ECMWF高分辨率數值模式對廣安地區暴雨預報性能檢驗分析

王 平

(四川省廣安市氣象局，四川 廣安 638500)

1 引言

暴雨是一種多發性的災害性天氣，常引發城市內澇、山洪、泥石流等次生災害，造成人民生命財產的巨大損失。數值預報產品的檢驗是天氣預報科研和業務中的重要環節，利用科學有效的方法，結合預報業務規范要求，對數值預報產品進行檢驗分析，為預報員科學使用數值預報產品提供重要參考依據，從而對災害性天氣做出準確預報和決策服務提供有力支撐[1-3]。

ECMWF發展迅速，是一線天氣預報員的主要參考工具。國內外專家對ECMWF降水預報研究分析做了大量工作[4-5]。龍柯吉[6]等利用EC集合預報極端降水指數的閾值，研究了四川盆地夏季暴雨落區的預報，通過合適的閾值選取，提高了暴雨落區的預報技巧；翟振芳[7]等對安徽地區ECMWF數值模式降水的預報性能進行檢驗，結果表明ECMWF模式僅對72h時效內暴雨有較小的預報技巧。

2015年1月14日起ECMWF產品數據升級，時間分辨率和空間分辨率進一步精細化。目前，對升級后的ECMWF暴雨預報性能檢驗的研究較少。本文通過對升級后的ECMWF降水資料在廣安地區暴雨天氣中的預報性能進行檢驗，分析預報性能和訂正方法，以期提高暴雨預報質量，為以后的預報服務提供有效的參考。

2 資料與方法

2.1 資料

本文使用資料分為2類：第1類為實況資料，包括：2015—2017年廣安地區4個國家觀測站和160個區域自動站24 h累計降水(08—08時或20—20時)。第2類為數值預報資料，包括：ECMWF地面降水產品；預報時效3～72 h，時間分辨率3 h；預報時效72～240 h，時間分辨率6 h；空間分辨率0.125°×0.125°。

2.2 檢驗方法

格點資料與站點資料匹配采用插值原則，即分別對4個國家觀測站點周圍4個格點的格點數據插值到站點，每個站點的格點預報值的權重系數為該格點距站點距離的倒數。

由于自動站資料不斷在業務中得到運用，只使用國家觀測站對暴雨天氣預報進行考核已不再適用，所以四川省氣象部門重新修訂了暴雨天氣預報質量評定辦法，本辦法將區域自動氣象站納入考核，對區域暴雨進行評定。暴雨檢驗和評定按照《四川省短期暴雨天氣預報質量評定辦法(試行)》。具體如下：單個考核站點按照表1進行評分，暴雨預報評分為Q。縣(市)區域評分計算方法：

(1)

(2)

按照各自區域內的縣(市)區域進行評分，T1、T2、T3…TNA為短期暴雨天氣預報中縣(市)、區域的預報質量評分，NA為短期暴雨天氣預報中縣(市)個數，NC為漏報縣(市)個數。廣安地區4個考核縣(市)，查漏以2個縣(市)計算。

表1 暴雨預報質量評分表(適用于四川盆地各市及涼山州、攀枝花市)Tab.1 The quality score of rainstorm case forecast (suitable for cities in Sichuan Basin, Liangshan Prefecture, and Panzhihua)

為進一步提高檢驗結果的業務適用性，增加中期質量評定，評定方法參照短期評定辦法。同時，暴雨發生的時間、強度和落區等是預報的重點，檢驗時，由于評定辦法的規定，不能全面反應暴雨天氣過程的實際情況。為彌補這方面的不足，結合一線預報業務的實際，在具體檢驗時，加入時間、強度和落區等方面的分析，從而進一步豐富預報性能的檢驗內容。

3 預報性能檢驗

3.1 客觀評定檢驗

表2匯總了2015—2017年的14次暴雨天氣個例的ECMWC中、短期預報及質量評定結果。其中，實況平均雨量為4個國家觀測站和160個區域自動站共計164個站點雨量的算術平均，預報平均雨量為4個預報插值站點雨量的算術平均。預報時均以ECMWF預報結果進行預報，即雨量R<50 mm，不預報暴雨；R≥50 mm，按不同量級預報暴雨、大暴雨或特大暴雨(下同)。

表2 2015—2017年廣安地區14次暴雨預報質量評定表Tab.2 The quality scores of 14 rainstorm cases forecast for Guang'an city during the period 2015—2017

評定結果表明：以ECMWF結果進行預報，中、短期預報評分分別為47.8和45.8；漏報方面，當預報暴雨R≥50 mm時，無漏報；未預報暴雨R<50 mm時，中、短期預報均出現7次漏報，分別占比50%。如2016年7月18—19日的暴雨；中、短期預報較實況量級偏小。空報：當預報雨量R≥50 mm時，無空報。

3.2 訂正條件分析

通過客觀評定檢驗可知，直接以ECMWF結果進行預報，預報評分較低，漏報率高；ECMWF未預報暴雨，即預報中、大雨時，亦可能出現暴雨天氣。如2016年7月18—19日的暴雨，中、短期均預報中雨量級，預報暴雨，則評分為72.9；如未預報暴雨，則漏報。因此，需進一步分析降水的預報和評定之間的對應關系，進行訂正預報。

2015—2017年ECMWF預報了34次中雨(R≥10 mm)及以上量級降水天氣，對應廣安地區4個預報插值站點，即共計136站/次降水個例。圖1對預報降水進行分段評分檢驗，由圖可見，隨著降水量級的增大，中、短期預報評分均呈增長趨勢；當R≥25 mm時，中、短期評分均達到60以上；當預報暴雨，即R≥50 mm時，中、短期評分分別為89.8和85.7。

以上分析可知，當預報降水R≥25 mm時，預報評分較高，且評分隨降水量級的增大而增長。由于以預報降水R≥25 mm時進行暴雨預報，可能存在空報或漏報現象，因此，需要對預報降水R≥25 mm時的個例進行進一步分析。表3統計分析了2015—2017年廣安地區ECMWF中、短期預報降水R≥25 mm的降水個例預報質量評定情況，結果表明：當ECMWF中、短期均預報R≥50 mm時，或中期預報R≥25 mm、短期預報R≥50 mm時，評分高，無空、漏報，命中率100%；當中期預報R≥50 mm、短期預報R≥25 mm時，或中、短期均預報R≥35 mm時，評分高，空、漏報率低，命中率較高。因此，可將以上4種條件作為ECMWF暴雨預報的訂正指標。

圖1 2015—2017年136站/次預報降水分段評分檢驗圖Fig.1 The distribution of segmentation score for precipitation forecast of 136 stations /times during the period 2015—2017

中、短期預報量級/mm預報/次預報暴雨平均評分暴雨空報次數/次暴雨空報率/%暴雨漏報次數/次暴雨漏報率/%暴雨命中率/%中、短期均R≥50494.60000100中期R≥50、短期R≥25990.7222.20077.8短期R≥50、中期R≥25794.90000100中、短期均R≥252582.11248.017.152.0中、短期均R≥302084.9840.0214.360.0中、短期均R≥351491.7214.3214.385.7

3.3 訂正后評定檢驗

利用上述4種訂正方法，對14次暴雨進行訂正評定檢驗。表4匯總了訂正后的預報質量評定結果。可以看出，ECMWF中、短期預報評分分別為81.4和79.7，較未訂正時分別提升32.2和33.9；漏報率從50%降至14.3%，無空報，訂正效果明顯。

表4 2015—2017年廣安地區14次暴雨訂正后預報質量評定表Tab.4 The corrected evaluation of forecast quality for 14 rainstorm cases in Guang'an city during period 2015—2017

3.4 時間和落區檢驗

為進一步檢驗暴雨預報效果，結合實際預報工作，暴雨起始和結束時間以08時或20時為界，在12 h以內，判斷為一致；落區為廣安地區4個國家觀測站所在縣(市)。表5匯總了14次暴雨個例的基本特征、起始、結束時間、強降水時段和落區的檢驗，結果表明：ECMWF在暴雨的持續時間、強降水時段和落區預報中均有良好的預報指導意義。

表5 2015—2017年廣安地區14次暴雨時間和落區的短期預報統計表Tab.5 Short-term forecast of the start and end times, and falling area for the 14 rainstorm cases in Guang'an city during period 2015—2017

3.5 面雨量強度檢驗

暴雨的面雨量強度是預報和氣象決策服務的重點之一，面雨量能較好的反應暴雨強度的大小。通過對比分析預報和實況面雨量數據，進一步補充ECMWF暴雨預報性能的參考性。圖2匯總了14次暴雨個例的實況和預報面雨量的對比圖，結果表明：中、短期暴雨預報面雨量與實況量級均在相鄰量級或相同量級上。

圖2 2015—2017年14次暴雨實況與預報雨量對比圖Fig.2 Comparison between the real and forecast precipitation of 14 rainstorm cases during period 2015—2017

4 結論與討論

綜合檢驗分析結果，可以得到以下結論。

①客觀評定方面，直接以ECMWF暴雨預報結果進行暴雨預報，易出現漏報，評分質量較低，中、短期預報評分分別僅為47.8和45.8。

②以ECMWF預報結果為基礎，考慮以下訂正條件：ECMWF中、短期均預報R≥50 mm；中期預報R≥25 mm、短期預報R≥50 mm；中期預報R≥50 mm、短期預報暴雨R≥25 mm；中、短期均預報R≥35 mm。

③訂正評定方面，當ECMWF預報滿足任意訂正條件之一時，進行訂正預報暴雨，中、短期預報評分分別可以提高為81.4和79.7，漏報率低為14.3，無空報，命中率提高為85.7，因此以上訂正條件可有效提高預報質量。

④時間和落區方面，ECMWF在暴雨的持續時間、強降水時段和落區預報中均與實況較為吻合，具有良好的預報指導意義。

⑤面雨量強度方面，ECMWF預報暴雨面雨量與實況量級均在相鄰量級或相同量級上。

⑥ECMWF降水預報結果，對暴雨發生的時間、強度、落區預報具有較好的指示意義，對ECMWF預報結果進行訂正預報，可有效提高暴雨的評分和命中率，減少空、漏報。另外，由于暴雨存在空間分布不均勻性特征。ECMWC對預報暴雨極端降水的落區和強度仍存在不足，當ECMWF中、短期均預報大雨及以上時，預示著暴雨可能發生，預報員需根據其他方法和資料對暴雨極端降水進行補充預報。

⑦評定辦法取考核站點數k為該區域內對應考核站點數量的1/4站，而預報插值站點偏少，以一個預報站點代表一個縣(市)區域，導致覆蓋面偏小，不能全面反映區域內整體降水情況。應進一步優化預報工具，增加預報插值點，以充分反映本區域內降水情況，提供更全面的預報參考。