基于区域气候模式RegCM4的长江流域降水预报效果分析

2018-11-05

水利水电快报 2018年10期

(长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010)

区域气候模式RegCM诞生于美国国家大气研究中心(NCAR)[1]，其理论框架主要是基于中尺度气象模式MM4，并在此基础上进行改进，使之具备短期气候模拟的能力[2-3]。2010 年6月，意大利国际理论物理中心(ICTP)发布了第四代区域气候模式RegCM4，该模式在第三代的基础上做了较大的改进和变动，主要包括：针对原来的边界层方案模拟的湍流垂直输送过大进行修正，修正后的方案能够更好地模拟边界层变量并捕捉逆温[4-5]；不同的积云参数化都有各自的优劣，RegCM4能够将不同的积云参数化混合使用，使得各方案优势得到互补；RegCM4新增了陆面方案clm 3.5，同时原有的陆面方案bat也有了调整，增加了两种陆面类型，并进一步调整简化版原始水汽方案[6-7]；原来Zeng海洋通量方案中的SST为海面上层的平均温度，考虑到这段距离的冷却或加热，修正后的温度更接近实际。ICTP开发的RegCM系列模式是全球最具代表性的区域气候模式之一。该中心最新发布的RegCM 4.5模式在原有BATS陆面参数化方案的基础上又增加了clm方案，包括clm 3.5和clm 4.5[8-9]。

本文评估检验区域气候模式RegCM4在不同陆面参数方案下对长江流域降雨的预报能力，探讨在不同时间段该模式对长江流域降水的预报能力的差别。

1 评分方法

评估模式预测效果通常采用模式评分的方法，该法可较全面地反映出预测结果的优劣。本文采用以下3种评分方法来分析区域气候模式RegCM4的预测效果。

(1)距平符号一致率(P)反映了预测结果对气候变化趋势预测的准确率：

(1)

式中，N代表总站点数；Ni,j代表距平符号一致的站点数。

(2)空间距平相关系数(A)评分是预测与观测的气候距平之间位相误差的度量：

式中，F代表模式预测场；O代表观测场；C代表观测气候距平场。

(3)均方根误差(R)反映预测和观测变量之间的偏离程度：

(3)

同时，由于目前长期预报主要为趋势预报，结合实际业务需求，本文还将就区域气候模式RegCM4对长江流域11个分区的趋势预报效果进行检验，若预测趋势与实况趋势一致，则为正确；若预测趋势与实况趋势相反，则为错误。

2 区域气候模式RegCM4建立

建立区域气候模式RegCM4。中心点：(29.5°N，106°E)；水平分辨率：长江流域30 km和全国60 km；网格数：200×240和100×120；垂直分层：23层和18层。全国的模拟区域设置为68～140°E，0～55°N(见图1)，长江流域的范围是22～35°N，90～122°E(见图2)，初始场及边界条件：EC-earth。陆面方案有3种，分别为bat、clm 3.5、clm 4.5。每月预报3次，分别为上旬的7号，中旬的17号，下旬的27号，对未来3个月的降雨进行预测。根据业务需要将长江流域划分为11个区域，分别为金沙江、岷沱江、嘉陵江、长上干区、乌江、汉江上游、汉江中下游、长中干区、洞庭湖水系、长下干区和鄱阳湖水系。

图1 模拟区域(全国)

图2 模拟区域(长江流域)

3 长江流域的预测评估与检验

区域气候模式RegCM4于2015年底开始正式运行，以下分别就该模式对于长江流域2016年及2017年的降水预测效果进行检验，主要分为2016年及2017年主汛期(6～8月)及2016年秋汛期(9～10月)两个时段。

3.1 主汛期6～8月的评估分析

由表1可知，对2016年及2017年主汛期(6～8月)降水，clm 3.5陆面方案的P评分为62.54及63.25，均高于其余两个陆面方案的评分结果，clm 4.5陆面方案的P评分略低于clm 3.5陆面方案的P评分，bat陆面方案的P评分最低。这说明clm 3.5陆面方案对长江流域夏季降水的预测效果最好，clm 4.5方案次之，bat陆面方案的预测效果最差。由空间距平相关系数评分A和均方根误差评分R得到与P评分相同的结论。

表1 2016及2017年6～8月模式对长江流域降水评分

将2016年主汛期6～8月区域气候模式RegCM4的预测结果进行趋势检验，每月各旬的预测结果均检验一次，所得结果如表2所示。由表2看出，2016年5月上旬对6～8月的预测结果，bat陆面方案的结果总体较差，且仅对乌江、汉江中下游、长江中游干流附近及洞庭湖水系的趋势预报正确。clm 3.5的陆面方案的预测结果优于bat陆面方案的预测结果，对长江上游的预测效果要优于长江中下游。而clm 4.5的陆面方案的预测效果最好，除长上干区、长下干区及鄱阳湖水系的趋势预报错误之外，其余均正确。总而言之，这3种陆面方案对长江下游的预报效果均较差，bat陆面方案对上游的预报效果较差，clm4.5的陆面方案对长江上中游及汉江的预报效果最优。

就2016年5月中旬对6～8月的预测结果而言，bat陆面方案的结果总体较差，且仅对乌江、汉江中下游、长江中游干流附近及两湖水系的趋势预报正确。clm 3.5及clm 4.5陆面方案的预测效果相当，均优于bat陆面方案的预报效果，这两种陆面方案除长上干区、长下干区及鄱阳湖水系的趋势预报错误之外，其余均正确。5月中旬的预测，这3种陆面方案对长江下游的预报效果均较差，bat陆面方案对上游的预报效果较差，clm 3.5及clm 4.5的陆面方案对长江上中游及汉江的预报效果均较好。

就2016年5月下旬对6～8月的预测结果而言，bat陆面方案对长江上游及汉江上游的预报效果较差，对长江中下游的预报效果较好。clm 3.5的陆面方案对长江上游的预报效果优于bat陆面方案的预报效果，但对于长江中下游的预报效果较差，并且clm 3.5的陆面方案及clm 4.5的陆面方案的预报效果大体相当，对长江上游的预测效果要优于长江中下游。

表2 2016年长江流域6～8月各区降水预测与实况的趋势检验统计 mm

表3 2017年长江流域6～8月各区降水预测与实况的趋势检验统计 mm

表3为2017年5月上、中、下旬区域气候模式RegCM4对2017年主汛期6～8月长江流域各分区降雨趋势预测检验结果。由表2的结果看出，从2017年5月上旬的预测来看，clm 3.5陆面方案的预报效果优于其余两个陆面方案，且对长江上中游及汉江的预报效果较好，对长江下游干流及两湖水系的预报效果较差。bat陆面方案对流域的预报效果最差，clm 4.5陆面方案对长江上游的预报效果较好，对汉江及长江中下游的预报效果较差。从2017年5月中旬的预测结果可以看出，clm 3.5及clm 4.5这两种陆面方案的预报效果基本相当且对长江上游及汉江的预报效果较好，对长江下游干流及两湖水系的预报效果较差，bat陆面方案的预报效果最差，仅对长江上游干流、乌江及洞庭湖水系的趋势预报正确，其余均预报错误。从2017年5月下旬的预测可以看出，clm 3.5及clm 4.5这两种陆面方案的预报效果基本相当，且对长江上游及汉江的预报效果较好，对长江下游干流及两湖水系的预报效果较差。bat陆面方案的预报效果也为最差。

3.2 秋汛期9～10月的评估分析

由表4可知，对2016年秋汛期(9～10月)降水，bat陆面方案的P评分为 64.51，远高于其余两个陆面方案的评分结果，这说明9～10月bat陆面方案对长江流域季降水的预测效果最好。由空间距平相关系数评分A和均方根误差评分R得到与P评分相同的结论。

表4 2016年9～10月模式对长江流域降水评分

表5为2016年7月上、中及下旬区域气候模式RegCM4对2016年秋汛期9～10月长江流域各分区降雨趋势预测检验结果。考虑到实际业务需求，9～10月检验主要针对长江上游及汉江。由表5的结果看出，对长江上游而言，7月上旬、中旬的预报bat陆面方案的预报效果最好，clm 3.5及clm 4.5的陆面方案效果较差。7月下旬的预报结果，clm 4.5陆面方案的预报效果要优于其余两个陆面方案。对汉江而言，这3种陆面方案的预报效果均较差。

表6为2016年8月上、中、下旬区域气候模式RegCM4对2016年秋汛期9～10月长江流域各分区降雨趋势预测检验结果。由表6的结果看出，对长江上游而言，8月上、中、下旬的预报均为bat陆面方案的预报效果最好，要优于clm3.5及clm4.5这两个陆面方案。对汉江而言，这3种陆面方案的预报效果均较差。

4 结论

(1)总体而言，2016年与2017年主汛期6～8月，从3种评分结果来看，clm3.5陆面方案的预报效果最好，clm4.5的陆面方案预报效果次之，均明显优于bat陆面方案。

(2)从趋势检验来看，6～8月，clm3.5陆面方案的预报效果与clm4.5的陆面方案预报效果相当，均明显优于bat陆面方案的预报效果。且bat陆面方案对长江上游及长江下游的预报效果较差，对长江中游的预报效果较好。clm3.5及clm4.5陆面方案均对长江上中游、汉江的预报效果较好，对长江下游的预报效果较差。按预报起始时间来看，中下旬的预报效果优于上旬的预报效果。

(3)秋汛期9～10月，从3种评分结果来看，bat陆面方案的预报效果最好，明显优于clm3.5及clm4.5这两种陆面方案。

(4)从趋势检验来看，9～10月，对长江上游的的预报，bat陆面方案的预报效果要优于clm3.5及clm4.5这两种陆面方案。对汉江流域的预报，这3种陆面方案的效果均较差。且8月份的预报效果总体比7月份的预报效果好。