西寧強(qiáng)降水的2種數(shù)值模式預(yù)報(bào)能力對(duì)比檢驗(yàn)

謝啟玉，周 琴，朱寶文，趙 娟，張婷華

1.青海省西寧市氣象臺(tái)，青海西寧 810016；2.青海省氣象干部培訓(xùn)中心，青海西寧 810016

0 引言

強(qiáng)對(duì)流天氣的研究一直是重大課題。作為青海省的省會(huì)城市，西寧位于青海高原東北部，受高原地形的影響，強(qiáng)對(duì)流尤為頻發(fā)，致災(zāi)性也不斷增加[1]。近年來，數(shù)值預(yù)報(bào)模式在時(shí)空和高度層次上不斷細(xì)化，模式的準(zhǔn)確率和精細(xì)化程度不斷提高，在強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中發(fā)揮了越來越重要的作用。

然而受各種因素的影響，數(shù)值預(yù)報(bào)模式仍然存在計(jì)算誤差，誤差的大小直接影響結(jié)果的精確度。目前，業(yè)務(wù)中使用最多的是全球數(shù)值預(yù)報(bào)模式ECMWF和GRAPES。國內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，ECMWF對(duì)西風(fēng)指數(shù)的變化趨勢(shì) 對(duì)中國南（北）方溫度的升降波動(dòng)、對(duì)沙塵天氣過程的預(yù)報(bào)能力穩(wěn)定優(yōu)于日本模式[2-3]。眾多科研業(yè)務(wù)工作者也用ECMWF數(shù)值模式對(duì)降水、氣溫、風(fēng)等要素的檢驗(yàn)評(píng)估做過研究[4-6]，但利用高分辨率模式ECMWF-HR對(duì)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)誤差檢驗(yàn)工作開展得較少。GRAPES模式對(duì)臺(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對(duì)流等天氣過程檢驗(yàn)表明，其對(duì)天氣系統(tǒng)、氣象要素方面有較好的模擬預(yù)報(bào)能力[7-8]。

大尺度條件是強(qiáng)降水發(fā)生與發(fā)展的重要基礎(chǔ)，對(duì)大尺度環(huán)境條件進(jìn)行預(yù)報(bào)檢驗(yàn)是各類數(shù)值預(yù)報(bào)模式檢驗(yàn)的基本要求。

近年來，針對(duì)能有效區(qū)分強(qiáng)天氣類型對(duì)流參數(shù)的研究較少，還未提出對(duì)于西寧強(qiáng)降水天氣物理量參數(shù)的檢驗(yàn)結(jié)果。鑒于此，檢驗(yàn)強(qiáng)降水發(fā)生的環(huán)境條件，即環(huán)流背景場(chǎng)，然后選取代表性和影響大的物理量參數(shù)進(jìn)行大氣狀態(tài)指數(shù)檢驗(yàn)，以期得到不同數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)西寧強(qiáng)降水預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度和適用性檢驗(yàn)結(jié)果，旨在為加強(qiáng)強(qiáng)降水天氣預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

選取2020—2021年西寧（包括市區(qū)、大通、湟源和湟中所有國家站和區(qū)域站）強(qiáng)降水過程共7例。采用全球數(shù)值預(yù)報(bào)模式ECMWF-HR（ECMWF）及GFS資料、MICAPS探空及地面觀測(cè)數(shù)據(jù)。ECMWF和GFS模式空間分辨率均為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為3 h。為了方便業(yè)務(wù)化操作和使用，2種模式資料均采用強(qiáng)降水出現(xiàn)前1 d 08:00起報(bào)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)況資料選取與模式數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)時(shí)刻的數(shù)據(jù)。

1.2 檢驗(yàn)內(nèi)容

基于確定的強(qiáng)降水過程，選擇全球預(yù)報(bào)模式ECMWF和GFS與強(qiáng)降水過程當(dāng)日08:00高空和地面實(shí)況資料，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的背景場(chǎng)進(jìn)行評(píng)估檢驗(yàn)。檢驗(yàn)項(xiàng)目包括動(dòng)力條件（位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)）、水汽條件（濕度場(chǎng)）及熱力條件（溫度場(chǎng)）。

選取大氣狀態(tài)參數(shù)中的大氣穩(wěn)定度指數(shù)、大氣能量指數(shù)、特殊高度層相關(guān)量，利用探空資料與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間訂正后計(jì)算。

1.3 AI指數(shù)

為了確定環(huán)流背景場(chǎng)檢驗(yàn)的量化標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用AlphaIndex（AI）指數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)分析。AI指數(shù)接近0，表示隨機(jī)誤差小，即預(yù)報(bào)值和觀測(cè)值之間一致性較好；指數(shù)接近1，表示隨機(jī)誤差大，即預(yù)報(bào)和觀測(cè)之間一致性較差；指數(shù)接近2，說明隨機(jī)誤差小，即預(yù)報(bào)值和觀測(cè)值之間趨于負(fù)相關(guān)。針對(duì)具有相對(duì)可靠的物理過程的模式，AI應(yīng)基本＜1[9]。AI計(jì)算公式見式(1)：

1.4 平均偏差和平均絕對(duì)偏差

針對(duì)強(qiáng)降水過程中物理量、降水量等不均勻分布式量，將模式格點(diǎn)資料插值到站點(diǎn)后進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢驗(yàn)，主要采用平均偏差和絕對(duì)偏差（MD和MAD，式2和式3）[10]。

式(2)、(3)中：Fi為模式預(yù)報(bào)資料，Oi為實(shí)際觀測(cè)資料。

2 背景場(chǎng)檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)ECMWF與GFS模式對(duì)西寧強(qiáng)降水環(huán)流背景場(chǎng)預(yù)報(bào)能力，根據(jù)產(chǎn)生強(qiáng)降水的天氣系統(tǒng)影響區(qū)域范圍，將東亞地區(qū)劃分3個(gè)區(qū)域，Ⅰ區(qū)為北方系統(tǒng)位置范圍（70～120°E，40～60°N），Ⅱ區(qū)為青藏高原系統(tǒng)影響區(qū)域（70～95°E，10～40°E），Ⅲ區(qū)為西太平洋副熱帶高壓影響區(qū)域（95～120°E，10～40°N），檢驗(yàn)強(qiáng)降水過程背景場(chǎng)AI指數(shù)見表1。

表1 強(qiáng)降水過程背景場(chǎng)AI指數(shù)

由表1可知，針對(duì)500 hPa高度場(chǎng)，ECMWF模式與GFS模式的AI指數(shù)相近，即兩者的預(yù)報(bào)能力相當(dāng)，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的AI指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Ⅱ區(qū)，即模式在Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)對(duì)500 hPa高度場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Ⅱ區(qū)。200 hPa高度場(chǎng)ECMWF模式與GFS模式的AI指數(shù)相近，即兩者的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相當(dāng)，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的AI指數(shù)略小于Ⅱ區(qū)，即模式對(duì)200 hPa高度場(chǎng)在這2個(gè)區(qū)的預(yù)報(bào)能力略優(yōu)于Ⅱ區(qū)。

在500 hPa風(fēng)速場(chǎng)上，ECMWF模式的AI指數(shù)GFS模式相近，即兩者的預(yù)報(bào)能力相當(dāng)，但Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的AI指數(shù)遠(yuǎn)小于Ⅱ區(qū)，即模式對(duì)500 hPa風(fēng)速場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力在Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)遠(yuǎn)優(yōu)于Ⅱ區(qū)。200 hPa風(fēng)速場(chǎng)ECMWF模式AI指數(shù)略大于GFS模式，即GFS模式對(duì)200 hPa風(fēng)速場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力略優(yōu)于ECMWF模式；不同區(qū)域AI指數(shù)表現(xiàn)為Ⅲ區(qū)＜Ⅱ區(qū)＜Ⅰ區(qū)，即模式對(duì)200 hPa風(fēng)速場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力是Ⅲ區(qū)優(yōu)于Ⅱ更優(yōu)于Ⅰ區(qū)，但2種模式200 hPa風(fēng)速場(chǎng)AI指數(shù)均出現(xiàn)了＞1的可用性界限，表明模式對(duì)200 hPa風(fēng)速的預(yù)報(bào)能力整體偏弱。

在500 hPa濕度場(chǎng)上，ECMWF模式AI指數(shù)略小于GFS模式，即ECMWF模式對(duì)500 hPa濕度場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力略優(yōu)于GFS模式；在不同的區(qū)域，AI指數(shù)Ⅱ區(qū)＜Ⅰ區(qū)＜Ⅲ區(qū)，即模式對(duì)500 hPa濕度場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力Ⅱ區(qū)最優(yōu)，而Ⅲ區(qū)最差。700 hPa濕度場(chǎng)與500 hPa濕度場(chǎng)類似，ECMWF模式AI指數(shù)略小于GFS模式，即ECMWF模式對(duì)700 hPa濕度場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力略優(yōu)于GFS模式；在不同的區(qū)域，AI指數(shù)Ⅱ區(qū)＜Ⅲ區(qū)＜Ⅰ區(qū)，即模式對(duì)700 hPa濕度場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力是Ⅱ區(qū)最優(yōu)，Ⅰ區(qū)最差。

在500 hPa溫度場(chǎng)上，ECMWF模式與GFS模式的AI指數(shù)相近，即兩者的預(yù)報(bào)能力相當(dāng)；Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的AI指數(shù)略小于Ⅱ區(qū)，即模式Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)對(duì)500 hPa溫度場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力略優(yōu)于Ⅱ區(qū)。700 hPa溫度場(chǎng)與500 hPa溫度場(chǎng)類似，ECMWF模式與GFS模式的AI指數(shù)相近，即兩者的預(yù)報(bào)能力相當(dāng)；Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的AI指數(shù)遠(yuǎn)小于Ⅱ區(qū)，即模式在Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)對(duì)700 hPa溫度場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力明顯優(yōu)于Ⅱ區(qū)。

從不同模式來看，ECMWF模式對(duì)強(qiáng)降水背景場(chǎng)的預(yù)報(bào)效果較GFS模式略好；從不同類型背景場(chǎng)來看，高度場(chǎng)預(yù)報(bào)效果最好，其次是溫度場(chǎng)，預(yù)報(bào)效果最差的是風(fēng)速場(chǎng)，尤其是200 hPa風(fēng)速場(chǎng)的2種模式AI指數(shù)均超過了1的可用性界限；從不同區(qū)域來看，除了濕度場(chǎng)，Ⅰ區(qū)即北方系統(tǒng)所在區(qū)域預(yù)報(bào)效果最好，Ⅱ區(qū)即青藏高原區(qū)域預(yù)報(bào)效果最差，說明高原天氣系統(tǒng)的復(fù)雜性和預(yù)報(bào)難度性；從不同高度系統(tǒng)來看，500 hPa高度場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)的系統(tǒng)預(yù)報(bào)能力明顯優(yōu)于200 hPa系統(tǒng)，500 hPa溫度場(chǎng)較700 hPa略好，但500 hPa濕度場(chǎng)又比700 hPa明顯較差，總體上除了濕度場(chǎng)，強(qiáng)降水過程500 hPa系統(tǒng)的預(yù)報(bào)能力最好?？傊?，ECMWF模式預(yù)報(bào)能力較優(yōu)，2種模式對(duì)500 hPa和北方系統(tǒng)所在區(qū)域預(yù)報(bào)效果最好。

3 大氣狀態(tài)指數(shù)檢驗(yàn)

選擇與強(qiáng)降水相關(guān)性最大和指示性最好的大氣狀態(tài)指數(shù)：大氣穩(wěn)定度指數(shù)中的沙氏指數(shù)（SI）、對(duì)流穩(wěn)定性指數(shù)（IC）、抬升指數(shù)（LI），大氣能量指數(shù)中的對(duì)流有效位能（CAPE）、下沉有效位能（DCAPE）以及風(fēng)暴強(qiáng)度指數(shù)（SSI）、整層比濕積分（IQ）和抬升凝結(jié)高度（TCL）。由于強(qiáng)降水均出現(xiàn)在14:00之后，采用西寧單點(diǎn)14:00的實(shí)況和預(yù)報(bào)進(jìn)行計(jì)算，ECMWF、GFS模式與實(shí)況的個(gè)例偏差和平均絕對(duì)偏差見圖1。

圖1 強(qiáng)降水過程大氣狀態(tài)指數(shù)個(gè)例偏差和平均絕對(duì)偏差

針對(duì)大氣層結(jié)穩(wěn)定度SI、IC和LI指數(shù)，ECMWF模式預(yù)報(bào)偏差偏大過程數(shù)明顯多于偏小過程數(shù)，且偏大的數(shù)值較為明顯；GFS模式則相反，預(yù)報(bào)偏小的過程數(shù)多于偏大的過程數(shù)，且偏大和偏小的數(shù)值較ECMWF模式小。這表明ECMWF模式多將正數(shù)SI、IC和LI指數(shù)預(yù)報(bào)偏大、負(fù)數(shù)預(yù)報(bào)偏小，增大了SI指數(shù)的值，即將強(qiáng)降水過程的層結(jié)穩(wěn)定度增大；GFS模式則預(yù)報(bào)強(qiáng)降水過程的層結(jié)穩(wěn)定度更接近實(shí)況。

針對(duì)大氣能量指數(shù)，ECMWF模式預(yù)報(bào)CAPE略偏小過程數(shù)較多，但總體上數(shù)值較接近實(shí)況，GFS模式預(yù)報(bào)多以偏小為主；ECMWF模式預(yù)報(bào)DCAPE略偏小過程數(shù)較多，數(shù)值也接近實(shí)況，GFS模式預(yù)報(bào)以偏大為主。這表明ECMWF模式對(duì)CAPE和DCAPE預(yù)報(bào)略偏小或接近實(shí)況，即將強(qiáng)降水過程對(duì)流有效位能和下沉有效位能趨向于略偏弱或接近實(shí)況；GFS模式對(duì)CAPE預(yù)報(bào)偏小而對(duì)DCAPE預(yù)報(bào)偏大，即將強(qiáng)降水過程對(duì)流有效位能趨向于偏弱而下沉有效位能趨向于增大。

針對(duì)風(fēng)暴強(qiáng)度指數(shù)（SSI），ECMWF和GFS模式均預(yù)報(bào)偏小過程數(shù)占絕大多數(shù)，即模式將強(qiáng)降水過程風(fēng)暴強(qiáng)度趨向于減小。針對(duì)整層比濕積分（IQ），ECMWF和GFS模式均預(yù)報(bào)所有過程均偏大，即將強(qiáng)降水過程整層比濕趨向于增大。針對(duì)抬升凝結(jié)高度（TCL），ECMWF模式預(yù)報(bào)所有過程偏大，且數(shù)值偏離實(shí)況較大，GFS模式預(yù)報(bào)以偏小為絕大多數(shù)，但數(shù)值偏離實(shí)況較小；表明ECMWF模式預(yù)報(bào)將強(qiáng)降水過程抬升凝結(jié)高度趨向于偏高，而GFS模式預(yù)報(bào)將強(qiáng)降水過程抬升凝結(jié)高度趨向于偏低。

除了SSI指數(shù)外，ECMWF模式均將強(qiáng)降水過程的大氣狀態(tài)指數(shù)趨向于略偏大；除DCAPE和IQ外，GFS模式均將強(qiáng)降水過程的大氣狀態(tài)指數(shù)趨向于偏小。整體上GFS模式與實(shí)況的偏差值更小，預(yù)報(bào)效果更好。

4 降水量偏差檢驗(yàn)

針對(duì)強(qiáng)降水過程的降水量預(yù)報(bào)既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。將ECMWF和GFS模式預(yù)報(bào)降水量插值到區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)后，計(jì)算平均絕對(duì)偏差進(jìn)行檢驗(yàn)，空間分布見圖2。

圖2 模式預(yù)報(bào)降水量的平均絕對(duì)偏差空間分布

ECMWF模式預(yù)報(bào)降水量平均絕對(duì)偏差較大的區(qū)域有3個(gè)：大通北部、湟源南部、湟中—市區(qū)中部，表明在這3個(gè)區(qū)域ECMWF模式對(duì)降水量預(yù)報(bào)效果較差；平均絕對(duì)偏差較小的區(qū)域也有3個(gè)，分別在大通中部、湟源北部、湟中南部，表明在這3個(gè)區(qū)域ECMWF模式對(duì)降水量預(yù)報(bào)效果較好。

GFS模式預(yù)報(bào)降水量平均絕對(duì)偏差在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均較大，表明GFS模式對(duì)降水量預(yù)報(bào)的效果整體較差，其中，最明顯的平均絕對(duì)偏差大值區(qū)分別在湟中中部、大通北部和湟源南部；但其中也有平均絕對(duì)偏差較小的區(qū)域，分別在大通中部—湟中北部、湟源中部及湟中南部，表明在這3個(gè)區(qū)域GFS模式對(duì)降水量預(yù)報(bào)效果略好。

2種模式預(yù)報(bào)降水量平均絕對(duì)偏差均較大的區(qū)域有3個(gè)：大通北部、湟中中部及湟源南部，即模式在這3個(gè)地區(qū)的預(yù)報(bào)能力較弱；預(yù)報(bào)平均絕對(duì)偏差均偏小的區(qū)域有2個(gè)：大通中部—湟中北部—湟源北部（北部一線）、湟中南部，即模式在這2個(gè)地區(qū)的預(yù)報(bào)能力較強(qiáng)。就不同模式來看，ECMWF模式預(yù)報(bào)平均絕對(duì)偏差較小，即ECMWF模式對(duì)降水量的預(yù)報(bào)效果更好。

5 結(jié)論與討論

針對(duì)2020—2021年西寧強(qiáng)降水過程，用ECMWF和GFS全球模式檢驗(yàn)其發(fā)生的環(huán)境背景場(chǎng)，以大氣狀態(tài)指數(shù)檢驗(yàn)強(qiáng)降水物理量參數(shù)，并進(jìn)行了降水量檢驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

（1）ECMWF和GFS模式對(duì)500 hPa、北方天氣系統(tǒng)所在區(qū)域預(yù)報(bào)效果最好。2種模式對(duì)500 hPa風(fēng)向風(fēng)速預(yù)報(bào)均有指示意義，ECMWF模式效果更好，對(duì)200 hPa風(fēng)向預(yù)報(bào)效果很好，風(fēng)速預(yù)報(bào)趨向于偏弱。無論是ECMWF還是GFS模式，均對(duì)700 hPa濕度場(chǎng)預(yù)報(bào)能力較好。針對(duì)500 hPa溫度場(chǎng)預(yù)報(bào)，2種模式均效果很好，針對(duì)700 hPa溫度場(chǎng)2種模式均預(yù)報(bào)強(qiáng)度偏弱、范圍偏小，即趨向于系統(tǒng)偏弱。整體上ECMWF模式優(yōu)于GFS模式。

（2）ECMWF模式整體上將強(qiáng)降水過程的大氣狀態(tài)指數(shù)預(yù)報(bào)趨向于略偏大，GFS模式則預(yù)報(bào)趨向于偏小；GFS模式與實(shí)況的偏差值更小，預(yù)報(bào)效果更好。

（3）模式預(yù)報(bào)降水量平均絕對(duì)偏差較大的區(qū)域有3個(gè)，分別在湟中中部、大通北部、湟源南部；預(yù)報(bào)平均絕對(duì)偏差偏小的區(qū)域有2個(gè)，位于北部一線、湟中南部。ECMWF模式對(duì)降水量的預(yù)報(bào)效果更好。