“23·7”华北特大暴雨数值预报检验评估.pdf
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1、张博,张芳华,李晓兰,等.“2 37”华北特大暴雨数值预报检验评估.应用气象学报,2 0 2 4,3 5(1):1 7-3 2.D O I:1 0.1 1 8 9 8/1 0 0 1-7 3 1 3.2 0 2 4 0 1 0 2“2 37”华北特大暴雨数值预报检验评估张 博1)2)张芳华1)2)*李晓兰1)2)胡 艺1)2)1)(国家气象中心,北京 1 0 0 0 8 1)2)(中国气象局水文气象重点开放实验室,北京 1 0 0 0 8 1)摘 要针对“2 37”华北特大暴雨过程,采用天气学检验及T S(t h r e a t s c o r e)评分和MO D E(m e t h o d
2、f o r o b j e c t-b a s e d d i a g n o s t i c e v a l u a t i o n)方法对中国气象局高分辨率全球同化预报系统(CMA-G F S)、较低分辨率全球集合预报系统(CMA-E P S)、欧洲中期数值预报中心集合预报系统(E C-E P S)和业务预报模式(E C-HR)、美国环境预报中心全球预报系统(N C E P-G F S)等全球模式和中国气象局区域台风数值预报系统(CMA-T YM)、中尺度天气数值预报系统(CMA-ME S O)和区域数值预报系统(CMA-B J)等进行中短期预报效果检验评估。结果表明:E C-E P S提
3、前1 4 d预报京津冀一带有过程累积降水量超过1 0 0 mm强降水的发生概率,CMA-E P S可提前1 2 d报出,但预报欠稳定且落区偏东偏南。E C-HR对1 0 0 mm以上过程累积降水量及2 d以上暴雨日的位置预报提前时效均达8 d左右,CMA-G F S的过程累积降水量预报显著偏小、强降水落区明显偏东,可用预报时效短;N C E P-G F S预报性能介于二者之间。各模式均可提前3 6 h预报强降水落区和强度的变化趋势,中尺度模式可更加精细地刻画其形态和位置分布,尤以CMA-B J为佳,但其预报偏强,其余模式不同程度偏弱,其中CMA-G F S显著偏弱。E C-HR提前8 d预报关
4、键影响系统发生发展,但低层倒槽位置偏西偏北,低空急流偏弱,低估了地形对强降水的增幅作用,是太行山东麓降水量预报偏弱的重要原因之一。整体上,E C-E P S、E C-HR的提前时效和稳定性,以及CMA-B J的落区形态和强度预报等对预报业务有较高参考价值。关键词:华北特大暴雨;数值模式;天气学检验;T S评分;MO D E检验引 言数值预报模式可为降水预报提供最有价值的参考信息,不同的模式初始场、边界条件、动力框架、物理过程及参数化方案等导致其预报效果差异明显1。对数值预报模式有针对性地进行客观统计检验和天气学检验,探究其预报性能、偏差特点及可能原因,构建订正方法,是基于数值预报模式的现代天气
5、预报业务流程中的关键环节。随着全球和区域数值模式的发展,数值模式对大范围强降水的环流形势预报能力不断提高,其预报时效和预报准确率也明显提升。我国气象工作者针对不同模式的降水预报能力进行了大量检验分析2-8,采用的检验方法包括在两个变量预报检验列联表9基础上发展的T S(t h r e a t s c o r e)评分和E T S(e q u i t a b l e t h r e a t s c o r e)评分等,利用该检验办法已开展多个气象要素场的检验工作1 0-1 1,但T S评分、E T S评分等方法为点对点检验,对雨带位置和强度的检验过于严苛,不能反映模式预报场的空间结构、预报能力的
6、尺度变化等,往往会漏掉对预报员有价值的空间信息特征1 2。H o f f m a n等1 3首次将预报误差分解为位移、振幅和剩余残差3部分,在此基础上发展了一系列空间诊断检验方法。潘留杰等1 4总结和归纳空间诊断检验技术,将其分为属性判别法、尺度分离法、邻域法和形变法,其中属性判别2 0 2 3-1 1-1 3收到,2 0 2 3-1 2-1 3收到再改稿。资助项目:国家重点研发计划(2 0 2 2 Y F C 3 0 0 3 9 0 5),国家自然科学基金项目(4 2 2 3 0 6 1 2,U 2 1 4 2 2 1 4,U 2 1 4 2 2 0 7)*通信作者,邮箱:z f h n m
7、 c 1 2 6.c o m 第3 5卷 第1期 2 0 2 4年1月 应 用 气 象 学 报J OUR NA L O F A P P L I E D ME T E O R O L OG I C A L S C I E N C E V o l.3 5,N o.1 J a n u a r y 2 0 2 4法1 5和邻域法在诊断检验中较常用。属性判别法较常用的有MO D E(m e t h o d f o r o b j e c t-b a s e d d i a g-n o s t i c e v a l u a t i o n)和C R A(c o n t i g u o u s r a i
8、 n a r e a)方法,MO D E方法可辨识二维场的空间特征,通过比较确定该空间特征在不同场的相似程度,开展相似性统计,尤凤春等1 6和张博等1 7利用该方法对华北降 水 进 行 多 样 本 空 间 检 验,苏 翔 等1 8和 董 立清1 9分别对2 0 2 0年和1 9 9 1梅雨期暴雨雨带的预报不确定性进行分析。C R A方法是E b e r t等2 0提出的基于目标的定量降水检验方法,符娇兰等2 1利用C R A方法检验了欧洲中期天气预报中心(E CM-WF)模式在西南地区东部强降水的预报,并依据检验结果分析模式的误差来源。常煜等2 2采用C R A方法分析两个区域模式对嫩江流域暴
9、雨的预报性能。王新敏等2 3采用C R A方法检验评估了4个数值模式对2 0 1 8年8月3次登陆台风暴雨过程的降水预报性能。采用多种检验手段可更加直观和定量地认识数值预报模式对不同类型天气过程的预报性能。近年华北地区极端暴雨事件多发,多角度的成因分析和预报评估2 4-2 6为全面认识极端强降水事件提供了参考。根据预报特征利用天气学检验方法评估数值模式中的行星尺度、大尺度乃至中小尺度的环流系统,得到降水预报出现偏差的可能原因2 7-2 9。2 0 2 3年7月2 9日8月1日北上台风杜苏芮(2 3 0 5)的残余环流在华北地区停滞,导致京津冀等地出现历史罕见的持续性强降水(简称“2 37”过程
10、),单站累积降水量超过1 0 0 0 mm。强降水造成房屋、道路、通信以及水电设施等损毁,还造成人员伤亡和重大财产损失,产生严重的灾害影响。对于如此罕见的持续性强降水,常用业务数值预报模式在中长期时效对其持续性和过程降水量的极端性预报效果以及短期时效对强降水的落区和强度把握情况均值得探讨。本文采用天气学检验和统计检验相结合的方式评估业务数值模式对过程累积降水量、持续时间以及关键环流系统的预报性能,并分析短期降水预报偏差,为预报员更有效地使用数值预报产品提供参考。1 资料和方法1.1 资 料本文检验的数值模式包括中国气象局高分辨率全球同化预报系统(CMA-G F S)、较低分辨率全球集合预报系统
11、(CMA-E P S)、欧洲中期数值预报中心集合 预 报 系 统(E C-E P S)和 业 务 预 报 模 式(E C-HR)、美 国 环 境 预 报 中 心 全 球 预 报 系 统(N C E P-G F S)等全球模式和中国气象局区域台风数值预报系统(CMA-T YM)、中 尺 度 天 气 数 值 预 报 系 统(CMA-ME S O)和区域数值预报系统(CMA-B J)等区域中尺度模式,检验要素包括2 0 2 3年7月1 82 9日2 0:0 0(北京时,下同)起报的降水量、5 0 0 h P a高度 场、8 5 0 h P a风 场、9 2 5 h P a风 场 和 比 湿 场。C
12、MA-G F S和E C-H R降水场原始分辨率为0.1 2 5 0.1 2 5,CMA-E P S和E C-E P S降水场原始分辨率为0.5 0.5,N C E P-G F S降水场原始分辨率为0.2 5 0.2 5,CMA-T YM和CMA-B J降水场原始分辨率为0.0 9 0.0 9,CMA-ME S O降水场原始分辨率为0.0 3 0.0 3;CMA-G F S、E C-HR和N C E P-G F S预报时效为2 4 0 h,CMA-E P S和E C-E P S预报时效 为3 6 0 h,CMA-T YM预 报 时 效 为1 2 0 h,CMA-ME S O预报时效为7 2 h
13、,CMA-B J预报时效为9 6 h5,8,1 0,2 2,3 0-3 1。所用资料包括国家气象信息中心提供的2 0 2 3年7月2 9日8月2日全国地面国家气象站和自动气象站间隔1 h的降水量,以及E CMWF发布的E R A 5逐小时再分析资料,要素包括位势高度、风场和比湿场等,水平分辨率为0.2 5 0.2 5。1.2 检验方法本文检验方法包括天气学检验、二分类检验和MO D E空间检验。天气学检验主要包括降水预报和实况的偏差对比、环流场(位势高度、风场、湿度场等)的检验分析。传统二分类检验是基于点对点的检验,评估模式的预报性能。首先利用列联表将预报和实况降水进行判定,对符合阈值条件的降
14、水事件定为1,反之定为0。MO D E方法通过给定的卷积半径对原始降水场进行卷积处理,按照给定阈值筛选满足条件的降水对象,确定降水对象空间特征在不同场的相似程度,开展相似性统计,计算匹配对象间的降水强度、面积、中心位置、轴角等各种要素。其具体方法和阈值选取依据参见文献1 6。本文插图所涉及的国界和行政区域界线基于审图号为G S(2 0 1 9)3 0 8 2号标准地图制作,底图无修改。81 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 2 特大暴雨过程概况2.1 强降水特征2 0 2 3年7月2 9日8月1日华北地区出现持续性强降水天气(图1),日降水量、累积降水量及降水持续时间等均具有显著极端性,是“
15、6 38”以来华北最强的降水过程3 2-3 3。北京、天津、河北大部以及山西东部、河南北部等地连续3 d出现暴雨到大暴雨,北京和河北部分地区出现特大暴雨,上述地区过程累积降水量(图1)约为1 0 04 0 0 mm,其中北京西部、河北中部和西南部等太行山东麓沿山地区达5 0 07 0 0 mm,气象站观测最大累积降水量出现在河北邢台临城梁家庄,为1 0 0 3.4 mm。由图1可知,2 0 2 3年7月2 9日0 8:0 03 0日0 8:0 0北京中南部、天津西南部、河北中南部以及山西东部、河南北部、山东中西部等地出现暴雨到大暴雨,河北西南部、河南北部局地出现特大暴雨。7月3 0日0 8:0
16、 03 1日0 8:0 0强降水落区向北发展,特大暴雨落区及降水中心强度均明显增大,北京西部、河北中部和西南部等地日降水量达2 5 04 0 0 mm,局地 接 近5 0 0 mm,强 降 水 最 集 中。7月3 1日0 8:0 08月1日0 8:0 0强降水范围和强度均有所减小,暴雨以上量级强降水集中在北京、天津、河北中部地区。8月1日(图略)京津冀降水显著减弱,仅在天津及河北中部的局部地区出现暴雨。图1 2 0 2 3年7月2 9日8月1日累积降水量实况(单位:mm)F i g.1 O b s e r v e d a c c u m u l a t e d r a i n f a l l
17、f r o m 2 9 J u l t o 1 A u g i n 2 0 2 3(u n i t:mm)91 第1期 张 博等:“2 37”华北特大暴雨数值预报检验评估 2.2 环流形势此次持续性强降水过程出现在北上台风杜苏芮受高压坝阻挡而减速维持的稳定环流背景下。2 0 2 3年7月2 9日8月1日5 0 0 h P a平均位势高度场(图略)显示,亚洲中高纬度对流层中层呈两槽一脊环流型,贝加尔湖附近至我国河套地区一带为强大的高压脊,位势高度超过2倍标准差,较气候态显著偏强;其与西北太平洋副热带高压(简称副高)合并加强,在华北地区的东部和南部形成阻挡台风残涡东移的高压坝,这是造成此次华北持续
18、性极端强降水的关键系统,也是本文的重点检验对象。图2为2 0 2 3年7月2 9日8月1日逐日环流。由图2可知,7月2 9日2 0:0 0台风杜苏芮登陆后北上,强度明显减弱,对应8 5 0 h P a低压中心位于河南东南部,副高呈南北向的块状分布,台风杜苏芮的低压与副高间形成强盛的偏南风低空急流,急流强度达到2 02 4 ms-1以上。同时2 0 2 3年第6号台风卡努(2 3 0 6)的中心位于菲律宾以东洋面,其北侧与副高间的东南风也汇入上述低空急流区,形成畅通的水汽输送通道,为强降水提供持续而充沛的水汽输送,华北地区8 5 0 h P a比湿(图略)超过1 4 gk g-1。7月3 0日2
19、 0:0 0副高向西北方向发展,其北界与位于蒙古国中部的大陆高压脊合并加强,8 5 0 h P a台风杜苏芮的低压中心减弱北移,倒槽仍维持在太行山东麓附近,东南风急流也向华北地区推进。7月3 1日2 0:0 0副高继续西伸,5 8 8 d a g p m等位势高度线越过京津冀并进入山西中部,低压中心和倒槽减弱消失,低空急流明显减弱,但台风卡努继续向西北方向移动并趋向我国华东沿海,且加强为超强台风,其东侧至北侧的东南风持续为华北地区提供水汽输送,华北大部地区8 5 0 h P a比湿(图略)均超过1 6 gk g-1。8月1日2 0:0 0蒙古国西部至我国西北地区有高空槽东移,华北高压坝明显减弱
20、南落,由经向分布演变为纬向分布,低层风向也由东南风转图2 2 0 2 3年7月2 9日8月1日5 0 0 h P a高度场(等值线,单位:d a g p m)、8 5 0 h P a风场(风羽)和风速(填色)F i g.2 5 0 0 h P a h e i g h t(t h e r e d c o n t o u r,u n i t:d a g p m),w i n d v e c t o r(t h e b a r b)a n d w i n d v e l o c i t y(t h e s h a d e d)a t 8 5 0 h P a f r o m 2 9 J u l t o
21、 1 A u g i n 2 0 2 302 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 为西南风,区域性强降水过程接近尾声。以上分析表明:强降水集中时段(7月2 93 1日)华北北部及以北地区5 0 0 h P a由于高压坝阻挡,其南侧对流层低层低压和倒槽、东南风低空急流在太行山东麓山前稳定维持,与来自西北太平洋持续的水汽输送共同为特大暴雨发生提供有利而稳定的环流背景。3 特大暴雨过程预报检验评估3.1 过程累积降水量预报检验3.1.1 E C-E P S中长期降水量预报检验图3为E C-E P S对2 0 2 3年7月2 9日0 8:0 08月2日0 8:0 0累积降水量不低于1 0 0 mm的概
22、率预图3 E C-E P S对2 0 2 3年7月2 9日0 8:0 08月2日0 8:0 0累积降水量不低于1 0 0 mm的概率预报检验(代表实况累积降水量不低于1 0 0 mm的格点)F i g.3 P r o b a b i l i t y p r e d i c t i o n v e r i f i c a t i o n o f a c c u m u l a t e d r a i n f a l l n o l e s s t h a n 1 0 0 mm i n E C-E P S f r o m 0 8 0 0 B T 2 9 J u l t o 0 8 0 0 B T
23、2 A u g i n 2 0 2 3(d e n o t e s g r i d p o i n t w i t h o b s e r v e d a c c u m u l a t e d r a i n f a l l n o l e s s t h a n 1 0 0 mm)12 第1期 张 博等:“2 37”华北特大暴雨数值预报检验评估 报检验。由图3可知,自7月1 8日(图略)起E C-E P S预报华北东部到黄淮累积降水量超过1 0 0 mm的概率为1 0%2 0%,2 4日大概率中心位置趋于稳定且概率值随时效临近显著增加;7月2 6日预报河北中南部和北京西南部降水量超过1 0
24、 0 mm的概率大于8 0%;7月2 7日大概率中心位置北抬,北京西南部至河北中部保定一带出现1 0 0 mm以上强降水的概率超过9 0%;7月2 8日大概率区范围进一步扩大,南界扩至河北石家庄一带。对于过程累积降水量不低于2 5 0 mm的落区(图略),7月2 5日预报北京西南部至河北保定一带的概率超过1 0%,2 6日超过1 0%的概率范围明显扩大,与实况较为接近,7月2 7日北京河北石家庄一带强降水的概率显著增加,其中北京房山至河北保定的概率预报超过3 0%4 0%。此外,E C-E P S仅自7月2 7日起提示北京西南部、河北保定至河北西南部沿太行山东麓地区累积降水量超过4 0 0 m
25、m的概率超过1 0%,对于6 0 0 mm以上降水,E C-E P S各时效各成员均无预报提示。可见,E C-E P S提前1 4 d(1 8日起)预报过程累积降水量可能超过1 0 0 mm,提前6 d(2 6日起)过程累积降水量8 0%以上的概率预报与实况落区接近,具有预报参考价值;对于2 5 0 mm以上累积降水量的提前预报时效、落区位置和概率大小均不及1 0 0 mm以上累积降水量,对6 0 0 mm以上的极端强降水,E C-E P S则无预报能力。此外,CMA-E P S提前1 2 d(2 0日)在京津冀及渤海湾预报超过1 0 0 mm过程累积降水量的概率,但大概率区(5 0%以上)明
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