RMAPS-CA系统高分辨率产品在石河子地区的检验分析

RMAPS-CA系统高分辨率产品在石河子地
区的检验分析
摘要：本文利用2020年8月至2021年9月逐日RMAPS-CA-3KM下发的预报
产品对石河子区域的地面气温、降水进行了统计检验，分析了RMAPS-CA-3KM与
微波辐射计在高空温度和湿度。

结果表明： (1)温度预报准确率总体偏低，最高
温度准确率高于最低气温，夏季高于冬季；石河子市最低气温预报趋势倾向偏低，石河子市最高气温和其他站的最低、最高气温预报倾向偏高；准确率区域分布上，最低温度北部高，最高温度南部高；最高、最低气温预报稳定性较低，最大误差
超过10℃；随时间延长准确率随之下降。

(2) 降水预报准确率除春季夜间段高于
白天段外，其他季节以及各季的晴雨准确率白天段均高于夜间段，空报率和漏报
率夜间略高于白天；降雪预报准确率高于降雨；小量、中量及大量以上降水准确
率逐次递减，空报率、漏报率逐次递增；春、秋两季高于冬夏。

(3) RMAPS-CA温
度客观分在700hpa以下高于微波实际观测，700hpa以上低于微波实际观测；暖
季温度随高度递减，而冷季则先随高度升高后又随高度下降，出现逆温，逆温层
平均在850hpa附近。

(4) RMAPS-CA比湿客观分析在700hpa以下随高度缓慢减小，700hpa以上快速减小，随温度下降在中低层比湿也迅速下降。

关键词：RMAPS-CA系统；2米温度；降水；检验；石河子
1 RMAPS-CA系统和检验方法
1.1 RMAPS-CA系统
随着数值天气预报系统时空分辨率的提高，在模式初始场中加入更丰富、更
真实的中小尺度天气信息，提供更精确的大气初始状态成为目前各个区域数值预
报系统的发展方向。

国际上广泛使用的数值预报模式的快速更新循环(Rapid Update Cycle，简称RUC) [1]同化和预报系统，可有效利用各种常规和非常规气
象资料进行同化，为数值模式提供高质量的初始场。

乌鲁木齐区域数值预报系统
DOGRAFS (Desert -Oasis -Gobi Regional Assimilation and Forecast System)前身为新疆快速更新循环数值预报同化系统(XJ-RUC)[2]，相应的检验[3,4]表明系
统在新疆地区具有一定的预报能力。

乌鲁木齐沙漠气象研究所研发的睿图一中亚系统（RMAPS-CA）以WRF v3.8.1
和WRFDA v3.8.1为核心，采用两重嵌套，全疆水平分辨率为3 km，中亚区域水
平分辨率为9 km，采用三维变分同化技术，以U/V为控制变量进行多元观测资料
的同化分析，目前每日运行4次（00、06、12、18时UTC），最长预报时效48 h。

RMAPS-CA系统采用NECP GFS 0.5°的全球分析和预报场将作为模式启动的初猜场，系统融合区域观测资料和雷达径向风的同化技术，缩短模式计算时间。

RMAPS-CA系统分辨率9～3 km嵌套、网格设置为712x532和832x652， RMAPS-
CA的长短波辐射方案为RRTMG方案，该系统于2019年下发预报产品，琚陈相等[5]选取冬季和夏季两个典型时段对该模式进行了检验，结果表明在地面温度和降水
预报方面RMAPS-CA要优于DOGRAFS，在风的预报效果方面优势不明显。

本文利用2020年8月到2021年8月RMAPS-CA下发的3km高分辨率产品对石河子地区三个
国家站的最高最低气温和降水进行了检验。

1.2资料和方法
利用2020年8月至2021年9月RMAPS-CA下发的逐日细网格预报资料（分
辨率3km），初始场为20时和08时（均为北京时），对石河子地区三个国家气
象站（石河子市、炮台、莫索湾）的2米温度和降水的预报性能进行了系统检验。

主要检验了24小时和48小时2米温度，12小时、24小时和48小时降水检验。

检验方法：根据中国气象局中短期预报检验规范
检验公式：
方差：T RMSE=[ 1/2。

误差：Δt i=f i -r i，绝对误差：∣Δt∣=n
其中 T RMSE为方差，n为样本数，Δt i为误差，f i为预报值，r i为同时间的实况值，∣Δt∣为平均绝对误差。

2结果分析
2.1 气温
2.1.1准确率
以ts表示准确率即：ts=预报正确次数/(预报正确次数+预报错误次数)，石河子区域预报ts最高气温为0.69～0.77，平均0.72，最低气温0.24～0.59，平均0.47。

各季节分析如下：
最低气温ts为春季0.38～0.56，夏季0.10～0.75，秋季0.21～0.79，冬季0.25～0.50；
最高气温ts为春季0.53～0.69，夏季0.30～0.85，秋季0.76～0.88，冬季0.38～0.55；
站点检验结果看：最低气温ts石河子比炮台、莫索湾明显偏低，而炮台相对较高且预报较为稳定，莫索湾ts起伏较大(0.32～0.75)；最高气温ts石河子市最高且较为稳定，莫索湾最低且季节起伏大，稳定性差。

2.1.2 误差分析
最高气温误差值以Δt x表示，绝对值误差以∣Δt x∣表示，最低气温误差值以Δt n表示，绝对值误差以∣Δt n∣表示。

结果表明，∣Δt n∣平均2.86℃，其中石河子市∣Δt n∣最大为4.1℃，炮台、莫索湾为2.1℃～2.3℃；各季节比较看，冬季∣Δt n∣最高为3.3℃，秋季最小为2.4℃。

最高气温∣Δt x∣平均1.7℃，其中炮台最高为1.8℃，石河子、莫索湾为1.6℃～1.8℃；各季节比较看，冬季∣Δt x∣最高为2.5℃，秋季最小为1.3℃。

两个要素误差比较看，∣Δt∣最低气温明显高于最高气温。

2.1.3方差分析
对一年预报进行方差分析，结果表明，该模式对石河子区域的温度预报总体
方差偏高，最低气温方差最小为4.0℃，最大6.4℃，最高气温方差最小为6.0℃，最大为6.2℃。

从季节分布看，最低气温在冬季方差最大，最大达到8.6℃（莫
索湾），秋季最小，最小只有1.2℃（炮台），春夏季比较相近；最高气温夏季
方差最大，最大达到14.7℃（炮台），秋季最小，最小为0.7℃（石河子）。

冬
季和春季相近。

2.1.4 系统预报的趋势性分析
按照预报与实况偏差的正负分析了模式产品预报的趋势性，结果显示，石河
子市最低气温Δt<0出现的频率达到77%，Δt=0只有23%，而炮台和莫索湾最低
气温Δt>=0出现的频率分别为52%和56%，略高于Δt<0的频率；最高气温三个
站Δt>=0出现的频率分别是61%，52%，60%，高于<0的频率。

从季节分布看，
夏季无论最高还是最低气温系统预报呈现明显的偏低趋势，其中石河子市最低气
温偏低趋势达到了99%，12月各地偏低趋势也达到了75～100%，而2～3月各地
最高最低预报偏高趋势显著，出现频率普遍达到78%～100%。

综上所述，温度预报检验有以下特点
a 准确率不高，总体准确率最高温度要高于最低温度。

b 季节差异大，夏秋季高于冬春季。

c 准确率区域分布看，最低温度北部高于南部，最高温度北部低于南部。

d 预报稳定性低，预报误差从夏秋季0℃到冬季10℃
e 预报趋势性分析显示，石河子市最低气温预报趋势倾向偏低，Δt<0出现
频率为77%，石河子市最高气温和其他站的最低、最高气温Δt<0的出现频率在39%～48%。

2.1.5 48小时温度检验分析
相对于24小时预报，主要差别有如下几点：
a预报准确率总体偏低，其中最低气温偏低17%，最高气温偏低13%。

b预报绝对误差偏高，全年误差最低气温要偏高1.1℃，最高气温偏高
0.64℃。

石河子市最低气温依然是误差最大的地方。

2.2 降水
2.2.1 24小时检验
准确率以ts表示，即ts=na/(na+nb+nc)，其中na：预报正确次数，nb：空
报次数，nc：漏报次数
a准确率
分析结果表明，24小时ts为0.26。

分季节看，春季高于其他季节，ts为
0.38～0.53，其次是秋季，ts为0.2～0.42，冬季位居第三，ts为0.11～0.29，最差是夏季，ts仅为0.13，分地域看，三地比较看，莫索湾略高于石河子市和
炮台，而炮台最低，仅为0.21。

b空报率
区域空报率为0.41～0.50。

从季节看，夏季最高，平均达到0.85，其次是
冬季，为0.56～0.86，秋季居第三，为0.44～0.76，最低的是春季，平均0.38；三地比较看，炮台高于石河子和莫索湾为0.51。

c漏报率
区域漏报率为0.60～0.73，其中秋季漏报率最低为0.20～0.57，春季漏报
率略高于秋季为0.33～0.43，其次是冬季为0.56～0.67，漏报率最高的是夏季
平均为0.58。

三地比较看，漏报率最低的是莫索湾为0.60，最高的是炮台为
0.73，石河子市为0.67。

d晴雨准确率
晴雨准确率为0.85，其中准确率最高的是秋季，平均为0.90，炮台最低为
0.87，其他两站接近为0.91～0.92，夏季最低为0.72～0.78，冬春两季接近为
0.82～0.92；区域看莫索湾略高为0.88，石河子市和炮台接近为0.84。

2.2.2 48小时降水检验的比较
与24小时检验相比较，48小时检验的结果有以下特点：ts为0.36，高于
24小时，空报率、漏报率分别为0.32，0.36，均明显低于24小时，晴雨准确率0.89，春、夏、秋季略高于24小时，冬季略低于24小时。

2.2.3 12小时检验
将未来24小时分为夜间段（20～08时，前12小时）和白天段（08～20时。

后12小时）两个时段对降水检验。

夜间段检验结果
ts全年为0.25～0.33，莫索湾最高。

分季节看，春季为0.45～0.5，三站均
为全年准确率最高时段；夏季为0.14～0.31，石河子市最高为0.31；秋季
0.11～0.33，莫索湾最高为0.33，其他两站较低且较为接近。

a空报率：全年0.36～0.54，莫索湾最低，炮台最高为0.54。

分季节看，春
季为0.25～0.36，夏季0.67～0.85，秋季0.57～0.83 ，冬季0.5～0.86，四季
比较春季空报率较低，其他季节接近。

b漏报率：全年0.60～0.65，莫索湾最低，炮台最高为0.65。

其中春季为
0.30～0.40，夏季0.6～0.8，秋季0.40～0.75 ，冬季0.40～0.75，四季比较春
季漏报率较低。

c晴雨准确率：全年0.90～0.92，莫索湾最高为0.92。

其中春季为0.92～
0.93，夏季0.83～0.88，秋季0.91～0.92 ，冬季0.9～0.94，四季比较夏季准
确率较低，而冬季最高。

白天段检验结果
ts全年为0.27～0.44，炮台最高，石河子市最低。

其中春季为0.29～0.6，
莫索湾最高为0.6；夏季为0.10～0.50，石炮台最高为0.50；秋季0.44～0.60，石河子市最高为0.60，其他两站较低但较为接近；冬季0.2～0.3。

各季节比较
秋季最高，冬季最低。

空报率：全年0.31～0.50，炮台最低为0.31。

其中春季为0.14～0.33，夏
季0.44～0.90，秋季0.25～0.50 ，冬季0.57～0.63，四季比较夏季空报率最高，春季空报率最低。

漏报率：全年0.45～0.63，炮台最低，莫索湾最高为0.63。

其中春季为
0.33～0.67，夏季0.17～0.5，秋季0.1～0.3 ，冬季0.40～0.71，四季比较秋
季漏报率较低。

晴雨准确率：全年0.92～0.93，石河子市最高为0.92。

其中春季为0.91～0.96，莫索湾最高，夏季0.87～0.94，秋季0.94～0.98 ，冬季0.91～0.92，四
季比较冬季准确率较低，而秋季最高。

综合比较看出，在分时段预报检验看，ts除春季夜间段高于白天段外，其他
季节以及各季的晴雨准确率白天段均高于夜间段，空报率和漏报率夜间段略高于
白天段。

2.2.4 不同性质不同量级降水的准确率检验
2.2.4.1 24小时不同性质降水检验
降雨检验：Ts为0.11～0.32，空报率为0.45～0.68，漏报率为0.67～0.88，晴雨准确率为0.84～0.90。

降雪检验：Ts为0.22～0.33，空报率为0.52～0.64，漏报率为0.47～0.64，晴雨准确率为0.78～0.86。

两种性质降水检验比较来看，液态晴雨准确率高于固态，其他三项检验结果
是降雪的评分优于降雨。

2.2.4.2 不同量级降水检验
按照小量、中量、大量和暴量[9]四级降水进行24小时检验
小量降水（雪≤3.0，雨≤6.0）：Ts为0.15～0.30，空报率为0.48～0.65，漏报率为0.58～0.79。

中量降水：Ts为0.10～0.22，空报率为0.65～0.78，漏
报率为0.70～0.91。

大量降水：Ts为0.05～0.12，空报率为0.72～0.83，漏报
率为0.73～0.94。

暴雨暴雪：Ts为0.0，漏报率为1.00。

可以看出随着量级增大，预报准确率逐渐降低，空漏报率不断增大，而对暴
量降水几乎没有预报能力。

3 RMAPS_CA_3KM客观分析产品分析石河子市气温、湿度垂直分布
3.1 气温
利用系统下发的逐日产品，分析了9～11月950hpa～500hpa高度层石河子
市高空温度分布及变化，主要结论是：
9月和10月800hpa以下温度随高度缓慢下降，下降幅度分别为9.7℃和
7.1℃，800hpa以上气温快速下降，下降幅度分别为23.9℃和22.2℃。

这两个月
平均分布看没有逆温，但在低层温度垂直递减率小，温度分布近乎垂直状态，不
利于空气的垂直交换。

11月在850hpa以下温度随高度略有上升，上升强度为0.8℃，有逆温存在，850hpa～800hpa气温呈缓慢下降趋势，800hpa以上气温快速下降，下降幅度为34.7℃。

逆温形成时间：从逐日要素变化看到，石河子市上空逆温形成于11月5到
10日，此后逐渐增强，在受到冷空气侵袭时逆温减弱或消失，并保持1～2天，
此后逆温将再次形成并维持，直到下次冷空气入侵。

从上述分析可以看出，9～11月500hpa以下高度层内基本特征为：800hpa
以上气温快速下降；850hpa～800hpa气温呈缓慢下降趋势；850hpa以下温度随
高度变化小，到11月温度随高度略有上升，开始有逆温存在，逆温平均形成于
11月5～10日。

与RMAPS比较，微波辐射计的温度垂直分布有以下特征：
300米（约920hpa）以下温度随着高度下降很快，9～11月垂直变化率分别
为-3.0℃/100米，-2.8℃/100米，-1.1℃/100米，在300～2000米之间垂直变
化率分别为-0.61℃/100米，-0.44℃/100米，-0.29℃/100米，在2000～5500
米之间垂直变化率分别为-0.11℃/100米，-0.07℃/100米，-0.05℃/100米，可
以看出温度变化率随高度逐渐递减的。

比较分析发现RMAPS客观分析与微波辐射观测结果(图1、图2）有以下不同：
近地层（300米以下）RMAPS温度分析随高度缓慢下降，11月略有上升，而
微波辐射计则随高度下降较快。

300米～2000米RMAPS温度分析随高度下降较快，而微波辐射计则随高度下
降缓慢；
2000米以上两种资料均显示温度随高度快速下降。

中低层（2500米）以下rmaps客观分析高于微波实际观测。

图1 Rmaps-CA温度客观分析
图2 Rmaps与微波辐射计温度差
3.2 湿度
这里利用RMAPS客观分析和微波辐射资料分析了2021年9～11月950hpa～500hpa高度层比湿的垂直分布并对两种资料结果进了对比（图3）。

分析结果显示：比湿在2000米以下是随高变化较小，越暖的时段比湿越大，进入冷季比湿明显下降。

2000米以上呈快速减小趋势，暖季比冷季减小幅度更大。

图3 秋季各月微波辐射的高度-比湿图
4结论与讨论
利用RMAPS-CA系统，通过对2020年8月到2021年9月的预报效果检验，
得到以下结论：
（1）RMAPS-CA系统在石河子区域的检验中具有一定的准确率，但预报稳定
性较低，夏季预报性能好于冬季，最高气温准确率高于最低气温。

产品在特定时
段具有一定的使用价值。

（2）温度预报具有较明显倾向，石河子市最低气温预报偏低倾向频率达到70%以上，石河子市最高气温、炮台、莫索湾最低气温和最高气温偏高倾向频率60%以上。

（3）降水预报准确率春、秋两季高于冬夏；降雪预报准确率高于降雨；小
量级别准确率较高，中量及大量以上降水准确率逐次递减，空报率、漏报率逐次
递增；除春季夜间段高于白天段外，其他季节以及各季的晴雨准确率白天段均高
于夜间段，空报率和漏报率夜间段略高于白天段。

（4）RMAPS-CA温度客观分析与微波辐射资料对比分析表明，在700hpa以下
明显高于微波实际观测，700hpa以上低于微波实际观测，并且偏低幅度随高度增大；暖季温度随高度递减，而冷季则先随高度升高后又随高度下降，11月开始出
现逆温，逆温层平均在850hpa附近。

（5）RMAPS-CA比湿客观分析在700hpa以下随高度缓慢减小，以上快速减小；随温度下降在中低层比湿也迅速下降。

（6）从检验分析看RMAPS-CA系统同化的资料仍然较少，仅仅包括常规观测
资料、雷达资料径向风和卫星遥感;同化系统本身还需要更多的调整，尤其是高
分率下如何更加有效地利用临近资料。

表现在预报的稳定性、准确性及预报偏差
还远不如主观预报和精细化预报。

本文只做一年的检验，还需要做更深入和全面
的分析检验。

参考文献
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石河子气象局科研资助项目（sky202007）
作者简介：丁虎(1964-)，男，山东乳山人，高级工程师，从事天气气候预
报研究工作。