榆林2017年7月26日区域性大暴雨数值预报降水检验及误差分析

侯柯然，侯庆国，艾 锐,蒋伊蓉，张博宇，贺继荣

(1.榆林市气象局，陕西榆林 719000；2.佳县气象局，陕西佳县 719200)

近年来，榆林市降水增多，夏季对流性天气频繁，短时降水强度大，致灾性强。但各种数值模式对暴雨的预报能力参差不齐，加强模式暴雨预报的客观检验就显得非常重要。张宏芳等[1]对EC、JMA模式降水预报进行了对比分析，提到EC预报相对平稳,对暴雨的降水预报优于JMA模式；高永辉等[2]对“7·21”特大暴雨的降水落区与中心做了检验；梁寒等[3]对EC模式和多模式集成72 h内降水落区与强降水中心位置的预报产品进行了检验；何光碧等[4]对GRAPES_MESO模式一次降水过程的预报做了误差分析；李明等[5]对陕西省中尺度模式降水预报做了检验；庞翻等[6]分析了T639数值产品对宝鸡暴雨的预报检验。榆林地区暴雨研究多为其特征及形成机理分析，对降水产品检验方面的研究较少。2017年7月25日的区域性大暴雨过程中，榆林多站降水量突破本站历史极值，降水引发的洪涝灾害造成了严重的经济损失。因此，选用天气预报业务中常用的欧洲中期数值模式(简称EC)、中国气象局全球中期数值模式(简称GFS)、日本气象厅数值模式(简称JMA)2017年7月25日08时—26日08时的预报产品与相应时间的地面观测资料、NCEP1°×1°再分析资料做对比，分析各个模式对此次过程的降水预报及误差原因，总结各模式在预报中的应用经验，为突发性暴雨预报提供一定参考。

1 实况分析

2017年7月25日08时至26日08时，榆林地区出现区域性大暴雨天气过程，强降水主要集中在榆林市东南部县区。榆林市地面观测站总共出现大暴雨28站，暴雨48站，降水中心(110.11°E、37.39°N)位于绥德赵家砭，雨量为252.3 mm，最大小时雨量出现在横山魏家楼镇26日01—02时，为62.8 mm。国家站最大降雨量为子洲站218.7 mm。降水量如图1(图中剔除了缺测站点)。

图1 2017-07-25T08—26T08榆林地区降水量(单位为mm，图中黑色菱形块为子洲站)

2 空间分布检验

图2为EC 08时起报的25日降水过程预报图。图2a为23日08时预报的48～72 h累计降水量分布图，图中降水主要集中在榆林北部地区，降水中心位于111.39°E、 39.39°N，较实况偏东1.28°，偏北2.00°；中心值为85 mm，较实况偏小。图2b为24日08时预报的24～48 h累计降水量分布图，降水中心位于110.75°E、39.63°N，中心值为87.7 mm；降水量级与23日08时起报的48～72 h预报结果基本一致，降水中心略向西北偏移，且降水范围南扩。图2c为25日08时预报的0～24 h累计降水量分布图，降水中心位于110.37°E、39.37°N，中心位置与实况相比偏东0.26°，偏北1.98°，更接近实况；中心值为113 mm，降雨量级上升为大暴雨，但与实况还有较大差距；降水范围与24日08时起报的24～48 h预报结果基本一致。可以看出，随着预报时效的临近，降水的落区、中心位置与降水量级都更接近实况。

图3为EC 20时起报的25日降水过程预报图。图3a为23日20时预报的48～72 h累计降水量分布图，图中降水中心位于111.5°E、39.37°N，较实况偏东1.39°，偏北1.98°；中心值为124 mm，降水量级达到大暴雨。在榆林东部存在一次降水中心，降水中心处于111.13°E、 38.51°N，中心值为93 mm，降水范围覆盖榆林北部与东部区县。图3b为24日20时预报24～48 h累计降水量分布图，降水中心位于110.87°E、39.87°N，与实况相比偏东0.76°，偏北2.48°；降水范围北移，中心值增大为131.2 mm。两个时效的降水量级均达到大暴雨，但与实况仍相差较大。

图2 EC 2017-07-23—25 08时起报的25T08—26T08累计降水量(单位为mm；a 23日；b 24日；c 25日)

可以看出，与08时相比，EC 20时起报的降水量级较大，覆盖范围偏南，更接近实况；08时起报的各时效的降水量级随时间的临近有靠近实况的趋势。

图3 EC 2017-07-23—24日20时起报的25T20—26T20累计降水量(单位为mm；a 23日，b 24日)

GFS 23日08时预报的48～72 h累计降水量分布图中(图略)，降水中心位于112°E、 39.62°N，与实况相比偏东1.89°，偏北2.23°；中心值为83 mm，为暴雨量级。榆林中部有一次降水中心，位于108.75°E、 38.4°N，中心值为72 mm。降水范围覆盖整个榆林市。24日08时起报24～48 h累计降水量分布图中(图略)可以看出，所预报的降水分布比较均匀，且覆盖全市，但降水量级较小，未预报暴雨。25日08时起报的0～24 h累计降水量分布图中(图略)，降水中心位于109°E、 38.37°N，与48～72 h累计降水预报的次降水中心接近，与实况相比偏西1.11°，偏北0.98°；中心值为55.0 mm。可以看出，随着预报时效的临近，降水中心更靠近实况，但整体降水量级较低，未预报出大暴雨。

GFS 23日20时预报的48～72 h累计降水量分布图中(图略)，降水中心处于109.25°E、 38.63°N，与实况相比偏西0.86°，偏北1.24°；中心值为73 mm，为暴雨量级；降水范围覆盖全市。24日20时起报的24～48 h累计降水量分布图中(图略)，降水中心位于108.8°E、38.37°N，中心值为55 mm，降水中心与72 h预报基本一致。降水仍覆盖全市，但降水量级降低，未达到大暴雨。可见，GFS两个时次的起报场预报的降水量级均较小，未报出大暴雨。20时起报的降水落区预报比08时的预报更接近实况。

JMA 08时起报的25日降水过程预报图中(图略)，随着时效的临近，降水中心逐渐东移，接近实况；且降水量也在增加，但是降水量级均很小，未达到暴雨级别；降水范围只覆盖榆林的中西部。JMA 20时起报的25日降水过程预报图中(图略)，降水落区与08时无明显差别，降水量更小一些。

3 天气形势实况和物理量分析

25日08时,500 hPa中高纬呈两槽一脊的环流形势，高原东部有长波槽东移，受台风“桑卡”影响，副高588 dagpm线西伸北抬至陕西东南部，榆林处于副高外围的偏南暖湿气流中。200 hPa河套北侧有高空急流，急流风速大于30 m/s；低空存在西南、东南两支低空急流，高低空急流形成耦合，低层河套西侧有一横切变。25日20时，高空急流加强，风速大于40 m/s。副高588 dagpm线继续西伸北抬至陕西中部，低层水汽输送加强。26日02时，高空急流维持；受台风外围气流影响，东南低空急流加强，低空急流左侧出口区风速加强为16 m/s；榆林上空处于人字形切变暖区一侧(图4)。850 hPa以上垂直运动开始增强，并向北部偏移。700 hPa垂直运动中心位于110°E、38°N，接近强降水中心位置，中心值达-0.9 Pa/s。在上升运动的南北两侧有两个下沉区，与上升区形成耦合，为水汽的输送与不稳定能量的释放提供了有利条件(图5)。水汽通量流线图中有偏南和东南两个水汽输送带。东南部为台风外围的水汽输送带，输送过程中水汽通量散度为正值，到榆林上空变为负值。水汽在榆林上空积聚，并且达到18×10-5g/(cm2·hPa·s)，说明台风外围的东南急流为水汽的主要输送带(图6)。榆林上空处于假相当位温能量舌前端，为相对大值区，低层气流通过相对湿度大值区到达榆林上空，气流辐合区与能量舌相重叠，形成强对流(图7)。对流性降水与稳定性降水相配合，使得强降水的落区出现在了榆林的东南部。

图4 2017-07-26T02 200(阴影)、700 hPa(风向杆)风场，500 hPa高度场(单位为dagpm)

图5 2017-07-26T02 700 hPa垂直速度(单位为Pa/s)

图6 2017-07-26T02 850 hPa水汽通量(流线)和水汽通量散度(阴影，单位为10-6g/(cm2·hPa·s))

图7 2017-07-26T02 850 hPa假相当位温(等值线；单位为℃)、相对湿度/%(阴影)、风场(单位为m/s)

4 预报误差分析

4.1 EC预报误差分析

25日08时预报26日02时环流形势基本与实况一致。200 hPa急流轴中心风速大于50 m/s,比实况偏大；700 hPa切变偏北2°～3°；850 hPa切变较弱，且偏北1°(图略)。垂直上升运动中心位于榆林西北部，中心值达-1.2 Pa/s(图略)。水汽输送带偏南，水汽通量散度大值区处于榆林西北侧呈带状分布，同样比实况偏北；中心值达-33×10-5g/(cm·hPa·s)，比实况偏强(图8)。假相当位温与低层气流的配合整体上比实况偏北(图略)。可见，在EC细网格的数值预报中，低层切变、垂直速度中心、水汽通量散度大值区和假相当位温能量舌较实况偏北，因此降水预报偏北。850 hPa切变线预报较弱，且为横切，与实况的人字形切变相比辐合较弱；水汽输送带偏南，未预报出台风外围气流对水汽通道的增强作用。因此影响了降水量级预报。

图8 EC 2017-07-25T08预报26T02 850 hPa水汽通量(流线)和水汽通量散度(阴影为单位为10-6g/(cm2·hPa·s))

4.2 GFS预报误差分析

在GFS 25日08时预报26日02时的高空图上，位于孟加拉湾的低值中心较强，南支槽更偏东；200 hPa 急流轴中心速度大于50 m/s，比实况偏大；低层切变均偏北3°～4°(图略)。垂直运动上升中心处于110°E、40.5°N，比实况偏北2.5°；在榆林中西部有一个弱的垂直上升运动，与其预报的榆林市降水中心相吻合(图略)。水汽通量图上有偏南和偏东南两条输送带，预报出了台风外围气流偏东南输送带，水汽输送预报较准确；但榆林上空的水汽通量散度为正值，有水汽的缺失(图9)。假相当位温的能量舌处于榆林的西北部(图略)。综上所述，由于低层辐合与θse相对大值区明显偏西偏北，且垂直上升运动偏西，GFS预报的降水大值区在榆林北部的内蒙古地区，垂直运动的次上升中心对应榆林上空降水较大中心。虽然水汽输送预报较好，但水汽通量散度辐合区偏北，榆林上空为辐散区；GFS预报的降水量级为暴雨，与实况的大暴雨相差较大。

图9 GFS 2017-07-25T08预报26T02 850 hPa水汽通量(流线)和水汽通量散度(阴影，单位为10-6g/(cm2·hPa·s))

4.3 JMA预报误差分析

JMA 25日08时预报26日02时的高空环流分布与低层切变线位置基本接近实况，但没有预报出低空急流(图略)。垂直上升运动的中心位置与实况基本一致，上升运动稍弱，中心值为-0.7 Pa/s(图略)。水汽输送带的方向、来源与实况基本一致，但水汽通量散度的辐合区偏西，且中心值预报较弱，仅为-12×10-5g/(cm·hPa·s)(图10)。θse的相对大值区处于榆林南部，并与低层气流辐合区重叠，与实况一致(图略)。JMA的各项预报的中心值均与实况位置基本一致，只有水汽的辐合区预报偏西，所以降水预报略偏西，在各模式中最接近实况。由于低层气流较弱以及弱的水汽辐合，JMA的降雨量级预报较低，未达到暴雨量级。

图10 JMA 2017-07-25T08预报26T02 850 hPa水汽通量(流线)和水汽通量散度(阴影，单位为10-6g/(cm2·hPa·s))

5 结论

(1)在降水量的预报中，EC对降水量预报较好，达到大暴雨量级，但降水中心偏北。GFS预报的降水量比实况低一个量级，降水中心偏北，但比EC更接近实况。JMA预报的降水中心最接近实况，但降水量较小，未达到暴雨量级。各模式均为20时预报优于08时，且随着时效的临近，预报更接近实况。

(2)EC预报低层切变、垂直速度中心、水汽通量散度大值区和假相当位温能量舌的位置偏北，使降水预报偏北。850 hPa切变预报较弱，且为横切变，与人字形切变相比辐合较弱；水汽输送带较实况偏南，未预报出台风外围气流对水汽通道的增强作用。因此影响了降水量级预报。GFS预报的低层辐合、θse相对大值区、垂直上升运动的位置均明显偏西，故降雨大值区在内蒙古地区，垂直运动的次上升中心对应榆林上空降雨量中心。虽然水汽输送预报较好，但水汽通量散度辐合区偏北，降水量级偏小，为暴雨。JMA的各项预报均与实况位置基本一致，只有水汽通量散度辐合区偏西，所以降水预报略偏西，在各模式中降水中心最接近实况。但由于低层气流及水汽辐合预报较弱，降水量预报很小，未达到暴雨量级。