陜西中短期網(wǎng)格客觀預(yù)報(bào)降水產(chǎn)品在西安地區(qū)的檢驗(yàn)

杜萌萌，楊曉春，黃 蕾，劉瑞芳，魏俊濤

(1.西安市氣象臺，西安 710016；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016；3.西安市公共氣象服務(wù)中心，西安 710016)

隨著數(shù)值預(yù)報(bào)和信息化技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)格要素預(yù)報(bào)成為未來天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展方向，陜西省2015年開始建設(shè)智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模式動態(tài)交叉取優(yōu)要素預(yù)報(bào)(dynamic cross optimal element forecast，DCOEF)方法，從原始模式產(chǎn)品出發(fā)經(jīng)過一系列技術(shù)方法，最終形成了一套全要素網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品[1]，即陜西中短期網(wǎng)格客觀預(yù)報(bào)產(chǎn)品，簡稱DCOEF。對于模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的檢驗(yàn)，可以使預(yù)報(bào)員了解模式產(chǎn)品的性能和特點(diǎn)，提高對預(yù)報(bào)產(chǎn)品的應(yīng)用和訂正能力，進(jìn)而提高預(yù)報(bào)水平[2]。目前陜西省天氣預(yù)報(bào)主要基于DCOEF進(jìn)行主觀訂正，因此對其進(jìn)行檢驗(yàn)評估具有重要意義。高萌等[3]對DCOEF在2018年8月21—22日關(guān)中地區(qū)暴雨天氣過程中的降雨量預(yù)報(bào)進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明DCOEF對系統(tǒng)性降水預(yù)報(bào)偏強(qiáng)，而對對流性降水預(yù)報(bào)偏弱；李明娟等[4]基于陜西省氣象臺主觀訂正預(yù)報(bào)產(chǎn)品、ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品和DCOEF，對2019年4—10月陜西暴雨天氣過程進(jìn)行檢驗(yàn)評估，結(jié)果表明DCOEF對于區(qū)域性暴雨的預(yù)報(bào)能力強(qiáng)于對局地性暴雨的預(yù)報(bào)能力，且評分優(yōu)于ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品。以往雖然在降水檢驗(yàn)方面做了一些工作，但主要是針對陜西省或者是某一次過程的檢驗(yàn)評估。西安位于關(guān)中平原中部，地勢南高北低、西高東低，且降水分布不均[5]，獨(dú)特的地理?xiàng)l件導(dǎo)致預(yù)報(bào)難度加大，為了詳細(xì)了解DCOEF降水預(yù)報(bào)在西安地區(qū)的預(yù)報(bào)性能，選取全市21個(gè)氣象觀測站(圖1)，通過對2017—2020年6—9月DCOEF每日20時(shí)起報(bào)的24 h降水產(chǎn)品預(yù)報(bào)效果的檢驗(yàn)，增進(jìn)了解DCOEF對西安地區(qū)不同時(shí)間及不同量級降水的預(yù)報(bào)能力，為今后預(yù)報(bào)員對該產(chǎn)品的應(yīng)用和訂正提供技術(shù)支撐，從而提高降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

圖1 檢驗(yàn)站點(diǎn)分布圖

1 數(shù)據(jù)和方法

實(shí)況資料為2017—2020年6—9月西安市21個(gè)氣象觀測站逐日累計(jì)降水量(20—20時(shí))，選取對應(yīng)時(shí)間段DCOEF每日20時(shí)起報(bào)的24 h降水產(chǎn)品，提取離站點(diǎn)最近的格點(diǎn)數(shù)據(jù)作為預(yù)報(bào)值，檢驗(yàn)其24 h降水預(yù)報(bào)的性能。

采用的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量包括晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率(PC)和不同降水量級的TS評分，并計(jì)算預(yù)報(bào)偏差BIAS[6-7]。

PC=(NA+ND)/(NA+NB+NC+ND),

(1)

TS=NA/(NA+NB+NC),

(2)

BIAS=(NA+NB)/(NA+NC)。

(3)

式中，NA為有降水預(yù)報(bào)正確的次數(shù)，NB為空報(bào)的次數(shù)，NC為漏報(bào)的次數(shù)，ND為無降水預(yù)報(bào)正確的次數(shù)。式(1)和(2)中PC和TS值越高，則預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率越高。式(3)中當(dāng)無空報(bào)和漏報(bào)時(shí)，BIAS等于1，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確；當(dāng)空報(bào)次數(shù)大于漏報(bào)次數(shù)(NB>NC)，BIAS大于1，表示模式空報(bào)率高，預(yù)報(bào)過度；而當(dāng)漏報(bào)次數(shù)大于空報(bào)次(NC>NB)，BIAS小于1，則表示模式漏報(bào)率高，預(yù)報(bào)不足[6-7]。

2 檢驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 時(shí)間變化特征

分析DCOEF晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率PC隨時(shí)間的變化。2017—2020年P(guān)C最低的是2018年0.69，其余年份的PC均在0.75以上，其中2020年P(guān)C最高，達(dá)到0.81；逐月檢驗(yàn)結(jié)果則表明8月PC最低，其余月份的PC均在0.74以上，其中9月PC最高，達(dá)到0.8。整體看2017—2020年6—9月PC均在0.69以上，DCOEF表現(xiàn)出較好的預(yù)報(bào)性能(表略)。

圖2給出了DCOEF在西安市范圍內(nèi)不同量級降水的TS評分。從逐年檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著降水量級的增加，TS評分明顯下降，小雨的TS評分均在0.5以上，中雨TS評分為0.42～0.53，大雨TS評分為0.26～0.35，暴雨TS評分為0～0.24。小雨、中雨和大雨不同年份之間TS評分差異較小，暴雨在不同年份之間差異明顯。逐月檢驗(yàn)結(jié)果則表明9月不同量級的TS評分明顯高于其他月份，各個(gè)月份小雨TS評分為0.51～0.65，中雨為0.37～0.59，大雨為0.18～0.47，暴雨為0～0.4。小雨在不同月份之間TS評分差異最小，中雨和大雨不同月份之間有明顯差異，暴雨量級差異最大。

圖2 西安地區(qū)DCOEF不同雨量等級降水預(yù)報(bào)TS評分逐年(a)、逐月(b)檢驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算DCOEF分量級降水預(yù)報(bào)的BIAS(圖3)。從逐年檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，小雨、中雨和大雨不同年份之間的BIAS差異較小，暴雨量級不同年份間差異顯著：2020年小雨量級、2018年中雨和大雨量級的BIAS接近1，效果較好，其余的BIAS在1.2～2.6之間，空報(bào)率偏高；暴雨量級2018年的BIAS僅為0.6，漏報(bào)率較高，而2020年的BIAS高達(dá)11，空報(bào)率顯著偏高，預(yù)報(bào)過度。逐月檢驗(yàn)結(jié)果則表明9月不同量級的BIAS均接近于1，空、漏報(bào)較少，且低于其它月份；小雨和中雨不同月份之間差異較小，暴雨量級則差異顯著，6—8月的BIAS均在6.0以上，空報(bào)率明顯偏高。

圖3 西安地區(qū)DCOEF不同雨量等級降水預(yù)報(bào)BIAS逐年(a)、逐月(b)檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 空間分布特征

從DCOEF晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的空間分布(圖4)可見，DCOEF在西安市的晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均大于0.65，其中西安城區(qū)、高陵、閻良、臨潼和灞橋地區(qū)的晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率普遍在0.75以上，具有較好的參考價(jià)值；而在周至中南部以及長安東部地區(qū)則略偏低，DCOEF對此區(qū)域的晴雨預(yù)報(bào)能力較差。

圖4 西安地區(qū)DCOEF晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率(PC)空間分布

從DCOEF不同量級降水預(yù)報(bào)TS評分的空間分布(圖5)可見，西安市大部分地方小雨TS評分大于0.5；中雨TS評分在周至北部以及西安的東北部地區(qū)最高，可以達(dá)到0.5；大雨TS評分周至北部預(yù)報(bào)評分最高(>0.4)，其次為偏東地區(qū)；暴雨的TS評分總體較低，周至中部地區(qū)最高，評分大于0.2。總體來說，隨著降水量級的增加TS評分明顯降低，周至地區(qū)TS評分整體較高，長安地區(qū)則評分較低。

由DCOEF不同量級BIAS的空間分布(圖6)結(jié)果可見，小雨的BIAS在藍(lán)田東部地區(qū)接近1，表明模式對小雨的預(yù)報(bào)基本正確，空、漏報(bào)較少，其它地區(qū)在1.2～2.0之間，空報(bào)率略高。中雨預(yù)報(bào)的BIAS全市大部分地區(qū)在1.2～2.0之間，藍(lán)田北部和臨潼南部的BIAS接近1，效果較好；長安東部和西北部地區(qū)BIAS大于2.0，空報(bào)率偏高。大雨的BIAS在西安地區(qū)均在1.2以上，空報(bào)率偏高。暴雨預(yù)報(bào)的BIAS相比其它三個(gè)量級明顯偏高，空間分布差異明顯，高陵大部、閻良、長安和藍(lán)田東部的部分地區(qū)BIAS在8.0～10.0之間，空報(bào)率異常偏高。結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn)，TS評分高的地區(qū)對應(yīng)的BIAS相對較小，預(yù)報(bào)效果好。

3 降水實(shí)況與DCOEF降水預(yù)報(bào)對比

通過對區(qū)域內(nèi)日平均降水量分布的空間對比可以了解預(yù)報(bào)產(chǎn)品對降水落區(qū)空間分布的預(yù)報(bào)能力，分析區(qū)域內(nèi)平均降水的日變化可以更好地了解預(yù)報(bào)產(chǎn)品對區(qū)域內(nèi)一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的大降水過程的預(yù)報(bào)能力[8]。同時(shí)采用日降水量大于0.1 mm按升序排列的第99%的降水量值作為測站極端降水量的閾值，將日降水量超過該極端降水閾值的樣本重新排列，進(jìn)一步了解DCOEF對極端降水的預(yù)報(bào)效果。

圖5 西安地區(qū)DCOEF不同量級降水預(yù)報(bào)TS評分空間分布

圖6 西安地區(qū)DCOEF不同量級降水預(yù)報(bào)BIAS空間分布

3.1 日平均降水量

從西安2017—2020年6—9月日平均降水量的實(shí)況分布(圖7a)可以看出，主雨帶呈東西向分布，位于周至北部、鄠邑、藍(lán)田北部一帶，強(qiáng)降水中心位于周至、藍(lán)田站附近，從強(qiáng)降水中心向南北兩側(cè)降水量減小。分析DCOEF 2017—2020年6—9月24 h平均降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品(圖7b)的雨帶分布、強(qiáng)降水中心位置和強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，DCOEF雨帶分布呈現(xiàn)西北多、東南少的態(tài)勢，較實(shí)況差別較大；由于全市降水量較為平均，強(qiáng)降水中心不明顯且降水強(qiáng)度較實(shí)況明顯偏大。

圖7 西安地區(qū)2017—2020年6—9月日平均降水量與DCOEF降水量預(yù)報(bào)空間對比

計(jì)算2017—2020年6—9月降水量的逐日區(qū)域平均，從西安降水實(shí)況與DCOEF降水量預(yù)報(bào)的逐日演變(圖8)可以看出，DCOEF能較好地反映出降水的時(shí)間演變趨勢，與實(shí)況較為接近，只是在降水量上存在一定的偏差，預(yù)報(bào)值較實(shí)況以偏大為主。

圖8 西安地區(qū)2017—2020年6—9月日平均降水量與DCOEF降水量預(yù)報(bào)序列演變

3.2 極端降水

從2017—2020年6—9月西安地區(qū)極端降水量的實(shí)況分布來看，除長安東南部地區(qū)外極端降水量均在50 mm以上，周至西部、藍(lán)田北部為極大值區(qū)。與極端降水實(shí)況對應(yīng)的DCOEF預(yù)報(bào)值則整體偏低，對極端降水的分布預(yù)報(bào)在周至西南部、臨潼地區(qū)效果較好，藍(lán)田中部極大值區(qū)的預(yù)報(bào)顯著偏小(圖9)。

將極端降水事件按站點(diǎn)和時(shí)間進(jìn)行排序，分析DCOEF降水預(yù)報(bào)與實(shí)況之間的偏差情況(圖10)，預(yù)報(bào)值較實(shí)況偏大和偏小的頻率相等，偏差最大可以達(dá)到±80 mm以上，且預(yù)報(bào)值較實(shí)況偏小時(shí)的偏差更大，整體來看DCOEF對極端降水的預(yù)報(bào)缺乏穩(wěn)定性，偏差大。

對預(yù)報(bào)和實(shí)況誤差在80 mm以上的三次事件進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，三次極端降水事件都出現(xiàn)在8月，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水，最大小時(shí)雨量分別為59.8 mm 、57.4 mm和27.2 mm，即DCOEF對短時(shí)強(qiáng)降水造成的極端降水過程的預(yù)報(bào)能力弱。

圖9 西安2017—2020年6—9月99%分位數(shù)的降水量實(shí)況與DCOEF降水量預(yù)報(bào)空間對比

圖10 西安地區(qū)2017—2020年6—9月極端降水事件DCOEF降水預(yù)報(bào)與實(shí)況的偏差序列演變

4 結(jié)論

(1)西安市DCOEF 24 h降水產(chǎn)品逐年和逐月的晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均在0.69以上，預(yù)報(bào)性能較好，其中2020年和9月在年際和月際變化中準(zhǔn)確率最高，PC分別為0.81和0.8。不同地區(qū)的晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率存在差異，其中西安城區(qū)、高陵、閻良、臨潼和灞橋地區(qū)的晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率普遍在0.75以上，具有較好的參考價(jià)值。

(2)隨著降水量級的增加，TS評分明顯降低，其中小雨TS評分均在0.5以上；9月各量級的TS評分明顯高于其他月份；小雨、中雨和大雨的TS評分不同年份和月份間差異較小，暴雨則差異顯著。從空間分布上看，總體上也是隨著降雨量級的增大，TS評分逐步降低，小雨在全市大部分地方的評分在0.5以上，DCOEF對周至地區(qū)各量級降水預(yù)報(bào)的效果總體優(yōu)于其它地區(qū)。

(3)BIAS大部分在1.2以上，表現(xiàn)為空報(bào)率偏高；小雨、中雨和大雨不同年份和月份之間差異較小，暴雨則差異顯著，其中2020年和6—8月空報(bào)率異常偏高，另外9月各量級的BIAS較其它幾個(gè)月份都低，均在1.0附近?？臻g分布上，小雨、中雨和大雨在不同地區(qū)間差異較小，暴雨預(yù)報(bào)的BIAS相比其他3個(gè)量級明顯偏高，高陵大部、閻良、長安和藍(lán)田東部的部分地區(qū)BIAS在8.0～10.0之間，空報(bào)率異常偏高。

(4)DCOEF區(qū)域平均降水量在雨帶分布上較實(shí)況差別較大，強(qiáng)降水中心不明顯且降水強(qiáng)度較實(shí)況明顯偏大；對極端降水的分布預(yù)報(bào)在周至西南部、臨潼地區(qū)效果較好，藍(lán)田中部極大值區(qū)的預(yù)報(bào)顯著偏小。

(5)DCOEF能較好地反映出區(qū)域降水的時(shí)間演變趨勢，與實(shí)況較為接近，但在降水量上存在一定的偏差，預(yù)報(bào)值較實(shí)況以偏大為主；對極端降水的預(yù)報(bào)缺乏穩(wěn)定性，偏差大，尤其是對短時(shí)強(qiáng)降水造成的極端降水過程的預(yù)報(bào)能力弱。