基于多模式商丘市汛期區(qū)域性暴雨的檢驗

李瑩 朱世紅

摘要 面對暴雨預(yù)報精細化難題，利用商丘地區(qū)汛期暴雨的數(shù)值模式和實況降水資料對商丘地區(qū)的暴雨進行檢驗。采用2017—2020年的Micaps數(shù)據(jù)資料，利用對比分析等方法檢驗EC-thin模式和日本模式在商丘區(qū)域性暴雨落區(qū)和強度預(yù)報的誤差。結(jié)果表明：無論暴雨降水量級還是落區(qū)，EC-thin模式預(yù)報具有較好的指導(dǎo)意義，暴雨預(yù)報準確率高，臨近預(yù)報效果較好，但穩(wěn)定性較差。而日本模式穩(wěn)定性較好，暴雨漏報率高，預(yù)報量級偏小，誤差較大，且兩種模式均存在對特大暴雨量級以上的暴雨漏報問題。因此，預(yù)報員應(yīng)重點參考EC-thin模式，日本模式作為輔助參考。EC-thin模式預(yù)報暴雨降水中心強度來看，整體比實況偏小;暴雨落區(qū)比實況多數(shù)偏西。EC-thin模式對副熱帶高壓強度的預(yù)報較實況偏弱，即預(yù)報場的副熱帶高壓西伸脊點的位置多數(shù)較實況場偏東，是副高外圍強對流天氣形成的暴雨漏報的主要原因。在比濕方面，大比濕區(qū)擬合較好，量值比實況偏大，但對暴雨的預(yù)報具有良好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 暴雨;EC-thin模式;日本模式

中圖分類號：P45 文獻標識碼：A 文章編號：2095–3305（2021）05–0064–04

隨著數(shù)值模式在全國正式開展業(yè)務(wù)化應(yīng)用，預(yù)報員急需從天氣學(xué)角度了解該模式對于暴雨天氣過程的預(yù)報性能特點和偏差傾向，從而更好地發(fā)揮其業(yè)務(wù)預(yù)報作用。目前，關(guān)于各種數(shù)值模式定量降水預(yù)報檢驗的研究較多，通過對數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的主客觀檢驗和評估，能夠明顯提升預(yù)報質(zhì)量。有學(xué)者對國內(nèi)外數(shù)值模式預(yù)報的形勢場、要素場在時效、移動、強弱等方面做過檢驗，多以定性評價為主[1-5]。趙寧坤等[6]利用數(shù)值模式對2010—2013年云南地區(qū)雨季降水預(yù)報探討了模式的預(yù)報效果和誤差特點。公穎等[7]對2009年3個模式的降水預(yù)報效果進行了對比分析。陳博宇等[8]分析了2013年汛期ECMWF集合預(yù)報在江南、四川盆地和華北地區(qū)強降水過程中的表現(xiàn)。陳超君等[9]采用TS評分等統(tǒng)計量對2013年汛期華中區(qū)域中尺度數(shù)值預(yù)報模式進行了詳細評估。宮宇等[10]對GRAPES、GFS進行了檢驗并總結(jié)了模式預(yù)報性能優(yōu)勢和系統(tǒng)性偏差特征。翟振芳等[11]應(yīng)用風(fēng)險評分等方法對安徽省ECMWF數(shù)值模式進行了檢驗。鄧鵬飛等[12]對比分析了11種數(shù)值模式對江西省撫州市區(qū)域性暴雨系統(tǒng)預(yù)報的效果。孫素琴等[13]分析了2015年江西省汛期區(qū)域性暴雨的時空分布特征，并對比分析了3種數(shù)值模式對江西省區(qū)域性暴雨系統(tǒng)預(yù)報的效果。梁利等[14]分析比較了3種數(shù)值模式在廣西晴雨預(yù)報和降水分級預(yù)報的能力。曲巧娜等[15]對山東省16次強降水過程預(yù)報的降水落區(qū)形態(tài)進行了模式檢驗。

上述研究從不同角度闡述了各種模式對不同地區(qū)降水的預(yù)報效果和偏差，而關(guān)于商丘地區(qū)暴雨模式檢驗相關(guān)的研究較少。面對商丘精細化的暴雨預(yù)報難題，基于多模式汛期區(qū)域性暴雨的檢驗，及誤差分析研究工作尤為重要。對商丘地區(qū)汛期暴雨的模式預(yù)報進行了檢驗，包括暴雨落區(qū)和暴雨中心極值的誤差，以及影響暴雨落區(qū)的副高位置和重要氣象因子預(yù)報。檢驗效果為今后利用模式預(yù)報商丘汛期暴雨、提高暴雨預(yù)報的精準度提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)商丘市近4年的降水，選取2017—2020年5—9月降水范圍大、雨量強的區(qū)域性暴雨過程進行檢驗。降水實況資料來源于商丘市Micaps資料中的8個氣象站觀測資料（圖1）。檢驗的實況降水量時間段為08：00～次日08：00，共選取了10次區(qū)域性暴雨日。定義≥3個國家站次的暴雨即為一個區(qū)域性暴雨日，其中區(qū)域性暴雨主要發(fā)生在每年的6—8月，6月有3個區(qū)域性暴雨日，7月有4個區(qū)域性暴雨日，8月有3個區(qū)域性暴雨日;區(qū)域性暴雨過程中有5次低槽型、2次切變線型、2次副高邊緣型和1次臺風(fēng)倒槽型（表1）。參與檢驗的模式主要有EC細網(wǎng)格模式產(chǎn)品（以下簡稱EC-thin）以及日本模式。檢驗的資料為暴雨發(fā)生前08：00、20：00起報的24 h累計降水量預(yù)報與實況24 h降水。

1.2 檢驗方法

降水落區(qū)檢驗包含檢驗內(nèi)容和檢驗指標。檢驗內(nèi)容包括降水強度和降水落區(qū)兩方面，降水強度主要從模式預(yù)報的強降水中心與實況的差值情況進行檢驗;降水落區(qū)則主要是模式相對實況整體雨區(qū)的偏離方向。檢驗的指標有偏離方向、模式漏報和有指示意義3項。具體定義如下：（1）偏離方向：模式預(yù)報的暴雨落區(qū)或暴雨中心主體相對實況偏離方向，包括東、南、西、北4個方位。（2）模式漏報：實況出現(xiàn)暴雨而模式?jīng)]有報出，或者模式未給出暴雨中心的預(yù)報。（3）有指示意義：模式預(yù)報與實況均出現(xiàn)暴雨中心且模式預(yù)報降水落區(qū)與實況相比基本一致。

2 結(jié)果與分析

2.1 模式降水檢驗

2.1.1 降水模式和預(yù)報效果檢驗 根據(jù)近4年的降水資料和EC、日本兩家數(shù)值模式降水預(yù)報產(chǎn)品，對兩家數(shù)值模式在商丘暴雨預(yù)報方面的能力進行分析和比較，結(jié)果表明EC-thin模式在暴雨預(yù)報方面有明顯的優(yōu)勢，有2次暴雨過程漏報，8次暴雨預(yù)報正確，但對于大暴雨以上量級的降水存在漏報現(xiàn)象。EC-thin模式表現(xiàn)出對暴雨及以上量級降水的優(yōu)勢，且臨近預(yù)報效果更好，60 h和84 h預(yù)報效果較差。而日本模式的整體預(yù)報效果較差，在暴雨預(yù)報方面表現(xiàn)出明顯的弱勢，多數(shù)未能預(yù)報出暴雨及以上量級降水，有8次暴雨漏報，整體預(yù)報的量級較實況偏小，且大暴雨漏報率更大。日本模式一旦預(yù)報暴雨，則出現(xiàn)暴雨的概率非常大?？傊珽C模式的暴雨預(yù)報能力最強，日本模式在暴雨預(yù)報中漏報率高。

由商丘市汛期暴雨檢驗表2可知，對于降水落區(qū)的預(yù)報，EC-thin模式的整體預(yù)報效果較好，有8次暴雨過程雨帶基本與實況較接近，且越臨近暴雨預(yù)報效果越好。EC-thin模式預(yù)報性能不穩(wěn)定，變動比較大，84～60 h預(yù)報效果較差，沒有一定的預(yù)報規(guī)律性。日本模式雖然漏報率比較高，但預(yù)報性能比較穩(wěn)定，84～36 h暴雨預(yù)報結(jié)果整體比較一致。

2.1.2 不同影響系統(tǒng)下模式預(yù)報的差異 商丘暴雨的主要影響系統(tǒng)有低槽型、切變線型、臺風(fēng)倒槽型、副高邊緣型。從10次暴雨過程模式預(yù)報是否有指示意義的統(tǒng)計中（表3），不難看出，在不同的影響系統(tǒng)下，模式的預(yù)報效果參差不齊，下面結(jié)合影響系統(tǒng)分析各個模式預(yù)報性能的差異。

10次強降水過程中，2種模式均預(yù)報較好的過程是2018年8月18—19日和2017年7月14—15日，分別是臺風(fēng)倒槽型和低槽型。由此看出，無論是哪種暴雨類型，2種模式均有較好的預(yù)報效果。對于系統(tǒng)配置較好的大型降水天氣過程，模式有較好的預(yù)報效果。

2018年8月18—19日受18號臺風(fēng)“溫比亞”影響，造成商丘地區(qū)特大暴雨，降水范圍之廣、歷時之長、雨強之大實屬罕見。此次過程最大降雨量出現(xiàn)在睢縣長崗（541.7 mm），最大雨強出現(xiàn)在示范區(qū)周集鄉(xiāng)（98.4 mm/h）。從2018年8月17日20：00預(yù)報24h累計降水與實況的對比能夠看出，EC-thin模式和日本模式都預(yù)報出了商丘地區(qū)的暴雨，均未能預(yù)報出大暴雨以上量級的降水，出現(xiàn)了特大暴雨的漏報。實況強降水中心最大值為商丘基準站351 mm，EC-thin模式預(yù)報強降水中心最大值為246 mm，較實況偏小，略微偏北;日本模式為124 mm，較實況偏小，偏西北。從降水落區(qū)的形態(tài)及偏離程度來看，兩種數(shù)值模式對于降水落區(qū)的刻畫相對比較準確，尤其是EC-thin預(yù)報的246 mm強降水區(qū)域與實況非常接近?？梢?，EC-thin模式在預(yù)報同等優(yōu)異的前提下，從量級上更優(yōu)于日本模式，有很好的指導(dǎo)意義。

在10次強降水過程中，2種模式均預(yù)報較差的過程是2019年8月1—2日和8月6—7日，這2次都是強對流天氣過程。這主要是因為2019年8月以來，副高一直徘徊在30°N以北，河南省以東區(qū)域，此種條件下易形成局地的強對流天氣。對于2019年8月1—2日降水過程，無論是預(yù)報員還是模式預(yù)報都有難點，對于2019年8月1日08：00起24 h累計降水量，EC-thin模式預(yù)報的最大降水量為57 mm，偏西北;日本模式為20 mm，遠遠小于實況的強降水中心67 mm，同時降水落區(qū)的位置有偏差。對于2019年8月6日08：00起24 h累計降水量的預(yù)報，EC-thin模式預(yù)報的最大降水量為18 mm，偏東，日本模式為10 mm，遠遠小于實況的強降水中心77 mm，同時降水落區(qū)的位置存在偏差，因此對于這兩次過程模式的預(yù)報均沒有指導(dǎo)意義。最有指導(dǎo)意義的是EC-thin模式（表4），除了上述預(yù)報難度最大的強對流天氣過程外，其他8次暴雨過程模式預(yù)報的結(jié)果均能為預(yù)報員提供參考，而日本模式僅有兩次過程有指示意義。從對比分析來看，無論降水量級還是落區(qū)，EC-thin模式非常有意義。因此預(yù)報員應(yīng)重點參考EC-thin模式，日本模式可輔助參考。

2.2 EC-thin模式的天氣學(xué)檢驗

在實際預(yù)報工作中，無論降水落區(qū)還是降水量級都可重點參考EC-thin模式，特別是臨近的36 h的預(yù)報結(jié)果。因此，為了在以后的工作中更好地使用EC-thin模式，重點對EC-thin模式的形勢場和物理量場進行檢驗。

2.2.1 降水強度檢驗 首先，對模式預(yù)報的強降水中心與實況強降水中心的差值進行檢驗。在10次商丘市區(qū)域性暴雨，24 h降水量大于等于50 mm的過程中，對于模式預(yù)報的強降水中心值而言：EC-thin模式預(yù)報值有2次比實況偏大，正偏差最大為82 mm，最小為34 mm，5次比實況偏小，負偏差最小為-13 mm，最大為-191 mm（表4）。從模式預(yù)報降水中心強度來看，除了EC-thin模式共兩次過程預(yù)報值比實況偏大外，其他過程各模式的預(yù)報值均比實況偏小，說明暴雨量級以上的降水漏報率高的主要原因是模式預(yù)報的量級偏小。

2.2.2 強降水中心落區(qū)的偏離程度檢驗 為了進一步了解EC-thin模式對于強降水的預(yù)報性能，從降水中心及降水落區(qū)的偏離程度進行檢驗。從EC-thin模式預(yù)報的強降水落區(qū)的整體偏離程度來看（表5），EC-thin模式無偏離次數(shù)為4次。EC-thin模式強降水中心較實況偏西4次，偏東2次。由此可知，EC-thin模式對于降水中心強度的預(yù)報較接近實況，對整體雨區(qū)的預(yù)報水平相對較高，具有較高的參考價值。

2.2.3 副熱帶高壓預(yù)報及檢驗 西太平洋副熱帶高壓本身和其周圍天氣系統(tǒng)間的相互作用，對商丘市汛期暴雨帶的位置和強度影響十分重要。對比檢驗了近4年商丘市汛期區(qū)域性暴雨當(dāng)天的實況，20：00以及暴雨發(fā)生前的EC-thin模式24、48、72 h預(yù)報的副熱帶高壓的位置。規(guī)定副熱帶高壓脊點位置誤差≤1個經(jīng)度或緯度且北界位置誤差≤1個緯度為預(yù)報正確，預(yù)報場的副熱帶高壓面積大于實況場為預(yù)報偏強，反之為預(yù)報偏弱，以此來分析EC-thin模式對副熱帶高壓的預(yù)報能力。商丘市汛期區(qū)域性暴雨過程期間副熱帶高壓強度的預(yù)報結(jié)果見表6。由此可見，對于商丘市汛期10次區(qū)域性暴雨過程，EC-thin模式預(yù)報的副熱帶高壓強度隨季節(jié)變化存在一定的系統(tǒng)性誤差，隨著預(yù)報時效的延長，EC-thin模式對副熱帶高壓強度的預(yù)報誤差整體差別不大。6月隨著副熱帶高壓北抬，EC-thin模式預(yù)報的副熱帶高壓強度較實況偏弱的概率較大。7月隨著副熱帶高壓進一步加強北抬，EC-thin模式預(yù)報的副熱帶高壓強度較實況偏弱的概率進一步增加。8月EC-thin模式對副熱帶高壓的預(yù)報能力提高，偏弱率明顯降低，一致率提高。因此，EC-thin模式對副熱帶高壓強度的預(yù)報多數(shù)偏弱，即預(yù)報場副熱帶高壓西脊點的位置多數(shù)較實況場偏東。

2.2.4 比濕預(yù)報及檢驗 暴雨是在比濕達到相當(dāng)大的數(shù)值以上才形成的。由近4年商丘地區(qū)汛期區(qū)域性暴雨發(fā)生時的比濕可知（表7），隨著夏季轉(zhuǎn)換，比濕對暴雨的指示作用趨于明顯。700 hPa高度上，6月暴雨發(fā)生時商丘地區(qū)上空比濕為2～4 g/kg，8月比濕加大至11 g/kg。850 hPa比濕較700 hPa增大了5～7 g/kg，主汛期7—8月比濕為11～15 g/kg。850 hPa上暴雨發(fā)生時比濕集中在11～15 g/kg，大于16 g/kg比濕出現(xiàn)的概率亦有，但比重較小?？梢?，商丘市汛期區(qū)域性暴雨發(fā)生時比濕的變化對暴雨預(yù)報指示作用較大。通過EC-thin模式預(yù)報的比濕發(fā)現(xiàn)，整體預(yù)報的比濕強度較實況偏大，24～72 h比濕的預(yù)報準確率相對穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）對于商丘市汛期區(qū)域性暴雨，EC-thin模式有明顯的優(yōu)勢，10次暴雨，準確率為4/5，暴雨預(yù)報能力很強;日本模式的暴雨預(yù)報漏報率較高，暴雨預(yù)報準確率為1/5。對于特大暴雨以上量級的降水，兩種模式均難以預(yù)報，但EC-thin模式從量級上較日本模式誤差偏小。對于系統(tǒng)配置較好的天氣過程，兩種模式對暴雨均有良好的預(yù)報效果，對于強對流天氣形成的暴雨天氣，模式預(yù)報漏報率高。

（2）從10次暴雨降水量級和落區(qū)分析，EC-thin模式暴雨落區(qū)預(yù)報存在一定不穩(wěn)定性，暴雨落區(qū)變動比較大，準確率為2/5，偏西2/5，偏東1/5，暴雨落區(qū)預(yù)報訂正應(yīng)往中東部調(diào)整;84～60 h暴雨預(yù)報效果較差。日本模式暴雨落區(qū)預(yù)報漏報率較高，但36～84 h暴雨落區(qū)預(yù)報比較穩(wěn)定，空報結(jié)果很少，具有很好的參考價值。

（3）從模式預(yù)報暴雨區(qū)中心強度分析，EC-thin模式暴雨中心雨量擬合較好2次，偏大2次，偏小5次，整體暴雨中心預(yù)報量級較實況偏小，訂正預(yù)報暴雨中心雨量應(yīng)往大的方向調(diào)整。日本模式的雨量預(yù)報值均比實況偏小，是暴雨漏報率高的主要原因，暴雨中心預(yù)報的量級偏小，比EC-thin模式對于暴雨中心強度的預(yù)報誤差更大一些。

（4）對于商丘市汛期10次區(qū)域性暴雨過程，EC-thin模式預(yù)報的副熱帶高壓強度較實況多數(shù)偏弱，即預(yù)報副高西伸脊點的位置較實況場偏東，是商丘地區(qū)副高外圍強對流造成的暴雨天氣漏報的主要原因;隨著預(yù)報時效的延長，EC-thin模式對副高強度的預(yù)報誤差減小。大比濕區(qū)對暴雨預(yù)報指示作用較大，EC-thin模式預(yù)報比濕強度較實況偏大，但24～72 h大比濕區(qū)的預(yù)報準確率相對較高，對暴雨落區(qū)預(yù)報具有參考價值。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Validation of Regional Rainstorm Based on Multi-models During the Flood Season in Shangqiu City

LI Ying et al（Shangqiu City Meteorological Bureau， Shangqiu， Henan 476000）

Abstract Faced with the problem of refined rainstorm forecast， the rainstorm in Shangqiu area is validated by using the numerical model of Rainstorm in flood season and the actual precipitation data. This paper explore the differences between EC-thin model and Japan model in rainstorm forecast by using comparative analysis and other methods based on the MICAPS data of Shangqiu City from 2017 to 2020， and focus on the validation of EC-thin model. The results show that the EC thin model is of great significance in both precipitation magnitude and area. The accuracy of rainstorm forecast is high， and the effect of near forecast is good， but the stability is poor. The Japan model is stable and the accuracy of forecast is poor， and both of them have the problem of missing report for rainstorm with extra heavy rainfall. Therefore， forecasters should focus on the EC-thin model， Japan model can be used as an auxiliary reference. From the point of view of the intensity of precipitation center predicted by the model， the predicted value of EC-thin model is smaller than the actual value.The prediction intensity of subtropical high is weaker than the observed data of EC-thin mode， that is to say， the location of the western extension ridge of the subtropical high in the forecast field is more eastward than the observed field. In the aspect of specific humidity， the overall forecast intensity of the model is larger than the actual situation.

Key words Rainstorm; EC-thin model; Japan model