榆林2017年7月26日區(qū)域性大暴雨數(shù)值預(yù)報降水檢驗及誤差分析

侯柯然，侯慶國，艾 銳,蔣伊蓉，張博宇，賀繼榮

(1.榆林市氣象局，陜西榆林 719000；2.佳縣氣象局，陜西佳縣 719200)

近年來，榆林市降水增多，夏季對流性天氣頻繁，短時降水強度大，致災(zāi)性強。但各種數(shù)值模式對暴雨的預(yù)報能力參差不齊，加強模式暴雨預(yù)報的客觀檢驗就顯得非常重要。張宏芳等[1]對EC、JMA模式降水預(yù)報進行了對比分析，提到EC預(yù)報相對平穩(wěn),對暴雨的降水預(yù)報優(yōu)于JMA模式；高永輝等[2]對“7·21”特大暴雨的降水落區(qū)與中心做了檢驗；梁寒等[3]對EC模式和多模式集成72 h內(nèi)降水落區(qū)與強降水中心位置的預(yù)報產(chǎn)品進行了檢驗；何光碧等[4]對GRAPES_MESO模式一次降水過程的預(yù)報做了誤差分析；李明等[5]對陜西省中尺度模式降水預(yù)報做了檢驗；龐翻等[6]分析了T639數(shù)值產(chǎn)品對寶雞暴雨的預(yù)報檢驗。榆林地區(qū)暴雨研究多為其特征及形成機理分析，對降水產(chǎn)品檢驗方面的研究較少。2017年7月25日的區(qū)域性大暴雨過程中，榆林多站降水量突破本站歷史極值，降水引發(fā)的洪澇災(zāi)害造成了嚴重的經(jīng)濟損失。因此，選用天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中常用的歐洲中期數(shù)值模式(簡稱EC)、中國氣象局全球中期數(shù)值模式(簡稱GFS)、日本氣象廳數(shù)值模式(簡稱JMA)2017年7月25日08時—26日08時的預(yù)報產(chǎn)品與相應(yīng)時間的地面觀測資料、NCEP1°×1°再分析資料做對比，分析各個模式對此次過程的降水預(yù)報及誤差原因，總結(jié)各模式在預(yù)報中的應(yīng)用經(jīng)驗，為突發(fā)性暴雨預(yù)報提供一定參考。

1 實況分析

2017年7月25日08時至26日08時，榆林地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性大暴雨天氣過程，強降水主要集中在榆林市東南部縣區(qū)。榆林市地面觀測站總共出現(xiàn)大暴雨28站，暴雨48站，降水中心(110.11°E、37.39°N)位于綏德趙家砭，雨量為252.3 mm，最大小時雨量出現(xiàn)在橫山魏家樓鎮(zhèn)26日01—02時，為62.8 mm。國家站最大降雨量為子洲站218.7 mm。降水量如圖1(圖中剔除了缺測站點)。

圖1 2017-07-25T08—26T08榆林地區(qū)降水量(單位為mm，圖中黑色菱形塊為子洲站)

2 空間分布檢驗

圖2為EC 08時起報的25日降水過程預(yù)報圖。圖2a為23日08時預(yù)報的48～72 h累計降水量分布圖，圖中降水主要集中在榆林北部地區(qū)，降水中心位于111.39°E、 39.39°N，較實況偏東1.28°，偏北2.00°；中心值為85 mm，較實況偏小。圖2b為24日08時預(yù)報的24～48 h累計降水量分布圖，降水中心位于110.75°E、39.63°N，中心值為87.7 mm；降水量級與23日08時起報的48～72 h預(yù)報結(jié)果基本一致，降水中心略向西北偏移，且降水范圍南擴。圖2c為25日08時預(yù)報的0～24 h累計降水量分布圖，降水中心位于110.37°E、39.37°N，中心位置與實況相比偏東0.26°，偏北1.98°，更接近實況；中心值為113 mm，降雨量級上升為大暴雨，但與實況還有較大差距；降水范圍與24日08時起報的24～48 h預(yù)報結(jié)果基本一致?？梢钥闯觯S著預(yù)報時效的臨近，降水的落區(qū)、中心位置與降水量級都更接近實況。

圖3為EC 20時起報的25日降水過程預(yù)報圖。圖3a為23日20時預(yù)報的48～72 h累計降水量分布圖，圖中降水中心位于111.5°E、39.37°N，較實況偏東1.39°，偏北1.98°；中心值為124 mm，降水量級達到大暴雨。在榆林東部存在一次降水中心，降水中心處于111.13°E、 38.51°N，中心值為93 mm，降水范圍覆蓋榆林北部與東部區(qū)縣。圖3b為24日20時預(yù)報24～48 h累計降水量分布圖，降水中心位于110.87°E、39.87°N，與實況相比偏東0.76°，偏北2.48°；降水范圍北移，中心值增大為131.2 mm。兩個時效的降水量級均達到大暴雨，但與實況仍相差較大。

圖2 EC 2017-07-23—25 08時起報的25T08—26T08累計降水量(單位為mm；a 23日；b 24日；c 25日)

可以看出，與08時相比，EC 20時起報的降水量級較大，覆蓋范圍偏南，更接近實況；08時起報的各時效的降水量級隨時間的臨近有靠近實況的趨勢。

圖3 EC 2017-07-23—24日20時起報的25T20—26T20累計降水量(單位為mm；a 23日，b 24日)

GFS 23日08時預(yù)報的48～72 h累計降水量分布圖中(圖略)，降水中心位于112°E、 39.62°N，與實況相比偏東1.89°，偏北2.23°；中心值為83 mm，為暴雨量級。榆林中部有一次降水中心，位于108.75°E、 38.4°N，中心值為72 mm。降水范圍覆蓋整個榆林市。24日08時起報24～48 h累計降水量分布圖中(圖略)可以看出，所預(yù)報的降水分布比較均勻，且覆蓋全市，但降水量級較小，未預(yù)報暴雨。25日08時起報的0～24 h累計降水量分布圖中(圖略)，降水中心位于109°E、 38.37°N，與48～72 h累計降水預(yù)報的次降水中心接近，與實況相比偏西1.11°，偏北0.98°；中心值為55.0 mm?？梢钥闯觯S著預(yù)報時效的臨近，降水中心更靠近實況，但整體降水量級較低，未預(yù)報出大暴雨。

GFS 23日20時預(yù)報的48～72 h累計降水量分布圖中(圖略)，降水中心處于109.25°E、 38.63°N，與實況相比偏西0.86°，偏北1.24°；中心值為73 mm，為暴雨量級；降水范圍覆蓋全市。24日20時起報的24～48 h累計降水量分布圖中(圖略)，降水中心位于108.8°E、38.37°N，中心值為55 mm，降水中心與72 h預(yù)報基本一致。降水仍覆蓋全市，但降水量級降低，未達到大暴雨?？梢姡珿FS兩個時次的起報場預(yù)報的降水量級均較小，未報出大暴雨。20時起報的降水落區(qū)預(yù)報比08時的預(yù)報更接近實況。

JMA 08時起報的25日降水過程預(yù)報圖中(圖略)，隨著時效的臨近，降水中心逐漸東移，接近實況；且降水量也在增加，但是降水量級均很小，未達到暴雨級別；降水范圍只覆蓋榆林的中西部。JMA 20時起報的25日降水過程預(yù)報圖中(圖略)，降水落區(qū)與08時無明顯差別，降水量更小一些。

3 天氣形勢實況和物理量分析

25日08時,500 hPa中高緯呈兩槽一脊的環(huán)流形勢，高原東部有長波槽東移，受臺風“桑卡”影響，副高588 dagpm線西伸北抬至陜西東南部，榆林處于副高外圍的偏南暖濕氣流中。200 hPa河套北側(cè)有高空急流，急流風速大于30 m/s；低空存在西南、東南兩支低空急流，高低空急流形成耦合，低層河套西側(cè)有一橫切變。25日20時，高空急流加強，風速大于40 m/s。副高588 dagpm線繼續(xù)西伸北抬至陜西中部，低層水汽輸送加強。26日02時，高空急流維持；受臺風外圍氣流影響，東南低空急流加強，低空急流左側(cè)出口區(qū)風速加強為16 m/s；榆林上空處于人字形切變暖區(qū)一側(cè)(圖4)。850 hPa以上垂直運動開始增強，并向北部偏移。700 hPa垂直運動中心位于110°E、38°N，接近強降水中心位置，中心值達-0.9 Pa/s。在上升運動的南北兩側(cè)有兩個下沉區(qū)，與上升區(qū)形成耦合，為水汽的輸送與不穩(wěn)定能量的釋放提供了有利條件(圖5)。水汽通量流線圖中有偏南和東南兩個水汽輸送帶。東南部為臺風外圍的水汽輸送帶，輸送過程中水汽通量散度為正值，到榆林上空變?yōu)樨撝?。水汽在榆林上空積聚，并且達到18×10-5g/(cm2·hPa·s)，說明臺風外圍的東南急流為水汽的主要輸送帶(圖6)。榆林上空處于假相當位溫能量舌前端，為相對大值區(qū)，低層氣流通過相對濕度大值區(qū)到達榆林上空，氣流輻合區(qū)與能量舌相重疊，形成強對流(圖7)。對流性降水與穩(wěn)定性降水相配合，使得強降水的落區(qū)出現(xiàn)在了榆林的東南部。

圖4 2017-07-26T02 200(陰影)、700 hPa(風向桿)風場，500 hPa高度場(單位為dagpm)

圖5 2017-07-26T02 700 hPa垂直速度(單位為Pa/s)

圖6 2017-07-26T02 850 hPa水汽通量(流線)和水汽通量散度(陰影，單位為10-6g/(cm2·hPa·s))

圖7 2017-07-26T02 850 hPa假相當位溫(等值線；單位為℃)、相對濕度/%(陰影)、風場(單位為m/s)

4 預(yù)報誤差分析

4.1 EC預(yù)報誤差分析

25日08時預(yù)報26日02時環(huán)流形勢基本與實況一致。200 hPa急流軸中心風速大于50 m/s,比實況偏大；700 hPa切變偏北2°～3°；850 hPa切變較弱，且偏北1°(圖略)。垂直上升運動中心位于榆林西北部，中心值達-1.2 Pa/s(圖略)。水汽輸送帶偏南，水汽通量散度大值區(qū)處于榆林西北側(cè)呈帶狀分布，同樣比實況偏北；中心值達-33×10-5g/(cm·hPa·s)，比實況偏強(圖8)。假相當位溫與低層氣流的配合整體上比實況偏北(圖略)?？梢姡贓C細網(wǎng)格的數(shù)值預(yù)報中，低層切變、垂直速度中心、水汽通量散度大值區(qū)和假相當位溫能量舌較實況偏北，因此降水預(yù)報偏北。850 hPa切變線預(yù)報較弱，且為橫切，與實況的人字形切變相比輻合較弱；水汽輸送帶偏南，未預(yù)報出臺風外圍氣流對水汽通道的增強作用。因此影響了降水量級預(yù)報。

圖8 EC 2017-07-25T08預(yù)報26T02 850 hPa水汽通量(流線)和水汽通量散度(陰影為單位為10-6g/(cm2·hPa·s))

4.2 GFS預(yù)報誤差分析

在GFS 25日08時預(yù)報26日02時的高空圖上，位于孟加拉灣的低值中心較強，南支槽更偏東；200 hPa 急流軸中心速度大于50 m/s，比實況偏大；低層切變均偏北3°～4°(圖略)。垂直運動上升中心處于110°E、40.5°N，比實況偏北2.5°；在榆林中西部有一個弱的垂直上升運動，與其預(yù)報的榆林市降水中心相吻合(圖略)。水汽通量圖上有偏南和偏東南兩條輸送帶，預(yù)報出了臺風外圍氣流偏東南輸送帶，水汽輸送預(yù)報較準確；但榆林上空的水汽通量散度為正值，有水汽的缺失(圖9)。假相當位溫的能量舌處于榆林的西北部(圖略)。綜上所述，由于低層輻合與θse相對大值區(qū)明顯偏西偏北，且垂直上升運動偏西，GFS預(yù)報的降水大值區(qū)在榆林北部的內(nèi)蒙古地區(qū)，垂直運動的次上升中心對應(yīng)榆林上空降水較大中心。雖然水汽輸送預(yù)報較好，但水汽通量散度輻合區(qū)偏北，榆林上空為輻散區(qū)；GFS預(yù)報的降水量級為暴雨，與實況的大暴雨相差較大。

圖9 GFS 2017-07-25T08預(yù)報26T02 850 hPa水汽通量(流線)和水汽通量散度(陰影，單位為10-6g/(cm2·hPa·s))

4.3 JMA預(yù)報誤差分析

JMA 25日08時預(yù)報26日02時的高空環(huán)流分布與低層切變線位置基本接近實況，但沒有預(yù)報出低空急流(圖略)。垂直上升運動的中心位置與實況基本一致，上升運動稍弱，中心值為-0.7 Pa/s(圖略)。水汽輸送帶的方向、來源與實況基本一致，但水汽通量散度的輻合區(qū)偏西，且中心值預(yù)報較弱，僅為-12×10-5g/(cm·hPa·s)(圖10)。θse的相對大值區(qū)處于榆林南部，并與低層氣流輻合區(qū)重疊，與實況一致(圖略)。JMA的各項預(yù)報的中心值均與實況位置基本一致，只有水汽的輻合區(qū)預(yù)報偏西，所以降水預(yù)報略偏西，在各模式中最接近實況。由于低層氣流較弱以及弱的水汽輻合，JMA的降雨量級預(yù)報較低，未達到暴雨量級。

圖10 JMA 2017-07-25T08預(yù)報26T02 850 hPa水汽通量(流線)和水汽通量散度(陰影，單位為10-6g/(cm2·hPa·s))

5 結(jié)論

(1)在降水量的預(yù)報中，EC對降水量預(yù)報較好，達到大暴雨量級，但降水中心偏北。GFS預(yù)報的降水量比實況低一個量級，降水中心偏北，但比EC更接近實況。JMA預(yù)報的降水中心最接近實況，但降水量較小，未達到暴雨量級。各模式均為20時預(yù)報優(yōu)于08時，且隨著時效的臨近，預(yù)報更接近實況。

(2)EC預(yù)報低層切變、垂直速度中心、水汽通量散度大值區(qū)和假相當位溫能量舌的位置偏北，使降水預(yù)報偏北。850 hPa切變預(yù)報較弱，且為橫切變，與人字形切變相比輻合較弱；水汽輸送帶較實況偏南，未預(yù)報出臺風外圍氣流對水汽通道的增強作用。因此影響了降水量級預(yù)報。GFS預(yù)報的低層輻合、θse相對大值區(qū)、垂直上升運動的位置均明顯偏西，故降雨大值區(qū)在內(nèi)蒙古地區(qū)，垂直運動的次上升中心對應(yīng)榆林上空降雨量中心。雖然水汽輸送預(yù)報較好，但水汽通量散度輻合區(qū)偏北，降水量級偏小，為暴雨。JMA的各項預(yù)報均與實況位置基本一致，只有水汽通量散度輻合區(qū)偏西，所以降水預(yù)報略偏西，在各模式中降水中心最接近實況。但由于低層氣流及水汽輻合預(yù)報較弱，降水量預(yù)報很小，未達到暴雨量級。