基于多模式商丘市汛期區域性暴雨的檢驗

李瑩 朱世紅

摘要 面對暴雨預報精細化難題，利用商丘地區汛期暴雨的數值模式和實況降水資料對商丘地區的暴雨進行檢驗。采用2017—2020年的Micaps數據資料，利用對比分析等方法檢驗EC-thin模式和日本模式在商丘區域性暴雨落區和強度預報的誤差。結果表明：無論暴雨降水量級還是落區，EC-thin模式預報具有較好的指導意義，暴雨預報準確率高，臨近預報效果較好，但穩定性較差。而日本模式穩定性較好，暴雨漏報率高，預報量級偏小，誤差較大，且兩種模式均存在對特大暴雨量級以上的暴雨漏報問題。因此，預報員應重點參考EC-thin模式，日本模式作為輔助參考。EC-thin模式預報暴雨降水中心強度來看，整體比實況偏小;暴雨落區比實況多數偏西。EC-thin模式對副熱帶高壓強度的預報較實況偏弱，即預報場的副熱帶高壓西伸脊點的位置多數較實況場偏東，是副高外圍強對流天氣形成的暴雨漏報的主要原因。在比濕方面，大比濕區擬合較好，量值比實況偏大，但對暴雨的預報具有良好的指導意義。

關鍵詞 暴雨;EC-thin模式;日本模式

中圖分類號：P45 文獻標識碼：A 文章編號：2095–3305（2021）05–0064–04

隨著數值模式在全國正式開展業務化應用，預報員急需從天氣學角度了解該模式對于暴雨天氣過程的預報性能特點和偏差傾向，從而更好地發揮其業務預報作用。目前，關于各種數值模式定量降水預報檢驗的研究較多，通過對數值預報產品的主客觀檢驗和評估，能夠明顯提升預報質量。有學者對國內外數值模式預報的形勢場、要素場在時效、移動、強弱等方面做過檢驗，多以定性評價為主[1-5]。趙寧坤等[6]利用數值模式對2010—2013年云南地區雨季降水預報探討了模式的預報效果和誤差特點。公穎等[7]對2009年3個模式的降水預報效果進行了對比分析。陳博宇等[8]分析了2013年汛期ECMWF集合預報在江南、四川盆地和華北地區強降水過程中的表現。陳超君等[9]采用TS評分等統計量對2013年汛期華中區域中尺度數值預報模式進行了詳細評估。宮宇等[10]對GRAPES、GFS進行了檢驗并總結了模式預報性能優勢和系統性偏差特征。翟振芳等[11]應用風險評分等方法對安徽省ECMWF數值模式進行了檢驗。鄧鵬飛等[12]對比分析了11種數值模式對江西省撫州市區域性暴雨系統預報的效果。孫素琴等[13]分析了2015年江西省汛期區域性暴雨的時空分布特征，并對比分析了3種數值模式對江西省區域性暴雨系統預報的效果。梁利等[14]分析比較了3種數值模式在廣西晴雨預報和降水分級預報的能力。曲巧娜等[15]對山東省16次強降水過程預報的降水落區形態進行了模式檢驗。

上述研究從不同角度闡述了各種模式對不同地區降水的預報效果和偏差，而關于商丘地區暴雨模式檢驗相關的研究較少。面對商丘精細化的暴雨預報難題，基于多模式汛期區域性暴雨的檢驗，及誤差分析研究工作尤為重要。對商丘地區汛期暴雨的模式預報進行了檢驗，包括暴雨落區和暴雨中心極值的誤差，以及影響暴雨落區的副高位置和重要氣象因子預報。檢驗效果為今后利用模式預報商丘汛期暴雨、提高暴雨預報的精準度提供依據和指導。

1 資料與方法

1.1 數據來源

根據商丘市近4年的降水，選取2017—2020年5—9月降水范圍大、雨量強的區域性暴雨過程進行檢驗。降水實況資料來源于商丘市Micaps資料中的8個氣象站觀測資料（圖1）。檢驗的實況降水量時間段為08：00～次日08：00，共選取了10次區域性暴雨日。定義≥3個國家站次的暴雨即為一個區域性暴雨日，其中區域性暴雨主要發生在每年的6—8月，6月有3個區域性暴雨日，7月有4個區域性暴雨日，8月有3個區域性暴雨日;區域性暴雨過程中有5次低槽型、2次切變線型、2次副高邊緣型和1次臺風倒槽型（表1）。參與檢驗的模式主要有EC細網格模式產品（以下簡稱EC-thin）以及日本模式。檢驗的資料為暴雨發生前08：00、20：00起報的24 h累計降水量預報與實況24 h降水。

1.2 檢驗方法

降水落區檢驗包含檢驗內容和檢驗指標。檢驗內容包括降水強度和降水落區兩方面，降水強度主要從模式預報的強降水中心與實況的差值情況進行檢驗;降水落區則主要是模式相對實況整體雨區的偏離方向。檢驗的指標有偏離方向、模式漏報和有指示意義3項。具體定義如下：（1）偏離方向：模式預報的暴雨落區或暴雨中心主體相對實況偏離方向，包括東、南、西、北4個方位。（2）模式漏報：實況出現暴雨而模式沒有報出，或者模式未給出暴雨中心的預報。（3）有指示意義：模式預報與實況均出現暴雨中心且模式預報降水落區與實況相比基本一致。

2 結果與分析

2.1 模式降水檢驗

2.1.1 降水模式和預報效果檢驗 根據近4年的降水資料和EC、日本兩家數值模式降水預報產品，對兩家數值模式在商丘暴雨預報方面的能力進行分析和比較，結果表明EC-thin模式在暴雨預報方面有明顯的優勢，有2次暴雨過程漏報，8次暴雨預報正確，但對于大暴雨以上量級的降水存在漏報現象。EC-thin模式表現出對暴雨及以上量級降水的優勢，且臨近預報效果更好，60 h和84 h預報效果較差。而日本模式的整體預報效果較差，在暴雨預報方面表現出明顯的弱勢，多數未能預報出暴雨及以上量級降水，有8次暴雨漏報，整體預報的量級較實況偏小，且大暴雨漏報率更大。日本模式一旦預報暴雨，則出現暴雨的概率非常大。總之，EC模式的暴雨預報能力最強，日本模式在暴雨預報中漏報率高。

由商丘市汛期暴雨檢驗表2可知，對于降水落區的預報，EC-thin模式的整體預報效果較好，有8次暴雨過程雨帶基本與實況較接近，且越臨近暴雨預報效果越好。EC-thin模式預報性能不穩定，變動比較大，84～60 h預報效果較差，沒有一定的預報規律性。日本模式雖然漏報率比較高，但預報性能比較穩定，84～36 h暴雨預報結果整體比較一致。

2.1.2 不同影響系統下模式預報的差異 商丘暴雨的主要影響系統有低槽型、切變線型、臺風倒槽型、副高邊緣型。從10次暴雨過程模式預報是否有指示意義的統計中（表3），不難看出，在不同的影響系統下，模式的預報效果參差不齊，下面結合影響系統分析各個模式預報性能的差異。

10次強降水過程中，2種模式均預報較好的過程是2018年8月18—19日和2017年7月14—15日，分別是臺風倒槽型和低槽型。由此看出，無論是哪種暴雨類型，2種模式均有較好的預報效果。對于系統配置較好的大型降水天氣過程，模式有較好的預報效果。

2018年8月18—19日受18號臺風“溫比亞”影響，造成商丘地區特大暴雨，降水范圍之廣、歷時之長、雨強之大實屬罕見。此次過程最大降雨量出現在睢縣長崗（541.7 mm），最大雨強出現在示范區周集鄉（98.4 mm/h）。從2018年8月17日20：00預報24h累計降水與實況的對比能夠看出，EC-thin模式和日本模式都預報出了商丘地區的暴雨，均未能預報出大暴雨以上量級的降水，出現了特大暴雨的漏報。實況強降水中心最大值為商丘基準站351 mm，EC-thin模式預報強降水中心最大值為246 mm，較實況偏小，略微偏北;日本模式為124 mm，較實況偏小，偏西北。從降水落區的形態及偏離程度來看，兩種數值模式對于降水落區的刻畫相對比較準確，尤其是EC-thin預報的246 mm強降水區域與實況非常接近。可見，EC-thin模式在預報同等優異的前提下，從量級上更優于日本模式，有很好的指導意義。

在10次強降水過程中，2種模式均預報較差的過程是2019年8月1—2日和8月6—7日，這2次都是強對流天氣過程。這主要是因為2019年8月以來，副高一直徘徊在30°N以北，河南省以東區域，此種條件下易形成局地的強對流天氣。對于2019年8月1—2日降水過程，無論是預報員還是模式預報都有難點，對于2019年8月1日08：00起24 h累計降水量，EC-thin模式預報的最大降水量為57 mm，偏西北;日本模式為20 mm，遠遠小于實況的強降水中心67 mm，同時降水落區的位置有偏差。對于2019年8月6日08：00起24 h累計降水量的預報，EC-thin模式預報的最大降水量為18 mm，偏東，日本模式為10 mm，遠遠小于實況的強降水中心77 mm，同時降水落區的位置存在偏差，因此對于這兩次過程模式的預報均沒有指導意義。最有指導意義的是EC-thin模式（表4），除了上述預報難度最大的強對流天氣過程外，其他8次暴雨過程模式預報的結果均能為預報員提供參考，而日本模式僅有兩次過程有指示意義。從對比分析來看，無論降水量級還是落區，EC-thin模式非常有意義。因此預報員應重點參考EC-thin模式，日本模式可輔助參考。

2.2 EC-thin模式的天氣學檢驗

在實際預報工作中，無論降水落區還是降水量級都可重點參考EC-thin模式，特別是臨近的36 h的預報結果。因此，為了在以后的工作中更好地使用EC-thin模式，重點對EC-thin模式的形勢場和物理量場進行檢驗。

2.2.1 降水強度檢驗 首先，對模式預報的強降水中心與實況強降水中心的差值進行檢驗。在10次商丘市區域性暴雨，24 h降水量大于等于50 mm的過程中，對于模式預報的強降水中心值而言：EC-thin模式預報值有2次比實況偏大，正偏差最大為82 mm，最小為34 mm，5次比實況偏小，負偏差最小為-13 mm，最大為-191 mm（表4）。從模式預報降水中心強度來看，除了EC-thin模式共兩次過程預報值比實況偏大外，其他過程各模式的預報值均比實況偏小，說明暴雨量級以上的降水漏報率高的主要原因是模式預報的量級偏小。

2.2.2 強降水中心落區的偏離程度檢驗 為了進一步了解EC-thin模式對于強降水的預報性能，從降水中心及降水落區的偏離程度進行檢驗。從EC-thin模式預報的強降水落區的整體偏離程度來看（表5），EC-thin模式無偏離次數為4次。EC-thin模式強降水中心較實況偏西4次，偏東2次。由此可知，EC-thin模式對于降水中心強度的預報較接近實況，對整體雨區的預報水平相對較高，具有較高的參考價值。

2.2.3 副熱帶高壓預報及檢驗 西太平洋副熱帶高壓本身和其周圍天氣系統間的相互作用，對商丘市汛期暴雨帶的位置和強度影響十分重要。對比檢驗了近4年商丘市汛期區域性暴雨當天的實況，20：00以及暴雨發生前的EC-thin模式24、48、72 h預報的副熱帶高壓的位置。規定副熱帶高壓脊點位置誤差≤1個經度或緯度且北界位置誤差≤1個緯度為預報正確，預報場的副熱帶高壓面積大于實況場為預報偏強，反之為預報偏弱，以此來分析EC-thin模式對副熱帶高壓的預報能力。商丘市汛期區域性暴雨過程期間副熱帶高壓強度的預報結果見表6。由此可見，對于商丘市汛期10次區域性暴雨過程，EC-thin模式預報的副熱帶高壓強度隨季節變化存在一定的系統性誤差，隨著預報時效的延長，EC-thin模式對副熱帶高壓強度的預報誤差整體差別不大。6月隨著副熱帶高壓北抬，EC-thin模式預報的副熱帶高壓強度較實況偏弱的概率較大。7月隨著副熱帶高壓進一步加強北抬，EC-thin模式預報的副熱帶高壓強度較實況偏弱的概率進一步增加。8月EC-thin模式對副熱帶高壓的預報能力提高，偏弱率明顯降低，一致率提高。因此，EC-thin模式對副熱帶高壓強度的預報多數偏弱，即預報場副熱帶高壓西脊點的位置多數較實況場偏東。

2.2.4 比濕預報及檢驗 暴雨是在比濕達到相當大的數值以上才形成的。由近4年商丘地區汛期區域性暴雨發生時的比濕可知（表7），隨著夏季轉換，比濕對暴雨的指示作用趨于明顯。700 hPa高度上，6月暴雨發生時商丘地區上空比濕為2～4 g/kg，8月比濕加大至11 g/kg。850 hPa比濕較700 hPa增大了5～7 g/kg，主汛期7—8月比濕為11～15 g/kg。850 hPa上暴雨發生時比濕集中在11～15 g/kg，大于16 g/kg比濕出現的概率亦有，但比重較小。可見，商丘市汛期區域性暴雨發生時比濕的變化對暴雨預報指示作用較大。通過EC-thin模式預報的比濕發現，整體預報的比濕強度較實況偏大，24～72 h比濕的預報準確率相對穩定。

3 結論

（1）對于商丘市汛期區域性暴雨，EC-thin模式有明顯的優勢，10次暴雨，準確率為4/5，暴雨預報能力很強;日本模式的暴雨預報漏報率較高，暴雨預報準確率為1/5。對于特大暴雨以上量級的降水，兩種模式均難以預報，但EC-thin模式從量級上較日本模式誤差偏小。對于系統配置較好的天氣過程，兩種模式對暴雨均有良好的預報效果，對于強對流天氣形成的暴雨天氣，模式預報漏報率高。

（2）從10次暴雨降水量級和落區分析，EC-thin模式暴雨落區預報存在一定不穩定性，暴雨落區變動比較大，準確率為2/5，偏西2/5，偏東1/5，暴雨落區預報訂正應往中東部調整;84～60 h暴雨預報效果較差。日本模式暴雨落區預報漏報率較高，但36～84 h暴雨落區預報比較穩定，空報結果很少，具有很好的參考價值。

（3）從模式預報暴雨區中心強度分析，EC-thin模式暴雨中心雨量擬合較好2次，偏大2次，偏小5次，整體暴雨中心預報量級較實況偏小，訂正預報暴雨中心雨量應往大的方向調整。日本模式的雨量預報值均比實況偏小，是暴雨漏報率高的主要原因，暴雨中心預報的量級偏小，比EC-thin模式對于暴雨中心強度的預報誤差更大一些。

（4）對于商丘市汛期10次區域性暴雨過程，EC-thin模式預報的副熱帶高壓強度較實況多數偏弱，即預報副高西伸脊點的位置較實況場偏東，是商丘地區副高外圍強對流造成的暴雨天氣漏報的主要原因;隨著預報時效的延長，EC-thin模式對副高強度的預報誤差減小。大比濕區對暴雨預報指示作用較大，EC-thin模式預報比濕強度較實況偏大，但24～72 h大比濕區的預報準確率相對較高，對暴雨落區預報具有參考價值。

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責任編輯：黃艷飛

Validation of Regional Rainstorm Based on Multi-models During the Flood Season in Shangqiu City

LI Ying et al（Shangqiu City Meteorological Bureau， Shangqiu， Henan 476000）

Abstract Faced with the problem of refined rainstorm forecast， the rainstorm in Shangqiu area is validated by using the numerical model of Rainstorm in flood season and the actual precipitation data. This paper explore the differences between EC-thin model and Japan model in rainstorm forecast by using comparative analysis and other methods based on the MICAPS data of Shangqiu City from 2017 to 2020， and focus on the validation of EC-thin model. The results show that the EC thin model is of great significance in both precipitation magnitude and area. The accuracy of rainstorm forecast is high， and the effect of near forecast is good， but the stability is poor. The Japan model is stable and the accuracy of forecast is poor， and both of them have the problem of missing report for rainstorm with extra heavy rainfall. Therefore， forecasters should focus on the EC-thin model， Japan model can be used as an auxiliary reference. From the point of view of the intensity of precipitation center predicted by the model， the predicted value of EC-thin model is smaller than the actual value.The prediction intensity of subtropical high is weaker than the observed data of EC-thin mode， that is to say， the location of the western extension ridge of the subtropical high in the forecast field is more eastward than the observed field. In the aspect of specific humidity， the overall forecast intensity of the model is larger than the actual situation.

Key words Rainstorm; EC-thin model; Japan model