閔晶晶

1）（北京市氣象服務(wù)中心，北京100089）2）（中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京100089）

BJ－RUC系統(tǒng)模式地面氣象要素預(yù)報(bào)效果評(píng)估

閔晶晶1）2）＊

1）（北京市氣象服務(wù)中心，北京100089）2）（中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京100089）

利用自動(dòng)氣象站逐小時(shí)地面觀測(cè)資料，采用客觀檢驗(yàn)方法對(duì)北京市氣象局快速更新循環(huán)預(yù)報(bào)（BJ－RUC）系統(tǒng)在2008—2010年5—9月的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，初步評(píng)估了BJ－RUC系統(tǒng)對(duì)地面氣象要素的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)性能。結(jié)果表明：BJ－RUC系統(tǒng)對(duì)地面氣象要素預(yù)報(bào)與實(shí)況的變化趨勢(shì)有很好的一致性。其中，2m溫度預(yù)報(bào)整體偏高，誤差范圍為－1.5～1.5℃，早上和傍晚偏大，正午偏小；2m相對(duì)濕度的預(yù)報(bào)整體偏低，誤差為－25%～0，白天偏大，夜間偏小；10m風(fēng)速預(yù)報(bào)明顯偏大，午后尤為顯著，誤差為0.6～1.2m·s－1；6h累積降水的晴雨預(yù)報(bào)效果較好，TS評(píng)分可達(dá)到0.4。系統(tǒng)在初始起報(bào)時(shí)次的穩(wěn)定性較差，從第3個(gè)起報(bào)時(shí)次開始逐漸穩(wěn)定，但預(yù)報(bào)誤差隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)逐漸增大，12h內(nèi)的預(yù)報(bào)誤差較小，預(yù)報(bào)結(jié)果較可靠，在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中具有參考價(jià)值。

BJ－RUC系統(tǒng)；客觀檢驗(yàn)；地面氣象要素

引 言

隨著數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)和探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，觀測(cè)資料的時(shí)空分辨率有了很大提高。目前，國(guó)際上廣泛使用的數(shù)值預(yù)報(bào)模式的快速更新循環(huán)（RUC）同化和預(yù)報(bào)系統(tǒng)［1］，可有效利用各種常規(guī)和非常規(guī)氣象資料進(jìn)行同化，為數(shù)值模式提供高質(zhì)量的初始場(chǎng)，同時(shí)在高分辨率數(shù)值模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)。由于快速更新同化了大量的實(shí)時(shí)觀測(cè)資料，進(jìn)而能夠得到更為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果［2－3］，可為預(yù)報(bào)員做短時(shí)、臨近、精細(xì)化預(yù)報(bào)提供更加豐富的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

20世紀(jì)90年代初國(guó)外就開始相關(guān)研究［4］。雖然我國(guó)在這方面起步較晚，但發(fā)展迅速［5－8］。為服務(wù)2008年北京奧運(yùn)會(huì)，中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所建立了一個(gè)基于WRF三維變分同化和WRF模式、具有同化多種中小尺度觀測(cè)資料的RUC同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)，2007年汛期在北京市氣象局開始業(yè)務(wù)試運(yùn)行，2008年正式投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，每日循環(huán)8次提供24h（個(gè)別時(shí)效為36h）預(yù)報(bào)，一直為北京區(qū)域內(nèi)各區(qū)縣氣象部門提供穩(wěn)定的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并成為預(yù)報(bào)員在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中的重要參考資料之一［9－11］。

目前，針對(duì)該系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)產(chǎn)品的性能評(píng)估已獲得了一些研究成果，范水勇等［12］利用2007年7月11日—8月31日的BJ－RUC系統(tǒng)運(yùn)行輸出場(chǎng)簡(jiǎn)單評(píng)估了模式3km與9km水平分辨率的預(yù)報(bào)效果，結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有較好的預(yù)報(bào)參考價(jià)值。但此次檢驗(yàn)采用的是試運(yùn)行資料，進(jìn)行檢驗(yàn)的樣本相對(duì)較少，評(píng)估結(jié)果的代表性還不夠充分。在系統(tǒng)正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行后，BJ－RUC系統(tǒng)探空的詳細(xì)評(píng)估分析結(jié)果表明［13］，探空基本要素和計(jì)算的探空物理參量在12h內(nèi)的預(yù)報(bào)誤差較小，與實(shí)況的一致性較好。與特種探空相比，BJ－RUC系統(tǒng)探空的多數(shù)物理參量在強(qiáng)天氣發(fā)生前后的變化趨勢(shì)一致［14］。由目前的研究可知，BJ－RUC系統(tǒng)的預(yù)報(bào)性能穩(wěn)定，相關(guān)研究的檢驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)高空要素預(yù)報(bào)較好，魏東等［15］對(duì)地面氣象要素的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行了初步研究，但采用的資料樣本和檢驗(yàn)站點(diǎn)不是很豐富。因此，為了使預(yù)報(bào)員更準(zhǔn)確地把握模式預(yù)報(bào)性能，促進(jìn)模式系統(tǒng)的研發(fā)人員的改進(jìn)，本文利用系統(tǒng)正式運(yùn)行后的3年模式資料，采用準(zhǔn)確性和可靠性較高的自動(dòng)氣象站逐小時(shí)數(shù)據(jù)［16－17］作為真值，通過客觀檢驗(yàn)對(duì)BJ－RUC系統(tǒng)3km水平分辨率的地面要素預(yù)報(bào)性能進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估分析。

1 BJ－RUC系統(tǒng)簡(jiǎn)介

中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所引進(jìn)的快速更新循環(huán)數(shù)值預(yù)報(bào)（BJ－RUC）系統(tǒng)［1］是基于 WRF中小尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式2.2.1版和 WRF三維變分同化系統(tǒng)2.2.1版，通過 WRF三維變分同化系統(tǒng)每間隔3h同化1次GTS全球交換獲得的常規(guī)資料以及自動(dòng)氣象站觀測(cè)、地基GPS可降水量觀測(cè)等高時(shí)空分辨率的多種非常規(guī)觀測(cè)資料，得到大氣狀態(tài)最新估計(jì)作為模式初始場(chǎng)，再利用高分辨率的WRF模式進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。

模式主要是采用三重嵌套網(wǎng)格，水平分辨率為27，9km和3km，垂直方向采用σ坐標(biāo)，共37層，預(yù)報(bào)區(qū)域格點(diǎn)數(shù)分別為151×151，142×151，172×151。循環(huán)時(shí)間間隔為3h，每天共計(jì)8次循環(huán)，12：00（世界時(shí)，下同）起始的循環(huán)為冷啟動(dòng)，其他時(shí)次均為熱啟動(dòng)。

2 檢驗(yàn)資料與方法

選取的樣本時(shí)間為2008—2010年5—9月，每日8次更新循環(huán)預(yù)報(bào)（下文稱為起報(bào)時(shí)次：12：00，15：00，18：00，21：00，00：00，03：00，06：00，09：00），預(yù)報(bào)時(shí)效為24h，每個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)效的總樣本為459個(gè)。制作檢驗(yàn)預(yù)備資料時(shí)，剔除各種原因而導(dǎo)致預(yù)報(bào)或自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料有誤的樣本。本文主要評(píng)估BJ－RUC系統(tǒng)模式3km水平分辨率地面氣象要素預(yù)報(bào)水平，模式3km分辨率區(qū)域覆蓋了北京、河北和天津等地區(qū)，覆蓋區(qū)域的中心位于40°N，116°E，檢驗(yàn)范圍限定在北京地區(qū)，實(shí)況采用地面自動(dòng)氣象站逐小時(shí)觀測(cè)資料，選取101個(gè)觀測(cè)站，并采用雙線性插值方法將系統(tǒng)模式網(wǎng)格點(diǎn)要素預(yù)報(bào)結(jié)果插值到站點(diǎn)。

為客觀評(píng)估本系統(tǒng)的預(yù)報(bào)性能，需對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)模式進(jìn)行檢驗(yàn)，一般采用的方法是檢驗(yàn)?zāi)Ｊ筋A(yù)報(bào)誤差即預(yù)報(bào)產(chǎn)品和相應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)集二者關(guān)系的評(píng)估和量化，本文主要是對(duì)以下3個(gè)方面進(jìn)行檢驗(yàn)：①計(jì)算BJ－RUC系統(tǒng)模式3km水平分辨率地面預(yù)報(bào)量（2m溫度、2m相對(duì)濕度、10m風(fēng)速）的預(yù)報(bào)誤差作為檢驗(yàn)方法，預(yù)報(bào)誤差檢驗(yàn)包括平均誤差和平均絕對(duì)誤差，并按照模式預(yù)報(bào)時(shí)效和相應(yīng)的實(shí)況觀測(cè)時(shí)間這兩個(gè)序列進(jìn)行檢驗(yàn)分析。其中，按預(yù)報(bào)時(shí)效進(jìn)行檢驗(yàn)主要是為了考察模式隨預(yù)報(bào)時(shí)效增長(zhǎng)的預(yù)報(bào)能力，即將8個(gè)循環(huán)起報(bào)時(shí)次在不同時(shí)效的預(yù)報(bào)結(jié)果與該時(shí)次對(duì)應(yīng)的實(shí)況進(jìn)行檢驗(yàn)；按實(shí)況觀測(cè)時(shí)間檢驗(yàn)主要是為了考察模式對(duì)逐日不同時(shí)間的預(yù)報(bào)能力，即將實(shí)況與不同起報(bào)時(shí)次對(duì)應(yīng)本時(shí)次的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)分析。②檢驗(yàn)系統(tǒng)模式10m風(fēng)向預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確率。③檢驗(yàn)每日8個(gè)起報(bào)時(shí)次的逐小時(shí)有無降水（≥0.1mm）、逐6h累積降水預(yù)報(bào)的TS評(píng)分。其中，逐6h累積降水預(yù)報(bào)時(shí)效分別為0～6h，6～12h，12～18h，18～24h，由于6h累積降水量達(dá)到大雨、暴雨閾值的樣本非常少，所以降水檢驗(yàn)的閾值僅選用0.1mm（晴雨）、5mm和10mm這3個(gè)級(jí)別，累積降水實(shí)況由自動(dòng)氣象站逐小時(shí)觀測(cè)降水量累加獲取。

3 地面氣象要素檢驗(yàn)結(jié)果

檢驗(yàn)地面基本要素（2m溫度、2m相對(duì)濕度、10m風(fēng)速）時(shí)，采用的檢驗(yàn)方法主要是分析各要素的平均誤差和平均絕對(duì)誤差。其中，平均誤差能夠量化預(yù)報(bào)和實(shí)況之間的平均偏差，也是模式預(yù)報(bào)的系統(tǒng)誤差，平均絕對(duì)誤差能夠量化預(yù)報(bào)和實(shí)況的總體偏離程度。綜合這兩種誤差分析結(jié)果，評(píng)估該模式對(duì)各要素預(yù)報(bào)的平均偏差和偏離程度，為訂正模式輸出結(jié)果提供依據(jù)。

對(duì)10m風(fēng)向預(yù)報(bào)效果的檢驗(yàn)主要是分析其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率：

其中，P表示風(fēng)向的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，M表示預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的樣本量，N表示總樣本量。在判斷預(yù)報(bào)結(jié)果是否準(zhǔn)確時(shí)采用如下規(guī)則：若風(fēng)向的預(yù)報(bào)結(jié)果與觀測(cè)實(shí)況的差值為－22.5°～22.5°，則認(rèn)為預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確。

為了評(píng)估BJ－RUC系統(tǒng)的整體預(yù)報(bào)效果，主要檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)北京地區(qū)地面基本要素預(yù)報(bào)的區(qū)域誤差。首先逐個(gè)計(jì)算各測(cè)站不同要素的平均誤差和平均絕對(duì)誤差，將所有站點(diǎn)的誤差累加并除以總站點(diǎn)數(shù)，得到整個(gè)北京地區(qū)各要素的區(qū)域平均誤差和區(qū)域平均絕對(duì)誤差。

由于BJ－RUC系統(tǒng)每日8次循環(huán)更新預(yù)報(bào)，每個(gè)起報(bào)時(shí)次對(duì)應(yīng)著未來24h逐小時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果，根據(jù)8個(gè)起報(bào)時(shí)次在未來24h的預(yù)報(bào)結(jié)果與其所對(duì)應(yīng)時(shí)次的實(shí)況就可得到各測(cè)站的平均誤差和平均絕對(duì)誤差。由于篇幅有限，僅列出12：00，18：00，00：00，06：00共4個(gè)起報(bào)時(shí)次的平均誤差變化曲線，平均絕對(duì)誤差變化曲線圖略。

3.1 2m溫度

3.1.1 平均誤差

2m溫度在各起報(bào)時(shí)次的平均誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)效變化有一定的差異，但多數(shù)誤差為－1.5～1.5℃（圖1）。其中，在初始起報(bào)時(shí)次，平均誤差在開始時(shí)效內(nèi)為負(fù)值即預(yù)報(bào)結(jié)果偏小，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)逐漸轉(zhuǎn)為正值，即預(yù)報(bào)結(jié)果開始偏大；而起報(bào)時(shí)次為21：00，00：00，03：00，06：00和09：00預(yù)報(bào)結(jié)果整體偏大。在暖季，BJ－RUC系統(tǒng)對(duì)2m溫度預(yù)報(bào)的平均誤差與起報(bào)時(shí)次有關(guān)，在系統(tǒng)初始啟動(dòng)時(shí)次的預(yù)報(bào)結(jié)果隨著時(shí)效的增長(zhǎng)由偏小逐漸轉(zhuǎn)變成偏大，隨著模式適應(yīng)性增強(qiáng)，后面其他幾個(gè)起報(bào)時(shí)次的預(yù)報(bào)結(jié)果隨著時(shí)效的增長(zhǎng)偏大幅度逐漸增大。總之，該系統(tǒng)對(duì)2m溫度的預(yù)報(bào)整體偏高，同時(shí)，需要注意的是，不同起報(bào)時(shí)次的平均誤差隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)有超前現(xiàn)象，且時(shí)間間隔為3h。

由上述分析可以看出，模式對(duì)2m溫度的預(yù)報(bào)在初始起報(bào)時(shí)次的平均預(yù)報(bào)誤差與其他起報(bào)時(shí)次有明顯差異，在初始起報(bào)時(shí)次（12：00，15：00，18：00），預(yù)報(bào)和實(shí)況的平均偏差隨著時(shí)效的增長(zhǎng)由負(fù)轉(zhuǎn)正，系統(tǒng)誤差規(guī)律不明顯；而在后幾個(gè)起報(bào)時(shí)次，預(yù)報(bào)和實(shí)況的平均偏差均為正，且隨著時(shí)效的增長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)。出現(xiàn)上述情況主要是因?yàn)锽J－RUC系統(tǒng)于每日12：00冷啟動(dòng)時(shí)開始模式初始化，然后每間隔3h進(jìn)行1次三維變分同化的快速更新并進(jìn)行熱啟動(dòng)，直到次日12：00再次冷啟動(dòng)為止，這就造成在初始化的前幾個(gè)起報(bào)時(shí)次模式穩(wěn)定性較差，預(yù)報(bào)性能不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)果出現(xiàn)先偏小后偏大的現(xiàn)象，而隨著新資料的不斷進(jìn)入，模式的適應(yīng)性增強(qiáng)，后幾個(gè)起報(bào)時(shí)次預(yù)報(bào)結(jié)果的系統(tǒng)誤差變化規(guī)律較為明顯，平均誤差的變化趨勢(shì)也基本一致。

圖1 BJ－RUC系統(tǒng)不同起報(bào)時(shí)次的平均誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)效的變化Fig.1 The mean error variation of BJ－RUC system with period of validity

BJ－RUC系統(tǒng)在不同起報(bào)時(shí)次對(duì)2m溫度預(yù)報(bào)的平均誤差隨著時(shí)效的增長(zhǎng)有所差異，但隨著時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，呈兩峰三谷狀（圖2），一般早上和傍晚偏高，正午偏低，平均誤差較大的時(shí)段一般出現(xiàn)于23：00或09：00，最小平均誤差多出現(xiàn)于02：00。在21：00起報(bào)時(shí)系統(tǒng)對(duì)2m溫度的預(yù)報(bào)最為穩(wěn)定，平均預(yù)報(bào)誤差隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與其他時(shí)次一致，但數(shù)值變化幅度小，為－0.5～0.5℃。

圖2 BJ－RUC系統(tǒng)不同起報(bào)時(shí)次的平均誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)次的變化Fig.2 The mean error variatin of BJ－RUC system with the forecat time

3.1.2 平均絕對(duì)誤差

2m溫度的平均絕對(duì)誤差范圍均在2.5℃以內(nèi)，且各時(shí)次隨預(yù)報(bào)時(shí)效呈增大趨勢(shì)，除了12：00的預(yù)報(bào)外，其他起報(bào)時(shí)次均在初始預(yù)報(bào)時(shí)效最小，基本在1.5℃以內(nèi)，同時(shí)在預(yù)報(bào)時(shí)效0～12h內(nèi)預(yù)報(bào)結(jié)果的平均絕對(duì)誤差有穩(wěn)定增大的趨勢(shì)，而在12～24h內(nèi)預(yù)報(bào)結(jié)果的平均絕對(duì)誤差波動(dòng)較大，表明該系統(tǒng)對(duì)2m溫度的預(yù)報(bào)在12h內(nèi)的偏離規(guī)律較為明顯，整體預(yù)報(bào)性能較好。

不同起報(bào)時(shí)次的平均絕對(duì)誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)次有一些差異，但日變化規(guī)律基本一致，呈兩峰三谷狀，一般早上和傍晚偏高，正午偏低。

3.2 2m相對(duì)濕度

3.2.1 平均誤差

2m相對(duì)濕度在不同起報(bào)時(shí)次的平均誤差具有一致的變化趨勢(shì)，平均誤差范圍為－25%～0，在初始時(shí)效內(nèi)誤差最小，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)平均誤差逐漸增大（圖1）。前幾個(gè)起報(bào)時(shí)次在預(yù)報(bào)時(shí)效0～12h內(nèi)，平均預(yù)報(bào)誤差多數(shù)小于后幾個(gè)起報(bào)時(shí)次，但是隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)，情況正好相反。結(jié)果表明：BJ－RUC系統(tǒng)對(duì)2m相對(duì)濕度的預(yù)報(bào)明顯偏低，且系統(tǒng)誤差變化規(guī)律較為明顯，平均誤差隨著時(shí)效的增長(zhǎng)與起報(bào)時(shí)次有關(guān)。

各起報(bào)時(shí)次的平均誤差隨著時(shí)間有一些差異，但其變化趨勢(shì)較為一致，在夜間偏小，白天明顯偏大，最大平均誤差多數(shù)出現(xiàn)于23：00，最小平均絕對(duì)誤差出現(xiàn)間隔3h超前和滯后現(xiàn)象（圖2）。

3.2.2 平均絕對(duì)誤差

由于BJ－RUC系統(tǒng)對(duì)2m相對(duì)濕度預(yù)報(bào)的系統(tǒng)誤差規(guī)律非常明顯，所以平均絕對(duì)誤差和平均誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)效和時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。2m相對(duì)濕度預(yù)報(bào)的平均絕對(duì)誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)效呈有規(guī)律的增大趨勢(shì)，且各時(shí)次的變化趨勢(shì)基本一致，平均絕對(duì)誤差為0～25%。

不同起報(bào)時(shí)次的平均絕對(duì)誤差隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)有一些差異，白天偏大，夜間偏小，平均絕對(duì)誤差的最大值一般出現(xiàn)于23：00，而最小絕對(duì)誤差出現(xiàn)了間隔3h的超前和滯后現(xiàn)象。

3.3 10m風(fēng)速

3.3.1 平均誤差

10m風(fēng)速的平均預(yù)報(bào)誤差均為正值，變化范圍為0.6～1.2m·s－1（圖1），表明BJ－RUC系統(tǒng)對(duì)10m風(fēng)速的預(yù)報(bào)整體偏大，但隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)變化規(guī)律不明顯。不同起報(bào)時(shí)次的平均誤差隨著觀測(cè)時(shí)次有明顯的變化規(guī)律（圖2），午后出現(xiàn)陡增，而傍晚快速減小，這是由于午后風(fēng)速變化幅度較大的緣故。除了個(gè)別情況，凌晨到上午平均誤差變化幅度非常小，基本穩(wěn)定在0.8～1.0m·s－1之間，表明該系統(tǒng)在該時(shí)段對(duì)10m風(fēng)速的預(yù)報(bào)性能較為穩(wěn)定。

3.3.2 平均絕對(duì)誤差

10m風(fēng)速預(yù)報(bào)結(jié)果的平均絕對(duì)誤差范圍為1.2～1.8m·s－1，平均絕對(duì)誤差明顯大于平均誤差，但兩者隨預(yù)報(bào)時(shí)效和變化趨勢(shì)基本一致。

3.4 10m風(fēng)向

上文中提到，對(duì)風(fēng)向的檢驗(yàn)方法采用預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，由分析結(jié)果可看出，整體上，BJ－RUC系統(tǒng)對(duì)風(fēng)向的預(yù)報(bào)效果并不理想，最大準(zhǔn)確率低于30%。各時(shí)次10m風(fēng)向的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率隨預(yù)報(bào)時(shí)效沒有明顯的變化規(guī)律（圖略），但隨時(shí)間變化各時(shí)次的變化趨勢(shì)完全一致（圖3），有很明顯的日變化，早上到傍晚準(zhǔn)確率較高，且隨時(shí)間呈增高趨勢(shì)，而在夜間到凌晨準(zhǔn)確率平穩(wěn)偏低。其中，最大準(zhǔn)確率出現(xiàn)于08：00，最小準(zhǔn)確率出現(xiàn)于23：00。

圖3 BJ－RUC系統(tǒng)不同起報(bào)時(shí)次的10m風(fēng)向預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率隨時(shí)間變化Fig.3 The accuracy rate variation of 10mwind speed forecasted by BJ－RUC system with forecast time

3.5 要素日變化

BJ－RUC系統(tǒng)在不同起報(bào)時(shí)次對(duì)多數(shù)要素的預(yù)報(bào)誤差隨時(shí)效的增長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的起伏，且間隔時(shí)間為3h，表明該系統(tǒng)對(duì)這些要素的預(yù)報(bào)誤差與日變化有關(guān)。雖然模式對(duì)要素預(yù)報(bào)性能隨時(shí)間有變化，但系統(tǒng)是否能預(yù)報(bào)出它們的日變化規(guī)律，可以通過對(duì)比各要素在不同起報(bào)時(shí)次的預(yù)報(bào)結(jié)果與其對(duì)應(yīng)時(shí)次的實(shí)況平均值變化進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖4為不同地面氣象要素的預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)況隨時(shí)間變化曲線，由于篇幅有限，本文僅列出00：00和12：00的預(yù)報(bào)結(jié)果。結(jié)果表明：BJ－RUC系統(tǒng)能夠很好的預(yù)報(bào)出地面要素的日變化，預(yù)報(bào)和實(shí)況的平均結(jié)果隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。在數(shù)值上，2m溫度的預(yù)報(bào)與實(shí)況較為接近，2m相對(duì)濕度預(yù)報(bào)日變化的幅度略低于實(shí)況，風(fēng)速預(yù)報(bào)卻略高于實(shí)況，這與前面分析的平均誤差得到的結(jié)論相一致。

BJ－RUC系統(tǒng)預(yù)報(bào)2m溫度和2m相對(duì)濕度時(shí)，誤差較大的時(shí)段一般出現(xiàn)于23：00和09：00，正處于要素在日變化中出現(xiàn)陡增或陡減的時(shí)間點(diǎn)，而2m溫度最大值時(shí)誤差卻很小，這表明該系統(tǒng)不能很好地預(yù)報(bào)出2m溫度和2m相對(duì)濕度的轉(zhuǎn)折，但對(duì)2m最高溫度的預(yù)報(bào)卻很好。而對(duì)10m風(fēng)速，預(yù)報(bào)誤差和平均實(shí)況隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，但該系統(tǒng)不能較好地預(yù)報(bào)出最大風(fēng)速。

圖4 不同地面氣象要素的預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)況對(duì)比Fig.4 The comparison of forecast results to observations of different surface elements

4 降水量檢驗(yàn)結(jié)果

為了更深入檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)降水的預(yù)報(bào)性能，下面將對(duì)1h降水量、6h累積降水的預(yù)報(bào)結(jié)果分別進(jìn)行檢驗(yàn)。其中，6h累積降水分別為0～6h，6～12h，12～18h，18～24h預(yù)報(bào)時(shí)效，由于所有樣本中6h累積降水量達(dá)到大雨、暴雨的樣本非常少，所以1h降水量主要檢驗(yàn)有無降水（不小于0.1mm），6h累積降水主要檢驗(yàn)降水量不小于0.1，5.0，10.0mm這3個(gè)等級(jí)。模式和測(cè)站在各預(yù)報(bào)時(shí)效的降水量都是根據(jù)逐小時(shí)的降水累加得到。

采用TS評(píng)分方法［18－20］對(duì)降水預(yù)報(bào)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，具體計(jì)算公式如下：

式（1）中，X代表降水事件發(fā)生，模式預(yù)報(bào)正確的次數(shù)；Y代表降水事件沒有發(fā)生，模式預(yù)報(bào)降水的次數(shù)；Z代表降水事件發(fā)生，模式預(yù)報(bào)錯(cuò)誤的次數(shù)。

圖5為不同起報(bào)時(shí)次逐小時(shí)有無降水的TS評(píng)分結(jié)果，除了00：00和03：00個(gè)別預(yù)報(bào)時(shí)效外，其他起報(bào)時(shí)次逐小時(shí)有無降水預(yù)報(bào)的TS評(píng)分均大于0.2，且各預(yù)報(bào)時(shí)效的變化幅度較小。

圖5 BJ－RUC系統(tǒng)1h降水預(yù)報(bào)的TS評(píng)分Fig.5 Threat score for 1－h(huán)our rainfall forecasted by BJ－RUC system

由BJ－RUC系統(tǒng)各起報(bào)時(shí)次6h累積降水預(yù)報(bào)的TS評(píng)分檢驗(yàn)結(jié)果（圖略）可以看出，整體上，0.1mm以上閾值降水，不同起報(bào)時(shí)次的TS評(píng)分在各預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)較為接近，評(píng)分為0.3～0.4，表明模式對(duì)未來6h的晴雨預(yù)報(bào)效果較好，穩(wěn)定性和可靠性較高。

對(duì)5.0，10.0mm以上閾值的降水TS評(píng)分，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)與起報(bào)時(shí)次有關(guān)，在預(yù)報(bào)時(shí)效為0～6，6～12h時(shí)，初始啟動(dòng)的前幾個(gè)起報(bào)時(shí)次的TS評(píng)分較高，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)TS評(píng)分出現(xiàn)較大起伏，分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)TS評(píng)分最低的時(shí)段與起報(bào)時(shí)次和預(yù)報(bào)時(shí)效均有關(guān)聯(lián)，模式對(duì)傍晚到午夜（預(yù)報(bào)時(shí)效為17～23h）的降水預(yù)報(bào)能力較差。

5 小 結(jié)

檢驗(yàn)結(jié)果表明，BJ－RUC系統(tǒng)預(yù)報(bào)的2m溫度、2m相對(duì)濕度、10m風(fēng)速與實(shí)況具有一致的變化趨勢(shì)，且能很好地預(yù)報(bào)出這些要素的日變化，但該系統(tǒng)對(duì)各要素的預(yù)報(bào)性能仍有區(qū)別：

1）系統(tǒng)對(duì)2m溫度預(yù)報(bào)結(jié)果整體偏高，誤差為－1.5～1.5℃；對(duì)2m相對(duì)濕度的預(yù)報(bào)明顯偏低，誤差范圍為－25%～0。這兩個(gè)要素的預(yù)報(bào)誤差隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)逐漸增大，預(yù)報(bào)效果與起報(bào)時(shí)次有關(guān)。

2）系統(tǒng)對(duì)10m風(fēng)速的預(yù)報(bào)明顯偏大，誤差為0.6～1.2m·s－1。誤差隨著時(shí)間呈明顯變化規(guī)律，在午后出現(xiàn)陡增，而在傍晚快速減小。

3）系統(tǒng)能夠很好地預(yù)報(bào)出各要素的日變化。對(duì)6h累積降水量的晴雨預(yù)報(bào)效果較好，TS評(píng)分多為0.4，但對(duì)5.0，10.0mm 以上閾值的降水，預(yù)報(bào)效果與起報(bào)時(shí)次有關(guān)。

綜上所述，BJ－RUC系統(tǒng)對(duì)地面氣象要素的預(yù)報(bào)效果較好，誤差在可接受范圍內(nèi)，由于該系統(tǒng)在時(shí)間、空間分辨率較高，可用于短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中，但個(gè)別要素的預(yù)報(bào)性能與日變化關(guān)系密切，在具體應(yīng)用中需要進(jìn)行適當(dāng)訂正，消除日變化影響。

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Evaluation on Surface Meteorological Element Forecast by Beijing Rapid Update Cycle System

Min Jingjing1）2）

1）（Beijing Meteorological Service Center，Beijing100089）
2）（Institute of Urban Meteorology，CMA，Beijing100089）

The rapid update cycle（RUC）based on the rapid update cycle data assimilation system and high resolution meso－scale numerical prediction system is widely applied at home and abroad.Using high frequency update cycle assimilation analysis based on dense meso－scale observations，RUC can provide high quality initial field for high resolution numerical model to produce refined numerical forecasts.

Beijing rapid update cycle of assimilation forecast system （BJ－RUC）is established in 2007and applied to operation in 2008in China.The refined weather forecast products of BJ－RUC are important reference in daily weather forecast operation for forecasters.BJ－RUC is designed based on WRF model and WRF threedimensional variational data assimilation system.Recent observations，including conventional observation from GTS global exchange，automatic weather station（AWS）observation and the high spatial and temporal resolution unconventional observations，are assimilated at intervals of three hours using WRF three－dimensional variational data assimilation system to produce a new estimation of the atmospheric state，which will be used as WRF model initial field.And then，the high－resolution WRF model outputs are used for short－range weather forecast.

Using hourly surface observations of Beijing AWS from May to September during 2008－2010the operational forecasts of BJ－RUC for the air temperature，relative humidity，1hrainfall，6hrainfall，the wind speed and direction are analyzed in details through objective verification methods.The operation performance is evaluated preliminarily based on the analysis.

Results show that the surface meteorological elements of BJ－RUC system are well consistent withAWS measurements.The forecast results of 2mtemperature are too high，its error range is－1.5－1.5℃，and namely higher in the morning and night while lower at noon；results of 2mrelative humidity are too small，its error range is－25%－0，and bigger during the day while smaller during the night；forecast results of wind speed are too big，especially obvious in the afternoon，and the error range is 0.6－1.2m·s－1；the forecasting performance of the 6haccumulated rainfall judgment is good，and the TS is 0.4；the stability of BJ－RUC is not good at the beginning of forecast time，and the forecasting performance is unstable with the increasing of the forecast range.In general，the forecasting surface information of BJ－RUC has a superior performance within 12hours，which is very useful for short range weather forecast.

BJ－RUC system；objective verification；surface meteorological element

閔晶晶.BJ－RUC系統(tǒng)模式地面氣象要素預(yù)報(bào)效果評(píng)估.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，25（3）：265－273.

2013－06－19收到，2013－12－25收到再改稿。

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目（IUMKY201320－0506），北京市氣象局氣象科技研發(fā)專項(xiàng)（2013BMBKYZX13）

＊email：minjj06＠163.com