琚陳相，李 曼，艾力亞爾·艾海提，李火青，劉建軍，張海亮，馬玉芬

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.中國(guó)氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，新疆 烏魯木齊 830002）

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是利用基于大氣動(dòng)力學(xué)方程及其相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法和物理參數(shù)化方案建立起來(lái)的數(shù)值模式，在給定的初值和邊界條件下，對(duì)描述大氣運(yùn)動(dòng)的物理方程組進(jìn)行數(shù)值求解，預(yù)報(bào)未來(lái)某個(gè)時(shí)刻的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[1]。因此，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)成為一種典型的初值問(wèn)題，初始場(chǎng)能否正確地反映真實(shí)大氣運(yùn)動(dòng)，能否與數(shù)值模式協(xié)調(diào)匹配，直接影響到模式的預(yù)報(bào)結(jié)果[2-4]，初始場(chǎng)的微小差別都可能導(dǎo)致截然不同的預(yù)報(bào)結(jié)果[5-8]。

國(guó)內(nèi)外已有許多專家就初始場(chǎng)問(wèn)題做過(guò)研究，龔建東等[9]研究指出，區(qū)域中尺度模式模擬誤差除來(lái)源于初始場(chǎng)誤差外，模式誤差、側(cè)邊界條件的影響也同樣重要。Zhang 等[10]比較全面地研究了中尺度暴雨的可預(yù)報(bào)性，表明模式和初始場(chǎng)誤差對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果有顯著影響。朱紅芳等[11]利用T213 L31 及NCEP FNL 6 h 間隔的資料作為初始和邊界條件，對(duì)一次致洪暴雨進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，表明模式的數(shù)值預(yù)報(bào)能力對(duì)不同的初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件存在不同程度的依賴性，初始場(chǎng)的差異決定了模擬結(jié)果的差異。李秋陽(yáng)等[12]利用GFS 和JMA 提供的初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和移動(dòng)路徑進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)，表明初始場(chǎng)和側(cè)邊界的差異對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和路徑預(yù)報(bào)存在不同差異。袁有林等[13]利用ERA-interim 和FNL 資料分別驅(qū)動(dòng)WRF 模式，對(duì)華北一次大暴雨過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，指出不同初始場(chǎng)在次天氣尺度上存在較大差異，導(dǎo)致對(duì)降水的模擬偏差，而濕度場(chǎng)的擾動(dòng)對(duì)降水誤差的貢獻(xiàn)最大。韓子霏等[14]利用WRF 模式，評(píng)估GRAPES_GFS、FNL 和ERA-interim 三種不同資料提供的初始條件和邊界條件對(duì)西北地區(qū)一次暴雨過(guò)程的數(shù)值模擬效果，表明不同初始場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)環(huán)流、降水分布特征及降水TS 評(píng)分均存在不同差異。這些研究都為提高區(qū)域中尺度模式的預(yù)報(bào)能力提供了有價(jià)值的參考依據(jù)。

本文比較了美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP（National Centers for Environmental Prediction）GFS（The Global Forecast System）資料和中國(guó)氣象局GRAPES （Global/RegionalAssimilationand PrEdiction System）GFS 之間的差異（選取范圍為D01 區(qū)域：53°～137°E，16°～55°N），并分別利用上述兩種資料作為初始背景場(chǎng)和側(cè)邊界條件，驅(qū)動(dòng)新疆區(qū)域數(shù)值模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)（Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Predication System-Central Asia，簡(jiǎn)稱RMAPS-CA V1.0），進(jìn)行整月預(yù)報(bào)和個(gè)例試驗(yàn)研究，以了解新疆區(qū)域模式對(duì)初始場(chǎng)的敏感程度，希望能為提高區(qū)域模式的預(yù)報(bào)能力提供參考。

1 模式設(shè)計(jì)與初值簡(jiǎn)介

1.1 模式簡(jiǎn)介

2017 年11 月，中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所引進(jìn)北京城市氣象研究院運(yùn)行的快速更新多尺度分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)睿圖（Rapid-refresh Multiscale Analysis and Predication System，簡(jiǎn)稱RMAPS），搭建起3 km 高分辨率的新疆區(qū)域數(shù)值模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)（RMAPS-CA V1.0），2018 年5 月底實(shí)現(xiàn)了試運(yùn)行，并于2020 年6 月通過(guò)了新疆氣象局組織的業(yè)務(wù)化評(píng)審[15]。該系統(tǒng)以WRF v4.1.3 和WRFDA v4.1.3為核心，采用雙重嵌套，D01 的分辨率為9 km，網(wǎng)格設(shè)置為712×532，經(jīng)緯度跨距范圍為：53.82°～136.85°E，16.62°～54.52°N，覆蓋了中亞及我國(guó)大部分地區(qū)，D02 的分辨率為3 km，網(wǎng)格設(shè)置為832×652，覆蓋了全疆，垂直分為50 層，模式層頂為10 hPa。系統(tǒng)采用三維變分同化技術(shù)，以U/V 為變量進(jìn)行多元觀測(cè)資料（常規(guī)觀測(cè)資料、雷達(dá)徑向風(fēng)和反照率等）的同化技術(shù)，目前每日運(yùn)行4 次（00、06、12、18時(shí)UTC），最長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效48 h，為新疆各地氣象部門(mén)提供穩(wěn)定的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并成為預(yù)報(bào)員在氣象預(yù)報(bào)中的重要參考資料之一。模式物理過(guò)程設(shè)置為：WSM6 云微物理方案，K-F 對(duì)流參數(shù)化方案（D02 無(wú)積云對(duì)流方案），YSU 邊界層參數(shù)化方案，RRTMG長(zhǎng)波/短波輻射方案和NOAH 陸面過(guò)程參數(shù)化方案。

1.2 初值簡(jiǎn)介及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文使用了兩種初值來(lái)試驗(yàn)其對(duì)新疆區(qū)域數(shù)值模式RMAPS-CA V1.0 預(yù)報(bào)能力的影響。第一種初始背景場(chǎng)資料是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP_GFS全球預(yù)報(bào)場(chǎng)，水平分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間間隔為3 h，NCEP_GFS 資料提供1 000～0.01 hPa 41 層的各層等壓面上的高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、海平面氣壓和地表溫度等要素。第二種背景場(chǎng)資料是國(guó)家氣象中心業(yè)務(wù)的GRAPS_GFS 東半球預(yù)報(bào)場(chǎng)，水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間間隔為3 h，GRAPES_GFS提供1 000～0.1 hPa 40 層各層等壓面上的氣象要素資料。為了系統(tǒng)檢驗(yàn)兩種初始場(chǎng)資料對(duì)新疆區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)的影響，用于檢驗(yàn)的預(yù)報(bào)樣本時(shí)間段為2021 年4 月1 日—4 月30 日（全文均用UTC時(shí)間），每天兩次（00 UTC 和12 UTC）更新循環(huán)預(yù)報(bào)，每次預(yù)報(bào)時(shí)效為24 h，樣本總數(shù)為60 個(gè)。選取連續(xù)月時(shí)間段作NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 的預(yù)報(bào)性能比較，更能充分了解兩種初始場(chǎng)資料在新疆區(qū)域的預(yù)報(bào)差異。

本文使用NECP_GFS 和GRAPES_GFS 兩種初值來(lái)試驗(yàn)其對(duì)新疆區(qū)域模式的影響，首先對(duì)兩種初值進(jìn)行比較分析，以了解它們之間的差異。文中使用相關(guān)系數(shù)rxy來(lái)檢驗(yàn)兩種初始場(chǎng)的相似程度[11]，相關(guān)系數(shù)公式為：

式中：xi、yi分別為NECP_GFS、GRAPES_GFS 資料初始場(chǎng)中各格點(diǎn)的值分別表示其場(chǎng)中所有格點(diǎn)的平均值。相關(guān)系數(shù)rxy越大，表示兩種初始場(chǎng)相似程度越大。

其次利用氣象學(xué)上通用的MET（Model Evaluation Tools）檢驗(yàn)平臺(tái)，一是對(duì)NCEP_GFS 和GRAPES_GFS兩種資料在D02 區(qū)域的地面和高空的模式預(yù)報(bào)量（地面：2 m 溫度、10 m 風(fēng)速；高空：位勢(shì)高度、風(fēng)速、溫度）進(jìn)行站點(diǎn)檢驗(yàn)評(píng)分[16-18]。檢驗(yàn)所使用的地面要素觀測(cè)資料和降水觀測(cè)資料均來(lái)自國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站，3 km 分辨率區(qū)域中約有105 個(gè)；使用的探空觀測(cè)資料均來(lái)自參加考核探空站點(diǎn)，3 km 分辨率區(qū)域有14 個(gè)。給出預(yù)報(bào)相對(duì)于常規(guī)探空和地面觀測(cè)的均方根誤差RMSE 和平均偏差ME：

其中：Fi為第i 點(diǎn)上的預(yù)報(bào)值，Oi為第i 點(diǎn)上的觀測(cè)值。根據(jù)檢驗(yàn)時(shí)段內(nèi)地面觀測(cè)站降水觀測(cè)實(shí)況，計(jì)算兩種初始場(chǎng)資料逐6 h，檢驗(yàn)閾值分別為0.1、3.1、6.1、12.1 和24.1 mm，累計(jì)降水站點(diǎn)Ts評(píng)分和BIAS預(yù)報(bào)偏差：

其中：Na為預(yù)報(bào)正確站（次）數(shù)、Nb為空?qǐng)?bào)站（次）數(shù)、Nc為漏報(bào)站（次）數(shù)）。

2 NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 初始場(chǎng)之間的差異

本文使用NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 兩種初值試驗(yàn)其對(duì)新疆區(qū)域數(shù)值模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)的影響，首先對(duì)兩種初值在新疆區(qū)域數(shù)值模式（RMAPS-CA V1.0）D01 的預(yù)報(bào)范圍內(nèi)進(jìn)行比價(jià)和分析，采用公式（1）相關(guān)系數(shù)，描述2 個(gè)資料間的相近程度，初值中各格點(diǎn)值分別用xi、yi表示，所有格點(diǎn)的平均值用x、y 表示，相關(guān)系數(shù)越大表示兩種資料越相近，差異越小。圖1a 是2 個(gè)資料中各氣壓層位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)，NECP_GFS 與GRAPES_GFS 資料中位勢(shì)高度場(chǎng)700 hPa 以上的相關(guān)系數(shù)超過(guò)了0.9，表明2 個(gè)資料相似程度較高，700 hPa 以下相關(guān)系數(shù)較低。溫度場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)整體上超過(guò)了0.9，表明2 個(gè)資料溫度場(chǎng)差異較小；濕度場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)整體＜0.9，且700 hPa 以上呈減小趨勢(shì)，在250 hPa的相關(guān)性最小，表明2 個(gè)資料在中高層濕度場(chǎng)的差異較大。

圖1 NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 各層高度場(chǎng)之間、溫度場(chǎng)之間和濕度場(chǎng)之間的初始場(chǎng)、大尺度場(chǎng)（a）和擾動(dòng)場(chǎng)（b）的相關(guān)系數(shù)

為進(jìn)一步了解NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 初始場(chǎng)之間的差異，把GRAPES_GFS 資料分辨率處理成0.5°×0.5°。采用公式（6）9 點(diǎn)平滑濾波方法[11，13，19]獲得NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 的大尺度平均運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，9 點(diǎn)平滑公式中的平滑系數(shù)s 取0.5，平滑次數(shù)取3 次；然后用原始場(chǎng)減去大尺度平均運(yùn)動(dòng)場(chǎng)得到初始場(chǎng)的中小尺度擾動(dòng)場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，分別計(jì)算兩種初始場(chǎng)之間的大尺度平均運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和擾動(dòng)場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)。就不同氣壓上的位勢(shì)高度相關(guān)性、溫度相關(guān)性和濕度相關(guān)性而言，大尺度場(chǎng)好于原始資料（圖1a），位勢(shì)高度大尺度場(chǎng)的相關(guān)性和原始場(chǎng)保持一致，在700 hPa 以上的相關(guān)系數(shù)均＞0.97，說(shuō)明兩種資料大的環(huán)流形勢(shì)差異很小。兩種資料間的擾動(dòng)場(chǎng)相關(guān)系數(shù)較?。▓D1b），尤其在300 hPa 以上高度相關(guān)系數(shù)迅速變小。總體來(lái)看，位勢(shì)高度擾動(dòng)場(chǎng)的相關(guān)性好于溫度擾動(dòng)場(chǎng)，溫度擾動(dòng)場(chǎng)的相關(guān)性好于濕度擾動(dòng)場(chǎng)。位勢(shì)高度擾動(dòng)場(chǎng)、溫度擾動(dòng)場(chǎng)、濕度擾動(dòng)場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.26～0.60、0.05～0.24 和0.01～0.12，說(shuō)明兩種資料初始場(chǎng)的擾動(dòng)場(chǎng)之間的差異明顯，同時(shí)擾動(dòng)場(chǎng)所反映的次天氣尺度有著較大差異，這種差異也許是影響新疆區(qū)域數(shù)值模式預(yù)報(bào)能力的一個(gè)原因。利用9 點(diǎn)平滑公式計(jì)算大尺度場(chǎng)：

式中：fi，j是實(shí)況要素場(chǎng)是平滑濾波后得到的大尺度場(chǎng)，s 是平滑系數(shù)。

3 不同初始場(chǎng)對(duì)新疆區(qū)域模式預(yù)報(bào)結(jié)果的影響

分別使用NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 作為初始場(chǎng)驅(qū)動(dòng)新疆區(qū)域數(shù)值模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)（分別記為exp_GFS 和exp_GRAPES 試驗(yàn)），分析不同初始場(chǎng)對(duì)新疆區(qū)域數(shù)值模式模擬結(jié)果的影響。如不作特別說(shuō)明，以下均是分析D02 內(nèi)的數(shù)據(jù)。

3.1 高空要素預(yù)報(bào)差異

3.1.1 位勢(shì)高度

圖2 給出NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 各層位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)偏差（圖2a）和均方根誤差（圖2b）。NCEP_GFS 的高空位勢(shì)高度預(yù)報(bào)偏差400 hPa 以下為負(fù)偏差，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，400 hPa以上為正偏差；GRAPES_GFS 的預(yù)報(bào)偏差整體呈現(xiàn)隨高度逐漸增大的正偏差，在200 hPa 達(dá)到極大值。整體上看，NCEP_GFS 三個(gè)時(shí)刻的高空位勢(shì)高度預(yù)報(bào)偏差分別維持在-6.62～7.89，-4.65～9.34和-7.85～5.27 gpm，GRAPES_GFS 三個(gè)時(shí)刻的高空溫度預(yù)報(bào)偏差分別維持在4.44～28.58、2.17～32.76和-2.64～30.30 gpm，GRAPES_GFS 高空位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)偏差在00 時(shí)分析時(shí)刻、12 和24 時(shí)預(yù)報(bào)時(shí)刻均大于NCEP_GFS。

圖2 NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 各層位勢(shì)高度預(yù)報(bào)偏差（a）和均方根誤差（b）

NCEP_GFS 的高空位勢(shì)高度均方根誤差和GRAPES_GFS 變化趨勢(shì)基本保持一致，呈現(xiàn)隨高度逐漸增大的趨勢(shì)，NCEP_GFS 的均方根誤差在3 個(gè)時(shí)刻均小于GRAPES_GFS，3 個(gè)時(shí)刻的平均均方根誤差分別減少37.2%、36.2%和35.5%。NCEP_GFS初始場(chǎng)在新疆區(qū)域模式中高空位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)效果優(yōu)于GRAPES_GFS 初始場(chǎng)，整體預(yù)報(bào)效果提升35.5%～37.2%。

3.1.2 風(fēng)場(chǎng)

圖3 給出NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 各層風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)偏差（圖3a）和均方根誤差（圖3b）。NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 的高空風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)偏差變化趨勢(shì)基本一致，00 時(shí)的預(yù)報(bào)偏差整體呈隨高度逐漸減小的負(fù)偏差；12 和24 時(shí)的預(yù)報(bào)偏差在700 hPa 以下為隨高度逐漸減小的正偏差，700 hPa 及以上隨高度整體呈現(xiàn)先增大后減小的負(fù)偏差；整體上看，NCEP_GFS 三個(gè)時(shí)刻的高空風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)偏差分別維持在-0.82～-0.42，-0.78～0.89 和-0.92～1.33 m/s，GRAPES_GFS 三個(gè)時(shí)刻的高空風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)偏差分別維持在-1.16 ～0.11、-0.82 ～0.72 和0.29 ～0.44 m/s，GRAPES_GFS 高空風(fēng)速預(yù)報(bào)偏差在700 hPa 及以下要小于 NCEP_GFS，700 hPa 以上則大于NCEP_GFS。

圖3 NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 各層風(fēng)速預(yù)報(bào)偏差（a）和均方根誤差（b）

NCEP_GFS 的高空風(fēng)速均方根誤差和GRAPES_GFS 變化趨勢(shì)基本保持一致，呈現(xiàn)隨高度逐漸減小再增大再減小的趨勢(shì)，在300 hPa 高度上達(dá)到極大值，NCEP_GFS 的均方根誤差在3 個(gè)時(shí)刻均小于GRAPES_GFS，3 個(gè)時(shí)刻的平均均方根誤差分別減少12.6%、9.0%和7.6%。NECP_GFS 初始場(chǎng)在新疆區(qū)域模式中高空風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)效果優(yōu)于GRAPES_GFS 初始場(chǎng)，整體預(yù)報(bào)效果提升7.6%～12.6%。

3.1.3 溫度場(chǎng)

圖4 給出NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 各層溫度場(chǎng)的預(yù)報(bào)偏差（圖4a）和均方根誤差（圖4b）。NCEP_GFS 高空溫度場(chǎng)的初始場(chǎng)預(yù)報(bào)偏差300 hPa以下呈隨高度先增大后減小的負(fù)偏差，在850 hPa達(dá)到極大值，200 hPa 及以上呈先增大后減小的正偏差，在200 hPa 達(dá)到極大值；GRAPES_GFS 的預(yù)報(bào)偏差700 hPa 及以下呈隨高度逐漸減小的負(fù)偏差，700 hPa 以上呈隨高度先增大后減小再增大再減小的趨勢(shì)，在200 hPa 達(dá)到極大值。整體上看，NCEP_GFS三個(gè)時(shí)刻的高空溫度預(yù)報(bào)偏差分別維持在-0.92～0.60、-0.83～0.64 和-1.09～0.66 ℃，GRAPES_GFS 三個(gè)時(shí)刻的高空溫度預(yù)報(bào)偏差分別維持在-2.03～0.54、-0.18～0.46 和0.29～0.44 ℃，GRAPES_GFS 的高空溫度預(yù)報(bào)偏差要小于NCEP_GFS。

圖4 NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 各層溫度預(yù)報(bào)偏差（a）和均方根誤差（b）

NCEP_GFS 的高空溫度均方根誤差和GRAPES_GFS 變化趨勢(shì)基本保持一致，呈現(xiàn)隨高度逐漸減小再增大再減小的趨勢(shì)，在300 hPa 高度上達(dá)到極小值，NCEP_GFS 的均方根誤差在三個(gè)時(shí)刻均小于GRAPES_GFS，三個(gè)時(shí)刻的平均均方根誤差分別減少17.2%、10.3%和6.0%。NECP_GFS 初始場(chǎng)在新疆區(qū)域模式中高空溫度的預(yù)報(bào)效果優(yōu)于GRAPES_GFS 初始場(chǎng)，整體預(yù)報(bào)效果提升6.0%～17.2%。

3.2 地面要素預(yù)報(bào)差異

圖5 為NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 地面氣象要素的預(yù)報(bào)偏差和均方根誤差（圖5a 為2 m 溫度；圖5b 為10 m 風(fēng)速）。從2 m 溫度的檢驗(yàn)結(jié)果看，NCEP_GFS 初始場(chǎng)和GRAPES_GFS 初始場(chǎng)的預(yù)報(bào)偏差均為-2.11～-0.82 ℃的負(fù)偏差，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效延長(zhǎng)呈先增大后減小再增大再減小的波動(dòng)狀，NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 的2 m 溫度平均預(yù)報(bào)偏差分別為-1.72 和-1.32 ℃，GRAPES_GFS 的2 m溫度各個(gè)時(shí)刻預(yù)報(bào)偏差平均降低16.9%。從2 m 溫度的均方根誤差結(jié)果看，NCEP_GFS 初始場(chǎng)和GRAPES_GFS 初始場(chǎng)的均方根誤差維持在3.1～4.4 ℃，呈現(xiàn)先減小后增大再減小再增大的波動(dòng)狀，NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 的2 m 溫度平均均方根誤差分別為3.95 和3.39 ℃，GRAPES_GFS 的2 m溫度各個(gè)時(shí)刻均方根誤差平均降低14.3%。GRAPE_GFS 初始場(chǎng)對(duì)2 m 溫度的預(yù)報(bào)效果要優(yōu)于NCEP_GFS 初始場(chǎng)。

圖5 NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 地面要素預(yù)報(bào)偏差和均方根誤差隨時(shí)間演變

從10 m 風(fēng)速的檢驗(yàn)結(jié)果看（圖5b），NCEP_GFS初始場(chǎng)和GRAPES_GFS 初始場(chǎng)的預(yù)報(bào)偏差均為0.02～1.34 m/s 的正偏差，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)預(yù)報(bào)偏差維持較穩(wěn)定，NCEP_GFS 和GRAPES_GFS的10 m 風(fēng)速平均預(yù)報(bào)偏差分別為1.06 和0.79 m/s，GRAPES_GFS 的10 m 風(fēng)速各個(gè)時(shí)刻預(yù)報(bào)偏差平均降低30.4%。從10 m 風(fēng)速的均方根誤差結(jié)果看，NCEP_GFS 初始場(chǎng)和GRAPES_GFS 初始場(chǎng)的均方根誤差維持在2.46～3.07 m/s 之間，呈現(xiàn)先減小后增大再減小再增大的波動(dòng)狀，NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 的10 m 風(fēng)速平均均方根誤差分別為2.85 和2.65 m/s，GRAPES_GFS 的10 m 風(fēng)速各個(gè)時(shí)刻均方根誤差平均降低6.8%。GRAPE_GFS 初始場(chǎng)對(duì)10 m 風(fēng)速的預(yù)報(bào)效果優(yōu)于NCEP_GFS 初始場(chǎng)。

3.3 降水評(píng)分檢驗(yàn)

3.3.1 逐6h 降水檢驗(yàn)

圖6 是NCEP_GFS 初始場(chǎng)和GRAPES_GFS 初始場(chǎng)在2021 年4 月逐6 h 累計(jì)降水預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)結(jié)果，采用的方法是國(guó)際上通用的TS 評(píng)分和BIAS 預(yù)報(bào)偏差，給出了兩種初始場(chǎng)在D02 檢驗(yàn)區(qū)域下的00時(shí)UTC 預(yù)報(bào)時(shí)次4 個(gè)時(shí)段（00—06、06—12、12—18及18—24 時(shí)）的平均降水檢驗(yàn)結(jié)果。除6.1 mm/6 h降水閾值的00—06 時(shí)，NCEP_GFS 初始場(chǎng)針對(duì)各降水閾值及不同時(shí)效的預(yù)報(bào)降水TS 評(píng)分要高于GRAPES_GFS，0.1、6.1%和12.1 mm/6 h 的TS 評(píng)分分別提高22.5%、16.1%和150.8%。

圖6 NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 降水預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)評(píng)分

降水預(yù)報(bào)的BIAS 預(yù)報(bào)偏差反映的是針對(duì)某一閾值預(yù)報(bào)發(fā)生降水的測(cè)站數(shù)與實(shí)際發(fā)生降水的測(cè)站數(shù)之比和模擬對(duì)于降水范圍大小的預(yù)報(bào)性能。從兩種初始場(chǎng)的BIAS 偏差看，除0.1 和6.1 mm/6 h 降水閾值的18—24 時(shí)，NCEP_GFS 初始場(chǎng)和GRAPES_GFS 初始場(chǎng)的BIAS 偏差＜1，表明兩種初始場(chǎng)的降水整體為漏報(bào)現(xiàn)象，預(yù)報(bào)的降水范圍小于實(shí)況。針對(duì)0.1、6.1 和12.1 mm/6 h 三個(gè)閾值降水的平均BIAS評(píng)分，NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 分別為1.07、1.04、0.95 和0.98、1.39、0.81，NCEP_GFS 初始場(chǎng)降水閾值的BIAS 偏差整體比GRAPES_GFS 的偏差更接近1，表明NCEP_GFS 預(yù)報(bào)降水的測(cè)站數(shù)比GRAPES_GFS 更接近于實(shí)際測(cè)站數(shù)。

3.3.2 降水個(gè)例檢驗(yàn)

過(guò)程前期，2021 年4 月20 日00 時(shí)500 hPa 歐亞范圍內(nèi)呈兩槽兩脊的經(jīng)向環(huán)流，歐洲北部為阻塞高壓，西伯利亞為低槽活動(dòng)區(qū)，巴爾喀什湖地區(qū)為高壓脊區(qū)，受上游短波擾動(dòng)影響，阻塞高壓向東南衰退的過(guò)程中減弱成高壓脊，北方冷空氣沿脊前偏北氣流東南下，促使下游西伯利亞低渦南下，由于下游高壓脊阻擋，西西伯利亞低渦東移緩慢，影響北疆、東疆地區(qū)，造成4 月20 日12 時(shí)—25 日12 時(shí)北疆大部、阿克蘇地區(qū)北部、巴州大部、吐魯番市、哈密市北部等地出現(xiàn)降水天氣。其中，2021 年4 月21 日00時(shí)—22 日00 時(shí)為本次降水過(guò)程的主要時(shí)段，降水主要集中在伊犁、博州、塔城、阿勒泰北部及北疆沿天山一帶，強(qiáng)降水中心位于伊犁河谷一帶，最大降水中心位于新源站（24 h 累計(jì)降水為21.2 mm）；NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 二個(gè)初始場(chǎng)對(duì)降水預(yù)報(bào)的范圍和強(qiáng)度上與實(shí)況較一致，強(qiáng)降水中心均位于伊犁河谷，對(duì)新源站24 h 累計(jì)降水預(yù)報(bào)分別為18.4 和17.0 mm，與實(shí)況較吻合。

從4 月21 日00 時(shí)—22 日00 時(shí)全疆國(guó)家站點(diǎn)降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)（表1）可知，24 h 累計(jì)降水量為小量（0.1 ～6.0 mm/24 h） 的實(shí)況站點(diǎn)數(shù)為35 個(gè)，NCEP_GFS 在20 日12 時(shí)和21 日00 時(shí)預(yù)報(bào)站點(diǎn)數(shù)分別為8 和20 個(gè)，真實(shí)命中率分別為22.9%和57.1%，GRAPES_GFS 在20 日12 時(shí)和21 日00 時(shí)預(yù)報(bào)站點(diǎn)數(shù)分為18 和25 個(gè)，真實(shí)命中率分別為51.4%和71.4%，GRAPES_GFS 對(duì)于小量級(jí)的降水預(yù)報(bào)要優(yōu)于NCEP_GFS；24 h 累計(jì)降水量為中量（6.1 ～12.0 mm/24 h） 的實(shí)況站點(diǎn)數(shù)為11 個(gè)，NCEP_GFS 在20 日12 時(shí)和21 日00 時(shí)預(yù)報(bào)站點(diǎn)數(shù)均為2 個(gè)，真實(shí)命中為18.1%，GRAPES_GFS 在20日12 時(shí)和21 日00 時(shí)預(yù)報(bào)站點(diǎn)數(shù)分別為5 和2 個(gè)，真實(shí)命中率分別為45.5%和18.1%，GRAPES_GFS對(duì)于中量級(jí)的降水預(yù)報(bào)與NCEP_GFS 相當(dāng)；24 h 累計(jì)降水量為大量（12.1～24.0 mm/24 h）的實(shí)況站點(diǎn)數(shù)為3 個(gè)，NCEP_GFS 在20 日12 時(shí)和21 日00 時(shí)預(yù)報(bào)站點(diǎn)數(shù)分別為2 和0 個(gè)，真實(shí)命中分別為66.7%和0，GRAPES_GFS 在20 日12 時(shí)和21 日00 時(shí)預(yù)報(bào)站點(diǎn)數(shù)分為0 和1 個(gè)，真實(shí)命中率分別為0 和33.3%，NCEP_GFS 對(duì)于大量級(jí)的降水預(yù)報(bào)優(yōu)于GRAPES_GFS。

表1 2021 年4 月21 日00 時(shí)—22 日00 時(shí)新疆國(guó)家站降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

圖7 是NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 初始場(chǎng)對(duì)2021 年4 月21 日00 時(shí)—22 日00 時(shí)逐6 h 累計(jì)降水預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)結(jié)果，從4 月20 日12 時(shí)預(yù)報(bào)的降水評(píng)分看（圖7a、7b），兩種初始場(chǎng)對(duì)晴雨預(yù)報(bào)（0.1 mm/6 h） 主要為空?qǐng)?bào)（BIAS ＞ 1），NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 的TS 評(píng)分平均分別為0.54 和0.45；對(duì)于 6.1 mm/6 h 降水閾值，NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 主要為空?qǐng)?bào)，NCEP_GFS 的逐6 h TS評(píng)分分別0.08 和0.16、GRAPES_GFS 的TS 評(píng)分為0.10。從4 月21 日00 時(shí)預(yù)報(bào)的降水評(píng)分（圖8c、8d）可知，NCEP_GFS 初始場(chǎng)對(duì)晴雨預(yù)報(bào)（0.1 mm/6 h）主要為漏報(bào)，而GRAPES_GFS 主要為空?qǐng)?bào)，NCEP_GFS和GRAPES_GFS 的TS 評(píng)分平均分別為0.46 和0.57；對(duì)于6.1 mm/6 h 降水閾值，NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 主要為空?qǐng)?bào)現(xiàn)象，NCEP_GFS 的逐6 h TS 為0.08，GRAPES_GFS 的TS 評(píng)分分別為0.14 和0.08。

4 結(jié)論

對(duì)NCEP_GFS 和GRAPES_GFS 初始場(chǎng)資料進(jìn)行了詳細(xì)比較，基于新疆區(qū)域數(shù)值模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)（RMAPS-CA V1.0），分別利用兩種初始場(chǎng)開(kāi)展整月數(shù)值模擬試驗(yàn)和一次強(qiáng)降水個(gè)例的模擬試驗(yàn)，并對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)的檢驗(yàn)評(píng)估。得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)尺度濾波可知，NCEP_GFS 與GRAPES_GFS 資料的大尺度場(chǎng)的相似性較高，主要的差異體現(xiàn)在次天氣尺度，位勢(shì)高度擾動(dòng)場(chǎng)、溫度擾動(dòng)場(chǎng)、濕度擾動(dòng)場(chǎng)相關(guān)系數(shù)分別為0.26～0.60、0.05～0.24 和0.01～0.12。因此，用這兩種資料分別驅(qū)動(dòng)新疆區(qū)域數(shù)值模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)，模擬的各物理量場(chǎng)間存在著較大差異，且這兩種差異24 h 內(nèi)不會(huì)隨著積分時(shí)間增加而消失，反映了區(qū)域模式對(duì)初始場(chǎng)和邊界條件的敏感性。

（2）從兩種資料形成的初始場(chǎng)預(yù)報(bào)的高空位勢(shì)高度、風(fēng)速、溫度結(jié)果看，NCEP_GFS 初始場(chǎng)在新疆區(qū)域模式中高空要素的預(yù)報(bào)效果均優(yōu)于GRAPES_GFS 初始場(chǎng)，均方根誤差分別降低35.5%～37.2%、7.6%～12.6%和6.0%～17.2%。從地面常規(guī)預(yù)報(bào)量的檢驗(yàn)看，GRAPE_GFS 初始場(chǎng)對(duì)地面氣象要素（2 m溫度和10 m 風(fēng)速）的預(yù)報(bào)效果優(yōu)于NCEP_GFS 初始場(chǎng)，均方根誤差分別降低14.3%和6.8%。

（3）從降水檢驗(yàn)評(píng)分看，兩種初始場(chǎng)的降水主要為空?qǐng)?bào)，NCEP_GFS 初始場(chǎng)的空?qǐng)?bào)現(xiàn)象小于GRAPES_GFS 初始場(chǎng)。NCEP_GFS 初始場(chǎng)針對(duì)各降水閾值及不同時(shí)效的預(yù)報(bào)降水評(píng)分高于GRAPES_GFS，0.1、6.1 和12.1 mm/6 h 的TS 評(píng)分分別提高22.5%、16.1%和150.8%。

（4）從一次強(qiáng)降水個(gè)例預(yù)報(bào)結(jié)果看，GRAPES_GFS 對(duì)于小量級(jí)的降水預(yù)報(bào)優(yōu)于NCEP_GFS，兩種初始場(chǎng)對(duì)中量級(jí)的降水預(yù)報(bào)效果相當(dāng)，NCEP_GFS對(duì)于大量級(jí)的降水預(yù)報(bào)優(yōu)于GRAPES_GFS。從降水個(gè)例的檢驗(yàn)評(píng)分看，兩種初始場(chǎng)多以空?qǐng)?bào)現(xiàn)象為主，NCEP_GFS 的TS 評(píng)分要高于GRAPES_GFS。

通過(guò)本文開(kāi)展的檢驗(yàn)工作發(fā)現(xiàn)，GRAPES_GFS目前作為新疆區(qū)域數(shù)值模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)的初始場(chǎng)，在地面氣象要素和小、中量級(jí)的降水預(yù)報(bào)方面存在優(yōu)勢(shì)；但也存在一定的不足，主要體現(xiàn)為高空氣象要素和大量級(jí)降水的預(yù)報(bào)方面。因此，GRAPES_GFS 初始場(chǎng)在新疆區(qū)域的預(yù)報(bào)效果提升主要從2 個(gè)方面開(kāi)展，一方面需要開(kāi)展長(zhǎng)期的檢驗(yàn)工作和更多的典型天氣個(gè)例作進(jìn)一步效果評(píng)估；另一方面，加強(qiáng)雷達(dá)資料和衛(wèi)星資料同化技術(shù)研究及其在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用，以提高降水短臨預(yù)報(bào)效果；下墊面數(shù)據(jù)的更新應(yīng)用，以提高地面氣象要素的預(yù)報(bào)效果；開(kāi)展基于機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)方法的偏差訂正工作，減少模式預(yù)報(bào)的系統(tǒng)性誤差。