懷化一次非典型性地面暖倒槽鋒生型暴雨預報失誤分析

王 強，崔健榕，王起喚，張 昆，彭艷青

(懷化市氣象局，湖南懷化 418000)

懷化地處湖南西部，地形溝壑起伏，是暴雨多發區，夏季尤甚，暴雨是懷化最主要的氣象災害，懷化暴雨具有強度大、時間集中、突發性強等特點。對暴雨的準確預報、及時預警是氣象防災減災重要決策依據，這也對暴雨預報準確率提出了更高的要求；數值模式預報產品是實際預報業務的重要參考，但是直接依靠數值預報進行降雨落區的預報效果較差。因此開展暴雨過程發生發展機理的研究和數值預報的檢驗工作已成為實際預報業務的重點和難點。國內許多學者已對暴雨發生發展進行了細致深入的分析和研究[1-4]，隨著觀測技術手段的完善和數值模式的發展，數值模式預報目前已經成為暴雨預報工作的重要手段，數值模式能夠對整體天氣形勢有較好的把握，但是對風速大小、冷暖氣流交匯區、鋒生區位置等具體要素或天氣系統往往會有不同程度的偏差，影響最后預報效果[5-9]。地面暖倒槽鋒生型強降雨是影響湖南強降雨的主要類型，具有降雨強度大，對流性明顯的特征[10]，2018年5月25—27日發生在懷化的一次暴雨天氣就是地面暖倒槽鋒生型，但與湖南“典型”的地面暖倒槽鋒生型暴雨不同，它表現出“非典型性”，過程分為降雨特征截然不同的暖區降雨和鋒面降雨兩個階段。本文利用NCEP再分析資料和氣象探測資料，對過程的環流形勢、主要影響系統和EC模式預報偏差等進行分析，探究暴雨形成和落區預報偏差成因，以期為懷化暴雨落區預報提供一些參考依據和思路。

1 天氣實況和預報情況

1.1 降雨實況

2018年5月25—27日，懷化自北向南出現了一次連續性強降雨天氣，懷化北部、西部、中部出現暴雨，其中沅陵、芷江24 h累積雨量高達140～200 mm。分析懷化北部、西部的火場、羅巖及位于兩者中間的松溪鋪站逐小時降雨實況(圖1)，降雨分為兩個階段，第一階段降雨從北部發展，26日凌晨加強，03時起出現短時強降水，04時小時降雨量達45.2 mm，08時之后降雨減弱，松溪鋪站降雨加強，11時達34.1 mm，同時中部強降雨發展，15時羅巖降雨量達31.7 mm，18時之后減弱，雨強在4 mm/h以下。第二階段從27日凌晨開始，但強度明顯減弱，最大雨強12.3 mm/h。

圖1 2018-05-26T00—27T20火場、松溪鋪、羅巖逐小時降雨量變化

1.2 預報情況

對此次暴雨天氣，懷化市氣象臺出現大范圍的空、漏報。檢驗懷化市氣象臺25日16時發布的25日20時至26日20時的城鎮和鄉鎮24 h降雨預報，25日夜間預報北部、西部大雨，其他地區小雨，實況僅在最北部出現大雨、局地暴雨，其他多云；26日白天預報北中部大雨，中部局地暴雨，西部、南部小雨，實況為北部、西部暴雨，其他小到中雨；26日夜間，中南部預報大雨，其他小雨，實況為中部大雨，其他小雨。總體來看，25日夜間北部暴雨漏報，其他地區降雨空報，中南部強降雨預報偏早；26日白天大雨、暴雨的空、漏報最為明顯，預報與實況基本相反。

從EC模式降雨量預報情況來看,24日08時起報(圖略)的25日20時-26日20時的累積雨量僅為中等量級降雨，參考意義不大。對比24日20時和25日08時起報的逐12 h降雨預報(圖2，見第27頁),25日08時起報的25 mm雨帶位置更偏南，效果較差；24日20時起報的25日夜間25 mm雨帶整體偏南(圖2a)，懷化中南部的大雨、暴雨空報，26日白天(圖2b)，懷化北部暴雨漏報，26日夜間(圖略)懷化中南部大雨、暴雨空報。

圖2 2018-05-25T20—26T20逐12 h實況降雨量和模式降雨量(單位為mm)預報(a 26日08時，b 26日20時)(色斑為前12 h實況累積雨量；紅線、黑線分別為EC模式24日20時起報和25日08時起報前12 h累積降雨量預報；審圖號為GS(2019)3082，文見第25頁)

懷化市氣象臺的預報主要參考EC數值模式預報，其結論與EC模式預報有一定的相似性，模式預報偏差以及暖區降雨復雜性導致預報員對降雨過程的整體把握以及24 h大雨、暴雨預報出現較大失誤。

2 大氣環流背景

在強降雨發生前，2018年5月25日20時(圖3a，見第27頁)，歐亞中高緯為兩槽一脊，副高呈帶狀分布，588 dagpm線向東伸展至閩粵一帶，湖南中南部處在高原東部短波槽前和副高西北側的西南氣流中，懷化上空850 hPa風速達16 m/s。700 hPa和850 hPa華南到長江以南有西南急流發展，地面冷空氣在河套以北地區堆積，地面倒槽在湖南發展且有地面輻合線配合，湖南大部分地區地面2 m氣溫超過30 ℃。25日晚上在地面輻合線附近、850 hPa和925 hPa切變線南側強偏南風的輻合中觸發強對流天氣，強降雨在湘西北發展。26日08時(圖3b，見第27頁)貝加爾湖低槽東移，帶動冷空氣南下，冷鋒南壓至湖北西部，副高略有西進北抬，中低緯多短波槽，850 hPa西南急流維持，925 hPa切變線南壓至湘北地區，在850 hPa和925 hPa切變線南側西南急流出口區強烈抬升作用下，強降雨發展，表現為在925 hPa切變線上不斷有對流單體生消東移，形成明顯的“列車效應”。25日20時至26日20時，此階段為暖平流強迫類強對流天氣[11]，屬于副高與冷式切變線相互作用的暖區暴雨，強降雨集中在850 hPa切變線南側，與925 hPa切變線南側的強輻合區配合較好；但是在地面輻合線北側，邊界層擾動在中層西南急流引導下向北傳播，并與低層西南急流輻合共同作用下觸發強降雨。26日20時之后，隨著貝加爾湖低槽的進一步東移，槽后西北氣流引導地面冷空氣大舉南下，在湖南北部冷暖氣流交匯，大氣斜壓性增強，有鋒生，在鋒面附近強迫抬升下，降雨再次加強。由于系統南下速度太快，降雨累積量不大，鋒面南壓出湖南后，濕度減小，轉為鋒后穩定性降雨并逐漸停止。

圖3 2018-05-25T20—26T08天氣形勢分析圖(a 25日20時，b 26日08時；位勢高度單位為dagpm)(文見第25頁)

選取懷化站25日20時、26日08時的溫度對數壓力圖進行分析。25日20時(圖4a，見第27頁)，整層相對較干，濕層主要集中在700 hPa附近，此時降雨主要集中在湘北；26日08時(圖4b，見第27頁)，濕層從底層伸展至600 hPa以上，強降雨向湘西、湘西南擴展，懷化北部降雨持續、西部降雨發展。分析強對流天氣潛勢指數(表1)，K指數、SI指數、CAPE值及θse(500-850)，表明強降水時段大氣層結不穩定，且含有較高的不穩定能量；兩個時次0～6 km垂直風切變為10～12 m/s，0～3 km為5～10 m/s，均屬于中等偏弱垂直風切變，有利于降雨在某一地的累積。綜上，在25日晚上至26日，懷化上空大氣不穩定能量高，濕層逐漸加厚，且處在中等偏弱垂直風切變中，有利于發生以短時強降雨為主的強對流天氣。對比兩個時次，26日08時較25日20時，具有更高K指數值和更低的SI指數值，且濕度層更深厚，比濕更高，水汽含量充足，因此26日白天的降雨強度更大。

圖4 2018-05-25T20—26T08懷化站溫度對數壓力圖(a 25日20時；b 26日08時)(文見第26頁)

表1 2018-05-25T20—26T08強對流天氣潛勢指數

3 預報失誤分析

預報員主要是參考數值模式預報給出的形勢場進行分析，并結合當前衛星云圖、多普勒雷達等實況監測資料，綜合預報員對本地氣候背景把握，研判過程的發生發展，對模式確定性降雨要素預報結果進行修正并得出最后預報結論。此次強降雨天氣過程，EC模式預報穩定性較差，25 mm以上預報效果差，尤其是第一個階段暖區降雨，暴雨漏報嚴重，但是在預報中也給出一些有用的信息，預報員沒有完全捕捉并利用，這一點對于今后此類過程預報有一定借鑒意義。

3.1 形勢預報誤差檢驗

直接引起強降雨的中小尺度系統與有利的大尺度環流背景有關。對500 hPa高度場進行模式預報偏差分析，EC模式預報對東亞地區大尺度天氣系統的預報總體情況不錯，中高緯環流兩槽一脊的環流形勢、貝加爾湖低槽以及其東部高壓脊、亞洲東岸槽、副高等主要天氣系統的預報與實況分析場較為一致，預報誤差主要集中在高壓脊以及副高的強弱和低壓槽位置差異上。25日20時(圖5a，見第28頁)，模式預報的貝加爾湖低壓槽偏強、位置偏東1.5經距，槽前高壓脊強度偏弱。從溫度場預報來看(圖略)，貝加爾湖低槽后冷中心的預報較實況偏強(預報為-30 ℃，實況為-24 ℃)，脊前-16 ℃暖區伸展位置偏南5個緯距，副高西極點位置偏東3個經距，這也導致地面冷空氣預報較實況偏早6～12 h。26日08時(圖5b，見第28頁)預報場貝加爾湖低槽仍偏強(預報為-28 ℃，實況為-24 ℃)、位置偏東2.5個經距。26日20時(圖5c，見第28頁)環流出現調整，貝加爾湖低槽繼續東移，亞洲中高緯大部分地區為其后偏北氣流控制，亞洲東岸槽被東移過來的貝加爾湖高壓脊取代，模式預報貝加爾湖槽仍偏東3個經距，但588 dagpm線較實況偏西1.5個經距。27日08時(圖5d，見第28頁)之后隨著貝加爾湖低槽繼續東移，東亞大槽逐漸建立，降雨過程結束。

圖5 2018-05-25T20—27T08 500 hPa位勢高度(單位為dagpm)實況圖(黑色實線)與EC模式預報圖(黑色虛線)(a 25日20時實況，24日20時起報的24 h時效預報；b 26日08時實況，24日20時起報的36 h時效預報；c 26日20時實況，24日20時起報48 h時效預報；d 27日08時實況，24日20時起報的60 h時效預報)(文見第26頁)

綜上，EC模式預報偏差主要集中在兩個方面，一是貝加爾湖低槽強度和位置，二是副高西伸位置。過程開始前，貝加爾湖低槽偏強偏東、副高偏東，致使冷空氣南下預報時間偏早；26日20時，預報副高西伸位置偏西，懷化上空形成貝加爾湖低槽后西北氣流和副高西北部西南氣流交匯區，導致26日20時之后懷化中南部強降雨空報。

3.2 物理量診斷分析

以NCEP再分析資料代替實況，對此次過程物理量進行診斷分析。在沿110°E假相當位溫(θse)和垂直速度垂直剖面圖上，26日02時(圖6a)在31.5°N上空有一條θse密集帶向北伸展，在其北部θse上高下低，層結穩定，為冷性氣團，在其南部500 hPa以下上低下高，大氣處在對流性不穩定層結狀態，為暖性氣團，兩種不同性質的氣團在密集帶處交匯，有鋒生。在26°N～30°N之間θse等348 K線向上伸展到近500 hPa高度， 懷化處在暖性氣團控制之下，懷化北部28°N附近有-1～-2 Pa/s的強上升運動中心伸展到600 hPa以上，此時正是懷化第一階段的暖區降雨。26日08時(圖6b)，鋒區南壓至31°N附近，受鋒面強迫抬升出現-0.5～-1 Pa/s的上升運動，鋒面降雨在湖北南部發展。26日14時(圖6c)，鋒區南壓至29°N，鋒面坡度明顯減小，冷空氣影響湖南北部，暖區的垂直速度負值中心南移到27°N附近，懷化中部的強降雨發展，形成南北兩個降雨中心；20時(圖6d)鋒區南壓至27°N，鋒面坡度進一步減小，垂直上升運動弱，懷化北部開始受鋒面影響。27日02時(圖略)，鋒面移至26°N，影響整個懷化地區。整個過程鋒區以150～200 km/6 h的速度向南移動影響懷化，且在南下的過程中鋒面坡度減小，抬升作用也在南下的過程中逐漸減弱，使得鋒面降雨持續時間短、強度弱，累積雨量不大。

此次降雨過程分為兩個階段，第一階段為鋒區南側的暖區降雨，降雨強度大，第二階段則為鋒面降雨，雨強較弱。

3.3 風場預報檢驗

對EC模式低層風場檢驗發現，模式對低層冷暖系統環流的預報也有較多偏差。下文以24日20時起報的預報場為代表，分析模式風場與實況風場的偏差及可能對預報帶來的影響。

分析850 hPa 25日20時實況風場與預報風場(圖7a)發現，預報懷化站12 m/s的西南風，較實況偏小4 m/s，預報湖北恩施站東北風為2 m/s，實況為南風2 m/s，預報在鄂西南至湘西北有切變，懷化中南部風速為12～16 m/s、西部北部為6～10 m/s，北部、西部處在切變線南側、西南急流出口區的強烈輻合中，有利于強降雨的發生；而實況切變線位置明顯偏北，強輻合區位置也偏北，這也導致降雨預報較實況偏弱、范圍偏大、位置偏南，造成25日晚上懷化北中部的降雨空報。

26日08時預報場(圖7b)上，西南渦移至湘西北，懷化北部受到低渦向東伸展出的切變線的影響，其他地區則受西南氣流控制，對懷化及周邊地區的風向預報與實況一致，但風速偏弱2 m/s，致使26日上午懷化北部降雨強度預報偏弱。14時(圖略)850 hPa西南渦南壓至懷化西部，地面冷空氣開始影響湖北南部，大氣斜壓性加強，有鋒生。

26日白天的降雨預報，預報員在考慮懷化中部長時間受低渦切變的影響，將中部降雨預報提升為大雨、部分暴雨，因西部新晃歷年暴雨過程極少，暴雨多為空報，且11—17時模式預報為西北風和西風切變，風速僅4～8 m/s，將西部的中雨上調為大雨。從風場偏差來看，北部降雨偏弱一是由于風速預報偏弱，再者，不穩定能量預報偏弱。預報26日08時懷化上空對流有效位能為400 J/kg(圖略)，實況探空圖(圖4b)則為810.6 J/kg，這是由于前期冷空氣預報偏早，大氣能量已經釋放。懷化東部降雨偏弱，從風場預報上能夠捕捉到一些信息，14時西南渦南壓并演變成一條西南東北向切變線在懷化中部，但是切變線南側的風速也從8～10 m/s減弱到2～6 m/s。邊界層以下925 hPa切變、地面輻合是從懷化西部新晃到會同北部，呈準東西向，懷化東部地區底層和低層切變、輻合的位相相差大，不利于高低空的耦合，且700～500 hPa引導氣流風速達到10～12 m/s，不利于降雨在同一地區積累，最終導致預報員在東部暴雨空報。

26日20時(圖7c)，EC模式對冷暖氣流強度預報有偏差，預報懷化上空為西南風，實況已經轉為東北風，切變線位置較實況偏北，這與模式對高空環流預報中高緯槽偏東、副高位置偏北偏西是一致的。在副高西北側西南氣流和中高緯槽后西北氣流在湘西南交匯，對環流形勢和低層風場的預報偏差也導致此處大雨、暴雨的空報。

綜上，造成懷化地區大雨、暴雨預報偏差主要是由于在不同階段的降雨過程中，模式對低層冷暖系統交匯區的風場預報有偏差，從而影響動力輻合和水汽輸送，造成對第一階段降雨偏弱而第二階段降雨偏強。

3.4 中尺度濾波分析

由于探空資料分辨率低，對EC模式預報風場偏差分析，大致判斷出模式預報風速偏弱，切變在懷化西部維持時間不長，預報員在訂正后，26日白天懷化西部預報有大雨。為了進一步探究懷化西部暴雨漏報原因，在此嘗試從中小尺度系統出發，探尋預報失誤原因。Barnes濾波是一種典型的中尺度濾波方式，采用Barnes方法對NCEP資料進行帶通濾波[12-15]，將大尺度系統與中小尺度系統進行分離，尋找暴雨預報的一些信息。

從850 hPa濾波場(圖8a)可看出，26日08時在懷化西部有一β中尺度輻合中心，新晃處在輻合中心南側偏南風輻合中，同時次925 hPa濾波場(圖8b)上，懷化西部的中尺度輻合中心更明顯，且位置偏南，強降雨在輻合中心南側發展。14時850 hPa(圖8c)懷化西部的中尺度輻合中心加強并南移，新晃就處在輻合中心東南側，同時次925 hPa(圖8d)也有一中尺度渦旋存在于懷化西部地區。20時(圖略)懷化中部地區轉受偏北氣流控制。分析EC模式24日20時起報的850 hPa、925 hPa的36 h時效、42 h時效(分別對應26日08時、14時)濾波場可以發現，26日08時在850 hPa(圖8e)和925 hPa(圖8g)在懷化中部偏東區域有一輻合中心向西伸展出一β中尺度輻合線，中尺度輻合線一直維持至14時(圖8f、圖8h)，在輻合線東段、懷化中南部風速在10～12 m/s(圖7)，模式也在輻合線東段預報了大雨、懷化中部預報了暴雨。模式濾波后的中尺度系統的位置偏東、懷化西部中尺度輻合沒有預報出來，出現時次和持續時間也有較大偏差，這也致使懷化中部偏東區域預報偏大，而西部則偏弱。

通過對NCEP再分析資料中尺度濾波場發現懷化西部有中尺度系統發展演變，與強降雨落區對應較好，可以為強降雨預報提供一些參考。進一步分析EC模式預報濾波場，發現中尺度系統位置、持續時間等與再分析資料也有較大差異，EC模式對中小尺度系統預報能力較弱，致使降雨預報偏差較大。

4 結論及思考

(1)2018年5月25—27日，懷化出現了一次地面暖倒槽鋒生型降雨，降雨分為兩個階段，暖區降雨強度大、對流性特征明顯，鋒面降雨則降雨較弱。由于數值模式預報出現偏差，導致懷化氣象臺24 h降雨總體偏弱，大雨、暴雨漏報，24～36 h預報則偏強，大雨空報。

(2)通過氣象實況觀測資料和再分析資料分析，發現25日夜間到26日上午，懷化處在鋒前強盛西南暖濕急流中，大氣不穩定度強，在中低層風速輻合和地面輻合線附近觸發強對流。26日14時之后，中緯度槽加深東移，冷平流增強， 冷空氣大舉南下，由于前期能量釋放和冷空氣南下過快，26日夜間未出現較強降雨。

(3)對EC模式高度場、風場檢驗，發現模式對大尺度環流形勢的預報誤差主要體現在對貝加爾湖低槽位置、冷中心強度及副高邊界上；風場則是在暖區降雨階段模式預報偏北氣流偏強，而鋒面降雨階段則西南暖濕氣流偏強，對暖濕氣流的輻合區以及冷暖氣流的交匯區預報有偏差，造成大雨、暴雨預報偏差較大。

(4)作為全球模式的EC模式預報對于中小尺度系統的預報能力不足，是短期預報中面臨的難題，中尺度濾波分析可提供一定參考。

(5)此次暴雨過程預報失誤主要是由于模式預報偏差導致強降雨預報失誤，暖區暴雨預報的復雜性也加大了此次預報的難度，預報員還需對暖區預報的觸發及發展機制做深入的研究，才能有效提高此類天氣過程預報準確率。