基于全國站點的日降水預報消空方法研究

王姝蘇　李敏　丁偉　顧浩

摘要? ? 利用ECMWF、GRAPES_GFS、GRAPES_MESO、JAPAN 4個模式1～3 d日降水量預報結果，并以2 402個國家地面氣象觀測站24 h累計降水量作為觀測資料，基于全國站點進行降水預報的消空處理，并與直接插值到站點的模式降水預報值進行對比。結果表明，經過消空處理后，各個模式不同時間起報、不同預報時效無雨空報的現象相比直接插值都得到明顯改善，因為晴雨預報準確率更高，空報率更低;20：00起報的直接插值空報現象更嚴重，消空處理后空報現象少于8：00起報的;GRAPES_MESO是4個模式中直接插值空報現象最少的，直接插值空報現象相對較多的模式經過消空處理后空報現象改善也更明顯。

關鍵詞? ? 日降水;站點;晴雨預報準確率;空報率;消空

中圖分類號? ? P457.6? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）09-0201-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

數值預報在氣象預報業務中發揮著越來越重要的作用，成為預報員日常預報不可或缺的參考產品。相比其他要素，降水存在不連續性、非正態分布的特點，因而一直是預報中的重點和難點，同時也是生產生活關注的熱點[1-3]。數值模式的降水預報結果常存在空報、漏報的現象，影響了預報的準確率[4-6]。

對數值預報結果進行統計后處理，可以較大程度地提高預報技巧[7-8]。王亞男等[9]利用統計降水尺度方法有效改進了TIGGE各中心模式直接插值的日降水量預報效果。李? 俊等[10]基于AREM模式預報產品，研究發現頻率匹配法能顯著改善模式日降水預報中雨量和雨區范圍的系統性偏差，訂正后降水預報的范圍和平均強度與實況更加接近。劉綠柳等[11]采用百分位訂正方法對全球氣候模式（GCM）輸出的日降水量進行了處理，減小了降水量偏差。王佳津等[12]基于T639模式建立最優多因子降尺度降水預報模型，發現對日降水量的預報效果優于T639模式直接輸出的結果。

“有雨或無雨”的定性降水預報在天氣預報中備受關注，本文針對模式預報存在的無雨空報現象進行研究，運用預報中常用的4種數值模式預報產品，通過消空處理，提高“有雨或無雨”的定性降水預報技巧。

1? ? 資料與方法

1.1? ? 資料來源

本文采用的預報資料是ECMWF、GRAPES_GFS、GRAPES_ MESO、JAPAN 4個模式24 h累計降水量預報，預報時段取2018年5月1日至9月30日，起報時間為8：00和20：00（北京時間），預報時效為24～72 h，預報間隔24 h，空間范圍取東經70°～140°、北緯15°～55°，空間分辨率依次分別為0.125°×0.125°、0.25°×0.25°、0.1°×0.1°、0.5°×0.5°。

觀測資料是全國范圍內2 402個國家地面氣象觀測站24 h累計降水量，觀測時段取與預報資料相對應的2018年5月2日至10月3日的8：00和20：00。

1.2? ? 研究方法

1.2.1? ? 消空方法。對于每個站點，將模式預報值與實況值進行比較，統計無雨日的模式雨量，按大小排序，選取一個臨界值，雨量低于臨界值設為無雨。為了有效減少無雨空報的現象，并使處理后的漏報也盡量減少，本文選取雨量臨界值使無雨空報現象減少90%。消空處理方法主要是針對小雨空報問題，并不會影響其他量級降水的預報結果。

1.2.2? ? 檢驗方法。

式中：PC為晴雨預報準確率，NA為降水預報正確的站（次）數，NB為空報的站（次）數，NC為漏報的站（次）數，ND為無降水預報正確的站（次）數。

式中：FAR是降水空報率，NA是預報正確的站（次）數，NB是空報的站（次）數。

2? ? 結果與分析

將4個模式的降水預報值利用雙線性插值的方法統一插值到全國2 402個國家地面氣象觀測站點上，然后利用消空方法對模式預報值進行處理，并與直接雙線性插值的預報結果進行對比，計算晴雨預報準確率，結果如圖1所示。由圖1可以看出，4個模式直接插值到站點的預報結果與觀測資料相比，晴雨預報準確率各有差異，GRAPES_MESO在各個預報時效的晴雨預報準確率均相對較高，ECMWF和GRAPES_GFS的晴雨預報準確率比較相近;8：00起報的4個模式晴雨預報準確率在1～3 d預報時效均高于20：00起報的;GRAPES_MESO和JAPAN模式隨著預報時效的延長，晴雨預報準確率不斷減小，而且JAPAN在24 h預報時效的晴雨預報準確率明顯高于48 h和72 h，而ECMWF和GRAPES_GFS 2個模式晴雨預報準確率在各個預報時效相差不大。經過消空處理后，4個模式8：00和20：00起報的晴雨預報準確率在各個預報時效都有明顯的提高，20：00起報的晴雨預報準確率提高程度均大于8：00起報的。GRAPES_MESO經過消空處理后，晴雨預報準確率的提高程度是4個模式中最小的，但晴雨預報準確率仍然是4個模式中最高的。

為了進一步研究消空處理對降水空報現象的改進情況，圖2分別計算了4個模式8：00、20：00起報的直接插值和消空處理后無雨的空報率。將直接插值的預報結果與觀測資料進行對比，4個模式8：00起報的降水空報率均小于20：00起報的;GRAPES_MESO是4個模式中空報率在各個預報時效都相對最小的，ECMWF和GRAPES_GFS的空報率在各個預報時效都比較接近，JAPAN在24 h預報時效的空報率明顯小于48 h和72 h預報時效的。經過消空處理，4個模式8：00、20：00起報的降水空報率都在20%上下，相比直接插值在各個預報時效也都有了明顯的減小，空報現象得到了較大的改善;直接插值空報率相對較高的模式經過消空處理，空報率的減小幅度也相對更大。

3? ? 結論

本文利用消空方法對ECMWF、GRAPES_GFS、GRAPES_ MESO、JAPAN 4個模式8：00和20：00起報的日累計降水量進行了處理，并與直接插值到站點的模式預報值進行對比，得出以下結論。

（1）經過消空處理后，各個模式相比直接插值，不同時間起報、不同預報時效的晴雨預報準確率都有了明顯的提高，無雨的空報率也明顯減小，無雨空報的現象得到了明顯的改善。

（2）總體來看，各模式在1～3 d預報時效20：00起報直接插值的空報現象相比8：00更嚴重，因為20：00起報的晴雨預報準確率更低，空報率更高;經過消空處理后，各個模式在大多數預報時效20：00起報的空報現象少于8：00起報的，20：00起報的空報改善情況比8：00更明顯。

（3）就直接插值結果看，GRAPES_MESO是4個模式中空報現象最少的，經過消空處理后，ECMWF是4個模式中空報現象最少的。直接插值空報現象相對嚴重的模式經過消空處理后的空報改善情況更明顯。

4? ? 參考文獻

[1] 智協飛，王姝蘇，周紅梅，等.我國地面降水的分級回歸統計降尺度預報研究[J].大氣科學學報，2016，39（3）：329-338.

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