杨宇涵1 姚德宽2
1 保山市隆阳区气象局,保山 678000
2 保山市气象局,保山 678000
摘 要：利用云南省125个国家站逐日降水资料，对ECMWF_HR、GERMAN_HR、JAPAN_MR三种数值模式降水预报产品在云南2020年主汛期（6～8月）的预报质量进行了检验，结果表明：三种模式对云南的晴雨预报准确率不高,24h分辨率0-168h晴雨预报正确率仅为57%～63%，并存在着明显的地区差异，三种模式对滇西及滇西南边缘区域的预报水平相对较高。降水分级检验结果：小雨TS评分，GERMAN_HR最高，ECMWF_HR最低；中雨TS评分，JAPAN_MR最高，GERMAN_HR最低；大雨TS评分，ECMWF_HR及JAPAN_MR最高，GERMAN_HR最低；暴雨及以上降水TS评分，ECMWF_HR最高，GERMAN_HR模式最低。若将≤2.0mm的降水预报作消空处理，则三种模式各预报时效的晴雨预报正确率均有明显提高，其中ECMWF_HR模式消空效果最好，0～168h晴雨预报正确率较消空前提高了8～16个百分点。三种模式的48h降水预报产品对云南大范围大雨以上强降水过程均具有较好的趋势预报能力，其中ECMWF_HR模式预报效果相对较好，预报与实况的偏差相对较小。
关键词：数值模式 晴雨预报 检验
引 言
随着高分辨率数值模式预报性能的不断提高，各种数值模式预报产品已成为各级气象台站分析制作中短期天气预报的重要参考资料。目前，基层台站能够接收到的数值模式产品主要有ECMWF_HR、GERMAN_HR及JAPAN_MR等三种模式产品。在日常对数值预报模式产品的解释应用中发现，这三种全球主要的数值预报模式的降水预报产品在不同季节、不同地区、不同时段、不同量级的降水预报中其预报能力有较大的差异，各有所长。因此，对以上三种数值预报模式的降水预报产品进行系统性检验具有重要的意义，可以为预报员订正预报提供参考，进而提高晴雨预报和降水分级预报的准确率。
1 资料和方法
1.1 资 料
本文选取2020年云南省主汛期6～8月20时起报 ECMWF_HR、GERMAN_HR、JAPAN_MR三种模式的降水预报产品和云南省125个自动气象站同期逐日降水资料进行检验，目前，ECMWF_HR、JAPAN_MR模式提供了24～240h的降水预报产品,而GERMAN_HR仅提供了24～168h的降水预报产品,为便于多模式对比分析，这里的检验时效统一选取24～168h。
1.2 资料处理
为便于检验，从各模式逐日累积降水量预报资料中分别提取0～168h时效、时间分辨率为24h的降水预报产品，并用距离加权平均方法，由格点预报值插值得到云南省125个代表站点的降水预报值。
1.3 检验方法
依据国家气象局2015年下发的《中短期天气预报质量检验办法》中的降水预报质量评分标准，按照月、季、年、时效、时间分辨率,分别对云南省125个国家气象观测站晴雨和分级降水预报质量进行检验。
晴雨预报正确率为:
式中，NA为有降水预报正确站（次）数，NB为空报站（次）数，NC为漏报站（次）数，ND为无降水预报正确的站（次）数。
对降水分级检验，各级ＴＳ评分为：
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通常TS 评分是用来衡量降水预报准确率的式中NAk为预报正确站（次）数、NBk为空报站（次）数、NCk为漏报站（次）数。
（1）单站降水预报质量检验。逐日检验只评定是否正确和是否属空报、漏报；月、季、年检验依据当月、季、年的预报正确总次数、空报总次数、漏报总次数计算 TS评分、空报率、漏报率。
（2）区域降水预报质量检验。逐日检验依据当日预报正确站数、空报站数、漏报站数，计算TS评分、空报率、漏报率；月、季、年检验依据当月、季、年的预报正确总站（次）数、空报总站（次）数、漏报总站（次）数，计算TS评分、空报率、漏报率。
(3)全省性强降水天气过程标准:125个国家自动气象站中24小时降水量≥25.0mm的站点数≥22站时,定义为一次全省性强降水天气过程。
2 三种数值模式降水预报产品检验
2．1 晴雨预报检验
图1.a 为2020年6～8月ECMWF_HR、GERMAN_HR、JAPAN_MR三种模式降水预报产品对云南125个代表站24h分辨率0～168h时效晴雨预报检验结果，从图中可以看出: 这三种数值模式降水预报产品对云南主汛期的晴雨预报正确率不高，0～168h 晴雨预报综合正确率仅为57%～63%，其中GERMAN_HR模式略优于其它两种模式。三种模式对云南的西部边缘、西南部边缘及南部边缘地区的晴雨预报正确率明显高于其它区域(见图1.b)，晴雨预报正确率达到了75%以上，其中三种模式的48h晴雨预报正确率分布特征也极为相似（图略）。晴雨预报偏差分析结果表明（见图1.a右）,三种模式168h内晴雨预报正确率相对稳定,预报偏差稳定在1.5～1.8。
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图1.b 2020年6～8月三种模式对云南24h分辨率0～168h时效晴雨预报正确率空间分布图(单位:%)
2．2 降水预报分级检验
图2为三种数值模式对云南省125代表站24h分辨率0～168h降水预报分级检验结果，从图中可以看出：小雨TS评分,GERMAN_HR最高，辨率0～168h预报准确率达到了46%，ECMWF_HR最低，预报准确率为37%；中雨TS评分，JAPAN_MR最高, 0～168h预报准确率达到了19%，GERMAN_HR最低, 预报准确率为16%；大雨TS评分,ECMWF_HR、JAPAN_MR最高, 0～168h预报准确率达到了10%，GERMAN_HR最低,预报准确率为7%；暴雨及以上降水TS评分，ECMWF_HR最高, 0～168h预报准确率为6%，GERMAN_HR最低, 预报准确率为4%,其中:24h预报，ECMWF_HR最高，预报准确率为14%；48h JAPAN_MR最高,预报准确率为9% ,ECMWF_HR次之；72h JAPAN_MR模式最高，预报准确率为7%，GERMAN_HR预报准确率为0；168h JAPAN_MR及GERMAN_HR模式预报准确率为0，即没有预报能力。
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图2 2020年6～8月云南三种模式24h分辨率0～168h时效降水分级检验结果（单位:%）
3 2020年6-8月云南全省性强降水过程模式预报效果检验
在日常预报业务中,每天下午北京时间16:00制作发布的未来24h天气预报主要参考前一天北京时间20:00起报的各家数值模式48h预报产品,因此,这里着重分析三种数值模式对2020年6～8月云南8次全省性强降水天气过程的48h预报效果。按照云南省气象台制订的全省性大雨以上强降水天气过程统计标准,2020年主汛期（6～8月）云南出现了8次全省性大雨以上强降水天气过程(见表1)，从表中可以看出，三种数值模式对这8次强降水过程在48h均有一定的预报能力，其中ECMWF_HR模式预报效果最好，预报与实况的偏差相对较小，但强降水的落区、强度、范围与实况仍存在着明显的偏差。
表1 2020年6-8月云南全省性强降水过程实况及三种模式的48小时预报情况
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图4 2020年7月2日降水实况(D)及ECMWF_HR(A)、JAPAN_MR(B)、GERMAN_HR(C)三模式48h降水预报
例:2020年7月1日20时至2日20时,受低涡切变影响,滇西北东部至滇中及以东出现了一次大雨局部暴雨、大暴雨天气过程,全省出现大暴雨1站,暴雨16站,大雨31站。从图4中可以看出，ECMWF_HR预报效果最好,但对滇西边缘地区出现空报,对滇中地区的暴雨漏报。
4 数值模式降水预报产品的解释应用
4.1 晴雨预报消空处理
ECMWF_HR、GERMAN_HR、JAPAN_MR三种模式降水预报产品对对云南主汛期的晴雨预报正确率不高，24h分辨率0～168h 晴雨预报平均正确率仅为57%～63%(见图5)，并且时间分辨率为24h的任一时效晴雨空报率远大于漏报率，因此在实际应用数值模式降水预报产品的过程中有必要对其进行消空处理。依次将降水预报值≤0.2mm、≤0.4mm、≤0.8mm、≤1.0mm、≤1.2mm 、≤1.4mm、≤1.6mm、≤1.8mm、≤2.0mm的站点当作0mm处理，再进行晴雨预报正确率检验，结果表明(图略): 若将2mm及以下降水预报忽略不计,则任意时效的晴雨预报着正确率达到最高, 消空后,ECMWF_HR模式24h分辨率0～168h晴雨预报正确率达到了66%～74%，较消空前提高了8～16个百分点；JAPAN_MR模式24h分辨率0～168h晴雨预报正确率达到了67%～74%较消空前提高了7～13个百分点；GERMAN_MR模式24h分辨率0～168h晴雨预报正确率达到了65%～75%，较消空前提高了3～11个风场百分点。消空后，JAPAN_MR模式0～168h晴雨综合预报正确率最高,预报准确率为71%。
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图5 2020年6～8月三种模式对云南24h分辨率24～168h时效晴雨预报消空前正确率（左）、消空后正确率(右)
4.2 大范围强降水过程落区预报订正方法
检验结果表明(见图2、表1),虽然ECMWF_HR对云南48h大雨以上强降水的预报准确率较低（TS＜20%）、空报率及漏报率很高，但其对云南大范围强降水过程的预报能力明显优于其它两种模式,对大范围强降水过程几乎无漏报,对48h以内影响云南的主要天气系统、移动方向及移动速度均具有较强的预报能力，与实况吻合程度较高，超过了预报员对天气系统的经验外推,因此，每天下午16时制作发布未来24小时(北京时间20:00～20:00)降水量级预报时,主要以ECMWF_HR模式前一天20时起报的48h降水预报产品为基础，同时，把ECMWF_HR模式的3h时间分辨率24～48h风场预报场作为订正降水量级预报的重要依据。我们在对ECMWF_HR模式48h预报产品的解释应用中发现，对于云南主汛期出现的大范围强降水天气过程，ECMWF_HR模式预报产品有以下几个特征:（1）ECMWF_HR模式48h降水量预报场上云南区域预报有区域性强降水；(2)ECMWF模式预报有强降水的区域，对应时段的ECMWF风场预报场上能够分析出明显的天气系统移动并影响该区域；（3）ECMWF模式预报的天气系统必须在预报有强降水的区域维持6h以上；（4）ECMWF_HR预报的天气系统影响范围及维持时间在6h以上的区域与实况强降水落区较为吻合，可以作为调正强降水范围的依据；(4)ECMWF_HR风场预报场上,天气系统维持时间长、辐合上升运动较强的区域应适当调大降水量级。
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图6 2020年7月2日 ECMWF48h降水量预报（左）、降水实况+500hPa影响系统（中）、降水实况+700 hPa影响系统（右)
图6 为2020年7月2日云南大范围强降水过程的ECMWF_HR模式48h降水量预报、主要影响天气系统及降水实况图，从图中可以看出，ECMWF_HR模式6月30日20时起报的48h预报产品中,预报滇西北东部～滇中～滇东有区域性大雨局部暴雨，500hPa、700hPa的3H分辨率24～48h风场预报有明显的低涡切变缓慢南移，在滇西北东部～滇中～滇东维持时间在12h以上，对应的降水实况上该区域出现了大范围大到暴雨局部大暴雨，ECMWF_HR对该区域的降水量级预报偏小、强降水范围偏小，大范围暴雨以上降水漏报，从图11中可以看出，暴雨以上降水区域与低涡切变维持时间较长的区域比较吻合。
4 小 结
本文依据国家气象局下发的《中短期天气预报质量检验办法》，对ECMWF_HR、GERMAN_HR、JAPAN_MR等三种数值模式降水预报产品在云南2020年主汛期（6～8月）的预报质量进行了检验，并进行了解释应用，得到如下结果：
（1）三种数值模式对云南24h分辨率24～168h晴雨预报正确率为57%～63%，并存在着明显的地区差异，呈现出从西南向东北逐渐降低的特征，在滇西及滇西南边缘地区24h分辨率24～168h预报准确率达到了75%以上。
（2）降水分级检验结果:小雨TS评分，GERMAN_HR 最高,ECMWF_HR 最低；中雨TS评分，JAPAN_MR 最高,GERMAN_HR 最低；大雨TS评分,ECMWF_HR、JAPAN_MR 最高, 24～168h预报准确率达到了10%，GERMAN_HR 模式最低,预报准确率为7%；暴雨及以上降水TS评分，ECMWF_HR最高, 24～168h预报准确率为6%，GERMAN_HR最低, 预报准确率为4%。
（3）针对三种模式24h分辨率降水预报产品，若将≤2.0mm的降水预报消空处理，则晴雨预报正确率有明显提高，其中ECMWF_HR模式消空效果最好，24h分辨率0～168h晴雨预报正确率达到了66%～74%，较消空前提高了8～16个百分点。
(4) 三种模式的48h降水预报产品对云南大范围大雨以上强降水过程均具有较好的趋势预报能力，其中ECMWF_HR模式预报效果相对较好，预报与实况的偏差相对较小。ECMWF_HR模式48h时效内的3h间隔700～500hPa风场预报对该时段内影响云南的低槽、切变、低涡等中小尺度天气系统的移动方向、移动速度、影响范围具有较强的预报能力，可根据风场预报场上分析出的天气系统影响区域、维持时间来订正ECMWF_HR模式的强降水落区预报。
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作者简介：杨宇涵(1985-),女,云南省保山市隆阳区人,大学本科学历，助理工程师，主要从事中短期天气预报及气象科技服务工作。
作者简介:姚德宽（1968-）,男,云南省保山市隆阳区人,大学本科学历，天气气候高级工程师，主要从事中短期天气预报及服务工作。