四川兩次副高邊緣型暴雨的預(yù)報(bào)偏差分析及模式檢驗(yàn)對比

叢 芳，陳朝平

(1.四川省氣象臺，四川 成都 610072;2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610072)

0 引言

暴雨是一種危害大、影響范圍廣的災(zāi)害性天氣，常引發(fā)洪澇與泥石流等災(zāi)害，造成人員傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失，因此一直受到各界的關(guān)注。西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高，下同)是較低緯度最重要的大型環(huán)流系統(tǒng)，它的活動不但對中低緯度天氣的發(fā)生、發(fā)展具有極其重要的作用，對中高緯度環(huán)流的演變也產(chǎn)生很大影響，是制約大氣環(huán)流變化的重要成員。作為行星尺度天氣環(huán)流，其位置變動對我國夏季暴雨的分布有密切關(guān)系[1-7]。

四川盆地位于青藏高原東部，長江上游，包括四川省中東部及重慶大部，由于其特殊的地理位置和地形地貌，在副熱帶季風(fēng)氣候影響下，暴雨、干旱等極端天氣及洪澇、山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害頻發(fā)[8]，每年暴雨洪澇引起的四川受災(zāi)人口總體呈現(xiàn)增加趨勢，特別是1999年以后，受災(zāi)人口上升趨勢越來越明顯[9]。氣象工作者對造成川渝強(qiáng)降水的機(jī)制進(jìn)行了很多研究。各類大暴雨的合成形勢背景主要是由副高和西風(fēng)帶低槽的相對位置所決定[10]。肖洪郁等[11]通過對1980—1998年副高特征與四川暴雨關(guān)系的分析指出，影響四川暴雨的副高有不連續(xù)西伸北抬和突然加強(qiáng)西伸或北抬與突然東退現(xiàn)象。周雨華等[12]對副高邊緣暴雨的多普勒雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析。金榮花等[13]對比分析了副高的三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不同副高結(jié)構(gòu)性質(zhì)的2次區(qū)域性暴雨過程，所導(dǎo)致的水汽供應(yīng)條件和產(chǎn)生強(qiáng)烈上升運(yùn)動的大尺度背景場存在差異。陳永仁等[14]對汛期副高位置變化的研究表明，副高的南北位置變化可能導(dǎo)致盆地降水東西振蕩分布。由此可見，副高的變化特征與四川盆地的暴雨有著極其緊密的聯(lián)系。然而近20 a隨著全球氣候的變暖，大氣環(huán)流和副高也呈現(xiàn)出不同的年代際變化，直接利用數(shù)值預(yù)報(bào)進(jìn)行降水落區(qū)預(yù)報(bào)往往會有較大的偏差，因此開展暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)研究和對數(shù)值預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)工作成為實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[15]。

本文選取2次起始場相似的副高邊緣暴雨過程，通過分析數(shù)值預(yù)報(bào)對副高位置動態(tài)變化預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，以及副高在西進(jìn)與東退過程中對雨帶的影響，結(jié)合西風(fēng)帶槽脊的變化以及水汽條件的差異，綜合探討在利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)盆地此類副高邊緣暴雨過程的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)和訂正模式降水的預(yù)報(bào)思路。

1 資料與方法

本文高空形勢場采用08時、20時的實(shí)況觀測資料(如500 hPa、700 hPa、850 hPa)風(fēng)場、高度場、比濕等各類要素，進(jìn)行大尺度環(huán)流背景和中尺度系統(tǒng)分析。數(shù)值模式采用ECMWF臨近預(yù)報(bào)時次對副高的動態(tài)預(yù)報(bào)曲線，從而分析預(yù)報(bào)場與實(shí)況的差異。

降水量預(yù)報(bào)誤差分析采用的實(shí)況站點(diǎn)資料為四川國家站和加密自動站共計(jì)3613站的降水量數(shù)據(jù)(重點(diǎn)分析盆地近3000個經(jīng)過質(zhì)量控制的站點(diǎn))，站點(diǎn)分布如圖1所示。數(shù)值模式采用ECMWF、SWC-WARMS、GRAPES-MESO、GRAPES-GFS 4個模式過程降水量預(yù)報(bào)，通過預(yù)報(bào)與實(shí)況的對比分析，檢驗(yàn)各個模式的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性。

圖1 站點(diǎn)分布

2 降水特點(diǎn)

7月下旬是四川盆地歷年以來的主汛期，是大范圍強(qiáng)降水主要集中的時間段。本文選取的2次個例7月21日(以下簡稱7.21)和2019年7月28日(以下簡稱7.28)正位于此時間段，發(fā)生時間相近，影響系統(tǒng)相似，同樣是副高影響下的盆地西部的強(qiáng)降水，并且降水強(qiáng)度相似，2次個例暴雨站數(shù)均為600站左右，大暴雨200站左右，累積最大降水量均在200 mm左右，最大小時雨強(qiáng)均在100 mm左右。不同點(diǎn)在于落區(qū)和結(jié)構(gòu)上有明顯差異(圖2)。首先在落區(qū)分布上，個例7.21的強(qiáng)降水主要以盆地西南部為主，整個強(qiáng)降水雨帶呈團(tuán)狀分布，且有多個強(qiáng)中心；而個例7.28的強(qiáng)降水主要集中在盆地西部7市(廣元、綿陽、德陽、成都、雅安、樂山、眉山)，整個強(qiáng)降水雨帶呈線狀分布。

圖2 7月21日20時—22日20時(a)及7月28日20時—29日20時(b)的累積降水量

3 環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)對比分析

從2次過程前期500 hPa高度場(圖3)可以看出，亞歐中高緯度基本都為兩槽一脊型，雖然槽脊的位置略有差異，但都是有小槽不斷分裂南下。我國南方大部為副高控制，四川盆地位于副高外圍不穩(wěn)定的環(huán)流之中[16]，青藏高原東部到川西高原為大陸高壓控制，個例7.28的大陸高壓略強(qiáng)，同時副高西脊點(diǎn)較個例7.21更偏西。總體來說2次過程的環(huán)流形勢相似，都很利于四川盆地暴雨過程的發(fā)生。

圖3 21日08時(黑線)及28日08時(紅線)的500 hPa高度場

從影響系統(tǒng)來看，2次個例也是非常相似的(圖4)，從甘肅南部到川西高原均存在高空低槽和切變線，同時盆地內(nèi)700 hPa為西南氣流，850 hPa為倒槽輻合式風(fēng)場，將南海的水汽持續(xù)向盆地輸送，且在盆地西部形成輻合，整個盆地低層濕度條件很好，尤其是西部850 hPa比濕達(dá)18 g·kg-1以上。這種配置非常有利于盆地西部暴雨的產(chǎn)生。

結(jié)合環(huán)流形勢和系統(tǒng)配置來看，這2次過程都符合盛夏季節(jié)四川盆地典型的西部型暴雨的特點(diǎn)。但2次過程的雨帶形狀和結(jié)構(gòu)卻明顯不同，主要是由于在過程發(fā)展中副高的移動方向不同以及中低層水汽條件的差異，以下將詳細(xì)分析。

4 副高、西風(fēng)帶及水汽條件的差異

4.1 副高的動態(tài)變化

2次過程開始前，四川盆地都處于副高外圍不穩(wěn)定的環(huán)流之中，但從副高西脊點(diǎn)位置來看，個例7.21位于107°E(重慶中部)，個例7.28的西脊點(diǎn)則位于103°E(四川盆地西部沿山)(圖5中黑色實(shí)線)，顯然個例7.28副高更為強(qiáng)盛，西脊點(diǎn)更偏西，同時大陸高壓也較為強(qiáng)盛，更利于盆地西部的降水。

在過程的發(fā)展中，隨著副高位置的移動可以看出，個例7.21副高的位置緩慢東退，22日20時西脊點(diǎn)已位于111°E附近，雨帶的位置也隨之東移，且雨帶呈片狀或塊狀分布，并伴有移動性特點(diǎn)。而個例7.28在過程發(fā)展中副高先略有東退，即29日08時副高西脊點(diǎn)位于重慶東部，此時大陸高壓繼續(xù)發(fā)展增強(qiáng)(圖4 b中紅色實(shí)線)，使得四川盆地處于兩高之間。29日20時，副高又再次西伸，大陸高壓仍然持續(xù)增強(qiáng)，使得盆地西部處于兩高之間的狹長地帶，因此這次過程的雨帶主要集中在盆地西部并呈狹長帶狀分布。

圖4 2次過程的影響系統(tǒng)綜合分析圖及21日20時850 hPa比濕(填色，單位： g·kg-1)

圖5 7月21日(a)及7月28日(b)2次過程中副高的動態(tài)變化

可以說這2次過程副高的動態(tài)變化特點(diǎn)直接決定了雨帶位置及形態(tài)的分布不同。

4.2 西風(fēng)帶槽脊的差異

大尺度降水往往與西風(fēng)帶槽脊的變化有著密切關(guān)系，其不斷分裂南下的小槽也影響著雨帶的落區(qū)與形態(tài)。從這2次過程中500 hPa高空槽的動態(tài)變化可以看出，個例7.21在21日20時500 hPa高空槽位于川西高原北部，同時攀西地區(qū)南部也存在南支槽。隨著時間的推移，北支系統(tǒng)逐漸東移南壓，其槽后北風(fēng)與略有北推的南支系統(tǒng)耦合，在甘孜州東南部與盆地西南部交界處形成低渦，在最容易發(fā)生強(qiáng)降水的低渦東南象限即盆地西南部出現(xiàn)了強(qiáng)降水。隨后低渦在東移過程中減弱為切變，仍影響盆地西南部，造成降水。個例7.28在過程開始時，500 hPa高空槽位于川西高原北部，與個例7.21起始位置相近。但隨著時間的推移，高空槽逐漸東移南壓，經(jīng)向度較高，且主要影響盆地西部，因此造成的降水也在盆地西部，呈帶狀分布。

從上述分析可知，2次過程的高空槽都是從川西高原北部開始自西向東移動，影響盆地。不同之處在于，個例7.21的高空槽在移動過程中與南支系統(tǒng)耦合，形成低渦，造成盆地西南部團(tuán)狀分布的降水。而個例7.28的高空槽在移動過程中經(jīng)向度較高，且無南支系統(tǒng)配合，從而在盆地西部形成帶狀分布的降水。可以說，這2次過程中西風(fēng)帶小槽的移動方向、變化與雨帶的落區(qū)、形態(tài)密切相關(guān)。

4.3 水汽條件

4.3.1 700 hPa比濕 這2次過程均發(fā)生在7月下旬，是歷年來四川盆地的主汛期時段。此時盆地內(nèi)低層濕度條件通常較好，850 hPa東部和西部無明顯差別，但700 hPa東部和西部有較明顯的差異，通過插值平均得出，2次過程700 hPa西部比濕條件都明顯優(yōu)于東部，且均在12 g·kg-1以上，利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

圖6 7月21日(a)及7月28日(b) 2次過程中500 hPa高空槽的動態(tài)變化

從盆地西部700 hPa的比濕分布來看，個例7.21比濕大值區(qū)為盆地西南部(14 g·kg-1)，個例7.28的比濕大值區(qū)為盆地西北—西南部一線(14 g·kg-1)，都與強(qiáng)降水落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系。

4.3.2 西南氣流 從700 hPa實(shí)況風(fēng)場來看(圖7)，2次過程均未達(dá)到急流標(biāo)準(zhǔn)，在過程開始時盆地南部至東北部均為西南顯著氣流，最大風(fēng)速為10 m·s-1，且雨帶也是沿顯著氣流左側(cè)發(fā)生的。不同的是在個例7.28中，盆地西部風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)有地形輻合作用(如圖7c)，更有利于西北部的降水。在過程發(fā)展中到了08時，2次過程風(fēng)場有了顯著的不同。個例7.21在盆地中部—南部出現(xiàn)了風(fēng)場的氣旋式輻合(圖7b)，而在個例7.28中盆地西北部出現(xiàn)切變線(圖7d)，這也是2次過程雨帶位置和形狀不同的原因之一。

圖7 21日20時(a)、22日08時(b)、28日20時(c)、29日08時(d)700 hPa實(shí)況風(fēng)場

5 模式預(yù)報(bào)誤差

5.1 形勢場預(yù)報(bào)誤差

上述分析得出2次過程的雨帶分布特點(diǎn)不同主要由于副高位置、西風(fēng)帶小槽的變化不同和中低層水汽條件的差異，其中副高的動態(tài)變化是決定性因素。下面重點(diǎn)分析數(shù)值預(yù)報(bào)對副高位置的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，以ECMWF為例。

從圖8中可以看出，個例7.21數(shù)值預(yù)報(bào)在21日08時起報(bào)的500 hPa高度場中，21日20時預(yù)報(bào)高空槽和副高的位置與實(shí)況基本吻合，尤其是副高西脊點(diǎn)的位置預(yù)報(bào)與實(shí)況一致。但在22日08時數(shù)值預(yù)報(bào)對副高位置的預(yù)報(bào)卻與實(shí)況出現(xiàn)了較大偏差，實(shí)況此時副高的位置僅比21日20時略有東退，西脊點(diǎn)位于109°E；而數(shù)值預(yù)報(bào)副高東退較實(shí)況明顯偏快，西脊點(diǎn)位于115°E，相差6個經(jīng)度。尤其是副高南側(cè)比北側(cè)東退較慢，使得過程中后期盆地中南部仍處于副高外圍不穩(wěn)定環(huán)流之中，利于降水的產(chǎn)生，而數(shù)值預(yù)報(bào)副高東退較快，使得雨帶迅速東撤，因此漏報(bào)盆地中部—南部一線的暴雨。

圖8 21日20時(a)及22日08時(b)500 hPa高度場對比(實(shí)況:黑色、ECMWF:紅色)

而在個例7.28中(圖9)，數(shù)值預(yù)報(bào)在28日08時起報(bào)的500 hPa高度場中，28日20時預(yù)報(bào)高空槽和副高的位置與實(shí)況基本一致，僅副高西脊點(diǎn)的位置與實(shí)況偏差1個經(jīng)度左右。隨著過程的發(fā)展，29日08時和29日20時，數(shù)值預(yù)報(bào)均能較好地預(yù)報(bào)出副高的動態(tài)變化，先東退后西進(jìn)，且與實(shí)況基本吻合，使得盆地西部一直處于兩高之間的狹長地帶，因此此次過程的雨帶呈帶狀分布。

圖9 28日20時(a)、29日08時(b)、29日20時(c)500 hPa高度場對比(實(shí)況：黑色、ECMWF：紅色)

綜上所述，兩者最大的差別就在于對副高位置的預(yù)報(bào)。個例7.28從過程開始到結(jié)束都能很好地把握副高的動態(tài)變化，整個過程時段預(yù)報(bào)與實(shí)況基本一致，從而預(yù)報(bào)雨帶落區(qū)和形狀與實(shí)況基本一致，而個例7.21在過程開始時對副高位置的預(yù)報(bào)與實(shí)況一致，但隨著時間的推移對副高東退預(yù)報(bào)較實(shí)況明顯偏快，從而導(dǎo)致中部雨帶的漏報(bào)。可以說這2次過程預(yù)報(bào)成敗最關(guān)鍵的因素就在于數(shù)值預(yù)報(bào)對副高位置的把握。

5.2 降水量預(yù)報(bào)誤差

從降水量預(yù)報(bào)來看(圖10)，ECMWF、GRAPES-GFS、GRAPES-MESO、SWC-WARMS 4個模式對個例7.21的預(yù)報(bào)差異較大。ECMWF對盆地西南部的主雨帶預(yù)報(bào)較穩(wěn)定，但對于盆地中南部的副雨帶預(yù)報(bào)較差(位置偏北，強(qiáng)度不穩(wěn)定)；SWC-WARMS預(yù)報(bào)出多個分散的強(qiáng)中心，但對西南部的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)范圍偏小，同時還空報(bào)了盆地北部的強(qiáng)降水；GRAPES-GFS只在盆地西南部到東部預(yù)報(bào)了中到大雨的降水，雨帶整體偏東偏南，且隨著時效臨近量級調(diào)弱，更加偏離實(shí)況；GRAPES-MESO雨帶形狀與量級均與實(shí)況不符。綜合評判，此次過程ECMWF最優(yōu)，對盆地西南部的主雨帶把握較好，但盆地中部—南部一線的副雨帶把握較差，究其原因主要為對副高移動位置把握不準(zhǔn)。其次為SWC-WARMS，預(yù)報(bào)出盆地西南部分散的強(qiáng)降水中心，對ECMWF有較好的支持，但范圍偏小，副雨帶存在空報(bào)漏報(bào)的情況。GRAPES-GFS、GRAPES-MESO預(yù)報(bào)效果最差。

圖10 ECMWF(a)、SWC-WARMS(b)、GRAPES_GFS(c)、GRAPES_MESO(d)與21日20時—22日20時實(shí)況累積降水量(e)的對比(模式均為20日20時起報(bào))

數(shù)值預(yù)報(bào)對個例7.28的降水量預(yù)報(bào)普遍存在量級偏弱的情況(圖11)。ECMWF在盆地西部預(yù)報(bào)出了帶狀分布的大到暴雨，且預(yù)報(bào)穩(wěn)定，與實(shí)況接近，但量級明顯偏弱。SWC-WARMS預(yù)報(bào)出了西部分散的暴雨點(diǎn)，雨帶略呈帶狀，落區(qū)略偏西，隨著時間的臨近降水量級和落區(qū)都向著實(shí)況方向調(diào)整。GRAPES-GFS在盆地西南部至東北部預(yù)報(bào)出了中到大雨的降水，雨帶雖呈帶狀，但落區(qū)(尤其是北部)和量級均與實(shí)況不符。GRAPES-MESO預(yù)報(bào)出盆地西南部有大范圍強(qiáng)降水，與實(shí)況接近，但雨帶呈團(tuán)狀與實(shí)況不符，尤其是對盆地西北部降水預(yù)報(bào)明顯偏弱，且模式調(diào)整太大，預(yù)報(bào)穩(wěn)定性較差。相較而言，ECMWF預(yù)報(bào)與實(shí)況最為接近，雨帶形狀呈線狀，但量級明顯偏弱，這是ECMWF在大范圍強(qiáng)降水過程中普遍存在的局限性。其次為GRAPES-MESO、SWC-WARMS，對ECMWF有較好的支持，但在落區(qū)、量級、模式穩(wěn)定性方面均遜于ECMWF。再次為GRAPES-GFS，落區(qū)、量級均較差。

圖11 ECMWF(a)、SWC-WARMS(b)、GRAPES_GFS(c)、GRAPES_MESO(d)與28日20時—29日20時實(shí)況累積降水量(e)的對比(模式均為27日20時起報(bào))

總體來說，對于副高外圍這種大范圍的強(qiáng)降水，ECMWF仍以其傳統(tǒng)的優(yōu)勢略優(yōu)于其它數(shù)值模式，但仍存在量級偏弱，范圍偏小的情況，組織結(jié)構(gòu)與實(shí)況有一定差距，這是模式預(yù)報(bào)的局限所在。從上述個例分析中得出，此類過程可用ECMWF作為基礎(chǔ)，SWC-WARMS作為副參考，加之預(yù)報(bào)員主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行訂正，做出最終結(jié)論。

6 結(jié)論和討論

本文對副高外圍的2次強(qiáng)降水過程,從環(huán)流形勢、影響系統(tǒng)、水汽條件差異以及數(shù)值預(yù)報(bào)偏差原因分析等方面進(jìn)行綜合對比討論，得出如下結(jié)論：

①盛夏季節(jié)盆地內(nèi)基本都處于高能高濕的環(huán)境場之中，如副高強(qiáng)盛使得盆地處于副高外圍或兩高之間的不穩(wěn)定環(huán)流之中，同時配合有高層系統(tǒng)，冷暖空氣交匯，能量一觸即發(fā)，極易產(chǎn)生大范圍強(qiáng)降水。

②副高的移動方向是影響降水落區(qū)的主要因素。本文的2次過程正是由于副高移動方向不同直接導(dǎo)致了落區(qū)差別。個例7.21副高緩慢東退，因此強(qiáng)降水以盆地西南部為主，同時向東延伸的中南部也有暴雨，雨帶呈團(tuán)狀分布。個例7.28的副高較強(qiáng)盛，在過程發(fā)展中，副高先略有東退后西伸與大陸高壓打通后又再次斷裂，使得盆地西部一直處于副高外圍不穩(wěn)定的環(huán)流之中，因此雨帶在盆地西部呈狹長帶狀分布。

③數(shù)值模式對于副高外圍的大范圍強(qiáng)降水有一定的可預(yù)報(bào)性，但總體存在預(yù)報(bào)量級偏弱，范圍偏小的情況，同時系統(tǒng)偏差也直接導(dǎo)致了降水落區(qū)的偏差，尤其是對于副高位置的預(yù)報(bào)。個例7.21正是由于數(shù)值模式對于副高東退較實(shí)況偏快，才導(dǎo)致漏報(bào)盆地中南部的強(qiáng)降水，而個例7.28數(shù)值模式對副高移動方向把握較準(zhǔn)確，因此雨帶形態(tài)與位置預(yù)報(bào)較準(zhǔn)確。相較而言ECMWF較其它模式更具有優(yōu)勢，但普遍存在范圍偏小、量級偏弱的情況，這是它的局限性所在，可結(jié)合SWC-WARMS進(jìn)行訂正。而GRAPES-GFS、GRAPES-MESO在模式穩(wěn)定性和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率方面都不及上述兩者，但隨著模式的改進(jìn)，后期可繼續(xù)關(guān)注。