基于區域氣候模式RegCM4的長江流域降水預報效果分析

(長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

區域氣候模式RegCM誕生于美國國家大氣研究中心(NCAR)[1]，其理論框架主要是基于中尺度氣象模式MM4，并在此基礎上進行改進，使之具備短期氣候模擬的能力[2-3]。2010 年6月，意大利國際理論物理中心(ICTP)發布了第四代區域氣候模式RegCM4，該模式在第三代的基礎上做了較大的改進和變動，主要包括：針對原來的邊界層方案模擬的湍流垂直輸送過大進行修正，修正后的方案能夠更好地模擬邊界層變量并捕捉逆溫[4-5]；不同的積云參數化都有各自的優劣，RegCM4能夠將不同的積云參數化混合使用，使得各方案優勢得到互補；RegCM4新增了陸面方案clm 3.5，同時原有的陸面方案bat也有了調整，增加了兩種陸面類型，并進一步調整簡化版原始水汽方案[6-7]；原來Zeng海洋通量方案中的SST為海面上層的平均溫度，考慮到這段距離的冷卻或加熱，修正后的溫度更接近實際。ICTP開發的RegCM系列模式是全球最具代表性的區域氣候模式之一。該中心最新發布的RegCM 4.5模式在原有BATS陸面參數化方案的基礎上又增加了clm方案，包括clm 3.5和clm 4.5[8-9]。

本文評估檢驗區域氣候模式RegCM4在不同陸面參數方案下對長江流域降雨的預報能力，探討在不同時間段該模式對長江流域降水的預報能力的差別。

1 評分方法

評估模式預測效果通常采用模式評分的方法，該法可較全面地反映出預測結果的優劣。本文采用以下3種評分方法來分析區域氣候模式RegCM4的預測效果。

(1)距平符號一致率(P)反映了預測結果對氣候變化趨勢預測的準確率：

(1)

式中，N代表總站點數；Ni,j代表距平符號一致的站點數。

(2)空間距平相關系數(A)評分是預測與觀測的氣候距平之間位相誤差的度量：

式中，F代表模式預測場；O代表觀測場；C代表觀測氣候距平場。

(3)均方根誤差(R)反映預測和觀測變量之間的偏離程度：

(3)

同時，由于目前長期預報主要為趨勢預報，結合實際業務需求，本文還將就區域氣候模式RegCM4對長江流域11個分區的趨勢預報效果進行檢驗，若預測趨勢與實況趨勢一致，則為正確；若預測趨勢與實況趨勢相反，則為錯誤。

2 區域氣候模式RegCM4建立

建立區域氣候模式RegCM4。中心點：(29.5°N，106°E)；水平分辨率：長江流域30 km和全國60 km；網格數：200×240和100×120；垂直分層：23層和18層。全國的模擬區域設置為68～140°E，0～55°N(見圖1)，長江流域的范圍是22～35°N，90～122°E(見圖2)，初始場及邊界條件：EC-earth。陸面方案有3種，分別為bat、clm 3.5、clm 4.5。每月預報3次，分別為上旬的7號，中旬的17號，下旬的27號，對未來3個月的降雨進行預測。根據業務需要將長江流域劃分為11個區域，分別為金沙江、岷沱江、嘉陵江、長上干區、烏江、漢江上游、漢江中下游、長中干區、洞庭湖水系、長下干區和鄱陽湖水系。

圖1 模擬區域(全國)

圖2 模擬區域(長江流域)

3 長江流域的預測評估與檢驗

區域氣候模式RegCM4于2015年底開始正式運行，以下分別就該模式對于長江流域2016年及2017年的降水預測效果進行檢驗，主要分為2016年及2017年主汛期(6～8月)及2016年秋汛期(9～10月)兩個時段。

3.1 主汛期6～8月的評估分析

由表1可知，對2016年及2017年主汛期(6～8月)降水，clm 3.5陸面方案的P評分為62.54及63.25，均高于其余兩個陸面方案的評分結果，clm 4.5陸面方案的P評分略低于clm 3.5陸面方案的P評分，bat陸面方案的P評分最低。這說明clm 3.5陸面方案對長江流域夏季降水的預測效果最好，clm 4.5方案次之，bat陸面方案的預測效果最差。由空間距平相關系數評分A和均方根誤差評分R得到與P評分相同的結論。

表1 2016及2017年6～8月模式對長江流域降水評分

將2016年主汛期6～8月區域氣候模式RegCM4的預測結果進行趨勢檢驗，每月各旬的預測結果均檢驗一次，所得結果如表2所示。由表2看出，2016年5月上旬對6～8月的預測結果，bat陸面方案的結果總體較差，且僅對烏江、漢江中下游、長江中游干流附近及洞庭湖水系的趨勢預報正確。clm 3.5的陸面方案的預測結果優于bat陸面方案的預測結果，對長江上游的預測效果要優于長江中下游。而clm 4.5的陸面方案的預測效果最好，除長上干區、長下干區及鄱陽湖水系的趨勢預報錯誤之外，其余均正確。總而言之，這3種陸面方案對長江下游的預報效果均較差，bat陸面方案對上游的預報效果較差，clm4.5的陸面方案對長江上中游及漢江的預報效果最優。

就2016年5月中旬對6～8月的預測結果而言，bat陸面方案的結果總體較差，且僅對烏江、漢江中下游、長江中游干流附近及兩湖水系的趨勢預報正確。clm 3.5及clm 4.5陸面方案的預測效果相當，均優于bat陸面方案的預報效果，這兩種陸面方案除長上干區、長下干區及鄱陽湖水系的趨勢預報錯誤之外，其余均正確。5月中旬的預測，這3種陸面方案對長江下游的預報效果均較差，bat陸面方案對上游的預報效果較差，clm 3.5及clm 4.5的陸面方案對長江上中游及漢江的預報效果均較好。

就2016年5月下旬對6～8月的預測結果而言，bat陸面方案對長江上游及漢江上游的預報效果較差，對長江中下游的預報效果較好。clm 3.5的陸面方案對長江上游的預報效果優于bat陸面方案的預報效果，但對于長江中下游的預報效果較差，并且clm 3.5的陸面方案及clm 4.5的陸面方案的預報效果大體相當，對長江上游的預測效果要優于長江中下游。

表2 2016年長江流域6～8月各區降水預測與實況的趨勢檢驗統計 mm

表3 2017年長江流域6～8月各區降水預測與實況的趨勢檢驗統計 mm

表3為2017年5月上、中、下旬區域氣候模式RegCM4對2017年主汛期6～8月長江流域各分區降雨趨勢預測檢驗結果。由表2的結果看出，從2017年5月上旬的預測來看，clm 3.5陸面方案的預報效果優于其余兩個陸面方案，且對長江上中游及漢江的預報效果較好，對長江下游干流及兩湖水系的預報效果較差。bat陸面方案對流域的預報效果最差，clm 4.5陸面方案對長江上游的預報效果較好，對漢江及長江中下游的預報效果較差。從2017年5月中旬的預測結果可以看出，clm 3.5及clm 4.5這兩種陸面方案的預報效果基本相當且對長江上游及漢江的預報效果較好，對長江下游干流及兩湖水系的預報效果較差，bat陸面方案的預報效果最差，僅對長江上游干流、烏江及洞庭湖水系的趨勢預報正確，其余均預報錯誤。從2017年5月下旬的預測可以看出，clm 3.5及clm 4.5這兩種陸面方案的預報效果基本相當，且對長江上游及漢江的預報效果較好，對長江下游干流及兩湖水系的預報效果較差。bat陸面方案的預報效果也為最差。

3.2 秋汛期9～10月的評估分析

由表4可知，對2016年秋汛期(9～10月)降水，bat陸面方案的P評分為 64.51，遠高于其余兩個陸面方案的評分結果，這說明9～10月bat陸面方案對長江流域季降水的預測效果最好。由空間距平相關系數評分A和均方根誤差評分R得到與P評分相同的結論。

表4 2016年9～10月模式對長江流域降水評分

表5為2016年7月上、中及下旬區域氣候模式RegCM4對2016年秋汛期9～10月長江流域各分區降雨趨勢預測檢驗結果。考慮到實際業務需求，9～10月檢驗主要針對長江上游及漢江。由表5的結果看出，對長江上游而言，7月上旬、中旬的預報bat陸面方案的預報效果最好，clm 3.5及clm 4.5的陸面方案效果較差。7月下旬的預報結果，clm 4.5陸面方案的預報效果要優于其余兩個陸面方案。對漢江而言，這3種陸面方案的預報效果均較差。

表6為2016年8月上、中、下旬區域氣候模式RegCM4對2016年秋汛期9～10月長江流域各分區降雨趨勢預測檢驗結果。由表6的結果看出，對長江上游而言，8月上、中、下旬的預報均為bat陸面方案的預報效果最好，要優于clm3.5及clm4.5這兩個陸面方案。對漢江而言，這3種陸面方案的預報效果均較差。

4 結 論

(1)總體而言，2016年與2017年主汛期6～8月，從3種評分結果來看，clm3.5陸面方案的預報效果最好，clm4.5的陸面方案預報效果次之，均明顯優于bat陸面方案。

(2)從趨勢檢驗來看，6～8月，clm3.5陸面方案的預報效果與clm4.5的陸面方案預報效果相當，均明顯優于bat陸面方案的預報效果。且bat陸面方案對長江上游及長江下游的預報效果較差，對長江中游的預報效果較好。clm3.5及clm4.5陸面方案均對長江上中游、漢江的預報效果較好，對長江下游的預報效果較差。按預報起始時間來看，中下旬的預報效果優于上旬的預報效果。

(3)秋汛期9～10月，從3種評分結果來看，bat陸面方案的預報效果最好，明顯優于clm3.5及clm4.5這兩種陸面方案。

(4)從趨勢檢驗來看，9～10月，對長江上游的的預報，bat陸面方案的預報效果要優于clm3.5及clm4.5這兩種陸面方案。對漢江流域的預報，這3種陸面方案的效果均較差。且8月份的預報效果總體比7月份的預報效果好。

表5 2016年長江流域9～10月各區降水預測與實況的趨勢檢驗統計(7月預報) mm

表6 2016年長江流域9～10月各區降水預測與實況的趨勢檢驗統計(8月預報) mm