李博淵，趙江偉，李健麗

(1.中亞大氣科學(xué)研究中心，烏魯木齊 830002；2.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆阿勒泰 836500)

隨著科技和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人民群眾物質(zhì)文化需求的不斷豐富和提高，對(duì)天氣預(yù)報(bào)精細(xì)化程度及準(zhǔn)確率也提出了越來(lái)越高的要求。ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式具有高時(shí)空分辨率特征，從而為天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供了豐富的客觀預(yù)報(bào)產(chǎn)品，引起了預(yù)報(bào)員高度關(guān)注，已成為日常預(yù)報(bào)不可或缺的主要參考依據(jù)。但由于諸多原因數(shù)值模式的運(yùn)行還不穩(wěn)定，數(shù)值預(yù)報(bào)與初始場(chǎng)還不吻合，存在一定的誤差。因此，了解模式性能，開(kāi)展數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)非常必要。

近年來(lái)，許多氣象工作者對(duì)ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式的形勢(shì)場(chǎng)、要素場(chǎng)等方面進(jìn)行了檢驗(yàn)。如薛諶彬等[1]、王丹等[2]、萬(wàn)夫敬等[3]對(duì)ECMWF細(xì)網(wǎng)格2 m溫度在江西省、陜西省、青島地區(qū)的預(yù)報(bào)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)；廖春花等[4]對(duì)ECMWF細(xì)網(wǎng)格降水產(chǎn)品在湖南水庫(kù)流域面雨量的預(yù)報(bào)能力進(jìn)行了檢驗(yàn)。新疆氣象工作者也對(duì)ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式的釋用進(jìn)行了檢驗(yàn)，如井立紅等[5]對(duì)ECMWF細(xì)網(wǎng)格等4種模式降水預(yù)報(bào)資料，在塔城地區(qū)降水的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行檢驗(yàn)和對(duì)比，揭示了4種模式在塔城降水預(yù)報(bào)中的性能；劉春風(fēng)等[6]、張超等[7]對(duì)ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式2 m溫度在新疆及周邊溫度的預(yù)報(bào)能力進(jìn)行了檢驗(yàn)，表明模式預(yù)報(bào)為系統(tǒng)性偏高，預(yù)報(bào)效果隨預(yù)報(bào)時(shí)效延長(zhǎng)而逐漸變差，3 d 內(nèi)溫度預(yù)報(bào)的絕對(duì)誤差小、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高，對(duì)實(shí)際溫度預(yù)報(bào)有很好指導(dǎo)作用；張俊蘭等[8]、李博淵等[9]、李健麗等[10]基于ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式在北疆降雪預(yù)報(bào)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)；賈麗紅等[11]對(duì)多模式在新疆最高(低)氣溫預(yù)報(bào)中的檢驗(yàn)表明，ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式整體最好，DOGRAFS模式最差，且最低氣溫的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高程度高于最高氣溫；萬(wàn)瑜等[12]研究指出，ECMWF細(xì)網(wǎng)格資料在烏魯木齊東南大風(fēng)發(fā)生和維持的物理機(jī)制和預(yù)報(bào)性能等方面均有提高，對(duì)東南大風(fēng)預(yù)報(bào)具有指示意義；賈健等[13]檢驗(yàn)表明，ECMWF細(xì)網(wǎng)格2 m溫度場(chǎng)對(duì)米東區(qū)最高、最低氣溫有較好的預(yù)報(bào)能力，對(duì)晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高，對(duì)850 hPa風(fēng)速與實(shí)況風(fēng)速也有較好的相關(guān)性。侯柯然等[14]、高萌等[15]對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在陜西榆林和關(guān)中強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用也進(jìn)行了檢驗(yàn)。由此可見(jiàn)，對(duì)ECMWF細(xì)網(wǎng)格釋用主要集中在2 m溫度和降水等要素上，而對(duì)造成這些要素變化的環(huán)境場(chǎng)預(yù)報(bào)性能檢驗(yàn)較少。近年來(lái)，隨著觀測(cè)站網(wǎng)的增多，觀測(cè)手段日益豐富，從而對(duì)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)能力也不斷提高，對(duì)其預(yù)警也提出了更高的要求，尤其是短時(shí)強(qiáng)降水天氣。因此，對(duì)ECMWF細(xì)網(wǎng)格在阿勒泰地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境場(chǎng)預(yù)報(bào)中的性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，為預(yù)報(bào)員提供更多有用信息，進(jìn)而為預(yù)報(bào)員做出更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)及防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 短時(shí)強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)

目前，中央氣象臺(tái)和中國(guó)中東部地區(qū)氣象部門(mén)均將1 h降水量≥20 mm的記為短時(shí)強(qiáng)降水。根據(jù)多年的預(yù)報(bào)服務(wù)實(shí)踐、暴雨洪水成災(zāi)事實(shí)和干旱半干旱地區(qū)暴雨特點(diǎn)，新疆氣象部門(mén)將該標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為1 h降水量≥10 mm。為了與實(shí)際業(yè)務(wù)保持一致，將短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程定義為：(1)1 h內(nèi)相鄰(200 km以?xún)?nèi))2個(gè)以上測(cè)站雨強(qiáng)均≥10 mm/h；(2)同一測(cè)站連續(xù)2 h以上雨強(qiáng)≥10 mm/h；(3)滿(mǎn)足上述條件之一，定義為一次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程。

選取經(jīng)過(guò)新疆氣象信息中心篩選、整理、檢測(cè)，并剔除不完整及錯(cuò)誤的資料，采用2013—2018年5—9月(簡(jiǎn)稱(chēng)暖季)阿勒泰地區(qū)8個(gè)國(guó)家基本氣象站和104個(gè)區(qū)域自動(dòng)站共112個(gè)站點(diǎn)(圖1)逐時(shí)降水資料，按上述標(biāo)準(zhǔn)篩選出短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程共36個(gè)。

檢驗(yàn)范圍選取78范圍～92范圍、42范圍～50范圍，ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式(下簡(jiǎn)稱(chēng)“EC細(xì)模式”)產(chǎn)品起報(bào)時(shí)間主要為20：00和08：00；檢驗(yàn)預(yù)報(bào)時(shí)效為12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h。由于阿勒泰地區(qū)大部分測(cè)站海拔高度低于1 500 m，因此，主要選取850～200 hPa等壓面上相關(guān)物理量進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖1 阿勒泰地區(qū)112個(gè)國(guó)家站和區(qū)域自動(dòng)站點(diǎn)分布圖

1.2 檢驗(yàn)方法

采用世界氣象組織推薦的數(shù)值預(yù)報(bào)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化方案——定量檢驗(yàn)(統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn))[16]，即預(yù)報(bào)對(duì)客觀分析的檢驗(yàn)，用客觀分析資料為實(shí)況，針對(duì)08：00和20：00起報(bào)的模式產(chǎn)品，分別對(duì)上述預(yù)報(bào)時(shí)效要素場(chǎng)進(jìn)行檢驗(yàn)。參考莊曉翠等[17]的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，選用平均誤差ME、均方根誤差RMSE、平均絕對(duì)誤差MAE、相關(guān)系數(shù)R[18-19]4種統(tǒng)計(jì)量對(duì)EC細(xì)網(wǎng)格模式產(chǎn)品在阿勒泰地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水中的預(yù)報(bào)性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[19]可知，平均誤差在±1.5個(gè)單位內(nèi)、平均絕對(duì)誤差<3個(gè)單位、均方根誤差<4.5個(gè)單位為較小，反之較大。相關(guān)系數(shù)為>0.60時(shí)，模式具有一定的參考價(jià)值。反之，相關(guān)性較小，基本無(wú)參考價(jià)值。

2 檢驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 地面物理量場(chǎng)

地面圖上，2 m露點(diǎn)溫度和溫度，10 mu、v風(fēng)場(chǎng)均反應(yīng)地面物理量特征，溫度鋒和露點(diǎn)鋒對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水(強(qiáng)對(duì)流)預(yù)報(bào)具有非常重要的作用，而10 m流場(chǎng)上氣流輻合、切變及氣旋性輻合對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣具有一定觸發(fā)作用。EC細(xì)模式對(duì)這些地面要素的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確與否，在短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境場(chǎng)預(yù)報(bào)中具有重要的意義，因此對(duì)其統(tǒng)計(jì)誤差進(jìn)行檢驗(yàn)。由圖2a可知4個(gè)物理量的平均誤差均較小，其中：10 m風(fēng)場(chǎng)(包括u、v風(fēng)場(chǎng)，下同)誤差最小，在0 m/s附近，其72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)變化不大；2 m溫度誤差最大，但誤差值<0.5 ℃，72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)隨時(shí)效的延長(zhǎng)誤差增大，其誤差值一直為正值，說(shuō)明預(yù)報(bào)值比實(shí)況偏高，存在系統(tǒng)性正誤差；2 m露點(diǎn)溫度的平均誤差為負(fù)值，說(shuō)明預(yù)報(bào)值較實(shí)況值一直偏低，存在系統(tǒng)性負(fù)誤差，其絕對(duì)值在72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，隨時(shí)效延長(zhǎng)而誤差增大。4個(gè)物理量的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差均<2個(gè)單位，72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)隨時(shí)效延長(zhǎng)而增大；48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)<1.7個(gè)單位(圖2b、圖2c)。另外，分析72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)預(yù)報(bào)與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)(圖2d)可知，2 m溫度的相關(guān)系數(shù)>0.98，2 m露點(diǎn)溫度的大于0.88，10 mu風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)>0.71、v風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)>0.73，隨著時(shí)效的延長(zhǎng)相關(guān)系數(shù)減小，48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)4個(gè)物理量相關(guān)系數(shù)均>0.77。由此可見(jiàn)，EC細(xì)模式預(yù)報(bào)對(duì)2 m溫度的預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度相對(duì)最高，2 m露點(diǎn)溫度的精準(zhǔn)度次之，10 m風(fēng)場(chǎng)相對(duì)較差?？傊?，EC細(xì)模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品在地面物理量場(chǎng)中，48 h內(nèi)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品精準(zhǔn)度和參考的價(jià)值較高，在強(qiáng)對(duì)流環(huán)境場(chǎng)預(yù)報(bào)中具有較高的參考價(jià)值。

圖2 EC細(xì)模式對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水2 m溫度及露點(diǎn)溫度場(chǎng)(單位為℃)和10 m u風(fēng)場(chǎng)、v風(fēng)場(chǎng)(單位為m/s)預(yù)報(bào)的平均誤差(a)、平均絕對(duì)誤差(b)、均方根誤差(c)、相關(guān)系數(shù)(d)隨預(yù)報(bào)時(shí)效演變

2.2 形勢(shì)場(chǎng)

環(huán)流形勢(shì)、影響系統(tǒng)和天氣現(xiàn)象是造成天氣過(guò)程的主要因素，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程也不例外。模式對(duì)環(huán)流形勢(shì)預(yù)報(bào)是否準(zhǔn)確至關(guān)重要，因此對(duì)500 hPa高度場(chǎng)、850 hPa溫度場(chǎng)及海平面氣壓場(chǎng)(下簡(jiǎn)稱(chēng)“形勢(shì)場(chǎng)”)的統(tǒng)計(jì)誤差進(jìn)行檢驗(yàn)。由圖3可知，EC細(xì)模式對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水形勢(shì)場(chǎng)預(yù)報(bào)的平均誤差、平均絕對(duì)誤差及均方根誤差均較小。就平均誤差而言(圖3a)，500 hPa高度場(chǎng)絕對(duì)值在60 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)隨時(shí)效延長(zhǎng)而減小，72 h略有增大，但在72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)平均誤差的絕對(duì)值<0.3 dagpm。850 hPa溫度場(chǎng)平均誤差為正值，說(shuō)明模式預(yù)報(bào)高于實(shí)況，存在系統(tǒng)性正誤差，且72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)隨時(shí)效的延長(zhǎng)而增大，但<0.4 ℃。海平面氣壓場(chǎng)平均誤差為負(fù)值，說(shuō)明模式預(yù)報(bào)低于實(shí)況，存在系統(tǒng)性負(fù)誤差，但其絕對(duì)值<1.0 hPa。平均絕對(duì)誤差和均方根誤差(圖3b、圖3c)72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)均小于1.5個(gè)單位，但隨時(shí)效的延長(zhǎng)誤差增大?？梢?jiàn)，EC細(xì)模式對(duì)形勢(shì)場(chǎng)的預(yù)報(bào)72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)隨預(yù)報(bào)時(shí)效延長(zhǎng)誤差增大，尤其是48 h以后誤差較明顯。48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)500 hPa高度場(chǎng)誤差相對(duì)最小，海平面氣壓誤差相對(duì)最大。另外，3個(gè)要素預(yù)報(bào)與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)均大于0.92,隨時(shí)效的延長(zhǎng)而減小(圖3d)。由圖3d可知，海平面氣壓場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)最大，72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)>0.97，850 hPa溫度場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)最小，72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)>0.92。說(shuō)明EC細(xì)模式產(chǎn)品對(duì)形勢(shì)場(chǎng)的預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度相對(duì)較高。

圖3 EC細(xì)模式對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水500 hPa形勢(shì)場(chǎng)(單位為dagpm)、海平面氣壓場(chǎng)(單位為hPa)、850 hPa溫度場(chǎng)(單位為℃)預(yù)報(bào)的平均誤差、平均絕對(duì)誤差、均方根誤差、相關(guān)系數(shù)隨預(yù)報(bào)時(shí)效的演變

2.3 水汽和動(dòng)力條件

水汽條件和動(dòng)力條件在短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中同樣起著決定性作用，下面對(duì)700 hPa相對(duì)濕度、850 hPa比濕，700 hPa垂直速度的預(yù)報(bào)值與實(shí)況做了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。由圖4a可知：平均誤差850 hPa比濕、700 hPa垂直速度72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)均在0附近，且時(shí)效延長(zhǎng)變化不大；700 hPa相對(duì)濕度的平均誤差36 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)在0%附近，之后至72 h誤差明顯增大，但均小于1.5%。因此，平均誤差相對(duì)較小，說(shuō)明系統(tǒng)性誤差較小。850 hPa比濕平均絕對(duì)誤差和均方根誤差相對(duì)最小，72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)均小于1.0 g/kg，48 h內(nèi)小于0.8 g/kg，隨時(shí)效的延長(zhǎng)變化也較小。700 hPa相對(duì)濕度和垂直速度的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差較大，分別為>4%和6 Pa/s(圖4b、c)，700 hPa垂直速度的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差在72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)變化不大，700 hPa相對(duì)濕度的誤差隨時(shí)效的延長(zhǎng)而增大。因此，EC細(xì)模式對(duì)850 hPa比濕預(yù)報(bào)誤差較小，對(duì)700 hPa相對(duì)濕度和垂直速度預(yù)報(bào)系統(tǒng)誤差較小，隨機(jī)誤差較大。預(yù)報(bào)與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，700 hPa相對(duì)濕度、850 hPa比濕分別>0.66、0.76，700 hPa垂直速度<0.6。72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)相關(guān)系數(shù)均隨時(shí)效的延長(zhǎng)而減少，48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)850 hPa比濕≥0.83(圖4d)。由此可見(jiàn)，850 hPa比濕72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)誤差最小，相關(guān)系數(shù)在0.76以上，700 hPa相對(duì)濕度和700 hPa垂直速度誤差較大。說(shuō)明EC細(xì)模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品除了850 hPa比濕參考意義較大，700 hPa相對(duì)濕度和垂直速度在預(yù)報(bào)中應(yīng)注意訂正運(yùn)用。

2.4 u、v風(fēng)場(chǎng)

對(duì)200 hPau風(fēng)場(chǎng)和v風(fēng)場(chǎng)、700hPau風(fēng)場(chǎng)和v風(fēng)場(chǎng)、850 hPau風(fēng)場(chǎng)和v風(fēng)場(chǎng)的誤差做統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)200 hPau風(fēng)場(chǎng)和v風(fēng)場(chǎng)平均誤差最大，但風(fēng)場(chǎng)誤差<0.7 m/s，隨時(shí)效的延長(zhǎng)而增大，誤差基本為正值，說(shuō)明預(yù)報(bào)比實(shí)況值偏大，存在系統(tǒng)性正誤差。對(duì)流低層風(fēng)場(chǎng)平均誤差在0 m/s附近，其中：700 hPa和850 hPav風(fēng)場(chǎng)誤差為負(fù)值，說(shuō)明預(yù)報(bào)比實(shí)況值偏小，存在系統(tǒng)性負(fù)誤差；850 hPau風(fēng)場(chǎng)誤差值為正值，說(shuō)明預(yù)報(bào)比實(shí)況值偏大，存在系統(tǒng)性正誤差；700 hPau風(fēng)場(chǎng)誤差在0 m/s附近(圖5a)。72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)平均絕對(duì)誤差均小于2.9 m/s(圖5b)，均方根誤差均小于3.5 m/s(圖5c)；48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)平均絕對(duì)誤差均小于2.0 m/s(圖5b)，均方根誤差均小于2.7 m/s(圖5c)，其誤差也隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)而增加。另外預(yù)報(bào)與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)(圖5d)顯示，除了700 hPav風(fēng)場(chǎng)相關(guān)系數(shù)大于0.65，其他高空風(fēng)場(chǎng)相關(guān)系數(shù)均大于0.75，其中200 hPau風(fēng)場(chǎng)大于0.92，48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)相關(guān)系數(shù)均大于0.73；相關(guān)系數(shù)總體隨預(yù)報(bào)時(shí)效的增加而減少。說(shuō)明EC細(xì)模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)高空風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)誤差相對(duì)較小，尤其是48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，在預(yù)報(bào)中有一定的參考價(jià)值。

圖4 EC細(xì)模式對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水700 hPa相對(duì)濕度/%和垂直速度(單位：10 Pa/s)、850 hPa比濕場(chǎng)(單位：g/kg)預(yù)報(bào)的平均誤差、平均絕對(duì)誤差、均方根誤差、相關(guān)系數(shù)隨時(shí)效的演變

圖5 EC細(xì)模式對(duì)暖季短時(shí)強(qiáng)降水u、v風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s)預(yù)報(bào)的平均誤差、平均絕對(duì)誤差、均方根誤差、相關(guān)系數(shù)隨時(shí)效的演變

3 結(jié)論

(1)EC細(xì)網(wǎng)格模式在72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，尤其是48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，對(duì)地面2 m露點(diǎn)溫度和溫度場(chǎng)及10 mu、v風(fēng)場(chǎng)及海平面氣壓場(chǎng)，850 hPa溫度場(chǎng)和比濕場(chǎng)，500 hPa高度場(chǎng)，對(duì)流層u、v風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)等要素的3種誤差均較小，相關(guān)系數(shù)較高，在阿勒泰地區(qū)強(qiáng)對(duì)流環(huán)境場(chǎng)預(yù)報(bào)中具有較高的參考價(jià)值。

(2)EC細(xì)網(wǎng)格模式72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)對(duì)700 hPa相對(duì)濕度和垂直速度系統(tǒng)誤差較小，隨機(jī)誤差較大，相關(guān)性較小，在預(yù)報(bào)中注意訂正運(yùn)用。