黑龙江省一次强降水过程的数值模式预报及误差分析

张桂华，齐铎，赵广娜，白雪梅

（黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 引言

数值天气预报是现代天气预报的一种重要的手段技术和方法，近几十年来数值模式快速发展，预报水平也不断提高。对数值模式的预报能力进行科学评估对于不断改进模式的预报水平和提高预报员应用模式预报结果的能力有重要意义。

当前，我国业务上常用的数值模式的检验方法主要集中于基于站点的传统检验评分方法和基于预报员思路的主观天气学检验。客观检验评分方法简单实用，能够从预报的准确性、空报、漏报率等统计学角度提供模式预报效果的客观总体评价，在日常预报业务和模式性能评估中多采用此方法[1－3]。但客观评分检验缺乏天气学意义，仅通过评分不能全面了解预报中更为关注的雨带位置、范围和移速等方面的预报效果及偏差，对预报员了解模式在具体天气过程中的预报性能及对其进行相应的订正参考意义不大。在主观检验中，预报员通过对预报和观测进行主观对比来判别天气系统和雨带的预报偏差，在一定程度上能弥补客观评分在天气学意义上的不足。因此，日常业务中多借助数值模式的主观天气学检验来深入了解模式性能[4－10]

近些年，国际上预报检验专家提出了一些新的检验技术方法，如尺度分解检验法[11－13]、临近点检验方法[14]、面向对象检验方法[15]、面向目标的检验方法[16]等。近年来，国内的公颖等[17]、熊秋芬[18]、刘凑华等[19]学者陆续引入了国外发展相对成熟的空间预报检验技术并做了相应的本地化改进。本文就目前业务常用的 T639 （分辨率为 0.28125°×0.28125°）、GRAPES 全球模式（分辨率为 0.25°×0.25°）和 EC_thin（地面层分辨率为0.125°×0.125°；模式层分析场和预报场分辨率为 0.25°×0.25°）三类数值模式降水、500 hPa 高度、850 hPa温度、850 hPa纬向风和经向风进行评估。

2016年8月5日20时-7日08时黑龙江省出现了一次区域性的大到暴雨天气过程。8月5日的强降水主要出现在齐齐哈尔及绥化北部，属低涡前部的暖区降水；6日随高空槽进一步东移，副高南退，降水范围进一步扩大但强度有所减弱，大雨落区主要位于黑龙江省中部偏南；7日降水落区东移，强降水主要出现在低涡切变附近，以大雨以上量级为主，其中佳木斯东部有7站出现50 mm/12h以上的暴雨。本文将利用加密自动站降水观测资料和客观分析资料来评估T639、GRAPES全球模式及EC_thin对此次降水过程的预报效果，为在相似天气背景下对数值模式预报产品的经验订正提供参考依据。

2 资料和方法

2.1 资料

降水实况为黑龙江省加密自动站降水观测资料及T639、GRAPES全球模式和EC_thin模式预报产品。其中降水实况为黑龙江省内，模式预报产品资料范围降水为 43°N-55°N、121°E-136°E；500 hPa 高度、 温度分析资料范围为 30°N-70°N、90°E-140°E；纬向风、经向风分析资料范围为 30°N-60°N、110°E-140°E。

2.2 方法

从降水分布形态、范围及预报的快慢，降水中心强度和位置等方面逐12 h对比分析，并对12 h累积降水进行TS评分。从三个预报时效 （36 h、60 h、84 h）分析三种模式对于业务预报的指导作用。

对不同起报时次的三种模式500 hPa高度场、误差分布及均方根误差分布进行对比分析，并对副热带高压的面积指数、强度指数、脊线位置、副高北界进行对比分析。同样的方法对850 hPa温度、纬向风和经向风进行上述分析。

3 结果分析

3.1 降水预报检验分析

分析5日20时-7日08时逐12 h时段的降水预报及实况对比。8月5日20时-6日08时模式预报的降水走向与实况基本一致，均表现为东西带状分布。其中T639模式预报的强降水中心随预报时效临近逐渐向西移动，36 h预报的降水分布形态和中心位置与实况最接近，但中心强度较实况偏弱，对于齐齐哈尔、绥化北部的区域性暴雨存在严重的漏报，且降水落区范围较60 h偏大，在小雨量级上存在相对较大的空报。另外，除84 h预报，其他两个时次对哈尔滨东部的降水存在漏报。GRAPES全球模式的降水预报范围较实况偏大，中心位置与实况接近，但强度偏弱。因此，小雨空报比较明显，大雨以上量级降水存在严重漏报。EC_thin降水落区预报与实况最接近，但是根据降水中心位置及对于哈尔滨东部降水预报的位置上看，存在预报偏快的现象，将降水落区向西调整，可提高降水预报的准确率。模式预报的暴雨落区与实况相比偏东明显，预报的中雨范围也较实况明显偏大。综合三个模式的表现，EC_thin细网格的降水预报偏快，但若向西调整一下，降水落区预报及中心强度和位置预报准确率都很高，T639临近时段预报降水中心的位置和分布形态与实况相似度相对较高。

8月6日20时-7日08时，实况降水分为南北两个部分，南部为前期东移高空槽配合低涡影响产生的大范围降水，北部大兴安岭地区为北部冷槽东移产生的分散性降水，模式成功预报出了南北两个降水落区的降水分布情况。对于北部的降水GRAPES和EC_thin预报范围明显偏大，T639范围偏小，与实况更为接近，其中72 h时效预报的小雨与中雨范围与实况相比最接近，但是对于大兴安岭南部的分散性大雨预报失败。对于南部的降水，T639预报范围偏小，对于哈尔滨南部及牡丹江西部的降水存在明显的漏报，且强降水落区与实况相比偏小，中心偏北，对东南部的分散性暴雨存在严重的预报失败。GRAPES预报的降水落区范围与实况一致度最高，特别是72 h时效预报0.1 mm以上降水范围与实况降水分布基本一致，但强降水中心位置偏北，范围偏小，强度偏弱，对东南部的大雨以上量级降水几乎没有报出来。EC_thin预报在72、96 h时效上存在严重的预报偏快的现象，将降水落区向西部调整后能在一定程度上提高预报质量。

从TS评分结果上看（表1），T639随预报时效临近，预报准确率有所提升；GRAPES预报综合表现最好，特别是72 h时效预报，小雨和中雨预报准确率都相对较高，与天气学检验结果一致；EC_thin预报准确率相对稳定，随预报时效变化不大。

表1 2016年8月6日08-20时累积降水TS评分

8月6日20时－7日08时，降水仍旧分为南北两个部分，降水中心相对明显，北部降水中心位于大兴安岭中部偏东的位置，中心为大雨量级，南部大雨以上降水表现为东北西南的带状分布，暴雨集中在大雨雨带的最东北端。对比三个模式，均预报出南北两支降水系统。其中T639降水落区及雨带走向与实况最接近，并且随着预报时效的临近，与实况的一致度逐渐提高，但大雨落区雨带走向与实况相比与纬向的夹角偏小，通过逆时针旋转可提高预报准确率。GRAPES预报存在一定程度偏快的现象，随着预报时效的临近，偏快现象得到一定程度的调整，36 h时效大雨以上降水落区预报相比其他时次预报与实况最接近，但是对哈尔滨东部大雨存在漏报。EC_thin预报仍存在偏快的现象，随预报时效临近，偏快现象得到调整，但是仍然存在明显偏快的特点。

结合TS评分结果，T639预报效果最佳，且预报能力相对稳定。三个模式对东北部的暴雨都存在严重的漏报。

降水预报分析结果表明，模式在三个阶段表现不尽相同。总体而言，第一阶段，EC除移速较快外，落区预报与实况一致度最高，T639对降水结构的预报也具有一定参考意义；第二阶段，GRAPES对于降水落区预报与实况最接近，特别是72 h时效，预报效果最好，EC_thin预报较实况偏快现象更加明显；第三阶段，T639对于降水落区范围和结构预报效果最好，GRAPES和EC_thin都存在预报偏快的现象。另外，除第一阶段EC_thin对暴雨预报有一定指示意义外，三个模式对暴雨量级的降水都存在严重的漏报，降水中心强度预报与实况相比存在明显偏小的现象。上述评估可知：对于东北地区的暴雨预报，模式的预报能力仍十分有限。

3.2 预报误差分析

3.2.1 高度场误差分析

图1 2016年8月5日20时-6日20时T639、GRAPES_gfs 500hPa高度场均方根误差（单位：gpm）分解 0-96 小时预报对比（a）5 日 20时；（b）6 日 08时；（c）6日 20 时

从500 hPa高度场的偏差及误差分布上看，05日20时，T639高度场预报的偏差随预报时效临近不断减小，84 h北部槽偏强，南部槽前有正偏差，脊前有负偏差槽脊移动落后于初始场，副高中心强度偏强。60 h北部槽仍偏强，南部槽、脊偏弱，但偏弱程度小于2位势什米，且位置与实况接近。36 h南北两槽位置均偏弱，但全区与初始场的偏差均在2位势什米以下。GRAPES预报与T639相似，但是全区均存在一个比较明显的系统性负偏差，这种特点在（图1（a））中有明显体现。EC_thin预报在北部槽移动偏快，南部槽脊偏弱，随预报时效临近，预报偏差逐渐降低。对比三个模式的分析场，T639与GRAPES形态接近，但T639的槽脊强度较GRAPES略偏强，EC_thin分析场中系统移速较其他两家模式明显偏快。另外，从均方根误差的分布上看，T639与EC_thin均方根误差普遍偏小，预报稳定性较好，特别是EC_thin均方根误差仅在槽线附近略偏大，其他普遍在2位势什米以下。6日08时，T639预报96 h时效南部槽偏弱，北部槽偏强，黑龙江东部脊偏弱，副高偏强。72和48 h特点也基本相同，但北部槽移速快于分析场。同时，随预报时效临近，预报偏差逐渐减小。GRAPES对于槽脊强度预报偏差较T639小，其中对于槽强度预报在72 h时效与实况基本一致。但全区仍存在一个比较明显的系统性负偏差 （图1（b））。EC_thin分析场仍存在移速明显偏快的现象。另外，从均方根误差分布上看，110°E以东的范围内，GRAPES的预报偏差明显偏小，预报稳定性相对较好。06日20时，T639槽脊位置与实况基本一致，强度偏弱。GRAPES在60°N以北高度场表现为一致的负偏差，影响黑龙江省北部的槽移速偏快，南部槽脊位置偏差不大，强度偏弱。另外，GRAPES系统性负偏差仍然存在（图1（c））。从均方根误差分布上看，仍是T639更稳定。

本次过程在高空槽东移过程中，副高东撤南退。副高的变化与降水的范围和强度关系密切。因此，对三个模式在 90°E-140°E、15°N-60°N 范围内副高指数的变化进行对比分析，检验模式对于副高演变的预报能力。从副高面积指数变化上看，随时间推移，三个模式都表现为副高面积不断减小的特点，从各模式在不同预报时效的时间变化特征上看，T639和GRAPES都表现为随预报时效的临近面积预报与分析场偏差表现为先增大后减小的特点，EC_thin预报与分析场一致性较高，预报结果稳定。副高强度在5日20时最强，6日08时强度减弱，6日20时基本维持。GRAPES副高强度预报较分析场偏弱，T639与EC_thin预报与分析基本一致。副高脊线位置6日08时有小幅北跳，6日20时又有所回落。T639和GRAPES对05日20时、06日08时预报比实况偏北，06日20时起报的预报与实况基本一致。EC_thin对05日20时预报与实况基本一致，对06日08时的脊线位置预报与实况相比一致偏北。副高北界预报除EC_thin对06日08时预报偏北外，其他预报与实况基本一致。另外，6日08时开始副高北界南落。

3.2.2 温度场误差分析

对5日20时预报，从三个模式初始场850 hPa温度场的偏差分布对比上看，T639与GRAPE形态基本一致，但在黑龙江省南部，T639的温度脊更强，而GRAPES温度槽占主导地位，EC_thin在黑龙江省北部温度槽与南部温度脊位置偏东，移速偏快。T639各个预报时效内，对于黑龙江省北部温度槽预报偏强，位置与实际接近，南部的脊预报也偏强，范围偏东。GRAPES对温度槽的预报偏弱，位置偏西。EC_thin温度脊预报位置较分析场更偏东偏北，这与降水偏东偏北的特点有相似之处。三个模式对6日08时的预报，仍表现为EC_thin分析场明显快于其他两个模式的特点。T639对温度槽的预报偏弱，导致冷空气影响范围和强度偏小，降水落区与实况偏差较大。GRAPES预报相比T639与分析场偏差小。对6日20时温度场预报，T639预报槽脊位置与实况相比略偏东，随预报时效临近，偏东的特点得到一定的缓解GRAPES对温度槽预报偏弱且偏弱程度高于T639，槽脊的位置也存在偏东的特点。

从均方根误差分解上看，均方根误差中形态分量占主导地位，T639与GRAPES在温度场上的误差主要以空间形态差异为主，系统性偏差不明显。

3.2.3 风场误差分析

从850 hPa纬向风与经向风场上看，对05日20时预报，T639预报黑龙江省西部的低涡环流中的经向和纬向风都较弱，对黑龙江省南部的西南风预报略偏强。GRAPES风场也存在偏弱的情况，但纬向风的东西风位置较分析场更加偏南。EC_thin纬向风预报中东风偏弱、西风偏强，经向风预报中南风及北风中心位置较实况偏东。对06日08时预报，T639对纬向风预报偏弱，对经向风大值中心预报偏北偏西，黑龙江省东南部在一致的偏南风气流影响下，降水开始较晚。GRAPES在72 h时效上存在全区一致的正偏差，导致西南风强、东北风弱，在其他两个时效内，均表现为低涡系统一致偏弱的特点。对06日20时预报，T639也表现为纬向风较实际偏弱的特点，60 h及84 h时效，偏北风位置较实况偏东，强度偏强，36 h强度较实况略偏弱，但位置基本一致。GRAPES风场与实况相比更偏南，强度明显偏弱。

T639及GRAPES的均方根误差分解中，形态分量仍占据主要位置，系统性偏差不明显。

4 结论与讨论

本文利用黑龙江省加密自动站降水观测资料、T639、GRAPES全球模式、EC－thin降水及形势场预报资料对2016年8月5－7日黑龙江省一次降水过程中各模式对降水预报的能力及形势场预报的误差进行分析和对比，得到以下结论：

（1）降水预报中EC_thin预报降水较实况明显偏快，T639的降水落区的形态结构与实况一致度较高，中雨以上量级降水的分布和走向的预报具有较大的参考意义。三个模式对降水中心强度的预报比实况明显偏弱，对于暴雨以上量级降水存在较严重的漏报。

（2）在形势场分析中，EC_thin分析场系统移速明显快于其他两家模式。高度场预报中，模式对于黑龙江省南部槽脊预报强度有一致偏弱的特点，T639与EC_thin对500 hPa高度场的预报相对GRAPES表现更稳定。GRAPES对于500 hPa高度场预报存在一个相对明显的系统性负偏差。对于副高范围、强度以及演变趋势的预报三家模式都表现出预报与实况基本一致的特点。T639温度场偏差在大部分预报时效上都较GRAPES小。T639在850 hPa的风场预报与分析场相比多表现为强度偏弱，GRAPES预报在850 hPa风场上除表现为强度偏弱的特点以外，在对5日20时及6日20时的预报中还表现为系统较分析场普遍偏南、偏东的特征。