ECMWF-thin和GERMAN數值預報模式在珠峰自然保護區降水預報中的檢驗及誤差分析

摘 要：利用2019年10月1日—2020年9月30日珠峰自然保護地區的地面實況資料，對ECMWF-thin和GERMAN數值預報模式降水產品進行了檢驗分析。結果表明：GERMAN數值預報模式降水產品對珠峰自然保護區降水具有較好的預報能力，其準確率、漏報率、空報率和TS評分均高于EMCMWF模式。從降水分級檢驗來看，GERMAN數值預報模式對大暴雨、小雨，以及小雪、大雪和特大暴雪等量級有較好的預報能力，在TS評分值和預報時效的對應上無明顯變化規律可循；ECMWF-thin模式雖然整體TS評分比GERMAN數值預報模式低，但對暴雪和大暴雪兩個量級的預報較GERMAN數值預報模式更有優勢。

關鍵詞：模式降水產品；珠峰自然保護區；降水預報；誤差分析

中圖分類號：P456.7 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

隨著全球氣候逐漸變暖，各類極端災害性天氣氣候事件發生概率逐漸增加。當前，針對高原等復雜地形區域數值模式預報產品檢驗工作方面的研究較少，導致對數值預報產品解釋應用水平不高，各種數值預報模式對高海拔地區的降水預報能力不如低海拔地

區[1-2]。因此，對模式預報產品進行評估、檢驗，不僅為預報員深入了解各模式產品在珠峰自然保護區地區的預報性能提供依據，還能緊扣預報業務需求，有效提高珠峰自然保護區中短期天氣預報質量提供參考。

1 數據資料與方法

1.1 資料

選擇ECMWF-thin和GER MAN數值預報模式2019

年10月1日—2020年9月30日降水預報產品，起報時

間為北京時間20：00，模式的分辨率分別為0.125°×

0.125°、0.25°×0.25°。實況選擇西藏自治區氣象局信息網絡中心提供的質量控制后日喀則市珠峰自然保護區域39個地面自動站20：00至20：00逐日降水資料。由于數值預報模式降水資料是格點數據，而觀測資料是站點資料，兩者無法直接進行對比檢驗，因此采用雙線性插值方法，將格點資料插值到區域氣象觀測站所在的空間經緯網格上，保證了模式和觀測降水在空間的一致性。

1.2 評估檢驗方法

檢驗方法主要依據中國氣象局發布的《中短期天氣預報質量檢驗辦法》（氣發〔2005〕109號）中的降水預報檢驗方法，對降水進行分級檢驗。計算公式為：

TS評分：TSk=（1）

空報率：FARk=（2）

漏報率：POk=（3）

式（1）～式（3）中，NAk為預報正確站（次）數、NBk為空報站（次）數、NCk為漏報站（次）數。TS評分反映的是有降水發生時預報相應量級降水的準確率，其值在0～1，TS＝1為最佳預報，TS值越小則說明預報效果越差。漏報率（PO）和空報率（FAR）反映降水預報的漏報和空報情況，其值也介于0～1，但不同于TS評分，該值越小說明預報效果越好，反之則預報效果越差。將TS評分、漏報率和空報率相結合，能綜合評估分析定量降水預報效果。

誤差分析采用平均誤差（ME）、平均絕對誤差（MAE）、

均方根誤差（RMSE）。

ME=∑（Fi-Oi）（4）

MAE=∑|Fi-Oi|（5）

RMSE=（6）

式（4）～式（6）中，Fi為第i站（次）預報值，Oi為第i站（次）實況值。

2 結果與分析

2.1 晴雨預報檢驗

從ECMWF-thin和GERMAN模式降水產品在珠峰自然保護區的晴雨預報檢驗結果（表1）可以看出，GERMAN模式較ECMWF-thin模式顯示出更好的預報能力，晴雨準確率達到66.9%，而ECMWF-thin模式的晴雨準確率僅為40.5%。兩種數值預報模式的漏報率均較低，尤其是ECMWF-thin數值預報模式，漏報率為2.0%，GERMAN數值預報模式的漏報率為15.4%，說明兩種模式一般不會漏報珠峰自然保護區一帶的降水天氣，尤其是災害性天氣。

從不同預報時效晴雨預報漏報率來看，ECMWF-thin模式的預報對未來168 h的晴雨漏報率在6%以下，尤其是72 h內的預報，漏報率為0。GERMAN模式在未來36 h的漏報率在10%以下，隨著預報時效的增強，漏報率有所提高。兩種數值預報模式的空報率均較高，尤其是ECMWF-thin模式的空報率達到81%，GERMAN模式的空報率為72%。預報員在業務應用時應配合天氣系統分析，以提高小量級降水的預報性能[3-5]。從兩家數值預報模式降水產品的TS評分來看，GERMAN模式的TS評分為0.266，而ECMWF-thin模式的TS評分僅為0.190。整體而言，對珠峰自然保護區的降水預報，GERMAN模式的預報能力優于ECMWF-thin模式。從不同預報時效晴雨TS評分來看，兩家模式對48 h內的預報TS評分最高，尤其是GERMAN模式評分達到0.317。

表1" ECMWF-thin和GERMAN數值預報模式降水產品在珠峰自然保護區晴雨預報檢驗

數值預報模式 準確率 漏報率 空報率 TS評分

ECMWF-thin 0.405 0.020 0.810 0.190

GERMAN 0.669 0.154 0.720 0.266

2.2 降水分級檢驗

對冬季珠峰自然保護區域不同降水量級的降水分時效進行檢驗對比（圖1）可知，GERMAN模式TS評分明顯高于ECMWF-thin模式，尤其是對小雪、大雪及特大暴雪3個量級有較好的預報能力，在TS評分值和預報時效對應上，無明顯變化規律可循。ECMWF-thin模式雖然整體TS評分比GERMAN模式低，但是對暴雪和大暴雪兩個量級的預報較GERMAN模式更有優勢。因此，應在今后的預報中，冬季的災害性天氣過程中，在主要參考GERMAN模式的基礎上，將兩種模式相結合進行分析。

圖1" ECMWF-thin和GERMAN數值預報模式冬季不同降水量級TS評分

對夏季珠峰自然保護區域不同降水量級的降水分時間檢驗結果（圖2）來看，降水量大于50 mm的暴雨量級的TS評分為0.5，其次為小雨量級，對中雨和大雨量級TS評分略低，尤其是大雨量級24 h后預報能力較差。

圖2" ECMWF-thin和GERMAN數值預報模式夏季不同降水量級TS評分

2.3 誤差分析

在降水評估分析中，模式降水產品與觀測值的平均誤差ME和平均絕對誤差MAE能較好地反映模式的系統誤差，而均方根誤差RMSE對大的誤差比較敏感，這3種評估方法能直觀地反映降水預報的偏差情況。

從ECMWF-thin和GERMAN模式降水產品在珠峰自然保護區預報誤差情況（表2）來看，GERMAN模式平均誤差為0.05，與實況偏差較小，而ECMWF-thin模式的平均誤差為1.06，較實況偏大。GERMAN數值預報模式的平均絕對誤差為0.667，明顯小于ECMWF-thin數值預報模式的1.390。從不同預報時效的平均誤差來看，GERMAN數值預報模式未來

48 h的平均絕對誤差最小，為0.460，而ECMWF-thin數值預報模式的平均絕對誤差均在1.231以上，其中未來24 h的平均絕對誤差最大達到1.559，因此短期預報GERMAN數值預報模式更為穩定。GERMAN模式的均方根誤差為3.078，ECMWF-thin模式的均方根誤差為4.304，GERMAN模式偏差小于ECMWF-thin

模式。

表2" ECMWF-thin和GERMAN數值預報模式降水產品在珠峰自然保護區的預報誤差

數值預報模式 平均誤差（ME） 平均絕對誤差（MAE） 均方根誤差（RMEE）

ECMWF-thin 1.057 1.390 4.304

GERMAN 0.055 0.667 3.078

根據逐日誤差分析也可得出，GERMA模式的平均誤差低于ECMWF-thin模式，關于明顯的天氣過程，即2020年1月16—18日，日喀則市南部邊緣（吉隆、聶拉木、定日和定結的部分鄉鎮）出現了暴雪，西部和北部部分鄉鎮出現了大雪，其中聶拉木過程降雪量為100.7 mm，積雪深度達83 cm，而吉隆縣、定日縣和定結縣部分鄉鎮積雪深度達40～60 cm，ECMWF-thin模式偏大率明顯高于GERMAN模式，因此針對暴雪等災害性天氣，GERMAN模式降水預報明顯優于ECMWF-thin模式。

3 結論

（1）通過檢驗2019年10月1日—2020年9月30日珠峰自然保護區模式降水預報表明，GERMAN模式晴雨準確率能達66.9%，高于ECMWF-thin模式。兩種模式晴雨漏報率均較低，尤其是ECMWF-thin模式漏報率僅為2.0%。在晴雨空報率方面，GERMAN模式和ECMWF-thin模式均較高，其中ECMWF-thin的空報率達到81.0%，GERMAN模式的空報率為72.0%，因此預報員在日常業務中應配合天氣系統分析，以提升小量級降水的預報性能。GERMAN模式的TS評分為0.266，而ECMWF-thin數值預報模式的TS評分僅為0.190。隨著預報時效的增加，模式的TS評分呈減少趨勢，兩種模式對48 h內的預報TS評分最高。

（2）從降水分級檢驗情況來看，針對不同量級的降水，GERMAN模式TS評分明顯高于ECMWF-thin模式，尤其是對大暴雨、小雨，以及小雪、大雪和特大暴雪等量級具有較好的預報能力，在TS評分值和預報時效對應上，無明顯變化規律可循。ECMWF-thin模式雖然整體TS評分比GERMAN模式低，但是對暴雪和大暴雪兩個量級的預報較GERMAN數值預報模式有優勢。

（3）從模式降水偏差情況來看，GERMAN模式預報與實況之間的偏差小，平均誤差、平均絕對誤差、均方根誤差均低于ECMWF-thin模式。

綜合而言，對珠峰自然保護區的降水預報，GER- MAN模式的檢驗結果優于ECMWF-thin模式。由于高原地區強降水氣候概率較低，其預報評分遠低于我國中東部地區，模式對強降水的把握能力明顯不足，而晴雨預報空報率高、準確率低的情況則說明模式地面降水產品對小量級降水預報的范圍明顯偏大，在業務應用中可以通過統計建模或配合天氣系統來消除部分空報現象，提高模式產品對小量級降水的預報能力。

參考文獻

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收稿日期：2024-07-19

作者簡介：格桑卓瑪（1984—），女，西藏拉薩人，高級工程師，研究方向為高原天氣氣候預測與農業氣象服務。