ECMWF高分辨率數(shù)值模式對(duì)廣安地區(qū)暴雨預(yù)報(bào)性能檢驗(yàn)分析

王 平

(四川省廣安市氣象局，四川 廣安 638500)

1 引言

暴雨是一種多發(fā)性的災(zāi)害性天氣，常引發(fā)城市內(nèi)澇、山洪、泥石流等次生災(zāi)害，造成人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失。數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的檢驗(yàn)是天氣預(yù)報(bào)科研和業(yè)務(wù)中的重要環(huán)節(jié)，利用科學(xué)有效的方法，結(jié)合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)規(guī)范要求，對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)分析，為預(yù)報(bào)員科學(xué)使用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品提供重要參考依據(jù)，從而對(duì)災(zāi)害性天氣做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和決策服務(wù)提供有力支撐[1-3]。

ECMWF發(fā)展迅速，是一線天氣預(yù)報(bào)員的主要參考工具。國(guó)內(nèi)外專家對(duì)ECMWF降水預(yù)報(bào)研究分析做了大量工作[4-5]。龍柯吉[6]等利用EC集合預(yù)報(bào)極端降水指數(shù)的閾值，研究了四川盆地夏季暴雨落區(qū)的預(yù)報(bào)，通過(guò)合適的閾值選取，提高了暴雨落區(qū)的預(yù)報(bào)技巧；翟振芳[7]等對(duì)安徽地區(qū)ECMWF數(shù)值模式降水的預(yù)報(bào)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明ECMWF模式僅對(duì)72h時(shí)效內(nèi)暴雨有較小的預(yù)報(bào)技巧。

2015年1月14日起ECMWF產(chǎn)品數(shù)據(jù)升級(jí)，時(shí)間分辨率和空間分辨率進(jìn)一步精細(xì)化。目前，對(duì)升級(jí)后的ECMWF暴雨預(yù)報(bào)性能檢驗(yàn)的研究較少。本文通過(guò)對(duì)升級(jí)后的ECMWF降水資料在廣安地區(qū)暴雨天氣中的預(yù)報(bào)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，分析預(yù)報(bào)性能和訂正方法，以期提高暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量，為以后的預(yù)報(bào)服務(wù)提供有效的參考。

2 資料與方法

2.1 資料

本文使用資料分為2類：第1類為實(shí)況資料，包括：2015—2017年廣安地區(qū)4個(gè)國(guó)家觀測(cè)站和160個(gè)區(qū)域自動(dòng)站24 h累計(jì)降水(08—08時(shí)或20—20時(shí))。第2類為數(shù)值預(yù)報(bào)資料，包括：ECMWF地面降水產(chǎn)品；預(yù)報(bào)時(shí)效3～72 h，時(shí)間分辨率3 h；預(yù)報(bào)時(shí)效72～240 h，時(shí)間分辨率6 h；空間分辨率0.125°×0.125°。

2.2 檢驗(yàn)方法

格點(diǎn)資料與站點(diǎn)資料匹配采用插值原則，即分別對(duì)4個(gè)國(guó)家觀測(cè)站點(diǎn)周圍4個(gè)格點(diǎn)的格點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)的格點(diǎn)預(yù)報(bào)值的權(quán)重系數(shù)為該格點(diǎn)距站點(diǎn)距離的倒數(shù)。

由于自動(dòng)站資料不斷在業(yè)務(wù)中得到運(yùn)用，只使用國(guó)家觀測(cè)站對(duì)暴雨天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行考核已不再適用，所以四川省氣象部門重新修訂了暴雨天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定辦法，本辦法將區(qū)域自動(dòng)氣象站納入考核，對(duì)區(qū)域暴雨進(jìn)行評(píng)定。暴雨檢驗(yàn)和評(píng)定按照《四川省短期暴雨天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定辦法(試行)》。具體如下：?jiǎn)蝹€(gè)考核站點(diǎn)按照表1進(jìn)行評(píng)分，暴雨預(yù)報(bào)評(píng)分為Q。縣(市)區(qū)域評(píng)分計(jì)算方法：

(1)

(2)

按照各自區(qū)域內(nèi)的縣(市)區(qū)域進(jìn)行評(píng)分，T1、T2、T3…TNA為短期暴雨天氣預(yù)報(bào)中縣(市)、區(qū)域的預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)分，NA為短期暴雨天氣預(yù)報(bào)中縣(市)個(gè)數(shù)，NC為漏報(bào)縣(市)個(gè)數(shù)。廣安地區(qū)4個(gè)考核縣(市)，查漏以2個(gè)縣(市)計(jì)算。

表1 暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)分表(適用于四川盆地各市及涼山州、攀枝花市)Tab.1 The quality score of rainstorm case forecast (suitable for cities in Sichuan Basin, Liangshan Prefecture, and Panzhihua)

為進(jìn)一步提高檢驗(yàn)結(jié)果的業(yè)務(wù)適用性，增加中期質(zhì)量評(píng)定，評(píng)定方法參照短期評(píng)定辦法。同時(shí)，暴雨發(fā)生的時(shí)間、強(qiáng)度和落區(qū)等是預(yù)報(bào)的重點(diǎn)，檢驗(yàn)時(shí)，由于評(píng)定辦法的規(guī)定，不能全面反應(yīng)暴雨天氣過(guò)程的實(shí)際情況。為彌補(bǔ)這方面的不足，結(jié)合一線預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的實(shí)際，在具體檢驗(yàn)時(shí)，加入時(shí)間、強(qiáng)度和落區(qū)等方面的分析，從而進(jìn)一步豐富預(yù)報(bào)性能的檢驗(yàn)內(nèi)容。

3 預(yù)報(bào)性能檢驗(yàn)

3.1 客觀評(píng)定檢驗(yàn)

表2匯總了2015—2017年的14次暴雨天氣個(gè)例的ECMWC中、短期預(yù)報(bào)及質(zhì)量評(píng)定結(jié)果。其中，實(shí)況平均雨量為4個(gè)國(guó)家觀測(cè)站和160個(gè)區(qū)域自動(dòng)站共計(jì)164個(gè)站點(diǎn)雨量的算術(shù)平均，預(yù)報(bào)平均雨量為4個(gè)預(yù)報(bào)插值站點(diǎn)雨量的算術(shù)平均。預(yù)報(bào)時(shí)均以ECMWF預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)，即雨量R<50 mm，不預(yù)報(bào)暴雨；R≥50 mm，按不同量級(jí)預(yù)報(bào)暴雨、大暴雨或特大暴雨(下同)。

表2 2015—2017年廣安地區(qū)14次暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定表Tab.2 The quality scores of 14 rainstorm cases forecast for Guang'an city during the period 2015—2017

評(píng)定結(jié)果表明：以ECMWF結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)，中、短期預(yù)報(bào)評(píng)分分別為47.8和45.8；漏報(bào)方面，當(dāng)預(yù)報(bào)暴雨R≥50 mm時(shí)，無(wú)漏報(bào)；未預(yù)報(bào)暴雨R<50 mm時(shí)，中、短期預(yù)報(bào)均出現(xiàn)7次漏報(bào)，分別占比50%。如2016年7月18—19日的暴雨；中、短期預(yù)報(bào)較實(shí)況量級(jí)偏小?？?qǐng)?bào)：當(dāng)預(yù)報(bào)雨量R≥50 mm時(shí)，無(wú)空?qǐng)?bào)。

3.2 訂正條件分析

通過(guò)客觀評(píng)定檢驗(yàn)可知，直接以ECMWF結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)評(píng)分較低，漏報(bào)率高；ECMWF未預(yù)報(bào)暴雨，即預(yù)報(bào)中、大雨時(shí)，亦可能出現(xiàn)暴雨天氣。如2016年7月18—19日的暴雨，中、短期均預(yù)報(bào)中雨量級(jí)，預(yù)報(bào)暴雨，則評(píng)分為72.9；如未預(yù)報(bào)暴雨，則漏報(bào)。因此，需進(jìn)一步分析降水的預(yù)報(bào)和評(píng)定之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行訂正預(yù)報(bào)。

2015—2017年ECMWF預(yù)報(bào)了34次中雨(R≥10 mm)及以上量級(jí)降水天氣，對(duì)應(yīng)廣安地區(qū)4個(gè)預(yù)報(bào)插值站點(diǎn)，即共計(jì)136站/次降水個(gè)例。圖1對(duì)預(yù)報(bào)降水進(jìn)行分段評(píng)分檢驗(yàn)，由圖可見，隨著降水量級(jí)的增大，中、短期預(yù)報(bào)評(píng)分均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)R≥25 mm時(shí)，中、短期評(píng)分均達(dá)到60以上；當(dāng)預(yù)報(bào)暴雨，即R≥50 mm時(shí)，中、短期評(píng)分分別為89.8和85.7。

以上分析可知，當(dāng)預(yù)報(bào)降水R≥25 mm時(shí)，預(yù)報(bào)評(píng)分較高，且評(píng)分隨降水量級(jí)的增大而增長(zhǎng)。由于以預(yù)報(bào)降水R≥25 mm時(shí)進(jìn)行暴雨預(yù)報(bào)，可能存在空?qǐng)?bào)或漏報(bào)現(xiàn)象，因此，需要對(duì)預(yù)報(bào)降水R≥25 mm時(shí)的個(gè)例進(jìn)行進(jìn)一步分析。表3統(tǒng)計(jì)分析了2015—2017年廣安地區(qū)ECMWF中、短期預(yù)報(bào)降水R≥25 mm的降水個(gè)例預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定情況，結(jié)果表明：當(dāng)ECMWF中、短期均預(yù)報(bào)R≥50 mm時(shí)，或中期預(yù)報(bào)R≥25 mm、短期預(yù)報(bào)R≥50 mm時(shí)，評(píng)分高，無(wú)空、漏報(bào)，命中率100%；當(dāng)中期預(yù)報(bào)R≥50 mm、短期預(yù)報(bào)R≥25 mm時(shí)，或中、短期均預(yù)報(bào)R≥35 mm時(shí)，評(píng)分高，空、漏報(bào)率低，命中率較高。因此，可將以上4種條件作為ECMWF暴雨預(yù)報(bào)的訂正指標(biāo)。

圖1 2015—2017年136站/次預(yù)報(bào)降水分段評(píng)分檢驗(yàn)圖Fig.1 The distribution of segmentation score for precipitation forecast of 136 stations /times during the period 2015—2017

中、短期預(yù)報(bào)量級(jí)/mm預(yù)報(bào)/次預(yù)報(bào)暴雨平均評(píng)分暴雨空?qǐng)?bào)次數(shù)/次暴雨空?qǐng)?bào)率/%暴雨漏報(bào)次數(shù)/次暴雨漏報(bào)率/%暴雨命中率/%中、短期均R≥50494.60000100中期R≥50、短期R≥25990.7222.20077.8短期R≥50、中期R≥25794.90000100中、短期均R≥252582.11248.017.152.0中、短期均R≥302084.9840.0214.360.0中、短期均R≥351491.7214.3214.385.7

3.3 訂正后評(píng)定檢驗(yàn)

利用上述4種訂正方法，對(duì)14次暴雨進(jìn)行訂正評(píng)定檢驗(yàn)。表4匯總了訂正后的預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定結(jié)果?？梢钥闯?，ECMWF中、短期預(yù)報(bào)評(píng)分分別為81.4和79.7，較未訂正時(shí)分別提升32.2和33.9；漏報(bào)率從50%降至14.3%，無(wú)空?qǐng)?bào)，訂正效果明顯。

表4 2015—2017年廣安地區(qū)14次暴雨訂正后預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定表Tab.4 The corrected evaluation of forecast quality for 14 rainstorm cases in Guang'an city during period 2015—2017

3.4 時(shí)間和落區(qū)檢驗(yàn)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)暴雨預(yù)報(bào)效果，結(jié)合實(shí)際預(yù)報(bào)工作，暴雨起始和結(jié)束時(shí)間以08時(shí)或20時(shí)為界，在12 h以內(nèi)，判斷為一致；落區(qū)為廣安地區(qū)4個(gè)國(guó)家觀測(cè)站所在縣(市)。表5匯總了14次暴雨個(gè)例的基本特征、起始、結(jié)束時(shí)間、強(qiáng)降水時(shí)段和落區(qū)的檢驗(yàn)，結(jié)果表明：ECMWF在暴雨的持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)降水時(shí)段和落區(qū)預(yù)報(bào)中均有良好的預(yù)報(bào)指導(dǎo)意義。

表5 2015—2017年廣安地區(qū)14次暴雨時(shí)間和落區(qū)的短期預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Short-term forecast of the start and end times, and falling area for the 14 rainstorm cases in Guang'an city during period 2015—2017

3.5 面雨量強(qiáng)度檢驗(yàn)

暴雨的面雨量強(qiáng)度是預(yù)報(bào)和氣象決策服務(wù)的重點(diǎn)之一，面雨量能較好的反應(yīng)暴雨強(qiáng)度的大小。通過(guò)對(duì)比分析預(yù)報(bào)和實(shí)況面雨量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步補(bǔ)充ECMWF暴雨預(yù)報(bào)性能的參考性。圖2匯總了14次暴雨個(gè)例的實(shí)況和預(yù)報(bào)面雨量的對(duì)比圖，結(jié)果表明：中、短期暴雨預(yù)報(bào)面雨量與實(shí)況量級(jí)均在相鄰量級(jí)或相同量級(jí)上。

圖2 2015—2017年14次暴雨實(shí)況與預(yù)報(bào)雨量對(duì)比圖Fig.2 Comparison between the real and forecast precipitation of 14 rainstorm cases during period 2015—2017

4 結(jié)論與討論

綜合檢驗(yàn)分析結(jié)果，可以得到以下結(jié)論。

①客觀評(píng)定方面，直接以ECMWF暴雨預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行暴雨預(yù)報(bào)，易出現(xiàn)漏報(bào)，評(píng)分質(zhì)量較低，中、短期預(yù)報(bào)評(píng)分分別僅為47.8和45.8。

②以ECMWF預(yù)報(bào)結(jié)果為基礎(chǔ)，考慮以下訂正條件：ECMWF中、短期均預(yù)報(bào)R≥50 mm；中期預(yù)報(bào)R≥25 mm、短期預(yù)報(bào)R≥50 mm；中期預(yù)報(bào)R≥50 mm、短期預(yù)報(bào)暴雨R≥25 mm；中、短期均預(yù)報(bào)R≥35 mm。

③訂正評(píng)定方面，當(dāng)ECMWF預(yù)報(bào)滿足任意訂正條件之一時(shí)，進(jìn)行訂正預(yù)報(bào)暴雨，中、短期預(yù)報(bào)評(píng)分分別可以提高為81.4和79.7，漏報(bào)率低為14.3，無(wú)空?qǐng)?bào)，命中率提高為85.7，因此以上訂正條件可有效提高預(yù)報(bào)質(zhì)量。

④時(shí)間和落區(qū)方面，ECMWF在暴雨的持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)降水時(shí)段和落區(qū)預(yù)報(bào)中均與實(shí)況較為吻合，具有良好的預(yù)報(bào)指導(dǎo)意義。

⑤面雨量強(qiáng)度方面，ECMWF預(yù)報(bào)暴雨面雨量與實(shí)況量級(jí)均在相鄰量級(jí)或相同量級(jí)上。

⑥ECMWF降水預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)暴雨發(fā)生的時(shí)間、強(qiáng)度、落區(qū)預(yù)報(bào)具有較好的指示意義，對(duì)ECMWF預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行訂正預(yù)報(bào)，可有效提高暴雨的評(píng)分和命中率，減少空、漏報(bào)。另外，由于暴雨存在空間分布不均勻性特征。ECMWC對(duì)預(yù)報(bào)暴雨極端降水的落區(qū)和強(qiáng)度仍存在不足，當(dāng)ECMWF中、短期均預(yù)報(bào)大雨及以上時(shí)，預(yù)示著暴雨可能發(fā)生，預(yù)報(bào)員需根據(jù)其他方法和資料對(duì)暴雨極端降水進(jìn)行補(bǔ)充預(yù)報(bào)。

⑦評(píng)定辦法取考核站點(diǎn)數(shù)k為該區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)考核站點(diǎn)數(shù)量的1/4站，而預(yù)報(bào)插值站點(diǎn)偏少，以一個(gè)預(yù)報(bào)站點(diǎn)代表一個(gè)縣(市)區(qū)域，導(dǎo)致覆蓋面偏小，不能全面反映區(qū)域內(nèi)整體降水情況。應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)報(bào)工具，增加預(yù)報(bào)插值點(diǎn)，以充分反映本區(qū)域內(nèi)降水情況，提供更全面的預(yù)報(bào)參考。