曾凡輝, 倪 悅, 鄭敏煜

（福建省龍巖市氣象局, 福建 龍巖 364000）

0 引言

每年前汛期（4～6 月）暖區(qū)暴雨, 因其具有降水強(qiáng)度大、時效性短、局地性強(qiáng)等特點[1］, 極易造成洪澇災(zāi)害, 常常給人民生命財產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失。目前, 暖區(qū)暴雨已成為福建省最主要的氣象災(zāi)害之一, 暖區(qū)暴雨由于其受復(fù)雜地形、下墊面的作用, 一直以來都是福建地區(qū)預(yù)報中的重點和難點之一。近年來, 隨著中尺度數(shù)值模式的迅速發(fā)展, 人們對暴雨過程進(jìn)行了大量數(shù)值模擬研究, 加深了對暖區(qū)暴雨的認(rèn)識[2-4］。另外, 伴隨公眾對氣象服務(wù)產(chǎn)品要求的不斷細(xì)化, 數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品尤其是高分辨率數(shù)值模式產(chǎn)品, 已經(jīng)成為目前也是今后一個較長時期內(nèi)現(xiàn)代天氣預(yù)報技術(shù)的基礎(chǔ)[5］。目前, 模式降水預(yù)報產(chǎn)品已成為業(yè)務(wù)預(yù)報中重要的參考依據(jù), 但不同模式在不同地區(qū)的適用性仍存在著一定的差異性[6-8］。

目前, 諸多學(xué)者對模式降水的檢驗工作進(jìn)行了大量研究, 并取得了豐碩的成果。潘留杰等[9］使用ECMWF 模式對東北半球氣象要素場預(yù)報能力的檢驗指出, 模式對高層的預(yù)報能力優(yōu)于低層, 但模式對700 hPa風(fēng)場的預(yù)報存在顯著差異。范水勇等[10］采用客觀檢驗方法對不同分辨率模式進(jìn)行研究表明, 高分辨率區(qū)域模式降水預(yù)報效果較好, 尤其對大量級降水預(yù)報。王雨[11］應(yīng)用TS（Threat Score）評分等統(tǒng)計方法研究了不同模式降水預(yù)報能力的差異。耿建軍[12］用客觀檢驗方法對ECMWF、T639 數(shù)值模式降水預(yù)報的檢驗表明, 數(shù)值模式對明顯大尺度系統(tǒng)影響的降水過程預(yù)報效果較好, ECMWF對該次過程的預(yù)報能力優(yōu)于T639。

文章基于ECMWF 模式及CMA-SH9 模式, 通過計算實況與各家模式的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差等參量, 對2019年5月27日午后發(fā)生于福建省龍巖市境內(nèi)的一次短時強(qiáng)降水過程進(jìn)行模式檢驗分析, 綜合評估適用于龍巖地區(qū)的模式產(chǎn)品, 從而進(jìn)一步提高對該地區(qū)模式預(yù)報產(chǎn)品的釋用能力, 為預(yù)報員的預(yù)報和決策服務(wù)提供更科學(xué)的參考。

1 天氣實況

2019 年5 月27 日下午, 福建省龍巖市境內(nèi)出現(xiàn)一次局地短時強(qiáng)降水過程, 根據(jù)區(qū)域自動站的降水統(tǒng)計, 27日08：00～28日08：00（北京時, 下同）共計14個站點24 h累計雨量超過50 mm, 24 h累計雨量以長汀縣長汀一中站點97.0 mm為最大, 最大小時雨量達(dá)48.7 mm（長汀一中站點）。從雨區(qū)空間分布來看（圖1）, 此次降水過程大致可劃分南北兩個強(qiáng)降水區(qū), 27 日18：00 北部開始受到上游回波移入影響, 出現(xiàn)超過40 mm/h的短時強(qiáng)降水, 降水持續(xù)長達(dá)3 h, 且降水區(qū)域范圍較集中；南部降水則相對分散, 且持續(xù)時間較短（1～2 h）。此次短時強(qiáng)降水主要集中于長汀縣城區(qū)境內(nèi), 造成長汀縣城區(qū)多處民房被淹, 城區(qū)部分低洼路段短時積水, 最深約20 cm；共計13 名群眾被水圍困；部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)民房出現(xiàn)溜方, 過程未造成人員傷亡。

圖1 2019年5月27日08：00～28日08：00累計降水雨量（單位：mm）分布

2 環(huán)流背景及物理量場分析

曾凡輝[13］對此次降水過程環(huán)流背景場進(jìn)行詳細(xì)分析, 此處僅作簡要概述。此次過程中低緯多短槽波動, 東移高原槽與強(qiáng)盛南之槽在雨區(qū)上游相結(jié)合, 是誘發(fā)此次強(qiáng)降水過程的主要天氣因素之一。暴雨發(fā)生前, 副高穩(wěn)定維持于我國南海沿岸, 龍巖處副高北側(cè)邊緣, 受西南氣流影響, 穩(wěn)定的環(huán)流形勢有利于暖濕水汽向暴雨區(qū)上空的持續(xù)輸送, 為強(qiáng)降水的發(fā)生提供充足的水汽。27 日午后雨區(qū)上空大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài), 而中低層受暖脊控制, 近地面有弱冷空氣擴(kuò)散配合, 有利于對流降水進(jìn)一步的觸發(fā)與維持。

對比分析地面區(qū)域自動氣象站的風(fēng)場與降水隨時間的分布特征（圖2）, 發(fā)現(xiàn)近地面層輻合線與降水有較好的匹配關(guān)系, 輻合線的生成、發(fā)展和消散過程與此次降水過程有著密切的關(guān)系。27日14：00, 地面輻合線主要位于龍巖偏北位置, 受其影響長汀境內(nèi)局部近地面風(fēng)場開始轉(zhuǎn)北風(fēng), 但大部分仍以南風(fēng)為主, 輻合線附近產(chǎn)生分散弱降水；15：00 龍巖市西南部地面風(fēng)速加大（局部超過8 m·s-1）, 地面輻合線在南部也有生成, 有利南部對流觸發(fā)并導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生。與此同時, 北部輻合線持續(xù)維持于長汀境內(nèi)。南、北輻合線附近仍有零星弱降水的產(chǎn)生；17：00 西南部的地面輻合線東移, 對應(yīng)南部雨區(qū)整體有所東移。北部長汀境內(nèi)的輻合線略有南壓（大致位于長汀、連城、武平三縣交界處）, 輻合線北側(cè)北風(fēng)有所加大（局部超過8 m·s-1）, 長汀主要降雨區(qū)處于風(fēng)速輻合區(qū)內(nèi), 有利于北部強(qiáng)降水的觸發(fā)與維持, 長汀縣局部（城區(qū)）17:00 降雨達(dá)大雨量級；至27日22：00, 南、北輻合線完全東移出龍巖市境內(nèi), 降水也趨于減弱并結(jié)束。

圖2 龍巖市區(qū)域自動站極大風(fēng)向風(fēng)速（單位：m·s-1）和小時雨量演變

3 數(shù)值預(yù)報應(yīng)用情況與檢驗分析

3.1 檢驗要素

環(huán)流形勢包括U和V風(fēng)場（925、850、700、500、200 hPa, 簡稱U925、U850、U700、U500、U200, V 同理）、500 hPa高度場（簡稱HGT500）；物理量要素包括2 m氣溫（簡稱2t）、溫 度（925、850、700、500、200 hPa, 簡 稱tt925、tt850、tt700、tt500、tt200）、K指數(shù)、比濕（925、850、700 hPa, 簡稱q925、q850、q700）和相對濕度（925、850、700 hPa, 簡稱rh925、rh850、rh700）。要素檢驗范圍為（24°～26.5°N, 115.5°～118°E）。環(huán)流形勢和物理量要素檢驗時次為2019 年5 月26 日～27 日08：00、20：00 起報的27～28 日的要素場, 降水檢驗時段為2019 年5 月27 日08：00～28日08：00（BT）。

3.2 檢驗結(jié)果

3.2.1 降水檢驗

從實況降水空間分布來看（圖1）, 2019年5月27日08：00～28 日08：00, 龍巖市西北、西南及中東部實況均出現(xiàn)大雨以上量級降水, 長汀與新羅的北部、上杭南部等部分區(qū)域達(dá)暴雨量級；全球模式ECWMF在5月27日08：00起報的24 h預(yù)報降水強(qiáng)度偏弱, 以中等強(qiáng)度降水為主, 西北部長汀縣局部有大雨, 對長汀的暴雨降水存在漏報, 且未準(zhǔn)確預(yù)報出南部大雨及以上量級的強(qiáng)降水, 強(qiáng)降水中心整體偏西, 降水落區(qū)形態(tài)與實況相差較大；與ECWMF 模式相比, 國產(chǎn)中尺度數(shù)值模式CMASH9 在相同起報時間內(nèi), 對24 h 降水量級和降水落區(qū)形態(tài)的預(yù)報較為準(zhǔn)確。與降水實況相比較, CMA-SH9對于強(qiáng)降水落區(qū)及強(qiáng)度的預(yù)報上仍存在一定偏差, 長汀暴雨中心預(yù)報位置偏北、降水強(qiáng)度偏強(qiáng)（24 h預(yù)報降水超過100 mm, 達(dá)大暴雨量級, 但實況為暴雨量級, 累計雨量最大為長汀一中站點99 mm）。同時, CMA-SH9模式對較分散的南部降水區(qū)預(yù)報強(qiáng)降水范圍偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng)。綜上分析, ECWMF 與CMA-SH9 模式在對強(qiáng)降水中心位置及形態(tài)的預(yù)報上均存在偏差, 相較而言, CMA-SH9 模式的降水預(yù)報產(chǎn)品對此次強(qiáng)降水落區(qū)和強(qiáng)度預(yù)報具有較好指導(dǎo)意義。

3.2.2 環(huán)流形勢場檢驗

從各預(yù)報時效檢驗來看, ECWMF 模式預(yù)報產(chǎn)品500 hPa高度場的均方根誤差明顯低于CMA-SH9模式（圖3a）, 表明ECWMF對高層的環(huán)流形勢, 尤其是500 hPa高度場預(yù)報效果要優(yōu)于CMA-SH9模式產(chǎn)品, 其對于大尺度的高空環(huán)流形勢具有較好的預(yù)報參考性。對于不同高度（200、500、700、850 和925 hPa, 下同）風(fēng)場U 各時效均方根誤差, ECWMF 模式明顯大于CMA-SH9 模式, 且ECWMF模式產(chǎn)品的預(yù)報誤差隨高度增加而呈現(xiàn)處出非線性的變化, 925 hPa與500 hPa 的預(yù)報誤差最小, 850 hPa 的預(yù)報誤差最大；CMA-SH9模式對于不同高度（200、500、700、850和925 hPa）上的U風(fēng)場預(yù)報誤差則相對比較接近, 且誤差明顯低于ECMWF。ECWMF 各預(yù)報時效200 hPa、500 hPa和700 hPa 高度風(fēng)場V 的預(yù)報誤差大于CMA-SH9, 其余高度風(fēng)場V 預(yù)報誤差與CMA-SH9 持平, ECWMF 對于V 風(fēng)場的預(yù)報誤差隨高度增加而明顯增大, 但是CMA-SH9模式的預(yù)報誤差隨高度的變化不明顯。

ECWMF模式對于各時效500 hPa高度預(yù)報的相關(guān)系數(shù)（圖3b）要明顯高于CMA-SH9, 200 hPa 層結(jié)高度情況相反, 其余高度場上ECWMF 為負(fù)相關(guān), 可參考性較差。ECWMF模式在各預(yù)報時效內(nèi)200 hPa和500 hPa高度場上對于U 參量預(yù)報風(fēng)場均為正相關(guān)（圖3b）, 且500 hPa的U風(fēng)場預(yù)報的相關(guān)性要明顯高于CMA-SH9, 但200 hPa 的情況則相反, 其他高度上（700、850 和925 hPa）U風(fēng)場預(yù)報均為負(fù)相關(guān), 表明在該范圍高度內(nèi)ECMWF 模式對U 風(fēng)場預(yù)報的可參考性較差, 而CMASH9 模式除了700 hPa 高度的U 風(fēng)場預(yù)報為負(fù)相關(guān)外, 其余高度均為正相關(guān), 且相關(guān)系數(shù)絕對值要明顯高于ECWMF產(chǎn)品。

圖3 模式對環(huán)流形勢場12～36 h時效預(yù)報檢驗

由圖2可知, 近地層地面輻合線是此次降水過程的主要影響系統(tǒng)之一, 因此對近地層風(fēng)場的預(yù)報效果將直接對降水預(yù)報效果產(chǎn)生明顯的影響。參考上述對ECMWF和CMA-SH9兩種模式對風(fēng)場預(yù)報的檢驗分析可知, 基于預(yù)報誤差和相關(guān)性等參量, 國產(chǎn)CMA-SH9模式對于近地面層風(fēng)場（925 hPa）的預(yù)報效果明顯優(yōu)于ECMWF, 因此, 此次過程CMA-SH9模式對于對24 h地面降水預(yù)報效果優(yōu)于ECMWF, 這與上文降水檢驗部分的結(jié)論相一致。

3.2.3 物理量檢驗

ECWMF 模式對于850 hPa和925 hPa 高度上溫度場的預(yù)報均方根誤差（圖4a）明顯小于CMA-SH9（其中, 24 h預(yù)報時效內(nèi), 二者均方根誤差的差值在0.7 ℃～1 ℃）, 其余高度CMA-SH9 的均方根誤差更小, 且兩個模式預(yù)報的均方根誤差差值小于0.2 ℃, 差距不明顯。ECWMF對24 h時效, 溫度場預(yù)報的相關(guān)性（圖5b）略高于CMA-SH9, 且均為正相關(guān), 除700 hPa高度上溫度的相關(guān)性較低之外, 其余高度上的相關(guān)性均較大, 超過0.6。相較而言, 此次降水過程CMA-SH9 對于各高度場溫度的預(yù)報效果則較差。此外, 從濕度條件檢驗情況來看, ECWMF各預(yù)報時效比濕的均方根誤差隨高度呈非線性變化, 先增加后減小, 700 hPa和925 hPa預(yù)報誤差大小接近, 相對ECMWF而言, 850 hPa的誤差較大。

由圖4 可知, 除700 hPa 外, ECMWF 預(yù)報比濕的相關(guān)性隨高度增加而有所提高；ECWMF模式各時效預(yù)報925 hPa 和850 hPa 相對濕度的相關(guān)系數(shù)要明顯高于CMA-SH9 模式預(yù)報產(chǎn)品。24 h 時效內(nèi), ECMWF 預(yù)報低層（850 hPa 和925 hPa）的相對濕度相關(guān)性明顯大于中高層（700 hPa）, CMA-SH9 相對濕度則以925 hPa 的相關(guān)性為最大, 中上層的相關(guān)性則較低。這表明兩家模式對于近地層濕度條件的預(yù)報效果均要好于中高層。此外, ECWMF 模式對k 指數(shù)預(yù)報整體效果較好, 均方根誤差及相關(guān)性方面均占優(yōu), 表明ECMWF對于熱力參數(shù)的預(yù)報效果要優(yōu)于CMA-SH9, 但二者差距不顯著。

圖4 模式對物理量12～36 h時效預(yù)報檢驗

4 結(jié)論與討論

文章基于全球ECWMF 模式及過程中尺度CMASH9 模式0～24 h 時效的24 h 降水預(yù)報資料及同時段自動站觀測降水資料, 對2019 年5 月27 日發(fā)生于龍巖境內(nèi)的一次短時強(qiáng)降水過程進(jìn)行檢驗分析, 評估兩家模式對此次過程的預(yù)報能力, 得出主要結(jié)論如下：

（1）此次短時強(qiáng)降水過程主要影響系統(tǒng)為低空急流和近地層輻合線, 暴雨區(qū)主要位于低空急流右前側(cè)及地面輻合線附近。有利的環(huán)流背景條件為暴雨區(qū)上空水汽的持續(xù)輸送提供了條件, 與此同時, 低層輻合和高層輻散的動力條件配置, 有利于水汽和熱量的垂直輸送與不穩(wěn)定能量的釋放, 是觸發(fā)此次短時強(qiáng)降水非常重要的因素之一。

（2）此次強(qiáng)降水過程中, ECWMF模式和CMA-SH9模式在對于強(qiáng)降水中心位置及其形態(tài)的預(yù)報上存在著明顯的偏差, 總體而言, ECWMF 模式對于中等強(qiáng)度量級降水空間分布的預(yù)報效果要優(yōu)于CMA-SH9模式, 但對于大雨及以上量級的降水, 其預(yù)報效果則要明顯低于CMA-SH9 模式。相較而言, CMA-SH9 模式的降水預(yù)報產(chǎn)品對此次強(qiáng)降水落區(qū)和強(qiáng)度預(yù)報具有較好指導(dǎo)意義。

（3）ECMWF 和CMA-SH9 兩種模式在此次降水過程中, 二者對于物理量場的預(yù)報偏差不是特別顯著, 整體而言, ECWMFF 模式對于溫度、濕度、熱力等物理量場的預(yù)報效果要略優(yōu)于CMA-SH9模式。

（4）此次降水過程中, CMA-SH9 模式對于近地面層, 尤其是925 hPa風(fēng)場預(yù)報效果要明顯優(yōu)于ECMWF, 但高層環(huán)流形勢場則以ECMWF 預(yù)報更具有參考性。由于此次過程, 主要天氣系統(tǒng)為近地層輻合線, CMASH9 模式對于低層輻合線的預(yù)報效果要優(yōu)于ECMWF。綜合評估此次降水過程, 相較于ECMWF, CMA-SH9 模式對此次強(qiáng)降水整體落區(qū)和強(qiáng)度預(yù)報具有較好指導(dǎo)意義。