基于IGGE数据的中期降水预报在江苏省的应用效果评估

杜雅玲+陆桂华+吴志勇+何海

摘要：预见期长达14 d的中期降水预报对于旱涝预测与水资源调度管理等具有重要意义，全球多模式集合预报（TIGGE）资料为区域中期降水预报提供了新基础。基于2008-2013年江苏省实测降水数据，采用TS、BS评分、平均偏差和均方根误差等评估指标，重点评估了CMA、CMC、ECMWF、JMA和NCEP这五个TIGGE代表模式在江苏省的中期预报效果。结果表明：整个预见期内各模式对于中小雨的预报评分都较高，小雨的TS评分值最高多在05左右，中雨以上等级降水存在较明显的漏报。预见期长达15 d的日累积降水量预报只存在3 d的衰减期，之后各项误差指标值能维持稳定，3 d以上预见期的误差主要为预报值偏大。同时，5 d以上累积降水量预报也较实际偏大，且冬季预报效果最好夏季最差，苏北地区好于苏南地区。就各代表模式而言，ECMWF与JMA模式分别在降水分级预报和日累积降水量预报中表现最好。

关键词：TIGGE；中期降水预报；TS与BS评分；降水量级；江苏省

中图分类号：P333；P459文献标识码：A文章编号：

16721683（2017）06001709

Abstract：The 14day mediumrange precipitation forecast is important for drought and flood forecasting and water resources scheduling managementTIGGE （THORPEX Interactive Grand Global Ensemble） provides basic data for regional mediumrange ensemble precipitation predictionBased on the ensemble forecasts of CMA，CMC，ECMWF，JMA and NCEP in the TIGGE datasets in Jiangsu Province，we evaluated their mediumrange precipitation forecast resultsWe mainly used such evaluation methods as the TS，BS，mean absolute deviation，and mean square root errorThe results showed that the forecast scores of light and moderate rain during the entire forecast period were all relatively highThe light rain had the highest TS （mostly around 05） statisticallyHowever，there were obvious missing reports of precipitations above the moderate levelFor the 15day forecast of daily cumulative rainfall，there was only a 3day decay period，after which all the error indicators remained stableThe prediction bias in a lead time of over 3 days was mainly overpredictionMeanwhile，the cumulative rainfall forecast of over 5 days was significantly larger than the actual valueThe forecast effect was the best in winter and the worst in summer，and the effect in northern Jiangsu was better than that in southern JiangsuAcross the five representative modes，the ECMWF and JMA modes respectively showed the best performance in rainfall categorical forecast and daily cumulative rainfall forecast

Key words：TIGGE；mediumterm precipitation；TS and BS score；precipitation level；Jiangsu Province

中期降水預报时效长，可靠性高，是天气预报中的重要环节之一[1]。1～14 d内的日降水预报可输入到水文模型中实行洪水预警、应用到水库预报实时调度增加防洪和发电调度的预见期以及结合流域土壤的初始状态进行中长期径流预测，减少预报径流的不确定性；多日累积降水预报可以应用到干旱预警为抗灾赢得更多防御时间，保障生命安全、减少财产损失[23]，亦可为水资源的调配和安全保障提供决策支持。在较长预见期内实现高预报精度是中期降水预报的主要目标，但由于天气过程本身的随机性以及馄饨性，随着预报时效的延长，不确定性越大，中期预报的精度难以保证。采用集合预报技术代替单一的确定性预报，能够较好的改善中期降水预报结果。第15卷 总第93期·南水北调与水利科技·2017年12月

杜雅玲等·基于TIGGE数据的中期降水预报在江苏省的应用效果评估

20世纪90年代以来，集合预报技术在许多国家气象中心相继投入业务使用。THORPEX交互式全球预报大集合（简称TIGGE） 项目的实施，将全球各国的集合预报产品集中起来，形成超级集合预报系统，以提高1～14 d预报时效上的预报精度[45]。随后，比较各中心的预报效果和如何充分利用各中心的集合预报资料提高预报准确率成为各国气象部门的研究热点[6]。多模式集合预报技术就是一个充分利用各中心模式预报结果以减小模式系统性偏差的有效途径，一些研究表明集合多个预报模式的多模式预报结果较单一预报模式更具技巧[78]。在多模式集合预报的实际应用中，如何赋予每个预报中心合理的权重系数是提高预报精度的关键。而在考虑如何分配各模式不同权重之前，先行评估各模式的预报能力是有益的。endprint

目前对TIGGE预报结果的评估已取得一定的进展，针对不同方面进行评估，其结果并不相同，就某一模式而言，总能找到该模式的优点[910]。近年来一些研究主要侧重于TIGGE 逐日降水预报的应用，关于 TIGGE 中期降水预报性能的研究并不多，而TIGGE对江苏省的预报效果目前未见报道，江苏省作为东亚季风区南北气候过渡地区、海陆交接特殊地区，评估多模式的预报效果，分析结果差异的原因，对于改进中期预报具有重要参考意义。故本文选用CMA、CMC、ECMWF、JMA和 NCEP这五个中心在江苏省2008-2013年的降水预报产品，利用中国地面降水日值05°×05°格点数据集（V20）进行验证，评估这五个中心在1～14 d预见期内对降水量级、日降水量及多日累积降水的预报效果。对TIGGE各模式的中期降水预报效果进行区域性评估，对后期进行误差订正以及多模式集成从而提高江苏省中期降水预报精度具有一定的参考价值。

1研究区域、数据和方法

11 研究区域

江苏省位于116°18′-121°57′E，30°45′ -35°20′ N之间，面积1072万km2，共13个地级市：南京市、苏州市、无锡市、常州市、淮安市、南通市、宿迁市、徐州市、连云港市、扬州市、镇江市、泰州市、盐城市（图1）。在气候上，江苏省属于东亚季风区，又属亚热带和暖温带的过渡区，以淮河、苏北灌溉总渠一线为界，以北属暖温带湿润、半湿润季风气候，以南属亚热带湿润季风气候。全省年平均气温为13～16 ℃，江苏省年降水量为724～1 210 mm。由于受季风气候影响，降水季节分配不均匀，夏季多，冬季少，且地区差异明显，东部多于西部，南部多于北部。受海陆分布、大气环流、季风降水的共同影响，江苏省是我国典型的旱涝灾害频发区，提高中期降水预报精度，发挥集合预报优势，预测及抵抗气象灾害对于江苏省的发展显得尤为重要。

12 数据及其处理

本文所用资料为TIGGE资料下五个模式的降水数据和中国地面降水日值05°×05°格点数据集（V20），具体的资料情况见表1。

（1）预报资料。目前WMO设立了三个TIGGE资料中心，即中国气象局（CMA）、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和美国国家大气研究中心（NCEP），这 3 个中心收集来自全球十多个主要预报中心的集合预报产品，预报时效达到10～16 d。本文应用的TIGGE数据来自于ECMWF（欧洲中心）的CMA（中国）、CMC（加拿大）、ECMWF（欧洲）、JMA（日本）和NCEP（美国）这五个模式，各模式的集合预报产品均已提前处理成集合平均结果。

（2）实测资料。实测降水数据来自国家气象信息中心气象资料室建立的中国地面降水日值05°×05°格点数据集（V20）。该套数据集基于我国2474个国家级地面气象站日降水量观测数据，利用薄盘样条法和GTOPO30数据（分辨率为30″×30″） 重采样生成，尽可能地消除了高程因素对降水空间插值结果的影响。质量评估结果表明：格点数据较气象站点实测数据之间普遍偏小，且偏差主要集中在-20%～10%之间，占总数的8526；二者之间的相关系数普遍较高，大多区域均在080以上。因此该套数据集可以用于我国南方地区降水格局的研究。但夏季插值误差高于冬季，东南地区误差普遍高于其他地区[11]。

对比两种不同类型的数据，须将其统一到同一时间和空间尺度上，因此需要对TIGGE和地面数据进行预处理。具体处理方法为：空间上TIGGE与实测资料均统一成05°×05°网格，并将江苏省13个省辖市的网格降水量提取出来，再通过面积加权法求出各省轄市的预报及实测的面平均降水量，然后基于各省辖市的面雨量利用不同检验指标进行评估，江苏省的评估结果为13个省辖市的平均。由于实测24 h累积降水资料的起始时间为北京时间8时，而TIGGE资料预报起始时间为世界时间12时，因此选取与实测时间对应的前一天12～36 h的预报降水量作为日降水预报在第1天预见期的降水量，>36～60 h的降水量为第2天预见期的降水量，依次类推；5 d、9 d及14 d的累积降水预报值分别为前一天12～132 h、12～228 h及12～348 h的累积降水量。CMA和JMA模式预见期最长为240 h和216 h，因此9 d累积降水预报未考虑JMA模式，14 d未考虑CMA及JMA模式。

13评估方法

本文旨在对CMA、CMC、ECMWF、JMA、NCEP这五类TIGGE预报模式在江苏省的整体预报效果作出评估，包括降水分级预报以及不同累积时段降水量预报效果的检验。

1～14 d的日降水预报可以延长洪水预警、水库实时调度以及径流预报等的预见期，提高预报要素的可利用性。而大气的混沌特性使得数值模式对初值误差具有高度的敏感性，即虽然初值的误差很小，预报误差也会随着积分时间的增长而大幅度增长[1213]。分析误差随预见期的变化情况可以反映TIGGE日降水预报在江苏省的应用效果；比较不同模式在1～14 d预见期内对于降水分级预报及日累积降水量预报的结果差异，为后期通过降水订正、多模式集合等手段改进中期降水预报提供一定的参考。

水资源调配与干旱预警等问题更关注某一段时间内天气要素的累积变化，如干旱前期5～15 d的总降水量，而并不关注具体某一天的雨量。对5 d以上累积降水量的预报效果分季节分区域进行评估，揭示不同TIGGE模式对于较长累积时段降水的可预报性，对后期针对不同季节不同区域改进TIGGE各模式对于多日累积降水的预报效果有一定的帮助，进而为江苏省水资源调配及干旱预警等重大问题提供决策基础。

采用的检验方法分别针对降水分级预报和降水量预报。参照中国气象局 TS 技巧评分中雨量等级的划分标准，将24 h 降水量划分为01～100 mm（小雨）、>100～250 mm（中雨）、>250～500 mm（大雨）、>500～1000 mm（暴雨）。对于24 h降水，检验不同模式在1～14 d预见期内的预报效果。对于多日累积降水量，先将2008-2013年的数据分季节处理，来揭示不同季节不同累积时段各模式的预报差异，然后对比苏南苏北代表省辖市的预报误差来揭示各预报模式的地域性差异。endprint