杜雅玲+陸桂華+吳志勇+何海

摘要：預見期長達14 d的中期降水預報對于旱澇預測與水資源調(diào)度管理等具有重要意義，全球多模式集合預報（TIGGE）資料為區(qū)域中期降水預報提供了新基礎(chǔ)?；?008-2013年江蘇省實測降水數(shù)據(jù)，采用TS、BS評分、平均偏差和均方根誤差等評估指標，重點評估了CMA、CMC、ECMWF、JMA和NCEP這五個TIGGE代表模式在江蘇省的中期預報效果。結(jié)果表明：整個預見期內(nèi)各模式對于中小雨的預報評分都較高，小雨的TS評分值最高多在05左右，中雨以上等級降水存在較明顯的漏報。預見期長達15 d的日累積降水量預報只存在3 d的衰減期，之后各項誤差指標值能維持穩(wěn)定，3 d以上預見期的誤差主要為預報值偏大。同時，5 d以上累積降水量預報也較實際偏大，且冬季預報效果最好夏季最差，蘇北地區(qū)好于蘇南地區(qū)。就各代表模式而言，ECMWF與JMA模式分別在降水分級預報和日累積降水量預報中表現(xiàn)最好。

關(guān)鍵詞：TIGGE；中期降水預報；TS與BS評分；降水量級；江蘇省

中圖分類號：P333；P459文獻標識碼：A文章編號：

16721683（2017）06001709

Abstract：The 14day mediumrange precipitation forecast is important for drought and flood forecasting and water resources scheduling managementTIGGE （THORPEX Interactive Grand Global Ensemble） provides basic data for regional mediumrange ensemble precipitation predictionBased on the ensemble forecasts of CMA，CMC，ECMWF，JMA and NCEP in the TIGGE datasets in Jiangsu Province，we evaluated their mediumrange precipitation forecast resultsWe mainly used such evaluation methods as the TS，BS，mean absolute deviation，and mean square root errorThe results showed that the forecast scores of light and moderate rain during the entire forecast period were all relatively highThe light rain had the highest TS （mostly around 05） statisticallyHowever，there were obvious missing reports of precipitations above the moderate levelFor the 15day forecast of daily cumulative rainfall，there was only a 3day decay period，after which all the error indicators remained stableThe prediction bias in a lead time of over 3 days was mainly overpredictionMeanwhile，the cumulative rainfall forecast of over 5 days was significantly larger than the actual valueThe forecast effect was the best in winter and the worst in summer，and the effect in northern Jiangsu was better than that in southern JiangsuAcross the five representative modes，the ECMWF and JMA modes respectively showed the best performance in rainfall categorical forecast and daily cumulative rainfall forecast

Key words：TIGGE；mediumterm precipitation；TS and BS score；precipitation level；Jiangsu Province

中期降水預報時效長，可靠性高，是天氣預報中的重要環(huán)節(jié)之一[1]。1～14 d內(nèi)的日降水預報可輸入到水文模型中實行洪水預警、應用到水庫預報實時調(diào)度增加防洪和發(fā)電調(diào)度的預見期以及結(jié)合流域土壤的初始狀態(tài)進行中長期徑流預測，減少預報徑流的不確定性；多日累積降水預報可以應用到干旱預警為抗災贏得更多防御時間，保障生命安全、減少財產(chǎn)損失[23]，亦可為水資源的調(diào)配和安全保障提供決策支持。在較長預見期內(nèi)實現(xiàn)高預報精度是中期降水預報的主要目標，但由于天氣過程本身的隨機性以及餛飩性，隨著預報時效的延長，不確定性越大，中期預報的精度難以保證。采用集合預報技術(shù)代替單一的確定性預報，能夠較好的改善中期降水預報結(jié)果。第15卷 總第93期·南水北調(diào)與水利科技·2017年12月

杜雅玲等·基于TIGGE數(shù)據(jù)的中期降水預報在江蘇省的應用效果評估

20世紀90年代以來，集合預報技術(shù)在許多國家氣象中心相繼投入業(yè)務(wù)使用。THORPEX交互式全球預報大集合（簡稱TIGGE） 項目的實施，將全球各國的集合預報產(chǎn)品集中起來，形成超級集合預報系統(tǒng)，以提高1～14 d預報時效上的預報精度[45]。隨后，比較各中心的預報效果和如何充分利用各中心的集合預報資料提高預報準確率成為各國氣象部門的研究熱點[6]。多模式集合預報技術(shù)就是一個充分利用各中心模式預報結(jié)果以減小模式系統(tǒng)性偏差的有效途徑，一些研究表明集合多個預報模式的多模式預報結(jié)果較單一預報模式更具技巧[78]。在多模式集合預報的實際應用中，如何賦予每個預報中心合理的權(quán)重系數(shù)是提高預報精度的關(guān)鍵。而在考慮如何分配各模式不同權(quán)重之前，先行評估各模式的預報能力是有益的。endprint

目前對TIGGE預報結(jié)果的評估已取得一定的進展，針對不同方面進行評估，其結(jié)果并不相同，就某一模式而言，總能找到該模式的優(yōu)點[910]。近年來一些研究主要側(cè)重于TIGGE 逐日降水預報的應用，關(guān)于 TIGGE 中期降水預報性能的研究并不多，而TIGGE對江蘇省的預報效果目前未見報道，江蘇省作為東亞季風區(qū)南北氣候過渡地區(qū)、海陸交接特殊地區(qū)，評估多模式的預報效果，分析結(jié)果差異的原因，對于改進中期預報具有重要參考意義。故本文選用CMA、CMC、ECMWF、JMA和 NCEP這五個中心在江蘇省2008-2013年的降水預報產(chǎn)品，利用中國地面降水日值05°×05°格點數(shù)據(jù)集（V20）進行驗證，評估這五個中心在1～14 d預見期內(nèi)對降水量級、日降水量及多日累積降水的預報效果。對TIGGE各模式的中期降水預報效果進行區(qū)域性評估，對后期進行誤差訂正以及多模式集成從而提高江蘇省中期降水預報精度具有一定的參考價值。

1研究區(qū)域、數(shù)據(jù)和方法

11 研究區(qū)域

江蘇省位于116°18′-121°57′E，30°45′ -35°20′ N之間，面積1072萬km2，共13個地級市：南京市、蘇州市、無錫市、常州市、淮安市、南通市、宿遷市、徐州市、連云港市、揚州市、鎮(zhèn)江市、泰州市、鹽城市（圖1）。在氣候上，江蘇省屬于東亞季風區(qū)，又屬亞熱帶和暖溫帶的過渡區(qū)，以淮河、蘇北灌溉總渠一線為界，以北屬暖溫帶濕潤、半濕潤季風氣候，以南屬亞熱帶濕潤季風氣候。全省年平均氣溫為13～16 ℃，江蘇省年降水量為724～1 210 mm。由于受季風氣候影響，降水季節(jié)分配不均勻，夏季多，冬季少，且地區(qū)差異明顯，東部多于西部，南部多于北部。受海陸分布、大氣環(huán)流、季風降水的共同影響，江蘇省是我國典型的旱澇災害頻發(fā)區(qū)，提高中期降水預報精度，發(fā)揮集合預報優(yōu)勢，預測及抵抗氣象災害對于江蘇省的發(fā)展顯得尤為重要。

12 數(shù)據(jù)及其處理

本文所用資料為TIGGE資料下五個模式的降水數(shù)據(jù)和中國地面降水日值05°×05°格點數(shù)據(jù)集（V20），具體的資料情況見表1。

（1）預報資料。目前WMO設(shè)立了三個TIGGE資料中心，即中國氣象局（CMA）、歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）和美國國家大氣研究中心（NCEP），這 3 個中心收集來自全球十多個主要預報中心的集合預報產(chǎn)品，預報時效達到10～16 d。本文應用的TIGGE數(shù)據(jù)來自于ECMWF（歐洲中心）的CMA（中國）、CMC（加拿大）、ECMWF（歐洲）、JMA（日本）和NCEP（美國）這五個模式，各模式的集合預報產(chǎn)品均已提前處理成集合平均結(jié)果。

（2）實測資料。實測降水數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心氣象資料室建立的中國地面降水日值05°×05°格點數(shù)據(jù)集（V20）。該套數(shù)據(jù)集基于我國2474個國家級地面氣象站日降水量觀測數(shù)據(jù)，利用薄盤樣條法和GTOPO30數(shù)據(jù)（分辨率為30″×30″） 重采樣生成，盡可能地消除了高程因素對降水空間插值結(jié)果的影響。質(zhì)量評估結(jié)果表明：格點數(shù)據(jù)較氣象站點實測數(shù)據(jù)之間普遍偏小，且偏差主要集中在-20%～10%之間，占總數(shù)的8526；二者之間的相關(guān)系數(shù)普遍較高，大多區(qū)域均在080以上。因此該套數(shù)據(jù)集可以用于我國南方地區(qū)降水格局的研究。但夏季插值誤差高于冬季，東南地區(qū)誤差普遍高于其他地區(qū)[11]。

對比兩種不同類型的數(shù)據(jù)，須將其統(tǒng)一到同一時間和空間尺度上，因此需要對TIGGE和地面數(shù)據(jù)進行預處理。具體處理方法為：空間上TIGGE與實測資料均統(tǒng)一成05°×05°網(wǎng)格，并將江蘇省13個省轄市的網(wǎng)格降水量提取出來，再通過面積加權(quán)法求出各省轄市的預報及實測的面平均降水量，然后基于各省轄市的面雨量利用不同檢驗指標進行評估，江蘇省的評估結(jié)果為13個省轄市的平均。由于實測24 h累積降水資料的起始時間為北京時間8時，而TIGGE資料預報起始時間為世界時間12時，因此選取與實測時間對應的前一天12～36 h的預報降水量作為日降水預報在第1天預見期的降水量，>36～60 h的降水量為第2天預見期的降水量，依次類推；5 d、9 d及14 d的累積降水預報值分別為前一天12～132 h、12～228 h及12～348 h的累積降水量。CMA和JMA模式預見期最長為240 h和216 h，因此9 d累積降水預報未考慮JMA模式，14 d未考慮CMA及JMA模式。

13評估方法

本文旨在對CMA、CMC、ECMWF、JMA、NCEP這五類TIGGE預報模式在江蘇省的整體預報效果作出評估，包括降水分級預報以及不同累積時段降水量預報效果的檢驗。

1～14 d的日降水預報可以延長洪水預警、水庫實時調(diào)度以及徑流預報等的預見期，提高預報要素的可利用性。而大氣的混沌特性使得數(shù)值模式對初值誤差具有高度的敏感性，即雖然初值的誤差很小，預報誤差也會隨著積分時間的增長而大幅度增長[1213]。分析誤差隨預見期的變化情況可以反映TIGGE日降水預報在江蘇省的應用效果；比較不同模式在1～14 d預見期內(nèi)對于降水分級預報及日累積降水量預報的結(jié)果差異，為后期通過降水訂正、多模式集合等手段改進中期降水預報提供一定的參考。

水資源調(diào)配與干旱預警等問題更關(guān)注某一段時間內(nèi)天氣要素的累積變化，如干旱前期5～15 d的總降水量，而并不關(guān)注具體某一天的雨量。對5 d以上累積降水量的預報效果分季節(jié)分區(qū)域進行評估，揭示不同TIGGE模式對于較長累積時段降水的可預報性，對后期針對不同季節(jié)不同區(qū)域改進TIGGE各模式對于多日累積降水的預報效果有一定的幫助，進而為江蘇省水資源調(diào)配及干旱預警等重大問題提供決策基礎(chǔ)。

采用的檢驗方法分別針對降水分級預報和降水量預報。參照中國氣象局 TS 技巧評分中雨量等級的劃分標準，將24 h 降水量劃分為01～100 mm（小雨）、>100～250 mm（中雨）、>250～500 mm（大雨）、>500～1000 mm（暴雨）。對于24 h降水，檢驗不同模式在1～14 d預見期內(nèi)的預報效果。對于多日累積降水量，先將2008-2013年的數(shù)據(jù)分季節(jié)處理，來揭示不同季節(jié)不同累積時段各模式的預報差異，然后對比蘇南蘇北代表省轄市的預報誤差來揭示各預報模式的地域性差異。endprint