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        CMA-GD 1 km雷達(dá)回波預(yù)報(bào)訂正方法研究

        2022-04-29 10:48:20田聰聰張?zhí)m許歡李懷宇肖柳斯
        廣東氣象 2022年2期
        關(guān)鍵詞:實(shí)況鄰域線(xiàn)性

        田聰聰,張?zhí)m,許歡,李懷宇,肖柳斯

        (廣州市氣象臺(tái),廣東廣州 511430)

        短時(shí)強(qiáng)降水具有突發(fā)性強(qiáng)、局地性強(qiáng)、生命史短、災(zāi)害重等特點(diǎn),是中小尺度對(duì)流系統(tǒng)造成的一種重要的強(qiáng)對(duì)流天氣[1]。廣東受海陸交互和南海季風(fēng)的影響,強(qiáng)對(duì)流發(fā)生頻率之高、強(qiáng)度之大,居全國(guó)前列[2-4],為此0~6 h內(nèi)的強(qiáng)降水臨近預(yù)報(bào)技術(shù)是短臨預(yù)報(bào)預(yù)警的關(guān)鍵[5]。近年來(lái),短時(shí)臨近預(yù)報(bào)技術(shù)除了基于雷達(dá)及衛(wèi)星等資料的外推以外,高分辨率短臨數(shù)值預(yù)報(bào)模式也越來(lái)越受到重視[6-7]。

        研究與業(yè)務(wù)使用表明,高分辨率短臨數(shù)值預(yù)報(bào)模式的改進(jìn)僅靠外推技術(shù)造成無(wú)法描述強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和消亡的物理機(jī)制演變的弊端。但高分辨率模式本身存在諸多“誤差”,如初始條件、同化技術(shù)、物理過(guò)程等,進(jìn)而在短臨預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)過(guò)程中仍存在局限性或偏差[8],因此對(duì)高分辨率模式進(jìn)行后處理訂正技術(shù)的研究與應(yīng)用,是進(jìn)一步提升強(qiáng)對(duì)流短臨預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的重要舉措[9]。唐文苑等[10]利用時(shí)間滯后集合預(yù)報(bào)算法構(gòu)建權(quán)重預(yù)報(bào)方程后,借助頻率匹配法訂正GRAPES-RAFS降水預(yù)報(bào);許愛(ài)華等[11]針對(duì)不同類(lèi)型暴雨,提煉出對(duì)EC模式降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品的訂正思路和方法,歸納500 hPa槽前大風(fēng)速帶、925 hPa溫度鋒區(qū)和暖脊、邊界層10 m/s以上的超低空急流等對(duì)模式暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)的訂正依據(jù),拓寬了預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)思路;吳啟樹(shù)等[12]設(shè)計(jì)的最優(yōu)TS評(píng)分訂正法,對(duì)2014—2015年降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)進(jìn)行分級(jí)訂正后,降水預(yù)報(bào)效果較優(yōu)。為提高華南短臨預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù),本研究將采用華南區(qū)域20部雷達(dá)資料,嘗試?yán)貌煌惴陀^訂正高分辨率短臨預(yù)報(bào)模式CMA-GD 1 km時(shí)間滯后集合概率預(yù)報(bào)產(chǎn)品,希望能更好地為0~6 h強(qiáng)對(duì)流天氣提供預(yù)警信息。

        1 雷達(dá)與模式資料

        利用華南區(qū)域20部雷達(dá)資料(廣州、韶關(guān)、清遠(yuǎn)、肇慶、梅州、河源、深圳、汕尾、汕頭、陽(yáng)江、湛江、桂林、柳州、南寧、梧州、龍巖、廈門(mén)、永州、???、北海)的雷達(dá)反射率回波數(shù)據(jù)進(jìn)行格點(diǎn)化處理,格點(diǎn)數(shù)為1 161×861。

        選取CMA-GD 1 km短臨模式逐12 min預(yù)報(bào)未來(lái)6 h的預(yù)報(bào)產(chǎn)品,利用前2 h構(gòu)建雷達(dá)回波時(shí)間滯后集合概率預(yù)報(bào)產(chǎn)品,選用2018年4月14—15日影響華南區(qū)域一次颮線(xiàn)過(guò)程進(jìn)行偏差訂正分析。

        2 偏差計(jì)算方法

        偏差δ由模式預(yù)報(bào)前2 h每12 min為一個(gè)成員,共11個(gè)成員,各個(gè)成員對(duì)應(yīng)時(shí)刻的預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值相減所得。

        其中,F(xiàn)為成員預(yù)報(bào)值;O為成員觀測(cè)值;i為各成員。

        (1)均等偏差法。

        11個(gè)成員偏差的平均所得。

        其中,N為11個(gè)成員數(shù)。

        (2)權(quán)重偏差法。

        依據(jù)臨近時(shí)次預(yù)報(bào)效果更準(zhǔn)確的檢驗(yàn)結(jié)果,其權(quán)重系數(shù)相對(duì)較大的原則,計(jì)算11個(gè)成員權(quán)重系數(shù),計(jì)算公式為

        權(quán)重偏差為

        (3)最近偏差法。

        取最近起報(bào)時(shí)次的預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況作差,差值不作處理。Δδ=δi,其中i為最近起報(bào)時(shí)次成員。

        3 訂正方法

        (1)線(xiàn)性訂正:利用上述的偏差結(jié)果,將其線(xiàn)性訂正集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品的4個(gè)時(shí)次中的雷達(dá)回波預(yù)報(bào)結(jié)果。

        (2)鄰域訂正:選取預(yù)報(bào)結(jié)果鄰域半徑為5個(gè)格點(diǎn)中偏差最大的結(jié)果進(jìn)行訂正,如圖1所示。

        圖1 鄰域訂正(半徑選為5個(gè)格點(diǎn))

        4 結(jié)果評(píng)估

        選取2018年4月14至15日影響華南一次颮線(xiàn)過(guò)程。受冷空氣和切變線(xiàn)共同影響,該次颮線(xiàn)過(guò)程自西北向東南方向移動(dòng),主要影響時(shí)間段為15日00:00(世界時(shí),下同)至15日05:00,因此本研究選取14日22:00至15日00:00期間逐12 min起報(bào),對(duì)15日01:00、02:00、03:00和04:00的預(yù)報(bào)結(jié)果作為分析對(duì)象,利用3種偏差計(jì)算方法,對(duì)4個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行訂正評(píng)估(圖2)。

        圖2 2018年4月15日01:00(a)、02:00(b)、03:00(c)和04:00(d)實(shí)況雷達(dá)回波(單位:dBz)

        4.1 偏差結(jié)果評(píng)估

        圖3分別為3種偏差算法得到的偏差結(jié)果??梢钥闯?,均等偏差算法(圖3a)和權(quán)重偏差算法(圖3b)均顯示在粵北區(qū)域、珠三角西側(cè)區(qū)域和粵東沿海區(qū)域,預(yù)報(bào)結(jié)果較實(shí)況明顯偏小,而對(duì)粵西湛江至茂名和河源一帶的預(yù)報(bào)結(jié)果較實(shí)況明顯偏大。另外,權(quán)重算法的偏差結(jié)果大于均等算法。對(duì)比最近偏差法(圖3c)表明,模式在預(yù)報(bào)時(shí)次最接近實(shí)況時(shí),預(yù)報(bào)結(jié)果是調(diào)整與實(shí)況更為接近的,可以看出,偏差結(jié)果明顯偏小于其他兩種情況。

        圖3 均等偏差(a)、權(quán)重偏差(b)和最近偏差(c)算法得到的結(jié)果(單位:dBz)

        4.2 訂正結(jié)果評(píng)估

        將4.1節(jié)3種偏差結(jié)果分別采用線(xiàn)性訂正和鄰域訂正的算法,對(duì)所選取個(gè)例的預(yù)報(bào)時(shí)次15日01:00(圖4)、02:00(圖5)、03:00(圖6)和04:00(圖7)的雷達(dá)回波進(jìn)行訂正。其中,圖4—圖7中,a、b分別為雷達(dá)回波實(shí)況和集合預(yù)報(bào)結(jié)果,c、d分別為均等偏差線(xiàn)性訂正和均等偏差鄰域訂正,e、f分別為權(quán)重偏差線(xiàn)性訂正和權(quán)重偏差鄰域訂正,g、h分別為最近偏差線(xiàn)性訂正和最近偏差鄰域訂正。

        圖4 15日01:00時(shí)雷達(dá)回波實(shí)況(a)、集合預(yù)報(bào)結(jié)果(b)、均等偏差線(xiàn)性訂正(c)、均等偏差鄰域訂正(d)、權(quán)重偏差線(xiàn)性訂正(e)、權(quán)重偏差鄰域訂正(f)、最近偏差線(xiàn)性訂正(g)和最近偏差鄰域訂正(h)(單位:dBz)

        對(duì)比雷達(dá)回波實(shí)況的移動(dòng)和預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)看,該次降水過(guò)程的預(yù)報(bào)速度較實(shí)況偏慢,回波強(qiáng)度的大值區(qū)域不明顯,尤其在降水回波預(yù)報(bào)后2個(gè)時(shí)次15日03:00(圖6b)和04:00(圖7b),對(duì)珠三角和粵東北的強(qiáng)回波區(qū)域預(yù)報(bào)明顯偏小。本研究分別采用均等偏差、權(quán)重偏差和最近偏差的線(xiàn)性訂正和鄰域訂正的算法調(diào)整模式預(yù)報(bào)結(jié)果的強(qiáng)度和移動(dòng)速度,結(jié)果表明,3種偏差算法的兩種訂正方式對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果強(qiáng)度調(diào)整較為明顯,而對(duì)回波移動(dòng)速度調(diào)整效果不佳。

        圖6 15日03:00時(shí)雷達(dá)回波實(shí)況(a)、集合預(yù)報(bào)結(jié)果(b)、均等偏差線(xiàn)性訂正(c)、均等偏差鄰域訂正(d)、權(quán)重偏差線(xiàn)性訂正(e)、權(quán)重偏差鄰域訂正(f)、最近偏差線(xiàn)性訂正(g)和最近偏差鄰域訂正(h)(單位:dBz)

        圖7 15日04:00時(shí)雷達(dá)回波實(shí)況(a)、集合預(yù)報(bào)結(jié)果(b)、均等偏差線(xiàn)性訂正(c)、均等偏差鄰域訂正(d)、權(quán)重偏差線(xiàn)性訂正(e)、權(quán)重偏差鄰域訂正(f)、最近偏差線(xiàn)性訂正(g)和最近偏差鄰域訂正(h)(單位:dBz)

        對(duì)于15日01:00(圖4)預(yù)報(bào)結(jié)果的調(diào)整可看出,6種訂正結(jié)果均可加強(qiáng)回波的強(qiáng)度,但3種偏差的線(xiàn)性訂正,使得粵西出現(xiàn)強(qiáng)的虛假回波,采用鄰域訂正算法(圖4d、4f、4h)比線(xiàn)性訂正算法(圖4c、4e、4g)可以略微削減虛假回波的存在,而且也能調(diào)整回波強(qiáng)度,使得其結(jié)果更為接近實(shí)況(圖4a)。而通過(guò)對(duì)比3種偏差的3種鄰域訂正結(jié)果可以看出,最近偏差法(圖4g、4h)所得的偏差結(jié)果更小,所以對(duì)模式預(yù)報(bào)結(jié)果調(diào)整更小,強(qiáng)回波區(qū)域預(yù)報(bào)效果更接近實(shí)況,較均等偏差(圖4c、4d)和權(quán)重偏差算法(圖4e、4f)更優(yōu)。

        隨著回波向東南向移動(dòng),15日02:00(圖5)的6種訂正結(jié)果對(duì)比實(shí)況和預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出,訂正結(jié)果與15日01:00較為一致,可以突出強(qiáng)回波區(qū),使其更接近實(shí)況,尤其是最近誤差(圖5g、5h)的兩種訂正結(jié)果。15日03:00(圖6)至04:00(圖7)的結(jié)果對(duì)比可以看出,鄰域訂正法的3種結(jié)果在回波移動(dòng)過(guò)程中,不僅能突顯出強(qiáng)回波區(qū),而且較線(xiàn)性訂正法更好地削減虛假回波,以及最近偏差法的鄰域訂正結(jié)果較其他兩種更接近實(shí)況。所以通過(guò)該次回波發(fā)展移動(dòng)過(guò)程的預(yù)報(bào)結(jié)果分析,可以看出,最近偏差法的鄰域訂正預(yù)報(bào)結(jié)果最佳,不僅可以凸顯強(qiáng)回波區(qū),而且可以削減虛假回波。該次降水是回波發(fā)展強(qiáng)盛至衰減的過(guò)程,所以絕對(duì)值偏差最小的最近偏差法對(duì)模式后期預(yù)報(bào)結(jié)果的調(diào)整最優(yōu),而且均等偏差法和權(quán)重偏差法的算法并未使得模式預(yù)報(bào)偏差有所縮小,所以這也使得后期進(jìn)行偏差訂正時(shí)所應(yīng)進(jìn)行更詳細(xì)論證的需求。

        5 結(jié)論

        1)對(duì)于該次降水過(guò)程,在粵北區(qū)域、珠三角西側(cè)區(qū)域和粵東沿海區(qū)域,預(yù)報(bào)結(jié)果較實(shí)況明顯偏小,而對(duì)粵西湛江至茂名和河源一帶的預(yù)報(bào)結(jié)果較實(shí)況偏大,通過(guò)3種偏差的格點(diǎn)分布來(lái)看,最近偏差法的偏差最小,而權(quán)重偏差法最大。

        2)該次降水過(guò)程的預(yù)報(bào)速度較實(shí)況偏慢,利用偏差訂正預(yù)報(bào),可有效改進(jìn)模式預(yù)報(bào)的雷達(dá)回波強(qiáng)度,但對(duì)移動(dòng)速度調(diào)整不大。

        3)對(duì)比線(xiàn)性訂正和鄰域訂正法的結(jié)果,線(xiàn)性訂正法產(chǎn)生對(duì)粵西,即回波移動(dòng)反向位置的虛假回波,鄰域訂正法不僅可以調(diào)整回波強(qiáng)度,而且虛假回波不顯著。

        4)3種偏差結(jié)果利用鄰域訂正法的訂正結(jié)果表明,最近偏差法的領(lǐng)域訂正結(jié)果與實(shí)況最為接近。

        5)該次降水是雷達(dá)回波發(fā)展強(qiáng)盛至衰減的過(guò)程,所以絕對(duì)值偏差最小的最近偏差法對(duì)模式后期預(yù)報(bào)結(jié)果的調(diào)整最優(yōu),這也需要更多個(gè)例進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

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