CMA-MESO模式對(duì)“21·7”河南特大暴雨的預(yù)報(bào)評(píng)估與誤差分析*

萬子為 孫思遠(yuǎn) 趙 濱 陳起英

1 中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心,北京 100081 2 災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081

提 要：為分析CMA-MESO模式對(duì)2021年7月19—21日河南特大暴雨的預(yù)報(bào)性能,除了常規(guī)觀測資料,還利用雷達(dá)和衛(wèi)星非常規(guī)觀測資料,對(duì)模擬回波和云產(chǎn)品開展傳統(tǒng)和新型空間檢驗(yàn),以揭示對(duì)流風(fēng)暴和中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS,基于衛(wèi)星紅外通道)的模式預(yù)報(bào)偏差細(xì)節(jié),并從降水形成的水汽、動(dòng)力、觸發(fā)和維持機(jī)制等角度分析模式誤差產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明:模式能較好預(yù)報(bào)雨帶形態(tài)、弱回波持續(xù)時(shí)間以及主要降水發(fā)生前期和后期MCS的面積和強(qiáng)度演變趨勢;模式偏差主要體現(xiàn)在低估了降水強(qiáng)度且未報(bào)出鄭州站極端小時(shí)降水,錯(cuò)報(bào)主雨帶小時(shí)降水演變,嚴(yán)重低估了對(duì)流風(fēng)暴和強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的持續(xù)時(shí)間,未能報(bào)出午后MCS面積陡增的變化趨勢且MCS位置預(yù)報(bào)偏西、偏北;模式降水偏差的原因主要在于水汽的模擬,模式水汽垂直分布不合理,對(duì)臺(tái)風(fēng)煙花和查帕卡的水汽輸送均偏弱,而水汽輸送不足的根源是低空急流偏弱和超低空急流脈動(dòng)不足。另外,模式未能在鄭州站附近預(yù)報(bào)出穩(wěn)定少動(dòng)的地面中尺度輻合線,加之大氣層結(jié)不穩(wěn)定度不足和對(duì)流不穩(wěn)定能量偏低,使得對(duì)流發(fā)展不夠旺盛,最終導(dǎo)致降水預(yù)報(bào)不足。

引 言

暴雨天氣容易帶來洪水、泥石流、山體滑坡和城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至威脅生命安全(丁一匯,1994;Sun and Zhang,2017)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),國內(nèi)近50年極端降水的平均強(qiáng)度和極端降水值都有增強(qiáng)的趨勢(翟盤茂等,2007)。暴雨天氣具有突發(fā)性、局地性和極端性,極大地增加了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的難度(李澤椿等,2015),是預(yù)報(bào)員和學(xué)者們共同關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。2021年7月17日08時(shí)至21日08時(shí),河南省遭受了特大暴雨天氣(以下簡稱為“21·7”河南暴雨),全省共有20個(gè)國家站日累計(jì)降水破歷史極值,部分地區(qū)累計(jì)降雨量已超當(dāng)?shù)啬昶骄涤炅俊Ｓ绕涫青嵵菡?0日16—17時(shí)的小時(shí)降雨量達(dá)201.9 mm,突破建站以來的歷史紀(jì)錄,且超過了“75·8”特大暴雨中河南林莊小時(shí)降雨量的198.5 mm?！?1·7”河南暴雨持續(xù)時(shí)間長、極端性強(qiáng)、引發(fā)特大洪水和城市內(nèi)澇,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失并危害生命安全,引發(fā)社會(huì)和學(xué)者們廣泛關(guān)注。針對(duì)河南暴雨的形成機(jī)理和特征,學(xué)者們從大尺度天氣條件、水汽輸送、極端小時(shí)降水的動(dòng)力機(jī)制、強(qiáng)降水演變特征等角度開展了研究。張霞等(2021)從環(huán)流形勢場和偏離氣候態(tài)異常方面分析了造成強(qiáng)降水的大尺度天氣條件成因。汪小康等(2022)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水的水汽大量來自西太平洋的水汽沿邊界層和對(duì)流層低層輸送,以及來自南海的水汽沿對(duì)流層中低層輸送。Yin et al(2022)提出極端小時(shí)降水的動(dòng)力機(jī)制為準(zhǔn)靜止的γ中尺度對(duì)流系統(tǒng)和周圍弧形輻合區(qū)利于強(qiáng)上升氣流,使得對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部云微物理過程產(chǎn)生的降水與上升氣流區(qū)水平輸送的降水疊加,從而加強(qiáng)降水效率。蘇愛芳等(2022)詳細(xì)分析了不同階段極端短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)流系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和演變特征。楊浩等(2022)從累計(jì)降水量、降水強(qiáng)度和時(shí)間演變等角度分析了暴雨的極端特征。這些研究可以加深對(duì)河南暴雨形成機(jī)理的理解,但河南暴雨成因復(fù)雜,仍有許多值得深入探索和挖掘的問題,且模式對(duì)暴雨極端性的預(yù)報(bào)難度較大,而目前針對(duì)模式預(yù)報(bào)偏差的研究相對(duì)較少,史文茹等(2021)對(duì)比分析了多模式對(duì)河南暴雨的降水預(yù)報(bào)偏差,揭示出PWAFS高分辨率區(qū)域模式預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度優(yōu)于全球模式,且降水具有沿地形分布的特征。

千米尺度高分辨率模式已成為強(qiáng)降水精細(xì)化預(yù)報(bào)的重要手段。盡管極端降水是小概率事件,模式預(yù)報(bào)存在明顯不足,但Hally et al(2015)指出數(shù)值預(yù)報(bào)的不確定性對(duì)于極端降水很重要且是提高降水預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。評(píng)估和溯源模式暴雨預(yù)報(bào)偏差,一方面有助于加深對(duì)暴雨機(jī)制和模式關(guān)鍵偏差特征的理解,另一方面也可為改進(jìn)模式提供參考。Caumont et al(2021)通過評(píng)估法國確定性和集合預(yù)報(bào)模式,揭示了位于法國西南部的強(qiáng)降水與地中海低壓、暖濕氣流以及近地面較長時(shí)間維持穩(wěn)定的中尺度系統(tǒng)有關(guān)。薛一迪和崔曉鵬(2020)對(duì)臺(tái)風(fēng)威馬遜登陸期間WRF模式強(qiáng)降水的物理機(jī)制展開診斷,揭示了主體環(huán)流圈內(nèi)降水強(qiáng)度變化與水汽通量輻合以及云中水凝物的聯(lián)系。這些研究有助于理解模式偏差特征的成因,但僅僅利用常規(guī)觀測資料還不足以刻畫模式更多角度的偏差細(xì)節(jié)特征。WMO于2015年啟動(dòng)的為期十年的高影響天氣項(xiàng)目強(qiáng)調(diào),利用非常規(guī)觀測資料進(jìn)行評(píng)估是近年來的重要研究方向(Marsigli et al,2020)。國外利用閃電、雷達(dá)、衛(wèi)星、城市數(shù)據(jù)集和來自保險(xiǎn)公司的災(zāi)害報(bào)告等非常規(guī)觀測資料開展了高影響天氣評(píng)估(Wapler et al,2012;2015;Keller et al,2015),而國內(nèi)利用非常規(guī)資料做模式評(píng)估的相對(duì)較少,唐文苑等(2018)和張小雯等(2020)利用雷達(dá)資料分別采用傳統(tǒng)和新型空間檢驗(yàn)方法評(píng)估高分辨率模式對(duì)中小尺度對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)能力。

CMA-MESO(原GRAPES-MESO)模式是中國自主研發(fā)的數(shù)值預(yù)報(bào)模式,經(jīng)過十多年的針對(duì)性開發(fā)和研究工作(薛紀(jì)善和陳德輝,2008; Zhang et al,2019),于2016年建立了覆蓋中國東部地區(qū)3 km 水平分辨率的準(zhǔn)業(yè)務(wù)系統(tǒng),并在2019年將范圍進(jìn)一步擴(kuò)展到全中國(沈?qū)W順等,2020)。眾所周知,模式對(duì)極端降水預(yù)報(bào)會(huì)存在一定的不足,但探究極端降水天氣的形成機(jī)理,并基于此分析模式在哪些方面存在預(yù)報(bào)偏差,這些偏差之間如何相互作用導(dǎo)致最終極端降水預(yù)報(bào)的不足,可有助于模式的改進(jìn)和釋用。因此本文利用雷達(dá)和衛(wèi)星非常規(guī)資料以及常規(guī)資料,針對(duì)CMA-MESO模式對(duì)“21·7”河南暴雨的預(yù)報(bào)開展偏差評(píng)估與溯源分析,旨在從降水、模擬雷達(dá)回波以及云產(chǎn)品等多角度揭示模式暴雨預(yù)報(bào)的偏差細(xì)節(jié)特征,并嘗試從強(qiáng)降水形成的水汽、動(dòng)力、觸發(fā)和維持機(jī)制等角度開展模式偏差成因的診斷分析。

1 資料和方法

1.1 觀測資料

選用的資料時(shí)段為2021年7日20日08時(shí)至21日08時(shí)(北京時(shí),下同)。使用的觀測資料如下:(1)來自于中國氣象局預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)平臺(tái)MICAPS的全國地面逐小時(shí)填圖數(shù)據(jù)和來自于國家氣象信息中心的地面自動(dòng)氣象觀測站小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)。(2)全國組合雷達(dá)反射率數(shù)據(jù),水平分辨率為 0.01°×0.01°,時(shí)間分辨率為6 min,區(qū)域范圍選取河南省及周邊地區(qū)(30°～37°N、108°～117°E)。(3)葵花8號(hào)靜止衛(wèi)星高級(jí)成像儀水汽通道和紅外通道數(shù)據(jù),空間分辨率為 0.02°×0.02°,時(shí)間分辨率為10 min,區(qū)域范圍為中國區(qū)域(15°～55°N、70°～140°E);中國氣象局氣象探測中心提供的逐小時(shí)地基全球定位系統(tǒng)GPS反演的PW(整層大氣可降水量)數(shù)據(jù)。(4)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的第五代再分析資料(ERA5),水平分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1 h,垂直層為37層,區(qū)域范圍為全球。其中對(duì)于ERA5再分析數(shù)據(jù)對(duì)“21·7”河南暴雨過程分析的可靠性已開展了部分研究(汪小康等,2022),本文也采用此資料來輔助分析本次過程。

1.2 模 式

模式為CMA-MESO 5.1業(yè)務(wù)版本,該模式為非靜力平衡經(jīng)緯度格點(diǎn)中尺度模式,采用半隱式半拉格朗日時(shí)間積分/平流方案,水平分辨率為0.03°×0.03°,時(shí)間步長為120 s,垂直層為50層。模式包括除對(duì)流參數(shù)化方案以外的全物理過程的描述。CMA-MESO模式起報(bào)時(shí)間為02、05、08、11、14、17、20、23時(shí)。本文選取19日20時(shí)起報(bào),預(yù)報(bào)時(shí)長取36 h內(nèi)的逐小時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果。另選取CMA-GFS 3.3業(yè)務(wù)版本來對(duì)比CMA-MESO模式預(yù)報(bào)的優(yōu)劣,CMA-GFS模式的水平分辨率為0.25°×0.25°,垂直層為89層,同樣選取19日20時(shí)起報(bào),預(yù)報(bào)時(shí)長取36 h內(nèi)的逐3 h預(yù)報(bào)結(jié)果。

1.3 方 法

1.3.1 模擬雷達(dá)回波評(píng)估方法

CMA-MESO模式回波產(chǎn)品是由云微物理方案中輸出的暖云和冷云粒子,通過后處理診斷計(jì)算方案(Thompson et al,2004)得到各垂直層的雷達(dá)反射率,再對(duì)每個(gè)水平網(wǎng)格點(diǎn)垂直范圍內(nèi)取最大值從而得到雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品?；夭óa(chǎn)品可以提供更多中尺度和風(fēng)暴尺度的細(xì)節(jié)特征。評(píng)估模式組合反射率產(chǎn)品時(shí),由于模式和雷達(dá)資料的時(shí)空分辨率不同,統(tǒng)一水平分辨率時(shí)對(duì)雷達(dá)資料作稀疏化處理,即將雷達(dá)資料抽稀到模式對(duì)應(yīng)的格點(diǎn)上,時(shí)間分辨率統(tǒng)一取為1 h。將回波產(chǎn)品根據(jù)反射率因子的不同閾值劃分為三個(gè)等級(jí)(Dixon and Wiener,1993):對(duì)流風(fēng)暴外圍層狀云(20 dBz≤反射率因子<35 dBz)、對(duì)流風(fēng)暴(35 dBz≤反射率因子<50 dBz)、強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴(反射率因子≥50 dBz)。針對(duì)不同閾值的對(duì)流風(fēng)暴計(jì)算平均強(qiáng)度和發(fā)生總時(shí)次:

(1)當(dāng)格點(diǎn)的組合反射率因子滿足相應(yīng)閾值條件時(shí),記為發(fā)生1次。不同閾值的對(duì)流風(fēng)暴發(fā)生總時(shí)次為評(píng)估時(shí)段內(nèi)格點(diǎn)的總計(jì)發(fā)生時(shí)次;

(2)不同閾值對(duì)流風(fēng)暴的平均強(qiáng)度=評(píng)估時(shí)段內(nèi)滿足相應(yīng)閾值條件的格點(diǎn)組合反射率因子強(qiáng)度之和/滿足相應(yīng)閾值對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)生總次數(shù)。

1.3.2 云圖評(píng)估方法

模式云圖產(chǎn)品預(yù)報(bào)的MCS對(duì)于分析產(chǎn)生暴雨的中小尺度系統(tǒng)演變具有十分重要的意義。CMA-MESO模式紅外通道模擬衛(wèi)星云圖是通過后處理云圖模擬技術(shù)建立云粒子物理特性與紅外波段云光學(xué)特性之間的關(guān)系模型得到。對(duì)云圖評(píng)估采用新型空間檢驗(yàn)方法——基于對(duì)象診斷的空間檢驗(yàn)方法(method for object-based diagnostic evaluation,MODE)(Davis et al,2006;劉湊華和牛若蕓,2013)。MODE方法通過識(shí)別和匹配觀測和模式預(yù)報(bào)的目標(biāo),計(jì)算目標(biāo)相似度從而獲得多種屬性的評(píng)估信息。國家氣象中心業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)將MCS監(jiān)測產(chǎn)品根據(jù)紅外通道的云頂亮溫(black body temperature,TBB)劃分了三個(gè)閾值:-32、-52和-72℃(鄭永光等,2013)。針對(duì)云圖的MODE方法選取目標(biāo)為TBB低于-32℃的MCS,評(píng)估MCS面積、強(qiáng)度的時(shí)序變化以及位置預(yù)報(bào)偏差。評(píng)估的區(qū)域范圍選取河南省及周邊地區(qū)(30°～37°N、108°～117°E)。

2 模式結(jié)果分析

2.1 模式評(píng)估結(jié)果

實(shí)況顯示大暴雨以上量級(jí)的強(qiáng)降水落區(qū)主要位于河南省北部和中部,其中伏牛山脈附近出現(xiàn)超過250 mm的特大暴雨,鄭州站附近出現(xiàn)超過400 mm的極端降水(圖1a)。CMA-GFS模式提前12 h(20時(shí)起報(bào))能大致模擬出降水形態(tài),但對(duì)于100 mm以上的降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)明顯偏弱,對(duì)極端暴雨更是缺乏預(yù)報(bào)能力(圖1b)。相較而言,區(qū)域中尺度模式對(duì)暴雨的預(yù)報(bào)較全球模式優(yōu)勢明顯,CMA-MESO模式對(duì)100 mm以上的大暴雨預(yù)報(bào)較好,但仍然低估了250 mm以上降水,僅在鄭州站偏西位置預(yù)報(bào)出一個(gè)范圍較小的特大暴雨中心(圖1c)。另外,陳起英等(2022)發(fā)現(xiàn)針對(duì)河南暴雨,CMA-MESO、CMA-GD、CMA-BJ、CMA-SH等模式對(duì)暴雨以上量級(jí)的評(píng)分都高于ECMWF模式,且CMA-MESO和CMA-BJ在降水量級(jí)上表現(xiàn)更優(yōu)。鑒于CMA-MESO模式對(duì)“21·7”河南暴雨的降水預(yù)報(bào)占優(yōu),接下來主要分析CMA-MESO模式(以下模式均指CMA-MESO模式)暴雨預(yù)報(bào)特征和偏差。

注:十字星標(biāo)示鄭州站所在位置,下同。

分析鄭州站小時(shí)降水演變趨勢。實(shí)況顯示鄭州站主要降水時(shí)段為14—20時(shí),其中峰值出現(xiàn)在16—17時(shí),小時(shí)降水量達(dá)201.9 mm。模式未能較好地模擬出鄭州站小時(shí)降水演變趨勢,將主要降水時(shí)段錯(cuò)報(bào)在上午,且小時(shí)降水峰值未超過50 mm(圖1d)。考慮模式與實(shí)況強(qiáng)降水中心存在東西向的位置偏差,在最強(qiáng)降水中心附近做區(qū)域平均(34.5°～35°N、113°～114°E)的降水日變化圖(圖1e),發(fā)現(xiàn)模式預(yù)報(bào)的最強(qiáng)降水峰值在上午,而實(shí)況峰值則出現(xiàn)在下午,且模式預(yù)報(bào)的雨帶降水強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及實(shí)況,這與鄭州站小時(shí)降水演變的預(yù)報(bào)偏差特征一致。

對(duì)流風(fēng)暴的維持和發(fā)展可以加強(qiáng)降水效率。從觀測統(tǒng)計(jì)的20日08時(shí)至21日08時(shí)不同閾值對(duì)流風(fēng)暴出現(xiàn)總時(shí)次分布,并結(jié)合逐小時(shí)雷達(dá)組合反射率圖(圖略)來看,河南省主雨帶外圍的區(qū)域持續(xù)了較長時(shí)間(6～15 h)的層狀云回波(圖略),主雨帶區(qū)則以維持了12～21 h的長時(shí)間對(duì)流風(fēng)暴為主(圖2a),其中鄭州站及附近維持了2～10 h的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴(圖2c)。評(píng)估模式回波產(chǎn)品不同閾值對(duì)流風(fēng)暴的平均強(qiáng)度和出現(xiàn)總時(shí)次,發(fā)現(xiàn)模式對(duì)于層狀云回波的強(qiáng)度預(yù)報(bào)略偏強(qiáng),對(duì)于對(duì)流風(fēng)暴(圖2b,2e)和強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴回波(圖略)的平均強(qiáng)度預(yù)報(bào)與觀測接近;模式預(yù)報(bào)的層狀云回波持續(xù)時(shí)間也與觀測接近(圖略),但主雨帶落區(qū)的對(duì)流風(fēng)暴和強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴回波的持續(xù)時(shí)間明顯偏低(圖2d,2f)。

圖2 2021年7月20日08時(shí)至21日08時(shí)(a,b,c)觀測,(d,e,f)模式預(yù)報(bào)的(a,b,d,e)對(duì)流風(fēng)暴和(c,f)強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的(a,c,d,f)發(fā)生總時(shí)次分布與(b,e)平均回波強(qiáng)度

此次暴雨過程在河南省上空持續(xù)監(jiān)測到一個(gè)范圍較大的MCS。盡管傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢驗(yàn)方法(如TS、Bias、POD評(píng)分等)可以對(duì)模式預(yù)報(bào)的MCS的優(yōu)劣給出綜合評(píng)價(jià),但無法對(duì)更為關(guān)注的MCS的位置、強(qiáng)度以及面積等屬性給出定量檢驗(yàn)結(jié)果,因此采用MODE方法對(duì)模擬的紅外云圖產(chǎn)品展開評(píng)估。首先給出MCS目標(biāo)匹配示例圖(圖3)。在極端降水發(fā)生前的2 h(20日14時(shí)),從葵花8號(hào)衛(wèi)星紅外云圖上可以看到覆蓋河南省中北部上空的范圍較大的MCS,其云頂亮溫低于-52℃,云團(tuán)發(fā)展旺盛,CMA-MESO模式能較好地模擬出這個(gè)MCS,范圍與實(shí)況大致接近,但強(qiáng)度偏強(qiáng)且云團(tuán)明顯未覆蓋到鄭州站上空。經(jīng)過平滑處理后進(jìn)行MCS目標(biāo)匹配,識(shí)別出其編號(hào)為1,由此給出模式預(yù)報(bào)目標(biāo)編號(hào)為1的MCS的面積、強(qiáng)度日變化偏差特征(圖4a,4b)。觀測到MCS的演變分為三個(gè)階段:一是08—14時(shí),MCS的面積和強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定,模式能預(yù)報(bào)出一致的變化趨勢,但面積偏小且強(qiáng)度偏強(qiáng),需要說明的是,由于模式云圖是診斷產(chǎn)品,而根據(jù)以往的評(píng)估發(fā)現(xiàn)模式模擬的紅外云圖的云頂亮溫較衛(wèi)星產(chǎn)品存在偏低的問題,因此這里主要分析強(qiáng)度的演變趨勢;二是14—20時(shí),MCS的面積突然陡增約90%,同時(shí)強(qiáng)度也明顯增強(qiáng),亮溫陡降約10 K,此時(shí)模式僅能預(yù)報(bào)出MCS強(qiáng)度略微增強(qiáng)的變化趨勢,亮溫減少約3 K,但未能預(yù)報(bào)出在強(qiáng)降水發(fā)生階段的MCS面積陡增的變化趨勢;之后,MCS的強(qiáng)度和面積變化再次維持穩(wěn)定。從模式預(yù)報(bào)的MCS位置偏差來看(圖4c),20日08時(shí)至21日08時(shí),MCS的位置偏差主要表現(xiàn)為偏西和偏北的特征。

注:數(shù)字為識(shí)別目標(biāo)編號(hào)。

綜上評(píng)估,發(fā)現(xiàn)CMA-MESO模式對(duì)整體雨帶的形態(tài)和大暴雨落區(qū)、弱回波的持續(xù)時(shí)間、主要降水發(fā)生前期和后期MCS的面積和強(qiáng)度演變趨勢預(yù)報(bào)較好,說明模式對(duì)強(qiáng)降水發(fā)生前期有較好的指導(dǎo)意義。但在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段存在較明顯的偏差:(1)降水強(qiáng)度明顯偏弱,尤其低估了250 mm以上降水,并嚴(yán)重低估了鄭州站極端小時(shí)降水;(2)將發(fā)生在下午的主雨帶錯(cuò)報(bào)在上午;(3)嚴(yán)重低估了對(duì)流風(fēng)暴和強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的持續(xù)時(shí)間,主要降水時(shí)段內(nèi)未報(bào)出MCS面積陡增的變化,且MCS位置預(yù)報(bào)偏西、偏北,而這些也是造成降水強(qiáng)度不足的重要原因。因此下一節(jié)將重點(diǎn)針對(duì)模式呈現(xiàn)出的這些與強(qiáng)降水相關(guān)的偏差,選取20日08—20時(shí)展開誤差分析。

2.2 模式誤差分析

此次暴雨過程受多個(gè)天氣尺度系統(tǒng)共同影響——200 hPa維持穩(wěn)定的高壓脊、500 hPa位于內(nèi)蒙古的大陸高壓、西太平洋副熱帶高壓、臺(tái)風(fēng)煙花和查帕卡,以及低層的低渦系統(tǒng)(張霞等,2021;蘇愛芳等,2021)。將CMA-MESO模式預(yù)報(bào)的20日08時(shí)和20時(shí)的各層環(huán)流形勢場與實(shí)況逐一對(duì)比(圖略),整體而言,模式能較好地還原出天氣尺度系統(tǒng)環(huán)流背景場,但對(duì)于高層高壓脊強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏弱2 dagpm,說明高層輻散略偏弱,另外低層的低渦系統(tǒng)位置預(yù)報(bào)偏西。ERA5分析場20日08—20時(shí)逐3 h低渦路徑演變顯示,低渦系統(tǒng)圍繞著伏牛山脈緩慢往北移動(dòng),利于暴雨的維持和加強(qiáng),而模式預(yù)報(bào)的低渦系統(tǒng)一直較分析場偏西,這也是造成MCS位置和特大暴雨中心位置偏西的主要原因(圖5)。接下來,將著重從強(qiáng)降水的水汽、動(dòng)力、觸發(fā)和維持機(jī)制等方面展開模式誤差診斷。

注:填色為實(shí)際地形高度。

2.2.1 水 汽

大氣可降水量(PW)反映大氣整層濕度狀況,可作為診斷模式水汽偏差的物理量之一。以16時(shí)觀測的PW為參考,河南省大部分地區(qū)PW能達(dá)到65 mm以上,大氣水汽條件充沛,尤其是鄭州站附近觀測到超過70 mm的PW強(qiáng)中心(圖6a),在此產(chǎn)生了超過50 mm·h-1的強(qiáng)降水中心(圖略),同時(shí)這個(gè)區(qū)域也位于低層?xùn)|風(fēng)急流區(qū),東風(fēng)急流最強(qiáng)能達(dá)到22 m·s-1(圖6c)。CMA-MESO模式能較好地預(yù)報(bào)出河南省大部分地區(qū)超過65 mm的PW,但明顯低估了鄭州站附近超過70 mm的PW強(qiáng)中心(圖6b),且預(yù)報(bào)的東風(fēng)急流較分析場偏弱約4 m·s-1,同時(shí)位于低空切變南側(cè)的東南風(fēng)也較分析場和觀測略偏弱(圖6d)。進(jìn)一步從水汽垂直分布來看(圖7),以鄭州站為例,20日08—20時(shí)鄭州站500 hPa 以下達(dá)到完全飽和,而在極端降水發(fā)生前期,模式預(yù)報(bào)的低層未達(dá)到完全飽和,高層水汽卻偏濕,這說明盡管模式預(yù)報(bào)的整層水汽含量充沛,但由于水汽垂直分配不合理導(dǎo)致層結(jié)不穩(wěn)定度預(yù)報(bào)不足,表1給出的鄭州站探空與模式預(yù)報(bào)的最有利抬升指數(shù)(BLI)值對(duì)比可以驗(yàn)證大氣層結(jié)不穩(wěn)定度預(yù)報(bào)不足。

表1 2021年7月20日08—20時(shí)鄭州站探空觀測和模式預(yù)報(bào)的物理量對(duì)比

圖6 2021年7月20日16時(shí)(a,b)PW和(c,d)850 hPa風(fēng)場(風(fēng)羽,等值線:風(fēng)速超過12 m·s-1)

圖7 2021年7月20日(a)08時(shí),(b)14時(shí),(c)20時(shí)鄭州站探空與模式預(yù)報(bào)RH廓線

暴雨的形成條件除了自身充沛的水汽以外,還需要周邊源源不斷的水汽輸送。低層水汽通量顯示水汽主要是從臺(tái)風(fēng)煙花沿著超低空急流往西北方向輸送至河南省,并于08時(shí)在鄭州站形成一個(gè)小范圍的水汽通量強(qiáng)中心(圖略)。水汽通量輸送隨著時(shí)間變化而增大,到極端降水發(fā)生前(16時(shí)),來自臺(tái)風(fēng)煙花的水汽輸送明顯增強(qiáng),且鄭州站附近水汽通量中心的強(qiáng)度明顯增強(qiáng),同時(shí)鄭州站西側(cè)低層強(qiáng)烈的水汽輻合導(dǎo)致極端降水發(fā)生。診斷模式低層水汽通量輸送,發(fā)現(xiàn)模式能預(yù)報(bào)出來自臺(tái)風(fēng)煙花的水汽輸送,但未報(bào)出極端降水發(fā)生前水汽輸送明顯增大的變化趨勢,鄭州站周邊水汽通量中心強(qiáng)度預(yù)報(bào)明顯偏弱,且模式預(yù)報(bào)的低層水汽輻合區(qū)不如分析場顯著,范圍也較分析場偏小(圖8)。除了臺(tái)風(fēng)煙花輸送水汽外,孫躍等(2021)研究表明極端降水發(fā)生前2 h有南起臺(tái)風(fēng)查帕卡的自西南向東北的水汽輸送帶,葵花衛(wèi)星水汽云圖上可以直觀地看到這條水汽輸送帶——南起臺(tái)風(fēng)查帕卡的一系列尺度較小的對(duì)流云團(tuán)(圖9a)。模式模擬的水汽通道上的云頂亮溫與衛(wèi)星觀測的差值表明模式明顯低估了水汽輸送帶的水汽,且對(duì)于臺(tái)風(fēng)查帕卡外圍螺旋云帶的水汽預(yù)報(bào)偏弱(圖9b)。以上分析表明模式對(duì)臺(tái)風(fēng)煙花和查帕卡的水汽輸送均偏弱也是造成降水強(qiáng)度和極端降水預(yù)報(bào)不足的重要原因。

圖8 2021年7月20日(a,b,c)ERA5分析場和(d,e,f)模式預(yù)報(bào)的925 hPa水汽輸送(填色)及風(fēng)場(風(fēng)羽)

圖9 2021年7月20日14時(shí)(a)葵花8號(hào)衛(wèi)星水汽通道云圖,(b)模式模擬與衛(wèi)星觀測偏差

2.2.2 低空急流

850 hPa和925 hPa的高空填圖(圖略)表明自19日夜間起,低空東風(fēng)急流和超低空東風(fēng)急流開始增強(qiáng)并長時(shí)間持續(xù)。以往的研究表明,低空急流的加強(qiáng)利于出現(xiàn)氣旋式切變或環(huán)流,并導(dǎo)致低層垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,從而加強(qiáng)對(duì)流和降水(雷蕾等,2020)。分析超低空東風(fēng)急流的脈動(dòng)與降水的對(duì)應(yīng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)模式在09—12時(shí)東風(fēng)急流脈動(dòng)明顯增大,中心風(fēng)速達(dá)到16～18 m·s-1,伴隨低層出現(xiàn)較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),垂直速度最強(qiáng)能達(dá)到1.2 m·s-1,對(duì)應(yīng)模式預(yù)報(bào)出的上午時(shí)段的降水峰值。隨后東風(fēng)急流減弱,盡管在14—15時(shí)和18時(shí)也出現(xiàn)東風(fēng)脈動(dòng)增大以及低層上升運(yùn)動(dòng),但由于東風(fēng)脈動(dòng)增大的強(qiáng)度不如第一次,導(dǎo)致后兩個(gè)時(shí)段的降水強(qiáng)度不如上午時(shí)段,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于觀測的降水峰值。而16—17時(shí)東風(fēng)急流脈動(dòng)減弱且無明顯低層上升運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致未能報(bào)出17時(shí)的極端降水(圖10)。由此表明模式小時(shí)降水演變的誤差與東風(fēng)急流脈動(dòng)預(yù)報(bào)不足密切相關(guān)。此外,李建輝(1982)提出偏強(qiáng)的低空急流通過夾卷作用在暴雨區(qū)進(jìn)行動(dòng)量、水汽和能量輸送,有助于加劇降水強(qiáng)度。結(jié)合2.2.1節(jié)分析出在極端降水發(fā)生前,模式預(yù)報(bào)的低空東風(fēng)急流和切變線東南側(cè)的東南風(fēng)也偏弱,考慮正是由于低空急流偏弱和超低空急流脈動(dòng)不足,導(dǎo)致輸送到強(qiáng)降水區(qū)的水汽不足,從而造成降水不足。

圖10 2021年7月20日08—20時(shí)模式預(yù)報(bào)(a)925 hPa U分量風(fēng),(b)850 hPa垂直速度沿34.7°N的緯向剖面

2.2.3 觸發(fā)和維持

深厚濕對(duì)流的發(fā)生需要滿足水汽、垂直層結(jié)不穩(wěn)定和抬升觸發(fā)三個(gè)條件(俞小鼎等,2012)。圖11a表明在對(duì)流風(fēng)暴和強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴出現(xiàn)區(qū)域(113°～115°E,圖2),模式預(yù)報(bào)的BLI大多為-1～0 K,預(yù)報(bào)的大氣層結(jié)不穩(wěn)定程度較低,一般并不利于出現(xiàn)對(duì)流風(fēng)暴或是強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴這類發(fā)展深厚的濕對(duì)流,同時(shí)2.2.1節(jié)針對(duì)鄭州站上空層結(jié)不穩(wěn)定度預(yù)報(bào)不足的分析也可輔證這一結(jié)論。另外,表1給出的模式預(yù)報(bào)的鄭州站在20日08時(shí)的CAPE明顯較探空偏低,并且結(jié)合模式在113°～115°E區(qū)域內(nèi)的CAPE演變以及和分析場的對(duì)比(圖11b,11c),發(fā)現(xiàn)模式預(yù)報(bào)的10—18時(shí)的CAPE偏低,大多僅有500～1000 J·kg-1,較分析場明顯偏低約600～1000 J·kg-1。

圖11 2021年7月20日08—20時(shí)模式和ERA5分析場沿34.7°N的緯向剖面

以往的研究表明,在高溫高濕且對(duì)流不穩(wěn)定的環(huán)境條件下,地面中尺度輻合線有利于對(duì)流的觸發(fā)和發(fā)展(徐靈芝等,2014;徐珺等,2014)。逐小時(shí)分析地面自動(dòng)觀測站的風(fēng)場,發(fā)現(xiàn)08—20時(shí)在鄭州站附近均能清晰地分析出地面中尺度輻合線(圖12a),長時(shí)間穩(wěn)定少動(dòng)的地面輻合線上不斷觸發(fā)新生對(duì)流,由南向北移動(dòng)與原對(duì)流(指在08時(shí)之前已經(jīng)在鄭州站附近形成的強(qiáng)對(duì)流)合并加強(qiáng),形成較大范圍反射率強(qiáng)度超過45 dBz的強(qiáng)回波區(qū)(圖略),極大地加強(qiáng)了降水效率。而在考慮模式地形與觀測無明顯差異的情況下(圖12b和圖5),發(fā)現(xiàn)模式預(yù)報(bào)在距離鄭州站西側(cè)和南側(cè)約50 km范圍外有兩個(gè)風(fēng)場輻合區(qū)(以圖12b給出的17時(shí)模式預(yù)報(bào)地面風(fēng)場為例),盡管在風(fēng)場輻合區(qū)有觸發(fā)新生對(duì)流,但沒有與原對(duì)流合并加強(qiáng)。此外,蘇愛芳等(2021)分析鄭州站7月19日20時(shí)至20日20時(shí)雷達(dá)垂直剖面發(fā)現(xiàn),20日14時(shí)前鄭州站回波中心強(qiáng)度約為35～40 dBz,較強(qiáng)回波頂高超過12 km,而14—17時(shí)回波發(fā)展旺盛,尤其是14—16時(shí)反射率為55 dBz的回波頂高超過10 km,屬于深厚濕對(duì)流型強(qiáng)降水。對(duì)比模式預(yù)報(bào)的鄭州站回波垂直剖面演變圖(圖12c),在強(qiáng)降水發(fā)生前期,較強(qiáng)回波頂高不超過6 km,最強(qiáng)回波中心值不超過45 dBz,且14—17時(shí)明顯漏報(bào)了鄭州站的回波,這表明模式預(yù)報(bào)的對(duì)流發(fā)展一直不旺盛。

圖12 2021年7月(a,b)20日觀測和模式預(yù)報(bào)的地面風(fēng)場,(c)模式預(yù)報(bào)鄭州站19日20時(shí)至20日20時(shí)回波垂直剖面

綜合以上分析,不難發(fā)現(xiàn)模式出現(xiàn)降水預(yù)報(bào)偏差的原因主要在于水汽的模擬。盡管整層大氣水汽條件相對(duì)充沛,但由于模式水汽垂直分布結(jié)構(gòu)不合理,造成層結(jié)不穩(wěn)定程度預(yù)報(bào)不足,而更為重要的是來自臺(tái)風(fēng)煙花和查帕卡的水汽輸送不夠,尤其是來自臺(tái)風(fēng)煙花的水汽輸送不足造成。來自臺(tái)風(fēng)煙花的水汽輸送不足的根源又與低空急流密切相關(guān)。一方面,模式預(yù)報(bào)的超低空東風(fēng)急流脈動(dòng)增強(qiáng)主要出現(xiàn)在上午時(shí)段,導(dǎo)致模式小時(shí)降水峰值也錯(cuò)報(bào)在上午時(shí)段。另一方面,主要降水時(shí)段內(nèi)低空急流偏弱和超低空東風(fēng)急流脈動(dòng)不足,導(dǎo)致輸送到強(qiáng)降水區(qū)的水汽量不足,從而造成降水不足,水汽釋放的潛熱和感熱能量不夠。并且模式未能在鄭州站附近預(yù)報(bào)出長時(shí)間穩(wěn)定少動(dòng)的地面中尺度輻合線,使得輻合線上未能不斷觸發(fā)新生對(duì)流,并由南向北移動(dòng)與原對(duì)流不斷合并加強(qiáng)。此外,模式預(yù)報(bào)的不穩(wěn)定能量和層結(jié)不穩(wěn)定程度不足,使得風(fēng)暴抬升不夠,對(duì)流發(fā)展不夠旺盛,最終造成模式對(duì)于對(duì)流風(fēng)暴和強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的持續(xù)時(shí)間預(yù)報(bào)不足。這些都是導(dǎo)致模式降水預(yù)報(bào)偏差的重要原因。

3 結(jié)論和討論

“21·7”河南暴雨持續(xù)時(shí)間長、極端性強(qiáng)、致災(zāi)影響大。本文結(jié)合常規(guī)和非常規(guī)的多源觀測資料,利用傳統(tǒng)檢驗(yàn)和新型空間檢驗(yàn)方法評(píng)估了CMA-MESO模式暴雨預(yù)報(bào)誤差,并從暴雨形成機(jī)理的角度診斷誤差產(chǎn)生的原因,得到以下結(jié)論:

(1)模式能較好預(yù)報(bào)雨帶的形態(tài)和大暴雨落區(qū)、弱回波的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)回波的平均強(qiáng)度、降水發(fā)生前期和后期MCS面積和強(qiáng)度的演變趨勢,對(duì)強(qiáng)降水發(fā)生前期指導(dǎo)意義較好。

(2)模式在主要降水階段存在明顯預(yù)報(bào)偏差:降水強(qiáng)度明顯偏弱且特大暴雨中心位置偏西,對(duì)鄭州站極端小時(shí)降水缺乏預(yù)報(bào)能力;錯(cuò)報(bào)主雨帶小時(shí)降水演變趨勢;對(duì)流風(fēng)暴和強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的持續(xù)時(shí)間預(yù)報(bào)嚴(yán)重不足;未能報(bào)出午后MCS面積陡增的變化趨勢,且MCS位置預(yù)報(bào)偏西、偏北。

(3)模式降水強(qiáng)度偏差主要與水汽相關(guān)。一方面水汽垂直分布不合理使得大氣層結(jié)不穩(wěn)定度不足,另一方面對(duì)來自臺(tái)風(fēng)煙花和查帕卡的水汽輸送預(yù)報(bào)不足,其中來自臺(tái)風(fēng)煙花的水汽輸送不足與超低空急流偏弱和低空急流脈動(dòng)不足密切相關(guān)。模式預(yù)報(bào)的風(fēng)場輻合區(qū)距離鄭州站偏西和偏南,不利于對(duì)流在鄭州站附近不斷合并加強(qiáng),加之對(duì)流不穩(wěn)定能量不足共同導(dǎo)致風(fēng)暴發(fā)展不夠旺盛,對(duì)流風(fēng)暴和強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴不能長時(shí)間維持,并最終導(dǎo)致降水預(yù)報(bào)不足。此外,MCS和特大暴雨中心位置偏西與低渦系統(tǒng)預(yù)報(bào)一直偏西有關(guān)。

本研究從強(qiáng)降水產(chǎn)生機(jī)理來溯源CMA-MESO模式降水偏差的原因,發(fā)現(xiàn)模式對(duì)低層風(fēng)場和水汽模擬不足是降水強(qiáng)度不足的重要原因,模式對(duì)其他極端降水個(gè)例的預(yù)報(bào)偏差是否也主要來源于風(fēng)場和水汽的模擬誤差,將在以后的研究中做進(jìn)一步的探討。另外,針對(duì)此次暴雨過程,CMA-MESO模式對(duì)低空急流和超低空急流預(yù)報(bào)偏弱的問題,考慮可能與初始場、同化過程或邊界層過程相關(guān);而模式對(duì)水汽的模擬不足,考慮與初始場或濕物理過程有關(guān)。下一步將更換初始場,并對(duì)同化過程和邊界層方案開展敏感性試驗(yàn),以及對(duì)云微物理方案做更深入的分析。此外,3 km的水平分辨率雖然大致可以分辨深厚濕對(duì)流,但也較難模擬出最強(qiáng)的上升氣流,這可能也是模式預(yù)報(bào)的相應(yīng)最強(qiáng)降水時(shí)段的小時(shí)降雨量遠(yuǎn)低于實(shí)況的重要原因。

致謝：感謝中國氣象局地球數(shù)值系統(tǒng)預(yù)報(bào)中心的王丹和萬曉敏為本文提供GPS反演的PW數(shù)據(jù),感謝國家氣象中心劉鑫華博士為本文的研究思路和結(jié)果分析提供指導(dǎo)和建議。