EC-thin資料在渭河流域中尺度暴雨概念模型中的應用

喬舒婷,武麥鳳,2

(1.渭南市氣象局，陜西渭南 714000；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710016)

渭河流域地貌復雜、生態環境脆弱，在降雨集中的6—8月常出現歷時短、強度大、局地性強的中尺度暴雨，易引發洪水、滑坡、泥石流等次生災害，威脅人民群眾生命財產安全。因此，渭河流域暴雨研究引起了氣象學者的高度關注[1]。近年來，為了提高渭河流域暴雨預報的準確率，提高氣象防災減災能力，氣象工作者對渭河流域典型中尺度暴雨天氣過程以及暴雨形成機理做了大量分析[2-7]和研究[8-13]，發現渭河流域獨特的地形對產生暴雨的中尺度對流系統(MCS)的發展起到了積極作用[14]。武麥鳳等[15-16]利用常規高空、地面觀測資料分析歸納出渭河流域遠距離臺風暴雨和中尺度暴雨的概念模型，明確了渭河流域中尺度暴雨的標準，并根據中尺度暴雨的影響系統、結構配置、演變規律、落區特點等確定了包括干侵入型、西南氣流型、干鋒生型和暖干型4類中尺度暴雨概念模型[16]。但是在實際業務應用中，用實況資料歸納總結形成的概念模型，受到氣象觀測頻次和空間尺度的限制，只能做出近0～12 h中尺度暴雨的潛勢預報，預報時效和預報的精細程度受到了相應的限制。隨著數值預報產品可用性的不斷提高，預報實踐中準確率和實用性較高的EC-thin資料可用性已經達到了7 d。如果把EC-thin資料應用于中尺度暴雨概念模型中，將大大提高中尺度暴雨的預報時效和預報的時空精細化程度。本文試著將前期的研究成果應用于數值預報產品中，在一定程度上能夠傳承預報經驗，提高數值預報產品的本地化應用程度。

本文選取2019年渭河流域3次中尺度暴雨天氣過程(2019年8月3日、8月6日、8月9日)，利用EC-thin風場、高度場、物理量場等3 h間隔預報資料對3次過程逐次進行中尺度分析，形成EC-thin資料的影響系統和結構配置圖，按照實況概念模型和物理量閾值指標進行對比分析，形成暴雨落區。最終通過實況觀測資料對預報結論進行檢驗分析：一方面檢驗EC-thin資料在中尺度暴雨預報中的誤差和該資料在概念模型中的可用性；另一方面分析誤差產生的原因，研究訂正方法，得出對中尺度暴雨預報有指導意義的結論。

1 3次過程概況

2019年8月，渭河流域出現了3次范圍較大、強度較強的中尺度暴雨天氣過程，分別是8月3日(簡稱“8·3”、第1次，下同)、8月6日(簡稱“8·6”、第2次，下同)、8月9日(簡稱“8·9”、第3次，下同)。第1次暴雨過程(圖1a)從3日凌晨開始，主要降水時段為3日02時到08時，較強降水主要分布在渭河中游偏北地區，降水量分布不均，最大降水中心在銅川宜君，24 h降水量為65.8 mm，最大雨強為22.9 mm/h。陜南的東部和西部出現了分散性強降水。第2次暴雨過程(圖1b)總體強度比第1次強降水過程要弱，其主要降雨時段為6日04時到08時，渭河流域的強降水主要出現在關中東部，最大降水量為合陽45.8 mm，最大雨強為29.4 mm/h。第3次暴雨過程(圖1c)的強降水時段為9日04時到09時，強降水主要出現在渭河中下游的西安和渭南中南部，最大降雨量為西安藍田103.3 mm，最大雨強為57.4 mm/h。

分析3次強降水過程的逐小時雨量變化可知，3次過程雨強≥20 mm/h的短時強降水均持續2 h以上，都屬于對流性質的短時強降水。根據文獻[16]的定義，這3次過程都屬于渭河流域中尺度暴雨天氣過程。

該圖為審圖號 GS(2019)1719號的標準地圖制作，底圖無修改。圖1 2019年8月渭河流域3次中尺度暴雨過程降水量分布(時間為20—20時；a 3日，b 6日，c 9日)

從以上的分析還可以看出，3次中尺度暴雨過程的主要降水時段均出現在凌晨到上午前，相對大降水區分布在渭河流域中下游，即陜西關中中東部。相對而言，第3次暴雨過程降雨總量、小時雨強及影響范圍均最大。第2次降水過程降雨總量及分布范圍均最小。另外，3次暴雨過程中，陜南都出現了較大范圍的暴雨天氣過程。由于本文所應用的概念模型是基于渭河流域研究的，因此只做渭河流域中尺度暴雨方面的分析和檢驗，對于陜南的暴雨不作過多分析。

2 3次過程的中尺度分析

2.1 “8·3”過程

2019年8月2日20時500 hPa圖(圖略)上，中高緯度呈“兩槽一脊”型，高壓脊位于貝加爾湖附近，中緯度甘肅中東部到陜西中南部有一寬廣的淺槽，槽線北部位于榆中，槽線南部經過武都，陜西關中以南大部分地方位于低壓槽前，受584 dagpm控制。低緯度西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高，下同)西伸脊點位于(120°E，33°N)附近，海南及其沿海有登陸臺風“韋帕”向北偏西方向移動。700 hPa圖上，在甘肅、四川和陜西三省交界處有一低壓環流，陜西中南部為低壓環流前部一致的偏南風；臺風外圍的西南暖濕氣流經彬州、恩施、紫陽等地一直延伸至陜西關中中東部，給陜西關中中東部輸送了充沛的水汽。850 hPa圖上，有從副高外圍經徐州、鄭州輸送到陜西關中北部的一條東風氣流，也有一條從東海經阜陽、南陽等地到達陜西南部的東風氣流，這支東風氣流從副高外圍帶來的水汽和能量，進一步補充了渭河流域中低層的水汽輸送，中低層充沛的水汽輸送導致了關中中東部充足的水汽含量，在關中北部形成了一條干線，干線前后溫度露點差的差值≥11 ℃。地面圖上，2日23時，850 hPa干線下方有一條風向輻合線，短時強降水的落區就出現在干線和地面輻合線附近。

圖2a綜合展示了上述影響系統的配置情況，可以看出本次強降水過程前，584 dagpm線控制了陜西大部分地方，850～500 hPa上關中大部分地方濕度較小，即渭河流域中低層是暖干環境，結合中尺度暴雨概念模型得知本次過程屬于暖干型。500 hPa西風槽是強降水過程的主要影響系統，700 hPa來自臺風外圍高能高濕的暖濕氣流給降水區提供了充沛水汽和足夠的能量，850 hPa來自副高外圍的東風氣流在一定程度上補充了關中中東部低層的水汽和能量，850 hPa干線和地面輻合線是本次中尺度暴雨的觸發機制。

該圖為審圖號 GS(2019)3082號的標準地圖制作，底圖無修改。藍色實線(箭頭)為500 hPa等高線(顯著氣流)，褐色實線為500 hPa槽線，黃色實線為700 hPa等高線，褐色箭頭(雙實線)為700 hPa顯著氣流(切變線)，紅色雙實線(箭頭)為850 hPa切變線(顯著氣流)，綠色鋸齒為850 hPa濕區，黃色鋸齒為500 hPa干區，黃色虛線為t(850-500)≥25 ℃區域，紅色空心虛線為850 hPa干線，黑色斷線為地面輻合線，綠色陰影區為暴雨區。圖2 2019年8月渭河流域3次暴雨過程中尺度分析(a 2日20時；b 5日20時；c 8日20時)

2.2 “8·6”過程

2019年8月5日20時500 hPa圖(圖略)上，歐亞高緯度呈“兩槽一脊”型。高壓脊位于新疆以北，脊前有一低渦從貝加爾湖南部一直延伸到陜西榆林北部，中緯度陜西關中北部有一低壓槽，位于銅川、寶雞一線。槽前有從重慶沙坪壩經陜南的漢中和安康延伸到關中中部≥16 m/s的西南急流，陜南到關中有明顯風速輻合，125°E以東東海和黃海海域分別有一臺風向北移動，北部的臺風中心位于32°N附近，其外圍的東風氣流從東海延伸到內陸。表現在850 hPa圖上，從東海經阜陽、南陽到河南盧氏為一致的東風氣流，沿黃河經鄭州也有向陜西關中的東風氣流輻合，東風氣流的風速都不大，但這一東風氣流來自東部海面，持續不斷地輸送在一定程度上給降水區補充了水汽和能量。700 hPa圖上，在延安、榆中與崆峒之間有一條橫向切變線，切變線前850 hPa有明顯的干線存在，干線前后的露點差≥15 ℃。5日23時地面天氣圖(圖略)上陜西關中東部有一明顯的風向輻合線，該輻合線位于700 hPa干線前部。暴雨落區位于500 hPa槽前，700 hPa切變線、干線，地面輻合線重疊區域以及850 hPa東風氣流的輻合區內。

圖2b展示了上述影響系統的綜合配置情況，可以看出本次過程主要發生在500 hPa西南氣流控制時段內，結合渭河流域中尺度暴雨概念模型分析認為本次過程屬于西南氣流型。500 hPa槽前強盛的西南氣流是本次短時強降水的主要影響系統，700 hPa切變線是短時強降水的動力抬升機制，850 hPa來自臺風外圍的東風氣流為短時強降水提供了水汽和能量，850 hPa干線和地面輻合線是本次過程的觸發機制。

2.3 “8·9”過程

2019年8月8日20時500 hPa高空圖上，歐亞中高緯度呈“兩脊一槽”型，貝湖附近有一低渦，低渦槽延伸至寧夏中寧—蘭州—合作一線，陜西關中大部分地方處于西西南氣流中，東部海面上副高的西伸脊點位于(120°E，33°N)附近，臺風“利奇馬”中心位于臺灣附近。700 hPa在甘肅崆峒到延安、西安有切變線，850 hPa切變線與700 hPa切變線位置基本重合，西安東部和渭南位于切變線前部，700 hPa及850 hPa有從副高和臺風外圍延伸至陜西關中東部的顯著東風，為短時強降水提供了充足的水汽條件。地面圖上，白水、澄城與大荔、臨潼之間有一明顯的地面輻合線，隨著地面輻合線的南壓，強降水就出現在地面輻合線附近。

圖2c綜合展示了本次短時強降水過程的主要影響系統的配置情況。可以看出，本次強降水區主要位于700 hPa和850 hPa切變線前側大約0～150 km處，低層濕舌(區)與高層干舌重疊區域內，結合中尺度暴雨概念模型得知本次過程屬于干鋒生型。700 hPa和850 hPa的切變線為短時暴雨提供了強的動力抬升作用，從臺風外圍輸送到關中東部的顯著東風(但風速沒有達到急流標準)為短時強降水提供了水汽和能量，增強了降水效率和降水強度，地面輻合線是本次暴雨過程的觸發機制。

對比3次中尺度暴雨過程的形成機理，700 hPa的切變線都是中尺度暴雨的抬升機制，850 hPa干線或者地面輻合線是中尺度暴雨的觸發機制。3次暴雨均有臺風和副高的參與，不同的是第1次和第3次暴雨有從臺風和副高外圍延伸到關中東部的西南急流或者顯著東風為暴雨區輸送水汽和能量，降水效率高，持續時間相對較長，降水總量大；而第2次暴雨的水汽主要來自500 hPa的西南急流，低層只有較弱的東風氣流從臺風附近延伸到了關中東部，相對另外兩次暴雨，這次過程的降水強度小，持續時間短，說明有從海南和臺灣附近登陸臺風參與的渭河流域遠距離臺風暴雨降水效率更高，強度更大。

3 EC-thin資料中尺度分析和物理量指標應用

對3次暴雨過程中EC-thin資料預報場進行中尺度分析，并按照實況概念模型和物理量指標(這里主要分析代表大氣熱力不穩定的Ki指數和對流有效位能CAPE值)進行檢驗分析。3次過程所用的資料均為強降水出現前，預報員做預報時能夠用到的最新時次EC-thin資料的預報場，所對應的暴雨落區均為未來24 h的暴雨預報落區。共分析2個時次，一個是與實況中尺度分析一致的時次，另外一個為強降水開始的時間。

3.1 “8·3”過程

將EC-thin資料2019年8月1日20時起報的24 h(圖3a)和27 h(圖3b)預報場與實況中尺度分析比較得知，24 h預報場上，500 hPa副高南界略偏南1個緯距，臺風和中緯度槽線位置預報與實況基本相符。700 hPa低空急流的位置預報有偏差，實況是臺風外圍的東南風暖濕氣流在環流形勢的配置下，形成了低空急流延伸到了關中東部。預報場上的低空急流則是延伸到陜西關中西部，預報相對實況場偏西2個經距。低空急流預報的偏差直接導致了強降水落區的偏差，隨著預報時效的延長，EC-thin對低空急流的位置進行了調整，27 h的預報場上，低空急流的初始位置已經調整到了臺風外圍，但低空急流的末端位置依然在關中西部。850 hPa預報場上，干線和東風急流的末端位置預報基本正確，但預報場上華北的低壓環流在實況上表現不明顯，也正是因為這個低壓環流預報偏強導致與實況場相比，850 hPa東風急流預報強度偏弱、位置偏北。對比8月2日20時EC-thin中尺度分析中各影響系統的位置誤差，對27 h(即2日23時)EC-thin的各影響系統進行訂正。結合文獻[16]中概念模型的暴雨落區，將EC-thin的暴雨落區向東移動1～2個經距，移動后的暴雨落區相對實況依然偏北，這與預報場上位于華北的小高壓環流預報弱，顯著東風偏北有關。

該圖為審圖號 GS(2019)3082號的標準地圖制作，底圖無修改。藍色實線為500 hPa高度線，褐色實線為500 hPa槽線，褐色箭頭(雙實線)為700 hPa顯著氣流(切變線)，紅色箭頭(雙實線)為850 hPa顯著氣流(切變線)，綠色鋸齒為700或850 hPa濕區，紅色空虛線為850 hPa干線，綠色陰影區為暴雨區。圖3 EC-thin 2019-08-01T20起報24 h和27 h預報中尺度分析

分析EC-thin對流降水量預報得知，模式預報的強對流天氣落區與累計降水量的大降水區域分布一致，對關中東部的對流性降水有體現，但預報最大降水量為16 mm，沒有預報更強降水，同樣對于水汽通量和整層可降水量的預報也是偏西，這與前面分析的環流形勢的預報相匹配。利用EC-thin的物理量場對降水預報進行診斷分析得知：首先，模式預報CAPE大值區(圖略)與預報的強降水落區沒有很好的一致性，而模式預報CAPE大值區(≥800 J/kg)與實況強降水落區的對應關系良好；其次，Ki指數大值區的預報范圍比較大，模式預報降水落區和實況降水落區都在Ki指數預報的大值區內，大值中心Ki指數預報值≥40 ℃，分析0～27 h逐3 h Ki指數的演變情況得知，實況強降水的落區均處于Ki指數預報的大值區內。

綜上分析，對EC-thin資料進行中尺度分析，并在實況中尺度分析的基礎上對誤差較大的影響系統進行訂正，結合中尺度暴雨概念模型進行對比判斷落區，可以對EC模式的強降水落區做出一定調整和訂正，再加上物理量場的分析和再訂正，強降水落區基本可以做到不漏報，但會有較大范圍的空報。

3.2 “8·6”過程

將EC-thin 8月4日20時起報的24 h(5日20時，圖4a)和30 h(6日02時，圖4b)預報場的中尺度分析與實況中尺度分析進行對比可以看出，本次過程的主要影響系統在預報場上都有體現，但EC-thin 5日20時500 hPa西風槽、槽前對應的西南氣流、700 hPa切變線位置預報偏西1～2個經距，850 hPa干線位置預報偏南1～2個緯距，因此，大降水區預報偏西1～2個緯距，偏南1～2個緯距。對比文獻[16]的中尺度暴雨概念模型的落區，根據實況中尺度分析判斷EC-thin資料的誤差，按照EC-thin預報場的移動速度，對主要影響系統進行調整之后，降水落區可以向東調整1～2個經距，預報基本能做到不漏報。

分析EC-thin 的CAPE預報場(圖略)，并與模式本身的降水預報落區進行對比分析得知，對陜南大降水區，該模型預報5日20時CAPE大值區與強降水落區有很好的一致性；而對關中的大降水區，預報的CAPE大值區(≥800 J/kg)與實況強降水落區的對應關系不一致。隨著降水時效的臨近，預報的CAPE大值區向東偏北方向移動，6日02時整個關中的CAPE預報值均較大(≥800 J/kg)，但預報場上CAPE預報的大值中心與強降水區域不重合。Ki指數預報分析也有類似的結論，大值中心的Ki指數≥40 ℃。對EC-thin對流降水量的預報分析得知，雖然模式預報的能量較大，但對關中東部的對流性降水出現漏報。水汽上，實況的大降水落區也沒有預報出明顯的水汽輻合和水汽輸送，說明EC-thin對本次過程的對流性沒有明確的預報。

該圖為審圖號 GS(2019)3082號的標準地圖制作，底圖無修改。褐色實線為500 hPa槽線，褐色雙實線為700 hPa切變線，紅色雙實線為850 hPa切變線，藍色箭頭為500 hPa顯著氣流，綠色鋸齒為700或850 hPa濕區，綠色陰影區為暴雨區。圖4 EC-thin 2019-08-04T20起報24 h和30 h預報中尺度分析

3.3 “8·9”過程

將2019年8月7日20時起報24 h(8日20時，圖5a)和36 h(9日08時，圖5b)預報場的影響系統配置情況與實況進行比較發現，8日20時500 hPa槽線與實況位置基本一致，700 hPa和850 hPa切變線的北段與實況位置相當，但在實況場上700 hPa和850 hPa切變線都是西北—東南走向，而預報場兩層切變線都是南北走向，兩層切變線的南端預報場較實況場偏西2～3個緯距、偏北0.5～1.0個緯距。東部沿海的臺風和副高位置預報與實況基本相符，中低層臺風和副高之間東風氣流預報也比較接近實況。隨著預報時效的延長，中低層切變線略有東移，其南端的位置略向東調整，但仍然偏西0.5～1.0個緯距，偏北0.5個緯距左右。因此，本次過程預報的強降水落區比實況位置偏西大約0.5～1.0個緯距，偏北大約0.5個緯距，量級預報與實況量級接近。對比實況，將EC-thin中尺度分析的影響系統進行訂正，按照模式的移動速度重新分析配置后，對比文獻[16]的中尺度概念模型的落區，結果發現訂正后的暴雨落區與模式的降水預報落區基本一致。

分析EC-thin 的CAPE預報場(圖略)，并與模式本身的降水預報落區進行對比得知，本次強降水過程中，模式預報8日20時至9日08時CAPE大值區與強降水落區都有很好的一致性。在實況大降水區域，也有預報CAPE大值區(≥800 J/kg)存在，但大值中心與強降水區域不重合。Ki指數預報分析也有類似的結論，預報的Ki指數大值中心≥40 ℃。分析EC-thin對流降水量預報得知，本次過程模式對關中東部的對流性降水預報比較成功，預報的最大3 h降水量為26 mm，位于蒲城與大荔之間。這個強度與實況相比明顯偏小，但在面上雨量相對較小的情況下，個別站點的強降水給預報員的判斷敲響了警鐘，強降水落區預報很成功。本次水汽條件的預報也比較成功，實況的大降水落區在水汽通量散度的預報場上有明顯的水汽輻合，輻合中心最大值≤-44×10-6g/(cm2·hPa·s)，位置與實況強降水的落區基本一致。

該圖為審圖號 GS(2019)3082號的標準地圖制作，底圖無修改。藍色(褐色)實線為500 hPa高度線(槽線)，褐色雙實線為700 hPa切變線，紅色雙實線(箭頭)為850 hPa切變線(顯著氣流)，綠色鋸齒為700或850 hPa濕區，黃色鋸齒為500 hPa干區，綠色陰影區為暴雨區。圖5 EC-thin 2019-08-07T20起報24 h和36 h預報中尺度分析

通過3次過程對比分析發現，EC-thin對降水落區預報均偏西偏北。對比實況中尺度分析圖和EC-thin預報場的中尺度分析圖得知，EC-thin對低空急流的預報習慣性偏西，而且大概率都是從(110°E，30°N)附近開始預報偏西，該位置附近地形較低，南靠巫山，西北緊鄰大巴山，東北方向有武夷山，地勢高低錯落。當低空急流經過該處時，根據來向的不同，西行北上受到山體的阻擋，其強度和路徑都會發生不同的變化，預報難度較大。另外，EC-thin對東風顯著氣流(急流)的預報位置偏北，這可能與東部來的氣流受到太行山，甚至呂梁山的阻擋有關。經過對EC-thin進行中尺度分析，結合實況中尺度分析對影響系統進行訂正，結合中尺度暴雨概念模型的暴雨落區和模式物理量場的訂正，第1次和第3次暴雨落區有比較好的改善；而第2次暴雨沒有得到較好的訂正，這可能是在西南氣流型中，中層的水汽條件較好，但低層水汽條件、抬升條件相對較差，對流性相對較弱，模式對這種弱對流性預報不足。

4 結論與討論

(1)EC-thin資料在渭河流域中尺度暴雨概念模型中是可用的，運用實況中尺度分析對EC-thin的影響系統進行訂正后采用中尺度概念模型判斷暴雨落區，對部分強降水落區的訂正效果較好；另外，EC-thin資料容易對低空西南風急流預報偏西1～2個經距，東風急流預報偏北1～2個緯距，實際業務中可以繼續關注EC-thin對于低空急流位置預報的偏差。

(2)2019年強對流天氣預報中，EC-thin對西南氣流型暴雨的預報，無論是強對流性質，還是系統配置或者是物理量場的預報都存在一定的偏差，可以結合結論(1)對影響系統進行調整后，對降水預報進行訂正；對于干鋒生型暴雨降水落區的預報，可以對EC-thin資料進行中尺度分析，結合物理量預報的大值中心、大值區演變的情況以及調整后的低空急流位置等對降水落區進行綜合研判后再進行訂正。

(3)EC-thin強對流降水預報資料中，在面上量級相對較小的情況下，個別站點的強降水預報應該引起預報員的關注和再分析，這對強對流天氣中中尺度暴雨落區的預報有一定的積極意義。