基于全国站点的日降水预报消空方法研究

王姝苏　李敏　丁伟　顾浩

摘要    利用ECMWF、GRAPES_GFS、GRAPES_MESO、JAPAN 4个模式1～3 d日降水量预报结果，并以2 402个国家地面气象观测站24 h累计降水量作为观测资料，基于全國站点进行降水预报的消空处理，并与直接插值到站点的模式降水预报值进行对比。结果表明，经过消空处理后，各个模式不同时间起报、不同预报时效无雨空报的现象相比直接插值都得到明显改善，因为晴雨预报准确率更高，空报率更低;20：00起报的直接插值空报现象更严重，消空处理后空报现象少于8：00起报的;GRAPES_MESO是4个模式中直接插值空报现象最少的，直接插值空报现象相对较多的模式经过消空处理后空报现象改善也更明显。

关键词    日降水;站点;晴雨预报准确率;空报率;消空

中图分类号    P457.6        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）09-0201-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

数值预报在气象预报业务中发挥着越来越重要的作用，成为预报员日常预报不可或缺的参考产品。相比其他要素，降水存在不连续性、非正态分布的特点，因而一直是预报中的重点和难点，同时也是生产生活关注的热点[1-3]。数值模式的降水预报结果常存在空报、漏报的现象，影响了预报的准确率[4-6]。

对数值预报结果进行统计后处理，可以较大程度地提高预报技巧[7-8]。王亚男等[9]利用统计降水尺度方法有效改进了TIGGE各中心模式直接插值的日降水量预报效果。李  俊等[10]基于AREM模式预报产品，研究发现频率匹配法能显著改善模式日降水预报中雨量和雨区范围的系统性偏差，订正后降水预报的范围和平均强度与实况更加接近。刘绿柳等[11]采用百分位订正方法对全球气候模式（GCM）输出的日降水量进行了处理，减小了降水量偏差。王佳津等[12]基于T639模式建立最优多因子降尺度降水预报模型，发现对日降水量的预报效果优于T639模式直接输出的结果。

“有雨或无雨”的定性降水预报在天气预报中备受关注，本文针对模式预报存在的无雨空报现象进行研究，运用预报中常用的4种数值模式预报产品，通过消空处理，提高“有雨或无雨”的定性降水预报技巧。

1    资料与方法

1.1    资料来源

本文采用的预报资料是ECMWF、GRAPES_GFS、GRAPES_ MESO、JAPAN 4个模式24 h累计降水量预报，预报时段取2018年5月1日至9月30日，起报时间为8：00和20：00（北京时间），预报时效为24～72 h，预报间隔24 h，空间范围取东经70°～140°、北纬15°～55°，空间分辨率依次分别为0.125°×0.125°、0.25°×0.25°、0.1°×0.1°、0.5°×0.5°。

观测资料是全国范围内2 402个国家地面气象观测站24 h累计降水量，观测时段取与预报资料相对应的2018年5月2日至10月3日的8：00和20：00。

1.2    研究方法

1.2.1    消空方法。对于每个站点，将模式预报值与实况值进行比较，统计无雨日的模式雨量，按大小排序，选取一个临界值，雨量低于临界值设为无雨。为了有效减少无雨空报的现象，并使处理后的漏报也尽量减少，本文选取雨量临界值使无雨空报现象减少90%。消空处理方法主要是针对小雨空报问题，并不会影响其他量级降水的预报结果。

1.2.2    检验方法。

式中：PC为晴雨预报准确率，NA为降水预报正确的站（次）数，NB为空报的站（次）数，NC为漏报的站（次）数，ND为无降水预报正确的站（次）数。

式中：FAR是降水空报率，NA是预报正确的站（次）数，NB是空报的站（次）数。

2    结果与分析

将4个模式的降水预报值利用双线性插值的方法统一插值到全国2 402个国家地面气象观测站点上，然后利用消空方法对模式预报值进行处理，并与直接双线性插值的预报结果进行对比，计算晴雨预报准确率，结果如图1所示。由图1可以看出，4个模式直接插值到站点的预报结果与观测资料相比，晴雨预报准确率各有差异，GRAPES_MESO在各个预报时效的晴雨预报准确率均相对较高，ECMWF和GRAPES_GFS的晴雨预报准确率比较相近;8：00起报的4个模式晴雨预报准确率在1～3 d预报时效均高于20：00起报的;GRAPES_MESO和JAPAN模式随着预报时效的延长，晴雨预报准确率不断减小，而且JAPAN在24 h预报时效的晴雨预报准确率明显高于48 h和72 h，而ECMWF和GRAPES_GFS 2个模式晴雨预报准确率在各个预报时效相差不大。经过消空处理后，4个模式8：00和20：00起报的晴雨预报准确率在各个预报时效都有明显的提高，20：00起报的晴雨预报准确率提高程度均大于8：00起报的。GRAPES_MESO经过消空处理后，晴雨预报准确率的提高程度是4个模式中最小的，但晴雨预报准确率仍然是4个模式中最高的。

为了进一步研究消空处理对降水空报现象的改进情况，图2分别计算了4个模式8：00、20：00起报的直接插值和消空处理后无雨的空报率。将直接插值的预报结果与观测资料进行对比，4个模式8：00起报的降水空报率均小于20：00起报的;GRAPES_MESO是4个模式中空报率在各个预报时效都相对最小的，ECMWF和GRAPES_GFS的空报率在各个预报时效都比较接近，JAPAN在24 h预报时效的空报率明显小于48 h和72 h预报时效的。经过消空处理，4个模式8：00、20：00起报的降水空报率都在20%上下，相比直接插值在各个预报时效也都有了明显的减小，空报现象得到了较大的改善;直接插值空报率相对较高的模式经过消空处理，空报率的减小幅度也相对更大。

3    結论

本文利用消空方法对ECMWF、GRAPES_GFS、GRAPES_ MESO、JAPAN 4个模式8：00和20：00起报的日累计降水量进行了处理，并与直接插值到站点的模式预报值进行对比，得出以下结论。

（1）经过消空处理后，各个模式相比直接插值，不同时间起报、不同预报时效的晴雨预报准确率都有了明显的提高，无雨的空报率也明显减小，无雨空报的现象得到了明显的改善。

（2）总体来看，各模式在1～3 d预报时效20：00起报直接插值的空报现象相比8：00更严重，因为20：00起报的晴雨预报准确率更低，空报率更高;经过消空处理后，各个模式在大多数预报时效20：00起报的空报现象少于8：00起报的，20：00起报的空报改善情况比8：00更明显。

（3）就直接插值结果看，GRAPES_MESO是4个模式中空报现象最少的，经过消空处理后，ECMWF是4个模式中空报现象最少的。直接插值空报现象相对严重的模式经过消空处理后的空报改善情况更明显。

4    参考文献

[1] 智协飞，王姝苏，周红梅，等.我国地面降水的分级回归统计降尺度预报研究[J].大气科学学报，2016，39（3）：329-338.

[2] 王姝苏，智协飞，俞剑蔚，等.降水的统计降尺度预报及其空间相关性和时间连续性重建[J].大气科学学报，2018，41（1）：36-45.

[3] 王海霞，智协飞.基于TIGGE多模式降水量预报的统计降尺度研究[J].气象科学，2015，35（4）：430-437.

[4] 孙军，马学款，代刊，等.北京几次弱降水过程预报失误分析[J].气象，2018，44（1）：26-41.

[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.

[6] 高荣珍，李欣.青岛短期降水空漏报及小量降水预报指标分析[J].山东气象，2015，35（4）：18-22.

[7] 代刊，朱跃建，毕宝贵.集合模式定量降水预报的统计后处理技术研究综述[J].气象学报，2018，76（4）：493-510.

[8] 毕宝贵，代刊，王毅，等.定量降水预报技术进展[J].应用气象学报，2016，27（5）：534-549.

[9] 王亚男，智协飞.多模式降水集合预报的统计降尺度研究[J].暴雨灾害，2012，31（1）：1-7.

[10] 李俊，杜钧，陈超君.降水偏差订正的频率（或面积）匹配方法介绍和分析[J].气象，2014，40（5）：580-588.

[11] 刘绿柳，任国玉.百分位统计降尺度方法及在GCMs日降水订正中的应用[J].高原气象，2012，31（3）：715-722.

[12] 王佳津，陈朝平，王春学.BP-CCA方法用于四川盆地夏季日降水量的可预报性研究[J].高原山地气象研究，2013，33（4）：35-41.