2016年夏季DOGRAFS系統站點24 h降水量級預報檢驗

李 曼，琚陳相，辛 渝，杜 娟，馬玉芬，馬秀梅

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊830002）

降水是氣象預報預測業務中的重要要素，也是社會公眾最為關心的氣象要素[1]。隨著社會各個領域對降水預報的要求越來越高，傳統的晴雨預報已無法滿足需求，需要提供高時空分辨率、定量化、更精準的降水預報產品。新疆地處干旱半干旱區，復雜的“三山夾兩盆”地形（北部阿爾泰山、中部天山、南部昆侖山，北疆準噶爾盆地、南疆塔里木盆地）使新疆降水具有獨特的分布特征[2-4]，例如北疆降水多于南疆、西部降水多于東部、山區降水多于盆地等等，進一步增大了新疆區域精細化定量降水預報的難度。

隨著數值預報技術的發展，模式表現出對客觀定量降水的巨大潛力，已經成為目前天氣預報業務領域中不可替代的可用參考預報方法[5-8]。由于定量降水提供的是一段時間內的總降水量，其準確度受到降水發生位置、移動方向、持續時間等諸多因素的影響[1，9]，加之模式的初始條件、邊界條件、物理過程、復雜下墊面以及模式框架自身設計不足等諸多因素產生的不確定性，模式降水預報與實況始終存在一定偏差[10-12]。不同模式在不同地區，對降水預報的系統性誤差方面表現各異[13-14]，有必要對本地區域數值預報系統的降水性能進行時空上定量的檢驗和評估，為降水偏差訂正方法和集合預報技術研究做鋪墊[15-17]。烏魯木齊區域數值天氣預報系統DOGRAFS（Desert-Oasis-GobiRegionalAssimilation and Forecast System）前身為新疆快速更新循環同化數值預報系統XJ-RUC，經過參數化方案優選優化、同化方案優選等本地化工作，2014年升級并更名，2015年底通過中國氣象局業務化評審，現行版本為1.0。該系統為全疆區、地、縣氣象部門以及國家電網等業務單位提供精細化預報產品，在實際預報預測業務中得到廣泛應用。目前對DOGRAFS系統的檢驗多針對2 m溫度和地面風場[18-19]，也有基于TS評分的逐6 h降水的檢驗[20-21]，未對站點逐日不同量級降水的定量預報性能做綜合評估。因此本文針對烏魯木齊區域數值天氣預報系統在2016年夏季各站點逐日24 h累積降水量的預報性能進行統計檢驗。

1 資料和方法

DOGRAFS v1.0基于WRF v3.5.1和WRFDA v3.5.1搭建，采用三重嵌套網格（27/9/3 km），9 km水平分辨率區域覆蓋全疆，文中主要對9 km區域預報產品進行分析；垂直方向采用滓坐標共40層，模式層頂為100 hPa。模式主要采用WSM6微物理參數化方案、KF積云參數化方案、ACM2邊界層參數化方案、RRTM輻散方案和Noah陸面過程，每日運行4次（08時、14時、20時、02時）（北京時間，下同），其中08時和20時為冷啟、預報時效84 h，為新疆氣象臺等業務部門提供預報產品。

實況資料為2016年6月1日—8月31日每天08時—08時的全疆105個站（站點分布見圖1）24 h累積降水，預報結果為與實況對應的前一日08時和20時起報的相應預報時段的24 h累積降水。文中將前一日08時起報的預報結果定義為提前24 h預報，將前一日20時起報的預報結果定義為提前12 h預報。例如：實況為2016年6月2日08時—3日08時累積降水量，提前24 h預報指的是2016年6月1日08時起報的24耀48 h累積降水量，提前12 h預報指的是2016年6月1日20時起報的12耀36 h累積降水量。

圖1 檢驗站點及地形高度（單位：m）

DOGRAFS v1.0生成的產品均為格點預報產品，首先利用反距離權重法[22-23]將網格預報值插值到圖1中的105個觀測站點上生成預報值，再與觀測值進行對比檢驗，分別檢驗各個站點92個樣本中晴天預報正確率，不同量級降水（根據新疆降水量級標準的劃分[24]，24 h降水量逸6.1 mm為中雨，逸12.1 mm為大雨，逸24.1 mm為暴雨）的正確率、漏報率、報強率和報弱率，其中正確率是指預報降水量級與實況相一致的比率；漏報率是指實況出現降水、模式未預報出降水的比率；報強率是指實況出現降水、模式預報降水量級大于實況的比率；報弱率是指實況出現降水、模式預報也出現降水但降水量級小于實況的比率。

2 降水量級預報性能

根據24 h累積降水實況統計出全疆105個站點2016年夏季晴天日數和各量級降水日數（圖2），從結果上可以看出，塔城、博州、伊犁、天山山區及其兩側、阿克蘇、克州降水日數較高，晴天日數大部分小于65 d；大雨及以上量級降水主要出現在天山山區及其兩側、南疆西部山區、北疆局部，與新疆降水空間分布特征相一致。2016年夏季全疆只有3個站點24 h累積降水量達到大暴雨，分別是尼勒克（1 d）、天池（3 d）、巴里坤（1 d）。巴州中南部、吐魯番和哈密大部分地區晴天日數在80 a以上；昭蘇和大西溝晴天日數最少（31 d和32 d）。

2.1 晴天預報性能

統計各個站點2016年夏季DOGRAFS系統對晴天的預報性能（圖3），可以看出除阿勒泰北部山區、塔城北部山區、西天山、中天山和南疆西部山區外，DOGRAFS系統兩個起報時次對晴天預報準確率均在85%以上，其中和田地區、巴州南部、吐魯番地區、哈密東部地區晴天預報準確率達到95%以上。比較兩個預報時次預報結果，可以看到提前12 h預報結果中，昌吉州北部地區、烏蘇—奎屯晴天預報準確率也在95%以上；提前12 h預報結果中巴州北部山區、南疆西部山區晴天預報準確率在50%左右，提前24 h預報結果中上述區域晴天預報準確率在40%左右；降水日數最多的昭蘇站晴天預報提前12 h預報準確率僅為25%，提前24 h預報準確率僅為15%，表明模式對該站空報率較高。烏魯木齊站提前12 h晴天預報準確率為92%，提前24 h晴天預報準確率為82%。整體來看，隨著預報時效的延長，DOGRAFS系統對全疆站點的晴天預報準確率有所降低。

2.2 降水量級預報性能

2.2.1 小雨

圖2 2016年夏季晴天天數和各個量級降水天數（單位：d）

圖3 模式各起報時次對2016年夏季晴天預報性能（單位：%）

從2016年夏季小雨出現日數統計結果上來看（圖2），北疆西部、天山山區及其兩側、南疆西部山區出現小雨的日數較多，大部分在25耀30 d，溫泉、大西溝和昭蘇站達到40 d；吐魯番盆地、巴州南部出現小雨日數小于10 d。統計各個站點2016年夏季DOGRAFS系統對小雨的預報性能（圖4）可以看到，兩個起報時次的預報結果中對降水出現較多的站點，預報準確率達到55%以上，部分站點準確率達到70%；對于降水較多的站點，DOGRAFS系統預報結果中存在一定的報強率，報強概率大體在15%左右；對于降水較少的和田、巴州南部、吐魯番盆地等地區DOGRAFS系統整體以漏報為主，漏報率在80%以上。對比兩個起報時次的預報結果可以看到，提前12 h預報結果在南疆西部地區的小雨預報準確率達到60%耀70%，提前24 h預報結果在該區域小雨預報準確率為40%耀45%；提前12 h預報結果對昌吉州、烏魯木齊地區小雨預報準確率僅為20%，提前24 h對該區域小雨預報準確率為40%耀45%；提前12 h預報結果在和田、巴州南部、吐魯番地區的漏報率低于提前24 h預報結果；提前24 h預報結果對伊犁地區小雨的報強率高于提前12 h預報結果。整體來看，對全疆站點的小雨降水來說，DOGRAFS系統提前12 h預報性能優于提前24 h預報。

2.2.2 中雨

本研究嚴格按照Delphi專家咨詢法,構建了一套科學、合理的康復專科護士核心能力評價指標體系，包括8個一級指標、21個二級指標和66個三級指標。專家對各個指標的意見具有高度的一致性，可信度高，同時具有一定的科學性和權威性，并且各指標的權重設置合理，為康復專科護士培養、資質認證和能力評價提供參考依據。本研究并未對指標內在品質進行研究，因此，對康復專科護士核心能力評價指標的信效度檢驗，將是下一步研究的重點內容。

從2016年夏季各站點中雨出現日數統計結果上來看（圖2），除巴州南部、和田、吐魯番地區外，全疆大部分站點在夏季都出現中量降水，塔城、博州、伊犁、天山山區及其兩側、南疆西部山區中雨日數在5 d及以上，其中昭蘇站13 d、中天山多個站點中雨日數達到10 d。統計DOGRAFS系統兩個起報時次對全疆各個站中雨預報的性能（圖5）可以看到，模式對北疆大部分地區和南疆西部山區的中雨預報準確率整體在30%左右，北疆中部及哈密中西部準確率在60%左右；對于伊犁、阿克蘇、喀什南部、巴州大部、阿勒泰地區模式主要以報弱為主，部分站點報弱率達到85%及以上；北疆沿天山山區一帶存在一定的漏報，漏報率在30%左右，提前12 h預報結果中漏報站點較多，對于喀什北部、和田、巴州東南部、吐魯番東部地區模式兩個起報時次主要以漏報為主；對于中雨出現較多的中天山及其兩側，模式預報結果中有20%左右的報強率，提前24 h預報結果在伊犁和博州地區也出現20%左右的報強率；整體來看兩個起報時次對全疆各個站點的中量降水預報性能相當。

2.2.3 大雨

從2016年夏季大雨出現日數統計結果上來看（圖2），大雨主要出現在塔城北部山區、博州、伊犁、天山山區及其兩側以及南疆西部部分地區，其中博州、伊犁和天山山區大雨日數在5 d左右，大雨日數較多的站點為新源（10 d）、特克斯（8 d）、大西溝（8 d），其余站點大雨日數在3 d以內。統計DOGRAFS系統兩個起報時次對各個站點大雨預報結果（圖6）可以看到，對于大雨日數出現較多的伊犁地區，提前24 h預報準確性優于提前12 h預報（昭蘇站大雨日數6 d，提前24 h準確預報出5 d），準確率達到30%；整體以報弱為主，無漏報，個別站點報強。對于中天山及其兩側，提前24 h預報準確率較高，在昌吉、烏魯木齊區域達到25%左右；兩個起報時次在巴州北部存在一定的漏報，漏報率在60%左右；整體仍以報弱為主。阿勒泰、塔城、博州、石河子地區整體以報弱為主，個別站點存在漏報。南疆西部地區，提前12 h預報準確率平均值約30%，優于提前24 h預報結果；對烏恰站基本漏報；整體仍以報弱為主。和田地區大雨均漏報，巴州南部盆地均報弱。

圖4 模式各起報時次對2016年夏季小雨預報性能（單位：%）

圖5 模式各起報時次對2016年夏季中雨預報性能（單位：%）

圖6 模式各起報時次對2016年夏季大雨預報性能（單位：%）

2.2.4 暴雨及大暴雨

2016年夏季24 h累積降水達到暴雨量級的站點主要出現在伊犁、博州、塔城局地、中天山山區及其兩側和克州北部山區，各站點暴雨日數多為1耀2 d。統計各個站點模式不同起報時次對暴雨的預報性能（表1）可以看出，DOGRAFS對暴雨的預報整體偏弱，未報降水的站點極少，報強的站點極少。提前12 h預報結果中能準確預報出5 d暴雨、1 d報強，這些站點大多位于伊犁地區；提前24 h預報結果中能準確預報出4 d暴雨，站點相對分散。

2016年夏季共3個站、5日出現大暴雨，兩個起報時次模式均預報的有降水，但量級均偏弱。

表1 模式各起報時次對2016年夏季暴雨預報性能%

報弱率霍爾果斯 1 0 0 0 100 0 0 0 100霍城 1 0 0 0 100 0 0 0 100察布查爾 1 0 0 0 100 0 100 0 0伊寧縣 1 0 0 0 100 0 0 0 100新源 1 100 0 0 0 100 0 0 0昭蘇 1 100 0 0 0 0 0 0 100小渠子 2 0 0 0 100 0 0 0 100大西溝 2 0 0 0 100 0 0 0 100米泉 1 0 0 0 100 0 0 0 100烏魯木齊 1 0 0 0 100 0 0 0 100牧試站 1 0 0 0 100 0 0 0 100天池 3 33 0 0 67 0 0 0 100蔡家湖 1 0 0 0 100 0 0 0 100昌吉 1 0 0 0 100 0 0 0 100阜康 1 0 0 0 100 0 0 0 100吉木薩爾 1 0 0 0 100 0 0 0 100奇臺 1 0 0 0 100 0 0 0 100木壘 1 0 0 0 100 0 0 0 100巴侖臺 2 0 0 0 100 0 0 0 100巴音布魯克 2 0 0 0 100 100 0 0 0和碩 1 0 0 0 100 0 0 0 100尉犁 1 0 100 0 0 0 0 0 100庫爾勒 1 0 0 0 100 0 0 0 100新和 2 0 0 0 100 0 0 0 100沙雅 1 0 0 0 100 0 0 0 100烏什 1 0 0 0 100 0 100 0 0阿合奇 2 0 0 0 100 0 0 0 100吐爾尕特 1 0 0 0 100 0 0 0 100站名觀測出現日數提前12h預報 提前24h預報正確率漏報率報強率報弱率正確率漏報率報強率

2.2.5 烏魯木齊站降水預報性能

表2 模式各起報時次對2016年夏季烏魯木齊站降水的預報性能 %

3 結論

本文對烏魯木齊區域數值天氣預報系統DOGRAFS v1.0在2016年夏季全疆105個站點的24 h累積降水量的預報性能進行統計檢驗，分別檢驗各個站點92個樣本中晴天預報正確率，不同量級降水的正確率、漏報率、報強率和報弱率，主要結論如下：

（1）除中天山山區、南疆西部山區外，全疆晴天預報準確率達到85%以上，其中和田地區、巴州南部、吐魯番地區、哈密東部地區晴天預報準確率達到95%以上。降水日數最多的昭蘇站空報率明顯，提前12 h晴天預報準確率為25%，提前24 h晴天預報準確率僅為15%。提前12 h預報結果對中天山北側地區晴天預報準確率也達到95%以上，整體預報性能優于提前24 h預報。

（2）對于小雨出現較多的站點，DOGRAFS系統預報準確率達到55%以上、部分站點達到70%，系統對上述區域的預報存在15%左右的報強率；對于降水較少的和田、巴州南部、吐魯番盆地等地DOGRAFS系統整體以漏報為主，漏報率在80%以上。整體來看，提前12 h預報性能較優。

（3）DOGRAFS系統對北疆大部分地區和南疆西部山區的中雨預報準確率整體在30%左右，中雨日數較多的中天山及其兩側準確率在60%左右，該區域也存在20%左右的報強率；對于伊犁、阿克蘇、南疆西部地區模式主要以報弱為主；和田地區大部分為漏報。整體來看，兩個預報時次的預報性能相當。

（4）大雨及以上量級降水，DOGRAFS系統整體表現為預報降水偏弱，無明顯漏報，對于降水出現較多的地區，如伊犁、中天山山區及其兩側，預報平均準確率為25%耀30%。

參考文獻：

[1]畢寶貴，代刊，王毅，等.定量降水預報技術進展[J].應用氣象學報，2016，27（5）：534-549.

[2]陳春艷，王建捷，唐冶，等.新疆夏季降水日變化特征[J].應用氣象學報，2017，28（1）：72-85.

[3]張家寶，鄧子風.新疆降水概論[M].北京：氣象出版社，1987.

[4]李如琦，唐冶，蔡仁，等.新疆夏季降水的區域特征分析[J].新疆氣象，2007，1（5）：15-17.

[5]王雨.2004年主汛期各數值預報模式定量降水預報評估[J].應用氣象學報，2006，17（3）：316-323.

[6]曾智華，馬雷鳴，梁旭東，等.MM5數值預報引入GRAPES三維變分同化技術在上海地區的預報和檢驗[J].應用氣象學報.2004，15（2）：534-542.

[7]孫婧，程光光，張小玲.一種改進的數值預報降水偏差訂正方法及應用[J].應用氣象學報，2015，26（2）：173-184.

[8]程錦霞.2013年5月河南一次大暴雨成因分析及數值預報檢驗[J].氣象與環境科學，2014，37（2）：42-48.

[9]Golding BW.Quantitative precipitation forecasting in the UK[J].J.Hydrol，2000，239：286-305.

[10]王雨，閆之輝.2004年汛期（5-9月）主客觀降水預報檢驗[J].熱帶氣象學報，2006,22（4）：331-339.

[11]周慧,崔應杰,胡江凱,等.T639模式對2008年長江流域重大災害性降水天氣過程預報性能的檢驗分析[J].氣象,2010,36（9）：60-67.

[12]熊秋芬.GRAPES_Meso模式的降水格點檢驗和站點檢驗分析[J].氣象,2011,37（2）：185-193.

[13]陳博宇,待刊,郭云謙.2013年汛期ECMWF集合統計量產品的降水預報檢驗與分析 [J].暴雨災害,2015,31（1）：64-73.

[14]張宏芳,潘留杰,楊新.ECMWF、日本高分辨率模式降水預報能力的對比分析 [J].氣象,2014,40（4）：424-432.

[15]吳啟樹,韓美,劉銘,等.基于評分最優化的模式降水預報訂正算法對比[J].應用氣象學報,2017,28（3）：306-317.

[16]李莉,李應林,田華,等.T213全球集合預報系統性誤差訂正研究[J].氣象,2011,37（1）：31-38.

[17]Krishnamurti TN,Kishtawal CM.Improved weather and seasonal climate forecasts from multimodel superensemble[J].Science,1999（285）：1548-1550.

[18]辛渝,湯劍平,趙逸舟,等.模式不同分辨率對新疆達坂城—小草湖風區地面風場模擬結果的分析 [J].高原氣象,2010,29（4）：884-893.

[19]李淑娟,于曉晶,琚陳相,等.DOGRAFS溫度和風場的預報檢驗[J].沙漠與綠洲氣象,2014,8（6）：1-10.

[20]杜娟,于曉晶,辛渝,等.烏魯木齊區域數值預報業務系統降水預報檢驗與評估分析 [J].沙漠與綠洲氣象,2016,10（6）：31-40.

[21]李曼,杜娟,辛渝,等.2016年烏魯木齊區域數值天氣預報系統預報性能客觀檢驗 [J].沙漠與綠洲氣象,2017,11（5）：46-52.

[22]李新,程國棟,盧玲.空間內插方法比較[J].地球科學進展,2000,15（3）：260-265.

[23]Watson,DF and Philip GM.A Refinement of Inverse Distance Weighted Interpolation [J].Geo-Processing,1985,2（2）：315-327

[24]肖開提·多萊特.新疆降水量級標準的劃分 [J].新疆氣象,2005,28（3）：7-8.