ECMWF高分辨率数值模式对广安地区暴雨预报性能检验分析

王 平

(四川省广安市气象局，四川 广安 638500)

1 引言

暴雨是一种多发性的灾害性天气，常引发城市内涝、山洪、泥石流等次生灾害，造成人民生命财产的巨大损失。数值预报产品的检验是天气预报科研和业务中的重要环节，利用科学有效的方法，结合预报业务规范要求，对数值预报产品进行检验分析，为预报员科学使用数值预报产品提供重要参考依据，从而对灾害性天气做出准确预报和决策服务提供有力支撑[1-3]。

ECMWF发展迅速，是一线天气预报员的主要参考工具。国内外专家对ECMWF降水预报研究分析做了大量工作[4-5]。龙柯吉[6]等利用EC集合预报极端降水指数的阈值，研究了四川盆地夏季暴雨落区的预报，通过合适的阈值选取，提高了暴雨落区的预报技巧；翟振芳[7]等对安徽地区ECMWF数值模式降水的预报性能进行检验，结果表明ECMWF模式仅对72h时效内暴雨有较小的预报技巧。

2015年1月14日起ECMWF产品数据升级，时间分辨率和空间分辨率进一步精细化。目前，对升级后的ECMWF暴雨预报性能检验的研究较少。本文通过对升级后的ECMWF降水资料在广安地区暴雨天气中的预报性能进行检验，分析预报性能和订正方法，以期提高暴雨预报质量，为以后的预报服务提供有效的参考。

2 资料与方法

2.1 资料

本文使用资料分为2类：第1类为实况资料，包括：2015—2017年广安地区4个国家观测站和160个区域自动站24 h累计降水(08—08时或20—20时)。第2类为数值预报资料，包括：ECMWF地面降水产品；预报时效3～72 h，时间分辨率3 h；预报时效72～240 h，时间分辨率6 h；空间分辨率0.125°×0.125°。

2.2 检验方法

格点资料与站点资料匹配采用插值原则，即分别对4个国家观测站点周围4个格点的格点数据插值到站点，每个站点的格点预报值的权重系数为该格点距站点距离的倒数。

由于自动站资料不断在业务中得到运用，只使用国家观测站对暴雨天气预报进行考核已不再适用，所以四川省气象部门重新修订了暴雨天气预报质量评定办法，本办法将区域自动气象站纳入考核，对区域暴雨进行评定。暴雨检验和评定按照《四川省短期暴雨天气预报质量评定办法(试行)》。具体如下：单个考核站点按照表1进行评分，暴雨预报评分为Q。县(市)区域评分计算方法：

(1)

(2)

按照各自区域内的县(市)区域进行评分，T1、T2、T3…TNA为短期暴雨天气预报中县(市)、区域的预报质量评分，NA为短期暴雨天气预报中县(市)个数，NC为漏报县(市)个数。广安地区4个考核县(市)，查漏以2个县(市)计算。

表1 暴雨预报质量评分表(适用于四川盆地各市及凉山州、攀枝花市)Tab.1 The quality score of rainstorm case forecast (suitable for cities in Sichuan Basin, Liangshan Prefecture, and Panzhihua)

为进一步提高检验结果的业务适用性，增加中期质量评定，评定方法参照短期评定办法。同时，暴雨发生的时间、强度和落区等是预报的重点，检验时，由于评定办法的规定，不能全面反应暴雨天气过程的实际情况。为弥补这方面的不足，结合一线预报业务的实际，在具体检验时，加入时间、强度和落区等方面的分析，从而进一步丰富预报性能的检验内容。

3 预报性能检验

3.1 客观评定检验

表2汇总了2015—2017年的14次暴雨天气个例的ECMWC中、短期预报及质量评定结果。其中，实况平均雨量为4个国家观测站和160个区域自动站共计164个站点雨量的算术平均，预报平均雨量为4个预报插值站点雨量的算术平均。预报时均以ECMWF预报结果进行预报，即雨量R<50 mm，不预报暴雨；R≥50 mm，按不同量级预报暴雨、大暴雨或特大暴雨(下同)。

表2 2015—2017年广安地区14次暴雨预报质量评定表Tab.2 The quality scores of 14 rainstorm cases forecast for Guang'an city during the period 2015—2017

评定结果表明：以ECMWF结果进行预报，中、短期预报评分分别为47.8和45.8；漏报方面，当预报暴雨R≥50 mm时，无漏报；未预报暴雨R<50 mm时，中、短期预报均出现7次漏报，分别占比50%。如2016年7月18—19日的暴雨；中、短期预报较实况量级偏小。空报：当预报雨量R≥50 mm时，无空报。

3.2 订正条件分析

通过客观评定检验可知，直接以ECMWF结果进行预报，预报评分较低，漏报率高；ECMWF未预报暴雨，即预报中、大雨时，亦可能出现暴雨天气。如2016年7月18—19日的暴雨，中、短期均预报中雨量级，预报暴雨，则评分为72.9；如未预报暴雨，则漏报。因此，需进一步分析降水的预报和评定之间的对应关系，进行订正预报。

2015—2017年ECMWF预报了34次中雨(R≥10 mm)及以上量级降水天气，对应广安地区4个预报插值站点，即共计136站/次降水个例。图1对预报降水进行分段评分检验，由图可见，随着降水量级的增大，中、短期预报评分均呈增长趋势；当R≥25 mm时，中、短期评分均达到60以上；当预报暴雨，即R≥50 mm时，中、短期评分分别为89.8和85.7。

以上分析可知，当预报降水R≥25 mm时，预报评分较高，且评分随降水量级的增大而增长。由于以预报降水R≥25 mm时进行暴雨预报，可能存在空报或漏报现象，因此，需要对预报降水R≥25 mm时的个例进行进一步分析。表3统计分析了2015—2017年广安地区ECMWF中、短期预报降水R≥25 mm的降水个例预报质量评定情况，结果表明：当ECMWF中、短期均预报R≥50 mm时，或中期预报R≥25 mm、短期预报R≥50 mm时，评分高，无空、漏报，命中率100%；当中期预报R≥50 mm、短期预报R≥25 mm时，或中、短期均预报R≥35 mm时，评分高，空、漏报率低，命中率较高。因此，可将以上4种条件作为ECMWF暴雨预报的订正指标。

图1 2015—2017年136站/次预报降水分段评分检验图Fig.1 The distribution of segmentation score for precipitation forecast of 136 stations /times during the period 2015—2017

中、短期预报量级/mm预报/次预报暴雨平均评分暴雨空报次数/次暴雨空报率/%暴雨漏报次数/次暴雨漏报率/%暴雨命中率/%中、短期均R≥50494.60000100中期R≥50、短期R≥25990.7222.20077.8短期R≥50、中期R≥25794.90000100中、短期均R≥252582.11248.017.152.0中、短期均R≥302084.9840.0214.360.0中、短期均R≥351491.7214.3214.385.7

3.3 订正后评定检验

利用上述4种订正方法，对14次暴雨进行订正评定检验。表4汇总了订正后的预报质量评定结果。可以看出，ECMWF中、短期预报评分分别为81.4和79.7，较未订正时分别提升32.2和33.9；漏报率从50%降至14.3%，无空报，订正效果明显。

表4 2015—2017年广安地区14次暴雨订正后预报质量评定表Tab.4 The corrected evaluation of forecast quality for 14 rainstorm cases in Guang'an city during period 2015—2017

3.4 时间和落区检验

为进一步检验暴雨预报效果，结合实际预报工作，暴雨起始和结束时间以08时或20时为界，在12 h以内，判断为一致；落区为广安地区4个国家观测站所在县(市)。表5汇总了14次暴雨个例的基本特征、起始、结束时间、强降水时段和落区的检验，结果表明：ECMWF在暴雨的持续时间、强降水时段和落区预报中均有良好的预报指导意义。

表5 2015—2017年广安地区14次暴雨时间和落区的短期预报统计表Tab.5 Short-term forecast of the start and end times, and falling area for the 14 rainstorm cases in Guang'an city during period 2015—2017

3.5 面雨量强度检验

暴雨的面雨量强度是预报和气象决策服务的重点之一，面雨量能较好的反应暴雨强度的大小。通过对比分析预报和实况面雨量数据，进一步补充ECMWF暴雨预报性能的参考性。图2汇总了14次暴雨个例的实况和预报面雨量的对比图，结果表明：中、短期暴雨预报面雨量与实况量级均在相邻量级或相同量级上。

图2 2015—2017年14次暴雨实况与预报雨量对比图Fig.2 Comparison between the real and forecast precipitation of 14 rainstorm cases during period 2015—2017

4 结论与讨论

综合检验分析结果，可以得到以下结论。

①客观评定方面，直接以ECMWF暴雨预报结果进行暴雨预报，易出现漏报，评分质量较低，中、短期预报评分分别仅为47.8和45.8。

②以ECMWF预报结果为基础，考虑以下订正条件：ECMWF中、短期均预报R≥50 mm；中期预报R≥25 mm、短期预报R≥50 mm；中期预报R≥50 mm、短期预报暴雨R≥25 mm；中、短期均预报R≥35 mm。

③订正评定方面，当ECMWF预报满足任意订正条件之一时，进行订正预报暴雨，中、短期预报评分分别可以提高为81.4和79.7，漏报率低为14.3，无空报，命中率提高为85.7，因此以上订正条件可有效提高预报质量。

④时间和落区方面，ECMWF在暴雨的持续时间、强降水时段和落区预报中均与实况较为吻合，具有良好的预报指导意义。

⑤面雨量强度方面，ECMWF预报暴雨面雨量与实况量级均在相邻量级或相同量级上。

⑥ECMWF降水预报结果，对暴雨发生的时间、强度、落区预报具有较好的指示意义，对ECMWF预报结果进行订正预报，可有效提高暴雨的评分和命中率，减少空、漏报。另外，由于暴雨存在空间分布不均匀性特征。ECMWC对预报暴雨极端降水的落区和强度仍存在不足，当ECMWF中、短期均预报大雨及以上时，预示着暴雨可能发生，预报员需根据其他方法和资料对暴雨极端降水进行补充预报。

⑦评定办法取考核站点数k为该区域内对应考核站点数量的1/4站，而预报插值站点偏少，以一个预报站点代表一个县(市)区域，导致覆盖面偏小，不能全面反映区域内整体降水情况。应进一步优化预报工具，增加预报插值点，以充分反映本区域内降水情况，提供更全面的预报参考。