淮河流域面雨量多模式預報效果比較及典型過程檢驗分析

劉 靜 葉金印 王 皓

淮河流域面雨量多模式預報效果比較及典型過程檢驗分析

劉 靜 葉金印 王 皓

面雨量預報是洪水預報非常重要的參數，也是各級政府組織防汛抗洪以及水庫調度等決策的重要依據。在面向江河流域的水文氣象服務中，利用數值預報模式降水輸出客觀化的面雨量產品，并在檢驗評估的基礎上進行集成應用，是提高流域面雨量預報水平的重要手段。

本文基于ECMWF全球模式、JMA全球模式、安徽省氣象臺業務中尺度模式MM5和WRF等四種數值模式的降水預報產品，采用網格算術平均法分別計算輸出淮河流域15個子單元客觀化的逐日面雨量短期預報產品（簡稱為ECMWF、JMA、MM5以及WRF模式面雨量預報）。同時，利用地面觀測雨量資料，采用泰森多邊形法計算流域面雨量實況。以2011年6～8月為例，采用平均絕對誤差（稱Ea）、模糊評分（簡稱MP）以及Treat Score（簡稱TS）等統計評價指標，對四個模式的淮河流域面雨量短期預報進行檢驗和評估分析。

一、資料處理

1.淮河流域概況及子單元劃分

淮河流域降水量年際變化較大，年內分配也極為不均，夏季（6～8月）降水量占年總降水量的45%～65%，淮河流域獨特的地理環境及氣候特征決定了該流域水災頻發。根據淮河流域暴雨洪水的匯流特點，結合流域防汛抗旱服務需求，將流域劃分為15個子單元。

2.資料

（1）四種數值模式降水預報格點值的空間分辨率不同，ECMWF為0.25°×0.25°、JMA為1.25°×1.25°、MM5和WRF均為0.1°×0.1°。各模式均以北京時20時為起始場，24h、48h、72h預報時效的24h累積降水預報。

（2）地面觀測雨量資料（北京時20時為日界，下同）采用淮河流域172個國家級地面氣象觀測站整編資料，資料來源于國家氣象信息中心。

3.面雨量計算

面雨量（流域平均降雨量）是指一次降雨過程中，整個流域面上的平均降雨量。本文對于數值預報產品，采用網格算術平均法估算流域面雨量；對于地面觀測雨量資料，采用泰森多邊形法估算流域面雨量。

4.面雨量預報檢驗方法

參考我國江河面雨量等級劃分標準的，將24h面雨量劃分為小雨（0.1～5.9mm）、中雨（6.0～14.9mm）、大雨（15.0～29.9 mm）、暴雨（≥30.0 mm）四個等級。采用平均絕對誤差（Ea）、模糊評分（MP）、TS評分等統計評價指標，對淮河流域面雨量預報產品進行檢驗。各統計評價指標計算式如下：

（1）平均絕對誤差（Ea）指預報值和實況值的平均絕對誤差，其計算式為：

式中，n為有雨預報正確的天數，Rf為有雨且預報正確時的面雨量預報值，Ro為有雨預報正確時的面雨量實況值。

（2）模糊評分（MP），按照中國氣象局在《全國七大江河流域面雨量監測和預報業務規定》中提供的模糊評分檢驗方法，第i個流域第j級降水預報的模糊評分MP（j，i）的計算式為：

式中，第一項是有雨預報正確的基礎分，規定為60分；第二項為強度預報的加權分，其中j表示預報等級，為等級誤差，MAX（j）為最大等級誤差。

（3）TS評分（TSk）、漏報率（POk）和空報率（FARk）。參考2005年中國氣象局《中短期天氣預報質量檢驗辦法（試行）》中提供的方法（公式略），檢驗面雨量預報效果。

二、2011年6～8月的檢驗結果與分析

1.平均絕對誤差（Ea）檢驗

從2011年6～8月四種模式對淮河流域（24～72h）面雨量預報的平均絕對誤差（Ea）（圖1）可看出，隨預報時效延長，四種模式面雨量預報的Ea均呈增大趨勢，其中ECMWF和JMA增幅較小，MM5增幅較明顯。ECMWF除24h略高于JMA以外，48h、72h均明顯低于其他模式。各預報時效均以MM5的Ea最高，WRF次高。從Ea檢驗結果看，ECMWF在淮河流域面雨量預報中最具有參考意義，其次為JMA。

2.模糊評分（MP）檢驗

2011年6～8月四種模式對淮河流域不同時效（24～72h）面雨量預報的模糊評分（MP），見圖2。隨預報時效延長，四種模式面雨量預報的模糊評分均明顯下降。這一現象與平均絕對誤差（Ea）非常相似。ECMWF除24h略低于MM5外，48h、72h均明顯高于其他模式。各預報時效均以WRF最低。從MP檢驗結果看，ECMWF最具有參考意義，其次為JMA，但MM5在24h預報時效也具有較好的參考意義。

3.TS評分以及空報率和漏報率檢驗

2011年6～8月四種模式對淮河流域不同時效（24h～72 h）面雨量預報的TS評分（TSk）、空報率（FARk）和漏報率（POk），見圖3、圖4、圖5。

圖1 24h、48h及72h的ECMWF、JMA、MM5和WRF模式面雨量預報平均絕對誤差（單位:mm）

圖2 24h、48h及72h的ECMWF、JMA、MM5和WRF模式面雨量預報模糊評分

圖3 24h、48h以及72h TS評分

圖4 24h、48h以及72h空報率

圖5 24h、48h以及72h漏報率

表1 四種數值模式2011年7月4日和6日淮河流域兩次弱降水過程的檢驗

表2 四種數值模式2011年6月23日和8月2日淮河流域兩次強降水過程的檢驗

（1）隨面雨量等級增大，四種模式面雨量預報的TS評分均明顯下降。各等級的TS評分，總體上以ECMWF為最高，JMA次之。在三個預報時效的暴雨預報TS評分中，24h以MM5為最高、48h 以ECMWF最高、72h以JMA為最高。

（2）四種模式面雨量預報的空報率整體偏高（60.0%以上），并且呈現出隨預報等級增大而增高趨勢。各預報時效對中雨、大雨預報的空報率以ECMWF為最低，WRF最高；在暴雨預報，MM5 （24h）、ECMWF（48h）、JMA（72h）空報率最低。

（3）隨面雨量等級增大，各模式漏報率呈增高趨勢。小雨預報等級，24 h預報時效漏報率以JMA和WRF最低，其次為ECMWF；48h和72h ECMWF明顯低于其他模式。中雨以上預報，僅有ECMWF和JMA的24h預報漏報率低于50.0%。對于暴雨預報，MM5的24h時效漏報率明顯低于其他模式。

對比各預報等級的空報率與漏報率可發現，模式對小雨和中雨的漏報率明顯小于該等級的空報率，而大雨和暴雨的差別不明顯，說明各模式對小雨和中雨的預報存在預報范圍和等級偏大的現象，而對大雨和暴雨的預報則無明顯偏差傾向。總體看，對強降水預報，MM5在24h預報時效上會更具優勢，而ECMWF、JMA則在48h和72h預報時效上相對較優。

4.典型降水過程面雨量預報檢驗分析

為了比較各模式對不同強度降水過程的預報能力，選取兩次流域性弱降水過程和兩次流域性強降水過程，以24h預報為例，分析各模式正確子單元數（NA）、空報子單元數（NB）和漏報子單元數（NC）。

兩次弱降水過程預報檢驗統計結果（表1）表明，ECMWF、JMA兩種模式對7 月4日降水空報明顯高于漏報，即預報等級和范圍都明顯偏大，但對7月6日降水空報與漏報無明顯差異，而MM5、WRF兩種模式對兩次降水預報差異不明顯。

兩次強降水過程預報檢驗分析統計結果（表2），ECMWF、JMA和WRF的漏報均明顯高于空報，說明預報的等級偏小；而MM5空報和漏報差異不明顯。

通過兩次流域性弱降雨過程和兩次流域性強降雨過程檢驗分析發現，ECMWF、JMA和WRF對于24h預報時效的強、弱降水過程預報效果存在較明顯差異，對于強降水過程預報等級偏小；MM5對于強、弱降水過程空報和漏報無明顯差異，預報等級上有所偏大。

三、結論與討論

通過以上比較，可以得到以下幾點結果和結論：

一是四種模式預報效果隨降水等級增大而下降，具體表現為TS評分隨降水等級增大而逐漸降低，而空報、漏報率逐步上升；隨預報時效的延長，各模式面雨量預報效果表現出逐步下降的現象；二是ECMWF的預報效果總體上優于其他模式，尤其是在小雨到大雨等級上，優勢明顯，JMA、MM5、WRF預報效果依次降低。對比各等級空報率和漏報率可知，ECMWF、JMA在小雨和中雨等級上預報偏大，而大雨和暴雨等級預報偏差不明顯；三是MM5在24 h預報中表現較優，其24h預報時效MP以及24h暴雨預報TS分均高于其他模式，說明MM5的24h預報時效面雨量預報尤其是在暴雨等級預報中具有很好的參考意義。四是對典型強、弱降水過程分析表明，ECMWF、JMA和WRF對于24h預報時效的強、弱降水過程預報效果存在較明顯差異，對于強降水過程預報等級偏小。MM5對于強、弱降水過程空報和漏報無明顯差異，預報等級有所偏大。

需要注意的是，本文的分析僅是以2011年6～8月，對ECMWF、JMA、MM5、WRF等四種數值預報模式對淮河流域面雨量的預報能力得出的一些初步結果。各模式的預報性能，還有待于今后積累更長時間序列資料進行評估分析■

（作者單位:淮河流域氣象中心233040）

（專欄編輯：王 適）