四川東北部“9·20”暴雨落區預報誤差分析及思考

夏 利，夏 菲，蹇冬梅

(達州市氣象臺，四川達州 635000)

四川盆地東北部地形復雜，是暴雨的多發區，特別是夏季暴雨頻發，且強度大、時間集中、突發性和局地性強，直接利用數值預報進行降水落區預報往往會有較大的偏差；因此開展暴雨落區預報研究和對數值預報的檢驗工作成為實際預報業務中的重點和難點。目前一些氣象工作者在暴雨落區預報和數值預報的檢驗方面開展了一些研究工作。康嵐等[1]對兩次持續性暴雨過程落區預報進行了探討；孫興池等[2]對低渦和副熱帶高壓共同影響下的暴雨落區進行了分析；陸忠艷等[3]分析了遼寧一次暴雨過程及暴雨落區預報失誤原因；侯柯然等[4]對榆林2017年7月26日區域性大暴雨進行了數值預報降水檢驗和誤差分析；張宏芳等[5]對EC和JMA模式降水預報進行了對比分析，提到EC對暴雨的降水預報相對平穩，優于JMA模式；龐翻等[6]分析了T639數值產品對寶雞暴雨的預報檢驗；何光碧等[7]對GRAPES_MESO模式一次降水過程的預報做了誤差分析；屠妮妮等[8]分析了SWCWARMS模式對西南區域預報能力的檢驗。四川地區對上述方面的研究相比暴雨其他方面的研究明顯不足，有必要進行更多的總結和進一步的研究。2018年9月19—20日四川盆地東北部的一次暴雨(簡稱“9·20”暴雨)落區預報與實況出現了較大偏差，本文對此次暴雨落區預報誤差成因及短臨訂正方法進行了探討，并對數值模式預報進行了檢驗，以期為四川暴雨落區預報提供一些參考依據和思路。

1 降水預報及實況

2018年9月19日15時四川省氣象臺發布暴雨藍色預警，預計19日20時至20日20時，達州、廣安2市及巴中、南充、遂寧3市的中東部有暴雨(60～80 mm)，其中達州、南充、巴中3市局部地方有大暴雨(110～130 mm)，大暴雨預報落區主要在南充東北部—巴中東南部—達州中部偏西,呈西南—東北向分布。達州、南充、遂寧、廣安及巴中市氣象臺先后均發布了暴雨藍色預警，預報結論及落區與四川省氣象臺基本一致。24 h降水實況上述5市共192站(含區域自動站)累計降雨量超過50 mm，其中29站超過100 mm，降雨量最大的達州大竹蓮印站為162.5 mm。過程期間廣安、達州中南部及南充東南部大部地方出現雷電、并伴有短時強降水，最大小時雨強達州大竹團壩達80.3 mm/h(20日04時)。暴雨落區主要位于達州中南部和廣安中北部，大暴雨落區主要位于達州東南部，而其他3市僅局地或個別地方出現暴雨。由此可見，此次暴雨過程無論是范圍還是落區預報均與實況偏差較大，特別是大暴雨中心預報比實況明顯偏西偏北。此次過程四川盆地東北部降水梯度大，局地性強，屬對流性降水，強降水時段主要集中在20日02—06時。

2 高空環流形勢分析

19日08時500 hPa天氣圖上，歐亞中低緯地區呈東高西低型，貝加爾湖附近為一深厚低槽，槽底分裂的短波槽位于甘肅南部到阿壩。伴隨臺風“山竹”的減弱，副熱帶高壓迅速加強西進，呈東西帶狀分布，四川盆地完全處于副高控制中，天空狀況轉好，有利于升溫，特別是盆地東北部升溫更加明顯。700 hPa上，河套地區至甘肅南部存在明顯切變，切變北側偏北風速較小為4～6 m/s，其南側威寧—宜賓—沙坪壩—達州—安康為強盛的西南急流控制，風速達14～18 m/s，有利于水汽和不穩定能量向該區輸送。850 hPa上，四川盆地北部存在切變線，東部有偏南急流，達州處于急流出口區。19日20時，500 hPa上巴湖低槽快速東移，攜帶槽后冷平流南下，低槽底部仍分裂短波槽位于川西高原北部，副高588 dagpm線明顯東退南壓，達州南部及廣安處于副高邊緣。700 hPa上切變線已快速南壓至四川盆地東部至西南部一線(圖1a)，武都、漢中及其附近風向已由西南風轉為偏北風，風速達6～14 m/s ，并伴有1～2 ℃負變溫，攜帶冷平流南下。由于切變后部北風較強，加快了切變線東移南壓速度，西南急流也隨之東移南壓，從而導致強降雨落區位于達州中南部及廣安一帶。850 hPa上，偏南急流已消失，四川盆地南部有低渦(圖1b)，陜西全部轉為偏北風，不利于巴中及達州北部降水。20日02時，588 dagpm線基本穩定，略有東退，仍然位于達州南部及廣安一帶；700 hPa上切變線完全壓至四川盆地東部(圖1c)，西南急流也隨之東移，且南風分量減小，偏西分量增大；850 hPa上的低渦北移至廣安一帶，其后部北風較強。700～850 hPa的配置均對達州中南部與廣安交匯處一帶強降水有利，不利于其它地方強降水發生，與降水實況吻合。20日08時500 hPa上588 dagpm線進一步東退南壓至四川盆地南部到重慶南部；700 hPa上西南急流減弱為西南氣流，且達川已轉為偏北風，不利于達州地區強降水的持續，達州北部有弱輻合存在，弱降水持續。

圖1 2018年9月NCEP再分析資料風場(a 700 hPa 19日20時；b 850 hPa 19日20時；c 700 hPa 20日02時)

綜上分析可知，副高快速東退南壓，配合低層強北風，加快了低層切變線和急流東退南壓；西南氣流偏西分量增強，偏南分量減弱，加快降水系統的東移，使得降水系統主要停滯在四川東北部的廣安及達州中南部區域，造成暴雨和大暴雨。

3 數值模式預報檢驗

3.1 高度場及風場檢驗

在實際業務中，由于歐洲中心高分辨率數值預報(以下簡稱“ECthin”)具有較高的時空分辨率，且ECthin模式預報風場較其他模式風場具有更高的可用性和穩定性，成為很多預報業務人員的重要參考。下面主要以ECthin模式預報風場來分析本次過程失誤的原因。

對18日20時ECthin起報的24～48 h內 500 hPa高度場和風場以及700～850 hPa的風場進行檢驗分析。19日20時，500 hPa上副高脊線北側位于南充—遂寧—資陽一線，比同時刻副高實際位置偏西，風場與實況較一致。700 hPa上切變線位于漢中到四川盆地西北部，比實況明顯偏西；切變南側從云南至四川達州一帶為一致的西南急流，其北側北風較實況偏小2～4 m/s，預示切變線東移南壓和急流東退速度將比實況慢。850 hPa上南部低渦位置，預報與實況基本一致；但預報場上安康的風仍以偏南風為主，實況則已轉為偏北風。20日02時，預報場上700 hPa切變線仍維持在四川盆地西北部；850 hPa低渦中心與實況較吻合，但強度偏大。20日08時，預報場上500 hPa副高東移南壓至廣安南部到重慶中部，但實況副高東退南壓更加明顯，退至盆地南部到重慶南部；同時預報場上南充有低渦生成，實況則并無低渦。700 hPa預報場上，切變線在東移南壓過程中加強發展成低渦，中心位于南充。巴中、南充中東部、廣安、達州中南部，西南急流維持且風速增大，低渦右側西南風速達20 m/s；且預報該低渦將繼續向東北方向移出。但實況顯示，西南急流已消失，顯著西南氣流東移，達州已轉為偏北風，僅北部存在弱低渦。850 hPa預報場上，盆地南部低渦明顯加強并北移至南充，低渦右側伴有南風急流，位于廣安、達州中南部、南充東部。預報場上低渦將向東北方向移入達州中北部，低渦后部有強北風侵入，最大風速達22 m/s，預示低渦在移動中將繼續發展。實況則為低渦位置偏南，且強度明顯偏弱，偏北風與偏南風速僅為2～4 m/s。

通過ECthin分析，預報場上副高、切變線和急流東退南壓速度均明顯慢于實況，導致此次過程暴雨預報落區與實況誤差較大。根據預報場上系統的發展演變，高低層存在深厚低渦位于南充，動力條件極好；且低渦右側西南或南風急流向盆地東北部輸送水汽，水汽條件好。配合低渦的移動路徑，考慮四川盆地東北部大部地方將有一次大到暴雨，局地大暴雨的過程；同時根據低渦的發展演變、移動路徑及維持時間確定大暴雨落區主要位于南充、巴中和達州三市的交匯處并呈東北—西南向帶狀分布。因此，從副高和風場的預報場演變來看，無法將暴雨及大暴雨落區和范圍向降水實況區域進行有效訂正。

3.2 模式降水預報和實況的對比

由于暴雨落區預報是預報中的難點，各種數值預報均具有自身的誤差和不穩定性，需要綜合多家數值模式才能更好地確定暴雨落區。為了對實際業務有參考價值，使用模式為四川實際業務常用模式，分別為歐洲中心高分辨率數值預報(Ecthin)、日本氣象廳數值模式(JMA)、西南區域數值模式(SWCWARMS)及全球中尺度模式(GRAPES_MESO)。

將四川降水實況與四家模式18日20時和19日08時分別起報的19日20時—20日20時的降水預報進行對比(圖2，見第31頁，圖2a為降水實況)。18日20時起報的48 h降水,Ecthin(圖2b)和SWCWARMS(圖2c)對此次過程的量級整體把握較好，但是落區較實況明顯偏西偏北；在暴雨和大暴雨集中區(達州東南部及廣安)Ecthin降雨量級最大僅預報出中到大雨，SWCWARMS則主要預報為小到中雨，局地大雨。GRAPES_MESO和JMA預報的降水量級略微偏小(圖2d、圖2e)，但落區依舊偏西偏北。19日08時起報的36 h降水，Ecthin(圖2f)和SWCWARMS(圖2g)均將暴雨區范圍調小并略向東調整，但預報落區仍主要集中在巴中和南充兩市的東部及達州中北部；Ecthin將大暴雨區范圍明顯調小，SWCWARMS量級維持，但大暴雨區主要報在達州中部。GRAPES_MESO(圖2h)將降水量級調小至大雨，較實況偏小1～2個量級，且強降水落區仍偏北；JMA將暴雨落區范圍調小，但落區仍明顯偏西偏北(圖2i)。綜上所述，并結合前面形勢場分析，此次過程量級相對容易把握，但是落區訂正難度很大，從而導致此次暴雨落區預報與實況偏差較大。

4 物理量場分析

4.1 對流參數

K 指數、沙氏指數、對流有效位能CAPE及θse(500-850)(500 hPa 和 850 hPa 假相當位溫差)能較好地代表環境場的水汽、能量和不穩定條件。K指數越大、沙氏指數及θse(500-850)值越小、CAPE值越大代表水汽越豐富、能量越高、對流越不穩定，越有利于出現強對流天氣。9月6—18日四川盆地東北部大部時段以陰雨天氣為主，11日開始，大部地方氣溫持續在25 ℃以下，不利于強對流或暴雨天氣發生。19日08時達州探空圖上顯示，濕層非常深厚，高度達300 hPa。從各對流參數(表1)來看，大氣層結均處于穩定狀態；但白天四川盆地受副高控制有利于升溫，特別是盆地東北部偏東南方向至重慶地區氣溫迅速上升，大部地區溫度升至30 ℃以上，有利于不穩定能量迅速積累，為暴雨的發生提供良好的能量條件。19日20時，K指數從08時的34 ℃躍升至42 ℃，沙氏指數由2.63 ℃降至-2.18 ℃，CAPE更是由20.6 J/kg迅速累計至2 156.8 J/kg,θse(500-850)也轉為-7.7 ℃，大氣層結變得明顯不穩定。探空曲線呈上干下濕狀態，濕層依然深厚，高度達500 hPa，水汽和能量條件均有利于暴雨和雷暴、短時強降水等強對流天氣發生。本次過程最強降雨時段集中在02—06時，有超過20站降雨強度持續超過20 mm/h，其中04時、05時小時雨強超過20 mm/h的達54站和61站，均出現在達州中南部和廣安交匯處。04時的降雨強度最大，有11站達50 mm/h，均位于達州大竹縣。隨著強降水的發生，不穩定能量得以釋放，20日08時，大氣層結轉為穩定，降水強度明顯減小，轉為穩定性降水。

表1 2018-09-19—20對流條件參數

4.2 水汽條件和動力條件

19日20時850 hPa的水汽通量散度中心位于重慶西南部。20日02時，該中心移至達州和廣安交匯處(圖3a，見第31頁)，中心強度達-60×10-5g/(cm2·hPa·s)，其對應處強降水開始。08時水汽通量散度中心沿達州東部移出四川，強降水結束。從達州的渦度剖面圖(圖3b，見第31頁)可知，20日02—08時，500 hPa以下為正渦度，以上為負渦度，“抽吸作用”明顯。綜合以上分析可知，能量、水汽和動力條件均對強降水落區和時段有較好的指示意義。

5 衛星云圖分析

強降水落區及其移動路徑常常與對流云團的生消演變及移動路徑密切相關。借助衛星云圖監視中、小尺度對流系統的發展演變，從而進行短時臨近預報及訂正。為便于分析，所用底圖為云南、貴州、四川及重慶的行政地圖拼圖。結合地面流場和露點場，判斷云團的演變趨勢(圖4，見第32頁)。過程開始前，19日20時四川盆地東北部無對流云團生成；21：40遂寧、資陽及重慶西部均有初生對流云團A、B、C生成發展并向東北方向移動；23時 三個對流云團明顯增強，范圍擴大，A、B位于遂寧，C移入廣安、重慶交界處(圖4a)，達州北部有對流云團D生成。瀘州一帶存在地面輻合線，A、B、C云團均位于輻合線北側偏北氣流中。A、B云團位于露點鋒區東側水汽豐富的區域，考慮到地面輻合線對暖濕空氣的抬升作用，判斷兩云團將合并且迅速發展；而C云團離露點鋒區遠，其在東移過程中將逐漸減弱；D云團則剛好處于地面輻散氣流中將減弱。20日02時，C、D云團東移且趨于消散，而A、B云團合并加強形成MCS(圖4b)，覆蓋南充東部、達州中南部及廣安地區。MCS仍然位于地面輻合線北側和露點鋒區附近，繼續東移發展，03—05時發展最為旺盛，對應最強降水階段，連續2 h雨強超過20 mm/h的站點數分別達40站和46站。03：40對流云團發展最為旺盛，其中心剛好位于大竹和渠縣交界處，此時對應區降雨強度最大，03—04時有10站小時雨強達50 mm/h。05時, MCS主要覆蓋達州、廣安及重慶中北部(圖4c)，仍處于露點鋒東側的輻合氣流中，有利于該區強降水的產生，但MCS東部已有輻散氣流，預示MCS在東移過程中將逐漸減弱。08時，云團已有所減弱并明顯東移至達州東部邊緣至重慶(圖4d)，其后部的露點鋒區已明顯減弱，達州強降水結束。

綜上所述，結合衛星云圖、地面流場和露點鋒區，重點分析暖濕氣流中具備抬升作用的位置，可以判斷1～3 h內云團的演變趨勢，確定強降水落區，為短臨預報提供較好參考。

6 雷達資料分析

通過對達州和南充的多普雷達垂直風廓線產品(VWP)分析強降水落區偏東的原因(圖5，見第32頁)。從南充多普雷達垂直風廓線來看，20日00—02時700 hPa附近基本以西南風為主(圖5a)，2 km高度以下以北風為主，低層有冷空氣入侵。02時700 hPa附近(3 km左右)南風分量明顯減弱，以偏西風為主，預示降水系統將東移，不利于四川盆地東北部偏西地區降水的持續。達州多普雷達垂直風廓線上，20日凌晨02時開始，低層700 hPa附近主要以西南風為主(圖5b)，以下以偏南風為主，有利于水汽和不穩定能量向該地輸送，西南風或偏南風氣流一直持續到06：30(圖5c)，與強降水集中時段吻合。之后700 hPa附近轉為偏西風，南風分量明顯減小，預示降水系統將東移。

綜合以上分析可知，強降水落區主要位于盆地東北部偏東南位置，是由于南充700 hPa附近引導氣流西南風持續時間較短，02時轉為偏西風，導致降水系統快速東移，而達州700 hPa附近引導氣流西南風持續時間相對較長，風場轉換較慢。因此可以通過多普雷達垂直風廓線產品(VWP)分析700 hPa附近引導氣流的轉換來判斷系統移動的速度和移出的時間。

7 結論

(1)副高快速東退南壓，配合低層強北風，加快了低層切變線和急流東退南壓；西南氣流偏西分量增強，偏南分量減弱，加快降水系統的東移，使得降水系統主要停滯在四川東北部的廣安及達州中南部區域，造成該區產生暴雨和大暴雨。

(2)數值預報場上副高、切變線和急流東退南壓速度均明顯慢于實況，導致此次過程暴雨預報落區較實況誤差較大。

(3)結合衛星云圖、地面流場和露點鋒區，重點分析暖濕氣流中具備抬升作用的位置，可以判斷1～3 h內云團的演變趨勢，確定強降水落區，為短臨預報提供較好參考。

(4)可通過多普雷達垂直風廓線產品(VWP)分析700 hPa附近引導氣流的轉換來判斷系統移動的速度和移出時間。

(5)數值預報具有自身的誤差和不穩定性,在實際業務中應以數值預報為基礎，綜合分析多種觀測資料訂正數值預報才能提高暴雨落區預報準確率。

圖2 2018-09-19T20—20T20四川降水實況(a)、2018-09-18T20起報的四川48 h 降水量和2019-09-19T08起報的四川36 h 降水量(文見第28頁3.2)

圖3 850 hPa水汽通量散度分布圖(a 2018-09-20T02；單位為10-5 g/(cm2·hPa·s))和渦度沿107.5°E,31.2°N中心時間剖面圖(b 2018-09-18T08—20T20；單位為10-5s-1)(文見第29頁4.2)

圖4 2018-09-19—20葵花8衛星云頂亮溫(填色；A、B、C、D為對流云團)、地面流場(白色箭頭線)、地面輻合線(紅色標記線)和露點場(紅色虛線，單位為℃)疊加圖(文見第29頁5)

圖5 2018-09-20多普雷達垂直風廓線產品(VWP) (a 南充雷達；b-c達州雷達；文見第30頁6)