赤山湖流域TIGGE降水預(yù)報(bào)精度評價研究

杜開連，葛 憶，張佳麗，朱 力

(句容市水利局，江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

由落地雨驅(qū)動水文模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，其預(yù)見期為主雨停止時刻至洪峰出現(xiàn)的時距，是由流域產(chǎn)匯流特性決定的。為了提高流域洪水預(yù)報(bào)的精度，延長洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期，為流域防洪減災(zāi)贏得更多的應(yīng)急響應(yīng)時間，提高防洪調(diào)度的應(yīng)急能力，應(yīng)采取切實(shí)措施利用TIGGE等數(shù)值氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行降水預(yù)報(bào)，提高洪水預(yù)報(bào)的精度，延長洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期。歐洲洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)劃于2003年啟動后，最早開始將氣象集合預(yù)報(bào)數(shù)值模式產(chǎn)品應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)[1]。 2004年，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心在英國里丁召開了由氣象和水文2個領(lǐng)域的科技工作者參加的國際水文集合預(yù)報(bào)試驗(yàn)第1次研討會[2-3]。2005年世界氣象組織啟動了為期10年的THORPEX計(jì)劃[4]，作為THORPEX的一個重要組成部分，TIGGE歸檔了全球范圍內(nèi)10個數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心的集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品[5-6]。目前，針對降雨預(yù)報(bào)能力的評估和集合預(yù)報(bào)，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。例如，趙琳娜等[7]指出多模式集合預(yù)報(bào)可以改善單一模式的不確定性；包紅軍等[8]將TIGGE產(chǎn)品應(yīng)用于淮河流域洪水預(yù)報(bào)，結(jié)果表明采用TIGGE集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品，可以將洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期延長；杜雅玲等[9]利用TIGGE數(shù)據(jù)的中期降水預(yù)報(bào)評估了在江蘇省的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)各模式在對中雨以上等級降水存在較明顯的漏報(bào)；ChenkaiCai等[10]將TIGGE集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品應(yīng)用于淮河流域，對TIGGE的ECMWF、KMA、JMA、UKMOCMA等5個模式的精度進(jìn)行了評價，并進(jìn)行了非線性集合校正研究。本文以赤山湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，選用不同模式的降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，結(jié)合流域?qū)崪y降雨資料，對各模式在17 d預(yù)見期內(nèi)的預(yù)報(bào)精度進(jìn)行綜合評價，旨在為研究TIGGE應(yīng)用于赤山湖流域洪水預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

赤山湖流域集水面積527 km2，發(fā)源于秦淮河北支句容河的支流北河、中河與南西河，屬丘陵山區(qū)和圩區(qū)混合地貌，亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，水文氣象特點(diǎn)復(fù)雜，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。赤山湖流域出口有赤山閘控制泄流，流域下游地區(qū)分布著赤山湖內(nèi)湖、西萬畝圩等蓄滯洪區(qū)，這些蓄滯洪區(qū)是秦淮河流域調(diào)蓄洪水的重要措施，也是秦淮河流域全局防洪利益與赤山湖流域局部防洪利益沖突的焦點(diǎn)。

赤山湖流域有赤山閘、二圣水庫、茅山水庫、虬山水庫、潘沖水庫、馬埂水庫、李塔水庫等自動測報(bào)雨量站，流域水系及測站分布見圖1。

圖1 赤山湖流域水系及測站分布示意

2 降水實(shí)測與預(yù)報(bào)資料

2.1 實(shí)測降水資料

收集了赤山湖流域2015—2018年汛期(5月1日至9月30日)赤山閘、二圣水庫、茅山水庫、虬山水庫、潘沖水庫、馬埂水庫、李塔水庫7個雨量站的逐日實(shí)測雨量資料，采用泰森多邊形法求得實(shí)測的流域面平均雨量系列。

2.2 TIGGE資料

目前TIGGE已經(jīng)歸檔了全球多個氣象業(yè)務(wù)中心或預(yù)報(bào)模式的短中期降水集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品，預(yù)報(bào)時效達(dá)1～14 d?？紤]到赤山湖流域1～7 d的降水量預(yù)報(bào)對流域防洪預(yù)報(bào)調(diào)度決策意義較大，本文降水預(yù)報(bào)最長預(yù)見期時長取為7 d。本文主要選取TIGGE的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF、日本氣象廳JMA、中國氣象局CMA、英國氣象局UKMO和韓國氣象廳KMA預(yù)報(bào)模式[5-6]的7d預(yù)報(bào)降雨量。由于各個機(jī)構(gòu)發(fā)布的降水預(yù)報(bào)時空分辨率有所不同，因此統(tǒng)一選用預(yù)報(bào)時間為每天的世界標(biāo)準(zhǔn)時間(00:00UTC)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，預(yù)報(bào)時長統(tǒng)一為7 d(共168 h)，時間序列為2015—2019年汛期(5月1日至9月30日)，分辨率為0.5°×0.5°。根據(jù)覆蓋赤山湖流域的格點(diǎn)TIGGE模式降雨預(yù)報(bào)資料采用泰森多邊形法，求得TIGGE模式預(yù)報(bào)的流域面平均雨量系列。

2.3 降水預(yù)報(bào)精度評價方法

通常采用雨量預(yù)報(bào)的均方根誤差評價降雨預(yù)報(bào)的精度。均方根誤差公式為

(1)

式中：fi為降雨預(yù)報(bào)值，mm；oi為降雨實(shí)測值，mm；n為樣本容量。

除反映降水誤差的RMSE指標(biāo)外，還通常采用確報(bào)率、漏報(bào)率及空報(bào)率來評價預(yù)報(bào)的降水量級的準(zhǔn)確程度。本文采用氣象部門制定的24 h降雨量級多級劃分標(biāo)準(zhǔn)。通常，氣象上認(rèn)為無雨即為降雨量為0；由于在實(shí)際進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)時，小于1 mm的時段降雨量對洪水的形成幾乎沒有直接的影響。因此，本文將的24 h無雨標(biāo)準(zhǔn)改為24 h降雨總量小于1 mm，其余不變。

為了能綜合評價降雨預(yù)報(bào)精度，文獻(xiàn)[10]在確報(bào)率、空報(bào)率和漏報(bào)率評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上提出降雨預(yù)報(bào)三率綜合評價方法：

Pi=w1·Ph,i+w2·(1-Pf,i)+w3·(1-Pm,i)

(2)

(3)

考慮到不同預(yù)見期降水預(yù)報(bào)精度對洪水資源安全利用的作用大小，1～7 d的預(yù)見期精度綜合評價指標(biāo)權(quán)重Vi分別賦為0.2，0.2，0.15，0.15，0.15，0.1，0.05；鑒于漏報(bào)對于防洪調(diào)度可能產(chǎn)生較大不利，本文主要考慮漏報(bào)率最低的預(yù)報(bào)方案，因此w1，w2，w3分別取為0.3，0.2，0.5。

3 評價計(jì)算結(jié)果

采用均方根誤差與三率綜合評價值對TIGGE降水預(yù)報(bào)中心CMA、JMA、ECMWF、UKMO、KMA預(yù)報(bào)模式在赤山湖流域的精度進(jìn)行評價，采樣時段為2015—2019年汛期(5—9月)。

3.1 均方根誤差

CMA、JMA、ECMWF、UKMO、KMA預(yù)報(bào)模式在赤山湖流域的RMSE計(jì)算結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 赤山湖流域降水預(yù)報(bào)均方根誤差結(jié)果

圖2 赤山湖流域降水預(yù)報(bào)均方根誤差

由表1、圖2可知：

(1)5個氣象預(yù)報(bào)模式中JMA、ECMWF的RMSE最小，預(yù)報(bào)效果最好；UKMO、CMA效果次之，KMA預(yù)報(bào)效果最差。

(2)KMA的RMSE波動較大，尤其是1 d預(yù)見期的RMSE達(dá)30 mm以上；其次，UKMO的RMSE波動也較大。

(3)各模式降水預(yù)報(bào)的RMSE有隨預(yù)見期增加而增大的趨勢。

3.2 三率綜合評價值

CMA、JMA、ECMWF、UKMO、KMA預(yù)報(bào)模式在赤山湖流域的三率綜合評價值計(jì)算結(jié)果如表2、圖3所示。

由表2、圖3可知：

表2 赤山湖流域降水預(yù)報(bào)三率綜合評價值

圖3 赤山湖流域降水預(yù)報(bào)三率綜合評價值

(1)對于暴雨量級的降水預(yù)報(bào)，5個氣象預(yù)報(bào)模式中JMA的三率綜合評價值最高，具有明顯的優(yōu)勢。

(2)對于大雨及其以下量級的降水預(yù)報(bào)，ECMWF的三率綜合評價值高于其他模式，但5個氣象預(yù)報(bào)模式的三率綜合評價值相差不大。

(3)整體上，各模式降水預(yù)報(bào)的三率綜合評價值隨著量級增大有下降趨勢。

4 結(jié)語

將TIGGE應(yīng)用于赤山湖流域，基于2015—2019年汛期(5—9月)降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和流域?qū)崪y降雨資料，采用均方誤根差指標(biāo)RMSE和降雨預(yù)報(bào)三率綜合評價指標(biāo)對TIGGE的ECMWF、KMA、JMA、UKMO、CMA等5個模式的預(yù)報(bào)精度進(jìn)行了評價研究，結(jié)論如下：

(1)在赤山湖流域TIGGE的ECMWF、KMA、JMA、UKMO、CMA這5個模式中，無論是均方根誤差RMSE還是三率綜合評價指標(biāo)，JMA模式的表現(xiàn)最好，其次是ECMWF；UKMO、CMA和KMA整體誤差偏大，KMA還出現(xiàn)了不合理的波動。

(2)隨著預(yù)見期的增長，各模式預(yù)報(bào)精度都呈下降趨勢；整個預(yù)見期內(nèi)各模式無雨預(yù)報(bào)能力均較強(qiáng)，小雨及以上量級降雨的預(yù)報(bào)能力逐漸減弱。

(3)應(yīng)加強(qiáng)對TIGGE產(chǎn)品的校正方法及其應(yīng)用研究。