數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在短期降水預(yù)報(bào)中的檢驗(yàn)分析

周長(zhǎng)志,楊 群,高紅梅,牛廣山

(1.貴州省銅仁地區(qū)氣象局,貴州 銅仁 554300;2.河南省焦作市氣象局,河南 焦作 454003)

數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在短期降水預(yù)報(bào)中的檢驗(yàn)分析

周長(zhǎng)志1,楊 群1,高紅梅1,牛廣山2

(1.貴州省銅仁地區(qū)氣象局,貴州 銅仁 554300;2.河南省焦作市氣象局,河南 焦作 454003)

運(yùn)用天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中使用的日本模式、德國(guó)模式和 T213降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品,對(duì)銅仁地區(qū) 2009年 1—12月預(yù)報(bào)效果進(jìn)行檢驗(yàn),并利用誤差分析方法對(duì)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和比較,結(jié)果表明：晴雨預(yù)報(bào) TS值,日本模式、德國(guó)模式和 T213相差不大,均在 60%～70%左右。在 24h、48h分量級(jí)降水檢驗(yàn)結(jié)果中,日本的 TS評(píng)分通常高于德國(guó)和 T213。同時(shí) 3種模式產(chǎn)品在強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)中預(yù)報(bào)值基本上小于實(shí)況,而且隨著實(shí)況量級(jí)的增加,預(yù)報(bào)偏小的次數(shù)增多。其中日本模式的預(yù)報(bào)最為穩(wěn)定,且結(jié)果較接近實(shí)況。

數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品;降水預(yù)報(bào);統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn);誤差分析

1 引言

隨著氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化的快速發(fā)展及預(yù)報(bào)技術(shù)手段的逐漸豐富,數(shù)值預(yù)報(bào)模式表現(xiàn)出對(duì)客觀降水預(yù)報(bào)的巨大潛力,已經(jīng)成為目前業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)領(lǐng)域不可替代的參考預(yù)報(bào)方法。但由于數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果受模式初始場(chǎng)、邊界條件、物理過(guò)程、地形、植被及模式本身的設(shè)計(jì)等諸多方面的影響,數(shù)值產(chǎn)品對(duì)降水預(yù)報(bào)在出現(xiàn)時(shí)間、空間分布和量值大小等方面不可避免地存在一定的誤差。另一方面由于各種數(shù)值預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)性能參差不齊,常常使報(bào)員在大量氣象信息面前猶豫不決、信心不足。因此,對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的合理選取與釋用已成為預(yù)報(bào)員亟待解決的問(wèn)題。

貴州省銅仁地區(qū)地形獨(dú)特、氣候環(huán)境復(fù)雜多變,使得數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品與實(shí)況有不同程度的偏差。本文應(yīng)用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,利用在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用的日本模式、德國(guó)模式、T213數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)降水預(yù)報(bào)能力進(jìn)行分析檢驗(yàn),了解模式對(duì)銅仁地區(qū)的預(yù)報(bào)能力,為更好地應(yīng)用數(shù)值模式產(chǎn)品、改進(jìn)數(shù)值模式提供參考。

2 資料來(lái)源

文中使用的降水預(yù)報(bào)場(chǎng)資料來(lái)自日本模式、德國(guó)模式全球數(shù)值模式及國(guó)家氣象中心 T213模式。日本模式、德國(guó)模式降水產(chǎn)品分別為日本模式、德國(guó)模式發(fā)布的細(xì)網(wǎng)格模式 0～72h降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品,格距分別為 1.25°×1.25°、1.5°×1.5°,時(shí)間分辨率為6h。T213產(chǎn)品為北京發(fā)布的 3～132h降水產(chǎn)品,格距為 1°×1°,時(shí)間分辨率為 3h。分別收集整理了2009年 1～12月日本模式、德國(guó)模式、T213的降水預(yù)報(bào)資料以及相對(duì)應(yīng)時(shí)段銅仁地區(qū) 10個(gè)氣象觀測(cè)站降水實(shí)況。其中實(shí)況資料為每天 20∶00～20∶00(北京時(shí))的 24h累計(jì)降水。數(shù)值模式的預(yù)報(bào)為與實(shí)況相對(duì)應(yīng)的 20∶00起報(bào)的 24～48h及 48～72h的 24h累計(jì)降水預(yù)報(bào)。

為便于檢驗(yàn),將上述 3種數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的 24～48h、48～72h格點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)內(nèi)插值到銅仁地區(qū) 10個(gè)氣象站點(diǎn),以此作為數(shù)值模式對(duì)各氣象站點(diǎn)的24h、48h降水預(yù)報(bào)資料。

3 統(tǒng)計(jì)方法

為便于研究和比較,本文采用目前氣象部門(mén)應(yīng)用比較廣泛的《中短期天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)辦法》,對(duì)上述數(shù)值模式產(chǎn)品的降水預(yù)報(bào) TS評(píng)分、漏報(bào)率 (PO)、空?qǐng)?bào)率 (NH)等方面進(jìn)行檢驗(yàn)。

降水檢驗(yàn)主要分為兩種,一種為有無(wú)降水即晴雨預(yù)報(bào)的檢驗(yàn);另一種為針對(duì)某量級(jí)降水的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)包括 24h和 48h降水資料,降水量級(jí)分為小雨(0.1～9.9 mm)、中雨 (10～24.9 mm)、大雨 (25～49.9 mm)、暴雨 (50～99.9 mm)和大暴雨 (≥100 mm)五級(jí)。

4 降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

通常 TS評(píng)分是用來(lái)衡量降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的指數(shù),如果評(píng)分較高,說(shuō)明對(duì)降水發(fā)生的預(yù)報(bào)較好。通過(guò)對(duì)銅仁地區(qū) 10個(gè)氣象站點(diǎn) 24h、48h降水預(yù)報(bào)按量級(jí)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看 (表 1、表 2),日本模式、德國(guó)模式、T213三種數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì) 24h降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率要高于 48h,對(duì)晴雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率均保持在 60%～70%左右,德國(guó)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高,T213的空?qǐng)?bào)率略高于日本和德國(guó)。另外,統(tǒng)計(jì)事實(shí)表明量級(jí)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率總體較低,并且隨降水量級(jí)的增加而減小,同時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的空、漏報(bào)率增加,特別是暴雨的空、漏報(bào)率顯著增大。

從表 1、表 2分析,各個(gè)數(shù)值模式對(duì)小雨的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率要高于其他量級(jí),其中日本模式 TS評(píng)分最高,其次是 T213模式。對(duì)于中雨預(yù)報(bào)的評(píng)分明顯低于小雨的評(píng)分,日本與德國(guó)的評(píng)分比較接近,德國(guó)預(yù)報(bào)略優(yōu)于日本,T213預(yù)報(bào)稍差些。大雨 TS評(píng)分結(jié)果,日本要優(yōu)于德國(guó)和 T 213,但 3種數(shù)值預(yù)報(bào)大雨空?qǐng)?bào)率不相上下,說(shuō)明日本對(duì)于大雨量級(jí)的預(yù)報(bào)做出了相對(duì)較好的反應(yīng)。暴雨預(yù)報(bào) Ts評(píng)分的排序與大雨相同,以日本的預(yù)報(bào)參考價(jià)值最高。各模式對(duì)大暴雨的預(yù)報(bào)能力較差,2009年銅仁地區(qū)共出現(xiàn) 2個(gè)站次的大暴雨,各數(shù)值模式均未有效地預(yù)報(bào)出來(lái)。

通過(guò)對(duì)以上 3種模式降水預(yù)報(bào)的漏、空?qǐng)?bào)率比較,從預(yù)報(bào)時(shí)效上來(lái)看,3種數(shù)值模式 48h預(yù)報(bào)的空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率均高于 24h預(yù)報(bào)。從降水量級(jí)的預(yù)報(bào)上來(lái)看,隨降水量級(jí)增加,3種數(shù)值預(yù)報(bào)模式的空、漏報(bào)率增加,特別是大雨以上量級(jí)的空、漏報(bào)率顯著增大。對(duì)比 3種模式的預(yù)報(bào)空、漏報(bào)率,對(duì)于小雨和中雨預(yù)報(bào),空?qǐng)?bào)率高,漏報(bào)率低;對(duì)于大雨預(yù)報(bào),3種數(shù)值模式的漏報(bào)率與空?qǐng)?bào)率基本相當(dāng);對(duì)于暴雨預(yù)報(bào),各模式的漏報(bào)率均顯著增大。

5 強(qiáng)降水預(yù)報(bào)誤差檢驗(yàn)分析

5.1 檢驗(yàn)方法

通過(guò)以上降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)分析,日本模式、德國(guó)模式、T213對(duì)于大雨以上量級(jí)的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)能力均偏弱,因此我們分析了各數(shù)值模式中存在的系統(tǒng)性誤差,有利于預(yù)報(bào)員在強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中進(jìn)行相關(guān)訂正及解釋。在這里采用預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)中常使用的誤差檢驗(yàn)方法,對(duì)日本模式、德國(guó)模式、T213 3種降水產(chǎn)品的預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行檢驗(yàn)。

整理銅仁地區(qū)各氣象站點(diǎn)強(qiáng)降水過(guò)程中 3種產(chǎn)品的預(yù)報(bào)值和實(shí)況,并對(duì)預(yù)報(bào)誤差、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(jì),其中相關(guān)定義如下：

強(qiáng)降水：日降水 (20～20時(shí))≥25mm。

預(yù)報(bào)誤差：Xi=[(Xp-Xo)/Xo]×100%,Xp為預(yù)報(bào)值,Xo為實(shí)況值。

預(yù)報(bào)偏大率：Sg=(Ng/N)×100%,在強(qiáng)降水個(gè)例中,如果某站預(yù)報(bào)誤差Xi＞0,則認(rèn)為該站預(yù)報(bào)偏大。Ng為所有強(qiáng)降水過(guò)程中,預(yù)報(bào)誤差Xi＞0的總站次,N則為日降水 (20～20時(shí))≥25mm的總站次。

預(yù)報(bào)偏小率：Sl=(Nl/N)×100%,在強(qiáng)降水個(gè)例中,如果某站預(yù)報(bào)誤差Xi＜0,則認(rèn)為該站預(yù)報(bào)偏小,Nl為所有強(qiáng)降水過(guò)程中,預(yù)報(bào)誤差Xi＜0的總站次。

5.2 檢驗(yàn)結(jié)果及分析

將強(qiáng)降水過(guò)程按照 24h降水量劃分為大雨(25mm≤R24＜50 mm)、暴雨 (50 mm≤R24＜100 mm)、大暴雨以上 (R24≥100 mm)三個(gè)量級(jí),并按照這個(gè)劃分標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算三種預(yù)報(bào)產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)量,結(jié)果見(jiàn)圖 1。

圖 1 按量級(jí) 3種降水產(chǎn)品的預(yù)報(bào)偏小率、平均偏小誤差、平均偏大誤差

從圖 1中的 24h、48h 2個(gè)時(shí)段預(yù)報(bào)偏小率的分布可見(jiàn),不論是大雨、暴雨、還是大暴雨以上的量級(jí),上述 3種數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品預(yù)報(bào)值基本上小于實(shí)況值,而且隨著實(shí)況量級(jí)的增加,預(yù)報(bào)偏小的次數(shù)也逐漸越多。這反映出了全球數(shù)值模式強(qiáng)降水過(guò)程漏報(bào)多,空?qǐng)?bào)少的特點(diǎn),也反映出在強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中,各數(shù)值模式預(yù)報(bào)具有一致偏小的系統(tǒng)特征。另外,3種產(chǎn)品之間預(yù)報(bào)偏小率也各有不同,其中日本模式在 24、48h 2個(gè)時(shí)次各個(gè)量級(jí)的預(yù)報(bào)偏小率均高于其它 2種產(chǎn)品,暴雨的預(yù)報(bào)偏小率達(dá)到 95%以上,大暴雨的預(yù)報(bào)偏小率甚至為 100%。

從預(yù)報(bào)平均偏小誤差發(fā)現(xiàn),3種產(chǎn)品預(yù)報(bào)值與實(shí)況相比,均偏小明顯,24 h的最小誤差也達(dá)-60%以上,而且隨著量級(jí)的增大,誤差越大,大暴雨以上量級(jí)的最大誤差接近 90%。比較而言,德國(guó)在3個(gè)量級(jí)、2個(gè)時(shí)次上偏小誤差最大,日本和 T213則基本相當(dāng)。

雖然 3種產(chǎn)品的預(yù)報(bào)大多數(shù)比實(shí)況偏小,但也有部分量級(jí)、部分時(shí)次的預(yù)報(bào)比實(shí)況大。為客觀評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的性能,有必要對(duì)它們的偏大誤差進(jìn)行客觀分析。由圖 1可以看出,3種產(chǎn)品的平均偏大誤差差別較大,48 h T213的大雨的平均偏大誤差達(dá)到 75.5%。相比之下,各個(gè)量級(jí)、各個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào),日本降水預(yù)報(bào)的平均偏大誤差明顯小于其它 2種產(chǎn)品。

6 結(jié)論

①在對(duì) 2009年 1—12月數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在銅仁地區(qū)短期降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)中,從 24h、48h準(zhǔn)確率、空?qǐng)?bào)率、漏報(bào)率分析,晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相對(duì)較高,量級(jí)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率總體較低,并且隨降水量級(jí)的增加而減小。

②從 TS評(píng)分結(jié)果中可以看出,日本模式、德國(guó)模式、T213的晴雨預(yù)報(bào) TS值相差不大,均能維持在 60%～70%之間。日本對(duì)大雨、暴雨的 TS值高于德國(guó)與 T 213,對(duì)大雨以上量級(jí)把握得較好。中雨降水德國(guó)略優(yōu)于日本,各個(gè)模式對(duì)小雨的預(yù)報(bào)要高于其他量級(jí),其中日本模式評(píng)分最高。

③通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：日本模式、德國(guó)模式、T213在強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)中預(yù)報(bào)值基本上小于實(shí)況,預(yù)報(bào)偏小明顯。其中隨著實(shí)況量級(jí)的增加,日本模式、德國(guó)模式、T213預(yù)報(bào)偏小的次數(shù)越多,其中平均偏小誤差隨著量級(jí)的增加,誤差增大;而平均偏大誤差則相反。

④從誤差檢驗(yàn)得出：日本模式、德國(guó)模式、T213等 3種數(shù)值預(yù)報(bào)之間,德國(guó)的平均偏小誤差最大,T213的平均偏大誤差最大,日本則相對(duì)穩(wěn)定,預(yù)報(bào)具有一致偏小的特點(diǎn),而且其平均偏小誤差、平均偏大誤差都是最小的,更接近實(shí)況。日本對(duì)強(qiáng)降水檢驗(yàn)的結(jié)果優(yōu)于其它兩種產(chǎn)品。

⑤數(shù)值預(yù)報(bào)作為一種預(yù)報(bào)工具,具有較好的參考性,但是單從 TS評(píng)分結(jié)果來(lái)看,數(shù)值預(yù)報(bào)仍然需要結(jié)合實(shí)況、雷達(dá)回波、衛(wèi)星云圖等資料及時(shí)作出訂正,才能有效地提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

[1] 黃嘉佑,等 .氣象統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)報(bào)方法 [M].北京：氣象出版社,2000.

[2] 王雨 .2004年主汛期各數(shù)值預(yù)報(bào)模式定量降水預(yù)報(bào)評(píng)估[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2006,17(3)：316-323.

[3] 張建海,諸曉明 .數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和客觀預(yù)報(bào)方法預(yù)報(bào)能力檢驗(yàn)[J].氣象,2006,32(2)：58-63.

[4] 顧永剛,王麗,徐雙柱 .2005年夏季華中地區(qū)四種數(shù)值預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)效果評(píng)估[J].湖北氣象,2006,25(2)：13-16.

[5] 羅綱 .T213對(duì)貴州省 24小時(shí)雨量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)[J].貴州氣象,2003,27(1)：18-20.

[6] 蔡秀華,曹鴻興 .資料插值的進(jìn)展[J].氣象,2005,31(8)：3-7.

P456

B

1003-6598(2010)增刊-0100-03

2010-09-10

周長(zhǎng)志 (1982-),男,助工,主要從事短期預(yù)報(bào)、網(wǎng)絡(luò)管理工作。