黑龍江省暴雨預(yù)報失誤分析

王承偉,徐 玥,孟瑩瑩,齊 鐸,王深義,孫 琪

（ 黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

近年來，隨著數(shù)值預(yù)報發(fā)展，一般性天氣預(yù)報準(zhǔn)確率越來越高， 預(yù)報員的作用和能力更多體現(xiàn)在災(zāi)害性天氣預(yù)報中。 東北地區(qū)產(chǎn)生暴雨的中緯度高空影響系統(tǒng)主要為低渦（切變）北上和冷渦（低槽）東移兩類[1]，黑龍江省區(qū)域性暴雨（某日內(nèi)≥3 個國家站）僅占總暴雨日數(shù)24.5%，總體來看暴雨具有較強的突發(fā)性和局地性，以短時強降雨為主。 暴雨提前預(yù)報預(yù)警、 尤其是落區(qū)預(yù)報一直是預(yù)報員工作中的重點和難點[2]，對災(zāi)害性天氣失誤總結(jié)是提高預(yù)報質(zhì)量的一個重要方向。2016 年7 月下旬，黑龍江省一次大雨局地暴雨天氣， 在降水區(qū)域和時段的預(yù)報上都出現(xiàn)明顯偏差， 本文利用常規(guī)觀測資料、NECP 1*1 再分析資料等對這次過程進(jìn)行分析， 同時討論預(yù)報員日常工作中應(yīng)用的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品（EC、Japan、T639）在本次過程表現(xiàn)，分析失誤原因，為以后類似的預(yù)報提供參考。

2 天氣回顧與預(yù)報情況

2.1 天氣回顧

2016 年7 月23-24 日， 黑龍江省中部地區(qū)出現(xiàn)較大降雨：175 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)大雨，31 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)暴雨，其中有2個國家站（通河、樺川）暴雨，16 個國家站大雨。 大雨以上降水主要分布在哈爾濱東部、佳木斯、鶴崗等地市，其它地區(qū)在中雨以下，其中西部和東南部部分地區(qū)沒有降水（圖1a）。 較大降雨主要出現(xiàn)在24 日白天。

圖1 2016 年7 月（a）23 日20 時-24 日20 時（b）24 日14-20 時降水實況（陰影，單位：mm）

2.2 預(yù)報情況

預(yù)報中，21 日起報大雨以上在黑龍江省西部和中部偏南地區(qū)，22 日略有調(diào)整，23 日起報范圍縮小，僅黑河、伊春南部、綏化北部、哈爾濱北部大雨,局部暴雨，西南部和東南部均為小雨，其它地區(qū)以中雨為主（圖略）。

2.3 預(yù)報與實況對比

從實況和預(yù)報對比可以看到， 一方面是主要降水區(qū)（大雨和暴雨）失誤，實況較預(yù)報區(qū)域明顯偏東，而在預(yù)報的主要降水區(qū)無降水或降水較弱（圖1）；另一方面是強降水出現(xiàn)時段誤差， 預(yù)報考慮大雨和暴雨出現(xiàn)在23 日夜間，而降水集中時段在24 日14-20時（圖1b）。為方便起見，將預(yù)報大雨以上區(qū)域稱為Ⅰ區(qū)，將實際出現(xiàn)大雨以上區(qū)域稱為Ⅱ區(qū)，其中哈爾濱東南部雖然雨量稍大，但以連續(xù)性降雨為主，與預(yù)報偏差不大，下文中不予討論。

3 過程回顧

3.1 天氣形勢場演變

從500 hPa 上看，副高與日本海到庫頁島附近的高壓脊打通，22 日黑龍江省為東高西低形勢。貝加爾湖與黑龍江省間槽加強，受東阻影響移動緩慢，于23日20 時形成低渦，渦中心位于116°E、56°N，地面低壓中心位于120.9°E、51.2°N，暖鋒在吉林與黑龍江交界。 隨后，低壓逐漸減弱并向東北-偏東移動，至24日20 時地面低壓中心移至大興安嶺以北，高低空系統(tǒng)中心近于重合，500 hPa 槽、 冷鋒移至黑龍江省中部地區(qū)（圖略）。

數(shù)值預(yù)報形勢場（EC、JAPAN19 日始；GRAPESMESO21 日始）一直相對穩(wěn)定，低渦和低壓中心、風(fēng)場均與實況接近， 但850 hPa 切變和槽的位置略有調(diào)整，22 日20 時EC 預(yù)報23 日20 時Ⅰ區(qū)850 hPa 有弱輻合，23 日08 時分析場上， Ⅰ區(qū)以南850 hPa 有切變，且系統(tǒng)總體移動緩慢。 因此Ⅰ區(qū)在夜間有強降水出現(xiàn)的可能（圖略）。

3.2 冷暖空氣活動

在中高緯，21 日貝加爾湖東北有冷空氣逐漸南下， 其前部暖空氣脊北上到黑龍江省西部地區(qū)，EC和T639 預(yù)報中，23 日夜間850 hPa 暖脊自黑龍江省西南北上，暖鋒區(qū)略加強；對應(yīng)地面暖鋒從齊齊哈爾南部向北抬。 23 日20 時預(yù)報850 hPa 鋒區(qū)加強，地面暖鋒弱鋒生，因此，隨著低層暖鋒區(qū)和地面暖鋒北抬，在暖鋒附近（Ⅰ區(qū)）夜間有出現(xiàn)較大降水的可能，這也是黑龍江省一種比較典型的成片大雨、 局地暴雨形勢[3]。 而黑龍江省東部地區(qū)與鋒面較遠(yuǎn)，預(yù)報主要以連續(xù)性小雨為主。

3.3 水汽條件

從水汽預(yù)報來看，22 日20 時到23 日08 時黑龍江省中南部（Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)）大部850 hPa 到地面rh＞80%， 其中Ⅰ區(qū)大部q＞12 g.kg-1, 700 hPa 以下T-Td＜4 ℃，說明23 日本地水汽條件較好；但從水汽輸送來看，22 日20 時EC 預(yù)報在內(nèi)蒙東部附近850 hPa rh＜40%，同層次預(yù)報為西南風(fēng)，黑龍江省西南部水汽輸送相對較差。

3.4 各家模式的降水預(yù)報比較

降水區(qū)域雖然略有調(diào)整 （圖略）， 但EC-thin 從21 日20 時起預(yù)報23 日夜間在Ⅰ區(qū)附近有大雨，局部雨量超過50 mm（最大降水量78 mm），而東部地區(qū)（Ⅱ區(qū)）則以小雨或者中雨為主；而T639 和日本模式大雨以上降水也在Ⅰ區(qū)， 中央臺指導(dǎo)預(yù)報大雨及暴雨區(qū)域與圖1 相似。 總體來說數(shù)值預(yù)報和指導(dǎo)預(yù)報對Ⅰ區(qū)降水預(yù)報較大， 而對Ⅱ區(qū)以中雨以下量級為主。

3.5 綜合分析

由實況及預(yù)報場分析看，23 日夜間，低渦在東南部的切變線北抬，與地面暖鋒相配合，暖鋒在前半夜會有所加強在Ⅰ區(qū)造成明顯降水天氣， 這也是東北冷渦天氣易出現(xiàn)暴雨的區(qū)域[4]；但是，由于Ⅰ區(qū)水汽輸送條件較差，以本地水汽為主，因此考慮強降水、尤其是暴雨范圍小，且持續(xù)時間短，所以在Ⅰ區(qū)預(yù)報大雨，局地暴雨。 而Ⅱ區(qū)則一直處在低渦和地面低壓東南部， 且離中心較遠(yuǎn)， 因此以陰天和連續(xù)性雨為主，無強降水，預(yù)報中雨或小雨。

4 實際天氣演變

4.1 Ⅰ區(qū)未出現(xiàn)暴雨原因分析

4.1.1 形勢場變化-切變線的迅速北抬

在23 日08 時925、850 hPa 上， 低渦東南部內(nèi)蒙古、吉林、黑龍江三省交界附近有弱西南風(fēng)與南-東南風(fēng)切變，槽后冷空氣繼續(xù)南下，東南部切變線隨著槽前暖空氣北上而北抬，并略有發(fā)展，20 時后抬至Ⅰ區(qū)附近（47-48°N），槽前低層700 hPa 以下前期有暖濕舌，且CAPE＞1800 J·kg-1（圖略），因此認(rèn)為夜間系統(tǒng)北抬， 在切變線附近短時強降水出現(xiàn)的可能性較大。 但從實況來看，由于低層暖空氣較強，且北上速度快，至20 時，切變線已經(jīng)北抬至49° N，低層切變線以南為一致西南風(fēng)， 有水汽輸送， 但暖鋒區(qū)寬廣，地面和對流層低層均無明顯輻合線。

4.1.2 物理量分析

從23 日20 時的經(jīng)向-高度剖面圖來看， Ⅰ區(qū)（126-127°N） 附近且低層暖平流較強 （圖2a）、（圖2b），因此Ⅰ區(qū)大氣為不穩(wěn)定層結(jié)；從20 時水汽條件來看， Ⅰ區(qū)雖然大氣可降水量＞40 mm，低層相對濕度也在90%以上但800 hPa 以上，相對濕度迅速減?。▓D2a），同時，水汽通量散度＞0（圖略），說明Ⅰ區(qū)雖然近地面水汽條件較好，但沒有明顯水汽輻合，水汽條件不利于強降水出現(xiàn)；從20 時抬升條件來看， Ⅰ區(qū)垂直方向上沒有明顯低層輻合或高空輻散（圖2a），且700 hPa 以下為下沉運動(圖2b)；對流有效位能CAPE＜800 J·kg-1。

在23 日20 時探空圖上， Ⅰ區(qū)西部的嫩江站有一定的不穩(wěn)定能量， 但由于低層無強抬升作用和上升運動相配合，因此沒有造成強降水（圖略）

圖2 2016 年7 月23 日20 時沿48°N 經(jīng)向-高度剖面圖

4.1.3 Ⅰ區(qū)綜合分析

從前面分析可以看到，對于Ⅰ區(qū)：大氣層結(jié)條件較好，低層大氣高能高濕，存在不穩(wěn)定能量，有西南風(fēng)水汽輸送，有利于當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)強降水；但同時也存在著不利條件：Ⅰ區(qū)水汽主要集中在低層，無明顯水汽輻合；從觸發(fā)條件來看，低層無輻合線，整層大氣為弱輻散，在水汽相對好的層次（700 hPa 以下）和不穩(wěn)定能量較高的層次為下沉運動， 不利于水汽輻合和能量釋放。 因此， 由于Ⅰ區(qū)缺乏低層觸發(fā)和抬升條件，導(dǎo)致了23 日夜間Ⅰ區(qū)沒有強降水、甚至部分地區(qū)無降水出現(xiàn)。

4.2 Ⅱ區(qū)失誤分析

Ⅱ區(qū)降水時段分為兩部分，23 日夜間主要是黑龍江省中東部大部的小雨和中雨， 降水的性質(zhì)與量級與預(yù)報偏差不大。 第二段是24 日14-20 時出現(xiàn)的強對流降水（圖1b），這是Ⅱ區(qū)預(yù)報中出現(xiàn)失誤的主要區(qū)域和時段。

4.2.1 形勢場變化-天空狀況預(yù)報失誤和地面中尺度輻合線生成

23 日夜間，Ⅱ區(qū)預(yù)報有降水，因此考慮24 日空氣濕度較大，且依然處于槽前西南氣流中，有水汽輸送和弱上升運動， 預(yù)報Ⅱ區(qū)24 日上午天氣以陰為主，伴有小雨或陣雨，氣溫上升緩慢且均勻，熱力因子不利于下午出現(xiàn)對流性天氣。 但24 日上午，Ⅱ區(qū)部分地方出現(xiàn)了多云甚至晴天， 近地面輻射加熱作用較強，在相對濕度較大的情況下，仍有6 ℃左右升溫。 地面不均勻升溫造成局地加熱為下午生成中尺度輻合線提供了基礎(chǔ)。

在14 時地面圖上，通河南部有偏南風(fēng)和偏東風(fēng)中尺度輻合線生成， 并于15-16 時在輻合線附近產(chǎn)生短時強降水（其中通河達(dá)47.8 mm/h），隨后輻合線迅速減弱，17 時左右在佳木斯附近再次有輻合線生成，并產(chǎn)生強降水。 因此，局地加熱產(chǎn)生的中尺度輻合線為該區(qū)域強降水提供了觸發(fā)條件。

4.2.2 物理量分析

沿著兩個暴雨點通河（128.7°E，46.0°N）和樺川（130.7°E，47.0°N）分別做強降水時次的經(jīng)向-高度剖面圖（圖3），可以看到垂直方向上都有說明大氣具有不穩(wěn)定層結(jié)。 從水汽條件來看，Ⅱ區(qū)的大氣可降水量＞50 mm； 低層相對濕度也在90%以上，600 hPa 相對濕度仍然在70%， 濕層較厚；24 日14 時有較強水汽輻合，20 時輻合區(qū)向東移動，與強降水出現(xiàn)區(qū)域?qū)?yīng)較好（圖略）。從抬升條件來看，14 時在通河附近（圖3a）、20 時在樺川附近（圖3b）均為上升運動，其中14 時通河上升運動較強，850-450 hPa 間有40*10-4hPa·s-1上升運動中心，這可能是當(dāng)?shù)氐蛯尤踺椇弦鹕仙\動略有加強，而樺川附近20 時上升運動相對較小，強降水趨于結(jié)束。 另外，在Ⅱ區(qū)附近對流有效位能CAPE＞1800 J·kg-1（圖略），說明當(dāng)?shù)貙α鳚搫葺^好。

從24 日08 時探空圖上看， Ⅱ區(qū)附近探空站均有不穩(wěn)定能量，與低層輻合線相配合，因此有出現(xiàn)強對流天氣的可能（圖略）。

圖3 2016 年7 月24 日14、20 時假相當(dāng)位溫（陰影，單位：℃）與垂直速度（黑色等值線，單位：10-4hPa·s-1）、水平風(fēng)場(箭矢線，單位：m/s)經(jīng)向-高度剖面圖(a)24 日14 時，46°N；(b)24 日20 時，47°N

4.2.3 雷達(dá)圖分析

在雷達(dá)圖上（圖略），通河附近有多個10-15 km的對流單體呈近南北走向線狀排列， 由于線狀回波帶與回波移動方向有一定夾角（約30°），因此導(dǎo)致通河強降水維持時間大于線狀對流本身垂直移過本站時間。在速度圖上，通河附近出現(xiàn)速度模糊，1.5°仰角（約4 km）上風(fēng)速中心近45 m/s，存在明顯風(fēng)速輻合，對流發(fā)展旺盛。 因此通河出現(xiàn)了局地強降水，但范圍不大。

4.2.4 Ⅱ區(qū)綜合分析

對于24 日下午Ⅱ區(qū)，從層結(jié)條件和不穩(wěn)定能量來看，具有不穩(wěn)定層結(jié)且對流有效位能較高，低層高能高濕；從觸發(fā)及抬升條件來看，低層有中尺度輻合線，垂直方向上有較強上升運動，有利于不穩(wěn)定能量釋放； 本地水汽條件較好， 中低層有明顯的水汽輻合，但輸送條件略差。 從各要素配置來看，Ⅱ區(qū)有利于出現(xiàn)短時強降水天氣，以局地強降水為主，不會出現(xiàn)大范圍強降水。 樺川附近也出現(xiàn)了強回波，但持續(xù)時間和強度均較通河弱，因此降水也較通河略弱。

4.3 Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的對比分析

從天氣形勢來看， Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)均處于低渦東南部槽前，低層高能高濕，具有不穩(wěn)定層結(jié)，大氣中存在不穩(wěn)定能量，且有西南或偏南風(fēng)水汽輸送，均有出現(xiàn)強降水的潛勢。

Ⅰ區(qū)出現(xiàn)失誤的原因， 主要是切變線弱且移動快，無明顯觸發(fā)和抬升條件，水汽輻合較差，因此，沒有形成強降水；需要注意的是，水汽輻合和動力條件有正反饋的作用，Ⅰ區(qū)如果有切變線，一方面由于風(fēng)場氣旋式切變產(chǎn)生水汽輻合， 另一方面切變線附近的上升運動也將導(dǎo)致水汽垂直方向傳輸，濕層深厚，水汽條件轉(zhuǎn)好。 因此，Ⅰ區(qū)降水失誤主要原因是對切變線預(yù)報失誤造成的。

Ⅱ區(qū)出現(xiàn)失誤的主要原因是由于對當(dāng)上午天空狀況判斷失誤， 導(dǎo)致對局地加熱導(dǎo)致的變化考慮不足，所以沒有預(yù)報出局地強降水。

4.4 數(shù)值預(yù)報變化

從本次過程來看，在形勢場上，數(shù)值預(yù)報對于低渦、地面低壓生成、發(fā)展、中心位置及槽線移動均與實況相近， 但是在23 日20 時暖空氣北上強度和速度上存在偏差，因此切變出現(xiàn)位置及強度出現(xiàn)偏差。從形勢場上和物理量來看，EC-thin 的3 h 預(yù)報在23時20 時-24 日02 時925 hPa 上仍預(yù)報在Ⅰ區(qū)切變線北抬，但暖鋒區(qū)沒有加強（圖略）。

從降水預(yù)報來看，到了23 日20 時起報場上，雖然降水區(qū)略向東調(diào)整，EC-thin 較大降水仍偏西且較Ⅰ區(qū)略偏南，實際出現(xiàn)大雨、局部暴雨地區(qū)（Ⅱ區(qū)）預(yù)報降水量仍然偏??； 日本雖然較22 日20 時起報的大降水預(yù)報區(qū)域略偏東， 但與實際大降水區(qū)域 （Ⅱ區(qū)）相比位置相對偏西偏北。 這說明本次過程中不確定因素較多， 數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品在降水預(yù)報中有一定的偏差。

5 預(yù)報失誤原因總結(jié)和討論

本文對2016 年7 月23-24 日大雨、局地暴雨進(jìn)行討論，分析預(yù)報過程，并對大雨及以上降雨空報和漏報失誤原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雖然總體來看，數(shù)值預(yù)報偏差不大， 但細(xì)節(jié)不同導(dǎo)致了降水區(qū)域和主要降水時段出現(xiàn)了明顯偏差。 分析認(rèn)為：

（1）對于空報的Ⅰ區(qū)和漏報的Ⅱ區(qū)，二者都處在相同天氣背景下， 均位于高空渦東南部槽前不穩(wěn)定層結(jié)大氣中，低層大氣高能高濕，槽前西南風(fēng)引導(dǎo)水汽北上，本地具有強降水潛勢；

（2）數(shù)值預(yù)報在Ⅰ區(qū)輻合線出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致預(yù)報員大雨局地暴雨預(yù)報出現(xiàn)失誤；

（3）由于Ⅱ區(qū)大氣不均勻加熱，出現(xiàn)局地中尺度貼合線短時強降水，導(dǎo)致預(yù)報失誤。

因此，預(yù)報員在未來預(yù)報中需要注意：

（1）數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品總體性能較好，但細(xì)節(jié)上仍然有偏差，特別在輻合區(qū)、切變線等重要特征方面，在使用過程中要進(jìn)行適當(dāng)訂正；

（2）要關(guān)注天空狀況變化，如果在云區(qū)邊緣有不均勻加熱， 先后在云區(qū)邊緣可能會有局地短時對流出現(xiàn)。