新疆新一代區域數值預報業務系統客觀檢驗分析

藍 俊，高 華，張祖熠，張海亮，馬玉芬，竇 剛

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.福建省氣象信息中心，福建 福州 350001；3.北京城市氣象研究院，北京 100089；4.福建省氣象科學研究所，福建 福州 350001；5.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

隨著時代的發展，各國科研人員針對數值天氣預報系統進行了大量的研究，加入更多的觀測元素，使得數值天氣預報成為當今天氣預報的主要手段[1-2]。數值預報系統更具精細化和精準化[3]。新疆區域數值預報系統研究在優選物理過程參數方案、背景誤差計算、同化本地觀測資料方面進行了大量測試，先后于2011年完成快速更新循環同化數值預報系統（XJ-RUC）的構建，2015年實現新疆區域快速更新循環數值預報同化系統（Desert-Oasis-Gobi Rapid Assimilation Forecast System，簡稱DOGRAFS）的業務化運行[4-5]。2017年，從北京城市氣象研究院引進快速更新多尺度分析和預報系統—短期預報子系統睿圖（Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System-Short Term），在觀測和機理研究基礎上，結合常規觀測和國際先進的同化技術，進行了本地化工作，形成了新疆新一代區域數值預報業務系統，現行版本為1.0（簡稱RMAPS-CA），系統于2018年5月試運行，2019年實現準業務化運行。本文根據2018年9月—2019年8月的DOGRAFS與RMAPS-CA系統對不同氣象要素的預報效果進行檢驗對比，以獲得RMAPS-CA預報性能的量化改進指標和新疆區域模式最優預報參數配置方案。

1 模式簡介

RMAPS-CA是基于WRFv3.8.1預報模式和WRFDA同化平臺搭建而成的區域數值預報系統。與上一代業務模式DOGRAFS相比（圖1），該系統采取兩重嵌套，外區分辨率為9 km，覆蓋中亞區域，內區分辨率為3 km，覆蓋新疆、甘肅和青海西部地區。系統采用NCEP GFS 0.5°全球分析和預報場作為模式的初始場，逐6 h啟動一次，內區初始場由外區Ndown方式獲得，兩區均同化后進行48 h預報。RMAPS-CA對常規觀測資料進行同化，其中觀測資料包括地面觀測、探空觀測、航空報等。兩個系統參數化配置如表1所示。兩個系統均提供圖形、文本、MICAPS 3種類型的預報產品，內容包括地面預報和診斷量、等壓面預報和診斷量、單站綜合圖等多種類型。

圖1 RMAPS-CA（a）與DOGRAFS（b）預報區域對比

表1 RMAPS-CA與DOGRAFS系統配置

RMAPS-CA較DOGRAFS系統有以下改進：（1）提高了新疆區域的空間分辨率，水平方向為3 km，垂直方向為50層，且對中小尺度系統的把握更有優勢；（2）RMAPS-CA系統改進了物理參數化方案，由Dudhia改為RRTMG；（3）受計算資源嵌套的限制，將嵌套運行方案由DOGRAFS的兩區域同時積分單向嵌套改為內區初始場由外區Ndown方式獲得并單獨積分。

2 檢驗方法

本文選取2018年9月—2019年8月作為RMAPS-CA與DOGRAFS系統性能檢驗評估時段，針對RMAPS-CA系統的3 km分辨率預報區域對00、06、12、18 UTC的預報開展逐3 h檢驗分析。對檢驗評分按照季度劃分并分別統計。將12個月劃分為4個季度分別進行客觀檢驗評分統計，各季度平均評分的統計樣本如表2所示。

表2 按季節平均評分的統計樣本情況

檢驗平臺選用由美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）數值預報發展試驗中心（Developmental Testbed Center，DTC）發展的數值模式檢驗評估系統MET（MODEL EVALUATION TOOLS）。針對RMAPS-CA與DOGRAFS兩個模式的D02區域的氣象要素進行站點檢驗分析，具體檢驗內容如下：（1）高空要素預報檢驗包括：溫度、位勢高度；（2）地面要素預報檢驗包括：2 m溫度、10 m全風速；（3）降水預報檢驗包括：24 h累積降水分級的閾值分別為0.1、6.1、12.1、24.1、48.1 mm。

因為RMAPS-CA與DOGRAFS兩個模式的D02區域不同，本文對兩系統預報檢驗范圍限定為整個新疆區域，其中檢驗所使用的探空觀測資料均來自我國參加考核探空站點，共有14個；檢驗所使用的地面要素觀測資料均來自我國國家級地面氣象觀測站，共有105個。給出預報與探空觀測和地面氣象觀測的平均偏差ME、均方根誤差RMSE以及24 h累計降水站點的TS評分和BIAS預報偏差：

式中，Fi為第i個站點上的預報值，Oi為第i個站點上的觀測值，Na為預報正確站點數，Nb為空報站點數，Nc為漏報站點數。

3 檢驗分析

3.1 高空要素檢驗結果

圖2為不同季節各預報時效不同高度上RMAPS-CA和DOGRAFS系統溫度的預報偏差和均方根誤差。從預報偏差結果來看，春季溫度預報偏差（圖2a）RMAPS-CA系統00時在不同氣壓層均為負偏差，12和24時在200 hPa為正偏差，其余氣壓層均為負偏差，DOGRAFS系統00、12和24時預報時刻在不同氣壓層溫度預報均為負偏差，夏季（圖2c）、秋季（圖2e）和冬季（圖2g）RMAPS-CA和DOGRAFS系統在不同時次不同高度的溫度變化趨勢基本一致，00時溫度預報隨著高度的遞增由負偏差變為正偏差，高層又轉為負偏差，12和24時兩個系統變化規律與00時變化規律相反。從均方根誤差結果來看，春季（圖2b）、夏季（圖2d）、秋季（圖2f）和冬季（圖2h）RMAPS-CA與DOGRAFS系統在不同時次的變化趨勢一致，均隨著高度的遞增呈現減小—增大—減小的趨勢，其中春季、夏季和冬季00時RMAPS-CA系統在不同氣壓層的均方根誤差均小于DOGRAFS系統，12和24時RMAPS-CA系統的均方根誤差為400～200 hPa，略大于DOGRAFS系統，其余氣壓層小于DOGRAFS系統。

圖2 RMAPS-CA與DOGRAFS系統高空溫度預報偏差（a為春季，c為夏季，e為秋季，g為冬季）和均方根誤差（b為春季，d為夏季，f為秋季，h為冬季）

圖3為不同季節各預報時效不同高度上RMAPS-CA和DOGRAFS系統位勢高度的預報偏差和均方根誤差。從預報偏差檢驗結果看，春季位勢高度預報偏差（圖3a）RMAPS-CA系統與DOGRAFS系統00時在不同氣壓層變化趨勢較為一致，隨著高度的增加由負偏差變為正偏差，中高層又轉為負偏差，12和24時300 hPa以下氣壓層兩個系統變化范圍不大，約在10 gpm，在100 hPa兩個系統均達到最大負偏差；夏季位勢高度預報偏差（圖3c）RMAPS-CA系統與DOGRAFS系統在不同預報時刻的變化趨勢一致，隨著高度的增加呈負偏差—正偏差—負偏差；秋季位勢高度預報偏差（圖3e）對于300 hPa以下氣壓層，RMAPS-CA系統在12和24時均為負偏差，200 hPa以上氣壓層均為正偏差，DOGRAFS系統在00和12時中高層為正偏差，其余氣壓層為負偏差，系統在24時的不同氣壓層位勢高度均為負偏差；冬季位勢高度預報偏差（圖3g）RMAPS-CA和DOGRAFS系統在00時的中高層為正偏差，其余氣壓層為負偏差，對于12和24時，兩個系統在300 hPa以下氣壓層均為負偏差。從均方根誤差結果來看，春季（圖3b）、夏季（圖3d）、秋季（圖3f）和冬季（圖3h）RMAPS-CA和DOGRAFS系統在不同時次的變化趨勢一致，均為隨著高度的遞增呈減小—增大—減小的趨勢，且在100 hPa均方根誤差達到最大值。整體來看，春季、秋季和冬季兩個系統對比規律較為一致，200 hPa RMAPS-CA系統在不同時次的位勢高度偏差略大于DOGRAFS系統，其余氣壓層的位勢高度偏差小于DOGRAFS系統，夏季RMAPS-CA系統在不同時次的位勢高度呈現中層大于DOGRAFS系統，低層與高層的位勢高度偏差小于DOGRAFS系統。不同季節位勢高度的均方根誤差整體上RMAPS-CA系統小于DOGRAFS系統。

圖3 RMAPS-CA與DOGRAFS系統位勢高度預報偏差（a為春季，c為夏季，e為秋季，g為冬季）和均方根誤差（b為春季，d為夏季，f為秋季，h為冬季）

3.2 地面要素檢驗結果

圖4為RMAPS-CA和DOGRAFS系統不同季節的2 m溫度預報偏差和均方根誤差。從預報偏差檢驗結果看，春季（圖4a）RMAPS-CA系統2 m溫度預報與實況相比偏低，呈負偏差，系統的均方根誤差維持在2.5～3.0℃，DOGRAFS系統分析場的2 m溫度預報為正偏差，隨著預報時效延長呈負偏差，系統的均方根誤差維持在2.3～3.5℃；夏季（圖4b）RMAPS-CA和DOGRAFS系統2 m溫度預報均呈正偏差，隨著預報時效延長呈現減小—增大—減小—增大的波動狀，均方根誤差隨著預報時效延長主要呈現先減小再增大后趨于穩定，RMAPS-CA系統均方根誤差維持在2.7～3.1℃，DOGRAFS系統均方根誤差維持在3.0～3.5℃；秋季（圖4c），RMAPSCA和DOGRAFS系統2 m溫度預報均呈正偏差，均方根誤差隨著預報時效延長呈先減小再增大后趨于穩定；冬季（圖4d），RMAPS-CA系統分析場與預報第6 h的2 m溫度預報呈負偏差，隨著預報時效的增加變為正偏差，系統的均方根誤差維持在2.8～3.3℃，DOGRAFS系統2 m溫度預報呈正偏差，均方根誤差維持在3.6～4.2℃。整體上看，夏季RMAPS-CA系統的預報偏差大于DOGRAFS系統，其余季節RMAPS-CA系統的預報偏差與均方根誤差小于DOGRAFS系統。

圖4 RMAPS-CA與DOGRAFS系統2 m溫度預報偏差與均方根誤差

圖5為RMAPS-CA和DOGRAFS系統不同季節的10 m風速預報偏差和均方根誤差。從檢驗結果看，春季（圖5a）RMAPS-CA和DOGRAFS系統10 m風速預報呈正偏差，RMAPS-CA系統的均方根誤差維持在2.2～2.4 m/s，DOGRAFS系統的均方根誤差維持在2.1～2.4 m/s；夏季（圖5b）RMAPSCA系統的預報偏差隨著預報時效的增加呈先增大再減小后趨于穩定，系統的均方根誤差維持在2.4～2.6 m/s，DOGRAFS系統的預報偏差為正偏差，系統的均方根誤差維持在2.4～2.6 m/s；秋季（圖5c）RMAPSCA系統的預報偏差與均方根誤差均呈先增大再減小后趨于穩定，系統的均方根誤差維持在2.1～2.3 m/s，DOGRAFS系統的預報偏差與均方根誤差均呈先增大后趨于穩定，系統的均方根誤差維持在2.1～2.6 m/s；冬季（圖5d）RMAPS-CA和DOGRAFS系統10 m風速預報呈正偏差，RMAPS-CA系統的均方根誤差維持在1.7～2.0 m/s，DOGRAFS系統的均方根誤差維持在1.9～2.2 m/s。整體上看，春季RMAPS-CA系統的預報偏差大于DOGRAFS系統，其余季節RMAPS-CA系統的預報偏差與均方根誤差小于DOGRAFS系統。

圖5 RMAPS-CA與DOGRAFS系統10 m風速預報偏差與均方根誤差

3.3 降水檢驗結果

圖6為不同季節RMAPS-CA和DOGRAFS系統24 h累計降水的TS和BIAS評分。從檢驗結果看（圖6a），春季的降水TS評分，RMAPS-CA系統在各閾值上的預報效果優于DOGRAFS系統；夏季的降水TS評分，RMAPS-CA系統對于0.1、12.1和24.1 mm降水閾值的預報效果優于DOGRAFS系統，6.1 mm降水閾值的預報效果差于DOGRAFS系統；秋季的降水TS評分，RMAPS-CA系統對于0.1 mm降水閾值的預報效果優于DOGRAFS系統，6.1、12.1和24.1 mm降水閾值的預報效果差于DOGRAFS系統；冬季的降水TS評分，RMAPS-CA系統對于0.1 mm降水閾值的預報效果優于DOGRAFS系統，6.1 mm降水閾值的預報效果差于DOGRAFS系統。整體來看，RMAPS-CA和DOGRAFS系統24 h累計降水針對各降水閾值的預報降水TS評分各有優劣，不同季節RMAPS-CA系統對于0.1 mm降水閾值的預報效果均優于DOGRAFS系統。

從降水預報的BIAS評分檢驗結果看（圖6b），春季RMAPS-CA和DOGRAFS系統0.1 mm降水閾值的BIAS評分均＞1，表明兩個系統的降水預報均存在空報現象，降水范圍偏大。兩個系統6.1、12.1和24.1 mm降水閾值的BIAS評分均＜1，表明兩個系統的降水預報均存在漏報現象，降水范圍偏小，且RMAPS-CA系統的BIAS評分比DOGRAFS系統高，說明RMAPS-CA系統預報降水的測站數比DOGRAFS系統更接近實際測站數；夏季RMAPS-CA系統與DOGRAFS系統基本屬于漏報現象，對于24.1 mm降水閾值RMAPS-CA系統的BIAS評分=1，表明系統預報降水的測站數等于實際測站數，對于0.1和6.1 mm降水閾值，RMAPS-CA系統的BIAS評分小于DOGRAFS系統；秋季RMAPSCA系統在各降水閾值的BIAS評分均小于DOGRAFS系統，對于0.1 mm降水閾值RMAPS-CA系統的BIAS評分更接近1，表明系統預報降水的測站數比DOGRAFS系統更接近實際測站數，其他降水閾值兩個系統預報降水的測站數均少于實際測站數，且RMAPS-CA系統預報測站數少于DOGRAFS系統；冬季RMAPS-CA系統與DOGRAFS系統在0.1 mm降水閾值預報屬于空報現象，說明2個系統預報降水的測站數均大于實際測站數，且RMAPSCA系統預報測站數多于DOGRAFS系統，RMAPSCA系統在6.1 mm降水閾值預報屬于漏報現象，DOGRAFS系統在此降水閾值預報屬于空報現象。整體來看，RMAPS-CA和DOGRAFS系統在春、夏、秋3個季節各降水閾值預報基本屬于漏報，冬季預報基本屬于空報，2個系統24 h累計降水針對各降水閾值的預報降水BIAS評分各有優劣。

圖6 RMAPS-CA與DOGRAFS系統24 h累計降水的TS和BIAS評分

4 個例分析

以2019年9月9日00時（世界時，下同）—11日20時降水進行分析，此次降水天氣環流形勢為500 hPa歐亞范圍中高緯呈兩槽兩脊，歐洲地區為高壓脊，咸海至巴爾喀什湖以北地區為中亞低渦，下游貝加爾湖地區為弱高壓脊，新疆受中亞低渦前部的西南氣流控制。隨著歐洲脊衰退，推動中亞低渦緩慢東移，減弱成槽進入新疆，造成北疆大部、喀什地區、克州、和田地區、阿克蘇地區、巴州、哈密市等地出現小到中雨，其中伊犁州、博州西部、塔城地區北部、烏魯木齊市、昌吉州、和田地區、阿克蘇地區、巴州北部等地的局部出現大到暴雨。在此次降水過程中10日00時—11日00時為降水集中時段，因此對該時段進行分析。

從圖7可知，RMAPS-CA和DOGRAFS系統9日00時預報的降水范圍整體偏小，9日12時預報的暴雨降水強度范圍偏大，10日00時預報的降水范圍和降水強度與實況比較接近。整體上看，2個系統均能較好地預報此次降水范圍與降水強度。

圖7 2019年9月10日00時—11日00時降水量（單位：mm）

從國家站實況降水與模式預報對比（表3）可知，拜城、天池、巴侖臺和小渠子站的24 h累計降水量為暴量，其中RMAPS-CA和DOGRAFS系統對拜城、巴侖臺站預報明顯偏弱，對天池站降水量級預報一致，RMAPS-CA系統對小渠子站預報量級一致，DOGRAFS系統9日12時預報對該站預報量級一致，其余時次預報偏弱；對18個24 h累計降水量為大量的國家站，RMAPS-CA系統9日00時、9日12時與10日00時預報降水量級與實況一致的站點數分別為11、9和7個，DOGRAFS系統9日00時、9日12時與10日00時預報降水量級與實況一致的站點數分別為9、10和5個，其中RMAPS-CA系統對烏魯木齊牧試站24 h降水量預報與實況基本一致，對米泉、奇臺以及吉木薩爾站24 h降水量預報與實況相差3 mm以內，2個系統對和田站的降水均出現漏報，且對塔城站降水預報量與實況相差較大。整體看，RMAPS-CA系統對此次國家站大量級以上降水的預報更為接近。

表3 2019年9月10日00時—11日00時國家站24 h累計降水量（≥12.1 mm）實況與預報對比 mm

由RMAPS-CA系統和DOGRAFS系統對2019年9月10日00時—11日00時累計降水不同閾值預報評分（表4）可知，兩個系統對此次不同閾值的降水均以漏報現象為主，RMAPS-CA系統對0.1 mm降水閾值隨著時次的臨近TS評分越大，對6.1 mm降水閾值9日12時TS評分最高，對12.1 mm降水閾值9日00時TS評分最高，對暴量級降水3個時次的TS評分均相等；DOGRAFS系統對0.1、6.1和24.1 mm降水閾值均以9日12時TS評分最高。整體上，對大量級以上降水RMAPS-CA系統預報能力較好。

表4 2019年9月10日00時—11日00時RMAPS-CA與DOGRAFS系統24 h累計降水評分

5 結論與討論

通過RMAPS-CA和DOGRAFS系統一年樣本的預報檢驗對比，得出以下結論：

（1）從高空要素預報檢驗結果看，RMAPS-CA系統對高空溫度在不同季節的預報性能整體上優于DOGRAFS；RMAPS-CA系統對位勢高度春、秋、冬季的預報效果整體上優于DOGRAFS，夏季則各有優劣。

（2）從地面的2 m溫度、10 m風速預報檢驗結果看，RMAPS-CA系統的2 m溫度與10 m風速春、秋、冬季的預報效果整體上優于DOGRAFS，夏季則各有優劣。

（3）從24 h累計降水預報檢驗結果看，RMAPSCA系統4個季節的TS評分對于0.1 mm降水閾值的預報效果優于DOGRAFS系統，其他降水閾值的預報效果2個系統各有優劣；RMAPS-CA系統春季漏報現象小于DOGRAFS系統，秋季漏報現象大于DOGRAFS系統。

（4）從降水個例分析，RMAPS-CA系統和DOGRAFS系統均能較好地預報降水強度與降水范圍。從國家站預報來看，2個系統對大量級以上的站點預報均有一定的能力，且RMAPS-CA系統預報的降水量與實況更為接近。從評分來看，2個系統對于0.1和6.1mm降水閾值的評分各有優劣，RMAPSCA系統對于12.1和24.1mm降水閾值的評分大于DOGRAFS系統。

通過不同氣象要素預報性能檢驗結果表明，新疆新一代區域數值預報業務系統的預報性能整體優于上一代業務系統DOGRAFS。促進上述預報性能提升的因素有模式空間分辨率的提高，物理過程參數化方案的優選等。今后在計算資源允許的條件下，改進運行方案，加入更多的同化資料，將同化頻率由逐6 h一次提高至逐3 h一次甚至更高，進一步提升模式的預報性能。