不同類型暴雨過程的ECMWF模式降水偏差及訂正方法*

彭艷青，鞠亮亮，張 昆

(湖南省懷化市氣象局，湖南 懷化 418000)

0 引言

暴雨是懷化地區(qū)主要的災(zāi)害性天氣之一，提高暴雨預(yù)報準(zhǔn)確率已然成為氣象預(yù)報員的重要任務(wù)，而目前大部分預(yù)報員對于暴雨的分析總結(jié)仍停留于對實況的事后分析階段[1-2]，缺乏對模式預(yù)報的系統(tǒng)性研究與訂正[3-6]。隨著數(shù)值預(yù)報模式的持續(xù)發(fā)展，數(shù)值模式產(chǎn)品在現(xiàn)代天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中已不可或缺，其中歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF，以下簡稱EC)模式經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展與完善，已逐漸成為預(yù)報員的主要參考模式之一，而一般數(shù)值模式都會出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，因此，有必要對模式的預(yù)報進(jìn)行訂正分析，以盡可能提高模式的預(yù)報能力，從而在數(shù)值模式預(yù)報的基礎(chǔ)上突出預(yù)報員的價值。本文利用常規(guī)及非常規(guī)觀測資料、ECMWF模式預(yù)報資料及NCEP逐6 h再分析資料，對2021年發(fā)生在懷化的兩次不同類型暴雨天氣過程的ECMWF模式降水預(yù)報偏差進(jìn)行分析研究，試圖給出預(yù)報這兩類暴雨的著眼點和訂正預(yù)報的思路，為懷化的暴雨預(yù)報提供針對性的參考依據(jù)，從而提高暴雨預(yù)報準(zhǔn)確率。

1 降水特點及ECMWF模式降水預(yù)報偏差

2021年5月15日(圖1d)，懷化北中部出現(xiàn)了一次大到暴雨，局地大暴雨天氣過程。累計雨量大，最大24 h降雨量達(dá)137.8 mm(辰溪黃溪口)；對流性降水特征明顯，過程伴有短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對流天氣，最大1 h降雨量達(dá)70.2 mm(5月16日00—01時)；此次過程強(qiáng)降水主要集中在15日晚上，夜雨特征明顯；有一定的地形增幅作用，懷化中部一帶的強(qiáng)降水中心區(qū)域正處于雪峰山脈的迎風(fēng)坡。從EC模式24 h累積降水量預(yù)報(圖1c)來看，模式對降水的整體落區(qū)把握較好，但對暴雨范圍預(yù)報明顯偏小、落區(qū)預(yù)報偏北、量級預(yù)報偏小，完全漏報了懷化中部一帶的大暴雨天氣，15日的降水預(yù)報偏差主要體現(xiàn)在15日晚上的降水預(yù)報偏差上。

圖1 EC模式2021年5月14日20時起報的5月15日24 h對流性降水量(a)、大尺度降水量(b)、累積降水量(c)、預(yù)報與實況(d)對比Fig.1 The 24 h forecast of convective precipitation(a)，large-scale precipitation(b)，and total precipitation(c)of EC mode for 15 May，2021，starting from 20∶00BT 14 May，2021，compared with the actual 24h precipitation on 15 May，2021(d)

2021年7月1日(圖2d)，懷化北中部出現(xiàn)了一次暴雨、大暴雨天氣過程，最大24 h降雨量達(dá)161.1 mm，最大1 h降雨量68.6 mm(7月2日05—06時)，此次過程以系統(tǒng)性降水為主。EC模式24 h累積雨量預(yù)報(圖2c)對降水的整體落區(qū)把握較差，對北中部的暴雨及大暴雨范圍預(yù)報明顯偏小、強(qiáng)降水中心落區(qū)預(yù)報明顯偏北，而對南部降水范圍與量級預(yù)報偏大，1日的降水預(yù)報偏差主要體現(xiàn)在1日晚上的降水預(yù)報偏差上。

圖2 EC模式2021年6月30日20時起報的7月1日24 h對流性降水量(a)、大尺度降水量(b)、累積降水量(c)、預(yù)報與實況(d)對比Fig.2 The 24 h forecast of convective precipitation(a)，large-scale precipitation(b)，and total precipitation(c)of EC mode for 1 July，2021，starting from 20∶00BT 30 June，2021，compared with the actual 24 h precipitation on 1 July，2021(d)

2 天氣形勢和影響系統(tǒng)分析

由于2021年5月15日過程降水主要集中在15日晚上，現(xiàn)對15日20時(圖3a)天氣形勢進(jìn)行分析可見，懷化處于高空200 hPa急流軸右側(cè)輻散區(qū)；500 hPa在貴州一帶有高空槽東移，懷化處于高空槽前；中低層在湖北-湘西北-貴州北部一帶有切變線逐漸南壓，低空急流強(qiáng)盛，為懷化輸送水汽及不穩(wěn)定能量，有利于不穩(wěn)定層結(jié)的建立及啟動不穩(wěn)定能量釋放的抬升運(yùn)動，懷化站850 hPa比濕達(dá)14 g/kg，處于850 hPa顯著濕區(qū)范圍內(nèi)，同時懷化850 hPa與500 hPa溫差達(dá)26 ℃以上，層結(jié)極不穩(wěn)定；地面圖上，懷化處于地面熱低壓控制范圍內(nèi)，地面輻合線處于貴州-懷化北部-湖北東南部一帶并逐漸南壓，邊界層輻合線觸發(fā)了此過程。這是一次暖平流強(qiáng)迫類降水過程，懷化的強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在925 hPa切變線南側(cè)高能高濕的區(qū)域，暴雨區(qū)與地面輻合線配合較好。

圖3 2021年5月15日20時天氣形勢分析圖疊加15日20時-16日08時降水量(a)、7月1日08時天氣形勢分析圖疊加1日08時-1日20時降水量(b)Fig.3 Synoptic chart of 20∶00BT 15 May，2021，superimposed on precipitation from 20∶00BT 15 May，2021 to 08∶00 BT 16 May，2021(a)，and synoptic chart of 08∶00BT 1 July，2021，superimposed on precipitation from 08∶00BT 1 July，2021 to 20∶00BT 1 July，2021(b)

對2021年7月1日過程天氣形勢進(jìn)行分析可見，7月1日08時(圖3b)，懷化處于高空200 hPa急流軸右側(cè)輻散區(qū)；500 hPa在貴州東部至廣西西北部一帶有高空槽逐漸東移；中低層在貴州東北部一帶有低渦逐漸東移至湖北東部，切變線維持在湘西北一帶穩(wěn)定少動，低空急流強(qiáng)盛且持續(xù)維持，為懷化輸送水汽及不穩(wěn)定能量，懷化站850 hPa比濕維持在16 g/kg，處于850 hPa 顯著濕區(qū)范圍內(nèi)，水汽充沛；地面圖上，地面輻合線穩(wěn)定維持在湘東北-懷化中部-貴州東北部一帶。這是一次系統(tǒng)性的低渦切變類暴雨天氣過程，持續(xù)的低空急流水汽輸送及切變輻合上升運(yùn)動從而導(dǎo)致了暴雨的出現(xiàn)?？傮w來看，懷化的強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在850 hPa切變線與地面輻合線之間動力抬升條件較好的區(qū)域，暴雨區(qū)主要處于850 hPa急流軸出口左側(cè)。

3 EC模式預(yù)報偏差分析及訂正方法研究

由形勢分析可知，2021年5月15日過程強(qiáng)降水落區(qū)與邊界層輻合線配合較好，現(xiàn)將EC模式14日20時起報的925 hPa風(fēng)場與實況進(jìn)行對比分析。15日20時到16日08時，925 hPa風(fēng)速預(yù)報與實況一致，風(fēng)向略有偏差，使得切變線位置較實況略偏北，從而導(dǎo)致出現(xiàn)降水的時間預(yù)報較實況略偏晚，使得EC模式暴雨落區(qū)預(yù)報略偏北；此外，由于EC模式為大尺度模式，對對流性降水的預(yù)報存在偏弱的情況，導(dǎo)致對暴雨范圍預(yù)報明顯偏小、量級預(yù)報偏小，漏報了大暴雨天氣；而模式對地形引起的降水增幅的預(yù)報能力有限，使得懷化中部一帶的降水量級預(yù)報偏小、大暴雨漏報。

圖4 EC模式14日20時起報的15日20時、16日08時925hPa風(fēng)場預(yù)報(a，c)與實況(b，d)對比Fig.4 925hPa wind forecast of EC mode for 20∶00BT 15 May，2021 and 08∶00BT 16 May，2021(a，c)，starting from20∶00BT 14 May，2021，compared with the actual situation(b，d)

如果在EC模式對流性降水預(yù)報(圖1a)基礎(chǔ)上將北中部降水提高一個量級，同時根據(jù)預(yù)報風(fēng)場偏差，將強(qiáng)降水中心相應(yīng)地略往南調(diào)，結(jié)合地形進(jìn)行訂正，預(yù)報效果會更好。此外，這次過程中，所有中尺度模式(圖略)都預(yù)報了有大暴雨出現(xiàn)，但是各中尺度模式對大暴雨落區(qū)的預(yù)報并不統(tǒng)一，可見，在對對流性降水進(jìn)行訂正時，預(yù)報員可以適當(dāng)多參考中尺度模式降水量訂正降水量級。

2021年7月1日過程降水落區(qū)與850 hPa系統(tǒng)配合較好，現(xiàn)對EC模式6月30日20時起報的850 hPa風(fēng)場與實況進(jìn)行對比分析，1日08時-2日08時，850 hPa在懷化中南部一帶風(fēng)速預(yù)報均較實況略偏大，導(dǎo)致850 hPa在湘西北一帶的切變線預(yù)報較實況略偏北，其中2日02時，預(yù)報切變線位于沅陵，而實際切變線位于麻陽地區(qū)，從而使得強(qiáng)降水中心預(yù)報較實況偏北，同時，切變線在懷化北部一帶維持時間預(yù)報較實況短、切變強(qiáng)度較實況偏弱，使得降水強(qiáng)度預(yù)報較實況弱，暴雨范圍預(yù)報偏小，另外，由于模式對懷化中南部一帶風(fēng)速預(yù)報偏大，使得模式對急流軸脈動造成的對流性降水估計過高，從而導(dǎo)致模式對懷化中南部一帶的降水范圍與量級預(yù)報偏大。

圖5 2021年6月30日20時起報的EC模式7月1日08時、2日02時850hPa風(fēng)場預(yù)報(a，c)與實況(b，d)對比Fig.5 850hPa wind forecast of EC mode for 08∶00 BT 1 July，2021 and 02∶00BT 2 July，2021(a，c)，starting from 20∶00BT 30 June，2021，compared with the actual situation(b，d)

此次過程屬于大尺度降水天氣過程，如果在EC模式大尺度降水預(yù)報(圖2b)基礎(chǔ)上將北中部切變線影響的區(qū)域降水量提高一個量級，同時根據(jù)預(yù)報風(fēng)場偏差，將強(qiáng)降水中心相應(yīng)地略往南調(diào)，預(yù)報效果會更好。

4 結(jié)論與討論

利用多種資料對2021年5月15日及2021年7月1日發(fā)生在懷化的2次不同類型暴雨天氣過程的EC模式降水偏差及訂正方法進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明：

5月15日過程是一次暖平流強(qiáng)迫類降水過程，對流性降水特征明顯，暴雨區(qū)與地面輻合線配合較好，EC模式對影響系統(tǒng)預(yù)報略偏北、對對流性降水預(yù)報偏弱、對地形引起的降水增幅的預(yù)報能力有限，使得這次過程模式降水預(yù)報偏差較大，在對流性降水預(yù)報基礎(chǔ)上將北中部降水提高一個量級，同時根據(jù)預(yù)報風(fēng)場偏差，將強(qiáng)降水中心相應(yīng)地略往南調(diào)，結(jié)合地形進(jìn)行訂正，預(yù)報效果會更好。

7月1日過程是一次系統(tǒng)性的低渦切變類暴雨天氣過程，強(qiáng)降水出現(xiàn)在850 hPa切變線南側(cè)，暴雨主要處于850 hPa急流軸出口左側(cè)，EC模式對影響系統(tǒng)預(yù)報偏北、維持時間預(yù)報偏短、切變強(qiáng)度預(yù)報偏弱、對對流性降水預(yù)報偏大，使得模式對這次過程降水預(yù)報偏差較大，在大尺度降水預(yù)報的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)訂正將取得較好的預(yù)報效果。

可見，EC模式在對暴雨過程進(jìn)行預(yù)報時仍存在較大誤差，預(yù)報員的訂正作用是不容忽視的，預(yù)報員不能盲目地跟著模式照報，首先需要弄清楚降水的性質(zhì)，然后找準(zhǔn)主要影響系統(tǒng)并對其預(yù)報偏差進(jìn)行分析，最終根據(jù)不同類型的降水預(yù)報對降水落區(qū)及量級進(jìn)行訂正。