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不同参数化方案对长江中游汛期降水模式预报试验

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第36卷第2期 2008年4月 气象科技 Vo1.36。No.2 Apr.2008 METEOROLOGICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 不同参数化方案对长江中游汛期降水模式预报试验 李俊 王斌 王志斌 沈铁元 (中国气象局武汉暴雨研究所,武汉430074) 摘要利用中尺度模式多个物理过程组合成不同预报方案,对长江中游汛期降水预报进行了对比试验。试验结果 表明,使用不同物理过程参数化方案对长江中游汛期降水的预报效果存在差异,这种差异随降水预报量级的提高 而愈加明显;而就试验而言,Grell积云对流参数化方案与Blaekadar边界层参数化方案的组合预报效果相对较好; 就单个降水个例而言,预报效果相对好的参数化方案存在不确定性,集合平均预报相对稳定且优于大多数方案,其 对降水评分的改进尤其体现在暴雨以下量级的预报中。 关键词 物理过程对比试验集合预报 引言 方案对长江中游流域降水预报的特点,并分析了多种 方案集合平均预报对降水预报改进的主要特点,以期 目前中尺度数值模式已成为我国暴雨预报业务 为长江中游数值模拟研究、业务预报以及利用模式不 和研究工作的一个主要工具之一。在中尺度模式中, 同物理过程开展短期集合预报提供依据。 与湍流、对流输送、凝结和辐射相伴随的非绝热物理 过程普遍采用参数化方案来描述,这些物理过程对中 1 试验方案 尺度暴雨的发生发展具有重要意义。其中积云对流 试验采用美国PSU/NCAR的中尺度非静力模 参数化方案对降水影响最为显著,由于不同积云对流 式MM5 V3l1 。模式二层嵌套,粗网格覆盖东亚区 参数化方案中凝结潜热加热分布的差异会直接影响 域,细网格覆盖华中区域,模式中心点为112。E、 与暴雨发生发展密切关联的物理场的中尺度结构和 32。N,网格距分别为90 km和30 km,格点数内外一 演变 ],从而造成降水在时间、地点和强度上的差 致为52×52,垂直方向 坐标取为23层。初始场 异。国内许多研究者对一些主要的积云对流参数化 以T213 12 h预报场为第一猜测场,同时加入常规 方案做了对比分析,结果表明没有哪种方案具有压倒 地面资料和探空资料。使用T213每隔6 h的预报 其它方案的绝对优势,参数化方案在不同地域对降水 场作为模式侧边界条件,内外区域采用双向嵌套方 的影响不同,降水预报效果相对较好的方案也不尽相 案。选择中尺度模式中对降水影响较大的两类参数 同 ]。此外,一些对模式不同显式方案的对比分析 化方案即对流参数化方案和边界层方案组成6套预 研究也表现出类似特点_7]。利用不同物理过程给数 报方案_2],3种积云对流参数化方案分别为Kain- 值预报带来的不确定性,国内还开展了扰动模式物理 Fritsh(KF)、Betts—Miller(BM)和Grell(GL)方案,2 过程的集合预报试验,结果表明集合平均预报比单个 种边界层方案分别为Blackadar高分辨率行星边界 预报具有优势_8 ]。以上研究多采用个例试验的方 层方案和MRF行星边界层方案,其它参数化方案 法,并且不同地域和时间的天气系统对参数化方案的 保持一致,包括Mix Phase的显式水汽方案,云辐射 敏感程度也有差异,因此对某个特定地域仍需要进行 方案等,具体试验方案见表1。试验从2004年6月 大量试验来研究不同参数方案的适用性。本文通过 1日到8月31日,以每天08:00(北京时,下同)为积 批量预报试验与个例试验结合,对比分析不同参数化 分起始时间,积分48 h,分别检验0~24 h和24~ 湖北省科技攻关计划(2003AA308B01)、湖北省气象局科技发展基金项目“中尺度模式关键物理过程降水预报性能的评估研究”资助 作者简介:李俊,男,1972年生,副研究员,主要从事数值预报研究工作,Email:lijun@whihr.corn.cll 收稿日期:2007年1月17日;定稿日期:2007年7月10日 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 李俊等:不同参数化方案对长江中游汛期降水模式预报试验 48 h 6组方案及其平均降水预报的结果。 表1降水预报试验方案 水量级预报偏差来对比分析各种方案对长江中游汛 期降水的预报性能。 3降水预报试验 3.1 批量试验 3.1.1 TS评分 图la、b分别为不同参数化方案及其集合平均 预报的O~24 h和24~48 h的TS评分。从0~24 h TS评分曲线看,随预报量级的提高,TS评分减 2检验方法 小。sch一6除在大暴雨以上量级比sch一1略差外,在 其它量级的预报中sch一6方案都优于其它方案;而 sch~对降水预报的检验采用常用的TS的评分方 法,将6种方案sch~1~sch一6的预报结果以及6种 方案平均预报的结果用双线性插值方法插值到长江 中游的77个气象站点,并分成5个量级(≥0.1 ITIITI、≥10 ITIITI、≥25 ITIITI、≥50 ITIITI和≥100 ram), 3除晴雨预报外,在其它量级的预报中均较其 它方案略差,其余方案的TS曲线比较接近,预报能 力相当。多个方案的平均预报与单个预报相比TS 评分有明显的提高,在暴雨以下量级的预报中,平均 7 6 5 4 3 2 1 O O O O O O O O 统计以上7种预报结果的TS评分、漏报率、空报 率、预报偏差和预报效率。以下仅从TS评分和降 o.7 预报的TS评分除比sch一2略低外优于其它大多数 方案的结果。 o.6 o-5 o・4 P-o3 ,o,2 o.1 o ≥o ≥1O ≥25 ≥5O ≥25 ≥5O 预报量级/n 预报量级/mm 图1不同预报方案及其集合平均降水预报的o~24 h(a)和24 ̄28 h(b)TS评分曲线 (SCh 1~5Ch 6表示6种方案,见表1,下同) 从24 ̄48 h TS评分曲线看,随预报量级的提 高,TS评分快速下降,其晴雨评分接近0~24 h,但 其它量级的评分均明显低于0~24 h。其中雨、大 雨的预报得分仅相当于O~24 h的大雨和暴雨的得 由此可见,在采用不同物理过程的集合预报中,集合 平均对预报评分的改进主要表现在暴雨以下量级的 预报中,而对暴雨以上量级的预报改进效果则不明 显,由于集合平均的作用,强降水中心被平滑,对强 降水的预报反而会低于个别方案的预报效果。 分。这表明中尺度模式24~48 h尽管对于降水过 程仍具有较好的预报能力,但对于强降水中心的位 置、强度预报则相对较差。这也反映出中尺度模式 综合分析o~48 h模式对不同降水量级的预报 情况,不同参数化方案对中雨以下降水的TS评分 差别不大,而中雨以上量级的TS评分差别相对较 大,这说明模式采用不同物理过程参数化方案对晴 随着预报时效的延伸,对强降水的可预报性快速降 低。24 ̄48 h时段与O~24 h预报时段相似,sch6 方案略好于其它5种方案的预报效果,平均预报的 TS评分在大雨以下量级的预报中好于大多数方案。 雨过程的预报基本一致,其差异主要在于对降水中 心的强度与落区预报上。 维普资讯 http://www.cqvip.com 气 象 科 技 第36卷 进一步分析0~24 h不同对流参数化方案、边 界层方案TS评分之间的差异,KF方案和BM方案 的预报效果比较接近(图中sch一1、sch一2与sch一3、 sch一估还是低估了实况降水,即所谓湿偏差和干偏差。 一般在1附近表示模式预报降水范围与实况最接 近,小于1表明模式预报低估了降水,大于1则表明 模式预报高估了降水。 图2给出了不同方案降水预报偏差的分布。不 同方案预报的降水偏差差别比较明显,在0~24 h 4),而采用GL方案(图中sch— sch一6)的预报 和上述两个方案相比差别较大。在对流参数化方案 相同情况下,边界层方案的改变对降水预报效果的 影响也各不相同,GL方案对边界层方案的改变最 预报时段,采用BM对流方案的sch一3、sch一4的预 敏感,采用Blackadar和MRF边界层方案之间的预 报一直为湿偏差,并随预报量级的提高,湿偏差愈加 报差别最大(图中sch— sch一6),边界层方案的改变 明显,表明BM对流方案一般过高估计降水的范围 对BM对流参数化方案的影响次之(图中sch一3、sch 和强度;采用KF对流方案的sch一1、sch一2在中雨 一4),对KF对流参数化方案的影响最小(图中 以下量级有弱的湿偏差,在中雨以上量级的预报中 sch1、sch一一一2)。在以上的TS评分中,相同积云参 直为干偏差,并随预报量级的提偏差愈明显, 数方案下(KF方案除外),使用Blackadar边界层方 表明KF对流方案一般会低估降水的范围和强度; 案的预报效果要优于MRF边界层方案。在相同边 采用GL对流方案的sch一5、sch一6在小雨和大暴雨 界层方案下,采用MRF边界层方案时不同积云方 的预报表现为湿偏差,在其它量级预报时为弱的干 4 3 2 l 0 案之间评分差别不大,而采用Blackadar边界层方 偏差,相对其它方案而言GL方案的偏差在1附近变 5 4 5 3 5 2 5 l 5 0 案时,GL对流方案优于其它积云参数化方案,本次 化,表明该方案预报降水的范围和强度与实况最接 试验中GL对流参数化方案和Blackadar边界层方 近,这与TS评分的结果一致。平均预报在中雨以下 案的组合 ̄psch一6的预报效果相对最优。 量级的预报中为湿偏差,其它量级预报一直保持干偏 3.1.2偏差(B) 差,也表明平均预报一般会低估降水范围和强度。 降水量级预报偏差能够反映模式预报降水是高 堡 辚 匿 ≥l0 ≥25 ≥50 预报量级/n 预报量级/n 图2不同预报方案及其集合平均预报在不同降水量级上的O~24(a)和24 ̄48 h(b)偏差(B) 分析各方案24~48 h的预报偏差,除小雨、大 均的作用,会导致量级小的降水范围扩大,而量级大 暴雨量级的预报外绝大多数方案的预报呈干偏差, 的降水范围减小,从而导致集合平均预报在不同量 表现出模式在24~48 h预报时段一般都会过低估 级上的偏干和偏湿变化。 ・计降水,这种系统性偏干的原因还有待做进一步深 从不同方案降水预报偏差在不同量级上的差别 人的研究。与0~24 h预报类似,KF对流方案预报 来看,在量级小的预报上,不同方案预报偏差之间的 的干偏差最明显。平均预报与0~24 h预报也类 差别较小,而随着预报量级的提高,这种差别越来越 似,表现为会低估降水范围和强度,除小雨量级预报 大,反映出不同物理参数化方案对降水强度和落区 外,其它量级预报一直为干偏差,这表明由于集合平 有着明显的影响。此外,从0~24 h和24~48 h不 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 李俊等:不同参数化方案对长江中游汛期降水模式预报试验 137 同方案降水预报偏差差别的比较看,0~24 h时段 不同方案降水偏差之间的差别大于其24~48 h的 差别,即不同参数化方案0~24 h预报之间的差异 大于24~48 h的预报差异,表明在预报的前24 h 月16~18日(case 4),试验方案同表1。 对4次过程分别采用6种方案进行预报试验, 并与实况比较(图略)。总体而言,不同方案预报的 雨带分布差异较小,但降水中心的位置及其中心强 度差异较大。图3给出O~24 h各种方案对4次个 不同物理参数化方案对降水预报的影响比对其后预 报的影响更明显。文献L23的研究也有类似结果。 3.2主要降水过程预报试验 例降水预报的TS评分,由于大暴雨在4次个例中 出现的站数少,在此仅给出大暴雨以下量级的TS 评分结果。如图所示,对于不同的个例TS评分差 选取2004年汛期的4次主要降水过程,来进一 步分析各种方案在具体个例预报中的表现。所选的 4次过程分别为:2004年6月13~14日(case 1)、6 月17~18日(case 2)、6月23~24日(case 3)和7 别不同,其中case 2不同方案之间预报的差别相对 较小,而case 3不同方案之间预报的差别相对较大, 表明同样是梅雨期降水,不同个例对预报方案的敏 感程度各不相同。 0.8 0.7 0.6 o・5 P-o.4 0.3 0.2 0.1 0 c88e 2 case 3 天气过程 天气过程 图3 O~24 h不同方案对2004年6~7月4次过程不同降水预报量级的TS评分 (a.>/o mm,b.≥10 mm,c.≥25 mm,d.≥50 mm;case 1:6月1 3~14日;case 2:6月17~18日; case 3;6月23~24日;case 4:7月16~18日) 分析不同个例中预报效果相对较好的方案,与 上节批量试验的结果有所不同,不同个例不同量级 的预报中相对好的方案不同。case 1中的4个量级 的预报都是sch一4较好;case 2中的4个量级预报 case 3中大多数量级预报相对好的方案是sch一6;在 case 4中的4个量级预报相对好的方案分别是 sch6、sch5、sch2、sch一一一一5;总体来看对于case 1、 case 2预报评分相对较好的是采用BM积云对流的 相对好的方案分别是sch一5、sch一6、sch一3、sch一4;在 方案,而对于case 3、case 4预报相对较好的是采用 维普资讯 http://www.cqvip.com 138 气 象 科 技 第36卷 GL积云对流的方案。由此可见,对于不同的个例、 及其落区,随预报量级的升高不同方案之间的预报 差异愈加显著。 (3)不同参数化方案的平均预报在多数量级的 预报中优于大多数方案,其对预报评分的改进尤其 体现在暴雨以下量级的预报中。 不同量级的预报相对较好的方案具有不确定性。图 中多个方案的集合平均预报相对稳定,尤其在中小 强度的预报中,平均预报的结果较单个方案的预报 结果有明显优势,而在大雨、暴雨的预报中平均预报 也能在多数例子中好于多数方案。由此可见,尽管 在批量试验中某个方案表现出一些优势,但对某个 具体个例的预报中相对较好的方案具有不确定性, (4)就某个具体降水个例而言,预报效果较好的 参数化方案具有不确定性,而集合平均的预报效果 相对稳定,因此可以利用组合不同物理过程的方法 而采用集合多个方案的平均预报无论在批量试验还 是个例试验中都体现出优势,因此可以利用这种物 理过程的不确定性来开展集合预报,提高对梅雨期 降水的预报能力。 从以上的个例试验中也可看到,不同方案TS 评分对不同个例预报的变化趋势是一致的,即对有 些个例所有方案的TS评分都会升高,而有些个例 则反之,如图3中case 2和case 3,在case 2中所有 方案在各个量级的TS评分都很低,而在case 3中 所有方案的TS评分都很高。这反映在有些个例的 预报中所有方案都能给m较好的预报,而另一些个 例中所有方案的预报结果都不理想,尽管不同方案 之间略有差异,这也说明采用不同的物理过程组合 的方法来做集合预报的局限性,尽管这种方法对降 水预报有改善。 4 结论 (1)通过汛期批量试验,表明不同物理过程参数 化方案对长江中游的降水预报存在一定的差异,就 本次试验而言,3种对流参数化方案中Grell方案的 预报效果最好,并且Blackadar行星边界层方案优 于MRF行星边界层方案的预报结果。 (2)不同物理过程参数化方案对降水的影响在 0~24 h比24~48 h明显,这些方案影响降水强度 来开展集合降水预报,但对于对物理过程不敏感的 个例,这种方法依然具有局限性。 参考文献 [1]王建捷,周斌,郭肖容.不同对流参数化方案试验中凝结加热的 特征及对暴雨中尺度模拟结果的影响[J].气象学报,2005,63 (4):405—417. 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(下转144页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 144 气 象 科 技 第36卷 SVM-Based Method for Predicting Droughts and Floods in Flood Season over Zhej iang Province Teng Weiping Yu Shanxian H u Bo (1 Zhejiang Provincial Institute of Meteorology,2 Zhejiang Meteorology Office,Hangzhou 310017) Abstract:The predic:tion models of droughts and floods in flood season over Zhej iang Province are built based on the Support Vector Machine(SVM)method.By use of rainfall data from 38 observation stations.the indexes of drought and flood intensities are devised,which can represent the overall state of droughts and floods in Zhejiang Province.Taking the indexes as predictands and antecedent atmospheric circulation and SST.which exhibit high correlation with the predictands,as predictors,the prediction models of droughts and floods for Zhej iang based on the and regression method are built,respectively.The comparison between the prediction results by two methods shows that the SVM prediction model could make use of the plentiful predictor’S information and non—linear proj ection capability effectively,and shows better performance,which was confirmed by both training and testing samples. Key words:support vector machine(SVM),regional drought/flood index,prediction model (上接138页) Comparative Experiments on Precipitation Prediction with Different Physic Parameterization Schemes for Middle Reaches of Changj iang River in Flood Season Li J un Wang Bin Wang Zhibin Shen Tieyuan (Institute of Heavy Rain,CMA,Wuhan 430074) Abstract: Some comparative prediction experiments with different physics parameterization schemes are conducted on precipitation over the middle reaches of the ChangJiang River in flood season.The results show that different physic parameterization schemes can lcad to different forecasting results,which becomes more evident in predicting higher—grade precipitation.In the experiments,the forecasting combined the Grell cumulus parameterization scheme with the Blackadar planetary boundary layer scheme is better than others.However,for a certain case,it iS uncertain which scheme is better.The result of ensemble mean prediction is relatively stable and superior to most single predictions.The improvements in precipitation prediction can be seen mainly in the situation with the rainfall being less than 50 mm. Key words:physic process,comparative experiment,ensemble prediction 

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