基于CRA技術(shù)的華南前汛期強(qiáng)降水EC模式預(yù)報(bào)誤差分析

李曉蘭，符嬌蘭

（1.國(guó)家氣象中心，北京100081；2.中國(guó)氣象局-河海大學(xué)水文氣象研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

1 引 言

華南是我國(guó)暴雨頻發(fā)的地區(qū)之一，其汛期降水可分為前汛期（4—6月）降水和后汛期（7—9月）降水，其中，前汛期總降水量占華南全年降水量的50%左右。華南前汛期暴雨根據(jù)降水性質(zhì)不同，可分為鋒面暴雨和暖區(qū)暴雨，前者出現(xiàn)在4月到5月中旬前后，暴雨主要出現(xiàn)在華南北部；后者主要出現(xiàn)在夏季風(fēng)爆發(fā)后，大約為5月中旬到6月，暴雨主要出現(xiàn)在華南沿海[1]。與鋒面暴雨不同，暖區(qū)暴雨常常發(fā)生在離鋒面200～300 km的暖區(qū)內(nèi)，多對(duì)流性降水，降水時(shí)間短，強(qiáng)度大。為了研究華南前汛期暴雨，從1970年代末開(kāi)始，我國(guó)先后開(kāi)展了4次較大規(guī)模的外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)[1-5]，得到大量的高時(shí)空分辨率的觀測(cè)資料，并對(duì)暖區(qū)暴雨產(chǎn)生的環(huán)境條件及中尺度對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的分析[5-9]。華南前汛期暴雨中暖區(qū)暴雨占了很大比重，而暖區(qū)內(nèi)低層常為一致的西南風(fēng)或偏南風(fēng)，水汽含量豐富，再加上華南地區(qū)復(fù)雜的地形和海陸熱力差異，導(dǎo)致暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)難度非常大[6,10-11]。陳茂欽等[12]利用模式試驗(yàn)研究江淮地區(qū)和華南地區(qū)不同類型暴雨的模式可預(yù)報(bào)性的差異，結(jié)果表明，從誤差增長(zhǎng)和集合預(yù)報(bào)的角度，華南暴雨的模式可預(yù)報(bào)性比江淮暴雨的模式可預(yù)報(bào)性差?？灼诘萚13]對(duì)2015年5月19—20日華南區(qū)域性暴雨研究表明：模式對(duì)廣東中南部暖區(qū)降水預(yù)報(bào)能力十分有限，強(qiáng)降雨落區(qū)較實(shí)況明顯偏北。中央氣象臺(tái)多年預(yù)報(bào)實(shí)踐表明，對(duì)于華南前汛期區(qū)域性暴雨過(guò)程，業(yè)務(wù)數(shù)值模式能較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出暴雨過(guò)程，但暴雨的強(qiáng)度與位置往往會(huì)出現(xiàn)一定的預(yù)報(bào)誤差，嚴(yán)重影響強(qiáng)降水預(yù)報(bào)服務(wù)效果以及防災(zāi)減災(zāi)的科學(xué)指導(dǎo)。因此有必要對(duì)業(yè)務(wù)模式預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行系統(tǒng)性檢驗(yàn)和分析，這將有利于幫助預(yù)報(bào)員了解數(shù)值模式對(duì)華南前汛期暴雨的預(yù)報(bào)能力及訂正模式預(yù)報(bào)偏差，也能給模式研發(fā)者提供模式預(yù)報(bào)性能改進(jìn)的科學(xué)依據(jù)。

基于前期預(yù)報(bào)評(píng)分、天氣學(xué)檢驗(yàn)等手段可對(duì)模式預(yù)報(bào)性能進(jìn)行定性診斷，但要訂正模式強(qiáng)降水落區(qū)和強(qiáng)度，必須對(duì)模式不同環(huán)流背景下的降水強(qiáng)度、范圍以及位置等系統(tǒng)性預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行定量分析。近些年，隨著數(shù)值模式分辨率的提高，用于檢驗(yàn)降水空間結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)能力的空間檢驗(yàn)方法逐漸在定量降水預(yù)報(bào)中應(yīng)用起來(lái)，該類方法可以提供強(qiáng)降雨形態(tài)、位置和強(qiáng)度等誤差信息。Gilleland等[14]對(duì)現(xiàn)有的空間檢驗(yàn)方法進(jìn)行了綜述，將其分為濾波和位移兩大類方法，其中前者可分為鄰域和尺度分離法，后者分為場(chǎng)變形和基于對(duì)象的空間檢驗(yàn)方法。CRA（Contiguous Rain Area）[15-16]方法是基于對(duì)象的空間檢驗(yàn)方法，通過(guò)降水閾值來(lái)確定連續(xù)的降水雨區(qū)或目標(biāo)，對(duì)降水目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和分離，從而確定位移誤差、形態(tài)誤差和強(qiáng)度誤差。目前，已有不少研究將CRA技術(shù)用于檢驗(yàn)?zāi)Ｊ浇邓A(yù)報(bào)誤差。姜曉曼等[17]利用CRA方法對(duì)北京“7.21”特大暴雨的模式誤差進(jìn)行分解，結(jié)果表明強(qiáng)度誤差為此次暴雨的主要誤差。針對(duì)2013年6月17—18日的印度北阿坎德邦地區(qū)一次降水過(guò)程，Dube等[18]利用CRA方法計(jì)算了2個(gè)模式預(yù)報(bào)的總誤差、位移誤差、強(qiáng)度誤差和形態(tài)誤差，從而對(duì)模式預(yù)報(bào)能力進(jìn)行了評(píng)估。除將CRA技術(shù)用于檢驗(yàn)?zāi)炒谓邓^(guò)程外，還有研究對(duì)多次降水過(guò)程進(jìn)行模式誤差檢驗(yàn)。符嬌蘭等[19]利用CRA技術(shù)對(duì)2011—2014年5—9月西南地區(qū)東部ECMWF全球確定性模式預(yù)報(bào)的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行了分析，結(jié)果表明西南地區(qū)東部降水以形態(tài)誤差為主，其次是落區(qū)誤差，落區(qū)平均偏西約0.7°，經(jīng)向偏差不明顯，不同天氣尺度系統(tǒng)影響下的強(qiáng)降雨落區(qū)誤差特征不同。Ashrit等[20]、Sharma等[21-22]用CRA方法對(duì)印度夏季風(fēng)降水預(yù)報(bào)進(jìn)行誤差檢驗(yàn)，并通過(guò)設(shè)置不同的降水閾值，得到不同地區(qū)降水誤差的主要來(lái)源及預(yù)報(bào)偏離實(shí)況的方向和大小。另外，Moise等[23]將CRA技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，并用于檢驗(yàn)氣候模式模擬的平均降水場(chǎng)，指出相對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的評(píng)估方法，CRA方法能對(duì)模擬的大尺度降水（比如SPCZ、ITCZ、季風(fēng)）的形態(tài)和落區(qū)進(jìn)行誤差評(píng)估，從而避免降水形態(tài)模擬合理但落區(qū)偏差較大而導(dǎo)致模擬誤差，為氣候模式評(píng)估提供了新思路。Chen等[24]將改進(jìn)后的CRA方法用于檢驗(yàn)2012—2013年西北太平洋熱帶氣旋的降水預(yù)報(bào)，結(jié)果表明形態(tài)誤差為主要誤差，但提高CRA閾值和降低模式空間分辨率后，形態(tài)誤差占比有所減少、強(qiáng)度誤差占比增加；相對(duì)于24 h時(shí)效預(yù)報(bào)，落區(qū)誤差在72 h時(shí)效預(yù)報(bào)明顯增加。通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，CRA方法可對(duì)模式預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行檢驗(yàn)，從而對(duì)模式預(yù)報(bào)性能進(jìn)行總體評(píng)估，那么，針對(duì)華南前汛期強(qiáng)降水，CRA檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)預(yù)報(bào)的強(qiáng)降水誤差檢驗(yàn)結(jié)果如何？是否能對(duì)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)誤差訂正有幫助？這是本文需要討論的問(wèn)題。

本文主要利用CRA空間檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)2016—2018年4—6月華南前汛期歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF（簡(jiǎn)稱EC）全球確定性模式預(yù)報(bào)的區(qū)域性暴雨個(gè)例進(jìn)行檢驗(yàn)，第二節(jié)介紹資料和方法，第三節(jié)給出華南前汛期模式降水總體誤差分布特征，隨后第四節(jié)給出模式降水不同預(yù)報(bào)偏差的環(huán)流特征及天氣尺度影響系統(tǒng)分析，再通過(guò)預(yù)報(bào)落區(qū)偏差較大和預(yù)報(bào)落區(qū)較為準(zhǔn)確的個(gè)例進(jìn)一步分析對(duì)流發(fā)展對(duì)模式預(yù)報(bào)誤差的影響，最后給出結(jié)論和討論。

2 資料與方法

2.1 資 料

本文主要對(duì)2016—2018年4—6月模式預(yù)報(bào)的華南前汛期區(qū)域性暴雨進(jìn)行檢驗(yàn)，所用到的資料包括兩類：一類是被檢驗(yàn)的模式降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，由于業(yè)務(wù)上并未存儲(chǔ)本文分析時(shí)段的全球區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng) GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）模式歷史資料，且從模式預(yù)報(bào)性能來(lái)講，EC模式表現(xiàn)得更為穩(wěn)定，故本文使用的是EC模式24 h累計(jì)降水量，起報(bào)時(shí)間為20 h（北京時(shí)，下同），預(yù)報(bào)時(shí)效為36 h，分辨率為0.25°×0.25°；第二類是用于檢驗(yàn)?zāi)Ｊ筋A(yù)報(bào)性能的觀測(cè)和再分析數(shù)據(jù)，包括全國(guó)2 400多個(gè)國(guó)家站點(diǎn)08—08時(shí)24 h累計(jì)降水量實(shí)況觀測(cè)數(shù)據(jù)和ERA5逐小時(shí)再分析數(shù)據(jù)，其中ERA5數(shù)據(jù)的分辨率為0.25°×0.25°，所用變量包括高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、垂直速度、比濕、對(duì)流有效位能（CAPE）和整層可降水量（PWAT）。

2.2 CRA空間檢驗(yàn)方法

CRA方法最早由Ebert等[15]提出，是一種基于目標(biāo)的模式降水檢驗(yàn)方法，可用于檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降南到y(tǒng)誤差。下面介紹一下CRA方法。

首先，根據(jù)降水閾值識(shí)別CRA。由于CRA方法的檢驗(yàn)對(duì)象是連續(xù)的降水目標(biāo)或雨帶，因此為了確定降水目標(biāo)或雨帶，需要選取一個(gè)降水閾值，比如本文閾值選取25 mm/(24 h)。大于或等于這個(gè)閾值的觀測(cè)和（或）預(yù)報(bào)的閉合連續(xù)雨區(qū)定義為一個(gè)CRA，要求單個(gè)CRA的覆蓋范圍大于2°×2°網(wǎng)格，并計(jì)算每個(gè)CRA的觀測(cè)和模式降水的質(zhì)心（降水量加權(quán)平均經(jīng)緯度網(wǎng)格）、大于選定降水閾值的格點(diǎn)數(shù)、平均降水量、最大降水量以及區(qū)域總降水量。

其次，平移CRA內(nèi)的模式預(yù)報(bào)，使得平移后的模式預(yù)報(bào)與觀測(cè)的方差最小，最大平移范圍是向各個(gè)方向平移5°。平移后的網(wǎng)格值表示模式相對(duì)實(shí)況的偏離的網(wǎng)格數(shù)，有方向性（即偏東或偏西，偏北或偏南多少個(gè)網(wǎng)格）。

最后，計(jì)算模式降水預(yù)報(bào)的總誤差、位移誤差、強(qiáng)度誤差和形態(tài)誤差，總誤差為其余三個(gè)誤差之和，即：

其中，MSEshift為平移后的誤差，fi為模式預(yù)報(bào)降水，oi為實(shí)況降水，fi'為平移后的模式預(yù)報(bào)降水為平移后的平均的模式降水，而為平均的實(shí)況降水。

2.3 方 法

在進(jìn)行檢驗(yàn)之前，首先需要挑選2016—2018年4—6月的華南前汛期區(qū)域性暴雨的個(gè)例，挑選標(biāo)準(zhǔn)為華南地區(qū)（104～120°E，17～27°N范圍內(nèi)的陸地區(qū)域）5個(gè)及以上的站點(diǎn)（全國(guó)2 400多個(gè)國(guó)家站點(diǎn)）24 h(前日08時(shí)—當(dāng)日08時(shí))累計(jì)降水量大于等于50 mm、且降水主體出現(xiàn)在華南大陸地區(qū)（海南島除外）的降水為一個(gè)暴雨個(gè)例，并剔除臺(tái)風(fēng)引起的暴雨，最終共挑選了58個(gè)暴雨個(gè)例（個(gè)例信息表略）。然后，對(duì)實(shí)況數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用基于變分的方法[25]將實(shí)況站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)插值到模式格點(diǎn)場(chǎng)上，再將實(shí)況和模式數(shù)據(jù)大陸以外的格點(diǎn)值賦值為-1。陸地上，實(shí)況檢驗(yàn)區(qū)域?yàn)槿A南地區(qū)（104～120°E，17～27°N），為了實(shí)現(xiàn)CRA平移計(jì)算，模式有效數(shù)據(jù)范圍為實(shí)況檢驗(yàn)區(qū)域向外擴(kuò)充5°（即99～125°E，12～32°N），并將上述區(qū)域范圍之外的實(shí)況和模式數(shù)據(jù)全部賦值為-1。注意到模式有效數(shù)據(jù)范圍向外擴(kuò)充5°后包含海洋上的數(shù)值，因此需要將擴(kuò)充后的海洋上的格點(diǎn)值賦值為-1。

其次，確定降水閾值并識(shí)別CRA，計(jì)算模式的偏差和相關(guān)統(tǒng)計(jì)量。本文閾值選取25 mm/(24 h)，通過(guò)降水閾值對(duì)58個(gè)降水個(gè)例進(jìn)行降水目標(biāo)的識(shí)別和分離，一共識(shí)別出了75個(gè)降水目標(biāo)。對(duì)這75個(gè)降水目標(biāo)分別計(jì)算模式預(yù)報(bào)與實(shí)況的降水質(zhì)心位置及二者偏差，大雨及以上量級(jí)的模式和實(shí)況的降水格點(diǎn)數(shù)、平均降水量、最大降水量和區(qū)域總降水量，并對(duì)上述偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于有6個(gè)降水目標(biāo)為空?qǐng)?bào)或漏報(bào)目標(biāo)，而質(zhì)心位置偏差為模式減去實(shí)況，這6個(gè)降水目標(biāo)不符合要求，故最終用于本文分析的降水目標(biāo)數(shù)為69個(gè)。

最后，為了進(jìn)一步分析模式降水預(yù)報(bào)偏差對(duì)應(yīng)的天氣尺度影響系統(tǒng)，將質(zhì)心偏差大于等于0.75°的個(gè)例按照質(zhì)心偏差方向分為西北、東北、西南和東南四種類型，并對(duì)不同偏差類型下的環(huán)流形勢(shì)及天氣尺度影響系統(tǒng)進(jìn)行了分析。值得注意的是，少數(shù)強(qiáng)降水個(gè)例中能識(shí)別出2～3個(gè)降水目標(biāo)，通過(guò)天氣形勢(shì)分析確定該個(gè)例主雨帶，最終基于主雨帶誤差特征進(jìn)行個(gè)例挑選和分析。

3 模式降水預(yù)報(bào)誤差特征

圖1為華南前汛期強(qiáng)降水個(gè)例的預(yù)報(bào)誤差總體分布。從圖1a可以看出，大部分個(gè)例都存在落區(qū)誤差，偏差大于0.25°的個(gè)例占總個(gè)例數(shù)的87%左右，最大偏差為2.75°。從偏差分布上看，經(jīng)向偏差更明顯，其分布特征與西南地區(qū)東部不同[19]。其中預(yù)報(bào)偏北（經(jīng)向偏差大于0）的個(gè)例（45個(gè)）多于偏南的個(gè)例，占總個(gè)例數(shù)的65%左右，平均偏北0.6°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.45°；預(yù)報(bào)偏西（緯向偏差小于0）的個(gè)例42個(gè)，平均偏西0.86°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.67°。而對(duì)于強(qiáng)度誤差，模式預(yù)報(bào)的大雨及以上量級(jí)的強(qiáng)降水面積較實(shí)況偏大的個(gè)例多（60%），且實(shí)況降水面積越大，模式預(yù)報(bào)的強(qiáng)降水面積偏大的概率越大（圖1b）。對(duì)于大雨及以上量級(jí)的平均降水，模式預(yù)報(bào)的降水平均值較實(shí)況偏小的概率大（圖1c）。對(duì)于最大降水量，模式預(yù)報(bào)較實(shí)況偏小的個(gè)例多，尤其是實(shí)況日降水最大值在200 mm以上時(shí)，模式預(yù)報(bào)均偏?。▓D1d）。區(qū)域總降水量與降水面積預(yù)報(bào)誤差特征類似，模式預(yù)報(bào)的區(qū)域總降水量較實(shí)況偏大的可能性更大些（57%）（圖1e）。從以上分析可以看出，模式預(yù)報(bào)的華南前汛期強(qiáng)降水較實(shí)況偏北的概率大，且強(qiáng)降水面積易偏大，但平均雨強(qiáng)、最大降水量偏小的概率大。

圖1 模式降水落區(qū)質(zhì)心位置較實(shí)況的偏差頻次空間分布（a，單位：°）和69個(gè)降水目標(biāo)實(shí)況和預(yù)報(bào)的強(qiáng)度分布散點(diǎn)圖（b～e） b.大雨及以上量級(jí)的降水格點(diǎn)數(shù)；c.大雨及以上量級(jí)的平均降水量（單位：mm）；d.最大降水量（單位：mm）；e.區(qū)域總降水量（單位：103 mm·m2）。圖a數(shù)字為預(yù)報(bào)偏差位于每個(gè)0.25°×0.25°網(wǎng)格內(nèi)的CRA個(gè)數(shù)。

表1給出了華南前汛期強(qiáng)降水三種誤差占總誤差的比重，可以看出，形態(tài)誤差占比最大，達(dá)63%左右，其次是落區(qū)誤差，約為30%左右，強(qiáng)度誤差占比最小，僅7%左右，這個(gè)誤差分布結(jié)果與符嬌蘭等[19]的結(jié)果類似，可能是由于全球模式分辨率較低導(dǎo)致其不能較好體現(xiàn)降水的中尺度特征，從而造成降水形態(tài)分布差異較大。

表1 華南前汛期強(qiáng)降水落區(qū)、強(qiáng)度、形態(tài)誤差平均占比

4 不同類型模式降水落區(qū)預(yù)報(bào)偏差分析

按照落區(qū)預(yù)報(bào)誤差分布，將具有落區(qū)誤差的降水個(gè)例分為西北、東北、西南、東南四種類型?？紤]到偏差較大的個(gè)例更具有代表性，主要分析落區(qū)偏差大于等于0.75°的個(gè)例。圖2給出了質(zhì)心偏差大于等于0.75°的個(gè)例頻次分布，可以看出，質(zhì)心偏差大于等于0.75°的個(gè)例（31個(gè)）占總個(gè)例數(shù)的45%，其中西北型（13個(gè)）和東北型（11個(gè)）個(gè)例共有24個(gè)，占質(zhì)心偏差大于等于0.75°個(gè)例數(shù)的77%（圖2a）。另外，東南型個(gè)例只有一個(gè)。從各類型分布的月份來(lái)看，質(zhì)心偏差大于等于0.75°的個(gè)例主要出現(xiàn)在5—6月（24個(gè)），且以西北型和東北型個(gè)例為主，其中4月份三種落區(qū)偏差類型個(gè)例出現(xiàn)的頻次相當(dāng)；5月以西北型的個(gè)例（7個(gè)）為主，約占5月總個(gè)例數(shù)（11個(gè)）的64%；6月東北型的個(gè)例（7個(gè)）最多，占6月總個(gè)例數(shù)（13個(gè)）的54%，其次是西北型的個(gè)例，有4個(gè)（圖2b）。

圖2 不同降水落區(qū)預(yù)報(bào)偏差類型個(gè)例頻次分布（單位：個(gè)） a.總體分布；b.4—6月逐月分布。

圖3給出了不同落區(qū)偏差（偏差大于等于0.75°）個(gè)例降水質(zhì)心位置的空間分布。對(duì)于西北型個(gè)例，實(shí)況降水質(zhì)心主要位于華南中北部，預(yù)報(bào)的質(zhì)心位于華南西北部；對(duì)于東北型個(gè)例，實(shí)況降水質(zhì)心主要位于華南中南部，模式預(yù)報(bào)的降水質(zhì)心主要位于華南北部；而對(duì)于西南型個(gè)例，實(shí)況降水質(zhì)心主要位于湖南南部和廣東中北部，模式預(yù)報(bào)的降水質(zhì)心主要位于廣西東部及周邊地區(qū)。

圖3 不同降水落區(qū)預(yù)報(bào)偏差個(gè)例質(zhì)心位置分布圖 a.觀測(cè)；b.EC模式36 h預(yù)報(bào)。黑點(diǎn)代表西北型個(gè)例，藍(lán)色三角形代表東北型個(gè)例，紅色六邊形代表西南型個(gè)例。

為了進(jìn)一步分析上述三種降水落區(qū)預(yù)報(bào)偏差的特征，分別對(duì)其大雨及以上量級(jí)降水的格點(diǎn)數(shù)、平均值及最大降水量進(jìn)行分析。圖4是不同偏差類型大雨及以上量級(jí)降水面積，可以看出，東北型個(gè)例模式降水面積大于實(shí)況的概率大，而西北型個(gè)例沒(méi)有明顯傾向，但其降水面積大的個(gè)例模式降水預(yù)報(bào)大于實(shí)況的概率大，降水面積小的個(gè)例模式降水預(yù)報(bào)偏小的概率大。另外，東北型個(gè)例的絕大部分個(gè)例降水面積都在200個(gè)格點(diǎn)以下（圖4b）。對(duì)于平均降水，西北型和東北型個(gè)例模式預(yù)報(bào)平均雨強(qiáng)較實(shí)況偏小，而西南型個(gè)例模式預(yù)報(bào)和實(shí)況較為接近（圖5）。模式預(yù)報(bào)的最大降水量，僅西北型個(gè)例低估了最大降水量，東北型和西南型個(gè)例則沒(méi)有明顯偏差傾向（圖6）?？梢?jiàn)，西北型個(gè)例強(qiáng)度系統(tǒng)性偏差表現(xiàn)在平均降水和最大降水的低估，東北型個(gè)例則表現(xiàn)為降雨面積偏大、平均降水偏小的強(qiáng)度系統(tǒng)性偏差，西南型個(gè)例在強(qiáng)度預(yù)報(bào)上沒(méi)有明顯的系統(tǒng)性誤差。

圖4 不同偏差類型觀測(cè)與預(yù)報(bào)的大雨及以上量級(jí)降水格點(diǎn)數(shù)散點(diǎn)圖 a.西北型；b.東北型；c.西南型。

圖5 同圖4，但為大雨及以上量級(jí)的平均降水量 單位：mm。

圖6 同圖4，但為最大降水量 單位：mm。

Rodwell等[26]對(duì)流依賴的模式預(yù)報(bào)誤差及改進(jìn)流依賴的模式可預(yù)報(bào)性問(wèn)題進(jìn)行了探討，指出高空槽型對(duì)流性天氣不確定性非常大。中央氣象臺(tái)多年模式應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也表明：在相似的環(huán)流型和環(huán)境條件下，模式降水預(yù)報(bào)誤差特征具有共性，符嬌蘭等[19]對(duì)西南地區(qū)東部強(qiáng)降水分析結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。那么，華南地區(qū)是否具有類似的偏差特性?為了了解模式不同預(yù)報(bào)誤差對(duì)應(yīng)的環(huán)流特征以及天氣尺度影響系統(tǒng)，將具有降水落區(qū)預(yù)報(bào)偏差（偏差大于等于0.75°）相似個(gè)例的環(huán)流形勢(shì)和影響系統(tǒng)進(jìn)行逐一分析。根據(jù)廣東省氣象局《廣東省天氣預(yù)報(bào)技術(shù)手冊(cè)》[27]的總結(jié)，按照其主要環(huán)流形勢(shì)及天氣尺度影響系統(tǒng)進(jìn)行分類。表2顯示，西南型個(gè)例，中高緯度環(huán)流主要以多波動(dòng)型為主，低緯度受南支槽或波動(dòng)及副高影響，其中5個(gè)個(gè)例天氣尺度系統(tǒng)高層為南支波動(dòng)與中緯度短波槽，低層為低渦（2例）、冷式切變線（2例）、暖式切變線（1例）及低空急流（4例），有1例天氣尺度系統(tǒng)為長(zhǎng)波槽、冷式切變線與低空急流。

表2 各類預(yù)報(bào)偏差類型個(gè)例的環(huán)流形勢(shì)及天氣尺度影響系統(tǒng)“√”符號(hào)表示出現(xiàn)某類型環(huán)流形勢(shì)和天氣尺度系統(tǒng)，日期160410表示2016年4月9日08時(shí)—10日08時(shí)。

西北型個(gè)例，中高緯度環(huán)流多波型、一槽一脊型均有出現(xiàn)，各占50%左右，低緯度受副高影響，40%個(gè)例中低緯度有南支槽或波動(dòng)活動(dòng)，其中高空受長(zhǎng)波槽或東北冷渦影響個(gè)例居多，有7個(gè)個(gè)例，南支波動(dòng)及中緯度短波槽個(gè)例有5個(gè)，低層以冷式切變線影響為主，共有9例，暖式切變線3例，低渦1例，6個(gè)個(gè)例有低空急流發(fā)展。東北型個(gè)例，中高緯度主要以一槽一脊型居多，占比60%以上，多波動(dòng)型占比低于40%，大部分個(gè)例低緯度受南支槽或波動(dòng)及副高影響，天氣尺度系統(tǒng)主要以南支波動(dòng)及中緯度短波槽為主，共有8例，占比70%以上，長(zhǎng)波槽型僅有1個(gè)個(gè)例，低層系統(tǒng)并未出現(xiàn)明顯偏好，低渦（2例）、冷式切變線（4例）、暖式切變線（5例）均有出現(xiàn)，有50%以上個(gè)例伴有低空急流發(fā)展。

綜上所述，西南型個(gè)例中高緯度多波動(dòng)型，主要以南支波動(dòng)與中緯度短波槽影響為主，低層受低渦或切變線以及低空急流影響；西北型個(gè)例中高緯度環(huán)流分為兩類，高層天氣尺度影響系統(tǒng)以長(zhǎng)波槽或東北冷渦居多，低層以冷式切變線為主；東北型以一槽一脊型居多，但高層天氣尺度系統(tǒng)與西南型類似，主要以南支波動(dòng)及中緯度短波為主，低層系統(tǒng)主要受冷、暖式切變線與低空急流影響。通過(guò)上述不同偏差類型個(gè)例分析發(fā)現(xiàn)，盡管各類偏差類型的環(huán)流特征具有一定的差異，但是僅依靠環(huán)流形勢(shì)和天氣尺度影響系統(tǒng)判別華南地區(qū)前汛期模式強(qiáng)降水落區(qū)偏差類型是不夠的，例如：2016年5月5日與2016年4月16日環(huán)流特征及天氣尺度影響系統(tǒng)相似度非常高，但落區(qū)偏差卻不同，可見(jiàn)，強(qiáng)降水落區(qū)偏差不僅與環(huán)流形勢(shì)和天氣尺度影響系統(tǒng)有關(guān)，可能還與中尺度系統(tǒng)的預(yù)報(bào)偏差有關(guān)，值得進(jìn)一步進(jìn)行深入探討。

5 不同降水落區(qū)預(yù)報(bào)性能的個(gè)例對(duì)比分析

圖1a顯示盡管大部分個(gè)例降水落區(qū)預(yù)報(bào)存在一定偏差，但仍有部分（約13%）個(gè)例落區(qū)預(yù)報(bào)偏差非常小，基本與實(shí)況一致。表明有些降水個(gè)例模式的可預(yù)報(bào)性較高。那么華南前汛期什么類型的個(gè)例模式預(yù)報(bào)效果好，預(yù)報(bào)較差的個(gè)例又有哪些特征？搞清楚上述問(wèn)題將能為預(yù)報(bào)員合理使用模式指導(dǎo)預(yù)報(bào)，訂正調(diào)整模式預(yù)報(bào)結(jié)果提供科學(xué)依據(jù)。為此，本文選取了一個(gè)降水落區(qū)偏差較大的個(gè)例（2017年5月8日08時(shí)—9日08時(shí)）和一個(gè)落區(qū)預(yù)報(bào)相對(duì)準(zhǔn)確的個(gè)例（2018年5月26日08時(shí)—27日08時(shí)），試圖從環(huán)流形勢(shì)、環(huán)境條件、對(duì)流發(fā)展和降水演變情況以及模式預(yù)報(bào)情況等方面進(jìn)行對(duì)比分析，初步對(duì)不同類型降水落區(qū)模式可預(yù)報(bào)性問(wèn)題進(jìn)行探討（圖7）。

2017年5月8日08時(shí)—9日08時(shí)，受高空槽東移影響，廣西東部、廣東和江西中部出現(xiàn)了大雨及以上量級(jí)降水，而模式預(yù)報(bào)強(qiáng)降水雨帶偏北明顯，主要出現(xiàn)在江西南部、福建西部、浙江西部和廣東北部（圖7a）。從500 hPa環(huán)流形勢(shì)上看，5月8日08時(shí)華北南部到華南有一低槽；低層有切變線從江南中北部延伸至廣西北部（圖7c）。5月8日20時(shí)，副高東退到海上，其西側(cè)西南風(fēng)向華南和江南地區(qū)輸送水汽。隨著高空槽快速東移，9日02時(shí)低層切變線迅速移至江南東部沿海至華南沿海一帶，此時(shí)強(qiáng)降水基本趨于結(jié)束（圖略）。不穩(wěn)定能量大于500 J/kg的地區(qū)主要位于華南中南部，整層可降水量大于50 mm的地區(qū)也主要位于江西中部和華南中南部地區(qū)（圖7e）。圖8a給出了最強(qiáng)降水時(shí)刻（18時(shí)）比濕、垂直速度及假相當(dāng)位溫剖面圖，可以看出，在高空槽前，從800 hPa到200 hPa有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，低層比濕達(dá)14 g/kg，切變線以南區(qū)域?qū)α鲗又邢聦哟嬖谝欢ǖ膶?duì)流不穩(wěn)定，且0～6 km風(fēng)切變較強(qiáng)，有利于對(duì)流組織化發(fā)展；降水出現(xiàn)在850 hPa切變線及其以南地區(qū)（圖8c）。強(qiáng)對(duì)流實(shí)況監(jiān)測(cè)顯示，8日廣西、廣東以及江西等地出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)天氣（圖略）。雷達(dá)組合反射率顯示（圖9），線狀對(duì)流或颮線中尺度系統(tǒng)自廣西西北部向東南方向快速移動(dòng)，進(jìn)入華南中南部以后再度發(fā)展，01時(shí)前后東移入海，造成了廣東等地強(qiáng)降水。實(shí)況降水主要出現(xiàn)在切變線南段對(duì)流發(fā)展條件較好的區(qū)域，而模式強(qiáng)降水出現(xiàn)在切變線東段天氣尺度抬升更強(qiáng)的江西和廣東北部，對(duì)流進(jìn)入廣東造成的降水預(yù)報(bào)明顯偏弱，從而導(dǎo)致降水落區(qū)較實(shí)況落區(qū)明顯偏北。

圖9 2017年5月8日08時(shí)（a）、8日11時(shí)（b）、8日13時(shí)（c）、8日17時(shí)（d）、8日20時(shí)（e）和9日01時(shí)（f）雷達(dá)組合反射率

2018年5月26日08時(shí)—27日08時(shí)湖南西部、貴州南部和東部、廣西西南部和云南東部出現(xiàn)大到暴雨（圖7b），模式預(yù)報(bào)的大雨落區(qū)與實(shí)況基本一致。此次降水過(guò)程，貝加爾湖地區(qū)500 hPa有一低渦，低渦后部冷空氣從西路南下影響江南、華南地區(qū)，副高及大陸高壓控制江南、華南大部地區(qū)，26日08時(shí)切變線位于廣西和貴州南部一帶（圖7d）。由于副高勢(shì)力較強(qiáng)，高層無(wú)明顯的波動(dòng)活動(dòng)，切變線移動(dòng)非常緩慢，27日08時(shí)切變線西段才移至廣西中部（圖略）。切變線南側(cè)西南風(fēng)較弱，西南風(fēng)內(nèi)輻合區(qū)域位于廣西東部至廣東西部一帶，此外，江南大部、貴州、華南等地不穩(wěn)定能量和整層可降水量都很大（圖7f）。從最強(qiáng)降水時(shí)刻（23時(shí)）的比濕、垂直速度及假相當(dāng)位溫剖面圖（圖8b）可以看出，25°N以南切變線附近有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，此外在廣西東部也有弱的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，對(duì)應(yīng)西南風(fēng)內(nèi)的輻合區(qū)，低層比濕達(dá)16～18 g/kg，并伴有明顯的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，但整層風(fēng)速及風(fēng)切變都小，不利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)的組織化發(fā)展；強(qiáng)降水主要位于850 hPa切變線附近，此外，在西南風(fēng)輻合區(qū)內(nèi)也有一些弱的降水（圖8d）。強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)顯示，此次降水主要以短時(shí)強(qiáng)降水為主（圖略）。雷達(dá)組合反射率顯示（圖10），26日09時(shí)，湖南西部至貴州南部有線狀對(duì)流發(fā)展，但尺度較小，向東向南緩慢移動(dòng)，13時(shí)，進(jìn)入廣西西北部后對(duì)流有所發(fā)展，但移動(dòng)非常緩慢，23時(shí)對(duì)流系統(tǒng)依然維持在廣西西北部，且其組織化程度20時(shí)之后明顯減弱，27日08時(shí)，該對(duì)流系統(tǒng)才東移至華南中部，由于對(duì)流系統(tǒng)在東移過(guò)程中并未組織化發(fā)展，因此并未在暖區(qū)內(nèi)造成大范圍的強(qiáng)降水。實(shí)況強(qiáng)降水也主要出現(xiàn)在切變線附近，與模式預(yù)報(bào)較為一致。

圖7 a.2017年5月8日08時(shí)—9日08時(shí)（北京時(shí)，下同）24 h累計(jì)降水量（等值線為EC預(yù)報(bào)，填色為實(shí)況，單位：mm）；b.同a，但為2018年5月26日08時(shí)—27日08時(shí)；c.2017年5月8日08時(shí)的500 hPa高度場(chǎng)（等值線，單位：dagpm）和925 hPa風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿），填色為實(shí)況降水（單位：mm）；d.同c，但為2018年5月26日；e.2017年5月8日08時(shí)的CAPE（等值線，單位：J/kg）和PWAT（填色，單位：mm）；f.同e，但為2018年5月26日08時(shí)。

圖8 a.2017年5月8日18時(shí)沿113°E的垂直速度（黑色虛線，單位：pa/s）、比濕（藍(lán)色實(shí)線，單位：g/kg）、假相當(dāng)位溫（填色，單位：K）和風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿）經(jīng)向-高度剖面圖；b.2018年5月26日23時(shí)沿106.0°E，25.2°N至107.7°E，22.2°N的垂直速度（黑色虛線，單位：pa/s）、比濕（藍(lán)色實(shí)線，單位：g/kg）、假相當(dāng)位溫（填色，單位：K）和風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿）剖面圖；c.2017年5月8日18時(shí)沿113°E的小時(shí)降水量（單位：mm）；d.2018年5月26日23時(shí)沿106.0°E，25.2°N至107.7°E，22.2°N的小時(shí)降水量（單位：mm）。

圖10 同圖9，但為2018年5月26日09時(shí)（a）、26日13時(shí)（b）、26日17時(shí)（c）、26日20時(shí)（d）、26日23時(shí)（e）和27日08時(shí)（f）

從這兩個(gè)個(gè)例可以看出，EC全球模式對(duì)于因颮線等線狀對(duì)流系統(tǒng)造成的對(duì)流性強(qiáng)降水落區(qū)偏差較大；而對(duì)于切變線附近對(duì)流組織化發(fā)展不好的中尺度系統(tǒng)造成的強(qiáng)降水落區(qū)偏差相對(duì)較小。這可能是與颮線等線狀系統(tǒng)本身的可預(yù)報(bào)性較低有關(guān)系[28]?；诃h(huán)流形勢(shì)、對(duì)流發(fā)展環(huán)境條件以及業(yè)務(wù)中尺度模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品的分析，可對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)組織化發(fā)展趨勢(shì)以及EC模式對(duì)強(qiáng)降水的可預(yù)報(bào)性進(jìn)行預(yù)判，從而幫助預(yù)報(bào)員科學(xué)甄別模式指導(dǎo)產(chǎn)品的可靠性。

6 結(jié)論和討論

本文利用CRA空間檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)EC模式36 h時(shí)效預(yù)報(bào)的2016—2018年4—6月華南前汛期69個(gè)降水目標(biāo)進(jìn)行了檢驗(yàn)評(píng)估，統(tǒng)計(jì)分析了強(qiáng)降水雨帶落區(qū)和強(qiáng)度偏差特征，并對(duì)不同預(yù)報(bào)偏差類型個(gè)例的環(huán)流特征及天氣尺度影響系統(tǒng)進(jìn)行分析，最后通過(guò)典型個(gè)例對(duì)比分析初步探討了華南前汛期強(qiáng)降雨落區(qū)模式可預(yù)報(bào)性問(wèn)題，主要得到以下結(jié)論。

（1）華南前汛期強(qiáng)降水個(gè)例大部分雨帶存在偏差（約占87%），以經(jīng)向偏差為主，其中偏北的個(gè)例多于偏南的個(gè)例，偏西的個(gè)例多于偏東的個(gè)例，最大偏差為2.75°。模式預(yù)報(bào)的大雨及以上量級(jí)的降雨面積比實(shí)況要大，而預(yù)報(bào)的平均降水量較實(shí)況偏小的個(gè)例多；模式預(yù)報(bào)的最大降水量偏小的概率大。

（2）4月不同降水落區(qū)預(yù)報(bào)偏差類型個(gè)例出現(xiàn)頻次相當(dāng)，5月西北型個(gè)例為主、6月東北型個(gè)例最多。不同降水落區(qū)預(yù)報(bào)偏差類型對(duì)應(yīng)的環(huán)流特征與天氣尺度影響系統(tǒng)具有一定的差異性。西北型個(gè)例天氣尺度影響系統(tǒng)以長(zhǎng)波槽或東北冷渦、冷式切變線為主，這與西南型、東北型影響系統(tǒng)不同。西南型、東北型主要以南支波動(dòng)與中緯度短波槽影響為主，低層受低渦或切變線以及低空急流影響，二者主要區(qū)別體現(xiàn)在中高緯度環(huán)流特征上，前者以多波動(dòng)型為主，后者為一槽一脊型為主。

（3）模式對(duì)冷式切變線附近組織化好的線狀對(duì)流系統(tǒng)造成的強(qiáng)降雨落區(qū)可預(yù)報(bào)性較低，模式落區(qū)誤差較大，而對(duì)于切變線及暖區(qū)附近對(duì)流組織化條件差的強(qiáng)降雨個(gè)例落區(qū)可預(yù)報(bào)性較高，模式預(yù)報(bào)落區(qū)與實(shí)況較為一致。

目前模式對(duì)大部分華南前汛期區(qū)域性暴雨有一定的預(yù)報(bào)能力，但其強(qiáng)度和位置還存在較大偏差。本文通過(guò)基于目標(biāo)的空間檢驗(yàn)方法（CRA）對(duì)2016—2018年華南前汛期強(qiáng)降水雨帶的位置和強(qiáng)度進(jìn)行了檢驗(yàn)，并對(duì)不同偏差類型個(gè)例的環(huán)流特征及天氣尺度影響系統(tǒng)進(jìn)行了分析，初步探討了模式對(duì)不同類型對(duì)流系統(tǒng)造成強(qiáng)降水的可預(yù)報(bào)性問(wèn)題，可為預(yù)報(bào)員訂正模式提供一定的思路。然而，實(shí)際上每次暴雨的對(duì)流觸發(fā)機(jī)制、與環(huán)境場(chǎng)的相互作用等方面的機(jī)制尚不十分清楚，還需要針對(duì)更多強(qiáng)降水個(gè)例模式中尺度系統(tǒng)可預(yù)報(bào)性問(wèn)題進(jìn)行深入的分析。另外，錢維宏等[29]通過(guò)擾動(dòng)法將模式預(yù)報(bào)的風(fēng)場(chǎng)分解為氣候風(fēng)場(chǎng)、行星尺度瞬時(shí)擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)和天氣尺度瞬時(shí)擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)中國(guó)大陸暴雨帶多位于擾動(dòng)風(fēng)的輻合線上，且擾動(dòng)系統(tǒng)指示區(qū)域暴雨的平均提前時(shí)間為6.7天；Jiang等[30]綜合使用兩種擾動(dòng)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)EC模式提高極端降水預(yù)測(cè)時(shí)間。這為訂正模式暴雨預(yù)報(bào)提供了預(yù)報(bào)思路，將來(lái)有必要結(jié)合擾動(dòng)法以及模式預(yù)報(bào)誤差探討雨帶訂正方法。

值得指出的是，本文僅對(duì)華南前汛期出現(xiàn)區(qū)域性強(qiáng)降雨時(shí)EC模式落區(qū)和強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏差進(jìn)行了分析，實(shí)際上盡管模式分辨率不斷提高，降水預(yù)報(bào)性能逐步提升，EC模式仍存在一定的漏報(bào)和空?qǐng)?bào)情況。業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)發(fā)現(xiàn)，EC模式容易漏報(bào)華南前汛期暖區(qū)局地暴雨，而在4月份前后EC模式對(duì)貴州至廣西一帶強(qiáng)降雨的預(yù)報(bào)會(huì)明顯空?qǐng)?bào)的情況，因此未來(lái)還需要對(duì)EC模式上述空?qǐng)?bào)、漏報(bào)的情況進(jìn)行深入的分析，從而為預(yù)報(bào)員提供更全面的模式性能評(píng)估的參考信息。