兩次暴雨過程的主觀及集合預(yù)報檢驗

吳 巖,張惠君，關(guān) 銘，萬 虹，寇思聰

（1.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150030；2.本溪市氣象局，遼寧 本溪117000）

1 引言

隨著氣象事業(yè)的發(fā)展， 數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品已成為廣大預(yù)報員日常預(yù)報的重要參考。 但在實際業(yè)務(wù)應(yīng)用中，如果對產(chǎn)品的預(yù)報性能缺乏足夠認(rèn)識，就會造成診斷失誤， 導(dǎo)致天氣預(yù)報失敗甚至重大天氣過程錯報。 正確理解數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品性能可以使預(yù)報員有根據(jù)地對數(shù)值預(yù)報加以訂正， 從而在預(yù)報業(yè)務(wù)中取得好的預(yù)報效果。 開展數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品檢驗是擇優(yōu)使用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品、提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確率的途徑，張寧娜[1-7]等對不同的數(shù)值模式產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗。 2012年開始， 國家氣象中心著力研發(fā)適用于我國的集合預(yù)報技術(shù)，并于2014年4月在黑龍江省氣象臺投入業(yè)務(wù)化運行，對集合預(yù)報的預(yù)報效果進(jìn)行檢驗迫在眉睫。

黑龍江省地形獨特，汛期洪澇災(zāi)害時有發(fā)生，強(qiáng)對流天氣多，暴雨預(yù)報相對困難。 本文對8月份出現(xiàn)在黑龍江省的兩次暴雨天氣進(jìn)行了省臺、地市臺、中央臺的主客觀預(yù)報及不同集合成員預(yù)報的分級降水和溫度檢驗， 以了解集合預(yù)報不同成員對黑龍江暴雨天氣的預(yù)報能力， 爭取對今后的暴雨預(yù)報有一定啟示作用。

2 檢驗方法

2.1 檢驗方案

對黑龍江省2014年8月20日和2014年8月25日出現(xiàn)的單日暴雨天氣進(jìn)行省臺主觀指導(dǎo)預(yù)報、地市臺主觀預(yù)報、 中央臺SCMOC 客觀指導(dǎo)預(yù)報、中央臺主觀定量降水（QPF）預(yù)報以及集合預(yù)報產(chǎn)品中的最小值、10%分位數(shù)、25%分位數(shù)、 中位數(shù)、75%分位數(shù)、90%分位數(shù)、 最大值、 集合平均和控制預(yù)報的24 h 預(yù)報和48 h 預(yù)報質(zhì)量檢驗。 由于集合預(yù)報單站預(yù)報中，無北極村站，因此本文選擇除北極村站的其他82 站進(jìn)行檢驗。20日檢驗所用資料為19日20時和18日20時起報的集合預(yù)報數(shù)據(jù)資料， 對應(yīng)預(yù)報時段均為20日08時-21日08時，省臺、地市臺、中央客觀和中央主觀所檢驗預(yù)報為20日預(yù)報20日08時-21日08時24 h 預(yù)報以及19日預(yù)報20日08時-21日08時48 h 預(yù)報。 驗證資料為20日08時-21日08時的24 h 降水量以及最高溫度和最低溫度實況資料。 25日預(yù)報檢驗亦是如此。 根據(jù)82 站逐站統(tǒng)計降水量、 溫度預(yù)報值與實況觀測值， 分別得出分級降水和溫度預(yù)報檢驗結(jié)果。 另外分級降水檢驗中， 還包括集合預(yù)報產(chǎn)品中的概率匹配平均預(yù)報檢驗。

2.2 降水量檢驗方法

根據(jù)氣發(fā)[2005]109 號附件1《中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗辦法》（下稱辦法）有關(guān)公式，檢驗依據(jù)當(dāng)日預(yù)報正確站數(shù)、空報站數(shù)、漏報站數(shù)，計算分級降水TS 評分、技巧評分、空報率、漏報率及晴雨預(yù)報正確率等。

降水預(yù)報檢驗統(tǒng)計公式為：

式中NAk為預(yù)報正確站 （次） 數(shù)、NBk為空報站（次）數(shù)、NCk為漏報站（次）數(shù)，見表1，k 為1，2，3，4，代表小雨、中雨、大雨、暴雨。TS’為中央臺SCMOC 客觀指導(dǎo)預(yù)報的TS 評分。

表1 降水預(yù)報檢驗分類表

晴雨預(yù)報檢驗規(guī)則由表2 所示， 預(yù)報正確率公式為：

技巧評分：SS=PC-PC′

式中NA 為有降水預(yù)報正確站（次）數(shù)，NB 為空報站（次）數(shù)，NC 為漏報站（次）數(shù)，ND 為無降水預(yù)報正確的站（次）數(shù)，PC′為中央臺SCMOC 客觀指導(dǎo)預(yù)報的PC 評分。

表2 晴雨預(yù)報檢驗規(guī)則表

2.3 溫度檢驗方法

依據(jù)辦法，把溫度預(yù)報誤差≤2 ℃定義為預(yù)報正確，計算溫度預(yù)報誤差≤2 ℃的百分率，即溫度預(yù)報準(zhǔn)確率。 溫度預(yù)報準(zhǔn)確率公式為：

式中Nr 為預(yù)報正確的站（次）數(shù)，Nf 為預(yù)報的總站（次）數(shù)。

3 降水檢驗結(jié)果

3.1 分級降水TS 評分

從20日和25日不同預(yù)報員以及集合預(yù)報成員的24 h 和48 h 預(yù)報分級TS 評分可以看出， 針對于這兩次過程，預(yù)報員分級降水TS 評分隨著降水級別增大而減小。 其中20日降水的小雨的TS 評分較高，尤其是省臺和中央主觀預(yù)報，TS 評分均超過60%，同時省臺預(yù)報小雨TS 評分均高于中央臺SCMOC 客觀指導(dǎo)預(yù)報，即對中央臺指導(dǎo)預(yù)報為正技巧，說明預(yù)報員對小雨量級降水把握較好。 但省臺中雨預(yù)報評分低，大雨和暴雨則基本沒有評分。 相對來說，中央臺主觀預(yù)報則對各個量級降水均有得分，尤其對25日的暴雨量級降水，中央主觀預(yù)報亦有得分，說明省臺預(yù)報員雖對小雨預(yù)報把握較好， 但對大雨以上量級降水，尤其是暴雨預(yù)報略顯得保守，信心不足。 而對于20日暴雨天氣，則各級預(yù)報員均無評分，預(yù)報失敗。 集合預(yù)報成員對各個量級降水均有表現(xiàn)，總體而言，集合平均值、控制預(yù)報以及概率匹配平均在集合成員中表現(xiàn)優(yōu)秀， 基本對大雨以下量級降水均有體現(xiàn)，得分相對較高，在實際業(yè)務(wù)中可以參考。 值得一提的是，雖然集合成員最大值對小雨預(yù)報表現(xiàn)較差，但對暴雨預(yù)報，則是唯一得到評分的成員，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中應(yīng)該得到重視。

另外， 結(jié)合分析兩次降水天氣的各級降水空報率和漏報率可以看出， 無論是預(yù)報員還是集合預(yù)報的各個成員預(yù)報對小雨均有較好的預(yù)報， 表現(xiàn)為TS評分較高，空報率、漏報率較低。 但從中雨開始，空漏報率顯著增加，TS 評分降低。 20日中雨預(yù)報表現(xiàn)為空報率低于漏報率，漏報明顯；25日中雨預(yù)報表現(xiàn)為空報率高于漏報率，空報明顯。 對于大雨預(yù)報，省臺和地市臺預(yù)報員基本表現(xiàn)為漏報， 中央臺主觀預(yù)報表現(xiàn)為空報明顯，集合成員預(yù)報20日大雨表現(xiàn)為漏報明顯，對25日大雨表現(xiàn)為空報明顯，也就是說對于大雨以上量級的降水預(yù)報落區(qū)往往會有偏差，預(yù)報的強(qiáng)降水的中心位置會與實況不一致。 然而對于所有的預(yù)報來說，暴雨預(yù)報以漏報明顯，暴雨漏報率幾乎為100%，對于大尺度環(huán)境條件下中小尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的暴雨天氣基本無預(yù)報能力， 暴雨落區(qū)的準(zhǔn)確把握仍是黑龍江省預(yù)報工作中的難點。

3.2 晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率

從兩次降水天氣的晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率來看，20日降水預(yù)報員晴雨準(zhǔn)確率基本超過80%，25日降水預(yù)報員準(zhǔn)確率基本超過65%， 總體來說對降水區(qū)域把握較好， 同時預(yù)報員晴雨準(zhǔn)確率高于多數(shù)集合預(yù)報成員準(zhǔn)確率， 說明預(yù)報員對數(shù)值產(chǎn)品和客觀方法的應(yīng)用技術(shù)有一定提高。從預(yù)報時效看，預(yù)報員48 h 準(zhǔn)確率較24 h 準(zhǔn)確率會有所下降， 顯示預(yù)報員的經(jīng)驗在臨近天氣預(yù)報中發(fā)揮了作用。 而不同集合預(yù)報成員的48 h 準(zhǔn)確率基本與24 h 準(zhǔn)確率相持平，說明在較短時效內(nèi)客觀預(yù)報準(zhǔn)確率隨時間無明顯下降。 同時集合成員中的平均值、 控制預(yù)報和概率匹配平均預(yù)報相對表現(xiàn)穩(wěn)定， 準(zhǔn)確率基本居集合成員中前四位。

兩次降水過程相對于中央客觀SCMOC 指導(dǎo)預(yù)報技巧評分，大雨以下量級除集合成員最大值外，大多數(shù)預(yù)報和成員表現(xiàn)為正技巧或無技巧， 最大值成員表現(xiàn)為負(fù)技巧，而對暴雨預(yù)報，最大值成員則表現(xiàn)為正技巧。 針對于25日降水的48 h 暴雨預(yù)報，所有預(yù)報均為負(fù)技巧，因為對于此次預(yù)報，中央客觀SCMOC 指導(dǎo)預(yù)報表現(xiàn)較好，TS 評分達(dá)50%， 為所有預(yù)報最高。 晴雨預(yù)報的技巧評分則20日降水表現(xiàn)為負(fù)技巧，25日降水正負(fù)技巧各半。

4 溫度檢驗結(jié)果

黑龍江省南北跨度大，溫度日較差高，天氣狀況對溫度影響明顯， 因此溫度預(yù)報相對南方省市難度偏高。 從各級預(yù)報員以及不同集合預(yù)報成員對黑龍江省82 站最高氣溫和最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率（表3）結(jié)果來看， 預(yù)報員的溫度預(yù)報準(zhǔn)確率大多數(shù)超過80%以上，且基本高于集合預(yù)報或與集合預(yù)報持平，準(zhǔn)確率較高， 說明在溫度預(yù)報方面預(yù)報員對數(shù)值產(chǎn)品預(yù)報訂正較好。 集合預(yù)報成員中，90%分位值和最大值對最高氣溫預(yù)報表現(xiàn)較好，10%分位值和25%分位值對最低氣溫預(yù)報表現(xiàn)較好， 若將最高氣溫和最低氣溫預(yù)報結(jié)合起來看， 則是集合平均值和控制預(yù)報表現(xiàn)穩(wěn)定， 因此在業(yè)務(wù)工作中可以作為溫度預(yù)報的重要參考。

表3 25日、20日最高和最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率（%）

5 結(jié)論和討論

對兩次暴雨天氣的降水和溫度預(yù)報檢驗分析表明， 預(yù)報員和集合預(yù)報對定量降水預(yù)報表現(xiàn)了一定預(yù)報能力， 但對具體強(qiáng)降水的落區(qū)預(yù)報能力還有待提高。 具體得到如下結(jié)論：

（1）針對于這兩次過程，預(yù)報員分級降水TS 評分隨著降水級別增大而減小。 無論是預(yù)報員還是集合預(yù)報的各個成員預(yù)報對小雨均有較好的預(yù)報，表現(xiàn)為TS 評分較高，空報率、漏報率較低。 但從中雨開始，空漏報率顯著增加，TS 評分降低。

（2）預(yù)報員對大雨以上量級的降水預(yù)報落區(qū)往往會有偏差， 預(yù)報的強(qiáng)降水的中心位置會與實況不一致。 然而對于所有的預(yù)報來說，暴雨預(yù)報以漏報明顯，漏報率幾乎為100%，對于大尺度環(huán)境條件下中小尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的暴雨天氣基本無預(yù)報能力。

（3）集合預(yù)報成員對各個量級降水均有表現(xiàn)，雖然暴雨漏報率幾乎為100%，然而集合成員中的最大值，則是唯一得到暴雨預(yù)報評分的成員，有一定啟示作用，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中應(yīng)該得到重視。

（4）預(yù)報員的溫度預(yù)報準(zhǔn)確率大多數(shù)超過80%，且基本高于集合預(yù)報或與集合預(yù)報持平， 準(zhǔn)確率較高， 說明在溫度預(yù)報方面預(yù)報員對數(shù)值產(chǎn)品預(yù)報有一定訂正。 集合預(yù)報成員中，90%分位值和最大值對最高氣溫預(yù)報表現(xiàn)較好，10%分位值和25%分位值對最低氣溫預(yù)報表現(xiàn)較好。

（5）針對降水和溫度預(yù)報總體而言，集合成員中集合平均值和控制預(yù)報表現(xiàn)相對優(yōu)秀， 可以在業(yè)務(wù)中提供重要參考。

（6）本文的結(jié)論只是針對于兩次暴雨天氣，預(yù)報員和集合預(yù)報成員對整體暴雨天氣預(yù)報能力的檢驗還有待于日后更多個例的分析。

[1] 張寧娜，黃閣，吳曼麗，等.2010年國內(nèi)外3 種數(shù)值預(yù)報在東北地區(qū)的預(yù)報檢驗[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報，2012，28(2):28-33.

[2] 崔錦，周小珊，陳力強(qiáng)，等.3 種數(shù)值模式對2008年5-8月遼寧降水預(yù)報的天氣學(xué)檢驗[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(21):11236-11239.

[3] 管成功，王克敏，陳曉紅.2002-2005年T213 數(shù)值降水預(yù)報產(chǎn)品分析檢驗[J].氣象，2006，32(8):70-76.

[4] 徐雙柱，張兵，諶偉.GRAPES 模式對長江流域天氣預(yù)報的檢驗分析[J].氣象，2007，33(11):65-71.

[5] 王雨.2004年主汛期各數(shù)值預(yù)報模式定量降水預(yù)報評估[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2006，17(3):316-324.

[6] 孔海江.2003年汛期3 種中尺度數(shù)值預(yù)報模式降水預(yù)報檢驗[J].河南氣象，2005(1):9-11.

[7] 張建海，諸曉明.數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和客觀預(yù)報方法預(yù)報能力檢驗[J].氣象，2006,32(2):58-63.