GRAPES_MESO模式對郴州一次強降水過程的預(yù)報檢驗

周宜卿　冷謙

摘 要：本文利用GRAPES_MESO模式數(shù)據(jù)、NCEP再分析資料和常規(guī)探空與地面資料、自動站資料等，對2019年6月10日郴州一次大暴雨過程的模式降水預(yù)報情況、環(huán)流形勢和物理量等進行天氣學(xué)檢驗。結(jié)果表明：GRAPES_MESO模式降水量預(yù)報隨著時效臨近，雨帶位置和強度誤差縮小，短期時效內(nèi)的降水量預(yù)報，能較好地反應(yīng)本次強降水的位置、范圍、強度，整體效果比GRAPES_GFS、EC細網(wǎng)格、日本中尺度模式好;對于9日20∶00—10日20∶00 24h的降水量，模式9日08∶00預(yù)報了郴州西部的大暴雨，落區(qū)偏西40km左右，中心值偏小30mm左右;對形勢場的預(yù)報誤差隨等壓面高度降低而增大，在一定程度上表明復(fù)雜地形對模式預(yù)報影響較大;850hPa風(fēng)速輻合的漏報可能是降水量預(yù)報偏小的原因之一;模式對中層干侵入位置預(yù)報的偏差可能導(dǎo)致強降水位置偏離實況;對物理量場的預(yù)報不穩(wěn)定，在本文檢驗的幾個物理量中，水汽通量散度預(yù)報效果最好，而郴州西部水汽通量散度負(fù)值中心的預(yù)報范圍和強度較實況偏小，可能是降水量偏小的重要原因之一;假相當(dāng)位溫的預(yù)報效果好于k指數(shù)，對渦度和散度的預(yù)報效果不太理想，這可能與觀測資料較稀疏、無法體現(xiàn)中尺度對流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

關(guān)鍵詞：GRAPES_MESO模式檢驗;強降水;郴州;預(yù)報檢驗

中圖分類號：S165

文獻標(biāo)識碼：A

引言

暴雨是在一定環(huán)流背景下多尺度天氣系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的，而對物理量的診斷分析則能為強降水落區(qū)和強度預(yù)報提供依據(jù)。數(shù)值預(yù)報作為目前天氣預(yù)報主要的參考工具，其檢驗工作對現(xiàn)代天氣預(yù)報模式的本地化應(yīng)用有著重要的作用，因此也受到廣大氣象學(xué)者的高度重視。由于降水在時空上的非線性特征，對降水的定量預(yù)報是天氣預(yù)報中面臨的最困難問題，也是數(shù)值模式檢驗評估的重要指標(biāo)。定性、定量評估數(shù)值模式的預(yù)報性能，對模式存在的問題和不足進行檢驗，有助于研發(fā)人員和預(yù)報員了解數(shù)值模式的模擬性能，并能進一步推進數(shù)值天氣預(yù)報準(zhǔn)確率的提高。對于模式的檢驗，主要有2方面的工作，定量化統(tǒng)計檢驗，主觀天氣學(xué)檢驗。天氣學(xué)檢驗，主要是按照預(yù)報員實際業(yè)務(wù)中的預(yù)報思路，從模式降水量、天氣過程發(fā)生發(fā)展的環(huán)流形勢和物理量等方面主觀分析和評估數(shù)值模式的預(yù)報性能，這對于預(yù)報員應(yīng)用和訂正模式有很好的參考意義[1]。

GRAPES模式是我國自主發(fā)展的新一代數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，其確定性預(yù)報產(chǎn)品包括全球模式產(chǎn)品（GRAPES_GFS）、區(qū)域模式產(chǎn)品（GRAPES_MESO-10KM、GRAPES_MESO-3KM）、區(qū)域9km臺風(fēng)模式產(chǎn)品（GRAPES_TYM）。目前，GRAPES_MESO使用的版本在區(qū)域變分同化系統(tǒng)、模式框架與物理過程、后處理產(chǎn)品開發(fā)及系統(tǒng)流程等方面進行優(yōu)化后，降水ETS評分普遍提高，各量級降水的預(yù)報偏差明顯降低，雨帶分布更接近實況[2]。根據(jù)中國氣象科學(xué)研究院對2019年主汛期GRAPES_MESO模式的檢驗表明，GRAPES_MESO-3KM模式對24h內(nèi)的晴雨預(yù)報評分高于ECMWF高分辨率預(yù)報產(chǎn)品，對降水頻次、強度分布與強度結(jié)構(gòu)的預(yù)報明顯優(yōu)于ECMWF模式[3]。很多研究表明，GRAPES_GFS模式在不涉及大范圍對流性降水時可參考性較高，而對于中尺度對流活動，則需結(jié)合GRAPES_MESO-3KM和GRAPES_MESO等高分辨模式進行雨帶、形態(tài)、強度的訂正[4]。

本文主要針對2019年6月10日郴州的大暴雨過程，從天氣學(xué)檢驗的角度，分析GRAPES_MESO模式對本地強降水發(fā)生發(fā)展的天氣形勢和物理量以及降水量的預(yù)報能力和誤差，為以后做更深入地研究分析和模式訂正應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

1 資料與方法

利用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和CMAcast廣播下發(fā)的GRAPES_MESO（分辨率為10km×10km）、GRAPES_GFS（分辨率為0.25°×0.25°）模式預(yù)報場12h、24h降水量數(shù)據(jù)，風(fēng)場、高度場和濕度場以及各種物理量場預(yù)報數(shù)據(jù)，郴州國家氣象站、自動氣象站的降水實況資料、探空資料和地面資料，以及NCEP逐6h再分析分析數(shù)據(jù)（分辨率為1°×1°）、EC細網(wǎng)格資料等數(shù)據(jù)進行分析。采用天氣學(xué)主觀檢驗方法，降水量檢驗用模式格點預(yù)報場填色圖直接和國家站點降水資料對比，通過直觀對比風(fēng)場和高度場分布情況來檢驗天氣系統(tǒng)位置、強度，對于部分物理量場的水平和垂直分布分別繪圖對比檢驗。

2 降水量預(yù)報檢驗

2.1 降水實況

2019年6月9日20∶00—10日20∶00（圖1），郴州市7個國家氣象站出現(xiàn)了暴雨，2個大暴雨，自動氣象站上，郴州市除北部外全市大部出現(xiàn)了大到暴雨、局地大暴雨的降水，全市平均面雨量64.9mm，縣市區(qū)最大面雨量為106.7mm，全市共有大雨87站，暴雨151站，大暴雨68站。此次強降水范圍較廣、強度大、小時雨強較強，強降水主要出現(xiàn)在中南部，其中在西部地區(qū)有一大片大暴雨點，較強降水時段主要集中在10日01∶00—10∶00。

2.2 降水量檢驗

對比GRAPES_MESO模式8日20∶00、9日08∶00 2個時次起報的24h和12h降水量和實況降水量情況（圖2）。從各時效降水量預(yù)報調(diào)整來看，模式預(yù)報隨著時效臨近，雨帶位置和強度誤差縮小，在8日14∶00及之前的時次，模式都沒有預(yù)報出湘南的強降水，到8日20∶00報出了郴州地區(qū)的大暴雨，但雨帶位置偏東，9日08∶00起報的雨帶和雨強效果都較好，不足之處是強降水中心位置比實際情況略偏西40km左右，中心值雖為大暴雨量級但偏小30mm左右。對比GRAPES全球模式（圖略），GRAPES_MESO模式預(yù)報效果比GRAPES_GFS更好，8日20∶00GRAPES_GFS模式預(yù)報雨帶較實況偏北，9日08∶00起報雨帶較8日20∶00往南調(diào)整，但與實況雨帶還是有所偏差，最強中心量偏小100mm。再對比日常業(yè)務(wù)常用的EC細網(wǎng)格模式（圖略），8日20∶00起報的降水量有2個大暴雨中心，分別位于實況大暴雨中心的東西兩側(cè)，落區(qū)預(yù)報不太準(zhǔn)確，9日08∶00調(diào)整的預(yù)報場，在量級上與實況基本相同，但是大暴雨的范圍太大，把整個湘南地區(qū)基本都報了大暴雨。日本中尺度模式（圖略）8日20∶00預(yù)報的強降水雨帶偏北，9日08∶00的預(yù)報場則量級小，大暴雨漏報。

3 天氣形勢檢驗

3.1 天氣形勢分析

2019年6月9日（圖3），中高緯為兩槽一脊型，東北地區(qū)存在一冷渦，槽后西北氣流引導(dǎo)冷空氣南下，副高脊線位于N20°～22°，呈東西向帶狀分布，分布形態(tài)不利于水汽輸送，中低緯地區(qū)多從青藏高原東移的短波槽或來自西北地區(qū)的下滑槽。

9日08∶00 500hPa上郴州位于小槽槽后，在上游貴州南部還有一個小槽東移，2個小槽之間是弱脊區(qū)，700hPa切變呈東北西南向位于江西北部到湘西一帶，低渦位于重慶到貴州北部附，850hPa切變線分2段，東段是冷切形式在湘東北地區(qū)，西段是暖切形式，位置偏南，此時廣西北部到永州西南部位于暖切南側(cè)急流區(qū)內(nèi)，有風(fēng)速輻合，而郴州市位于冷切南側(cè)，切變還距離較遠，并且沒有明顯的風(fēng)速輻合，925hPa切變位于湘中稍偏南一帶，700hPa、850hPa急流位于華南中北部。到9日20∶00，925hPa切變穩(wěn)定少動還是位于湘中稍偏南一帶，850hPa東段切變南壓，追趕上925hPa，兩層系統(tǒng)較垂直，而500、700的系統(tǒng)已經(jīng)超前于850、925的切變，前傾槽在移動過程中，槽后的干冷空氣疊加于低層槽前的暖濕空氣之上，增加了氣柱的對流不穩(wěn)定度，這是10日凌晨暴雨產(chǎn)生的重要原因之一，加之郴州市處于850hPa和925hPa急流出口處，有風(fēng)速輻合，加劇降水。925hPa切變在10日20∶00逐漸南壓移出郴州，本次降水過程結(jié)束。

3.2 主要影響系統(tǒng)檢驗

總體來說，模式能較好地預(yù)報高緯環(huán)流變化，對500hPa（圖4）西風(fēng)帶槽脊位置、高低壓環(huán)流位置和強度預(yù)報效果較好，72h時效預(yù)報模式已經(jīng)比較穩(wěn)定地預(yù)報出郴州位于槽后位置。對西太平洋副高的強度、形狀、脊線和西伸脊點位置預(yù)報也比較準(zhǔn)確，但是8日20∶00起報對副高的位置預(yù)報偏北2個緯度左右，這有可能是8日20∶00起報的雨帶偏北的原因之一，到9日08∶00基本正確，隨著積分時間增加，槽脊的位置移動偏快。850hPa（圖5）上，8日20∶00起報的風(fēng)場在郴州東側(cè)輻合更清楚，這與強降水中心預(yù)報偏東可能有關(guān)，而9日08∶00起報則在西部輻合更明顯，2個時刻作為初始場的預(yù)報效果都較好，但對于郴州附近的風(fēng)速輻合沒有預(yù)報出來，這可能是降水偏小的原因之一。700hPa和925hPa（圖6）上，8日20∶00起報系統(tǒng)移動滯后，可能導(dǎo)致對強降水預(yù)報開始時間偏晚，9日08∶00起報的更接近實況。預(yù)報場幾個層次的風(fēng)速都略偏強，這也可能與實況觀測較稀疏、再分析資料分辨率低于預(yù)報資料有關(guān)。

沿著郴州站點所在緯度（N25.8°）做10日02∶00的風(fēng)場垂直剖面圖（圖7），從圖中可以看出郴州市（E112°～113°附近）位于高空槽后，低層為西南風(fēng)。在郴州西部（E112°，大暴雨中心）附近，上干下濕的特征較明顯，使位勢不穩(wěn)定度增大，結(jié)合形勢場分析，干空氣可能來源于高空槽后西北氣流。2個時次的預(yù)報場都預(yù)報出來上干下濕的分布情況，8日20∶00預(yù)報場對中層槽的移動速度估計偏慢，導(dǎo)致槽位置偏西，對850～925hPa的預(yù)報較實況移動更快，但對1000hPa的系統(tǒng)預(yù)報較好，9日08∶00起報預(yù)報場對中層槽以及低層切變線的位置預(yù)報與實況接近，但1000hPa系統(tǒng)預(yù)報速度偏快，對中層干侵入位置較實況偏西，這可能是降水量大值中心偏西的原因之一。對比模式其它時次垂直剖面場發(fā)現(xiàn)，近地層預(yù)報場不穩(wěn)定，且誤差偏大，這可能與地形以及模式地形處理有關(guān)。

4 物理量檢驗

4.1 水汽條件檢驗

從實況來看，在降水最強階段，有從廣西北部延伸至郴州西部的水汽輸送帶，位于大暴雨區(qū)上風(fēng)方，中心最強達16g·kg-1（圖8），為暴雨過程提供水汽輸送。盡管在模式的初始場上就存在濕度比實況大的情況，但經(jīng)過時間積分后，模式在24h內(nèi)對濕度場的預(yù)報效果較好，與實況基本接近。2019年6月8日20∶00起報和9日08∶00起報的預(yù)報場均刻畫了此次強降水的水汽輸送通道，但臨近預(yù)報時刻更接近實況，最強中心值也基本相同。

再分析水汽通量散度，9日14∶00在郴州上空水汽是輻散的，不利于水汽抬升，到9日20∶00郴州市上空變成水汽輻合區(qū)，特別是西部，有利于水汽的垂直輸送，10日02∶00（圖9）水汽通量散度值進一步加大，達到-60×10-7g·（hPa·cm2·s）-1整個強降水期間，郴州在水汽通量梯度最大區(qū)域，類似于有濕舌存在，在梯度最大區(qū)是水汽輻合較強區(qū)域。8日20∶00起報的水汽通量散度在強降水時段把水汽通量散度負(fù)值大值中心報得偏東，中心值弱，這與其降水量大值中心偏東，降水量偏小相對應(yīng)，而到9日08∶00起報的預(yù)報場，對郴州西部的水汽通量散度負(fù)值中心有所體現(xiàn)，但是范圍和強度較實況小，特別是小于-10×10-7g·（hPa·cm2·s）-1的區(qū)域，這可能是模式對降水量預(yù)報偏小的重要原因之一。

4.2 能量條件檢驗

在整個強降水過程當(dāng)中850hPa與500hPa的假相當(dāng)位溫差值大于0，大氣處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)（圖略）。k指數(shù)（圖10左）大值區(qū)位于永州一帶，中心達到40以上，出現(xiàn)了不規(guī)則的Ω型，郴州特別是西部地區(qū)位于k指數(shù)Ω型東側(cè)拐點梯度大值區(qū)附近，這里是較強的冷暖交匯區(qū)，有利于觸發(fā)暴雨中尺度系統(tǒng)。8日20∶00起報的k指數(shù)（圖11左上）分布形態(tài)與實況相差甚遠，甚至相反，高能區(qū)及梯度大值區(qū)預(yù)報在郴州東部，與其預(yù)報的強降水中心位置對應(yīng)，9日08∶00模式（圖11右上）對k指數(shù)的預(yù)報場看出，雖沒有呈現(xiàn)出Ω型，但高能區(qū)在郴州西部，與實況類似，中心最大值也和實況吻合。分析10日02∶00假相當(dāng)位溫分布（圖10右）情況來看，從廣西北部到永州有1條明顯的假相當(dāng)位溫的高能舌，配合西南急流，有不穩(wěn)定能量輸送到郴州地區(qū)，郴州西部位于能量鋒區(qū)，有利于觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)。從預(yù)報場分布情況來看，8日20∶00（圖11左下）起報的假相當(dāng)位溫和高能舌都在郴州東部，與其預(yù)報的強降水中心位置對應(yīng)，到9日08∶00（圖11右下），模式預(yù)報的假相當(dāng)位溫分布形態(tài)與中心值大小都與實況非常相似，預(yù)報效果優(yōu)于k指數(shù)，這可能與k指數(shù)的計算需要使用幾層數(shù)據(jù)有關(guān)。

4.3 動力條件檢驗

分析高層和低層的渦度和散度場（圖12、13）來看，郴州中西部強降水發(fā)生時，600～200hPa均為輻散區(qū)，雖然散度值不大，但從9日20∶00—10日08∶00一直處于輻散狀態(tài);在低層則有明顯的輻合，10日02∶00在桂陽站有-3×10-5·s-1的輻合中心，表明附近有強烈的上升運動，與桂陽站10日后半夜至早上的部大暴雨實況對應(yīng)較好。9日晚開始低層正渦度開始加強并向高層發(fā)展，10日02∶00—14∶00 500hPa以下全部為深厚的正渦度區(qū)，850hPa最大渦度值達到6×10-5·s-1。從預(yù)報場來看，低層比高層的預(yù)報效果更好，8日20時起報的850hPa正渦度和輻合中心均位于郴州東部，而9日08時起報的分布形態(tài)與實況接近，正渦度和輻合區(qū)都位于郴州西部。對于200hPa而言也是臨近時次接近于實況，預(yù)報場預(yù)報了高層的輻散，但在負(fù)渦度中心南側(cè)有1個正渦度中心，而實況場沒有，這可能與中尺度對流系統(tǒng)的分布結(jié)構(gòu)有關(guān)。

5 小結(jié)

GRAPES_MESO模式降水量預(yù)報隨著時效臨近，雨帶位置和強度誤差縮小，對短期時效內(nèi)的降水預(yù)報，能較好地反應(yīng)本次強降水的位置、范圍、強度，整體效果特別是對于中尺度對流降水的預(yù)報效果優(yōu)于EC細網(wǎng)格、GRAPES_GFS、日本中尺度模式。模式9日08∶00起報預(yù)報了郴州西部的大暴雨，落區(qū)偏西40km左右，中心值偏小30mm左右。

模式能較好預(yù)報出副高位置、強度和高緯環(huán)流變化，850hPa風(fēng)速輻合沒有預(yù)報出來可能是降水量預(yù)報偏小的原因之一，對近地層的預(yù)報不穩(wěn)定，誤差偏大，這可能與地形和模式資料同化、地形處理有關(guān)。

模式對中層干侵入預(yù)報效果較好，但其位置的偏差可能導(dǎo)致強降水區(qū)位置偏離實況。對于物理量場的預(yù)報，從本文選取的比濕、水汽通量散度、k指數(shù)和高低層渦度、散度預(yù)報檢驗來看，模式預(yù)報不穩(wěn)定，臨近時刻（2019年6月9日08∶00）起報的預(yù)報場與實況更接近。

水汽通量輻合中心與大暴雨區(qū)對應(yīng)關(guān)系較好，而檢驗9日08∶00起報的幾個物理量，模式對水汽通量散度預(yù)報效果最好，對郴州西部水汽通量散度負(fù)值中心的預(yù)報范圍和強度較實況偏小，這可能是模式降水量預(yù)報偏小的重要原因之一。

模式對假相當(dāng)位溫的預(yù)報效果好于k指數(shù)，能預(yù)報出高能舌的位置，對渦度和散度的預(yù)報，低層與實況更接近，高層預(yù)報效果較差，這可能與觀測資料較稀疏，無法體現(xiàn)中尺度對流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

參考文獻

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（責(zé)任編輯 周康）