贵州地区一次持续性暴雨天气成因及预报误差分析

杨秀庄，李 刚，周明飞，杜小玲，李 力

(贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

0 引言

持续性暴雨，由于持续时间长，降水强度大，且通常在一定范围内发生，是产生洪涝和滑坡泥石流灾害的主要原因，一直以来都是气象工作者研究的重点，也是社会防灾减灾的重要任务。早在20世纪80年代，陶诗言等[1-3]提出了经向型和纬向型两类持续性暴雨的大尺度环流模型，随后雷雨顺等对10次经向型持续性暴雨进行了合成分析，指出暴雨区北方和东方各有一阻塞高压，两者同时出现所构成的稳定大尺度环流形势是形成经向型持续性暴雨的基本环流背景，丁一汇等[5]也对江淮的持续性大暴雨展开了深入的研究。针对贵州的持续性暴雨，李登文[6]、杜小玲[7]、杨秀庄[8-10]、肖艳林[11]等都做了很多的研究工作，对贵州暴雨的各种天气成因、暴雨概念模型、局地大暴雨的天气特征进行了重点分析，得出一些有意义的结论。

随着数值预报技术的发展，特别是高分辨率确定性预报和集合预报的快速发展，为数值预报作为日常主要的预报手段和方法奠定了坚实基础，数值预报产品在各级气象台站发挥着越来越重要的作用[12]。由于数值模式对大气初值、物理过程、差分截断的处理都较为近似，模式输出产品往往也存在误差，预报效果不佳。采用一定的释用方法对数值模式直接输出的产品进行处理，从而改进总体预报效果，是目前通行的做法。数值预报产品释用方法较多[13]，传统的主要有统计学释用模式输出统计法(MOS)、完全预报法(PP)、卡尔曼滤波法、天气学释用、动力学释用和人工释用等，近年来基于集合预报思想又出现了频率匹配、概率匹配、模式集合平均等[14-17]方法，重点强化了对降水预报的订正，这些方法大多为客观订正方法，很大程度改善了数值模式产品的预报效果。在实际的日常预报当中，除了要应用好客观的模式订正产品外，也应该加强主观的模式产品订正技术的研究。本文基于配料法的思想选取了2018年的一次持续性暴雨个例来进行研究，重点分析了持续性暴雨的天气成因，数值模式产品与实况的预报偏差，特别是关键性物理量场的预报偏差，期望能够强化对数值模式的主观解释应用能力和利用实况订正模式产品的能力，提高暴雨预报的精准度。

1 数据与方法

常规观测资料包括2018年7月4日08时—8日08时(北京时，下同)探空资料，1 000～100 hPa温度、高度、风场及温度露点差、T-lnP图资料、地面全要素观测资料；经贵州省气候中心质量审核的2018年7月4日08时—8日08时两要素逐小时降水量资料；2018年7月4日00时UTC—8日00时UTC 6h一次的NCEP 1°×1°格点再分析资料。数值预报资料包括欧洲中心全球模式(EC)0.125°×0.125°、华东中尺度模式3 km×3 km、华南中尺度模式3 km×3 km的24 h降水产品，时间分辨率为3 h的风场、高度场产品。初始起报场时间段取2018年7月3日20时—7日20时，初始场时间间隔为12 h。本文采用的分析方法包括天气诊断和统计对比，对个例天气成因的分析主要是利用天气形势和物理量场来进行常规的诊断分析，对预报误差的分析则是利用数值预报产品和天气实况来进行统计对比分析。

2 暴雨个例概况

2018年7月4日20时—7日20时，贵州地区出现一次持续性暴雨天气过程(图1a)，4县117乡镇累计降水量在100 mm以上，32县598乡镇降水量在50 mm以上，最大降水为威宁县金钟镇285.1 mm，降水过程累计降水强度在贵州历年持续性暴雨中属于中等强度。强降水主要从4日夜间开始影响贵州北部，范围较为局地，但降水强度强，务川县蕉坝乡出现了1 h接近44 mm的短时强降水，累计降水量达160 mm，5日白天降水有所减弱，雨带在北部维持，5日夜间开始到6日白天，雨带整体南移到贵州中部一线，影响范围扩大，多个站出现了大暴雨，6日夜间，降雨中尺度云团主体进入广西境内，贵州南部和西部局地产生了一些中小尺度对流云团，造成了南部和西部地区的局地性暴雨，7日白天，降水基本结束，西部出现了些分散性阵雨天气。图1b、1c、1d分布是7月4日20时—5日20时，7月5日20时—6日20时，7月6日20时—7日20时的降水落区分布图。

3 天气形势和环境场特征

3.1 天气形势和影响系统

7月4日20时(北京时，下同)500 hPa位势高度场(图2a)上中高纬形势为两槽一脊，东亚大槽位于125°E附近，华北地区为槽后西北气流，江南地区一直到华南维持高压环流影响，35°N形成一条西北风和西南风的东西向横切变，在强的北风分量引导下，切变逐渐向南移动，青藏高原东侧有短波槽存在，由于受华南—江南一带高压阻挡，短波槽向东移动缓慢。7月5日08时(图略)横切变南移至30°N附近，切变西段开始影响贵州北部地区，500 hPa的切变扰动有利于低层大气辐合锋生，为贵州北部对流系统的发生发展提供了一个较好的天气尺度环境场。7月5日横切变继续向南移动，移动速度变慢，到5日20时(图2b)，切变西段移至贵州中部地区，贵阳站转为西北风，川南的短波槽东移并入到横切变系统中，切变系统贵州段变为东北—西南向。5日20时—6日20时(图2c)，切变整体继续向南移动，但切变东段和西段逐渐分离，东段切变在强的北风分量引导下移速较快，到6日20时移至东南沿海，西段由于受到广西—南海弱高压环流影响，移速较慢，6日20时仍维持贵州南部地区，但强度大为减弱，到7日08时，西段切变基本减弱消亡，贵州—华南一带转为北方南下高压南侧的偏东或偏东北气流影响。总的来说，500 hPa上由于受华南地区高压环流阻挡，35°N南下的东西向横切变的西段及并入的高原短波槽长时间维持在贵州地区，为贵州地区持续性暴雨的发生提供了有利的天气形势场。700 hPa(图略)形势场的演变和500 hPa基本一致，7月4日20时在33°N附近存在一条东北—西南向的切变，切变在高层气流引导下逐渐南压开始影响贵州，一直持续到6日20时，之后移出贵州进入广西境内。

贵州地处云贵高原东段，大部地区拔海高度较高，850 hPa气压层贴近地面，所以850 hPa的切变辐合往往是触发中小尺度对流活动较为直接的影响系统。从850 hPa的形势演变来看，7月4日20时(图2d)在31°N附近存在一条东北—西南向的切变，切变西段位于川东南到贵州西北部一带，切变在高层气流引导下逐渐南压，4日20时—5日20时(图2e)主要影响贵州中部偏北一带，造成了北部地区的暴雨天气，5日20时—6日20时切变移动非常缓慢，一直在贵州中部维持，低层切变的长时间维持使得该地区中小尺度对流系统非常活跃，对流性降水范围广，强度大，持续时间长，是造成中部地区出现多站大暴雨最直接的原因。6日20时(图2f)—7日08时切变维持在贵州南部到广西北部一带，之后移出贵州，强降水结束。850 hPa切变自北向南逐渐移动造成的切变前侧的变压风辐合，以及切变本身的散度风分量，这些都有利于贵州自北向南出现较强的辐合上升运动，加上切变南侧强偏南风气流带来的充沛水汽，从而导致贵州自北向南出现暴雨和大暴雨。

综合分析这次持续性暴雨个例，主要的天气成因为华南地区维持稳定少动的高压环流影响下，西风带短波槽和北支锋区槽后西北气流引导南下的东西向横切变受高压环流阻挡长时间维持在贵州地区，为贵州地区持续性暴雨天气提供了较好的天气形势场。地面图上没有明显冷空气影响(图略)，中低层的切变辐合是主要的动力强迫，加上切变南侧强偏南风气流带来的充沛水汽和不稳定差动平流，为暴雨的持续发生提供了较好的水汽和能量条件，从而导致贵州地区出现了持续性的暴雨天气过程。

3.2 水汽特征变化

中尺度对流系统的形成和发展离不开水汽的输送和辐合。持续性暴雨发生前夕，贵州中低层主要受偏南风气流影响，7月4日08时(图略)700 hPa和850 hPa形势场上有一支强西南气流从南海北部湾经广西进入到贵州地区，最大风速达20 m/s，水汽输送通量带(图3a)从南海到贵州建立起来，贵州水汽含量迅速积累，湿层变得深厚，700 hPa比湿达到11～13 g·kg-1,850 hPa比湿达到16～19 g·kg-1，中低层水汽非常充沛。7月5日08时(图3b)，南海到贵州的水汽输送通量带仍然存在，中心位于贵州东南部一带，水汽通量最大值达24 g·(cm· hPa·s)-1，水汽通量带的持续存在有利于水汽的持续输送，为暴雨的持续提供了较好的水汽条件。从850 hPa水汽通量散度场来看，7月4日20时(图3c)贵州北部为强的水汽辐合中心，中心值最大为-8×10-8g·(cm2·hPa·s)-1，强的水汽辐合有利于水汽的抬升凝结，从而造成贵州北部的强降水。7月5日20时(图3d)，从贵州西部到东北部形成一条带状的为水汽通量辐合带，强辐合区主要位于西部，中心值最大为-6×10-8g·(cm2·hPa·s)-1，强的水汽通量辐合带的持续存在对降水非常有利，这也是5日夜间贵州中部一线出现大面积暴雨和大暴雨的主要原因。7月6日20时(图略)贵州南部地区还存在水汽辐合，强度减弱，最大值为-4×10-8g·(cm2·hPa·s)-1，贵州地区的降水也逐渐减弱趋于结束。纵观整个持续性暴雨过程，降雨云团的新生、成熟、消散、再次新生，都伴随着明显水汽通量辐合，水汽通量辐合和降水落区对应基本一致。

图3 2018年7月4日—5日水汽通量场((a)4日08时；(b)5日08时；单位: g·(cm·hPa·s)-1 )和水汽通量散度场((c)4日20时；(d)5日20时；单位: 10-8g·(cm2·hPa·s)-1 )

3.3 不稳定层结特征

图4 2018年7月4日20时和5日20时沿27°假相当位温剖面(单位:K)(a)4日20时；(b)5日20时

4 数值预报评估和误差分析

4.1 数值预报评估

本次持续性暴雨个例的预报主要结合贵州地区预报员经验，选取了平时预报效果较好的3家数值预报模式，分别为欧洲中心全球模式、华东中尺度模式、华南中尺度模式，从模式的24 h降水产品来看，降水落区和实况差距较大，对实际预报参考价值不高，但模式输出的高度场和风场产品在某些时次能较好的模拟出真实的天气实况，对预报有很高参考价值，也是预报员作出预报及订正的最主要根据。下面分别对3家模式的24 h降水产品和预报员制作的人工预报产品进行评估检验。

7月4日20时—5日20时，个例暴雨落区(图1b)位于贵州西北部和北部，呈东北—西南带状分布，西北部和东北部部分站出现了大暴雨。对比3家数值预报模式24 h降水产品，EC模式3日20时起报的24 h降水产品(图5a)在雨区的位置和形态上与实况有一定相似，但降水量级偏小，暴雨落区与实况偏差较大。华东模式3日20时起报的24 h降水产品(图5b)在雨区的位置、形态及量级与实况较为一致，有较大的参考价值，但仍未预报出部分站点的大暴雨。华南模式3日20时起报的24 h降水产品(图5c)雨区范围偏大，量级偏小，形态上与实况也有偏差，参考价值较低。

7月5日20时—6日20时，个例暴雨落区(图1c)位于贵州中部偏北一带，范围较广，呈片状分布，暴雨落区较为分散，部分站点出现了大暴雨，个别站出现了特大暴雨。对比3家数值预报模式24 h降水产品，EC模式4日20时起报的24 h降水产品(图5d)雨区范围偏广，降水偏小2个量级，暴雨落区和实况偏差较大，基本没有参考价值。华东模式4日20时起报的24 h降水产品(图5e)量级与实况基本相当，雨区范围偏广，暴雨落区形态与实况也有偏差，南部地区的暴雨空报。华南模式4日20时起报的24 h降水产品(图5f)雨区范围偏大，降水偏小2个量级，暴雨落区与实况偏差较大，基本没有参考价值。

7月6日20时—7日20时，个例暴雨落区(图1d)位于贵州南部边缘和西部地区，范围不大，南部边缘地区暴雨落区呈块状分布，西部暴雨落区呈片状分布，较为分散，南部部分站点出现了大暴雨。对比3家数值预报模式24 h降水产品，EC模式5日20时起报的24 h降水产品(图5g)雨区范围偏广，量级相当，暴雨落区偏大，落区位置与实况偏差较大，仅在降水量级上有参考价值。华东模式5日20时起报的24 h降水产品(图5h)量级与实况基本相当，雨区范围偏广，暴雨落区形态与实况也有偏差，中部地区暴雨空报，西部地区的暴雨漏报。华南模式5日20时起报的24 h降水产品(图5i)在贵州西北部报了暴雨和大暴雨，与实况偏差较大，基本没有参考价值。

图5 7月4日20时—7日20时数值模式24 h降水产品(单位：mm)(7月3日20时起报的4日20时—5日20时降水产品：a为EC模式，b为华东模式，c为华南模式；7月4日20时起报的5日20时—6日20时降水产品：d为EC模式，e为华东模式，f为华南模式；7月5日20时起报的6日20时—7日20时降水产品：g为EC模式，h为华东模式，i为华南模式)

综合分析7月4日20时—7日20时3 d的3家数值预报模式24 h降水产品，EC模式降水量级偏小，雨区范围偏广，暴雨落区与实况偏差大，但落区形态有时有一定参考价值。华东模式评估效果相对较好，降水量级与实况基本相当，大部暴雨区模式都有体现，暴雨范围偏大，空报较多，落区形态与实况偏差也较大，但总体来说，参考价值相对较高。华南模式降水量级偏小，雨区范围偏广，暴雨落区和形态与实况偏差很大，基本无参考价值。

对比分析7月4日20时—7日20时人工发布的24 h降水预报产品。图6a为7月4日20时—5日20时的降水产品，暴雨范围偏大，西北部暴雨落区和实况有一定偏差，但整个暴雨落区的形态、量级与实况基本一致，特别是对贵州北部暴雨及大暴雨落区把握得相当精准，总体预报效果较好。7月4日20时—5日20时(图6b)降水产品暴雨落区、量级、时间段与实况基本一致，暴雨预报的范围偏大，总体预报效果较好。7月5日20时—6日20时(图6c)降水产品暴雨范围偏大，量级偏大，中部偏南地区暴雨空报，南部边缘和西部地区的暴雨漏报，预报效果较差。综合来看，人工发布的24 h降水预报产品在7月4日20时—6日20时的预报中比数值预报产品要好，预报技巧为正，在7月6日20时—7日20时的预报中和数值预报相当，都存在大面积的空报和漏报，预报员没有在数值预报基础上作出有效订正，预报技巧为零。

图6 7月4日20时—7日20时人工发布24h降水产品(单位: mm)(a)7月4日20时—5日20时；(b)7月5日20时—6日20时；(c)7月6日20时—7日20时

4.2 预报误差分析及订正

通过对数值模式24 h降水产品和人工24 h预报产品的对比分析，仅靠数值模式的降水产品很难精准预报灾害性天气过程，必须要充分发挥预报员的主观订正作用，有效提高预报技巧。对比分析7月4日20时—6日08时的实况风场结构和上一日起报的24～48 h预报风场结构(图略)，数值模式产品和实况基本一致，故预报员能在数值模式24 h降水产品预报效果很差的情况下作出正确订正，基本实现对7月4日20时—6日20时暴雨过程的准确预报，体现了较好的预报服务效果。但7月6日20时—7日20时，5日20时作为起始场的24～48 h风场预报和实况差距较大，预报员仍以数值模式风场结构为主要依据来做预报，导致了当日暴雨落区偏差较大，服务效果较差。下面重点分析7月6日20时—7日20时模式风场结构(以EC为例)与实况的偏差以及如何根据实况进行有效订正，从而提高降水预报的精准度。

贵州地区的强降水和中低层切变的强度、位置及移速有很大的相关性，下面重点以700 hPa、850 hPa的风场结构特征来做对比分析。从500 hPa风场上7月6日20时实况和5日20时起报的24 h风场预报分析来看(图略)，实况和预报中主要影响系统切变东段都移至东南沿海，切变西段强度大为减弱，仅仅在贵州南部地区存在很弱的切变辐合，预报和实况基本一致，说明EC模式对500 hPa形势场的预报准确度较高。但是在中低层风场预报中，由于受到贵州地区复杂下垫面的影响，EC模式的预报与实况偏差较大，7月6日20时的700 hPa实况风场上(图7a)，贵州中南部地区存在一条东北风和偏西风的切变，强度较弱，切变位置偏南，从风场演变来看，弱切变逐渐南压，7月7日08时切变移至贵州南部边缘一带，但EC模式对7月6日20时(图7b)的风场预报上来看，贵州地区大部还主要受弱偏南气流影响，东北风和偏南风的弱切变辐合位于贵州西北部地区，7月6日20时—8日08时，切变南侧的偏南气流强度加强，风速从2 m/s增加至4 m/s，切变一直维持在贵州西北部，强度也有所增强。对比实况和预报，从7月6日20时开始，从切变的位置、强度及趋势演变，模式预报与实况偏差较大。850 hPa实况风场上(图7c)，7月6日20时贵州南部地区存在一条偏东风和偏南风的切变，强度较弱，切变南侧偏南风风速为4～6 m/s，6日夜间，切变缓慢南移，7月7日08时切变移至贵州南部边缘一带，贵州大部分地区转为高压底部的偏东气流影响，从EC模式7月6日20时(图7d)的风场预报上来看，偏东风和偏南风的切变位于贵州中部地区，位置比实况偏北，7月6日20时—7日08时，切变南侧的偏南气流风速维持在4～8 m/s，切变一直维持在贵州中部。综合来看，在7月6日20时—7日20时的降水预报中，EC模式对中低层切变的预报位置偏北，向南的移速偏慢，这次过程主要由中低层切变造成的动力强迫触发的对流性暴雨过程，最关键系统预报的偏差直接导致了预报员人工产品的暴雨空报和漏报。

图7 2018年7月6日20时风场实况和EC预报(风向杆，单位: m·s-1)(a)700 hPa实况；(b)700 hPa预报；(c)850 hPa实况；(d)850 hPa预报

针对数值模式产品对造成暴雨的关键系统中低层切变辐合及低空急流的预报偏差，预报员如何根据能看到的实况监测资料作出有效订正，一直是数值产品释用最值得思考和研究的问题。针对这次7月6日20时—7日20时的暴雨空报和漏报，如果预报员在6日值班分析中充分根据实况检验评估7月5日20时起报的风场结构预报，是可以对暴雨的预报进行有效订正的，服务效果一定会比当日发布的预报产品要好。图8是7月5日20时起报的700 hPa(图8a)和850 hPa(图8b)的12 h风场预报与实况检验对比图。从图中可以看到，7月6日08时700 hPa实况场上，切变南移到贵州中部偏南一带，贵阳、威宁站转为偏北风，贵阳站风速达8 m/s，切变南侧的河池站为西南风，风速为6 m/s，EC的风场预报切变位于川东南，比实况偏北2个纬距左右，贵州主要受西南风控制。7月6日08时850 hPa实况场上，切变位于中部略偏北一带，呈东北—西南走向，贵阳站风速较弱，为2 m/s，河池站、白色站风速为6 m/s，EC的风场预报切变位于贵州北部和西部，比实况略偏北，贵阳站、百色站风速和实况基本一致，但河池站附近预报风速为8 m/s，比实况偏强2 m/s。通过7月6日08时的风场实况和EC模式风场预报的对比，从中可以看到中低层切变的位置预报比实况偏北，偏南风预报比实况偏强，偏南风的预报偏强必然会导致中低层切变的预报向南移动速度变慢，导致7月6日20时EC模式预报的850 hPa切变还维持在中部一线，造成了预报和实况的偏差。如果当日预报员能根据EC模式风场预报产品与实况的对比分析检验结果，采用外推法适当订正EC模式7月6日20时风场预报产品，即把中低层切变位置向南调整0.5～1个纬距左右，向南移动速度调整加快，暴雨落区就会较为准确，就能避免贵州中部偏南一带暴雨的空报，也能避免南部边缘一带暴雨的漏报，充分体现预报员在数值产品释用中的正技巧订正效果。

图8 2018年7月6日08时风场实况和EC预报对比图(风向杆，单位: m·s-1)(a)700 hPa；(b)850 hPa

5 结论

持续性暴雨是造成贵州地区地质灾害的重要诱发因子，强化对持续性暴雨落区、量级的精准预报在防灾减灾中具有重要作用。本文通过选取2018年7月4—6日出现的一次中等强度的持续性暴雨个例进行研究，重点对其天气环流形势、主要影响系统、中尺度环境场、数值模式产品预报评估以及数值模式产品释用订正技巧进行了分析，得出以下主要结论:

①此次持续性暴雨过程是华南地区维持稳定少动的高压环流影响下，西风带短波槽和北支锋区槽后西北气流引导南下的东西向横切变受高压环流阻挡长时间维持在贵州地区，切变北侧南下的干冷气流和高压环流西北侧北上的暖湿气流交汇形成的持续性暴雨，主要的天气影响系统为东西向横切变，从高原东移且并入切变的短波槽，中低层的切变与辐合等，中低层切变辐合是对流触发主要的动力强迫。

②中尺度对流系统发生发展的环境场特征显示，降水前夕，贵州中低层大气呈高温高湿状态，700～800 hPa以下为位势不稳定层结，利于中尺度对流系统的生成和发展。华南地区高压环流后侧的西南暖湿气流在降水前夕和降水过程中输送了充沛的水汽和不稳定差动平流，为暴雨的持续发生提供了较好的水汽和能量条件。从水汽通量散度场来看，低层水汽通量辐合区和降水落区对应基本一致，降雨云团的新生、成熟、消散、再次新生，都伴随着明显水汽通量辐合。

③选取了3家数值模式产品(EC、华东、华南)对此次过程进行了检验评估，3家模式24 h降水产品和实况偏差较大，仅华东模式24 h降水产品有一定的参考价值，EC模式和华南模式参考价值较低。但数值模式特别是EC模式的风场结构预报通过检验评估效果较好，EC模式7月4日20时—6日20时的风场预报和实况基本一致，预报员也充分利用EC正确的风场结构预报对该时间段降水落区和量级进行了正技巧订正。但EC模式7月6日20时—7日20时的风场结构预报和实况有较大差距，中低层切变的位置比实况偏北，切变南侧偏南气流的强度都比实况偏强，造成了当日中南部一带的暴雨空报和南部边缘地区的暴雨漏报。

④在实际的暴雨预报中，预报员应加强数值模式产品与实况的检验评估，特别是对造成暴雨的中低层切变等关键影响系统的强度、位置和移速的检验，通过数值模式对当前时段预报产品和实况的评估结果，利用外推法对数值模式预报的未来时段的关键影响系统进行适当订正，能有效提高暴雨预报的精准度。