广西对流尺度数值预报模式产品在南宁的应用初探

苏兆达，潘杰丽，梁岱云，黄增俊，韦覃武

（1.南宁市气象局，南宁 530029；2.上林县气象局，广西 上林 530599）

引言

广西地处低纬地区，南邻南海，属于亚热带季风气候。广西汛期长达6 个月（4—9 月），汛期降水量占全年降水总量的70%～85%［1］。广西汛期影响天气系统复杂，主要有台风、高空槽、切变线、地面锋面、副热带高压、东风波、热带辐合带、季风等影响，由于水汽充沛、热量丰富，常有突发对流天气，给短期短临预报带来一定难度。目前以天气雷达观测为基础的外推方法来实现0～3h 短临预报的技术已经有很好的业务应用效果［2-6］，但是雷达回波外推的临近预报技术无法提供3h 以上的对流天气系统发展演变的高质量预报。近年来，随着数值模式水平的不断进步，高分辨率的数值模式对降水的预报能力越来越好，与基于雷达观测的外推方法相比，数值模式是提供对流尺度天气系统特别是0～6h 对流强降水预报的有效途径和手段之一［7-8］；由于对流尺度模式模拟结果存在明显的不确定性［9-10］，频率匹配降水偏差订正方法、雷达外推方法与数值模式的融合也取得了明显的效果［8，11-12］。广西目前主要采用自动站和雷达资料及“光流法”雷达回波外推客观预报产品进行短临预报和监控，主要时效在0～3h 之间［13-15］；而对于3～6h 的延伸时段预报没有较好的产品。因此，广西壮族自治区气象局引进华南中尺度数值模式（CMAGD R1KM 模式），经本地化改造，研发了广西对流尺度数值预报模式（简称：广西对流尺度模式）。

南宁市作为广西首府，各类重要活动多，民众关注多，精细化预报质量要求高，广西对流尺度数值预报模式在南宁市的有效应用显得尤为重要。本文针对广西对流尺度数值预报模式产品在南宁市的应用情况进行了分时段、分类型的应用分析，为其在业务适用性评价以及修订提供参考。

1 资料与方法

广西对流尺度数值预报模式自2021 年7 月15日开始进行业务试运行，针对0～6h 预报业务中常使用雷达回波、降水、风等要素需求，本文所用的资料主要为广西对流尺度数值预报模式的部分产品（雷达组合反射率、1h 降水、10m 风场等）、1h 广西区域自动站观测资料、850hPa 及500hPa 实况形势场、南宁新一代天气雷达组合反射率资料、广西雷达外推客观预报产品。

从应用的角度，采用时间横向（0～6h 逐时）、纵向（整点与逐12min 数据对比）对广西对流尺度数值预报模式产品（主要针对降水及雷达组合反射率产品）与实况，进行分时段对比分析；根据不同的影响天气系统选取典型个例进行分类型对比分析。

2 结果与分析

2.1 广西对流尺度数值预报模式产品分时段预报效果分析

2.1.1 广西对流尺度数值预报模式部分产品与雷达外推客观预报产品可用性对比分析

在业务应用中，我们发现在0～3h 预报时段内，雷达外推客观预报产品较广西对流尺度数值预报模式降水及雷达组合反射率产品的可用性更好。在0～3h 预报时效内，广西对流尺度数值预报模式部分产品与实况偏差较大，表现为：（1）空报，模式会凭空报出“虚假”降水回波；（2）漏报，在实况已经有回波的地方，对流尺度没有反应；（3）存在明显的位置、强度差异。而雷达外推客观预报产品与实况较为一致。例如，从2021 年9 月14 日06 时广西对流尺度数值预报模式降水产品、雷达外推客观预报产品预报14 日07—09 时小时雨量，与降水实况对比可以看出：雷达外推客观预报产品在0～2h 内与实况基本一致，2～3h 雷达外推客观预报产品降水范围较实况偏大，强降水中心位置有偏差；而广西对流尺度模式降水产品在0～1h 内较实况降水范围偏小，未预报出隆安县附近的强降水中心；1～3h 降水范围仍偏小，强降水中心有偏差，空报了柳州-贵港一带的分散对流。

在4～6h 预报时段中，由于降雨云团的生消等原因，造成雷达外推客观预报产品与实况存在较大误差，参考性较差，而广西对流尺度数值预报模式产品对降水云团的生消情况有较好的预报能力，弥补了广西该时段预报参考产品的空缺，有一定参考价值。例如，在2021 年8 月5 日第9 号台风“卢碧”外围云系影响过程中，5 日15 时广西对流尺度数值预报模式降水及雷达组合反射率产品提前4～6h 对19—21 时的突发局地强降雨过程进行了成功的预报，由模式小时雨量预报图与降水实况对比（图1）可以看出：广西对流尺度数值预报模式降水产品能较好的模拟出“卢碧”外围类台前飑线系统对桂东的影响，特别是贵港-横州-玉林附近的强降水。

图1 2021 年8 月5 日15 时广西对流尺度数值预报模式预报5 日19 时、21 时小时雨量预报（a、c）及雨量实况（b、d）图

对于两个预报时段雷达外推客观预报产品和广西对流尺度数值预报模式部分产品的表现差异，本文分析结果与相关研究［16］一致。可能原因是：广西对流尺度数值预报模式虽然引入了雷达的水物质信息，但由于模式存在SPIN-UP 问题，造成模式积分初期的降水模拟需要一段时间调整，从而造成模式降水的漏报。模式在非整点起报采用热启动可能是造成模式空报的主要原因。

2.1.2 广西对流尺度数值预报模式整点产品与非整点逐12min 产品预报效果对比分析

应用中还发现广西对流尺度数值预报模式整点产品与非整点逐12min 产品预报存在明显差异。以2021 年8 月20 日9∶00、9∶12 为起报时次的雷达组合反射率预报产品为例（图2），与实况雷达组合反射率（图略）比较后发现，9∶00 的雷达反射率预报产品强度明显偏弱，而9∶12 预报结果基本与实况一致。

图2 2021 年8 月20 日两个时次广西对流尺度数值预报模式的雷达组合反射率预报图

出现该差异的主要原因可能是：广西对流尺度数值预报模式在整点起报时采用“冷启动”，使得模式在积分开始的一段时间内预报不出降水，或降水强度、落区与观测实况存在明显偏差；非整点时的其他逐12min 起报是采用“热启动”，预报结果更接近实况［17-18］，因而造成广西对流尺度数值预报模式非整点的其他逐12min 起报的预报效果明显优于整点起报的。

2.2 广西对流尺度数值预报模式影响天气系统典型个例分类分析

为分析广西对流尺度数值预报模式对强、弱环境场影响下的预报表现差异，以下主要从有明显影响天气系统和非明显影响天气系统两类典型个例进行分析。

2.2.1 明显天气系统典型个例分析

有明显天气系统影响广西的主要分为三类：（1）东风波等热带系统，（2）副热带高压边缘，（3）高空槽、切变线（或伴有地面冷空气）。

2.2.1.1 2021 年9 月1 日东风波影响

2021 年8 月31 日20 时—9 月1 日08 时，受东风波影响，广西防城港、东兴及南宁市局地出现暴雨或大暴雨，广西其他地区有分散阵雨。此次降水具有局地性、雨强大的特点。南宁市局部强降水主要发生在9 月1 日03—08 时，小时最大雨强出现在兴宁区狮山公园94mm·h-1（1 日06—07 时），伴有明显的中小尺度特征。

从广西对流尺度数值预报模式的1h 降水预报结果来看，2021 年8 月31 日21 时至9 月1 日00时的起报场均稳定、准确地预报出9 月1 日02 时横州市境内对流的初生。9 月1 日00 时模式预报02时开始降雨从横州市逐渐西移进入南宁市城区，03—04 时小时雨强明显增大，过程期间预报小时最大雨强达40～50mm·h-1。同时次比较，与兴宁区老虎岭水库、西乡塘区花卉公园等站点基本一致，略低于兴宁区狮山公园（65.7mm·h-1），强降雨落区基本一致（图3）。分析结果表明，此次过程模式预报效果较显著，准确预报出对流初生和发展演变、移动趋势，强降雨落区和范围基本一致，强度略偏小。

图3 2021 年9 月1 日00 时广西对流尺度数值预报模式预报1 日03 时、05 时、06 时小时雨量（a、c、e）及雨量实况（b、d、f）图

2.2.1.2 2021 年8 月11 日副热带高压边缘及低层偏南急流共同影响

2021 年8 月10 日20 时—11 日08 时，受副热带高压边缘及低层偏南急流共同影响，桂中、桂西大部出现小到中雨，部分暴雨或大暴雨，其他地区有分散阵雨。南宁市大部有小雨，北部马山县出现大到暴雨，局部大暴雨的天气，最大降雨出现在马山县林圩镇（116.8mm）。低层急流轴上的南风脉动与季风槽暖湿气流的共同作用是造成此次南宁市北部局地强降水的主要原因。

从广西对流尺度数值预报模式的雷达组合反射率预报结果来看，2021 年8 月10 日19—21 时提前4～6h 预报南宁市中部有对流回波发展，与实况降水回波（主要出现在南宁市北部马山县附近）相比预报范围偏大、位置有偏差、强度偏弱，同时空报了北部湾的大片回波。分析结果表明：系统对偏南气流控制下的突发局地降水有较好指示预警意义，但降水的范围、位置有偏差、强度偏弱，对季风系统有空报。

2.2.1.3 2021 年10 月20—21 日高空槽、切变线及地面冷空气共同影响

2021 年10 月20 日20 时—21 日20 时，受高空槽东移引导低层切变线和地面冷空气南下影响，广西大部出现了5～8 级，局地9～11 级偏北大风。

从广西对流尺度数值预报模式10m 风预报结果来看，2021 年10 月20 日14—16 时提前4～6h 预报20 日20 时附近地面锋面进入马山县，将出现12～14m·s-1的锋面大风。实况锋面到达马山县的时间与模式预报时段一致，马山县金钗、周鹿等乡镇出现6～7 级阵风（图4）。其雷达组合反射率预报也显示出雷达回波呈东西向窄带状且边缘光滑，移动速度快表明出现大风的可能性大。分析结果表明：模式对锋面大风影响时间和量级预报有很好的指示意义，与相关研究［19-20］一致。

图4 2021 年10 月20 日15 时广西对流尺度数值预报模式预报20 日20 时10m 高度风向风速（m·s-1）及流线图（a）及实况小时极大风速图（b）

2.2.2 非明显天气系统典型个例分析

过程期间无明显天气系统影响广西而出现明显降雨天气。此类天气短期时效预报难度大，但广西对流尺度数值预报模式在短临时效中有一定预报反应。

2.2.2.1 2021 年9 月7 日副热带高压控制下弱冷空气侵入的突发暴雨

2021 年9 月6 日20 时—7 日20 时，广西上空500hPa 受副热带高压控制，地面有弱冷空气南下影响，广西出现局部暴雨或大暴雨天气。强降水主要出现在都安、马山等县附近，最大降雨出现在都安县百旺镇（172.7mm）。

从广西对流尺度数值预报模式模拟的1h 降水预报结果来看，2021 年9 月7 日00 时提前4h 预报7 日04 时开始在马山附近有对流降水发生，持续维持到06 时，小时最大雨强达40～50mm·h-1（图5a）。实况04 时前后在马山县和上林县附近有回波生成，并逐渐加强，马山县、上林县部分地区小时最大雨量达10～20mm·h-1（图5b）。模式较准确的预报出马山县东、西部的对流降水，但局部降水强度偏强、范围偏大。7 日04 时也提前6h 较准确的预报出10 时南宁市南北方向的带状强降水，但南部强降水范围仍偏大、北部强降雨范围偏小偏弱（图5c、d）。分析结果表明：模式能提前4～6h 较准确的预报出局地强降水的演变过程，对短时预报预警有积极的参考意义；但局部降水强度、范围和位置有偏差，存在空报或漏报。

图5 2021 年9 月7 日00 时、04 时广西对流尺度数值预报模式分别预报7 日04 时、10 时小时降水（a、c）及小时雨量实况图（b、d）

2.2.2.2 2021 年11 月3 日副热带高压北侧偏西气流控制

2021 年11 月2 日20 时—3 日20 时，广 西500hPa 主要受偏西气流控制，低层主要受偏南气流影响。桂北大部有小雨，局部中到大雨，桂南有分散小雨。

从广西对流尺度数值预报模式模拟的1h 降水预报结果来看，广西对流尺度数值预报模式提前4～6h 稳定预报11 月2 日22 时开始南宁市大部将有1.5～7mm·h-1，局部7～15mm·h-1的降雨，降雨持续到3 日08 时。实况：2 日20 时—3 日08 时，南宁市基本未出现降水。模式空报了南宁市中部的大片回波。分析结果表明：在弱系统影响下，特别是南风气流中，模式降水预报有一定空报。

3 结论和讨论

通过对广西对流尺度数值预报模式产品在南宁市的应用情况进行了分时段、分系统类型的分析，得到如下结论：

（1）在临近预报0～3h 时段中，广西对流尺度数值预报模式较雷达外推客观预报产品可用性低，4～6h 时段可用性明显增加，弥补了该时段预报可参考产品的空缺。

（2）广西对流尺度数值预报模式在整点起报采用“冷启动”与非整点逐12min 起报采用“热启动”可能是造成广西对流尺度数值预报模式非整点逐12min 起报的预报效果明显优于整点起报的主要原因。

（3）在明显影响天气系统背景下，模式预报效果显著，能提前4～6h 准确预报出新生对流发展演变趋势，对局地降水也有很好的指示意义，但降水的范围、位置和强度有偏差，有一定程度的空报。

（4）在弱系统影响背景下，模式能提前4～6h 预报出局地强降水的演变过程，对短时预报预警有积极的参考意义，但局部降水强度、范围均有较明显偏差，有一定的空报和漏报。

（5）模式对锋面造成的大风演变有很好的指示预警意义。

针对以上情况，今后将进一步研究改进模式：（1）引入降水、气温、气压、风场等实况资料，参与模式计算，提高0～3h 预报效果。（2）模式提前4～6h 对初生对流及其演变的预报，有较好的指示意义，结合雷达探测、外推产品和区域自动站监测进行消空和订正，对提高预警信号提前量有较大的帮助。（3）在弱系统影响下降水，特别是南风气流下的暖区降雨模式能有一定的反应，弥补了短期预报的漏报，但相对于明显系统，有较多的空报，需要主动跟踪实况，剔除空报降水。