許晨璐 袁慧玲 吳玲芳 柳貴鈞

1 中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局氣象中心，北京 100621

2 南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點實驗室，南京 210023

1 引言

基于天氣雷達(dá)的預(yù)報是災(zāi)害天氣臨近預(yù)報的基礎(chǔ)，雷達(dá)資料雖然具有高時空分辨率，能夠及時監(jiān)測到雷暴的發(fā)生發(fā)展，并模擬出強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的精確結(jié)構(gòu)，但是由于雷達(dá)觀測的徑向速度和反射率因子都不是模式常規(guī)量，不能直接用于初始化，因此許多研究致力于將雷達(dá)資料同化進(jìn)入模式預(yù)報初始場，再定量的應(yīng)用于數(shù)值預(yù)報（孫娟珍等,2016）。目前常用的方法有三維變分同化（Gao et al., 2004; Xiao et al., 2005; Gao and Stensrud, 2012）、四 維 變 分 同 化（Xu, 1996; Sun and Crook, 1997;Sun, 2005; Wang et al., 2013b），集合卡爾曼濾波方 法（Tong and Xue, 2005; Wang et al., 2013a），以及與閃電、衛(wèi)星觀測等資料相結(jié)合的混合同化方法（Hamill and Snyder, 2000; Gao and Stensrud,2014; Pan et al., 2018）。

目前國際上流行的快速循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，每日多次啟動，不斷吸收最新的探測資料用以更新初始預(yù)報場，將其最大程度地應(yīng)用于數(shù)值模式中。相關(guān)研究表明，快速更新由于同化了大量的實時觀測資料，能夠得到更為準(zhǔn)確的預(yù)報結(jié)果（Davis et al., 2002）。2012 年以來，華北空管局氣象中心數(shù)值模式團(tuán)隊運(yùn)用快速更新同化預(yù)報的關(guān)鍵技術(shù)（https://s3.us-east-1.amazonaws.com/library.oarcloud.noaa.gov/noaa_documents.lib/NOAA_historic_docum ents/WB/TPB/1990-1999/TPB_416.pdf[2021-11-22]；Benjamin et al., 2004; 陳葆德等, 2013），自主研發(fā)了“第一代快速更新循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)”（NMC-RAP）（Huang et al., 2019），該系統(tǒng)以非靜力模式WRF 為基礎(chǔ)，資料同化工具為ARPS 模式，可以實現(xiàn)快速循環(huán)同化氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)，精細(xì)化預(yù)報華北管制區(qū)域未來0～9 h 強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展及演變特征，時間分辨率6 min，空間分辨率4 km，是我國民航氣象領(lǐng)域第一套具備雷達(dá)資料快速循環(huán)同化技術(shù)的短時臨近數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)。系統(tǒng)于2015 年正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，為雷雨天氣條件下管制繞飛指揮、區(qū)域流量管理方案制定提供了定量化決策依據(jù)，逐漸成為管制流量管理輔助決策的重要工具。經(jīng)過兩年的產(chǎn)品體驗和運(yùn)行分析，在第一代快速循環(huán)同化系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)其存在積分早期的回波反射率強(qiáng)度激增和回波位置與實況差異較大的問題，需要系統(tǒng)性的技術(shù)調(diào)整升級以消除該問題。因此基于Alexander et al.（2015）的研究結(jié)果，將美國高分辨率快速循環(huán)同化系統(tǒng)的同化理念引入民航華北氣象中心，利用雷達(dá)反射率因子換算出的潛熱加熱率配合數(shù)字濾波技術(shù)建立溫度傾向加熱場，取代了第一代預(yù)報系統(tǒng)早期版本將雷達(dá)反射率因子換算為水成物直接加入模式的方法，新方法在動力、熱力及水物質(zhì)的平衡方面更具優(yōu)勢。在對第一代快速循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)進(jìn)行更新改善的同時，采用了GSI 同化系統(tǒng)（Gridpoint Statistical Interpolation）（Hu et al., 2006）的第二代快速更新循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)NMC-HRRR 也開發(fā)完成，并于2018 年正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行（Shen et al., 2019）。

近年來，基于快速更新循環(huán)同化預(yù)報系統(tǒng)性能的檢驗評估受到越來越多的重視（范水勇等, 2009;魏東等, 2010; 楊顯玉等, 2020），對于模式定量降水預(yù)報的檢驗也開展了廣泛的研究（Zhou et al.,2008; 熊 秋 芬, 2011; 許 晨 璐 等, 2017; 蘇 翔 等,2021），國內(nèi)外研究者不斷創(chuàng)新雷達(dá)回波強(qiáng)度的定量降水估測算法（Ciach and Krajewski, 1999; 勾亞彬等, 2014; 王玨等, 2015），但針對模式預(yù)報的雷達(dá)回波強(qiáng)度進(jìn)行的評估工作還十分有限（Bodas et al., 2008; 彭菊香等, 2011; 唐文苑等, 2018）。Shen et al.（2019）對NMC-RAP 在2016 年和2017 年的預(yù)報準(zhǔn)確率進(jìn)行了評估，結(jié)果顯示，第一代系統(tǒng)的建立，對于首都機(jī)場雷雨天氣的臨近預(yù)報準(zhǔn)確率有顯著提升；并介紹了第二代系統(tǒng)NMC-HRRR 的設(shè)計理念和技術(shù)更新。不過，對于現(xiàn)行兩代業(yè)務(wù)版本NMC-RAP 和NMC-HRRR 在升級前后，雷達(dá)回波強(qiáng)度、落區(qū)、定量評分和對主要機(jī)場對流預(yù)警的預(yù)報效果等多方面的綜合表現(xiàn)和存在的問題，仍缺乏系統(tǒng)的評估和認(rèn)識，為了更好地改善臨近預(yù)報效果，有必要開展關(guān)于快速循環(huán)同化系統(tǒng)雷達(dá)反射率預(yù)報結(jié)果的客觀校驗評估工作，并根據(jù)評估結(jié)果有針對性的對其進(jìn)行優(yōu)化。

本文選取2020 年和2021 年6～8 月華北區(qū)域出現(xiàn)的3 次大范圍雷雨天氣過程進(jìn)行檢驗評估，通過對比模式輸出場和原始觀測場的雷達(dá)回波判斷模式的系統(tǒng)性偏差，分析NMC-RAP 和NMC-HRRR兩代預(yù)報系統(tǒng)是否能在雷達(dá)回波的時空分布上顯示出各自優(yōu)勢，自身有哪些不足等，以期為系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展及其產(chǎn)品在預(yù)報中的有效應(yīng)用提供有益的參考信息。

2 資料和方法

2.1 資料

應(yīng)用民航華北氣象中心自主開發(fā)的第一代快速更新循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)（NMC-RAP）和更新后的第二代快速更新循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)（NMC-HRRR）對華北區(qū)域雷達(dá)反射率的預(yù)報結(jié)果，與同區(qū)域中國氣象局雷達(dá)拼圖實況資料進(jìn)行比對。

2020 年6 月1 日、2021 年6 月13 日、2021年8 月23 日均是在天氣尺度高空槽系統(tǒng)的影響下，華北大部地區(qū)自西向東出現(xiàn)的大范圍雷雨天氣過程。針對上述3 次相似天氣形勢下的雷雨過程，通過對兩代快速循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行客觀分析，檢驗其對大范圍雷雨天氣過程是否能合理描述，是否能對臨近預(yù)報起指導(dǎo)作用。

本文選取上述3 個雷雨天氣過程，具體評估時段為2020 年6 月1 日06:00 至15:00（世界協(xié)調(diào)時，下同）（首都機(jī)場雷雨時段10:03 至11:46）、2021 年6 月13 日04:00 至13:00（首都機(jī)場雷雨時段09:38 至11:12）、2021 年8 月23 日08:00 至17:00（首都機(jī)場雷雨時段12:59 至14:47）。主要資 料 包 括：1）NMC-RAP 和NMC-HRRR 系 統(tǒng)2020 年6 月1 日06:00、2021 年6 月13 日04:00、2021 年8 月23 日08:00 起報的華北區(qū)域0～9 h 的雷達(dá)反射率（水平分辨率約4 km），時間間隔30 min；2）同時段、同區(qū)域中國氣象局雷達(dá)拼圖實況資料；3）檢驗關(guān)注區(qū)域中心為（40.06°N，116.60°E）（首都機(jī)場），范圍在（36.06°N～44.02°N，112.00°E～121.16°E）（模式輸出數(shù)據(jù)的各方向去掉50 個邊界點）。

2.2 方法

在進(jìn)行雷達(dá)回波預(yù)報與實況結(jié)果比較時，采取就近點匹配的方法。在高分辨率情況下，該方法更加合理，可避免插值過程對變量帶來的較大誤差（https://community.wmo.int/wwrp-publications[2021-11-22]）。

文中用到的配對方法由實況格點匹配到模式格點，即以模式格點為基準(zhǔn)，取距離模式格點最近的實況格點的雷達(dá)回波值作為該格點的實況值，然后進(jìn)行點對點結(jié)果的比較。

2.2.2 ATNS 評分方案

參考香港天文臺航空雷暴臨近預(yù)報系統(tǒng)（Aviation Thunderstorm Nowcasting System, ATNS）（http://alnowcast.weather.gov.hk/jcatns/index.html [2021-11-08]）的評分方案，結(jié)合民航地區(qū)運(yùn)行的實際特點，制定了華北區(qū)域?qū)α髋R近預(yù)報檢驗方法。即利用鄰域空間檢驗方法，首先將雷達(dá)回波分為兩級：35 dBZ（含）以 上（強(qiáng)）、20 dBZ（含）以上（弱），在對預(yù)報結(jié)果檢驗時，某點的實況或預(yù)報結(jié)果并不僅由該點的值來表示，還由以該點為中心半徑12 km 區(qū)域的雷達(dá)回波決定。如區(qū)域內(nèi)達(dá)到35 dBZ（含）以上的點，達(dá)到上述區(qū)域總點數(shù)的10%，則認(rèn)為該點回波為強(qiáng)，同理得到實況和預(yù)報為弱的格點。如果預(yù)報和實況的結(jié)果一致，則認(rèn)為命中，反之，認(rèn)為未命中。使用臨界成功指數(shù)CSI對預(yù)報能力進(jìn)行檢驗：

CSI（強(qiáng)）=強(qiáng)命中數(shù)/（強(qiáng)漏報數(shù)+強(qiáng)空報數(shù)+強(qiáng)命中數(shù)），

CSI（弱）=弱命中數(shù)/（弱漏報數(shù)+弱空報數(shù)+弱命中數(shù)）。

當(dāng)前算法在三種優(yōu)先級權(quán)重陣型對應(yīng)加權(quán)作用下，會自然表現(xiàn)出選擇最適合當(dāng)前局面的陣型進(jìn)行游戲的行為。當(dāng)然由于在游戲中沒有固定方向，所以必須考慮權(quán)重矩陣對稱和旋轉(zhuǎn)的情況。

2.2.3 對華北區(qū)域主要機(jī)場對流預(yù)警的預(yù)報效果評估方案

同樣采用ATNS 評分方案，參考Li（2009,https://ams.confex.com/ams/89annual/techprogram/pa per_146911.htm[2021-11-22]）在航空氣象領(lǐng)域的檢驗方法，分別對華北區(qū)域幾個重要機(jī)場0～9 h 對流預(yù)警的預(yù)報效果進(jìn)行評估，包括首都、大興、天津、石家莊、太原機(jī)場。將雷達(dá)回波分為兩級：35 dBZ（含）以上（強(qiáng)）、20 dBZ（含）以上（弱），每個機(jī)場、每個時次滿足條件記為命中1 次，20 dBZ以下視為對飛行無重要影響，不評。

3 快 速 更 新 循 環(huán) 同 化 系 統(tǒng)NMCRAP 和NMC-HRRR 的 預(yù) 報 性 能評估

3.1 雷達(dá)回波強(qiáng)度的空間分布

圖1給出的是NMC-RAP 和NMC-HRRR 系統(tǒng)預(yù)報的2020 年6 月1 日06:00 起報的第150 分鐘雷達(dá)反射率強(qiáng)度的空間分布與實況的對比圖。實況顯示（圖1a），雷達(dá)反射率強(qiáng)度大值區(qū)位于北京西部、河北中部及山東半島西部，區(qū)域西部由高空槽系統(tǒng)產(chǎn)生的對流回波呈東北—西南向分布，強(qiáng)中心位于河北中部。由圖1b 和1c 可以看到，兩代系統(tǒng)預(yù)報的回波強(qiáng)度的空間分布與實況均比較接近。NMC-HRRR 很好地捕捉到了回波形態(tài)、大值落區(qū)和位于河北中部的強(qiáng)中心，相比之下，NMC-RAP預(yù)報的回波強(qiáng)中心偏弱、范圍偏小，相比實況略有前傾，整體偏東。

圖1 （a）實況、（b）NMC-RAP 和（c）NMC-HRRR 系統(tǒng)預(yù)報的2020 年6 月1 日06:00 起報的第150 分鐘雷達(dá)反射率強(qiáng)度的空間分布Fig. 1 Spatial distributions of (a) observation and predicted radar reflectivity with the 150th minute forecasts from (b) NMC-RAP and (c) NMCHRRR systems, both initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

圖2給出的是NMC-RAP 和NMC-HRRR 系統(tǒng)預(yù)報的2021 年6 月13 日04:00 起報的第240 分鐘雷達(dá)反射率強(qiáng)度的空間分布與實況的對比圖。實況顯示（圖2a），對流回波呈東北—西南帶狀分布，位于內(nèi)蒙中部到河北南部一線，強(qiáng)中心位于北京西北部。由圖2b 和2c 可以看到，NMC-HRRR 可以較好地預(yù)報出上述對流回波的形態(tài)和落區(qū)，只是范圍和強(qiáng)度略偏大，而NMC-RAP 預(yù)報的回波位置與實況差異就比較大，主要表現(xiàn)在強(qiáng)對流整體偏北、集中在內(nèi)蒙區(qū)域，漏報了河北南部的大范圍對流回波。

圖3給出的是NMC-RAP 和NMC-HRRR 系統(tǒng)預(yù)報的2021 年8 月23 日08:00 起報的第300 分鐘雷達(dá)反射率強(qiáng)度的空間分布與實況的對比圖。實況顯示（圖3a），此次對流發(fā)生的范圍較前兩次更廣，主體位于內(nèi)蒙古中部—河北大部一帶，幾乎全面覆蓋華北區(qū)域中南部，強(qiáng)中心位于北京及河北中北部。由圖3b 和3c 可以看到，NMC-RAP 預(yù)報的對流回波范圍較小，僅覆蓋北京及其南、北的小范圍區(qū)域，對于華北區(qū)域內(nèi)對流形態(tài)的描述一般，預(yù)報整體偏東。相比之下，NMC-HRRR 可以較好地捕捉到北京區(qū)域及以南的強(qiáng)回波中心，且預(yù)報的強(qiáng)回波形態(tài)和落區(qū)更接近實況，展現(xiàn)了更好的預(yù)報效果。不過，兩代系統(tǒng)對于河北南部及山東半島西部的對流回波預(yù)報都偏弱。

因此，對于雷達(dá)回波強(qiáng)度和空間分布形態(tài)的預(yù)報，兩代預(yù)報系統(tǒng)均有較好體現(xiàn)。不過對于強(qiáng)回波中心落區(qū)這樣的關(guān)鍵點，NMC-HRRR 總能體現(xiàn)出自身的優(yōu)勢，與實況更吻合。

3.2 雷達(dá)回波的ATNS 評分

從兩代系統(tǒng)2020 年6 月1 日06:00 起報的雷達(dá)反射率預(yù)報結(jié)果的ATNS 評分（表1）可知，對同一系統(tǒng)，弱回波相對強(qiáng)回波的評分更高，隨著預(yù)報時效的遞增，30 min 后評分總體呈遞減趨勢。從兩代系統(tǒng)對比來看，NMC-HRRR 預(yù)報的強(qiáng)、弱回波的臨界成功指數(shù)較高，均顯著優(yōu)于NMC-RAP。對于強(qiáng)回波，特別是在前360 分鐘，NMC-HRRR的預(yù)報評分始終維持在0.38～0.65，相對NMCRAP（0.21～0.54）有明顯優(yōu)勢，在經(jīng)歷420～480 min小幅低于NMC-RAP 后，NMC-HRRR 在540 min的評分又大幅優(yōu)于第一代系統(tǒng)0.2 分，在第9 小時的預(yù)報中實屬難得。同樣地，除240～360 min 的評分短時間略低于NMC-RAP 外，NMC-HRRR 對于弱回波的評分均優(yōu)于第一代系統(tǒng)，評分在前180分鐘穩(wěn)定在0.63 以上，甚至達(dá)到了0.82 的高分，而NMC-RAP 最低分為0.57，相對較低?？傮w而言，NMC-HRRR 對360 min 內(nèi)和第540 分鐘的強(qiáng)回波以及180 min 內(nèi)弱回波的預(yù)報顯著優(yōu)于NMC-RAP。

表1 NMC-RAP 和NMC-HRRR 系 統(tǒng)2020 年6 月1 日06:00 起報的0～9 h 雷達(dá)反射率預(yù)報結(jié)果的航空雷暴臨近預(yù)報系統(tǒng)（ATNS）評分Table 1 Aviation Thunderstorm Nowcasting System(ATNS) scores of radar reflectivity with 0-9 h forecasts from NMC-RAP and NMC-HRRR systems initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

從 兩 代 系 統(tǒng)2021 年6 月13 日04:00 和8 月23 日08:00 起報的雷達(dá)反射率預(yù)報結(jié)果的ATNS評分（表2 和表3）可見，同一系統(tǒng)預(yù)報的強(qiáng)、弱回波的臨界成功指數(shù)與上述結(jié)論一致。對比兩代系統(tǒng)，同樣地，NMC-HRRR 預(yù)報的0～9 h 強(qiáng)、弱回波的臨界成功指數(shù)總體上顯著優(yōu)于NMC-RAP。6月13 日，前360 分鐘NMC-HRRR 對強(qiáng)回波預(yù)報的評分始終維持在0.32～0.77，相對NMC-RAP（0.09～0.45）有明顯優(yōu)勢，除第420 分鐘的評分有小波動外，第480～540 分鐘也優(yōu)于NMC-RAP。對比弱回波與強(qiáng)回波在評分上有同樣的體現(xiàn)。8 月23 日，NMC-HRRR 對前期強(qiáng)回波的預(yù)報有一些波動，表現(xiàn)為30～90 min 評分比NMC-RAP 略低，不過120 min 后逐漸反超，且隨著預(yù)報時效的增加，分?jǐn)?shù)優(yōu)勢愈發(fā)顯著。NMC-HRRR 預(yù)報的弱回波則一直表現(xiàn)穩(wěn)定，優(yōu)于第一代系統(tǒng)。因此，NMCHRRR 對于強(qiáng)、弱回波的評分均大幅優(yōu)于第一代系統(tǒng)。

表2 同表1，但為2021 年6 月13 日04:00 起報的ATNS 評分Table 2 Same as Table 1, but for the ATNS scores initialized at 0400 UTC 13 Jun 2021

表3 同表1，但為2021 年8 月23 日08:00 起報的ATNS 評分Table 3 Same as Table 1, but for the ATNS scores initialized at 0800 UTC 23 Aug 2021

綜上，對比系統(tǒng)預(yù)報的強(qiáng)、弱回波，≥20 dBZ弱回波的ATNS 評分均優(yōu)于≥35 dBZ的強(qiáng)回波。比較兩代系統(tǒng)NMC-RAP 和NMC-HRRR，結(jié)合3個個例綜合分析，除了個別時刻N(yùn)MC-RAP 的ATNS 評分相對較高外，預(yù)報時效0～9 h 內(nèi)NMCHRRR 預(yù)報的強(qiáng)、弱回波的評分整體較高，顯著優(yōu)于NMC-RAP，尤其是300 min 內(nèi)的強(qiáng)回波，定量證明了NMC-HRRR 系統(tǒng)對于臨近預(yù)報在強(qiáng)回波空間分布方面的改進(jìn)是清楚、有效的。

3.3 對華北區(qū)域主要機(jī)場對流預(yù)警的預(yù)報效果評估

本文選取的3 個大范圍對流天氣過程覆蓋了華北區(qū)域的5 個主要機(jī)場，即首都、大興、天津、石家莊和太原機(jī)場，為了定點研究兩代預(yù)報系統(tǒng)對于主要機(jī)場0～9 h 的對流天氣預(yù)報效果，考慮對飛行有影響的回波強(qiáng)度，將雷達(dá)回波分為兩級：35 dBZ（含）以 上（強(qiáng)）、20 dBZ（含）以上（弱），每個機(jī)場、每個時次滿足條件記為命中1 次，在表格中分別用強(qiáng)和弱表示。

表4展示了實況、NMC-RAP、NMC-HRRR系統(tǒng)2020 年6 月1 日06:00 至15:00 對上述5 個機(jī)場強(qiáng)對流預(yù)警（影響程度）的預(yù)報評估結(jié)果。實況顯示，06:00 后的240 min 起，首都、大興、天津、石家莊機(jī)場都出現(xiàn)了≥20 dBZ的回波，其中首都和天津機(jī)場分別在第300 分鐘和第360 分鐘出現(xiàn)≥35 dBZ的強(qiáng)回波。對比兩代預(yù)報系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，NMC-HRRR不僅預(yù)報出了上述4 個機(jī)場的弱回波及開始時間，還準(zhǔn)確預(yù)報出了第300 分鐘和第360 分鐘發(fā)生在首都和天津機(jī)場的強(qiáng)回波，與實況一致。而NMCRAP 對于回波強(qiáng)度的預(yù)報偏弱，沒有預(yù)報出首都和天津兩個機(jī)場的強(qiáng)回波，對弱回波出現(xiàn)時間的把握也不如NMC-HRRR 準(zhǔn)確。對于420 min 以后石家莊機(jī)場出現(xiàn)的弱回波，兩代預(yù)報系統(tǒng)均沒有很好體現(xiàn)。

表4 實況和NMC-RAP 系統(tǒng)、NMC-HRRR 系統(tǒng)2020 年6 月1 日06:00 起報的0～9 h 雷達(dá)反射率對華北區(qū)域5 個主要機(jī)場的對流預(yù)警Table 4 Severe convective warning of radar reflectivity at five airports in North China based on observations, and 0-9 h forecasts from NMC-RAP and NMC-HRRR systems initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

從5 個機(jī)場實況、NMC-RAP、NMC-HRRR對流預(yù)警總和（表5）也可以直觀看出，實況的強(qiáng)、弱回波分別出現(xiàn)了2 次和6 次，對應(yīng)NMC-HRRR分別為2 次和4 次，相比于NMC-RAP 的0 次和2次優(yōu)勢顯著。

表5 實況和NMC-RAP、NMC-HRRR 2020 年6 月1 日06:00 起報的0～9 h 雷達(dá)反射率預(yù)報結(jié)果對華北區(qū)域5 個主要機(jī)場的對流預(yù)警總和Table 5 Counts of total severe convective warning of radar reflectivity at 5 airports in North China based on observations, and 0-9 h forecasts from NMC-RAP and NMC-HRRR systems initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

表6展示了實況、NMC-RAP、NMC-HRRR系統(tǒng)2021 年6 月13 日04:00 至13:00 對5 個機(jī)場對流預(yù)警的預(yù)報評估結(jié)果。實況顯示，對于飛行重點關(guān)注的強(qiáng)回波，04:00 后的180 min 起，天津、石家莊、首都和大興機(jī)場先后出現(xiàn)了≥35 dBZ的回波。對比兩代預(yù)報系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，此次過程二者對第240 分鐘石家莊機(jī)場的強(qiáng)回波，以及第360 分鐘首都和大興機(jī)場出現(xiàn)的強(qiáng)回波均預(yù)報準(zhǔn)確。另外，NMC-HRRR 和NMC-RAP 分別對第180 分鐘和第540 分鐘天津出現(xiàn)的強(qiáng)回波預(yù)報準(zhǔn)確，前者表明第二代系統(tǒng)在回波強(qiáng)度預(yù)報的中前期更有優(yōu)勢，后者則在一定程度上體現(xiàn)出NMC-RAP 在8～9 h 預(yù)報階段對于強(qiáng)回波強(qiáng)度的預(yù)報優(yōu)勢，在實際工作中需要根據(jù)預(yù)報的不同階段綜合運(yùn)用。

表6 同表4，但為2021 年6 月13 日04:00 起報Table 6 Same as Table 4, but initialized at 0400 UTC 13 Jun 2021

從5 個機(jī)場實況、NMC-RAP、NMC-HRRR對流預(yù)警總和（表7）可以直觀看出，實況的強(qiáng)、弱回波分別出現(xiàn)了6 次和9 次，對應(yīng)NMC-HRRR分別為4 次和5 次，NMC-RAP 分別為4 次和2 次。可見NMC-HRRR 在弱回波的預(yù)報上優(yōu)勢更加明顯。

表7 同表5，但為2021 年6 月13 日04:00 起報Table 7 Same as Table 5, but initialized at 0400 UTC 13 Jun 2021

表8展示了實況、NMC-RAP、NMC-HRRR系統(tǒng)2021 年8 月23 日08:00 至17:00 對5 個機(jī)場對流預(yù)警的預(yù)報評估結(jié)果。從實況可以看出，這次過程天津、石家莊、太原機(jī)場從預(yù)報初期就開始有比較活躍的弱回波發(fā)展，兩代系統(tǒng)都較好地捕捉到了這一趨勢，但對于天津機(jī)場在第60 分鐘出現(xiàn)的強(qiáng)回波預(yù)報欠佳。對重點關(guān)注的強(qiáng)回波，08:00 后的180 min 起，石家莊、大興、天津、首都機(jī)場先后出現(xiàn)了≥35 dBZ的回波，持續(xù)至第420 分鐘。對比兩代系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，二者對第300～420 分鐘首都、大興、天津機(jī)場的強(qiáng)回波預(yù)報尚可，但對于石家莊機(jī)場第180 分鐘出現(xiàn)的強(qiáng)回波的預(yù)報則偏弱。NMC-HRRR 準(zhǔn)確預(yù)報出了第540 分鐘首都機(jī)場出現(xiàn)的弱回波，一定程度上體現(xiàn)出NMC-HRRR 在預(yù)報有效時段后期對于弱回波的預(yù)報優(yōu)勢。

表8 同表4，但為2021 年8 月23 日08:00 起報Table 8 Same as Table 4, but initialized at 0800 UTC 23 Aug 2021

從5 個機(jī)場實況、NMC-RAP、NMC-HRRR對流預(yù)警總和（表9）可以直觀看出，實況的強(qiáng)、弱回波分別出現(xiàn)了10 次和16 次，對應(yīng)NMC-HRRR分別為5 次和12 次，NMC-RAP 分別為5 次和11 次?？梢奛MC-HRRR 在弱回波的預(yù)報上更具優(yōu)勢。

表9 同表5，但為2021 年8 月23 日08:00 起報Table 9 Same as Table 5, but initialized at 0800 UTC 23 Aug 2021

綜上，NMC-HRRR 在預(yù)報回波開始出現(xiàn)的時間、中前期的強(qiáng)回波和后期的弱回波方面優(yōu)勢明顯，NMC-RAP 在預(yù)報后期8～9 h 的強(qiáng)回波方面也有自身的優(yōu)勢。兩代系統(tǒng)對于預(yù)報早期（約60 min 前）的回波強(qiáng)度體現(xiàn)出了一致的偏弱。由表10 清楚可見，3 次過程總和中，NMC-HRRR 共出現(xiàn)了11 次強(qiáng)回波和21 次弱回波，相比NMC-RAP 的9 次和15 次，前者與實況的18 次和31 次更為接近，再次定量證明了NMC-HRRR 相較NMC-RAP 對于強(qiáng)、弱回波的定時、定點預(yù)報準(zhǔn)確率及其在時空分布上的改進(jìn)都是有效的。

表10 同表5，但為3 次過程的總和Table 10 Same as Table 5，but for total counts of three convective storms

4 結(jié)論和討論

利用2020 年和2021 年6～8 月3 次華北區(qū)域大范圍雷雨天氣過程中NMC-RAP 和NMC-HRRR兩代快速循環(huán)同化預(yù)報系統(tǒng)提供的雷達(dá)反射率預(yù)報結(jié)果，基于中國氣象局雷達(dá)回波拼圖實況資料，從雷達(dá)回波的空間分布、ATNS 評分、對主要機(jī)場對流預(yù)警的預(yù)報效果幾個角度進(jìn)行對比分析，主要結(jié)論如下：

（1）兩代預(yù)報系統(tǒng)均能較好體現(xiàn)雷達(dá)回波的空間分布特征，回波強(qiáng)度也與實際比較接近。NMC-HRRR 在強(qiáng)回波中心落區(qū)的關(guān)鍵預(yù)報上優(yōu)勢更明顯，與實況更吻合。

（2）對于兩代預(yù)報系統(tǒng)，弱回波的ATNS 評分均優(yōu)于強(qiáng)回波。除了個別時刻N(yùn)MC-RAP 的ATNS評分相對較高外，預(yù)報時效0～9 h 內(nèi)NMCHRRR 預(yù)報的強(qiáng)、弱回波的評分整體較高，特別是0～360 min 和第540 分鐘的強(qiáng)回波預(yù)報，顯著優(yōu)于NMC-RAP。

（3）NMC-HRRR 在預(yù)報對飛行有影響的回波的發(fā)生時間方面優(yōu)勢明顯。評估5 個主要機(jī)場的強(qiáng)、弱回波出現(xiàn)次數(shù)，定量證明了NMC-HRRR 相較NMC-RAP，對于強(qiáng)、弱回波的定時、定點預(yù)報準(zhǔn)確率及其時空分布的改進(jìn)都是有顯著效果的。

綜上，從評估結(jié)果可以看出，在整體效果上NMC-HRRR 的預(yù)報結(jié)果與實況更為接近，特別是針對臨近預(yù)警角度重點關(guān)注的強(qiáng)回波，第二代系統(tǒng)在預(yù)報強(qiáng)回波出現(xiàn)時段上優(yōu)勢明顯，空間分布特征較第一代系統(tǒng)也有大幅改善，對臨近預(yù)報有重要參考意義。

另外，本次檢驗評估只用到2020 年和2021年6～8 月的3 次雷雨天氣過程，雖然其天氣背景相似，評估結(jié)論也基本一致，但對于NMC-RAP和NMC-HRRR 兩代快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)整體的性能分析和改進(jìn)依據(jù)，還需要后續(xù)在此基礎(chǔ)上開展不同天氣形勢下或雷雨季節(jié)的批量對比試驗和深入分析。