乌鲁木齐区域高分辨率数值预报系统V2.0预报性能客观检验

琚陈相，刘军建，李 曼*，李火青，张海亮，马玉芬，买买提艾力·买买提依明

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地，新疆 乌鲁木齐 830002；3.新疆沙漠气象与沙尘暴重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002）

数值模式提供的模式预报产品已成为天气预报的主要参考资料，模式预报准确率也直接关系着天气预报的准确率，从而影响气象服务质量。随着探测技术的发展和新型探测仪器的布设，高分辨率的探测资料应用于数值预报业务中，成为提高区域数值预报精度的重要途径之一[1-3]。目前，国际上使用较为广泛的快速循环更新同化（Rapid Update Cgcle,简称RUC）和预报系统，可有效利用各种常规和非常规气象资料进行同化，为数值预报模式提供高质量的初始场，同时在高分辨率数值模式的基础上进行精细化预报[4-5]。然而，受初始场、模式边界条件、物理过程、复杂下垫面以及模式框架自身设计不足等诸多方面的影响，数值模式预报产品与实况必定会存在一定的差异[6-7]。因此，对这种误差进行时空上定量的检验和评估显得尤为重要，不仅有助于研发人员诊断和修正模式中可能存在的缺陷，也为预报员订正预报结果提供客观依据。

乌鲁木齐高分辨率数值预报模式系统睿图中亚V1.0 （Rapid -refresh Multi -scale Analysis and Prediction System-Central Asia，简称“RMAPS-CA V1.0”），是由中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所2017 年11 月引进北京城市气象研究所运行的快速更新多尺度分析和预报系统睿图（简称“RMAPS”）搭建[8-9]，2018 年6 月完成RMAPS-CA V1.0 试运行，并于2020 年6 月通过业务化评审，为全疆各地气象部门提供精细化数值预报产品。2020 年8 月，中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所初步完成RMAPSCA V2.0 的系统研发和建设，并实现试运行。本文对RMAPS-CA V2.0 在2021 年各个季节的预报性能进行了客观评估，并与RMAPS-CA V1.0 进行同期的对比分析，以充分了解RMAPS-CA V2.0 系统在新疆区域的预报能力，进一步为该系统的改进、完善及业务化提供支撑。

1 RMAPS-CA V2.0 系统和检验方法

1.1 RMAPS-CA V2.0 系统

目前已搭建的睿图中亚V2.0 系统（RMAPS-CA V2.0）采用WRF V4.1.2 数值预报模式和WRFDA V4.1.2 资料同化系统。模式采用两重嵌套，D01 区域分辨率为9 km，网格设置712×532，覆盖中亚区域，D02 区域分辨率为3 km，网格设置832×652，覆盖新疆、甘肃和青海西部等地区；系统采用三维变分同化技术，以U/V 为控制变量进行多元观测资料的同化分析；模式初始和边界条件采用NECP_GFS 0.5°的全球分析和预报场，自2021 年4 月改用GRAPS_GFS 0.25°作为初始场（RMAPS-CA V1.0于同期改用GRAPS_GFS 0.25°作为初始场）。预报系统每日运行8 次，其中18 时（世界时，下同）为冷启动，预报时效为96 h，随后逐3 h（00、03、06、09、12、15 时）循环同化预报，预报时效为24 h（图1）。模式物理过程设置为：Thompson 云微物理方案，KF 对流参数化方案（D02 无积云对流方案），YSU 边界层参数化方案，RRTMG 长波辐射方案，RRTMG短波辐射方案和NOAH 陆面方案。表1 为RMAPSCA V2.0 和V1.0 的系统配置差异对比，RMAPS-CA V2.0 系统主要升级了模式版本，优化了运行框架，增加了预报频次及更新了系统启动方式。

图1 RMAPS-CA V2.0 系统流程

表1 RMAPS-CA V1.0 系统和V2.0 系统配置差异对比

1.2 检验方法

为了系统检验RMAPS-CA V2.0 系统的预报效果，用于检验的预报样本时间段为2021 年各季节代表月（1、4、7、10 月）每日2 次（00 和12 时，世界时）更新循环起报，每次预报时效为24 h，样本总数为244 个。选取季节代表月作RMAPS-CA V2.0 的预报性能检验，能更充分地评估RMAPS-CA V2.0 系统在新疆区域的预报效果。

利用气象学上通用的MET（Model Evaluation Tools）V7.0 检验平台，一是对RMAPS-CA V2.0 和RMAPS-CA V1.0 两系统D02 区域的地面和高空的模式预报量（地面：2 m 温度、10 m 风速；高空：位势高度、风速、温度）进行站点检验评分。检验所使用的地面要素观测资料和降水观测资料均来自我国国家级地面气象观测站，3 km 分辨率区域中约有105 个；使用的探空观测资料均来自我国参加考核探空站点，3 km 分辨率区域有14 个。给出预报相对于常规探空和地面观测的均方根误差RMSE和平均偏差ME（见公式（1）、（2），其中，Fi为第i点上的预报值，Oi为第i点上的观测值）；二是根据检验时段内地面观测站降水观测实况，计算两个系统逐6 h，检验阈值分别为0.1、3.1、6.1、12.1 和24.1 mm 累计降水站点TS评分和BIAS预报偏差（见公式（3）～（4），其中Na为预报正确站（次）数、Nb为空报站（次）数、Nc 为漏报站（次）数）。

2 地面要素预报检验

2.1 2 m 温度

从RMAPS-CA V2.0 在2021 年各个季节2 m温度预报偏差结果（图2）可知，RMAPS-CA V2.0 系统2 m 温度预报偏差在冬季和春季整体为负偏差，在夏季和秋季整体为正偏差；各个季节预报偏差随时间变化趋势基本相似，下午至夜间（预报时效9～15 h）的预报偏差最大，平均预报偏差均在2 ℃以内。从2 m 温度均方根误差结果可知，2021 年冬季维持在3.7～4.9 ℃，春季维持在3.1～3.6 ℃，夏季维持在3.7～4.2 ℃，秋季维持在3.3～3.6 ℃，各个预报时效变化不大。整体上，RMAPS-CA V2.0 系统对2 m温度预报性能在秋季最优、冬季最差。

由图2 可知，两系统平均误差和均方根误差在各季节各起报时次上的变化趋势和整体特征较为相似，表明温度预报存在一定的系统偏差。RMAPSCA V2.0 在2021 年冬季和春季的预报偏差整体小于RMAPS-CA V1.0，春季的预报偏差改善较为明显；在夏季和秋季的预报偏差整体大于RMAPS-CA V1.0，二者误差在0.5 ℃以内。从2021 年各季节的均方根误差对比结果看，RMAPS-CA V2.0 在冬季和春季的均方根误差小于RMAPS-CA V1.0，在夏季和秋季的均方根误差大于RMAPS-CA V1.0。综上分析，2021 年RMAPS-CA V2.0 系统对2 m 温度的预报性能在冬季和春季优于RMAPS-CA V1.0，在夏季和秋季略差于RMAPS-CA V1.0。

图2 RMAPS-CA V2.0 系统和RMAPS-CA V1.0 系统2021 年各季节2 m 温度检验结果

2.2 10 m 风速

从RMAPS-CA V2.0 在2021 年各季节10 m风速预报偏差结果（图3）可知，RMAPS-CA V2.0 系统10 m 风速预报的性能整体差异不大，平均误差维持在0.5～1.0 m/s，冬季误差最大，为1.1 m/s，秋季误差最小，除春季外各季节各预报时效平均误差变化不大，风速预报的午后时段（预报时效6～12 h）误差最小。从均方根误差结果看，除秋季外各季节的均方根误差呈先增大后减小再增大再减小的趋势，均方根误差维持在2.2～2.8 m/s。整体来看，RMAPSCA V2.0 系统对10 m 风速预报性能在秋季最优、春季最差。

对比RMAPS-CA V2.0 与RMAPS-CA V1.0 在2021 年同期10 m 风速预报检验结果（图3）可以看出，RMAPS-CA V2.0 在2021 年各季节预报偏差整体与RMAPS-CA V1.0 差别不大；均方根误差在冬季和夏季整体大于RMAPS-CA V1.0 系统，夏季10 m 风速均方根误差最大为0.3 m/s，在春季和秋季的均方根误差差异不明显。

图3 RMAPS-CA V2.0 系统和RMAPS-CA V1.0 系统2021 年各季节10 m 风速检验结果

3 高空要素预报检验

3.1 位势高度

从RMAPS-CA V2.0 在2021 年各个季节高空位势高度预报偏差结果（图4）可以看出，RMAPSCA V2.0 对高位势高度的预报偏差在冬季整体为负偏差，呈现随高度先增大再减小的趋势，24 h 预报偏差在400 hPa 达到极大值，为-19.8 gpm；其余季节的预报偏差整体为正偏差，呈现随高度先增大再减小的趋势，均在300 hPa 左右达到极大值，夏季24 h 预报偏差极大值为45.2 gpm。整体上看，RMAPS-CA V2.0 系统高空位势高度预报性能在冬季最优、春季最差。

图4 RMAPS-CA V2.0 系统和RMAPS-CA V1.0 系统2021 年各季节高空位势高度检验结果

对比RMAPS-CA V2.0 与RMAPS-CA V1.0 在2021 年同期高空位势高度预报检验结果（图4）可知，RMAPS-CA V2.0 在2021 年冬季的预报偏差与RMAPS-CA V1.0 差异明显，400 hPa 以上呈反位相；2 个系统在其余季节的预报偏差随高度变化的趋势较为一致，均呈随高度先增大再减小，在300 hPa左右达到极大值，RMAPS-CA V2.0 高空位势高度预报偏差在春季和秋季整体小于RMAPS-CA V1.0，夏季则大于RMAPS-CA V1.0。RMAPS-CA V2.0 位势高度的均方根误差在冬季和夏季整体大于RMAPS-CA V1.0，在春季和秋季则小于RMAPS-CA V1.0。对比两系统在2021 年高空位势高度各季节的预报偏差和均方根误差可知，RMAPS-CA V2.0 系统高空位势高度的预报性能在春季和秋季有所提升。

3.2 风场

从RMAPS-CA V2.0 在2021 年各个季节高空风场预报偏差结果（图5）可知，RMAPS-CA V2.0 高空风场的预报偏差在冬季和春季400 hPa 以下为正偏差，400 hPa 以上为负偏差，呈现随高度逐渐减小再增大的趋势，误差范围在-1.0～1.0 m/s；夏季和秋季的预报偏差850 hPa 以下为正偏差，850 hPa 以上为负偏差，呈现随高度先减小再增大的趋势，夏季和秋季的12 h 预报偏差在300 和400 hPa 分别达到极大值，为-2.0 和-1.8 m/s。整体上看，RMAPS-CA V2.0 系统高空风场预报性能在春季最优、夏季最差。

由RMAPS-CA V2.0 与RMAPS-CA V1.0 在2021 年同期高空风场预报检验结果（图5）可知，RMAPS-CA V2.0 在2021 年各季节高空风场的预报偏差整体小于RMAPS-CA V1.0，两个系统随高度变化较为一致，呈现随高度先减小再增大的趋势。除春季外，2 个系统高空风场预报偏差均在200 hPa达到极大值，24 h 预报偏差之差在秋季的200 hPa达到最大值，约为2.0 m/s。从位势高度的均方根误差检验看，2 个系统在2021 年各季节高空风场的均方根误差均呈现随高度增大再减小的趋势，在300 hPa 达到极大值；RMAPS-CA V2.0 高空风场的均方根误差在冬季和春季整体大于RMAPS-CA V1.0 系统，在夏季和秋季则小于RMAPS-CA V1.0。对比两系统在2021 年高空风场各季节的预报偏差和均方根误差可以看出，RMAPS-CA V2.0 系统高空风场的预报性能在夏季和秋季有所提升。

图5 RMAPS-CA V2.0 系统和RMAPS-CA V1.0 系统2021 年各季节高空风场检验结果

3.3 温度场

从RMAPS-CA V2.0 在2021 年各个季节高空温度场预报偏差结果（图6）可以看出，RMAPS-CA V2.0 高空温度场的预报偏差范围在-1.0～2.0 ℃，冬季的预报偏差整体为负偏差，呈现随高度逐渐增大再减小的趋势，24 h 预报偏差在700 hPa 达到极大值，为-1.0 ℃；其余季节的预报偏差整体为正偏差，呈现随高度逐渐减小的趋势，夏季的24 h 预报偏差在925 hPa 达到极大值，为2.2 ℃。整体上看，RMAPS-CA V2.0 系统高空温度场预报性能在春季最优、夏季最差。

对比RMAPS-CA V2.0 与RMAPS-CA V1.0 在2021 年同期高空温度场预报检验结果（图6）可以看出，RMAPS-CA V2.0 在2021 年各季节高空风场的预报偏差在冬季和夏季大于RMAPS-CA V1.0，在春季和秋季则小于RMAPS-CA V1.0，除夏季外，2个系统随高度变化较为一致，冬季呈现随高度先减小再增大再减小再增大的趋势，春季和秋季呈现随高度逐渐减小的趋势。从位势高度的均方根误差检验看，2 个系统在2021 年各季节高空风场的均方根误差均呈现随高度先减小再增大的趋势，各季节均在200 hPa 达到极大值；RMAPS-CA V2.0 高空风场的均方根误差除秋季外，整体略大于RMAPS-CA V1.0。对比两系统在2021 年高空温度场各季节的预报偏差和均方根误差可知，RMAPS-CA V2.0 系统高空温度场的预报性能在秋季有所提升。

图6 RMAPS-CA V2.0 系统和RMAPS-CA V1.0 系统2021 年各季节高空温度场检验结果

4 降水预报检验

4.1 逐6 h 降水评分季节对比

从RMAPS-CA V2.0 在2021 年各季节、不同量级降水阈值的逐6 hTS评分（图7）可以看出，TS评分随着降水阈值的增大而减小。由于新疆属于干旱半干旱气候，6 h 累计降水除夏季外很少大于12.0 mm。对比RMAPS-CA V1.0 系统，RMAPSCA V2.0 在0.1 mm/6 h 以上阈值降水TS评分，冬季在0.3～0.4，其余季节在0.2～0.3，整体要优于RMAPS-CA V1.0，表明RMAPS-CA V2.0 系统对未来6 h 的晴雨预报效果和稳定性均高于RMAPSCA V1.0；3.1 mm/6 h 以上阈值降水，除冬季外，RMAPS-CA V2.0 在其余季节的TS评分在0.1～0.2，均略高于RMAPS-CA V1.0 系统；6.1 mm/6 h 和12.1 mm/6 h 以上阈值降水，除春季外，RMAPS-CA V2.0 在其余季节的TS评分在0～0.15，整体上也略高于RMAPS-CA V1.0 系统。

降水预报的BIAS评分反映的是针对某一阈值预报发生降水的测站数与实际发生降水的测站数之比和模式对于降水范围大小的预报性能。从降水的BIAS评分（图7）看，在0.1 mm/6 h 以上阈值降水，RMAPS-CA V2.0 系统和RMAPS-CA V1.0 的BIAS偏差除夏季外，其余季节均大于1.0，表明2 个系统的降水均存在空报现象，预报的降水范围偏大，而RMAPS-CA V2.0 系统的BIAS评分比RMAPS-CA V1.0 更接近于1.0，表明RMAPS-CA V2.0 系统预报降水测站数比RMAPS-CA V1.0 更接近于实际测站数。对于3.1、6.1 和12.1 mm/6 h 以上阈值降水，除冬季和春季的个别时次外，RMAPS-CA V2.0 系统和RMAPS-CA V1.0 的BIAS偏差整体上小于1.0，RMAPS-CA V2.0 系统的BIAS偏差较RMAPSCA V1.0 更接近于1.0，表明RMAPS-CA V2.0 系统预报降水的测站数更接近实际测站数。综上分析，RMAPS-CA V2.0 系统在2021 年的降水预报性能整体有所提高。

图7 RMAPS-CA V2.0 系统和RMAPS-CA V1.0 系统2021 年各季节降水检验评分

4.2 降水个例检验

过程前期500 hPa 欧亚范围内呈“两槽两脊”的经向环流，西伯利亚为低槽活动区，巴尔喀什湖地区为高压脊区，随后北方冷空气沿脊前偏北气流东南下，促使下游西伯利亚低涡南下，造成2021 年4 月20 日12 时—25 日12 时北疆大部、阿克苏地区北部、巴州大部、吐鲁番市、哈密市北部出现雨转雨夹雪或雪，选取本次过程的主要降水时段21 日00时—22 日00 时做降水检验。

从国家站降水量预报对比（表2）可知，新源、奇台及塔城24 h 累计降水量为大量，其中RMAPSCA V2.0 预报的新源站降水量（16.7 mm）与实况（21.2 mm）更接近，2 个系统对奇台和塔城站的降水量预报均偏弱；对于24 h 累计降水量为中量的国家站，RMAPS-CA V2.0 预报的额敏、小渠子和沙湾站降水量与实况更为接近，2 个系统对北塔山站的降水均为漏报。从逐6 h 累计降水检验评分（图8）可知，对于晴雨预报（0.1 mm/6 h），2 个系统整体属于漏报现象，RMAPS-CA V2.0 的TS评分要略高于RMAPS-CA V1.0；对于3.1 mm/6 h 和6.1 mm/6 h，RMAPS-CA V2.0 的TS评分略高于RMAPS-CA V1.0，降水预报接近与实况。整体上看，RMAPS-CA V2.0 系统对本次降水预报相比较更准确。

表2 4 月21 日00 时—22 日00 时国家站24 h累计降水量（≥6.0 mm）预报对比 mm

图8 不同系统对2021 年4 月21 日00 时—22 日00 时不同阈值逐6 h 累计降水检验评分

5 结论与讨论

利用MET 检验工具，对乌鲁木齐区域高分辨率数值预报系统RMAPS-CA V2.0 在新疆区域2021年各个季节的预报效果进行检验评估，并与RMAPS-CA V1.0 系统进行同期对比分析，得到以下主要结论：

（1）RMAPS-CA V2.0 系统2 m 温度预报偏差在冬季和春季整体为负偏差，在夏季和秋季整体为正偏差；各个季节的平均预报偏差均在2 ℃以内，对2 m 温度预报性能在秋季最优、冬季最差；对2 m温度的预报性能在冬季和春季优于RMAPS-CA V1.0，在夏季和秋季则略差于RMAPS-CA V1.0。RMAPS-CA V2.0 系统对各个季节10 m 风速预报整体为正偏差且差异不大，平均误差基本维持在0.5～1.0 m/s，均方根误差维持在2.2～2.8 m/s；对10 m风速预报性能在秋季最优、春季最差；对10 m 风速的预报性能在冬季和夏季略差于RMAPS-CA V1.0，在春季和秋季预报性能差异不大。

（2）RMAPS-CA V2.0 对高空位势高度预报偏差在冬季整体为负偏差，在其余季节整体为正偏差，高空位势高度的预报性能在冬季最优、春季最差；对春季和秋季的位势高度预报性能优于RMAPS-CA V1.0。RMAPS-CA V2.0 系统对高空风场预报偏差在冬季和春季在400 hPa 以下为正偏差，400 hPa以上为负偏差；夏季和秋季的预报偏差整体为负偏差，对高空风场预报性能在春季最优、夏季最差；对高空风场预报性能在夏季和秋季优于RMAPS-CA V1.0。RMAPS-CA V2.0 系统对高空温度场预报偏差在冬季整体为负偏差，其余季节的预报偏差整体为正偏差，高空温度场预报性能在春季最优、夏季最差；对高空温度场预报性在秋季优于RMAPS-CA V1.0。

（3）RMAPS-CA V2.0 系统晴雨预报效果较好，TS评分随降水阈值增大而减小，冬季的降水评分最高、夏季最低。从降水的BIAS评分看，RMAPS-CA V2.0 系统对0.1 mm/6 h 以上阈值降水除夏季外，多为空报；对于3.1、6.1、12.1 mm/6 h 以上阈值降水，除冬季和春季的个别时次外，多为漏报。从降水个例的站点预报看，RMAPS-CA V2.0 对24 h 累计降水为大量和中量的国家站点预报性能有所提升，逐6 h 累计降水TS评分略高于RMAPS-CA V1.0，预报偏差更接近与实况。整体上看，RMAPS-CA V2.0 系统的降水预报性能整体有所提高。

通过2021 年各个季节预报效果检验及一次强降水过程的对比分析，RMAPS-CA V2.0 系统的预报能力整体上要优于RMAPS-CA V1.0，预报性能的提升可能受两个方面的影响：（1）RMAPS-CA V2.0系统实现以雷达资料为核心的逐3 h 循环同化预报，00 和12 时均为暖启动，增加了本地气象资料同化在模式中的贡献，进一步优化了系统的初始场。（2）RMAPS-CA V2.0 系统采用D01 和D02 区域同时积分，增加了模式对D02 区域边界条件的动态约束，一定程度上减小了侧边界条件更新不及时的问题。虽然本文给出了RMAPS-CA V2.0 系统比较满意的评估结果，但模式的短临降水预报和地面要素预报仍需长期开展优化工作。下一步工作将从以下几个方面开展：新疆区域地基GPS 水汽资料同化技术研究及在RMAPS-CA V2.0 中的应用，以提高降水短临预报效果；下垫面数据的更新应用，以提高地面气象要素的预报效果；对系统的物理过程参数化方案进行进一步的调整试验，尽可能减少模式预报的系统性误差。