王婧卓 陳法敬 陳靜 劉雪晴 李紅祺 鄧國 李曉莉 王遠(yuǎn)哲

1 中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心，北京 100081

2 國家氣象中心，北京 100081

3 浙江省氣象科學(xué)研究所，杭州 310016

1 引言

降水是影響中國的主要天氣事件（翟盤茂等,1999; 江志紅等, 2007），強(qiáng)降水過程經(jīng)常會(huì)引起洪澇、泥石流、山體滑坡等氣象災(zāi)害，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來較大的威脅，故降水預(yù)報(bào)（尤其是汛期強(qiáng)降水預(yù)報(bào)）是氣象部門及各級(jí)政府非常關(guān)注的問題（陶詩言等, 2004; 齊艷軍等, 2016;孫建華等, 2018）。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及數(shù)值模式方法和理論的研究，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式成為降水預(yù)報(bào)的有效手段（彭新東等, 2010; 王婧卓等,2018b）。

降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)存在較大的不確定性。一方面，降水預(yù)報(bào)受數(shù)值模式初值影響較大（王葉紅等,2006），但初始場受觀測儀器誤差，資料同化方法的影響存在較大不確定性，大量研究（Zhang and Fritsch, 1986; Stensrud and Fritsch, 1994; 貝耐芳和趙思雄, 2002; 閆敬華和Majewski, 2003; 譚燕和陳德輝, 2007; 張立鳳和羅雨, 2010）均表明初值誤差通過影響對(duì)中尺度系統(tǒng)刻畫程度進(jìn)而影響強(qiáng)降水及對(duì)流的發(fā)生發(fā)展，只有將反應(yīng)誤差不確定性的信息包含到模式中，才能更好捕捉中尺度系統(tǒng)特征，提高降水預(yù)報(bào)性能。另一方面，中尺度降水發(fā)生發(fā)展和演變過程受與對(duì)流、湍流輸送和凝結(jié)相聯(lián)系的非絕熱物理過程影響較大，由于模式分辨率影響，常采用物理過程參數(shù)化方案描述次網(wǎng)格尺度物理過程（吳秋霞等, 2007），參數(shù)化不確定性引起的模式誤差通過影響對(duì)流觸發(fā)條件，進(jìn)而影響降水發(fā)生時(shí)間、空間特征及降水強(qiáng)度（陳靜等,2003a; 徐致真等, 2019），是描述中尺度降水可預(yù)報(bào)性的關(guān)鍵（Stensrud et al., 2000; 陳靜等, 2003a, 2003b）。

集合預(yù)報(bào)是描述降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)不確定性的重要技術(shù)方法（Buizza, 2008; Friederichs and Hense,2008; 陳洪濱和范學(xué)花, 2009; 杜鈞和陳靜, 2010;Zhang et al., 2015），集合預(yù)報(bào)通過積分略有差異的多個(gè)初值或采用多個(gè)模式估計(jì)預(yù)報(bào)誤差概率分布，提供不確定預(yù)報(bào)信息（Molteni et al., 1996; 陳靜等,2003a Du, 2007; Saito et al., 2012; Huo et al., 2019;段晚鎖等, 2019）。大量學(xué)者評(píng)估了中尺度集合預(yù)報(bào)對(duì)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)不確定性的代表性。早期的研究（Du et al., 1997; Stensrud et al., 1999）表明基于初值的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以提供更為準(zhǔn)確的強(qiáng)降水概率預(yù)報(bào)；Chen and Xue（2009）發(fā)展了一種異物理模態(tài)初值擾動(dòng)方法，并應(yīng)用到中尺度強(qiáng)降水集合預(yù)報(bào)中，結(jié)果表明初始擾動(dòng)場有合理的中尺度環(huán)流結(jié)構(gòu)并能反應(yīng)對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)的預(yù)報(bào)不確定性，且集合預(yù)報(bào)能顯著提高控制預(yù)報(bào)的降水預(yù)報(bào)效果；李俊等（2015）采用6種擾動(dòng)方案對(duì)2012年7月21日（“7.21”）北京特大暴雨過程進(jìn)行了集合預(yù)報(bào)試驗(yàn)，研究表明所有方案的集合預(yù)報(bào)相對(duì)控制預(yù)報(bào)在暴雨強(qiáng)度和位置上均有明顯改進(jìn)，為用戶決策提供了強(qiáng)降水預(yù)報(bào)強(qiáng)度及落區(qū)不確定性信息。Stensrud et al. (2000)分析了集合預(yù)報(bào)初值擾動(dòng)和模式擾動(dòng)對(duì)預(yù)報(bào)不確定性的相對(duì)貢獻(xiàn)，表明對(duì)小尺度強(qiáng)降水過程，物理擾動(dòng)可能貢獻(xiàn)更大。上述研究均表明中尺度集合預(yù)報(bào)方法可以有效表征強(qiáng)降水預(yù)報(bào)的不確定性，但對(duì)影響降水預(yù)報(bào)不確定性的物理機(jī)制分析較少，且缺少對(duì)我國自主研發(fā)的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)降水預(yù)報(bào)能力的認(rèn)識(shí)與綜合評(píng)估。

GRAPES（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System）模式是中國科學(xué)家自主發(fā)展的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Xue and Liu, 2007），2008年國家氣象中心啟動(dòng)GRAPES-REPS區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System-Regional Ensemble Prediction System）研發(fā)。本文采用2019年業(yè)務(wù)化運(yùn)行的GRAPES-REPS V3.0區(qū)域中尺度集合預(yù)報(bào)模式表征降水預(yù)報(bào)不確定性，開展了2019年7～9月夏季汛期實(shí)時(shí)運(yùn)行試驗(yàn)，從統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)及個(gè)例分析角度對(duì)該模式降水預(yù)報(bào)能力進(jìn)行了總體評(píng)估，與GRAPES-REPS V2.0和國際先進(jìn)的ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)降水預(yù)報(bào)能力進(jìn)行對(duì)比，說明GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式對(duì)降水預(yù)報(bào)價(jià)值，并分析了影響降水預(yù)報(bào)不確定性的物理機(jī)制，上述結(jié)論可為模式研發(fā)人員診斷GRAPES-REPS區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式及改進(jìn)集合預(yù)報(bào)方法提供依據(jù)，同時(shí)，可幫助預(yù)報(bào)員從復(fù)雜繁多的集合預(yù)報(bào)結(jié)果中提取有效信息，開展精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)。

2 集合預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)和檢驗(yàn)方法簡介

2.1 GRAPES-REPS V3.0模式系統(tǒng)簡介

表1給出了GRAPES-REPS V1.0，V2.0，V3.0系統(tǒng)參數(shù)配置。GRAPES-REPS V3.0控制預(yù)報(bào)模式版本采用GRAPES-MESO V4.3，水平分辨率從0.15°提高到0.1°，垂直分辨率為50層。GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)中控制預(yù)報(bào)初值和側(cè)邊界來源于NCEP-GFS（National Centers for Environmental Prediction-Global Forecast System）全球模式的預(yù)報(bào)場；初值擾動(dòng)采用6 h循環(huán)計(jì)算方案的GRAPES模式面集合變換卡爾曼濾波（Ensemble Transform Kalman Filter, ETKF）（王婧卓等, 2018a）方法，即將集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的6 h短期預(yù)報(bào)場構(gòu)成的預(yù)報(bào)擾動(dòng)向量，通過變換矩陣及放大因子轉(zhuǎn)換成當(dāng)前時(shí)刻的分析擾動(dòng)；模式擾動(dòng)采用單一物理過程參數(shù)化方案與隨機(jī)物理過程傾向項(xiàng)（Stochastic Perturbed Parameterization Tendencies, SPPT）（袁月等, 2016）組合，以解決原模式中多物理參數(shù)化方案降水成員不等同性問題；邊界擾動(dòng)來源于2018年業(yè)務(wù)化的

表1 GRAPES-REPS V1.0, V2.0和V3.0系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of the system configurations of GRAPES-REPS V1.0, V2.0, and V3.0

GRAPES-GEPS（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System-Global Ensemble Prediction System）全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，即提取GRAPES-GEPS擾動(dòng)成員相對(duì)于自身控制預(yù)報(bào)的擾動(dòng)側(cè)邊界，并疊加在GRAPES-REPS V3.0的控制預(yù)報(bào)側(cè)邊界上得到集合預(yù)報(bào)成員的側(cè)邊界場；相比于GRAPES-REPS V1.0和GRAPES-REPS V2.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式加入了云分析同化技術(shù)與條件性臺(tái)風(fēng)渦旋重定位技術(shù)（吳政秋等, 2020），以期提高短臨降水和臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)能力。集合預(yù)報(bào)成員數(shù)15個(gè)，預(yù)報(bào)區(qū)域中國區(qū)域，預(yù)報(bào)時(shí)效84 h [00時(shí), 12時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）]，6 h（06時(shí), 18時(shí)）。

2.2 集合預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法

為了評(píng)估模式對(duì)降水的預(yù)報(bào)能力，引進(jìn)了確定性預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)分預(yù)報(bào)偏差BIAS（Donaldson et al.,1975），公平技巧評(píng)分ETS（Schaefer, 1990），概率預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)分Brier（Brier, 1950），相對(duì)作用特征（Relative Operating Characteristic, ROC）（Mason,1979; Swets, 1986），可靠性reliability評(píng)分（Br?cker and Smith, 2007）和降水FSS（fraction skill score）評(píng)分（Roberts and Lean, 2008; 劉雪晴等, 2020）。檢 驗(yàn) 區(qū) 域 為 中 國 區(qū) 域（15°N～65°N，70°E～140°E）。并針對(duì)小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨事件，給定5個(gè)閾值，對(duì)于12 h累積降水，分別為0.1、5、15、30、70 mm（12 h）-1；對(duì)于24 h累積降水，分別為0.1、10、25、50、100 mm d-1。

（1）降水BIAS評(píng)分

降水預(yù)報(bào)偏差BIAS衡量了預(yù)報(bào)降水出現(xiàn)頻數(shù)與觀測降水出現(xiàn)頻數(shù)的比值，是一種二分類要素的檢驗(yàn)方法，在某一個(gè)格點(diǎn)或是站點(diǎn)上，通過實(shí)況判斷一個(gè)事件發(fā)生與否，以檢驗(yàn)預(yù)報(bào)，得到預(yù)報(bào)準(zhǔn)確、空?qǐng)?bào)和漏報(bào)，并通過雙態(tài)聯(lián)列表（表2）來表示。如公式（1），范圍從0到無窮，BIAS＞1，表示模式預(yù)報(bào)降水范圍大于觀測降水范圍，反之，觀測降水范圍大于預(yù)報(bào)降水范圍，取1時(shí)評(píng)分最優(yōu)。該指標(biāo)無法衡量預(yù)報(bào)與觀測吻合度，只能計(jì)算相對(duì)頻率。

（2）降水ETS評(píng)分

公平TS評(píng)分（ETS評(píng)分），表達(dá)式如下：

其中，a、b、c和d定義如表2。公平ETS評(píng)分是衡量觀測出現(xiàn)降水與預(yù)報(bào)出現(xiàn)降水之間的匹配程度，ETS評(píng)分的理想值是1，取值范圍為-1/3至1，0表示沒有技巧。

表2 雙態(tài)分類聯(lián)列表Table 2 The binary classification contingency table

（3）Brier評(píng)分

Brier評(píng)分是集合預(yù)報(bào)常用的評(píng)分方法，表示的是均方概率誤差，即集合概率與真實(shí)觀測概率的偏差，表達(dá)式如下：

其中，N為二態(tài)分類事件的樣本數(shù)，Pn是第n個(gè)樣本點(diǎn)被檢驗(yàn)事件（如24 h累積降水）的集合預(yù)報(bào)概率，其值為0～1。On是第n個(gè)樣本的觀測頻率，如果觀測大于設(shè)定的閾值，則事件發(fā)生，值為1，否則為0。Brier范圍為0～1，值越小越好，越大表明系統(tǒng)的準(zhǔn)確性較差。

對(duì)于特定的二分類事件，針對(duì)N個(gè)樣本，Murphy（1973）提出了Brier評(píng)分有指導(dǎo)意義的代數(shù)分解：

公式（4）右邊三項(xiàng)依次為可靠性（reliability）、分辨率（resolution）和不確定性（uncertainty）。其中，K為概率區(qū)間數(shù)目；ni為第i個(gè)概率區(qū)間內(nèi)的樣本數(shù)；fi為第i個(gè)概率區(qū)間的預(yù)報(bào)概率，oi為當(dāng)預(yù)報(bào)概率為fi時(shí)被檢驗(yàn)事件出現(xiàn)的觀測頻率；為在總樣本中被檢驗(yàn)事件出現(xiàn)的觀測頻率。

第一項(xiàng)是可靠性項(xiàng)，它衡量預(yù)報(bào)中預(yù)報(bào)值與子樣本中檢驗(yàn)事件的相對(duì)頻率之間的差異。對(duì)于完美可靠的預(yù)報(bào)，子樣本相對(duì)頻率恰巧等于每個(gè)子樣本中的預(yù)報(bào)概率。對(duì)于可靠的或者校準(zhǔn)良好的預(yù)報(bào)，可靠性項(xiàng)將接近于零。該指標(biāo)是對(duì)（5）可靠性曲線的量化，兩者表征的物理意義是一致的。

第二項(xiàng)是分辨率項(xiàng)，反應(yīng)了預(yù)報(bào)將事件分為不同相對(duì)頻率子樣本的能力。理想情況下，預(yù)報(bào)將觀測分為與總樣本氣候基本上不同相對(duì)頻率的子樣本。則分辨率項(xiàng)將是一個(gè)大值。

第三項(xiàng)是不確定性項(xiàng)，它取決于觀測值的變化，不受預(yù)報(bào)的影響，取值范圍0～0.25。

（4）相對(duì)作用特征（ROC）曲線及ROC面積（AROC）

相對(duì)作用特征（relative operation characteristic，簡稱ROC）是信號(hào)探測理論（Signal Detection Theory）在集合預(yù)報(bào)中的一種應(yīng)用。該指標(biāo)可以衡量預(yù)報(bào)區(qū)分兩類事件的能力，即分辨率resolution。

具體計(jì)算方法為，根據(jù)表2，預(yù)報(bào)正確為a，漏報(bào)為c，空?qǐng)?bào)為b，正確否定為d。從而得出信號(hào)探測理論中兩個(gè)主要的量；假警報(bào)率用g表示，命中率用h表示。

將假警報(bào)率和命中率在同一坐標(biāo)中以命中率為縱軸，假警報(bào)率為橫軸繪制的曲線即為ROC曲線。ROC曲線越接近左上角，系統(tǒng)對(duì)事件的預(yù)報(bào)技巧就越好；越接近于對(duì)角線，預(yù)報(bào)技巧就越差。

AROC是ROC曲線和x軸圍成的面積，可作為ROC曲線的技巧評(píng)分，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)特定閾值事件的判別能力（模式預(yù)報(bào)事件發(fā)生或不發(fā)生）的信息。ROC面積取值范圍0～1，評(píng)分越高，說明系統(tǒng)對(duì)降水的分辨能力越好。AROC大于等于0.5說明概率預(yù)報(bào)有正技巧；完美的預(yù)報(bào)AROC等于1，沒有技巧的預(yù)報(bào)AROC等于0.5。

（5）可靠性曲線

可靠性曲線描述的是預(yù)報(bào)概率與觀測頻率的吻合程度，即把預(yù)報(bào)概率劃分為K等份，計(jì)算預(yù)報(bào)發(fā)生的情況下觀測出現(xiàn)頻率?？煽啃郧€越接近于對(duì)角線，可靠性越高；曲線在對(duì)角線以下，說明預(yù)報(bào)概率過高，反之說明預(yù)報(bào)概率過低。

（6）降水FSS評(píng)分

其中， 和 分別為觀測格點(diǎn)和預(yù)報(bào)格點(diǎn)的累積降水。因此，鄰域范圍內(nèi)預(yù)報(bào)與觀測降水發(fā)生概率分別為

O(i,j)F(i,j)

與Brier評(píng)分相同，F(xiàn)BS也是一種負(fù)向評(píng)分指數(shù)，即FBS越小，概率預(yù)報(bào)技巧越高。預(yù)報(bào)效果最壞的情況下，F(xiàn)BS值最大，即：

因此，可以將FBS評(píng)分轉(zhuǎn)換為FSS評(píng)分：

FSS評(píng)分的取值范圍為0到1之間，F(xiàn)SS值為1時(shí)表示完美匹配，即概率預(yù)報(bào)技巧最高，而FSS值為0，則表示完全不匹配，即無預(yù)報(bào)技巧。

3 統(tǒng)計(jì)分析及結(jié)果

3.1 GRAPES-REPS V3.0與GRAPES-REPS V2.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)降水對(duì)比分析

3.1.1 確定性降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

圖1給出了GRAPES-REPS V2.0，GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式的0～24 h不同集合成員24 h累積降水ETS評(píng)分。由于GRAPESREPS V2.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式只運(yùn)行到7月份，故該部分結(jié)果均為2019年7月份月平均結(jié)果。從圖中可見，無論是對(duì)小雨、中雨、大雨和暴雨量級(jí)降水而言，GRAPES-REPS V2.0不同成員降水ETS評(píng)分存在較大的波動(dòng)（紅線），尤以大雨和暴雨量級(jí)降水波動(dòng)最為顯著。如對(duì)25 mm降水而言，成員6的ETS評(píng)分最大，為0.152，成員1的ETS評(píng)分最小，為0.098，不同成員降水評(píng)分差異較大，說明GRAPES-REPS V2.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的多物理組合方案丟失了物理上的一致性，較難滿足“成員”等同性需求，且增加了概率計(jì)算中處理集合預(yù)報(bào)成員權(quán)重的復(fù)雜性。而采用單物理參數(shù)化方案的GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式明顯改進(jìn)了成員降水的不等同性，不同成員降水ETS評(píng)分較為接近。且與GRAPES-REPS V2.0相比，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)降水ETS評(píng)分更高，說明GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式觀測出現(xiàn)降水與預(yù)報(bào)出現(xiàn)降水的匹配程度更好，24～48 h和48～72 h累積降水ETS評(píng)分分布類似，在這里不再贅述。

圖1 GRAPES-REPS V2.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（紅色），GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（藍(lán)色）的0～24 h預(yù)報(bào)時(shí)效不同集合成員24h累積降水ETS評(píng)分：（a）小雨；（b）中雨；（c）大雨；（d）暴雨。上述為2019年7月1日至7月31日（每日兩個(gè)起報(bào)時(shí)次，00時(shí)和12時(shí)）月平均結(jié)果Fig. 1 24-h accumulated precipitation ETS scores of different ensemble members at 0-24-h forecast lead times for the GRAPES-REPS V2.0 regional ensemble prediction system (red) and GRAPES-REPS V3.0 regional ensemble prediction system (blue): (a) Light rain; (b) moderate rain; (c) heavy rain; (d) rainstorm. The above results are monthly averages from 1 to 31 July, 2019 (two forecast initial times a day, 0000 UTC and 1200 UTC)

3.1.2 降水概率預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

圖2給出了GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)（圖2a1-d1）和GRAPES-REPS V2.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)（圖2a2-d2）不同鄰域半徑逐6小時(shí)24 h累積降水的FSS評(píng)分隨預(yù)報(bào)時(shí)效演變。從圖中可見，對(duì)各種量級(jí)降水而言，F(xiàn)SS值均隨鄰域半徑的增加呈增大趨勢，但在60 km鄰域半徑以后，F(xiàn)SS評(píng)分增加較為緩慢，故下文中以60 km作為鄰域半徑比較不同集合預(yù)報(bào)模式的概率預(yù)報(bào)技巧。

圖2 （a1-d1）GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)和（a2-d2）GRAPES-REPS V2.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)逐6小時(shí)24 h累積降水的不同鄰域半徑r的FSS評(píng)分隨預(yù)報(bào)時(shí)效演變：（a1，a2）小雨；（b1，b2）中雨；（c1，c2）大雨；（d1，d2）暴雨。統(tǒng)計(jì)時(shí)段如圖1Fig. 2 Evolution of 24-h accumulated precipitation FSS scores at 6-h intervals with forecast lead times in different neighborhood radiuses r for(a1-d1) the GRAPES-REPS V3.0 regional ensemble prediction system and (a2-d2) the GRAPES-REPS V2.0 regional ensemble prediction system: (a1,a2) Light rain; (b1, b2) moderate rain; (c1, c2) heavy rain; (d1, d2) rainstorm. The statistical periods are the same as those in Fig. 1

圖3給出了GRAPES-REPS V2.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)（紅線）和GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)（藍(lán)線）鄰域半徑為60 km時(shí)不同降水閾值逐6小時(shí)24 h累積降水的FSS評(píng)分隨預(yù)報(bào)時(shí)效演變。從圖中可見，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效延長，降水FSS評(píng)分降低，說明降水概率預(yù)報(bào)技巧隨預(yù)報(bào)時(shí)效延長而下降。對(duì)比兩個(gè)系統(tǒng)的降水FSS評(píng)分，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)小雨量級(jí)降水而言，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式在預(yù)報(bào)前期（0～30 h預(yù)報(bào)時(shí)效）的降水FSS評(píng)分明顯高于GRAPES-REPS V2.0；對(duì)中雨及暴雨量級(jí)降水而言，GRAPES-REPS V3.0基本在所有預(yù)報(bào)時(shí)效的降水FSS評(píng)分均高于等于GRAPESREPS V2.0；對(duì)大雨量級(jí)降水而言，GRAPESREPS V3.0的降水FSS評(píng)分明顯高于GRAPESREPS V2.0，表明降水預(yù)報(bào)和觀測發(fā)生頻率更為接近，降水概率預(yù)報(bào)技巧更高。故綜合而言，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的降水FSS評(píng)分優(yōu)于GRAPES-REPS V2.0集合預(yù)報(bào)，展現(xiàn)了較高的概率預(yù)報(bào)技巧。

圖3 GRAPES-REPS V2.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（紅線）和GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（藍(lán)線）鄰域半徑為60 km時(shí)逐6小時(shí)24 h累積降水的FSS評(píng)分隨預(yù)報(bào)時(shí)效演變：（a）小雨；（b）中雨；（c）大雨；（d）暴雨。統(tǒng)計(jì)時(shí)段同圖1Fig. 3 Evolution of 24-h accumulated precipitation FSS scores at 6-h intervals with forecast lead times in a 60-km neighborhood radius for the GRAPES-REPS V2.0 regional ensemble prediction system (red) and the GRAPES-REPS V3.0 regional ensemble prediction system (blue): (a) Light rain; (b) moderate rain; (c) heavy rain; (d) rainstorm. The statistical periods are the same as those in Fig. 1

綜上所述，GRAPES-REPS V3.0相比于GRAPESREPS V2.0在確定性預(yù)報(bào)及概率預(yù)報(bào)技巧上均有明顯改進(jìn)，滿足模式升級(jí)要求。接下來，將進(jìn)一步詳細(xì)對(duì)比GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)與國際先進(jìn)的ECMWF全球集合預(yù)報(bào)對(duì)中國汛期（2019年7～9月）降水預(yù)報(bào)效果，進(jìn)而說明GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式降水附加價(jià)值。

3.2 GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)與ECMWF全球集合預(yù)報(bào)降水對(duì)比分析

3.2.1 確定性降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

圖4給出了GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)和ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)不同集合預(yù)報(bào)成員的12～24 h預(yù)報(bào)時(shí)效的12 h累積降水ETS評(píng)分。GRAPES-REPS集合預(yù)報(bào)成員數(shù)為1個(gè)控制預(yù)報(bào)加上14個(gè)擾動(dòng)成員共15個(gè)，而ECMWF全球集合預(yù)報(bào)成員數(shù)為1個(gè)控制預(yù)報(bào)加50個(gè)擾動(dòng)成員共51個(gè)。從圖中可見，對(duì)小雨及暴雨量級(jí)降水而言，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)的不同成員12～24 h累積降水ETS評(píng)分均明顯高于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，說明GRAPES區(qū)域集合預(yù)報(bào)的降水預(yù)報(bào)與觀測降水匹配度更高；對(duì)中雨量級(jí)降水而言，ECMWF降水的ETS評(píng)分高于GRAPESREPS V3.0集合預(yù)報(bào)；對(duì)大雨量級(jí)降水而言，ECMWF的降水ETS評(píng)分與GRAPES區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式表現(xiàn)相當(dāng)或略優(yōu)。

圖4 GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（藍(lán)色），ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（紅色）不同集合預(yù)報(bào)成員12～24 h預(yù)報(bào)時(shí)效的12 h累積降水ETS評(píng)分：（a）小雨；（b）中雨；（c）大雨；（d）暴雨。上述為2019年7月1日至9月30日（每日兩個(gè)起報(bào)時(shí)次：00時(shí)和12時(shí)）3個(gè)月平均結(jié)果Fig. 4 12-h accumulated precipitation ETS scores of different ensemble members at 12-24-h forecast lead times for the GRAPES-REPS V3.0 regional ensemble prediction system (blue) and the ECMWF global ensemble prediction system (red): (a) Light rain; (b) moderate rain; (c) heavy rain;(d) rainstorm. The above results are three-month averages from 1 July to 30 September 2019 (two forecast initial times a day, 0000UTC and 1200UTC)

圖5a1-d1給出了不同預(yù)報(bào)時(shí)效的集合平均降水ETS評(píng)分。對(duì)小雨和暴雨量級(jí)降水而言，在所有預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，GRAPES-REPS V3.0集合預(yù)報(bào)的降水ETS評(píng)分均明顯優(yōu)于ECMWF集合預(yù)報(bào)，如對(duì)0～12 h小雨而言，GRAPES-REPS V3.0集合平均降水ETS評(píng)分為0.246，相應(yīng)的ECMWF評(píng)分為0.206，改進(jìn)率為19.4%，對(duì)0～12 h暴雨的改進(jìn)率為22.1%。對(duì)中雨量級(jí)降水而言，ECMWF集合預(yù)報(bào)表現(xiàn)更優(yōu)；對(duì)大雨量級(jí)降水而言，除預(yù)報(bào)前期（0～12 h）外，ECMWF集合預(yù)報(bào)的集合平均降水ETS評(píng)分要高于GRAPES區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)或與之相當(dāng)。綜上所述，GRAPES-REPS V3.0集合預(yù)報(bào)的小雨，暴雨集合平均降水ETS評(píng)分明顯優(yōu)于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

圖5a2-d2給出了GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)和ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)不同預(yù)報(bào)時(shí)效的集合平均降水BIAS評(píng)分。從圖中可見，與ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)相比，GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式可以明顯改進(jìn)集合平均小雨、中雨的空?qǐng)?bào)現(xiàn)象及大雨和暴雨的漏報(bào)現(xiàn)象，BIAS評(píng)分更接近于1，降水表現(xiàn)更優(yōu)。故綜上所述，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)降水BIAS評(píng)分在所有量級(jí)降水內(nèi)均明顯優(yōu)于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

3.2.2 降水概率預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

圖6給出了兩個(gè)系統(tǒng)的12 h累積降水Brier評(píng)分。從圖中可見，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)小雨量級(jí)降水Brier評(píng)分明顯低于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，如ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式的0～12 h累積降水的Brier評(píng)分為0.257，而GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式的評(píng)分為0.155，改進(jìn)率為39.7%，說明GRAPES區(qū)域集合預(yù)報(bào)相比于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)小雨量級(jí)降水的集合概率與真實(shí)觀測概率的偏差更小，集合預(yù)報(bào)降水概率預(yù)報(bào)技巧更高。對(duì)中雨、大雨和暴雨量級(jí)降水而言，ECMWF全球集合預(yù)報(bào)12 h累積降水的Brier評(píng)分比GRAPES區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式表現(xiàn)略優(yōu)，但改進(jìn)率較低，位于20%以下。故綜上所述，GRAPESREPS V3.0和ECMWF集合預(yù)報(bào)模式的降水概率預(yù)報(bào)技巧具有一定的可比性，具體表現(xiàn)為GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式的小雨量級(jí)降水Brier評(píng)分明顯優(yōu)于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式，而ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式的中雨、大雨和暴雨概率預(yù)報(bào)技巧略優(yōu)于GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式。

為更清楚比較不同集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)降水預(yù)報(bào)的Brier評(píng)分分解項(xiàng)分辨率和可靠性，圖7、8分別給出了相對(duì)作用特征AROC和可靠性曲線。從圖7中可見，對(duì)小雨和大雨量級(jí)降水而言，GRAPESREPS V3.0集合預(yù)報(bào)在預(yù)報(bào)前期及中期（0～36 h）的12 h累積降水AROC評(píng)分均明顯優(yōu)于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，這可能是與GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式加入了云分析方案后同化了衛(wèi)星雷達(dá)資料有關(guān)；對(duì)暴雨量級(jí)降水而言，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式在整個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)效的AROC評(píng)分均高于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式。對(duì)中雨而言，ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式對(duì)降水的分辨能力更好。

圖5 GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（藍(lán)色），ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（紅色）不同預(yù)報(bào)時(shí)效的集合平均12 h累積降水（a1-d1）ETS評(píng)分和（a2-d2）BIAS評(píng)分：（a1，a2）小雨；（b1，b2）中雨；（c1，c2）大雨；（d1，d2）暴雨。統(tǒng)計(jì)時(shí)段同圖4Fig. 5 Ensemble mean 12-h accumulated precipitation (a1-d1) ETS and (a2-d2) bias scores with different forecast lead times for the GRAPES-REPS V3.0 regional ensemble prediction system (blue) and the ECMWF global ensemble prediction system (red): (a1, a2) Light rain; (b1, b2) moderate rain;(c1, c2) heavy rain; (d1, d2) rainstorm. The statistical periods are the same as those in Fig. 4

圖8給出了GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)與ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)12 h累積降水可靠性曲線。從圖中可見，對(duì)小雨和中雨量級(jí)降水而言，GRAPES-REPS區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式的可靠性曲線相比于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式更接近于對(duì)角線，可靠性更高；對(duì)大雨及暴雨量級(jí)而言，GRAPES-REPS區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式的可靠性曲線較ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式偏離對(duì)角線更遠(yuǎn)，可靠性更低，預(yù)報(bào)概率在所有預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)均明顯大于觀測頻率，GRAPES-REPS V3.0集合預(yù)報(bào)總體表現(xiàn)為對(duì)大雨和暴雨量級(jí)降水預(yù)報(bào)偏大，存在一定的偏差，故從集合預(yù)報(bào)降水應(yīng)用角度出發(fā)，預(yù)報(bào)員應(yīng)該對(duì)模式降水結(jié)果進(jìn)行偏差訂正再開展預(yù)報(bào)；從模式研發(fā)角度出發(fā)，研發(fā)人員應(yīng)該對(duì)影響降水的物理過程參數(shù)化方案做進(jìn)一步優(yōu)化，提高GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式對(duì)大量級(jí)降水的概率預(yù)報(bào)效果。

綜上所述，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式和ECMWF全球模式對(duì)降水的概率預(yù)報(bào)具有一定可比性，兩者各有優(yōu)勢。具體體現(xiàn)在，GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式的小雨Brier評(píng)分明顯優(yōu)于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式，表現(xiàn)為更高的分辨率和可靠性。而ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式的中雨、大雨和暴雨的Brier評(píng)分表現(xiàn)更優(yōu)，究其本質(zhì)，是因?yàn)镚RAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式對(duì)中雨預(yù)報(bào)分辨率較低，對(duì)大雨和暴雨預(yù)報(bào)可靠性較低引起。

4 降水個(gè)例檢驗(yàn)及結(jié)果

4.1 降水空間分布特征

以上統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式對(duì)中國夏季降水具有相當(dāng)不錯(cuò)的預(yù)報(bào)能力。為了更直觀評(píng)估不同模式對(duì)強(qiáng)降水個(gè)例的預(yù)報(bào)能力，下面給出了模式預(yù)報(bào)與觀測的24 h累積降水量時(shí)空分布對(duì)比圖。

圖6 GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（藍(lán)色），ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（紅色）的12 h累積降水Brier評(píng)分：（a）小雨；（b）中雨；（c）大雨；（d）暴雨。統(tǒng)計(jì)時(shí)段同圖4Fig. 6 12-h accumulated precipitation Brier scores for the GRAPES-REPS V3.0 regional ensemble prediction system (blue) and the ECMWF global ensemble prediction system (red): (a) Light rain; (b) moderate rain; (c) heavy rain; (d) rainstorm. The statistical periods are the same as those in Fig. 4

圖7 GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（藍(lán)色），ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（紅色）的12 h累積降水AROC評(píng)分：（a）小雨；（b）中雨；（c）大雨；（d）暴雨。統(tǒng)計(jì)時(shí)段同圖4Fig. 7 12-h accumulated precipitation AROC scores for the GRAPES-REPS V3.0 regional ensemble prediction system (blue) and the ECMWF global ensemble prediction system (red): (a) Light rain; (b) moderate rain; (c) heavy rain; (d) rainstorm. The statistical periods are the same as those in Fig. 4

圖8 GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（實(shí)線）和ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（短虛線）的12 h累積降水可靠性曲線（橫坐標(biāo)為預(yù)報(bào)概率，表示為對(duì)某類降水事件，預(yù)報(bào)出現(xiàn)降水的集合成員數(shù)與總集合成員數(shù)比值。縱坐標(biāo)為觀測頻率，表示在該預(yù)報(bào)概率下，觀測出現(xiàn)降水的格點(diǎn)數(shù)與預(yù)報(bào)出現(xiàn)降水的格點(diǎn)數(shù)之比）（藍(lán)色：小雨，紅色：中雨，綠色：大雨，紫色：暴雨）：（a1，a2）12～24 h預(yù)報(bào)時(shí)效的12 h累積降水;（b1，b2）36～48 h預(yù)報(bào)時(shí)效的12 h累積降水；(c1，c2) 60～72 h預(yù)報(bào)時(shí)效的12 h累積降水。統(tǒng)計(jì)時(shí)段同圖4Fig. 8 12-h accumulated precipitation reliability diagrams (Horizontal coordinate is forecast probability, which is expressed as the ratio of the ensemble member numbers for predicted precipitation to the total ensemble member numbers for the certain precipitation events. Vertical coordinate is observation frequency, which is expressed as the ratio of the grid numbers for observed precipitation to the grid numbers for predicted precipitation under the corresponding forecast probability) for the GRAPES-REPS V3.0 regional ensemble prediction system (solid line) and the ECMWF global ensemble prediction system (short dashed line): (a1, a2) 12-h accumulated precipitation at 12-24-h forecast lead times; (b1, b2) 12-h accumulated precipitation at 36-48-h forecast lead times; (c1, c2) 12-h accumulated precipitation at 60-72-h forecast lead times. Blue: light rain, red: moderate rain,green: heavy rain, and purple: rainstorm. The statistical periods are the same as those in Fig.4

圖9為2019年8月4日12:00起報(bào)的12～36 h預(yù)報(bào)時(shí)效的24 h累積降水量實(shí)況圖（圖9a），GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)（圖9b1，b2），ECMWF全球集合預(yù)報(bào)（圖9c1，c2）的集合平均（圖9b1，c1）與大于或等于50 mm（圖9b2，c2）降水概率預(yù)報(bào)圖。本次降水主雨帶位于四川省地區(qū)，降水區(qū)域呈東北—西南走向，最大降水量達(dá)到大暴雨量級(jí)，位于樂山市中區(qū)凌云鄉(xiāng)，24 h累積降水量達(dá)到382.8 mm。對(duì)比集合平均與大于等于50 mm降水概率預(yù)報(bào)分布圖可見，ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)降水雨帶走向預(yù)報(bào)較好，但暴雨落區(qū)存在明顯的偏差。GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的集合平均與暴雨概率預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)此次降水雨帶位置、落區(qū)及強(qiáng)度預(yù)報(bào)相對(duì)較好，報(bào)出了兩個(gè)大值中心。故綜上所述，相比于ECMWF預(yù)報(bào)的平滑降水帶，GRAPES-REPS V3.0對(duì)降水的細(xì)節(jié)捕捉能力更強(qiáng)，無論從雨帶的走向、形狀、位置及強(qiáng)度均有良好的表現(xiàn)，且GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)可提前12 h預(yù)報(bào)出此次降水，故GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)此次降水預(yù)報(bào)能力較好。

圖9顯示GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)與ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)此次四川省強(qiáng)降水個(gè)例預(yù)報(bào)存在不確定性，下面具體分析引起此次強(qiáng)降水預(yù)報(bào)不確定性的物理機(jī)制。通過對(duì)不同高度層不同時(shí)刻環(huán)流形勢分析（圖略），發(fā)現(xiàn)此次降水過程是受高空槽和低層切變線、低渦共同影響，對(duì)比ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式和GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式降水預(yù)報(bào)結(jié)果，從大尺度環(huán)流形勢場（500 hPa高度場）很難分析出降水雨帶的差異，故我們著重分析引起此次強(qiáng)降水過程的中尺度天氣系統(tǒng)。

圖9 2019年8月4日12:00起報(bào)的12～36 h預(yù)報(bào)時(shí)效的24 h累積降水量（a）實(shí)況（單位：mm），（b1，c1）集合平均降水量分布（單位：mm），（b2，c2）大于或等于50 mm降水概率預(yù)報(bào)。（b1，b2）GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，（c1, c2）ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)Fig. 9 24-h accumulated precipitation at 12-36-h forecast lead times initialized from 1200 UTC 4 August 2019: (a) Observed precipitation (units:mm); (b1, c1) ensemble mean precipitation (units: mm); (b2, c2) probability of 24-h accumulated precipitation greater or equal to 50 mm. (b1, b2)GRAPES-REPS V3.0 regional ensemble prediction system, (c1, c2) ECMWF global ensemble prediction system

圖10給出了2019年8月4日12:00起報(bào)的0 h預(yù)報(bào)時(shí)效集合平均環(huán)流形勢分布圖，從700 hPa風(fēng)場及渦度場（圖10a1，a2）分析可見，在初始時(shí)刻，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式在西藏與四川交界處存在一個(gè)閉合的低壓環(huán)流中心（圖10a1中標(biāo)注“D”區(qū)域），而ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式在該區(qū)域存在一個(gè)氣旋性切變線，沒有形成閉合的環(huán)流中心，這可能是與ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式分辨率較低，對(duì)中尺度天氣系統(tǒng)分辨率不高引起，另外，兩個(gè)集合預(yù)報(bào)模式對(duì)初始時(shí)刻700 hPa渦度場預(yù)報(bào)較為相似，在四川省正渦度區(qū)較為吻合，但GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式對(duì)渦度場預(yù)報(bào)比ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式更為精細(xì)。另外，沿實(shí)況降水量分布主雨帶做個(gè)剖面（圖9a白色直線），給出了渦度場（圖10b1，b2）和假相當(dāng)位溫場（圖10c1，c2）垂直分布，從圖中可見，兩個(gè)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在（29°N，103.5°E）至（31.7°N，105.3°E）區(qū)間表現(xiàn)一致，均在中低層存在明顯的正渦度，同時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)在對(duì)流層中低層假相當(dāng)位溫隨高度是降低的，屬于位勢不穩(wěn)定層結(jié)。結(jié)合動(dòng)力場和熱力場，兩個(gè)集合預(yù)報(bào)模式在0～3 h預(yù)報(bào)的累積降水量大值區(qū)域分布也較為一致，主要集中在（29°N，103.5°E）至（31.7°N，105.3°E）區(qū)間，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式在（30.8°N，104.7°E）處正渦度存在大值區(qū)，故相應(yīng)降水量級(jí)較大。

故綜合而言，兩個(gè)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在初始時(shí)刻環(huán)流形勢分布較為相似，只是分辨率較高的GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式對(duì)中尺度天氣系統(tǒng)分辨率更高。

圖11給出了2019年8月4日12:00起報(bào)的12 h預(yù)報(bào)時(shí)效集合平均結(jié)果。從700 hPa環(huán)流形勢（圖11a1，a2）圖可見，低渦逐漸發(fā)展，并向東移動(dòng)，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式最大渦度中心達(dá)到了1.5×10-4s-1。沿著24 h累積降水雨帶的渦度剖面圖可見，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在（33.05°N，106.2°E）以南區(qū)域均為正渦度區(qū)域，且渦度發(fā)展較深，有些區(qū)域發(fā)展到了500 hPa高度層（圖11b1），而ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)正渦度分布區(qū)域偏南，且渦度量級(jí)較?。▓D11b2）。從假相當(dāng)位溫與垂直速度剖面圖可見，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在（29.9°N，104.1°E）至（32.6°N，105.9°E）區(qū)域內(nèi)存在位勢不穩(wěn)定層結(jié)，且該區(qū)域有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，垂直速度量級(jí)及覆蓋層次較大，動(dòng)力和熱力共同作用使得12～15 h累積3 h降水強(qiáng)度較大，且存在兩個(gè)強(qiáng)降水大值區(qū)域，與圖9b1中集合平均降水量兩個(gè)大值中心相吻合，而ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式位勢不穩(wěn)定區(qū)域主要分布在（29.9°N，104.1°E）至（30.8°N，104.7°E），配合垂直速度和渦度場分布，3 h累積降水量大值區(qū)域也位于此，與圖9b2中ECMWF集合平均降水雨帶分布類似。相比于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式垂直速度與正渦度量級(jí)較大，故引起降水量級(jí)也較大。兩個(gè)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)隨預(yù)報(bào)時(shí)效演變的環(huán)流形勢與降水分布也是對(duì)應(yīng)的（圖略）。

故不同集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)通過中尺度特征物理量不確定性來捕捉降水預(yù)報(bào)的不確定性。在初始時(shí)刻，兩個(gè)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)環(huán)流形勢分布較為類似，中尺度特征物理量不確定性主要體現(xiàn)在隨預(yù)報(bào)時(shí)效演變階段，相比于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式，GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式對(duì)中尺度天氣系統(tǒng)捕捉更為準(zhǔn)確，相應(yīng)的集合平均與概率預(yù)報(bào)降水雨帶位置和強(qiáng)度與實(shí)況更為接近。

圖10 2019年8月4日12:00模式起報(bào)的集合平均（a1，a2）0 h預(yù)報(bào)時(shí)效的環(huán)流形勢（陰影：700 hPa渦度場，單位：10-5 s-1，藍(lán)色：700 hPa風(fēng)向桿）；（b1-d1，b2-d2）沿圖9a白色直線 [過（29°N，103.5°E）和（33.5°N，106.5°E）兩點(diǎn)直線] 的剖面，其中（b1，b2）0 h預(yù)報(bào)時(shí)效的渦度場（陰影，單位：10-5 s-1），（c1，c2）0 h預(yù)報(bào)時(shí)效的假相當(dāng)位溫場（陰影，單位：K），（d1，d2）0～3 h預(yù)報(bào)時(shí)效的3 h累積降水量（單位：mm）。（a1-d1）GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式，（a2-d2）ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式Fig. 10 Ensemble mean circulation situation diagrams initialized from 1200 UTC 4 August 2019. (a1, a2) Shaded circulation pattern at 00 h forecast lead time: vortex field at the 700-hPa level (units: 10-5 s-1), blue: wind-direction shaft at the 700-hPa level; (b1-d1, b2-d2) The cross section along the white line in Fig. 9a [crossing (29°N，103.5°E) and (33.5°N，106.5°E) points), where (b1, b2) the vortex field at 00 h forecast lead time (shaded,units: 10-5 s-1), (c1, c2) pseudo-equivalent potential temperature at 00 h forecast lead time (shaded, units: K), (d1-d2) The 3-h model forecasted accumulated precipitation (units: mm) at 0-3-h forecast lead times. (a1-d1) GRAPES-REPS V3.0 regional ensemble prediction system and (a2-d2)ECMWF global ensemble prediction system

圖11 同圖10，但為2019年8月4日12:00模式起報(bào)的集合平均結(jié)果：（a1-c1，a2-c2）12 h預(yù)報(bào)時(shí)效，其中（c1, c2）等值線：大于0 m s-1的垂直速度（單位：m s-1），（d1-d2）12～15 h預(yù)報(bào)時(shí)效Fig. 11 Same as Fig. 10, but for the ensemble mean results initialized from 1200 UTC 4 August 2019: (a1-c1, a2-c2) at 12 h forecast lead time,where (c1, c2) is contour: vertical wind exceeding 0 m s-1 (units: m s-1), (d1-d2) at 12-15-h forecast lead times

4.2 降水時(shí)間分布特征

對(duì)模式的綜合評(píng)估，除了要關(guān)注降水個(gè)例的空間分布外，還需關(guān)注降水的時(shí)間分布特征。針對(duì)圖9四川省降水個(gè)例，發(fā)現(xiàn)觀測強(qiáng)降水中心主要有兩個(gè)，分別位于區(qū)域A（30.3°N～33°N，103°E～106.5°E）和 區(qū) 域B（28.3°N～30.3°N，101°E～105.5°E）（圖9a中紅色長虛線標(biāo)注區(qū)域），選取這兩個(gè)區(qū)域作為降水研究區(qū)域。圖12分別給出了2019年8月4日12:00起報(bào)的區(qū)域A和區(qū)域B格點(diǎn)平均的集合成員6 h累積降水時(shí)間演變曲線和對(duì)應(yīng)觀測降水。由于GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式和ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式的集合成員數(shù)存在差異，但對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的15個(gè)集合成員與更多成員預(yù)報(bào)結(jié)果是一致的，故為對(duì)比方便及圖形簡單，圖12均給出了不同集合預(yù)報(bào)模式前15個(gè)集合預(yù)報(bào)成員的結(jié)果。我們從圖中可見，對(duì)區(qū)域A而言，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式所有成員大體可以模擬出此區(qū)域降水發(fā)生、發(fā)展、演變過程，集合成員逐6 h累積降水量與觀測降水量較為吻合，但ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式降水演變與實(shí)況相差較大，降水峰值出現(xiàn)時(shí)間相差24 h，預(yù)報(bào)前期模式預(yù)報(bào)降水強(qiáng)度小于觀測降水強(qiáng)度，預(yù)報(bào)后期模式預(yù)報(bào)降水強(qiáng)度偏大，降水持續(xù)時(shí)間較長；對(duì)區(qū)域B而言，GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式降水演變與實(shí)況較為接近，但量級(jí)存在一定的差異，而ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式在區(qū)域B降水峰值時(shí)段內(nèi)（30～36 h預(yù)報(bào)時(shí)段），模式預(yù)報(bào)降水量級(jí)明顯小于觀測降水量級(jí)，結(jié)合兩個(gè)集合預(yù)報(bào)模式逐6 h累積降水量郵票圖（圖略），我們發(fā)現(xiàn)這可能是由于GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)降水與觀測降水區(qū)域較為吻合，而ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)降水較觀測降水位置存在一定偏差引起的。故綜上所述，相比于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式，GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式集合成員可以較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)此次四川省兩個(gè)降水雨帶的發(fā)生、發(fā)展、消亡過程。

圖12 2019年8月4日12:00起報(bào)的（a1，a2）區(qū)域A（30.3°N～33°N，103°E～106.5°E）和（b1，b2）區(qū)域B（28.3°N～30.3°N，101°E～105.5°E）平均的6 h累積降水量隨預(yù)報(bào)時(shí)效的演變（藍(lán)色實(shí)線：控制預(yù)報(bào)，黑色虛線：集合成員）及相應(yīng)時(shí)效的觀測（紅色實(shí)線，單位：mm）。（a1，b1）GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，（a2，b2）ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)Fig. 12 Evolution of (a1, a2) domain-A averaged (30.3°N-33°N, 103°E-106.5°E) and (b1, b2) domain-B averaged (28.3°N-30.3°N, 101°E-105.5°E)6-h accumulated precipitation with forecast lead times initialized from 1200 UTC 4 August 2019 (blue solid line: control forecast, black dashed line:ensemble members) and the observation in corresponding times (red solid line, units: mm). (a1, b1) GRAPES-REPS V3.0 regional ensemble prediction system, (a2, b2) ECMWF global ensemble prediction system

5 結(jié)論與討論

本文采用降水確定性預(yù)報(bào)評(píng)分ETS，BIAS和概率預(yù)報(bào)評(píng)分Brier，AROC，可靠性曲線和降水FSS評(píng)分對(duì)GRAPES-REPS V2.0，ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)和GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在中國區(qū)域夏季降水預(yù)報(bào)不確定性進(jìn)行評(píng)估，并通過典型代表個(gè)例分析降水時(shí)空分布特征及引起降水預(yù)報(bào)不確定性的物理機(jī)制。主要結(jié)論如下：

（1）GRAPES-REPS V2.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)與GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)降水統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，GRAPES-REPS V3.0在所有量級(jí)及預(yù)報(bào)時(shí)效的降水ETS評(píng)分均明顯高于GRAPES-REPS V2.0系統(tǒng)，且集合成員降水具有明顯的等同性。GRAPES-REPS V3.0的降水FSS評(píng)分高于GRAPESREPS V2.0，降水概率預(yù)報(bào)技巧更高。

（2）GRAPES-REPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)與ECMWF全球集合預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)的集合平均降水BIAS評(píng)分及小雨和暴雨ETS評(píng)分均明顯優(yōu)于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)，降水概率預(yù)報(bào)結(jié)果與ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)降水概率具有一定的可比性，各有優(yōu)勢。

（3）個(gè)例分析結(jié)果表明，不同集合預(yù)報(bào)模式通過中尺度特征物理量不確定性捕捉降水預(yù)報(bào)不確定性，相比于ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式對(duì)中尺度天氣系統(tǒng)捕捉更為準(zhǔn)確，使得降水雨帶走向、形狀、位置及強(qiáng)度預(yù)報(bào)更好，概率預(yù)報(bào)效果更優(yōu)。同時(shí)，GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式集合成員對(duì)降水個(gè)例的發(fā)生、發(fā)展、消亡預(yù)報(bào)較好，與觀測較為接近。

統(tǒng)計(jì)分析及個(gè)例研究結(jié)果均表明，GRAPESREPS V3.0區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式對(duì)中國汛期降水具有很強(qiáng)的預(yù)報(bào)能力，這也是首次將GRAPES-REPS區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式與ECMWF全球集合預(yù)報(bào)模式進(jìn)行對(duì)比。本文研究結(jié)果只是幫助我們認(rèn)識(shí)不同集合預(yù)報(bào)模式開展中尺度降水預(yù)報(bào)不確定性的特點(diǎn)及效果，并分析了引起降水預(yù)報(bào)不確定性的物理機(jī)制，研究結(jié)果可為預(yù)報(bào)員從眾多集合預(yù)報(bào)結(jié)果中提取有效信息開展中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)提供依據(jù)，同時(shí)為研發(fā)人員診斷模式及發(fā)展集合預(yù)報(bào)方法提供一定的參考。當(dāng)然，要作好降水的集合預(yù)報(bào)，還需進(jìn)一步從引發(fā)降水預(yù)報(bào)誤差來源出發(fā)構(gòu)造更為合理的集合預(yù)報(bào)擾動(dòng)方法，捕捉動(dòng)熱力場不確定性。

另外，值得指出的是，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)分辨率越高，對(duì)中小尺度系統(tǒng)捕捉能力越好，目前10 km區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)仍采用物理參數(shù)化方案代表次網(wǎng)格尺度物理過程，存在一定的不確定性，研究3 km對(duì)流尺度集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)至關(guān)重要，如何捕捉小尺度誤差源特征，中尺度系統(tǒng)的擾動(dòng)方法是否適用于對(duì)流尺度集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)是需深入探索的問題。同時(shí)，目前GRAPES集合預(yù)報(bào)模式分為全球和區(qū)域兩個(gè)版本，未來加入對(duì)流尺度集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，模式開發(fā)及維護(hù)成本會(huì)較大，開發(fā)全球區(qū)域?qū)α鞒叨纫惑w化集合預(yù)報(bào)模式也是未來發(fā)展趨勢。