频率匹配法在浙江台州ECMWF细网格降水产品中的应用效果研究*

朱昊 翁之梅 杨诗芳 谢成玉

(1.台州市气象局,浙江 台州 318000;2.南京信息工程大学大气环境中心,江苏 南京 210044)

0 引 言

ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)模式代表了当前较先进的数值预报模式水平,是各级预报员进行预报的重要参考,但由于模式的初始条件、边界条件等因素的不确定性,其降水预报与实况仍存在一定偏差。台州地处浙江省东南部沿海,西部地区山地纵横,东部海岸线宽广。由于受地理特点的影响,模式对复杂地形下降水量等天气要素的预报仍存在一定偏差,对模式的订正成为日常预报业务中的重点和难点。

为提升预报效果,学者们发展了多种模式的释用方法,取得了良好的效果[1-4]。目前常用的释用方法主要包括模式输出统计法(MOS法)、完全预报法(PP法)、卡尔曼滤波法(KF法)等。随着对模式释用方法的深入研究,针对各种气象要素预报订正方法的研究也广泛开展起来。在降水预报方面,形成了频率订正、偏差订正、区域建模、贝叶斯降水订正等客观订正方法。李莉和朱跃建[5]发现利用降水频率进行订正，可使订正后的降水预报偏差显著改善,小雨以下量级ETS评分得到提高,降水预报值更接近实际降水量。李俊等人[6]进一步分析了频率匹配法的原理、实现过程及优缺点,认为其适用于降水预报的偏差订正,在TS、ETS评分以及晴雨预报准确率上都有一定程度的提升。周迪等[7]利用Gamma函数拟合降水频率分布,对四川盆地暴雨预报进行订正,取得了较明显的改善效果。曹萍萍等[8]改进分区方法并引入递减权重系数,改进后的方法能够有效减小模式的湿偏差,预报的范围和平均强度均有改善,并发现分区方法与传统点对点方法相比具有一定的优势。

目前针对频率匹配法的研究区域大多范围较大，而空间分辨率相对较低,且多是对24 h降雨量进行研究。随着对预报精细化程度需求的不断发展,对高时空分辨率雨量预报的需求日趋紧迫。本研究从日常降水预报业务工作出发,开展了频率匹配法对台州12 h降水量订正效果的研究,探索台州本地化降水客观订正新方法,进而有效地提高降水预报的准确率,提高气象防灾减灾的服务能力和公信力。

1 资料方法

1.1 研究资料

以2019年汛期(4—10月)ECMWF细网格预报产品数据和实况降水量数据为订正对象。预报降水量选取20时起报ECMWF细网格降水预报产品逐12 h的降水预报结果(12—24 h预报代表白天;24—36 h预报代表夜间),插值到台州市24个气象站(表1);实况降水量数据采用这24个气象站的观测数据资料。

表1 台州市24个气象站点经纬度

1.2 频率匹配法介绍

频率匹配法利用降水频率来订正降水预报,通过统计在不同阈值条件下降水出现的参考频率和预报频率,将有偏差的预报频率调整到较准确的参考频率,达到订正降水偏差的目的。

降水频率的计算公式为：

(1)

式中Fj为研究区内某个阈值的降水频率分布;Bj为某个阈值降水每天出现的总站次;j代表某个降水阈值;A为每天的总站次;i为滑动窗口天数。每日采用站点统计的方式,根据式(1)计算降水频率。滑动平均日数i选取20 d;降水阈值根据台州常年降水量设置为0.1 mm、1.0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、35 mm、50 mm、100 mm、150 mm、250 mm共12个。以2019年4月21日为例,计算前20 d实况和ECMWF模式预报降水的频率分布,再通过多项式插值方法,得到不同阈值降水预报的订正系数。最后根据这组阈值上的订正系数采用内插的方法,得到任意降水量的订正系数。采用该订正系数乘以4月21日对应气象站降水量的预报值,即为订正后的降水量。采用以上方法逐一订正台州市24个气象站降水的预报结果,并逐日滚动,得到4月21日至10月31日每日订正后的预报降水量。

1.3 检验评分方法

降水检验方案参考中国气象局气发[2005]109号《中短期天气预报质量检验办法(试行)》。

晴雨预报准确率：

(2)

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(表2)。

表2 晴雨预报检验评定表

TS评分：

(3)

式中,将降雨量级(K)分为小雨(0.1～9.9 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)、暴雨(50.0～100.0 mm)和大暴雨(100～250.0 mm)5个量级分别进行检验,NAK为预报正确站(次)数;NBK为空报站(次)数;NCK为漏报站(次)数。TS检验评定表如表3。

表3 TS检验评定表

技巧评分：

SSPC=PC-PC′
SSTS=TS-TS′

(4)

式中,PC和PC′为订正后和EC模式的晴雨预报准确率；TS和TS′为订正后和EC模式的TS评分。

2 结果分析

2.1 典型个例分析

2.1.1 一次超强台风登陆强降水过程

1909号台风“利奇马”于2019年8月4日14时生成,8日夜间进入东海海域,并于8月10日1时45分以超强台风级在台州温岭城南沿海登陆。受“利奇马”影响,8月8—10日台州全市普遍出现大暴雨到特大暴雨,局地出现极端降水。临海括苍山过程雨量达834.3 mm。

通过对比台风利奇马影响期间台州逐12 h实况雨量以及订正前后的预报雨量,发现频率匹配法订正会将中雨以上预报雨量的量级调大,同时将大量级的降水范围扩大;从与实况雨量对比来看,在8日夜间和9日白天预报雨量调大，使得沿海和中部山地的部分地区雨量量级与实况更为接近,表现出一定的预报指导效果,但对暴雨和大暴雨量级的落区往往调整过大,导致一定程度的空报。该方法依赖模式的预报表现,对局部极端降水仍不能较好地订正(9日夜间)。

2.1.2 一次海上转向台风影响的弱降水过程

1913号台风“玲玲”于2019年9月2日08时生成,5日下午进入东海南部海域,6日11时左右距台州市最近,随后继续北行逐渐远离台州市,对台州市影响趋于结束,过程雨量小,降雨时段主要在6日白天。

对比6日白天段12 h的实况和预报降水量,ECMWF模式预报和频率匹配法订正都将雨量量级预报确定在小雨及以下,与实况基本相符,但在降水落区方面经频率匹配法订正的降水落区与实况的基本相近,很大程度上减少了模式的空报区域,说明频率匹配法对于有雨、无雨定性预报的订正效果较好。

2.1.3 一次冷空气影响的降水过程

对2019年10月26—28日的一次典型秋季冷空气降水过程,选取雨量较集中的27日白天段和夜间段的实况与12 h预报降水量进行对比分析。

对比发现,在白天段ECMWF模式预报和频率匹配法订正预报结果一致,都报出了全市范围的降水,但雨量与实况相比都略偏小，且未报出西部局部地区的中雨量级(10～25 mm)的降水;在夜间段,两者预报降雨范围与实况一致,但在雨量量级上,频率匹配法订正后报出了西部地区的中雨量级的降水,同时其他地区的预报雨量也略调大,与实况更为接近,说明频率匹配法能够将预报降雨量订正到更为接近实况,对雨量量级的预报有参考价值。

2.2 晴雨预报准确率PC检验

由2019年5月1日至10月31日台州市ECMWF降水预报订正前后的晴雨预报准确率可以发现,无论白天还是夜间的12 h降雨量预报,经过频率匹配法的订正后各站点的晴雨预报准确率都有较显著的提高,说明频率匹配法使模式预报的晴雨定性降水预报质量有了明显、稳定的提高,这一结果与有关研究者[5-6]在我国具有其他地形特征地区的应用研究相一致。另外,我们发现随着ECMWF模式的晴雨预报准确率的提高,频率匹配法订正的技巧评分呈降低的趋势,说明模式晴雨预报准确率越低,订正效果越显著(图1)。从订正的技巧评分来看,白天段的技巧评分呈现自西北向东南逐渐增大的趋势,而夜间段技巧评分分布相对平均;从整体上看，在沿海地区都有较好的订正效果。

图1 各地区订正前后平均晴雨预报准确率及技巧评分(a.白天段、b.夜间段)

2.3 TS评分检验

频率匹配法订正技巧评分(TS评分)的结果表明：频率匹配法在小雨量级下的技巧评分基本都为正订正,且在台州沿海地区的订正效果更为显著;在大暴雨量级下,在台州沿海的大部分地区,都表现出较显著的正订正效果。这说明经频率匹配法订正后的小雨和大暴雨量级的评分都有较显著的改善,其中对小雨量级降水预报的改善较为明显且稳定,对其他量级的降水预报在个别站点上出现了不同程度的负订正效果。这与徐姝等[9]对基于EC模式的频率匹配法订正效果的研究结果相一致。

改善主要表现在小雨和大暴雨量级的原因，一般认为是由于两端降水的偏差都较大：小雨量级的降水段有大片的虚报面积,而大雨量级的降水段本身虽然面积小，但雨量偏差较大,订正方法对两端的调整效果要明显一些。另外,小雨的TS评分的提高,也可以从侧面说明频率匹配法订正提高了有雨、无雨定性预报的准确率。

而其他量级的TS评分技巧评分不显著或负订正,一个可能的原因是由于模式对降水落区的预报与实况存在较大偏差。频率匹配法的基本原理是通过调节降水量，使某一降水量级在预报中出现的频率与实况的频率一致,对频率的统计是在一个区域内进行,不区分具体的站点位置,故不能订正雨区位置、形状[6]。虽然频率匹配法的订正使雨区量级预报得到改善,但无法订正模式预报的降水落区,对雨区位置预报的偏差导致对站点上的降水预报误差不减甚至反增。所以,在降水落区基本报错的情况下,订正的降水预报TS可能会变得更差。

3 结 语

本文采用频率匹配法在台州地区对ECMWF细网格降水预报产品进行了订正和有效性检验,结果表明：

(1)频率匹配法对有雨、无雨的定性降水预报(晴雨预报)质量改善效果明显,能够消除大片虚报的降水落区,一般模式晴雨预报准确率越低,订正效果越显著。晴雨预报准确率的订正效果在白天段呈自西北向东南逐渐增大的趋势,在夜间段则分布相对平均；从整体上看，在沿海地区都有较好的订正效果。

(2)在白天段和夜间段,订正后的TS评分在小雨量级和大暴雨量级上都有较好的改善,在台州沿海的大部分地区这种改善效果更佳。

(3)频率匹配法在对中雨以上量级的降水量和落区预报上往往有向大调整的趋势,这对部分地区的降雨量级的预报调整具有积极作用,但对降水量的调整幅度和降水落区仍需预报员结合地区特点和模式调整进一步判断。

(4)该研究使用了多项式差值方法的分段订正函数。当将降水预报频率调整到与实况一致时,具有偏差越大调整幅度越大、订正效果越明显的特点。未来可通过尝试分析和对比Gamma函数等拟合方法，结合台州地区的特点,引入根据地理条件分区、权重系数和训练期调整等[8,10,11],研究其对当地降水预报的客观订正效果,形成更有效的本地化降水订正方法。