徐同，楊玉華，譚燕，殷岳，王琴

(1.上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030；2.上海海洋中心氣象臺(tái)，上海 201300；3.上海區(qū)域高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)創(chuàng)新中心,上海 200030)

引言

臺(tái)風(fēng)是來自低緯地區(qū)的深厚低值系統(tǒng)，其攜帶充沛的水汽和不穩(wěn)定能量，登陸之后，往往在地形抬升或與大尺度系統(tǒng)相互作用下生成中小尺度對(duì)流系統(tǒng)，產(chǎn)生效率極高的降水，造成暴雨和洪澇災(zāi)害，其影響往往要比臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)更加嚴(yán)重。近50 a來，我國學(xué)者對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨做了深入和系統(tǒng)的研究(陳聯(lián)壽，2006；陳有利等，2018；王文波等，2014；周福等，2014；林毅等，2017)。臺(tái)風(fēng)暴雨的強(qiáng)度和落區(qū)預(yù)報(bào)一直是氣象業(yè)務(wù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)，對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)的研究有利于提高對(duì)臺(tái)風(fēng)天氣的預(yù)報(bào)水平(李江南等，2003；徐紅等，2006；陸桂榮等，2014；張雅斌等，2014；郭宇光等，2018)。數(shù)值模式是預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)暴雨的重要參考依據(jù)(姚晨等，2019；閆之輝等，2010；王曉峰等，2017)，開展臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)降水檢驗(yàn)及誤差分析，有助于認(rèn)識(shí)和提高模式對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨的預(yù)報(bào)性能。Tuleya等(2007)采用ETS和BIAS評(píng)分研究了GFDL模式對(duì)1997—2002期間登陸美國的25個(gè)熱帶氣旋降水預(yù)報(bào)效果。Wang等(2012)采用TS和BIAS評(píng)分對(duì)比分析了中國氣象局T639模式和日本氣象廳T959模式對(duì)2009年登陸我國臺(tái)風(fēng)的降水預(yù)報(bào)性能。對(duì)于登陸臺(tái)風(fēng)而言，降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)不僅需要采用傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法，還需要應(yīng)用一些新的檢驗(yàn)方法，可以提供更多的檢驗(yàn)信息。Yu等(2020)將CRA檢驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于澳大利亞公共氣候和地球系統(tǒng)模擬器(ACCESS)，評(píng)估該系統(tǒng)對(duì)2012—2015年登陸我國熱帶氣旋降水的空間誤差，CRA檢驗(yàn)方法可將預(yù)報(bào)的均方誤差分解成移位、旋轉(zhuǎn)、體積和形態(tài)等不同的誤差分量，從而可以分析模式預(yù)報(bào)的系統(tǒng)誤差來源?？臻g檢驗(yàn)技術(shù)是近10 a發(fā)展起來的新興檢驗(yàn)技術(shù)，主要面向中尺度天氣數(shù)值預(yù)報(bào)模式。其中Davis等(2006a，2006b)發(fā)展的一種基于目標(biāo)的診斷評(píng)估方法(Method for Object-Based Diagnostic Evaluation)是空間檢驗(yàn)技術(shù)的代表技術(shù)之一,該方法可以客觀地從預(yù)報(bào)和觀測場中識(shí)別出檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，并且可以對(duì)預(yù)報(bào)和觀測目標(biāo)的相關(guān)屬性進(jìn)行對(duì)比，這些屬性包括諸如位置、形狀、移向等，MODE檢驗(yàn)方法相對(duì)于傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法可以提供更多模式預(yù)報(bào)誤差的診斷信息?；贛ODE方法對(duì)高分辨率模式降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果表明，該方法相對(duì)傳統(tǒng)TS等評(píng)分方法有較明顯優(yōu)勢，其受氣候概率影響較小，檢驗(yàn)結(jié)果更加客觀(薛春芳和潘留杰，2016；李佳等，2016；潘留杰等，2017)。2018年汛期受副熱帶高壓位置異常偏北影響，7月下旬至8月下旬有多個(gè)臺(tái)風(fēng)先后在華東中部沿海登陸。其中1810號(hào)“安比”、1814號(hào)“摩羯”、1818號(hào)“溫比亞”登陸后繼續(xù)西進(jìn)北上，對(duì)華東中北部地區(qū)、華北大部地區(qū)造成了持續(xù)性的強(qiáng)降水影響。本文以2018年登陸我國華東的三個(gè)臺(tái)風(fēng)為例，采用MODE空間檢驗(yàn)方法和傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法(TS評(píng)分、空?qǐng)?bào)率、漏報(bào)率、偏差)對(duì)上海區(qū)域中尺度模式(下文簡稱SMS-WARMS)、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心高分辨率預(yù)報(bào)系統(tǒng)(下文簡稱ECMWF模式)和美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(下文簡稱GFS模式)三家業(yè)務(wù)模式做臺(tái)風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)檢驗(yàn)分析，討論三家業(yè)務(wù)模式對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨的預(yù)報(bào)差異，以期為預(yù)報(bào)員應(yīng)用業(yè)務(wù)模式預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)降水提供參考依據(jù)，更有效地發(fā)揮數(shù)值模式的業(yè)務(wù)效能。

1 觀測與模式資料

本文采用的降水觀測資料來自于全國2 400個(gè)基準(zhǔn)站和國家信息中心下發(fā)的自動(dòng)站融合站點(diǎn)資料，由于基準(zhǔn)站相對(duì)較為稀疏，因此采用“主備法”融合技術(shù)對(duì)基準(zhǔn)站的站點(diǎn)進(jìn)行有效補(bǔ)充。在站點(diǎn)融合資料的基礎(chǔ)上通過Cressman客觀分析方法將站點(diǎn)資料插值成9 km水平分辨率的融合格點(diǎn)降水資料。

模式資料分別選取SMS-WARMS、ECMWF和GFS模式的24 h累積降水資料。表1列出了模式的相關(guān)參數(shù)說明。SMS-WARMS模式水平分辨率為9 km,模式同化系統(tǒng)為ADAS，模式為非靜力模式，采用Thompson雙參數(shù)云微物理方案；ECMWF模式水平分辨率為12.5 km,模式同化系統(tǒng)為4DVAR，模式為靜力模式，采用Forbes云微物理方案；GFS模式水平分辨率為25 km，模式同化系統(tǒng)為Hybrid，模式為非靜力模式，采用Zhao and Carr云微物理方案。

表1 三種模式的相關(guān)參數(shù)Table 1 The description of three models

2 檢驗(yàn)方法

2.1 MODE空間檢驗(yàn)方法

MODE中用于分解原始數(shù)據(jù)場降水對(duì)象的過程稱作卷積閾值過程。原始數(shù)據(jù)場先由濾波函數(shù)進(jìn)行卷積，如下式所示

公式(1)中，f代表原始數(shù)據(jù)場，φ代表濾波函數(shù)，C代表處理后得到的卷積場。變量(x，y)和(u，v)代表格點(diǎn)坐標(biāo)。濾波函數(shù)φ是一個(gè)有影響半徑R和高度H決定的簡單圓柱形濾波器。

其中參數(shù)R和H并不是相互獨(dú)立的，滿足如下關(guān)系式

因此影響半徑R是卷積過程中的唯一可調(diào)參數(shù)。即R值確定后，H值由上面的方程確定。對(duì)處理后的卷積場C設(shè)定閾值得到屏蔽場，則M可以定義為

對(duì)象是M=1的連續(xù)區(qū)域。最后，原始數(shù)據(jù)被重新恢復(fù)到初始對(duì)象中獲得對(duì)象場F

這樣,兩個(gè)參數(shù)(影響半徑R和閾值T)控制著原始場識(shí)別對(duì)象的整個(gè)過程。當(dāng)原始場中的單降水目標(biāo)被識(shí)別出之后，降水目標(biāo)的多個(gè)空間檢驗(yàn)屬性被計(jì)算出，例如面積、軸角、質(zhì)心等。之后對(duì)預(yù)報(bào)和觀測場中的降水目標(biāo)進(jìn)行配對(duì)并輸出空間檢驗(yàn)結(jié)果。本文中檢驗(yàn)閾值分別選用50 mm·(24 h)-1和100 mm·(24 h)-1,影響半徑為54 km。

2.2 傳統(tǒng)降水檢驗(yàn)方法

傳統(tǒng)降水檢驗(yàn)方法為TS評(píng)分(TS)和預(yù)報(bào)偏差BIAS(BIAS)，公式如下

NA，NB和NC的定義如表2所示。

表2 降水檢驗(yàn)列聯(lián)表Table 2 The contingency table of rainfall verification.

3 檢驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 傳統(tǒng)TS評(píng)分檢驗(yàn)

圖1為SMS-WARMS、ECMWF、GFS模式對(duì)三個(gè)臺(tái)風(fēng)24 h、48 h和72 h的降水預(yù)報(bào)TS評(píng)分和預(yù)報(bào)偏差BIAS，檢驗(yàn)區(qū)域?yàn)镾MS-WARMS預(yù)報(bào)區(qū)域。如圖1a所示，對(duì)于100 mm以上降水，SMS-WARMS模式24 h、48 h和72 h預(yù)報(bào)TS評(píng)分都高于ECMWF和GFS模式。SMS-WARMS模式24 h、48 h和72 h預(yù)報(bào)評(píng)分分別為0.24、0.22和0.19，EC模式為0.20、0.14和0.12，GFS模式為0.20、0.17和0.12。從TS評(píng)分檢驗(yàn)結(jié)果來看，區(qū)域模式對(duì)50 mm以上量級(jí)降水預(yù)報(bào)相對(duì)全球模式并無顯著優(yōu)勢，全球模式和區(qū)域模式均具有一定的預(yù)報(bào)參考價(jià)值，但100 mm以上量級(jí)降水優(yōu)于全球模式。從預(yù)報(bào)偏差圖1b可以看出,SMS-WARMS模式對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨和大暴雨降水的預(yù)報(bào)偏差均高于1，而ECMWF和GFS模式則小于1,說明區(qū)域模式對(duì)臺(tái)風(fēng)降水預(yù)報(bào)偏強(qiáng)，而全球模式預(yù)報(bào)偏弱，漏報(bào)率較高。

圖1 SMS-WARMS、ECMWF、GFS模式對(duì)三次臺(tái)風(fēng)過程24 h，48 h和72 h的降水預(yù)報(bào)TS評(píng)分(a)和BIAS評(píng)分(b)Fig.1(a)TS and(b)BIAS for the 24 h,48 h and 72 h precipitation prediction of typhoon RUMBIA forecasted by SMS-WARMS,ECMWF and GFS

3.2 MODE個(gè)例檢驗(yàn)

盡管TS評(píng)分能夠快速直觀的比較各個(gè)模式的預(yù)報(bào)能力，但在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中還需要盡可能的了解模式對(duì)不同閾值降水預(yù)報(bào)的空間落區(qū)位置、降水范圍大小等信息，從而對(duì)模式的預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行有效訂正。MODE空間檢驗(yàn)方法可以通過降水目標(biāo)識(shí)別技術(shù)對(duì)比預(yù)報(bào)和觀測降水目標(biāo)的空間檢驗(yàn)指標(biāo)，從而提供更多有用的空間診斷信息。

臺(tái)風(fēng)“溫比亞”的降水影響是三個(gè)臺(tái)風(fēng)中最強(qiáng)的，其對(duì)山東南部至河南東北部一帶造成了大范圍的大暴雨影響(圖2a)，2018年8月18日08時(shí)(北京時(shí)，下同)起報(bào)的24 h的降水預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，三家模式均預(yù)報(bào)出河南東北部的大暴雨，但ECMWF和GFS模式對(duì)山東南部、蘇皖交界處出的大暴雨落區(qū)出現(xiàn)漏報(bào)(圖2b—d)。

圖2 2018年8月18日08時(shí)—19日08時(shí)24 h累計(jì)降水實(shí)況(a)與SMS-WARMS(b)、ECMWF(c)、GFS(d)模式24 h降水預(yù)報(bào)(單位：mm)Fig.2(a)Accumulated 24 h rainfall observed by stations and forecasted by(b)SMS-WARMS、(c)ECMWF and(d)GFS model from 08∶00 BT 18 August to 08∶00 BT 19 August in 2018(unit:mm)

圖3為SMS-WARMS模式、ECMWF模式和GFS模式2018年8月18日08時(shí)起報(bào)、8月17日08時(shí)起報(bào)和8月16日起報(bào)的2018年8月18日08時(shí)—19日08時(shí)24 h累計(jì)降水經(jīng)由MODE方法識(shí)別出的“溫比亞”預(yù)報(bào)降水目標(biāo)和觀測降水目標(biāo)，閾值為100 mm·(24 h)-1。圖3a、d、g為8月18日08時(shí)起報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果，8月17日08時(shí)起報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)于圖3b、e、h，8月16日時(shí)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)于圖3c、f、i。表3給出了MODE檢驗(yàn)的多種空間檢驗(yàn)指標(biāo)。如圖3a所示，SMS-WARMS模式的24 h預(yù)報(bào)降水目標(biāo)(藍(lán)色廓線)與觀測降水目標(biāo)(紅色區(qū)域)的空間落區(qū)有較好的匹配，ECMWF模式(圖3d)和GFS模式(圖3g)預(yù)報(bào)目標(biāo)都相對(duì)觀測目標(biāo)偏西。從48 h和72 h預(yù)報(bào)可以看出，ECMWF和GFS模式對(duì)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”100 mm以上降水預(yù)報(bào)都相對(duì)SMS-WARMS模式更為偏西。分析表3中MODE檢驗(yàn)方法的各種空間檢驗(yàn)指標(biāo)可見，SMS-WARMS模式預(yù)報(bào)降水目標(biāo)的軸角差小于ECMWF和GFS模式。三家模式預(yù)報(bào)目標(biāo)與觀測目標(biāo)面積比分別為0.90、0.76和0.58，SMS-WARMS預(yù)報(bào)目標(biāo)面積比相對(duì)于ECMWF和GFS模式更接近于1，重疊面積也大于兩家全球模式，因此SMS-WARMS模式相對(duì)ECMWF和GFS模式預(yù)報(bào)降水目標(biāo)與觀測目標(biāo)在空間上有更好的匹配。從各種空間檢驗(yàn)指標(biāo)加權(quán)合成的總關(guān)聯(lián)度也可以看出，SMS-WARMS模式的總關(guān)聯(lián)度高于兩家全球模式。通過MODE檢驗(yàn)的直觀目標(biāo)圖形對(duì)比和空間檢驗(yàn)指標(biāo)可以看出，對(duì)于臺(tái)風(fēng)“溫比亞”100 mm以上量級(jí)的降水預(yù)報(bào)，SMS-WARMS模式預(yù)報(bào)效果優(yōu)于兩家全球模式。在實(shí)際的業(yè)務(wù)應(yīng)用中，預(yù)報(bào)員可根據(jù)MODE方法空間檢驗(yàn)結(jié)果反映的降水落區(qū)位置和影響范圍的誤差對(duì)模式預(yù)報(bào)暴雨目標(biāo)的位置進(jìn)行空間誤差訂正，從而有助于預(yù)報(bào)員對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨落區(qū)更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

表3 臺(tái)風(fēng)“溫比亞”三種模式降水目標(biāo)的空間檢驗(yàn)指標(biāo)(閾值為100 mm·(24 h)-1)Table 3 The spatial verification index of rainfall object of typhoon RUMBIA(threshold is 100 mm·(24 h)-1)

臺(tái)風(fēng)“摩羯”本體的暴雨落區(qū)位于山東中西部至蘇皖交界處，同時(shí)北側(cè)螺旋云帶上也出現(xiàn)了多個(gè)暴雨點(diǎn)(圖4a)。2018年8月13日08時(shí)起報(bào)的24 h的降水預(yù)報(bào)結(jié)果顯示SMS-WARMS模式預(yù)報(bào)的大暴雨站點(diǎn)數(shù)量最多，同時(shí)北側(cè)螺旋云帶上的大暴雨只有SMS-WARMS模式報(bào)出(圖4b)，其它兩家模式均為漏報(bào)(圖4c、d)。

圖4 2018年8月18日08時(shí)—19日08時(shí)24 h累計(jì)降水實(shí)況(a)與SMS-WARMS(b)、ECMWF(c)、GFS(d)模式24 h降水預(yù)報(bào)(單位：mm)Fig.4(a)Accumulated 24 h rainfall observed by stations and forecasted by(b)SMS-WARMS、(c)ECMWF and(d)GFS model from 08∶00 BT 18 August to 08∶00 BT 19 August in 2018(unit:mm)

與圖3類似，圖5為SMS-WARMS模式、ECMWF模式和GFS模式對(duì)臺(tái)風(fēng)“摩羯”強(qiáng)降水的MODE檢驗(yàn)結(jié)果，閾值為100 mm·(24 h)-1。圖5a、d、g為8月13日08時(shí)起報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果，8月12日08時(shí)起報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)于圖5b、e、h，8月11日時(shí)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)于圖5c、f、i。如圖5a所示，SMS-WARMS模式24 h起報(bào)的100 mm降水目標(biāo)與觀測目標(biāo)有較好匹配，從表4的多種空間檢驗(yàn)指標(biāo)亦可分析得知，檢驗(yàn)的總關(guān)聯(lián)度為0.983。ECMWF模式對(duì)降水目標(biāo)預(yù)報(bào)明顯偏西、偏小，因此與降水目標(biāo)無重疊區(qū)域，總關(guān)聯(lián)度為0.575。GFS模式則未能預(yù)報(bào)出100 mm降水目標(biāo)，存在明顯的漏報(bào)。從48 h的預(yù)報(bào)情況來看，SMS-WARMS模式的預(yù)報(bào)降水目標(biāo)相對(duì)于觀測目標(biāo)面積偏大，位置偏北，而ECMWF模式預(yù)報(bào)降水目標(biāo)相對(duì)偏西，GFS模式則明顯偏北。從重疊面積來看，SMS-WARMS模式優(yōu)于ECMWF模式，GFS模式則無重疊區(qū)域,因此，從總關(guān)聯(lián)度來看，SMS-WARMS模式高于ECMWF和GFS模式。SMS-WARMS模式72 h預(yù)報(bào)結(jié)果主要表現(xiàn)為對(duì)降水目標(biāo)預(yù)報(bào)的面積偏大，同時(shí)在觀測目標(biāo)的東北方存在一個(gè)明顯的空?qǐng)?bào)目標(biāo)，沒有重疊區(qū)域，因此模式預(yù)報(bào)總關(guān)聯(lián)度低于ECMWF和GFS模式?？傮w而言，SMS-WARMS模式對(duì)臺(tái)風(fēng)“摩羯”的100 mm以上降水的預(yù)報(bào)優(yōu)于兩家全球模式。

表4 臺(tái)風(fēng)“摩羯”三種模式降水目標(biāo)的空間檢驗(yàn)指標(biāo)(閾值為100 mm·(24 h)-1)Table 4 The spatial verification index of rainfall object of typhoon Yagi(threshold:100 mm·(24 h)-1)

圖5 SMS-WARMS(a,d,g),ECMWF(b,e,h)和GFS(c,f,i)模式2018年8月13日08時(shí)、12日08時(shí)和11日08時(shí)起報(bào)13日08時(shí)—14日08時(shí)24 h累積降水經(jīng)由MODE方法識(shí)別出的臺(tái)風(fēng)“摩羯”降水目標(biāo)(閾值為100 mm·(24 h)-1,填色區(qū)域?yàn)橛^測目標(biāo)，廓線為預(yù)報(bào)目標(biāo))Fig.5 The rainfall object of typhoon Yagi recognized by MODE of Accumulated 24 h rainfall observed by stations from 08∶00 BT 13 August to 08∶00 BT 14 August in 2018 forecasted by(a,d,g)SMS-WARMS,(b,e,h)ECMWF and(c,f,i)GFS at 08∶00 BT 13 August,08∶00 BT 12 August and 08∶00 BT 11August(threshold:100 mm·(24 h)-1,the coloring area indicates the observation object and outline is the forecast object)

表5給出了臺(tái)風(fēng)“安比”的MODE空間檢驗(yàn)指標(biāo)，閾值為100 mm·(24 h)-1。從檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，GFS模式7月23日08時(shí)預(yù)報(bào)沒有與觀測相匹配的降水目標(biāo)。ECMWF模式24 h預(yù)報(bào)的總關(guān)聯(lián)度高于SMS-WARMS模式，而48 h和72 h則是SMS-WARMS模式高于兩家全球模式。從面積比指標(biāo)可以看出，SMS-WARMS模式對(duì)臺(tái)風(fēng)“安比”降水目標(biāo)面積預(yù)報(bào)偏大，而ECMWF和GFS模式則預(yù)報(bào)面積偏小。

表5 臺(tái)風(fēng)“安比”三種模式降水目標(biāo)的空間檢驗(yàn)指標(biāo)(閾值為100 mm·(24 h)-1)Table 5 The spatial verification index of rainfall object of typhoon Ampil(threshold:100 mm·(24 h)-1)

3.3 MODE統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

對(duì)三個(gè)華東登陸臺(tái)風(fēng)過程中最強(qiáng)的累積24 h降水時(shí)段做MODE空間檢驗(yàn)分析，分別選取模式三次起報(bào)的數(shù)據(jù)做對(duì)比分析(具體時(shí)間見表6)。圖6為SMS-WARMS模式、ECMWF模式和GFS模式對(duì)三個(gè)臺(tái)風(fēng)經(jīng)由MODE方法識(shí)別出的預(yù)報(bào)降水目標(biāo)內(nèi)部強(qiáng)度分布情況。圖6a為50 mm降水目標(biāo)，如圖所示，除10%分位值與ECMWF和GFS模式相當(dāng)外，SMS-WARMS模式各個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)效的各分位值(25%、50%、75%和90%)均高于ECMWF和GFS模式。100 mm降水目標(biāo)的情況類似(圖6b)，除48 h的10%分位值與GFS模式相當(dāng)外，SMS-WARMS模式預(yù)報(bào)降水目標(biāo)各分位值均強(qiáng)于兩個(gè)全球模式，說明區(qū)域模式對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的預(yù)報(bào)強(qiáng)度強(qiáng)于全球模式，并且在高分位值(75%分位和90%分位)表現(xiàn)得更為明顯，體現(xiàn)出其對(duì)臺(tái)風(fēng)極值降水預(yù)報(bào)的優(yōu)勢。

表6 模式起報(bào)時(shí)刻與檢驗(yàn)時(shí)段Table 6 The initial times of models and the valid times

圖6 SMS-WARMS、ECMWF、GFS模式對(duì)三次臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水MODE檢驗(yàn)識(shí)別出的降水目標(biāo)強(qiáng)度分位箱型圖(閾值分別為50 mm·(24 h)-1(a)和100 mm·(24 h)-1(b))Fig.6 The intensity quantile box plot of precipitation object recognized by MODE in view of three typhoonheavy precipitation processes forecasted by SMS-WARMS,ECMWF and GFS model with threshold(a)50 mm·(24 h)-1 and(b)100 mm·(24 h)-1

圖7為多模式預(yù)報(bào)3個(gè)臺(tái)風(fēng)經(jīng)由MODE方法識(shí)別出降水目標(biāo)空間檢驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，閾值分別為50 mm·(24 h)-1和100 mm·(24 h)-1。如圖7a所示，對(duì)于50 mm以上量級(jí)降水，SMS-WARMS模式24 h和72 h預(yù)報(bào)的降水目標(biāo)質(zhì)心距離均小于ECMWF和GFS模式，ECMWF模式的48 h預(yù)報(bào)質(zhì)心距離小于另外兩個(gè)模式。100 mm以上降水目標(biāo)質(zhì)心距離的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與50 mm類似(圖7b)。GFS模式24 h和72 h預(yù)報(bào)的50 mm降水目標(biāo)軸角差小于SMS-WARMS和ECMWF模式(圖7c)，ECMWF模式48 h預(yù)報(bào)降水目標(biāo)軸角差最小；100 mm降水目標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果則是SMS-WARMS的24 h和48 h預(yù)報(bào)目標(biāo)軸角差最小(圖7d)，GFS模式72 h預(yù)報(bào)目標(biāo)軸角差最優(yōu)。從50 mm降水目標(biāo)面積比可見(圖7e),SMS-WARMS模式預(yù)報(bào)降水目標(biāo)和觀測目標(biāo)平均面積比24 h至72 h分別為1.12、1.49和1.11，說明模式對(duì)3個(gè)臺(tái)風(fēng)50 mm降水目標(biāo)面積預(yù)報(bào)均偏大，而ECMWF和GFS模式則相反，ECMWF模式24 h-72 h平均預(yù)報(bào)50 mm目標(biāo)面積比分別為0.9、1和0.88，GFS分別為0.69、0.82和0.64，GFS模式預(yù)報(bào)降水面積相對(duì)觀測明顯偏小，在100 mm降水目標(biāo)面積預(yù)報(bào)上也呈現(xiàn)出同樣的特征(圖7f)。圖7g為多模式預(yù)報(bào)暴雨降水目標(biāo)和觀測目標(biāo)的總關(guān)聯(lián)度，從3個(gè)臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)結(jié)果可見，SMS-WARMS模式24 h和72 h預(yù)報(bào)總關(guān)聯(lián)度高于ECMWF和GFS模式，ECMWF模式48 h預(yù)報(bào)總關(guān)聯(lián)度最高。從大暴雨預(yù)報(bào)目標(biāo)的總關(guān)聯(lián)度分析(圖7h)，SMS-WARMS模式24 h和72 h預(yù)報(bào)總關(guān)聯(lián)度高于ECMWF和GFS模式，48 h與ECMWF模式相當(dāng)。

圖7 多模式預(yù)報(bào)3個(gè)臺(tái)風(fēng)經(jīng)由MODE方法識(shí)別出的降水目標(biāo)空間檢驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(a,c,e,g閾值為50 mm·(24 h)-1;b,d,f,h閾值為100 mm·(24 h)-1)Fig.7 The spatial verification statistic results of rainfall objects recognized by MODE method of three typhoons forecasted by multiple models,the threshold of(a,c,e,g)is 50 mm·(24 h)-1 and(b,d,f,h)is 100 mm·(24 h)-1

綜上，GFS模式對(duì)于三個(gè)登陸臺(tái)風(fēng)50 mm以上強(qiáng)降水范圍預(yù)報(bào)偏小，偏弱，EC模式優(yōu)于GFS模式，但對(duì)強(qiáng)降水影響范圍仍估計(jì)不足。SMS-WARMS對(duì)于50 mm以上強(qiáng)降水空間落區(qū)預(yù)報(bào)略優(yōu)于全球模式，在100 mm以上強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)優(yōu)勢更為明顯，但存在降水預(yù)報(bào)范圍偏大的特征。其原因可能是由于全球模式分辨率較粗，對(duì)對(duì)流的描述很大程度上依賴于積云參數(shù)化，因此缺乏表征對(duì)流發(fā)生、組織、發(fā)展和日變化的能力，導(dǎo)致對(duì)臺(tái)風(fēng)極值降水的預(yù)報(bào)偏弱。而區(qū)域中尺度模式由于沒有使用對(duì)流參數(shù)化，部分次網(wǎng)格通量就會(huì)被強(qiáng)制在網(wǎng)格尺度上表現(xiàn)出來，通常的表現(xiàn)是網(wǎng)格尺度上的垂直速度過強(qiáng)，激發(fā)的對(duì)流過強(qiáng)，從而導(dǎo)致預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)降水偏強(qiáng)。

5 結(jié)論和討論

采用MODE空間檢驗(yàn)方法對(duì)SMS-WARMS、ECMWF和GFS三個(gè)模式2018年三個(gè)華東登陸臺(tái)風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，從模式對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水目標(biāo)的空間預(yù)報(bào)能力角度進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)MODE空間檢驗(yàn)方法相對(duì)于傳統(tǒng)TS評(píng)分，不僅可以通過總關(guān)聯(lián)度指標(biāo)區(qū)分模式對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)性能，而且可從降水目標(biāo)的角度，通過質(zhì)心距離、面積、軸角等多種空間檢驗(yàn)指標(biāo)給出更多反映模式預(yù)報(bào)誤差的診斷信息，有助于預(yù)報(bào)員對(duì)模式預(yù)報(bào)暴雨目標(biāo)的位置進(jìn)行空間誤差訂正。

(2)三個(gè)臺(tái)風(fēng)的MODE檢驗(yàn)結(jié)果顯示，SMS-WARMS模式對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)50 mm以上強(qiáng)降水的的空間預(yù)報(bào)技巧總體優(yōu)于ECMWF和GFS全球模式，100 mm以上強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)優(yōu)勢更為明顯。對(duì)比兩家全球模式，ECMWF模式預(yù)報(bào)優(yōu)于GFS模式。降水目標(biāo)內(nèi)部強(qiáng)度分布情況顯示區(qū)域模式對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的預(yù)報(bào)強(qiáng)度強(qiáng)于全球模式，體現(xiàn)出對(duì)臺(tái)風(fēng)極值降水預(yù)報(bào)的優(yōu)勢。

(3)GFS模式對(duì)于三個(gè)登陸臺(tái)風(fēng)50 mm以上強(qiáng)降水范圍預(yù)報(bào)偏小，偏弱，ECMWF模式優(yōu)于GFS模式，但對(duì)強(qiáng)降水影響范圍仍估計(jì)不足,SMS-WARMS模式存在強(qiáng)降水預(yù)報(bào)范圍偏大的特征。

本文所得結(jié)論僅針對(duì)三次登陸臺(tái)風(fēng)過程降水進(jìn)行了檢驗(yàn)和討論，有待對(duì)更多登陸臺(tái)風(fēng)樣本降水預(yù)報(bào)的效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)造成區(qū)域模式和全球模式降水預(yù)報(bào)能力差異的原因進(jìn)行更深入的研究。