CFSv2模式產(chǎn)品對貴州一次區(qū)域暴雨過程的預報能力分析

李 浪,白 慧,吳戰(zhàn)平，方 荻，于 飛，彭 芳

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

0 引言

延伸期預報是指時間為10～30 d的氣象預報，它作為天氣預報和氣候預測之間的重要銜接[1-2]，為實現(xiàn)“無縫隙”的氣象預報服務(wù)，其重要性日益凸顯，近年來隨著極端天氣氣候事件的增多，其引發(fā)的氣象災害給國民經(jīng)濟生活帶來了嚴重影響和損失，延伸期的預報服務(wù)對防災減災等工作有著特殊的意義[3]。一直以來，延伸期預報都是國際上大氣科學關(guān)注的一大研究熱點和難題, 延伸期預報的難點在于它的預報時效超過了逐日天氣可預報時效的理論上限(2周)[4-6]，同時又小于氣候預測的月、季時間尺度。在天氣預報時段內(nèi)，主要受大氣初值信息的影響，即所謂的“邊值問題”，而在氣候預測時段內(nèi)，更多的是受到海溫、下墊面等外強迫信號的作用[7-8]，延伸期預報正處于天氣預報和氣候預測兩者之間，同時受到初值信息和外強迫信號的影響，其預報信號的不確定性，無疑增加了預報的難度。

延伸期預報研究工作的開端要追溯到1983年，Miyakoda首先利用數(shù)值模式成功預報出了10～30 d平均的阻塞高壓[9]，在那之后，Madden[10]等一系列專家學者通過不斷的研究，隨著數(shù)值預報的發(fā)展以及集合預報理念的提出使延伸期預報逐步成為可能[11-13]。大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的發(fā)現(xiàn)[14]成為延伸期預報時段內(nèi)可靠的信號來源之一[15]，隨后，經(jīng)過國內(nèi)外大量學者的研究工作，利用MJO(熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩)法以及低頻天氣圖的延伸期預報方法逐步開展開來[16-18]。延伸期預報工作的開展為災害性天氣的規(guī)避和防御贏得了寶貴的時間，對國民人身安全和經(jīng)濟的保障有著不可忽視的作用，為真正落實防災減災氣象先行的理念是不可或缺的一部分，美國國家環(huán)境預報中心研發(fā)的新一代氣候預測模式—CFSv2模式，該模式產(chǎn)生了3種預報產(chǎn)品，分別是預見期長度為9個月的預報，預見期長度為1個季節(jié)以及45 d的預報[19-20]。陳官軍等[21]利用CFS模式資料檢驗了該系統(tǒng)對東亞夏季延伸期大氣環(huán)流的預報技巧，結(jié)果表明該系統(tǒng)模式對一些持續(xù)性強降雨過程中的主要大氣環(huán)流有一定的預報效果。李永生等[22]評估了CFSv2模式延伸期逐日預報對黑龍江省3次強降溫過程的預測能力，發(fā)現(xiàn)該模式對強降溫過程的預報表現(xiàn)出一定的技巧。周辰光[23]等利用CFSv2模式資料開展了區(qū)域性高溫事件的延伸期預報，結(jié)果表現(xiàn)良好。

本文采用CFSv2模式逐日預報的45 d降水量預報產(chǎn)品，評估了對貴州區(qū)域延伸期時段6月5—9日暴雨過程的預報能力，并通過CFSv2模式輸出的環(huán)流預報場進一步分析此次暴雨過程預報量級偏差的原因。

1 資料和方法

CFSv2模式有4個時段(00、06、12和18 UTC cycles)的預報產(chǎn)品，本文選取世界時12時起報的4個預報成員，采用5 d集合平均方案，得到集合20個成員的逐日平均降水和大氣環(huán)流場預報產(chǎn)品，實況降水為貴州省85個地面氣象觀測站的逐日降水資料，大氣資料為NCEP/NCAR再分析逐日資料，用于分析本次區(qū)域暴雨過程的大氣環(huán)流場特征，包括500 hPa高度場、700 hPa和850 hPa風場，水平分辨率為2.5°×2.5°。

2 2019年貴州省6月5—9日區(qū)域暴雨過程實況

根據(jù)貴州省區(qū)域性暴雨氣象評估標準[24]，即在一次區(qū)域性降水過程中，評估區(qū)域范圍內(nèi)有6個及以上國家級氣象觀測站(或有6%及以上區(qū)域氣象觀測站)日降水量達到暴雨標準，記為一次區(qū)域暴雨過程。

2019年6月5—9日，貴州省出現(xiàn)了大范圍持續(xù)性暴雨天氣過程。累計降水量超過100 mm的區(qū)域主要分布在畢節(jié)市南部、六盤水市東部、黔西南州北部、安順市、貴陽市南部、黔南州西部和中北部、黔東南州和遵義市局地，其中安順市中東南部和黔南州西部等地超過200 mm。全省有34個國家站日降水量超過了暴雨量級，其中6月8日暴雨范圍最廣，全省有146個考核站(含10個國家站)出現(xiàn)暴雨以上降水，其中25站(含1個國家站)達大暴雨以上量級，達到了區(qū)域暴雨標準。此次區(qū)域暴雨過程強度較強、范圍較廣、時間較長。本文選取此次過程作為研究對象。

3 大氣環(huán)流形勢

從6月5日500 hPa的大氣環(huán)流形勢(圖1a)中可以看出，西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)脊線處在18°N附近，貴州處在副高588線西北側(cè)的西南氣流中。貴州的大部分地區(qū)處于高空槽前的西南氣流中，引導低層西南氣流加強，在6月5日貴州東南部形成西南急流(風速≥12 m·s-1)[25]。西南急流有利于將印度洋和南海的水汽輸送至貴州地區(qū)，形成較強的降水。從6月5日700 hPa和850 hPa(圖略)的大氣環(huán)流形勢中可以看出，貴州位于低渦南部的西南急流中，這些條件都極其利于降水的形成。

6月6—8日貴州上空500 hPa大部分轉(zhuǎn)成西風氣流，副高有所西伸，且副高588線斷開(圖1)，極利于印度洋暖濕氣流向貴州地區(qū)輸送，700 hPa的低渦也隨之消失，但是低空有一條切變線橫穿貴州上空，一直持續(xù)至9日。低空切變線的長時間存在，有利于底層氣流的垂直運動，而高層處在副高邊緣，高空有下沉氣流。低層的暖濕氣流與高空的干冷空氣的長時間接觸，有利于長時間的強降水的形成。10日，隨著副高東退，降水趨于結(jié)束。

圖1 6月5—9日700 hPa急流(陰影，單位：m·s-1)、500 hPa高度場(等值線，單位：dagpm) 和700 hPa風場(a:5日，b:7日，c:8日，d:10日)Fig.1 700 hPa rapids from June 5th to 9th(shadow，unit：m·s-1)、500 hPa height field(Contour，unit：dagpm)and 700 hPa wind farm(a:5th，b:7th，c:8th，d:10th)

4 CFSv2模式產(chǎn)品的預報能力分析

4.1 降水預報產(chǎn)品

對于這次區(qū)域暴雨過程，CFSv2延伸期逐日降水量預報產(chǎn)品在5月21日就已提前15 d預報在6月5—9日期間將發(fā)生一次持續(xù)性降水過程，該預報信號穩(wěn)定、持續(xù)到5月25日。5月22日預報在6月3—7日有一次降水過程，這與6月5—9日的強降水過程在時間上稍微有所提前；5月23日預報在6月3—7日會有一次降水過程；5月24日預報在6月3—11日有一次持續(xù)性降水過程，這與6月5—9日的強降水過程在時間尺度上有所偏差；5月25日起報的預報結(jié)果最好，預報在6月5—9日會有一次強降水過程，并且6月8日的降水量最大，這與6月5—9日這次過程的實際情況較為一致，不過在降水量級程度上預報依然偏小(圖2)。

圖2 2019年6月1—30日逐日全省平均降水量(a:實況降水，b:5 d集合平均處理后的5月25日模式預報降水)Fig.2 Daily average precipitation in the province from June 1 to 30, 2019(a:Live precipitation， b: Predicted precipitation on May 25 after 5d ensemble processing)

4.2 環(huán)流預報產(chǎn)品

在本次區(qū)域暴雨過程中，6月8日降水量最大，選取8日實況和模式預報的環(huán)流場進行對比分析，在500 hPa實況高度場上(圖3a)，貴州處于副高588線的西北側(cè)，高空大部分為偏西氣流，副高有所西伸，由于副高588線的斷開，利于印度洋的暖濕氣流向貴州區(qū)域輸送，中高緯地區(qū)的東亞大槽中心線為560線。而從圖3b的CFSv2模式預報的500 hPa高度場上可以看出，貴州處于副高588線的北側(cè)，大部分地區(qū)處于西偏北氣流中，對于水汽的輸送并不有利，中高緯度東亞大槽的中心位置位于實際位置的東北方向，并且中心線為548線。對中高緯的天氣系統(tǒng)模式預測比實況位置偏北，強度要強。反觀CFSv2模式預報的副高，預報場中副高只控制在海南島南部和中南半島中部以及南海群島，而實況場中副高幾乎控制整個中南半島和南海地區(qū)，模式對于副高的預測程度略有偏弱，并且副高的位置較實況要偏南。模式對于系統(tǒng)的預測強度偏低，以及水汽條件的差異，導致該模式對本次區(qū)域暴雨過程的預測在降水量級上有所偏小。總體而言，CFSv2模式延伸期預報對本次區(qū)域暴雨過程的環(huán)流場預報整體上比較符合，但對于天氣系統(tǒng)的強度及位置的把握有些許偏差。在實際分析應(yīng)用中，需綜合分析考慮。

5 結(jié)論

本文基于CFSv2模式預報產(chǎn)品、NCEPNCAR在分析資料和貴州省降水量實況資料,選取貴州省2019年6月5—9日這次范圍較廣、時間較長的區(qū)域暴雨過程進行CFSv2模式延伸期時段預報能力的分析，得到以下結(jié)論：

①CFSv2模式降水量預報產(chǎn)品在提前10～15 d能穩(wěn)定、持續(xù)的預報出6月5—9日暴雨降水過程，尤其在5月25日起報的效果最好，預報的過程起止時間和最大降水日與實況一致，總體上預報的降水量級偏小。

②CFSv2模式大氣環(huán)流預報產(chǎn)品在提前10～15 d亦能穩(wěn)定、持續(xù)的預報出影響這次區(qū)域暴雨過程的中高緯和副熱帶系統(tǒng)的配置形勢。CFSv2模式對中高緯地區(qū)的天氣系統(tǒng)在預測程度上有所偏強，位置要偏北，而對于低緯地區(qū)，如副高等系統(tǒng)的預測在程度上略為偏弱，位置較實況要更偏南?？傮w上，該模式在貴州區(qū)域暴雨過程的預報中表現(xiàn)出一定的預報技巧，大體上能預測出降雨過程，對環(huán)流形勢的預測整體上表現(xiàn)良好，但在天氣系統(tǒng)的強度及位置的把握上有所偏差。CFSv2模式在本次過程預報中對副熱帶高壓系統(tǒng)強度偏小、位置偏南的判斷，影響了熱帶海洋北上的水汽強度和位置，是導致預報降水量級偏小的主要原因。

圖3 2019年6月8日500 hPa高度場(a:NCEP/NCAR實 況，b:CFSv2模式預報，c: CFSv2與NCEP/NCAR差值場)Fig.3 500 hPa height field on June 8, 2019(a: NCEP/ NCAR Live，b: CFSv2 model forecast，c: CFSv2 and NCEP/NCAR difference field)

③在本次過程中，CFSv2模式產(chǎn)品在提前10～15 d的預報中表現(xiàn)出了較好的效果，但僅以此結(jié)果來評判該模式的優(yōu)劣過于局限，要進一步評估該模式的預報技巧，需針對更多的典型過程詳細分析，這是下一步準備開展的工作。