1415 號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”廣西極端暴雨預(yù)報(bào)偏差分析及地形訂正

肖志祥，黎金玲，羅小莉

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，南寧 530022；2.河池市氣象局，廣西 河池 547099；3.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，南寧 530022）

引言

暴雨可引發(fā)山洪暴發(fā)、江河泛濫、水庫決堤，是臺(tái)風(fēng)引起的三大危害之一。7503 號(hào)臺(tái)風(fēng)深入內(nèi)陸造成河南省著名的“75·8”特大暴雨，造成60 多個(gè)水庫垮壩，超2.6 萬人死亡［1］。此后，登陸臺(tái)風(fēng)引發(fā)的暴雨受到前所未有的關(guān)注［2-4］。0908 號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫拉克”在臺(tái)灣造成日降水量1533.5mm 的極端降水［5］，導(dǎo)致數(shù)十億元經(jīng)濟(jì)損失，并有600 人因此死亡，是我國最強(qiáng)的暴雨。

臺(tái)風(fēng)降水不僅與它自身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)，還受到下墊面特性、環(huán)境場(chǎng)的相互作用、地形抬升輻合等因素的影響。臺(tái)風(fēng)渦旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境大氣的影響及下墊面的強(qiáng)迫作用是影響臺(tái)風(fēng)暴雨落區(qū)的三個(gè)主要因子［4］。何立富等［6］指出地形抬升造成的輻合作用是暴雨增幅的重要因子，異常強(qiáng)暴雨主要分布在山脈迎風(fēng)坡上。“雙臺(tái)風(fēng)”的天氣尺度系統(tǒng)和中尺度系統(tǒng)相互作用也在極端降水中扮演重要角色［7］。1415 號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”給廣西帶來了嚴(yán)重的風(fēng)雨影響，313.55 萬人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡5 人，直接經(jīng)濟(jì)損失27.93億元［8］。本文對(duì)“海鷗”的預(yù)報(bào)情況進(jìn)行介紹，并開展初步的地形降水訂正技術(shù)研究，以期為今后臺(tái)風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)提供參考思路。

1 數(shù)據(jù)和方法

利用廣西90 個(gè)國家地面觀測(cè)站降水、ERA5 再分析資料、廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)主觀降水落區(qū)及ECMWF 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)“海鷗”的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)偏差進(jìn)行分析。地形迎風(fēng)坡降水率的計(jì)算公式為：

其中，hs為地面高度，hr90為飽和濕空氣（相對(duì)濕度大于90%）所在高度，u 和v 分別為隨高度和時(shí)間變化的緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)，ρw為實(shí)際空氣中的水汽密度。設(shè)定地形高度小于200m 的降水效率（E）為15%，200～500m 地形降水效率為20%，500m 以上則取25%。模式總降水量為模式預(yù)報(bào)降水量與地形降水量之和，即Pt＝Pm＋R（t）×E。詳細(xì)的推導(dǎo)及相關(guān)假定見［9－11］。

2 暴雨過程概況及偏差分析

臺(tái)風(fēng)“海鷗”于9 月16 日09 時(shí)在海南文昌第二次登陸，中心最低氣壓為960hPa，中心附近最大風(fēng)速為42m·s-1，在越南北部廣寧省以臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度第三次登陸后“海鷗”迅速減弱消亡?！昂ｚt”在整個(gè)生命史期間路徑相對(duì)穩(wěn)定，主要向西北偏西方向移動(dòng)。16 日，“海鷗”在北部灣東部地區(qū)，強(qiáng)降水出現(xiàn)在北部灣沿海地區(qū)，最大降水為北海129.1mm。17 日，“海鷗”繼續(xù)向西北方向移動(dòng)，強(qiáng)降水范圍迅速擴(kuò)大，桂西南及沿海地區(qū)降水達(dá)到暴雨以上量級(jí)，大部地區(qū)達(dá)到大暴雨，最大降水為防城港220.2mm?！昂ｚt”在越南登陸后迅速減弱，在廣西的降水過程主要發(fā)生在9 月16 日和17 日。從過程總降水量看，桂西南及沿海地區(qū)累積降水量大部地區(qū)超過100mm，最大為防城港292.3mm。

臺(tái)風(fēng)暴雨最重要的兩個(gè)因素是雨強(qiáng)和暴雨落區(qū)［4］。對(duì)于16 日降水，從廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)24h 主觀預(yù)報(bào)來看（圖1a），暴雨范圍偏大，北海大暴雨預(yù)報(bào)偏弱，但是強(qiáng)降水落區(qū)是準(zhǔn)確的。48h 預(yù)報(bào)（17 日降水）的暴雨落區(qū)也與實(shí)況極為相符，但是桂西南及沿海地區(qū)的大暴雨漏報(bào)，雨強(qiáng)嚴(yán)重偏小。17 日降水24h預(yù)報(bào)（圖1c）將河池西部地區(qū)的暴雨調(diào)小，沿海地區(qū)加強(qiáng)為大暴雨，但總體上暴雨落區(qū)仍與48h 預(yù)報(bào)相似（圖1b），桂西南地區(qū)的大暴雨仍然漏報(bào)。因此，廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)對(duì)16—17 日的暴雨落區(qū)是準(zhǔn)確的，但是雨強(qiáng)偏弱。

對(duì)比廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)主觀預(yù)報(bào)（圖1ac）與ECMWF 模式預(yù)報(bào)（圖1d-f），發(fā)現(xiàn)無論是暴雨落區(qū)還是雨強(qiáng)調(diào)整，主觀預(yù)報(bào)與模式結(jié)果都非常相似?？梢姡珽CMWF 模式預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)預(yù)報(bào)員有著非常大的影響，預(yù)報(bào)員主要參考了模式預(yù)報(bào)的結(jié)果。16日廣西大部地區(qū)ECMWF 預(yù)報(bào)降水量偏大，而在桂東及沿海強(qiáng)降水局地預(yù)報(bào)降水量偏小，北海降水量偏小64.8mm。17 日降水的偏差也主要集中在桂東北（大瑤山、海洋山結(jié)合部谷地）、桂西南（崇左、百色南部）及沿海（防城港、欽州）等強(qiáng)降水地區(qū)，最大偏差超過130mm。因此，全球模式預(yù)報(bào)“海鷗”雨強(qiáng)偏弱在很大程度上影響了預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)效果。

圖1 廣西氣象臺(tái)主觀預(yù)報(bào)（a—c）及ECMWF 模式預(yù)報(bào)（d—f）降水量（單位：mm）

由于17 日降水強(qiáng)度強(qiáng)、范圍更廣、偏差也更大，因此主要對(duì)17 日降水偏差進(jìn)行分析。圖2 為925hPa 環(huán)流場(chǎng)及ECMWF 的預(yù)報(bào)偏差?！昂ｚt”于16日23 時(shí)左右在越南北部登陸，可以看到16 日20 時(shí)“海鷗”位于北部灣海上，廣西大部地區(qū)受偏東氣流影響（圖2a）。“海鷗”登陸后，17 日02 時(shí)廣西轉(zhuǎn)受臺(tái)風(fēng)東側(cè)的偏南氣流影響為主（圖2b）。從預(yù)報(bào)偏差來看，模式風(fēng)場(chǎng)在陸地上的偏差極小，16 日20 時(shí)偏差主要是在北部灣沿岸海面上（圖2c），這是由于模式預(yù)報(bào)的“海鷗”中心環(huán)流偏北所致。17 日02 時(shí)風(fēng)場(chǎng)的偏差主要是在越南北部及廣西的崇左地區(qū)（圖2d）。此外，模式預(yù)報(bào)的850hPa 急流、500hPa 副高的位置和范圍偏差也較小。

圖2 16 日20 時(shí)（a）和17 日02 時(shí)（b）925hPa 環(huán)流場(chǎng)；（c）16 日20 時(shí)ECMWF 減去ERA5；（d）17 日02 時(shí)ECMWF減去ERA5

以上分析表明，無論是風(fēng)向還是風(fēng)速，ECMWF在廣西境內(nèi)的預(yù)報(bào)偏差均較小，臺(tái)風(fēng)暴雨落區(qū)也較準(zhǔn)確。沿桂西南的強(qiáng)降水帶（圖2a 紅色實(shí)線）的850hPa 垂直速度和散度隨時(shí)間的演變?nèi)鐖D3 所示。17 日02 時(shí)十萬大山以南受偏南氣流影響，山前氣流受地形抬升影響形成寬廣而強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)（圖3a），但是ECMWF 預(yù)報(bào)的十萬大山南面的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)較窄（圖3c）。十萬大山北面（崇左盆地）從16 日14 時(shí)開始出現(xiàn)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)（圖3a），而ECMWF預(yù)報(bào)的十萬大山北面強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)偏弱、范圍較?。▓D3c）。模式對(duì)十萬大山附近的強(qiáng)輻合區(qū)預(yù)報(bào)也偏弱（圖3b、d）。同樣地，ECMWF 預(yù)報(bào)的右江河谷以南的垂直速度、散度偏弱。可見，ECMWF 對(duì)強(qiáng)降水區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)、輻合位置、時(shí)間演變預(yù)報(bào)效果較好，暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。強(qiáng)度偏弱、范圍偏小、持續(xù)時(shí)間短這幾個(gè)因素可能是導(dǎo)致大暴雨漏報(bào)的主要原因。ECMWF 預(yù)報(bào)暴雨量級(jí)偏差主要集中在由沿海到桂西北地形復(fù)雜地區(qū)：即沿海-十萬大山-崇左盆地-右江河谷以南，地形起伏非常強(qiáng)烈。研究表明［12］，地形對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的增幅可達(dá)50mm 以上。因此，針對(duì)地形進(jìn)行降水訂正是解決“海鷗”預(yù)報(bào)降水偏弱的有效途徑。

圖3 ERA5（a—b）和ECMWF（c—d）預(yù)報(bào)的850hPa 垂直速度（a、c 的單位：Pa·s－1）及散度（b、d 的單位：s－1）沿剖面（圖5a 紅色實(shí)線）隨時(shí)間的演變，橫坐標(biāo)為緯度，縱坐標(biāo)為時(shí)間，中間一行縱坐標(biāo)表示地形高度（單位：m）

3 臺(tái)風(fēng)暴雨地形訂正方法

圖4 為根據(jù)公式（1）計(jì)算得到的17 日“海鷗”地形降水增量?？梢钥吹?，地形降水增量中心主要在桂西南、沿海十萬大山及桂西北，這三個(gè)區(qū)域都是模式預(yù)報(bào)降水偏弱的地區(qū)（圖1）。地形降水增量在右江河谷以南地區(qū)最大可達(dá)16mm 以上，其次是十萬大山附近約為4～8mm，大瑤山東部地區(qū)2～4mm。

圖4 17 日臺(tái)風(fēng)地形降水量

BS＝1 表示預(yù)報(bào)無偏差，BS＞1 表示預(yù)報(bào)存在濕偏差，反之則是干偏差。ETS 表示相對(duì)隨機(jī)預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)技巧，ETS≤0 說明無預(yù)報(bào)技巧，ETS＞0 表示相對(duì)隨機(jī)預(yù)報(bào)具有預(yù)報(bào)技巧，ETS＝1 為理想預(yù)報(bào)。表1 為17 日降水地形訂正前后的TS、BS 和ETS 評(píng)分對(duì)比?？梢钥闯?，在大暴雨以下量級(jí)經(jīng)地形訂正后TS評(píng)分有微弱的下降，大雨和暴雨量級(jí)濕偏差有所增強(qiáng)。但是，大暴雨以上量級(jí)TS 評(píng)分從0.19 提升至0.35，BS 評(píng)分從0.27 大幅度提升至0.53。訂正后對(duì)大暴雨的預(yù)報(bào)技巧顯著提升。同時(shí)，降水均方根誤差從42.38mm 下降到40.48mm，降水絕對(duì)偏差從-12.25mm 降低至-6.99mm。這說明地形降水訂正方法可以顯著提升大暴雨以上量級(jí)降水評(píng)分，對(duì)提升“海鷗”強(qiáng)降水預(yù)報(bào)效果是有效的，有助于提升防災(zāi)、減災(zāi)效果。但地形訂正對(duì)此次特大暴雨過程仍無訂正技巧，預(yù)報(bào)員需進(jìn)一步參考區(qū)域高分辨率模式產(chǎn)品。

表1 訂正前后17 日各降水量級(jí)TS、BS 和ETS 評(píng)分

圖5 為17 日臺(tái)風(fēng)地形增幅降水最大值出現(xiàn)時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)和降水量的空間分布?！昂ｚt”于16 日23 時(shí)左右在越南北部登陸，隨后廣西主要受偏南、偏東氣流的影響。從圖5a 可以看到，沿海地區(qū)的地形降水出現(xiàn)在17 日02 時(shí)前后，主要是“海鷗”東部偏南氣流加大，受海陸分布及地形抬升影響，隨后地形降水向廣西內(nèi)陸推進(jìn)?！昂ｚt”于17 日14 時(shí)停止編號(hào)，臺(tái)風(fēng)完整環(huán)流迅速瓦解，所以17 日14 時(shí)后廣西臺(tái)風(fēng)地形降水全部由峰值減弱。從地形降水強(qiáng)度看，其空間分布（圖5b）與總地形降水（圖4）非常相似，主要集中在十萬大山-崇左盆地-右江河谷南岸一線及桂東北大瑤山、海洋山結(jié)合部谷地。右江河谷南岸的地形降水強(qiáng)度最大，可超過3mm·（3h）-1，這可能是由于狹長(zhǎng)地形緩慢抬升作用（圖3）。從地形降水強(qiáng)度最大出現(xiàn)時(shí)的低空風(fēng)場(chǎng)看（圖3c），十萬大山以南主要是偏南氣流爬坡引起，而崇左盆地、右江河谷南岸及大瑤山、海洋山東部地區(qū)主要受偏東氣流的作用。

圖5 17 日臺(tái)風(fēng)地形降水最大值出現(xiàn)的時(shí)間（a，北京時(shí)：ddhh）及其對(duì)應(yīng)的地形降水最大值（b，單位：mm·（3h）-1）和925hPa 風(fēng)場(chǎng)（c）

由于“海鷗”在不停地移動(dòng)，其環(huán)流也隨時(shí)間變化，風(fēng)場(chǎng)與地形的夾角也隨時(shí)間變化，造成地形降水的風(fēng)向并不一致。因此，選取十萬大山以南（圖5c，Region1）、十萬大山以北崇左盆地（圖5c，Region2）以及右江河谷南岸（圖5c，Region3）三個(gè)降水偏差較大的地區(qū)，分析地形降水和風(fēng)場(chǎng)的隨時(shí)間演變（圖6）。圖6 表明三個(gè)地區(qū)地形降水的出現(xiàn)時(shí)間、峰值以及風(fēng)向的貢獻(xiàn)并不相同。十萬大山南麓（圖6a）地形降水在16 日20 時(shí)出現(xiàn)，此時(shí)低層（925～700hPa）風(fēng)向開始轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，與十萬大山形成一定夾角。16日23 時(shí)，低空東南氣流最大且與十萬大山夾角最大，十萬大山南麓出現(xiàn)峰值降水（1.3mm），隨后地形降水隨風(fēng)速減小而減小。崇左盆地地形降水（圖6b）最早出現(xiàn)在16 日14 時(shí)，此時(shí)“海鷗”還在北部灣海上，隨著“海鷗”西行，東北氣流開始加大，盆地東北方向地形海拔最低，氣流進(jìn)入盆地后輻合抬升形成地形降水。16 日23 時(shí)崇左盆地轉(zhuǎn)受東南氣流影響，氣流沿右江河谷南岸地形爬升，出現(xiàn)地形降水峰值。因此，崇左盆地地形降水主要由兩部分組成：峰值以前是東北氣流降水和峰值以后的東南氣流降水。右江河谷南岸的地形降水強(qiáng)度最大，峰值降水在17 日05 時(shí)（圖6c），主要由峰值降水前的偏東氣流及峰值降水后的東南氣流貢獻(xiàn)?？梢?，不同區(qū)域地形降水受臺(tái)風(fēng)位置移動(dòng)的影響，在實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中需考慮復(fù)雜地形對(duì)降水的增幅作用，避免因強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間的錯(cuò)誤導(dǎo)致預(yù)報(bào)偏差。

圖6 三個(gè)區(qū)域平均的地形降水量（綠色柱狀，單位：mm·（3h）-1）和風(fēng)場(chǎng)（矢量，顏色表示風(fēng)速，單位：m·s-1）隨時(shí)間的演變

4 結(jié)論與討論

本文對(duì)臺(tái)風(fēng)“海鷗”暴雨預(yù)報(bào)偏差進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)“海鷗”暴雨預(yù)報(bào)落區(qū)準(zhǔn)確，主要是強(qiáng)度的偏差，引入地形增幅降水可有效提升“海鷗”降水預(yù)報(bào)效果，主要結(jié)論為：

（1）“海鷗”地形增幅降水與強(qiáng)降水區(qū)疊加，主要集中在十萬大山-崇左盆地-右江河谷南岸一線，最大日增幅降水量可達(dá)16mm 以上。

（2）地形訂正后，在不顯著改變小雨、中雨、大雨及暴雨評(píng)分基礎(chǔ)上，大暴雨以上降水TS（ETS／BS）評(píng)分由0.19（0.15／0.27）大幅度提升到0.35（0.30／0.53），但對(duì)于特大暴雨仍無訂正能力。

（3）臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的特性，使得不同區(qū)域風(fēng)向隨時(shí)間變化，偏南氣流、東北氣流、偏東氣流均可貢獻(xiàn)地形降水，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中需考慮風(fēng)向與地形的關(guān)系。

影響臺(tái)風(fēng)極端降水的因素較多，且地形降水訂正公式存在諸多假定條件，地形降水訂正結(jié)果仍存在一定誤差。但考慮地形降水訂正仍有助于提升對(duì)極端降水的預(yù)報(bào)效果，這對(duì)于臺(tái)風(fēng)暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的個(gè)例提升效果更明顯。對(duì)中小地形非常復(fù)雜的廣西，考慮地形對(duì)極端暴雨的影響在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中有重要指示作用。