加明顯。

表7 同表5，但為2021 年6 月13 日04:00 起報(bào)Table 7 Same as Table 5, but initialized at 0400 UTC 13 Jun 2021

表8展示了實(shí)況、NMC-RAP、NMC-HRRR系統(tǒng)2021 年8 月23 日08:00 至17:00 對(duì)5 個(gè)機(jī)場(chǎng)對(duì)流預(yù)警的預(yù)報(bào)評(píng)估結(jié)果。從實(shí)況可以看出，這次過(guò)程天津、石家莊、太原機(jī)場(chǎng)從預(yù)報(bào)初期就開始有比較活躍的弱回波發(fā)展，兩代系統(tǒng)都較好地捕捉到了這一趨勢(shì)，但對(duì)于天津機(jī)場(chǎng)在第60 分鐘出現(xiàn)的強(qiáng)回波預(yù)報(bào)欠佳。對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的強(qiáng)回波，08:00 后的180 min 起，石家莊、大興、天津、首都機(jī)場(chǎng)先后出現(xiàn)了≥35 dBZ的回波，持續(xù)至第420 分鐘。對(duì)比兩代系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，二者對(duì)第300～420 分鐘首都、大興、天津機(jī)場(chǎng)的強(qiáng)回波預(yù)報(bào)尚可，但對(duì)于石家莊機(jī)場(chǎng)第180 分鐘出現(xiàn)的強(qiáng)回波的預(yù)報(bào)則偏弱。NMC-HRRR 準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出了第540 分鐘首都機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)的弱回波，一定程度上體現(xiàn)出NMC-HRRR 在預(yù)報(bào)有效時(shí)段后期對(duì)于弱回波的預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)。

表8 同表4，但為2021 年8 月23 日08:00 起報(bào)Table 8 Same as Table 4, but initialized at 0800 UTC 23 Aug 2021

從5 個(gè)機(jī)場(chǎng)實(shí)況、NMC-RAP、NMC-HRRR對(duì)流預(yù)警總和（表9）可以直觀看出，實(shí)況的強(qiáng)、弱回波分別出現(xiàn)了10 次和16 次，對(duì)應(yīng)NMC-HRRR分別為5 次和12 次，NMC-RAP 分別為5 次和11 次?？梢?jiàn)NMC-HRRR 在弱回波的預(yù)報(bào)上更具優(yōu)勢(shì)。

表9 同表5，但為2021 年8 月23 日08:00 起報(bào)Table 9 Same as Table 5, but initialized at 0800 UTC 23 Aug 2021

綜上，NMC-HRRR 在預(yù)報(bào)回波開始出現(xiàn)的時(shí)間、中前期的強(qiáng)回波和后期的弱回波方面優(yōu)勢(shì)明顯，NMC-RAP 在預(yù)報(bào)后期8～9 h 的強(qiáng)回波方面也有自身的優(yōu)勢(shì)。兩代系統(tǒng)對(duì)于預(yù)報(bào)早期（約60 min 前）的回波強(qiáng)度體現(xiàn)出了一致的偏弱。由表10 清楚可見(jiàn)，3 次過(guò)程總和中，NMC-HRRR 共出現(xiàn)了11 次強(qiáng)回波和21 次弱回波，相比NMC-RAP 的9 次和15 次，前者與實(shí)況的18 次和31 次更為接近，再次定量證明了NMC-HRRR 相較NMC-RAP 對(duì)于強(qiáng)、弱回波的定時(shí)、定點(diǎn)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率及其在時(shí)空分布上的改進(jìn)都是有效的。

表10 同表5，但為3 次過(guò)程的總和Table 10 Same as Table 5，but for total counts of three convective storms

4 結(jié)論和討論

利用2020 年和2021 年6～8 月3 次華北區(qū)域大范圍雷雨天氣過(guò)程中NMC-RAP 和NMC-HRRR兩代快速循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供的雷達(dá)反射率預(yù)報(bào)結(jié)果，基于中國(guó)氣象局雷達(dá)回波拼圖實(shí)況資料，從雷達(dá)回波的空間分布、ATNS 評(píng)分、對(duì)主要機(jī)場(chǎng)對(duì)流預(yù)警的預(yù)報(bào)效果幾個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比分析，主要結(jié)論如下：

（1）兩代預(yù)報(bào)系統(tǒng)均能較好體現(xiàn)雷達(dá)回波的空間分布特征，回波強(qiáng)度也與實(shí)際比較接近。NMC-HRRR 在強(qiáng)回波中心落區(qū)的關(guān)鍵預(yù)報(bào)上優(yōu)勢(shì)更明顯，與實(shí)況更吻合。

（2）對(duì)于兩代預(yù)報(bào)系統(tǒng)，弱回波的ATNS 評(píng)分均優(yōu)于強(qiáng)回波。除了個(gè)別時(shí)刻N(yùn)MC-RAP 的ATNS評(píng)分相對(duì)較高外，預(yù)報(bào)時(shí)效0～9 h 內(nèi)NMCHRRR 預(yù)報(bào)的強(qiáng)、弱回波的評(píng)分整體較高，特別是0～360 min 和第540 分鐘的強(qiáng)回波預(yù)報(bào)，顯著優(yōu)于NMC-RAP。

（3）NMC-HRRR 在預(yù)報(bào)對(duì)飛行有影響的回波的發(fā)生時(shí)間方面優(yōu)勢(shì)明顯。評(píng)估5 個(gè)主要機(jī)場(chǎng)的強(qiáng)、弱回波出現(xiàn)次數(shù)，定量證明了NMC-HRRR 相較NMC-RAP，對(duì)于強(qiáng)、弱回波的定時(shí)、定點(diǎn)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率及其時(shí)空分布的改進(jìn)都是有顯著效果的。

綜上，從評(píng)估結(jié)果可以看出，在整體效果上NMC-HRRR 的預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況更為接近，特別是針對(duì)臨近預(yù)警角度重點(diǎn)關(guān)注的強(qiáng)回波，第二代系統(tǒng)在預(yù)報(bào)強(qiáng)回波出現(xiàn)時(shí)段上優(yōu)勢(shì)明顯，空間分布特征較第一代系統(tǒng)也有大幅改善，對(duì)臨近預(yù)報(bào)有重要參考意義。

另外，本次檢驗(yàn)評(píng)估只用到2020 年和2021年6～8 月的3 次雷雨天氣過(guò)程，雖然其天氣背景相似，評(píng)估結(jié)論也基本一致，但對(duì)于NMC-RAP和NMC-HRRR 兩代快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)整體的性能分析和改進(jìn)依據(jù)，還需要后續(xù)在此基礎(chǔ)上開展不同天氣形勢(shì)下或雷雨季節(jié)的批量對(duì)比試驗(yàn)和深入分析。