新疆新一代区域数值预报业务系统客观检验分析

蓝 俊，高 华，张祖熠，张海亮，马玉芬，窦 刚

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.福建省气象信息中心，福建 福州 350001；3.北京城市气象研究院，北京 100089；4.福建省气象科学研究所，福建 福州 350001；5.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002）

随着时代的发展，各国科研人员针对数值天气预报系统进行了大量的研究，加入更多的观测元素，使得数值天气预报成为当今天气预报的主要手段[1-2]。数值预报系统更具精细化和精准化[3]。新疆区域数值预报系统研究在优选物理过程参数方案、背景误差计算、同化本地观测资料方面进行了大量测试，先后于2011年完成快速更新循环同化数值预报系统（XJ-RUC）的构建，2015年实现新疆区域快速更新循环数值预报同化系统（Desert-Oasis-Gobi Rapid Assimilation Forecast System，简称DOGRAFS）的业务化运行[4-5]。2017年，从北京城市气象研究院引进快速更新多尺度分析和预报系统—短期预报子系统睿图（Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System-Short Term），在观测和机理研究基础上，结合常规观测和国际先进的同化技术，进行了本地化工作，形成了新疆新一代区域数值预报业务系统，现行版本为1.0（简称RMAPS-CA），系统于2018年5月试运行，2019年实现准业务化运行。本文根据2018年9月—2019年8月的DOGRAFS与RMAPS-CA系统对不同气象要素的预报效果进行检验对比，以获得RMAPS-CA预报性能的量化改进指标和新疆区域模式最优预报参数配置方案。

1 模式简介

RMAPS-CA是基于WRFv3.8.1预报模式和WRFDA同化平台搭建而成的区域数值预报系统。与上一代业务模式DOGRAFS相比（图1），该系统采取两重嵌套，外区分辨率为9 km，覆盖中亚区域，内区分辨率为3 km，覆盖新疆、甘肃和青海西部地区。系统采用NCEP GFS 0.5°全球分析和预报场作为模式的初始场，逐6 h启动一次，内区初始场由外区Ndown方式获得，两区均同化后进行48 h预报。RMAPS-CA对常规观测资料进行同化，其中观测资料包括地面观测、探空观测、航空报等。两个系统参数化配置如表1所示。两个系统均提供图形、文本、MICAPS 3种类型的预报产品，内容包括地面预报和诊断量、等压面预报和诊断量、单站综合图等多种类型。

图1 RMAPS-CA（a）与DOGRAFS（b）预报区域对比

表1 RMAPS-CA与DOGRAFS系统配置

RMAPS-CA较DOGRAFS系统有以下改进：（1）提高了新疆区域的空间分辨率，水平方向为3 km，垂直方向为50层，且对中小尺度系统的把握更有优势；（2）RMAPS-CA系统改进了物理参数化方案，由Dudhia改为RRTMG；（3）受计算资源嵌套的限制，将嵌套运行方案由DOGRAFS的两区域同时积分单向嵌套改为内区初始场由外区Ndown方式获得并单独积分。

2 检验方法

本文选取2018年9月—2019年8月作为RMAPS-CA与DOGRAFS系统性能检验评估时段，针对RMAPS-CA系统的3 km分辨率预报区域对00、06、12、18 UTC的预报开展逐3 h检验分析。对检验评分按照季度划分并分别统计。将12个月划分为4个季度分别进行客观检验评分统计，各季度平均评分的统计样本如表2所示。

表2 按季节平均评分的统计样本情况

检验平台选用由美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）数值预报发展试验中心（Developmental Testbed Center，DTC）发展的数值模式检验评估系统MET（MODEL EVALUATION TOOLS）。针对RMAPS-CA与DOGRAFS两个模式的D02区域的气象要素进行站点检验分析，具体检验内容如下：（1）高空要素预报检验包括：温度、位势高度；（2）地面要素预报检验包括：2 m温度、10 m全风速；（3）降水预报检验包括：24 h累积降水分级的阈值分别为0.1、6.1、12.1、24.1、48.1 mm。

因为RMAPS-CA与DOGRAFS两个模式的D02区域不同，本文对两系统预报检验范围限定为整个新疆区域，其中检验所使用的探空观测资料均来自我国参加考核探空站点，共有14个；检验所使用的地面要素观测资料均来自我国国家级地面气象观测站，共有105个。给出预报与探空观测和地面气象观测的平均偏差ME、均方根误差RMSE以及24 h累计降水站点的TS评分和BIAS预报偏差：

式中，Fi为第i个站点上的预报值，Oi为第i个站点上的观测值，Na为预报正确站点数，Nb为空报站点数，Nc为漏报站点数。

3 检验分析

3.1 高空要素检验结果

图2为不同季节各预报时效不同高度上RMAPS-CA和DOGRAFS系统温度的预报偏差和均方根误差。从预报偏差结果来看，春季温度预报偏差（图2a）RMAPS-CA系统00时在不同气压层均为负偏差，12和24时在200 hPa为正偏差，其余气压层均为负偏差，DOGRAFS系统00、12和24时预报时刻在不同气压层温度预报均为负偏差，夏季（图2c）、秋季（图2e）和冬季（图2g）RMAPS-CA和DOGRAFS系统在不同时次不同高度的温度变化趋势基本一致，00时温度预报随着高度的递增由负偏差变为正偏差，高层又转为负偏差，12和24时两个系统变化规律与00时变化规律相反。从均方根误差结果来看，春季（图2b）、夏季（图2d）、秋季（图2f）和冬季（图2h）RMAPS-CA与DOGRAFS系统在不同时次的变化趋势一致，均随着高度的递增呈现减小—增大—减小的趋势，其中春季、夏季和冬季00时RMAPS-CA系统在不同气压层的均方根误差均小于DOGRAFS系统，12和24时RMAPS-CA系统的均方根误差为400～200 hPa，略大于DOGRAFS系统，其余气压层小于DOGRAFS系统。

图2 RMAPS-CA与DOGRAFS系统高空温度预报偏差（a为春季，c为夏季，e为秋季，g为冬季）和均方根误差（b为春季，d为夏季，f为秋季，h为冬季）

图3为不同季节各预报时效不同高度上RMAPS-CA和DOGRAFS系统位势高度的预报偏差和均方根误差。从预报偏差检验结果看，春季位势高度预报偏差（图3a）RMAPS-CA系统与DOGRAFS系统00时在不同气压层变化趋势较为一致，随着高度的增加由负偏差变为正偏差，中高层又转为负偏差，12和24时300 hPa以下气压层两个系统变化范围不大，约在10 gpm，在100 hPa两个系统均达到最大负偏差；夏季位势高度预报偏差（图3c）RMAPS-CA系统与DOGRAFS系统在不同预报时刻的变化趋势一致，随着高度的增加呈负偏差—正偏差—负偏差；秋季位势高度预报偏差（图3e）对于300 hPa以下气压层，RMAPS-CA系统在12和24时均为负偏差，200 hPa以上气压层均为正偏差，DOGRAFS系统在00和12时中高层为正偏差，其余气压层为负偏差，系统在24时的不同气压层位势高度均为负偏差；冬季位势高度预报偏差（图3g）RMAPS-CA和DOGRAFS系统在00时的中高层为正偏差，其余气压层为负偏差，对于12和24时，两个系统在300 hPa以下气压层均为负偏差。从均方根误差结果来看，春季（图3b）、夏季（图3d）、秋季（图3f）和冬季（图3h）RMAPS-CA和DOGRAFS系统在不同时次的变化趋势一致，均为随着高度的递增呈减小—增大—减小的趋势，且在100 hPa均方根误差达到最大值。整体来看，春季、秋季和冬季两个系统对比规律较为一致，200 hPa RMAPS-CA系统在不同时次的位势高度偏差略大于DOGRAFS系统，其余气压层的位势高度偏差小于DOGRAFS系统，夏季RMAPS-CA系统在不同时次的位势高度呈现中层大于DOGRAFS系统，低层与高层的位势高度偏差小于DOGRAFS系统。不同季节位势高度的均方根误差整体上RMAPS-CA系统小于DOGRAFS系统。

图3 RMAPS-CA与DOGRAFS系统位势高度预报偏差（a为春季，c为夏季，e为秋季，g为冬季）和均方根误差（b为春季，d为夏季，f为秋季，h为冬季）

3.2 地面要素检验结果

图4为RMAPS-CA和DOGRAFS系统不同季节的2 m温度预报偏差和均方根误差。从预报偏差检验结果看，春季（图4a）RMAPS-CA系统2 m温度预报与实况相比偏低，呈负偏差，系统的均方根误差维持在2.5～3.0℃，DOGRAFS系统分析场的2 m温度预报为正偏差，随着预报时效延长呈负偏差，系统的均方根误差维持在2.3～3.5℃；夏季（图4b）RMAPS-CA和DOGRAFS系统2 m温度预报均呈正偏差，随着预报时效延长呈现减小—增大—减小—增大的波动状，均方根误差随着预报时效延长主要呈现先减小再增大后趋于稳定，RMAPS-CA系统均方根误差维持在2.7～3.1℃，DOGRAFS系统均方根误差维持在3.0～3.5℃；秋季（图4c），RMAPSCA和DOGRAFS系统2 m温度预报均呈正偏差，均方根误差随着预报时效延长呈先减小再增大后趋于稳定；冬季（图4d），RMAPS-CA系统分析场与预报第6 h的2 m温度预报呈负偏差，随着预报时效的增加变为正偏差，系统的均方根误差维持在2.8～3.3℃，DOGRAFS系统2 m温度预报呈正偏差，均方根误差维持在3.6～4.2℃。整体上看，夏季RMAPS-CA系统的预报偏差大于DOGRAFS系统，其余季节RMAPS-CA系统的预报偏差与均方根误差小于DOGRAFS系统。

图4 RMAPS-CA与DOGRAFS系统2 m温度预报偏差与均方根误差

图5为RMAPS-CA和DOGRAFS系统不同季节的10 m风速预报偏差和均方根误差。从检验结果看，春季（图5a）RMAPS-CA和DOGRAFS系统10 m风速预报呈正偏差，RMAPS-CA系统的均方根误差维持在2.2～2.4 m/s，DOGRAFS系统的均方根误差维持在2.1～2.4 m/s；夏季（图5b）RMAPSCA系统的预报偏差随着预报时效的增加呈先增大再减小后趋于稳定，系统的均方根误差维持在2.4～2.6 m/s，DOGRAFS系统的预报偏差为正偏差，系统的均方根误差维持在2.4～2.6 m/s；秋季（图5c）RMAPSCA系统的预报偏差与均方根误差均呈先增大再减小后趋于稳定，系统的均方根误差维持在2.1～2.3 m/s，DOGRAFS系统的预报偏差与均方根误差均呈先增大后趋于稳定，系统的均方根误差维持在2.1～2.6 m/s；冬季（图5d）RMAPS-CA和DOGRAFS系统10 m风速预报呈正偏差，RMAPS-CA系统的均方根误差维持在1.7～2.0 m/s，DOGRAFS系统的均方根误差维持在1.9～2.2 m/s。整体上看，春季RMAPS-CA系统的预报偏差大于DOGRAFS系统，其余季节RMAPS-CA系统的预报偏差与均方根误差小于DOGRAFS系统。

图5 RMAPS-CA与DOGRAFS系统10 m风速预报偏差与均方根误差

3.3 降水检验结果

图6为不同季节RMAPS-CA和DOGRAFS系统24 h累计降水的TS和BIAS评分。从检验结果看（图6a），春季的降水TS评分，RMAPS-CA系统在各阈值上的预报效果优于DOGRAFS系统；夏季的降水TS评分，RMAPS-CA系统对于0.1、12.1和24.1 mm降水阈值的预报效果优于DOGRAFS系统，6.1 mm降水阈值的预报效果差于DOGRAFS系统；秋季的降水TS评分，RMAPS-CA系统对于0.1 mm降水阈值的预报效果优于DOGRAFS系统，6.1、12.1和24.1 mm降水阈值的预报效果差于DOGRAFS系统；冬季的降水TS评分，RMAPS-CA系统对于0.1 mm降水阈值的预报效果优于DOGRAFS系统，6.1 mm降水阈值的预报效果差于DOGRAFS系统。整体来看，RMAPS-CA和DOGRAFS系统24 h累计降水针对各降水阈值的预报降水TS评分各有优劣，不同季节RMAPS-CA系统对于0.1 mm降水阈值的预报效果均优于DOGRAFS系统。

从降水预报的BIAS评分检验结果看（图6b），春季RMAPS-CA和DOGRAFS系统0.1 mm降水阈值的BIAS评分均＞1，表明两个系统的降水预报均存在空报现象，降水范围偏大。两个系统6.1、12.1和24.1 mm降水阈值的BIAS评分均＜1，表明两个系统的降水预报均存在漏报现象，降水范围偏小，且RMAPS-CA系统的BIAS评分比DOGRAFS系统高，说明RMAPS-CA系统预报降水的测站数比DOGRAFS系统更接近实际测站数；夏季RMAPS-CA系统与DOGRAFS系统基本属于漏报现象，对于24.1 mm降水阈值RMAPS-CA系统的BIAS评分=1，表明系统预报降水的测站数等于实际测站数，对于0.1和6.1 mm降水阈值，RMAPS-CA系统的BIAS评分小于DOGRAFS系统；秋季RMAPSCA系统在各降水阈值的BIAS评分均小于DOGRAFS系统，对于0.1 mm降水阈值RMAPS-CA系统的BIAS评分更接近1，表明系统预报降水的测站数比DOGRAFS系统更接近实际测站数，其他降水阈值两个系统预报降水的测站数均少于实际测站数，且RMAPS-CA系统预报测站数少于DOGRAFS系统；冬季RMAPS-CA系统与DOGRAFS系统在0.1 mm降水阈值预报属于空报现象，说明2个系统预报降水的测站数均大于实际测站数，且RMAPSCA系统预报测站数多于DOGRAFS系统，RMAPSCA系统在6.1 mm降水阈值预报属于漏报现象，DOGRAFS系统在此降水阈值预报属于空报现象。整体来看，RMAPS-CA和DOGRAFS系统在春、夏、秋3个季节各降水阈值预报基本属于漏报，冬季预报基本属于空报，2个系统24 h累计降水针对各降水阈值的预报降水BIAS评分各有优劣。

图6 RMAPS-CA与DOGRAFS系统24 h累计降水的TS和BIAS评分

4 个例分析

以2019年9月9日00时（世界时，下同）—11日20时降水进行分析，此次降水天气环流形势为500 hPa欧亚范围中高纬呈两槽两脊，欧洲地区为高压脊，咸海至巴尔喀什湖以北地区为中亚低涡，下游贝加尔湖地区为弱高压脊，新疆受中亚低涡前部的西南气流控制。随着欧洲脊衰退，推动中亚低涡缓慢东移，减弱成槽进入新疆，造成北疆大部、喀什地区、克州、和田地区、阿克苏地区、巴州、哈密市等地出现小到中雨，其中伊犁州、博州西部、塔城地区北部、乌鲁木齐市、昌吉州、和田地区、阿克苏地区、巴州北部等地的局部出现大到暴雨。在此次降水过程中10日00时—11日00时为降水集中时段，因此对该时段进行分析。

从图7可知，RMAPS-CA和DOGRAFS系统9日00时预报的降水范围整体偏小，9日12时预报的暴雨降水强度范围偏大，10日00时预报的降水范围和降水强度与实况比较接近。整体上看，2个系统均能较好地预报此次降水范围与降水强度。

图7 2019年9月10日00时—11日00时降水量（单位：mm）

从国家站实况降水与模式预报对比（表3）可知，拜城、天池、巴仑台和小渠子站的24 h累计降水量为暴量，其中RMAPS-CA和DOGRAFS系统对拜城、巴仑台站预报明显偏弱，对天池站降水量级预报一致，RMAPS-CA系统对小渠子站预报量级一致，DOGRAFS系统9日12时预报对该站预报量级一致，其余时次预报偏弱；对18个24 h累计降水量为大量的国家站，RMAPS-CA系统9日00时、9日12时与10日00时预报降水量级与实况一致的站点数分别为11、9和7个，DOGRAFS系统9日00时、9日12时与10日00时预报降水量级与实况一致的站点数分别为9、10和5个，其中RMAPS-CA系统对乌鲁木齐牧试站24 h降水量预报与实况基本一致，对米泉、奇台以及吉木萨尔站24 h降水量预报与实况相差3 mm以内，2个系统对和田站的降水均出现漏报，且对塔城站降水预报量与实况相差较大。整体看，RMAPS-CA系统对此次国家站大量级以上降水的预报更为接近。

表3 2019年9月10日00时—11日00时国家站24 h累计降水量（≥12.1 mm）实况与预报对比 mm

由RMAPS-CA系统和DOGRAFS系统对2019年9月10日00时—11日00时累计降水不同阈值预报评分（表4）可知，两个系统对此次不同阈值的降水均以漏报现象为主，RMAPS-CA系统对0.1 mm降水阈值随着时次的临近TS评分越大，对6.1 mm降水阈值9日12时TS评分最高，对12.1 mm降水阈值9日00时TS评分最高，对暴量级降水3个时次的TS评分均相等；DOGRAFS系统对0.1、6.1和24.1 mm降水阈值均以9日12时TS评分最高。整体上，对大量级以上降水RMAPS-CA系统预报能力较好。

表4 2019年9月10日00时—11日00时RMAPS-CA与DOGRAFS系统24 h累计降水评分

5 结论与讨论

通过RMAPS-CA和DOGRAFS系统一年样本的预报检验对比，得出以下结论：

（1）从高空要素预报检验结果看，RMAPS-CA系统对高空温度在不同季节的预报性能整体上优于DOGRAFS；RMAPS-CA系统对位势高度春、秋、冬季的预报效果整体上优于DOGRAFS，夏季则各有优劣。

（2）从地面的2 m温度、10 m风速预报检验结果看，RMAPS-CA系统的2 m温度与10 m风速春、秋、冬季的预报效果整体上优于DOGRAFS，夏季则各有优劣。

（3）从24 h累计降水预报检验结果看，RMAPSCA系统4个季节的TS评分对于0.1 mm降水阈值的预报效果优于DOGRAFS系统，其他降水阈值的预报效果2个系统各有优劣；RMAPS-CA系统春季漏报现象小于DOGRAFS系统，秋季漏报现象大于DOGRAFS系统。

（4）从降水个例分析，RMAPS-CA系统和DOGRAFS系统均能较好地预报降水强度与降水范围。从国家站预报来看，2个系统对大量级以上的站点预报均有一定的能力，且RMAPS-CA系统预报的降水量与实况更为接近。从评分来看，2个系统对于0.1和6.1mm降水阈值的评分各有优劣，RMAPSCA系统对于12.1和24.1mm降水阈值的评分大于DOGRAFS系统。

通过不同气象要素预报性能检验结果表明，新疆新一代区域数值预报业务系统的预报性能整体优于上一代业务系统DOGRAFS。促进上述预报性能提升的因素有模式空间分辨率的提高，物理过程参数化方案的优选等。今后在计算资源允许的条件下，改进运行方案，加入更多的同化资料，将同化频率由逐6 h一次提高至逐3 h一次甚至更高，进一步提升模式的预报性能。