山西一次持續(xù)暴雨天氣過程診斷與集合預(yù)報檢驗(yàn)

閆 慧，趙桂香

(山西省氣象臺，山西 太原 030006)

引 言

暴雨是影響山西省的重要災(zāi)害性天氣之一，暴雨預(yù)報及其數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品檢驗(yàn)一直是氣象工作重點(diǎn)關(guān)注的問題之一[1-4]。1978年HOSKINS等[5]提出準(zhǔn)地轉(zhuǎn)Q矢量概念，之后被廣泛應(yīng)用于暴雨和強(qiáng)對流天氣中尺度斜壓診斷分析[6-7]。研究表明，水汽凝結(jié)效應(yīng)對暴雨的發(fā)展起著重要作用，因此，濕Q矢量鋒生函數(shù)更能反映暴雨落區(qū)和中尺度特征[8-9]，低層濕Q矢量輻合區(qū)與強(qiáng)降雨區(qū)、鋒生函數(shù)的正值區(qū)與同時刻暴雨區(qū)均有較好的對應(yīng)關(guān)系[10-11]；非地轉(zhuǎn)濕Q矢量輻合與正渦度中心對應(yīng)，有利于熱量和水汽的垂直輸送，可加快中尺度對流渦旋發(fā)展[12-13]，而強(qiáng)輻合早于鋒前暴雨發(fā)生，對鋒前暴雨有較強(qiáng)的預(yù)報能力[14]。

鋒生作用使上升運(yùn)動增強(qiáng)，并促使低層氣旋性垂直渦度快速增長，而氣旋性渦度的發(fā)展與濕位渦變化有關(guān)。研究表明，濕正壓場上對流層低層β中尺度強(qiáng)對流不穩(wěn)定核心區(qū)的生成、濕正壓場和濕斜壓場的耦合有利于中尺度氣旋快速且顯著發(fā)展，也是β中尺度暴雨云團(tuán)在短時間內(nèi)獲得上升運(yùn)動的重要原因[15]；另外，低層非絕熱過程引起的濕位渦制造與中尺度低渦發(fā)展也有很好的正相關(guān)[16]；暴雨前期，850 hPa和高層分別出現(xiàn)異常負(fù)位渦和正位渦分布，隨著正位渦向下滲透，冷空氣侵入，觸發(fā)強(qiáng)對流，暴雨位于濕位渦零線東側(cè)偏暖空氣一側(cè)[17]。

“配料法”是一種基于暴雨和強(qiáng)對流天氣發(fā)生物理機(jī)制的具有邏輯性的方法，也是基于有效數(shù)值模式輸出的短期預(yù)報方法之一[18]。隨著對暴雨和強(qiáng)對流天氣預(yù)報的深入研究[19-20]，數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品在業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用，基于“配料法”的數(shù)值客觀預(yù)報產(chǎn)品可為暴雨預(yù)報提供更為有效的參考[21]。而集合預(yù)報將單一確定性預(yù)報轉(zhuǎn)變?yōu)楦怕暑A(yù)報，可定量估計(jì)數(shù)值預(yù)報的不確定性[22-24]，在給出暴雨等災(zāi)害性天氣最可能、更穩(wěn)定的預(yù)報結(jié)論方面更有優(yōu)勢?；凇芭淞戏ā焙图项A(yù)報聯(lián)合概率方法，可根據(jù)不同天氣對氣象因子的依賴程度選用不同產(chǎn)品，在確定范圍內(nèi)給出有效預(yù)報[25]。

2015年8月1—3日，山西中部出現(xiàn)持續(xù)性暴雨天氣過程，由于中尺度天氣系統(tǒng)范圍小、變化快，對流天氣突發(fā)性和局地性強(qiáng)，數(shù)值模式對強(qiáng)降水時間和強(qiáng)度的預(yù)報難度增大。本文利用氣象觀測資料和NCEP/NCAR(1°×1°)再分析資料，分析此次過程中連續(xù)觸發(fā)強(qiáng)對流天氣的環(huán)境場演變特征差異，并采用濕Q矢量和濕位渦理論進(jìn)一步診斷揭示中尺度斜壓發(fā)展機(jī)制，同時，在對ECMWF集合預(yù)報產(chǎn)品檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用聯(lián)合概率方法，對暴雨集合預(yù)報進(jìn)行了改進(jìn)，以期為暴雨預(yù)報提供參考。

1 環(huán)流背景

此次過程，200 hPa偏西北急流強(qiáng)，500 hPa副高強(qiáng)盛，地面低壓不斷發(fā)展，形勢穩(wěn)定。

強(qiáng)降雨前期，500 hPa亞歐中高緯為“2槽1脊”型(圖略)，貝加爾湖地區(qū)存在低渦，隨著低渦旋轉(zhuǎn)帶動槽后冷空氣不斷南下，槽前呈疏散形勢；大陸高壓穩(wěn)定向東伸展，貝加爾湖東側(cè)高壓脊也不斷向北發(fā)展，使得中國西南到東北廣大地區(qū)受高壓影響；同時，海上副熱帶高壓不斷西伸、北抬，逐步與大陸高壓打通；對應(yīng)地面圖上，相應(yīng)區(qū)域受低壓控制。

圖1為2015年8月1日20:00(北京時，下同)、3日08:00高低空及地面形勢綜合配置。圖2為山西省24 h累積降水量分布。從影響系統(tǒng)和降水特征可將此次降水過程分為兩個階段，第一階段(1日20:00至2日20:00)，500 hPa冷渦先減弱后加強(qiáng)，槽后偏西北氣流持續(xù)加強(qiáng)，最大風(fēng)速26 m·s-1，700 hPa形勢與500 hPa類似，而850 hPa切變線穩(wěn)定位于山西西北部。隨著槽后干冷空氣不斷入侵，迫使低層暖濕空氣持續(xù)抬升，冷暖平流作用使斜壓鋒生，地面低壓帶于1日20:00斷裂[圖1(a)]，北側(cè)低壓形成氣旋并發(fā)展加深；2日08:00高空前傾形勢明顯(圖略)，大氣不穩(wěn)定性進(jìn)一步加劇，低層西南暖濕氣流不斷加強(qiáng)和東移，850 hPa在暴雨區(qū)上空形成水汽輻合中心，為暴雨提供充足的水汽供應(yīng)。在此期間，山西一直位于地面鋒前及高空急流分流區(qū)，低層輻合、高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)，有利于大氣垂直上升運(yùn)動的持續(xù)加強(qiáng)，是暴雨發(fā)生發(fā)展的有利動力條件，高空干冷平流和強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動觸發(fā)鋒前強(qiáng)不穩(wěn)定能量釋放，造成山西中部強(qiáng)降水[圖2(a)]。

圖1 2015年8月1日20:00(a)、3日08:00(b)高低空及地面形勢綜合配置圖(陰影為200 hPa全風(fēng)速場，單位：m·s-1)Fig.1 The system integrated configuration of high and low level and ground at 20:00 BST 1 (a), and 08:00 BST 3 (b) August 2015 (The shaded area is full wind speed on 200 hPa, Unit: m·s-1)

圖2 2015年8月1日20:00至2日20:00(a)、2日20:00至3日20:00(b)山西省24 h累積降水量分布(單位：mm)Fig.2 The 24 hours accumulated precipitation from 20:00 BST 1 to 20:00 BST 2 (a), and from 20:00 BST 2 to 20:00 BST 3 (b) August 2015 in Shanxi Province (Unit: mm)

第二階段(2日20:00至3日20:00)開始，500 hPa冷渦發(fā)展加深，渦后冷空氣持續(xù)南下，副高被迫斷裂，山西受偏西北氣流控制，對應(yīng)地面位于均壓區(qū)(圖略)，降水出現(xiàn)間歇。3日08:00[圖1(b)]，冷渦不斷加深，中心向北發(fā)展，副高西北側(cè)西南氣流也不斷加強(qiáng)，大氣斜壓性再次發(fā)展，地面低壓再度發(fā)展為氣旋，山西自西向東開始出現(xiàn)大范圍降水；之后，500 hPa冷渦東移，渦后冷空氣大舉南下，700 hPa低槽減弱為切變線并移到山西東部，鋒生作用加強(qiáng)，山西位于高空急流入口區(qū)左側(cè)，同時地面冷鋒過境，山西東部再次觸發(fā)強(qiáng)降水[圖2(b)]，但低層西南急流更偏東偏南，水汽補(bǔ)充有所減弱，降水強(qiáng)度也隨之減弱。

綜上所述，第一階段，受500 hPa高壓脊阻擋，系統(tǒng)東移呈前傾結(jié)構(gòu)，山西位于鋒前高能高濕的暖區(qū)，水汽輸送強(qiáng)，低層輻合層深厚，高空抽吸作用強(qiáng)烈，對流發(fā)展更旺盛，降水強(qiáng)度更大；第二階段，受高空槽和低層切變線影響，強(qiáng)上升運(yùn)動中心高度降低，但垂直速度強(qiáng)度增強(qiáng)，低層擾動更明顯，同時地面冷鋒過境，觸發(fā)區(qū)域性強(qiáng)對流天氣，強(qiáng)降水時間和落區(qū)更集中，但強(qiáng)度減小，表1和表2分別列出兩個降水階段降水實(shí)況及暴雨站點(diǎn)環(huán)境場參數(shù)。

2 降水中尺度特征

為更加細(xì)致地了解強(qiáng)降水過程中的中小尺度特征，綜合分析衛(wèi)星云圖(圖3)、雷達(dá)產(chǎn)品(圖4)、地面加密自動站風(fēng)場及暴雨站逐時降水量演變特征。

第一階段，1日午后，冷渦云系尾部、沿高空槽前西南氣流、近地面風(fēng)場擾動區(qū)域，不斷有對流云團(tuán)形成，在河套和山西北部有組織化的發(fā)展、合并。1日20:00形成α中尺度對流云團(tuán)，相當(dāng)黑體亮溫(TBB)≤-32 ℃冷云區(qū)面積大于1.5×105km2，TBB≤-52 ℃冷云區(qū)面積大于3×104km2，云團(tuán)呈東北—西南向不規(guī)則的橢圓形，之后，逐漸發(fā)展東移影響山西中部地區(qū)，造成強(qiáng)降水。該云團(tuán)于2日06:00減弱，其后部有新對流云團(tuán)發(fā)展加強(qiáng)，在山西中部與陜西交界處，地面風(fēng)場輻合區(qū)，發(fā)展成MCC(中尺度對流復(fù)合體)，并沿高空引導(dǎo)氣流向偏南方向移動，再次造成強(qiáng)降水[圖3(a)]。對應(yīng)單站雷達(dá)圖上，受低空急流影響，河套和山西中部地區(qū)的強(qiáng)回波不斷東移發(fā)展成有組織的線狀，其中鑲嵌著多個強(qiáng)單體風(fēng)暴，最大組合反射率因子位于線風(fēng)暴尾部，強(qiáng)度達(dá)65 dBZ以上[圖4(a)]，且強(qiáng)回波中心發(fā)展高度較低，位于3 km左右[圖4(b)]，多站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。2日08:00，在地面持續(xù)偏南風(fēng)影響下，新的強(qiáng)回波單體被激發(fā)，再次出現(xiàn)降水峰值。強(qiáng)降水主要集中在1日20:00至2日11:00，暴雨站點(diǎn)(興縣、臨縣、方山、永和)出現(xiàn)2～3個雨強(qiáng)≥20 mm·h-1的降水峰值，降水強(qiáng)度大。

表1 兩個降水階段降水實(shí)況Tab.1 The actual rainfall during two precipitation stages

表2 兩個降水階段暴雨站點(diǎn)環(huán)境場參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of environmental parameters for rainstorm stations during two precipitation stages

第二階段，河套地區(qū)形成新的高空槽云系，隨著高空槽東移，槽前山西中部盆地不斷有對流云團(tuán)發(fā)展并向東北偏東方向移動，TBB≤-32 ℃冷云區(qū)面積逐漸擴(kuò)大。3日午后，熱力作用加強(qiáng)，在地面風(fēng)場輻合區(qū)域，觸發(fā)多個分散的β中尺度強(qiáng)對流云團(tuán)，TBB≤-52 ℃冷云區(qū)面積大于1×103km2[圖3(b)]。對應(yīng)雷達(dá)回波圖上，表現(xiàn)為大片片狀回波中鑲嵌著多個分散的強(qiáng)單體風(fēng)暴，其中最強(qiáng)單體風(fēng)暴呈橢圓形，強(qiáng)度達(dá)60 dBZ以上[圖4(c)]，45 dBZ以上的強(qiáng)回波位于4 km左右[圖4(d)]，造成山西中東部地區(qū)短時強(qiáng)降水。強(qiáng)降水集中在3日10:00—18:00，降水強(qiáng)度較第一階段有所減小。

綜上所述，第一階段強(qiáng)降水由冷渦云系尾部激發(fā)的α中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展造成，雷達(dá)回波上表現(xiàn)為由多個強(qiáng)單體風(fēng)暴組成的高度組織化的線狀回波，強(qiáng)度強(qiáng)，維持時間長，隨著風(fēng)暴單體強(qiáng)度加強(qiáng)，多次出現(xiàn)雨峰。第二階段強(qiáng)降水由高空槽云系中激發(fā)的β中尺度對流系統(tǒng)東移影響造成，雷達(dá)回波上表現(xiàn)為片狀回波中分布著多個分散對流單體，強(qiáng)度較第一階段明顯減弱。

圖3 2015年8月2日08:00(a)和3日13:00(b)紅外云圖(陰影，單位：K)、TBB(棕色等值線，單位：℃，-32 ℃等值線加粗)、地面加密自動站風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)Fig.3 The infrared image (the shaded, Unit: K), TBB (the brown contours, Unit: ℃, the contour of -32 ℃ is thickened), wind field of encryption automatical weather stations (wind vectors, Unit: m·s-1) at 08:00 BST 2 (a) and 13:00 BST 3 (b) August 2015

圖4 2015年8月2日05:22榆林站(a、b)和3日12:13太原站(c、d)雷達(dá)組合反射率(a、c)及其垂直剖面圖(b、d)(單位：dBZ)Fig.4 The radar composite reflectivity (a, c) and their vertical sections (b, d) of Yulin station (a, b) and Taiyuan station (c, d) at 05:22 BST 2 and 12:13 BST 3 August 2015

3 中尺度環(huán)境特征

大氣層結(jié)不穩(wěn)定是產(chǎn)生對流性暴雨的基本條件[26-27]。圖5為2015年8月1日20:00和3日08:00太原探空站T-lnP圖，表3列出兩個降水階段中尺度環(huán)境條件特征量。可以看出，兩個降水階段探空曲線均具有上干冷、下暖濕的喇叭口型溫濕結(jié)構(gòu)，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)；能量的正面積形狀均呈細(xì)長型分布，且面積較大，說明對流有效位能(CAPE)較大[圖5(a)]，為典型的短時強(qiáng)降水分布型。強(qiáng)降水發(fā)生前6 h，濕層增厚[圖5(b)]，CAPE、K指數(shù)和850 hPa與500 hPa溫差(ΔT850-500 hPa)均出現(xiàn)明顯躍增，沙氏指數(shù)(Si)和抬升指數(shù)(LI)均小于0(表3)，高低層較大的溫度差動平流進(jìn)一步加劇了大氣層結(jié)不穩(wěn)定性發(fā)展，且中高層有干空氣入侵。不同的是：第一階段，CAPE和ΔT850-500 hPa更大，0～6 km風(fēng)垂直切變較小，干空氣侵入在中層，凝結(jié)高度較低，具有典型的鋒前暖云降水特征，大氣可降水量大，降水效率也更大。第二階段，干空氣侵入高度抬高，減少了風(fēng)暴對干空氣粒子的吸入，不利于低層低渦向高層繼續(xù)發(fā)展[28]；隨著不穩(wěn)定能量部分釋放，CAPE和ΔT850-500 hPa減小，大氣不穩(wěn)定性有所減弱；0～6 km風(fēng)垂直切變加大，雖然有利于風(fēng)暴的組織，但對流層中層風(fēng)速增大，雨滴加速蒸發(fā)，積云對流凝結(jié)釋放的潛熱迅速向四周平流，熱量和水汽無法向上層集中[29]，對對流發(fā)展和降水增幅有一定抑制作用，因此，第二階段降水強(qiáng)度減弱?？梢?，兩個降水階段大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)存在一定差異，造成降水持續(xù)時間和強(qiáng)度不同。

圖5 2015年8月1日20:00(a)和3日08:00(b)太原探空站T-ln P圖(藍(lán)色實(shí)線為溫度層結(jié)曲線，綠色實(shí)線為露點(diǎn)溫度曲線，紅色實(shí)線為狀態(tài)曲線)Fig.5 The T-ln P diagrams of Taiyuan sounding station at 20:00 BST 1 (a) and 08:00 BST 3 (b) August 2015(the blue line for temperature curve, green line for dew point temperature, red line for state curve)

表3 兩個降水階段中尺度環(huán)境條件特征量Tab.3 The characteristic variables of mesoscale environmental conditions during two precipitation stages

4 斜壓發(fā)展特征

以上分析表明，兩個降水階段，由于大氣環(huán)境場特征不同，造成中尺度特征不同，降水強(qiáng)度和持續(xù)時間也存在明顯差異。為進(jìn)一步揭示造成這些差異的原因，計(jì)算非地轉(zhuǎn)濕Q矢量(Q*)散度和鋒生函數(shù)以及濕位渦[8-9,30]，并分析其演變特征。

4.1 斜壓鋒生作用

假相當(dāng)位溫(θse)是一個重要的溫濕特征參數(shù)[31]，暴雨過程中能量的積聚和釋放與強(qiáng)降水的產(chǎn)生和減弱密切相關(guān)，此次過程強(qiáng)降水開始前，與低層暖濕空氣輸送相對應(yīng)，從我國西南經(jīng)陜西、山西一直到內(nèi)蒙中部，形成一個西南—東北走向帶狀分布的θse高值區(qū)(圖略)，隨著西北側(cè)冷空氣東南壓，其西北側(cè)梯度較大。兩個強(qiáng)降水階段，等θse線梯度不斷加大，說明大氣斜壓性加強(qiáng)，鋒生作用明顯。

圖6為2015年8月1日20:00、2日02:00、08:00和3日14:00 850 hPaQ*矢量鋒生函數(shù)?？梢钥闯?，對應(yīng)θse梯度大值區(qū)靠近中心附近，低層均存在Q*矢量輻合區(qū)和鋒生函數(shù)正值區(qū)，輻合中心和鋒生函數(shù)正值中心與暴雨區(qū)基本吻合，且提前6 h出現(xiàn)，對暴雨預(yù)報有一定指示意義。說明暴雨區(qū)上空存在強(qiáng)次級環(huán)流，大氣斜壓性不斷發(fā)展，造成低層輻合上升運(yùn)動持續(xù)加強(qiáng)，加之存在強(qiáng)鋒生作用，不穩(wěn)定能量向暴雨區(qū)持續(xù)累積，使中尺度對流云團(tuán)維持，并在后部下沉補(bǔ)償氣流處不斷激發(fā)新的對流云團(tuán)，造成暴雨增幅和持續(xù)發(fā)生。不同的是，第一階段，Q*矢量輻合和鋒生出現(xiàn)多次增大的過程，對應(yīng)多次出現(xiàn)雨峰[圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)]；第二階段，由于第一階段降水造成的潛熱釋放，使得等θse線梯度更大，輻合中心強(qiáng)度和鋒生作用均有所加強(qiáng)[圖6(d)]，這可能是降水反饋?zhàn)饔迷斐傻?，加之高空冷空氣大舉南下，下沉氣流加強(qiáng)，對對流發(fā)展有所抑制，因此，降水強(qiáng)度比第一階段小，持續(xù)時間短。

圖6 2015年8月1日20:00(a)、2日02:00(b)、08:00(c)和3日14:00(d)850 hPa非地轉(zhuǎn)濕Q矢量鋒生函數(shù)(單位:1.0×10-14 K·hPa-1·s-3)(黑色圓點(diǎn)為暴雨站)Fig.6 The wet Q vector frontogenesis function on 850 hPa at 20:00 BST 1 (a), 02:00 BST 2 (b), 08:00 BST 2 (c), 14:00 BST 3 (d) August 2015 (Unit: 1.0×10-14 K·hPa-1·s-3)(Black dots are storm stations)

4.2 濕斜壓發(fā)展

濕位渦qw<0是判斷大氣發(fā)生條件性對稱不穩(wěn)定的依據(jù)，分析qw及其剖面圖的演變特征，有助于揭示中尺度系統(tǒng)與大氣斜壓發(fā)展特征的聯(lián)系[30]。

分析此次兩個降水階段qw水平分布變化，發(fā)現(xiàn)其演變特征在低層表現(xiàn)更明顯。兩個降水階段850 hPa上的qw存在共同特征，濕正壓場上山西中部均存在向北伸展的高位渦舌且不斷增強(qiáng)，暴雨區(qū)的qw強(qiáng)度達(dá)-2.1～-1.2 PVU，對流不穩(wěn)定能量向暴雨區(qū)集聚并發(fā)展，與弱的正、負(fù)濕斜壓場耦合，有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生、發(fā)展，暴雨區(qū)位于濕斜壓場零線附近及其以北或以東正值區(qū)一側(cè)(圖略)。但在垂直方向上，兩個降水階段qw變化存在明顯差異。分別沿暴雨區(qū)(110°E和113.5°E)作濕位渦空間剖面圖(圖7)，可以看出，濕正壓場上，兩個階段暴雨區(qū)上空600 hPa以下均為負(fù)值，并明顯向下延伸，強(qiáng)度可達(dá)-1.5 PVU[圖7(a)和圖7(c)]，說明大氣中低層存在強(qiáng)對流不穩(wěn)定性。濕斜壓場上，負(fù)值自低層向高層傾斜向北發(fā)展，500 hPa以上基本為正值，斜壓場梯度較大，斜壓性較強(qiáng)[圖7(b)和圖7(d)]。所不同的是，第一階段，濕正壓場和濕斜壓場耦合作用更明顯，強(qiáng)對流伸展高度更高，因此，降水強(qiáng)度更強(qiáng)；第二階段，隨著中高層西北急流的加強(qiáng)和東移，地面冷鋒過境，風(fēng)垂直切變增大，濕斜壓場上，850 hPa在暴雨區(qū)西北側(cè)出現(xiàn)負(fù)值中心，強(qiáng)度達(dá)-0.3 PVU，低層斜壓擾動加強(qiáng)，但位渦下傳高度較第一階段低，因此，不穩(wěn)定厚度減小，降水強(qiáng)度較第一階段減小。

圖7 2015年8月2日02:00(a、b)、3日14:00(c、d)濕正壓場(a、c)、濕斜壓場(b、d)沿110°E(a、b)及113.5°E(c、d)的緯度-高度剖面(單位: PVU)Fig.7 The latitude-height sections of wet barotropic (a, c) and wet baroclinic field (b, d) along 110°E (a, b) and 113.5°E (c, d) at 02:00 BST 2 (a, b) and 14:00 BST (c, d) 3 August 2015 (Unit: PVU)

5 集合預(yù)報檢驗(yàn)

5.1 集合預(yù)報產(chǎn)品檢驗(yàn)

圖8為ECMWF集合預(yù)報2015年7月31日20:00起報的48 h時效最大值產(chǎn)品、集合平均預(yù)報及其離散度產(chǎn)品、72 h時效90%分位數(shù)產(chǎn)品和8月1日20:00起報的24 h時效最大值產(chǎn)品。第一階段對于降水量≥50 mm的概率預(yù)報，只對山西西北部暴雨有一定指示意義，與降水實(shí)況對比可看出，暴雨落區(qū)較大概率區(qū)偏南(圖略)；最大值產(chǎn)品[圖8(a)]顯示，預(yù)報與實(shí)況暴雨落區(qū)基本吻合，但強(qiáng)降水中心明顯偏北，陽曲縣暴雨、永和縣大暴雨出現(xiàn)漏報，山西東部的暴雨則出現(xiàn)空報；集合平均預(yù)報產(chǎn)品顯示，預(yù)報強(qiáng)降水量級較實(shí)況明顯偏小，離散度大值區(qū)較實(shí)況暴雨中心偏北約1個緯度[圖8(b)]。第二階段，對于降水量≥50 mm的預(yù)報，概率產(chǎn)品(圖略)及90%分位數(shù)產(chǎn)品[圖8(c)]的大值區(qū)范圍均與實(shí)況暴雨落區(qū)較吻合，而最大值產(chǎn)品暴雨落區(qū)范圍偏大(圖略)，集合平均預(yù)報產(chǎn)品對暴雨出現(xiàn)漏報，離散度大值區(qū)位于山西東部(圖略)。隨著時間臨近，模式預(yù)報調(diào)整，8月1日20:00起報的第一階段降水預(yù)報，最大值產(chǎn)品[圖8(d)]暴雨落區(qū)向南調(diào)整，北部暴雨空報、中部暴雨漏報范圍均有所減少，預(yù)報效果改善，但永和縣大暴雨仍漏報，東部仍存在暴雨空報。

從以上分析不難看出，集合預(yù)報的不同產(chǎn)品對于兩個階段的暴雨預(yù)報效果不同，集合預(yù)報高分位數(shù)產(chǎn)品可較好地預(yù)報出強(qiáng)降水趨勢和范圍，但對鋒前突發(fā)性暴雨落區(qū)和降水強(qiáng)度的精準(zhǔn)預(yù)報性能還有待提升。

5.2 改進(jìn)的聯(lián)合概率預(yù)報檢驗(yàn)

針對此次暴雨過程，基于ECMWF集合預(yù)報產(chǎn)品，從暴雨形成機(jī)制入手，綜合考慮水汽、不穩(wěn)定能量和動力等條件，采用聯(lián)合概率方法[25]，動態(tài)篩選因子，建立概率預(yù)報方程，并對預(yù)報效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

分析7月31日20:00和8月1日20:00起報的聯(lián)合概率集合預(yù)報產(chǎn)品(圖9)?？梢钥闯觯谝浑A段，雖然對山西中部暴雨落區(qū)預(yù)報概率偏小，對西南部弱降水預(yù)報概率偏大，但超過50%的范圍較好地預(yù)報出山西西部兩個暴雨中心；第二階段，對山西中部暴雨落區(qū)的預(yù)報概率大于20%，對南部小到中雨的預(yù)報概率略偏大，但概率大于40%的范圍較好地預(yù)報出了山西東部暴雨中心。

可見，改進(jìn)后的聯(lián)合概率預(yù)報產(chǎn)品，大概率范圍基本覆蓋了兩個階段暴雨中心，但南部出現(xiàn)空報。這主要是由于：(1)西南氣流對水汽的輸送作用，使山西南部水汽條件充足，模式產(chǎn)品強(qiáng)化了水汽作用；(2)K指數(shù)和假相當(dāng)位溫是判別熱力條件較好的指標(biāo)，但暴雨可能會出現(xiàn)在其梯度大值區(qū)，而不是K指數(shù)和假相當(dāng)位溫的大值區(qū)，山西南部由于溫度較高，K指數(shù)較大，模式產(chǎn)品同樣放大了其作用；(3)動力條件的影響與降水時間的開始和結(jié)束密切相關(guān)，隨著預(yù)報時效延長，預(yù)報大概率范圍整體偏南。

因此，針對不同暴雨天氣過程，應(yīng)深入研究其形成的物理機(jī)制，提煉能夠精細(xì)描述其發(fā)生發(fā)展特征的物理量作為預(yù)報因子，通過相關(guān)性和影響時間的詳細(xì)分析，得出概率預(yù)報產(chǎn)品，改進(jìn)暴雨預(yù)報效果。

圖8 ECMWF集合預(yù)報2015年7月31日20:00起報的48 h時效最大值產(chǎn)品(a)、集合平均預(yù)報(等值線)及其離散度(陰影)產(chǎn)品(b)、72 h時效90%分位數(shù)產(chǎn)品(c)和8月1日20:00起報的24 h時效最大值產(chǎn)品(d)(單位：mm)Fig.8 The maximum forecast product (a), ensemble mean forecast (the contours) and spread (the shaded) product (b) for 48-hour, 90% quantile forecast product (c) for 72-hour started from 20:00 BST 31 July and maximum forecast product for 24-hour started from 20:00 BST 1 August (d) 2015 of ECMWF ensemble prediction system (Unit: mm)

圖9 ECMWF集合預(yù)報2015年7月31日20:00(a)和8月1日20:00(b)起報的24 h時效聯(lián)合概率預(yù)報產(chǎn)品(單位：%)Fig.9 Joint probability forecast product for 24-hour started from 20:00 BST 31 July (a) and 20:00 BST 1 August 2015 (b) of ECMWF ensemble prediction system (Unit: %)

6 結(jié)論與討論

(1)此次持續(xù)性暴雨天氣過程受高空槽、蒙古冷渦、副高和地面冷鋒共同影響，降水具有明顯對流特征。第一階段，系統(tǒng)呈前傾結(jié)構(gòu)，山西位于鋒前高能高濕區(qū)，熱力不穩(wěn)定觸發(fā)了較長時間的降水，暴雨中心分散；第二階段，地面冷鋒過境，觸發(fā)區(qū)域性強(qiáng)對流，降水區(qū)域集中但持續(xù)時間相對短。

(2)中尺度及環(huán)境場特征，第一階段，低層輻合層深厚、高空抽吸作用強(qiáng)烈，對流單體不斷發(fā)展成有組織的線狀回波，使得降水維持時間較長，加之位于鋒前，降水效率更大；第二階段，地面鋒面過境，加強(qiáng)了低層擾動，對流天氣范圍更集中，但干空氣侵入高度抬高，垂直風(fēng)切變增大，對流受到抑制，降水強(qiáng)度減弱。

(3)中尺度斜壓診斷表明，第一階段，Q*矢量輻合和鋒生作用出現(xiàn)多次增強(qiáng)，對流發(fā)展旺盛，降水強(qiáng)度大；第二階段，伴隨強(qiáng)降水的出現(xiàn)，斜壓發(fā)展，但負(fù)位渦向下延伸，對流不穩(wěn)定厚度減小，因此，降水強(qiáng)度減小。

(4)采用聯(lián)合概率方法改進(jìn)后，集合預(yù)報產(chǎn)品大概率范圍與暴雨中心吻合。但針對暴雨不同發(fā)展階段，影響中尺度系統(tǒng)發(fā)展的物理量因子變化特征不同，因此，需通過深入分析暴雨發(fā)展機(jī)制來選取預(yù)報因子，并結(jié)合集合統(tǒng)計(jì)量和氣象要素概率預(yù)報產(chǎn)品，改進(jìn)暴雨預(yù)報效果。