民航华北空管两代快速更新循环同化数值预报系统的检验评估

2022-08-15许晨璐袁慧玲吴玲芳柳贵钧

气候与环境研究 2022年4期

许晨璐袁慧玲吴玲芳柳贵钧

1 中国民用航空华北地区空中交通管理局气象中心，北京 100621

2 南京大学大气科学学院/中尺度灾害性天气教育部重点实验室，南京 210023

1 引言

基于天气雷达的预报是灾害天气临近预报的基础，雷达资料虽然具有高时空分辨率，能够及时监测到雷暴的发生发展，并模拟出强对流天气系统的精确结构，但是由于雷达观测的径向速度和反射率因子都不是模式常规量，不能直接用于初始化，因此许多研究致力于将雷达资料同化进入模式预报初始场，再定量的应用于数值预报（孙娟珍等,2016）。目前常用的方法有三维变分同化（Gao et al., 2004; Xiao et al., 2005; Gao and Stensrud, 2012）、四维变分同化（Xu, 1996; Sun and Crook, 1997;Sun, 2005; Wang et al., 2013b），集合卡尔曼滤波方法（Tong and Xue, 2005; Wang et al., 2013a），以及与闪电、卫星观测等资料相结合的混合同化方法（Hamill and Snyder, 2000; Gao and Stensrud,2014; Pan et al., 2018）。

目前国际上流行的快速循环同化数值预报系统，每日多次启动，不断吸收最新的探测资料用以更新初始预报场，将其最大程度地应用于数值模式中。相关研究表明，快速更新由于同化了大量的实时观测资料，能够得到更为准确的预报结果（Davis et al., 2002）。2012 年以来，华北空管局气象中心数值模式团队运用快速更新同化预报的关键技术（https://s3.us-east-1.amazonaws.com/library.oarcloud.noaa.gov/noaa_documents.lib/NOAA_historic_docum ents/WB/TPB/1990-1999/TPB_416.pdf[2021-11-22]；Benjamin et al., 2004; 陈葆德等, 2013），自主研发了“第一代快速更新循环同化数值预报系统”（NMC-RAP）（Huang et al., 2019），该系统以非静力模式WRF 为基础，资料同化工具为ARPS 模式，可以实现快速循环同化气象雷达数据，精细化预报华北管制区域未来0～9 h 强对流天气的发生发展及演变特征，时间分辨率6 min，空间分辨率4 km，是我国民航气象领域第一套具备雷达资料快速循环同化技术的短时临近数值预报系统。系统于2015 年正式投入业务运行，为雷雨天气条件下管制绕飞指挥、区域流量管理方案制定提供了定量化决策依据，逐渐成为管制流量管理辅助决策的重要工具。经过两年的产品体验和运行分析，在第一代快速循环同化系统中发现其存在积分早期的回波反射率强度激增和回波位置与实况差异较大的问题，需要系统性的技术调整升级以消除该问题。因此基于Alexander et al.（2015）的研究结果，将美国高分辨率快速循环同化系统的同化理念引入民航华北气象中心，利用雷达反射率因子换算出的潜热加热率配合数字滤波技术建立温度倾向加热场，取代了第一代预报系统早期版本将雷达反射率因子换算为水成物直接加入模式的方法，新方法在动力、热力及水物质的平衡方面更具优势。在对第一代快速循环同化数值预报系统进行更新改善的同时，采用了GSI 同化系统（Gridpoint Statistical Interpolation）（Hu et al., 2006）的第二代快速更新循环同化数值预报系统NMC-HRRR 也开发完成，并于2018 年正式投入业务运行（Shen et al., 2019）。

近年来，基于快速更新循环同化预报系统性能的检验评估受到越来越多的重视（范水勇等, 2009;魏东等, 2010; 杨显玉等, 2020），对于模式定量降水预报的检验也开展了广泛的研究（Zhou et al.,2008; 熊秋芬, 2011; 许晨璐等, 2017; 苏翔等,2021），国内外研究者不断创新雷达回波强度的定量降水估测算法（Ciach and Krajewski, 1999; 勾亚彬等, 2014; 王珏等, 2015），但针对模式预报的雷达回波强度进行的评估工作还十分有限（Bodas et al., 2008; 彭菊香等, 2011; 唐文苑等, 2018）。Shen et al.（2019）对NMC-RAP 在2016 年和2017 年的预报准确率进行了评估，结果显示，第一代系统的建立，对于首都机场雷雨天气的临近预报准确率有显著提升；并介绍了第二代系统NMC-HRRR 的设计理念和技术更新。不过，对于现行两代业务版本NMC-RAP 和NMC-HRRR 在升级前后，雷达回波强度、落区、定量评分和对主要机场对流预警的预报效果等多方面的综合表现和存在的问题，仍缺乏系统的评估和认识，为了更好地改善临近预报效果，有必要开展关于快速循环同化系统雷达反射率预报结果的客观校验评估工作，并根据评估结果有针对性的对其进行优化。

本文选取2020 年和2021 年6～8 月华北区域出现的3 次大范围雷雨天气过程进行检验评估，通过对比模式输出场和原始观测场的雷达回波判断模式的系统性偏差，分析NMC-RAP 和NMC-HRRR两代预报系统是否能在雷达回波的时空分布上显示出各自优势，自身有哪些不足等，以期为系统的改进和发展及其产品在预报中的有效应用提供有益的参考信息。

2 资料和方法

2.1 资料

应用民航华北气象中心自主开发的第一代快速更新循环同化数值预报系统（NMC-RAP）和更新后的第二代快速更新循环同化数值预报系统（NMC-HRRR）对华北区域雷达反射率的预报结果，与同区域中国气象局雷达拼图实况资料进行比对。

2020 年6 月1 日、2021 年6 月13 日、2021年8 月23 日均是在天气尺度高空槽系统的影响下，华北大部地区自西向东出现的大范围雷雨天气过程。针对上述3 次相似天气形势下的雷雨过程，通过对两代快速循环同化数值预报系统的结果进行客观分析，检验其对大范围雷雨天气过程是否能合理描述，是否能对临近预报起指导作用。

本文选取上述3 个雷雨天气过程，具体评估时段为2020 年6 月1 日06:00 至15:00（世界协调时，下同）（首都机场雷雨时段10:03 至11:46）、2021 年6 月13 日04:00 至13:00（首都机场雷雨时段09:38 至11:12）、2021 年8 月23 日08:00 至17:00（首都机场雷雨时段12:59 至14:47）。主要资料包括：1）NMC-RAP 和NMC-HRRR 系统2020 年6 月1 日06:00、2021 年6 月13 日04:00、2021 年8 月23 日08:00 起报的华北区域0～9 h 的雷达反射率（水平分辨率约4 km），时间间隔30 min；2）同时段、同区域中国气象局雷达拼图实况资料；3）检验关注区域中心为（40.06°N，116.60°E）（首都机场），范围在（36.06°N～44.02°N，112.00°E～121.16°E）（模式输出数据的各方向去掉50 个边界点）。

2.2 方法

在进行雷达回波预报与实况结果比较时，采取就近点匹配的方法。在高分辨率情况下，该方法更加合理，可避免插值过程对变量带来的较大误差（https://community.wmo.int/wwrp-publications[2021-11-22]）。

文中用到的配对方法由实况格点匹配到模式格点，即以模式格点为基准，取距离模式格点最近的实况格点的雷达回波值作为该格点的实况值，然后进行点对点结果的比较。

2.2.2 ATNS 评分方案

参考香港天文台航空雷暴临近预报系统（Aviation Thunderstorm Nowcasting System, ATNS）（http://alnowcast.weather.gov.hk/jcatns/index.html [2021-11-08]）的评分方案，结合民航地区运行的实际特点，制定了华北区域对流临近预报检验方法。即利用邻域空间检验方法，首先将雷达回波分为两级：35 dBZ（含）以上（强）、20 dBZ（含）以上（弱），在对预报结果检验时，某点的实况或预报结果并不仅由该点的值来表示，还由以该点为中心半径12 km 区域的雷达回波决定。如区域内达到35 dBZ（含）以上的点，达到上述区域总点数的10%，则认为该点回波为强，同理得到实况和预报为弱的格点。如果预报和实况的结果一致，则认为命中，反之，认为未命中。使用临界成功指数CSI对预报能力进行检验：

CSI（强）=强命中数/（强漏报数+强空报数+强命中数），

CSI（弱）=弱命中数/（弱漏报数+弱空报数+弱命中数）。

当前算法在三种优先级权重阵型对应加权作用下，会自然表现出选择最适合当前局面的阵型进行游戏的行为。当然由于在游戏中没有固定方向，所以必须考虑权重矩阵对称和旋转的情况。

2.2.3 对华北区域主要机场对流预警的预报效果评估方案

同样采用ATNS 评分方案，参考Li（2009,https://ams.confex.com/ams/89annual/techprogram/pa per_146911.htm[2021-11-22]）在航空气象领域的检验方法，分别对华北区域几个重要机场0～9 h 对流预警的预报效果进行评估，包括首都、大兴、天津、石家庄、太原机场。将雷达回波分为两级：35 dBZ（含）以上（强）、20 dBZ（含）以上（弱），每个机场、每个时次满足条件记为命中1 次，20 dBZ以下视为对飞行无重要影响，不评。

3 快速更新循环同化系统NMCRAP 和NMC-HRRR 的预报性能评估

3.1 雷达回波强度的空间分布

图1给出的是NMC-RAP 和NMC-HRRR 系统预报的2020 年6 月1 日06:00 起报的第150 分钟雷达反射率强度的空间分布与实况的对比图。实况显示（图1a），雷达反射率强度大值区位于北京西部、河北中部及山东半岛西部，区域西部由高空槽系统产生的对流回波呈东北—西南向分布，强中心位于河北中部。由图1b 和1c 可以看到，两代系统预报的回波强度的空间分布与实况均比较接近。NMC-HRRR 很好地捕捉到了回波形态、大值落区和位于河北中部的强中心，相比之下，NMC-RAP预报的回波强中心偏弱、范围偏小，相比实况略有前倾，整体偏东。

图1 （a）实况、（b）NMC-RAP 和（c）NMC-HRRR 系统预报的2020 年6 月1 日06:00 起报的第150 分钟雷达反射率强度的空间分布Fig. 1 Spatial distributions of (a) observation and predicted radar reflectivity with the 150th minute forecasts from (b) NMC-RAP and (c) NMCHRRR systems, both initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

图2给出的是NMC-RAP 和NMC-HRRR 系统预报的2021 年6 月13 日04:00 起报的第240 分钟雷达反射率强度的空间分布与实况的对比图。实况显示（图2a），对流回波呈东北—西南带状分布，位于内蒙中部到河北南部一线，强中心位于北京西北部。由图2b 和2c 可以看到，NMC-HRRR 可以较好地预报出上述对流回波的形态和落区，只是范围和强度略偏大，而NMC-RAP 预报的回波位置与实况差异就比较大，主要表现在强对流整体偏北、集中在内蒙区域，漏报了河北南部的大范围对流回波。

图3给出的是NMC-RAP 和NMC-HRRR 系统预报的2021 年8 月23 日08:00 起报的第300 分钟雷达反射率强度的空间分布与实况的对比图。实况显示（图3a），此次对流发生的范围较前两次更广，主体位于内蒙古中部—河北大部一带，几乎全面覆盖华北区域中南部，强中心位于北京及河北中北部。由图3b 和3c 可以看到，NMC-RAP 预报的对流回波范围较小，仅覆盖北京及其南、北的小范围区域，对于华北区域内对流形态的描述一般，预报整体偏东。相比之下，NMC-HRRR 可以较好地捕捉到北京区域及以南的强回波中心，且预报的强回波形态和落区更接近实况，展现了更好的预报效果。不过，两代系统对于河北南部及山东半岛西部的对流回波预报都偏弱。

因此，对于雷达回波强度和空间分布形态的预报，两代预报系统均有较好体现。不过对于强回波中心落区这样的关键点，NMC-HRRR 总能体现出自身的优势，与实况更吻合。

3.2 雷达回波的ATNS 评分

从两代系统2020 年6 月1 日06:00 起报的雷达反射率预报结果的ATNS 评分（表1）可知，对同一系统，弱回波相对强回波的评分更高，随着预报时效的递增，30 min 后评分总体呈递减趋势。从两代系统对比来看，NMC-HRRR 预报的强、弱回波的临界成功指数较高，均显著优于NMC-RAP。对于强回波，特别是在前360 分钟，NMC-HRRR的预报评分始终维持在0.38～0.65，相对NMCRAP（0.21～0.54）有明显优势，在经历420～480 min小幅低于NMC-RAP 后，NMC-HRRR 在540 min的评分又大幅优于第一代系统0.2 分，在第9 小时的预报中实属难得。同样地，除240～360 min 的评分短时间略低于NMC-RAP 外，NMC-HRRR 对于弱回波的评分均优于第一代系统，评分在前180分钟稳定在0.63 以上，甚至达到了0.82 的高分，而NMC-RAP 最低分为0.57，相对较低。总体而言，NMC-HRRR 对360 min 内和第540 分钟的强回波以及180 min 内弱回波的预报显著优于NMC-RAP。

表1 NMC-RAP 和NMC-HRRR 系统2020 年6 月1 日06:00 起报的0～9 h 雷达反射率预报结果的航空雷暴临近预报系统（ATNS）评分Table 1 Aviation Thunderstorm Nowcasting System(ATNS) scores of radar reflectivity with 0-9 h forecasts from NMC-RAP and NMC-HRRR systems initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

从两代系统2021 年6 月13 日04:00 和8 月23 日08:00 起报的雷达反射率预报结果的ATNS评分（表2 和表3）可见，同一系统预报的强、弱回波的临界成功指数与上述结论一致。对比两代系统，同样地，NMC-HRRR 预报的0～9 h 强、弱回波的临界成功指数总体上显著优于NMC-RAP。6月13 日，前360 分钟NMC-HRRR 对强回波预报的评分始终维持在0.32～0.77，相对NMC-RAP（0.09～0.45）有明显优势，除第420 分钟的评分有小波动外，第480～540 分钟也优于NMC-RAP。对比弱回波与强回波在评分上有同样的体现。8 月23 日，NMC-HRRR 对前期强回波的预报有一些波动，表现为30～90 min 评分比NMC-RAP 略低，不过120 min 后逐渐反超，且随着预报时效的增加，分数优势愈发显著。NMC-HRRR 预报的弱回波则一直表现稳定，优于第一代系统。因此，NMCHRRR 对于强、弱回波的评分均大幅优于第一代系统。

表2 同表1，但为2021 年6 月13 日04:00 起报的ATNS 评分Table 2 Same as Table 1, but for the ATNS scores initialized at 0400 UTC 13 Jun 2021

表3 同表1，但为2021 年8 月23 日08:00 起报的ATNS 评分Table 3 Same as Table 1, but for the ATNS scores initialized at 0800 UTC 23 Aug 2021

综上，对比系统预报的强、弱回波，≥20 dBZ弱回波的ATNS 评分均优于≥35 dBZ的强回波。比较两代系统NMC-RAP 和NMC-HRRR，结合3个个例综合分析，除了个别时刻NMC-RAP 的ATNS 评分相对较高外，预报时效0～9 h 内NMCHRRR 预报的强、弱回波的评分整体较高，显著优于NMC-RAP，尤其是300 min 内的强回波，定量证明了NMC-HRRR 系统对于临近预报在强回波空间分布方面的改进是清楚、有效的。

3.3 对华北区域主要机场对流预警的预报效果评估

本文选取的3 个大范围对流天气过程覆盖了华北区域的5 个主要机场，即首都、大兴、天津、石家庄和太原机场，为了定点研究两代预报系统对于主要机场0～9 h 的对流天气预报效果，考虑对飞行有影响的回波强度，将雷达回波分为两级：35 dBZ（含）以上（强）、20 dBZ（含）以上（弱），每个机场、每个时次满足条件记为命中1 次，在表格中分别用强和弱表示。

表4展示了实况、NMC-RAP、NMC-HRRR系统2020 年6 月1 日06:00 至15:00 对上述5 个机场强对流预警（影响程度）的预报评估结果。实况显示，06:00 后的240 min 起，首都、大兴、天津、石家庄机场都出现了≥20 dBZ的回波，其中首都和天津机场分别在第300 分钟和第360 分钟出现≥35 dBZ的强回波。对比两代预报系统发现，NMC-HRRR不仅预报出了上述4 个机场的弱回波及开始时间，还准确预报出了第300 分钟和第360 分钟发生在首都和天津机场的强回波，与实况一致。而NMCRAP 对于回波强度的预报偏弱，没有预报出首都和天津两个机场的强回波，对弱回波出现时间的把握也不如NMC-HRRR 准确。对于420 min 以后石家庄机场出现的弱回波，两代预报系统均没有很好体现。

表4 实况和NMC-RAP 系统、NMC-HRRR 系统2020 年6 月1 日06:00 起报的0～9 h 雷达反射率对华北区域5 个主要机场的对流预警Table 4 Severe convective warning of radar reflectivity at five airports in North China based on observations, and 0-9 h forecasts from NMC-RAP and NMC-HRRR systems initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

从5 个机场实况、NMC-RAP、NMC-HRRR对流预警总和（表5）也可以直观看出，实况的强、弱回波分别出现了2 次和6 次，对应NMC-HRRR分别为2 次和4 次，相比于NMC-RAP 的0 次和2次优势显著。

表5 实况和NMC-RAP、NMC-HRRR 2020 年6 月1 日06:00 起报的0～9 h 雷达反射率预报结果对华北区域5 个主要机场的对流预警总和Table 5 Counts of total severe convective warning of radar reflectivity at 5 airports in North China based on observations, and 0-9 h forecasts from NMC-RAP and NMC-HRRR systems initialized at 0600 UTC 1 Jun 2020

表6展示了实况、NMC-RAP、NMC-HRRR系统2021 年6 月13 日04:00 至13:00 对5 个机场对流预警的预报评估结果。实况显示，对于飞行重点关注的强回波，04:00 后的180 min 起，天津、石家庄、首都和大兴机场先后出现了≥35 dBZ的回波。对比两代预报系统发现，此次过程二者对第240 分钟石家庄机场的强回波，以及第360 分钟首都和大兴机场出现的强回波均预报准确。另外，NMC-HRRR 和NMC-RAP 分别对第180 分钟和第540 分钟天津出现的强回波预报准确，前者表明第二代系统在回波强度预报的中前期更有优势，后者则在一定程度上体现出NMC-RAP 在8～9 h 预报阶段对于强回波强度的预报优势，在实际工作中需要根据预报的不同阶段综合运用。

表6 同表4，但为2021 年6 月13 日04:00 起报Table 6 Same as Table 4, but initialized at 0400 UTC 13 Jun 2021

从5 个机场实况、NMC-RAP、NMC-HRRR对流预警总和（表7）可以直观看出，实况的强、弱回波分别出现了6 次和9 次，对应NMC-HRRR分别为4 次和5 次，NMC-RAP 分别为4 次和2 次。可见NMC-HRRR 在弱回波的预报上优势更加明显。

表7 同表5，但为2021 年6 月13 日04:00 起报Table 7 Same as Table 5, but initialized at 0400 UTC 13 Jun 2021

表8展示了实况、NMC-RAP、NMC-HRRR系统2021 年8 月23 日08:00 至17:00 对5 个机场对流预警的预报评估结果。从实况可以看出，这次过程天津、石家庄、太原机场从预报初期就开始有比较活跃的弱回波发展，两代系统都较好地捕捉到了这一趋势，但对于天津机场在第60 分钟出现的强回波预报欠佳。对重点关注的强回波，08:00 后的180 min 起，石家庄、大兴、天津、首都机场先后出现了≥35 dBZ的回波，持续至第420 分钟。对比两代系统发现，二者对第300～420 分钟首都、大兴、天津机场的强回波预报尚可，但对于石家庄机场第180 分钟出现的强回波的预报则偏弱。NMC-HRRR 准确预报出了第540 分钟首都机场出现的弱回波，一定程度上体现出NMC-HRRR 在预报有效时段后期对于弱回波的预报优势。

表8 同表4，但为2021 年8 月23 日08:00 起报Table 8 Same as Table 4, but initialized at 0800 UTC 23 Aug 2021

从5 个机场实况、NMC-RAP、NMC-HRRR对流预警总和（表9）可以直观看出，实况的强、弱回波分别出现了10 次和16 次，对应NMC-HRRR分别为5 次和12 次，NMC-RAP 分别为5 次和11 次。可见NMC-HRRR 在弱回波的预报上更具优势。

表9 同表5，但为2021 年8 月23 日08:00 起报Table 9 Same as Table 5, but initialized at 0800 UTC 23 Aug 2021

综上，NMC-HRRR 在预报回波开始出现的时间、中前期的强回波和后期的弱回波方面优势明显，NMC-RAP 在预报后期8～9 h 的强回波方面也有自身的优势。两代系统对于预报早期（约60 min 前）的回波强度体现出了一致的偏弱。由表10 清楚可见，3 次过程总和中，NMC-HRRR 共出现了11 次强回波和21 次弱回波，相比NMC-RAP 的9 次和15 次，前者与实况的18 次和31 次更为接近，再次定量证明了NMC-HRRR 相较NMC-RAP 对于强、弱回波的定时、定点预报准确率及其在时空分布上的改进都是有效的。