太湖流域汛期面雨量多模式預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估

林荷

(1.太湖流域管理局 水文局(信息中心)，上海 200434； 2.上海藍(lán)泰信息咨詢(xún)有限公司，上海 200434)

太湖流域汛期面雨量多模式預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估

吳娟1林荷娟1劉敏1王凱燕2

(1.太湖流域管理局水文局(信息中心)，上海200434； 2.上海藍(lán)泰信息咨詢(xún)有限公司，上海200434)

基于太湖流域報(bào)汛雨量，根據(jù)中國(guó)國(guó)家氣象中心T639等4種數(shù)值模式預(yù)報(bào)資料，以2016年汛期(5～9月)為例，評(píng)估太湖流域面雨量預(yù)報(bào)效果。結(jié)果表明，各模式預(yù)報(bào)效果均表現(xiàn)出隨降水等級(jí)(小雨、中雨、大雨、暴雨)增大而下降的趨勢(shì)；各模式對(duì)小雨、中雨的預(yù)報(bào)均存在預(yù)報(bào)范圍和等級(jí)偏大的現(xiàn)象，而對(duì)大雨和暴雨的預(yù)報(bào)則存在預(yù)報(bào)范圍和等級(jí)偏小的現(xiàn)象。歐洲模式對(duì)無(wú)降水有一定的指示意義，而日本、上海模式對(duì)降水有一定的指示意義。中央、歐洲模式對(duì)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)技巧較高，而日本、歐洲模式對(duì)典型弱降水具有較高的參考價(jià)值。

面雨量預(yù)報(bào)；數(shù)值模式；預(yù)報(bào)檢驗(yàn)；太湖流域

數(shù)值預(yù)報(bào)是提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)，預(yù)報(bào)產(chǎn)品為日常預(yù)報(bào)提供了參考依據(jù)[1-2]。然而，由于數(shù)值模式初值、物理過(guò)程等存在一定誤差，導(dǎo)致數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品也存在一定預(yù)報(bào)誤差。因此，開(kāi)展數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)及誤差分析，是擇優(yōu)使用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的有效途徑[2-4]。

為此，該研究對(duì)中國(guó)國(guó)家氣象中心T639數(shù)值預(yù)報(bào)模式 、日本氣象廳全球模式 、上海區(qū)域業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心全球模式等4種數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品(為方便表述，以下分別簡(jiǎn)稱(chēng)為中央、日本、上海、歐洲模式)應(yīng)用于太湖流域面雨量預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，以了解這4種模式對(duì)太湖流域雨量的預(yù)報(bào)能力，更好地應(yīng)用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品[ 1-4]。

1 流域概況與資料說(shuō)明

太湖流域地處長(zhǎng)江三角洲核心區(qū)域，北抵長(zhǎng)江，東臨東海，南濱錢(qián)塘江，西以天目山、茅山為界，地跨江蘇、浙江、安徽和上海三省一市，總面積36 895 km2[2]。太湖流域分為7個(gè)水利分區(qū)，分別是湖西區(qū)、浙西區(qū)、太湖區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)和浦東浦西區(qū)。特殊的地理位置決定了太湖流域洪澇臺(tái)旱等多種災(zāi)害頻發(fā)，特別是每年6～7月的梅雨期，歷史上一直是造成太湖流域大范圍洪澇的主要因素[3]。流域盆狀的地形和平緩的地勢(shì)導(dǎo)致洪水出路不足，太湖和地區(qū)河網(wǎng)水位易漲難消，進(jìn)一步加重了洪澇影響[4]。

上述4種數(shù)值預(yù)報(bào)模式降水預(yù)報(bào)格點(diǎn)分辨率不同。中央、日本、歐洲模式為20 km×20 km，上海區(qū)域業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式為12.5 km×12.5 km。各模式均以北京時(shí)間20時(shí)為初始場(chǎng)的24～240 h降水預(yù)報(bào)。該研究利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式格點(diǎn)降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品，采用網(wǎng)格面積權(quán)重法計(jì)算太湖流域預(yù)報(bào)面平均雨量。實(shí)測(cè)降水量來(lái)自太湖流域報(bào)汛資料，采用算術(shù)平均法計(jì)算分區(qū)降水量，采用面積權(quán)重法計(jì)算流域面雨量。

2 面雨量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方法

該研究采用正確率Pc、TS評(píng)分、漏報(bào)率Po和空?qǐng)?bào)率FAR等統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)太湖流域面雨量預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，各評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算如下。

正確率Pc是檢驗(yàn)“有”、“無(wú)”面雨量的預(yù)報(bào)正確率，其計(jì)算公式為

(1)

式中，NA為降水預(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)，ND為無(wú)降水預(yù)報(bào)正確的站(次)數(shù)。此項(xiàng)評(píng)分不考慮降水等級(jí)，只要預(yù)報(bào)和實(shí)況均有降水或者均無(wú)降水即視為正確。

參考2005年中國(guó)氣象局《中短期天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)辦法(試行)》中提供的方法[5]，檢驗(yàn)面雨量預(yù)報(bào)效果。

(2)

(3)

(4)

式中，NAk為k等級(jí)降水預(yù)報(bào)正確(即預(yù)報(bào)等級(jí)與實(shí)況等級(jí)相同)的天數(shù)，NBk為k等級(jí)降水空?qǐng)?bào)的天數(shù)(即預(yù)報(bào)等級(jí)大于實(shí)況等級(jí)，記為預(yù)報(bào)等級(jí)空?qǐng)?bào))，NCk為k等級(jí)降水漏報(bào)(即預(yù)報(bào)等級(jí)小于實(shí)況等級(jí)，記為實(shí)況等級(jí)漏報(bào))的天數(shù)，TS評(píng)分、漏報(bào)率Po、空?qǐng)?bào)率FAR能表征不同模式對(duì)各面雨量等級(jí)的預(yù)報(bào)偏大或是偏小。

3 2016年汛期的檢驗(yàn)評(píng)估

3.1 TS評(píng)分以及空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率檢驗(yàn)

圖1給出了4種模式在20時(shí)對(duì)太湖流域面雨量預(yù)報(bào)的TS評(píng)分、漏報(bào)率Po、空?qǐng)?bào)率FAR檢驗(yàn)結(jié)果。分析如下：

隨著面雨量預(yù)報(bào)等級(jí)增大，4種模式面雨量預(yù)報(bào)的評(píng)分均明顯下降，總體上以歐洲模式最高，中央模式次之。隨著面雨量預(yù)報(bào)等級(jí)增大，各模式漏報(bào)率Po、空?qǐng)?bào)率FAR均呈增加趨勢(shì)，漏報(bào)率以歐洲模式為最低，中央模式次之；而空?qǐng)?bào)率以日本模式最低，上海模式次之。20時(shí)對(duì)小雨預(yù)報(bào)的漏報(bào)率以歐洲模式(15.2%)最低，其次是中央模式(17.8%)；對(duì)中雨預(yù)報(bào)的漏報(bào)率以歐洲模式(35.2%)最低，其次是中央模式(36.7%)；對(duì)大雨預(yù)報(bào)的漏報(bào)率以日本模式(71.6%)最低，其次是歐洲模式(76.5%)；對(duì)暴雨預(yù)報(bào)的漏報(bào)率中央模式、日本模式均為90%。20時(shí)對(duì)小雨預(yù)報(bào)的空?qǐng)?bào)率以上海模式(22.9%)最低，其次是日本模式(23.0%)；對(duì)中雨預(yù)報(bào)的空?qǐng)?bào)率以上海模式(45.9%)最低，其次是日本模式(48.5%)；對(duì)大雨預(yù)報(bào)的空?qǐng)?bào)率以上海模式(48.7%)最低，其次是日本模式(51.3%)；對(duì)暴雨預(yù)報(bào)的空?qǐng)?bào)率日本模式最低，為40%。

圖1 不同降水等級(jí)太湖流域面雨量預(yù)報(bào)TS評(píng)分、漏報(bào)率和空?qǐng)?bào)率

由上述分析可知，中央、上海、日本、歐洲模式對(duì)小雨和中雨的漏報(bào)率明顯小于同等級(jí)的空?qǐng)?bào)率，而對(duì)大雨和暴雨的漏報(bào)率高于同等級(jí)的空?qǐng)?bào)率，說(shuō)明模式對(duì)小雨、中雨的預(yù)報(bào)存在預(yù)報(bào)范圍和等級(jí)偏大的現(xiàn)象，而對(duì)大雨和暴雨的預(yù)報(bào)則存在預(yù)報(bào)范圍和等級(jí)偏小的現(xiàn)象。

圖2為不同預(yù)報(bào)時(shí)效的太湖流域面雨量預(yù)報(bào)TS評(píng)分、漏報(bào)率和空?qǐng)?bào)率。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，各個(gè)模式的TS評(píng)分均呈下降趨勢(shì)，中央、歐洲模式預(yù)報(bào)時(shí)效為72 h以前的TS評(píng)分均超過(guò)60%，日本模式預(yù)報(bào)時(shí)效為168 h以前的TS評(píng)分均超過(guò)60%，上海模式預(yù)報(bào)時(shí)效為96 h以前的TS評(píng)分均超過(guò)60%。時(shí)效為24～192 h的日本模式降水預(yù)報(bào)的漏報(bào)率最低，歐洲模式次之，上海模式最高；時(shí)效為216～240 h的歐洲模式漏報(bào)率最低，中央模式次之，日本模式最高。

圖2 不同預(yù)報(bào)時(shí)效的太湖流域面雨量預(yù)報(bào)TS評(píng)分、漏報(bào)率和空?qǐng)?bào)率

由上述分析可知，由于歐洲模式預(yù)報(bào)漏報(bào)率較低，即對(duì)無(wú)降水預(yù)報(bào)的成功率較高，因此對(duì)無(wú)降水有一定指示意義。時(shí)效為24～48 h的日本模式降水預(yù)報(bào)的空?qǐng)?bào)率最低，上海模式次之，中央模式最高；時(shí)效為72～240 h的上海模式空?qǐng)?bào)率最低，日本模式次之，中央模式最高。由于日本、上海模式預(yù)報(bào)空?qǐng)?bào)率較低，對(duì)降水有一定的指示意義，即預(yù)報(bào)未來(lái)有降水，出現(xiàn)降水的可能性較大。分析24～240 h預(yù)報(bào)的各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果的平均值可知，歐洲模式最優(yōu)，上海模式次之，日本模式最差。

3.2 典型降水過(guò)程面雨量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估

為比較上述各個(gè)模式對(duì)不同強(qiáng)度降水過(guò)程的預(yù)報(bào)能力，選取2016年6月19～22日(梅雨期)、6月24～28日(梅雨期)、7月1～4日(梅雨期)、9月13～17日(“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)影響期間)、9月27～30日(“鲇魚(yú)”臺(tái)風(fēng)影響期間)流域性強(qiáng)降水過(guò)程，以及7月10～15日、8月2～10日、9月5～7日流域性弱降水過(guò)程，分析各個(gè)模式對(duì)小雨到暴雨4個(gè)等級(jí)降水預(yù)報(bào)的情況。

(1) 5次強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估。統(tǒng)計(jì)各個(gè)模式對(duì)上述5次強(qiáng)降水過(guò)程在20時(shí)的預(yù)報(bào)表明：對(duì)于梅雨期6月19～22日、6月24～28日、7月1～4日、“鲇魚(yú)”臺(tái)風(fēng)影響期間9月27～30日，漏報(bào)率均高于空?qǐng)?bào)率，即預(yù)報(bào)等級(jí)和范圍均偏小，而對(duì)于9月13～17日(“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)影響期間)，空?qǐng)?bào)率高于漏報(bào)率，即預(yù)報(bào)等級(jí)和范圍偏大。總體而言，中央模式的評(píng)分與正確率較高，其次是歐洲模式與上海模式，詳見(jiàn)表1。

表1 4種數(shù)值模式對(duì)太湖流域5次強(qiáng)降水過(guò)程面雨量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

(2) 3次弱降水過(guò)程預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估。統(tǒng)計(jì)各個(gè)模式對(duì)3次弱降水過(guò)程的空?qǐng)?bào)、漏報(bào)情況表明：對(duì)于7月10～15日、8月2～10日，空?qǐng)?bào)率高于漏報(bào)率，即預(yù)報(bào)等級(jí)和范圍均偏大。而對(duì)于9月5～7日，漏報(bào)率高于空?qǐng)?bào)率，即預(yù)報(bào)等級(jí)和范圍偏小。總體而言，日本模式正確率較高，其次是歐洲模式，詳見(jiàn)表2。

表2 4種數(shù)值模式對(duì)太湖流域3次弱降水過(guò)程面雨量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文檢驗(yàn)了中央、日本、上海、歐洲4種模式對(duì)2016年汛期(5～9月)太湖流域雨量預(yù)報(bào)效果，并選取了5次強(qiáng)降水過(guò)程和3次弱降水過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)估，結(jié)論如下：

(1) 4種模式預(yù)報(bào)效果隨降水等級(jí)(小雨、中雨、大雨、暴雨)增大而下降：TS評(píng)分隨降水等級(jí)增大而逐漸降低，而空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率卻逐級(jí)上升，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)，各個(gè)模式面雨量預(yù)報(bào)效果呈下降趨勢(shì)；各個(gè)模式對(duì)小雨、中雨的預(yù)報(bào)存在預(yù)報(bào)范圍和等級(jí)偏大的現(xiàn)象，而對(duì)大雨和暴雨的預(yù)報(bào)則存在預(yù)報(bào)范圍和等級(jí)偏小的現(xiàn)象；歐洲模式最優(yōu)，上海模式次之，日本模式最差。

(2) 歐洲模式預(yù)報(bào)漏報(bào)率較低，對(duì)無(wú)降水預(yù)報(bào)的成功率較高，因此對(duì)無(wú)降水有一定的指示意義；日本、上海模式預(yù)報(bào)空?qǐng)?bào)率較低，對(duì)降水有一定的指示意義，即預(yù)報(bào)未來(lái)有降水，出現(xiàn)降水的可能性較大。

(3) 中央模式對(duì)典型強(qiáng)降水過(guò)程的評(píng)分與正確率較高，其次是歐洲模式與上海模式。日本模式對(duì)典型弱降水過(guò)程正確率較高，其次是歐洲模式。

[1] 關(guān)月. 2016年6-8月T639、ECMWF及日本模式中期預(yù)報(bào)性能檢驗(yàn)[J].氣象, 2016, 42(11):1410-1417.

[2] 梁瑞駒, 程文輝, 蔡文祥, 等. 太湖流域水文數(shù)學(xué)模型[J].湖泊科學(xué), 1993, 5(2):99-107.

[3] 劉兆飛, 王翊晨, 姚治君, 等. 太湖流域降水氣溫與徑流變化趨勢(shì)及周期分析[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2011, 26(9): 1575-1584.

[4] 劉瀏, 徐宗學(xué). 太湖流域洪水過(guò)程水文—水力學(xué)耦合模擬[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)報(bào)), 2012,48(5):530-536.

[5] 劉靜,葉金印, 張曉紅,等. 淮河流域汛期面雨量多模式預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估[J]. 暴雨災(zāi)害, 2014, 33(1): 58-64.

2017-08-02

水利部公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)——城鎮(zhèn)化快速發(fā)展背景下太湖流域防洪關(guān)鍵問(wèn)題研究項(xiàng)目(201501014)

吳娟，女，太湖流域管理局水文局(信息中心)，工程師，碩士.

1006-0081(2017)10-0022-03

P426.6

A

(編輯唐湘茜)