高原气象

高原气象 >

2021 , Vol. 40 >Issue 2: 333 - 342

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00017

论文

不同初始场对一次西北地区暴雨影响的数值模拟研究

  • 韩子霏 , 1 ,
  • 隆霄 , 1 ,
  • 王思懿 1 ,
  • 魏倩 1 ,
  • 陈晓燕 2
展开
  • 1. 兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000
  • 2. 兰州中心气象台，甘肃 兰州 730000
隆霄（1972 -）， 男， 陕西扶风人， 副教授， 主要从事中尺度大气动力学和中尺度数值天气预报研究 E-mail：

韩子霏（1996 -）， 女， 河北石家庄人， 硕士研究生， 主要从事大气动力学和中尺度数值天气预报研究E-mail：

收稿日期: 2019-11-27

  修回日期: 2020-03-23

  网络出版日期: 2021-04-28

基金资助

国家自然科学基金项目(41965001)

收起

Numerical Studies on Effects by Different Initial Fields on a Rainstorm in Northwest China

  • Zifei HAN , 1 ,
  • Xiao LONG , 1 ,
  • Siyi WANG 1 ,
  • Qian WEI 1 ,
  • Xiaoyan CHEN 2
Expand
  • 1. College of Atmospheric Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，Gansu，China
  • 2. Lanzhou Central Meterological Observatory，Lanzhou 730000，Gansu，China

Received date: 2019-11-27

  Revised date: 2020-03-23

  Online published: 2021-04-28

Fold

本文亮点

利用WRF3.8.1模式研究了GRAPES_GFS、 FNL和ERA-interim三种资料形成的不同初始场对2017年8月6 -7日西北地区一次暴雨过程模拟结果的影响。此次暴雨是由于南亚高压和高空急流的加强， 副热带高压西伸北抬， 偏东风低空急流和低空切变线的发生发展造成； 三种资料中只有GRAPES_GFS资料中可以分析出偏东风低空急流， 这可能是导致模拟的降水分布出现差异的主要影响系统。以三种资料作为初始场模拟的环流演变特征在中低层具有一定的差异， 500 hPa层GRAPES_GFS资料的模拟结果在甘肃中南部地区为一深槽， FNL资料的为一尺度较小的闭合低压， 而ERA-interim资料模拟的低值系统不明显； 三种资料均可以模拟出700 hPa偏东风低空急流和气旋式环流， 强度略有差异。三种资料形成的初始场模拟的降水分布特征方面差异明显， 从强降水中心位置和区域平均降水率变化特征来看， FNL资料形成的初始场模拟效果最好； 从TS评分等评估指标来看， GRAPES_GFS资料形成的初始场模拟效果最好， 但是20 mm量级以下空报率相对较大； ERA-interim资料的模拟效果最差。

本文引用格式

韩子霏 , 隆霄 , 王思懿 , 魏倩 , 陈晓燕 . 不同初始场对一次西北地区暴雨影响的数值模拟研究[J]. 高原气象, 2021 , 40(2) : 333 -342 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00017

Highlights

Effects of different initial fields from global data such as GRAPES_GFS， FNL and ERA-interim on a rainstorm process which occurred in the Northwest of China from 6 to 7 August 2017 were studied with Meso-scale model WRF V3.8.1 Synoptic analyses show that the formation and evolution of the rainstorm was caused by the strengthen of the South Asia High associated with the upper jet at 200 hPa， westwards extending and northwards moving of the subtropical high as well as development of the plateau trough at 500 hPa and low-level shear line at 700 hPa.Comparative analyses indicate that only easterly low-level jet at 700 hPa was appeared in the GRAPES_GFS data among three kinds of data， which may be the mainly synoptic system for difference of simulated distribution of precipitation with different initial fields.There are some differences at middle and low levels of troposphere in simulated results with three initial fields， which are not obvious at upper levels.A deep trough was appeared in the southeast part of Gansu province in simulated output by initial field from GRAPES-GFS data at 500 hPa， which was a closed low system by initial field from FNL data， while no obvious low systems by initial field from ERA-interim data； At level of 700 hPa， development of easterly low-level jet stream and cyclonic circulation systems can be simulated with three initial fields and there are slightly difference in intensity of simulated systems.According to the distribution of precipitation， simulated results have obvious differences by three initial fields， the location of precipitation center and the regional average precipitation rate simulated by initial field from FNL data were the best among three different initial fields， according to evaluation indexes such as TS， FAR and POD， initial filed from GRAPES_GFS data was the best but the rate of vacancy forecast of rainfall below 20 mm level was relatively larger； Simulated results with initial field from ERA-interim data were the worst in this case.

1 引言

中国西北地区属于降水偏少的干旱半干旱地区， 远离海洋， 水汽难以到达， 这不利于该地区强降水过程的形成。观测结果显示近年来西北地区的强降水事件出现的频次却有增加的趋势（白晓平等， 2018）。此外该地区地形非常复杂， 生态环境差， 突发性的短时强降水过程及其导致的次生灾害对该地区带来的危害可能更为严重。因此深入研究西北地区复杂地形上的强降水过程有重要意义。
对于我国西北地区降水已有学者开展相关研究。张晓露等（2015）针对2013年7月7 -9日一次发生在西北地区东部夏季暴雨过程的研究表明， 此次暴雨为一次典型的副高西北侧西南急流型暴雨， 西风槽和高原槽发展东移， 配合副高外围的西南气流及低层低涡切变是控制暴雨形成的主要天气系统； 李生辰等（2010）利用NECP资料对2007年8月25日西北地区的一次暴雨过程的研究指出， 副热带高压、 冷温槽和垂直风切变是此次暴雨的主要影响系统； 李江萍等（2013）研究指出西北地区降水的环流形势主要以西低东高型和偏南气流为主； 钱正安等（2018）对“1981·7·13”和“1981·7·28 -8·3”两例典型西北大暴雨过程的研究指出， 借助西伸北挺的副高外围的华南东南季风急流、 高原东侧（即西伸副高西侧）的偏南风急流以及河西偏东风等气流的密切配合， 将水汽输送至高原北侧干旱区造成暴雨； 吴统文和钱正安（1996）认为高原北侧干、 湿年夏季对流层中、 高层环流具有明显差异； 张仲杰等（2019）对西北地区东部降水异常特征的统计结果显示西北地区多雨年和少雨年的天气控制系统有所不同， 西太平洋副高在多雨年较少雨年偏西偏强； 郁淑华等（2018）利用NECP再分析资料分析了青藏高原上空的高原涡活动状况， 结果表明台风或热带低压向北活动会使副热带高压北抬从而造成高原涡路径变化。
暴雨和短时强降水过程属于中尺度天气过程， 西北地区稀疏的站点观测在表征此类天气系统时存在明显的不足。近几十年来， 中尺度数值模式得到快速发展， 利用数值模式对此类天气系统进行数值模拟和预报可以弥补观测资料的不足， 并且取得了明显的效果。然而数值模式是存在误差的， 主要的误差来源于初始场误差和模式误差。一般认为导致模式模拟或者预报的误差主要是由初始场资料不准确所导致的（李秋阳， 2019）。在我国开展数值模拟研究时通常以NCEP的FNL（Final Operational Global Analysis data）客观分析资料和欧洲中心ECMWR的ERA-interim再分析资料来产生中尺度模式的初始场和边界条件。已有的研究表明这两种资料在我国西北地区由较好的适用性（李晓霞等， 2006； 周连童和黄荣辉， 2018； 刘菊菊等， 2018； 谢欣汝， 2018； 赵采玲， 2019）。我国自主研发的全球区域一体化同化预报系统GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）自2009年3月以来先后完成改进优化， 已于2015年底通了预报能力综合评估， 2016年初正式投入业务化运行。尽管已有学者针对该模式资料的性能开展相关的评估（何光碧等， 2011； 张涵斌等， 2014； 于翡等， 2018）， 然而对于该资料的性能、 偏差等的认识还存在不足， 这不仅难以为预报员提供足够参考， 也为利用该资料作为初始场开展数值模拟研究带来困难。
本文将针对西北地区一次暴雨过程， 以三种不同资料为基础， 利用WRF模式评估这三种资料提供的初始条件和边界条件的数值模拟效果， 以期进一步了解GRAPES_GFS全球预报系统资料在我国西北地区复杂地形条件下的适用性。

2 降水过程简介

统计结果显示甘肃省短时强降水频次最多、 强度最强的地区出现在陇东南地区（孟丽霞， 2017）。2017年8月6日07:00（世界时， 下同）至7日01:00甘肃陇南地区出现了一次强降水过程并伴随灾害性泥石流。据资料统计显示， 此次暴雨过程造成18万人受灾， 直接经济损失超过7亿。观测降水资料表明， 此次暴雨小时降水最大时段为8月6日23:00， 小时降水最大站点为礼县站和武都站。6日00:00至7日00:00大部分地区的降水为50~75 mm， 24 h累计最大降水出现在礼县万家村， 达到208.5 mm （图1）， 此次降水是陇南市地区近10年最强的一次， 全市范围内53个自动站点的降水量突破历史极值， 具有强度大， 持续时间长， 雨区分布集中的特点。文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2016）2923的中国地图制作， 底图无修改。
图1 2017年8月6日00:00至7日00:00 24 h的降水量分布（单位: mm）

Fig.1 The distribution of 24-hour precipitation from 00:00 on 6 to 00:00 on 7 August 2017.Unit: mm

3 三种资料的大中尺度环流特征

选取三种资料对暴雨形成时的大中尺度环流特征进行对比， 分析三种资料对此次暴雨过程天气学特征的表征能力， 三种资料分别为NECP的 FNL客观分析资料（水平分辨率为1°×1°， 垂直31层）、 欧洲中心的ERA-Interim再分析资料（水平分辨率为0.25°×0.25°， 垂直27层）和我国GRAPES_GFS全球预报系统分析场资料（水平分辨率为0.25°×0.25°， 垂直30层）。
暴雨的形成是在有利的大尺度条件下中尺度系统发展的结果。从200 hPa形势场看， 8月6日00:00， 三种资料南亚高压的位置及北侧的高空急流位置具有较好的一致性。南亚高压的中心出现在（95°E， 33°N）附近， 高空急流中心位于（103°E， 40°N）附近， ERA-interim资料中高空急流的强度较FNL资料和GRAPES_GFS资料的强， 其急流中心最大风速可达到50 m·s-1； 到6日12:00， 南亚高压控制区扩大， 东伸脊点位于（112°E， 30°N）， 甘肃南部地区位于高空急流出口区， 受南亚高压和高空急流共同影响， 有利于暴雨的形成和发展； 到7日00:00， 南亚高压控制区域缩小， 北侧高空急流南压并加强， 中心风速均达到50 m·s-1（图略）。
在500 hPa， 三种资料在6日均显示出“两槽一脊”的形势， 两槽分别位于新疆地区和内蒙古地区， 系统偏北， 可影响我国北方大部分地区； 到7日“两槽一脊”形势减弱， 位于内蒙古上空的槽逐渐东移（图略）。罗四维等（1982）指出高空出现“东部型”南亚高压（主高中心在100°E以东维持5天以上）时， 常有利于中层的副热带高压西伸北抬。6日00:00西太平洋副热带高压位于甘肃南部地区， 降水地区处在副热带高压的控制之下， 12:00随着副热带高压东移南退， 青海东部一槽发展； 到7日00:00副热带高压退至华南地区， 槽向四川盆地东移发展（图略）。三种资料均能分析出副热带高压和槽的演变特征， 其中ERA-interim资料中副热带高压南退最快， 槽发展最快。
在对流层低层700 hPa， 8月6日00:00， 东西向暖式切变线位于甘肃南部地区， 该暖式切变线在6日12:00东移加强， 三种资料中仅有GRAPES_GFS资料可以分析出甘肃中南部出现的偏东风低空急流， 急流核风速约为18 m·s-1［图2（a）］； FNL资料与ERA-interim资料分析出相对强风带（西北暴雨编写组， 1992）， 中心风速达10 m·s-1。到7日00:00， 甘肃南部至陕西中部地区形成气旋式环流， 并出现由东北风和西南风形成的冷式切变线， 暖式切变线东移至陕西中南部地区（图3）。三种资料均能表现分析出低空切变线的发展演变特征， 但只有GRAPES_GFS资料在6日12:00可以分析出低空偏东风急流。
图2 2017年8月6日12:00 GRAPES_GFS（a）、 FNL（b）和ERA-interim（c）三种资料分析700 hPa的环流形势

黑色等值线为位势高度（单位: gpm）; 彩色区为风速大于12 m·s-1的低空急流区; 阴影为地形高度大于3000 m的地区; 绿色线为切变线; 箭头表示低空急流（LLJ）的风向, 风向杆标准为4 m·s-1

Fig.2 The circulation situation of GRAPES_GFS (a), FNL (b) and ERA-interim (c) three objective data of 700 hPa at 12:00 on 6 August 2017.The black contours represent geopotential height (unit: gpm); Coloring area for wind speed over 12 m·s-1; The shadow region for terrain height which is greater than 3000 m of 700 hPa; Green line for the shear line; The arrow indicate wind direction of Low Level Jet (LLJ)； A full barb indicates 4 m·s-1

图3 2017年8月7日00:00 GRAPES_GFS（a）、 FNL（b）和ERA-interim（c）三种资料分析700 hPa的环流形势

黑色等值线为位势高度（单位: gpm）; 彩色区为风速大于12 m·s-1的低空急流区; 阴影为地形高度大于3000 m的地区; 绿色线为切变线; D为低压中心; 风向杆标准为4 m·s-1

Fig.3 The circulation situation of GRAPES_GFS (a), FNL (b) and ERA-interim (c) three objective data of 700 hPa at 00:00 on 7 August 2017.The black contours represent geopotential height (unit: gpm); Coloring area for wind speed over 12 m·s-1; The shadow region for terrain height which is greater than 3000 m of 700 hPa; Green line for the shear line; Capital D represent low-pressure center； A fall barb indicates 4 m·s-1

以上分析表明， 三种资料在表征此次暴雨过程中对流层高、 中、 低层的环流配置和演变特征方面具有较好的一致性。中高层系统发展无明显差异， 但在对流层低层700 hPa只有GRAPES_GFS资料分析出了偏东风低空急流， 甘肃南部地区位于低空急流的左侧， 这有利于该地区强降水的形成和发展（陶诗言， 1980）。
以下利用我国150个站的探空资料统计分析ERA-interim、 FNL和GRAPES_GFS三种资料的误差特征。统计分析的时段为2017年8月5日00:00至9日12:00。从温度场、 位势度场和风场的统计结果（表1）中可以看出， GRAPES_GFS资料和FNL资料在200 hPa高度上的平均位势高度与观测相比较低， 这可能与两种资料在高层南亚高压较弱有关； ERA-interim资料在所有高度上相较观测值均偏高， 可能与ERA-interim资料南亚高压最强有关。三种资料在200 hPa、 500 hPa和700 hPa的平均温度误差均在1 ℃左右， 但位势高度和风速误差从低层到高层都呈增加的特征。三种资料的平均值范围相近， 均方根误差都在可接受范围， 这说明三种资料都是具有可信度的， 可以利用它们产生的不同初始场进行数值模拟试验。
表1 三种资料与观测探空资料的对比

Table 1 Comparison of three kinds of objective analysis data and observation sounding data

要素 气压/hPa 统计值 观测值 GRAPES_GFS FNL ERA-interim
位势高度/dagpm 200 平均值 1247.76 1247.02 1246.50 1248.55
均方根误差 / 2.09 2.24 2.03
500 平均值 583.93 583.96 583.78 584.15
均方根误差 / 1.20 1.15 1.21
700 平均值 310.58 310.44 310.60 310.66
均方根误差 / 0.02 0.09 0.03
温度/℃ 200 平均值 -47.60 -47.52 -47.82 -47.29
均方根误差 / 1.14 0.98 0.03
500 平均值 -4.14 -4.02 -4.24 -3.82
均方根误差 / 0.93 0.87 0.93
700 平均值 11.22 11.21 11.11 11.37
均方根误差 / 1.00 0.85 0.87
风速/(m·s-1) 200 平均值 21.40 21.10 21.15 20.94
均方根误差 / 3.63 3.02 3.65
500 平均值 8.51 7.78 7.82 7.39
均方根误差 / 2.21 1.91 2.29
700 平均值 6.75 6.04 6.13 5.70
均方根误差 / 2.05 1.81 1.83

4 数值试验设计

以下采用WRF3.8.1模式研究三种不同资料形成初始场对2017年8月6日暴雨过程模拟的影响。模式模拟采用三重双向嵌套网格， 模拟中心点设置在（105°E， 34°N）， 格点域分别为121×91、 201×201和401×401， 对应格距为50 km、 10 km和2 km。图4为第三重嵌套网格的水平分布（Lambert投影）。数值试验的初始场和边界条件分别由ERA-Interim再分析资料、 FNL客观分析资料和GRAPES_GFS客观分析资料产生。三组数值试验采用相同的物理过程参数化方案（表2）。模拟的启动时刻为2017年8月6日00:00， 时间步长180 s， 共积分48 h， 模拟结果每小时输出一次。
图4 WRF模式第三重嵌套网格区域

填色为地形高度（单位: m）

Fig.4 Third nested mesh region of WRF.The color area denote topographic height (unit: m)

表2 数值试验的物理过程

Table 2 Configuration of physical process schemes

网格区域 积云参数化 微物理过程 边界层方案 短波辐射 长波辐射 陆面过程
D01 Grell-Devenyi集合方案 WSM 6类冰雹方案 YSU 方案 Goddard 短波方案 RRTM方案 RUC 陆面过程方案
D02 Grell-Devenyi集合方案 WSM 6类冰雹方案 YSU 方案 Goddard 短波方案 RRTM方案 RUC 陆面过程方案
D03 无 WSM 6类冰雹方案 YSU 方案 Goddard 短波方案 RRTM方案 RUC 陆面过程方案

5 模拟结果对比分析

5.1　环流分布特征的对比分析

以三种资料产生的初始场和边界条件模拟出的D01模拟域200 hPa环流形势相似性较高（图略）， 而在对流层中层和低层的差异较为明显。8月6日00:00的初始场中， 三种资料在500 hPa均表现为副高范围较大并北抬至甘肃南部地区； 模拟结果显示6日12:00， 三种初始场模拟的D01环流形势出现较大差异， 其中GRAPES_GFS资料产生的初始场的模拟结果在甘肃南部地区表现为一强度较强的深槽， 甘肃南部位于槽前， FNL资料的模拟结果在该区域表现为尺度较小的闭合低压。7日00:00 GRAPES_GFS资料和FNL资料在甘肃南部地区表现为深槽， 强度略有减弱， ERA-interim资料未模拟出低值系统（图略）。对流层低层三种资料模拟的对流层低层700 hPa环流形势均表现暖式切变线的东移发展， 6日12:00对流云团位于甘肃南部上空， 三种资料均模拟出甘肃中部的偏东风急流， 只不过强度略有差异， 其中FNL资料模拟的最强， GRAPES_GFS资料模拟的强度次之， ERA-interim资料最弱（图5）， 模拟的风场结构与探空资料显示的风场结构接近。7日00:00对流云团移出甘肃南部上空， 三种资料都在甘肃南部模拟出气旋式环流， 从位置上来看GRAPES_GFS资料模拟出的气旋式环流较其他两种资料模拟的结果偏东； ERA-interim资料模拟的偏南； 从强度上来看， FNL资料模拟的气旋式环流最强， ERA-interim资料的模拟结果最弱； 与武都站观测的风场对比可以看出GRAPES_GFS资料模拟的低涡中心移动相对较快， FNL资料与ERA-interim资料模拟的低涡系统移动较慢（图6）。前文分析指出， GRAPES_GFS资料可以分析出甘肃中南部的偏东风急流［见图2（a）］， 而FNL资料与ERA-interim资料分析出相对强风带［图2（b）， （c）］， 这意味着偏东风低空急流的出现有利于甘肃南部气旋式环流的发展和暴雨的形成， 相对强风带也对西北暴雨有重要影响（西北暴雨编写组， 1992）。
图5 D03模拟区域2017年8月6日12:00 700 hPa上GRAPES_GFS资料（a）、 FNL资料（b）、 ERA-interim资料（c）模拟风场（等值线, 单位: m·s-1）和TBB（彩色区, 单位: ℃）合成分布

三种不同颜色标志为观测风场（红色为榆中站, 绿色为平凉站, 紫色为武都站）; 阴影为地形高度大于3000 m的地区

Fig.5 The simulated wind field (contour, unit: m·s-1) and TBB (color area, unit: ℃) of GRAPES_GFS (a), FNL (b), ERA-interim (c) on analog domain D03 of 700 hPa at 12:00 on 6 August 2017.Three different marks are observation station (red is Yuzhong, green is Pingliang, purple is Wudu); The shadow region for terrain height which is greater than 3000 m of 700 hPa

图6 D03模拟区域2017 年8月7日00:00 700 hPa上GRAPES_GFS资料（a）、 FNL资料（b）、 ERA-interim资料（c）模拟风场和TBB合成分布

三种不同颜色标志为观测风场（红色为榆中站, 绿色为平凉站, 紫色为武都站）; D表示低压中心, 绿色线为切变线; 阴影为地形高度大于3000 m的地区

Fig.6 The simulated wind field (contour, unit: m·s-1) and TBB (color area, unit: ℃) of GRAPES_GFS (a), FNL (b), ERA-interim (c) on analog domain D03 of 700 hPa at 00:00 on 7 August 2017.Three different marks are observation station (red is Yuzhong, green is Pingliang, purple is Wudu); D represent low-pressure center and green line for the shear line; The shadow region for terrain height which is greater than 3000 m of 700 hPa

5.2　降水分布特征的对比分析

从D03模拟域模拟的和观测的8月6日00:00至7日00:00的24 h降水分布（图7）中可以看出， 三种资料形成的初始场均可模拟出甘肃南部的降水， 其中ERA-interim资料形成的初始场模拟的降水强度较弱， 与观测结果相比模拟效果较差［图7（c）， （d）］； FNL资料和GRAPES_GFS资料的模拟结果与观测降水形势较为接近［图7（a）， （b）， （d）］， FNL资料形成的初始场模拟的降水落区较为集中， 最强降水中心位于（105°E， 34°N）附近， 24 h累计降水在200 mm以上， 与观测的强降水中心的位置接近， 强度相当［图7（b）， （d）］； GRAPES_GFS资料形成的初始场模拟的100~150 mm阈值的降水落区与观测结果最为接近［图7（a）， （d）］。
图7 GRAPES_GFS资料(a)、 FNL资料(b)和ERA-interim资料(c)作为初始场D03模拟区域及同时段观测(d)的2017年8月6日00:00至7日00:00 24 h降水量分布（单位: mm）

图（d）中方框为计算区域平均小时降水率的范围

Fig.7 The distribution of 24-hour precipitation of GRAPES_GFS (a), FNL (b), ERA-interim (c) at D03 and observation (d) from 00:00 on 6 to 00:00 on 7 August 2017.Unit: mm.In Fig.7(d), the rectangle represents the range of calculating the average hourly precipitation rate

采用双线性插值法将模拟结果处理至观测站点上， 选择24 h总降水量大于50 mm的站点定义为发生暴雨的站点， 利用三种不同的指数来检验不同初始场的D03模拟域降水的模拟效果。检验时将降水模拟结果分为不同的阈值来评估， 当预报结果大于阈值时认为成功模拟降水， 当预报结果小于阈值时认为未成功模拟降水， 如下所示：
表3 降水预报检验方法

Table 3 Test method for precipitation

观测有降水 观测无降水
模拟有降水 N1 N3
模拟无降水 N2 N4
总指数（TS）代表正确模拟数总和与总预报数之比， 0代表模拟全部错误， 1代表模拟全部正确， TS数值越大模拟效果越好， 具体的公式为：
T S = ( N 1 + N 4 ) / ( N 1 + N 2 + N 3 + N 4 )
虚假预警率（FAR）代表模拟有降水的站点中空报数所占的比例， 0代表模拟出的降水全部发生， 1代表模拟出的降水均未发生， FAR数值越小模拟效果越好， 公式为：
F A R = N 3 / ( N 1 + N 3 )
命中率（POD）代表正确模拟降水的站点占发生降水总站的比例， 0代表实际发生的降水均未被模拟出， 1代表实际发生的降水均被模拟出， POD数值越大模拟效果越好， 公式为：
P O D = N 1 / ( N 1 + N 2 )
表4为不同阈值下三种初始场资料模拟结果的总指数（TS）、 虚假预警率（FAR）、 命中率（POD）， 从表中可以看出， GRAPES_GFS资料作为初始场模拟的降水对不同阈值的TS评分和命中率均高于其他两种资料； ERA-interim资料初始场模拟效果最差， 且对于75 mm以上量级的降水TS评分和命中率为0； GRAPES_GFS资料和FNL资料初始场模拟结果对于75 mm以上量级降水的命中率和TS评分相当。从虚假预警率来看， 在20 mm以下量级GRAPES_GFS资料空报较多， 模拟较差， 但在75 mm以上量级模拟效果较好； ERA-interim资料在50 mm量级空报最少， 模拟效果最好。
表4 不同阈值下三种初始场资料模拟结果的总指数（ TS）、 虚假预警率（ FAR）、 命中率（ POD）

Table 4 The TS, FAR, POD results of three kinds of initial field simulation under different threshold

评分指标 降水量级/mm GRAPES_GFS FNL ERA-interim
TS ≥10 0.58 0.56 0.47
≥20 0.39 0.31 0.24
≥50 0.10 0.03 0.01
≥75 0.02 0.02 0
FAR ≥10 0.38 0.33 0.33
≥20 0.51 0.50 0.50
≥50 0.75 0.85 0.67
≥75 0.85 0.86 1
POD ≥10 0.90 0.76 0.62
≥20 0.66 0.45 0.32
≥50 0.15 0.04 0.02
≥75 0.02 0.02 0
尽管从三种资料形成的初始场模拟的降水分布和检验结果来看， GRAPES_GFS资料的模拟效果最好， 但从区域平均降水变率的变化来看， ERA-interim资料形成的初始场模拟的降水总量明显偏低且峰值出现时刻较观测滞后； GRAPES_GFS资料模拟率出现两个峰值， 第一个峰值出现时刻明显超前， 第二个峰值为最大降水时刻， 此时刻与观测峰值时刻接近； FNL资料模拟的峰值出现时刻及降水率变化趋势与观测最为接近（图略）。前文分析指出， 6日12:00在甘肃南部地区GRAPES_GFS资料表现为偏东风的低空急流， 而另外两种资料为偏东风强风速带， 与武都站的风场对比可以看出GRAPES_GFS资料模拟的中尺度低涡移动较快， 因此GRAPES_GFS资料模拟的强降水出现时刻超前可能是由于与初始场中的偏东风气流强度相对较强， 中尺度系统的发展相对较快所致（何光碧， 2006； Tao and Ding， 1981； 刘新伟等， 2017）。
以上分析表明， 从模拟的强降水中心位置和区域平均降水率的变化特征来看， 三种客观资料中FNL资料形成的初始场模拟效果最好； 从降水落区分布和检验结果来看， GRAPES_GFS资料形成的初始场模拟效果最好； ERA-interim资料的模拟效果最差。

6 结论和讨论

针对我国西北地区的一次暴雨过程来评估GRAPES_GFS、 FNL和ERA-interim三种资料在我国西北地区的适用性。首先利用我国的探空观测资料对三种资料进行评估， 进而利用三种不同资料形成的初始场利用WRF3.8.1模式进行数值试验， 对比分析其在模拟的大中尺度环流系统及降水分布特征的差异， 得到以下主要结论：
（1） 三种资料与我国150个站探空资料的对比分析显示， 三种资料与观测资料的相对误差均较小， 具有较好的一致性； GRAPES_GFS模式产生的分析场资料具有可信度， 可以作为初始场进行数值模拟。
（2） 从三种资料形成的初始场模拟的中尺度系统的分布特征来看， 不同初始场模拟结果的差异主要体现在中低层： 6日12:00， GRAPES_GFS资料的初始场模拟的甘肃南部地区在500 hPa表现为深槽， FNL资料的为以尺度较小的闭合低压系统， 而ERA-interim资料没有模拟出低值系统； 三种资料初始场均模拟出700 hPa偏东风低空急流和气旋式环流， 只不过强度有差异， 这可能是导致模拟降水落区和强度分布及中尺度系统环流差异的主要影响系统。
（3） 从三种资料形成的初始场模拟的强降水中心位置和区域平均降水率的变化特征来看， FNL资料形成的初始场模拟效果最好； 从降水落区分布和检测接结果来看， GRAPES_GFS资料形成的初始场模拟效果最好， 在不同阈值GRAPES_GFS资料模拟的降水的TS和POD评分最高， 但是对于20 mm以下的降水空报率最高； ERA-interim资料的模拟效果最差。GRAPES_GFS资料形成的初始场模拟的强降水出现时刻明显超前， 这主要是由于该资料的初始场中低空偏东风气流偏强导致中尺度系统发展相对较早较快所致。
GRAPES_GFS全球预报系统是我国自主研发的全球区域一体化同化预报系统， 对该资料的性能和偏差评估对于改进我国的数值天气预报系统有重要意义。本文针对我国西北地区的一次强降水过程， 评估了GRAPES_GFS、 FNL和ERA-interim三种资料的适用性。GRAPES_GFS作为初始场在降水模拟结果方面存在优势， 降水的落区分布及TS和POD评分在三种资料中最高； 但也存在一定的不足， 主要体现为强降水时刻出现超前， 对于20 mm以下降水的空报率相对较高。需要指出的是本文得到的结论仅是针对这一次暴雨过程的分析， 对于其他天气系统引起的其他个例是否适用还需进一步研究。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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