黑龍江省2020年6-8月數值預報檢驗評估

高夢竹,劉松濤,李有緣,齊 鐸,張 宇,張惠君,袁美英

（黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150001）

1 氣候概況

2020年6-8月黑龍江省平均降水量440.2 mm，比歷史同期多29%（歷史同期341.3 mm）。大興安嶺西部、黑河西南部、伊春北部、齊齊哈爾大部、大慶、綏化西部、牡丹江大部及雙城、延壽、雙鴨山累計降水量為252.9-399.5 mm，其它地區401.4-589.5 mm。與歷史同期相比，加格達奇、五營、杜爾伯特、尚志、延壽少1-2成，其它地區多1-8成。全省平均氣溫為20.4℃，比歷史同期（20.5℃）低0.1。大興安嶺、黑河大部、伊春大部、佳木斯東部及鶴崗、饒河、綏芬河平均氣溫在16.2-19.9℃，其它地區20-22.6℃。與歷史同期相比，大興安嶺大部、黑河大部、伊春大部、齊齊哈爾大部、大慶大部、綏化東北部、哈爾濱大部、牡丹江大部及密山正常或高0.1-0.9℃，其它地區低0.1-1.7℃。

2 數據與檢驗辦法

本文對2020年6-8月全球模式預報、中尺度模式預報、客觀訂正預報在黑龍江省的降水、氣溫、風等要素預報效果進行評估。

2.1 數據

被檢驗產品為2020年06月01日-2020年08月31日（北京時）黑龍江省內歐洲中心細網格預報、中央氣象臺指導預報、grapes_meso預報、上海華東模式預報、黑龍江省網格訂正預報、黑龍江省網格融合預報。預報時效0-72 h，部分模式預報在業務應用中延時12 h（歐洲中心細網格預報、grapesmeso預報、上海華東模式預報為12-84 h）。

檢驗要素：24 h累計降水、2 m氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、10 m風等要素，空間分辨率為5 km。

檢驗源數據為黑龍江省范圍內共計979個地面自動氣象站數據，包括83個國家站和896個區域自動站。

2.2 檢驗辦法

以觀測站點資料作為“真值”，將預報插值到觀測點，統計比較一段時間內兩者的誤差或相關關系。其中，氣溫、風要素采用雙線性插值方法，降水要素采用自然相鄰插值方法。

3 檢驗結果

3.1 降水預報檢驗

對2020年06月01日-08月31日黑龍江省區域內24小時累計降水進行分析。檢驗對象：歐洲中心細網格預報ec、中央氣象臺指導預報sc、grapes_meso預報、上海華東模式預報warms、黑龍江省網格訂正預報pm_fm、黑龍江省網格融合預報fuse。起報時間08時、20時，一日兩次，預報時效0-72 h。

各模式預報對比結果（圖1）：六種預報相比較，均方根誤差，24、48 h為省氣象臺客觀訂正pm_fm最優，72 h為中央氣象臺指導預報最優；晴雨準確率，24、48、72 h均為省氣象臺客觀訂正pm_fm最優；偏差bias，24 h為pm_fm最優，48 h為grapes_meso為最優，72 h為中央氣象臺指導預報為最優。分級降水TS檢驗，小雨量級、暴雨量級為省氣象臺客觀訂正pm_fm表現最優，中雨、大雨為中央氣象臺指導預報、ec、省氣象臺融合預報表現較好。

圖1 24 h累計降水綜合分析圖

定量降水預報誤差與觀測降水量密切相關，夏季降水量較大，預報定量誤差相比其它季節更明顯。六種預報相比較，中尺度模式grapes_meso和warms的定量降水誤差相對較大，其余四種降水預報定量誤差差異較小；各家模式晴雨準確率得分均較高，維持在71%-79%之間，但均存在降水預報范圍偏大的問題，ec預報范圍偏大現象最明顯；降水分級檢驗結果表明，中尺度模式grapes_meso和warms在大暴雨量級有一定的預報能力，但在其他量級預報能力較差，省氣象臺客觀訂正pm_fm在小雨、暴雨量級上預報能力明顯優于其他模式，有較好的預報參考價值。

3.2 氣溫預報檢驗

對2020年06月01日-08月31日黑龍江省區域內逐3時2 m氣溫、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫進行分析。檢驗對象：歐洲中心細網格預報ec、中央氣象臺指導預報sc、黑龍江省網格訂正預報BREM。起報時間08時、20時，一日兩次，預報時效0-72 h。

由表1可知，0-72 h逐3 h整點氣溫，三種預報相比，省氣象臺客觀訂正BREM預報表現最優。ec、BREM預報氣溫偏低，中央氣象臺指導預報氣溫偏高。平均絕對誤差mae、均方根誤差rmse項，中央氣象臺指導預報誤差較大。氣溫預報準確率，BREM預報明顯優于ec、中央氣象臺指導預報。隨著預報時效的延長，各家模式預報均為誤差逐漸變大，準確率逐漸下降（圖略）。

表1 對比站點觀測的2 m氣溫誤差特征

由圖2可知，日最高氣溫ec預報平均誤差-0.752,平均絕對誤差2.017,均方根誤差2.571,相關系數0.842,誤差±2℃以內準確率:58.34%,誤差±1℃以內準確率:30.6%。sc預報平均誤差-0.78,平均絕對誤差1.78,均方根誤差2.307,相關系數0.879,誤差±2℃以內準確率:64.78%,誤差±1℃以內準確率:36.36%。BREM預報平均誤差-0.735,平均絕對誤差1.888,均方根誤差2.653,相關系數0.832,誤差±2℃以內準確率:64.91%,誤差±1℃以內準確率:35.65%。

得分能力是一支球隊的核心競爭力，也是一切技、戰術訓練的最終目的。籃球比賽中影響得分的因素較為復雜，從定量研究角度考慮，投籃次數與投籃命中率是2個最重要的影響因素(投籃次數屬于有“較大差距”的指標，留在后面分析)。就投籃命中率而言，中國隊平均投籃命中率為41.12%，比對手低6.10個百分點，因投籃命中率不及對手，中國男籃平均每場比對手少得10分(見表3)。世界強隊隊員能夠通過積極跑動、掩護、策應等配合，獲得較為輕松的投籃機會，或通過突破分球、快速轉移球等方法，盡可能為同伴創造空位投籃機會，因此，投籃命中率較高。中國男籃受制于自身的能力，導致命中率不如對手，影響了得分。

圖2 誤差綜合分析圖（a.日最高氣溫，b.日最低氣溫，me為平均誤差，rmse為均方根誤差），誤差≤±2℃準確率圖（c.日最高氣溫，d.日最低氣溫）

日最低氣溫ec預報平均誤差-0.355,平均絕對誤差1.513,均方根誤差2.038,相關系數0.854,誤差±2℃以內準確率:72.97%,誤差±1℃以內準確率:43.99%。sc預報平均誤差0.12,平均絕對誤差1.296,均方根誤差1.761,相關系數0.886,誤差±2℃以內準確率:79.36%,誤差±1℃以內準確率:49.12%。BREM預報平均誤差0.003,平均絕對誤差1.332,均方根誤差1.86,相關系數0.875,誤差±2℃以內準確率:78.81%,誤差±1℃以內準確率:49.47%。

氣溫誤差≤2℃準確率空間分布上看（圖略），日最高氣溫預報在西北部、東南部站點表現較差，其余地區表現較好。三種預報對比，ec表現相對較差。日最低氣溫預報在我省西北部站點表現較差，其余地區表現較好。三種預報對比，ec表現相對較差。

誤差檢驗結果表明，日最高氣溫，三種預報均較實況觀測偏低，中央氣象臺指導預報的均方根誤差最小；日最低氣溫預報，ec預報較實況偏低，其它兩種預報無明顯偏差，且均方根誤差較小。整體上看，在日最高、低氣溫預報中，中央氣象臺指導預報、BREM預報均優于ec預報，且日最低氣溫預報準確率高于日最高氣溫預報準確率。

3.3 風預報檢驗

對2020年06月01日-08月31日黑龍江省區域內逐3時10 m風速進行分析。檢驗對象：歐洲中心細網格預報ec、中央氣象臺指導預報sc。起報時間08時、20時，一日兩次，預報時效0-72 h。對比站點觀測的ec預報平均誤差0.904,平均絕對誤差1.389,均方根誤差1.796,相關系數0.469,誤差±2 m/s以內準確率:76.59%,誤差±1 m/s以內準確率:44.5%。sc預報平均誤差0.554,平均絕對誤差1.215,均方根誤差1.604,相關系數0.447,誤差±2 m/s以內準確率:82.08%,誤差±1 m/s以內準確率:51.31%。sc預報誤差、準確率均優于ec預報結果。

從圖3綜合分析時序圖可知，與站點觀測相比，ec、中央氣象臺指導預報10 m風速預報整體偏大。隨著預報時效的延長，均方根誤差逐漸變大，誤差±2 m/s以內準確率較穩定。整體上中央氣象臺指導預報預報優于ec預報。

圖3 10 m風速綜合分析時序圖

3.4 災害性天氣預報質量評價

3.4.1 臺風“巴威”

臺風“巴威”強降水時段為8月27日08時-28日08時，鶴崗南部、佳木斯西部、雙鴨山大部、七臺河、雞西等地出現區域性暴雨。6家模式預報結果對比，暴雨量級準確率最高的是EC為40%、其次為fuse為39.4%，除grapes_meso為25.9%以外，其他模式暴雨TS評分大部分都在35%以上。大雨量級最高的是warms，TS得分為70.4%，其次是sc為69.6%。對于綏化東部的局地暴雨，各家模式均存在明顯漏報，ec在綏化暴雨落區比實況偏西，sc、grapes_meso、warms在東部的暴雨區預報存在明顯空報現象。預報強降水時間：實況強降水開始時間為27日17-20時，從東南部地區開始出現強降水，各家模式對上述兩處地區降水開始時間預報較為準確。

3.4.2 臺風“美莎克”

臺風“美莎克”強降水時段為9月3日08時-9月4日08時，此時段內黑龍江省西南部地區出現區域性暴雨，局地大暴雨天氣過程。暴雨量級準確率最高的是pm_fm，得分為74.8%，第二是grapes_meso，得分是72.8%，第三是ec，得分為72.1%；大暴雨量級準確率最高的是grapes_meso，得分為5.2%。對比各家預報結果，對于大雨落區pm_fm與實況更接近，6家模式均預報出了黑龍江省西南部的暴雨落區，除grapes_meso范圍明顯偏大以外，其余各家模式結果差別不大；黑河地區出現的暴雨，除fuse預報較差以外，其余預報結果與實況較為接近。

落區及起止時間檢驗：從逐小時區域自動站觀測看，本次臺風降水影響黑龍江的開始時間為9月2日20-21時，降水落區在東寧、綏芬河。各家模式，2日08時起報預報，降水開始時間均為20-23時，降水落區預報與實況基本一致；2日20時起報預報，降水開始時間也與實況基本一致，但是落區均略偏大。西南部觀測降水的開始時間為3日11-12時，落區在綏化、大慶東部，各家模式預報的開始時間和范圍與實況基本相同。持續性降水于3日14時基本結束，各家模式預報的持續性降水結束時間與實況也基本一致。本次過程的強降水時段，出現在3日20-23時，位于黑龍江省西南地區。各家模式預報的強降水時段與實況一致，但是降水落區與實況差別較大，pm_fm、ec預報范圍較小，漏報較多，空報較少，sc預報范圍較大，漏報較少，空報較多。

3.4.3 臺風“海神”

臺風“海神”強降水時段為9月7日08時-8日08時，此時段內黑龍江省東南部地區出現區域性暴雨，局地大暴雨。暴雨量級準確率最高的是warms，得分為44.8%，第二是pm_fm，得分為37.3%，第三是grapes_meso，得分為36.8%；大暴雨量級準確率最高的是warms，得分為25%，其次是grapes_meso，得分為10%，其它模式均沒有得分。對比各家預報結果，各家模式預報中東部地區大雨量級落區與實況基本一致；對于東南部的暴雨落區，與實況比較接近的是warms和grapes_meso，但預報范圍偏大，其它幾家模式范圍明顯偏小；對于大暴雨落區，warms與實況更接近。

落區及起始時間：從逐小時區域自動站觀測看，受臺風外圍云系影響本次降水過程在9月7日07-08時開始，落區在東寧。各家模式，7日08時起報的08-11時預報中，預報落區均與實況較一致。

對比本次降水過程各家預報結果，模式均預報出了黑龍江省中東部的大范圍的大雨，各家模式差別不大，對于東南部的暴雨落區，與實況比較接近的是warms和grapes_meso，warms的大暴雨落區與實況更接近。從落區及起始時間來看，各家模式的起始時間和落區基本與實況一致。

4 結論

本文利用黑龍江省加密自動站觀測資料，對2020年6-8月全球尺度模式預報、中尺度模式預報、客觀訂正預報等預報在黑龍江省的預報性能、預報誤差進行了對比分析。得出以下結論：

（1）降水預報：對比六種預報，中尺度模式grapes_meso和warms的定量降水誤差相對較大，其余四種降水預報定量誤差差異較小；各家模式晴雨準確率得分均較高，但均存在降水預報范圍偏大的問題，ec預報范圍偏大現象最明顯；從降水分級檢驗結果分析，兩種中尺度模式對大暴雨有一定的預報能力，但其他量級預報能力較差，省氣象臺客觀訂正pm_fm在小雨、暴雨量級上預報能力明顯優于其他模式，有較好的預報參考價值。

（2）氣溫預報：0-72 h逐3 h整點氣溫，省氣象臺客觀訂正BREM預報表現優于ec、中央氣象臺指導預報。從日最高氣溫平均誤差看，三種預報均較實況觀測偏低。從日最低氣溫平均誤差看，ec預報較實況偏低，其它兩種預報無明顯偏差。日最高氣溫預報準確率在黑龍江省西北部、東南部站點表現較差，其余地區表現較好；日最低氣溫預報準確率在黑龍江省西北部站點表現較差，其余地區表現較好。整體上看，在日最高、低氣溫預報中，中央氣象臺指導預報、BREM預報均優于ec預報，且日最低氣溫預報準確率高于日最高氣溫預報準確率。

（3）風預報：與站點觀測相比，ec、中央氣象臺指導預報10 m風速預報整體偏大。隨著預報時效的延長，均方根誤差逐漸變大，誤差±2 m/s以內準確率較穩定。整體上中央氣象臺指導預報優于ec預報。

（4）綜上所述，本文通過對多種尺度模式預報的預報性能和誤差特征進行了對比分析，從不同預報時效、不同空間分布等角度討論了模式對降水、氣溫、風在黑龍江省的預報能力，為預報員在實際預報業務工作中使用數值模式預報產品和經驗訂正提供參考。