CMA-SH9及ECMWF模式对龙岩市一次暴雨预报检验分析*

曾凡辉, 倪 悦, 郑敏煜

（福建省龙岩市气象局, 福建 龙岩 364000）

0 引言

每年前汛期（4～6 月）暖区暴雨, 因其具有降水强度大、时效性短、局地性强等特点[1］, 极易造成洪涝灾害, 常常给人民生命财产和社会经济带来巨大损失。目前, 暖区暴雨已成为福建省最主要的气象灾害之一, 暖区暴雨由于其受复杂地形、下垫面的作用, 一直以来都是福建地区预报中的重点和难点之一。近年来, 随着中尺度数值模式的迅速发展, 人们对暴雨过程进行了大量数值模拟研究, 加深了对暖区暴雨的认识[2-4］。另外, 伴随公众对气象服务产品要求的不断细化, 数值预报产品尤其是高分辨率数值模式产品, 已经成为目前也是今后一个较长时期内现代天气预报技术的基础[5］。目前, 模式降水预报产品已成为业务预报中重要的参考依据, 但不同模式在不同地区的适用性仍存在着一定的差异性[6-8］。

目前, 诸多学者对模式降水的检验工作进行了大量研究, 并取得了丰硕的成果。潘留杰等[9］使用ECMWF 模式对东北半球气象要素场预报能力的检验指出, 模式对高层的预报能力优于低层, 但模式对700 hPa风场的预报存在显著差异。范水勇等[10］采用客观检验方法对不同分辨率模式进行研究表明, 高分辨率区域模式降水预报效果较好, 尤其对大量级降水预报。王雨[11］应用TS（Threat Score）评分等统计方法研究了不同模式降水预报能力的差异。耿建军[12］用客观检验方法对ECMWF、T639 数值模式降水预报的检验表明, 数值模式对明显大尺度系统影响的降水过程预报效果较好, ECMWF对该次过程的预报能力优于T639。

文章基于ECMWF 模式及CMA-SH9 模式, 通过计算实况与各家模式的相关系数和均方根误差等参量, 对2019年5月27日午后发生于福建省龙岩市境内的一次短时强降水过程进行模式检验分析, 综合评估适用于龙岩地区的模式产品, 从而进一步提高对该地区模式预报产品的释用能力, 为预报员的预报和决策服务提供更科学的参考。

1 天气实况

2019 年5 月27 日下午, 福建省龙岩市境内出现一次局地短时强降水过程, 根据区域自动站的降水统计, 27日08：00～28日08：00（北京时, 下同）共计14个站点24 h累计雨量超过50 mm, 24 h累计雨量以长汀县长汀一中站点97.0 mm为最大, 最大小时雨量达48.7 mm（长汀一中站点）。从雨区空间分布来看（图1）, 此次降水过程大致可划分南北两个强降水区, 27 日18：00 北部开始受到上游回波移入影响, 出现超过40 mm/h的短时强降水, 降水持续长达3 h, 且降水区域范围较集中；南部降水则相对分散, 且持续时间较短（1～2 h）。此次短时强降水主要集中于长汀县城区境内, 造成长汀县城区多处民房被淹, 城区部分低洼路段短时积水, 最深约20 cm；共计13 名群众被水围困；部分乡镇民房出现溜方, 过程未造成人员伤亡。

图1 2019年5月27日08：00～28日08：00累计降水雨量（单位：mm）分布

2 环流背景及物理量场分析

曾凡辉[13］对此次降水过程环流背景场进行详细分析, 此处仅作简要概述。此次过程中低纬多短槽波动, 东移高原槽与强盛南之槽在雨区上游相结合, 是诱发此次强降水过程的主要天气因素之一。暴雨发生前, 副高稳定维持于我国南海沿岸, 龙岩处副高北侧边缘, 受西南气流影响, 稳定的环流形势有利于暖湿水汽向暴雨区上空的持续输送, 为强降水的发生提供充足的水汽。27 日午后雨区上空大气层结处于不稳定状态, 而中低层受暖脊控制, 近地面有弱冷空气扩散配合, 有利于对流降水进一步的触发与维持。

对比分析地面区域自动气象站的风场与降水随时间的分布特征（图2）, 发现近地面层辐合线与降水有较好的匹配关系, 辐合线的生成、发展和消散过程与此次降水过程有着密切的关系。27日14：00, 地面辐合线主要位于龙岩偏北位置, 受其影响长汀境内局部近地面风场开始转北风, 但大部分仍以南风为主, 辐合线附近产生分散弱降水；15：00 龙岩市西南部地面风速加大（局部超过8 m·s-1）, 地面辐合线在南部也有生成, 有利南部对流触发并导致强降水的发生。与此同时, 北部辐合线持续维持于长汀境内。南、北辐合线附近仍有零星弱降水的产生；17：00 西南部的地面辐合线东移, 对应南部雨区整体有所东移。北部长汀境内的辐合线略有南压（大致位于长汀、连城、武平三县交界处）, 辐合线北侧北风有所加大（局部超过8 m·s-1）, 长汀主要降雨区处于风速辐合区内, 有利于北部强降水的触发与维持, 长汀县局部（城区）17:00 降雨达大雨量级；至27日22：00, 南、北辐合线完全东移出龙岩市境内, 降水也趋于减弱并结束。

图2 龙岩市区域自动站极大风向风速（单位：m·s-1）和小时雨量演变

3 数值预报应用情况与检验分析

3.1 检验要素

环流形势包括U和V风场（925、850、700、500、200 hPa, 简称U925、U850、U700、U500、U200, V 同理）、500 hPa高度场（简称HGT500）；物理量要素包括2 m气温（简称2t）、温 度（925、850、700、500、200 hPa, 简 称tt925、tt850、tt700、tt500、tt200）、K指数、比湿（925、850、700 hPa, 简称q925、q850、q700）和相对湿度（925、850、700 hPa, 简称rh925、rh850、rh700）。要素检验范围为（24°～26.5°N, 115.5°～118°E）。环流形势和物理量要素检验时次为2019 年5 月26 日～27 日08：00、20：00 起报的27～28 日的要素场, 降水检验时段为2019 年5 月27 日08：00～28日08：00（BT）。

3.2 检验结果

3.2.1 降水检验

从实况降水空间分布来看（图1）, 2019年5月27日08：00～28 日08：00, 龙岩市西北、西南及中东部实况均出现大雨以上量级降水, 长汀与新罗的北部、上杭南部等部分区域达暴雨量级；全球模式ECWMF在5月27日08：00起报的24 h预报降水强度偏弱, 以中等强度降水为主, 西北部长汀县局部有大雨, 对长汀的暴雨降水存在漏报, 且未准确预报出南部大雨及以上量级的强降水, 强降水中心整体偏西, 降水落区形态与实况相差较大；与ECWMF 模式相比, 国产中尺度数值模式CMASH9 在相同起报时间内, 对24 h 降水量级和降水落区形态的预报较为准确。与降水实况相比较, CMA-SH9对于强降水落区及强度的预报上仍存在一定偏差, 长汀暴雨中心预报位置偏北、降水强度偏强（24 h预报降水超过100 mm, 达大暴雨量级, 但实况为暴雨量级, 累计雨量最大为长汀一中站点99 mm）。同时, CMA-SH9模式对较分散的南部降水区预报强降水范围偏大、强度偏强。综上分析, ECWMF 与CMA-SH9 模式在对强降水中心位置及形态的预报上均存在偏差, 相较而言, CMA-SH9 模式的降水预报产品对此次强降水落区和强度预报具有较好指导意义。

3.2.2 环流形势场检验

从各预报时效检验来看, ECWMF 模式预报产品500 hPa高度场的均方根误差明显低于CMA-SH9模式（图3a）, 表明ECWMF对高层的环流形势, 尤其是500 hPa高度场预报效果要优于CMA-SH9模式产品, 其对于大尺度的高空环流形势具有较好的预报参考性。对于不同高度（200、500、700、850 和925 hPa, 下同）风场U 各时效均方根误差, ECWMF 模式明显大于CMA-SH9 模式, 且ECWMF模式产品的预报误差随高度增加而呈现处出非线性的变化, 925 hPa与500 hPa 的预报误差最小, 850 hPa 的预报误差最大；CMA-SH9模式对于不同高度（200、500、700、850和925 hPa）上的U风场预报误差则相对比较接近, 且误差明显低于ECMWF。ECWMF 各预报时效200 hPa、500 hPa和700 hPa 高度风场V 的预报误差大于CMA-SH9, 其余高度风场V 预报误差与CMA-SH9 持平, ECWMF 对于V 风场的预报误差随高度增加而明显增大, 但是CMA-SH9模式的预报误差随高度的变化不明显。

ECWMF模式对于各时效500 hPa高度预报的相关系数（图3b）要明显高于CMA-SH9, 200 hPa 层结高度情况相反, 其余高度场上ECWMF 为负相关, 可参考性较差。ECWMF模式在各预报时效内200 hPa和500 hPa高度场上对于U 参量预报风场均为正相关（图3b）, 且500 hPa的U风场预报的相关性要明显高于CMA-SH9, 但200 hPa 的情况则相反, 其他高度上（700、850 和925 hPa）U风场预报均为负相关, 表明在该范围高度内ECMWF 模式对U 风场预报的可参考性较差, 而CMASH9 模式除了700 hPa 高度的U 风场预报为负相关外, 其余高度均为正相关, 且相关系数绝对值要明显高于ECWMF产品。

图3 模式对环流形势场12～36 h时效预报检验

由图2可知, 近地层地面辐合线是此次降水过程的主要影响系统之一, 因此对近地层风场的预报效果将直接对降水预报效果产生明显的影响。参考上述对ECMWF和CMA-SH9两种模式对风场预报的检验分析可知, 基于预报误差和相关性等参量, 国产CMA-SH9模式对于近地面层风场（925 hPa）的预报效果明显优于ECMWF, 因此, 此次过程CMA-SH9模式对于对24 h地面降水预报效果优于ECMWF, 这与上文降水检验部分的结论相一致。

3.2.3 物理量检验

ECWMF 模式对于850 hPa和925 hPa 高度上温度场的预报均方根误差（图4a）明显小于CMA-SH9（其中, 24 h预报时效内, 二者均方根误差的差值在0.7 ℃～1 ℃）, 其余高度CMA-SH9 的均方根误差更小, 且两个模式预报的均方根误差差值小于0.2 ℃, 差距不明显。ECWMF对24 h时效, 温度场预报的相关性（图5b）略高于CMA-SH9, 且均为正相关, 除700 hPa高度上温度的相关性较低之外, 其余高度上的相关性均较大, 超过0.6。相较而言, 此次降水过程CMA-SH9 对于各高度场温度的预报效果则较差。此外, 从湿度条件检验情况来看, ECWMF各预报时效比湿的均方根误差随高度呈非线性变化, 先增加后减小, 700 hPa和925 hPa预报误差大小接近, 相对ECMWF而言, 850 hPa的误差较大。

由图4 可知, 除700 hPa 外, ECMWF 预报比湿的相关性随高度增加而有所提高；ECWMF模式各时效预报925 hPa 和850 hPa 相对湿度的相关系数要明显高于CMA-SH9 模式预报产品。24 h 时效内, ECMWF 预报低层（850 hPa 和925 hPa）的相对湿度相关性明显大于中高层（700 hPa）, CMA-SH9 相对湿度则以925 hPa 的相关性为最大, 中上层的相关性则较低。这表明两家模式对于近地层湿度条件的预报效果均要好于中高层。此外, ECWMF 模式对k 指数预报整体效果较好, 均方根误差及相关性方面均占优, 表明ECMWF对于热力参数的预报效果要优于CMA-SH9, 但二者差距不显著。

图4 模式对物理量12～36 h时效预报检验

4 结论与讨论

文章基于全球ECWMF 模式及过程中尺度CMASH9 模式0～24 h 时效的24 h 降水预报资料及同时段自动站观测降水资料, 对2019 年5 月27 日发生于龙岩境内的一次短时强降水过程进行检验分析, 评估两家模式对此次过程的预报能力, 得出主要结论如下：

（1）此次短时强降水过程主要影响系统为低空急流和近地层辐合线, 暴雨区主要位于低空急流右前侧及地面辐合线附近。有利的环流背景条件为暴雨区上空水汽的持续输送提供了条件, 与此同时, 低层辐合和高层辐散的动力条件配置, 有利于水汽和热量的垂直输送与不稳定能量的释放, 是触发此次短时强降水非常重要的因素之一。

（2）此次强降水过程中, ECWMF模式和CMA-SH9模式在对于强降水中心位置及其形态的预报上存在着明显的偏差, 总体而言, ECWMF 模式对于中等强度量级降水空间分布的预报效果要优于CMA-SH9模式, 但对于大雨及以上量级的降水, 其预报效果则要明显低于CMA-SH9 模式。相较而言, CMA-SH9 模式的降水预报产品对此次强降水落区和强度预报具有较好指导意义。

（3）ECMWF 和CMA-SH9 两种模式在此次降水过程中, 二者对于物理量场的预报偏差不是特别显著, 整体而言, ECWMFF 模式对于温度、湿度、热力等物理量场的预报效果要略优于CMA-SH9模式。

（4）此次降水过程中, CMA-SH9 模式对于近地面层, 尤其是925 hPa风场预报效果要明显优于ECMWF, 但高层环流形势场则以ECMWF 预报更具有参考性。由于此次过程, 主要天气系统为近地层辐合线, CMASH9 模式对于低层辐合线的预报效果要优于ECMWF。综合评估此次降水过程, 相较于ECMWF, CMA-SH9 模式对此次强降水整体落区和强度预报具有较好指导意义。