GRAPES_Meso和ECMWF模式对郴州地区2019年汛期降水预报对比检验


2023年12月22日发(作者:言不及义的意思)

2021年4月第42卷第2期               JournalofXiangnanUniversity湘南学院学报               Vol.42No.2Apr.,2021GRAPES_Meso和ECMWF模式对郴州地区2019年汛期降水预报对比检验周宜卿,宋 楠,陈 伟(郴州市气象局,湖南郴州 423000)摘 要:利用GRAPES_Meso和ECMWF模式降水量预报、实况降水量等资料,计算2019年汛期两种模式的晴雨预报准确率(PC)、风险评分(TS)、漏报率(PO)、空报率(FAR)、真实技巧评分(TSS)和预报偏差(BIAS)几个量,对模式降水量预报进行了统计检验.研究结果表明:对于郴州10个国家站,GRAPES_Meso整体优于ECMWF模式,两种模式对所有气象站降水均存在预报过度的现象,其中ECMWF模式更明显;ECMWF模式的漏报率低于GRAPES_Meso模式,但其空报率高于后者;两种模式都对资兴到永兴一带的预报效果最好,对西南部预报效果最差,ECMWF模式在桂东站表现较好,GRAPES_Meso模式则对汝城站预报效果更优;对暴雨及以上量级的降水预报效果ECMWF模式明显优于GRAPES_Meso模式,而对小雨量级来说,后者更佳;两种模式对9月的预报效果最差,4月和5月较好.关键词:GRAPES_Meso模式;ECMWF模式;郴州;汛期降水;降水检验中图分类号:P456.7      文献标识码:A       DOI:10.3969/j.issn.1672-8173.2021.02.006对于现代天气的客观降水预报,数值模式占据主要作用,因此数值预报的检验和本地应用等工作受到广大气象学者的高度重视.只有通过对各种实际应用较多的模式进行系统化的检验,才能为预报员提供订正数值模式的客观化指标和主观化经验.目前对模式的检验主要通过定量化统计检验和主观天气学检验两个方面进行[1].对于预报员关心的定量降水预报而言,通过定量化检验能更直观地了解数值模式在时空方面预报效果的差异,为预报员订正数值模式的预报结论提供客观依据.定量化检验是提高预报员模式订正能力的重要手段,预报员针对不同月份、不同量级和不同站点对模式进行订正.在过去10年的天气预报中,使用最多的数值模式是ECMWF模式(以下简称为EC模式).EC模式是过去公认预报效果较好的数值模式,但中国气象科学研究院用EC和GRAPES_Meso模式(以下简称GRAPES模式)对2019年主汛期进行预报的对比检验表明,在24小时内的晴雨预报评分(PC)方面,前者低于后者,且GRAPES模式对降水次数和强度分布的预报明显优于EC模式[2],说明我国自主发展的GRAPES区域模式产品(GRAPES_Meso-10KM、GRAPES_Meso-3KM)可能在本地的预报效果会超过过去公认更好的EC模式.本文旨在通过对比这两种模式预报———8:00起报(北京时间,下同)的36小时时效和24小时时效降水量预报,评估两种模式在2019年各个月份中对不同量级、郴州各个站点的预报能力,为今后更好地应用和订正两种模式降水量做铺垫.1 资料和评估方法简介  利用中国气象数据网和cimiss里的GRAPES模式(分辨率为10km×10km)、EC模式(分辨率为0.125°×0.125°)预报场24h降水量数据,起报时间为8:00(北京时间,下同),预报时效是36h(例如1日8时起报,对1日20时到2日20时24h降水量预报),将模式降水场资料插值到郴州市10个国家气象观测站上(见表1).降水实况资料为当日20时到翌日20时的24h降水量,从郴州市10个国家气象观测站每月的A文件中提取,检验评估时段为2019年4月1日到9月30日.收稿日期:2020-08-10基金项目:湖南省气象局预报员专项项目(XQKJ19C002);湖南省气象局重点项目(XQKJ20A007)作者简介:周宜卿(1991—),女,湖南郴州人,工程师,硕士,研究方向:天气预报.·29·

湘南学院学报(自然科学版)                           2021年4月(第42卷)第2期表1 郴州10个国家气象观测站信息表站名站号经度纬度海拔/m安仁57881113°16'26°43'101.8永兴57887113°07'26°08'167.6桂东57889113°57'26°05'835.9郴州57972112°58'25°44'368.8桂阳57973112°43'25°45'329.1嘉禾57974112°22'25°35'214.5宜章57976112°56'25°24'222.8临武57978112°33'25°16'292资兴57981113°13'25°58'139.3汝城57985113°41'25°31'645.6检验方法运用日常使用较多的风险评分方法,参照《中短期天气预报质量检验办法(试行)的通知》(气发〔2005〕109号)文件.本文对郴州10个站点的2019年主汛期样本进行了晴雨检验、降水分级检验.晴雨预报准确率(PC)计算公式为:a+d×100%,ηPC=(1)a+b+c+d式中,a是有降水时预报正确的站次数,b是空报站次数,c是漏报站次数,d是无降水时预报正确的站次数.风险评分(TS)、漏报率(PO)和空报率(FAR)计算公式为:ak×100%,ηTS=(2)ak+bk+ckηPO=ηFAR=ak+ckak+bkbkck×100%,×100%,(3)(4)式中,ak是预报正确站次数,bk是空报站次数,ck是漏报站次数.将降水量分为小雨、中雨、大雨和暴雨及以上几个量级来进行检验,检验各级降水、一般性降水和暴雨及以上预报情况,k从1到4分别代表小雨、中雨、大雨和暴雨及以上量级降水.模式的预报偏差(BIAS)和真实技巧评分(TSS)的计算公式分别为:a+bφBIAS=,(5)a+cφTSS=ab-.a+cb+d(6)预报偏差(BIAS)是预报事件的发生频率,用于比较空报和漏报的程度,当空报和漏报站次越相近,预报偏差接近于1,说明预报正确;当空报次数多于漏报次数时,BIAS>1,说明预报过度,当空报次数少于漏报次数时;BIAS<1,说明预报不足.真实技巧评分(TSS)是用来衡量预报的总效果,包括有降水和无降水预报的效果,当降水和无降水事件预报都准确时,TSS为1;当降水和无降水预报都不准确时,TSS为-1,说明没有预报技巧;随机预报和固定预报的TSS均为零,如小概率事件预报得准确,TSS也较高.2 结果分析2.1 降水预报总检验检验EC和GRAPES模式对郴州2019年汛期10个国家站点降水预报的效果,由图1可见,在晴雨预报准确率、风险评分和真实技巧评分方面,GRAPES模式均好于EC模式.GRAPES模式的晴雨预报准确率为72.2%,EC模式为63.4%.从真实技巧评分来看,GRAPES模式的预报效果较好,真实技巧评分较高(TSS为0.47),而EC模式的(TSS为0.31)远不及GRAPES模式.GRAPES模式的风险评分(0.54)略高于EC模式(0.50).两个模式的预报偏差(BIAS)均大于1,说明空报次数总体多于漏报次数,特别是EC模式(BIAS为1.82),EC模式的漏报率(PO,6.2%)低于GRAPES模式(10.8%),但其空报率(FAR,48.3%)高于GRAPES模·30·

周宜卿,宋 楠,陈 伟:GRAPES_Meso和ECMWF模式对郴州地区2019年汛期降水预报对比检验式(42%),说明EC存在预报过度的情况.2.2 各站点预报检验从各个站点的检验结果(图2和图3)表明,EC模式对各个站点的晴雨预报准确率在58%到71%之间,真实技巧评分为0.24到0.42之间,风险评分在0.5到0.62之间.预报偏差在1.48到1.96之间,说明EC模式对郴州各站点都存在不同程度的预报过度,漏报率非常低,在1%到6.2%之间,但空报率较高,在36.2%到48.9%之间.而GRAPES模式的晴雨预报准确率在68.1%到78.9%之间,真实技巧评分为0.35到0.58,风险评分在0.52到0.66之间,这三个量都比图1 EC和GRAPES模式对郴州2019年汛期降水预报检验EC模式高,表明GRAPES模式对各个站点的预报效果均优于EC模式.GRAPES模式的预报偏差在1.2到1.54之间,漏报率为7.5%到19%之间,比EC模式高,空报率在27.2%到42.9%之间,低于EC模式.    图2 EC(左)和GRAPES(右)模式对郴州10个站点预报的PC、TSS和TS  ·31·

湘南学院学报(自然科学版)                           2021年4月(第42卷)第2期    图3 EC(左)和GRAPES(右)模式对郴州10个站点预报的PO、FAR和BIAS  无论是GRAPES还是EC模式的晴雨预报准确率、真实技巧评分和风险评分都是在资兴到永兴一带最高.EC模式的晴雨预报准确率和真实技巧评分在西部、南部最低,其次是郴州本站;GRAPES模式是西部和东部桂东站较差.从风险评分来看,两个模式都是在西部和北部较差,两个模式的漏报率分布情况有所不同,EC模式在安仁到资兴一带漏报最多.而GRAPES模式在郴州到桂阳一带漏报最多,从空报率的情况来看,两个模式都是在资兴到永兴一带最少,向四周增多,预报偏差分布情况与空报率分布情况相似.综合几个指标来看,两个模式对资兴站的预报效果最好,对西南部预报效果最差,对桂东、汝城山区的预报EC模式在桂东站表现较好,GRAPES模式则对汝城站预报效果更优.2.3 分级预报检验从表2可知,EC模式对各个量级的风险评分在0.09到0.43之间,其中对暴雨风险评分最高.GRAPES模式对各个量级的风险评分在0.06到0.35之间,其中对小雨量级最高,两个模式都是对大雨预报的风险评分最低(小于0.1).从漏报率的情况来看,EC模式在12.5%到85.7%之间,GRAPES模式在16.0%到83.3%之间,两个模式对小雨的漏报最少,对大雨漏报最多.EC模式对各个量级的空报率在40%到80%之间,GRAPES模式在63%到92%之间,两个模式都对大雨的空报最多,EC模式对暴雨及以上量级的空报最少,GRAPES模式则对小雨量级的空报最少.综合来看,两个模式都是对大雨量级的降水预报效果最差,对暴雨及以上量级降水的·32·

周宜卿,宋 楠,陈 伟:GRAPES_Meso和ECMWF模式对郴州地区2019年汛期降水预报对比检验预报EC明显优于GRAPES模式,而对小雨量级来说,GRAPES模式预报效果更佳.表2 EC和GRAPES模式对各个量级降水预报的TS、PO和FAR2.4 逐月预报检验检验模式4—9月逐月预报效果,如图4和图5所示.  图4 EC和GRAPES模式各月的PC、TS、TSS和BIAS  EC模式4—9月逐月的晴雨预报准确率在55%到73%之间,GRAPES模式则在68%到79%之间,除了5月EC略高于GRAPES模式,其他几个月都是GRAPES模式较好,两个模式的晴雨预报准确率都是4月最高,6月最低.EC模式对各月预报的真实技巧评分在0.02(7月)到0.55(9月)之间,GRAPES模式则在0.28(5月)到0.5(9月)之间,9月EC的评分较好,其他几个月则是GRAPES模式更佳.从风险评分来看,EC模式在0.27到0.72之间,GRAPES模式在0.26到0.75之间,两个模式都是9月评分最低,4、5月较高,其中在5月和9月,EC模式评分更高.EC模式图5 EC和GRAPES模式逐月的PO和FAR各月的预报偏差在1.38到3.02之间,GRAPES模式则在1.2到3.19之间,模式预报过度、偏差最大的时间是9月,4、5月较好,9月GRAPES模式预报过度现象多于EC模式,其他几个月EC模式更多.EC模式对各月预报的漏报率在0%(7月)到15%(9月)之间,空报率在27%(5月)到72%(9月)之间,GRAPES模式的漏报率在6%(4月)到29%(8月)之间,空报率在21%(4月)到71%(9月)之间,在汛期的几个月中,EC模式的漏报率都低于GRAPES模式,而空报率则相反.综合来看,两个模式对9月的预报效果最差,4、5月较好,在预报技巧、晴雨预报准确率和风险评分方面,EC模式在5月和9月表现略优于GRAPES模式;从漏报率情况来看,EC模式都低于GRAPES模式,空报率则相反.·33·

湘南学院学报(自然科学版)                           2021年4月(第42卷)第2期3 结论  通过对比检验EC模式和GRAPES模式对郴州2019年汛期(4月1日到9月30日)降水的预报效果可知,在晴雨预报准确率、风险评分和真实技巧评分方面,GRAPES模式均好于EC模式;两个模式的预报偏差均大于1,说明空报次数总体多于漏报次数,EC模式预报过度的情况更明显;EC模式的漏报率低于GRAPES模式,但其空报率高于GRAPES模式.总体来说,GRAPES模式对各个站点的预报效果均优于EC模式.GRAPES模式的漏报率比EC模式高,空报率低于EC模式.GRAPES和EC模式都对资兴到永兴一带的预报效果最好,对西南部预报效果最差;对桂东、汝城山区的预报,EC模式在桂东站表现较好,GRAPES模式则对汝城站预报效果更优.在降水预报的分级检验中,EC模式和GRAPES模式都是对大雨量级的降水预报效果最差,对暴雨及以上量级降水的预报EC模式明显优于GRAPES模式,而对小雨量级来说,GRAPES模式预报效果更佳.分别检验4月到9月的降水预报效果,总体来说,EC模式和GRAPES模式对9月的预报效果最差,4、5月较好;在预报技巧、晴雨预报准确率和风险评分方面,EC模式在5月和9月表现略优于GRAPES模式;从漏报率情况来看,EC模式都低于GRAPES模式,空报率则相反.参考文献:[1]周宜卿,冷谦.GRAPES_MESO模式对郴州一次强降水过程的预报检验[J].农业与技术,2020,40(13):119-129.[2]熊秋芬.GRAPES_Meso模式的降水格点检验和站点检验分析[J].气象,2011,37(2):185-193.[3]吴晶,李照荣,颜鹏程,等.西北四省(区)GRAPES模式降水预报的定量评估[J].气象,2020,46(3):346-356.[5]翟振芳,魏春璇,邓斌,等.安徽省ECMWF数值模式降水预报性能的检验[J].气象与环境学报,2017,33(5):1-9.[4]许晨璐,王建捷,黄丽萍.千米尺度分辨率下GRAPES_Meso4.0模式定量降水预报性能评估[J].气象学报,2017,75(6):851-876.[6]张晶,姚文,何晓东,等.营口地区数值预报降水产品定量检验和预报指标研究[J].气象与环境学报,2014,30(1):30-35.PrecipitationForecastModelComparisonbetweenGRAPES_MesoandECMWFin2019FloodSeasonofChenzhou(ChenzhouMeteorologicalBureau,Chenzhou423000,China)Abstract:Precipitationforecastin2019floodseasonfromGRAPES_MESOmodelandECMWFmodelareverifiedandcomparedbyusingobservationprecipitationdataintermsofPC(floodseasonweathercorecastaccuracyofmodel),TS(riskscore),PO(non-responserate),FAR(emptyrate),TSS(realskillscore)andBIAS(severalforecastaccuracy).Theresultsshowthat,ingeneral,GRAPES_MESOmodelisbetterthanECMWFmodelonprecipitationforecastinginChenzhouwholecityor10nationalstations.Overpredictionistheubiquitousphenomenoninthesetwomodels,andECMWFmodelismoreobvious.Therateofmissingre⁃portforforecastingofprecipitationfromECMWFmodelislowerthanGRAPES_MESOmodel,buttherateoffalse-alarmofECMWFmodelishigher.GRAPESMesoandECMWFmodelsshowbetterpredictionabilityforYongxingcountyandZixingcounty,butexhibitalowerperformanceinthesouthwestpartofChenzhouthanthatinotherparts.ECMWFmodelhasbetterpredictionabilitytoGuidongcounty,whileGRAPESMesomod⁃elperformsbetterinRuchencounty.GRAPESMesomodelhasastrongabilityoflightrain,buttheheavyrainfallpredictionabilityislowerthanECMWFmodel.ThesetwomodelsshowworstpredictionabilityinSep⁃tember,buttheyperformbestinAprilanMay.Keywords:GRAPESMesomodel;ECMWFmodel;Chenzhou;floodseasonprecipitation;precipitationtestZhouYiqing,SongNan,ChenWei·34·


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