ECMWF細(xì)網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在山東汛期強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中的檢驗(yàn)

丁 凡，安婷婷，陳小蘇，程 月,潘 玲

(1.日照市氣象局，山東日照 276800；2.張掖市氣象局，甘肅張掖 734000 )

強(qiáng)對(duì)流天氣是大氣不穩(wěn)定能量釋放的產(chǎn)物，主要包括雷雨大風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)、局部強(qiáng)降雨等。由于發(fā)生突然、移動(dòng)迅速、產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象劇烈、破壞力極強(qiáng)，一直是天氣預(yù)報(bào)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1-5]。隨著預(yù)報(bào)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值預(yù)報(bào)已經(jīng)成為預(yù)報(bào)員制作強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)不可缺少的工具，尤其是ECMWF模式，在強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)中發(fā)揮著舉足輕重的作用；但是由于數(shù)值模式的預(yù)報(bào)結(jié)果受到邊界條件、地形、物理過程及初始場(chǎng)等諸多因素的影響，使得模式預(yù)報(bào)的要素在量級(jí)和時(shí)空分布上與實(shí)況有著不同程度的差異[6-8]。因此了解數(shù)值模式產(chǎn)品的預(yù)報(bào)性能、掌握模式存在的問題和不足并對(duì)其加以訂正和評(píng)估[9-11]，可以有效提高預(yù)報(bào)員的模式應(yīng)用和訂正能力，提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，從而取得更好的預(yù)報(bào)效果。

目前，學(xué)者們運(yùn)用了多種新技術(shù)、新方法對(duì)不同模式下降水預(yù)報(bào)的各個(gè)方面進(jìn)行了大量研究[12-16]，主要為不同區(qū)域、不同時(shí)段、不同要素預(yù)報(bào)效果的分析檢驗(yàn)。通過對(duì)不同模式產(chǎn)品進(jìn)行大量主客觀檢驗(yàn)與評(píng)估，使預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)技術(shù)得到明顯提高。鄭婧[17]給出了預(yù)報(bào)西北氣流下特大暴雨的著眼點(diǎn)和預(yù)報(bào)概念模型以及訂正模式降水的思路。曲巧娜[18]對(duì)多種模式的強(qiáng)降水落區(qū)進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果表明EnWRE和EC-thin降水落區(qū)的預(yù)報(bào)優(yōu)于其它模式，并且表現(xiàn)出一定的互補(bǔ)性。諶蕓[19]對(duì)北方一次暖區(qū)大暴雨降水預(yù)報(bào)失敗案例進(jìn)行剖析，結(jié)果表明高溫高濕的環(huán)境中未能捕捉到可觸發(fā)對(duì)流的次天氣及以下尺度的小擾動(dòng)，加之對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)環(huán)境場(chǎng)條件的精細(xì)分析不足是導(dǎo)致強(qiáng)降水預(yù)報(bào)量級(jí)偏弱的重要因素。本文對(duì)細(xì)網(wǎng)格模式產(chǎn)品(下簡(jiǎn)稱EC產(chǎn)品)的形勢(shì)場(chǎng)、物理量場(chǎng)、強(qiáng)降水中心量級(jí)進(jìn)行主客觀檢驗(yàn)分析，旨在研究EC產(chǎn)品對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的影響系統(tǒng)、關(guān)鍵物理量及降水量大小的預(yù)報(bào)效果，為數(shù)值模式產(chǎn)品的訂正提供參考，以期提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

1 資料和強(qiáng)對(duì)流過程的選取

利用2018—2019年發(fā)生在山東省汛期6—9月的20次強(qiáng)對(duì)流過程(表1)，對(duì)與暴雨相對(duì)應(yīng)的歐洲中心0.25°×0.25°EC產(chǎn)品08時(shí)起報(bào)的24 h、48 h的預(yù)報(bào)場(chǎng)進(jìn)行檢驗(yàn)，將預(yù)報(bào)場(chǎng)與NCEP1°×1°再分析資料及常規(guī)觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，主要檢驗(yàn)20次強(qiáng)對(duì)流過程中系統(tǒng)的位置及移速、物理量大小、降水中心量級(jí)與范圍等。檢驗(yàn)內(nèi)容為強(qiáng)對(duì)流天氣影響系統(tǒng)(500 hPa副熱帶高壓、500 hPa西風(fēng)槽)、關(guān)鍵物理量(低層濕度、500 hPa與850 hPa溫度差(T500-850)、0 ℃層與-20 ℃層高度、K指數(shù)、LI指數(shù)(抬升指數(shù))、CAPE值)、強(qiáng)降水中心降水量及降水范圍。

表1 2018—2019年6—9月山東省20次強(qiáng)對(duì)流天氣過程影響系統(tǒng)

2 預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)分析

2.1 影響系統(tǒng)

2.1.1 500 hPa西風(fēng)槽 表2為2018—2019年山東省汛期強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)EC產(chǎn)品24 h、48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)500 hPa西風(fēng)槽的預(yù)報(bào)結(jié)果，其中用500 hPa環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)上三條特征線與槽交點(diǎn)的經(jīng)緯度的平均值來確定西風(fēng)槽的強(qiáng)度和移速，規(guī)定該特征線為576、580、584 dagpm線。經(jīng)度偏差為預(yù)報(bào)經(jīng)度與實(shí)況經(jīng)度之差，當(dāng)-1°≤經(jīng)度偏差≤1°時(shí)，西風(fēng)槽移動(dòng)速度預(yù)報(bào)與實(shí)況相一致；經(jīng)度偏差>1°時(shí)，則西風(fēng)槽移動(dòng)速度預(yù)報(bào)偏快；經(jīng)度偏差<-1°時(shí)，則預(yù)報(bào)移速偏慢。緯度偏差為預(yù)報(bào)緯度與實(shí)況緯度之差。當(dāng)-1°≤緯度偏差≤1°時(shí)，西風(fēng)槽強(qiáng)度預(yù)報(bào)與實(shí)況相一致；緯度偏差>1°時(shí)，則預(yù)報(bào)強(qiáng)度偏弱；緯度偏差<-1°時(shí)，則預(yù)報(bào)強(qiáng)度偏強(qiáng)。

對(duì)西風(fēng)槽強(qiáng)度的預(yù)報(bào)，EC產(chǎn)品24 h預(yù)報(bào)效果與48 h預(yù)報(bào)效果一致，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均為80%。當(dāng)預(yù)報(bào)與實(shí)況不一致時(shí)，除48 h有1次漏報(bào)之外，其余預(yù)報(bào)緯度均比實(shí)況低，強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏強(qiáng)，偏強(qiáng)誤差在2.3個(gè)緯度以內(nèi)。EC產(chǎn)品對(duì)西風(fēng)槽移動(dòng)速度的預(yù)報(bào)隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)，預(yù)報(bào)效果變差，24 h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為80%，48 h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為70%。預(yù)報(bào)移速偏快或偏慢的次數(shù)幾乎相當(dāng)，24～48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，偏快4次，偏慢5次，經(jīng)度誤差均在4.3°以內(nèi)。由此看出，EC產(chǎn)品對(duì)西風(fēng)槽的移速和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)相對(duì)較好，除48 h的移速預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為70%外，其余預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均達(dá)到了80%，具有較好指示意義。

表2 EC產(chǎn)品對(duì)山東省2018—2019年6—9月20次強(qiáng)對(duì)流天氣500 hPa西風(fēng)槽預(yù)報(bào)強(qiáng)度和移速檢驗(yàn) 單位：次

2.1.2 500 hPa副熱帶高壓 副熱帶高壓(下簡(jiǎn)稱副高)是制約大氣環(huán)流變化的重要成員之一，是控制熱帶和副熱帶地區(qū)的、持久的、大型天氣系統(tǒng)之一。副高北界的位置變動(dòng)與山東省天氣變化有著極其密切的關(guān)系。通過檢驗(yàn)2019年山東省汛期暴雨發(fā)生時(shí)EC產(chǎn)品預(yù)報(bào)的24 h、48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)120°E上588 dagpm線最北界的緯度值，來分析EC產(chǎn)品對(duì)副高北界的預(yù)報(bào)能力。規(guī)定120°E上588 dagpm的副高緯度偏差為預(yù)報(bào)緯度值與實(shí)況緯度值之差，當(dāng)-1°≤副高緯度偏差≤1°時(shí)，副高北界位置預(yù)報(bào)正確；當(dāng)副高緯度偏差<-1°時(shí)，副高北界位置預(yù)報(bào)偏南；當(dāng)副高緯度偏差>1°時(shí)，預(yù)報(bào)偏北。

通過檢驗(yàn)可以看出，對(duì)副高北界的預(yù)報(bào)，48 h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確次數(shù)僅比24 h多1次，預(yù)報(bào)效果略優(yōu)于24 h，預(yù)報(bào)能力大致相當(dāng)，準(zhǔn)確率在80%以上。24 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)有16次過程預(yù)報(bào)正確，2次過程偏北，1次過程偏南，1次漏報(bào)；48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)有17次過程預(yù)報(bào)正確，3次過程預(yù)報(bào)偏北。可以看出，EC產(chǎn)品對(duì)副高北界預(yù)報(bào)誤差以偏北為主，且誤差均在2.3°以內(nèi)，總體誤差較小。出現(xiàn)偏差的過程中，僅有一次過程24 h與48 h預(yù)報(bào)與實(shí)況均不一致，有3次過程24 h預(yù)報(bào)與實(shí)況不一致而48 h預(yù)報(bào)正確，有兩次過程48 h預(yù)報(bào)偏北而24 h預(yù)報(bào)正確?？傮w而言，EC產(chǎn)品對(duì)副高北界預(yù)報(bào)效果較好，具有較好的指示意義。

2.2 物理量

2.2.1 特殊高度檢驗(yàn) 在做冰雹預(yù)報(bào)時(shí)，除天氣形勢(shì)分析之外，0 ℃層和-20 ℃層高度的探空分析是首先需要注意的。一般來說，冰雹都發(fā)生在0 ℃層和-20 ℃層高度適宜的條件下，因此，模式預(yù)報(bào)的特殊高度的準(zhǔn)確度對(duì)預(yù)報(bào)員判斷未來有無冰雹發(fā)生有著極其重要的作用。規(guī)定當(dāng)模式的預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況之差的絕對(duì)值小于等于200 m時(shí)，預(yù)報(bào)正確，大于200 m時(shí)預(yù)報(bào)錯(cuò)誤。

通過檢驗(yàn)可知，EC產(chǎn)品對(duì)0 ℃層高度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率達(dá)到100%，誤差在200 m以內(nèi)，預(yù)報(bào)效果非常好。但是，其對(duì)-20 ℃層高度的預(yù)報(bào)效果不太理想，24 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)有11次預(yù)報(bào)正確，3次高度偏高，6次偏低，9次預(yù)報(bào)失誤的誤差絕對(duì)值的平均值為352 m；48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)有12次預(yù)報(bào)正確，3次偏高，5次偏低，8次預(yù)報(bào)失誤的誤差絕對(duì)值的平均值為402 m。由此看出，24 h和48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)的誤差均以偏低為主，雖然48 h時(shí)效的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率略高于24 h，但48 h預(yù)報(bào)錯(cuò)誤過程的誤差絕對(duì)值的平均值卻大于24 h。

2.2.2 能量指標(biāo) 大氣對(duì)流是有效能量之間的相互轉(zhuǎn)換和釋放，對(duì)流有效位能(CAPE)從理論上反映出對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)可能發(fā)展的最大強(qiáng)度，是可以轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的位能，近年來有廣泛的應(yīng)用。規(guī)定CAPE的EC產(chǎn)品預(yù)報(bào)值與實(shí)況值之差的絕對(duì)值小于等于200 J/kg為預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，大于200 J/kg為預(yù)報(bào)錯(cuò)誤。

通過分析CAPE值絕對(duì)誤差發(fā)現(xiàn)，EC產(chǎn)品對(duì)CAPE的預(yù)報(bào)效果較差，24 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)成功預(yù)報(bào)4次，偏大16次，偏小0次，16次偏大的誤差絕對(duì)值的平均數(shù)為1 330 J/kg；48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)成功預(yù)報(bào)3次，偏大17次，偏小0次,17次偏大的誤差絕對(duì)值的平均值為1 510 J/kg。由此看出，EC產(chǎn)品預(yù)報(bào)CAPE的準(zhǔn)確率較低，誤差較大，且均以偏大為主。

2.2.3 熱力不穩(wěn)定指數(shù) 穩(wěn)定度分析是對(duì)流天氣診斷和分析常用的方法。在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，常常用一些指數(shù)表示大氣的穩(wěn)定度。參與檢驗(yàn)的指數(shù)為K指數(shù)、LI指數(shù)和500 hPa與850 hPa溫差(T500-850)，并且規(guī)定，EC產(chǎn)品的預(yù)報(bào)值與實(shí)況值之差的絕對(duì)值小于等于2 ℃時(shí)，預(yù)報(bào)正確，大于2 ℃時(shí)預(yù)報(bào)錯(cuò)誤。

分析K指數(shù)發(fā)現(xiàn)，EC產(chǎn)品24 h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率略高于48 h。24 h的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為65%，13次預(yù)報(bào)正確，4次預(yù)報(bào)偏大，3次預(yù)報(bào)偏小；48 h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為60%，12次預(yù)報(bào)正確，5次預(yù)報(bào)偏大，3次預(yù)報(bào)偏小。由此看出，EC產(chǎn)品對(duì)K指數(shù)的預(yù)報(bào)效果一般，但仍具有一定的指示意義。

分析抬升指數(shù)發(fā)現(xiàn)，無論是24 h還是48 h，EC產(chǎn)品準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的過程次數(shù)為0次，且預(yù)報(bào)的數(shù)值均為偏大，都在0 ℃以上，因此EC產(chǎn)品對(duì)LI指數(shù)的預(yù)報(bào)無指示意義。

分析T500-850發(fā)現(xiàn)，EC產(chǎn)品對(duì)其預(yù)報(bào)效果較好。24 h、48 h的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別為90%、80%，誤差來源均為溫差偏小，24 h偏小2次，48 h偏小4次，且24 h、48 h的誤差分別在-2.5 ℃、-3 ℃以內(nèi)，準(zhǔn)確率較高，具有很好的指示意義。

由此看出，EC產(chǎn)品對(duì)熱力不穩(wěn)定指數(shù)的預(yù)報(bào)效果參差不齊，差別較大，T500-850的預(yù)報(bào)效果最好，其次為K指數(shù)，效果最差為L(zhǎng)I指數(shù)。

2.2.4 低層濕度 水汽條件對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展有著極其重要的作用，通過地面露點(diǎn)溫度、925 hPa比濕及850 hPa比濕來檢驗(yàn)EC產(chǎn)品對(duì)水汽的預(yù)報(bào)能力。規(guī)定預(yù)報(bào)與實(shí)況值之差的絕對(duì)值地面露點(diǎn)溫度小于等于2 ℃或比濕小于等于2 g/kg時(shí)，預(yù)報(bào)正確，反之，預(yù)報(bào)錯(cuò)誤。

EC產(chǎn)品對(duì)2 m露點(diǎn)溫度的預(yù)報(bào)與實(shí)況幾乎一致。24 h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為100%，48 h僅有1次與實(shí)況不一致，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為95%， 效果非常好。

EC產(chǎn)品對(duì)925 hPa比濕的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率很高，24 h只有1次與實(shí)況不一致，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為95%，48 h有2次與實(shí)況不一致，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為90%，3次預(yù)報(bào)失誤的原因均為預(yù)報(bào)偏大，且誤差在3 g/kg以內(nèi)，預(yù)報(bào)效果非常好。

EC產(chǎn)品對(duì)850 hPa比濕的預(yù)報(bào)效果較好，24 h的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高于48 h，分別為90%、80%。除48 h有一次比濕預(yù)報(bào)偏小外，其余誤差均為比濕預(yù)報(bào)偏大，誤差在3 g/kg以內(nèi)，具有較好的指示意義。

由此可見，EC產(chǎn)品對(duì)低層濕度的預(yù)報(bào)效果較好，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率2 m露點(diǎn)溫度>925 hPa比濕>850 hPa比濕，誤差以偏大為主，隨著高度的降低，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率升高，隨著時(shí)效的延長(zhǎng)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率降低。

2.3 強(qiáng)降水中心

首先將EC產(chǎn)品預(yù)報(bào)的強(qiáng)降水中心與實(shí)況強(qiáng)降水中心的降水量差值進(jìn)行檢驗(yàn)(表3)，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)對(duì)流過程中，EC產(chǎn)品預(yù)報(bào)的降水量最大值一般小于實(shí)況。24 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，有3次降水量預(yù)報(bào)值偏大，17次預(yù)報(bào)值偏小，最大負(fù)偏差達(dá)到-115 mm，平均負(fù)偏差為-45.7 mm。在7次暴雨以下量級(jí)的降水過程中，有5次過程降水量預(yù)報(bào)中心值比實(shí)況小10 mm以上；13次暴雨及以上的降水過程中，有10次偏差小于-20 mm，5次偏差小于-50 mm，3次偏差小于-100 mm。48 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，有4次預(yù)報(bào)值偏大，16次預(yù)報(bào)值偏小，最大負(fù)偏差達(dá)到-136 mm，平均負(fù)偏差為-54.6 mm。在7次暴雨以下量級(jí)的降水過程中，有5次過程預(yù)報(bào)的中心值比實(shí)況小10 mm以上，13次暴雨及以上量級(jí)的降水過程中，有8次偏差小于-20 mm，有6次偏差小于-50 mm，有3次偏差小于-100 mm。

其次，對(duì)強(qiáng)對(duì)流過程中中雨及以上量級(jí)的降水范圍進(jìn)行檢驗(yàn)，規(guī)定其預(yù)報(bào)值與實(shí)況值之差的絕對(duì)值小于等于實(shí)況值的1/4為預(yù)報(bào)正確，大于實(shí)況值的1/4預(yù)報(bào)錯(cuò)誤。經(jīng)檢驗(yàn)可知，模式預(yù)報(bào)的中雨及以上量級(jí)的降水范圍一般小于等于實(shí)況。EC產(chǎn)品24 h內(nèi)預(yù)報(bào)中雨及以上量級(jí)的降水范圍與實(shí)況一致9次，偏小10次，偏大1次；48 h預(yù)報(bào)降水范圍與實(shí)況一致5次，偏小13次，偏大2次。

表3 EC產(chǎn)品強(qiáng)降水中心降水量預(yù)報(bào)與實(shí)況差值

3 結(jié)論

(1)EC產(chǎn)品對(duì)500 hPa西風(fēng)槽和副高的預(yù)報(bào)相對(duì)較好，除48 h的西風(fēng)槽移速預(yù)報(bào)效果較差，其余時(shí)次的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均達(dá)到了80%。

(2)EC產(chǎn)品對(duì)0 ℃層高度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率達(dá)到100%，但對(duì)-20 ℃層高度24 h和48 h的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率僅為55%、60%。EC產(chǎn)品對(duì)CAPE值24 h和48 h的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率僅為20%、15%，且誤差均以偏大為主。EC產(chǎn)品對(duì)熱力不穩(wěn)定指數(shù)的預(yù)報(bào)效果參差不齊，T500-850的預(yù)報(bào)效果最好，其次為K指數(shù)，效果最差的為L(zhǎng)I指數(shù)。EC產(chǎn)品對(duì)低層濕度的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均在80%以上，預(yù)報(bào)效果2 m露點(diǎn)溫度>925 hPa比濕>850 hPa比濕，誤差以偏大為主。

(3)EC產(chǎn)品預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流過程的降水量最大值一般小于實(shí)況，預(yù)報(bào)中雨及以上量級(jí)降水的范圍一般小于等于實(shí)況。