河南2023年麥收期連陰雨極端特征及預報偏差分析

劉 超, 董俊玲

(1.中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室,鄭州 450003;2.河南省氣象臺,鄭州 450003)

引 言

連陰雨是河南省主要災害天氣之一。統計分析表明,2009-2017年河南省主要氣象災害及相應損失程度,除暴雨洪澇在河南造成的損失最為嚴重外,連陰雨造成的年均經濟損失也在1億元以上[1]。目前針對連陰雨有很多研究。高晶等[2]統計了1981年以來河南5月中旬到6月中旬的連陰雨過程,分析了2023年黃淮麥區“爛場雨”過程的極端性和大尺度大氣環流場特征。張濤[3]、鮑媛媛[4]等從不同角度分析總結北方連陰雨天氣的大氣環流特征。何慧根等[5]對重慶春季連陰雨的氣候特征和氣候信號進行分析。劉璐等[6]利用50年的觀測資料設計并計算了陜西連陰雨指數,客觀地反映連陰雨強度。朱公群等[7]利用近60年資料,分析建立了安徽省沿淮地區秋季連陰雨的監測指標和強度綜合指數公式。姚阮等[8]利用近30年資料構建江蘇省連陰雨特征與區域指數。上述研究多是針對春季和秋季的連陰雨天氣[9-12]。

河南連陰雨的研究也有一定的基礎。孔海江[13]、谷秀杰[14]和朱玉周[15]等分別診斷分析了2005、2009和2017年發生在河南省的秋季連陰雨的異常環流特征及其可能原因。針對2011年9月河南連陰雨天氣過程,劉佳[16]、孔海江[17]、朱玉周[18]等利用不同方法和數據,從不同角度進行了深入分析。劉雅星[19]、王秀萍[20]等分別研究了連陰雨對農作物的影響。

王記芳等[21]利用50年連陰雨數據分析發現,河南省連陰雨夏季最多,秋季的次之。但是對河南省夏初連陰雨的研究較少[22],全國范圍內對夏初麥收期的連陰雨天氣的研究也不多[23]。張建新等[24]對1951-1991年徐州夏收期降水統計分析發現,平均7年發生一次雨澇,造成三麥嚴重減產,豐產不豐收。王秀文等[25]統計1980-2004年5月下旬至6月中旬北方麥收區連陰雨天氣過程,發現連陰雨天氣日數一般為4天左右,5天以上連陰雨有12次,1991年出現了長達11天的連陰雨天氣,是持續時間最長、對安徽麥收影響最大的一次過程。

2023年5月20日-6月4日河南省遭遇近10年來最為嚴重的“爛場雨”天氣。大范圍持續陰雨天氣導致麥田積水,小麥點片倒伏、發霉,部分地區出現籽粒萌動和穗發芽現象。本文研究了2023年5月20日-6月4日麥收關鍵期河南連陰雨過程的降水與環流極端性特征,分析了主客觀預報誤差分布特征和偏差原因[26-27]。

1 資料簡介

研究中使用的降水資料源自中國氣象局多尺度氣象觀測資料,日照時長資料源自中國氣象局氣象大數據云平臺——天擎。大氣環流資料來自歐洲中期數值預報中心(ECMWF)提供的空間分辨率為0.25°×0.25°、時間分辨率1 h的ERA5再分析資料。天氣雷達和風廓線雷達資料源自河南省氣象信息中心。模式預報產品為中國氣象局上海數值預報模式系統(CMA-SH9)、歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)等數值模式預報產品,主觀預報產品源自河南省智能網格氣象編輯平臺。

2 極端性特征分析

我國北方傳統麥收期為歷年5月下旬到6月中旬[25]。隨著農業現代化推進和機收作業的普及,河南麥收關鍵期集中在5月下旬到6月上旬。2023年河南極端連陰雨過程恰好處在麥收關鍵期,出現在5月20日到6月4日。連續降水導致小麥晚熟,影響灌漿;強降水更是在豫南、豫東引發短期農田積水、漬澇,導致機械收割無法大規模開展,影響收割進度和小麥品質。

2.1 降水極端性特征

從河南省2023年5月20日08時-6月5日08時累計降水量圖(圖1a)可見,兩條主雨帶呈東北—西南向分布在三門峽、洛陽西部到焦作西部一線和南陽東部經駐馬店、周口到商丘一線。全省平均降水量93.9 mm,地市平均降水量前三分別為三門峽(183.0 mm)、濟源(130.3 mm)、駐馬店(121.3 mm),50 mm以上的有163個縣(市、區)共2478個雨量站,占全省雨量站的87.6%,100 mm以上的有110個縣(市、區)共1162個站,占全省雨量站的41.1%,250 mm以上的有3個縣(市、區)共16個站。最大雨量出現在靈寶城區,為324.5 mm。從該時段過程累計降水量距平百分率和歷史排名(圖1b)可知,全省國家站降水量距平百分率均為正值,主要分布在54.5%～769.1%,最大距平百分率出現在靈寶站,為769.1%。全省平均降水量距平百分率為170.3%,其中有17個站達到歷史同期排名第一,10個站位于歷史同期排名第二,27個站位于歷史同期排名第三,多分布在豫西、豫北和豫東。

圖1 2023年5月20日08時-6月5日08時河南省累計降水量(a)、累計降水量距平百分率和歷史排名(b)填色為累計降水量距平百分率,數字為同期歷史排名

2.2 連陰雨極端性特征

根據《連陰雨預警信號等級劃分》河南省地方標準規定,河南省單站連陰雨標準:某日期段內第一日和最后一日均出現降水,日降水量均≥0.1 mm,過程中每日日照時長均≤2 h或云量≥8成,過程降水量≥30 mm;或降水過程持續5～10 d,無雨日數≤2天且不連續;或降水過程持續≥11 d,無雨日數≤3天且不連續。河南省區域性連陰雨標準:區域內有≥20%測站出現連陰雨,則認定出現一次區域性連陰雨。

依據河南省單站及區域連陰雨標準,對本次連陰雨過程的極端性進行診斷分析。圖2給出2023年5月20日到6月5日逐日河南省國家站日照時數箱線圖和全省平均降水量。由圖2可見,5月20日起,全省降水增加,日照減少,5月25日到6月4日,河南省出現持續大范圍連陰雨過程。25日全省平均日照時數為1.51 h,50%的站點日照時數≤0.8 h,全省平均降水量為1.8 mm,降水站點超過70%,符合區域連陰雨開始標準。26日到29日和6月2日到4日全省降水持續,日照時數接近0,盡管30日和31日降水減弱,但全省依然有≥25%測站出現連陰雨。6月1日為無雨日,6月5日除豫東南外降水結束。依據河南區域連陰雨標準,5月25日到6月4日全省范圍出現累計11天連陰雨。6月5日,豫東南仍有5 mm以上的降水,信陽站日照時數為0,豫東南連陰雨持續至12天。

圖2 2023年5月20日-6月5日河南省國家站日照時數箱線圖和全省日平均降水量(直方圖)

高晶等[2]研究表明,自1981年以來河南最長的連陰雨為1991年5月29日-6月2日的5天,因此本次過程為1981年來持續時間最長的一次區域連陰雨過程,僅次于有記錄以來的1963年5月18-30日全省大部分地區出現的長達13天的連陰雨天氣過程(宋清芝等[22]),歷史排名第二。

2.3 大尺度環流極端性特征

圖3給出2023年5月25-30日500 hPa氣候態(1991-2020年)平均位勢高度場和距平場及2023年5月25-30日平均場5880位勢米線(以下用gpm)。由平均位勢高度場可見,河南上空受西北氣流控制,多以晴好天氣為主,有利于小麥的收割與晾曬。西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)5880 gpm位于135°E以東洋面;高值中心只有5760 gpm,其脊線位于15°N附近,西伸脊點在122°E附近。

圖3 2023年5月25-30日500 hPa位勢高度場及距平場(填色)實線為氣候平均,虛線為2023年5880平均線,單位:gpm

2023年5月25-30日平均場5880 gpm線西伸脊點位于102°E附近,較氣候態偏西33個經度以上。其間,29日20時副高脊線北抬至31°N附近,較氣候態明顯偏西、偏北。如此強盛而穩定的副熱帶高壓,將其脊線南側的西南暖濕氣流不斷向河南輸送,伴隨低層冷空氣不斷南下,冷暖空氣長時間在河南境內交匯,形成大范圍持續降水。

從距平場可見,大于200 gpm正距平中心位于東海,由東北南部經華北、黃淮到長江中下游一帶為160～180 gpm正距平區域;2023年第二號強臺風“瑪娃”影響下臺灣東南洋面有一個0 gpm距平中心區,受其影響,副高擠壓變形;新疆有一個6 gpm的低距平中心;河南省位于兩個低距平中心之間,零距平中心(臺風“瑪娃”)東側為向南的逆時針距平環流,同時正距平西側也為向南的順時針距平環流。在強臺風“瑪娃”配合下的偶極型分布,非常有利于水汽往河南省輸送。

3 預報偏差分析

根據影響系統及落區集中程度,將本次連陰雨過程分為三個主要降水時段,分別為2023年5月20-21日(簡稱時段1),5月25-30日(簡稱時段2),6月3-4日(簡稱時段3)。以下就上述3個主要降水時段進行主觀預報偏差分析。

3.1 主觀預報偏差分析

圖4、圖5分別給出3個時段累計降水量實況和前24 h主觀預報。對比可知,3個降水時段中主觀預報均在豫西或豫西北山區存在明顯強降水漏報。時段1中,降水強度預報偏弱兩個量級,實況在豫西南出現暴雨到大暴雨,預報為中到大雨,豫東空報;時段2中,降水強度預報與實況基本一致,但主雨帶預報較實況明顯偏南,在豫西同樣出現預報偏弱情況;時段3中,雨強和雨帶的預報與實況基本一致,只是在豫西三門峽存在強降水漏報。

圖4 三次過程3個時段累計降水量(a)2023年5月20日08時-22日08時,(b)2023年5月25日20時-30日20時,(c)2023年6月3日08時-5日08時

圖5 提前24 h省臺預報降水量(a)2023年5月20日08時-22日08時,(b)2023年5月25日20時-30日20時,(c)2023年6月3日08時-5日08時

對時段1強度預報偏弱進行偏差分析:預報員和數值模式對過程判定為自西北向東南的風雹類強對流過程,面雨量預報偏弱。實際過程產生在東北冷渦背景下有低槽攜冷空氣南下與西南暖濕急流在秦嶺和南太行山交匯,配合低層切變線影響,在河南西部產生明顯降水。2023年5月20日16時開始,700 hPa南風偏強,推動豫西降水回波自南向北移動(圖6a),由風雹類天氣過程逐漸演變為短時強降水為主的強對流天氣過程,河南大部小到中雨,西部大到暴雨,局部大暴雨,最大小時雨強58.6 mm。模式對中層環境風場預報偏弱是導致豫西降水預報較實況明顯偏弱的主要原因。

圖6 2023年5月20日16時(a)和6月3日14時(b)河南省雷達拼圖

對時段2預報落區偏南進行偏差分析:5月25日至30日西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)逐漸北抬至黃淮地區(圖3),尤其是29日20時588 dagm線北抬至31°N附近,控制河南沿淮一線,中緯度西風帶不斷有低槽東移,在低層切變線及副熱帶高壓外圍暖濕氣流共同作用下,河南產生持續性大范圍強降水天氣,暴雨及以上量級降水主要分布在西部和中東部。過程中副高受強臺風“瑪娃”擠壓變形(圖3),各模式對臺風預報存在偏差,進而影響對副高預報準確性,導致副高預報明顯偏南。預報員對模式預報副高位置向北訂正后仍有偏差,預報的主雨帶位于東南部(圖5b)。

對時段3西部強降水漏報預報偏差分析:此過程預報員對主雨帶和雨強有較好的把握,但在西部山區有短時強降水漏報(圖4c、圖5c)。偏差原因:過程中500 hPa西風作為引導氣流(圖6a),在豫西高海拔山區受地形強迫產生短時強降水。圖7給出6月3日14時ERA5再分析資料在三門峽到開封一線垂直剖面。600 hPa以上為強盛西風,500 hPa在三門峽上空風速達到22 m/s。在110.5°E到111.3°E上空有0.3 m/s的大范圍上升運動區,高度在600-300 hPa,配合925 hPa的東南風造成三門峽地區強降水。在112.2°E上空有0.4 m/s的強上升運動區,中心高度達400 hPa,但低層925 hPa東北風造成下沉運動,因此濟源—鄭州一線的強回波并沒有帶來明顯降水(圖6b)。

圖7 2023年6月3日14時ERA5沿三門峽到開封垂直剖面等值線為相當位溫,填色為垂直速度

時段1和時段3在豫西強降水預報漏報的共同原因:中層氣流變化(加強)導致降水系統移動方向發生變化。加強實時氣象觀測資料分析,判斷引導氣流及系統移動與模式預報相比是否已經發生變化,及時做好臨近預報訂正,可以在一定程度上改善西部山區強降水的漏報,提供預報預警的準確率。但是豫西山區復雜地形對風場的影響機制尚不明確,需持續深入的分析研究。

3.2 24 h降水晴雨準確率和TS評分

逐24 h評分數值模式(主觀預報前12 h起報資料)和三級主觀產品(中央臺指導/省臺指導/地市訂正)預報晴雨準確率除日本模式外,均在80%以上,省臺主客觀預報表現最優,分別達到83%和84%(圖8a)。隨時效推移,雖然準確率有所下降,但72 h晴雨預報除中央臺指導報外,其余預報準確率均在74%以上,省臺和地市主觀預報分別達到82%和81%(圖8b)。因此對于此次連陰雨過程,大多數主客觀預報有72 h以上的提前量。

圖8 2023年5月20日20時-6月4日20時24 h降水晴雨準確率評分(a)為數值模式12-36 h和主客觀產品0-24 h預報,(b)為數值模式60-84 h和主客觀產品48-72 h預報

累計降水TS評分(圖9a、b)可以看出,對于小雨和中雨以上量級降水,數值模式和主客觀產品都有較好的預報。24 h預報時效小雨以上量級降水的預報TS評分都在0.74以上,中雨以上量級降水的TS評分都在0.32以上;48 h預報時效小雨以上量級降水TS評分在0.67以上,中雨以上量級降水TS評分除EC外都在0.30以上。因此數值模式和主客觀預報產品對連陰雨過程中的一般性降水有較好的預報效果,和晴雨準確率評分得到的結論一致。但是對暴雨以上量級降水,預報能力迅速下降,TS評分僅為0～0.07,同樣反映了主客觀預報對主雨帶的系統偏差。

圖9 2023年5月20日20時-6月4日20時數值模式和主客觀產品24 h降水預報TS評分(a)為數值模式12-36 h和主客觀產品0-24 h預報,(b)為數值模式36-60 h和主客觀產品24-48 h預報時效

3.3 數值模式預報大雨以上偏差分析

圖10給出實況大雨以上降水中心(≥25 mm)與各數值模式預報最臨近區域的位相偏差特征及其隨預報時效臨近偏差變化趨勢,可以很清楚地看出,在36 h預報時效各模式預報的雨帶均出現比實況偏南特征;各模式隨時效臨近,預報的雨帶偏南特征較早期預報得更加明顯,即模式主雨帶出現了“系統性向南偏差”。

圖10 2023年5月25日08時-30日08時模式預報的雨帶位置偏差特征(a)(b)(c)(d)依次為72 h、60 h、48 h、36 h預報

模式預報雨帶系統性偏差的主要原因是模式對副高(588 dagpm線)預報偏差。2023年第二號臺風“瑪娃”在5月27日下午增強為強臺風,繼續西行北上,并推動副高異常北抬。數值模式對臺風預報的偏差是導致對副高位置預報偏差的重要原因,也是各數值模式出現“系統性偏差”的根本原因,結果導致各模式在暴雨以上量級降水TS評分偏低(圖9a、b)。

4 結論與討論

(1)通過對2023年河南麥收關鍵期連陰雨過程降水強度和持續時間的診斷,發現降水持續時間長,降水范圍大,從5月20日開始,6月4日結束;累計降水量大,降水量距平百分率全省平均為170.3%,累計雨量有17站達到歷史同期排名第一。在5月25日至6月4日產生了長達11天的連陰雨,持續天數在全省大范圍連陰雨過程歷史排名第二,僅次于1963年5月18-30日長達13天的全省范圍連陰雨天氣過程。

(2)2023年麥收關鍵期西太平洋副熱帶高壓偏西偏強且西段脊線偏北,5月25-30日平均場5880 gpm西伸脊點較氣候態偏西33個經度以上,該時段500 hPa距平場顯示,河南位于正距平中心西側梯度區,高出氣候態160～200 gpm,并位于兩個低距平中心之間。在強臺風“瑪娃”背景下的偶極型分布,非常有利于水汽持續不斷向河南輸送。

(3)偏差分析表明,3個降水時段中主觀預報均在豫西或豫西北山區存在強降水中心漏報,時段1預報偏弱,時段2主雨帶預報偏南,時段3雨強和雨帶預報較一致,但豫西依然存在強降水漏報。診斷表明,中層氣流較預報的偏差導致降水系統移動方向發生變化是時段1和時段3在豫西強降水漏報的主要原因,臺風和副高位置的預報偏差是時段2雨帶偏差的主要原因。

(4)對于此次連陰雨過程,多數主客觀預報有72 h以上的提前量。過程中后期數值模式對主雨帶預報出現了“系統性向南偏差”,雨帶偏差導致各數值模式對暴雨量級預報TS評分偏低。豫西地形對風場影響的機理較為復雜,對低層氣流有狹管效應,對中高層引導氣流也有復雜影響,需對更多個例進行深入診斷分析,得到更客觀的結論,指導預報工作。