汪明圣，胡婷，謝潔宏，胡婭敏

（1.廣東省氣候中心，廣東廣州 510640；2.廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州 511430；3.揭陽(yáng)市氣象局，廣東揭陽(yáng) 522000）

廣東位于我國(guó)南部地區(qū)，所處的緯度較低，其天氣氣候變化深受熱帶季風(fēng)活動(dòng)的影響，具有干濕季分明的特征。汛期主要集中在4—9月份，其降水量的多寡是造成廣東旱澇的最主要因素［1］。根據(jù)造成降水的主要天氣系統(tǒng)的差異又可將雨季劃分為前汛期（4—6月）和后汛期（7—9月）。前汛期的暴雨洪澇和后汛期臺(tái)風(fēng)是廣東省主要的氣象災(zāi)害，歷來(lái)受到防災(zāi)減災(zāi)機(jī)構(gòu)和廣大氣象業(yè)務(wù)人員的關(guān)注，開(kāi)展了一系列研究［2-4］。

國(guó)內(nèi)外氣候模式的快速發(fā)展和應(yīng)用，為開(kāi)展客觀定量化的氣候預(yù)測(cè)提供了有效而可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。近年來(lái)，國(guó)家氣候中心研制的客觀化氣候預(yù)測(cè)新技術(shù)如多模式解釋?xiě)?yīng)用系統(tǒng)（MODES）［5］、動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合季節(jié)預(yù)測(cè)系統(tǒng)（FODAS）［6］以及月內(nèi)重要過(guò)程預(yù)測(cè)系統(tǒng)（MAPFS）［7］等在全國(guó)進(jìn)行推廣應(yīng)用，提升了?。▍^(qū)、市）氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)的客觀化水平。自2016年起，中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心在第二代氣候預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)基礎(chǔ)上，引入了國(guó)外模式發(fā)展的一些先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，并不斷對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，建立了一個(gè)包含海陸冰氣系統(tǒng)、植被和碳循環(huán)的多圈層耦合的次季節(jié)-季節(jié)-年際尺度一體化氣候模式預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)——第三代模式預(yù)測(cè)系統(tǒng)（BCC_CPSv3），包含次季節(jié)至季節(jié)（Sub-Seasonal to Seasonal，簡(jiǎn)稱S2S）預(yù)測(cè)和季節(jié)預(yù)測(cè)兩個(gè)子系統(tǒng)，于2020年底投入準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行。

模式預(yù)測(cè)能力的檢驗(yàn)評(píng)估是了解模式性能，有效應(yīng)用模式信息的重要基礎(chǔ)［8-10］。但截至目前，BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)廣東地區(qū)氣象要素預(yù)測(cè)能力的檢驗(yàn)評(píng)估和解釋?xiě)?yīng)用工作尚未開(kāi)展。因此，有必要結(jié)合業(yè)務(wù)實(shí)際需求和防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)，評(píng)估分析BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)于廣東汛期降水的預(yù)測(cè)技巧，為進(jìn)一步解釋?xiě)?yīng)用模式產(chǎn)品，提高極端降水預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，延長(zhǎng)預(yù)測(cè)時(shí)效打下科學(xué)基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 資料

站點(diǎn)資料：由國(guó)家信息中心整編的《中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集（V3.0）》，選取其中廣東省86站逐日降水觀測(cè)資料，時(shí)間2005—2019年。

模式數(shù)據(jù)：中國(guó)氣象局次季節(jié)-季節(jié)-年際氣候一體化預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)（BCC-CPSv3）中的S2S預(yù)測(cè)子系統(tǒng)產(chǎn)品，該模式每周發(fā)報(bào)兩次（周一、周四），預(yù)報(bào)時(shí)效0～60 d，水平分辨率為0.25°×0.25°，包含4個(gè)子成員，歷史回報(bào)時(shí)間為2005—2019年。

本研究所用站點(diǎn)資料和模式數(shù)據(jù)的氣候平均值統(tǒng)一為2005—2019年。格點(diǎn)插值到站點(diǎn)的方法采用的是雙線性插值。對(duì)BCC-CPSv3 S2S模式產(chǎn)品的4個(gè)子成員進(jìn)行等權(quán)重平均，得到集合平均預(yù)報(bào)結(jié)果參與評(píng)估。考慮到業(yè)務(wù)的適用性，本研究?jī)H評(píng)估月內(nèi)未來(lái)30 d的模式預(yù)測(cè)能力，汛期評(píng)估樣本量為795個(gè)，其中前汛期390個(gè)、后汛期405個(gè)。

1.2 方法

為了系統(tǒng)性的評(píng)估模式的預(yù)測(cè)效果，本研究參考世界氣象組織（World Meteorological Organisation，WMO）推薦的標(biāo)準(zhǔn)和方法［11］，采用均方根誤差（RMSE）、距平相關(guān)系數(shù)（ACC）和時(shí)間相關(guān)系數(shù)（TCC）共3種指標(biāo)分別對(duì)預(yù)測(cè)回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果的整體偏差、空間異常模態(tài)一致性和站點(diǎn)異常預(yù)報(bào)能力進(jìn)行定量評(píng)估。

2 結(jié)果與分析

2.1 汛期月內(nèi)降水預(yù)測(cè)技巧

為比較BCC-CPSv3 S2S模式集合平均和子成員對(duì)廣東汛期降水的預(yù)測(cè)技巧，分別從整體偏差和空間異常模態(tài)一致性對(duì)汛期降水預(yù)測(cè)效果進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。

BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)廣東汛期降水的預(yù)測(cè)技巧隨預(yù)測(cè)時(shí)效的改變而變化。如圖1所示，模式集合平均預(yù)測(cè)的均方根誤差明顯小于其他子成員（圖1a），而且對(duì)于空間異常模態(tài)一致性（ACC）的把握也優(yōu)于其他子成員（圖1b）。當(dāng)預(yù)測(cè)時(shí)效為1 d時(shí)，集合平均和各子成員預(yù)測(cè)與實(shí)況的偏差最小，ACC預(yù)測(cè)技巧最高，隨預(yù)測(cè)時(shí)效的延長(zhǎng)模式預(yù)測(cè)偏差快速增加，預(yù)測(cè)技巧快速衰減。整體來(lái)看，模式預(yù)測(cè)偏差1～20 d持續(xù)增加，21～30 d變化平緩。以α＝0.01作為相關(guān)檢驗(yàn)的顯著性水平，BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)廣東汛期降水空間異常模態(tài)一致性的預(yù)測(cè)技巧上限為6 d。按不同預(yù)報(bào)時(shí)效劃分來(lái)看，在天氣尺度（1～10 d）內(nèi)預(yù)測(cè)偏差為11.9～14.3 mm，ACC為0.065～0.232。進(jìn)入次季節(jié)尺度（11～30 d）后，預(yù)測(cè)偏差增加為14.6～15.2 mm，ACC降低為0.004～0.028。由此可以看出，BCC-CPSv3 S2S模式在天氣尺度內(nèi)的定量預(yù)測(cè)技巧均優(yōu)于次季節(jié)尺度，而集合平均和各子成員之間預(yù)測(cè)技巧的差異在次季節(jié)尺度大于天氣尺度，集合平均的預(yù)測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于其他子成員。

圖1 BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)廣東汛期月內(nèi)降水的預(yù)測(cè)技巧

廣東省汛期氣候復(fù)雜多變，前汛期與后汛期的影響系統(tǒng)截然不同，前汛期主要以鋒面降水和季風(fēng)降水為主［12-14］，后汛期降水則主要來(lái)自于臺(tái)風(fēng)［1］，因此有必要分開(kāi)討論模式對(duì)于前汛期和后汛期兩個(gè)時(shí)段的預(yù)測(cè)技巧。

與汛期相似，BCC-CPSv3 S2S模式集合平均結(jié)果對(duì)前汛期降水預(yù)測(cè)的整體偏差小于其他子成員，對(duì)于空間異常模態(tài)一致性的把握也優(yōu)于其他子成員。如圖2所示，預(yù)測(cè)與實(shí)況的均方根誤差在預(yù)測(cè)時(shí)效為1 d時(shí)最小，ACC預(yù)測(cè)技巧最高，隨著預(yù)測(cè)時(shí)效的增加預(yù)測(cè)偏差逐漸增加，預(yù)測(cè)技巧逐漸下降。同樣表現(xiàn)出天氣尺度內(nèi)的預(yù)測(cè)能力高于次季節(jié)尺度，集合平均結(jié)果在次季節(jié)尺度優(yōu)于其他子成員的特征。不同的是，BCCCPSv3 S2S模式對(duì)于廣東前汛期降水的預(yù)測(cè)偏差呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)，空間異常模態(tài)一致性的預(yù)測(cè)技巧上限為7 d。天氣尺度內(nèi)的預(yù)測(cè)偏差為9.4～12.2 mm，ACC為0.085～0.292。次季節(jié)尺度的預(yù)測(cè)偏差為12.2～14.9 mm，ACC為0.009～0.069。與整個(gè)汛期相比，前汛期期間模式的預(yù)測(cè)偏差降低，定量預(yù)測(cè)技巧提高。可以看出，模式集合平均預(yù)測(cè)效果最佳，且對(duì)于前汛期降水的預(yù)測(cè)能力總體高于整個(gè)汛期，對(duì)整個(gè)汛期的預(yù)測(cè)技巧具有正向貢獻(xiàn)。

圖2 BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)廣東前汛期月內(nèi)降水的預(yù)測(cè)技巧

對(duì)于后汛期（圖3），模式集合平均在整體偏差和空間異常模態(tài)一致性上的預(yù)測(cè)效果也是優(yōu)于其他子成員。同樣，預(yù)測(cè)整體偏差在預(yù)測(cè)時(shí)效為1 d時(shí)最低，ACC預(yù)測(cè)技巧最高，并隨預(yù)測(cè)時(shí)效增加而降低，天氣尺度優(yōu)于次季節(jié)尺度。不同的是，模式對(duì)后汛期的預(yù)測(cè)偏差在天氣尺度持續(xù)增加，而進(jìn)入次季節(jié)尺度后變化平穩(wěn)，21～30 d有微弱下降，空間異常模態(tài)一致性的預(yù)測(cè)技巧上限僅有2 d。天氣尺度內(nèi)的預(yù)測(cè)偏差為14.3～16.4 mm，ACC為0.047～0.175。次季節(jié)尺度的預(yù)測(cè)偏差為15.1～16.9 mm，ACC為-0.005～0.022。與汛期和前汛期相比，后汛期期間模式的預(yù)測(cè)偏差增加，定量預(yù)測(cè)技巧降低。由此可以看出，模式集合平均對(duì)于后汛期的預(yù)測(cè)效果同樣表現(xiàn)最好，但是整體預(yù)測(cè)技巧明顯低于前汛期，對(duì)整個(gè)汛期的預(yù)測(cè)技巧是負(fù)貢獻(xiàn)。

圖3 BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)廣東后汛期月內(nèi)降水的預(yù)測(cè)技巧

有研究表明，BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)于四川汛期極端降水的預(yù)測(cè)技巧隨著起報(bào)時(shí)間的臨近而提高，在天氣尺度高于次季節(jié)尺度［9］；BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)長(zhǎng)江上中游地區(qū)的日降水和極端降水事件的預(yù)報(bào)性能隨預(yù)見(jiàn)期的增加而下降，6月預(yù)報(bào)精度相對(duì)較好，這可能與6月主要受大范圍水汽輸送或鋒面這樣較容易預(yù)報(bào)的天氣系統(tǒng)有關(guān)［15］，這些研究與本研究的結(jié)論是一致的。

2.2 預(yù)測(cè)技巧的空間分布特征

由2.1節(jié)可知，BCC-CPSv3 S2S模式集合平均的預(yù)測(cè)技巧明顯優(yōu)于其他子成員，因此在模式預(yù)測(cè)技巧的空間變化特征研究中，主要評(píng)估了模式集合平均的預(yù)測(cè)效果。

圖4為BCC-CPSv3 S2S模式集合平均對(duì)于前汛期月內(nèi)候平均降水預(yù)測(cè)檢驗(yàn)的TCC，其中1至6候的提前預(yù)報(bào)時(shí)效分別為0、5、10、15、20和25 d。從圖4可以看出，模式的降水預(yù)測(cè)與觀測(cè)降水之間普遍為正相關(guān)。模式對(duì)于各站點(diǎn)異常的預(yù)測(cè)能力在天氣尺度（前2候）同樣優(yōu)于次季節(jié)尺度（3～6候）。最高的預(yù)測(cè)技巧出現(xiàn)在第1候，中北部和粵西部分地區(qū)TCC可達(dá)到0.5以上。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，預(yù)測(cè)技巧逐漸下降。全省來(lái)看，模式對(duì)于前4候的預(yù)測(cè)都是有技巧的（通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)）；進(jìn)入到第5候，預(yù)測(cè)技巧明顯降低，只在粵西和東部地區(qū)還存在預(yù)測(cè)技巧；而第6候存在預(yù)測(cè)技巧的區(qū)域僅有粵西和粵東沿海的部分地區(qū)。由此可見(jiàn)，模式對(duì)于前汛期降水的預(yù)測(cè)表現(xiàn)較好，大部分地區(qū)有技巧預(yù)測(cè)可以持續(xù)到第4候，粵西和粵東沿?？蛇_(dá)到第6候。

圖4 BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)廣東前汛期月內(nèi)候平均降水預(yù)測(cè)的TCC分布

與前汛期相比，模式對(duì)于后汛期降水的預(yù)測(cè)技巧下降較為明顯。與前汛期相似，模式在天氣尺度的預(yù)測(cè)效果也是優(yōu)于次季節(jié)尺度的，同樣在第1候表現(xiàn)最好，北部和雷州半島的TCC都在0.5以上（圖5）。

圖5 BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)廣東后汛期月內(nèi)候平均降水預(yù)測(cè)的TCC分布

但是，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，預(yù)測(cè)技巧快速下降。全省來(lái)看，模式只對(duì)前2候的預(yù)測(cè)是有技巧的（通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)）；第3候只有北部地區(qū)部分站點(diǎn)還存在預(yù)測(cè)技巧，東部地區(qū)出現(xiàn)了負(fù)技巧；第4候僅在粵西部分站點(diǎn)有預(yù)測(cè)技巧；第5和6候的預(yù)測(cè)在全省都是無(wú)技巧的。因此，模式對(duì)于后汛期降水的預(yù)測(cè)能力較差，全省大部地區(qū)僅在前2候有預(yù)測(cè)技巧，進(jìn)入第3候以后模式預(yù)測(cè)技巧大幅降低，全省大部地區(qū)預(yù)測(cè)為無(wú)技巧。

3 結(jié)論

為提高汛期降水預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，延長(zhǎng)預(yù)測(cè)時(shí)效，為國(guó)產(chǎn)數(shù)值模式產(chǎn)品應(yīng)用打下基礎(chǔ)，本研究基于2005—2019年廣東氣象觀測(cè)降水資料和BCC-CPSv3 S2S模式的降水回報(bào)資料，采用多種指標(biāo)評(píng)估分析了模式產(chǎn)品對(duì)廣東汛期降水的預(yù)測(cè)能力。結(jié)果表明：

1）BCC-CPSv3 S2S模式集合平均的預(yù)測(cè)技巧優(yōu)于其他4個(gè)子成員，模式預(yù)測(cè)技巧隨預(yù)測(cè)時(shí)效的增加而降低，對(duì)于天氣尺度的預(yù)測(cè)能力明顯高于次季節(jié)尺度。

2）模式對(duì)于前汛期降水的預(yù)測(cè)能力明顯優(yōu)于后汛期，主要體現(xiàn)在前汛期預(yù)測(cè)偏差明顯低于后汛期，且前汛期空間異常模態(tài)一致性的預(yù)測(cè)技巧上限可達(dá)7 d，后汛期僅為2 d，這反映了模式對(duì)于鋒面降水和季風(fēng)降水的預(yù)測(cè)能力優(yōu)于臺(tái)風(fēng)降水。

3）從模式預(yù)測(cè)技巧的空間分布來(lái)看，模式對(duì)于前汛期降水的預(yù)測(cè)表現(xiàn)較好，大部分地區(qū)有技巧預(yù)測(cè)可以持續(xù)到第4候，粵西和粵東沿?？蛇_(dá)到第6候；而對(duì)于后汛期降水的預(yù)測(cè)能力較差，全省大部地區(qū)僅在前兩候有預(yù)測(cè)技巧，進(jìn)入第3候以后全省大部地區(qū)為無(wú)技巧。

本研究主要分析了BCC-CPSv3 S2S模式對(duì)廣東汛期降水的預(yù)測(cè)技巧，但是由于篇幅有限，未對(duì)模式的誤差來(lái)源進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)于模式的誤差訂正工作也有待下一步開(kāi)展。