GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州温度与降水预报的检验评估

袁 晨，谢清霞，刘彦华，李 力，顾天红

(贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

0 引言

在向高分辨率数值天气预报发展的过程中，我国自主发展了新一代的数值模式 Global/Regional Assimilation and Prediction System(GRAPES)，及其有限区域版本GRAPES_MESO。GRAPES_MESO的核心部分是模式的动力框架以及经过优化选取和改进的物理过程参数化方案，其主要特点包括采用全可压原始方程、静力平衡与非静力平衡可以开关式置换、半隐式半拉格朗日时间平流方案、经纬度格点的网格设计、水平Arakawa-C网格和垂直方向高度地形追随坐标等[1-2]。2016年中国气象局开始下发4.0版本的GRAPES_MESO区域中尺度模式相应的预报产品，相较以前的版本产品，其分辨率提高到10 km×10 km，增加垂直分层数量到 50 层，并改变了垂直分辨率的分布曲线， 区域为15°N～55°N，70°E～140°E，预报时长为72 h[3]。国内已有不少有关该模式的检验评估研究，大多基于客观统计检验方法，针对地面气象要素如降水、温度的预报能力进行评估。如庄照荣等[4]用不同分辨率的模式预报差异估计了GRAPES全球模式的预报误差，并指出模式误差随分辨率降低而线性增加，随预报时效增加呈线性增长趋势；叶成志等[5]检验分析了GRAPES中尺度模式在2005年长江流域重大灾害性降水过程中的预报性能，并对该模式的预报误差进行了初步探讨；康岚等[6]评估了GRAPES模式对西南夏季2 m气温的预报情况。

然而针对贵州地区复杂地形下的检验工作较少，主要为运用模式对一些暴雨个例进行模拟试验[7-9]。目前，暂无GRAPES_MESO区域中尺度模式在贵州不同季节不同区域的预报性能等方面的研究，日常业务的检验评估工作和客观检验产品也暂时处于空白状态。本文将通过客观检验方法，得出GRAPES_MESO区域中尺度模式地面要素(温度与降水)在贵州不同季节、不同区域的预报性能评估结论，为实现模式产品的本地化提供科学依据。

1 检验内容与方法

1.1 检验内容

本文所检验的内容为GRAPES_MESO区域中尺度模式2017年6月—2018年5月每日08时和20时起报的24 h预报产品，客观检验要素为日最高、最低气温和日降水3类，得到全年以及春夏秋冬四季贵州不同行政区域(遵义市、安顺市、贵阳市、铜仁市、毕节市、六盘水市、黔西南州、黔南州、黔东南州)的预报评估结论。

1.2 检验方法

将GRAPES_MESO区域中尺度模式地面2 m气温和降水预报产品插值到贵州85个国家观测站上，与实况气温和降水做对比，得出检验结论，具体检验方法如下：

1.2.1 最高、最低气温检验 统计绝对误差在2 ℃以内的最高最低气温预报准确率，并根据(1)、(2)式计算出绝对误差样本的平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE(其中Fi为第i次预报值，Oi为第i次实况值)：

(1)

(2)

1.2.2 降水要素检验 将GRAPES_MESO区域中尺度模式预报的日降水量按国家规定雨量划分标准进行不同等级(小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨)检验，公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中TS代表TS评分；FAR代表空报率；PO代表漏报率；NA为预报正确的次数，NB为空报次数，NC为漏报次数。

2 温度预报检验结果

2.1 最高气温预报检验结果

图1 为GRAPES_MESO区域中尺度模式全年和四季对高温预报的检验结果，分别为2 ℃以内预报准确率(图1a)、平均绝对误差(图1b)和均方根误差(图1c)，从全年来看，该模式对贵州最高温度的预报效果不佳，全年超过50%准确率的地区只有安顺、贵阳两市，最低在铜仁市，仅为27.4%，各地州的平均绝对误差均超过2 ℃，且预报的不稳定性较大(均方根平均值为3.6 ℃)，相较而言，预报效果较好的地区为安顺市，最差的地区为铜仁市；从不同季节的高温预报性能来看，冬春两季优于夏秋两季，但冬季的预报不稳定性最高；春、夏、冬三季高温均对安顺市预报效果最好、铜仁市最差，秋季高温则对贵阳市预报最好、黔南州最差。

图1 GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州高温预报：准确率(a)，平均绝对误差(b)，均方根误差(c)(单位℃)Fig.1 Verification results of predicting highest temperature in Guizhou by GRAPES_MESO model(a:accuracy of prediction,b:mean absolute error,c:root mean square error,unit:℃)

2.2 最低气温预报检验结果

图2为GRAPES_MESO区域中尺度模式全年和四季对低温预报的检验结果，分别为2 ℃以内预报准确率(图2a)、平均绝对误差(图2b)和均方根误差(图2c)，就全年来看，该模式对贵州最低气温的预报性能较为突出，全年9个地州平均预报准确率超过75%，预报效果最佳地区为安顺市、最差为铜仁市，9个地州的平均绝对误差都在2 ℃以内，各地州预报稳定性较高。

图2 GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州低温预报：准确率(a)，平均绝对误差(b)，均方根误差(c)(单位:℃)Fig.2 verification results of predicting lowest temperature in Guizhou by GRAPES_MESO model(a:accuracy of prediction,b:mean absolute error,c:root mean square error,unit:℃)

从不同季节的低温预报性能来看，夏季效果最好，春秋次之，冬季最差；9个地州春季的平均预报准确率为71.9%，预报效果最佳为安顺市、最差为铜仁市；夏季平均预报准确率达85%以上，平均绝对误差和均方根误差均在1.5 ℃以内，对预报有较好的指示意义，其中预报效果最佳为安顺市、最差为铜仁市；秋季平均预报准确率为75.3%，预报效果最佳为安顺市、最差为铜仁市；冬季平均预报准确率仅为68.6%，模式在贵州西部(毕节市、六盘水市)和中部(安顺市、贵阳市)的预报性能略优于北部(遵义市)和东部(铜仁市、黔东南州)城市。

3 降水预报检验结果

3.1 晴雨预报检验结果

从GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州全年晴雨预报检验结果来看(图略)，该模式对贵州9个地州晴雨预报能力较好，全年各地州平均准确率约为71.5%，且各地州相差不大，预报效果最好的地区为遵义市，最差为黔西南州，各个地州都存在较高的空报率。

从不同季节该模式对贵州晴雨预报能力来看(图略)，预报准确率最高为夏季，其次为冬季、春季，最低为秋季，空报率秋季最高、夏季最低，漏报率春季最高、冬季最低。

3.2 分级降水预报检验结果

表1为GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州全年分级降水的预报检验结果，从表1中贵州9个地州暴雨以上降水预报性能来看，各地州对大暴雨的预报能力很差，表现为低TS评分和高空报率与漏报率，在安顺、毕节、贵阳、六盘水、遵义等市是没有预报能力的；就暴雨而言，各地州均存在漏报率高于空报率情况，9个地州的平均TS评分为10%，其中TS评分最高的地区为贵阳市，同时也存较高的空报率和漏报率，分别为69%和78%，安顺、六盘水、黔西南、遵义等地州的暴雨TS评分较低，仅为5%～7%,其中遵义市的暴雨漏报率最高，达90%以上。

从贵州9个地州小雨预报能力来看还是不错的，小雨预报TS评分相差不大，评分最高地区为毕节市，相对较低为黔西南州 ，同时小雨预报的空报率还是较高的，但漏报率较低。

该模式对贵州中雨预报能力较小雨大幅度降低，9个地州平均TS评分为19%，其中评分相对较高的是六盘水市，最差为铜仁市，各地州的中雨预报空报率和漏报率都较高。

从该模式对贵州大雨预报能力来看，平均TS评分为13%，最低评分为毕节市(不足10%)，其余地州在10%～16%之间，与中雨一致，存在较高的空报率和漏报率。

表1 GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州分级降水预报检验结果Tab.1 verification results of classification rainfall forecast in Guizhou by GRAPES_MESO model

4 小结与讨论

本文通过GRAPES_MESO区域中尺度模式温度与降水预报产品和实况的对比检验分析，对该模式在贵州2017年预报性能评估如下：

①GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州高温预报效果不佳，9个地州平均预报准确率不足50%，各地州平均绝对误差均超过2 ℃，不稳定性也较大，冬春两季预报优于夏秋两季。相较而言预报效果最好的地区为安顺市，最差地区为铜仁市。

②GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州低温预报明显优于高温，具有一定指导意义，且夏季效果最好，冬季相对较差，9个地州平均预报准确率超过75%，平均绝对误差都在2 ℃以内，且预报稳定性较高，其中预报效果最好的地区为安顺市、最差为铜仁市。

③GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州晴雨预报能力较好，且各地州相差不大，预报效果最好的地区为遵义市，最差为黔西南州，各地州都存在较高的空报率，预报准确率由高到低依次为夏季、冬季、春季、秋季，空报率秋季最高、夏季最低，漏报率春季最高、冬季最低。

④GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州大暴雨的预报能力很差，就暴雨而言，9个地州均存在漏报率高于空报率情况，而TS评分最高地区为贵阳市，但同时存在较高的空报率和漏报率，TS评分最低地区为遵义市。

⑤GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州小雨预报能力较好，9个地州TS评分相差不大，评分最高地区为毕节市、最低为黔西南州，空报率较高，但漏报率较低。

⑥GRAPES_MESO区域中尺度模式对贵州中雨和大雨的预报能力较小雨大幅度降低，且存在较高的空报率和漏报率，其中中雨预报TS评分最高的地区为六盘水市，大雨预报评分最高的地区为黔东南州。