GRAPES_MESO模式对郴州一次强降水过程的预报检验

周宜卿　冷谦

摘 要：本文利用GRAPES_MESO模式数据、NCEP再分析资料和常规探空与地面资料、自动站资料等，对2019年6月10日郴州一次大暴雨过程的模式降水预报情况、环流形势和物理量等进行天气学检验。结果表明：GRAPES_MESO模式降水量预报随着时效临近，雨带位置和强度误差缩小，短期时效内的降水量预报，能较好地反应本次强降水的位置、范围、强度，整体效果比GRAPES_GFS、EC细网格、日本中尺度模式好;对于9日20∶00—10日20∶00 24h的降水量，模式9日08∶00预报了郴州西部的大暴雨，落区偏西40km左右，中心值偏小30mm左右;对形势场的预报误差随等压面高度降低而增大，在一定程度上表明复杂地形对模式预报影响较大;850hPa风速辐合的漏报可能是降水量预报偏小的原因之一;模式对中层干侵入位置預报的偏差可能导致强降水位置偏离实况;对物理量场的预报不稳定，在本文检验的几个物理量中，水汽通量散度预报效果最好，而郴州西部水汽通量散度负值中心的预报范围和强度较实况偏小，可能是降水量偏小的重要原因之一;假相当位温的预报效果好于k指数，对涡度和散度的预报效果不太理想，这可能与观测资料较稀疏、无法体现中尺度对流系统的结构有关。

关键词：GRAPES_MESO模式检验;强降水;郴州;预报检验

中图分类号：S165

文献标识码：A

引言

暴雨是在一定环流背景下多尺度天气系统相互作用产生的，而对物理量的诊断分析则能为强降水落区和强度预报提供依据。数值预报作为目前天气预报主要的参考工具，其检验工作对现代天气预报模式的本地化应用有着重要的作用，因此也受到广大气象学者的高度重视。由于降水在时空上的非线性特征，对降水的定量预报是天气预报中面临的最困难问题，也是数值模式检验评估的重要指标。定性、定量评估数值模式的预报性能，对模式存在的问题和不足进行检验，有助于研发人员和预报员了解数值模式的模拟性能，并能进一步推进数值天气预报准确率的提高。对于模式的检验，主要有2方面的工作，定量化统计检验，主观天气学检验。天气学检验，主要是按照预报员实际业务中的预报思路，从模式降水量、天气过程发生发展的环流形势和物理量等方面主观分析和评估数值模式的预报性能，这对于预报员应用和订正模式有很好的参考意义[1]。

GRAPES模式是我国自主发展的新一代数值预报系统，其确定性预报产品包括全球模式产品（GRAPES_GFS）、区域模式产品（GRAPES_MESO-10KM、GRAPES_MESO-3KM）、区域9km台风模式产品（GRAPES_TYM）。目前，GRAPES_MESO使用的版本在区域变分同化系统、模式框架与物理过程、后处理产品开发及系统流程等方面进行优化后，降水ETS评分普遍提高，各量级降水的预报偏差明显降低，雨带分布更接近实况[2]。根据中国气象科学研究院对2019年主汛期GRAPES_MESO模式的检验表明，GRAPES_MESO-3KM模式对24h内的晴雨预报评分高于ECMWF高分辨率预报产品，对降水频次、强度分布与强度结构的预报明显优于ECMWF模式[3]。很多研究表明，GRAPES_GFS模式在不涉及大范围对流性降水时可参考性较高，而对于中尺度对流活动，则需结合GRAPES_MESO-3KM和GRAPES_MESO等高分辨模式进行雨带、形态、强度的订正[4]。

本文主要针对2019年6月10日郴州的大暴雨过程，从天气学检验的角度，分析GRAPES_MESO模式对本地强降水发生发展的天气形势和物理量以及降水量的预报能力和误差，为以后做更深入地研究分析和模式订正应用打好基础。

1 资料与方法

利用中国气象数据网和CMAcast广播下发的GRAPES_MESO（分辨率为10km×10km）、GRAPES_GFS（分辨率为0.25°×0.25°）模式预报场12h、24h降水量数据，风场、高度场和湿度场以及各种物理量场预报数据，郴州国家气象站、自动气象站的降水实况资料、探空资料和地面资料，以及NCEP逐6h再分析分析数据（分辨率为1°×1°）、EC细网格资料等数据进行分析。采用天气学主观检验方法，降水量检验用模式格点预报场填色图直接和国家站点降水资料对比，通过直观对比风场和高度场分布情况来检验天气系统位置、强度，对于部分物理量场的水平和垂直分布分别绘图对比检验。

2 降水量预报检验

2.1 降水实况

2019年6月9日20∶00—10日20∶00（图1），郴州市7个国家气象站出现了暴雨，2个大暴雨，自动气象站上，郴州市除北部外全市大部出现了大到暴雨、局地大暴雨的降水，全市平均面雨量64.9mm，县市区最大面雨量为106.7mm，全市共有大雨87站，暴雨151站，大暴雨68站。此次强降水范围较广、强度大、小时雨强较强，强降水主要出现在中南部，其中在西部地区有一大片大暴雨点，较强降水时段主要集中在10日01∶00—10∶00。

2.2 降水量检验

对比GRAPES_MESO模式8日20∶00、9日08∶00 2个时次起报的24h和12h降水量和实况降水量情况（图2）。从各时效降水量预报调整来看，模式预报随着时效临近，雨带位置和强度误差缩小，在8日14∶00及之前的时次，模式都没有预报出湘南的强降水，到8日20∶00报出了郴州地区的大暴雨，但雨带位置偏东，9日08∶00起报的雨带和雨强效果都较好，不足之处是强降水中心位置比实际情况略偏西40km左右，中心值虽为大暴雨量级但偏小30mm左右。对比GRAPES全球模式（图略），GRAPES_MESO模式预报效果比GRAPES_GFS更好，8日20∶00GRAPES_GFS模式预报雨带较实况偏北，9日08∶00起报雨带较8日20∶00往南调整，但与实况雨带还是有所偏差，最强中心量偏小100mm。再对比日常业务常用的EC细网格模式（图略），8日20∶00起报的降水量有2个大暴雨中心，分别位于实况大暴雨中心的东西两侧，落区预报不太准确，9日08∶00调整的预报场，在量级上与实况基本相同，但是大暴雨的范围太大，把整个湘南地区基本都报了大暴雨。日本中尺度模式（图略）8日20∶00预报的强降水雨带偏北，9日08∶00的预报场则量级小，大暴雨漏报。

3 天气形势检验

3.1 天气形势分析

2019年6月9日（图3），中高纬为两槽一脊型，东北地区存在一冷涡，槽后西北气流引导冷空气南下，副高脊线位于N20°～22°，呈东西向带状分布，分布形态不利于水汽输送，中低纬地区多从青藏高原东移的短波槽或来自西北地区的下滑槽。

9日08∶00 500hPa上郴州位于小槽槽后，在上游贵州南部还有一个小槽东移，2个小槽之间是弱脊区，700hPa切变呈东北西南向位于江西北部到湘西一带，低涡位于重庆到贵州北部附，850hPa切变线分2段，东段是冷切形式在湘东北地区，西段是暖切形式，位置偏南，此时广西北部到永州西南部位于暖切南侧急流区内，有风速辐合，而郴州市位于冷切南侧，切变还距离较远，并且没有明显的风速辐合，925hPa切变位于湘中稍偏南一带，700hPa、850hPa急流位于华南中北部。到9日20∶00，925hPa切变稳定少动还是位于湘中稍偏南一带，850hPa东段切变南压，追赶上925hPa，两层系统较垂直，而500、700的系统已经超前于850、925的切变，前倾槽在移动过程中，槽后的干冷空气叠加于低层槽前的暖湿空气之上，增加了气柱的对流不稳定度，这是10日凌晨暴雨产生的重要原因之一，加之郴州市处于850hPa和925hPa急流出口处，有風速辐合，加剧降水。925hPa切变在10日20∶00逐渐南压移出郴州，本次降水过程结束。

3.2 主要影响系统检验

总体来说，模式能较好地预报高纬环流变化，对500hPa（图4）西风带槽脊位置、高低压环流位置和强度预报效果较好，72h时效预报模式已经比较稳定地预报出郴州位于槽后位置。对西太平洋副高的强度、形状、脊线和西伸脊点位置预报也比较准确，但是8日20∶00起报对副高的位置预报偏北2个纬度左右，这有可能是8日20∶00起报的雨带偏北的原因之一，到9日08∶00基本正确，随着积分时间增加，槽脊的位置移动偏快。850hPa（图5）上，8日20∶00起报的风场在郴州东侧辐合更清楚，这与强降水中心预报偏东可能有关，而9日08∶00起报则在西部辐合更明显，2个时刻作为初始场的预报效果都较好，但对于郴州附近的风速辐合没有预报出来，这可能是降水偏小的原因之一。700hPa和925hPa（图6）上，8日20∶00起报系统移动滞后，可能导致对强降水预报开始时间偏晚，9日08∶00起报的更接近实况。预报场几个层次的风速都略偏强，这也可能与实况观测较稀疏、再分析资料分辨率低于预报资料有关。

沿着郴州站点所在纬度（N25.8°）做10日02∶00的风场垂直剖面图（图7），从图中可以看出郴州市（E112°～113°附近）位于高空槽后，低层为西南风。在郴州西部（E112°，大暴雨中心）附近，上干下湿的特征较明显，使位势不稳定度增大，结合形势场分析，干空气可能来源于高空槽后西北气流。2个时次的预报场都预报出来上干下湿的分布情况，8日20∶00预报场对中层槽的移动速度估计偏慢，导致槽位置偏西，对850～925hPa的预报较实况移动更快，但对1000hPa的系统预报较好，9日08∶00起报预报场对中层槽以及低层切变线的位置预报与实况接近，但1000hPa系统预报速度偏快，对中层干侵入位置较实况偏西，这可能是降水量大值中心偏西的原因之一。对比模式其它时次垂直剖面场发现，近地层预报场不稳定，且误差偏大，这可能与地形以及模式地形处理有关。

4 物理量检验

4.1 水汽条件检验

从实况来看，在降水最强阶段，有从广西北部延伸至郴州西部的水汽输送带，位于大暴雨区上风方，中心最强达16g·kg-1（图8），为暴雨过程提供水汽输送。尽管在模式的初始场上就存在湿度比实况大的情况，但经过时间积分后，模式在24h内对湿度场的预报效果较好，与实况基本接近。2019年6月8日20∶00起报和9日08∶00起报的预报场均刻画了此次强降水的水汽输送通道，但临近预报时刻更接近实况，最强中心值也基本相同。

再分析水汽通量散度，9日14∶00在郴州上空水汽是辐散的，不利于水汽抬升，到9日20∶00郴州市上空变成水汽辐合区，特别是西部，有利于水汽的垂直输送，10日02∶00（图9）水汽通量散度值进一步加大，达到-60×10-7g·（hPa·cm2·s）-1整个强降水期间，郴州在水汽通量梯度最大区域，类似于有湿舌存在，在梯度最大区是水汽辐合较强区域。8日20∶00起报的水汽通量散度在强降水时段把水汽通量散度负值大值中心报得偏东，中心值弱，这与其降水量大值中心偏东，降水量偏小相对应，而到9日08∶00起报的预报场，对郴州西部的水汽通量散度负值中心有所体现，但是范围和强度较实况小，特别是小于-10×10-7g·（hPa·cm2·s）-1的区域，这可能是模式对降水量预报偏小的重要原因之一。

4.2 能量条件检验

在整个强降水过程当中850hPa与500hPa的假相当位温差值大于0，大气处于对流不稳定状态（图略）。k指数（图10左）大值区位于永州一带，中心达到40以上，出现了不规则的Ω型，郴州特别是西部地区位于k指数Ω型东侧拐点梯度大值区附近，这里是较强的冷暖交汇区，有利于触发暴雨中尺度系统。8日20∶00起报的k指数（图11左上）分布形态与实况相差甚远，甚至相反，高能区及梯度大值区预报在郴州东部，与其预报的强降水中心位置对应，9日08∶00模式（图11右上）对k指数的预报场看出，虽没有呈现出Ω型，但高能区在郴州西部，与实况类似，中心最大值也和实况吻合。分析10日02∶00假相当位温分布（图10右）情况来看，从广西北部到永州有1条明显的假相当位温的高能舌，配合西南急流，有不稳定能量输送到郴州地区，郴州西部位于能量锋区，有利于触发中尺度对流系统。从预报场分布情况来看，8日20∶00（图11左下）起报的假相当位温和高能舌都在郴州东部，与其预报的强降水中心位置对应，到9日08∶00（图11右下），模式预报的假相当位温分布形态与中心值大小都与实况非常相似，预报效果优于k指数，这可能与k指数的计算需要使用几层数据有关。

4.3 动力条件检验

分析高层和低层的涡度和散度场（图12、13）来看，郴州中西部强降水发生时，600～200hPa均为辐散区，虽然散度值不大，但从9日20∶00—10日08∶00一直处于辐散状态;在低层则有明显的辐合，10日02∶00在桂阳站有-3×10-5·s-1的辐合中心，表明附近有强烈的上升运动，与桂阳站10日后半夜至早上的部大暴雨实况对应较好。9日晚开始低层正涡度开始加强并向高层发展，10日02∶00—14∶00 500hPa以下全部为深厚的正涡度区，850hPa最大涡度值达到6×10-5·s-1。从预报场来看，低层比高层的预报效果更好，8日20时起报的850hPa正涡度和辐合中心均位于郴州东部，而9日08时起报的分布形态与实况接近，正涡度和辐合区都位于郴州西部。对于200hPa而言也是临近时次接近于实况，预报场预报了高层的辐散，但在负涡度中心南侧有1个正涡度中心，而实况场没有，这可能与中尺度对流系统的分布结构有关。

5 小结

GRAPES_MESO模式降水量预报随着时效临近，雨带位置和强度误差缩小，对短期时效内的降水预报，能较好地反应本次强降水的位置、范围、强度，整体效果特别是对于中尺度对流降水的预报效果优于EC细网格、GRAPES_GFS、日本中尺度模式。模式9日08∶00起报预报了郴州西部的大暴雨，落区偏西40km左右，中心值偏小30mm左右。

模式能较好预报出副高位置、强度和高纬环流变化，850hPa风速辐合没有预报出来可能是降水量预报偏小的原因之一，對近地层的预报不稳定，误差偏大，这可能与地形和模式资料同化、地形处理有关。

模式对中层干侵入预报效果较好，但其位置的偏差可能导致强降水区位置偏离实况。对于物理量场的预报，从本文选取的比湿、水汽通量散度、k指数和高低层涡度、散度预报检验来看，模式预报不稳定，临近时刻（2019年6月9日08∶00）起报的预报场与实况更接近。

水汽通量辐合中心与大暴雨区对应关系较好，而检验9日08∶00起报的几个物理量，模式对水汽通量散度预报效果最好，对郴州西部水汽通量散度负值中心的预报范围和强度较实况偏小，这可能是模式降水量预报偏小的重要原因之一。

模式对假相当位温的预报效果好于k指数，能预报出高能舌的位置，对涡度和散度的预报，低层与实况更接近，高层预报效果较差，这可能与观测资料较稀疏，无法体现中尺度对流系统的结构有关。

参考文献

[1] 吴晶，李照荣，颜鹏程，等.西北四省（区）GRAPES模式降水预报的定量评估[J].气象，2020，46（03）：346-356.

[2]黄丽萍，陈德辉，邓莲堂，等.GRAPES_[KG-*6]MESOv4.0主要技术改进和预报效果检验.应用气象学报，2017，28（1）：25-37.

[3]钟有亮，陈静，王静，等. GRAPES区域集合预报系统对登陆台风预报的检验评估[J].热带气象学报，2017，33（6）： 953-964.

[4]黄丽萍，陈德辉，邓莲堂，等.GRAPES_MESOv4.0主要技术改进和预报效果检验[J].应用气象学报，2017，28（01）：25-37.

（责任编辑 周康）