1、第 46 卷第 5 期气象与环境科学Vol.46 No.52023 年 9 月Meteorological and Environmental SciencesSep.2023收稿日期:2020-06-29;修订日期:2021-09-03基金项目:宁波市科技计划项目(2019C50004);浙江省气象科技计划重点项目(2017ZD06);浙江省气象科技计划项目(2018YB03)共同资助作者简介:吕劲文(1985),男,福建厦门人,工程师,硕士,从事天气预报和服务.E-mail:通信作者:涂小萍(1968),女,四川隆昌人,研究员级高级工程师,硕士,从事天气预报及其应用研究.E-mail:tx
2、p_吕劲文,申华羽,涂小萍,等.ECMWF 细网格模式降水在浙江省行政区域面雨量预报中的释用J.气象与环境科学,2023,46(5):75-85.Lyu Jingwen,Shen Huayu,Tu Xiaoping,et al.Verification and Interpretation of ECMWF Fine-grid Model in Areal Precipitation Forecast in Zhejiang Prov-inceJ.Meteorological and Environmental Sciences,2023,46(5):75-85.Doi:10.16765/ki
3、.1673-7148.2023.05.010ECMWF 细网格模式降水在浙江省行政区域面雨量预报中的释用吕劲文,申华羽,涂小萍,方艳莹,杨小荣(宁波市气象局,浙江 宁波 315012)摘要:区域面雨量预报是决策部门开展防灾减灾工作的重要参考依据。基于20122018年浙江省气象站逐日逐小时雨量和 ECMWF 细网格模式降水产品,探讨各地市中等及以上过程的面雨量月际分布特征,评估模式对上述面雨量过程的预报水平,综合考虑不同时效的降水预报,应用逐步回归方法建立分区域的面雨量解释应用预报方程。结果表明:浙江沿海暴雨个例相对较多,而内陆区域性明显降水发生概率呈现出由西南向东北减小的趋势,中等及以上面雨
4、量过程主要集中在梅雨期和台汛期,台汛期暴雨平均面雨量是梅雨期的 1.3 倍。ECMWF 细网格 24 h 面雨量预报一般较实况偏小,中雨普遍偏小 3 mm 左右,大雨偏小 712 mm,暴雨偏小 2040 mm,并且大雨和暴雨预报偏小距平百分率明显高于中雨的。随着时效的临近,模式的预报效果逐渐改善,72 h 以内的预报具有更好的参考价值。各地市订正后的预报方程预报的面雨量,较确定性预报均有不同程度的提高,其中中雨 Ts 评分提高最为明显,普遍超过 50%,同时经释用后多数地市不同量级降水的 RMSE 和 MAE 较 ECMWF 细网格预报的有所减小,预报稳定性更好,预报偏差更小。关键词:面雨量
5、;ECMWF 细网格模式;释用;浙江中图分类号:P459.9文献标志码:B文章编号:1673-7148(2023)05-0075-11引言 面雨量的预报服务是各级政府和有关部门组织区域防汛、抗洪和水库调度等决策的重要依据,也是沟通水文预报和气象预报的桥梁。面雨量估算与预报涉及多学科技术且难度较大,其精确性很大程度上取决于空间降水估测和预报1。浙江省多山地和丘陵,汛期受梅雨带及台风等天气系统影响,强降水多发,降水时空分布具有较大的复杂性。1323“菲特”台风等造成的强降水过程,引发省内城市内涝、山体滑坡和泥石流等灾害,给人民生命、财产造成了较大损失。开展数值预报产品释用,探索面雨量预报方法,对水
6、文模型中计算河道流量、预估洪水,以及决策部门开展中小河流洪水、山洪地质灾害防治等工作具有重要的意义。面雨量系指单位面积上的降雨量,即某一特定区域或流域的平均降雨状况2。1998 年夏季长江流域和嫩江、松花江流域发生特大洪涝灾害期间,为适应国家水文部门需求,中央气象台开始进行面雨量估算和预报服务,尝试为水文模式提供准确初值,从而延长洪水预见期1-2。多年来气象工作者运用不同方法开展了面雨量预报的探索,包括运用天气学方法建立天气学模型,查找面雨量预报判据,并进一步依据数值模式输出的螺旋度、500 hPa 高度和850 hPa 温度等物理量,采用要素空间建模、水汽收支平衡和支持向 量机等方法 开 展
7、 区 域 面 雨 量 预气象与环境科学第 46 卷报3-6。上述研究工作都是提高面雨量预报准确率的有益尝试。近年来,研究人员直接采用数值模式降水产品对不同省份各主要流域、盆地的面雨量预报进行了评估,结果表明,模式产品对于面雨量预报具有较好的参考价值,部分研究分析了模式对不同降水量级的预报能力,表明预报效果普遍随降水等级增大而下降7-11。ECMWF 细网格数值预报产品是气象业务重点参考的数值模式产品之一。2011 年 9 月中央气象台开始下发,前 72 h 的时间分辨率达到 3 h,72240 h 的时间分辨率为 6 h,空间分辨率为 0.25 0.25,2015 年 1 月 开 始 进 一
8、步 细 化 到 0.125 0.125。业务人员对细网格产品的不同要素在不同区域进行了初步检验12-14,结果表明 ECMWF 细网格模式较 T639、日本数值模式等模式产品有更好的预报性能,并且能为区域降雪、降雨、气温等要素的定点、定量和定时预报提供一定的依据15-19。数值模式对定量降水的预报水平不断提升20。智协飞等21以模式降水产品为基础,利用雨量分级回归的统计降尺度方法开展分析,ETS 评分等评估参数较未分级的降水预报明显提高。一些学者的研究也表明22-26,模式对于复杂地形影响下的降水及区域极端降水预报方面仍存在不足。浙江省地形复杂,是个多山、缺水、少地的省份,素有“七山一水二分田
9、”之说,复杂地形对模式预报性能必定有影响。ECMWF 细网格降水产品已积累多年,目前浙江省对该产品长时间尺度的面雨量应用还比较少。天气预报服务以行政区域进行责任划分,强降水发生时行政区域内面雨量的预报在决策服务中有重要参考价值。本研究以 ECMWF 细网格模式降水产品为基础,所作的浙江省不同行政区域中雨及以上过程的面雨量预报评估工作,可帮助预报员了解 ECMWF 模式强降水产品在浙江省不同区域的预报性能,所开展的释用研究,可为日后应用该产品开展预报提供参考。1资料和方法1.1资料介绍所用气象资料为20122018年逐日资料,包括:(1)浙江省气象观测站逐小时降水资料,含国家基本(准)气象站和中
10、尺度自动气象站(以下统称观测站),数据来源于浙江省气象信息中心,资料保存时已进行过自动质量控制,应用时进一步进行了人工质量控制,有效资料量达 80%及以上的站点才参与本文分析。(2)ECMWF 细网格预报(以下简称 EC细网格)的降水资料,逐日 2 次,起报时间为 08 时和20 时,检验时效为 120 h。1.2研究方法1.2.1面雨量计算方法 面雨量的计算方法较多,主要有泰森多边形法、三角形法、算术平均法和等雨量线法等。研究表明27-28,算术平均法简单易行,在测站多而分布较均匀的区域,与泰森多边形法等多种方法的计算结果之 间 基 本 无 差 异。浙 江 观 测 站 空 间 密 度 低 于
11、10 km,分布较为均匀,故采用算术平均法。站点逐小时雨量用于计算 12 h 累计雨量,而后计算行政区域内站点的算术平均值来代表行政区域面雨量(以下简称面雨量)。计算 EC 细网格预报的面雨量时,先将格点预报插值到观测站点,然后进行算术平均。1.2.2个例挑选 根据历史实况计算的面雨量挑选研究个例。按照行政区划,根据观测站降水资料,分别计算浙江省11 个地市08 20时(白天)、20时次日 08 时(夜间)面雨量,挑选中雨(10.0 24.9 mm)、大雨(25.0 49.9 mm)和暴雨(50.0 mm)个例作为分析对象。实际业务预报服务中,对于部分过程,其面雨量虽未达到等级阈值,但降水站点
12、比例高且影响范围大,服务中常常作晋级处理。以面雨量小雨为例,如果满足面雨量大于中雨个例平均值减去 2 倍标准差,降水站点百分比大于中雨个例平均百分比加上 1倍标准差,则本次小雨过程(图 1 中阴影区域)归入中雨个例,参与本文分析。同理分别挑选部分中雨和大雨个例,分别归入大雨和暴雨个例。对所有挑选个例通过天气形势的判别,剔除午后强对流个例。通过上述资料分析和处理,得到20122018年浙江省各地市不同等级面雨量个例(表 1)。图 1小雨个例晋级处理阈值示意R中为中雨个例平均面雨量,为中雨个例面雨量标准差,R中%为中雨个例平均百分比,%为中雨个例平均百分比标准差67第 5 期吕劲文等:ECMWF
13、细网格模式降水在浙江省行政区域面雨量预报中的释用分析表 1 发现,浙江西南部的丽水和衢州个例总数及中雨个例数均较多,总个例数分别为 422 次和 411 次,而浙北的嘉兴、湖州 2 市个例总数较少,内陆 7 市区域性中雨以上降水发生概率呈现出由西南向东北减小的趋势,沿海城市宁波、温州、台州的暴雨个例较多,14 次,这是这些区域更易受到台风影响所致。对所挑选的个例,评估 EC 细网格12120 h 预报(以下用 12 h、24 h 等表示)水平。采用双线性插值方法,将降水预报格点值插值到观测站点,再根据站点预报降水,计算各行政区域预报面雨量。表 12012 2018年浙江省各市不同等级面雨量个例
14、数次地市杭州宁波温州嘉兴湖州绍兴金华衢州舟山台州丽水中雨291270261197236256281310247274354大雨6859725651656989425262暴雨10151513101161211146总个例数3693443482662973323564113003404222浙江省中雨以上面雨量月际分布及模式预报能力评估2.1不同区域面雨量月际分布 图 2(ac)为浙江省不同行政区域面雨量为中雨、大雨和暴雨的个例数堆积图和全省平均雨量月际变化曲线。由图 2 可见,36月各量级降水个例数呈逐渐增多的趋势,6 月(梅雨期)中雨和大雨个例数达到峰值,全省超过 56.7%的中雨个例集中在
15、上述 4 个月,而大雨和暴雨的比例分别为 58.7%和30.9%。空间上,浙江西南的衢州、金华和丽水等地36 月中雨和大雨占全年比例更高。7 月随着副热带高压北抬,午后强对流天气增多,满足条件的降水个例数下降;8 月由于台风影响增多,降水个例数明显增大,特别是暴雨个例数达到峰值;9、10 月中雨和大雨个例逐渐减小,但暴雨个例与 8 月的基本持平;11 月到次年 2 月个例相对较少,且没有暴雨个例。浙北的杭州、湖州和嘉兴出现大雨的概率很低,而其余地市均有大雨的可能,其中浙南的温州个例数最多(4 个月累计大雨个例数达到 12 个)。全省平均面雨量分析结果表明,中雨个例510月相对较大,平均面雨量
16、15 mm 左右,11 月到次年 3 月普遍小于 14 mm,且各市差异不大,3 月和910月各地市平均面雨量离散性较大,如 3 月份衢州中雨个例平均面雨量达到 16.1 mm,而同期台州平均面雨量仅为 12.5 mm。大雨个例的平均面雨量同样在510月最大,在 30 mm 以上,其余月份在 30 mm 以下。4 7月的暴雨个例平均面雨量相对810月的更小,前者在 68 mm 以下,而后者则在 68 mm 以上。6 月和8 10月是全省暴雨高发时段,分别对应着浙江省的梅雨期和台汛期,所有地市均可能出现区域性暴雨。台汛期暴雨平均雨量是梅雨期的 1.3 倍,各市面雨量超过 90 mm 的个例均为台风暴雨。10 月暴雨雨量最大,12 h 累积平均超过 80 mm,主要是因为台风“菲 特”(1323)、“艾 力”(1619)和“卡 努”(1720)影响浙江时遭遇弱冷空气,冷空气对降水产生了明显的增幅作用。不同地市各等级降水累积雨量分析(图略)结果表明,沿海的宁波、台州、温州及浙北嘉兴表现出明显的双峰型降水,降水集中在江淮梅雨期和台汛期,其中温州的台汛期雨量高于梅雨期的,其余 3 个地市梅雨期雨
