CPEFS模式預(yù)報產(chǎn)品在昌都市一次降水天氣過程中的檢驗

孫 祿，羅 雄，唐利琴，朱薇薇，郭龍光，澤仁羅布

（1.昌都市氣象局，西藏 昌都 854000；2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴陽 550081；3.西藏自治區(qū)人工影響天氣中心，拉薩 850000）

昌都市位于西藏東部，處于橫斷山區(qū)的怒江、瀾滄江、金沙江中上游。該區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，土壤以沙質(zhì)黃土為主，蓄水保水能力弱，是西藏自治區(qū)水土流失較為嚴(yán)重的地區(qū)[1]。加之受不同大氣環(huán)流的控制和影響，降水量在地域上分配不均，同時受地形影響暖濕氣流形成“焚風(fēng)”效應(yīng)導(dǎo)致昌都地區(qū)干旱頻發(fā)，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、水資源利用和生態(tài)保護(hù)等造成巨大的影響[2]。人工增雨作業(yè)是緩解干旱的一種常用手段，因此在降水天氣系統(tǒng)來臨時，提前了解云系的發(fā)展演變趨勢及其內(nèi)部云水分布特征，制作人工增雨預(yù)案，可為科學(xué)開展人工增雨提供依據(jù)。

目前在人工增雨業(yè)務(wù)的增雨預(yù)案制定過程中，主要利用中國氣象局人工影響天氣中心開發(fā)的CPEFS模式產(chǎn)品，通過科技援藏，西藏近年來完成了以CPEFS模式為核心的人影綜合處理分析與指揮系統(tǒng)的布設(shè)和業(yè)務(wù)應(yīng)用[3]。CPEFS模式以中尺度數(shù)值模式WRF（v3.5）為動力框架，耦合了中國氣象科學(xué)研究院自主研發(fā)的CAMS云降水方案（2016版）[4-7]，將全國范圍設(shè)置成八大區(qū)域，對層狀（混合）云、對流云的宏微觀云場演變過程進(jìn)行模擬，可以滿足各地對增雨作業(yè)條件分析的需求，為作業(yè)方案設(shè)計等人工影響天氣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供科技支撐[8]。模式輸出的產(chǎn)品主要為云宏觀場、云微觀場、云垂直結(jié)構(gòu)場和降水場等預(yù)報產(chǎn)品，產(chǎn)品的空間分辨率為3 km，時間分辨率為1 h。由于青藏高原下墊面復(fù)雜，模式預(yù)報結(jié)果有很大的不確定性，在應(yīng)用之前對其進(jìn)行檢驗是必不可少的一步。劉俊卿等[9]選取西藏一次冰雹天氣過程對GRAPES_CAMS人影模式預(yù)報產(chǎn)品進(jìn)行檢驗，指出GRAPES_CAMS模式預(yù)報可作為人工防雹決策指揮的參考依據(jù)。而目前對于CPEFS模式在高原適用性的檢驗還比較缺乏，因此本文選取昌都市一次降水天氣過程，從云系的發(fā)展演變特征、云系宏觀特征、云系垂直結(jié)構(gòu)和地面降水等方面對CPEFS模式預(yù)報產(chǎn)品在昌都市的適用性進(jìn)行檢驗，以期為昌都市科學(xué)制作人工增雨預(yù)案提供依據(jù)。

1 資料

本文所選用的資料包括（時間均采用北京時）：①MICAPS資料；②昌都市氣象站常規(guī)觀測資料；③CPEFS模式預(yù)報產(chǎn)品，主要包括云宏觀場、云微觀場、云垂直剖面和降水場；④FY-4A氣象衛(wèi)星反演資料，云黑體亮溫、云頂高度、云頂溫度。

2 天氣概況

2021年6月7 日20時—8日20時，受200 hPa高空槽后西北氣流和500 hPa高原低渦與切變線影響（圖1），昌都市出現(xiàn)降水天氣過程，全市138個站出現(xiàn)不同程度降水，雨量以中到大雨為主，個別鄉(xiāng)鎮(zhèn)暴雨，其中有14個站點累積降水量達(dá)40 mm以上，50 mm以上分別為若區(qū)妥壩55.3 mm、類烏齊縣濱達(dá)50.7 mm。

圖1 2021年6月7日20時500 hPa天氣形勢

3 預(yù)報產(chǎn)品檢驗

3.1 云系演變特征

氣象衛(wèi)星反演的黑體亮溫（TBB）能夠反映出云系發(fā)展演變特征[10]，所以本節(jié)從云系的位置、覆蓋范圍、發(fā)展演變等方面，將此次降水過程不同階段的模式模擬的云帶和風(fēng)云4A氣象衛(wèi)星TBB監(jiān)測實況進(jìn)行對比分析，定性檢驗?zāi)Ｊ綄τ谠葡档念A(yù)報能力。

從FY-4A衛(wèi)星實況圖上可見，7日20時（圖略）昌都市大部地區(qū)有云系覆蓋，其中西部和北部有對流云系生成并向東偏北方向移動發(fā)展；21時（圖2（a））云系明顯增強(qiáng)，西部的對流云系中心TBB值降低至-60℃以下，并且強(qiáng)中心范圍增加，隨后該對流云團(tuán)繼續(xù)東移北上，影響昌都市東北部地區(qū)；8日02時（圖2（c））對流云團(tuán)移動到昌都市東北部，強(qiáng)度有所減弱，但在昌都市西部又有新的對流云團(tuán)移入，并向東北方向移動發(fā)展，直至8日12時減弱；13時位于林芝東北部的云團(tuán)向東北方向移動影響昌都市中南部（圖略），8日16時（圖2（e））昌都市大部均有云系覆蓋，其中在東部邊緣對流云團(tuán)發(fā)展旺盛，TBB值可達(dá)-70℃以下。由此可見，此次降水過程有對流云團(tuán)不斷地移入并向東北方向移動影響昌都市。

由對應(yīng)時刻的CPEFS模式的云帶預(yù)報可知，7日21時（圖2（b）），昌都市大部地區(qū)均有云系覆蓋，西部的云團(tuán)覆蓋范圍和移動方向與實況基本吻合，東北部的云系覆蓋范圍相較于實況偏小，出現(xiàn)局地漏報。8日02時（圖2（d）），CPEFS模式預(yù)報較好地預(yù)報了實況的云系分布特征，只是在昌都東北部的云系預(yù)報位置略微偏南，強(qiáng)度偏弱。8日16時（圖2（f）），模式預(yù)報的云帶整體上與實況吻合，但是位于昌都市東部邊緣的云系位置相較于實況略微偏北，昌都北部再次出現(xiàn)局地漏報情況。

圖2 FY-4A氣象衛(wèi)星反演的黑體亮溫和CPEFS模式預(yù)報的云帶

綜上所述，雖然CPEFS模式預(yù)報結(jié)果存在局部上個別云團(tuán)有分布范圍偏小、強(qiáng)度偏弱和位置略偏移的情況，但整體而言CPEFS模式預(yù)報的昌都市范圍內(nèi)云系的發(fā)展演變趨勢與實況基本上一致，較好地預(yù)報了云系實況特征。同時可能由于天氣系統(tǒng)在初始和結(jié)束階段勢力較弱，CPEFS模式易出現(xiàn)漏報的現(xiàn)象。因此在實際業(yè)務(wù)中，需要綜合應(yīng)用多種資料進(jìn)行分析判斷，提高增雨作業(yè)預(yù)案的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

3.2 云宏觀場

本節(jié)針對昌都市范圍內(nèi)的云系發(fā)展不同階段，通過對比典型時刻CPEFS模式預(yù)報的云頂溫度（高度）和FY-4A氣象衛(wèi)星反演的云頂溫度（高度）產(chǎn)品（圖3、圖4），來檢驗?zāi)Ｊ筋A(yù)報云系的宏觀特征。

從FY-4A衛(wèi)星實況上可知，昌都市境內(nèi)大部地區(qū)都有云系覆蓋，在7日21時，昌都市北部云頂高度最高超過14 km（圖3（a）），CPEFS模式預(yù)報的云頂高度最大為12 km，較實況偏低，模式在昌都市北部的云系存在漏報的現(xiàn)象；8日02時，昌都市北部云頂高度在9～14 km，中南部云頂高度在6～9 km（圖3（c）），CPEFS模式預(yù)報的云頂高度約為12 km（圖3（d）），并且覆蓋范圍較實況偏大，對于昌都市南部的云系，模式預(yù)報的云頂高度較實況偏低；8日16時，云頂高度在9～16 km，其中昌都市東部邊緣的云系高度最高可達(dá)16 km（圖3（e）），而模式預(yù)報的云頂高度昌都市中部以南大部分地區(qū)的云頂高度在14 km左右，在北部局地存在漏報的情況，但整體與實況相差不大。

圖3 FY-4A氣象衛(wèi)星反演的云頂高度和CPEFS模式預(yù)報的云頂高度

圖4給出了FY-4A氣象衛(wèi)星反演和CPEFS模式預(yù)報的云頂溫度。由圖可知，在7日21時，昌都市北部的云頂溫度在-70℃以下（圖4（a）），模式預(yù)報的云頂溫度與實況接近，只是對于東北部的云系發(fā)生漏報，并且在昌都市南部的云頂溫度模式預(yù)報結(jié)果要低于實況（圖4（b））；8日02時，昌都市大部都被云團(tuán)覆蓋，云頂溫度的分布呈“北低南高”的形勢，其中北部地區(qū)云頂溫度在-40℃以下，局地最低可達(dá)-70℃，南部地區(qū)云頂溫度在-10～-40℃（圖4（c）），對比圖4d可知，模式預(yù)報的云頂溫度也呈“北低南高”的形勢，但是-60℃的分布范圍要大于實況；8日16時（圖4（e）、（f）），模式較實況的云頂溫度偏低，在北部局地出現(xiàn)漏報的情況，云頂溫度的中心位置較實況偏南。

圖4 FY-4A氣象衛(wèi)星反演的云頂溫度和CPEFS模式預(yù)報的云頂溫度

總體來看，CPEFS模式預(yù)報昌都地區(qū)云系的云頂高度和云頂溫度特征和實況基本一致，但是局部存在偏差。

3.3 云垂直結(jié)構(gòu)特征

本節(jié)選取6月8日08時昌都探空站觀測資料（圖5（a））與CPEFS模式預(yù)報的昌都站附近云系垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，以此來檢驗?zāi)Ｊ筋A(yù)報云系的垂直結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。由圖5（a）可知，7月8日08時，昌都探空站上空的云系為冷暖混合云，零度層高度為4 273 m，云頂高度為14 981 m。結(jié)合圖5（b）和圖5（c）可知，CPEFS模式預(yù)報的云也為冷暖混合云，零度層高度約為4 500 m，云頂高度約為14 km，云中過冷水含量較少，以冰相粒子為主。由此可見，CPEFS模式預(yù)報的云系垂直分布特征、云系性質(zhì)、云頂溫度和零度層高度與探空實況基本一致。

圖5 2021年6月8日08時昌都探空站云特征與CPEFS模式預(yù)報垂直結(jié)構(gòu)

3.4 降水場特征

圖6給出了2021年6月7日20時—8日20時昌都市24小時地面降水量實況降水與模式預(yù)報結(jié)果。從圖6（a）可知，昌都市出現(xiàn)大范圍降水，以中到大雨為主，局地暴雨，中雨以上量級的雨帶主要分布在昌都市中北部，24小時最大累計降水量可達(dá)50 mm以上。CPEFS模式預(yù)報的24小時降水量雨帶分布與實況基本一致，但是在邊壩縣和洛隆縣的量級達(dá)到50 mm，比實況偏強(qiáng)。值得注意的是，模式很好地再現(xiàn)了類烏齊縣和卡若區(qū)局地的暴雨。由于高原夏季降水多為局地對流性降水，而且地形復(fù)雜，導(dǎo)致CPEFS模式對昌都降水的預(yù)報存在一定的偏差。總體來看，模式對于雨帶位置的預(yù)報較為準(zhǔn)確，在量級上局部存在一定偏差。

圖6 2021年6月7日20時—8日20時昌都市地面降水量

4 結(jié)束語

本文針對昌都市一次受高原低渦切變影響的降水天氣過程，綜合云系發(fā)展演變特征、云系宏觀特征、云系垂直結(jié)構(gòu)和降水場特征進(jìn)行檢驗分析，CPEFS模式較好地預(yù)報了此次云降水過程。主要結(jié)論如下。

1）CPEFS模式預(yù)報的昌都市范圍內(nèi)的云系發(fā)展演變特征與實況基本一致，在云系位置和強(qiáng)度上存在一定的偏差，這可能與高原復(fù)雜下墊面有關(guān)。同時，可能由于天氣系統(tǒng)在發(fā)展較弱時，CPEFS模式易出現(xiàn)漏報的現(xiàn)象。

2）CPEFS模式預(yù)報的昌都地區(qū)云系的云頂高度和云頂溫度特征和實況基本一致，但是局部存在偏差。

3）CPEFS模式預(yù)報的云系垂直分布特征、云系性質(zhì)、云頂溫度和零度層高度與實況基本一致。

4）CPEFS模式預(yù)報的降水的落區(qū)與實況基本一致，量級較實況偏強(qiáng)，可能與高原地形較復(fù)雜及夏季多為對流性降水有關(guān)。

CPEFS模式對于此次過程的云和降水預(yù)報整體上效果較好，在局部存在一定偏差。需要指出的是本文僅針對一次降水過程進(jìn)行檢驗分析，在實際業(yè)務(wù)中我們還將持續(xù)檢驗?zāi)Ｊ筋A(yù)報的穩(wěn)定性。因此在西藏高原觀測資料缺乏的現(xiàn)狀下，將人工影響天氣模式產(chǎn)品應(yīng)用到昌都市人工增雨預(yù)案，可為科學(xué)開展增雨作業(yè)提供指導(dǎo)依據(jù)。