周長志,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)報產(chǎn)品在短期降水預(yù)報中的檢驗分析

周長志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)

運用天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中使用的日本模式、德國模式和 T213降水預(yù)報產(chǎn)品,對銅仁地區(qū) 2009年 1—12月預(yù)報效果進行檢驗,并利用誤差分析方法對強降水預(yù)報進行了統(tǒng)計和比較,結(jié)果表明：晴雨預(yù)報 TS值,日本模式、德國模式和 T213相差不大,均在 60%～70%左右。在 24h、48h分量級降水檢驗結(jié)果中,日本的 TS評分通常高于德國和 T213。同時 3種模式產(chǎn)品在強降水過程預(yù)報中預(yù)報值基本上小于實況,而且隨著實況量級的增加,預(yù)報偏小的次數(shù)增多。其中日本模式的預(yù)報最為穩(wěn)定,且結(jié)果較接近實況。

數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品;降水預(yù)報;統(tǒng)計檢驗;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)報技術(shù)手段的逐漸豐富,數(shù)值預(yù)報模式表現(xiàn)出對客觀降水預(yù)報的巨大潛力,已經(jīng)成為目前業(yè)務(wù)預(yù)報領(lǐng)域不可替代的參考預(yù)報方法。但由于數(shù)值預(yù)報結(jié)果受模式初始場、邊界條件、物理過程、地形、植被及模式本身的設(shè)計等諸多方面的影響,數(shù)值產(chǎn)品對降水預(yù)報在出現(xiàn)時間、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)報模式的預(yù)報性能參差不齊,常常使報員在大量氣象信息面前猶豫不決、信心不足。因此,對數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的合理選取與釋用已成為預(yù)報員亟待解決的問題。

貴州省銅仁地區(qū)地形獨特、氣候環(huán)境復(fù)雜多變,使得數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品與實況有不同程度的偏差。本文應(yīng)用統(tǒng)計檢驗方法,利用在預(yù)報業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用的日本模式、德國模式、T213數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品對降水預(yù)報能力進行分析檢驗,了解模式對銅仁地區(qū)的預(yù)報能力,為更好地應(yīng)用數(shù)值模式產(chǎn)品、改進數(shù)值模式提供參考。

2 資料來源

文中使用的降水預(yù)報場資料來自日本模式、德國模式全球數(shù)值模式及國家氣象中心 T213模式。日本模式、德國模式降水產(chǎn)品分別為日本模式、德國模式發(fā)布的細(xì)網(wǎng)格模式 0～72h降水預(yù)報產(chǎn)品,格距分別為 1.25°×1.25°、1.5°×1.5°,時間分辨率為6h。T213產(chǎn)品為北京發(fā)布的 3～132h降水產(chǎn)品,格距為 1°×1°,時間分辨率為 3h。分別收集整理了2009年 1～12月日本模式、德國模式、T213的降水預(yù)報資料以及相對應(yīng)時段銅仁地區(qū) 10個氣象觀測站降水實況。其中實況資料為每天 20∶00～20∶00(北京時)的 24h累計降水。數(shù)值模式的預(yù)報為與實況相對應(yīng)的 20∶00起報的 24～48h及 48～72h的 24h累計降水預(yù)報。

為便于檢驗,將上述 3種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的 24～48h、48～72h格點預(yù)報數(shù)據(jù)內(nèi)插值到銅仁地區(qū) 10個氣象站點,以此作為數(shù)值模式對各氣象站點的24h、48h降水預(yù)報資料。

3 統(tǒng)計方法

為便于研究和比較,本文采用目前氣象部門應(yīng)用比較廣泛的《中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗辦法》,對上述數(shù)值模式產(chǎn)品的降水預(yù)報 TS評分、漏報率 (PO)、空報率 (NH)等方面進行檢驗。

降水檢驗主要分為兩種,一種為有無降水即晴雨預(yù)報的檢驗;另一種為針對某量級降水的統(tǒng)計檢驗包括 24h和 48h降水資料,降水量級分為小雨(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。

4 降水預(yù)報檢驗

通常 TS評分是用來衡量降水預(yù)報準(zhǔn)確率的指數(shù),如果評分較高,說明對降水發(fā)生的預(yù)報較好。通過對銅仁地區(qū) 10個氣象站點 24h、48h降水預(yù)報按量級統(tǒng)計檢驗結(jié)果來看 (表 1、表 2),日本模式、德國模式、T213三種數(shù)值預(yù)報對 24h降水預(yù)報準(zhǔn)確率要高于 48h,對晴雨預(yù)報的準(zhǔn)確率均保持在 60%～70%左右,德國預(yù)報準(zhǔn)確率最高,T213的空報率略高于日本和德國。另外,統(tǒng)計事實表明量級預(yù)報的準(zhǔn)確率總體較低,并且隨降水量級的增加而減小,同時數(shù)值預(yù)報模式的空、漏報率增加,特別是暴雨的空、漏報率顯著增大。

從表 1、表 2分析,各個數(shù)值模式對小雨的預(yù)報準(zhǔn)確率要高于其他量級,其中日本模式 TS評分最高,其次是 T213模式。對于中雨預(yù)報的評分明顯低于小雨的評分,日本與德國的評分比較接近,德國預(yù)報略優(yōu)于日本,T213預(yù)報稍差些。大雨 TS評分結(jié)果,日本要優(yōu)于德國和 T 213,但 3種數(shù)值預(yù)報大雨空報率不相上下,說明日本對于大雨量級的預(yù)報做出了相對較好的反應(yīng)。暴雨預(yù)報 Ts評分的排序與大雨相同,以日本的預(yù)報參考價值最高。各模式對大暴雨的預(yù)報能力較差,2009年銅仁地區(qū)共出現(xiàn) 2個站次的大暴雨,各數(shù)值模式均未有效地預(yù)報出來。

通過對以上 3種模式降水預(yù)報的漏、空報率比較,從預(yù)報時效上來看,3種數(shù)值模式 48h預(yù)報的空報率和漏報率均高于 24h預(yù)報。從降水量級的預(yù)報上來看,隨降水量級增加,3種數(shù)值預(yù)報模式的空、漏報率增加,特別是大雨以上量級的空、漏報率顯著增大。對比 3種模式的預(yù)報空、漏報率,對于小雨和中雨預(yù)報,空報率高,漏報率低;對于大雨預(yù)報,3種數(shù)值模式的漏報率與空報率基本相當(dāng);對于暴雨預(yù)報,各模式的漏報率均顯著增大。

5 強降水預(yù)報誤差檢驗分析

5.1 檢驗方法

通過以上降水預(yù)報檢驗分析,日本模式、德國模式、T213對于大雨以上量級的強降水預(yù)報能力均偏弱,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)報員在強降水預(yù)報中進行相關(guān)訂正及解釋。在這里采用預(yù)報評價中常使用的誤差檢驗方法,對日本模式、德國模式、T213 3種降水產(chǎn)品的預(yù)報誤差進行檢驗。

整理銅仁地區(qū)各氣象站點強降水過程中 3種產(chǎn)品的預(yù)報值和實況,并對預(yù)報誤差、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行統(tǒng)計,其中相關(guān)定義如下：

強降水：日降水 (20～20時)≥25mm。

預(yù)報誤差：Xi=[(Xp-Xo)/Xo]×100%,Xp為預(yù)報值,Xo為實況值。

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

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

5.2 檢驗結(jié)果及分析

將強降水過程按照 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)三個量級,并按照這個劃分標(biāo)準(zhǔn),計算三種預(yù)報產(chǎn)品的統(tǒng)計量,結(jié)果見圖 1。

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

從圖 1中的 24h、48h 2個時段預(yù)報偏小率的分布可見,不論是大雨、暴雨、還是大暴雨以上的量級,上述 3種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品預(yù)報值基本上小于實況值,而且隨著實況量級的增加,預(yù)報偏小的次數(shù)也逐漸越多。這反映出了全球數(shù)值模式強降水過程漏報多,空報少的特點,也反映出在強降水預(yù)報中,各數(shù)值模式預(yù)報具有一致偏小的系統(tǒng)特征。另外,3種產(chǎn)品之間預(yù)報偏小率也各有不同,其中日本模式在 24、48h 2個時次各個量級的預(yù)報偏小率均高于其它 2種產(chǎn)品,暴雨的預(yù)報偏小率達(dá)到 95%以上,大暴雨的預(yù)報偏小率甚至為 100%。

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

雖然 3種產(chǎn)品的預(yù)報大多數(shù)比實況偏小,但也有部分量級、部分時次的預(yù)報比實況大。為客觀評價預(yù)報產(chǎn)品的性能,有必要對它們的偏大誤差進行客觀分析。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,各個量級、各個時次的預(yù)報,日本降水預(yù)報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 2009年 1—12月數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品在銅仁地區(qū)短期降水預(yù)報檢驗中,從 24h、48h準(zhǔn)確率、空報率、漏報率分析,晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率相對較高,量級預(yù)報的準(zhǔn)確率總體較低,并且隨降水量級的增加而減小。

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

③通過統(tǒng)計檢驗發(fā)現(xiàn)：日本模式、德國模式、T213在強降水過程預(yù)報中預(yù)報值基本上小于實況,預(yù)報偏小明顯。其中隨著實況量級的增加,日本模式、德國模式、T213預(yù)報偏小的次數(shù)越多,其中平均偏小誤差隨著量級的增加,誤差增大;而平均偏大誤差則相反。

④從誤差檢驗得出：日本模式、德國模式、T213等 3種數(shù)值預(yù)報之間,德國的平均偏小誤差最大,T213的平均偏大誤差最大,日本則相對穩(wěn)定,預(yù)報具有一致偏小的特點,而且其平均偏小誤差、平均偏大誤差都是最小的,更接近實況。日本對強降水檢驗的結(jié)果優(yōu)于其它兩種產(chǎn)品。

⑤數(shù)值預(yù)報作為一種預(yù)報工具,具有較好的參考性,但是單從 TS評分結(jié)果來看,數(shù)值預(yù)報仍然需要結(jié)合實況、雷達(dá)回波、衛(wèi)星云圖等資料及時作出訂正,才能有效地提高預(yù)報準(zhǔn)確率。

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1003-6598(2010)增刊-0100-03

2010-09-10

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