2021年攀西地区精细化预报与数值模式小时降水检验

王佳津 , 曹萍萍 , 肖递祥*

（1. 四川省气象台, 成都 610072；2. 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 成都 610072）

引言

随着气象服务需求的日益提高，针对服务需求的精细化预报水平也需不断提高[1−2]。目前，各种专题服务需要预报员做到定点、定时、定量预报，提供更为准确的预报结果[3−5]。精细化预报的发展离不开以高分辨率模式为基础的客观技术，一方面依靠高分辨率模式本身的不断发展，从而提高精细化要素的预报准确率，另一方面通过改进释用方法，在“订正-检验-订正”的循环中，提高精细化要素预报准确率[6−10]。因此，开展对数值产品和释用方法的检验评估是必不可少的工作[11−16]。

通过检验高分辨率模式可以了解预报偏差，客观评估预报能力，为预报订正提供客观依据。针对高分辨率预报模式，国内外许多学者进行了检验和评估。国外，Gilleland等[17]检验发现观测网疏密程度对高分辨率模式降水预报的评分影响较大；Theis等[18]运用邻域法将确定性降水预报转换成概率预报，并运用概率预报评估方法进行检验；Lean等[19]对多种高分辨率模式模拟对流性降水进行了检验；Ebert[20]系统阐述了邻域法检验高分辨率模式预报降水的基本框架。国内，熊秋芬[21]通过检验CMA-MESO模式的模拟降水，发现模式对复杂地形影响的降水预报能力偏弱；潘留杰等[22]基于邻域法检验了多家高分辨率模式的预报能力，结果表明在暖季随着降水量的增大，模式预报准确率逐渐下降；曹越等[23]通过建立一个综合标准差和平均值的R指数，对ECMWF高分辨率模式降水能力进行了评估。近年来，对于高分辨率模式在西南区域的适用性研究也在逐步开展。例如，赵宁坤等[11]检验了3家高分辨率模式降水预报在云南的适用性，对比分析了在不同量级降水中，各家高分辨率模式的预报能力；谢漪云等[24]基于GRAPES千米尺度模式，从逐时降水量和降水频次入手，分析了西南复杂地形区降水预报偏差。

根据实际业务需求，了解各家高分辨率模式降水预报小时频次、小时强度、峰值时间等方面的具体表现，对于进一步完善数值预报产品应用，进而提升预报员对模式的理解释用能力具有重要的科学意义和应用价值。但目前在诸多高分辨率模式检验研究中，针对小时尺度降水的相关工作并不多见。本文基于高分辨率模式和精细化降水预报结果，针对2021年汛期攀西地区发生的主要降水过程开展小时尺度检验，以期为提升四川省精细化天气预报水平提供技术支撑。

1 资料与方法

1.1 资料

本文所有降水检验指标均基于站点计算获取。检验数据主要为CMA-MESO、西南区域模式（SWC-9 KM，以下简称SWC）两家数值模式预报的1 h降水数据（08时起报），CMA-MESO模式空间分辨率为3 km×3 km，SWC模式空间分辨率为9 km×9 km，精细化预报格点订正（GDDZ）1 h降水数据（20时起报），空间分辨率5 km×5 km，时间分辨率为1 h。实况站点数据为攀西地区483个区域自动站的逐时降水数据。检验过程中所用到的资料为各小时实况所对应的模式08时起报和GDDZ 20时起报所对应的不同时效资料，应用站点所在5 km范围内格点最大值赋值的方法将格点资料转化为站点资料。

攀西降水过程挑选标准为： ①日降水量50 mm以上站点超过50个；②日降水量25 mm以上站点超过50个且满足当天有地质灾害发生或日最大降水量超100 mm站点有3个以上。根据该标准，2021年汛期共挑选出16次降水过程，具体时间如表1所示。针对这16次攀西降水过程，开展小时降水TS（Threat Score）评分、小时降水频次、小时降水强度、峰值时间的检验。

表1 降水过程个例时间

1.2 方法

根据中国气象局制定的《重要天气预报质量评定办法》，TS评分计算公式为：

式中：h为预报时间，Arain(h)为统计时段内h时刻累计降水量，Nrain(h)为统计时段内h时刻的有效降水时数（降水量≥0.1 mm/h）。

峰值时间（Peak Hour，PH），计算各站24 h预报在一天中不同时刻降水量、小时降水强度和降雨频率的平均时间序列，最大值的时刻即为峰值时刻。

2 逐小时降水TS评分检验

2.1 晴雨TS评分

图1给出了GDDZ和CMA-MESO、SWC两家模式各个时次的晴雨TS评分。如图所示，GDDZ评分呈单峰型，最高评分为0.58，出现在07时、08时和09时。CMA-MESO、SWC两家模式评分均呈双峰型，CMAMESO第一峰值出现在07时和08时，评分为0.5，第二峰值出现在12时，评分为0.55；SWC第一峰值出现在05时，评分为0.44，第二峰值出现在13时，评分为0.38。对比3家评分，01～11时，GDDZ评分优于两家模式评分；12～23时，CMA-MESO模式评分优于SWC模式和GDDZ评分；在00时，GDDZ和CMA-MESO评分优于SWC，二者相差不大，GDDZ评分为0.3，CMAMESO为0.31。综上所述，从晴雨TS评分来看，GDDZ在00～11时表现较优，CMA-MESO模式在12～23时表现较优。

图1 GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式晴雨TS评分

2.2 大雨TS评分

图2为GDDZ和CMA-MESO、SWC两家模式各个时次的大雨TS评分。如图所示，GDDZ在24个时次中共11个时次有评分，分别是00～09时和13时，其中00时评分最高为0.12，且显著高于CMA-MESO、SWC两家模式，此外03时、04时、13时评分与CMAMESO持平，且优于SWC模式。CMA-MESO模式在24个时次中共23个时次有评分，其中10个时次评分优于GDDZ和SWC模式（01时、02时、06～09时、12时、15时、16时、19时），最高评分为0.11，出现在12时，7个时次评分与GDDZ、SWC模式评分持平（03时、04时、10时、13时、14时、18时、23时）。SWC模式在24个时次中共19个时次有评分，其中4个时次评分最高（00时、01时、05时、11时），最高评分为0.05，4个时次与CMA-MESO评分持平（10时、14时、18时、23时）。综合而言，CMA-MESO模式在大雨TS评分中表现较优。

图2 同图1，但为大雨TS评分

2.3 暴雨TS评分

图3为GDDZ和CMA-MESO、SWC两家模式各个时次的暴雨TS评分。如图所示，GDDZ只有1个时次有评分，即01时，且评分低于CMA-MESO和SWC模式。CMA-MESO模式评分在24个时次中有8个时次有评分，最高评分为0.06，分别出现在12时、14时、18时。SWC模式在24个时次中有6个时次有评分，最高评分为0.03，出现在01时。综合而言，CMA-MESO模式在暴雨TS评分中表现较优。

图3 同图1，但为暴雨TS评分

3 小时降水频次检验

图4～7分别是实况、GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式逐小时发生降水（降水≥0.1mm）频次的空间分布。从实况发生降水频次空间分布（图4）来看，00～08时，凉山州和攀枝花市大部降水发生频次高于20次，其中00～02时攀枝花市南部降水发生频次在15～20次；09～11时，凉山州西部降水发生频次约为15次，攀西其余地区降水发生频次仍高于20次；12～15时，凉山州东部和攀枝花市个别地方降水发生频次高于20次，攀西其余地区降水发生频次基本在5～10次；16～20时，凉山州西部个别地方降水发生频次高于20次，攀西其余地区大部降水发生频次在5～10次；21～23时，凉山州大部降水发生频次高于20次，攀枝花市21时、22时降水发生频次在5～10次，23时大部地区降水发生频次在15～20次。结合实况对比，分析GDDZ、CMAMESO、SWC模式降水发生频次空间分布可知，GDDZ（图5）在攀西地区各时效降水发生频次基本大于实况，均在20次以上，只有13～17时攀枝花市南部降水发生频次在5～10次，与实况较为接近。CMA-MESO模式（图6）预报攀西地区各时效降水发生频次均在20次以上，大于实况。SWC模式（图7）预报00～09时凉山州发生频次与实况一致，均在20次以上；00～02时，攀枝花市北部降水发生频次在20次以上，攀枝花市南部降水发生频次在15～20次，与实况一致；03～09时，攀枝花市南部降水发生频次小于实况；10～11时，凉山州降水频次大于实况，攀枝花市降水发生频次与实况较为接近；12～21时，攀西地区大部降水发生频次大于实况；22～23时，凉山州西北部降水发生频次在20次以上与实况较一致，攀西其余地区降水发生频次大于实况。综合而言，SWC模式预报攀西地区降水发生频次与实况更为接近。

图4 实况逐小时降水发生频次空间分布（阈值0.1 mm）

图5 同图4，但为GDDZ

图6 同图4，但为CMA-MESO

图7 同图4，但为SWC

4 小时降水强度检验

图8～11分别是实况、GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式逐小时降水强度空间分布。从实况降水强度空间分布（图8）来看，22时～次日07时，攀西地区降水强度较大，基本在1.5 mm/h以上，其中凉山州南部和攀枝花市部分地方可达5 mm/h以上；08～12时，攀枝花市降水强度在1.5 mm/h以上，而凉山州降水强度大部分在1 mm/h以下；13～21时，攀西地区大部分降水强度在1 mm/h以下，个别地方降水强度达5 mm/h以上。GDDZ（图9）预报22时～次日12时攀西地区降水强度在凉山州与实况接近，攀枝花市较实况偏小；13～21时，攀西地区降水强度大部在0.5 mm/h以上，较实况整体偏强，特别是在18～21时，凉山州大部降水强度在1.5 mm/h以上，远高于实况强度。CMAMESO模式（图10）预报攀西地区各时次降水强度，除9～12时，攀枝花市降水强度较实况偏小，其余时次攀西地区大部地方较实况偏强。SWC模式（图11）预报攀西地区各时次降水强度，22时～次日07时凉山州降水强度较实况偏大，其中22～23时攀枝花市降水强度较实况偏大，其余时段较实况偏小；09～10时，攀枝花市降水强度较实况偏小，凉山州与实况较为接近；08时和11～12时，与上述情况相反，凉山州降水强度较实况偏小，攀枝花市与实况较为接近；13～21时，攀西地区整体降水强度较实况偏大。综合而言，GDDZ预报攀西地区降水强度与实况更为接近。

图8 逐小时降水强度实况（单位：mm/h）

图9 同图8，但为GDDZ

图10 同图8，但为CMA-MESO

图11 同图8，但为SWC

5 小时降水峰值时间检验

5.1 降水量

根据不同时刻降水量确定峰值时间， 图12给出了实况、GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式降水量峰值时间的空间分布。从实况（图12a）来看，攀西地区峰值时间主要在03～06时，个别站点在18～21时和21～23时。GDDZ（图12b）预报攀西地区降水峰值时间整体也在03～06时，但与实况不同的是凉山州北部降水峰值时间多在21～23时。从CMA-MESO模式（ 图12c）预报攀西地区降水峰值时间来看，凉山州北部大多在21～23时，凉山州南部大多在00～03时，而攀枝花市北部大多在00～03时，攀枝花市南部与实况接近在03～06时。从SWC模式（ 图12d）预报攀西地区降水峰值时间来看，凉山州西部大多在21～23时，凉山州东部在00～03时，而攀枝花市大多在18～21时。综合而言，GDDZ预报攀西地区降水峰值时间更接近实况。

图12 实况（a）、GDDZ（b）、CMA-MESO模式（c）、SWC模式（d）降水量峰值时间的空间分布（单位：时）

5.2 小时降水强度

根据不同时刻小时降水强度确定峰值时间，图13给出了实况、GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式降水强度峰值时间的空间分布。从实况（图13a）来看，攀西地区降水强度峰值时间大多在03～06时，但18～21时和21～23时峰值站点只略少于上述峰值站点，零散分布于攀西地区。从GDDZ(图13b)预报攀西地区小时降水强度峰值时间来看，凉山州主要出现在15～21时，攀枝花市峰值分别出现在00～03时、03～06时、21～23时，各占1/3。CMA-MESO模式（图13c）预报凉山州降水强度峰值时间大多在18～23时，而攀枝花市峰值时段出现在03～06时和18～21时，各占1/2。SWC模式（图13d）预报凉山州降水强度峰值时间大多在18～23时，攀枝花市大多在15～18时。综合而言，CMAMESO模式预报攀西地区降水强度峰值时间更接近实况。

图13 同图12，但为降水强度峰值时间

5.3 降雨频率

根据不同时刻降雨频率确定峰值时间，图14给出了实况、GDDZ、CMA-MESO模式、SWC模式降雨频率峰值时间的空间分布。从实况（图14a）来看，攀西地区降雨频率峰值时间主要在03～06时，其中凉山州北部峰值主要出现在00～03时。从GDDZ（图14b）预报攀西地区降雨频率峰值时间来看，凉山州西部峰值主要出现在21～23时，攀西其余地区主要出现在00～06时。CMA-MESO模式（图14c）预报凉山州北部降雨频率峰值大多在21～23时，凉山州其余地区主要在03～06时，攀枝花市大多在03～06时。SWC模式（图14d）预报凉山州西部降雨频率峰值时间大多在21～23时，凉山州东部在00～03时，攀枝花市大多在09～12时。综合来看，CMA-MESO模式预报攀西地区降雨频率峰值时间更接近实况。

图14 同图12，但为降水频率峰值时间

6 结论与讨论

本文基于精细化预报（GDDZ）和CMA-MESO、西南区域模式（SWC）两家高分辨率模式的小时降水预报，从TS评分、小时降水频次、小时降水强度、峰值时间等方面，对2021年汛期攀西地区16次降水过程进行小时尺度的检验，得到如下主要结论：

（1）从逐小时降水TS评分来看，对于晴雨（≥0.1 mm），GDDZ在00～11时表现较优，CMA-MESO模式在12～23时表现较优；对于大雨（≥7 mm）和暴雨（≥15 mm），CMA-MESO模式表现较优。

（2）从小时降水频次来看，SWC模式预报攀西地区降水发生频次的空间分布与实况更为接近，00～09时凉山州降水发生频次与实况较为一致，22～23时凉山州西北部降水发生频次与实况较为一致，而GDDZ与CMA-MESO模式预报降水发生频次均大多高于实况。从小时降水强度来看，GDDZ预报攀西地区降水强度与实况更为接近，特别是09～10时凉山州降水强度与实况较为接近，而CMA-MESO与SWC两家模式预报攀西地区降水强度在大部分时次较实况偏强。

（3）根据降水量确定峰值时间，GDDZ在攀西地区的峰值时间更接近实况，能够反映出攀西地区降水量峰值多集中在03～06时的特征。根据小时降水强度和降雨频率确定峰值时间，CMA-MESO模式对攀西地区小时降水峰值时间的预报效果最优，而攀枝花市小时降水强度峰值主要出现在03～06时和18～21时。根据降雨频率确定峰值时间，预报凉山州北部降雨频率峰值大多在21～23时，凉山州其余地区主要在03～06时，攀枝花市大多在03～06时。