BCC-CPSv3 S2S模式對廣東汛期降水的預測技巧分析

汪明圣，胡婷，謝潔宏，胡婭敏

（1.廣東省氣候中心，廣東廣州 510640；2.廣州市氣象臺，廣東廣州 511430；3.揭陽市氣象局，廣東揭陽 522000）

廣東位于我國南部地區，所處的緯度較低，其天氣氣候變化深受熱帶季風活動的影響，具有干濕季分明的特征。汛期主要集中在4—9月份，其降水量的多寡是造成廣東旱澇的最主要因素［1］。根據造成降水的主要天氣系統的差異又可將雨季劃分為前汛期（4—6月）和后汛期（7—9月）。前汛期的暴雨洪澇和后汛期臺風是廣東省主要的氣象災害，歷來受到防災減災機構和廣大氣象業務人員的關注，開展了一系列研究［2-4］。

國內外氣候模式的快速發展和應用，為開展客觀定量化的氣候預測提供了有效而可靠的技術基礎。近年來，國家氣候中心研制的客觀化氣候預測新技術如多模式解釋應用系統（MODES）［5］、動力與統計相結合季節預測系統（FODAS）［6］以及月內重要過程預測系統（MAPFS）［7］等在全國進行推廣應用，提升了?。▍^、市）氣候預測業務的客觀化水平。自2016年起，中國氣象局國家氣候中心在第二代氣候預測模式系統基礎上，引入了國外模式發展的一些先進經驗，并不斷對其進行了改進和創新，建立了一個包含海陸冰氣系統、植被和碳循環的多圈層耦合的次季節-季節-年際尺度一體化氣候模式預測業務系統——第三代模式預測系統（BCC_CPSv3），包含次季節至季節（Sub-Seasonal to Seasonal，簡稱S2S）預測和季節預測兩個子系統，于2020年底投入準業務運行。

模式預測能力的檢驗評估是了解模式性能，有效應用模式信息的重要基礎［8-10］。但截至目前，BCC-CPSv3 S2S模式對廣東地區氣象要素預測能力的檢驗評估和解釋應用工作尚未開展。因此，有必要結合業務實際需求和防災減災重點，評估分析BCC-CPSv3 S2S模式對于廣東汛期降水的預測技巧，為進一步解釋應用模式產品，提高極端降水預測準確率，延長預測時效打下科學基礎。

1 資料與方法

1.1 資料

站點資料：由國家信息中心整編的《中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數據集（V3.0）》，選取其中廣東省86站逐日降水觀測資料，時間2005—2019年。

模式數據：中國氣象局次季節-季節-年際氣候一體化預測模式系統（BCC-CPSv3）中的S2S預測子系統產品，該模式每周發報兩次（周一、周四），預報時效0～60 d，水平分辨率為0.25°×0.25°，包含4個子成員，歷史回報時間為2005—2019年。

本研究所用站點資料和模式數據的氣候平均值統一為2005—2019年。格點插值到站點的方法采用的是雙線性插值。對BCC-CPSv3 S2S模式產品的4個子成員進行等權重平均，得到集合平均預報結果參與評估?？紤]到業務的適用性，本研究僅評估月內未來30 d的模式預測能力，汛期評估樣本量為795個，其中前汛期390個、后汛期405個。

1.2 方法

為了系統性的評估模式的預測效果，本研究參考世界氣象組織（World Meteorological Organisation，WMO）推薦的標準和方法［11］，采用均方根誤差（RMSE）、距平相關系數（ACC）和時間相關系數（TCC）共3種指標分別對預測回報試驗結果的整體偏差、空間異常模態一致性和站點異常預報能力進行定量評估。

2 結果與分析

2.1 汛期月內降水預測技巧

為比較BCC-CPSv3 S2S模式集合平均和子成員對廣東汛期降水的預測技巧，分別從整體偏差和空間異常模態一致性對汛期降水預測效果進行檢驗評估。

BCC-CPSv3 S2S模式對廣東汛期降水的預測技巧隨預測時效的改變而變化。如圖1所示，模式集合平均預測的均方根誤差明顯小于其他子成員（圖1a），而且對于空間異常模態一致性（ACC）的把握也優于其他子成員（圖1b）。當預測時效為1 d時，集合平均和各子成員預測與實況的偏差最小，ACC預測技巧最高，隨預測時效的延長模式預測偏差快速增加，預測技巧快速衰減。整體來看，模式預測偏差1～20 d持續增加，21～30 d變化平緩。以α＝0.01作為相關檢驗的顯著性水平，BCC-CPSv3 S2S模式對廣東汛期降水空間異常模態一致性的預測技巧上限為6 d。按不同預報時效劃分來看，在天氣尺度（1～10 d）內預測偏差為11.9～14.3 mm，ACC為0.065～0.232。進入次季節尺度（11～30 d）后，預測偏差增加為14.6～15.2 mm，ACC降低為0.004～0.028。由此可以看出，BCC-CPSv3 S2S模式在天氣尺度內的定量預測技巧均優于次季節尺度，而集合平均和各子成員之間預測技巧的差異在次季節尺度大于天氣尺度，集合平均的預測結果明顯優于其他子成員。

圖1 BCC-CPSv3 S2S模式對廣東汛期月內降水的預測技巧

廣東省汛期氣候復雜多變，前汛期與后汛期的影響系統截然不同，前汛期主要以鋒面降水和季風降水為主［12-14］，后汛期降水則主要來自于臺風［1］，因此有必要分開討論模式對于前汛期和后汛期兩個時段的預測技巧。

與汛期相似，BCC-CPSv3 S2S模式集合平均結果對前汛期降水預測的整體偏差小于其他子成員，對于空間異常模態一致性的把握也優于其他子成員。如圖2所示，預測與實況的均方根誤差在預測時效為1 d時最小，ACC預測技巧最高，隨著預測時效的增加預測偏差逐漸增加，預測技巧逐漸下降。同樣表現出天氣尺度內的預測能力高于次季節尺度，集合平均結果在次季節尺度優于其他子成員的特征。不同的是，BCCCPSv3 S2S模式對于廣東前汛期降水的預測偏差呈現持續上升趨勢，空間異常模態一致性的預測技巧上限為7 d。天氣尺度內的預測偏差為9.4～12.2 mm，ACC為0.085～0.292。次季節尺度的預測偏差為12.2～14.9 mm，ACC為0.009～0.069。與整個汛期相比，前汛期期間模式的預測偏差降低，定量預測技巧提高?？梢钥闯?，模式集合平均預測效果最佳，且對于前汛期降水的預測能力總體高于整個汛期，對整個汛期的預測技巧具有正向貢獻。

圖2 BCC-CPSv3 S2S模式對廣東前汛期月內降水的預測技巧

對于后汛期（圖3），模式集合平均在整體偏差和空間異常模態一致性上的預測效果也是優于其他子成員。同樣，預測整體偏差在預測時效為1 d時最低，ACC預測技巧最高，并隨預測時效增加而降低，天氣尺度優于次季節尺度。不同的是，模式對后汛期的預測偏差在天氣尺度持續增加，而進入次季節尺度后變化平穩，21～30 d有微弱下降，空間異常模態一致性的預測技巧上限僅有2 d。天氣尺度內的預測偏差為14.3～16.4 mm，ACC為0.047～0.175。次季節尺度的預測偏差為15.1～16.9 mm，ACC為-0.005～0.022。與汛期和前汛期相比，后汛期期間模式的預測偏差增加，定量預測技巧降低。由此可以看出，模式集合平均對于后汛期的預測效果同樣表現最好，但是整體預測技巧明顯低于前汛期，對整個汛期的預測技巧是負貢獻。

圖3 BCC-CPSv3 S2S模式對廣東后汛期月內降水的預測技巧

有研究表明，BCC-CPSv3 S2S模式對于四川汛期極端降水的預測技巧隨著起報時間的臨近而提高，在天氣尺度高于次季節尺度［9］；BCC-CPSv3 S2S模式對長江上中游地區的日降水和極端降水事件的預報性能隨預見期的增加而下降，6月預報精度相對較好，這可能與6月主要受大范圍水汽輸送或鋒面這樣較容易預報的天氣系統有關［15］，這些研究與本研究的結論是一致的。

2.2 預測技巧的空間分布特征

由2.1節可知，BCC-CPSv3 S2S模式集合平均的預測技巧明顯優于其他子成員，因此在模式預測技巧的空間變化特征研究中，主要評估了模式集合平均的預測效果。

圖4為BCC-CPSv3 S2S模式集合平均對于前汛期月內候平均降水預測檢驗的TCC，其中1至6候的提前預報時效分別為0、5、10、15、20和25 d。從圖4可以看出，模式的降水預測與觀測降水之間普遍為正相關。模式對于各站點異常的預測能力在天氣尺度（前2候）同樣優于次季節尺度（3～6候）。最高的預測技巧出現在第1候，中北部和粵西部分地區TCC可達到0.5以上。隨著預報時效的增加，預測技巧逐漸下降。全省來看，模式對于前4候的預測都是有技巧的（通過0.01顯著性水平檢驗）；進入到第5候，預測技巧明顯降低，只在粵西和東部地區還存在預測技巧；而第6候存在預測技巧的區域僅有粵西和粵東沿海的部分地區。由此可見，模式對于前汛期降水的預測表現較好，大部分地區有技巧預測可以持續到第4候，粵西和粵東沿?？蛇_到第6候。

圖4 BCC-CPSv3 S2S模式對廣東前汛期月內候平均降水預測的TCC分布

與前汛期相比，模式對于后汛期降水的預測技巧下降較為明顯。與前汛期相似，模式在天氣尺度的預測效果也是優于次季節尺度的，同樣在第1候表現最好，北部和雷州半島的TCC都在0.5以上（圖5）。

圖5 BCC-CPSv3 S2S模式對廣東后汛期月內候平均降水預測的TCC分布

但是，隨著預報時效的增加，預測技巧快速下降。全省來看，模式只對前2候的預測是有技巧的（通過0.01顯著性水平檢驗）；第3候只有北部地區部分站點還存在預測技巧，東部地區出現了負技巧；第4候僅在粵西部分站點有預測技巧；第5和6候的預測在全省都是無技巧的。因此，模式對于后汛期降水的預測能力較差，全省大部地區僅在前2候有預測技巧，進入第3候以后模式預測技巧大幅降低，全省大部地區預測為無技巧。

3 結論

為提高汛期降水預測準確率，延長預測時效，為國產數值模式產品應用打下基礎，本研究基于2005—2019年廣東氣象觀測降水資料和BCC-CPSv3 S2S模式的降水回報資料，采用多種指標評估分析了模式產品對廣東汛期降水的預測能力。結果表明：

1）BCC-CPSv3 S2S模式集合平均的預測技巧優于其他4個子成員，模式預測技巧隨預測時效的增加而降低，對于天氣尺度的預測能力明顯高于次季節尺度。

2）模式對于前汛期降水的預測能力明顯優于后汛期，主要體現在前汛期預測偏差明顯低于后汛期，且前汛期空間異常模態一致性的預測技巧上限可達7 d，后汛期僅為2 d，這反映了模式對于鋒面降水和季風降水的預測能力優于臺風降水。

3）從模式預測技巧的空間分布來看，模式對于前汛期降水的預測表現較好，大部分地區有技巧預測可以持續到第4候，粵西和粵東沿?？蛇_到第6候；而對于后汛期降水的預測能力較差，全省大部地區僅在前兩候有預測技巧，進入第3候以后全省大部地區為無技巧。

本研究主要分析了BCC-CPSv3 S2S模式對廣東汛期降水的預測技巧，但是由于篇幅有限，未對模式的誤差來源進行研究，同時對于模式的誤差訂正工作也有待下一步開展。