引言

持续性降水是一种与天气、气候相关的极端天气灾害。很多气象学者从天气学角度分析降水的环流条件(牛若芸等，2012；杨善恭等，1999；黄忠等，2008)和从气候学角度统计持续性降水特征(陶诗言等，1980)，以及对典型暴雨事件进行个例分析(陶诗言等，1962；丁一汇，1993；宗志平等，2005；陈永仁等，2013；王东海等，2011；江吉喜等，1998；王晓芳等，2011；张娇等，2011；张耀华等，2012)，并对异常活动环流和物理机制开展动力延伸预报试验(孙颖等，2002；马学款等，2012；章基嘉等，1994)。这些研究对改进数值预报模式的预报准确率和提高异常信号的可预报能力，均有较强的指导意义。

开展现有业务模式对持续性降水预报能力的评估研究，确定各气象要素场的可预报时效，为模式改进提供科学依据。目前，气象业务已开展了大量对数值预报产品的检验工作，特别是对降水预报的检验。以往的研究主要是检验各数值模式在我国不同区域中短期定量降水预报效果(王雨等，2006；2007；公颖等，2011；蔡芗宁，2010；肖玉华等，2013；张涵斌等，2014)，针对单个模式较长时间的持续性降水评估还很少涉及。大气是一个复杂的非线性系统，有时显现混沌特征，它的预报时效有一定的限度，尤其是对两周以上的预报，仍然缺少用于业务的预报技巧(Lorenz，1963)。可预报性研究证实(丑纪范，2002；丁瑞强等，2009；丑纪范等，2010)，不同空间尺度大气运动的可预报时间长度是存在差异的，不同要素场的可预报期限大小以及时空分布规律也不一样。因此，检验不同空间尺度的可预报性掌握大尺度变化规律对提高预报显得尤为重要。

1 资料与方法 1.1 资料及预处理

本文使用美国全球预报系统资料(Global Forecasting System，GFS)，检验资料为NCEP/NCAR再分析资料和全国2425个地面观测站降水实况资料。选取2012年7月15—27日起报00时的GFS资料，利用双线插值统一处理为分辨率1°×1°经纬网格数据。

1.2 检验方法

本研究主要针对环流形势场和降水场预报进行评估，具体检验评估方法采用平均误差ME、均方根误差RMSE、距平相关系数ACC(孔玉寿等，2000)及Alpha Index(AI)(Koh et al，2009)，并利用谐波滤波(吴洪宝等，2005)提取空间长波、超长波分量与全场对比，以及对不同降水量级的TS评分、偏差(Bias)和ETS评分检验(王雨等，2006；2007；王雨，2006)。

2 环流形势预报检验分析

2012年7月中下旬，我国南方地区降水过程频繁，主雨带位置变化大，降水范围广。为检验模式对持续性降水期间环流背景场的预报技巧，选取2012年7月11—31日期间200、500、700和850 hPa四个层次的高度场进行检验分析得到7月中下旬东亚地区(20°~50°N、80°~140°E)1~16 d预报平均的评估值。

由图 1可以看出，模式对对流层高层的预报技巧好于低层，高层(200 hPa)在提前10~16 d仍有可预报性，考虑大气对流层中上层以演变过程缓慢的长波、超长波为主，因此有较长的可预报时效。10天前的预报技巧随预报时效延长迅速下降，随后降低趋势相对平缓。四个层次的高度场AI均没有超过1，说明模式具有相对可靠的物理过程，但随着预报时效延长，预报随机误差加大，预报与观测之间吻合逐渐变差，预报值逐渐低于检验值。

3 长波及超长波的检验分析

一定的大尺度环流形势可以提供持续的中尺度天气系统形成的条件和环境场，本文通过谐波滤波提取长波、超长波进一步评估模式对波段分量的可预报性，见表 1波段分类。

3.1 高度场分量检验

图 2四个层次滤波前后的ACC对比看出，GFS模式对长波、超长波有较好的预报能力。除200 hPa高度场外，其他三个高度场对超长波预报技巧均好于长波。对流层中低层(500、700和850 hPa)长波预报时效可达7 d以上，预报技巧相对全场提高了1 d，超长波的预报时效可延长到10 d以上。总体看，位势高度场的超长波预报好于长波，长波5~8波的预报比3~6波好。

图 3为500 hPa位势高度场滤波前后不同时效(第5、10、15天)的预报RMSE空间对比。由图可见，随着预报时效的延长，全场及各波段分量的RMSE都有所增加，但长波、超长波的误差增长幅度小，且负偏差覆盖面大；中高纬地区(30°~45°N)负偏差大于低纬地区(小于30°N)，表明GFS模式对海洋的整体预报及长波、超长波的预报分量好于大陆地区；第10天的滤波前后对比显示，负偏差基本覆盖中国东部及南部地区，且误差分布对比15天的RMSE趋于稳定。其余三个层次高度场RMSE滤波提取的长波、超长波的预报误差明显好于全场高度场预报，其中5~8波的RMSE与全场的差值最大(图略)。

3.2 风场分量检验

图 4左右两边分别为U、V风场在不同层次的滤波前后的ACC对比。垂直方向上看，风场超长波的预报效果好于全场，以中低层预报效果明显。除500 hPa外其他三层的超长波在10~16 d期间都有可靠的预报技巧。长波与全场相比差别不大，其中长波3~6波的预报效果好于5~8波。随对流层高度的上升，风场误差加大。长波、超长波的预报误差相比全场均明显减小，且滤波后的V分量误差减小偏差较大，尤其超长波偏差减小最大(图略)。

4 持续性强降水检验结果与分析

分析2012年7月15—19日(区域范围为25°~30°N、105°~122°E)和23—27日(区域范围为20°~28°N、104°~117°E)两次持续性降水过程特征，采用TS评分、BIAS偏差及ETS评分三种方法对小雨、中雨、大雨及暴雨四个等级24 h累积降水进行检验比较(图 5)。

从图 5看出，GFS模式对小雨的评分最高，其他三个量级降水评分依次降低；7月15—19日的小雨TS评分基本维持在80%左右，比7月23—27日高出将近20%，中雨的降水评分高出约10%，大雨、暴雨预报评分略好。两个降水时段在11天以后有明显的偏差增大现象，尤其大雨、暴雨偏差明显。9天以后的大雨、暴雨量级在-0.1~0.1浮动，中雨在0~0.1之间浮动，表明GFS模式在9天以后对中雨以上量级降水预报不稳定。结合三种方法分析，随着预报时效延长，预报降水能力逐渐减弱，GFS模式在延伸期期间没有预报大雨、暴雨的能力，7月15—19日的持续性降水预报好于23—27日。

为进一步检验降水落区和强度的可预报性能力，选取7月17和24日当天降水进一步分析。其中选取7月17日主要考虑当日预报效果相对较好；选取7月24日主要考虑台风登陆后影响当天的降水变化，并对照7月17日较好的GFS预报结果，分析两次过程的可预报性异同(图 6)。

图 6可以看出GFS模式对主要降水区域范围内的小雨量级降水预报效果较好。7月17日实况显示江西、湖南中部有局地大到暴雨，分析发现GFS模式可提前2天预报主降水带位置与强度，但是强度中心偏弱；随后到前8天左右仍可预报出主降水带位置，但强度维持在中雨量级，为进一步检验模式对持续性强降水的预报能力，将其余4天的实况图与模式预报图进行对比发现(图略)，从9天以后，基本没有持续性强降水的可预报能力。对于台风引起的持续性降水，GFS模式对7月24日预报可提前2 d预报出大致降水带及降水强度；提前4天的预报强降水中心偏南，前6天仍可以预报出强降水中心，但位置在广东南部海洋上，与实况降水带位置偏差过大；从7天以后，两广地区基本没有对强降水中心预报的能力。

总体看，GFS模式对主体降水带的可预报维持在8 d左右；对强降水中心位置的暴雨量级可预报性维持在2 d左右，大雨量级的可预报性维持在6 d以内，模式可提前6天预报出持续性降水过程；并且对持续性降水过程预报整体偏强。

5 结论与讨论

利用GFS预报资料对2012年7月中下旬两次持续性降水期间的环流形势场和降水场进行检验评估，得到以下初步结论：

(1) GFS模式对东亚地区的中低层高度场预报可靠时效维持在6 d以上，高层预报可靠时效可达10 d；对风场的可预报时效维持在4 d左右。GFS模式对持续性强降水的环流背景场有一定的可预报性，可预报时效在5 d左右。

(2) 位势高度场超长波的预报效果好于长波，长波预报时效可达7 d以上，超长波预报时效可延长至10 d，长波5~8波的预报效果好于3~6波。风场滤波后的长波3~6波的预报效果较好，预报时效可延长到5 d左右。

(3) GFS模式针对我国南方两次持续性降水的可预报天数维持在8 d左右，且对大于25 mm以上量级的强降水预报时效维持在6 d以内，可提前2天预报出强降水带位置，对整个强降水过程预报整体偏强。

本文主要考虑持续性降水的环流形势场下不同波段的预报时效，针对不同波段对比分析了GFS模式的预报技巧，发现延伸期的大尺度波段分量的预报技巧显著，并对两次持续性降水进行了评分检验，得出一些初步结论，为模式改进提供了依据。