貴州地區(qū)一次持續(xù)性暴雨天氣成因及預(yù)報(bào)誤差分析

楊秀莊，李 剛，周明飛，杜小玲，李 力

(貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽(yáng) 550002)

0 引言

持續(xù)性暴雨，由于持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，降水強(qiáng)度大，且通常在一定范圍內(nèi)發(fā)生，是產(chǎn)生洪澇和滑坡泥石流災(zāi)害的主要原因，一直以來(lái)都是氣象工作者研究的重點(diǎn)，也是社會(huì)防災(zāi)減災(zāi)的重要任務(wù)。早在20世紀(jì)80年代，陶詩(shī)言等[1-3]提出了經(jīng)向型和緯向型兩類(lèi)持續(xù)性暴雨的大尺度環(huán)流模型，隨后雷雨順等對(duì)10次經(jīng)向型持續(xù)性暴雨進(jìn)行了合成分析，指出暴雨區(qū)北方和東方各有一阻塞高壓，兩者同時(shí)出現(xiàn)所構(gòu)成的穩(wěn)定大尺度環(huán)流形勢(shì)是形成經(jīng)向型持續(xù)性暴雨的基本環(huán)流背景，丁一匯等[5]也對(duì)江淮的持續(xù)性大暴雨展開(kāi)了深入的研究。針對(duì)貴州的持續(xù)性暴雨，李登文[6]、杜小玲[7]、楊秀莊[8-10]、肖艷林[11]等都做了很多的研究工作，對(duì)貴州暴雨的各種天氣成因、暴雨概念模型、局地大暴雨的天氣特征進(jìn)行了重點(diǎn)分析，得出一些有意義的結(jié)論。

隨著數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，特別是高分辨率確定性預(yù)報(bào)和集合預(yù)報(bào)的快速發(fā)展，為數(shù)值預(yù)報(bào)作為日常主要的預(yù)報(bào)手段和方法奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在各級(jí)氣象臺(tái)站發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[12]。由于數(shù)值模式對(duì)大氣初值、物理過(guò)程、差分截?cái)嗟奶幚矶驾^為近似，模式輸出產(chǎn)品往往也存在誤差，預(yù)報(bào)效果不佳。采用一定的釋用方法對(duì)數(shù)值模式直接輸出的產(chǎn)品進(jìn)行處理，從而改進(jìn)總體預(yù)報(bào)效果，是目前通行的做法。數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用方法較多[13]，傳統(tǒng)的主要有統(tǒng)計(jì)學(xué)釋用模式輸出統(tǒng)計(jì)法(MOS)、完全預(yù)報(bào)法(PP)、卡爾曼濾波法、天氣學(xué)釋用、動(dòng)力學(xué)釋用和人工釋用等，近年來(lái)基于集合預(yù)報(bào)思想又出現(xiàn)了頻率匹配、概率匹配、模式集合平均等[14-17]方法，重點(diǎn)強(qiáng)化了對(duì)降水預(yù)報(bào)的訂正，這些方法大多為客觀訂正方法，很大程度改善了數(shù)值模式產(chǎn)品的預(yù)報(bào)效果。在實(shí)際的日常預(yù)報(bào)當(dāng)中，除了要應(yīng)用好客觀的模式訂正產(chǎn)品外，也應(yīng)該加強(qiáng)主觀的模式產(chǎn)品訂正技術(shù)的研究。本文基于配料法的思想選取了2018年的一次持續(xù)性暴雨個(gè)例來(lái)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析了持續(xù)性暴雨的天氣成因，數(shù)值模式產(chǎn)品與實(shí)況的預(yù)報(bào)偏差，特別是關(guān)鍵性物理量場(chǎng)的預(yù)報(bào)偏差，期望能夠強(qiáng)化對(duì)數(shù)值模式的主觀解釋?xiě)?yīng)用能力和利用實(shí)況訂正模式產(chǎn)品的能力，提高暴雨預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度。

1 數(shù)據(jù)與方法

常規(guī)觀測(cè)資料包括2018年7月4日08時(shí)—8日08時(shí)(北京時(shí)，下同)探空資料，1 000～100 hPa溫度、高度、風(fēng)場(chǎng)及溫度露點(diǎn)差、T-lnP圖資料、地面全要素觀測(cè)資料；經(jīng)貴州省氣候中心質(zhì)量審核的2018年7月4日08時(shí)—8日08時(shí)兩要素逐小時(shí)降水量資料；2018年7月4日00時(shí)UTC—8日00時(shí)UTC 6h一次的NCEP 1°×1°格點(diǎn)再分析資料。數(shù)值預(yù)報(bào)資料包括歐洲中心全球模式(EC)0.125°×0.125°、華東中尺度模式3 km×3 km、華南中尺度模式3 km×3 km的24 h降水產(chǎn)品，時(shí)間分辨率為3 h的風(fēng)場(chǎng)、高度場(chǎng)產(chǎn)品。初始起報(bào)場(chǎng)時(shí)間段取2018年7月3日20時(shí)—7日20時(shí)，初始場(chǎng)時(shí)間間隔為12 h。本文采用的分析方法包括天氣診斷和統(tǒng)計(jì)對(duì)比，對(duì)個(gè)例天氣成因的分析主要是利用天氣形勢(shì)和物理量場(chǎng)來(lái)進(jìn)行常規(guī)的診斷分析，對(duì)預(yù)報(bào)誤差的分析則是利用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和天氣實(shí)況來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。

2 暴雨個(gè)例概況

2018年7月4日20時(shí)—7日20時(shí)，貴州地區(qū)出現(xiàn)一次持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程(圖1a)，4縣117鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計(jì)降水量在100 mm以上，32縣598鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水量在50 mm以上，最大降水為威寧縣金鐘鎮(zhèn)285.1 mm，降水過(guò)程累計(jì)降水強(qiáng)度在貴州歷年持續(xù)性暴雨中屬于中等強(qiáng)度。強(qiáng)降水主要從4日夜間開(kāi)始影響貴州北部，范圍較為局地，但降水強(qiáng)度強(qiáng)，務(wù)川縣蕉壩鄉(xiāng)出現(xiàn)了1 h接近44 mm的短時(shí)強(qiáng)降水，累計(jì)降水量達(dá)160 mm，5日白天降水有所減弱，雨帶在北部維持，5日夜間開(kāi)始到6日白天，雨帶整體南移到貴州中部一線，影響范圍擴(kuò)大，多個(gè)站出現(xiàn)了大暴雨，6日夜間，降雨中尺度云團(tuán)主體進(jìn)入廣西境內(nèi)，貴州南部和西部局地產(chǎn)生了一些中小尺度對(duì)流云團(tuán)，造成了南部和西部地區(qū)的局地性暴雨，7日白天，降水基本結(jié)束，西部出現(xiàn)了些分散性陣雨天氣。圖1b、1c、1d分布是7月4日20時(shí)—5日20時(shí)，7月5日20時(shí)—6日20時(shí)，7月6日20時(shí)—7日20時(shí)的降水落區(qū)分布圖。

3 天氣形勢(shì)和環(huán)境場(chǎng)特征

3.1 天氣形勢(shì)和影響系統(tǒng)

7月4日20時(shí)(北京時(shí)，下同)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(圖2a)上中高緯形勢(shì)為兩槽一脊，東亞大槽位于125°E附近，華北地區(qū)為槽后西北氣流，江南地區(qū)一直到華南維持高壓環(huán)流影響，35°N形成一條西北風(fēng)和西南風(fēng)的東西向橫切變，在強(qiáng)的北風(fēng)分量引導(dǎo)下，切變逐漸向南移動(dòng)，青藏高原東側(cè)有短波槽存在，由于受華南—江南一帶高壓阻擋，短波槽向東移動(dòng)緩慢。7月5日08時(shí)(圖略)橫切變南移至30°N附近，切變西段開(kāi)始影響貴州北部地區(qū)，500 hPa的切變擾動(dòng)有利于低層大氣輻合鋒生，為貴州北部對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供了一個(gè)較好的天氣尺度環(huán)境場(chǎng)。7月5日橫切變繼續(xù)向南移動(dòng)，移動(dòng)速度變慢，到5日20時(shí)(圖2b)，切變西段移至貴州中部地區(qū)，貴陽(yáng)站轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，川南的短波槽東移并入到橫切變系統(tǒng)中，切變系統(tǒng)貴州段變?yōu)闁|北—西南向。5日20時(shí)—6日20時(shí)(圖2c)，切變整體繼續(xù)向南移動(dòng)，但切變東段和西段逐漸分離，東段切變?cè)趶?qiáng)的北風(fēng)分量引導(dǎo)下移速較快，到6日20時(shí)移至東南沿海，西段由于受到廣西—南海弱高壓環(huán)流影響，移速較慢，6日20時(shí)仍維持貴州南部地區(qū)，但強(qiáng)度大為減弱，到7日08時(shí)，西段切變基本減弱消亡，貴州—華南一帶轉(zhuǎn)為北方南下高壓南側(cè)的偏東或偏東北氣流影響?？偟膩?lái)說(shuō)，500 hPa上由于受華南地區(qū)高壓環(huán)流阻擋，35°N南下的東西向橫切變的西段及并入的高原短波槽長(zhǎng)時(shí)間維持在貴州地區(qū)，為貴州地區(qū)持續(xù)性暴雨的發(fā)生提供了有利的天氣形勢(shì)場(chǎng)。700 hPa(圖略)形勢(shì)場(chǎng)的演變和500 hPa基本一致，7月4日20時(shí)在33°N附近存在一條東北—西南向的切變，切變?cè)诟邔託饬饕龑?dǎo)下逐漸南壓開(kāi)始影響貴州，一直持續(xù)到6日20時(shí)，之后移出貴州進(jìn)入廣西境內(nèi)。

貴州地處云貴高原東段，大部地區(qū)拔海高度較高，850 hPa氣壓層貼近地面，所以850 hPa的切變輻合往往是觸發(fā)中小尺度對(duì)流活動(dòng)較為直接的影響系統(tǒng)。從850 hPa的形勢(shì)演變來(lái)看，7月4日20時(shí)(圖2d)在31°N附近存在一條東北—西南向的切變，切變西段位于川東南到貴州西北部一帶，切變?cè)诟邔託饬饕龑?dǎo)下逐漸南壓，4日20時(shí)—5日20時(shí)(圖2e)主要影響貴州中部偏北一帶，造成了北部地區(qū)的暴雨天氣，5日20時(shí)—6日20時(shí)切變移動(dòng)非常緩慢，一直在貴州中部維持，低層切變的長(zhǎng)時(shí)間維持使得該地區(qū)中小尺度對(duì)流系統(tǒng)非?；钴S，對(duì)流性降水范圍廣，強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，是造成中部地區(qū)出現(xiàn)多站大暴雨最直接的原因。6日20時(shí)(圖2f)—7日08時(shí)切變維持在貴州南部到廣西北部一帶，之后移出貴州，強(qiáng)降水結(jié)束。850 hPa切變自北向南逐漸移動(dòng)造成的切變前側(cè)的變壓風(fēng)輻合，以及切變本身的散度風(fēng)分量，這些都有利于貴州自北向南出現(xiàn)較強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，加上切變南側(cè)強(qiáng)偏南風(fēng)氣流帶來(lái)的充沛水汽，從而導(dǎo)致貴州自北向南出現(xiàn)暴雨和大暴雨。

綜合分析這次持續(xù)性暴雨個(gè)例，主要的天氣成因?yàn)槿A南地區(qū)維持穩(wěn)定少動(dòng)的高壓環(huán)流影響下，西風(fēng)帶短波槽和北支鋒區(qū)槽后西北氣流引導(dǎo)南下的東西向橫切變受高壓環(huán)流阻擋長(zhǎng)時(shí)間維持在貴州地區(qū)，為貴州地區(qū)持續(xù)性暴雨天氣提供了較好的天氣形勢(shì)場(chǎng)。地面圖上沒(méi)有明顯冷空氣影響(圖略)，中低層的切變輻合是主要的動(dòng)力強(qiáng)迫，加上切變南側(cè)強(qiáng)偏南風(fēng)氣流帶來(lái)的充沛水汽和不穩(wěn)定差動(dòng)平流，為暴雨的持續(xù)發(fā)生提供了較好的水汽和能量條件，從而導(dǎo)致貴州地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)性的暴雨天氣過(guò)程。

3.2 水汽特征變化

中尺度對(duì)流系統(tǒng)的形成和發(fā)展離不開(kāi)水汽的輸送和輻合。持續(xù)性暴雨發(fā)生前夕，貴州中低層主要受偏南風(fēng)氣流影響，7月4日08時(shí)(圖略)700 hPa和850 hPa形勢(shì)場(chǎng)上有一支強(qiáng)西南氣流從南海北部灣經(jīng)廣西進(jìn)入到貴州地區(qū)，最大風(fēng)速達(dá)20 m/s，水汽輸送通量帶(圖3a)從南海到貴州建立起來(lái)，貴州水汽含量迅速積累，濕層變得深厚，700 hPa比濕達(dá)到11～13 g·kg-1,850 hPa比濕達(dá)到16～19 g·kg-1，中低層水汽非常充沛。7月5日08時(shí)(圖3b)，南海到貴州的水汽輸送通量帶仍然存在，中心位于貴州東南部一帶，水汽通量最大值達(dá)24 g·(cm· hPa·s)-1，水汽通量帶的持續(xù)存在有利于水汽的持續(xù)輸送，為暴雨的持續(xù)提供了較好的水汽條件。從850 hPa水汽通量散度場(chǎng)來(lái)看，7月4日20時(shí)(圖3c)貴州北部為強(qiáng)的水汽輻合中心，中心值最大為-8×10-8g·(cm2·hPa·s)-1，強(qiáng)的水汽輻合有利于水汽的抬升凝結(jié)，從而造成貴州北部的強(qiáng)降水。7月5日20時(shí)(圖3d)，從貴州西部到東北部形成一條帶狀的為水汽通量輻合帶，強(qiáng)輻合區(qū)主要位于西部，中心值最大為-6×10-8g·(cm2·hPa·s)-1，強(qiáng)的水汽通量輻合帶的持續(xù)存在對(duì)降水非常有利，這也是5日夜間貴州中部一線出現(xiàn)大面積暴雨和大暴雨的主要原因。7月6日20時(shí)(圖略)貴州南部地區(qū)還存在水汽輻合，強(qiáng)度減弱，最大值為-4×10-8g·(cm2·hPa·s)-1，貴州地區(qū)的降水也逐漸減弱趨于結(jié)束?？v觀整個(gè)持續(xù)性暴雨過(guò)程，降雨云團(tuán)的新生、成熟、消散、再次新生，都伴隨著明顯水汽通量輻合，水汽通量輻合和降水落區(qū)對(duì)應(yīng)基本一致。

圖3 2018年7月4日—5日水汽通量場(chǎng)((a)4日08時(shí)；(b)5日08時(shí)；單位: g·(cm·hPa·s)-1 )和水汽通量散度場(chǎng)((c)4日20時(shí)；(d)5日20時(shí)；單位: 10-8g·(cm2·hPa·s)-1 )

3.3 不穩(wěn)定層結(jié)特征

圖4 2018年7月4日20時(shí)和5日20時(shí)沿27°假相當(dāng)位溫剖面(單位:K)(a)4日20時(shí)；(b)5日20時(shí)

4 數(shù)值預(yù)報(bào)評(píng)估和誤差分析

4.1 數(shù)值預(yù)報(bào)評(píng)估

本次持續(xù)性暴雨個(gè)例的預(yù)報(bào)主要結(jié)合貴州地區(qū)預(yù)報(bào)員經(jīng)驗(yàn)，選取了平時(shí)預(yù)報(bào)效果較好的3家數(shù)值預(yù)報(bào)模式，分別為歐洲中心全球模式、華東中尺度模式、華南中尺度模式，從模式的24 h降水產(chǎn)品來(lái)看，降水落區(qū)和實(shí)況差距較大，對(duì)實(shí)際預(yù)報(bào)參考價(jià)值不高，但模式輸出的高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品在某些時(shí)次能較好的模擬出真實(shí)的天氣實(shí)況，對(duì)預(yù)報(bào)有很高參考價(jià)值，也是預(yù)報(bào)員作出預(yù)報(bào)及訂正的最主要根據(jù)。下面分別對(duì)3家模式的24 h降水產(chǎn)品和預(yù)報(bào)員制作的人工預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估檢驗(yàn)。

7月4日20時(shí)—5日20時(shí)，個(gè)例暴雨落區(qū)(圖1b)位于貴州西北部和北部，呈東北—西南帶狀分布，西北部和東北部部分站出現(xiàn)了大暴雨。對(duì)比3家數(shù)值預(yù)報(bào)模式24 h降水產(chǎn)品，EC模式3日20時(shí)起報(bào)的24 h降水產(chǎn)品(圖5a)在雨區(qū)的位置和形態(tài)上與實(shí)況有一定相似，但降水量級(jí)偏小，暴雨落區(qū)與實(shí)況偏差較大。華東模式3日20時(shí)起報(bào)的24 h降水產(chǎn)品(圖5b)在雨區(qū)的位置、形態(tài)及量級(jí)與實(shí)況較為一致，有較大的參考價(jià)值，但仍未預(yù)報(bào)出部分站點(diǎn)的大暴雨。華南模式3日20時(shí)起報(bào)的24 h降水產(chǎn)品(圖5c)雨區(qū)范圍偏大，量級(jí)偏小，形態(tài)上與實(shí)況也有偏差，參考價(jià)值較低。

7月5日20時(shí)—6日20時(shí)，個(gè)例暴雨落區(qū)(圖1c)位于貴州中部偏北一帶，范圍較廣，呈片狀分布，暴雨落區(qū)較為分散，部分站點(diǎn)出現(xiàn)了大暴雨，個(gè)別站出現(xiàn)了特大暴雨。對(duì)比3家數(shù)值預(yù)報(bào)模式24 h降水產(chǎn)品，EC模式4日20時(shí)起報(bào)的24 h降水產(chǎn)品(圖5d)雨區(qū)范圍偏廣，降水偏小2個(gè)量級(jí)，暴雨落區(qū)和實(shí)況偏差較大，基本沒(méi)有參考價(jià)值。華東模式4日20時(shí)起報(bào)的24 h降水產(chǎn)品(圖5e)量級(jí)與實(shí)況基本相當(dāng)，雨區(qū)范圍偏廣，暴雨落區(qū)形態(tài)與實(shí)況也有偏差，南部地區(qū)的暴雨空?qǐng)?bào)。華南模式4日20時(shí)起報(bào)的24 h降水產(chǎn)品(圖5f)雨區(qū)范圍偏大，降水偏小2個(gè)量級(jí)，暴雨落區(qū)與實(shí)況偏差較大，基本沒(méi)有參考價(jià)值。

7月6日20時(shí)—7日20時(shí)，個(gè)例暴雨落區(qū)(圖1d)位于貴州南部邊緣和西部地區(qū)，范圍不大，南部邊緣地區(qū)暴雨落區(qū)呈塊狀分布，西部暴雨落區(qū)呈片狀分布，較為分散，南部部分站點(diǎn)出現(xiàn)了大暴雨。對(duì)比3家數(shù)值預(yù)報(bào)模式24 h降水產(chǎn)品，EC模式5日20時(shí)起報(bào)的24 h降水產(chǎn)品(圖5g)雨區(qū)范圍偏廣，量級(jí)相當(dāng)，暴雨落區(qū)偏大，落區(qū)位置與實(shí)況偏差較大，僅在降水量級(jí)上有參考價(jià)值。華東模式5日20時(shí)起報(bào)的24 h降水產(chǎn)品(圖5h)量級(jí)與實(shí)況基本相當(dāng)，雨區(qū)范圍偏廣，暴雨落區(qū)形態(tài)與實(shí)況也有偏差，中部地區(qū)暴雨空?qǐng)?bào)，西部地區(qū)的暴雨漏報(bào)。華南模式5日20時(shí)起報(bào)的24 h降水產(chǎn)品(圖5i)在貴州西北部報(bào)了暴雨和大暴雨，與實(shí)況偏差較大，基本沒(méi)有參考價(jià)值。

圖5 7月4日20時(shí)—7日20時(shí)數(shù)值模式24 h降水產(chǎn)品(單位：mm)(7月3日20時(shí)起報(bào)的4日20時(shí)—5日20時(shí)降水產(chǎn)品：a為EC模式，b為華東模式，c為華南模式；7月4日20時(shí)起報(bào)的5日20時(shí)—6日20時(shí)降水產(chǎn)品：d為EC模式，e為華東模式，f為華南模式；7月5日20時(shí)起報(bào)的6日20時(shí)—7日20時(shí)降水產(chǎn)品：g為EC模式，h為華東模式，i為華南模式)

綜合分析7月4日20時(shí)—7日20時(shí)3 d的3家數(shù)值預(yù)報(bào)模式24 h降水產(chǎn)品，EC模式降水量級(jí)偏小，雨區(qū)范圍偏廣，暴雨落區(qū)與實(shí)況偏差大，但落區(qū)形態(tài)有時(shí)有一定參考價(jià)值。華東模式評(píng)估效果相對(duì)較好，降水量級(jí)與實(shí)況基本相當(dāng)，大部暴雨區(qū)模式都有體現(xiàn)，暴雨范圍偏大，空?qǐng)?bào)較多，落區(qū)形態(tài)與實(shí)況偏差也較大，但總體來(lái)說(shuō)，參考價(jià)值相對(duì)較高。華南模式降水量級(jí)偏小，雨區(qū)范圍偏廣，暴雨落區(qū)和形態(tài)與實(shí)況偏差很大，基本無(wú)參考價(jià)值。

對(duì)比分析7月4日20時(shí)—7日20時(shí)人工發(fā)布的24 h降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品。圖6a為7月4日20時(shí)—5日20時(shí)的降水產(chǎn)品，暴雨范圍偏大，西北部暴雨落區(qū)和實(shí)況有一定偏差，但整個(gè)暴雨落區(qū)的形態(tài)、量級(jí)與實(shí)況基本一致，特別是對(duì)貴州北部暴雨及大暴雨落區(qū)把握得相當(dāng)精準(zhǔn)，總體預(yù)報(bào)效果較好。7月4日20時(shí)—5日20時(shí)(圖6b)降水產(chǎn)品暴雨落區(qū)、量級(jí)、時(shí)間段與實(shí)況基本一致，暴雨預(yù)報(bào)的范圍偏大，總體預(yù)報(bào)效果較好。7月5日20時(shí)—6日20時(shí)(圖6c)降水產(chǎn)品暴雨范圍偏大，量級(jí)偏大，中部偏南地區(qū)暴雨空?qǐng)?bào)，南部邊緣和西部地區(qū)的暴雨漏報(bào)，預(yù)報(bào)效果較差。綜合來(lái)看，人工發(fā)布的24 h降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品在7月4日20時(shí)—6日20時(shí)的預(yù)報(bào)中比數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品要好，預(yù)報(bào)技巧為正，在7月6日20時(shí)—7日20時(shí)的預(yù)報(bào)中和數(shù)值預(yù)報(bào)相當(dāng)，都存在大面積的空?qǐng)?bào)和漏報(bào)，預(yù)報(bào)員沒(méi)有在數(shù)值預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上作出有效訂正，預(yù)報(bào)技巧為零。

圖6 7月4日20時(shí)—7日20時(shí)人工發(fā)布24h降水產(chǎn)品(單位: mm)(a)7月4日20時(shí)—5日20時(shí)；(b)7月5日20時(shí)—6日20時(shí)；(c)7月6日20時(shí)—7日20時(shí)

4.2 預(yù)報(bào)誤差分析及訂正

通過(guò)對(duì)數(shù)值模式24 h降水產(chǎn)品和人工24 h預(yù)報(bào)產(chǎn)品的對(duì)比分析，僅靠數(shù)值模式的降水產(chǎn)品很難精準(zhǔn)預(yù)報(bào)災(zāi)害性天氣過(guò)程，必須要充分發(fā)揮預(yù)報(bào)員的主觀訂正作用，有效提高預(yù)報(bào)技巧。對(duì)比分析7月4日20時(shí)—6日08時(shí)的實(shí)況風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)和上一日起報(bào)的24～48 h預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)(圖略)，數(shù)值模式產(chǎn)品和實(shí)況基本一致，故預(yù)報(bào)員能在數(shù)值模式24 h降水產(chǎn)品預(yù)報(bào)效果很差的情況下作出正確訂正，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)7月4日20時(shí)—6日20時(shí)暴雨過(guò)程的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，體現(xiàn)了較好的預(yù)報(bào)服務(wù)效果。但7月6日20時(shí)—7日20時(shí)，5日20時(shí)作為起始場(chǎng)的24～48 h風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)和實(shí)況差距較大，預(yù)報(bào)員仍以數(shù)值模式風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)為主要依據(jù)來(lái)做預(yù)報(bào)，導(dǎo)致了當(dāng)日暴雨落區(qū)偏差較大，服務(wù)效果較差。下面重點(diǎn)分析7月6日20時(shí)—7日20時(shí)模式風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)(以EC為例)與實(shí)況的偏差以及如何根據(jù)實(shí)況進(jìn)行有效訂正，從而提高降水預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度。

貴州地區(qū)的強(qiáng)降水和中低層切變的強(qiáng)度、位置及移速有很大的相關(guān)性，下面重點(diǎn)以700 hPa、850 hPa的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征來(lái)做對(duì)比分析。從500 hPa風(fēng)場(chǎng)上7月6日20時(shí)實(shí)況和5日20時(shí)起報(bào)的24 h風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)分析來(lái)看(圖略)，實(shí)況和預(yù)報(bào)中主要影響系統(tǒng)切變東段都移至東南沿海，切變西段強(qiáng)度大為減弱，僅僅在貴州南部地區(qū)存在很弱的切變輻合，預(yù)報(bào)和實(shí)況基本一致，說(shuō)明EC模式對(duì)500 hPa形勢(shì)場(chǎng)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度較高。但是在中低層風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)中，由于受到貴州地區(qū)復(fù)雜下墊面的影響，EC模式的預(yù)報(bào)與實(shí)況偏差較大，7月6日20時(shí)的700 hPa實(shí)況風(fēng)場(chǎng)上(圖7a)，貴州中南部地區(qū)存在一條東北風(fēng)和偏西風(fēng)的切變，強(qiáng)度較弱，切變位置偏南，從風(fēng)場(chǎng)演變來(lái)看，弱切變逐漸南壓，7月7日08時(shí)切變移至貴州南部邊緣一帶，但EC模式對(duì)7月6日20時(shí)(圖7b)的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)上來(lái)看，貴州地區(qū)大部還主要受弱偏南氣流影響，東北風(fēng)和偏南風(fēng)的弱切變輻合位于貴州西北部地區(qū)，7月6日20時(shí)—8日08時(shí)，切變南側(cè)的偏南氣流強(qiáng)度加強(qiáng)，風(fēng)速?gòu)? m/s增加至4 m/s，切變一直維持在貴州西北部，強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。對(duì)比實(shí)況和預(yù)報(bào)，從7月6日20時(shí)開(kāi)始，從切變的位置、強(qiáng)度及趨勢(shì)演變，模式預(yù)報(bào)與實(shí)況偏差較大。850 hPa實(shí)況風(fēng)場(chǎng)上(圖7c)，7月6日20時(shí)貴州南部地區(qū)存在一條偏東風(fēng)和偏南風(fēng)的切變，強(qiáng)度較弱，切變南側(cè)偏南風(fēng)風(fēng)速為4～6 m/s，6日夜間，切變緩慢南移，7月7日08時(shí)切變移至貴州南部邊緣一帶，貴州大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為高壓底部的偏東氣流影響，從EC模式7月6日20時(shí)(圖7d)的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)上來(lái)看，偏東風(fēng)和偏南風(fēng)的切變位于貴州中部地區(qū)，位置比實(shí)況偏北，7月6日20時(shí)—7日08時(shí)，切變南側(cè)的偏南氣流風(fēng)速維持在4～8 m/s，切變一直維持在貴州中部。綜合來(lái)看，在7月6日20時(shí)—7日20時(shí)的降水預(yù)報(bào)中，EC模式對(duì)中低層切變的預(yù)報(bào)位置偏北，向南的移速偏慢，這次過(guò)程主要由中低層切變?cè)斐傻膭?dòng)力強(qiáng)迫觸發(fā)的對(duì)流性暴雨過(guò)程，最關(guān)鍵系統(tǒng)預(yù)報(bào)的偏差直接導(dǎo)致了預(yù)報(bào)員人工產(chǎn)品的暴雨空?qǐng)?bào)和漏報(bào)。

圖7 2018年7月6日20時(shí)風(fēng)場(chǎng)實(shí)況和EC預(yù)報(bào)(風(fēng)向桿，單位: m·s-1)(a)700 hPa實(shí)況；(b)700 hPa預(yù)報(bào)；(c)850 hPa實(shí)況；(d)850 hPa預(yù)報(bào)

針對(duì)數(shù)值模式產(chǎn)品對(duì)造成暴雨的關(guān)鍵系統(tǒng)中低層切變輻合及低空急流的預(yù)報(bào)偏差，預(yù)報(bào)員如何根據(jù)能看到的實(shí)況監(jiān)測(cè)資料作出有效訂正，一直是數(shù)值產(chǎn)品釋用最值得思考和研究的問(wèn)題。針對(duì)這次7月6日20時(shí)—7日20時(shí)的暴雨空?qǐng)?bào)和漏報(bào)，如果預(yù)報(bào)員在6日值班分析中充分根據(jù)實(shí)況檢驗(yàn)評(píng)估7月5日20時(shí)起報(bào)的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)，是可以對(duì)暴雨的預(yù)報(bào)進(jìn)行有效訂正的，服務(wù)效果一定會(huì)比當(dāng)日發(fā)布的預(yù)報(bào)產(chǎn)品要好。圖8是7月5日20時(shí)起報(bào)的700 hPa(圖8a)和850 hPa(圖8b)的12 h風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)與實(shí)況檢驗(yàn)對(duì)比圖。從圖中可以看到，7月6日08時(shí)700 hPa實(shí)況場(chǎng)上，切變南移到貴州中部偏南一帶，貴陽(yáng)、威寧站轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，貴陽(yáng)站風(fēng)速達(dá)8 m/s，切變南側(cè)的河池站為西南風(fēng)，風(fēng)速為6 m/s，EC的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)切變位于川東南，比實(shí)況偏北2個(gè)緯距左右，貴州主要受西南風(fēng)控制。7月6日08時(shí)850 hPa實(shí)況場(chǎng)上，切變位于中部略偏北一帶，呈東北—西南走向，貴陽(yáng)站風(fēng)速較弱，為2 m/s，河池站、白色站風(fēng)速為6 m/s，EC的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)切變位于貴州北部和西部，比實(shí)況略偏北，貴陽(yáng)站、百色站風(fēng)速和實(shí)況基本一致，但河池站附近預(yù)報(bào)風(fēng)速為8 m/s，比實(shí)況偏強(qiáng)2 m/s。通過(guò)7月6日08時(shí)的風(fēng)場(chǎng)實(shí)況和EC模式風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)的對(duì)比，從中可以看到中低層切變的位置預(yù)報(bào)比實(shí)況偏北，偏南風(fēng)預(yù)報(bào)比實(shí)況偏強(qiáng)，偏南風(fēng)的預(yù)報(bào)偏強(qiáng)必然會(huì)導(dǎo)致中低層切變的預(yù)報(bào)向南移動(dòng)速度變慢，導(dǎo)致7月6日20時(shí)EC模式預(yù)報(bào)的850 hPa切變還維持在中部一線，造成了預(yù)報(bào)和實(shí)況的偏差。如果當(dāng)日預(yù)報(bào)員能根據(jù)EC模式風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品與實(shí)況的對(duì)比分析檢驗(yàn)結(jié)果，采用外推法適當(dāng)訂正EC模式7月6日20時(shí)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，即把中低層切變位置向南調(diào)整0.5～1個(gè)緯距左右，向南移動(dòng)速度調(diào)整加快，暴雨落區(qū)就會(huì)較為準(zhǔn)確，就能避免貴州中部偏南一帶暴雨的空?qǐng)?bào)，也能避免南部邊緣一帶暴雨的漏報(bào)，充分體現(xiàn)預(yù)報(bào)員在數(shù)值產(chǎn)品釋用中的正技巧訂正效果。

圖8 2018年7月6日08時(shí)風(fēng)場(chǎng)實(shí)況和EC預(yù)報(bào)對(duì)比圖(風(fēng)向桿，單位: m·s-1)(a)700 hPa；(b)850 hPa

5 結(jié)論

持續(xù)性暴雨是造成貴州地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的重要誘發(fā)因子，強(qiáng)化對(duì)持續(xù)性暴雨落區(qū)、量級(jí)的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)在防災(zāi)減災(zāi)中具有重要作用。本文通過(guò)選取2018年7月4—6日出現(xiàn)的一次中等強(qiáng)度的持續(xù)性暴雨個(gè)例進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)其天氣環(huán)流形勢(shì)、主要影響系統(tǒng)、中尺度環(huán)境場(chǎng)、數(shù)值模式產(chǎn)品預(yù)報(bào)評(píng)估以及數(shù)值模式產(chǎn)品釋用訂正技巧進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論:

①此次持續(xù)性暴雨過(guò)程是華南地區(qū)維持穩(wěn)定少動(dòng)的高壓環(huán)流影響下，西風(fēng)帶短波槽和北支鋒區(qū)槽后西北氣流引導(dǎo)南下的東西向橫切變受高壓環(huán)流阻擋長(zhǎng)時(shí)間維持在貴州地區(qū)，切變北側(cè)南下的干冷氣流和高壓環(huán)流西北側(cè)北上的暖濕氣流交匯形成的持續(xù)性暴雨，主要的天氣影響系統(tǒng)為東西向橫切變，從高原東移且并入切變的短波槽，中低層的切變與輻合等，中低層切變輻合是對(duì)流觸發(fā)主要的動(dòng)力強(qiáng)迫。

②中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的環(huán)境場(chǎng)特征顯示，降水前夕，貴州中低層大氣呈高溫高濕狀態(tài)，700～800 hPa以下為位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)，利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)的生成和發(fā)展。華南地區(qū)高壓環(huán)流后側(cè)的西南暖濕氣流在降水前夕和降水過(guò)程中輸送了充沛的水汽和不穩(wěn)定差動(dòng)平流，為暴雨的持續(xù)發(fā)生提供了較好的水汽和能量條件。從水汽通量散度場(chǎng)來(lái)看，低層水汽通量輻合區(qū)和降水落區(qū)對(duì)應(yīng)基本一致，降雨云團(tuán)的新生、成熟、消散、再次新生，都伴隨著明顯水汽通量輻合。

③選取了3家數(shù)值模式產(chǎn)品(EC、華東、華南)對(duì)此次過(guò)程進(jìn)行了檢驗(yàn)評(píng)估，3家模式24 h降水產(chǎn)品和實(shí)況偏差較大，僅華東模式24 h降水產(chǎn)品有一定的參考價(jià)值，EC模式和華南模式參考價(jià)值較低。但數(shù)值模式特別是EC模式的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)通過(guò)檢驗(yàn)評(píng)估效果較好，EC模式7月4日20時(shí)—6日20時(shí)的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)和實(shí)況基本一致，預(yù)報(bào)員也充分利用EC正確的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)對(duì)該時(shí)間段降水落區(qū)和量級(jí)進(jìn)行了正技巧訂正。但EC模式7月6日20時(shí)—7日20時(shí)的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)和實(shí)況有較大差距，中低層切變的位置比實(shí)況偏北，切變南側(cè)偏南氣流的強(qiáng)度都比實(shí)況偏強(qiáng)，造成了當(dāng)日中南部一帶的暴雨空?qǐng)?bào)和南部邊緣地區(qū)的暴雨漏報(bào)。

④在實(shí)際的暴雨預(yù)報(bào)中，預(yù)報(bào)員應(yīng)加強(qiáng)數(shù)值模式產(chǎn)品與實(shí)況的檢驗(yàn)評(píng)估，特別是對(duì)造成暴雨的中低層切變等關(guān)鍵影響系統(tǒng)的強(qiáng)度、位置和移速的檢驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值模式對(duì)當(dāng)前時(shí)段預(yù)報(bào)產(chǎn)品和實(shí)況的評(píng)估結(jié)果，利用外推法對(duì)數(shù)值模式預(yù)報(bào)的未來(lái)時(shí)段的關(guān)鍵影響系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)訂正，能有效提高暴雨預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度。