岳陽市ECMWF數值模式降水預報檢驗與釋用

陳姣榮，曹向林，肖 平

(湖南省岳陽市氣象局，湖南 岳陽 414000)

0 引言

為了提高天氣預報的準確率，不少專家、學者基于不同數值模式、對不同地區的降水等要素開展了檢驗研究[1-3]。張宏芳等[4]對比分析了ECMWF模式和日本模式對降水的預報能力；熊秋芬[5]利用TS評分、預報偏差、ETS評分及TSS評分等方法檢驗了GRAPES_Meso模式在我國不同地區降水的預報效果和能力。還有一些專家對基于目標的降水檢驗和極端天氣的檢驗方法進行了研究和應用[6-9]。2013年以前，我國的天氣預報以24 h為單元進行TS預報評分檢驗，2013年開始，降水量預報將24 h單元分為兩段12 h進行檢驗。目前對于ECMWF數值預報模式以12 h降水為單元、針對湖南省不同地區、不同季節的預報檢驗研究不多，針對模式預報有微弱降水[10]時的檢驗研究更少。為了進一步了解ECMWF模式對岳陽市不同季節、不同時效及不同量級降水的預報能力，本文對ECMWF模式預報的2015年12月—2018年12月岳陽市降水場資料開展晴雨和分級降水檢驗；同時，通過對ECMWF模式預報岳陽市有微弱降水時的空報情況進行分析檢驗與預報訂正，力求提高預報質量和服務效果。

1 資料與方法

1.1 資料

資料來源于2015年12月—2018年12月ECMWF模式預報的降水場資料，插值到岳陽市6個國家氣象觀測站，時間分辨率為12 h，空間分辨率為0.125°×0.125°。ECMWF模式資料按08時起報和20時起報分別進行檢驗。目前湖南省重點考核120 h 時效內的城鎮天氣預報質量，故檢驗時效也統一為0～120 h。2015年12月—2018年12月的實況降水資料分夜間(20時—翌日08時)和白天(08—20時)兩個時段，來源于岳陽市6個國家氣象觀測站。4個季節的劃分：12月—次年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月秋季。

根據《中短期天氣預報質量檢驗辦法(試行)》(氣發[2005]109號)和《預報司關于印發中短期天氣預報質量檢驗工作改革方案的通知》(氣預函[2012]157號)及后續補充說明，本文中12 h降水量(白天和夜間時段)的等級按照24 h降水量分級標準劃分(表1)。

表1 降水等級劃分表Tab.1 The grade classification of precipitation

1.2 檢驗方法

根據《中短期天氣預報質量檢驗辦法(試行)》(氣發[2005]109號)進行預報檢驗。

晴雨預報正確率公式：

(1)

式(1)和表2中，PC為預報準確率；a為有降水預報正確的站(次)數；b為空報的站(次)數；c為漏報的站(次)數；d為無降水預報正確的站(次)數。

表2 晴雨(雪)檢驗分類Tab.2 Verifying classification of clear or rain(snow)

采用TS評分、漏報率和空報率對降水分級進行檢驗。公式分別為

TS評分：

(2)

漏報率：

(3)

空報率：

(4)

式(2)～式(4)和表3中，ak預報正確的站(次)數；bk為空報的站(次)數；ck為漏報的站(次)數。k取值為1～4，分別代表小雨、中雨、大雨和暴雨量級降水。

表3 降水預報檢驗分類Tab.3 Verifying classification of rainfall forecasting

檢驗ECMWF模式的預報偏差BIAS，計算公式為：

(5)

式(5)中，a為有降水預報正確的站(次)數；b為空報的站(次)數；c為漏報的站(次)數。BIAS為預報事件的發生頻率，不考慮預報的準確率。當無空報和漏報時(b=0，c=0)，BIAS=1，表示預報完全正確；當空報次數多于漏報次數時，BIAS>1，表示預報過度；當漏報次數多于空報次數時，BIAS<1，表示預報不足。

2 晴雨預報檢驗

2.1 全市晴雨預報準確率總體情況

圖1為2016—2018年岳陽市基于ECMWF細網格數值模式12 h分辨率(08時起報和20時起報綜合平均)的晴雨預報檢驗結果箱線圖。分析發現，總體來看：岳陽市0～120 h晴雨預報準確率在0.74～0.80之間；從不同時效上看，隨著時效的延長，晴雨預報準確率逐步下降，預報準確率在24 h最高(為0.80)，120 h最低(為0.74)。

圖1 2016—2018年岳陽市ECMWF數值模式總體晴雨預報效果檢驗Fig.1 Verification of overall clear rain effect of ECMWF model in Yue yang city from 2016 to 2018

從不同起報時次來看(圖2)，20時起報的準確率比08時起報的高，但差別不明顯(≤2%)；無論是20時起報還是08時起報，兩者任一時效的夜間時段(20—08時)的晴雨預報準確率均明顯優于白天時段(08—20時)，呈夜間高白天低波浪狀起伏；平均而言，對夜間晴雨預報準確率較白天高6%左右；預報時效越長準確率越低，兩個時次起報則較為一致。

圖2 2016—2018年岳陽市ECMWF數值模式不同起報時次晴雨預報效果檢驗Fig.2 Verification of clear rain effect of ECMWF model in Yueyang city from 2016 to 2018

2.2 月、季、年晴雨預報檢驗

從逐月晴雨預報準確率檢驗結果來看(表4)：12月最高，0～120 h準確率的算術平均值可達0.87，其中0～24 h準確率高達0.92；1月、2月、10月、11月為次高月份，0～120 h平均準確率在0.82～0.85；8月最低，0～120 h準確率的算術平均值為0.61，8月準確率最高也僅為0.73～0.77，均出現在兩個起報時次的24 h時效內的夜間時段，而白天時段內的晴雨預報準確率僅為0.44～0.53，且與時效的長短無明顯關系，這與岳陽地區8月份多局地性、陣性降水有一定關系；6月、7月次低，其他月份無明顯差異。

表4 2016—2018年岳陽市逐月ECMWF模式晴雨預報檢驗結果Tab.4 Monthly ECMWF clear rain forecast test results of Yueyang city from 2016 to 2018

從不同季節晴雨預報準確率檢驗結果來看(表5)：季節差異大，冬季最高，秋季次之，夏季最低。其中冬季48 h時效內的準確率為0.86以上，較其他季節均偏高；而夏季0～120 h時效內晴雨預報準確率均低于其他季節，且24 h時效內準確率不足0.7，預報效果較差。

表5 2016—2018年岳陽市各季ECMWF模式晴雨預報檢驗結果Tab.5 Inspection results of ECMWF model clear rain of seasons in Yueyang city from 2016 to 2018

從逐年晴雨預報準確率檢驗結果來看(表6)，2016—2018年晴雨預報性能總體較穩定，年際變化幅度較小。36 h時效內晴雨預報準確率均達到了0.81以上，其中2017年除96 h外各時效均略高于其他年份。

表6 2016—2018年岳陽市逐年ECMWF模式晴雨預報檢驗結果Tab.6 Annual test results of ECMWF model of clear rain in Yueyang city from 2016 to 2018

2.3 不同站點晴雨預報檢驗

從全市6個站點晴雨預報準確率來看(圖3)，同一預報時效的晴雨預報準確率最多相差3%。其中岳陽站0～120 h各時效準確率均明顯高于其他站，而不同時效預報準確率偏低的站點分布不均，24 h 時效內汨羅、湘陰最低，36 h、72 h華容最低，48 h、60 h、84 h平江最低，96 h、108 h汨羅最低，120 h 臨湘最低。從空間分布上看，岳陽市的北部縣市(岳陽、華容、臨湘)晴雨預報準確率略高于南部(湘陰、汨羅、平江)。

圖3 2016—2018年岳陽市ECMWF數值模式預報不同站點晴雨預報效果檢驗Fig.3 Verification of clear rain effect at different stations of ECMWF model forecast in Yueyang city from 2016 to 2018

3 降水分級檢驗

3.1 分級降水的TS評分

對2016—2018年岳陽市ECMWF模式的降水場資料進行分級檢驗，從不同起報時次的預報效果對比來看，與晴雨預報相同，即總體差別不大，20時起報的各時效各量級降水預報TS評分略高于08時起報(圖略)。從不同量級降水分級檢驗來看(表7)：小雨量級0～120 h時效的TS評分在0.34～0.50之間，均明顯高于其他量級的降水TS評分，其中0～60 h的TS評分均在0.40以上；中雨量級TS評分僅次于小雨量級，0～120 h時效的TS評分為0.16～0.33之間，且呈現出白天評分高于晚上的規律，這種規律在08時起報的檢驗結果中尤為明顯。大雨和暴雨以上量級的TS評分偏低，均在0.12以下，預報能力較低，尤其是暴雨，TS評分均在0.06以下，且無明顯規律，與大雨和暴雨以上量級樣本偏少有關。

表7 2016—2018年岳陽市ECMWF數值模式降水預報的降水分級檢驗結果Tab.7 Precipitation grading test results of ECMWF model precipitation prediction in Yueyang city from 2016 to 2018

3.2 分級降水的空報率和漏報率

對2016—2018年岳陽市ECMWF模式的降水場資料小雨、中雨和大雨3個量級降水的空報率和漏報率進行統計(圖4)。結果表明：隨著量級的增大和時效的延長，空報率均呈逐步升高的態勢，但小雨量級的空報率上升至72 h時達最高，之后差異不明顯；3個量級的漏報率隨著量級的增大逐步升高，隨著時效的延長，小雨和中雨量級也呈現出逐步升高的態勢，但大雨量級的漏報率在時效上呈現出高—低—高的態勢，在48 h表現得最低，0～24 h和60～196 h時效差別不大，108～120 h漏報率最高。對比圖4a和圖4b可見, 3個量級任一時效的空報率整體上比漏報率大，小雨量級表現得尤為明顯，空報率比漏報率大0.30以上，中雨和大雨量級的空報率和漏報率雖然較小雨高，但差異均不及小雨大，說明小雨量級的空報更嚴重。暴雨及以上量級由于樣本數少，并沒有表現出明顯的規律，也不能很好地反映模式的特點，在此未作討論。

圖4 2016—2018年岳陽市ECMWF數值模式降水預報的分級空報率(a)和漏報率(b)Fig.4 Graded null rate (a) and missing-reporting rate (b) of precipitation forecast by ECMWF model in Yueyang City from 2016 to 2018

4 降水預報產品的解釋應用

4.1 微弱降水預報消空處理

日常預報中ECMWF模式常在岳陽地區預報出不足1 mm的降水(以下稱為微弱降水)，而實況通常為無降水。前文分析也發現，小雨量級空報嚴重，即小雨預報過度，這種情況對晴雨和降水分級預報準確率有較大的不利影響。

為了進一步了解ECMWF模式對微弱降水的預報效果，依次將2016—2018年ECMWF數值預報12 h 分辨率的岳陽市雨量預報值≤0.2 mm、≤0.4 mm、≤0.6 mm、≤0.8 mm、≤1.0 mm和≤1.2 mm的站點分別訂正為無降水，再進行晴雨預報準確率檢驗，并與消空前(即常規檢驗)對比(表8)，總體來看，ECMWF模式預報降水量大于0.6 mm以上時，訂正后技巧不明顯，且可能會導致小雨的漏報率增大。

表8 2016—2018年岳陽市ECMWF數值模式預報微弱降水消空前后晴雨檢驗結果對比Tab.8 Comparison of the test results of the ECMWF model in Yueyang City between 2016 (a)nd 2018 before and after the weak precipitation disappeared

由于每個季節的降水特征不同，冬季、春季和秋季多為穩定性降水，夏季多為對流性降水，為了更好的分析微弱降水消空處理對晴雨預報的影響，按4個季節作了進一步分析檢驗(表9)。結果表明：夏季岳陽市ECMWF模式預報降水量為1.0 mm以下訂正為無降水，晴雨預報準確率可提高10%左右；春季和秋季將0.4 mm以下訂正為無降水時，晴雨預報準確率提高3%；由于冬季晴雨預報準確率本來就相對較高，訂正技巧不明顯，可以視情況將0.2 mm以下訂正為無降水。消空處理后，小雨量級預報的TS評分略有提升(2%)，個別時效有所下降，即增加了一定的漏報風險(圖略)，調整后ECMWF模式預報的正技巧總體上大于負技巧。

表9 2016—2018年岳陽市ECMWF數值模式預報各季節微弱降水消空前后晴雨檢驗結果對比Tab.9 Comparison of the test results of the ECMWF model in Yueyang City between 2016 (a)nd 2018 before and after weak precipitation disappeared in each season

4.2 微弱降水消空應用

按照夏季對微量降水消空處理方法，即預報量≤1.0 mm的降水預報處理為0 mm，對2019年8月的資料進行消空處理應用檢驗，重點檢驗24～36 h 晴雨和小雨量級TS評分(圖略)。全市6個站點每天兩次預報全月樣本數共計744站次，因8月1日20時和8月11日08時起報的資料缺測，因此檢驗時予以剔除，即按720站次計算，未處理前空報170站次，對≤1.0 mm預報降水量進行消空處理后小雨空報下降到了36站次，雖漏報次數略有上升，但晴雨預報準確率為從0.73升至0.88，同時對小雨量級預報的TS評分影響不大，均為0.16。為了進一步驗證消空處理對小雨量級預報的影響，需要對消漏前后小雨量級降水的預報偏差進行分析。根據公式(5)，對8月份24～36 h小雨量級降水的預報偏差BIAS進行計算，結果顯示，不進行消空處理時，8月份24～36 h小雨量級降水的BIAS=3.67，說明空報嚴重；消空處理后BIAS降至了0.83，證明空報現象明顯改善，但漏報現象增多，即小雨量級預報不足。但綜合來看，消空后ECMWF模式預報的正貢獻大于負貢獻，因此在日常預報中，若同時結合每次降水過程發生的季節、類型及大氣環流背景等實際情況，預計降水預報的訂正效果將更好。

5 結論與討論

①2015年12月—2018年12月岳陽市ECMWF數值模式對岳陽市晴雨預報性能總體較穩定，年際變化幅度較小；季節差異大，冬季晴雨預報的準確率最高，秋季次之，夏季最低；從逐月晴雨預報檢驗來看，12月份最高，8月最低；晴雨預報還存在明顯的日變化規律，對夜間的預報能力明顯優于白天；空間上總體呈北高南低的分布特征。

②對小雨、中雨和大雨3個量級進行分級降水預報檢驗，小雨量級降水預報評分明顯高于其他量級降水，中雨次之，大雨及以上量級評分較低且規律不顯著。3個量級任一時效的空報率整體上比漏報率大，小雨量級表現得尤為明顯，空報率比漏報率大0.30以上，中雨和大雨量級的空報率和漏報率雖然較小雨高，但差異均不及小雨大，說明小雨量級降水空報更嚴重。

③針對小雨降水預報空報率高的現象，本文對岳陽市ECMWF模式預報降水量1.2 mm以下消空處理后進行了預報釋用，結果表明：冬季訂正空間較小；夏季各時效可適度訂正；春季和秋季可視情況適度訂正，訂正后可以明顯提升預報技巧，但漏報風險有一定增大。

④由于本文中采用點對點檢驗，加上資料序列有限，無法全面真實地評價一個模式。實際工作中，數值模式預報的降水落區位置偏差造成評分低，也不能簡單認為模式性能差。此外，暴雨及以上量級降水在岳陽的檢驗和應用[11-12]，也有待進一步研究。