CMA-SH9及ECMWF模式對龍巖市一次暴雨預報檢驗分析*

曾凡輝, 倪 悅, 鄭敏煜

（福建省龍巖市氣象局, 福建 龍巖 364000）

0 引言

每年前汛期（4～6 月）暖區暴雨, 因其具有降水強度大、時效性短、局地性強等特點[1］, 極易造成洪澇災害, 常常給人民生命財產和社會經濟帶來巨大損失。目前, 暖區暴雨已成為福建省最主要的氣象災害之一, 暖區暴雨由于其受復雜地形、下墊面的作用, 一直以來都是福建地區預報中的重點和難點之一。近年來, 隨著中尺度數值模式的迅速發展, 人們對暴雨過程進行了大量數值模擬研究, 加深了對暖區暴雨的認識[2-4］。另外, 伴隨公眾對氣象服務產品要求的不斷細化, 數值預報產品尤其是高分辨率數值模式產品, 已經成為目前也是今后一個較長時期內現代天氣預報技術的基礎[5］。目前, 模式降水預報產品已成為業務預報中重要的參考依據, 但不同模式在不同地區的適用性仍存在著一定的差異性[6-8］。

目前, 諸多學者對模式降水的檢驗工作進行了大量研究, 并取得了豐碩的成果。潘留杰等[9］使用ECMWF 模式對東北半球氣象要素場預報能力的檢驗指出, 模式對高層的預報能力優于低層, 但模式對700 hPa風場的預報存在顯著差異。范水勇等[10］采用客觀檢驗方法對不同分辨率模式進行研究表明, 高分辨率區域模式降水預報效果較好, 尤其對大量級降水預報。王雨[11］應用TS（Threat Score）評分等統計方法研究了不同模式降水預報能力的差異。耿建軍[12］用客觀檢驗方法對ECMWF、T639 數值模式降水預報的檢驗表明, 數值模式對明顯大尺度系統影響的降水過程預報效果較好, ECMWF對該次過程的預報能力優于T639。

文章基于ECMWF 模式及CMA-SH9 模式, 通過計算實況與各家模式的相關系數和均方根誤差等參量, 對2019年5月27日午后發生于福建省龍巖市境內的一次短時強降水過程進行模式檢驗分析, 綜合評估適用于龍巖地區的模式產品, 從而進一步提高對該地區模式預報產品的釋用能力, 為預報員的預報和決策服務提供更科學的參考。

1 天氣實況

2019 年5 月27 日下午, 福建省龍巖市境內出現一次局地短時強降水過程, 根據區域自動站的降水統計, 27日08：00～28日08：00（北京時, 下同）共計14個站點24 h累計雨量超過50 mm, 24 h累計雨量以長汀縣長汀一中站點97.0 mm為最大, 最大小時雨量達48.7 mm（長汀一中站點）。從雨區空間分布來看（圖1）, 此次降水過程大致可劃分南北兩個強降水區, 27 日18：00 北部開始受到上游回波移入影響, 出現超過40 mm/h的短時強降水, 降水持續長達3 h, 且降水區域范圍較集中；南部降水則相對分散, 且持續時間較短（1～2 h）。此次短時強降水主要集中于長汀縣城區境內, 造成長汀縣城區多處民房被淹, 城區部分低洼路段短時積水, 最深約20 cm；共計13 名群眾被水圍困；部分鄉鎮民房出現溜方, 過程未造成人員傷亡。

圖1 2019年5月27日08：00～28日08：00累計降水雨量（單位：mm）分布

2 環流背景及物理量場分析

曾凡輝[13］對此次降水過程環流背景場進行詳細分析, 此處僅作簡要概述。此次過程中低緯多短槽波動, 東移高原槽與強盛南之槽在雨區上游相結合, 是誘發此次強降水過程的主要天氣因素之一。暴雨發生前, 副高穩定維持于我國南海沿岸, 龍巖處副高北側邊緣, 受西南氣流影響, 穩定的環流形勢有利于暖濕水汽向暴雨區上空的持續輸送, 為強降水的發生提供充足的水汽。27 日午后雨區上空大氣層結處于不穩定狀態, 而中低層受暖脊控制, 近地面有弱冷空氣擴散配合, 有利于對流降水進一步的觸發與維持。

對比分析地面區域自動氣象站的風場與降水隨時間的分布特征（圖2）, 發現近地面層輻合線與降水有較好的匹配關系, 輻合線的生成、發展和消散過程與此次降水過程有著密切的關系。27日14：00, 地面輻合線主要位于龍巖偏北位置, 受其影響長汀境內局部近地面風場開始轉北風, 但大部分仍以南風為主, 輻合線附近產生分散弱降水；15：00 龍巖市西南部地面風速加大（局部超過8 m·s-1）, 地面輻合線在南部也有生成, 有利南部對流觸發并導致強降水的發生。與此同時, 北部輻合線持續維持于長汀境內。南、北輻合線附近仍有零星弱降水的產生；17：00 西南部的地面輻合線東移, 對應南部雨區整體有所東移。北部長汀境內的輻合線略有南壓（大致位于長汀、連城、武平三縣交界處）, 輻合線北側北風有所加大（局部超過8 m·s-1）, 長汀主要降雨區處于風速輻合區內, 有利于北部強降水的觸發與維持, 長汀縣局部（城區）17:00 降雨達大雨量級；至27日22：00, 南、北輻合線完全東移出龍巖市境內, 降水也趨于減弱并結束。

圖2 龍巖市區域自動站極大風向風速（單位：m·s-1）和小時雨量演變

3 數值預報應用情況與檢驗分析

3.1 檢驗要素

環流形勢包括U和V風場（925、850、700、500、200 hPa, 簡稱U925、U850、U700、U500、U200, V 同理）、500 hPa高度場（簡稱HGT500）；物理量要素包括2 m氣溫（簡稱2t）、溫 度（925、850、700、500、200 hPa, 簡 稱tt925、tt850、tt700、tt500、tt200）、K指數、比濕（925、850、700 hPa, 簡稱q925、q850、q700）和相對濕度（925、850、700 hPa, 簡稱rh925、rh850、rh700）。要素檢驗范圍為（24°～26.5°N, 115.5°～118°E）。環流形勢和物理量要素檢驗時次為2019 年5 月26 日～27 日08：00、20：00 起報的27～28 日的要素場, 降水檢驗時段為2019 年5 月27 日08：00～28日08：00（BT）。

3.2 檢驗結果

3.2.1 降水檢驗

從實況降水空間分布來看（圖1）, 2019年5月27日08：00～28 日08：00, 龍巖市西北、西南及中東部實況均出現大雨以上量級降水, 長汀與新羅的北部、上杭南部等部分區域達暴雨量級；全球模式ECWMF在5月27日08：00起報的24 h預報降水強度偏弱, 以中等強度降水為主, 西北部長汀縣局部有大雨, 對長汀的暴雨降水存在漏報, 且未準確預報出南部大雨及以上量級的強降水, 強降水中心整體偏西, 降水落區形態與實況相差較大；與ECWMF 模式相比, 國產中尺度數值模式CMASH9 在相同起報時間內, 對24 h 降水量級和降水落區形態的預報較為準確。與降水實況相比較, CMA-SH9對于強降水落區及強度的預報上仍存在一定偏差, 長汀暴雨中心預報位置偏北、降水強度偏強（24 h預報降水超過100 mm, 達大暴雨量級, 但實況為暴雨量級, 累計雨量最大為長汀一中站點99 mm）。同時, CMA-SH9模式對較分散的南部降水區預報強降水范圍偏大、強度偏強。綜上分析, ECWMF 與CMA-SH9 模式在對強降水中心位置及形態的預報上均存在偏差, 相較而言, CMA-SH9 模式的降水預報產品對此次強降水落區和強度預報具有較好指導意義。

3.2.2 環流形勢場檢驗

從各預報時效檢驗來看, ECWMF 模式預報產品500 hPa高度場的均方根誤差明顯低于CMA-SH9模式（圖3a）, 表明ECWMF對高層的環流形勢, 尤其是500 hPa高度場預報效果要優于CMA-SH9模式產品, 其對于大尺度的高空環流形勢具有較好的預報參考性。對于不同高度（200、500、700、850 和925 hPa, 下同）風場U 各時效均方根誤差, ECWMF 模式明顯大于CMA-SH9 模式, 且ECWMF模式產品的預報誤差隨高度增加而呈現處出非線性的變化, 925 hPa與500 hPa 的預報誤差最小, 850 hPa 的預報誤差最大；CMA-SH9模式對于不同高度（200、500、700、850和925 hPa）上的U風場預報誤差則相對比較接近, 且誤差明顯低于ECMWF。ECWMF 各預報時效200 hPa、500 hPa和700 hPa 高度風場V 的預報誤差大于CMA-SH9, 其余高度風場V 預報誤差與CMA-SH9 持平, ECWMF 對于V 風場的預報誤差隨高度增加而明顯增大, 但是CMA-SH9模式的預報誤差隨高度的變化不明顯。

ECWMF模式對于各時效500 hPa高度預報的相關系數（圖3b）要明顯高于CMA-SH9, 200 hPa 層結高度情況相反, 其余高度場上ECWMF 為負相關, 可參考性較差。ECWMF模式在各預報時效內200 hPa和500 hPa高度場上對于U 參量預報風場均為正相關（圖3b）, 且500 hPa的U風場預報的相關性要明顯高于CMA-SH9, 但200 hPa 的情況則相反, 其他高度上（700、850 和925 hPa）U風場預報均為負相關, 表明在該范圍高度內ECMWF 模式對U 風場預報的可參考性較差, 而CMASH9 模式除了700 hPa 高度的U 風場預報為負相關外, 其余高度均為正相關, 且相關系數絕對值要明顯高于ECWMF產品。

圖3 模式對環流形勢場12～36 h時效預報檢驗

由圖2可知, 近地層地面輻合線是此次降水過程的主要影響系統之一, 因此對近地層風場的預報效果將直接對降水預報效果產生明顯的影響。參考上述對ECMWF和CMA-SH9兩種模式對風場預報的檢驗分析可知, 基于預報誤差和相關性等參量, 國產CMA-SH9模式對于近地面層風場（925 hPa）的預報效果明顯優于ECMWF, 因此, 此次過程CMA-SH9模式對于對24 h地面降水預報效果優于ECMWF, 這與上文降水檢驗部分的結論相一致。

3.2.3 物理量檢驗

ECWMF 模式對于850 hPa和925 hPa 高度上溫度場的預報均方根誤差（圖4a）明顯小于CMA-SH9（其中, 24 h預報時效內, 二者均方根誤差的差值在0.7 ℃～1 ℃）, 其余高度CMA-SH9 的均方根誤差更小, 且兩個模式預報的均方根誤差差值小于0.2 ℃, 差距不明顯。ECWMF對24 h時效, 溫度場預報的相關性（圖5b）略高于CMA-SH9, 且均為正相關, 除700 hPa高度上溫度的相關性較低之外, 其余高度上的相關性均較大, 超過0.6。相較而言, 此次降水過程CMA-SH9 對于各高度場溫度的預報效果則較差。此外, 從濕度條件檢驗情況來看, ECWMF各預報時效比濕的均方根誤差隨高度呈非線性變化, 先增加后減小, 700 hPa和925 hPa預報誤差大小接近, 相對ECMWF而言, 850 hPa的誤差較大。

由圖4 可知, 除700 hPa 外, ECMWF 預報比濕的相關性隨高度增加而有所提高；ECWMF模式各時效預報925 hPa 和850 hPa 相對濕度的相關系數要明顯高于CMA-SH9 模式預報產品。24 h 時效內, ECMWF 預報低層（850 hPa 和925 hPa）的相對濕度相關性明顯大于中高層（700 hPa）, CMA-SH9 相對濕度則以925 hPa 的相關性為最大, 中上層的相關性則較低。這表明兩家模式對于近地層濕度條件的預報效果均要好于中高層。此外, ECWMF 模式對k 指數預報整體效果較好, 均方根誤差及相關性方面均占優, 表明ECMWF對于熱力參數的預報效果要優于CMA-SH9, 但二者差距不顯著。

圖4 模式對物理量12～36 h時效預報檢驗

4 結論與討論

文章基于全球ECWMF 模式及過程中尺度CMASH9 模式0～24 h 時效的24 h 降水預報資料及同時段自動站觀測降水資料, 對2019 年5 月27 日發生于龍巖境內的一次短時強降水過程進行檢驗分析, 評估兩家模式對此次過程的預報能力, 得出主要結論如下：

（1）此次短時強降水過程主要影響系統為低空急流和近地層輻合線, 暴雨區主要位于低空急流右前側及地面輻合線附近。有利的環流背景條件為暴雨區上空水汽的持續輸送提供了條件, 與此同時, 低層輻合和高層輻散的動力條件配置, 有利于水汽和熱量的垂直輸送與不穩定能量的釋放, 是觸發此次短時強降水非常重要的因素之一。

（2）此次強降水過程中, ECWMF模式和CMA-SH9模式在對于強降水中心位置及其形態的預報上存在著明顯的偏差, 總體而言, ECWMF 模式對于中等強度量級降水空間分布的預報效果要優于CMA-SH9模式, 但對于大雨及以上量級的降水, 其預報效果則要明顯低于CMA-SH9 模式。相較而言, CMA-SH9 模式的降水預報產品對此次強降水落區和強度預報具有較好指導意義。

（3）ECMWF 和CMA-SH9 兩種模式在此次降水過程中, 二者對于物理量場的預報偏差不是特別顯著, 整體而言, ECWMFF 模式對于溫度、濕度、熱力等物理量場的預報效果要略優于CMA-SH9模式。

（4）此次降水過程中, CMA-SH9 模式對于近地面層, 尤其是925 hPa風場預報效果要明顯優于ECMWF, 但高層環流形勢場則以ECMWF 預報更具有參考性。由于此次過程, 主要天氣系統為近地層輻合線, CMASH9 模式對于低層輻合線的預報效果要優于ECMWF。綜合評估此次降水過程, 相較于ECMWF, CMA-SH9 模式對此次強降水整體落區和強度預報具有較好指導意義。