韓　潔，龐　翻，陳衛(wèi)東

(寶雞市氣象局，陜西寶雞　721006)

WRF模式對(duì)寶雞地區(qū)2013年夏季溫度和降水預(yù)報(bào)的評(píng)估檢驗(yàn)

韓潔，龐翻，陳衛(wèi)東

(寶雞市氣象局，陜西寶雞721006)

摘要：利用寶雞地區(qū)155個(gè)縣區(qū)級(jí)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)自動(dòng)站的觀測資料與WRF模式的輸出產(chǎn)品，檢驗(yàn)WRF模式對(duì)2013年夏季最高、最低氣溫和降水預(yù)報(bào)的效果。結(jié)果表明：WRF模式預(yù)報(bào)的最高、最低氣溫的空間分布形態(tài)與實(shí)況較為一致，對(duì)于陰天和降水情況下的氣溫預(yù)報(bào)具有較高的準(zhǔn)確性，最高、最低溫度的預(yù)報(bào)值較實(shí)況整體偏低。WRF模式對(duì)寶雞地區(qū)東部晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高，達(dá)到65%以上；鳳縣、太白最差，僅為40%左右。WRF模式預(yù)報(bào)的夏季日平均降水量與實(shí)況值在量級(jí)上較為一致，但空間分布誤差較大。模式3個(gè)時(shí)次預(yù)報(bào)的逐日降水量能夠較為準(zhǔn)確地描述夏季各次降水的發(fā)生—發(fā)展—減弱過程。通過對(duì)模式預(yù)報(bào)的降水量進(jìn)行分級(jí)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模式對(duì)降水的預(yù)報(bào)能力隨著降水量級(jí)的增大而減小，空報(bào)多于漏報(bào)；WRF模式的暴雨預(yù)報(bào)值得參考。

關(guān)鍵詞：WRF模式；溫度；降水；預(yù)報(bào)檢驗(yàn)；TS評(píng)分；擊中率；寶雞

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)已成為現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重要基礎(chǔ)和發(fā)展方向，由于受到初始場、物理過程、模式本身等諸多因素影響，模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品不可避免存在誤差，因此檢驗(yàn)評(píng)估工作成為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的重要組成部分，評(píng)估結(jié)果有助于模式本身的改進(jìn)和預(yù)報(bào)人員更好地使用模式產(chǎn)品。王雨[1]利用國家基本氣象站資料評(píng)估了中央氣象臺(tái)5個(gè)常用模式的定量降水預(yù)報(bào)結(jié)果；王麗等[2]利用湖北省77個(gè)氣象觀測站資料對(duì)日本、德國和T213三種數(shù)值模式的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)比較；藥明和晏曉英[3]利用代表不同地理環(huán)境的6個(gè)站點(diǎn)，檢驗(yàn)并分析了吉林省數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)短期預(yù)報(bào)各時(shí)段降水、溫度、氣壓和風(fēng)速等要素的預(yù)報(bào)性能；2012年陳鋒等[4]就WRF模式對(duì)2011年夏季降水和溫度進(jìn)行了評(píng)估檢驗(yàn)?？傮w而言，已有的數(shù)值預(yù)報(bào)模式檢驗(yàn)評(píng)估主要側(cè)重于對(duì)定量降水的評(píng)估，且所用觀測資料多以常規(guī)站(站點(diǎn)較少)資料為主。寶雞地區(qū)地處陜西省關(guān)中西部，地貌復(fù)雜，天氣多變，因此數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)寶雞地區(qū)夏季降水和溫度具有什么樣的預(yù)報(bào)能力，存在多大的誤差，參考價(jià)值有多大，成為預(yù)報(bào)員關(guān)注的重要問題。本文利用寶雞地區(qū)155個(gè)自動(dòng)站觀測資料，采用空間分布和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)等方法評(píng)價(jià)WRF模式對(duì)寶雞地區(qū)2013年夏季(6—8月)降水和溫度的預(yù)報(bào)能力，并對(duì)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)，為精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)工作提供較為客觀的參考。

1資料與方法

寶雞市氣象臺(tái)運(yùn)行的WRF(Weather Research Forecast)模式系統(tǒng)采用WRFV3，該模式是由美國多個(gè)研究部門及大學(xué)共同參與開發(fā)的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)，具有可移植、易維護(hù)、可擴(kuò)充等諸多特性[5]。根據(jù)寶雞地區(qū)現(xiàn)有計(jì)算條件和地理位置特征，模式選用三重嵌套，分辨率分別為45、15、3 km，中心經(jīng)緯度為107.1°E、34.3°N,垂直層次為37層。45 km嵌套重點(diǎn)覆蓋影響寶雞地區(qū)的大尺度系統(tǒng)，3 km嵌套識(shí)別影響寶雞地區(qū)的中尺度系統(tǒng)。模式積云參數(shù)化方案采用Kain-Fritsch方案，微物理方案采用Lin方案，陸面過程使用Thermal Diffusion方案，行星邊界層采用Yonsei University(YSU)參數(shù)化方案，近地表物理方案為Monin-Obukhov方案，長波輻射方案為RRTM，短波輻射方案為Dudhia方案。初始場采用NCEP/GFS分析場資料。實(shí)況資料選用寶雞地區(qū)155個(gè)自動(dòng)站觀測資料，模式評(píng)估要素為20時(shí)起報(bào)的24 h累計(jì)降水量、2 m的最高氣溫和最低氣溫。

利用相關(guān)分析等方法對(duì)模式最高、最低溫度預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)。使用晴雨準(zhǔn)確率、一般性降水準(zhǔn)確率(TS評(píng)分)、擊中率、空報(bào)率、漏報(bào)率[6]對(duì)模式的降水預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算公式為：

晴雨準(zhǔn)確率Pc=(Na+Nd)/ (Na+Nb+Nc+Nd) ×100%,

一般性降水準(zhǔn)確率TS=Na/(Na+Nb+Nc)×100%，

空報(bào)率Far=Nb/(Na+Nb)×100%，

漏報(bào)率Po=Nc/(Na+Nc)×100%，

擊中率Pod=Na/(Na+Nb)×100%，

式中Na為有降水預(yù)報(bào)正確站(次)數(shù)，Nb為空報(bào)站(次)數(shù)，Nc為漏報(bào)站(次)數(shù)，Nd為無降水預(yù)報(bào)正確的站(次)數(shù)。

22013年夏季溫度與降水檢驗(yàn)

2.1溫度

2.1.1最高溫度對(duì)各站點(diǎn)模式預(yù)報(bào)的溫度與相對(duì)應(yīng)的實(shí)況溫度做相關(guān)分析，得到最高溫度的24 h預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.86，這表明24 h預(yù)報(bào)場與實(shí)況場相似度較高。2013年寶雞夏季平均最高氣溫實(shí)況和預(yù)報(bào)如圖1所示。實(shí)況圖上渭濱、鳳翔、陳倉、岐山、扶風(fēng)、眉縣為最高溫度的高值區(qū)，與24、48、72 h這3個(gè)時(shí)次的最高溫度預(yù)報(bào)場的高值區(qū)位置一致；另外隴縣、千陽、麟游在實(shí)況與預(yù)報(bào)圖上均表現(xiàn)出千陽(中間)氣溫高，隴縣、麟游氣溫低的特點(diǎn)。但是對(duì)于實(shí)況圖上鳳縣高值區(qū)，WRF模式的3個(gè)時(shí)次預(yù)報(bào)場并未報(bào)出，這可能與鳳縣地形復(fù)雜多變，海拔落差較大，局地小氣候特征明顯有關(guān)，模式對(duì)其溫度的分布特征較難做出精細(xì)的刻畫。

圖1　2013年夏季(6—8月)寶雞平均最高氣溫的WRF模式預(yù)報(bào)與實(shí)況(單位：℃)

另將夏季各站點(diǎn)最高溫度的實(shí)況平均值分別與相對(duì)應(yīng)的24、48、72 h模式預(yù)報(bào)的平均值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)24 h預(yù)報(bào)值較實(shí)況值平均偏低0.61 ℃，48、72 h預(yù)報(bào)值較實(shí)況值平均偏低0.65 ℃，由此可知，模式對(duì)于2013年夏季寶雞地區(qū)最高溫度的預(yù)報(bào)效果在3個(gè)時(shí)次中具有較好的一致性和參考價(jià)值。

2.1.2最低氣溫與最高氣溫的檢驗(yàn)方法類似，各站點(diǎn)最低溫度24 h預(yù)報(bào)值與實(shí)況值相關(guān)系數(shù)為0.83，略低于最高溫度的相關(guān)系數(shù)，但仍具有較高的相似性。從圖2可以看出，在實(shí)況圖上平均最低溫度的高值區(qū)位于寶雞中東部和鳳縣境內(nèi)，但模式24 h預(yù)報(bào)的平均最低溫度高值區(qū)較實(shí)況偏西。實(shí)況圖中3個(gè)低值中心分別位于寶雞東北部、西北部和東南部的太白縣境內(nèi)，且在3個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)圖上均有對(duì)應(yīng)。24 h預(yù)報(bào)場的最低溫度與其相對(duì)應(yīng)的實(shí)況值比較，平均偏低1.52 ℃，但48 h和72 h預(yù)報(bào)場的最低溫度較實(shí)況值平均偏低0.44 ℃和0.50 ℃，即模式預(yù)報(bào)值較實(shí)況值偏低，但誤差不大。

圖2　2013年夏季(6—8月)寶雞平均最低氣溫的WRF模式預(yù)報(bào)與實(shí)況(單位：℃)

以上分析表明，溫度24 h預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)超過0.80，即24 h的預(yù)報(bào)與實(shí)況具有較好的一致性。另外24、48、72 h的預(yù)報(bào)場與實(shí)況場的相關(guān)性較好(超過0.60)，3個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)場具有較好的連續(xù)性，且均與實(shí)況場有較好的一致性，這表明模式對(duì)于2013年夏季溫度的預(yù)報(bào)效果具有較高的參考價(jià)值。

2.1.3不同天氣狀況下的溫度根據(jù)天氣現(xiàn)象和高、低云量將2013年夏季(92 d)分別歸為晴天、多云、陰天和降水四類天氣狀況，對(duì)模式預(yù)報(bào)溫度與實(shí)況溫度進(jìn)行比較(表1)，結(jié)果表明：模式最高溫度的預(yù)報(bào)偏差明顯小于最低溫度的預(yù)報(bào)偏差，最高溫度預(yù)報(bào)產(chǎn)品更具參考性。模式溫度在降水和陰天這兩類天氣狀況下，最高溫度的平均偏差僅為0.1 ℃和0.5 ℃，偏差很小。在晴天和多云天氣狀況下預(yù)報(bào)偏差明顯較大，這可能是由于在晴天和多云天氣狀況下，太陽輻射強(qiáng)、下墊面和地形對(duì)氣溫的影響大，而模式對(duì)于下墊面和地形的模擬還不夠細(xì)致，造成預(yù)報(bào)與實(shí)況偏差較大。

表1　2013年夏季(6—8月)不同天況下寶雞地區(qū)各縣(區(qū))模式溫度與實(shí)況的平均差值　℃

2.2降水

2.2.124 h晴雨準(zhǔn)確率利用實(shí)況觀測降水量(20—20)資料，對(duì)WRF模式相對(duì)應(yīng)時(shí)次的降水預(yù)報(bào)(2013年6—8月)進(jìn)行晴雨準(zhǔn)確率評(píng)分(圖3)?？梢钥闯鰧氹u中東部得分較高，特別是渭濱區(qū)、鳳翔、扶風(fēng)等地的晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率超過65%，隴縣、千陽、麟游的晴雨準(zhǔn)確率低于中東部(55%左右)，但高于鳳縣、太白(40%左右)。鳳縣、太白晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率低的主要原因是山區(qū)地形復(fù)雜、天氣多變、夏季多局地降水，晴雨預(yù)報(bào)難度較大。

圖3　寶雞2013年夏季(6—8月)WRF模式24 h晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率/%

2.2.2日降水量空間分布從圖4可以看出，模式24 h預(yù)報(bào)降水量與夏季平均日降水量實(shí)況在量級(jí)上較為一致，全區(qū)夏季日平均降水量為3～7 mm。24 h預(yù)報(bào)降水量分布寶雞東南部為降水量的大值中心，千陽和麟游的交界處降水量較小，這與實(shí)況降水量分布(寶雞南、北部為平均日降水量的大值區(qū)，東部則為相對(duì)小值區(qū))不一致。即24 h模式預(yù)報(bào)值在降水量級(jí)上與實(shí)況較為一致，但在降水量的空間分布上則明顯不同。

圖4　2013年夏季(6—8月)寶雞平均日降水量的預(yù)報(bào)與實(shí)況(單位：mm)

區(qū)域平均逐日降水量演變能較好反映模式對(duì)降水過程隨時(shí)間變化的預(yù)報(bào)能力。寶雞2013年夏季逐日降水量的時(shí)間演變(圖5)表明，模式各預(yù)報(bào)時(shí)效的預(yù)報(bào)均較為準(zhǔn)確地報(bào)出降水的發(fā)生—發(fā)展—減弱過程，2013年7月幾次較大的降水過程，24 h預(yù)報(bào)降水量級(jí)與實(shí)況較為一致，但48 h和72 h預(yù)報(bào)與實(shí)況相差較大。

圖5　2013年夏季(6—8月)寶雞區(qū)域逐日降水量的實(shí)況與預(yù)報(bào)

2.2.3降水量表2給出了寶雞WRF模式不同量級(jí)降水的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯Ｊ綄?duì)降水的預(yù)報(bào)能力隨著降水量級(jí)的增大而減小，24 h預(yù)報(bào)小雨—暴雨的TS評(píng)分從0.67逐步下降到0.09。模式預(yù)報(bào)的空報(bào)多于漏報(bào)，即模式預(yù)報(bào)的降水日明顯偏多。在各個(gè)級(jí)別降水中24 h的TS評(píng)分均明顯高于48 h和72 h，這表明24 h模式預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性較高。另外，48 h暴雨以上級(jí)別的擊中率為0.24，高于中雨以上級(jí)別和大雨以上級(jí)別，這表明模式對(duì)于暴雨的預(yù)報(bào)值得參考。

表2　2013年夏季(6—8月)寶雞地區(qū)不同量級(jí)

3結(jié)論

利用寶雞地區(qū)155個(gè)縣(區(qū))級(jí)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)自動(dòng)站的觀測資料，對(duì)比檢驗(yàn)WRF模式對(duì)寶雞地區(qū)的最高、最低溫度和降水的預(yù)報(bào)效果，得到以下結(jié)論。

(1) WRF模式預(yù)報(bào)的最高、最低氣溫與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)超過0.80，表明模式預(yù)報(bào)的氣溫與實(shí)況具有較好的一致性。模式預(yù)報(bào)的最高、最低氣溫在3個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次都較實(shí)況溫度偏低，即模式預(yù)報(bào)的氣溫整體偏低。在不同的天氣狀況下，模式預(yù)報(bào)氣溫與實(shí)況的平均差值也有所不同。在陰天和降水天時(shí)，最高溫度的預(yù)報(bào)偏差僅為0.1 ℃和0.5 ℃，具有較高的準(zhǔn)確性。

(2)模式對(duì)寶雞東部晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高，達(dá)65%以上；鳳縣、太白最差，僅為40%左右。這與寶雞地區(qū)的東部為平原，天氣特征較為穩(wěn)定，鳳縣、太白為山地，夏季多局地陣性降水天氣有關(guān)。

(3)WRF模式預(yù)報(bào)的夏季日平均降水量與實(shí)況值在量級(jí)上較為一致，但空間分布誤差較大。3個(gè)時(shí)次所作的逐日降水量預(yù)報(bào)能夠較為準(zhǔn)確地描述夏季降水發(fā)生—發(fā)展—減弱的過程。

(4)通過對(duì)模式預(yù)報(bào)的不同量級(jí)的降水量進(jìn)行分級(jí)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模式對(duì)降水的預(yù)報(bào)能力隨著降水量級(jí)的增大而減小，空報(bào)多于漏報(bào)，WRF模式對(duì)于暴雨的預(yù)報(bào)值得參考。

王娟，卓靜，何慧娟.基于GIS和RS的西安、咸陽城市擴(kuò)展特征研究[J].陜西氣象，2015(1)：6-10.

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文章編號(hào)：1006-4354(2015)01-0001-06 1006-4354(2015)01-0006-05

收稿日期：2014-04-11 2014-09-10

作者簡介：韓潔(1986—)，女，陜西鳳翔人，漢，碩士，助理工程師，從事短期天氣預(yù)報(bào)。 王娟(1981—)，女，山西大同人，滿族，碩士，工程師，從事遙感應(yīng)用方向研究。

中圖分類號(hào)：P456.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

韓潔，龐翻，陳衛(wèi)東.WRF模式對(duì)寶雞地區(qū)2013年夏季溫度和降水預(yù)報(bào)的評(píng)估檢驗(yàn)[J].陜西氣象，2015(1)：1-6.

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