西藏高原复杂地形下数值预报精细化 检验评估

摘要：应用西藏自治区国家基本站资料，基于METEVA系统的统计检验方法，针对3h降水评估ECWMF模式对2019年1月-12月每日20时得到以下结论:(1)TS和ETS评分存在明显日变化特征，晚上比白天高。(2)TS和ETS评分空间分布看极值区东部最多。(3)EC模式临近预报相对其它时效准确率更高。(4)BS评分看在各量级上EC模式预报存在明显日变化特征。(5)逐月TS检验看存在明显季节性变化特征，夏季评分高于冬季。(6)对于20时EC模式西藏西部TS和ETS评分高于西藏东部，BS西部大于东部。

关键词：ECWMF模式；降水；TS评分

引言 

目前，多种数值天气预报模式中欧洲模式预报的准确性和精细化始终是遥遥领先。许多研究者对国内多种模式多种要素进行了不同时间段、不同区域和不同时效的预报检验评估，龚伟伟等[1]用ECMWF（欧洲数值预报中心）和JMA（日本气象厅）及 GFS（美国国家海洋大气局的全球预测系统）3种模式对我国国区域各种要素等要素进行了评估，指出ECMWF 模式优于其他模式。龚伟伟等[2]还用 JMA 、ECMWF 两种数值预报模式对我国海平面气压和地面实况风速等要素进行了检验评估，JMA、ECMWF 在我国的不同区域各自具有优势。ECMWF等模式预报产品被广泛的应用在我国天气预报业务中[3-9]。张宏芳等[10]利用不同的客观检验统计方法对比分析了ECMWF 模式和日本高分辨率模式对降水的预报能力，通过对检验结果进行分析，发现调整阈值改变预报偏差具有一定程度上提高降水的预报技巧的能力。

西藏平均的海拔高度4200m 以上，为世界上海拔最高的高原，由于其独特的地形地貌和复杂的大气环流系统造成了降水时空分布的复杂性，导致数值预报准确率提高不显著[11]。另外，各家数值预报提供了3小时精细化预报,以往模式检验注重24小时内的常规检验，无法满足现阶段精细化预报业务，因此有必要开展时间上更精细，空间上更精密的数值预报检验评估，为开展精细化预报业务数值预报模式改进提供支撑。本论文利用欧洲中心(ECMWF_HR)模式的3小时分辨率的降水预报产品和地面降水实况资料,对ECMWF_HR模式在西藏地区的降水预报产品进行了检验，分析该模式降水产品的误差时空分布特征，研究成果有利于预报员更好的应用和订正该模式，能更好的应用该模式，为强降水等灾害性天气预报和短临预报提供客观的预报依据，同时也为该模式在西藏地区的推广应用打下良好的基础。

1资料与方法

数值预报模式资料来源是2019年 1月 1日至 12月 31日每日20时起报的ECWMF模式3小时分辨率下的降水预报产品，模式分辨率为0.125°，降水实况资料选2019年1月 1日至 12月 31日的西藏74站（包括 39个有人值守站点和 25个县级自动站）3h累积降水。统计检验基于METVA检验系统的站点检验方法，插值方法为临近点插值方法。按照≥0.1mm、≥1.5 mm、≥2.9 mm、≥5 mm、≥10 mm上述4个标准将EC模式预报测站雨量及对应实况雨量进行统计，3h累计降水评分等级，统计量包括BS偏差、TS评分、FAR、ETS、TS评分对小概率事件的评分趋向于气候概率,忽略了ND的影响;BS评分用来测量事件的频率而不考虑预报的准确率,当偏差>1说明该量级降水预报面积大于实况即出现空报,反之则为漏报,偏差=1时与实况一致;ETS评分表示除去随机偶然事件后,事件发生且正确的样本数与事件发生总样本数的比率;计算公式分别如下:

公式(1)～(4)中,NA、NB、NC和ND分别为预报正确,空报,漏报和预报及观测都未出现降水,NA可表示为预报时段内预报和实况降雨量都出现的站点数,即预报命中的站数;NB表示预报出现降水而实况未出现的站点数,即空报站数;NC表示未预报而实况出现降水的站点数,即漏报站数;ND表示观测和预报都未出现降水的站TS评分。

2结果分析

按照≥1.5 mm、≥2.9 mm、≥5 mm、≥10 mm上述4个标准将EC模式预报测站雨量及对应实况雨量进行统计，连续360天统计结果显示，ECMWF模式5个预报时效上累计样本数分别为样本总数在60万以上。

2.1空间分布特征

由西藏自治区24时效的TS评分空间分布图（图1）来看可见，≥0.1mm量级降水墨脱、工布江达、聂荣的TS评分最高，≥1.5mm墨脱和朗县TS评分最高。

由48时效的TS评分空间分布图（图2）来看，≥0.1mm量级降水墨脱、工布江达、白朗、聂荣和双湖的TS评分最高，≥1.5mm墨脱和朗县TS评分最高。

图1 2019年西藏EC模式0.1mm（a）和1.5mm（b）量级降水24时效TS评分时空分布图

图2  2019年西藏EC模式0.1mm（a）和1.5mm（b）量级降水48时效TS评分时空分布图

由西藏自治区24时效的ETS评分空间分布图（图1.5-1.6）来看≥0.1mm量级降水工布江达ETS评分最高，≥1.5mm白朗和朗县TS评分最高。

由48时效的ETS评分空间分布图（图1.7-1.8）来看，≥0.1mm量级降水工布江达、聂荣和双湖的ETS评分最高，≥1.5mm白朗和朗县ETS评分最高。

图3   2019年西藏EC模式0.1mm（a）和1.5mm（b）量级降水24时效TS评分时空分布图

图4  2019年西藏EC模式0.1mm（a）和1.5mm（b）量级降水24时效ETS评分时空分布图

2.2分级降水检验

由西藏自治区2019年20时降水TS评分图（图5a）可见，模式随降水量级增加TS评分逐渐降低，模式<0.1mm评分分布在0.176～0.27之间，EC模式3小时时效上≥0.1mm、≥1.5mm和≥2.9 mm评分最高，EC模式45小时时效上≥5 mm评分最高，EC模式评分24小时时效上≥10mm 评分最高。EC模式在临近预报上准确率更高。

由EC模式ETS评分分布图（图5b）可见，随降水强度增强评分逐渐降低，模式≥0.1mm评分分布在0.104～0.179之间，模式3小时时效上≥0.1mm、≥1.5mm评分最高，模式51小时效上≥2.9 mm评分最高，模式45小时效上≥5 mm评分最高，EC模式24小时时效上≥10mm评分最高。EC模式总体优势在于3、27和51时效上。表现了日变化特征。

由EC模式降水偏差分布图（图6a）可见,EC模式预报≥0.1mm和≥1.5mm量级降水范围均大于实况，≥2.9 mm和≥5 mm降水范围均小于实况，在≥0.1mm、≥1.5mm量级上EC模式预报峰值时效上降水落区范围偏大最多，空报最明显。≥10mm漏报最明显，≥1.5mm和≥2.9mm降水落区范围最偏小。存在明显日变化特征，白天偏差略低于晚上。

由EC模式降水空报率分布图（图6b）可，≥10mm量级在24小时时效上空报率最小。≥0.1量级空报率最低稳定维持在0.7左右。

图5 2019年西藏EC模式逐三小时各量级降水TS（a）和ETS（b）评分

图6  2019年西藏EC模式逐三小时各量级降水偏差（a）和空报率（b）分布图

2.3逐月降水检验

为了进一步了解模式在不同月份的预报效果，以月为单位对模式的降水预报进行检验对比分析，从逐月各量级降水TS评分图（图7）可看出，EC模式TS峰值区出现月不同，EC模式≥0.1mm、≥1.5 mm、≥2.9 mm、≥5 mm、≥10 mm TS评分最大值分别出现在7月、7月、1月、1月、2月，TS评分最小值分别出现在11月、4月、4月，模式≥5mm TS评分4月、11月为0。可以看出EC模式优势在夏季月份。存在明显季节性变化特征，夏季评分高于冬季。

图7 2019年西藏EC模式逐月各量级降水TS评分

2.4西藏东部和西部

沿将90°E西藏分为东部和西部，比较模式对西藏东部和西藏西部降水的预报能力。由西藏东部及西部ETS、TS和BTS评分图（图8）来看可见对于20时EC模式西藏西部TS和ETS评分高于西藏东部，BS西部大于东部。空报站数西部大于东部。初步分析西藏西部评分高于东部原因如下(1)东部测站多，西部测站数量少，（2）东部降水预报偏差大的测站数多(NB样本数多)，使得在计算TS和ETS时分母偏大，使得TS和ETS数值降低。12时效和24小时时效上西部≥10 mm TS和ETS和评分最高，东部24时效上≥0.1mm、≥1.5 mm、TS和ETS和评分相对最高。各个时效上西部≥0.1mm降水落区范围偏大最多，空报最明显。48和72时效上，东部≥0.1mm、≥1.5 mm降水落区范围比其他时效偏大。

图8 2019年EC模式西藏东部（a）和西部（b）EC模式20时起报TS评分

图9  2019年EC模式西藏东部（a）和西部（b）EC模式20时起报ETS评分 

图10 2019年EC模式西藏东部（a）和西部（b）EC模式20时起报BTS评分

3结论

通过对欧洲中心(ECMWF_HR)模式的3小时分辨率的降水预报产品和地面实况降水资料，统计检验基于MET检验系统的站点检验方法，插值方法为临近点插值方法。按照≥0.1mm、≥1.5 mm、≥2.9 mm、≥5 mm、≥10 mm上述4个标准进行检验分析，得出以下结论：

(1)TS和ETS评分存在明显日变化特征，晚上比白天高；TS和ETS评分空间分布看极值区东部最多；

(2)EC模式临近预报0-72时效相对其它时效准确率更高；BS评分看在各量级上EC模式预报存在明显日变化特征；

(3)逐月TS检验看存在明显季节性变化特征，夏季评分高于冬季；

(4)对于20时EC模式西藏西部TS和ETS评分高于西藏东部，BS西部大于东部。

参考文献

[1] 龚伟伟, 师春香,张涛,等.2015a中国区域多种数值模式资料的地面气象要素评估[J].气候与环境研究,20(1):53-62.

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作者简介：次仁朗杰（1990.01）男，藏族，云南省德钦县，本科学历，工程师，从事天气预报工作。

*通讯作者：白觉平措（1991.03）男，藏族，拉萨，本科学历，工程师，主要从事综合气象观测及气象服务方向。