馮簫 ，吳俞 ，李玉梅 ，李勛

(1. 海南省氣象臺，海南 海口 570203；2. 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，海南 ?？?570203)

1 引 言

自2014年啟動無縫隙精細(xì)化網(wǎng)格天氣預(yù)報業(yè)務(wù)，高分辨率的智能網(wǎng)格預(yù)報已成為中國氣象局主推業(yè)務(wù)[1]和未來天氣預(yù)報的發(fā)展方向[2-3]，其中，如何作好精細(xì)精準(zhǔn)的降水預(yù)報是重點研究對象之一[4-5]。降水是不同尺度天氣系統(tǒng)相互影響的結(jié)果，具有顯著的非連續(xù)性特征[6-7]，其形成機制復(fù)雜，各區(qū)域時空分布差異明顯，因此，提高降水預(yù)報準(zhǔn)確率是頗具挑戰(zhàn)性的工作，在高分辨率網(wǎng)格預(yù)報中作好降水預(yù)報則更加困難。近年來，得益于綜合氣象觀測數(shù)據(jù)和多源資料融合分析網(wǎng)格實況產(chǎn)品[8]的支撐，數(shù)值預(yù)報模式[9-10]和實時快速更新同化預(yù)報系統(tǒng)的發(fā)展[11-12]，區(qū)域數(shù)值模式在高分辨率降水預(yù)報中表現(xiàn)出巨大的潛力[13-16]。例如鄢俊一等[17]通過對比華南中尺度模式和日本氣象廳全球譜模式的降水產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)華南中尺度模式對5種不同天氣類型的降水預(yù)報優(yōu)于日本氣象廳全球譜模式；徐同等[18]在對西南地區(qū)的降水預(yù)報進(jìn)行檢驗，發(fā)現(xiàn)華東中尺度模式系統(tǒng)對小雨、暴雨和大暴雨的預(yù)報評分優(yōu)于歐洲中期天氣預(yù)報中心ECMWF(European Centre for Medium - Range Weather Forecasts)全球模式。

海南地處熱帶，是我國最南端的省份。受多種尺度天氣系統(tǒng)(中尺度的海風(fēng)鋒[19]、天氣尺度的季風(fēng)槽和臺風(fēng)[20-22]、季節(jié)內(nèi)尺度的低頻振蕩[23])及復(fù)雜下墊面的相互影響，暖季5—9月，海南島上降水分布極不均勻，局地性強，降水落區(qū)預(yù)報難度較大，晴雨準(zhǔn)確率偏低。因此，晴雨預(yù)報已成為海南省智能網(wǎng)格降水預(yù)報中首要面對的難題。業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，中尺度模式對時空尺度小、局地性強的降水具有較強的預(yù)報能力。為了進(jìn)一步加強對中尺度模式晴雨預(yù)報性能的了解，發(fā)展海南省基于數(shù)值模式的晴雨預(yù)報釋用技術(shù)，以期提高精細(xì)化晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率，本文將對ECMWF 全球和以CMA-SH9、CMA-GD 為代表的區(qū)域模式進(jìn)行檢驗評估。通過分析晴雨準(zhǔn)確率、空報率和漏報率的時空分布特征、降水面積偏差、高頻降水中心和降水質(zhì)心位置等，評估模式對海南島晴雨預(yù)報的能力。另外，嘗試通過尋找最優(yōu)面積閾值，集合各模式優(yōu)勢，建立優(yōu)選方案，為海南省智能網(wǎng)格晴雨預(yù)報產(chǎn)品制作提供重要參考信息。

2 資料與方法

2.1 資 料

本文檢驗時間段為 2019年 5月 1日—9月 30日，使用資料包括：(1) 中國氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系 統(tǒng) CLDAS(CMA Land Data Assimilation System)產(chǎn)品，該產(chǎn)品融合了大量實際觀測、接近真實大氣狀態(tài)的大氣驅(qū)動數(shù)據(jù)以及陸面模式產(chǎn)品，空間分辨率為 0.05 °×0.05 °；(2) 每日 08 時和20 時(北京時，下同)發(fā)布的 ECMWF、CMA-GD 和CMA-SH9(表1)。檢驗前，不同分辨率的模式產(chǎn)品通過雙線性插值與CLDAS 分辨率匹配。預(yù)報業(yè)務(wù)中參考到的最新資料為提前12 h 起報，因此本文僅評估36 h、48 h、60 h、72 h時效的24 h晴雨預(yù)報效果。

表1 各模式基本信息

2.2 方 法

晴雨檢驗方法采用中國氣象局制定的《全國智能網(wǎng)格氣象預(yù)報業(yè)務(wù)規(guī)定》中格點-格點降水預(yù)報檢驗方法[24-25]，對晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率、空報率、漏報率進(jìn)行計算，如公式(1)～(3)；為進(jìn)一步了解導(dǎo)致晴雨準(zhǔn)確率偏低的原因，本文分析了漏報(空報)格點數(shù)占總格點數(shù)的比例，簡稱漏報(空報)比例，如公式(4)～(5)。式中，NA 為有降水預(yù)報正確站數(shù)，NB 為空報站數(shù)、NC 為漏報站數(shù)，ND 為無降水預(yù)報正確的站數(shù)(表2)。

表2 晴雨檢驗評定表

本文以有降水(≥0.1 mm)的格點數(shù)占全島格點數(shù)的百分比R作為降水面積百分比，如公式(6) ; 通過計算降水面積百分比的平均偏差、平均絕對偏差和均方根偏差，評估預(yù)報降水面積相比實況降水面積的差異，如公式(7)～(9)所示。

利用質(zhì)心公式計算降水質(zhì)心，即設(shè)n個降水質(zhì)點組成的質(zhì)點系，各降水質(zhì)點的降水量分別為M1，M2，……，Mn，質(zhì)點坐標(biāo)為(x1，y1)，(x2，y2)，……，(xn，yn)。降水質(zhì)心的坐標(biāo)為(xc，yc)，則，

3 檢驗結(jié)果分析

3.1日平均晴雨準(zhǔn)確率、空報比例和漏報比例

圖1 為各模式不同時效的晴雨評分綜合圖。橫坐標(biāo)為漏報比例，縱坐標(biāo)為空報比例，圖中黃色等值線為晴雨準(zhǔn)確率。藍(lán)色圖標(biāo)代表的CMASH9具有較高的晴雨評分(各時效平均晴雨準(zhǔn)確率≈76.62%)，ECMWF 評分居中(各時效平均晴雨準(zhǔn)確率≈73.25%)，CMA-GD 評分偏低(各時效平均晴雨準(zhǔn)確率≈72.85%)。ECMWF 評分偏低為空報比例較高所致，而CMA-GD 評分偏低則與漏報比例較高有關(guān)。

圖1 不同預(yù)報時效日平均晴雨評分綜合圖

比較同一模式不同預(yù)報時效，可知ECMWF預(yù)報結(jié)果穩(wěn)定，各時效晴雨評分相差不大，36 h 和60 h 時效評分略高。中尺度模式的晴雨準(zhǔn)確率與預(yù)報時效的關(guān)系更敏感，各時效晴雨評分點分散，預(yù)報時效縮短，則評分提高明顯。例如CMA-SH9模式 72 h 時效晴雨準(zhǔn)確率為74.79%，36 h 時效可達(dá)78.32%；CMA-GD 模式72 h 時效晴雨準(zhǔn)確率為71.39%，36 h時效可達(dá)74.77%。

CMA-SH9 模式36 h 時效晴雨準(zhǔn)確率高的原因是空報比例的降低，而CMA-GD 則為漏報比例的降低，由此可見，CMA-SH9、CMA-GD 比ECMWF 具有較強的預(yù)報調(diào)整能力，預(yù)報時效縮短，模式本身雨區(qū)面積偏差會減小，從而提高晴雨評分。

3.2日平均晴雨評分空間分布

圖2為日平均晴雨準(zhǔn)確率、空報率和漏報率的空間分布特征，可比較模式在不同區(qū)域的晴雨預(yù)報能力。基于各模式都具有隨時效縮短晴雨評分提高的特點，圖2選取36 h時效(圖2a)和72 h時效(圖2b)進(jìn)行對比。圖中紅色圓圈標(biāo)記了4個關(guān)鍵區(qū)：1為海南島中部內(nèi)陸，2為海南島五指山以南，3為海南島東部沿海，4為海南島西北沿海和內(nèi)陸。

圖2 36 h(a)和72 h(b)時效的日平均晴雨準(zhǔn)確率、空報率和漏報率（%）空間分布

圖2a 顯示ECMWF 在海南島中部內(nèi)陸(關(guān)鍵區(qū)1)具有較高的晴雨預(yù)報能力。整體而言，空報率較高是ECMWF 的主要問題，其中五指山以南(關(guān)鍵區(qū)2)和東部沿海(關(guān)鍵區(qū)3)空報率可達(dá)95%以上；關(guān)鍵區(qū)3 北部的空報率在72 h 預(yù)報中仍會明顯增加(圖2b)。圖2a 顯示的CMA-GD 模式晴雨評分在整個島上相對均勻，其中海南島北部(關(guān)鍵區(qū)4)空報多，海南島五指山以南(關(guān)鍵區(qū)2)則漏報多；72 h時效中，模式漏報問題加重，關(guān)鍵區(qū)3漏報率明顯增加。圖2a顯示，CMA-SH9晴雨準(zhǔn)確率較高的地區(qū)為海南島東部沿海(關(guān)鍵區(qū)3)，漏報率偏高的區(qū)域基本沒有，但在海南島西北部(關(guān)鍵區(qū)4)與五指山以南(關(guān)鍵區(qū)2)存在一定程度的空報現(xiàn)象；在72 h 的預(yù)報中(圖2b)，模式空報的范圍增大，空報范圍覆蓋全島，因此72 h的晴雨評分相比36 h 明顯降低。綜上可知，不同模式對海南島不同地區(qū)具有不同的晴雨預(yù)報能力：(1) ECMWF 在海南島中部內(nèi)陸預(yù)報較準(zhǔn)確，CMA-SH9 則為海南島東部沿海地區(qū)預(yù)報較準(zhǔn)確；(2) 三個模式對海南島東部沿海都具有較強的預(yù)報調(diào)整能力，隨預(yù)報時效縮短，該地區(qū)空(漏)報問題減少。

另外，比較36 h 時效模式對海南島四周海區(qū)的晴雨預(yù)報效果，發(fā)現(xiàn)：(1) ECMWF 在海南島東部-南部海區(qū)存在較高的空報率，導(dǎo)致西部-北部海區(qū)評分明顯高于東部-南部海區(qū)；(2) CMA-GD 在四周海區(qū)晴雨評分相對均勻，以漏報為主，空報少，此時，陸地關(guān)鍵區(qū)4 存在易空報的特征可間接表明CMA-GD 對陸地降水更易響應(yīng)的特點；(3)CMA-SH9 表現(xiàn)出雨帶偏東的系統(tǒng)偏差，導(dǎo)致東部-南部海區(qū)空報明顯，西部-北部海區(qū)漏報明顯。

3.3 降水面積百分比及其偏差

在格點-格點檢驗的方式中，晴雨評分與模式對雨區(qū)面積的預(yù)報能力有密切聯(lián)系。圖3 為按公式(6)得到的降水面積百分比箱線圖。2019年5—9月期間，實況雨區(qū)面積百分比的箱體位置集中在[40%，95%]，中位數(shù)(77%)高于平均值(65%)。

36 h預(yù)報，CMA-GD 箱體位置比實況偏低，位于[30%，80%]區(qū)間；預(yù)報時效增加后，箱體位置略微向下調(diào)整，中位數(shù)和平均值接近，且都低于實況，進(jìn)一步表明CMA-GD 模式漏報偏多的性質(zhì)。通過計算平均偏差，發(fā)現(xiàn)72 h 時效預(yù)報與實況的偏差百分比可達(dá)-14.61%(表3)。CMA-SH9 在36 h 時效的面積百分比波動范圍比實況偏大，位于[30%，97%]區(qū)間；預(yù)報時效增加后，下四分位數(shù)增大明顯，從33%(36 h時效)增大至42%(72 h時效)，箱體范圍縮小，各預(yù)報時效的中位數(shù)都高于平均值，與實況最為接近。另外，模式在60 h、72 h 時效預(yù)報面積百分比偏大(表2 中平均偏差為正值，圖3d 箱體下限增大)，但36 h、48 h 時效預(yù)報則轉(zhuǎn)為偏小(表2 中平均偏差為負(fù)值)，由此可知，CMA-SH9 具有較強的降濕能力，隨預(yù)報時效縮短，雨區(qū)面積由偏濕轉(zhuǎn)為偏干。ECMWF 各預(yù)報時效的中位數(shù)接近100%，下四分位數(shù)為90%，且箱體下限出現(xiàn)較多的異常值，進(jìn)一步證明ECMWF 預(yù)報雨區(qū)面積偏大，平均偏差可達(dá)23%(表3)。

圖3 不同模式在不同預(yù)報時效降水面積百分比（%）箱線圖

上述模式中，CMA-SH9 降水面積百分比的平均偏差，平均絕對偏差和均方根偏差都較小(表3)，因此，CMA-SH9 對海南島的雨區(qū)面積具有較強的預(yù)報能力，這也是它晴雨評分較高的主要原因之一。

表3 各預(yù)報時效模式降水面積百分比的平均偏差、平均絕對偏差和均方根偏差

3.4 不同降水面積百分比的晴雨準(zhǔn)確率對比

圖4 把實況降水面積百分比分為0～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%、80%～100%，共5個級別，比較各模式在不同級別降水事件中的晴雨預(yù)報能力。圖4a、4b 分別代表雨區(qū)面積百分比為0～20%、20%～40%的兩種局地降水事件(R實況=0～20%、20%～40%)。該類降水事件中，CMA-GD、CMA-SH9 都具有較高的晴雨評分，其中，CMASH9 模式36 h 晴雨準(zhǔn)確率高于CMA-GD，其他時效低于CMA-GD，這與CMA-SH9 較強的降濕能力有密切聯(lián)系?？傮w而言，CMA-GD 對該類降水的晴雨預(yù)報較為穩(wěn)定，而CMA-SH9呈現(xiàn)降濕的調(diào)整趨勢，但兩者仍存在預(yù)報面積偏大的正偏差。

當(dāng)實況降水面積百分比為40%～60%時(圖4c)，CMA-GD 在各時效都具有較高的晴雨評分，但模式偏漏報的特征在此類降水事件中開始體現(xiàn)，隨預(yù)報時效減小，均方根偏差呈上升趨勢，雨區(qū)面積偏小特征更明顯，由此出現(xiàn)晴雨準(zhǔn)確率在36 h時效反而降低的情況。當(dāng)海南島大部地區(qū)有雨時(R實況=60%～80%、80%～100%，圖 4d～4e)，ECMWF 的晴雨預(yù)報能力變強，甚至優(yōu)于中尺度模式。R實況=60%～80%時，CMA-SH9 易出現(xiàn)預(yù)報雨區(qū)面積隨時效縮小，由偏大轉(zhuǎn)偏少的過度調(diào)整，導(dǎo)致36 h 時效評分降低（圖4d）。而CMA-GD 則呈現(xiàn)較好的增濕能力，隨預(yù)報時效減小，雨區(qū)面積的均方根偏差下降，晴雨評分由此提高。

圖4 實況降水面積百分比為0～20%(a)、20%～40%(b)、40%～60%(c)、60%～80%(d)、60%～80%(e)級別時，各模式不同時效晴雨準(zhǔn)確率(左側(cè)縱坐標(biāo)，折線)、均方根偏差(右側(cè)縱坐標(biāo)，柱形)與平均偏差(+代表具有正偏差，-代表負(fù)偏差)

綜上可知，中尺度模式對在雨區(qū)面積為0～20%、20%～40%、40%～60%的局地降水事件中，相對實況降水面積百分比具有正偏差，呈現(xiàn)出降濕的調(diào)整趨勢；在雨區(qū)面積為60%～80%、80%～100%的降水事件中，相對實況降水百分比具有負(fù)偏差，呈現(xiàn)出增濕的調(diào)整趨勢。

3.5 不同雨區(qū)面積下的降水落區(qū)偏差

提高中小尺度系統(tǒng)影響下局地降水落區(qū)預(yù)報能力是提高海南省智能網(wǎng)格晴雨評分的關(guān)鍵。由圖 4 可知，CMA-GD、CMA-SH9 對局地降水具有較高的晴雨評分，因此，本文挑選36 h 時效，對比不同級別降水面積百分比的高頻降水中心(圖5)，評估兩家中尺度模式預(yù)報海南島局地降水的能力。圖 6 中，我們以 19 °N 為界，參考公式(10)～(11)計算高頻降水質(zhì)心，定點分區(qū)比較了模式在海南島北部(19 °N 以北)和南部(19 °N 以南)的降水落區(qū)偏差。

圖5 實況降水面積百分比為0～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%級別時的降水頻率分布圖

(1)R實況=0～20%的局地降水在海南島?？诒辈亢０逗腿f寧東部海岸具有兩個面積較小的高頻中心(頻率≥50%)。CMA-GD 和 CMA-SH9 都預(yù)報出了北部的高頻中心，相比實況，面積偏大。CMA-GD模式質(zhì)心位置偏西偏南，CMA-SH9質(zhì)心偏南(圖6a)。另外，CMA-GD 模式未預(yù)報出萬寧東部海岸的高頻中心，但CMA-SH9 具有該能力，預(yù)報面積略大，質(zhì)心位置接近。(2)R實況=20%～40%的降水高頻區(qū)(頻率≥60%)在19 °N 以北呈南北走向的三點分布。CMA-GD模式極好地捕捉到多個分散的高頻中心特征，和實況呈現(xiàn)類似的分布形狀，質(zhì)心相比實況略微偏北；而CMA-SH9 的高頻區(qū)域面積明顯偏大，質(zhì)心位置向東北偏移(圖6b)。在19 °N以南，實況高頻中心位于山區(qū)(白沙-瓊中交界處)，CMA-GD 預(yù)報在昌江東部，質(zhì)心偏西；CMA-SH9 模式高頻落區(qū)出現(xiàn)在五指山以南，質(zhì)心偏南。(3)R實況=40%～60%的降水高頻區(qū)(頻率≥70%)集中在北部內(nèi)陸和中部山區(qū)，CMA-GD模式的高頻區(qū)面積偏小，且沒有預(yù)報出中部山區(qū)的降水。CMA-SH9在19 °N以北的高頻區(qū)面積偏大，但19°N 以南的降水與實況接近，質(zhì)心位置偏南。(4)R實況=60%～80%時，≥80%高頻區(qū)在澄邁-?？?文昌呈西南-東北帶狀分布，雨帶呈出海之勢。CMA-GD 模式的高頻區(qū)集中在澄邁海口，面積偏小，形狀為方形。CMA-SH9 能體現(xiàn)出西南-東北走向且出海的雨帶特征，但面積過大，導(dǎo)致質(zhì)心位置明顯偏東。另外，CMA-GD 模式未預(yù)報出19 °N 以南中部山區(qū)分散的高頻中心，CMA-SH9可預(yù)報出，但面積偏小，位置偏東。

圖6 實況降水面積百分比為0～20%(a)、20%～40%(b)、40%～60% (c)、60%～80%(d)級別時，高頻降水區(qū)(a：≥50%，b：≥60%，c：≥70%，d：≥80%)的質(zhì)心點位置

綜上可知，CMA-GD 模式在實況降水面積百分比偏小(R實況=0～20%、20%～40%)的局地降水預(yù)報中，對海南島北部具有較強的降水落區(qū)預(yù)報能力，但常常未能預(yù)報出南部的高頻降水中心。CMA-SH9 在海南島北部易出現(xiàn)降水面積偏大，質(zhì)心偏東的情況，而在預(yù)報海南島南部(例如中部山區(qū)、東部沿海)的高頻降水中心能力上優(yōu)于CMAGD。

4 總結(jié)與討論

4.1 總 結(jié)

為了提高海南省智能網(wǎng)格晴雨預(yù)報能力，本文對 2019年 5月 1日—9月 30日期間，ECMWF、CMA-GD 和CMA-SH9 不同時效的降水產(chǎn)品進(jìn)行檢驗評估，通過比較晴雨準(zhǔn)確率、空報率和漏報率及其空間分布、降水面積百分比與實況的偏差、不同級別雨區(qū)面積下模式的預(yù)報效果尤其是局地降水的預(yù)報能力。

(1) CMA-SH9 具有較高的晴雨評分。ECMWF 評分偏低是高空報比例所致，空報易出現(xiàn)在五指山以南和東部沿海一帶。CMA-GD評分偏低與較高的漏報比例相關(guān)，漏報傾向出現(xiàn)在五指山以南和東部沿海一帶。三家模式對海南島東部沿海都具有較強的預(yù)報調(diào)整能力，隨預(yù)報時效縮短，該地區(qū)空(漏)報問題減少。

(2) 從降水面積百分比偏差來看，CMA-GD偏小，CMA-SH9 和 ECMWF 偏大。其中，CMA-GD和CMA-SH9 比ECMWF 具有較好的預(yù)報調(diào)整能力，預(yù)報時效縮短，模式本身預(yù)報面積偏大(小)的誤差會減小，晴雨評分提高。

(3) 在降水面積百分比為0～20%、20%～40%、40%～60%的局地降水事件中，CMA-GD 和CMASH9 相對實況預(yù)報面積偏大，呈現(xiàn)出降濕的調(diào)整趨勢，晴雨準(zhǔn)確率比ECMWF 高；在百分比為60%～80%、80%～100%的降水事件中，預(yù)報降水面積偏少，呈現(xiàn)出增濕的調(diào)整趨勢，晴雨準(zhǔn)確率接近或低于ECMWF。

(4) CMA-GD 對海南島北部高頻降水中心的位置和形狀具有較強的預(yù)報能力，易漏報海南島南部高頻降水中心。CMA-SH9 在海南島北部易出現(xiàn)面積偏大，質(zhì)心偏東的情況，對海南島南部(例如中部山區(qū)、東部沿海)的預(yù)報能力優(yōu)于CMAGD。

4.2 晴雨預(yù)報方案討論

上述總結(jié)可知兩個中尺度模式各具優(yōu)勢：(1)CMA-GD 模式偏干，對海南島北部局地降水預(yù)報能力較強；(2) CMA-SH9 與實況降水面積偏差最小，晴雨準(zhǔn)確率評分較高。在不同級別雨區(qū)面積的降水事件中，模式的預(yù)報能力也不同。為了綜合各個模式優(yōu)勢，本文嘗試根據(jù)模式降水面積閾值建立一套晴雨預(yù)報方案——最優(yōu)面積閾值擇優(yōu)方案。首先，以CMA-SH9 降水面積為基準(zhǔn)，迭代挑選匹配CMA-GD 和ECMWF 的最優(yōu)面積閾值。如圖7a 虛線所示，當(dāng)RCMA-SH9≤70%時，挑選CMAGD 晴雨方案，RCMA-SH9＞70%時，挑選CMA-SH9晴雨方案進(jìn)行集成，獲得過去一段時間內(nèi)最高的晴雨準(zhǔn)確率評分，此時RCMA-SH9=70%即為匹配CMA-GD模式的最優(yōu)面積閾值；通過同樣的方式，進(jìn)一步集成ECMWF 晴雨方案，RCMA-SH9≥80%時，挑選ECMWF，可獲得更高的晴雨評分(圖7a 實線)。圖7b 為最優(yōu)面積閾值擇優(yōu)方案得到的各預(yù)報時效晴雨準(zhǔn)確率，迭代集合三個模式的晴雨方案，海南島網(wǎng)格晴雨準(zhǔn)確率在36 h 時效可提高至81.19%，相比 CMA-GD 和 CMA-SH9 分別提高了6.42%、3.55%，效果明顯。因此，通過最優(yōu)面積閾值擇優(yōu)方案迭代集合CMA-GD、CMA-SH9 和ECMWF，可有效提高海南島高分辨率的網(wǎng)格晴雨預(yù)報準(zhǔn)確率，為海南省智能網(wǎng)格晴雨預(yù)報提供重要參考信息。

圖7 最高晴雨評分與最優(yōu)面積閾值(a)；2019年5—9月期間CMA-GD、CMA-SH9、CMA-GD- CMA-SH9集成和CMA-GD- CMA-SH9-ECMWF集合在不同時效的晴雨準(zhǔn)確率評分(b)