2021年7月17日長江中下游地區(qū)β中尺度低渦及其模式預(yù)報(bào)不確定性分析

莊瀟然 ，康志明，徐淵，馬晨，李昕, ，孫世瑋

(1. 江蘇省氣象臺(tái)，江蘇 南京 210008；2. 中國氣象局交通氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009；3. 江西省氣象臺(tái)，江西 南昌 330096；4. 南京氣象科技創(chuàng)新研究院，江蘇 南京 210008)

1 引 言

中尺度低渦是造成我國長江中下游地區(qū)夏季強(qiáng)降水的主要天氣系統(tǒng)之一，其水平尺度介于100~1 000 km，生命史約為1 天，通常形成于典型梅雨環(huán)流[1]或穩(wěn)定的鞍型背景場中[2-4]，在對(duì)流層中低層與切變線或氣旋性環(huán)流相對(duì)應(yīng)[5]。許多國內(nèi)外學(xué)者已通過觀測(cè)分析、數(shù)值試驗(yàn)等方式對(duì)中尺度低渦及其產(chǎn)生暴雨的熱動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行充分了研究，在早期的探索中，孫建華等[6]通過常規(guī)觀測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn)對(duì)流層中層正渦度中心強(qiáng)迫和潛熱釋放是產(chǎn)生低壓渦旋的主要成因，這一結(jié)論與張鳳等[7]相似，同時(shí)該文進(jìn)一步指出，氣旋發(fā)生、發(fā)展階段低層動(dòng)力輻合制造的正渦度是低渦發(fā)展的直接動(dòng)力因子，而凝結(jié)潛熱的釋放則起到間接作用。隨著中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，空間尺度小于或等于200 km 的中β尺度低渦逐漸得到了關(guān)注，通常認(rèn)為，對(duì)流層中低層的風(fēng)場擾動(dòng)是中β尺度低渦發(fā)生和發(fā)展的主要?jiǎng)恿Τ梢騕8]。另一方面，在合適大尺度背景下中尺度低空急流出口處大范圍強(qiáng)迫抬升區(qū)產(chǎn)生的強(qiáng)降水相態(tài)變化能夠產(chǎn)生大量潛熱釋放，并通過加熱大氣增強(qiáng)低空正渦度區(qū)促使低渦發(fā)展加強(qiáng)，同時(shí)加強(qiáng)的氣壓梯度導(dǎo)致地轉(zhuǎn)風(fēng)產(chǎn)生使得低空急流進(jìn)一步得到發(fā)展加強(qiáng)，即低渦、降水和低空急流相互間的正反饋機(jī)制是中尺度低渦得以發(fā)生發(fā)展的重要熱力成因[2,9-10]。

盡管對(duì)中尺度低渦暴雨發(fā)生發(fā)展熱動(dòng)力機(jī)制的研究已相對(duì)完善，但目前業(yè)務(wù)上對(duì)該類系統(tǒng)及其造成暴雨天氣的預(yù)報(bào)尚存在較大難度，以歐洲中心中期天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（簡稱EC）為代表的全球細(xì)網(wǎng)格模式通常能夠較好地描述低渦早期的生成，但對(duì)其移動(dòng)過程中造成的降水位置和強(qiáng)度把握尚存在較大不足[11-12]。在日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，當(dāng)預(yù)報(bào)員對(duì)單一確定性預(yù)報(bào)（即控制預(yù)報(bào)）的信心不足時(shí)，往往會(huì)通過參照集合預(yù)報(bào)進(jìn)行綜合決策[13]。集合預(yù)報(bào)通過對(duì)模式初值條件、邊界條件以及物理過程中存在的不確定性進(jìn)行定量表征并生成一系列預(yù)報(bào)成員[14-15]，從而涵蓋更多實(shí)際大氣演變的可能。預(yù)報(bào)員可以通過集合預(yù)報(bào)提供的不確定性信息（集合離散度）、控制預(yù)報(bào)的前期偏差特征以及二者更新過程中的調(diào)整信息對(duì)未來天氣的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行主觀綜合判別。另一方面，Du 等[16]近期從客觀角度提出了一種綜合上述三點(diǎn)因素綜合描述模式可預(yù)報(bào)性的指標(biāo)“可預(yù)報(bào)性演變指數(shù)”，該指標(biāo)可以提高預(yù)報(bào)決策的效率，但目前業(yè)務(wù)應(yīng)用還不夠廣泛。

2021 年7 月16—21 日，在“兩高兩低”的典型鞍型場背景中，黃淮之間地區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)穩(wěn)定少動(dòng)的β中尺度低渦，該系統(tǒng)前期（7月16—17日）在蘇皖地區(qū)發(fā)生發(fā)展并造成大范圍短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣，并在后期（7 月19—21 日）隨著副熱帶高壓西申緩慢向西移至河南地區(qū)造成河南“21.7”特大致洪暴雨。有別于梅雨鋒切變線系統(tǒng)中的低渦系統(tǒng)，此次中尺度低渦發(fā)生于較弱的鞍型背景場下，因此呈現(xiàn)出“準(zhǔn)靜止”的非典型特征，業(yè)務(wù)中常用于分析天氣系統(tǒng)演變的EC 模式在7 月14—16 日的多個(gè)起報(bào)時(shí)次對(duì)低渦前期在蘇皖地區(qū)的發(fā)生、發(fā)展均出現(xiàn)較觀測(cè)顯著偏北的情況，致使對(duì)低渦降水的預(yù)報(bào)決策難度明顯增加。值得一提的是，盡管業(yè)務(wù)上的長期經(jīng)驗(yàn)表明，EC對(duì)梅雨鋒系統(tǒng)上東移發(fā)展的典型低渦系統(tǒng)也經(jīng)常存在預(yù)報(bào)較觀測(cè)偏北的情況[11-12,17]，但此次穩(wěn)定鞍型背景場中的預(yù)報(bào)偏移幅度更加明顯。因此，本文聚焦此次低渦前期在蘇皖地區(qū)的發(fā)生發(fā)展階段，著重探討：（1）EC模式預(yù)報(bào)異常偏差的特征及其成因是什么？（2）Du 等[16]新近提出的可預(yù)報(bào)性衡量指標(biāo)適用性如何？對(duì)上述問題的研究以期從預(yù)報(bào)實(shí)際出發(fā)對(duì)此次低渦降水過程開展反思并為未來相似背景下的過程預(yù)判提供借鑒。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù) 據(jù)

本文采 用 了2021 年7 月15 日20 時(shí)—16 日08時(shí)(北京時(shí)，下同)12 小時(shí)三個(gè)起報(bào)時(shí)次的EC 控制預(yù)報(bào)和集合預(yù)報(bào)資料，前者地面要素場的空間分辨率為0.125 °，高空分辨率為0.25 °，而后者的地面和高空要素分辨率分別為0.5 °和1.0 °。在實(shí)況資料方面，歐洲中心0.25 °水平分辨率的ERA5 再分析資料與MICAPS 客觀分析圖具有較高的一致性，因此將其選作真實(shí)形勢(shì)場。此外，還選用了中國氣象局氣象信息中心CMPAS 降水融合資料（0.05 °水平分辨率）作為實(shí)況降水場。

2.2 預(yù)報(bào)挑戰(zhàn)度及可預(yù)報(bào)性演變指數(shù)

預(yù)報(bào)挑戰(zhàn)度（Measure of Forecast Challenge，MFC）是對(duì)模式預(yù)報(bào)可信度的一種綜合度量[16,18]，由集合離散度（SPRD）、集合平均誤差（EME）、非線性度量（NonLN）和實(shí)況出界度（OUT）這四個(gè)與預(yù)報(bào)難易程度相關(guān)的要素組成：

其中EME 為集合平均預(yù)報(bào)同觀測(cè)之差的絕對(duì)值，反映模式的平均預(yù)報(bào)水平。離散度SPRD 是各集合成員與集合平均之間的標(biāo)準(zhǔn)差，是集合預(yù)報(bào)對(duì)大氣演變各種可能覆蓋程度的度量，而非線性度量NonLN[16]是控制預(yù)報(bào)與集合平均預(yù)報(bào)差值的絕對(duì)值，因此SPRD 和NonLN 均與大氣本身的可預(yù)報(bào)性以及集合預(yù)報(bào)的性能息息相關(guān)。出界度（OUT）則用于描述集合預(yù)報(bào)對(duì)觀測(cè)（O）的捕捉能力，如果集合成員能夠包含觀測(cè)，則OUT 為0，否則OUT 就是出界度，即觀測(cè)超出集合邊界的距離相對(duì)于集合寬度（即集合最大mmax和集合最小mmin之差）的比率：

分析表明，集合平均預(yù)報(bào)誤差（EME）對(duì)MFC 貢獻(xiàn)最大，其次是離散度（SPRD）、非線性度量（NonLN）和出界率（OUT）。MFC 數(shù)值越大，表明可預(yù)報(bào)性越低，且用戶在使用預(yù)報(bào)產(chǎn)品時(shí)的決策難度越高。

針對(duì)不同起報(bào)時(shí)次的同一預(yù)報(bào)產(chǎn)品，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效愈發(fā)臨近，可依據(jù)其能否為預(yù)報(bào)決策帶來正面貢獻(xiàn)分為四類情況：（1）MFC 減小，能夠?yàn)橛脩魶Q策提供可靠信息；（2）MFC 變大，有可能誤導(dǎo)決策；情況（3）和（4）中MFC 變化不大，說明預(yù)報(bào)不確定性沒有變化，對(duì)用戶決策很難帶來幫助，其中前者M(jìn)FC 數(shù)值偏大，對(duì)應(yīng)低可預(yù)報(bào)性事件，而后者M(jìn)FC 數(shù)值偏小，對(duì)應(yīng)相對(duì)高的可預(yù)報(bào)性事件。Du 等[18]進(jìn)一步定義了“可預(yù)報(bào)性演變指數(shù)（Predictability Horizon Diagram Index，PHDX）”用以對(duì)上述幾種情況進(jìn)行量化，PHDX 的具體算法可參見文獻(xiàn)[18]，其取值范圍為-1.0~1.0，正值對(duì)應(yīng)情況（1），負(fù)值對(duì)應(yīng)情況（2），0 值附近則對(duì)應(yīng)情況（3）或（4）。

2.3 集合敏感性分析

集合敏感性分析（Ensemble Sensitivity Analysis，ESA）方法是一種通過線性相關(guān)手段定量評(píng)估模式預(yù)報(bào)量對(duì)前期狀態(tài)量敏感性的方法，該方法不僅有助于揭示影響預(yù)報(bào)對(duì)象的熱動(dòng)力特征，還能夠增加對(duì)于預(yù)報(bào)誤差及傳播機(jī)制的認(rèn)知。近年來，ESA 技術(shù)已被應(yīng)用于諸如熱帶氣旋[19-20]、暴雨[21-23]、強(qiáng)對(duì)流[24-25]等不同尺度天氣系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性研究中。

根據(jù)ESA 的定義，假設(shè)集合預(yù)報(bào)在某個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)刻的預(yù)報(bào)狀態(tài)量與后期某預(yù)報(bào)量之間存在線性關(guān)聯(lián)，則可通過建立預(yù)報(bào)量（J）與狀態(tài)量（xt）二者之間的線性回歸方程用以表征二者的關(guān)聯(lián)性：

其中J為預(yù)報(bào)響應(yīng)函數(shù)，xt為t時(shí)刻的狀態(tài)向量即為預(yù)報(bào)量對(duì)初值的敏感性，在集合預(yù)報(bào)中對(duì)等式右側(cè)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)中cov為協(xié)方差算子，var為方差算子。

3 過程回顧

3.1 低渦及降水發(fā)展過程

圖1給出了此次過程對(duì)流層中低層的形勢(shì)場，自7 月16 日20 時(shí)，伴隨著渤海以東洋面上高空冷渦低壓逐漸西移和副高的斷裂，500 hPa 層形成“兩高兩低”的典型鞍形場結(jié)構(gòu)，北側(cè)是緩慢東移發(fā)展的低槽系統(tǒng)，東西兩側(cè)分別為大陸高壓和副熱帶高壓。在對(duì)流層中低層江淮地區(qū)存在一暖式切變線，并伴有低渦自西南地區(qū)移出（圖略），該低渦系統(tǒng)于16 日20 時(shí)附近移至蘇皖地區(qū)，在海上副高南側(cè)偏東氣流的阻擋下呈原地駐留（圖1a2）。在低渦東南側(cè)西南氣流和來自于海上的東南氣流發(fā)生交匯，受急流日變化等因素影響，這兩股氣流在夜間發(fā)展加強(qiáng)（圖1b3、1c3），可以看到17日02時(shí)（圖1b3）起低渦東側(cè)和南側(cè)持續(xù)出現(xiàn)風(fēng)速大于12 m/s 的低空急流帶，形成較強(qiáng)的偏南風(fēng)擾動(dòng)，同時(shí)低渦東南側(cè)低層暖平流輸送也有所加強(qiáng)，使低渦得以快速發(fā)展加強(qiáng)。強(qiáng)降水不僅發(fā)生在低渦東側(cè)和“尾部”的風(fēng)場輻合帶，在其南側(cè)的西南氣流中也有體現(xiàn)（圖2a）。

隨著500 hPa上低槽東移發(fā)展（圖1c1），7月17日08 時(shí)西風(fēng)槽后南下的冷空氣（圖1c2）與低渦東北側(cè)的暖平流結(jié)合加強(qiáng)了上冷下暖的垂直不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，700 hPa 層上低渦西側(cè)的偏北氣流與東側(cè)的偏南風(fēng)氣流同時(shí)得到加強(qiáng)，使低渦得以繼續(xù)發(fā)展并緩慢向西南方向移動(dòng)。受低渦發(fā)展和移動(dòng)影響，雨帶主體南移擴(kuò)張，對(duì)湖北和安徽南部的大部分地區(qū)造成影響（圖2b~2c）。到7月17日午后，隨著低渦中心南移到河南、安徽、湖北三省交界處（圖2d），低渦南側(cè)降水減弱，而東側(cè)位于江蘇西部偏東和偏西氣流的輻合交匯處則產(chǎn)生了南北帶狀分布的降雨帶，其中伴隨有局地50 mm/h 以上的短時(shí)強(qiáng)降水和9級(jí)雷暴大風(fēng)天氣。

鞍型場通常表現(xiàn)為弱平流條件，即大尺度強(qiáng)迫較弱。Done等[26]提出了一種可用于量化大尺度強(qiáng)迫的指標(biāo)，為客觀快速地研判大尺度背景場提供了可能：對(duì)流調(diào)整時(shí)間尺度是對(duì)流加熱過程移除不穩(wěn)定能量的效率，在強(qiáng)強(qiáng)迫背景下，降水的持續(xù)發(fā)生能夠平衡大尺度抬升激發(fā)的不穩(wěn)定能量，對(duì)流調(diào)整的時(shí)間尺度較小，而在弱強(qiáng)迫背景下，局地不穩(wěn)定過程（如輻射強(qiáng)迫、地形海陸風(fēng)環(huán)流等）需要覆蓋對(duì)流抑制條件才能將積攢的不穩(wěn)定能量釋放，因此通常與高值對(duì)流調(diào)整時(shí)間尺度相對(duì)應(yīng)。Zhuang 等[27]指出對(duì)流調(diào)整時(shí)間尺度適用于暖季的華東地區(qū)，并認(rèn)為其對(duì)于對(duì)流天氣的可預(yù)報(bào)性具有指示價(jià)值[28-29]。在本次低渦暴雨案例中，由于再分析資料中缺少對(duì)流有效位能變量，因此采用起報(bào)時(shí)次最臨近的EC 控制預(yù)報(bào)場對(duì)對(duì)流調(diào)整時(shí)間尺度進(jìn)行測(cè)算。圖3 為通過7 月16 日20 時(shí)起報(bào)的EC 計(jì)算得到的對(duì)流調(diào)整時(shí)間尺度，可以看到在低渦附近氣旋性風(fēng)場較強(qiáng)的區(qū)域?qū)?yīng)為對(duì)流調(diào)整時(shí)間尺度的低值區(qū)，而其他大部分區(qū)域的數(shù)值幾乎都在10 以上，這從客觀的角度印證了鞍型場背景下大尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫是比較弱的，同時(shí)也指示了這是一次可預(yù)報(bào)性偏低的過程。

圖1 7月16日20時(shí)（a1~a3）、17日02時(shí)（b1~b3）、17日08時(shí)（c1~c3）、17日14時(shí)（d1~d3）500 hPa高度場和風(fēng)場（第一行）、700 hPa流場（第二行）和850 hPa流場和相當(dāng)位溫（第三行）天氣形勢(shì)演變

圖2 7月17日02時(shí)（a）、08時(shí)（b）、14時(shí)（c）、20時(shí)（d）實(shí)況逐6 h降水演變（單位：mm）紅框和藍(lán)框分別為低渦南側(cè)暖區(qū)降水和東側(cè)急流輻合降水子區(qū)域。

圖3 7月16日08時(shí)起報(bào)的EC控制預(yù)報(bào)對(duì)流調(diào)整時(shí)間尺度（單位：h）

3.2 低渦發(fā)展過程中的熱動(dòng)力機(jī)制

借助渦度收支方程[30]將低渦發(fā)展過程中850 hPa 的正渦度分解為水平渦度平流（HADV）、垂直渦度平流（VADV）、散度（CONV）和扭轉(zhuǎn)項(xiàng)（TILT）四個(gè)分項(xiàng)，可以看到在低渦發(fā)展加強(qiáng)的時(shí)段內(nèi)CONV 對(duì)渦度的貢獻(xiàn)較高（圖4c1~4c3），其次是HADV（圖4a1~4a3）。具體來說，CONV 的高值區(qū)主要位于低渦南側(cè)兩股低空偏南氣流的輻合處，這意味著該輻合作用是低渦發(fā)展的主要誘因。而另一方面，HADV 項(xiàng)與低渦東側(cè)低空急流風(fēng)速的大值區(qū)存在較好的匹配關(guān)系，且17 日02—08 時(shí)隨著低渦東側(cè)風(fēng)速的增強(qiáng)HADV 也明顯加強(qiáng)，這說明夜間低空急流的增強(qiáng)也是低渦增強(qiáng)的動(dòng)力原因。此外，注意到低渦南側(cè)西南氣流中也存在有HADV 和CONV 的高值區(qū)，這意味著低渦發(fā)展過程中其西南側(cè)偏北氣流與西南氣流的共同作用亦對(duì)低渦發(fā)展有正的動(dòng)力貢獻(xiàn)。

圖4 7月17日02時(shí)（a1~d1）、08時(shí)（a2~d2）、14時(shí)（a3~d3）的850 hPa渦度收支情況（單位：PUV）

在熱力機(jī)制方面，前人已從不同程度上闡明了低空急流、降水潛熱釋放和低渦三者間的正反饋?zhàn)饔茫旱涂占绷鞒隹谧髠?cè)降水釋放凝結(jié)潛熱使氣層加熱有助于低層中尺度氣旋發(fā)展，而局部強(qiáng)降壓又能夠促使非地轉(zhuǎn)風(fēng)產(chǎn)生并疊加到低空急流上使其得到加強(qiáng)，低空急流的加強(qiáng)進(jìn)而進(jìn)一步引發(fā)降水加強(qiáng)[4]。將本次低渦降水分為東段輻合降水區(qū)和南側(cè)暖區(qū)降水兩部分（圖2a 藍(lán)框和紅框），東段降水及潛熱釋放過程主要體現(xiàn)在16 日20 時(shí)—17 日08 時(shí)低空急流快速增強(qiáng)的時(shí)段（圖5a），同時(shí)可以看到對(duì)流層中層正位渦高值區(qū)與潛熱釋放的主要區(qū)域基本一致，說明此次過程中東段降水潛熱釋放對(duì)渦旋和低空急流的發(fā)展均有著明顯的正貢獻(xiàn)，低空急流的增強(qiáng)一方面加強(qiáng)渦度平流輸送，同時(shí)也間接增強(qiáng)低渦東側(cè)的輻合，從而使得低渦快速發(fā)展。另一方面，在低渦南側(cè)暖區(qū)降水子區(qū)域（圖5b），由于降水強(qiáng)度更大因此潛熱加熱更為明顯，對(duì)應(yīng)中層出現(xiàn)正位渦高值區(qū)，引導(dǎo)低渦向南發(fā)展，但需要注意的是，此處正位渦發(fā)展并沒有東段明顯，而且急流增強(qiáng)的程度也沒有低渦東側(cè)明顯，說明暖區(qū)中（即南風(fēng)急流中而非其出口輻合區(qū)）潛熱加熱對(duì)低空急流的反饋?zhàn)饔闷酢?/p>

圖5 低渦東側(cè)降水區(qū)域（a，圖2a藍(lán)框）和南側(cè)降水區(qū)域（b，圖2a紅框）的垂直降水性水物質(zhì)（雨水含量和冰水含量之和，填色，單位：g/kg）和位渦（等值線，單位：PVU）的垂直演變圖

4 歐洲中心模式產(chǎn)品應(yīng)用評(píng)估

4.1 控制預(yù)報(bào)及其降水偏差特征

以上觀測(cè)事實(shí)闡明了此次過程中暴雨與低渦的關(guān)系，因此模式降水偏差很大程度上取決于其對(duì)低渦過程的描述。圖6 給出了EC 模式在15 日20 時(shí)（圖6a1~6d1）、16 日08 時(shí)（圖6a2~6d2）以及16日20 時(shí)（圖6a3~6d3）三個(gè)起報(bào)時(shí)次的逐6 h 降水與850 hPa 風(fēng)場預(yù)報(bào)，盡管隨著起報(bào)時(shí)次的臨近，EC對(duì)低渦和降水的刻畫都更加接近于實(shí)況，但依然可見三個(gè)起報(bào)時(shí)次出現(xiàn)的兩類共性偏差，其一是對(duì)β中尺度低渦位置的描述較觀測(cè)明顯偏北且東南側(cè)氣旋性切變偏弱，這不僅使得模式對(duì)雨帶位置整體預(yù)報(bào)偏北，且形態(tài)上出現(xiàn)了較大偏差，以15日20 時(shí)起報(bào)的EC 為例（圖6a1~6d1），其雨帶東段位置偏移幅度超過300 km，給短期預(yù)報(bào)的訂正工作造成很大的誤導(dǎo)；其二則是EC 對(duì)低渦“尾部”和南側(cè)暖區(qū)暴雨刻畫偏弱，這一點(diǎn)是全球模式中常見的一類問題，尤其是在大別山、幕阜-九嶺山、皖南山脈這一降水受輻射日變化影響明顯的區(qū)域，由于粗分辨率模式對(duì)地形的描述不夠精確，使其對(duì)地形影響下的暖區(qū)日變化降水強(qiáng)度描述偏弱，因此預(yù)報(bào)員往往會(huì)對(duì)這一類降水進(jìn)行有指向性的修正。但在此次案例中，由于模式對(duì)低渦位置把握不準(zhǔn)，間接增加了預(yù)報(bào)員對(duì)于暖區(qū)降水強(qiáng)度進(jìn)行主觀研判的難度。此外，同樣受低渦位置偏差影響，EC 在上述三個(gè)起報(bào)時(shí)次均未預(yù)報(bào)出江蘇西部的強(qiáng)對(duì)流天氣（圖6d2~6d4），當(dāng)然，這個(gè)尺度相對(duì)較小過程并不是本文討論的重點(diǎn)，將在最后一節(jié)進(jìn)行適當(dāng)討論。

4.2 集合預(yù)報(bào)及可預(yù)報(bào)性分析

在控制預(yù)報(bào)技巧偏低，無法提供有效參考信息的情況下，集合預(yù)報(bào)能否為預(yù)報(bào)用戶提供有效信息呢？預(yù)報(bào)挑戰(zhàn)性（MFC）和可預(yù)報(bào)性演變指數(shù)（PHDX）是對(duì)模式偏差、預(yù)報(bào)不確定性和預(yù)報(bào)對(duì)象本身非線性程度的一種綜合度量，因此本節(jié)采用這兩種定量方法來衡量此次β中尺度低渦暴雨過程的可預(yù)報(bào)性，并探討綜合運(yùn)用EC 模式產(chǎn)品（包括控制預(yù)報(bào)和集合預(yù)報(bào)）為預(yù)報(bào)決策提供正面引導(dǎo)的可能性。

圖6 15日20時(shí)（a1~d1）、16日08時(shí)（a2~d2）、16日20時(shí)（a3~d3）起報(bào)的EC控制預(yù)報(bào)6 h累積降水a(chǎn)1~a3. 17日02時(shí)；b1~b3. 17日08時(shí)；c1~c3. 17日14時(shí)；d1~d3. 17日20時(shí)。單位：mm。

圖7 給出了EC 模式產(chǎn)品在三個(gè)不同起報(bào)時(shí)次的逐6 h降水預(yù)報(bào)挑戰(zhàn)度（MFC，填色）和對(duì)應(yīng)的集合離散度（SPRD，等值線）。從分布形式來看MFC 可分為西北和東南兩部分，前者與SPRD 的匹配度較高，而與暖區(qū)強(qiáng)降水雨帶相匹配的后者在前兩個(gè)起報(bào)時(shí)次（圖7a1~7d1，7a2~7d2）則幾乎無法通過SPRD 體現(xiàn)，說明EC 集合預(yù)報(bào)對(duì)于此次過程預(yù)報(bào)不確定性的刻畫并不成功，因此在三個(gè)起報(bào)時(shí)次的MFC 都維持了較高的數(shù)值，無法提供有效信息，進(jìn)一步揭示了此次過程的低可預(yù)報(bào)性。

事實(shí)上縱觀整個(gè)分析區(qū)域，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效臨近，MFC呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，體現(xiàn)在可預(yù)報(bào)性演變指數(shù)PHDX 上四個(gè)時(shí)段的數(shù)值均略大于0，這意味著盡管EC 預(yù)報(bào)產(chǎn)品本身提供的信息有限，但其調(diào)整趨勢(shì)是具有正面引導(dǎo)價(jià)值的。注意到15 日20 時(shí)起報(bào)的EC 在16 日20 時(shí)—17 日08 時(shí)的預(yù)報(bào)時(shí)段中，SPRD 已經(jīng)部分與低渦南側(cè)暖區(qū)降水MFC 的大值區(qū)重合（圖7a3、7b3），說明此時(shí)集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品已經(jīng)呈現(xiàn)出一定的參考價(jià)值；但另一方面，對(duì)于江蘇西部發(fā)生的線狀強(qiáng)對(duì)流，MFC并未出現(xiàn)明顯的降低，各起報(bào)時(shí)次的SPRD也未能對(duì)其形成覆蓋，這也是EC 產(chǎn)品對(duì)小尺度對(duì)流天氣預(yù)報(bào)能力偏弱的一種體現(xiàn)。

圖7 15日20時(shí)（a1~d1）、16日08時(shí)（a2~d2）、16日20時(shí)（a3~d3）起報(bào)的預(yù)報(bào)挑戰(zhàn)度（MFC，填色）與集合離散度（SPRD，等值線范圍為5~30 mm，間隔為5 mm）

5 預(yù)報(bào)偏差成因

5.1 動(dòng)力成因

通常來說，模式預(yù)報(bào)技巧隨預(yù)報(bào)時(shí)效增加而降低，但在此次過程中，各起報(bào)時(shí)次的EC 控制預(yù)報(bào)在分析時(shí)段的前6 h（16日20時(shí)—17日02時(shí)，圖6a1~6a3）較觀測(cè)（圖2a）在雨帶位置的預(yù)報(bào)上已經(jīng)出現(xiàn)了明顯偏北，尤其對(duì)于16 日20 時(shí)起報(bào)時(shí)次的EC 控制預(yù)報(bào)而言，單從主觀上已較難甄別其對(duì)850 hPa層低渦位置描述的偏差（圖6a3~6b3），那么是什么因素仍舊造成了雨帶位置預(yù)報(bào)的偏北？

在17 日08 時(shí)之前，西風(fēng)槽后的冷空氣尚未明顯滲透到江淮地區(qū)（圖1c1~1c2），此時(shí)影響低渦發(fā)展的動(dòng)力因素主要為低層的輻合條件。圖8 給出逐6 h 的850 hPa 緯向U（圖6a1~6f1）和經(jīng)向風(fēng)場V（圖6a2~6f2）的MFC（填色）和SPRD（等值線），可以看到V風(fēng)場的MFC和SPRD均明顯大于U風(fēng)場，這意味著EC 預(yù)報(bào)產(chǎn)品中V分量的預(yù)報(bào)不確定性更大。在17 日02 時(shí)，各起報(bào)時(shí)次預(yù)報(bào)中低渦中心東南側(cè)，亦即兩支偏南風(fēng)氣流的輻合處存在小范圍U和V的MFC 高值區(qū)（圖8a1~8a2、8c1~8c2、8e1~8e2中黑框），并與對(duì)應(yīng)SPRD 大值區(qū)重合，說明此時(shí)EC產(chǎn)品預(yù)報(bào)偏差主要源自于其對(duì)低渦東南側(cè)的低層輻合條件把握的不確定性，與渦度的主要?jiǎng)恿碓磪^(qū)相匹配（圖4c1）。另一方面，注意到在低渦環(huán)流外圍的東南氣流上也出現(xiàn)了小范圍MFC 高值區(qū)（圖8a1~8a2、8c1~8c2、8e1~8e2中紅框），且與對(duì)應(yīng)時(shí)刻低渦平流項(xiàng)的高值區(qū)對(duì)應(yīng)（圖4a1），這說明模式對(duì)源自于海上的冷濕東南風(fēng)氣流刻畫的不精確同樣是低渦早期出現(xiàn)偏差的主要原因之一。

隨著凌晨低空急流的持續(xù)加強(qiáng)，在17 日08時(shí)，三個(gè)起報(bào)時(shí)次上均出現(xiàn)了沿西南低空急流帶狀分布的V風(fēng)場MFC 大值區(qū)（圖8b2、8d2、8f2），這與對(duì)應(yīng)時(shí)次渦度方程輻合項(xiàng)的高值區(qū)相對(duì)應(yīng)（圖4c2），與此同時(shí)，盡管東南氣流中仍存在MFC 的高值，但較6 h前明顯下降，該特征意味著17日08日之后低渦的預(yù)報(bào)偏差來源發(fā)生了變化，更多源于其西南方向的西南低空急流端。

圖8 15日20時(shí)（a1~b1，a2~b2）、16日08時(shí)（c1~d1，c2~d2）、16日20時(shí)（e1~f1，e2~f2）起報(bào)的850 hPa水平風(fēng)場U分量（第一行）和V分量（第二行）的預(yù)報(bào)挑戰(zhàn)度（MFC，填色）與集合離散度（SPRD，等值線，間隔為5 mm）。

為了進(jìn)一步探討上述因素與（EC 控制預(yù)報(bào)）低渦及降水北偏的具體關(guān)聯(lián)，將偏出的降水區(qū)域選為響應(yīng)區(qū)域（圖9 紅框）并將區(qū)域平均6 h 累積降水作為響應(yīng)量，由此可以通過ESA（式(3)）定量探討降水（低渦）北偏對(duì)前期模式熱動(dòng)力場的敏感性。圖9 分別給出了響應(yīng)區(qū)域內(nèi)17 日02 時(shí)（圖9a1~9d1）、17 日08 時(shí)（圖9a2~9d2）、17 日14 時(shí)（圖9a3~9d3）逐6 h 累積降水與6 h 前位勢(shì)高度及水平風(fēng)場的敏感性。在前兩個(gè)6 h 時(shí)段（圖9a1~9d1、9a2~9d2），西風(fēng)槽后冷空氣尚未明顯影響到低渦發(fā)展所在地，因此高空槽區(qū)未出現(xiàn)通過顯著性檢驗(yàn)的敏感區(qū)（圖9a1、9a2）。在850 hPa 層上，響應(yīng)區(qū)域東西兩側(cè)呈現(xiàn)正-負(fù)偶極狀位勢(shì)高度場的敏感對(duì)，即低渦西北側(cè)位勢(shì)高度下降與東南側(cè)位勢(shì)高度增加有利于響應(yīng)區(qū)域內(nèi)降水增加，這說明EC 模式對(duì)低渦位置描述偏西偏北是降水預(yù)報(bào)偏北的直接誘因，而且正敏感區(qū)位置的變化反映了預(yù)報(bào)不確定性的演變方向。對(duì)應(yīng)到水平風(fēng)場上，可以看到響應(yīng)區(qū)域及其南側(cè)存在V的正敏感大值區(qū)（圖9d1~9d2），并與V分量MFC 和SPRD 的高值區(qū)相匹配（圖8b2、8d2），這意味著EC 對(duì)西南氣流V分量刻畫偏強(qiáng)是前期低渦預(yù)報(bào)偏北的成因之一。另一方面，U風(fēng)場分量在響應(yīng)區(qū)域南側(cè)整體呈現(xiàn)西北-東南的對(duì)稱敏感區(qū)分布型（圖9c1~9c2），說明低渦東南側(cè)東西風(fēng)場輻合帶越北，對(duì)應(yīng)低渦位置預(yù)報(bào)越傾向于偏北。為了使集合敏感性分析得到的結(jié)果呈現(xiàn)得更直觀，以17 日08 時(shí)的6 h 累積降水為例，分別從EC 集合預(yù)報(bào)中挑選出一個(gè)表現(xiàn)相對(duì)優(yōu)（GOOD）和相對(duì)差（POOR）的成員（圖10a~10b），從850 hPa 層風(fēng)場可以看出POOR 低渦中心位置較GOOD 明顯偏西偏北，該差異在降水場上也得到了清晰的體現(xiàn)（圖10c）。在風(fēng)場上可以看到低渦南側(cè)西南氣流中GOOD的V分量較POOR 偏弱，這與對(duì)應(yīng)位置V風(fēng)場的正敏感區(qū)相一致，另一方面，同樣在低渦南側(cè)GOOD 的U分量則明顯強(qiáng)于POOR，這與U風(fēng)場的負(fù)敏感區(qū)相匹配。

到17 日08 時(shí)（圖9a3~9d3），各變量的敏感區(qū)分布較前兩個(gè)時(shí)次出現(xiàn)較大差異，隨著高空槽東移，500 hPa 高空槽后出現(xiàn)明顯的負(fù)敏感區(qū)，說明模式對(duì)北方的冷空氣輸送偏西偏慢有利于響應(yīng)區(qū)域降水增加，與此同時(shí)，850 hPa 層響應(yīng)區(qū)域東側(cè)位勢(shì)高度場的正敏感區(qū)消失，對(duì)應(yīng)到水平風(fēng)場上發(fā)現(xiàn)敏感區(qū)主要包括位勢(shì)高度場上低渦西側(cè)的負(fù)敏感性和西南低空急流的正敏感性，即模式對(duì)低渦預(yù)報(bào)進(jìn)一步發(fā)生偏北的原因主要是對(duì)西南低空急流預(yù)報(bào)偏強(qiáng)。也就是說，ESA 時(shí)間演變上呈現(xiàn)出的特征與MFC 大值區(qū)的演變相匹配，即前12 h 的預(yù)報(bào)不確定性主要受低渦東側(cè)輻合和南側(cè)V分量決定，而后主要受西南低空急流的影響。

圖9 17日02時(shí)（a1~d1）、17日08時(shí)（a2~d2）、17日14時(shí)（a3~d3）預(yù)報(bào)偏北區(qū)域（紅框）的平均6 h累積降水與前期（6 h前）環(huán)境場的ESA a1~a3. 500 hPa位勢(shì)高度；b1~b3. 850 hPa位勢(shì)高度；c1~c3. 850 hPa緯向風(fēng)；d1~d3. 850 hPa經(jīng)向風(fēng)。各子圖中的等值線或風(fēng)矢量為對(duì)應(yīng)時(shí)次的集合平均場，陰影區(qū)域表示通過0.05顯著性檢驗(yàn)。

圖10 17日08時(shí)EC集合預(yù)報(bào)選定成員的6 h累積降水以及850 hPa風(fēng)場a. 優(yōu)成員GOOD；b. 差成員POOR；c. 二者的差值。

5.2 熱力成因

前文已闡述了此次低渦發(fā)展的熱力機(jī)制，由于EC 預(yù)報(bào)產(chǎn)品中缺少對(duì)潛熱釋放描述的變量，因此用位渦代替對(duì)比7 月16 日08 時(shí)起報(bào)的EC 與實(shí)況中層正位渦發(fā)展的差異，如圖11所示，受南側(cè)發(fā)展強(qiáng)盛的暖區(qū)降水影響，沿低渦中心的中層正位渦高值區(qū)存在緩慢向南發(fā)展的趨勢(shì)（圖11a），這與低渦整體的移動(dòng)方向是一致的。反之，EC 中則出現(xiàn)了與低渦走向相一致的、向北移動(dòng)的中層正位渦高值區(qū)（圖11b），該趨勢(shì)在17 日08 時(shí)后愈發(fā)趨于明顯。5.1 節(jié)提到，在17 日08 時(shí)之前，低渦南側(cè)V分量偏大，以及東側(cè)輻合區(qū)偏北造成EC 模式出現(xiàn)了早期東段降水偏差，綜合此處的熱力成因分析可知這早期的降水偏差不斷通過潛熱釋放作用持續(xù)引導(dǎo)后期低渦向北發(fā)展，最終導(dǎo)致降水預(yù)報(bào)偏差愈來愈大。另一方面，前文提到EC 控制預(yù)報(bào)對(duì)于低渦南側(cè)西南氣流中的降水雨帶的預(yù)報(bào)存在較觀測(cè)明顯偏弱的問題（對(duì)比圖2 和圖6），因此模式中低渦南側(cè)由降水潛熱釋放帶來的正位渦擾動(dòng)較實(shí)際情況偏弱，這也使得低渦在偏強(qiáng)的南風(fēng)分量及東側(cè)偏北的輻合區(qū)引導(dǎo)下出現(xiàn)了持續(xù)性北偏，構(gòu)成了雨帶預(yù)報(bào)偏北的另一個(gè)原因。

圖11 ERA5（a）、EC（b）2021年7月16日08時(shí)起報(bào)沿低渦中心的3 PUV位渦演變動(dòng)態(tài)經(jīng)向剖面

6 結(jié)論與討論

2021年7月16日，在鞍型場背景下，長江中下游地區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)近乎“靜止不動(dòng)”的β中尺度低渦系統(tǒng)，受其影響16 日20 時(shí)—17 日20 時(shí)蘇皖地區(qū)出現(xiàn)了局部特大暴雨并伴有雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣，該低渦系統(tǒng)隨后緩慢向西移至河南地區(qū)并造成了“百年一遇”的“7.20”特大暴雨洪澇。本文著眼于該低渦早期的發(fā)生發(fā)展階段，從預(yù)報(bào)不確定性的角度對(duì)歐洲中心模式出現(xiàn)的典型預(yù)報(bào)偏差進(jìn)行分析，以期為該類天氣背景下β中尺度低渦降水的預(yù)報(bào)提供科學(xué)參考，得到以下結(jié)論。

（1）此次β中尺度低渦在弱強(qiáng)迫的鞍型場中形成，對(duì)流調(diào)整時(shí)間尺度可用于客觀甄別大尺度天氣背景的強(qiáng)弱。

（2）對(duì)流層低層低渦東側(cè)西南氣流和東南氣流的輻合作用以及低空急流的水平渦度輸送是此次低渦發(fā)展的主要?jiǎng)恿σ蛩?，而低渦東側(cè)輻合區(qū)降水和南側(cè)暖區(qū)降水的潛熱釋放構(gòu)成了低渦發(fā)展的熱力因素。

（3）EC 控制預(yù)報(bào)不同起報(bào)時(shí)次均出現(xiàn)了對(duì)低渦位置描述偏北以及對(duì)應(yīng)雨帶（尤其是東段）預(yù)報(bào)偏北的情況，其集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品的離散度無法覆蓋實(shí)況降水，這兩點(diǎn)從主觀上闡明了這是一次可預(yù)報(bào)性極低的低渦降水過程；Du等[16]提出的“預(yù)報(bào)挑戰(zhàn)度（MFC）”和“可預(yù)報(bào)性演變指數(shù)（PHDX）”則能夠客觀指示這次低渦暴雨過程的低可預(yù)報(bào)性。

（4）7 月17 日08 時(shí)之前，模式對(duì)低渦南側(cè)西南氣流南風(fēng)分量預(yù)報(bào)偏大，以及對(duì)低渦東側(cè)輻合區(qū)刻畫偏北是造成前期低渦降水東段預(yù)報(bào)偏北的主要原因，在此之后，受降水潛熱釋放、低空急流與低渦三者正反饋的熱力因素，以及持續(xù)偏強(qiáng)的西南氣流動(dòng)力因素持續(xù)影響下，EC 對(duì)17 日08 時(shí)之后低渦位置的描述持續(xù)發(fā)生偏北，最終導(dǎo)致整個(gè)時(shí)段降水較觀測(cè)出現(xiàn)巨大差異。

以上結(jié)論對(duì)此次低渦暴雨過程中EC 模式產(chǎn)品的預(yù)報(bào)不確定性進(jìn)行分析，闡明了其持續(xù)預(yù)報(bào)偏北的成因，由于在當(dāng)前的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，EC 是公認(rèn)對(duì)天氣系統(tǒng)描述能力最佳的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，因此相關(guān)結(jié)論對(duì)預(yù)報(bào)工作具有一定指示價(jià)值。在另一個(gè)廣為人知的方面，EC由于無法描述鑲嵌在較大尺度系統(tǒng)中的γ中尺度系統(tǒng)，因此對(duì)鋒面前端的暖區(qū)降水經(jīng)常出現(xiàn)低估，這一特征在本次過程中也得到印證，而對(duì)流尺度模式在這方面則能夠與其形成互補(bǔ)。在此次低渦暴雨案例中，我們注意到江蘇對(duì)流尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)PWAFS（其動(dòng)力內(nèi)核為WRF）在7 月16 日08 時(shí)起報(bào)的預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)前18 h（17 日02 時(shí)之前）低渦位置出現(xiàn)了巨大偏差（圖略），而相同起報(bào)時(shí)次的EC 在對(duì)應(yīng)時(shí)段與實(shí)際情況相差不大（對(duì)比圖3a和圖6a2），但隨著低渦開始明顯向西南方向移動(dòng)，EC 由于低渦移動(dòng)方向與實(shí)況近乎相反隨后偏差不斷擴(kuò)大，但PWAFS 的低渦位置誤差反而縮小，注意到7 月17 日08 時(shí)左右PWAFS 對(duì)低渦位置的描述已經(jīng)與觀測(cè)更加接近（圖11b），誠然，該特征一方面強(qiáng)調(diào)了本文對(duì)EC出現(xiàn)持續(xù)偏北進(jìn)行剖析的必要性，但同時(shí)也說明在預(yù)報(bào)決策中將全球模式與區(qū)域模式（尤其是對(duì)流尺度模式）進(jìn)行綜合研判的必要性。此外，注意到在這次案例中，PWAFS 由于對(duì)低渦強(qiáng)度及其東側(cè)輻合區(qū)位置把握不準(zhǔn)，使其對(duì)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生的位置仍出現(xiàn)了較大偏差，但出于其對(duì)低渦降水強(qiáng)度把握的優(yōu)勢(shì)，我們通過對(duì)PWAFS 的分析場疊加擾動(dòng)構(gòu)造了包含30 個(gè)成員的對(duì)流尺度集合預(yù)報(bào)，并發(fā)現(xiàn)集合成員中確實(shí)出現(xiàn)了能夠較好復(fù)刻此次過程的成員（圖12c、12f），尤其是對(duì)于7月17日20時(shí)左右出現(xiàn)在江蘇西部、造成局部9級(jí)雷暴大風(fēng)天氣的線狀對(duì)流進(jìn)行了有效的刻畫，這能夠一定程度上在實(shí)際業(yè)務(wù)中提高預(yù)報(bào)員對(duì)于該區(qū)域是否會(huì)發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的警覺性。因此，針對(duì)此類弱強(qiáng)迫背景下可預(yù)報(bào)性較低的案例，不僅需要將EC 前期對(duì)低渦系統(tǒng)的描述與對(duì)流尺度模式對(duì)低渦后期的描述情況有機(jī)結(jié)合，還需要結(jié)合二類集合預(yù)報(bào)給出的不確定性信息進(jìn)行互補(bǔ)訂正。在未來的工作中，進(jìn)一步探討這一類鞍型背景場中低渦暴雨的對(duì)流尺度可預(yù)報(bào)性，并在此基礎(chǔ)上探討將對(duì)流尺度模式與全球模式二者有機(jī)結(jié)合的互補(bǔ)主觀訂正方法。

圖12 華東雷達(dá)拼圖、PWAFS模式預(yù)報(bào)和基于PWAFS分析場的對(duì)流尺度集合預(yù)報(bào)成員17在17日08時(shí)(a~c)、17日14時(shí)(d~f)的組合反射率