廣西對流尺度數(shù)值預報模式產(chǎn)品在南寧的應用初探

蘇兆達，潘杰麗，梁岱云，黃增俊，韋覃武

（1.南寧市氣象局，南寧 530029；2.上林縣氣象局，廣西 上林 530599）

引言

廣西地處低緯地區(qū)，南鄰南海，屬于亞熱帶季風氣候。廣西汛期長達6 個月（4—9 月），汛期降水量占全年降水總量的70%～85%［1］。廣西汛期影響天氣系統(tǒng)復雜，主要有臺風、高空槽、切變線、地面鋒面、副熱帶高壓、東風波、熱帶輻合帶、季風等影響，由于水汽充沛、熱量豐富，常有突發(fā)對流天氣，給短期短臨預報帶來一定難度。目前以天氣雷達觀測為基礎的外推方法來實現(xiàn)0～3h 短臨預報的技術已經(jīng)有很好的業(yè)務應用效果［2-6］，但是雷達回波外推的臨近預報技術無法提供3h 以上的對流天氣系統(tǒng)發(fā)展演變的高質(zhì)量預報。近年來，隨著數(shù)值模式水平的不斷進步，高分辨率的數(shù)值模式對降水的預報能力越來越好，與基于雷達觀測的外推方法相比，數(shù)值模式是提供對流尺度天氣系統(tǒng)特別是0～6h 對流強降水預報的有效途徑和手段之一［7-8］；由于對流尺度模式模擬結果存在明顯的不確定性［9-10］，頻率匹配降水偏差訂正方法、雷達外推方法與數(shù)值模式的融合也取得了明顯的效果［8，11-12］。廣西目前主要采用自動站和雷達資料及“光流法”雷達回波外推客觀預報產(chǎn)品進行短臨預報和監(jiān)控，主要時效在0～3h 之間［13-15］；而對于3～6h 的延伸時段預報沒有較好的產(chǎn)品。因此，廣西壯族自治區(qū)氣象局引進華南中尺度數(shù)值模式（CMAGD R1KM 模式），經(jīng)本地化改造，研發(fā)了廣西對流尺度數(shù)值預報模式（簡稱：廣西對流尺度模式）。

南寧市作為廣西首府，各類重要活動多，民眾關注多，精細化預報質(zhì)量要求高，廣西對流尺度數(shù)值預報模式在南寧市的有效應用顯得尤為重要。本文針對廣西對流尺度數(shù)值預報模式產(chǎn)品在南寧市的應用情況進行了分時段、分類型的應用分析，為其在業(yè)務適用性評價以及修訂提供參考。

1 資料與方法

廣西對流尺度數(shù)值預報模式自2021 年7 月15日開始進行業(yè)務試運行，針對0～6h 預報業(yè)務中常使用雷達回波、降水、風等要素需求，本文所用的資料主要為廣西對流尺度數(shù)值預報模式的部分產(chǎn)品（雷達組合反射率、1h 降水、10m 風場等）、1h 廣西區(qū)域自動站觀測資料、850hPa 及500hPa 實況形勢場、南寧新一代天氣雷達組合反射率資料、廣西雷達外推客觀預報產(chǎn)品。

從應用的角度，采用時間橫向（0～6h 逐時）、縱向（整點與逐12min 數(shù)據(jù)對比）對廣西對流尺度數(shù)值預報模式產(chǎn)品（主要針對降水及雷達組合反射率產(chǎn)品）與實況，進行分時段對比分析；根據(jù)不同的影響天氣系統(tǒng)選取典型個例進行分類型對比分析。

2 結果與分析

2.1 廣西對流尺度數(shù)值預報模式產(chǎn)品分時段預報效果分析

2.1.1 廣西對流尺度數(shù)值預報模式部分產(chǎn)品與雷達外推客觀預報產(chǎn)品可用性對比分析

在業(yè)務應用中，我們發(fā)現(xiàn)在0～3h 預報時段內(nèi)，雷達外推客觀預報產(chǎn)品較廣西對流尺度數(shù)值預報模式降水及雷達組合反射率產(chǎn)品的可用性更好。在0～3h 預報時效內(nèi)，廣西對流尺度數(shù)值預報模式部分產(chǎn)品與實況偏差較大，表現(xiàn)為：（1）空報，模式會憑空報出“虛假”降水回波；（2）漏報，在實況已經(jīng)有回波的地方，對流尺度沒有反應；（3）存在明顯的位置、強度差異。而雷達外推客觀預報產(chǎn)品與實況較為一致。例如，從2021 年9 月14 日06 時廣西對流尺度數(shù)值預報模式降水產(chǎn)品、雷達外推客觀預報產(chǎn)品預報14 日07—09 時小時雨量，與降水實況對比可以看出：雷達外推客觀預報產(chǎn)品在0～2h 內(nèi)與實況基本一致，2～3h 雷達外推客觀預報產(chǎn)品降水范圍較實況偏大，強降水中心位置有偏差；而廣西對流尺度模式降水產(chǎn)品在0～1h 內(nèi)較實況降水范圍偏小，未預報出隆安縣附近的強降水中心；1～3h 降水范圍仍偏小，強降水中心有偏差，空報了柳州-貴港一帶的分散對流。

在4～6h 預報時段中，由于降雨云團的生消等原因，造成雷達外推客觀預報產(chǎn)品與實況存在較大誤差，參考性較差，而廣西對流尺度數(shù)值預報模式產(chǎn)品對降水云團的生消情況有較好的預報能力，彌補了廣西該時段預報參考產(chǎn)品的空缺，有一定參考價值。例如，在2021 年8 月5 日第9 號臺風“盧碧”外圍云系影響過程中，5 日15 時廣西對流尺度數(shù)值預報模式降水及雷達組合反射率產(chǎn)品提前4～6h 對19—21 時的突發(fā)局地強降雨過程進行了成功的預報，由模式小時雨量預報圖與降水實況對比（圖1）可以看出：廣西對流尺度數(shù)值預報模式降水產(chǎn)品能較好的模擬出“盧碧”外圍類臺前颮線系統(tǒng)對桂東的影響，特別是貴港-橫州-玉林附近的強降水。

圖1 2021 年8 月5 日15 時廣西對流尺度數(shù)值預報模式預報5 日19 時、21 時小時雨量預報（a、c）及雨量實況（b、d）圖

對于兩個預報時段雷達外推客觀預報產(chǎn)品和廣西對流尺度數(shù)值預報模式部分產(chǎn)品的表現(xiàn)差異，本文分析結果與相關研究［16］一致?？赡茉蚴牵簭V西對流尺度數(shù)值預報模式雖然引入了雷達的水物質(zhì)信息，但由于模式存在SPIN-UP 問題，造成模式積分初期的降水模擬需要一段時間調(diào)整，從而造成模式降水的漏報。模式在非整點起報采用熱啟動可能是造成模式空報的主要原因。

2.1.2 廣西對流尺度數(shù)值預報模式整點產(chǎn)品與非整點逐12min 產(chǎn)品預報效果對比分析

應用中還發(fā)現(xiàn)廣西對流尺度數(shù)值預報模式整點產(chǎn)品與非整點逐12min 產(chǎn)品預報存在明顯差異。以2021 年8 月20 日9∶00、9∶12 為起報時次的雷達組合反射率預報產(chǎn)品為例（圖2），與實況雷達組合反射率（圖略）比較后發(fā)現(xiàn)，9∶00 的雷達反射率預報產(chǎn)品強度明顯偏弱，而9∶12 預報結果基本與實況一致。

圖2 2021 年8 月20 日兩個時次廣西對流尺度數(shù)值預報模式的雷達組合反射率預報圖

出現(xiàn)該差異的主要原因可能是：廣西對流尺度數(shù)值預報模式在整點起報時采用“冷啟動”，使得模式在積分開始的一段時間內(nèi)預報不出降水，或降水強度、落區(qū)與觀測實況存在明顯偏差；非整點時的其他逐12min 起報是采用“熱啟動”，預報結果更接近實況［17-18］，因而造成廣西對流尺度數(shù)值預報模式非整點的其他逐12min 起報的預報效果明顯優(yōu)于整點起報的。

2.2 廣西對流尺度數(shù)值預報模式影響天氣系統(tǒng)典型個例分類分析

為分析廣西對流尺度數(shù)值預報模式對強、弱環(huán)境場影響下的預報表現(xiàn)差異，以下主要從有明顯影響天氣系統(tǒng)和非明顯影響天氣系統(tǒng)兩類典型個例進行分析。

2.2.1 明顯天氣系統(tǒng)典型個例分析

有明顯天氣系統(tǒng)影響廣西的主要分為三類：（1）東風波等熱帶系統(tǒng)，（2）副熱帶高壓邊緣，（3）高空槽、切變線（或伴有地面冷空氣）。

2.2.1.1 2021 年9 月1 日東風波影響

2021 年8 月31 日20 時—9 月1 日08 時，受東風波影響，廣西防城港、東興及南寧市局地出現(xiàn)暴雨或大暴雨，廣西其他地區(qū)有分散陣雨。此次降水具有局地性、雨強大的特點。南寧市局部強降水主要發(fā)生在9 月1 日03—08 時，小時最大雨強出現(xiàn)在興寧區(qū)獅山公園94mm·h-1（1 日06—07 時），伴有明顯的中小尺度特征。

從廣西對流尺度數(shù)值預報模式的1h 降水預報結果來看，2021 年8 月31 日21 時至9 月1 日00時的起報場均穩(wěn)定、準確地預報出9 月1 日02 時橫州市境內(nèi)對流的初生。9 月1 日00 時模式預報02時開始降雨從橫州市逐漸西移進入南寧市城區(qū)，03—04 時小時雨強明顯增大，過程期間預報小時最大雨強達40～50mm·h-1。同時次比較，與興寧區(qū)老虎嶺水庫、西鄉(xiāng)塘區(qū)花卉公園等站點基本一致，略低于興寧區(qū)獅山公園（65.7mm·h-1），強降雨落區(qū)基本一致（圖3）。分析結果表明，此次過程模式預報效果較顯著，準確預報出對流初生和發(fā)展演變、移動趨勢，強降雨落區(qū)和范圍基本一致，強度略偏小。

圖3 2021 年9 月1 日00 時廣西對流尺度數(shù)值預報模式預報1 日03 時、05 時、06 時小時雨量（a、c、e）及雨量實況（b、d、f）圖

2.2.1.2 2021 年8 月11 日副熱帶高壓邊緣及低層偏南急流共同影響

2021 年8 月10 日20 時—11 日08 時，受副熱帶高壓邊緣及低層偏南急流共同影響，桂中、桂西大部出現(xiàn)小到中雨，部分暴雨或大暴雨，其他地區(qū)有分散陣雨。南寧市大部有小雨，北部馬山縣出現(xiàn)大到暴雨，局部大暴雨的天氣，最大降雨出現(xiàn)在馬山縣林圩鎮(zhèn)（116.8mm）。低層急流軸上的南風脈動與季風槽暖濕氣流的共同作用是造成此次南寧市北部局地強降水的主要原因。

從廣西對流尺度數(shù)值預報模式的雷達組合反射率預報結果來看，2021 年8 月10 日19—21 時提前4～6h 預報南寧市中部有對流回波發(fā)展，與實況降水回波（主要出現(xiàn)在南寧市北部馬山縣附近）相比預報范圍偏大、位置有偏差、強度偏弱，同時空報了北部灣的大片回波。分析結果表明：系統(tǒng)對偏南氣流控制下的突發(fā)局地降水有較好指示預警意義，但降水的范圍、位置有偏差、強度偏弱，對季風系統(tǒng)有空報。

2.2.1.3 2021 年10 月20—21 日高空槽、切變線及地面冷空氣共同影響

2021 年10 月20 日20 時—21 日20 時，受高空槽東移引導低層切變線和地面冷空氣南下影響，廣西大部出現(xiàn)了5～8 級，局地9～11 級偏北大風。

從廣西對流尺度數(shù)值預報模式10m 風預報結果來看，2021 年10 月20 日14—16 時提前4～6h 預報20 日20 時附近地面鋒面進入馬山縣，將出現(xiàn)12～14m·s-1的鋒面大風。實況鋒面到達馬山縣的時間與模式預報時段一致，馬山縣金釵、周鹿等鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)6～7 級陣風（圖4）。其雷達組合反射率預報也顯示出雷達回波呈東西向窄帶狀且邊緣光滑，移動速度快表明出現(xiàn)大風的可能性大。分析結果表明：模式對鋒面大風影響時間和量級預報有很好的指示意義，與相關研究［19-20］一致。

圖4 2021 年10 月20 日15 時廣西對流尺度數(shù)值預報模式預報20 日20 時10m 高度風向風速（m·s-1）及流線圖（a）及實況小時極大風速圖（b）

2.2.2 非明顯天氣系統(tǒng)典型個例分析

過程期間無明顯天氣系統(tǒng)影響廣西而出現(xiàn)明顯降雨天氣。此類天氣短期時效預報難度大，但廣西對流尺度數(shù)值預報模式在短臨時效中有一定預報反應。

2.2.2.1 2021 年9 月7 日副熱帶高壓控制下弱冷空氣侵入的突發(fā)暴雨

2021 年9 月6 日20 時—7 日20 時，廣西上空500hPa 受副熱帶高壓控制，地面有弱冷空氣南下影響，廣西出現(xiàn)局部暴雨或大暴雨天氣。強降水主要出現(xiàn)在都安、馬山等縣附近，最大降雨出現(xiàn)在都安縣百旺鎮(zhèn)（172.7mm）。

從廣西對流尺度數(shù)值預報模式模擬的1h 降水預報結果來看，2021 年9 月7 日00 時提前4h 預報7 日04 時開始在馬山附近有對流降水發(fā)生，持續(xù)維持到06 時，小時最大雨強達40～50mm·h-1（圖5a）。實況04 時前后在馬山縣和上林縣附近有回波生成，并逐漸加強，馬山縣、上林縣部分地區(qū)小時最大雨量達10～20mm·h-1（圖5b）。模式較準確的預報出馬山縣東、西部的對流降水，但局部降水強度偏強、范圍偏大。7 日04 時也提前6h 較準確的預報出10 時南寧市南北方向的帶狀強降水，但南部強降水范圍仍偏大、北部強降雨范圍偏小偏弱（圖5c、d）。分析結果表明：模式能提前4～6h 較準確的預報出局地強降水的演變過程，對短時預報預警有積極的參考意義；但局部降水強度、范圍和位置有偏差，存在空報或漏報。

圖5 2021 年9 月7 日00 時、04 時廣西對流尺度數(shù)值預報模式分別預報7 日04 時、10 時小時降水（a、c）及小時雨量實況圖（b、d）

2.2.2.2 2021 年11 月3 日副熱帶高壓北側偏西氣流控制

2021 年11 月2 日20 時—3 日20 時，廣 西500hPa 主要受偏西氣流控制，低層主要受偏南氣流影響。桂北大部有小雨，局部中到大雨，桂南有分散小雨。

從廣西對流尺度數(shù)值預報模式模擬的1h 降水預報結果來看，廣西對流尺度數(shù)值預報模式提前4～6h 穩(wěn)定預報11 月2 日22 時開始南寧市大部將有1.5～7mm·h-1，局部7～15mm·h-1的降雨，降雨持續(xù)到3 日08 時。實況：2 日20 時—3 日08 時，南寧市基本未出現(xiàn)降水。模式空報了南寧市中部的大片回波。分析結果表明：在弱系統(tǒng)影響下，特別是南風氣流中，模式降水預報有一定空報。

3 結論和討論

通過對廣西對流尺度數(shù)值預報模式產(chǎn)品在南寧市的應用情況進行了分時段、分系統(tǒng)類型的分析，得到如下結論：

（1）在臨近預報0～3h 時段中，廣西對流尺度數(shù)值預報模式較雷達外推客觀預報產(chǎn)品可用性低，4～6h 時段可用性明顯增加，彌補了該時段預報可參考產(chǎn)品的空缺。

（2）廣西對流尺度數(shù)值預報模式在整點起報采用“冷啟動”與非整點逐12min 起報采用“熱啟動”可能是造成廣西對流尺度數(shù)值預報模式非整點逐12min 起報的預報效果明顯優(yōu)于整點起報的主要原因。

（3）在明顯影響天氣系統(tǒng)背景下，模式預報效果顯著，能提前4～6h 準確預報出新生對流發(fā)展演變趨勢，對局地降水也有很好的指示意義，但降水的范圍、位置和強度有偏差，有一定程度的空報。

（4）在弱系統(tǒng)影響背景下，模式能提前4～6h 預報出局地強降水的演變過程，對短時預報預警有積極的參考意義，但局部降水強度、范圍均有較明顯偏差，有一定的空報和漏報。

（5）模式對鋒面造成的大風演變有很好的指示預警意義。

針對以上情況，今后將進一步研究改進模式：（1）引入降水、氣溫、氣壓、風場等實況資料，參與模式計算，提高0～3h 預報效果。（2）模式提前4～6h 對初生對流及其演變的預報，有較好的指示意義，結合雷達探測、外推產(chǎn)品和區(qū)域自動站監(jiān)測進行消空和訂正，對提高預警信號提前量有較大的幫助。（3）在弱系統(tǒng)影響下降水，特別是南風氣流下的暖區(qū)降雨模式能有一定的反應，彌補了短期預報的漏報，但相對于明顯系統(tǒng)，有較多的空報，需要主動跟蹤實況，剔除空報降水。