盛春巖 曲巧娜 范蘇丹 榮艷敏 孫興池

1 山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250031

2 山東省氣象科學(xué)研究所，濟(jì)南 250031

3 山東省氣象臺(tái)，濟(jì)南 250031

提 要： 針對(duì)業(yè)務(wù)上大量的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品如何快速選優(yōu)問(wèn)題，提出了一種基于目標(biāo)對(duì)象的數(shù)值模式區(qū)域降水預(yù)報(bào)選優(yōu)方法。該方法首先通過(guò)TS評(píng)分、重心位置、面積大小、落區(qū)形狀預(yù)報(bào)評(píng)分的權(quán)重平均進(jìn)行單個(gè)目標(biāo)對(duì)象評(píng)分，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分和預(yù)報(bào)選優(yōu),以局地分散性降水和大尺度降水為例進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)以及3個(gè)月的批量試驗(yàn)。結(jié)果表明:該方法選優(yōu)結(jié)果合理。單個(gè)目標(biāo)對(duì)象識(shí)別匹配時(shí)加大TS評(píng)分權(quán)重(超過(guò)0.4)對(duì)選優(yōu)結(jié)果有較大影響，能夠提高選優(yōu)結(jié)果的合理性。按照每個(gè)目標(biāo)對(duì)象的面積權(quán)重評(píng)分計(jì)算區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分，是合理選出最優(yōu)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的關(guān)鍵。該方法對(duì)于局地分散性降水預(yù)報(bào)選優(yōu)具有優(yōu)勢(shì)，可以克服傳統(tǒng)TS評(píng)分的缺點(diǎn)。由于目標(biāo)對(duì)象評(píng)分考慮了降水落區(qū)形狀、重心位置和面積大小評(píng)分，其選優(yōu)結(jié)果較單一TS評(píng)分更為合理。

引 言

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)已成為天氣預(yù)報(bào)的重要基礎(chǔ)和核心支撐技術(shù)。目前，省級(jí)氣象局可以接收到國(guó)內(nèi)外全球數(shù)值預(yù)報(bào)和國(guó)內(nèi)區(qū)域中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，這些全球和區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)可以每日兩次提供至少3天內(nèi)的逐小時(shí)降水、溫度、風(fēng)等要素預(yù)報(bào)。同時(shí)，快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)(RUC)系統(tǒng)可以對(duì)短時(shí)天氣進(jìn)行逐小時(shí)循環(huán)更新預(yù)報(bào)。由于不同數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)不同天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率各有所長(zhǎng)，大量的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品如何選擇使用，成為當(dāng)今預(yù)報(bào)員面臨的一個(gè)重要難題。當(dāng)有災(zāi)害天氣過(guò)程影響時(shí)，預(yù)報(bào)員往往來(lái)不及查看所有的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇應(yīng)用。而由于觀測(cè)資料的誤差、模式系統(tǒng)的spin-up等問(wèn)題，即使進(jìn)行快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)，最新時(shí)次的預(yù)報(bào)結(jié)果也未必一定是最準(zhǔn)確的。因此，亟待研發(fā)一種數(shù)值模式區(qū)域降水預(yù)報(bào)選優(yōu)方法，能夠從大量的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品中快速選出最優(yōu)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，為預(yù)報(bào)員選擇使用以及智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)。

預(yù)報(bào)選優(yōu)往往根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)過(guò)去一段時(shí)間的表現(xiàn)來(lái)判斷，如何評(píng)判天氣預(yù)報(bào)好壞需要合理的檢驗(yàn)評(píng)估方法。目前，天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)上使用較多的是TS評(píng)分，該評(píng)分方法要求點(diǎn)對(duì)點(diǎn)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確才算正確，落區(qū)的稍微偏離或強(qiáng)度稍微偏差即不得分，因此，往往不能很好地評(píng)判出適合預(yù)報(bào)員應(yīng)用的模式產(chǎn)品(戴建華等，2013)。對(duì)于數(shù)值預(yù)報(bào)和集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品的檢驗(yàn)評(píng)估方法還有很多，比如，王婧卓等(2021)采用確定性預(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(ROC)(Mason,1979;Swets,1986)、可靠性評(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)6種檢驗(yàn)方法，對(duì)GRAPES-REPS V3.0 區(qū)域集合預(yù)報(bào)模式的降水預(yù)報(bào)能力給予了客觀評(píng)價(jià)。這些檢驗(yàn)方法大多也是需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

近年來(lái)，基于目標(biāo)對(duì)象的檢驗(yàn)方法在國(guó)內(nèi)外得到應(yīng)用。Ebert and Mcbride(2000)首先提出了面向?qū)ο蟮慕邓A(yù)報(bào)誤差分析方法，通過(guò)對(duì)某一降水過(guò)程進(jìn)行分離，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)降水事件落區(qū)、量級(jí)等預(yù)報(bào)誤差的定量化分析。Davis et al(2006a;2006b;2009)提出了基于目標(biāo)的檢驗(yàn)方法，將降水量大于給定閾值的相互連通的區(qū)域作為一個(gè)降水目標(biāo)，可以客觀對(duì)比分析預(yù)報(bào)和觀測(cè)對(duì)象的位置、形狀、方向和尺寸等屬性。借鑒這些先進(jìn)的檢驗(yàn)方法，劉湊華和牛若蕓(2013)、尤鳳春等(2011)、熊秋芬(2011)、薛春芳和潘留杰(2016)、李佳等(2016)、張博等(2017)、徐同等(2019)、蔡義勇等(2020)先后開(kāi)展了基于目標(biāo)的降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方法試驗(yàn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用，推進(jìn)了該方法在業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。曹春燕等(2017)引入了預(yù)報(bào)區(qū)域重疊比例、實(shí)況區(qū)域重疊比例和杰卡德相似系數(shù)等指標(biāo)，進(jìn)行雷達(dá)降雨預(yù)報(bào)形狀檢驗(yàn)。符嬌蘭等(2014)采用面向?qū)ο蟮臋z驗(yàn)技術(shù)和天氣系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)，對(duì)ECMWF模式在西南地區(qū)強(qiáng)降水天氣系統(tǒng)的預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行了檢驗(yàn)分析。公穎(2010)引進(jìn)了德國(guó)定量降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)SAL方法，該方法以研究范圍內(nèi)的降水為目標(biāo)物，可以對(duì)雨帶的強(qiáng)度、位置、結(jié)構(gòu)三方面進(jìn)行檢驗(yàn)。以上這些方法較好地克服了傳統(tǒng)TS評(píng)分的不足，通過(guò)目標(biāo)對(duì)象檢驗(yàn)，為預(yù)報(bào)員提供有天氣學(xué)意義和更多參考價(jià)值的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

茅懋等(2016)設(shè)計(jì)了一種目標(biāo)對(duì)象檢驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)比與實(shí)況相對(duì)應(yīng)的預(yù)報(bào)目標(biāo)對(duì)象的等級(jí)TS評(píng)分、等級(jí)面積評(píng)分、位置評(píng)分、交叉相關(guān)評(píng)分、形狀評(píng)分等，實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)，該方法可合理評(píng)價(jià)有預(yù)報(bào)參考價(jià)值的強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)產(chǎn)品。曲巧娜等(2019)在改進(jìn)此方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)多種數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、集合預(yù)報(bào)的降水預(yù)報(bào)進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象檢驗(yàn)，進(jìn)行不同模式產(chǎn)品預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)。上述研究均為針對(duì)單個(gè)目標(biāo)對(duì)象的識(shí)別匹配檢驗(yàn)方法。在實(shí)際天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，預(yù)報(bào)員更為關(guān)注某一區(qū)域范圍的預(yù)報(bào)總體情況。當(dāng)研究區(qū)域范圍內(nèi)存在多個(gè)目標(biāo)對(duì)象時(shí)，如何在合理評(píng)價(jià)單個(gè)目標(biāo)對(duì)象預(yù)報(bào)評(píng)分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行區(qū)域降水預(yù)報(bào)總體評(píng)價(jià)，從大量的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品中選取最優(yōu)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，缺乏有效的方法。

本文借鑒茅懋等(2016)、曲巧娜等(2019)目標(biāo)對(duì)象檢驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)提出了一種數(shù)值模式區(qū)域降水預(yù)報(bào)選優(yōu)方法，可以在單個(gè)目標(biāo)對(duì)象檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，計(jì)算區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分，從而對(duì)數(shù)值模式區(qū)域降水預(yù)報(bào)進(jìn)行選優(yōu)。通過(guò)對(duì)不同降水過(guò)程不同選優(yōu)方案的批量對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)選優(yōu)方法的合理性和業(yè)務(wù)應(yīng)用方案進(jìn)行研究。

1 資料與方法

1.1 資 料

本文使用的數(shù)值模式為山東省氣象科學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱RUC系統(tǒng))。該系統(tǒng)采用27、9、3 km三層嵌套網(wǎng)格，基于WRF 3Dvar同化系統(tǒng)進(jìn)行逐小時(shí)循環(huán)同化預(yù)報(bào)。為了便于在智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中應(yīng)用，將RUC系統(tǒng)3 km降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品實(shí)時(shí)處理成覆蓋山東區(qū)域范圍的0.05°×0.05°網(wǎng)格數(shù)據(jù)。降水實(shí)況采用山東省氣象臺(tái)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中使用的降水格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)以山東省1 200多個(gè)質(zhì)量較好的地面氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將站點(diǎn)降水實(shí)況處理到山東區(qū)域范圍0.05°×0.05°網(wǎng)格上，形成逐小時(shí)間隔的格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)。

1.2 方 法

本文設(shè)計(jì)的基于目標(biāo)對(duì)象的數(shù)值模式區(qū)域降水預(yù)報(bào)選優(yōu)方法包括兩部分。第一部分是進(jìn)行預(yù)報(bào)區(qū)域內(nèi)單個(gè)目標(biāo)對(duì)象識(shí)別匹配評(píng)分。與茅懋等(2016)、曲巧娜等(2019)對(duì)單個(gè)目標(biāo)對(duì)象評(píng)分的方法不同。首先，根據(jù)業(yè)務(wù)上降水短時(shí)臨近預(yù)報(bào)關(guān)注重點(diǎn)，選定TS評(píng)分、重心位置預(yù)報(bào)評(píng)分、面積大小預(yù)報(bào)評(píng)分、落區(qū)形狀預(yù)報(bào)評(píng)分四項(xiàng)作為單個(gè)降水目標(biāo)對(duì)象識(shí)別匹配綜合評(píng)分的內(nèi)容，對(duì)每一項(xiàng)評(píng)分只考慮某一閾值強(qiáng)度以上降水的評(píng)分，不再細(xì)分不同等級(jí)降水評(píng)分，便于對(duì)關(guān)注強(qiáng)度的降水進(jìn)行選優(yōu)評(píng)價(jià)。其次，在進(jìn)行單個(gè)目標(biāo)對(duì)象識(shí)別匹配綜合評(píng)分時(shí)，對(duì)這四項(xiàng)評(píng)分的權(quán)重大小對(duì)選優(yōu)結(jié)果的影響進(jìn)行批量對(duì)比試驗(yàn)，合理確定各項(xiàng)評(píng)分的權(quán)重大小。第二部分為區(qū)域降水預(yù)報(bào)總評(píng)分。這里定義了區(qū)域降水預(yù)報(bào)總評(píng)分方法，即在單個(gè)目標(biāo)對(duì)象綜合評(píng)分的基礎(chǔ)上，將區(qū)域內(nèi)預(yù)報(bào)目標(biāo)對(duì)象按匹配結(jié)果分為三類：預(yù)報(bào)正確落區(qū)、空?qǐng)?bào)落區(qū)、漏報(bào)落區(qū)，給定每個(gè)預(yù)報(bào)正確落區(qū)一定的評(píng)分權(quán)重，計(jì)算區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分，總評(píng)分最高的即為最優(yōu)預(yù)報(bào)。關(guān)于每個(gè)目標(biāo)對(duì)象評(píng)分權(quán)重的選取，下面也將通過(guò)敏感性試驗(yàn)來(lái)確定。

1.2.1 單個(gè)目標(biāo)對(duì)象識(shí)別匹配評(píng)分

首先，確定選優(yōu)的降水強(qiáng)度(閾值)和一個(gè)目標(biāo)對(duì)象的最小格點(diǎn)數(shù)(閾值)，本文設(shè)定一個(gè)目標(biāo)對(duì)象的最小格點(diǎn)數(shù)為10。根據(jù)選優(yōu)的降水閾值，對(duì)預(yù)報(bào)和實(shí)況格點(diǎn)場(chǎng)進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象識(shí)別。找出該區(qū)域內(nèi)所有大于等于該強(qiáng)度閾值以上的降水預(yù)報(bào)或?qū)崨r格點(diǎn)，逐個(gè)點(diǎn)判斷與其相鄰的格點(diǎn)是否為該強(qiáng)度以上的預(yù)報(bào)。如有大于該強(qiáng)度的預(yù)報(bào)，則作為一個(gè)識(shí)別的目標(biāo)點(diǎn)，繼續(xù)判斷周?chē)狞c(diǎn)的值；如周?chē)狞c(diǎn)都小于該等級(jí)的預(yù)報(bào)，則結(jié)束一個(gè)目標(biāo)對(duì)象識(shí)別。依次計(jì)算，最終識(shí)別出一個(gè)個(gè)預(yù)報(bào)及實(shí)況目標(biāo)對(duì)象。然后進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象識(shí)別匹配評(píng)分。具體評(píng)分內(nèi)容包括：

(1)TS評(píng)分。根據(jù)實(shí)況目標(biāo)對(duì)象，對(duì)識(shí)別的預(yù)報(bào)目標(biāo)分別進(jìn)行TS評(píng)分，計(jì)算單個(gè)目標(biāo)對(duì)象點(diǎn)對(duì)點(diǎn)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，檢驗(yàn)預(yù)報(bào)目標(biāo)對(duì)象與實(shí)況目標(biāo)對(duì)象的重疊程度。

TS評(píng)分計(jì)算公式如下：

式中：NA為預(yù)報(bào)正確的格點(diǎn)數(shù)，預(yù)報(bào)出現(xiàn)某一強(qiáng)度以上降水，實(shí)況也出現(xiàn)該強(qiáng)度以上降水為預(yù)報(bào)正確；NB為空?qǐng)?bào)格點(diǎn)數(shù)，預(yù)報(bào)出現(xiàn)某一強(qiáng)度以上降水，實(shí)況未出現(xiàn)該強(qiáng)度以上降水為空?qǐng)?bào)；NC為漏報(bào)格點(diǎn)數(shù)，未預(yù)報(bào)出現(xiàn)某一強(qiáng)度以上降水，而實(shí)況出現(xiàn)該強(qiáng)度以上降水為漏報(bào)。

(2)重心位置預(yù)報(bào)評(píng)分。重心位置為目標(biāo)對(duì)象中最強(qiáng)降水中心所在的位置(經(jīng)緯度)。如果最強(qiáng)預(yù)報(bào)中心有多個(gè)點(diǎn)的，取多個(gè)點(diǎn)的中心位置為重心位置。根據(jù)檢驗(yàn)范圍大小和業(yè)務(wù)需求，設(shè)定預(yù)報(bào)目標(biāo)對(duì)象和實(shí)況目標(biāo)對(duì)象重心位置的最大容忍距離和最佳距離，進(jìn)行重心位置評(píng)分，評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)目標(biāo)對(duì)象與實(shí)況目標(biāo)對(duì)象位置的偏離程度。本文主要針對(duì)山東省內(nèi)降水預(yù)報(bào)進(jìn)行選優(yōu)，這里設(shè)定最大容忍距離為220 km，最佳距離為40 km。

重心位置預(yù)報(bào)評(píng)分計(jì)算公式如下：

式中：SGC為重心位置評(píng)分，L為預(yù)報(bào)目標(biāo)對(duì)象與實(shí)況目標(biāo)對(duì)象重心之間的距離，Lmax為最大容忍距離，Lmin為最佳距離。

(3)面積大小預(yù)報(bào)評(píng)分。分別計(jì)算實(shí)況目標(biāo)對(duì)象及預(yù)報(bào)目標(biāo)對(duì)象對(duì)某一強(qiáng)度以上降水預(yù)報(bào)的有效面積大小，對(duì)面積大小預(yù)報(bào)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

面積大小預(yù)報(bào)評(píng)分計(jì)算公式如下:

式中：Amod為預(yù)報(bào)目標(biāo)對(duì)象的有效面積，Aobs為實(shí)況目標(biāo)對(duì)象的有效面積。

(4)落區(qū)形狀預(yù)報(bào)評(píng)分。落區(qū)形狀預(yù)報(bào)評(píng)分包括軸向角評(píng)分和橢圓率評(píng)分。首先確定目標(biāo)對(duì)象長(zhǎng)短軸的尺度、比例和軸向。對(duì)于某個(gè)目標(biāo)對(duì)象，提取邊界點(diǎn)信息，通過(guò)重心的最長(zhǎng)兩個(gè)邊界點(diǎn)的連線為長(zhǎng)軸，通過(guò)重心且垂直于(基本垂直，偏差在2°內(nèi))長(zhǎng)軸的最短兩個(gè)邊界點(diǎn)連線為短軸。計(jì)算長(zhǎng)短軸的比例(即橢圓率)和長(zhǎng)軸的軸向角度，計(jì)算軸向角評(píng)分和橢圓率評(píng)分，二者平均即為落區(qū)形狀評(píng)分。

軸向角評(píng)分計(jì)算公式如下(茅懋等,2016)：

式中：SAxial為軸向角評(píng)分，DAxA為預(yù)報(bào)與實(shí)況目標(biāo)對(duì)象的軸向角差。

橢圓率評(píng)分計(jì)算公式如下：

式中：SEllip為橢圓率評(píng)分，DEllip為預(yù)報(bào)與實(shí)況目標(biāo)對(duì)象的橢圓率差。

落區(qū)形狀評(píng)分為軸向角評(píng)分和橢圓率評(píng)分的加權(quán)平均，計(jì)算公式如下：

落區(qū)形狀評(píng)分SShape越高，說(shuō)明預(yù)報(bào)目標(biāo)對(duì)象形狀越接近實(shí)況。

(5)在完成上述四項(xiàng)評(píng)分后，進(jìn)行單個(gè)目標(biāo)對(duì)象識(shí)別匹配綜合評(píng)分。對(duì)目標(biāo)對(duì)象TS評(píng)分、重心位置預(yù)報(bào)評(píng)分、面積大小預(yù)報(bào)評(píng)分、落區(qū)形狀預(yù)報(bào)評(píng)分四項(xiàng)評(píng)分按不同權(quán)重相加，即為單個(gè)目標(biāo)對(duì)象的綜合評(píng)分值，綜合評(píng)分最高的為匹配最好的目標(biāo)對(duì)象。依次循環(huán)，完成預(yù)報(bào)區(qū)域范圍內(nèi)所有目標(biāo)對(duì)象的匹配評(píng)分。

目標(biāo)對(duì)象識(shí)別匹配綜合評(píng)分計(jì)算公式如下：

Smod=R1·TS+R2·SGC+R3·SArea+R4·SShape

式中：R1為T(mén)S評(píng)分權(quán)重，R2為重心位置預(yù)報(bào)評(píng)分權(quán)重，R3為面積大小預(yù)報(bào)評(píng)分權(quán)重，R4為落區(qū)形狀預(yù)報(bào)評(píng)分權(quán)重，各評(píng)分項(xiàng)權(quán)重大小如何選取將通過(guò)敏感性試驗(yàn)確定。

1.2.2 區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分

為對(duì)區(qū)域降水預(yù)報(bào)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，在單個(gè)目標(biāo)對(duì)象識(shí)別匹配評(píng)分的基礎(chǔ)上，將預(yù)報(bào)區(qū)域范圍內(nèi)所有目標(biāo)對(duì)象匹配結(jié)果分為三類：預(yù)報(bào)正確落區(qū)、漏報(bào)落區(qū)、空?qǐng)?bào)落區(qū)。定義重心位置評(píng)分>0的預(yù)報(bào)目標(biāo)對(duì)象為預(yù)報(bào)正確落區(qū)，實(shí)況有而未預(yù)報(bào)出該強(qiáng)度以上落區(qū)的為漏報(bào)落區(qū)，實(shí)況無(wú)而預(yù)報(bào)有該強(qiáng)度以上落區(qū)的為空?qǐng)?bào)落區(qū)。給定預(yù)報(bào)正確落區(qū)一定的評(píng)分權(quán)重，按權(quán)重評(píng)分計(jì)算區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分，總評(píng)分最高的即為最優(yōu)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，空?qǐng)?bào)和漏報(bào)落區(qū)總數(shù)目可作為選優(yōu)的輔助參考。對(duì)預(yù)報(bào)正確落區(qū)評(píng)分權(quán)重的設(shè)定對(duì)選優(yōu)結(jié)果的影響，下文也將進(jìn)行敏感性試驗(yàn)。

2 選優(yōu)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于RUC系統(tǒng)的預(yù)報(bào)具有一定的連續(xù)性，這里主要根據(jù)區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分進(jìn)行預(yù)報(bào)選優(yōu)試驗(yàn)，不考慮空?qǐng)?bào)和漏報(bào)落區(qū)的情況?？紤]到預(yù)報(bào)員比較關(guān)注降水落區(qū)位置預(yù)報(bào)，同時(shí)，在重心位置距離相同的情況下，范圍大的目標(biāo)對(duì)象和范圍小的目標(biāo)對(duì)象預(yù)報(bào)效果不同，為此，這里設(shè)計(jì)了2組敏感性對(duì)比試驗(yàn)，分別對(duì)單個(gè)目標(biāo)對(duì)象各評(píng)分項(xiàng)的權(quán)重大小對(duì)選優(yōu)結(jié)果的影響，以及每個(gè)預(yù)報(bào)正確落區(qū)評(píng)分權(quán)重大小對(duì)區(qū)域總評(píng)分的影響進(jìn)行敏感性試驗(yàn)。

試驗(yàn)1：?jiǎn)蝹€(gè)目標(biāo)對(duì)象評(píng)分敏感性試驗(yàn)。在單個(gè)目標(biāo)對(duì)象匹配評(píng)分時(shí)，分別給定不同的TS評(píng)分和重心位置預(yù)報(bào)評(píng)分權(quán)重，同時(shí)兼顧面積大小和落區(qū)形狀預(yù)報(bào)評(píng)分對(duì)選優(yōu)結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了3組敏感性試驗(yàn)，分別以A1,A2,A3表示，具體如下：

A1方案：R1=0.2，R2=0.6，R3=0.1，R4=0.1；

A2方案：R1=0.4，R2=0.4，R3=0.1，R4=0.1；

A3方案：R1=0.6，R2=0.2，R3=0.1，R4=0.1。

將TS評(píng)分、重心位置、面積大小、落區(qū)形狀4項(xiàng)評(píng)分按不同的權(quán)重(分別為R1，R2，R3，R4)進(jìn)行相加，計(jì)算出單個(gè)目標(biāo)對(duì)象預(yù)報(bào)的綜合評(píng)分值，選取綜合評(píng)分最高的目標(biāo)對(duì)象為匹配最好的預(yù)報(bào)目標(biāo)。

試驗(yàn)2：區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分敏感性試驗(yàn)。在計(jì)算了區(qū)域內(nèi)每個(gè)目標(biāo)對(duì)象的綜合評(píng)分后，如何合理對(duì)區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)，是影響數(shù)值預(yù)報(bào)區(qū)域降水預(yù)報(bào)選優(yōu)的關(guān)鍵。這里針對(duì)區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分計(jì)算方法設(shè)計(jì)了2組敏感性試驗(yàn)，分別以B1,B2表示，具體如下：

B1方案：預(yù)報(bào)區(qū)域內(nèi)每個(gè)預(yù)報(bào)正確落區(qū)的評(píng)分權(quán)重均為1，進(jìn)行權(quán)重評(píng)分累加計(jì)算出區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分；B2方案：按照每個(gè)目標(biāo)對(duì)象的面積權(quán)重評(píng)分計(jì)算區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分，即計(jì)算每個(gè)預(yù)報(bào)正確的目標(biāo)對(duì)象的面積權(quán)重占所有預(yù)報(bào)正確目標(biāo)對(duì)象總面積的百分比，作為該目標(biāo)對(duì)象的評(píng)分權(quán)重，對(duì)預(yù)報(bào)范圍內(nèi)所有目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行權(quán)重評(píng)分累加，即為區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分。

以上2組不同的試驗(yàn)方案分別組合，共形成6組不同的數(shù)值模式區(qū)域降水預(yù)報(bào)選優(yōu)方法，具體方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。同時(shí)，為對(duì)比基于目標(biāo)對(duì)象的選優(yōu)方法與傳統(tǒng)TS評(píng)分選優(yōu)方法的差異性，也增加了TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表1 不同的區(qū)域降水預(yù)報(bào)選優(yōu)試驗(yàn)方案

3 選優(yōu)效果分析

3.1 選優(yōu)對(duì)象

為試驗(yàn)基于目標(biāo)對(duì)象的數(shù)值模式區(qū)域降水預(yù)報(bào)選優(yōu)方法的合理性，分別選取局地分散性降水和較大尺度降水兩類過(guò)程進(jìn)行選優(yōu)效果分析。這里選取2019年6月20日山東省局地短時(shí)降水過(guò)程作為局地分散性降水預(yù)報(bào)選優(yōu)試驗(yàn)個(gè)例，選取2019年8月11日臺(tái)風(fēng)利奇馬影響山東期間的降水過(guò)程作為較大尺度降水預(yù)報(bào)選優(yōu)試驗(yàn)個(gè)例。以1 h降水短時(shí)臨近預(yù)報(bào)為選優(yōu)對(duì)象，對(duì)RUC系統(tǒng)在降水開(kāi)始前1～8個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行選優(yōu)試驗(yàn)。

3.2 局地分散性降水預(yù)報(bào)選優(yōu)試驗(yàn)

2019年6月20日下午，山東省出現(xiàn)了局地性短時(shí)降水天氣，其中15—16時(shí)(北京時(shí)，下同)山東省出現(xiàn)多個(gè)局地較強(qiáng)降水中心，小時(shí)降水量均超過(guò)10 mm(圖1)。由于本次降水尺度小、局地性強(qiáng)，因此預(yù)報(bào)難度較大，此類降水預(yù)報(bào)也是數(shù)值預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。分析RUC系統(tǒng)提前1～8 h(08—15時(shí))不同時(shí)次的預(yù)報(bào)可以發(fā)現(xiàn)(圖2)，2019年6月20日08—11時(shí)(圖2a～2d)，模式預(yù)報(bào)的降水均較弱，未預(yù)報(bào)出明顯的局地性強(qiáng)降水。12—14時(shí)(圖2e～2g)，RUC系統(tǒng)均不同程度預(yù)報(bào)出山東的局地分散性降水。15時(shí)臨近實(shí)況時(shí)次的預(yù)報(bào)(圖2h)，預(yù)報(bào)的山東降水幾乎“消失”。從RUC系統(tǒng)不同起報(bào)時(shí)次的預(yù)報(bào)表現(xiàn)來(lái)看，臨近時(shí)次預(yù)報(bào)的降水反而“消失”現(xiàn)象顯然是spin-up引起的。對(duì)于此類降水預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)員僅靠主觀判斷難以選擇合理的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。下文將試驗(yàn)不同的選優(yōu)方案對(duì)本次降水的選優(yōu)效果。

圖1 2019年6月20日15—16時(shí)山東省1 mm以上降水實(shí)況格點(diǎn)分布(a)全省降水分布， (b)山東省魯北、魯中和半島3個(gè)降水區(qū)域降水格點(diǎn)值放大圖(數(shù)字，單位：mm)(圖中A,B,C分別為魯北、魯中和半島3個(gè)降水區(qū)域編號(hào))

圖2 2019年6月20日08—15時(shí)RUC系統(tǒng)不同時(shí)次起報(bào)的15—16時(shí)降水量預(yù)報(bào)(a)08時(shí),(b)09時(shí),(c)10時(shí),(d)11時(shí),(e)12時(shí),(f)13時(shí),(g)14時(shí),(h)15時(shí)

為分析不同強(qiáng)度降水預(yù)報(bào)選優(yōu)效果，分別對(duì)≥1 mm、≥10 mm兩個(gè)閾值的降水預(yù)報(bào)進(jìn)行選優(yōu)試驗(yàn)。表2給出了不同方案組合選出的2019年6月20日15—16時(shí)最優(yōu)降水預(yù)報(bào)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)1(A1B1)選出的1 mm以上最優(yōu)預(yù)報(bào)為20日13時(shí)RUC起報(bào)的2～3 h降水預(yù)報(bào)，試驗(yàn)2～試驗(yàn)6選出的最優(yōu)預(yù)報(bào)均為20日12時(shí)起報(bào)的3～4 h降水預(yù)報(bào)。TS評(píng)分選出的1 mm以上最優(yōu)降水預(yù)報(bào)為20日08時(shí)起報(bào)的7～8 h預(yù)報(bào)。不同方案之間的選優(yōu)結(jié)果差異較大。對(duì)于10 mm以上降水，不同的試驗(yàn)選優(yōu)結(jié)果一致，均為20日13時(shí)起報(bào)的2～3 h降水預(yù)報(bào)。下文將對(duì)不同試驗(yàn)方案的選優(yōu)結(jié)果做進(jìn)一步分析。

表2 2019年6月20日08—15時(shí)RUC系統(tǒng)不同時(shí)次起報(bào)的15—16時(shí)降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果

圖3給出了不同方案對(duì)≥1 mm降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果，圖中實(shí)況顯示，山東區(qū)域分布著多個(gè)1 mm以上的降水落區(qū)(黑色陰影)，這些降水落區(qū)分散、不連續(xù)，圖3a紅色區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)1(A1B1)選出的1 mm以上降水最優(yōu)預(yù)報(bào)產(chǎn)品(20日13時(shí)2～3 h預(yù)報(bào))，模式預(yù)報(bào)出了成片的1 mm以上降水落區(qū)，對(duì)魯中降水落區(qū)預(yù)報(bào)較好，其次為半島地區(qū)，但預(yù)報(bào)范圍較實(shí)況明顯偏大，空?qǐng)?bào)較多。圖3b給出了試驗(yàn)2～試驗(yàn)6選出的1 mm以上降水最優(yōu)預(yù)報(bào)(20日12時(shí)3～4 h預(yù)報(bào))，該預(yù)報(bào)與13時(shí)2～3 h預(yù)報(bào)類似，模式較好地預(yù)報(bào)出魯中和半島的降水，但降水空?qǐng)?bào)范圍縮小。圖3c給出了TS評(píng)分選出的1 mm以上最優(yōu)降水預(yù)報(bào)(20日08時(shí)7～8 h預(yù)報(bào))，該預(yù)報(bào)主要對(duì)半島的降水落區(qū)預(yù)報(bào)較好，魯中的降水全部漏報(bào)。對(duì)比這三次選優(yōu)產(chǎn)品預(yù)報(bào)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于目標(biāo)對(duì)象的試驗(yàn)2～試驗(yàn)6方案選出的最優(yōu)降水預(yù)報(bào)(20日12時(shí)3～4 h預(yù)報(bào))為最佳預(yù)報(bào)，13時(shí)2～3 h預(yù)報(bào)空?qǐng)?bào)過(guò)多，而08時(shí)7～8 h預(yù)報(bào)雖然TS評(píng)分較高，然而未能預(yù)報(bào)出魯中的降水，且選出的預(yù)報(bào)產(chǎn)品時(shí)效較早，預(yù)報(bào)與實(shí)況偏差較大，表明僅考慮TS評(píng)分進(jìn)行選優(yōu)是不夠的。

圖3 不同試驗(yàn)方案對(duì)2019年6月20日15—16時(shí)≥1 mm最優(yōu)降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果(a)試驗(yàn)1降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果(2013.3h)及實(shí)況，(b)試驗(yàn)2～試驗(yàn)6降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果(2012.4h)及實(shí)況，(c)TS評(píng)分降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果(2008.8h)及實(shí)況(黑色陰影區(qū)為實(shí)況降水格點(diǎn),紅色為預(yù)報(bào)降水格點(diǎn)示意,具體數(shù)值無(wú)意義，下同)

圖4給出了各試驗(yàn)方案對(duì)≥10 mm降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果(2013.3h,圖4a)，可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)況有3個(gè)10 mm以上降水落區(qū)(圖中黑色陰影)，模式也預(yù)報(bào)出3個(gè)10 mm以上的降水落區(qū)(圖中紅色區(qū)域)，其中魯中東南部的降水落區(qū)預(yù)報(bào)較好，預(yù)報(bào)與實(shí)況落區(qū)重疊。魯中西部和半島的降水落區(qū)預(yù)報(bào)與實(shí)況有偏差，但是通過(guò)預(yù)報(bào)員訂正可以作為一次較好的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。為分析本次選優(yōu)結(jié)果的合理性，這里同時(shí)給出了≥1 mm降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果(20日12時(shí)3～4 h預(yù)報(bào))對(duì)10 mm以上的降水預(yù)報(bào)和實(shí)況的對(duì)比(圖4b)，可以發(fā)現(xiàn)，12時(shí)3～4 h的模式預(yù)報(bào)對(duì)魯中東南部的降水落區(qū)預(yù)報(bào)也較好，其他兩個(gè)落區(qū)均漏報(bào)。由此可見(jiàn)，各試驗(yàn)方案對(duì)10 mm以上降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果為13時(shí)2～3 h預(yù)報(bào)是合理的。

圖4 2019年6月20日15—16時(shí)≥10 mm最優(yōu)降水預(yù)報(bào)結(jié)果與其他預(yù)報(bào)及實(shí)況的對(duì)比(a)所有試驗(yàn)方案降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果(2013.3h)及實(shí)況(b)RUC系統(tǒng)≥1 mm 20日12時(shí)3～4 h降水預(yù)報(bào)及實(shí)況

3.3 大尺度降水預(yù)報(bào)選優(yōu)試驗(yàn)

為試驗(yàn)本方法對(duì)尺度較大的降水過(guò)程選優(yōu)效果，選取2019年8月11日臺(tái)風(fēng)利奇馬影響山東期間降水預(yù)報(bào)進(jìn)行選優(yōu)試驗(yàn)。以2019年8月11日00—12時(shí)逐小時(shí)降水預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，逐小時(shí)對(duì)RUC系統(tǒng)提前1～8個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行選優(yōu)。由于本次降水過(guò)程較強(qiáng)，這里僅對(duì)小時(shí)降水量≥10 mm的降水預(yù)報(bào)進(jìn)行選優(yōu)試驗(yàn)。

表3分別給出了6組不同的試驗(yàn)方案對(duì)8月11日00—12時(shí)逐小時(shí)降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果以及TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，這6組不同的試驗(yàn)方案對(duì)臺(tái)風(fēng)利奇馬影響山東期間10 mm以上強(qiáng)度降水預(yù)報(bào)的選優(yōu)結(jié)果不盡相同，基于目標(biāo)對(duì)象的選優(yōu)結(jié)果與TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果大部分相同、部分不同。對(duì)所有的選優(yōu)結(jié)果和實(shí)況進(jìn)行了對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，由于該時(shí)段降水尺度較大，而且RUC系統(tǒng)預(yù)報(bào)總體較好，因此，TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果總體較好。

基于目標(biāo)對(duì)象的部分選優(yōu)結(jié)果較差(表中加下劃線斜體字體)，部分選優(yōu)結(jié)果優(yōu)于TS評(píng)分選優(yōu)(表中加粗字體)。根據(jù)6組不同試驗(yàn)和TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果的差異性，把00—12時(shí)逐小時(shí)預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果歸納為以下三類(表3)：

表3 不同試驗(yàn)方案對(duì)2019年8月11日00—12時(shí)逐小時(shí)≥10 mm降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果

Ⅰ類，共9次，為11日03—08時(shí)和10—12時(shí)的選優(yōu)結(jié)果。此類所有的選優(yōu)結(jié)果總體一致，即基于目標(biāo)對(duì)象的不同試驗(yàn)方案選優(yōu)結(jié)果與TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果均較一致。

Ⅱ類，共2次，為11日00時(shí)和02時(shí)的選優(yōu)結(jié)果。此類基于目標(biāo)對(duì)象的不同方案選優(yōu)結(jié)果存在差異，合理的方案選優(yōu)結(jié)果更好。

Ⅲ類，共2次，為11日01時(shí)和09時(shí)的選優(yōu)結(jié)果。此類基于目標(biāo)對(duì)象的不同方案選優(yōu)結(jié)果也存在差異，但部分目標(biāo)對(duì)象的選優(yōu)結(jié)果好于TS評(píng)分選優(yōu)。

下文分別對(duì)這三類選優(yōu)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5給出了Ⅰ類選優(yōu)結(jié)果(即總體一致)的部分預(yù)報(bào)和實(shí)況，以11日03時(shí)和07時(shí)的選優(yōu)結(jié)果為例。圖5a，5b分別為11日03時(shí)TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果(1023.4h)和基于目標(biāo)對(duì)象的選優(yōu)結(jié)果(1101.2h)與實(shí)況的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，這兩張圖雖然是不同時(shí)次的預(yù)報(bào)，但預(yù)報(bào)結(jié)果(圖中紅色區(qū)域)幾乎完全一樣，模式較好地預(yù)報(bào)出了10 mm以上降水雨帶的走向、形態(tài)分布，預(yù)報(bào)與實(shí)況較接近，只是預(yù)報(bào)的10 mm以上降水范圍較實(shí)況偏小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，基于目標(biāo)對(duì)象的選優(yōu)結(jié)果(圖5b)對(duì)蘇北和魯中東部的局地降水落區(qū)也有較好的預(yù)報(bào)。

圖5 Ⅰ類選優(yōu)結(jié)果的預(yù)報(bào)和實(shí)況格點(diǎn)分布(a)11日03時(shí)TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果(1023.4h),(b)11日03時(shí)試驗(yàn)1～試驗(yàn)6的選優(yōu)結(jié)果(1101.2h)(黑色陰影區(qū)為≥10 mm實(shí)況降水格點(diǎn)，紅色區(qū)為對(duì)應(yīng)預(yù)報(bào)降水格點(diǎn)示意)

分析11日07時(shí)不同方案的選優(yōu)結(jié)果和實(shí)況落區(qū)分布可以發(fā)現(xiàn)(圖略)，這些選優(yōu)結(jié)果的降水預(yù)報(bào)分布也基本一致。

下面對(duì)Ⅱ類選優(yōu)結(jié)果進(jìn)行分析，即11日00時(shí)和02時(shí)的選優(yōu)結(jié)果，此類基于目標(biāo)對(duì)象的不同方案選優(yōu)結(jié)果存在差異。由圖6a～6d可以發(fā)現(xiàn)，11日00時(shí)試驗(yàn)1的選優(yōu)結(jié)果(1018.6h，圖6a)最差，降水預(yù)報(bào)明顯偏南，試驗(yàn)3的選優(yōu)結(jié)果(1017.7h，圖6b)略有改進(jìn)，較實(shí)況落區(qū)仍然偏差較大。試驗(yàn)4的選優(yōu)結(jié)果(1023.1h，圖6c)降水預(yù)報(bào)明顯北抬，有較好改進(jìn)，但強(qiáng)度偏弱。試驗(yàn)2、試驗(yàn)5、試驗(yàn)6及TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果(1021.3h，圖6d)的降水預(yù)報(bào)與實(shí)況最為接近，降水落區(qū)和強(qiáng)度預(yù)報(bào)較其他方案選優(yōu)結(jié)果更好。

圖6 同圖5，但為Ⅱ類(a)11日00時(shí)試驗(yàn)1的選優(yōu)結(jié)果(1018.6h),(b)11日00時(shí)試驗(yàn)3的選優(yōu)結(jié)果(1017.7h)，(c)11日00時(shí)試驗(yàn)4的選優(yōu)結(jié)果(1023.1h),(d)11日00時(shí)試驗(yàn)2、試驗(yàn)5、試驗(yàn)6及TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果(1021.3h)，(e)11日02時(shí)試驗(yàn)1～試驗(yàn)4的選優(yōu)結(jié)果(1020.6h),(f)11日02時(shí)試驗(yàn)5、試驗(yàn)6和TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果(1023.3h)

圖6e、6f給出了11日02時(shí)不同方案的選優(yōu)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)1～試驗(yàn)4的選優(yōu)結(jié)果(1020.6h，圖6e)降水預(yù)報(bào)偏南，沒(méi)有“抓住”魯中北部的大片降水落區(qū)，而試驗(yàn)5～試驗(yàn)6和TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果(1023.3h，圖6f)較好地預(yù)報(bào)出了魯中北部的降水落區(qū)，且雨帶走向與實(shí)況也較為一致，顯然試驗(yàn)5～試驗(yàn)6的選優(yōu)方案更為合理。

分析11日00時(shí)和02時(shí)降水實(shí)況落區(qū)分布可以發(fā)現(xiàn)，這兩次降水實(shí)況的共同特點(diǎn)是預(yù)報(bào)范圍內(nèi)存在多個(gè)降水落區(qū)(目標(biāo))，特別是02時(shí)的降水實(shí)況(圖6e、6f中黑色陰影區(qū))，在魯中北部存在一個(gè)范圍較大的降水落區(qū)(目標(biāo))，南部存在多個(gè)分散的小落區(qū)(目標(biāo))，顯然，在進(jìn)行區(qū)域降水預(yù)報(bào)總評(píng)分時(shí)，給定不同降水目標(biāo)對(duì)象同樣的評(píng)分權(quán)重(B1方案，試驗(yàn)1～試驗(yàn)3)，或者目標(biāo)對(duì)象評(píng)分中TS評(píng)分權(quán)重過(guò)小(A1方案，試驗(yàn)1、試驗(yàn)4)均不能體現(xiàn)出大范圍降水落區(qū)的重要性，導(dǎo)致選優(yōu)結(jié)果降水預(yù)報(bào)偏南(偏向小落區(qū))。而區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分時(shí)按照降水落區(qū)面積權(quán)重進(jìn)行累加(B2方案)并提高目標(biāo)對(duì)象評(píng)分的TS評(píng)分權(quán)重，顯著改進(jìn)了降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果(試驗(yàn)5、試驗(yàn)6)，說(shuō)明提高目標(biāo)對(duì)象評(píng)分中TS評(píng)分權(quán)重并且按照每個(gè)目標(biāo)對(duì)象的面積權(quán)重評(píng)分計(jì)算區(qū)域總評(píng)分是合理和必要的。

圖7給出了Ⅲ類降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果(這里僅給出了11日01時(shí)的預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果)，此類部分目標(biāo)對(duì)象的選優(yōu)結(jié)果好于TS評(píng)分選優(yōu)。由圖7a～7c可見(jiàn)，試驗(yàn)1～試驗(yàn)2的選優(yōu)結(jié)果(1020.5h，圖7a)預(yù)報(bào)最差，雨帶明顯偏南。試驗(yàn)3和TS評(píng)分選優(yōu)的結(jié)果(1022.3h，圖7b)降水預(yù)報(bào)有較好改進(jìn)，雨帶更偏北了。而試驗(yàn)4～試驗(yàn)6選優(yōu)的降水預(yù)報(bào)結(jié)果(1023.2h，圖7c)更為合理，預(yù)報(bào)雨帶與實(shí)況雨帶走向更為吻合，選優(yōu)的產(chǎn)品預(yù)報(bào)時(shí)次更新(10日23時(shí)1～2 h預(yù)報(bào))，體現(xiàn)出包括落區(qū)、形狀等信息在內(nèi)的目標(biāo)對(duì)象評(píng)分的優(yōu)勢(shì)。

從表3和圖7選優(yōu)結(jié)果分析中還可以發(fā)現(xiàn)，基于目標(biāo)對(duì)象的選優(yōu)結(jié)果好于TS評(píng)分的選優(yōu)結(jié)果(11日01時(shí)試驗(yàn)4～試驗(yàn)6)，11日09時(shí)試驗(yàn)5～試驗(yàn)6的選優(yōu)結(jié)果類似(圖略)，且基于目標(biāo)對(duì)象的選優(yōu)預(yù)報(bào)產(chǎn)品均較TS評(píng)分的選優(yōu)產(chǎn)品預(yù)報(bào)時(shí)效更新(即RUC起報(bào)時(shí)間更臨近實(shí)況)，從另一個(gè)角度說(shuō)明了目標(biāo)對(duì)象選優(yōu)考慮了較多因素，選出的預(yù)報(bào)產(chǎn)品更加合理。

圖7 同圖5，但為Ⅲ類(a)11日01時(shí)試驗(yàn)1、試驗(yàn)2的選優(yōu)結(jié)果(1020.5h),(b)11日01時(shí)試驗(yàn)3和TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果(1022.3h),(c)11日01時(shí)試驗(yàn)4～試驗(yàn)6的選優(yōu)結(jié)果(1023.2h)

綜上分析可見(jiàn)，大部分基于目標(biāo)對(duì)象的選優(yōu)方案與TS評(píng)分選優(yōu)結(jié)果一致。當(dāng)降水落區(qū)比較復(fù)雜或模式預(yù)報(bào)不太好時(shí)，加大目標(biāo)對(duì)象評(píng)分中TS評(píng)分的權(quán)重(超過(guò)0.4，A2、A3方案)，同時(shí)在區(qū)域總評(píng)分時(shí)，按照每個(gè)目標(biāo)對(duì)象的面積權(quán)重評(píng)分計(jì)算區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分(B2方案)，選優(yōu)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品更加合理，選優(yōu)結(jié)果好于TS評(píng)分選優(yōu)。從本文的批量試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)6(A3B2)為所有方案中的最佳方案，其次為試驗(yàn)5(A2B2)。而由于TS評(píng)分不考慮重心位置、面積大小和落區(qū)形狀，其選優(yōu)結(jié)果可能不合理。

4 批量試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述不同選優(yōu)方案的合理性，以2019年6—8月逐小時(shí)降水預(yù)報(bào)為選優(yōu)對(duì)象，采用前面所述的6組不同的試驗(yàn)方案組合，對(duì)RUC系統(tǒng)提前1～8 h的降水預(yù)報(bào)對(duì)1 h≥10 mm降水進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象選優(yōu)批量對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)逐時(shí)≥10 mm降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果的總體分析發(fā)現(xiàn)，不同方案大部分選優(yōu)結(jié)果是一致的，但部分降水選優(yōu)結(jié)果不同。為說(shuō)明不同方案選優(yōu)結(jié)果的合理性，對(duì)6組試驗(yàn)方案基于目標(biāo)對(duì)象選取的逐小時(shí)≥10 mm最優(yōu)降水預(yù)報(bào)統(tǒng)一進(jìn)行TS評(píng)分，并對(duì)3個(gè)月內(nèi)有降水得分時(shí)次(有1組方案有得分就參與統(tǒng)計(jì))不同方案的TS評(píng)分進(jìn)行總平均，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4?？梢园l(fā)現(xiàn)，平均TS評(píng)分最高的為試驗(yàn)6(A3B2)方案，其次為試驗(yàn)5(A2B2)方案，第三位為試驗(yàn)3(A3B1)方案。此結(jié)果與上述個(gè)例分析的結(jié)果是一致的，即目標(biāo)對(duì)象選優(yōu)方法在單個(gè)目標(biāo)對(duì)象識(shí)別匹配時(shí)加大TS評(píng)分權(quán)重同時(shí)兼顧其他評(píng)分，且按照區(qū)域內(nèi)每個(gè)目標(biāo)對(duì)象面積權(quán)重計(jì)算區(qū)域總評(píng)分，選取的最優(yōu)降水預(yù)報(bào)更加合理。

表4 不同試驗(yàn)方案對(duì)2019年6—8月逐小時(shí)≥10 mm降水預(yù)報(bào)選優(yōu)結(jié)果的平均TS評(píng)分

5 結(jié) 論

針對(duì)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)上大量數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品如何選優(yōu)使用問(wèn)題，本文提出了一種基于目標(biāo)對(duì)象的數(shù)值模式區(qū)域降水預(yù)報(bào)選優(yōu)方法，通過(guò)對(duì)局地分散性降水和大尺度降水預(yù)報(bào)的選優(yōu)對(duì)比試驗(yàn)以及3個(gè)月的批量試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)TS評(píng)分、重心位置、面積大小、落區(qū)形狀預(yù)報(bào)評(píng)分按不同權(quán)重平均進(jìn)行單個(gè)目標(biāo)對(duì)象評(píng)分，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行區(qū)域預(yù)報(bào)總體評(píng)價(jià)和選優(yōu)。經(jīng)個(gè)例試驗(yàn)以及批量試驗(yàn)表明，該方法可以較好地從大量數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品中選出最優(yōu)降水預(yù)報(bào)。

(2)單個(gè)目標(biāo)對(duì)象識(shí)別匹配的各項(xiàng)評(píng)分權(quán)重對(duì)選優(yōu)結(jié)果有較大影響，提高TS評(píng)分的評(píng)分權(quán)重(超過(guò)0.4)，能夠提高選優(yōu)結(jié)果的合理性。按照每個(gè)目標(biāo)對(duì)象的面積權(quán)重計(jì)算區(qū)域預(yù)報(bào)總評(píng)分(B2方案)，是合理選出最優(yōu)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的關(guān)鍵。

(3)該方法對(duì)于局地分散性降水預(yù)報(bào)選優(yōu)具有顯著優(yōu)勢(shì)，可以克服傳統(tǒng)TS評(píng)分的缺點(diǎn)，選出有參考價(jià)值的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。由于目標(biāo)對(duì)象評(píng)分考慮了降水落區(qū)形狀、重心位置和面積大小評(píng)分，其選優(yōu)結(jié)果較TS評(píng)分更為合理。