用T213产品动力过程相似释用法制作暴雨预报

用T213产品动力过程相似释用法制作暴雨预报
杨仁勇;陈有龙;符式红
【摘要】By virtue of the similarity between the dynamic processes from the T213 products on the MICAPS platform corresponding to the three-dimensional physical element fields relative to the formation, development, and extinction of heavy rainfall, the yes/no prediction of regional heavy rainfall is made according to the comprehensive examination and analysis of the number of similar fields. Forecast factors include vorticity, divergence, vertical velocity, and moisture flux convergence at 850 hPa, 700 hPa, and 500 hPa, at the time scales of 12-, 24- and 36-hour forecast fields, respectively. The programming, automation, and objectivity are realized. The two types of models constructed by means of weather processes are based on the field-mean distance. The verification indicates that the prediction results of heavy rainfall are satisfactory, with the mean TS of 2004 to 2010 (May to October) being over 33%.%用MICAPS平台中的T213产品场与暴雨发生的初始、中间、结束过程相对应的三维空间物理量场的相似程度,根据场相似的数量综合判别分析作出有无区域暴雨的预报.预报因子选取涡度、散度、垂直速度和水汽通量散度,空间使用850、700、500 hPa,时间上选取12、24、36 h预报场.该方法实现了区域暴雨预报的客观化和程序化.根据天气过
程分类建立的两类模型以场平均距离为依据,作出的暴雨预报检验效果令人满
意,2004-2010年的5-10月7年平均预报准确率超过33％,具有较好的实践参考
指导作用.
【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2012(040)003
【总页数】5页(P401-405)
【关键词】相似预报;暴雨;动力过程;模型;T213;MICAPS
【作者】杨仁勇;陈有龙;符式红
【作者单位】南京信息工程大学大气科学学院,南京210044;海南省气象台,海口570203;海南省气象台,海口570203;海南省气象台,海口570203
【正文语种】中文
数值预报发展至今，已到了一个非常成熟的阶段，在新的预报业务体制建设中，从传统的天气分析预报转向数值预报产品的解释应用是一项具有长期性的重要工作。

我国的T213中期数值预报系统从2002年投入业务应用至今已经稳定运行多年，积累了丰富的历史资料，为广大基层台站的数值产品释用工作创造了良好的条件。

作为相似预报方法，很早就有预报员研究开发和使用过［1］。

谢齐强等［2］在“八五”期间进行过暴雨落区动力过程相似预报方法的研究，但使用的是LAFS资料；袁英美［3］使用ECMWF和T106资料进行过研究，但动力过程只选用了0、24 h预报场；杨仁勇、伦绪勇等［4］使用过HLAFS资料研究过黔东南地区暴雨
预报；万日金等［5］使用ECMWF资料研究过广东区域暴雨预报。

在T213资料应用研究方面也较多，杨仁勇［6］、杨建松等［7］用场相似释用法研究过一般
性降水预报；施望芝等［8］用T213产品做过暴雨诊断并对暴雨释用作了尝试性
分析；韦惠红等［9］对T213降水预报场用SVM方法做过武汉区域暴雨预报研究。

T213系统已经业务运行多年，积累了多年的历史资料，将T213产品资料应
用于暴雨预报方面的研究工作很有意义。

本研究在前人相关研究工作的基础上，用暴雨过程动力相似方法对T213产品进行解释应用，采用研究与业务相结合方式对海南岛区域性暴雨过程进行预报研究。

由于暴雨的复杂性，每次暴雨过程的天气形势也各不相同。

发生暴雨的天气过程是否具有共同特点呢？如果存在，那么这个共同的特征就会在多次暴雨过程的平均状况下体现出来，而个别过程的特殊性则会被平滑掉。

谢齐强等［1］用中国科学院大气物理研究所的5层原始方程有限区域细网格模式作过数值试验，研究表明:有
暴雨和无暴雨两类天气过程各有其特征，而且二者的差异是十分明显的，尤其表现在垂直速度场、散度场、涡度场和水汽通量散度场上。

很多暴雨数值模拟研究也表明，暴雨期间往往水汽充足，且上升运动强烈。

说明两类动力过程是不相同的，这些物理量的差异在初始时刻不一定大，而在预报时段会明显增大，因此若选用过程相似要比只选用初始场相似更合理些。

对于在预报中选用的格点场，其场平均距离D的定义如下:
预报模型平均场分为有暴雨和晴好天气两类。

上述两式中的y表示预报时使用的
要素场，Y 1表示暴雨过程建模后的要素平均场，Y 2表示晴好天气建模后的要素
平均场，Di1表示各预报场与有暴雨模型的平均距离，Di2表示各预报场与晴好天气模型的平均距离。

y ij中的i表示第i（i＝1，2，3，…，36）个要素场，y ij中
的j表示第j（j＝1，2，3，…，121）个格点的值。

前述下标变量i和j的取值范
围是根据预报方案来确定的，预报因子i共使用36个要素场，格点数j共使用了121个（15°～25°N，105°～115°E）。

场距离D是表示两个场之间远近程度的一个标量数值。

它综合考虑了两个场中所
有格点的综合距离。

用它来判别场之间的相似，当i值给定后（即对某一要素场），若Di1＞Di2则认为相似于晴好天气模型，反之若Di1＜Di2则认为更相似于有暴
雨模型。

运用相似原理预报各类天气过程仍然是目前气象台站的常用方法之一。

预报员最习惯的思路是从大尺度环流形势、天气系统配置来分析，看其与历史天气哪一类相似然后作出预报。

暴雨天气过程往往比较复杂，我们应当研究一定时间与空间范围内的天气过程发生发展的特征。

即我们不仅要看初始状态的大气运动是否相似，而且还要看中间和结束过程的大气运动状态是否相似。

以T213分辨率为1°×1°的资料，取4个要素、3个层次和3个时效的预报场（每天36个场）来刻画有无暴雨的动力过程。

将历史个例分为两类，即有暴雨和晴好天气。

按这两类个例分别求取36个场的平均场。

作预报时首先将当日36个场按
公式（1）逐个求取与有暴雨模型场的平均距离Di1（i＝1，2，3，…，36），其
次又将这36个场按公式（2）逐个求取与晴好天气模型场的平均距离Di2（i＝1，2，3，…，36），然后再逐个对应比较Di1与Di2的大小，若Di1＞Di2则认为
该要素场相似于晴好天气模型，反之若Di1＜Di2则认为该要素场相似于有暴雨模型。

如此可获得36个相似结果，最后进行综合判别。

如果作出有暴雨的场达到一定的数量，例如18个（程序运行时这一指标可以根据实际检验中的空漏报率来进行调整，最后确定一个最佳值）即综合判别预报结果将有暴雨，否则为无暴雨。

当前T213资料用MICAPS系统中的处理方法，从解码后的相应目录下读取区域
内格点资料。

分辨率为1°×1°，选取区域为海南岛及周边范围:东西向从105°～115°E共11个格点；南北向从15°～25°N共11个格点。

区域格点总数为
11×11共121个。

使用的是每天20:00的资料。

历史T213资料选取，把每天业务中收到的T213原始资料（GRIB编码）打包压
缩成一个压缩包保存。

T213历史资料从2002年以后都有保存，当需要使用时先
解压还原，其余同当前资料处理方式，只需要将注意日期对应好即可。

用海南岛上18个站日降水量资料，每天08:00的R24资料在MICAPS里可查到，选取2004—2010年共计7年。

每年的5—10月是海南的主汛期，也是暴雨发生
相对集中的时期，因此研究只针对这段时期进行。

用2004—2008年资料建模，2009和2010年作为试报检验年。

暴雨过程入选标准为:海南岛18站中有3站次以上的降水量超过50 mm（或1站次超过100 mm）即为一次区域性暴雨天气过程。

2004—2008年的5年中共统
计出历史暴雨过程79天用于建立有暴雨场平均模型。

晴好天气过程入选标准为:海南岛18个台站每天合计降水小于22 mm，单站降水
不超过10 mm且降水站点总数不超过5个为一次区域性无暴雨天气过程。

2004—2008年的5年中共统计出247天用于建立无暴雨场平均模型。

预报因子选取:根据“八五”期间国内有关暴雨业务预报和技术研究成果经验［1］，得出有暴雨和无暴雨两类过程具有特征和差异，尤其表现在散度场、涡度场、垂直速度场和水汽通量辐合等场，选用上述4个因子。

空间层次选用500、700、850 hPa 3层。

时间过程描述选用12、24、36 h预报共3个时次。

每天作预报时共有36个场。

提高预报效果关键在于建立模型时的调试。

用最初入选的79天建立有暴雨模型的各要素场平均值，同时用最初入选的247天建立无暴雨模型的各要素场平均值。

首先回报检查这有暴雨的79天，调整参数后，其回报的最高拟合率只能达到
53/79＝67%，经检查分析发现非台暴雨回报相对较差。

于是，将这79天中的6
天（台风及以上级别的暴雨过程）剔除，用余下的73天暴雨个例（包含了热带低压至强热带风暴级别的暴雨过程25天）来重新建模，再回报这79天，发现拟合
率提高了3个百分点为55/79＝70%。

从有利于预报的原则出发，再加上预报目
标是暴雨这类重要天气，尽管有多次暴雨在回报中失败，所以也不能轻易剔除。

接下来对无暴雨模型的247天进行回报拟合，把回报错的日期剔除掉，再重新建
无暴雨模型，这样重复几次后，将回报中预报无暴雨场数目低于26个的日期都剔除掉，最后剩下204天来建模。

当用这204天的无暴雨模型与73天的暴雨模型
再重做79天的回报，拟合率又提高了5个百分点达到59/79＝75%。

此时模型效果为最佳，之后无论再调整有或无暴雨的建模个例，暴雨的拟合率都不再提高，甚至反而会降低。

表1为暴雨预报定性准确率（TS）。

表1中暴雨的TS、漏报率和空报率同一般评分规定。

“基本正确”是指预报了暴雨，而实况未出现2站以上暴雨，严格意义上被评为空报，但实况往往会出现了1站暴雨或者多站大雨或者大到暴雨情况等，它与“绝对空报”（无站点有大雨）是有区别的。

“基本正确”时暴雨预报虽然评定为空报，但还是有一定的参考价值，所以特别把它们也统计出来。

选用2004—2008年的5—10月共5年中的暴雨个例进行建模，回报检验则包含了所有暴雨过程，5年暴雨评分平均TS为33%，平均漏报率为14%，平均空报率53%，空报时平均基本正确率为29%，平均绝对空报率24%。

取得了令人满意的预报效果。

由于2009年和2010年暴雨个例未参加建模，可以视为预报检验年。

从表1中看到，2009年汛期预报有暴雨43次，漏报8次，暴雨报对次数19次，预报准确率TS为37%，漏报率为16%，空报率为47%，基本正确率为18%，绝对空报率为27%。

2010年汛期预报有暴雨36次，漏报11次，暴雨报对次数15次，预报准确率（TS）为32%，漏报率为23%，空报率为45%，基本正确率为11%，绝对空报率为34%。

总体来看，两年的暴雨评分TS均超过32%，也取得了令人满意的效果，与5年回报平均TS的33%差不多，由此可以看出此方法预报效果比较稳定。

2009年预报效果比2010年更好:主要表现在TS高出5个百分点达到37%，并且绝对空报率降低了7个百分点仅为27%。

2010年5月23日08:00海南岛18个市县无降水，天气晴好（图略），从图1a
来看，24日08:00海南岛为分散阵雨天气，仅有5个县站小雨和1个县站中到大雨。

25日08:00岛上出现了4站暴雨，其中3个县连片，2个站大雨，4个站中
到大雨，2个站小雨，出现降雨的站数达到12个，达到区域性暴雨标准。

26日仅有1站暴雨，3站大雨，7站小雨，强降水过程基本结束。

T213产品动力相似预报方法预报结果显示，5月22日该方法预报结果为“无暴雨，相似有暴雨场数为10，相似无暴雨场数为26”，因为10个相似于有暴雨场与26个相似于无暴雨场相比少了很多（23日实况全部无雨，图略）；23日该方法预报结果为“无暴雨，相似有暴雨场数为12，相似无暴雨场数为24”，12个
相似于有暴雨场比前一日稍有增加，但仍比24个相似于无暴雨场少了很多，实况见图1a；24日该方法预报结果为“有暴雨，相似有暴雨场数为20，相似无暴雨
场数为16”，实况见图1b，具体要素场的相似结果见表2，20个相似于有暴雨
场与15个相似于无暴雨场相比多出了5个，故做出有暴雨的预报结论。

从T213
产品动力相似预报方法自5月22—25日这4天的预报结果来看，能够将从这次
区域性暴雨从过程开始到基本结束的天气演变较准确地预报出来，体现出了较好的预报能力。

预报方法建模采用有无暴雨的两类模型，虽然取得了较高的历史拟合率和试报准确率，但未能很好地考虑和划分台风暴雨和非台暴雨，建模有些偏简单和理想化。

采用客观相似判别方法对降水物理过程考虑得较少，在预报检验中发现，暴雨平均漏报率为14%，2007、2009、2010年的漏报次数相对偏多，有些暴雨过程漏报是因为前一天无降水，而天气发生突转，T213模式本身对天气系统漏报是可能原因，今后需要结合天气过程分析才有可能降低漏报率。

平均空报率53%，空报率相对
较高，当暴雨过程趋于结束的后期，水汽依然较多时，就有可能会出现连续空报暴雨的情况，今后应建立暴雨消空条件以及结合使用其他预报方法来降低空报率。

配合其他预报方法来使用，以弥补此方法的不足才能有效提高综合暴雨预报的准确率
和指导作用，模型的以上不足之处在后续工作中有待进一步完善和改进。

（1）预报方法目前使用的是20:00的T213资料，业务上在每天凌晨收到资料后即可自动制作暴雨动力过程相似预报，预报当天08:00至次日08:00 24 h内有无区域性暴雨。

（2）从5年回报和2年的试报共7年的预报检验效果来看，取得了令人满意的评分结果，暴雨预报TS大于等于33%。

建立模型时的调试工作很重要，需要把建模和回报配合起来，找到一个最高的暴雨拟合率，此时模型效果最佳。

（3）本预报方法采用研究与业务相结合方式。

程序里有参数本地化设置界面，便于各地推广使用，本地化主要工作是从历史观测资料中筛选出用来建模的两类个例日期，其余的建模工作等均由程序来做。

程序和历史资料我们都将无偿提供给感兴趣的同行使用。

【相关文献】
［1］李开乐.相似离度及其应用［J］.气象学报，1986，44（2）:174－183.
［2］谢齐强，江静.动力统计模型应用于三峡荆江暴雨落区的试验研究［G］∥暴雨业务预报方法
和技术研究（85－906－06课题）.北京:气象出版社，1995:58－65.
［3］袁英美.黑龙江省暴雨落区相似预报［G］∥刘还珠等.暴雨落区预报实用方法.北京:气象出版社，2000:25－29.
［4］杨仁勇，伦绪勇，杨绍洪.HLAFS产品暴雨动力过程相似释用法及业务应用［J］.气象，2003，29（7）:27－30.
［5］万日金，何溪澄，林钢.用动力相似方法预报广东省区域暴雨试验［J］.热带气象学报，2006，22（2）:200－202.
［6］杨仁勇.用T106产品场相似释用法制作分县预报产品［J］.贵州气象，2000，24（5）:3－5. ［7］杨建松，杨仁勇，姚源山.基于数据库技术的T213产品场相似释用方法［J］.气象科学，2007，（S1）:29－35.
［8］施望芝，郭施，金琪，等.2002年湖北两场连续暴雨综合诊断分析［J］.热带气象学报，2004，20（5）:609－616.
［9］韦惠红，李才媛，邓红，等.SVM方法在武汉区域夏季暴雨预报业务中的应用［J］.气象科技，2009，37（2）:145－148.。