一次冷渦云系CMA-CPEFS v2.0模式模擬效果檢驗

摘 要：利用衛(wèi)星反演、探空、地面降水資料，對比分析了一次冷渦降水云系CMA-CPEFS v2.0模式模擬的云帶、云頂高度/溫度、云垂直結構和降水場。結果表明：模式預報的云系分布形態(tài)、范圍和云系移向與實況十分接近，含水量大值區(qū)與實況不完全相同，云系移速較實況略慢；模式預報的溫度特征層（0、-10、-20、-30 ℃）高度、相對濕度與實況一致，云水混合比和溫度垂直剖面也反映出了冷渦云系的冷暖垂直結構；模式對各量級24 h降水預報要好于48 h，24 h降水預報模式對降水較為敏感，存在降水預報偏大的現(xiàn)象，而48 h降水預報存在不足的現(xiàn)象。

關鍵詞：模式預報；模式模擬；對比分析

中圖分類號：P426.51 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

云降水模式是將云的動力學方程和微物理方程結合觀測和實驗結果聯(lián)合求解，模擬云降水的發(fā)展演變過程。云數(shù)值模式已經(jīng)在人工影響天氣理論、播撒技術等方面得到了廣泛應用。胡志晉等[1]發(fā)展了雙參數(shù)混合相層狀云模式，考慮云水比水量，雨、冰、雪比水量和比濃度。洪延超[2]建立了對云滴、雨、冰晶、雪和霰5種粒子比含水量和比濃度計算模式。郭學良等[3]建立了一維雨滴分檔模式。高茜等[4]利用耦合了CAMS云方案和非靜力中尺度數(shù)值模式MM5V3的CAMS中尺度云模式，對北京一次層狀云系降水進行模擬和人工催化數(shù)值試驗。韋增岸等[5]利用人工影響天氣模式產(chǎn)品和衛(wèi)星反演產(chǎn)品，對一次飛機增雨作業(yè)過程進行了分析。

CMA-CPEFS v2.0模式基于WRF中尺度模式v4.2版本，耦合中國氣象局人影中心CAMS雙參數(shù)云微物理方案和兩類冷云催化方案，提供了云宏觀場、云微觀場、云垂直結構場、降水場4大類預報產(chǎn)品。為檢驗模式在吉林省的適用性、更好地適應本地復雜天氣和云系特征，針對一次冷渦天氣過程分析了模式的模擬效果，以期改進和完善模式預報。

1 天氣實況

2024年入春以來吉林省氣溫持續(xù)偏高，高溫少雨導致西部部分地方土壤缺墑。5月10—11日吉林省自西向東有一場降雨天氣過程，對改善土壤墑情、出苗保苗較為有利。5月10日08：00 500 hPa高空有一冷渦（圖1a），中心大致在52°N、109°E，地面配合有蒙古低壓（圖1b），08：00低壓暖鋒已過境，10日凌晨受系統(tǒng)暖區(qū)云系影響，吉林省西部出現(xiàn)小雨；10日午后至夜間受冷渦云系影響，吉林省大部出現(xiàn)小到中雨；整個過程風力較大，11日20：00冷渦和地面低壓中心移至黑龍江境內(nèi)（圖略），地面冷鋒已移出吉林省，系統(tǒng)主體影響基本結束。

圖1" 2024年5月10日08：00 500 hPa（a）和地面（b）形勢場

2 模式模擬情況分析

2.1 云系分布和演變特征

為分析模式對整個過程云系發(fā)展演變的模擬情況，對比分析了模式預報的云帶和衛(wèi)星反演的光學厚度。云帶是所有水成物含水量的垂直積分，反映組成云的水成物的分布和演變特征；光學厚度是云系在整個路徑上云消光的總和，是表征云中水物質(zhì)的特征量，為無量綱參數(shù)。2024年5月10日14：00衛(wèi)星反演的光學厚度（圖2a）顯示，云系呈東北—西南向分布于東北至華北地區(qū)，云系含水量大值區(qū)大致有3處，范圍較大的位于吉林省中部—黑龍江—內(nèi)蒙古東部，另2處是呈東北—西南向的位于內(nèi)蒙古東南部長條云帶和呈南—北向的由境外至內(nèi)蒙古的長條云帶。模式5月9日20：00起預報的5月10日14：00云帶（圖2b）顯示，云系的形態(tài)和范圍與實況十分接近，但含水量大值區(qū)不盡相同，內(nèi)蒙古東部大值區(qū)的實況未預報出來。實況圖上，云系東部云帶已快移過長春、沈陽，在長春、沈陽西側(cè)存在相對少云區(qū)域，而模式預報云帶正在長春上空、尚未到沈陽，可見模式預報的云系移速較實況略慢。對比5月10日凌晨至系統(tǒng)結束模式預測的云帶和衛(wèi)星反演的光學厚度，結果顯示：模式預報的云系形態(tài)、范圍、移向與實況十分接近，含水量大值區(qū)與實況不完全相同，云系移速較實況略慢。

圖2" 2024年5月10日14：00衛(wèi)星反演光學厚度（a）和模式預報云帶（b）

2.2" 云頂高度

對比分析模式預報的云頂高度和衛(wèi)星反演的云頂高度，分析模式對云頂高度的模擬情況。2024年5月10日20：00衛(wèi)星反演的云頂高度（圖3a）顯示，云系東部長春—哈爾濱部分云頂高度最大值達12～14 km，

內(nèi)蒙古部分云系云頂高度最大值達9～10 km，云系冷鋒段云頂高度為6～10 km。模式5月9日20：00起預報的5月10日20：00云頂高度（圖3b）顯示，云系東部長春—哈爾濱部分云頂高度最大值為11～12 km，較實況偏低，內(nèi)蒙古部分云系云頂高度大部分為8～9 km，最大值達9～10 km，與實況基本相符，這部分云系位置較實況偏北，說明模式預報的云系移速較實況偏慢，云系冷鋒段云頂高度為11～14 km，較實況偏高。

圖3" 2024年5月10日20：00衛(wèi)星反演云頂高度（a）和模式預報云頂高度（b）

2.3 云垂直結構

通過對比長春探空與模式預報的相對濕度、云水混合比和溫度垂直剖面，發(fā)現(xiàn)模式預報的溫度特征層（0、-10、-20、-30 ℃）高度、相對濕度與實況一致（表1）。冷渦云系降水基本為冷暖混合云結構，云水混合比和溫度垂直剖面也反映出了冷渦云系的冷暖垂直結構。

表1" 探空與模式預報的溫度特征層高度和相對濕度

探空時間 溫度特征層高度/m 相對濕度/%

0 ℃ -10 ℃ -20 ℃ -30 ℃ 850 hPa 700 hPa 500 hPa

5月10日08：00探空 3 246 4 836 6 396 7 740 75 90 84

5月10日08：00預報 3 200 4800 6 300 7 700 70～80 90～100 80～90

5月10日20：00探空 3 247 5 284 6 819 8 109 90 100 90

5月10日20：00預報 3 200 5 200 6 800 8 000 80～90 95～100 80～90

5月11日08：00探空 1 516 3 016 6 375 7 588 50 23 0

5月11日08：00預報 1 500 3 200 6 000 7 500 / / /

注：模式預報相對濕度按區(qū)間填色顯示，60%以下不填色。

2.4 降水場

為定量檢驗降水預報效果，對模式預報的24 h和48 h降水進行TS評分。選取吉林省2024年5月9—11日20：00 54個國家級地面氣象觀測站24 h降水量資料，采用累加量級檢驗，對小雨（≥0.1 mm）、中雨（≥

10 mm）（此次過程未出現(xiàn)大雨、暴雨）進行檢驗分析。

TS評分是實況與預報量級一致的比例，數(shù)值越大，表明預報越準。計算公式如下：

TSk=×100%（1）

漏報率（PO）是實況量級高于預報量級在預報中的比例，反映了預報不足的現(xiàn)象。計算公式如下：

POk=×100%（2）

空報率（FAR）是實況量級低于預報量級在預報中的比例，反映了預報過度的現(xiàn)象。計算公式如下：

FARk=×100%（3）

式（1）～式（3）中，k代表降水量級，取1、2分別代表小雨、中雨；NAk為k等級降水預報正確的站數(shù)；NBk為k等級空報站數(shù)；NCk為k等級漏報站數(shù)。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，小雨、中雨24 h預報TS評分均高于48 h，24 h的空報率均高于漏報率，而48 h的漏報率均高于空報率，說明小雨、中雨24 h降水預報要好于48 h，24 h降水預報模式對降水敏感，存在降水預報偏大現(xiàn)象，而48 h降水預報存在不足現(xiàn)象。

3 結論

（1）模式預報的云系分布形態(tài)、范圍和云系移向與實況十分接近，含水量大值區(qū)與實況不完全相同，云系移速較實況略慢。

（2）模式預報的云頂高度因云系部位的不同而有所差異。云系主體東部長春—哈爾濱部分云頂高度較實況偏低，內(nèi)蒙古部分云系云頂高度與實況基本相符，這部分云系位置較實況偏北，說明模式預報的云系移速較實況偏慢，云系冷鋒段云頂高度較實況偏高。模式預報的云頂溫度均較實況偏低。

（3）模式預報的相對濕度、溫度特征層（0、-10、-20、

-30 ℃）高度與實況一致。冷渦云系降水基本為冷暖混合云結構，云水混合比和溫度垂直剖面也反映了冷渦云系的冷暖垂直結構。

（4）模式對小雨、中雨24 h降水預報要好于48 h，24 h降水預報模式對降水敏感，存在降水預報偏大現(xiàn)象，而48 h降水預報存在不足現(xiàn)象。

參考文獻

[1] 胡志晉，嚴采蘩.層狀云微物理過程的數(shù)值模擬（一）：微物理模式[J].氣象科學研究院院刊，1986（1）：37-52.

[2] 洪延超.積層混合云數(shù)值模擬研究（I）：模式及其微物理過程參數(shù)化[J].氣象學報，1996（5）：544-557.

[3] 郭學良，黃美元，徐華英，等.層狀云降水微物理過程的雨滴分檔數(shù)值模擬[J].大氣科學，1999（6）：745-752.

[4] 高茜，王廣河，史月琴.華北層狀云系人工增雨個例數(shù)值研究[J].氣象，2011，37（10）：1241-1251.

[5] 韋增岸，張正國，程鵬，等.廣西一次飛機增雨過程個例分析[J].氣象研究與應用，2019，40（3）：90-93，116.

收稿日期：2024-07-12

作者簡介：谷笑楠（1989—），男，吉林榆樹人，工程師，研究方向為大氣物理。#通信作者：李薇，E-mail：lw_dxj@126.com。