3种数值模式对云南地区雨季降水预报的检验

3种数值模式对云南地区雨季降水预报的检验
赵宁坤;万石云;杞明辉
【摘要】为了了解数值模式降水预报在云南地区的预报效果和误差特点，利用
T639、德国和日本模式对2010—2013年云南地区雨季（5—10月）的24—72 h 降水预报进行了检验和分析。

结果表明：日本模式对云南地区雨季小雨和中雨具有较好的预报能力，T639模式对大雨和暴雨的预报效果明显优于德国和日本模式。

T639和日本模式对6—8月降水预报的 TS 评分高于其他月份，而德国模式对10月中雨及以上量级降水预报的 TS 评分明显高于其他月份和其他两种模式。

日本模式能准确预报出较强雨带的位置且降水量较接近实况，但对降水中心位置的预报偏西；T639模式能较好的预报降水中心，但预报的降水量偏大；德国模式对云南西部地区降水预报偏大，对东部地区降水预报偏小。

日本模式对台风低压影响的降水预报效果较好，而德国模式对两高辐合系统影响的大雨和暴雨预报效果较好；对冷锋切变造成的中雨及以上量级降水，T639模式的24 h 和48 h 预报更具有参考价值。

%In order to understand the precipitation forecasting performance
and error characteristics of three models, namely a T639 model,a Germany model and a Japan model in Yunnan province,24-72 hours precipitation forecast during rainy season (May to October)from 2010 to 2013 was verified and analyzed.The results show that there is a good forecasting capability to light rain and moderate rain for the Japan model.The predicting effect of T639 model is better than that of Germany and Japan models for heavy rain and rainstorm.TS scores of the T639 and Ja-pan models in June,July and August are higher than those in other
months,while those of Germany model for moderate rain to rainstorm in
October are higher than those in other months and of other models.The Japan model can correctly forecast the position of main rain belt and its predicted precipitation is close to observation,but its predicted precipitation centers are more westward.Although the T639 model could forecast centers of precipitation well,its predicted rainfall amount is greater than observation.Precipitation forecasted by the Germany model is greater than observation in the west region and less than observation in the east region of Yunnan province.The Ja-pan model shows better performance for typhoon depression than the T639 and Germany models,while the Germa-ny model has a better performance for heavy rain and rainstorm influenced by two high-pressure convergences.The 24-hour and 48-hour T639 prediction could provide references for moderate and heavy rain caused by cold front shear.
【期刊名称】《气象与环境学报》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】6页(P39-44)
【关键词】数值模式;降水预报;检验;TS 评分
【作者】赵宁坤;万石云;杞明辉
【作者单位】云南省气象台，云南昆明 650034;云南省气象台，云南昆明650034;云南省气象台，云南昆明 650034
【正文语种】中文
【中图分类】P459.9
随着数值预报理论的不断发展和完善及超级计算机性能的持续提高，数值天气预报的水平和可用性大幅度提升。

以数值预报技术为基础建立的现代综合气象预报系统，已成为气象工作者进行天气预报和气候预测的重要及有效的手段[1]。

由于数值预
报结果受到模式初值、物理过程及动力框架等多方面的影响，模式对气象要素的预报，特别是降水的预报，在量级大小、出现时间及范围均还存在一定的误差。

为了让广大预报员和模式开发人员充分认识和了解数值模式定量降水的预报水平及误差，国内研究者对多种模式在不同地区的降水预报进行了检验和评估。

王雨等[2-4]对2002年和2004年主汛期全国降水的预报检验发现，各种模式对不同区域及不同
降水量级的预报效果各有优劣。

肖明静等[5]对2010年山东地区汛期降水预报进
行了检验，结果表明T639模式的预报效果优于另外两种中尺度模式。

张宁娜等[6]和公颖等[7]的研究也表明T639模式在2009年汛期暴雨预报中优势较明显。

吴曼丽等[8]研究发现德国模式对东北地区冷涡降水预报具有一定的指示意义。

周慧等[9]认为T639模式对一般性降水的雨区范围、位置及移动趋势预报较准确。

周昆
等[10]对比检验6种数值模式的降水预报，发现MM 5和WRF模式对安徽地区的大雨及暴雨预报效果较好。

张国华等[11]根据天气分型对多种数值模式在河北地区的降水预报进行检验，结果表明T639、MM 5和T213模式对大雨及暴雨的预报
效果优于其他模式。

云南地处低纬高原，错综复杂的地形地貌加上印度季风和东亚季风的交叉影响，形成了云南地区独特而多变的天气和气候[12]。

在此特殊背景下，云南区域的定量降水预报一直以来是预报的难点和重点。

丰富的数值降水预报产品为云南地区定量降水预报提供了参考依据，业务应用已取得较好的预报效果。

针对这些定量降水产品，有研究者曾开展检验分析，如焦泽红等[13]利用欧洲数值预报中心和T213预报产品对2004年一次孟加拉湾风暴天气过程进行了分析检验，许美玲和孙绩华[14]、
张秀年等[15]分别对2001年和2009年数值模式的降水预报进行了检验。

为了了解近年来模式降水预报在云南地区的预报效果和误差分布，提高预报员的主观订正能力，本文选取预报业务中广泛使用的T639、德国和日本3种全球数值模式，从时间、空间及天气过程分类的角度对2010—2013年云南地区雨季(5—10月)的
降水预报进行检验。

降水实况选取2010—2013年5月1日至10月31日每日20—20时(北京时间，下同)云南地区125个气象观测站24 h累积降水。

与实况对应，T639、德国和日
本模式预报为每日20时起报0—24 h、24—48 h和48—72 h的24 h累积降水预报，检验时先采用双线性插值法将各模式格点资料插值到云南省125个观测站上，再进行对比检验。

检验方案采用2005年中国气象局《中短期天气预报质量检验办法(试行)》中提供
的累加降水量级检验，检验分为小雨≥0.1 mm、中雨≥10.0 mm、大雨≥25.0
mm和暴雨≥50.0 mm共4个降雨等级。

采用的降水检验统计量包括TS(Threat Score)评分、空报率、漏报率及预报偏差，计算公式为:
TS评分：
漏报率：
空报率：
预报偏差：
式(1)—式(4)中，NA为检验时段及区域内预报正确的站(次)数；NB为预报空报的站(次)数；NC为漏报的站(次)数。

2.1 雨季降水检验
由2010—2013年云南地区雨季降水TS评分结果(图1)可知，3种模式随着预报
时效和降水量级的增加TS评分均逐渐减小，对同一降水量级各模式的评分差别较小。

对于小雨，日本模式对3个预报时效的TS评分均为最高，德国模式次之，
T639模式最低。

对于中雨，日本模式对3个预报时效的TS评分也均为最高；
T639模式对24 h和48 h降水预报的TS评分略高于德国模式，而德国模式对72 h降水预报的TS评分则略高于T639模式。

对于大雨和暴雨，T639模式对3个
预报时效的评分均为最高；日本模式除对24 h大雨预报的TS评分高于德国模式，其余时效大雨和暴雨预报的TS评分均为日本模式最低。

从3种模式降水预报的空报率可见(图2)，3种
模式的空报率基本随着降水量级和预报时效的增大逐渐增大。

对于小雨量级，
T639模式对3个预报时效的空报率均为最高，德国模式对48 h预报的空报率最低，而日本模式对24 h和72 h预报的空报率最低。

对于中雨量级，日本模式预
报的空报率也明显低于其他两种模式，德国模式空报率最高，T639模式空报率略低于德国模式。

对于大雨和暴雨，日本模式预报的空报率在3个预报时效中明显
低于T639和德国模式，德国模式预报的空报率最高。

图3为3种模式降水预报的漏报率，3种模式降
水预报的漏报率随降水量级和预报时效的增大逐渐增大。

对于小雨量级，日本模式降水预报的漏报率在3个预报时效均为最高，其次是德国模式，T639模式降水预报漏报率最低。

对于中雨量级，日本模式在3个预报时效的漏报率也均为最高，
T639模式对72 h降水预报的漏报率最低，24 h和48 h降水预报则是德国模式
的漏报率最低。

在对大雨和暴雨的24—72 h预报，日本模式降水预报的漏报率最高，其次为T639模式，德国模式降水预报的漏报率最低。

预报偏差可以反映降水落区预报的相对大小，从3种模式降水预报的预报偏差可
见(图4)，小雨的
预报落区面积略偏大，其中T639模式对3个预报时效的降水落区预报偏大最多，其次为德国模式，日本模式偏差最小。

对于中雨而言，T639模式对24 h降水落
区的预报面积较实况明显偏大，而48 h和72 h预报则为德国模式预报的面积偏
大；日本模式对3个预报时效的预报面积相对较合理，其中48 h和72 h的预报
面积接近实况。

对于大雨和暴雨24—72 h的预报，日本模式预报面积明显偏小，而德国模式略偏大；T639模式24 h的预报面积接近实况，但48和72 h的预报
面积偏小。

综上所述，日本模式对小雨和中雨具有较好的预报能力，但漏报的情况较多，尤其对大雨和暴雨；T639模式对大雨和暴雨的预报效果明显优于德国和日本模式；德国模式对各级降水的预报效果介于T639和日本模式之间。

2.2 逐月降水检验
为了了解T639、德国和日本模式的降水预报在雨季不同月份的预报效果，以月为单位对3种模式的降水预报进行检验对比分析，24 h降水预报TS评分见图5。

从图5小雨的各月TS评分可见，3种模式5—10月各月的TS评分相差较小且波动较小。

3种模式均为7月的TS评分最高，T639和日本模式10月的TS评分最低，德国模式则是5月的TS评分最低。

对于中雨，德国模式5—9月的TS评分
均低于T639和日本模式；但10月，德国模式的TS评分明显高于日本和T639模式；7月日本模式的TS评分最高，6月和8月则是T639模式的TS评分最高。

对于大雨，5—9月T639模式各月的TS评分均高于日本和德国模式的而10月则是德国模式的TS评分最高，日本和德国模式的TS评分则互有高低，其中6—8月
日本模式的TS评分高于德国模式，5月、9月和10月德国模式的TS评分高于日本模式。

对于暴雨，T639和德国模式各月的TS评分互有高低，其中5月、7月
和8月T639模式的TS评分高于德国模式，而6月、9月和10月则是德国模式
的TS评分高于日本模式；日本模式的暴雨预报效果整体较差，没有出现同时高于
T639和德国模式的月TS评分，且5月、9月和10月还出现TS评分为0的情况。

对于10月德国模式预报TS评分突然增高的现象，通过查看每日TS评分发现，在对10月的降水尤其是强降水天气过程进行预报时，德国模式预报中雨及以上量级
降水正确的站数明显多于T639和日本模式；说明德国模式对于出现在10月的中
雨及以上量级降水具有较强的预报能力；48 h和72 h各月预报的TS评分变化趋势与24 h基本相似。

2.3 降水预报空间分布对比
为了反映模式对降水落区的预报能力，针对云南地区雨季日平均降水的空间分布及各模式预报情况进行分析。

图6为2010—2013年5—10月云南地区的日平均降水量实况与各模式预报的24 h日平均降水量分布，云南地区雨季日平均降水分布(图6a)与常年降水分布规律相近，较强雨带位于云南西南部和南部地区；雨带中
主要有4个降水中心，分别位于云南西部的龙陵和西盟、南部的江城及金平地区；降水相对较少的地区主要分布在云南中部地区。

比较3种模式日平均降水的预报分布发现，T639模式可预报出4个主要降水中心的位置，但预报的降水范围和降水量均明显偏大，且在云南西北部及东南部地区预报出多个降水中心，与实况不符；对降水较少地区T639模式的预报与实况也偏高较多。

德国模式对整个云南西部地区尤其是西北部地区的降水预报明显偏大，对于降水较少的东部地区，德国模式的预报比实况偏小。

日本模式对于较强雨带的位置预报较好且对大部地区的降水量预报也较接近实况，但对4个降水中心的位置预
报明显稍偏西，中心值也略偏小。

分析48 h和72 h日平均降水预报的分布(图略)，可以发现随着预报时效增加，模式降水预报值增大，但分布特征与24 h基本相似。

综上所述，日本模式可准确预报出较强雨带的位置且大部地区降水量较接近实况，但对于降水中心位置的预报偏西；T639模式可较好的预报降水中心位置，但预报的降水量偏大；德国模式对云南西部地区降水的预报偏大，对东部地区的预报偏小。

2.4 强降水过程检验
预报经验表明，数值预报产品对不同天气系统的预报能力不同。

按主要影响天气系统分类对各模式进行对比检验，可进一步了解不同模式对不同天气系统的预报能力，
选择更有参考意义的预报产品。

云南地区业务规定中，24 h内全省有22个站或以上的降水量≥25.0 mm为一次
全省性大雨过程，12个站或以上的降水量≥50.0 mm为一次全省性暴雨过程。

造成云南地区大雨和暴雨过程的主要天气系统大致有3类[16]：第一类是台风低压型，包括西行台风、孟加拉湾风暴移动至云南境内；第二类是两高辐合型，500 hPa
和700 hPa云南地区均处于西太平洋副热带高压与青藏高压之间的辐合区内，地
面上在昆明附近往往有弱静止锋存在；第三类是冷锋切变型，500 hPa云南地区
为槽前的西南气流或槽后脊前的西北气流控制，700 hPa在25°—27°N、101°—105°E附近有一东西向的切变，地面冷锋位于昆明附近。

根据上述标准，统计2010—2013年云南地区雨季出现的大雨和暴雨过程共33次，其中冷锋切变型为16次，台风低压型为10次，两高辐合型为7次。

表1为T639、德国和日本模式对2010—2013年云南地区雨季不同天气系统影响下33次强降水过程的降水预报TS评分，由表可见，3种模式对不同天气系统的
预报能力有明显差异。

整体上，3种模式对台风低压型强降水的预报能力最强且预报效果最好；其次是冷锋切变型，对于两高辐合型预报的TS评分则较低，预报效果相对稍差。

究其原因，主要是由于台风低压或孟湾风暴移动至云南地区时其移动路径稳定且带来的强降水范围较大，因此预报评分较高；而对于冷锋切变型和两高辐合型，由于切变和高压的位置、移动速度均有其不确定性且强降水局地性较强，因此预报评分相对较低。

对比3类天气系统各级降水的检验结果，发现日本模式对台风低压影响的降水预
报效果普遍优于T639和德国模式，特别是对中雨和暴雨量级降水预报的TS评分
较高，尤其对暴雨24 h预报的TS评分达11.5%。

对于两高辐合型强降水，德国
模式对大雨和暴雨预报的TS评分明显高于T639和日本模式，特别是在72 h其
他模式暴雨均漏报的情况下，德国模式仍有3.0%的评分，表现出对此类降水较强
的预报能力。

对于冷锋切变型强降水，T639模式对大雨和暴雨24 h预报的TS评分均为最高，48 h评分略下降，暴雨评分略低于德国模式；而对72 h降水预报，T639模式对暴雨则完全漏报，仅德国模式有3.4%的评分。

因此对于冷锋切变型，T639模式的24 h和48 h降水预报更具有参考价值。

(1)日本模式对小雨和中雨具有较好的预报能力，T639模式对大雨和暴雨预报效果明显优于德国和日本模式，德国模式对各级降水的预报效果介于T639和日本模式之间。

(2)T639和日本模式对6—8月降水预报的TS评分高于其他月份，而德国模式对10月出现的降水尤其是中雨及以上量级降水预报的TS评分高于其他月份和其他
两种模式。

(3)日本模式能准确预报出雨带的位置且降水量较接近实况，但对降水中心位置的
预报偏西；T639模式能较好的预报降水中心，但预报的降水量偏大；德国模式对云南西部地区的降水预报偏大，对于东部地区的降水预报偏小。

(4)日本模式对台风低压影响的强降水预报效果普遍优于T639和德国模式；德国
模式对两高辐合系统影响的大雨和暴雨预报效果优于T639和日本模式；对于冷锋切变型强降水，T639模式的24 h和48 h预报更具有参考价值。

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