内蒙古一次大暴雨过程的对流尺度集合预报试验

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-05-0723

摘要/Abstract

摘要：

针对2021年7月发生在内蒙古地区的一次显著性大暴雨过程，开展了一组对流尺度集合预报（Convection-Allowing Ensemble Prediction，CAEP）试验，以评估其对强降水过程的预报能力，并与欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium range Weather Forecasts，ECMWF）全球集合预报、美国国家环境预报中心全球集合预报（National Centers for Environmental Prediction Global Ensemble Prediction System，NCEP-GEFS）以及中国气象局区域集合预报（China Meteorological Administration Regional Ensemble Prediction System，CMA-REPS）进行对比分析。结果表明，全球集合预报的集合平均对强降水中心的强度预报偏弱，其中ECMWF对强降水中心位置预报较准确；CMA-REPS和CAEP预报的降水强度与实况接近，但存在一定位置偏差；NCEP-GEFS在降水中心及强度的预报中均表现较差。概率匹配集合平均可有效改善集合平均的降水强度预报，TS评分较传统集合平均明显提高，其中ECMWF和CAEP的提升最为显著。CAEP在单站降水量级及其发展趋势的预报中优于全球及区域集合预报。客观检验结果显示，ECMWF、CMA-REPS和CAEP集合成员对25 mm·（6 h）^-1降水具有一定预报能力，而NCEP-GEFS表现较差；对于60 mm·（6 h）^-1降水，CAEP集合成员的TS评分最高，概率预报的Brier评分最低且可辨识度最高，表明CAEP在内蒙古地区强降水过程的预报中具有显著优势。

关键词: 集合预报, 内蒙古, 暴雨, CMA-REPS, 对流尺度集合预报

Abstract:

Aiming at a significant heavy rainfall event that occurred in Inner Mongolia in July 2021, the paper conducfed a set of convection-allowing ensemble prediction (CAEP) experiments to evaluate its forecasting capability for intense precipitation processes, and compared the results with the global ensemble forecasts from the European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), the National Centers for Environmental Prediction Global Ensemble Forecast System (NCEP-GEFS), and the China Meteorological Administration Regional Ensemble Prediction System (CMA-REPS). The results show that the ensemble mean of global ensemble forecasts tended to underestimate the intensity of heavy precipitation centers, although ECMWF provided relatively accurate predictions of their locations. Both CMA-REPS and CAEP precipitation intensities forecasts close to observations but with some positional deviations, whereas NCEP-GEFS performed poorly in forecasting both the location and intensity of heavy rainfall. The Probability Matching Ensemble Mean (PM) effectively improved the simulated precipitation intensity compared with the traditional ensemble mean, leading to a notable increase in the threat score (TS), particularly for ECMWF and CAEP. The CAEP outperformed both global and regional ensemble forecasts in predicting the magnitude and temporal evolution of single-station precipitation. Objective verification indicated that ECMWF, CMA-REPS, and CAEP ensemble members exhibited certain forecasting capability for 25 mm·(6 h)^-1 precipitation, while NCEP-GEFS performed poorly. For 60 mm·(6 h)^-1 precipitation, CAEP achieved the highest TS, the lowest Brier score, and the highest AROC score among the ensemble systems, demonstrating its superior capability in forecasting heavy rainfall over the Inner Mongolia region.

Key words: ensemble forecast, Inner Mongolia, rainstorm, CMA-REPS, convective-allowing ensemble forecast

中图分类号:

P456.7

计燕霞, 孙鑫, 姚晓娟, 刘林春, 朱峰, 刘珂, 王雪严. 内蒙古一次大暴雨过程的对流尺度集合预报试验[J]. 干旱气象, 2025, 43(5): 723-732.

JI Yanxia, SUN Xin, YAO Xiaojuan, LIU Linchun, ZHU Feng, LIU Ke, WANG Xueyan. A experiment of convection-allowing ensemble prediction for a heavy rainstorm in Inner Mongolia[J]. Journal of Arid Meteorology, 2025, 43(5): 723-732.

图/表 11

图1 2021年7月17日20:00 500 hPa位势高度（蓝色等值线，单位：dagpm）、850 hPa风场（红色风矢，单位：m·s-1）和比湿（填色，单位：g·kg-1）（a）及7月18日08:00 24 h累计降水量分布（b，单位：mm）

Fig.1 The 500 hPa geopotential height (blue contour lines, Unit: dagpm), wind field (red wind vectors, Unit: m·s-1) and specific humidity (the color shaded, Unit: g·kg-1) at 850 hPa at 20:00 on 17 (a), and 24 h accumulated precipitation (b, Unit: mm) at 08:00 on 18 July 2021

图2 2021年7月17日20:00—18日02:00（a）、18日02:00—08:00（b）的6 h累计降水分布（单位：mm）

Fig.2 The distributions of 6 h accumulated precipitation from 20:00 on 17 to 02:00 on 18 (a) and from 02:00 to 08:00 on 18 (b) July 2021 (Unit: mm)

图3 2021年7月17日22：00—18日08：00新发乡、兴安、第十二生产队逐小时降水量

Fig.3 Hourly precipitation of Xinfaxiang， Xing’an and the twelfth Shengchandui from 22：00 on 17 to 08：00 on 18 July 2021

图4 对流尺度集合预报系统设置范围

Fig.4 Simulation area of CAEP

图5 2021年7月17日20:00—18日02:00（a、b、c、d）、18日02:00—08:00（e、f、g、h）内蒙古东部ECMWF（a、e）、NCEP-GEFS（b、f）、CMA-REPS（c、g）、CAEP（d、h）集合平均降水预报（单位：mm）

Fig.5 The ensemble mean precipitation of ECMWF (a, e), NCEP-GEFS (b, f), CMA-REPS (c, g), CAEP (d, h) from 20:00 on 17 to 02:00 on 18 (a, b, c, d) and from 02:00 to 08:00 on 18 (e, f, g, h) July 2021 in eastern Inner Mongolia (Unit: mm)

图6 2021年7月17日20:00—18日02:00（a、b、c、d）、18日02:00—08:00（e、f、g、h）内蒙古东部ECMWF（a、e）、NCEP-GEFS（b、f）、CMA-REPS（c、g）、CAEP（d、h）PM降水预报（单位：mm）

Fig.6 The precipitation of PM of ECMWF (a, e), NCEP-GEFS (b, f), CMA-REPS (c, g), CAEP (d, h) from 20:00 on 17 to 02:00 on 18 (a, b, c, d) and from 02:00 to 08:00 on 18 (e, f, g, h) July 2021 in eastern Inner Mongolia (Unit: mm)

图7 2021年7月18日02：00—08：00新发乡、兴安、第十二生产队逐6 h累计降水量实测值和ECMWF、NCEP-GEFS、CMA-REPS、CAEP逐6 h单站降水量预报

Fig.7 Observed 6-hour accumulated precipitation and 6-hour precipitation forecasts from ECMWF， NCEP-GEFS， CMA-REPS， and CAEP at Xinfaxiang， Xing’an and the twelfth Shengchandui from 02：00 to 08：00 on 18 July 2021

图8 2021年7月17日20:00—18日02:00（a、b、c、d）、18日02:00—08:00（e、f、g、h）内蒙古东部ECMWF（a、e）、NCEP-GEFS（b、f）、CMA-REPS（c、g）、CAEP（d、h）降水量大于25 mm的概率预报（红色点为大于25 mm降水的站点）

Fig.8 The probability forecasts of precipitation greater than 25 mm from ECMWF (a, e), NCEP-GEFS (b, f), CMA-REPS (c, g), CAEP (d, h) from 20:00 on 17 to 02:00 on 18 (a, b, c, d) and from 02:00 to 08:00 on 18 (e, f, g, h) July 2021 in eastern Inner Mongolia (The red dots indicate stations with precipitation greater than 25 mm)

图9 四类集合预报对2021年7月17日20:00—18日02:00（a、b）及18日02:00—08:00（c、d）25 mm（a、c）及60 mm（b、d）以上降水的TS评分（横实线为对应集合预报PM，横虚线为集合预报平均，下同）

Fig.9 The threat scores of four ensemble forecasts for precipitation greater than 25 mm (a, c) and greater than 60 mm (b, d) from 20:00 on 17 to 02:00 on 18 (a, b) and from 02:00 to 08:00 on 18 (c, d) July 2021 (The solid horizontal line represents the PM of the corresponding ensemble forecast, and the dashed line represents the ensemble forecast mean; the same as below)

图10 四类集合预报对2021年17日20:00—18日02:00（a、b）及18日02:00—08:00（c、d）25 mm（a、c）及60 mm（b、d）以上降水的BIAS评分

Fig.10 The BIAS scores of four ensemble forecasts for precipitation greater than 25 mm (a, c) and greater than 60 mm (b, d) from 20:00 on 17 to 02:00 on 18 (a, b) and from 02:00 to 08:00 on 18 (c, d) July 2021

图11 四类集合预报对2021年17日20：00—18日02：00（a、b）及18日02：00—08：00（c、d）不同降水量级的Brier评分（a、b）和AROC评分（c、d）（横线为AROC=0.5，是集合预报对降水事件有无可辨识度的阈值）

Fig.11 Brier scores （a， b） and AROC scores （c， d） of the four ensemble forecasts for different precipitation categories from 20：00 on 17 to 02：00 on 18 （a， b） and from 02：00 to 08：00 on 18 （c， d） July 2021 （The horizontal line （AROC=0.5） denotes the threshold of forecast skill for distinguishing precipitation events）

参考文献 28

[1]	安莉娟, 赵艳丽, 陈海英, 等, 2019. 基于三大全球集合预报系统对内蒙古降水预报能力评估[J]. 高原山地气象研究, 39(2):37-42.
[2]	陈圣劼, 刘梅, 张涵斌, 等, 2019. 集合预报产品在江苏省暴雨预报中的应用评估[J]. 气象, 45(7):893-907.
[3]	杜钧, GRUMM R H, 邓国, 2014. 预报异常极端高影响天气的“集合异常预报法”:以北京2012年7月21日特大暴雨为例[J]. 大气科学, 38(4):685-699.
[4]	范苏丹, 盛春岩, 肖明静, 等, 2015. 多模式集合对山东省气象要素预报效果检验[J]. 气象与环境学报, 31(6):68-77.
[5]	计燕霞, 孙鑫, 张涵斌, 等, 2024. 内蒙古对流尺度集合预报初始扰动构造的模拟试验研究[J]. 暴雨灾害, 43(2):195-203.
[6]	李俊, 杜钧, 许建玉, 等, 2020. 一次特大暴雨过程高分辨率集合预报试验的检验和评估[J]. 暴雨灾害, 39(2):176-184.
[7]	李俊, 杜钧, 陈超君, 2015. “频率匹配法”在集合降水预报中的应用研究[J]. 气象, 41(6):674-684.
[8]	李瑞青, 黄晓璐, 宋桂英, 等, 2023. 内蒙古东西部典型地区夏季极端暴雨特征对比分析[J]. 高原气象, 42(5):1 218-1 231.
[9]	廉丹华, 袁慧玲, 王婧羽, 等, 2024. 河南“21·7”特大暴雨的区域集合预报检验和预报偏差分析[J]. 南京大学学报:自然科学, 60(2):287-300.
[10]	马雅楠, 陈静, 徐致真, 等, 2023. GRAPES对流尺度集合预报模式中不同尺度初始扰动能量的演变特征[J]. 大气科学, 47(5): 1 541-1 556.
[11]	彭飞, 陈静, 李晓莉, 等, 2024. CMA-GEPS极端温度预报指数及2022年夏季极端高温预报检验评估[J]. 气象学报, 82(2):190-207.
[12]	钱卓蕾, 娄小芬, 罗玲, 等, 2022. ECMWF集合预报产品对浙江汛期降水的预报性能评估[J]. 科技通报, 38(5):9-15.
[13]	斯琴, 包福祥, 张旭, 2016. 基于EC集合预报产品的降水预报检验[J]. 中国农学通报, 32(7):162-167. DOI
[14]	谭赛, 2023. 基于集合预报的“7·20”河南极端降水可预报性研究[D]. 南京: 南京信息工程大学.
[15]	王婧卓, 陈法敬, 陈静, 等, 2021. GRAPES区域集合预报对2019年中国汛期降水预报评估[J]. 大气科学, 45(3):664-682.
[16]	王秋萍, 潘贤, 周勃旸, 等, 2023. 区域集合预报系统的集合变换卡尔曼滤波初始扰动的余弦分析约束方案[J]. 大气科学, 47(6):1 731-1 745.
[17]	王叶红, 赵玉春, 2023. GRAPES-REPS对我国南方2017年初夏持续性降水预报的检验评估[J]. 干旱气象, 41(2):328-340. DOI
[18]	吴卓亨, 陈静, 张涵斌, 等, 2024. 2021年“7·20”郑州暴雨极端雨强对流尺度集合预报试验[J]. 大气科学, 48(6):2 389-2 404.
[19]	武英娇, 杨浩, 钱仙桃, 等, 2019. ECMWF集合预报在安徽大别山区降水预报中的检验[J]. 暴雨灾害, 38(1):66-71.
[20]	肖柳斯, 张华龙, 张旭斌, 等, 2021. 基于CMA-TRAMS集合预报的“5·22”极端降水事件可预报性分析[J]. 气象学报, 79(6):956-976.
[21]	叶茂, 吴钲, 高松, 等, 2023. 对流尺度集合预报对川渝地区降水的预报性能分析[J]. 干旱气象, 41(1):152-163. DOI
[22]	张涵斌, 计燕霞, 陈敏, 等, 2022. 基于观测扰动的集合预报EDA初值扰动方法研究[J]. 气象, 48(4):406-417.
[23]	朱科锋, 张晨悦, 薛明, 等, 2022. 对流可分辨尺度集合预报对河南“21·7”极端降水事件可预报性研究[J]. 中国科学:地球科学, 52(10):1 905-1 928.
[24]	BUIZZA R, MILLEER M, PALMER T N, 1999. Stochastic representation of model uncertainties in the ECMWF ensemble prediction system[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 125(560): 2 887-2 908. DOI URL
[25]	EBERT E E, 2001. Ability of a poor man’s ensemble to predict the probability and distribution of precipitation[J]. Monthly Weather Review, 129(10): 2 461-2 479. DOI URL
[26]	HOUTEKAMER P L, LEFAIVRE L, DEROME J, et al, 1996. A system simulation approach to ensemble prediction[J]. Monthly Weather Review, 124(6): 1 225-1 242. DOI URL
[27]	PALMER T N, BUIZZA R, DOBLAS-REYES F, et al, 2009. Stochastic parameterization and model uncertainty (ECMWF Technical Memorandum)[R]. Reading, UK: ECMWF.
[28]	ZHU K F, XUE M, 2016. Evaluation of WRF-based convection-permitting multi-physics ensemble forecasts over China for an extreme rainfall event on 21 July 2012 in Beijing[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 33(11): 1 240-1 258. DOI