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user: 4. 实例应用 选取清江流域为例，利用建立的指标体系全面评估分析各模式的降水预报能力。清江流域位于东经108˚35'~111˚30'，北纬29˚33'~30˚50'之间，流域面积约为17，000 km 2 ，全长423 km，总落差1430 m。地理位置属于云贵高原的东北端，巫山山脉的南部，总地势西高东低，流域自西向东呈羽毛状水系，形状为南北窄而东西长的窄长形；流域暖湿多雨，属副热带季风气候区，水汽主要来自孟加拉湾、南海和东海，供给充沛，受大气环流形势及特有地形影响，为长江流域的多雨地区之一，降雨一般自4月开始，9月结束，多年平均降水量1400 mm。流域内年平均气温大部在15℃~17℃，多年平均径流深870 mm。 清江流域共布设有21个雨量观测站点，日本、ECMWF、WRF模式在其周边或流域内分别有15个、92个和42个输出格点，清江流域雨量观测站点及各模式格点分布如图1所示。 4.1. 面雨量计算方法 在计算清江流域各分区面雨量时，须将日本模式、ECMWF模式、WRF模式、人工综合模式和实况数据做不同处理。实况数据的实测地面站、ECMWF模式和WRF模式的输出格点分布较为均匀，将其站点实测值或格点预报值求算术平均即得到流域面雨量值；日本模式因输出格点稀少，采用距离倒数平方权重法先将其格点预报值插值到实测站点，而后以实测站点的预报值插值求算术平均即得到清江流域基于日本模式的面雨 图1. 清江流域各模式输出格点示意图 量预报值。 4.2. 预报精度比较检验 每年汛期(5~10月)是一年中强降水最为集中，也是衡量各种降雨预报产品质量的关键期。本研究收集日本模式、ECMWF模式、WRF模式和人工综合模式对清江流域2015年~2017年汛期的逐日(预见期为1天、2天、3天)面雨量预报值，采用本文推荐的评定方法和指标体系对清江流域现有的定量降雨预报能力进行综合评估。 4.2.1. 预报精度总体分析 采用相关系数分析各模式预报系列与实况降雨系列的相关程度，而采用确定性系数评估各预报系列与实况系列间的吻合程度，结果见表3。 由表可知：ECMWF模式和WRF模式预报系列与实况的相关程度与人工综合模式基本接近，日本模式则相对较差，预见期为1 d时，各模式的相关系数均在70%以上，随着预见期的增长，各模式预报系列与实况降雨系列的相关程度呈下降趋势；各模式预报系列的确定性系数计算结果并不理想，这主要是由于降水是不连续变量，且降水量是某一时间段内的累积结果，与洪水预报分析中流量连续系列显著不同。基于从所收集的预报产品数据比较，发现ECMWF模式和人工综合模式的预报结果较好，日本模式次之，WRF模式则最差。 4.2.2. 降雨量分级检验分析 参照《江河流域面雨量等级》中雨量等级的划分标准，将降雨划分为无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨以上等五个量级，按正确率、空报率和漏报率等指标对各模式的预报能力进行分析检验，具体结果参见表4。 由表分析可知：预报无雨和小雨量级时，四种模式的预报正确率较高，随着降雨预见期的增加，预报正确率呈下降趋势，空报率不断增加，而漏报率则不断减小。对于中雨以上量级，检验发现ECMWF模式正确率较 高，漏报率相对较低，结果最好，人工综合模式、日本模式次之，WRF模式则预报效果最差。 4.2.3. 定量误差分析 (1) 平均偏大、偏小误差 针对中雨以上量级强降雨，以偏大、偏小率和平均偏大、平均偏小误差等为统计量，定量评估三种预报产品的预报误差，结果见表5。 Table 3 Overall assessment of areal rainfall forecast over the Qingjiang river basi 模式名称 相关系数 确定性系数(%) 预见期1 d 预见期2 d 预见期3 d 预见期1 d 预见期2 d 预见期3 d 日本 0.70 0.53 0.48 47.5 29.0 10.9 ECMWF 0.82 0.77 0.69 63.3 42.6 25.3 WRF 0.72 0.65 0.62 22.0 20.1 18.8 人工综合 0.72 0.71 0.62 48.6 46.5 35.7 表3. 清江面雨量预报总体评定 Table 4 Forecast score of rainfall for different grades over the Qingjiang river basi 预报模式 预见期 无雨 <0.1mm 小雨 0.1~5.9mm 中雨 6.0~14.9mm 大雨 15.0~29.9mm 暴雨 ≥30.0mm 正确率 空报率 漏报率 正确率 空报率 漏报率 正确率 空报率 漏报率 正确率 空报率 漏报率 正确率 空报率 漏报率 日本 1 d 75.8 0.0 24.2 59.8 27.4 12.8 30.4 43.5 26.1 45.0 37.5 17.5 50.0 50.0 0.0 2 d 50.0 0.0 50.0 51.4 29.1 19.5 18.5 64.6 16.9 25.9 62.1 12.1 19.1 81.0 0.0 3 d 64.2 0.0 35.8 56.9 27.6 15.5 20.8 52.8 26.4 32.0 54.0 14.0 10.0 90.0 0.0 ECMWF 1 d 86.8 0.0 13.2 59.6 32.5 7.9 32.1 44.9 23.1 42.5 40.0 17.5 42.1 57.9 0.0 2 d 80.7 0.0 19.4 58.8 32.2 9.0 25.0 53.8 21.3 41.3 45.7 13.0 41.7 58.3 0.0 3 d 74.2 0.0 25.8 56.9 33.3 9.7 29.5 48.7 21.8 43.5 47.8 8.7 42.9 57.1 0.0 WRF 1 d 73.7 0.0 26.3 60.6 26.8 12.6 26.9 46.3 26.9 31.6 57.9 10.5 42.9 57.1 0.0 2 d 67.7 0.0 32.4 59.7 27.4 12.9 25.7 52.7 21.6 29.8 59.6 10.6 33.3 66.7 0.0 3 d 64.7 0.0 35.3 57.3 26.4 16.3 20.9 52.2 26.9 15.6 75.6 8.9 25.0 75.0 0.0 人工综合 1 d 77.4 0.0 22.6 65.6 19.5 14.9 33.8 50.0 16.2 42.6 44.7 12.8 52.6 47.4 0.0 2 d 67.9 0.0 32.1 61.8 22.1 16.1 19.1 63.1 17.9 36.0 52.0 12.0 45.5 54.6 0.0 3 d 67.1 0.0 33.0 59.9 25.4 14.8 23.5 51.9 24.7 33.3 53.9 12.8 38.9 61.1 0.0 表4. 清江流域不同等级降雨预报评分表(单位：%) Table 5 Quantitative error statistics of rainfall forecast over moderate rain and abov 预见期 偏大率(%) 平均偏大误差(%) 偏小率(%) 平均偏小误差(%) 日本 ECMWF WRF 人工 日本 ECMWF WRF 人工 日本 ECMWF WRF 人工 日本 ECMWF WRF 人工 1d 26.5 38.8 36.4 29.8 53.0 68.3 84.0 52.9 72.7 59.5 62.8 69.4 46.2 38.4 46.2 47.2 2d 16.8 38.4 40.8 33.6 91.7 74.7 88.1 58.2 83.2 61.6 59.2 66.4 62.5 42.7 57.5 51.1 3d 33.3 41.7 36.7 29.2 87.9 62.5 116.7 54.4 66.7 58.3 62.5 70.8 55.9 48.4 59.9 58.1 表5. 清江流域中雨以上等级降雨预报定量误差统计 由表5可知：(1) 各模式在中雨以上量级，预报偏小率在50%以上，明显大于偏大率(均在30%以下)；(2) 各模式平均偏小误差在38.4%~62.5%之间，随着预见期的增加，有微弱增大趋势，总体比较而言，日本模式、ECMWF模式和人工综合模式在不同预见期内偏小误差基本相当，ECMWF模式最小；(3) 各模式的平均偏大误差在53.0%~116.7%之间，大于平均偏小误差，说明虽然四种模式预报偏大情况较少，但一旦预报偏大，其误差比偏小误差更大，比较而言，日本模式和WRF模式在不同预见期内偏大误差较大，ECMWF模式次之，人工综合模式最小。 (2) 保证率误差 为分析各模式不同保证率的误差水平，按前述介绍方法计算各模式的清江面雨量降雨预报误差保证率，结果见表6。由表知：1 d预见期内日本、ECMWF模式、WRF模式、人工综合模式降雨预报80%保证率误差分别在5.6 mm、5.4 mm、6.7 mm、6 mm以下，四种模式差别不大；90%保证率误差分别在9.8 mm、9.1 mm、12.1 mm、9.7 mm以下，保证率95%~100%对应的误差增大较快。 图2绘出了1 d预见期下各模式的降雨预报误差保证率曲线分布。由图可知，在预见期为1天时，WRF模式保证率曲线位居最左边，而后依次为日本模式、人工综合模式、ECMWF模式，说明在同保证率下WRF模式误差最大，日本模式次之，人工综合模式和ECMWF模式则较小。 4.2.4. 强降雨过程个例检验 按以下标准选取清江流域强降水过程：一是过程累积面降雨 ≥ 50 mm且降雨日不中断；二是过程开始和结束日的日面雨量 ≥ 2 mm；降雨过程中至少有两天日雨量大于10 mm。按此标准，从2015~2017年汛期资料中共选取6次强降雨过程，其基本情况见表7。 收集上述四种模式对应表7中的强降水过程的逐日24 h预报信息为对象，对过程预报总量、过程开始和停 Table 6 Guaranteed error statistics of rainfall forecast over the Qingjiang river basi 保证率(%) 预见期1 d误差(mm) 预见期2 d误差(mm) 预见期3 d误差(mm) 日本 ECMWF WRF 人工 日本 ECMWF WRF 人工 日本 ECMWF WRF 人工 50 1.1 1.1 1.5 1 2.3 1.4 1.7 1.8 1.9 1.4 2.3 1.8 60 2.2 1.8 2.5 2.2 4.4 2.4 3.1 2.7 3.3 2.2 3.7 2.7 70 3.6 3.3 3.8 3.5 6.8 4.2 5.4 4.4 5.6 4.4 6.1 4.6 80 5.6 5.4 6.7 6 11.2 6.5 8.8 6.8 8.9 7.3 10.8 7.4 90 9.8 9.1 12.1 9.7 18.1 10.8 14.7 10.7 15.7 12.3 19.1 11.4 99 47.9 36.2 60.6 45.4 55.4 46.5 53.4 41.5 50.1 49.4 75.7 46.5 表6. 清江流域降雨预报保证率误差统计 Table 7 Overview of heavy rainfall processe 过程发生日期 过程总面雨量/mm 降雨日数/d 日平均雨量/mm 最大日降雨量/mm ≥10 mm雨日/d 15.5.26~15.6.5 98.7 8 12.3 35.8 5 15.8.15~15.8.20 66.4 6 10.1 32.1 2 15.9.17~15.9.20 62.5 4 15.6 35.8 2 16.6.19~16.6.28 185.7 10 18.6 63.4 6 16.7.18~16.7.20 139.9 3 46.6 111.2 2 17.7.5~17.7.10 115.1 6 19.2 70.3 2 表7. 强降雨过程概况 止时间进行客观检验，结果见表8。 由表8可知，四种降雨预报数据较实况值偏大偏小都有体现，但各模式偏差的幅度存在差异，其中人工综合模式预报结果最好，过程总雨量预报相对误差在−46.4%~29.5%之间，平均相对误差17.5%；ECMWF模式次之，过程总雨量预报相对误差在−29.4%~49.1%之间，平均相对误差21.3%；WRF模式结果最劣，过程总雨量预报相对误差在−39.9%~48.6%之间，平均相对误差30.4%。 图3比较了“2016.6.19~2016.6.28”强降雨过程中各模式的预报效果。由图可知，各模式的预报结果均能反映出较大降雨过程，但过程雨量相比实况偏均化，综合比较而言，人工综合模式的预报过程更接近实况过程。 图2. 1 d预见期降雨预报误差保证率曲线 图3. “2016.6.19~2016.6.28”降雨过程预报效果比较图 Table 8 Quantitative error statistics of rainfall forecast over heavy rainfall processe 过程发生日期 日本模式 ECMWF模式 WRF模式 人工综合模式 过程预报 总量(mm) 预报 误差(mm) 相对 误差(%) 过程预报 总量(mm) 预报 误差(mm) 相对 误差(%) 过程预报 总量(mm) 预报 误差(mm) 相对 误差(%) 过程预报 总量(mm) 预报 误差(mm) 相对 误差(%) 15.5.26~15.6.5 86.3 −12.4 −12.6 99.0 0.3 −2.4 82.8 −15.9 −16.1 87.0 −11.7 −11.9 15.8.15~15.8.20 61.5 −4.9 −7.4 57.2 −9.2 −13.9 83.8 17.4 26.2 86.0 19.6 29.5 15.9.17~15.9.20 41.8 −20.7 −33.1 80.0 17.5 28.0 87.0 24.5 39.2 68.0 5.5 8.8 16.6.19~16.6.28 195.6 9.9 5.3 276.9 91.2 49.1 275.9 90.2 48.6 185.0 −0.7 −0.4 16.7.18~16.7.20 61.4 −78.5 −56.1 98.7 −41.2 −29.4 84.1 −55.8 −39.9 75.0 −64.9 −46.4 17.7.5~17.7.10 64.0 −51.1 −44.4 109.6 −5.5 −4.8 129.1 14.0 12.2 124.0 8.9 7.7 平均误差 29.6 26.5 27.5 21.3 36.3 30.4 18.6 17.5 表8. 清江流域强降雨过程预报误差统计