2002 年日本氣象廳全球數值預報模式在香港附近雨量預測的驗證

Reprint 490

2002 年日本氣象廳全球數值預報模式

在香港附近雨量預測的驗證

黃金鋪，馬學文，林鄺泗蓮

第十七屆粵港澳氣象科技研討會報告，

中國，澳門，2003 年 1 月 22-23 日

2002年日本氣象廳全球數值預報模式在香港附近雨量預測的驗證黃金鋪馬學文林鄺泗蓮

香港天文台

摘要

雨量預測為業務預報中一個不可缺少的元素。近年數值預報模式

在雨量預測上已有一定程度的進展，因而逐漸成為預報員一件可作參考

的預報工具。但在業務運作上，數值預報模式的可信度仍有待量化。本

文就 2002年香港雨季期間日本氣象廳全球數值預報模式對香港雨量的預測，利用雨量站資料和 Equitable Threat Score作出評估、驗證。本文並嘗試以模式對其他物理量分析的準確度，來評估其預測雨量的可信性。結

果發現當模式掌握這些物理量較佳時，其預報雨量的評分亦有所提高。

Verification of JMA Global Model on Rainfall Forecast near Hong Kong in 2002

K.P. Wong, H.M. Ma and Hilda Lam Hong Kong Observatory

Abstract

Rainfall forecast is one of the essential elements in operational

forecasting. Recent improvements in numerical weather prediction provide forecasters a means of forecasting rainfall not just qualitatively, but also quantitatively to some extent. However, the reliability of model quantitative rainfall forecasts remained to be quantified. In this paper, rainfall forecasts of the JMA Global Model was verified against raingauge data in terms of Equitable Threat Score for the rain season in 2002. The relation between the model's rainfall forecast skill and its accuracy in its analysis of other meteorological elements was also studied. The results show that the skill score of model rainfall forecasts increases when the meteorological elements are more accurately handled by the model.

2002年日本氣象廳全球數值預報模式在香港附近雨量預測的驗證黃金鋪馬學文林鄺泗蓮

香港天文台

1. 引言

基於地理形勢，位於華南沿岸的香港，降雨量在不同的季節有

明顯的分別。降雨受不同尺度的天氣系統，如熱帶氣旋、季風槽、西

南季候風的擾動、西風帶旋渦、海陸鋒等的影響，天氣預報員在日常

工作中對雨量作定時、定點和定量的預報有一定的難度。隨着數值預

報模式的改良，雨量預測的準確度已有若干程度的提高，對預報員亦

提供了一定的參考價值。在評估數值模式的可信度上，本文以 2002年3月至 10月期間香港的降雨量與日本氣象廳全球數值預報模式在同期間所作的雨量預測進行驗證，發現相對於 5 年前是有所改善。另外，本文亦嘗試評估模式對其他物理量的分析的準繩會否影響其雨量預測

的可信性，結果顯示在上述的準繩高的條件下，預報模式的準確度是

可以有所提高。

2. 數值模式在業務運作上的應用香港天文台每天接收到兩套分別為 00UTC及 12UTC分析時間

的日本氣象廳全球數值預報模式產品，網格點分辨率為 1.25度乘 1.25度。最接近香港的網格點是北緯 22.5度，東經 113.75度，與香港天文台相距約 50 公里(圖 1)。在業務運作上基本是以這個網格點及鄰近 8點的雨量預報值作為參考。

3. 2002年香港的降雨情況香港降雨一般集中在 4月至 10月。在 2002年，雨季提早在 3

月開始。由 3 月到 10 月這段期間降雨特點是降雨較為頻密(圖 2)，總降雨量為 2373毫米，比平均雨量高 14%。但雨勢不算大，整年並沒有黑色暴雨(普遍錄得每小時雨量70毫米或以上)情況出現，紅色暴雨(普遍錄得每小時雨量50毫米或以上)只有 2次，亦較平均為少。

1

4. 驗證方法本文所採用的驗證工具包括有 Equitable Threat Score (ETS)

[4]，成功預測概率 POD，虛報比率 FAR[5]等等。由於目前數值模式對降雨量的預測與實況相比在數值上仍有一段距離，因此在數值上直接

對比並不實際。現時一般驗證工具基本上是從質方面處理，就是當預

報降雨為某一數值，例如 3 毫米，而實況錄有超過 3 毫米的雨量，則視為一次成功的預報。本文的驗證工具都按這個原則處理。

將預報數據與觀測數據按不同類別排列如下表：

觀測(超過指定雨量) 是否

是 a b 預測 (超過指定雨量) 否 c d

各驗證工具就可以用這些數據運算：

a - R (I) ETS =

a + b + c - R 其中 R為隨機預測系數:

(a + b) (a + c) R =

(a + b + c + d)

a (II) 成功預測概率 POD =

a + c

b (III) 虛報比率 FAR =

b + d

在 ETS驗證中，除特別聲明外，預測數據是指日本氣象廳全球

數值預報模式在接近香港西北方單一網格點 (圖 1 A點) 所作的 12小時雨量預測，而觀測數據則指香港境內 (約 60公里 x 40公里) 7個雨量站在同時段內錄得的雨量平均值。概率預報 POD及 FAR方面，為了方便與以前的研究作比較，則以全港雨量站錄得最高雨量作為取樣數

據。另外，有關其他物理量分析的研究中，本文利用了香港天文台的

地面溫度及基於京士柏觀測的 K指數作為實況數據。

2

5. 驗證結果 (I) ETS 評分

預報模式在 ETS 的評分按預報期的延長而衰減(圖 3)。以 ETS

評分高於 0.2為分界，12小時預報雨量在 10毫米以下可信預報期可達60 小時。24 小時預報雨量的評分則較 12 小時預報的評分為高。ETS的評分按預報期的延長而衰減，有別於 Ghelli 的報告。他指出歐中模式在使用 TL511後，ETS的評分從預報期 42小時直至114小時並無快速減低(差別少於 0.05) [2]。

在 ETS評分上模式的 12UTC預測與 00UTC的預測相若 (圖 4)。

這與 F.C.Chien等以MM5區域模式對台灣降雨量的研究結果有所不同[1]。他們指出由於 00UTC時觀測資料較多，MM5模式 00UTC降雨預測較 12UTC的為準。

由於在春末與夏季兩段時間香港氣候有所不同，當數據樣本分

為 3月至 6月，及 7月至 10月兩個時段作比較時，24小時及以後的預測的 ETS評分在前段明顯較後段為低(圖 5)。顯示模式可能較難掌握春末冷暖空氣交錯的頻密天氣變化。

在夏季期間，模式預報晚間降雨的 ETS評分普遍較預報日間為

高(圖 6)。晚間時，25毫米以下的雨量預測的 ETS評分能維持在 0.2或以上。這可能代表模式對夏天因日照而引起的對流活動的捕捉並未能

完全掌握。同樣的日際變化技巧差異，在春末的預測並沒有出現。這次研究顯示，一般而言，由於可以利用最新觀測資料，新更

新的模式較前一套對同一時間預報為準(圖 7)。香港天文台目前收集的數值模式網格點分辨率為 1.25度。為探

討數值模式在雨量預報上對位置的偏離度，本文就以最靠近香港西北

方的單一網格點雨量預報，圍繞香港的 9 點、靠近香港的西北方 4 點及東南方 4點的平均雨量預報值所計算的 ETS作比較(圖 8)，結果顯示靠近香港的網格點的預測一般最能模擬香港的降雨量，香港的東南方 4個網格點的平均值，亦有參考價值，尤其是對夏季 20毫米以下的降雨。

3

(II) POD及 FAR 評分

在大雨預報方面的驗證，本文抽取 24小時內(相對於模式 T+12至 T+36)香港任何一個雨量站錄得雨量超過 50毫米為樣本。圖 9顯示驗證結果。根據預報模式輸出計算出來的概率預報，與 1997年W.M.Ma [3] 所作的驗證比較，2002 年模式是有所進步。以圍繞香港 9 個網格點的最高雨量值作為預報數據，所得成功預報率雖部分略有下降，不

過虛報率有明顯改善，在預報超過 15毫米雨量的統計上，預報大雨(50毫米或以上)的成功率約 70%，而虛報率約 15%。 6. 提高模式預報可信性的試驗

由於數值模式對各項物理量初始值的分析可能影響雨量預測的

準確度，本文研究初始值的偏差和 ETS 評分的變化，有以下結果(圖10)：預測 12小時降雨超過 20毫米，ETS評分隨 K指數偏差遞減而增高。K指數偏差少於 1.5時，ETS的整體(所有雨量)評分最高。地面溫度偏差少於攝氏 1度，12小時預測雨量少於 20毫米的 ETS評分有明顯上升。925 百帕斯卡露點偏差如少於攝氏 1 度，ETS 評分可提升至0.2 以上。圖 11 顯示以上述 3 個參數組成的選取條件下數值模式預報短期雨量（約 24小時內）在各項驗證評分上都有所增加。 7. 總結

2002年 JMA全球數值模式對香港雨量預報的驗證總結如下： (1) ETS評分隨預報期的增長而有所下降； (2) 在夏季，ETS 評分普遍較春末為高；而夏季晚間的 ETS

評分則較日間為高； (3) 00時及 12時為基本時製作的模式在 ETS評分相若； (4) 新一套預報對同一時段的雨量預報平均比之前的預測的

ETS評分為高； (5) 靠近香港網格點的模式預報表現比其他網格點的組合較

好，而在香港東南面 4 個網格點的雨量預測平均值在夏季對預報員有參考價值；

(6) 在 POD 及 FAR 的評分上與 5 年前相比是有所改善，在15 毫米雨量的預報上，預報大雨(24 小時超過 50毫米)的成功率約 70%，而虛報率約 15%；

(7) 以 K指數、地面溫度及 925百帕斯卡露點等初始值的差距作為選取預報的指標有助提高 ETS評分。

4

本文只對數值模式在 2002 年香港雨季期間的雨量預報進行整體統計，雖然已區分有春末及夏季兩個時段，但對模式處理個別降雨

的表現，尚有待深入研究。另外，在這段期間，由於降雨次數雖多，

但大雨次數較少，所以在取樣數量不多的情況下對模式預測降雨量可

靠性評分可能存有誤差，尤其是在大降雨的範疇。文中對數值模式在雨量預測方面所發現的特點，可以提供予預

報員作為參考，但對於各個特點的成因，則有待繼續研究。

鳴謝

作者多謝黃潔汶小姐對數據處理和插圖提供協助。參考文獻 [1] Chien F.C., Kuo Y.H., Yang M.J., 2002: Precipitation Forecast of

MM5 in the Taiwan Area during the 1998 Mei-yu Season. Weather and Forecasting, vol. 17, 739-754

[2] Ghelli A., 2002: Verification of precipitation forecasts using data from

high-resolution observation networks. ECMWF Newsletter No. 93 - Spring 2002, 2-7.

[3] Ma W.M., 1998: Performance of JMA GSM Forecast for Heavy Rain

in Spring and Summer 1997. Presentation in HKO Rainstorm Seminar, 1998. (Available from HKO on request.)

[4] Schaefer J.T., 1990: The Critical Success Index as an Indicator of

Warning Skill. Weather and Forecasting, vol. 5, 570-575. [5] Stanski H. R., Wilson L. J., Burrows W. R., 1991: Survey of Common

Verification Methods in Meteorology. World Weather Watch Technical Report, No. 8, 89-96.

5

A

香

圖 1：日本氣象廳全球數值模式在香港附近 9個網格點的

註：圖右顯示的 PN12數值為相對於插圖圈內9點的位置的 12

0

50

100

150

200

250

300

350

0

0.1-5

5.1-10

10.1-15

15.1-20

20.1-25

25.1-30

30.1-35

12小時降雨量(毫米)

次數

觀測

00

12

24

圖2：2002年3月至10月香港降雨統計

- 觀測是取自香港境內7個雨量站的平均值；預測

6

港

位置

小時雨量預報值

35.1-40

>40

-12預測

-24預測

-36預測

取自日本全球模式

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35

雨量設定值(毫米)

ETS

rf 12-24rf 24-36

rf 36-48rf 48-60

rf 60-72rf 72-84

rf 84-96rf 96-108

rf 108-120

(a) 12小時雨量預測

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

rf 12-36

rf 36-60

rf 60-84

rf 84-108

(b) 24小時雨量預測

圖3：數值模式不同預報期的評分

7

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

rf 12-36

rf 12-36 (00時)

rf 12-36 (12時)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

rf 24-48

rf 24-48 (00時)

rf 24-48 (12時)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

rf 36-60

rf 36-60 (00時)

rf 36-60 (12時)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

rf 48-72

rf 48-72 (00時)

rf 48-72 (12時)

註：不同分析時間顯示於括號內。

圖 4：數值模式以不同分析時間起始運算的比較

8

0.4

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35

ETS

預測 60-72 (3月至10月)

預測 60-72 (3月至6月)

預測 60-72 (7月至10月)

0.0

0.2

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

預測 12-24 (3月至10月)

預測 12-24 (3月至6月)

預測 12-24 (7月至10月)

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

預測 24-36 (3月至10月)

預測 24-36 (3月至6月)

預測 24-36 (7月至10月)

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

預測 36-48 (3月至10月)

預測 36-48 (3月至6月)

預測 36-48 (7月至10月)

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS預測 48-60 (3月至10月)

預測 48-60 (3月至6月)

預測 48-60 (7月至10月)


圖 5：數值模式在不同季節的比較

9

35

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

預測 24-36預測 24-36 (00時)預測 24-36 (12時)

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30


ETS

預測 12-24

預測 12-24 (00時)

預測 12-24 (12時)

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

預測 36-48

預測 36-48 (00時)

預測 36-48 (12時)

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

預測 48-60

預測 48-60 (00時)

預測 48-60 (12時)

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

預測 60-72

預測 60-72 (00時)

預測 60-72 (12時)

圖 6：數值模式在不同時段的比較

10

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

rf 12-24 (00 時)

rf 24-36 (12 時)

3月至10月

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

rf 12-24 (12 時)

rf 24-36 (00 時)

3月至10月

圖 7：數值模式前後預測的比較

11

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

最近香港網格點東南4點平均9點平均西北4點平均

3月至10月

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS


3月至6月

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS


7月至10月

圖 8：數值模式對香港附近 9個網格點在 12至 24小時雨量預測的比較

12

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8FAR

POD

2002 1997

>5

>10

>15

>20

>25

>5

>10>15

>20

>25

圖 9： 2002年數值模式對大雨的概率預報與 1997年比較

13

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

dT=1 dT=1.5

dT=2 dT=2.5

dT=3 全部樣本

rf 12-24

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35

雨量設定值(毫米)ET

S

dK=1 dK=1.5dK=2 dK=2.5dK=3 全部樣本

rf 12-24(a) K指數

(b) 地面溫度(oC)

(c) 925百帕斯卡露點(oC)

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25 30 35

ETS

d Td925=1 d Td925=1.5

d Td925=2 d Td925=2.5

d Td925=3 全部樣本

rf 12-24


圖 10：以初始值差距作選取模式預報對 ETS評分的變化

- 初始差距(dK, dT, dTd925)是模式初始值與觀測值的相差

14

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 5 10 15 20 25 30 35


ETS

12-24小時預報

(a) ETS

全部樣本

選取樣本

圖 11：選取樣本與全部樣本在 ETS評分的比較

- 選取樣本的選取條件是初始值 K指數誤差少於 1.5、溫度誤差少

於 1oC及 925百帕斯卡露點誤差少於 1oC

15

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8FAR

POD

全部樣本

選取樣本

>1>2

>3

>5

>10

>15

>20

>25

雨量預報概率

(12-24 小時)

數字標示雨量

設定值

>1>2>3

>5

>10

>15

>20

>25

(b) 預報概率

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

12-24 24-36 36-48 48-60 60-72

預報時段 (小時)

R-s

quar

e

三至六月(全部樣本)三至六月(選取樣本)七至十月(全部樣本)七至十月(選取樣本)三至十月(全部樣本)三至十月(選取樣本)

(c) 相關系數

圖 11(續)：選取樣本與全部樣本在 ETS評分的比較

- 選取樣本的選取條件是初始值 K指數誤差少於 1.5、溫度誤差

少於 1oC及 925百帕斯卡露點誤差少於 1oC

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