金華市一次暴雨過程成因及EC預報誤差分析

單小明 李悅 丁霖

(1.金華市氣象局，浙江 金華 321000；2.婺城區(qū)氣象災害防御中心，浙江 金華 321000)

0 引 言

暴雨是影響金華的重要災害性天氣，春夏季是暴雨頻發(fā)季節(jié)，做好暴雨落區(qū)預報與暴雨精細化服務是減少災害損失的重要支撐。近年來，數(shù)值模式對環(huán)流形勢預報比較準確，但對天氣系統(tǒng)的強度和移速預報還有偏差。且數(shù)值預報初始場存在不可避免的誤差，其預報產(chǎn)品不能代表完全真實的大氣。這就使得暴雨定點預報與具體降水量級預報難度很大。根據(jù)數(shù)值模式天氣形勢預報，只能確定暴雨可能落區(qū)，而具體的落區(qū)與降水量級，還需要根據(jù)高低空形勢配置，結合中小尺度系統(tǒng)，地形來進行訂正。鄭麗娜等研究了低槽冷鋒影響下暴雨落區(qū)分布，指出后傾槽的鋒區(qū)中位于850 hPa以下的鋒，鋒后冷空氣較弱，但對整個降水過程起到了抬升觸發(fā)作用，暴雨區(qū)出現(xiàn)在低層鋒區(qū)推進方向的前沿，即地面輻合線呈氣旋性彎曲的流線密集處[1]。孫興池等對地面倒槽暴雨的形成機制進行了研究，她發(fā)現(xiàn)在有冷暖氣團相互作用的鋒面過程中,地面倒槽頂部是暴雨的主要落區(qū)，后傾槽時，鋒面抬升作用導致強上升運動出現(xiàn)在鋒后，暴雨趨向于出現(xiàn)在倒槽后部[2]。朱乾根等指出暴雨是由幾種不同尺度的天氣系統(tǒng)共同作用的結果且地形對暴雨分布起重要作用[6]?？梢?，高低空系統(tǒng)配置——前傾槽還是后傾槽，低層弱冷空氣的觸發(fā)斜升作用，地面中尺度系統(tǒng)的觸發(fā)作用和地形影響對暴雨落區(qū)有決定性的作用。2018年5月7—8日出現(xiàn)在金華市的一次暴雨過程，EC暴雨落區(qū)出現(xiàn)偏差，而預報員過度依賴數(shù)值預報，導致此次暴雨漏報。通過分析此次暴雨過程成因及數(shù)值模式預報誤差，提出暴雨落區(qū)預報訂正著眼點，為預報員提高暴雨預報質(zhì)量提供參考，也為精細化智能網(wǎng)格預報提供訂正思路。

1 金華市2018年“5.7”暴雨概況及成因分析

1.1 2018年“5.7”暴雨概況

金華市屬于典型的亞熱帶季風氣候，春季短促，約兩個月左右即進入夏季[3]。5月份到6月上旬，受切變線、低空低渦、倒槽等天氣系統(tǒng)影響，容易出現(xiàn)暴雨，且伴有冰雹、短時強降水、雷暴大風等強對流天氣。

2018年5月7日08時至8日08時，金華市出現(xiàn)暴雨天氣過程(圖1)，此次降水梯度大并伴有短時強降水。全市293個自動站中有66個站出現(xiàn)了暴雨，暴雨落區(qū)呈帶狀分布，主要位于金華市婺城區(qū)南部至義烏市南部、東陽市北部，最大降雨量出現(xiàn)在東陽市里西崗站，為89.3 mm。降水主要時段集中在7日17—23時，20時婺城區(qū)塔石鄉(xiāng)1 h降雨47.9 mm，20—22時3 h降雨70.6 mm。

圖1 2018年5月7日08時至8日08時金華市降雨量分布圖(單位：mm)

1.2 大氣環(huán)流背景及暴雨成因

2018年5月上旬，500 hPa歐亞地區(qū)中高緯為兩槽一脊形勢，貝加爾湖高壓脊不斷增強，脊前冷平流使我國東北至日本海一帶大槽向南加深發(fā)展，逐漸與中低緯東移槽合并，環(huán)流經(jīng)向度加大。7日20時，隨著烏拉爾山至巴爾喀什湖一帶大槽底部冷空氣向南擴散加強，長江中下游低槽后西北風加大，槽后冷平流促使低槽加深發(fā)展(圖2a)。

5日20時700 hPa與850 hPa上出現(xiàn)西南低空急流，急流軸隨著引導氣流逐漸東南移，水汽通道開始建立，7日20時，700 hPa低空急流中心位于廣浙沿海一帶，強度為16 m/s(圖2b)；7日20時，低層受日本海低槽后部偏北路冷空氣影響，低空切變線東移南壓，金華市位于850 hPa冷切附近(圖2c)，700 hPa切變線右側，高低空系統(tǒng)配置呈后傾結構，同時金華市位于700 hPa低空急流左前側強輻合區(qū)，暴雨的水汽與動力條件逐漸形成。受高空槽前正渦度平流影響，華南倒槽向江南發(fā)展加強(圖2d)，倒槽頂部摩擦輻合作用加強了上升運動，浙北地區(qū)850 hPa以下層次基本轉為偏北風，低層弱冷空氣入侵，迫使暖濕氣流爬坡斜升形成降水；金華市南部地區(qū)出現(xiàn)地面中尺度輻合中心(圖2d)，起到了抬升觸發(fā)作用，產(chǎn)生了中尺度的上升運動，使降水強度進一步加大。

高空200 hPa，隨著環(huán)流經(jīng)向度逐漸加大，高空急流軸逆時針旋轉，西段東南壓，7日20時，高空急流中心風速達56 m/s，金華市位于高空急流入口區(qū)右側強輻散區(qū)(圖略)，有利于天氣尺度系統(tǒng)發(fā)展，同時高低空急流耦合，形成強烈的抽吸作用，上升運動加強。

綜上所述，由于中高層受西北路冷空氣影響，中低緯低槽發(fā)展，而低層受偏北路冷空氣影響，切變線東移南壓，西南暖濕氣流在浙西南至東北一帶與冷空氣交匯形成降水，高低空急流耦合，江南倒槽、低層弱冷空氣及地面中尺度輻合中心的抬升觸發(fā)作用加強了此次降水。

(a:500 hPa高度場、溫度場與風場 b:700 hPa風場灰色雙實線為切變線，黑色箭頭為低空急流c:850 hPa風場 d:海平面氣壓場4條流線指向中尺度輻合中心)圖2 2018年5月7日20時環(huán)流形勢

2 數(shù)值預報(EC)誤差分析及訂正著眼點

2.1 數(shù)值預報誤差分析

選取EC數(shù)值模式5月6日20時起報的，預報時效為24與36 h的預報數(shù)據(jù)，從EC預報的7日08時至8日08時24 h降水量(圖3a)來看：EC暴雨落區(qū)預報明顯偏東偏南，位于浙東南沿海一帶，預報金華市降水量最大值僅為30 mm。實況(圖3b)是金華市、紹興市、寧波北部一帶出現(xiàn)大范圍暴雨，暴雨漏報；而浙東南沿海一帶普降中到大雨，最大降雨量平陽44.8 mm，暴雨空報。

從天氣形勢預報來看，EC 7日20時預報場環(huán)流形勢與實況基本一致；200 hPa高空急流的位置與強度也基本一致；700 hPa風向風速預報也較準確，分析出的切變線與低空急流的位置與實況基本一致(圖略)；但850 hPa預報場上偏北風的強度偏弱，切變南壓移速偏慢，切變線偏弱(圖3c)；925 hPa預報場上中尺度輻合中心的位置位于浙江西南角，比實況偏南1°(圖3e)；海平面氣壓預報場與實況基本接近(圖略)。從物理量場來分析，EC預報850 hPa水汽通量輻合區(qū)域位于浙東沿海與浙西南地區(qū)，較實況范圍偏大，且最強中心達-2.0×10-3g/(cm2· hPa·s)，遠大于實際的-1.2×10-5g/(cm2· hPa·s)(圖3d)；700 hPa比濕預報與實況基本一致，浙江省大部分地區(qū)達到8 g/kg(圖略)，達到了暴雨水汽含量標準；假相當位溫能量舌的位置與實況接近，位于浙東南沿海一帶(圖略)。

綜上所述，850 hPa偏北風及切變線強度偏弱，中尺度輻合中心位置偏南，水汽通量輻合強度及區(qū)域偏大是EC形勢場和物理量場預報的主要偏差。這些偏差導致預報員在實際分析過程中可能出現(xiàn)如下失誤：一是容易忽略低層偏北風冷墊迫使暖濕氣流爬坡斜升的作用；二是直接根據(jù)EC預報的有偏差的中尺度輻合中心定暴雨落區(qū)；三是根據(jù)水汽通量輻合強度和區(qū)域定降水落區(qū)，使降水偏強、落區(qū)偏大。

圖3 a:6日20時起報的7日08時至8日08時24 h降水量 b：7日08時至8日08時24 h降水實況c：6日20時起報的7日20時850 hPa風場與實況對比圖 d：6日20時起報的7日20時850 hPa水汽通量散度與實況對比圖 e：6日20時起報的7日20時925 hPa中尺度輻合中心與實況對比圖 f:7日20時θse沿850 hPa切變線垂直方向空間垂直剖面圖

2.2 訂正著眼點

EC預報的大尺度環(huán)流背景與實況基本一致，從大尺度動力條件來分析，降水主要落區(qū)應位于500 hPa高空槽前、低空急流與850 hPa切變線之間，地面倒槽頂端第一象限，即位于浙東南沿海一帶；從水汽、熱力條件來看，降水主要落區(qū)應該位于水汽通量輻合區(qū)與假相當位溫能量舌所在區(qū)域，也位于浙東南沿海一帶。因此，在此次降水落區(qū)預報中，EC將暴雨落區(qū)定在了浙東南沿海一帶。

以上考慮有合理的一面，但也有不全面的因素：一是沒有考慮高低空系統(tǒng)呈后傾槽配置。結合高低層系統(tǒng)的位置以及7日20時θse實況沿850 hPa切變線垂直方向的空間垂直剖面圖(圖3f)可以發(fā)現(xiàn)，高能舌向北凸起，上升運動向北傾斜，低層鋒區(qū)抬升作用導致強上升運動出現(xiàn)在鋒后，暴雨趨向于出現(xiàn)在倒槽頂后部(浙中)，而不是倒槽頂端第一象限(浙東南)。二是從風場分析來看，強降水發(fā)生時，浙北地區(qū)850 hPa及以下層次基本轉為偏北風，低層弱冷空氣的入侵迫使暖濕氣流爬坡斜升，這使得降水落區(qū)偏離水汽輻合中心，而位于其西北側；三是地形對暴雨的影響也不可忽略，此次暴雨落區(qū)正好位于平原與山脈的過渡區(qū)，這也符合暴雨極值的分布特征[6]；四是從金華市的氣候特征來看，5月份是金華市易出現(xiàn)強對流的月份，暴雨落區(qū)預報不僅僅要考慮大尺度環(huán)流背景，也需要考慮在大尺度環(huán)流形勢下激發(fā)產(chǎn)生的中尺度天氣系統(tǒng)，此次金華市暴雨的中尺度上升運動主要是由地面中尺度輻合中心觸發(fā)的，其出現(xiàn)位置及下游地帶都可能出現(xiàn)暴雨，因此在分析暴雨中尺度系統(tǒng)時，不能僅僅依靠一種數(shù)值模式預報，還應該參考中尺度天氣預報模式對其位置進行訂正。

因此，根據(jù)EC模式預報定暴雨落區(qū)時，首先應該確定高低空天氣系統(tǒng)配置情況，做出中分析圖來確定暴雨主要落區(qū)。當有冷暖空氣相互作用時，冷、暖空氣在水汽、熱力、動力各方面的作用均要考慮，尤其不能忽視低層淺薄冷空氣的抬升作用。同時應該結合多家中尺度模式來綜合分析中尺度系統(tǒng)的位置和強度，另外地形對暴雨的影響也要考慮進去。

3 結 語

1)此次暴雨落區(qū)沿850 hPa切變線走向呈帶狀分布，高低空系統(tǒng)呈后傾槽結構，降水主要位于850 hPa切變線附近，地面倒槽頂后部。

2)從此次暴雨成因分析中，得出以下結論，低層弱冷空氣入侵路徑及強度決定了切變線的強度和移動速度，且為斜升不穩(wěn)定提供了動力條件，對整個降水過程起到了抬升觸發(fā)作用；低空急流的建立為暴雨區(qū)輸送了充分的水汽和不穩(wěn)定能量，與高空急流的耦合作用加強了上升運動，增強了降水；江南倒槽及地面中尺度輻合中心的抬升觸發(fā)作用對暴雨落區(qū)分布起重要作用。

3)EC預報場中，暴雨落區(qū)比實況偏東偏南，部分原因是由于形勢場預報偏差，即預報場中低層冷空氣強度偏弱，850 hPa切變線偏弱，地面中尺度輻合中心位置偏南，導致分析的動力條件浙東南優(yōu)于浙中地區(qū)。

4)在此種類型暴雨預報中，需要結合其他中尺度模式來訂正暴雨中尺度系統(tǒng)的位置，同時應根據(jù)高低空系統(tǒng)呈后傾槽配置，低層弱冷空氣迫使暖濕氣流爬坡斜升及地形條件來調(diào)整暴雨落區(qū)預報。