MM5和Eta-10模式对于美国西北部冷季降水预报的评估外文翻译资料

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MM5和Eta-10模式对于美国西北部冷季降水预报的评估

BRIAN A. COLLE, KENNETH J. WESTRICK, AND CLIFFORD F. MASS X

华盛顿州西雅图市，华盛顿大学大气科学系

摘要：

对来自宾夕法尼亚州立大学-国家大气研究中心中尺度模式（MM5）和美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction）10公里分辨率Eta模式（Eta-10） 的降水预报在美国西北部进行验证，以显示增加水平分辨率的影响、在整个地区模式技巧的空间变化和两个模式系统相对性能差异。

MM5模式分别在36公里和12公里水平分辨率，利用约150个合作观察站和国家气象气象局降水场资料（1996年12月9日至1997年4月30日）对美国西北地区进行检验。随着水平分辨率增加，偏差、公正预兆和均方差评分有着明显的改善。华盛顿和俄勒冈地区的偏差和公正预兆得分的空间分布表明，12公里分辨率的MM5模式，沿着陡峭的迎风坡产生了过多的降水，而在主要障碍背风处的降水不足。

将MM5模式结果与从1997年1月7日到1997年4月30日的Eta-10模式结果进行对比：Eta-10模式沿着迎风坡预测了过多的降水——甚至超过了12公里分辨率的MM5模式；和MM5模式一样，Eta-10在主要障碍的背风处预报了过度的雨阴影区。总的来说，在低降水量阈值下，Eta-10模式的均方差比12公里分辨率的MM5模式小，然而在更高的降水量阈值下（18小时降水gt;2.54cm）MM5的结果显然比Eta-10更好。

Evaluation of MM5 and Eta-10 Precipitation Forecasts over

the Pacific Northwest during the Cool Season

BRIAN A. COLLE, KENNETH J. WESTRICK, AND CLIFFORD F. MASS

Department of Atmospheric Science, University of Washington, Seattle, Washington

（Manuscript received 10 Marth 1998, in final form 19 October 1998）

Abstract：

Precipitation forecasts from the Pennsylvania State University-National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model (MM5) and NCEPrsquo;s 10-km resolution Eta Model(Eta-10) are verified over the Pacific Northwest in order to show the effects of increasing horizontal resolution, the spatial variations in model skill across the region, and the relative difference in performance between the two modeling systems.

The MM5 is verified at 36km- and 12-km resolution for 9 December 1996 through 30 April 1997 using approximately 150 cooperative observer and National weather Service precipitation site across the Pacific Northwest.A noticeable improvement in bias, equitable threat, and root-mean- square(rms) error scores occurs as the horizontal resolution is increased. The spatial distribution of bias and equitable threat scores across Washington and Oregon indicate that the 12-km MM5 generates too much precipitation along the steep windward slopes and not enough precipitation in the lee of major barriers.

The MM5 results were compared with Eta-10 forecasts from 7 January 1997 through 30 April 1997. The Eta-10 overpredicts precipitation along the windward slopes even more than the 12-km MM5. As with the MM5, the Eta-10 forecasts excessive rainshadowing downwind of major barriers. Overall, the Eta-10 has lower rms errors than the 12-km MM5 at low precipitation thresholds, while the MM5 does significantly better than the Eta-10 for higher thresholds (gt;2.54cm in 18 h).

一、介绍

美国西北地区的降水在数量和类型上都受该地区复杂地形的极大影响（图1）。在区域性山脉障碍的迎风面和背风面之间，降水量可以变化一个数量级或者更多，无论是在年平均值还是在单个风暴过程中。例如，在华盛顿州奥林匹克山脉的迎风（西南）坡，年水量可达300-500厘米，然而在该山脉的背风（东北）坡，年降水量通常小于50厘米(Mass and Ferber 1990, their Fig. 4)。对于单个风暴，这些差异可能更加显着，相对于背风坡，其中10-20厘米（4-8英寸）的降水量可能沿着迎风面一侧降下。

由于几个原因，在此地区复杂地形上的降水变化是重要的。首先，过量降水和洪涝已经成为了美国西北部沿海山区主要的气象问题。在过去的十年里，加尼福尼亚、俄勒冈和华盛顿的沿海地区的洪涝导致了超过50亿美元的损失和数十人的死亡（见美国国家海洋和大气管理局出版物《风暴记录》）。例如，1996年2月5-9日俄勒冈北部和华盛顿西南部经历了30年来最严重的一次洪灾。大量降水（在很多山区达到25-50厘米），大范围低海拔积雪和快速升温的联合作用引起了导致3万居民被迫离开居所、总损失超过5亿美元的汛情。

图 1. 美国西北地形(色标位于底部)和地理位置。“X”的位置是气象探测站

通过其对水力发电、农业灌溉和渔业的作用，美国西北地区降水的空间分布同样极大的影响着该地区经济。该地区广泛的一系列水坝控制着几条主要河流进而有助于缓解洪涝，因此更加优良的短期预报有着十分重要的经济价值。如果大量降水被精准的预报提前一至两天，水坝可以放水 为了提供更多的空间去存储更多的降水和融水来自随后的风暴中。如果能够提前一至两天精准地预报强降水，水坝可以排水，为储存随后的暴风雨带来的降水和融水提供更多的空间。

即使在过去的几十年中数值模式的准确性已经得到了提升，但在多山的西海岸地区的降水预报仍然受运行模式中水平网格分辨率不足的制约。例如，国家环境预报中心（NCEP）的数值预报-同化系统，像“早期”Eta模型（Rogers等人，1995; Rogers等人，1996）和嵌套网格模型（NGM; Hoke等人，1989），使用48-80公里的网格间距，因此无法准确地解析和预测北美西部复杂地形所造成的气象特征。为了改进这类分辨率问题，美国国家环境预报中心于1995年8月至1998年4月间在北美大部分地区运行中尺度Eta模式（29公里分辨率），在这之后，中尺度Eta模式和48公里分辨率的“早期”Eta模式被32公里分辨率Eta模式所取代。此外，美国国家环境预报中心还简单的试验了10公里分辨率Eta模式（Eta10）在年美国西北部的效果。在29公里分辨率中尺度Eta模式中使用的额外水平分辨率改善了美国西部的降水预报（Black，1994年）。例如，与低分辨率的Eta模式和格点嵌套模式对比，中尺度Eta模式降水场与1995年1月加尼福尼亚地区洪涝中的观测结果基本吻合。

多项研究表明，在高分辨率下运行中尺度模式可以真实的预测复杂地形区域的降水结构（Bruintjes等人 1994年； Colle and Mass 1996年； Gaudet and Cotton 1998年）。例如，在地形场下的沿海观测与模拟实验中，Colle和Mass在3公里分辨率下，于华盛顿州奥林匹克山周围运行了宾夕法尼亚州立大学-国家大气研究中心（PSU-NCAR）中尺度模式（MM5），研究一个西南气流时段。该模式不仅能真实的模拟出观测到的降水结构（例如，温哥华岛和奥林匹克山脉迎风坡的降水丰沛区，以及奥林匹克山脉和喀斯喀特山脉背风坡的雨阴影区），而且模式降水在此区域内大约30个观测站风暴总量的30%以内

之前的大多数研究已经通过案例研究的方式验证了中尺度模式的降水预报。现在中尺度模型在许多地点都可以运行（Mass和Kuo 1998年），可以在较长时段内定量地评价复杂地形的模式降水。 此外，关于地形上模式降水偏差的认知将有希望确定出模式物理量参数化（例如体积微物理方案）的缺陷。

通过分析大量的模式预报案例，本研究解决几个重要的问题。

虽然在高分辨率下运行的中尺度模式看似捕捉到了地形引起的雨阴影和迎风增强现象，然而如何对冷季长时段的模式降水进行定量验证？

当水平分辨率从36公里提高到12公里时，MM5模式模拟中尺度降水的能力有何变化？

当模式以“冷启动（没有初始云水、云冰场）”条件初始化时，降水场的增长速度有多块

如何对比MM5模式与Eta-10模式在美国西北地区冷季的降水预报？

降水预报技巧的在空间的变化是怎样的？

第2节讨论观测资料组和分析方法。 第3节提出了对华盛顿大学实时MM5模式在36公里和12公里分辨率下对1996年12月9日到1997年4月30日这个时段预报结果的检验。第4节描述了Eta-10模式对1997年1月7日到4月30日时段预报结果的检验。第5节对比MM5和Eta-10的检验结果。在最后一节提出了总结和结论。

图 2. 12公里分辨率模式区的域模式地形等高线图，等值线间隔为200米。从500到1300米和1300米以上地形高度分别用白色和深灰色色块表示。“X”表示是此次研究采用的雨量计位置。

二、资料组和分析方法

验证实时MM5模式和Eta-10模式的预报结果用了华盛顿和俄勒冈州约 30个国家气象局观测站和120个国家气候资料中心合作观测站的数据资料（图2）。大多数的国家气象局观测站采用的是屏蔽的翻斗雨量计，每隔一小时反馈一次数据，精度为0.254mm（0.01英寸），然而国家气候资料中心合作观测站主要采用无屏蔽的称重式雨量计，每隔一小时反馈一次数据，精度为2.54mm（0.1英寸）。由美国农业部自然资源保护局维持的约100个降雪探测站的观测资料（McMillan 1981年），并不能用于此项研究，因为模式降水结果是从0000或者1200UTC（世界标准时间）开始，间隔3或6小时储存，然而降雪探测站数据是以太平洋地方标准时（世界标准时间减去8个小时）以6或24小时间隔存档。

在解释检验结果时应当格外小心，因为雨量计测量可能具有显着的误差。误差来源包括热的测量器的造成的过度蒸发（Groisman and Legates 1994），降雪探测站雪枕传感器上存在雪桥（Ferguson et al. 1997）， 以及存储器上存在雪帽。由于承水口附近风影响以及蒸发作用，计量仪器观测值可能会比实际值低5%到15%（Groisman and Legates 1994年）。降水测量值偏低情况在风速大、降水经常冻结的山区会更明显。例如无屏蔽的仪器在10m/s的风速下，将会遗漏60%的降雪量（Dingman 1994年）。 因为确定测量器个体降水捕获遗漏值较为困难，所以直到模式降水超过观测值至少40%的时候才能确定出在多山地带模式可能过度预报的区域

即使测量仪器在其所在位置的测量值是准确的，然而降水观测实质上是点测量，而不是一个区域的整体情况。比如Sinclair等人在1997年提出一个例子：新西兰阿尔卑斯山两个水平距离2公里的雨量计测量24小时降水，一个测量值为314毫米，另一个则为125毫米。即使考虑到仪表误差和代表性的问题，雨量计仍然提供有价值的信息，因为它们通常是复杂地形中唯一的降水测量类型。为了验证各个观测位置的MM5模式和Eta-10模式降水预报情况，使用距离反比Cressman插值方法将各模式的降水预报值内插到各个观测点，

其中P_n是观测点周围四个模式格点上的模式降水值。周围格点值的权重由Cressman方法得到，

其中R是模式水平网格间距，D是模式格点到观测点的水平距离。

本研究中使用的一些验证分数是使用列联表方法方法得出的（Wilks 1995年）。该表呈

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