WRF模式對寶雞地區2013年夏季溫度和降水預報的評估檢驗

韓　潔，龐　翻，陳衛東

(寶雞市氣象局，陜西寶雞　721006)

WRF模式對寶雞地區2013年夏季溫度和降水預報的評估檢驗

韓潔，龐翻，陳衛東

(寶雞市氣象局，陜西寶雞721006)

摘要：利用寶雞地區155個縣區級或鄉鎮級自動站的觀測資料與WRF模式的輸出產品，檢驗WRF模式對2013年夏季最高、最低氣溫和降水預報的效果。結果表明：WRF模式預報的最高、最低氣溫的空間分布形態與實況較為一致，對于陰天和降水情況下的氣溫預報具有較高的準確性，最高、最低溫度的預報值較實況整體偏低。WRF模式對寶雞地區東部晴雨預報準確率較高，達到65%以上；鳳縣、太白最差，僅為40%左右。WRF模式預報的夏季日平均降水量與實況值在量級上較為一致，但空間分布誤差較大。模式3個時次預報的逐日降水量能夠較為準確地描述夏季各次降水的發生—發展—減弱過程。通過對模式預報的降水量進行分級檢驗發現，模式對降水的預報能力隨著降水量級的增大而減小，空報多于漏報；WRF模式的暴雨預報值得參考。

關鍵詞：WRF模式；溫度；降水；預報檢驗；TS評分；擊中率；寶雞

數值天氣預報已成為現代天氣預報業務的重要基礎和發展方向，由于受到初始場、物理過程、模式本身等諸多因素影響，模式預報產品不可避免存在誤差，因此檢驗評估工作成為數值天氣預報的重要組成部分，評估結果有助于模式本身的改進和預報人員更好地使用模式產品。王雨[1]利用國家基本氣象站資料評估了中央氣象臺5個常用模式的定量降水預報結果；王麗等[2]利用湖北省77個氣象觀測站資料對日本、德國和T213三種數值模式的強降水預報進行了統計比較；藥明和晏曉英[3]利用代表不同地理環境的6個站點，檢驗并分析了吉林省數值預報業務系統短期預報各時段降水、溫度、氣壓和風速等要素的預報性能；2012年陳鋒等[4]就WRF模式對2011年夏季降水和溫度進行了評估檢驗。總體而言，已有的數值預報模式檢驗評估主要側重于對定量降水的評估，且所用觀測資料多以常規站(站點較少)資料為主。寶雞地區地處陜西省關中西部，地貌復雜，天氣多變，因此數值預報產品對寶雞地區夏季降水和溫度具有什么樣的預報能力，存在多大的誤差，參考價值有多大，成為預報員關注的重要問題。本文利用寶雞地區155個自動站觀測資料，采用空間分布和統計檢驗等方法評價WRF模式對寶雞地區2013年夏季(6—8月)降水和溫度的預報能力，并對強降水預報準確性進行檢驗，為精細化天氣預報工作提供較為客觀的參考。

1資料與方法

寶雞市氣象臺運行的WRF(Weather Research Forecast)模式系統采用WRFV3，該模式是由美國多個研究部門及大學共同參與開發的新一代中尺度預報模式和同化系統，具有可移植、易維護、可擴充等諸多特性[5]。根據寶雞地區現有計算條件和地理位置特征，模式選用三重嵌套，分辨率分別為45、15、3 km，中心經緯度為107.1°E、34.3°N,垂直層次為37層。45 km嵌套重點覆蓋影響寶雞地區的大尺度系統，3 km嵌套識別影響寶雞地區的中尺度系統。模式積云參數化方案采用Kain-Fritsch方案，微物理方案采用Lin方案，陸面過程使用Thermal Diffusion方案，行星邊界層采用Yonsei University(YSU)參數化方案，近地表物理方案為Monin-Obukhov方案，長波輻射方案為RRTM，短波輻射方案為Dudhia方案。初始場采用NCEP/GFS分析場資料。實況資料選用寶雞地區155個自動站觀測資料，模式評估要素為20時起報的24 h累計降水量、2 m的最高氣溫和最低氣溫。

利用相關分析等方法對模式最高、最低溫度預報進行檢驗。使用晴雨準確率、一般性降水準確率(TS評分)、擊中率、空報率、漏報率[6]對模式的降水預報結果進行檢驗，計算公式為：

晴雨準確率Pc=(Na+Nd)/ (Na+Nb+Nc+Nd) ×100%,

一般性降水準確率TS=Na/(Na+Nb+Nc)×100%，

空報率Far=Nb/(Na+Nb)×100%，

漏報率Po=Nc/(Na+Nc)×100%，

擊中率Pod=Na/(Na+Nb)×100%，

式中Na為有降水預報正確站(次)數，Nb為空報站(次)數，Nc為漏報站(次)數，Nd為無降水預報正確的站(次)數。

22013年夏季溫度與降水檢驗

2.1溫度

2.1.1最高溫度對各站點模式預報的溫度與相對應的實況溫度做相關分析，得到最高溫度的24 h預報值與實況值的相關系數達0.86，這表明24 h預報場與實況場相似度較高。2013年寶雞夏季平均最高氣溫實況和預報如圖1所示。實況圖上渭濱、鳳翔、陳倉、岐山、扶風、眉縣為最高溫度的高值區，與24、48、72 h這3個時次的最高溫度預報場的高值區位置一致；另外隴縣、千陽、麟游在實況與預報圖上均表現出千陽(中間)氣溫高，隴縣、麟游氣溫低的特點。但是對于實況圖上鳳縣高值區，WRF模式的3個時次預報場并未報出，這可能與鳳縣地形復雜多變，海拔落差較大，局地小氣候特征明顯有關，模式對其溫度的分布特征較難做出精細的刻畫。

圖1　2013年夏季(6—8月)寶雞平均最高氣溫的WRF模式預報與實況(單位：℃)

另將夏季各站點最高溫度的實況平均值分別與相對應的24、48、72 h模式預報的平均值進行對比，發現24 h預報值較實況值平均偏低0.61 ℃，48、72 h預報值較實況值平均偏低0.65 ℃，由此可知，模式對于2013年夏季寶雞地區最高溫度的預報效果在3個時次中具有較好的一致性和參考價值。

2.1.2最低氣溫與最高氣溫的檢驗方法類似，各站點最低溫度24 h預報值與實況值相關系數為0.83，略低于最高溫度的相關系數，但仍具有較高的相似性。從圖2可以看出，在實況圖上平均最低溫度的高值區位于寶雞中東部和鳳縣境內，但模式24 h預報的平均最低溫度高值區較實況偏西。實況圖中3個低值中心分別位于寶雞東北部、西北部和東南部的太白縣境內，且在3個時次的預報圖上均有對應。24 h預報場的最低溫度與其相對應的實況值比較，平均偏低1.52 ℃，但48 h和72 h預報場的最低溫度較實況值平均偏低0.44 ℃和0.50 ℃，即模式預報值較實況值偏低，但誤差不大。

圖2　2013年夏季(6—8月)寶雞平均最低氣溫的WRF模式預報與實況(單位：℃)

以上分析表明，溫度24 h預報值與實況值的相關系數超過0.80，即24 h的預報與實況具有較好的一致性。另外24、48、72 h的預報場與實況場的相關性較好(超過0.60)，3個時次的預報場具有較好的連續性，且均與實況場有較好的一致性，這表明模式對于2013年夏季溫度的預報效果具有較高的參考價值。

2.1.3不同天氣狀況下的溫度根據天氣現象和高、低云量將2013年夏季(92 d)分別歸為晴天、多云、陰天和降水四類天氣狀況，對模式預報溫度與實況溫度進行比較(表1)，結果表明：模式最高溫度的預報偏差明顯小于最低溫度的預報偏差，最高溫度預報產品更具參考性。模式溫度在降水和陰天這兩類天氣狀況下，最高溫度的平均偏差僅為0.1 ℃和0.5 ℃，偏差很小。在晴天和多云天氣狀況下預報偏差明顯較大，這可能是由于在晴天和多云天氣狀況下，太陽輻射強、下墊面和地形對氣溫的影響大，而模式對于下墊面和地形的模擬還不夠細致，造成預報與實況偏差較大。

表1　2013年夏季(6—8月)不同天況下寶雞地區各縣(區)模式溫度與實況的平均差值　℃

2.2降水

2.2.124 h晴雨準確率利用實況觀測降水量(20—20)資料，對WRF模式相對應時次的降水預報(2013年6—8月)進行晴雨準確率評分(圖3)。可以看出寶雞中東部得分較高，特別是渭濱區、鳳翔、扶風等地的晴雨預報準確率超過65%，隴縣、千陽、麟游的晴雨準確率低于中東部(55%左右)，但高于鳳縣、太白(40%左右)。鳳縣、太白晴雨預報準確率低的主要原因是山區地形復雜、天氣多變、夏季多局地降水，晴雨預報難度較大。

圖3　寶雞2013年夏季(6—8月)WRF模式24 h晴雨預報準確率/%

2.2.2日降水量空間分布從圖4可以看出，模式24 h預報降水量與夏季平均日降水量實況在量級上較為一致，全區夏季日平均降水量為3～7 mm。24 h預報降水量分布寶雞東南部為降水量的大值中心，千陽和麟游的交界處降水量較小，這與實況降水量分布(寶雞南、北部為平均日降水量的大值區，東部則為相對小值區)不一致。即24 h模式預報值在降水量級上與實況較為一致，但在降水量的空間分布上則明顯不同。

圖4　2013年夏季(6—8月)寶雞平均日降水量的預報與實況(單位：mm)

區域平均逐日降水量演變能較好反映模式對降水過程隨時間變化的預報能力。寶雞2013年夏季逐日降水量的時間演變(圖5)表明，模式各預報時效的預報均較為準確地報出降水的發生—發展—減弱過程，2013年7月幾次較大的降水過程，24 h預報降水量級與實況較為一致，但48 h和72 h預報與實況相差較大。

圖5　2013年夏季(6—8月)寶雞區域逐日降水量的實況與預報

2.2.3降水量表2給出了寶雞WRF模式不同量級降水的統計檢驗結果。可以看出，模式對降水的預報能力隨著降水量級的增大而減小，24 h預報小雨—暴雨的TS評分從0.67逐步下降到0.09。模式預報的空報多于漏報，即模式預報的降水日明顯偏多。在各個級別降水中24 h的TS評分均明顯高于48 h和72 h，這表明24 h模式預報的準確性較高。另外，48 h暴雨以上級別的擊中率為0.24，高于中雨以上級別和大雨以上級別，這表明模式對于暴雨的預報值得參考。

表2　2013年夏季(6—8月)寶雞地區不同量級

3結論

利用寶雞地區155個縣(區)級或鄉鎮級自動站的觀測資料，對比檢驗WRF模式對寶雞地區的最高、最低溫度和降水的預報效果，得到以下結論。

(1) WRF模式預報的最高、最低氣溫與實況的相關系數超過0.80，表明模式預報的氣溫與實況具有較好的一致性。模式預報的最高、最低氣溫在3個預報時次都較實況溫度偏低，即模式預報的氣溫整體偏低。在不同的天氣狀況下，模式預報氣溫與實況的平均差值也有所不同。在陰天和降水天時，最高溫度的預報偏差僅為0.1 ℃和0.5 ℃，具有較高的準確性。

(2)模式對寶雞東部晴雨預報準確率較高，達65%以上；鳳縣、太白最差，僅為40%左右。這與寶雞地區的東部為平原，天氣特征較為穩定，鳳縣、太白為山地，夏季多局地陣性降水天氣有關。

(3)WRF模式預報的夏季日平均降水量與實況值在量級上較為一致，但空間分布誤差較大。3個時次所作的逐日降水量預報能夠較為準確地描述夏季降水發生—發展—減弱的過程。

(4)通過對模式預報的不同量級的降水量進行分級檢驗發現，模式對降水的預報能力隨著降水量級的增大而減小，空報多于漏報，WRF模式對于暴雨的預報值得參考。

王娟，卓靜，何慧娟.基于GIS和RS的西安、咸陽城市擴展特征研究[J].陜西氣象，2015(1)：6-10.

參考文獻：

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[3]藥明,晏曉英.吉林省數值預報業務系統要素預報性能分析[J].吉林大學學報：地球科學版，2008,38(增刊)：209-213.

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[5]Skamarock W C， Klemp J B， Dudhia J，et al.A description of the Advanced Research WRF version 3[Z].Ncar Technical Notes,NCAR/TN-475+STR, 2008.

[6]丁金才.天氣預報評分方法評述[J].南京氣象學院學報,1995,18(1)：143-150.

文章編號：1006-4354(2015)01-0001-06 1006-4354(2015)01-0006-05

收稿日期：2014-04-11 2014-09-10

作者簡介：韓潔(1986—)，女，陜西鳳翔人，漢，碩士，助理工程師，從事短期天氣預報。 王娟(1981—)，女，山西大同人，滿族，碩士，工程師，從事遙感應用方向研究。

中圖分類號：P456.1

文獻標識碼：A

韓潔，龐翻，陳衛東.WRF模式對寶雞地區2013年夏季溫度和降水預報的評估檢驗[J].陜西氣象，2015(1)：1-6.

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