岳阳市ECMWF数值模式降水预报检验与释用

陈姣荣，曹向林，肖 平

(湖南省岳阳市气象局，湖南 岳阳 414000)

0 引言

为了提高天气预报的准确率，不少专家、学者基于不同数值模式、对不同地区的降水等要素开展了检验研究[1-3]。张宏芳等[4]对比分析了ECMWF模式和日本模式对降水的预报能力；熊秋芬[5]利用TS评分、预报偏差、ETS评分及TSS评分等方法检验了GRAPES_Meso模式在我国不同地区降水的预报效果和能力。还有一些专家对基于目标的降水检验和极端天气的检验方法进行了研究和应用[6-9]。2013年以前，我国的天气预报以24 h为单元进行TS预报评分检验，2013年开始，降水量预报将24 h单元分为两段12 h进行检验。目前对于ECMWF数值预报模式以12 h降水为单元、针对湖南省不同地区、不同季节的预报检验研究不多，针对模式预报有微弱降水[10]时的检验研究更少。为了进一步了解ECMWF模式对岳阳市不同季节、不同时效及不同量级降水的预报能力，本文对ECMWF模式预报的2015年12月—2018年12月岳阳市降水场资料开展晴雨和分级降水检验；同时，通过对ECMWF模式预报岳阳市有微弱降水时的空报情况进行分析检验与预报订正，力求提高预报质量和服务效果。

1 资料与方法

1.1 资料

资料来源于2015年12月—2018年12月ECMWF模式预报的降水场资料，插值到岳阳市6个国家气象观测站，时间分辨率为12 h，空间分辨率为0.125°×0.125°。ECMWF模式资料按08时起报和20时起报分别进行检验。目前湖南省重点考核120 h 时效内的城镇天气预报质量，故检验时效也统一为0～120 h。2015年12月—2018年12月的实况降水资料分夜间(20时—翌日08时)和白天(08—20时)两个时段，来源于岳阳市6个国家气象观测站。4个季节的划分：12月—次年2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月秋季。

根据《中短期天气预报质量检验办法(试行)》(气发[2005]109号)和《预报司关于印发中短期天气预报质量检验工作改革方案的通知》(气预函[2012]157号)及后续补充说明，本文中12 h降水量(白天和夜间时段)的等级按照24 h降水量分级标准划分(表1)。

表1 降水等级划分表Tab.1 The grade classification of precipitation

1.2 检验方法

根据《中短期天气预报质量检验办法(试行)》(气发[2005]109号)进行预报检验。

晴雨预报正确率公式：

(1)

式(1)和表2中，PC为预报准确率；a为有降水预报正确的站(次)数；b为空报的站(次)数；c为漏报的站(次)数；d为无降水预报正确的站(次)数。

表2 晴雨(雪)检验分类Tab.2 Verifying classification of clear or rain(snow)

采用TS评分、漏报率和空报率对降水分级进行检验。公式分别为

TS评分：

(2)

漏报率：

(3)

空报率：

(4)

式(2)～式(4)和表3中，ak预报正确的站(次)数；bk为空报的站(次)数；ck为漏报的站(次)数。k取值为1～4，分别代表小雨、中雨、大雨和暴雨量级降水。

表3 降水预报检验分类Tab.3 Verifying classification of rainfall forecasting

检验ECMWF模式的预报偏差BIAS，计算公式为：

(5)

式(5)中，a为有降水预报正确的站(次)数；b为空报的站(次)数；c为漏报的站(次)数。BIAS为预报事件的发生频率，不考虑预报的准确率。当无空报和漏报时(b=0，c=0)，BIAS=1，表示预报完全正确；当空报次数多于漏报次数时，BIAS>1，表示预报过度；当漏报次数多于空报次数时，BIAS<1，表示预报不足。

2 晴雨预报检验

2.1 全市晴雨预报准确率总体情况

图1为2016—2018年岳阳市基于ECMWF细网格数值模式12 h分辨率(08时起报和20时起报综合平均)的晴雨预报检验结果箱线图。分析发现，总体来看：岳阳市0～120 h晴雨预报准确率在0.74～0.80之间；从不同时效上看，随着时效的延长，晴雨预报准确率逐步下降，预报准确率在24 h最高(为0.80)，120 h最低(为0.74)。

图1 2016—2018年岳阳市ECMWF数值模式总体晴雨预报效果检验Fig.1 Verification of overall clear rain effect of ECMWF model in Yue yang city from 2016 to 2018

从不同起报时次来看(图2)，20时起报的准确率比08时起报的高，但差别不明显(≤2%)；无论是20时起报还是08时起报，两者任一时效的夜间时段(20—08时)的晴雨预报准确率均明显优于白天时段(08—20时)，呈夜间高白天低波浪状起伏；平均而言，对夜间晴雨预报准确率较白天高6%左右；预报时效越长准确率越低，两个时次起报则较为一致。

图2 2016—2018年岳阳市ECMWF数值模式不同起报时次晴雨预报效果检验Fig.2 Verification of clear rain effect of ECMWF model in Yueyang city from 2016 to 2018

2.2 月、季、年晴雨预报检验

从逐月晴雨预报准确率检验结果来看(表4)：12月最高，0～120 h准确率的算术平均值可达0.87，其中0～24 h准确率高达0.92；1月、2月、10月、11月为次高月份，0～120 h平均准确率在0.82～0.85；8月最低，0～120 h准确率的算术平均值为0.61，8月准确率最高也仅为0.73～0.77，均出现在两个起报时次的24 h时效内的夜间时段，而白天时段内的晴雨预报准确率仅为0.44～0.53，且与时效的长短无明显关系，这与岳阳地区8月份多局地性、阵性降水有一定关系；6月、7月次低，其他月份无明显差异。

表4 2016—2018年岳阳市逐月ECMWF模式晴雨预报检验结果Tab.4 Monthly ECMWF clear rain forecast test results of Yueyang city from 2016 to 2018

从不同季节晴雨预报准确率检验结果来看(表5)：季节差异大，冬季最高，秋季次之，夏季最低。其中冬季48 h时效内的准确率为0.86以上，较其他季节均偏高；而夏季0～120 h时效内晴雨预报准确率均低于其他季节，且24 h时效内准确率不足0.7，预报效果较差。

表5 2016—2018年岳阳市各季ECMWF模式晴雨预报检验结果Tab.5 Inspection results of ECMWF model clear rain of seasons in Yueyang city from 2016 to 2018

从逐年晴雨预报准确率检验结果来看(表6)，2016—2018年晴雨预报性能总体较稳定，年际变化幅度较小。36 h时效内晴雨预报准确率均达到了0.81以上，其中2017年除96 h外各时效均略高于其他年份。

表6 2016—2018年岳阳市逐年ECMWF模式晴雨预报检验结果Tab.6 Annual test results of ECMWF model of clear rain in Yueyang city from 2016 to 2018

2.3 不同站点晴雨预报检验

从全市6个站点晴雨预报准确率来看(图3)，同一预报时效的晴雨预报准确率最多相差3%。其中岳阳站0～120 h各时效准确率均明显高于其他站，而不同时效预报准确率偏低的站点分布不均，24 h 时效内汨罗、湘阴最低，36 h、72 h华容最低，48 h、60 h、84 h平江最低，96 h、108 h汨罗最低，120 h 临湘最低。从空间分布上看，岳阳市的北部县市(岳阳、华容、临湘)晴雨预报准确率略高于南部(湘阴、汨罗、平江)。

图3 2016—2018年岳阳市ECMWF数值模式预报不同站点晴雨预报效果检验Fig.3 Verification of clear rain effect at different stations of ECMWF model forecast in Yueyang city from 2016 to 2018

3 降水分级检验

3.1 分级降水的TS评分

对2016—2018年岳阳市ECMWF模式的降水场资料进行分级检验，从不同起报时次的预报效果对比来看，与晴雨预报相同，即总体差别不大，20时起报的各时效各量级降水预报TS评分略高于08时起报(图略)。从不同量级降水分级检验来看(表7)：小雨量级0～120 h时效的TS评分在0.34～0.50之间，均明显高于其他量级的降水TS评分，其中0～60 h的TS评分均在0.40以上；中雨量级TS评分仅次于小雨量级，0～120 h时效的TS评分为0.16～0.33之间，且呈现出白天评分高于晚上的规律，这种规律在08时起报的检验结果中尤为明显。大雨和暴雨以上量级的TS评分偏低，均在0.12以下，预报能力较低，尤其是暴雨，TS评分均在0.06以下，且无明显规律，与大雨和暴雨以上量级样本偏少有关。

表7 2016—2018年岳阳市ECMWF数值模式降水预报的降水分级检验结果Tab.7 Precipitation grading test results of ECMWF model precipitation prediction in Yueyang city from 2016 to 2018

3.2 分级降水的空报率和漏报率

对2016—2018年岳阳市ECMWF模式的降水场资料小雨、中雨和大雨3个量级降水的空报率和漏报率进行统计(图4)。结果表明：随着量级的增大和时效的延长，空报率均呈逐步升高的态势，但小雨量级的空报率上升至72 h时达最高，之后差异不明显；3个量级的漏报率随着量级的增大逐步升高，随着时效的延长，小雨和中雨量级也呈现出逐步升高的态势，但大雨量级的漏报率在时效上呈现出高—低—高的态势，在48 h表现得最低，0～24 h和60～196 h时效差别不大，108～120 h漏报率最高。对比图4a和图4b可见, 3个量级任一时效的空报率整体上比漏报率大，小雨量级表现得尤为明显，空报率比漏报率大0.30以上，中雨和大雨量级的空报率和漏报率虽然较小雨高，但差异均不及小雨大，说明小雨量级的空报更严重。暴雨及以上量级由于样本数少，并没有表现出明显的规律，也不能很好地反映模式的特点，在此未作讨论。

图4 2016—2018年岳阳市ECMWF数值模式降水预报的分级空报率(a)和漏报率(b)Fig.4 Graded null rate (a) and missing-reporting rate (b) of precipitation forecast by ECMWF model in Yueyang City from 2016 to 2018

4 降水预报产品的解释应用

4.1 微弱降水预报消空处理

日常预报中ECMWF模式常在岳阳地区预报出不足1 mm的降水(以下称为微弱降水)，而实况通常为无降水。前文分析也发现，小雨量级空报严重，即小雨预报过度，这种情况对晴雨和降水分级预报准确率有较大的不利影响。

为了进一步了解ECMWF模式对微弱降水的预报效果，依次将2016—2018年ECMWF数值预报12 h 分辨率的岳阳市雨量预报值≤0.2 mm、≤0.4 mm、≤0.6 mm、≤0.8 mm、≤1.0 mm和≤1.2 mm的站点分别订正为无降水，再进行晴雨预报准确率检验，并与消空前(即常规检验)对比(表8)，总体来看，ECMWF模式预报降水量大于0.6 mm以上时，订正后技巧不明显，且可能会导致小雨的漏报率增大。

表8 2016—2018年岳阳市ECMWF数值模式预报微弱降水消空前后晴雨检验结果对比Tab.8 Comparison of the test results of the ECMWF model in Yueyang City between 2016 (a)nd 2018 before and after the weak precipitation disappeared

由于每个季节的降水特征不同，冬季、春季和秋季多为稳定性降水，夏季多为对流性降水，为了更好的分析微弱降水消空处理对晴雨预报的影响，按4个季节作了进一步分析检验(表9)。结果表明：夏季岳阳市ECMWF模式预报降水量为1.0 mm以下订正为无降水，晴雨预报准确率可提高10%左右；春季和秋季将0.4 mm以下订正为无降水时，晴雨预报准确率提高3%；由于冬季晴雨预报准确率本来就相对较高，订正技巧不明显，可以视情况将0.2 mm以下订正为无降水。消空处理后，小雨量级预报的TS评分略有提升(2%)，个别时效有所下降，即增加了一定的漏报风险(图略)，调整后ECMWF模式预报的正技巧总体上大于负技巧。

表9 2016—2018年岳阳市ECMWF数值模式预报各季节微弱降水消空前后晴雨检验结果对比Tab.9 Comparison of the test results of the ECMWF model in Yueyang City between 2016 (a)nd 2018 before and after weak precipitation disappeared in each season

4.2 微弱降水消空应用

按照夏季对微量降水消空处理方法，即预报量≤1.0 mm的降水预报处理为0 mm，对2019年8月的资料进行消空处理应用检验，重点检验24～36 h 晴雨和小雨量级TS评分(图略)。全市6个站点每天两次预报全月样本数共计744站次，因8月1日20时和8月11日08时起报的资料缺测，因此检验时予以剔除，即按720站次计算，未处理前空报170站次，对≤1.0 mm预报降水量进行消空处理后小雨空报下降到了36站次，虽漏报次数略有上升，但晴雨预报准确率为从0.73升至0.88，同时对小雨量级预报的TS评分影响不大，均为0.16。为了进一步验证消空处理对小雨量级预报的影响，需要对消漏前后小雨量级降水的预报偏差进行分析。根据公式(5)，对8月份24～36 h小雨量级降水的预报偏差BIAS进行计算，结果显示，不进行消空处理时，8月份24～36 h小雨量级降水的BIAS=3.67，说明空报严重；消空处理后BIAS降至了0.83，证明空报现象明显改善，但漏报现象增多，即小雨量级预报不足。但综合来看，消空后ECMWF模式预报的正贡献大于负贡献，因此在日常预报中，若同时结合每次降水过程发生的季节、类型及大气环流背景等实际情况，预计降水预报的订正效果将更好。

5 结论与讨论

①2015年12月—2018年12月岳阳市ECMWF数值模式对岳阳市晴雨预报性能总体较稳定，年际变化幅度较小；季节差异大，冬季晴雨预报的准确率最高，秋季次之，夏季最低；从逐月晴雨预报检验来看，12月份最高，8月最低；晴雨预报还存在明显的日变化规律，对夜间的预报能力明显优于白天；空间上总体呈北高南低的分布特征。

②对小雨、中雨和大雨3个量级进行分级降水预报检验，小雨量级降水预报评分明显高于其他量级降水，中雨次之，大雨及以上量级评分较低且规律不显著。3个量级任一时效的空报率整体上比漏报率大，小雨量级表现得尤为明显，空报率比漏报率大0.30以上，中雨和大雨量级的空报率和漏报率虽然较小雨高，但差异均不及小雨大，说明小雨量级降水空报更严重。

③针对小雨降水预报空报率高的现象，本文对岳阳市ECMWF模式预报降水量1.2 mm以下消空处理后进行了预报释用，结果表明：冬季订正空间较小；夏季各时效可适度订正；春季和秋季可视情况适度订正，订正后可以明显提升预报技巧，但漏报风险有一定增大。

④由于本文中采用点对点检验，加上资料序列有限，无法全面真实地评价一个模式。实际工作中，数值模式预报的降水落区位置偏差造成评分低，也不能简单认为模式性能差。此外，暴雨及以上量级降水在岳阳的检验和应用[11-12]，也有待进一步研究。