四川两次副高边缘型暴雨的预报偏差分析及模式检验对比

丛 芳，陈朝平

(1.四川省气象台，四川 成都 610072;2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都 610072)

0 引言

暴雨是一种危害大、影响范围广的灾害性天气，常引发洪涝与泥石流等灾害，造成人员伤亡和重大财产损失，因此一直受到各界的关注。西太平洋副热带高压(简称副高，下同)是较低纬度最重要的大型环流系统，它的活动不但对中低纬度天气的发生、发展具有极其重要的作用，对中高纬度环流的演变也产生很大影响，是制约大气环流变化的重要成员。作为行星尺度天气环流，其位置变动对我国夏季暴雨的分布有密切关系[1-7]。

四川盆地位于青藏高原东部，长江上游，包括四川省中东部及重庆大部，由于其特殊的地理位置和地形地貌，在副热带季风气候影响下，暴雨、干旱等极端天气及洪涝、山体滑坡、泥石流等次生灾害频发[8]，每年暴雨洪涝引起的四川受灾人口总体呈现增加趋势，特别是1999年以后，受灾人口上升趋势越来越明显[9]。气象工作者对造成川渝强降水的机制进行了很多研究。各类大暴雨的合成形势背景主要是由副高和西风带低槽的相对位置所决定[10]。肖洪郁等[11]通过对1980—1998年副高特征与四川暴雨关系的分析指出，影响四川暴雨的副高有不连续西伸北抬和突然加强西伸或北抬与突然东退现象。周雨华等[12]对副高边缘暴雨的多普勒雷达回波特征进行分析。金荣花等[13]对比分析了副高的三维结构，发现不同副高结构性质的2次区域性暴雨过程，所导致的水汽供应条件和产生强烈上升运动的大尺度背景场存在差异。陈永仁等[14]对汛期副高位置变化的研究表明，副高的南北位置变化可能导致盆地降水东西振荡分布。由此可见，副高的变化特征与四川盆地的暴雨有着极其紧密的联系。然而近20 a随着全球气候的变暖，大气环流和副高也呈现出不同的年代际变化，直接利用数值预报进行降水落区预报往往会有较大的偏差，因此开展暴雨落区预报研究和对数值预报的检验工作成为实际预报业务中的重点和难点[15]。

本文选取2次起始场相似的副高边缘暴雨过程，通过分析数值预报对副高位置动态变化预报的准确性，以及副高在西进与东退过程中对雨带的影响，结合西风带槽脊的变化以及水汽条件的差异，综合探讨在利用数值预报模式预报盆地此类副高边缘暴雨过程的预报着眼点和订正模式降水的预报思路。

1 资料与方法

本文高空形势场采用08时、20时的实况观测资料(如500 hPa、700 hPa、850 hPa)风场、高度场、比湿等各类要素，进行大尺度环流背景和中尺度系统分析。数值模式采用ECMWF临近预报时次对副高的动态预报曲线，从而分析预报场与实况的差异。

降水量预报误差分析采用的实况站点资料为四川国家站和加密自动站共计3613站的降水量数据(重点分析盆地近3000个经过质量控制的站点)，站点分布如图1所示。数值模式采用ECMWF、SWC-WARMS、GRAPES-MESO、GRAPES-GFS 4个模式过程降水量预报，通过预报与实况的对比分析，检验各个模式的预报准确率和稳定性。

图1 站点分布

2 降水特点

7月下旬是四川盆地历年以来的主汛期，是大范围强降水主要集中的时间段。本文选取的2次个例7月21日(以下简称7.21)和2019年7月28日(以下简称7.28)正位于此时间段，发生时间相近，影响系统相似，同样是副高影响下的盆地西部的强降水，并且降水强度相似，2次个例暴雨站数均为600站左右，大暴雨200站左右，累积最大降水量均在200 mm左右，最大小时雨强均在100 mm左右。不同点在于落区和结构上有明显差异(图2)。首先在落区分布上，个例7.21的强降水主要以盆地西南部为主，整个强降水雨带呈团状分布，且有多个强中心；而个例7.28的强降水主要集中在盆地西部7市(广元、绵阳、德阳、成都、雅安、乐山、眉山)，整个强降水雨带呈线状分布。

图2 7月21日20时—22日20时(a)及7月28日20时—29日20时(b)的累积降水量

3 环流形势及影响系统对比分析

从2次过程前期500 hPa高度场(图3)可以看出，亚欧中高纬度基本都为两槽一脊型，虽然槽脊的位置略有差异，但都是有小槽不断分裂南下。我国南方大部为副高控制，四川盆地位于副高外围不稳定的环流之中[16]，青藏高原东部到川西高原为大陆高压控制，个例7.28的大陆高压略强，同时副高西脊点较个例7.21更偏西。总体来说2次过程的环流形势相似，都很利于四川盆地暴雨过程的发生。

图3 21日08时(黑线)及28日08时(红线)的500 hPa高度场

从影响系统来看，2次个例也是非常相似的(图4)，从甘肃南部到川西高原均存在高空低槽和切变线，同时盆地内700 hPa为西南气流，850 hPa为倒槽辐合式风场，将南海的水汽持续向盆地输送，且在盆地西部形成辐合，整个盆地低层湿度条件很好，尤其是西部850 hPa比湿达18 g·kg-1以上。这种配置非常有利于盆地西部暴雨的产生。

结合环流形势和系统配置来看，这2次过程都符合盛夏季节四川盆地典型的西部型暴雨的特点。但2次过程的雨带形状和结构却明显不同，主要是由于在过程发展中副高的移动方向不同以及中低层水汽条件的差异，以下将详细分析。

4 副高、西风带及水汽条件的差异

4.1 副高的动态变化

2次过程开始前，四川盆地都处于副高外围不稳定的环流之中，但从副高西脊点位置来看，个例7.21位于107°E(重庆中部)，个例7.28的西脊点则位于103°E(四川盆地西部沿山)(图5中黑色实线)，显然个例7.28副高更为强盛，西脊点更偏西，同时大陆高压也较为强盛，更利于盆地西部的降水。

在过程的发展中，随着副高位置的移动可以看出，个例7.21副高的位置缓慢东退，22日20时西脊点已位于111°E附近，雨带的位置也随之东移，且雨带呈片状或块状分布，并伴有移动性特点。而个例7.28在过程发展中副高先略有东退，即29日08时副高西脊点位于重庆东部，此时大陆高压继续发展增强(图4 b中红色实线)，使得四川盆地处于两高之间。29日20时，副高又再次西伸，大陆高压仍然持续增强，使得盆地西部处于两高之间的狭长地带，因此这次过程的雨带主要集中在盆地西部并呈狭长带状分布。

图4 2次过程的影响系统综合分析图及21日20时850 hPa比湿(填色，单位： g·kg-1)

图5 7月21日(a)及7月28日(b)2次过程中副高的动态变化

可以说这2次过程副高的动态变化特点直接决定了雨带位置及形态的分布不同。

4.2 西风带槽脊的差异

大尺度降水往往与西风带槽脊的变化有着密切关系，其不断分裂南下的小槽也影响着雨带的落区与形态。从这2次过程中500 hPa高空槽的动态变化可以看出，个例7.21在21日20时500 hPa高空槽位于川西高原北部，同时攀西地区南部也存在南支槽。随着时间的推移，北支系统逐渐东移南压，其槽后北风与略有北推的南支系统耦合，在甘孜州东南部与盆地西南部交界处形成低涡，在最容易发生强降水的低涡东南象限即盆地西南部出现了强降水。随后低涡在东移过程中减弱为切变，仍影响盆地西南部，造成降水。个例7.28在过程开始时，500 hPa高空槽位于川西高原北部，与个例7.21起始位置相近。但随着时间的推移，高空槽逐渐东移南压，经向度较高，且主要影响盆地西部，因此造成的降水也在盆地西部，呈带状分布。

从上述分析可知，2次过程的高空槽都是从川西高原北部开始自西向东移动，影响盆地。不同之处在于，个例7.21的高空槽在移动过程中与南支系统耦合，形成低涡，造成盆地西南部团状分布的降水。而个例7.28的高空槽在移动过程中经向度较高，且无南支系统配合，从而在盆地西部形成带状分布的降水。可以说，这2次过程中西风带小槽的移动方向、变化与雨带的落区、形态密切相关。

4.3 水汽条件

4.3.1 700 hPa比湿 这2次过程均发生在7月下旬，是历年来四川盆地的主汛期时段。此时盆地内低层湿度条件通常较好，850 hPa东部和西部无明显差别，但700 hPa东部和西部有较明显的差异，通过插值平均得出，2次过程700 hPa西部比湿条件都明显优于东部，且均在12 g·kg-1以上，利于强降水的产生。

图6 7月21日(a)及7月28日(b) 2次过程中500 hPa高空槽的动态变化

从盆地西部700 hPa的比湿分布来看，个例7.21比湿大值区为盆地西南部(14 g·kg-1)，个例7.28的比湿大值区为盆地西北—西南部一线(14 g·kg-1)，都与强降水落区有较好的对应关系。

4.3.2 西南气流 从700 hPa实况风场来看(图7)，2次过程均未达到急流标准，在过程开始时盆地南部至东北部均为西南显著气流，最大风速为10 m·s-1，且雨带也是沿显著气流左侧发生的。不同的是在个例7.28中，盆地西部风向为偏南风有地形辐合作用(如图7c)，更有利于西北部的降水。在过程发展中到了08时，2次过程风场有了显著的不同。个例7.21在盆地中部—南部出现了风场的气旋式辐合(图7b)，而在个例7.28中盆地西北部出现切变线(图7d)，这也是2次过程雨带位置和形状不同的原因之一。

图7 21日20时(a)、22日08时(b)、28日20时(c)、29日08时(d)700 hPa实况风场

5 模式预报误差

5.1 形势场预报误差

上述分析得出2次过程的雨带分布特点不同主要由于副高位置、西风带小槽的变化不同和中低层水汽条件的差异，其中副高的动态变化是决定性因素。下面重点分析数值预报对副高位置的预报准确度，以ECMWF为例。

从图8中可以看出，个例7.21数值预报在21日08时起报的500 hPa高度场中，21日20时预报高空槽和副高的位置与实况基本吻合，尤其是副高西脊点的位置预报与实况一致。但在22日08时数值预报对副高位置的预报却与实况出现了较大偏差，实况此时副高的位置仅比21日20时略有东退，西脊点位于109°E；而数值预报副高东退较实况明显偏快，西脊点位于115°E，相差6个经度。尤其是副高南侧比北侧东退较慢，使得过程中后期盆地中南部仍处于副高外围不稳定环流之中，利于降水的产生，而数值预报副高东退较快，使得雨带迅速东撤，因此漏报盆地中部—南部一线的暴雨。

图8 21日20时(a)及22日08时(b)500 hPa高度场对比(实况:黑色、ECMWF:红色)

而在个例7.28中(图9)，数值预报在28日08时起报的500 hPa高度场中，28日20时预报高空槽和副高的位置与实况基本一致，仅副高西脊点的位置与实况偏差1个经度左右。随着过程的发展，29日08时和29日20时，数值预报均能较好地预报出副高的动态变化，先东退后西进，且与实况基本吻合，使得盆地西部一直处于两高之间的狭长地带，因此此次过程的雨带呈带状分布。

图9 28日20时(a)、29日08时(b)、29日20时(c)500 hPa高度场对比(实况：黑色、ECMWF：红色)

综上所述，两者最大的差别就在于对副高位置的预报。个例7.28从过程开始到结束都能很好地把握副高的动态变化，整个过程时段预报与实况基本一致，从而预报雨带落区和形状与实况基本一致，而个例7.21在过程开始时对副高位置的预报与实况一致，但随着时间的推移对副高东退预报较实况明显偏快，从而导致中部雨带的漏报。可以说这2次过程预报成败最关键的因素就在于数值预报对副高位置的把握。

5.2 降水量预报误差

从降水量预报来看(图10)，ECMWF、GRAPES-GFS、GRAPES-MESO、SWC-WARMS 4个模式对个例7.21的预报差异较大。ECMWF对盆地西南部的主雨带预报较稳定，但对于盆地中南部的副雨带预报较差(位置偏北，强度不稳定)；SWC-WARMS预报出多个分散的强中心，但对西南部的强降水预报范围偏小，同时还空报了盆地北部的强降水；GRAPES-GFS只在盆地西南部到东部预报了中到大雨的降水，雨带整体偏东偏南，且随着时效临近量级调弱，更加偏离实况；GRAPES-MESO雨带形状与量级均与实况不符。综合评判，此次过程ECMWF最优，对盆地西南部的主雨带把握较好，但盆地中部—南部一线的副雨带把握较差，究其原因主要为对副高移动位置把握不准。其次为SWC-WARMS，预报出盆地西南部分散的强降水中心，对ECMWF有较好的支持，但范围偏小，副雨带存在空报漏报的情况。GRAPES-GFS、GRAPES-MESO预报效果最差。

图10 ECMWF(a)、SWC-WARMS(b)、GRAPES_GFS(c)、GRAPES_MESO(d)与21日20时—22日20时实况累积降水量(e)的对比(模式均为20日20时起报)

数值预报对个例7.28的降水量预报普遍存在量级偏弱的情况(图11)。ECMWF在盆地西部预报出了带状分布的大到暴雨，且预报稳定，与实况接近，但量级明显偏弱。SWC-WARMS预报出了西部分散的暴雨点，雨带略呈带状，落区略偏西，随着时间的临近降水量级和落区都向着实况方向调整。GRAPES-GFS在盆地西南部至东北部预报出了中到大雨的降水，雨带虽呈带状，但落区(尤其是北部)和量级均与实况不符。GRAPES-MESO预报出盆地西南部有大范围强降水，与实况接近，但雨带呈团状与实况不符，尤其是对盆地西北部降水预报明显偏弱，且模式调整太大，预报稳定性较差。相较而言，ECMWF预报与实况最为接近，雨带形状呈线状，但量级明显偏弱，这是ECMWF在大范围强降水过程中普遍存在的局限性。其次为GRAPES-MESO、SWC-WARMS，对ECMWF有较好的支持，但在落区、量级、模式稳定性方面均逊于ECMWF。再次为GRAPES-GFS，落区、量级均较差。

图11 ECMWF(a)、SWC-WARMS(b)、GRAPES_GFS(c)、GRAPES_MESO(d)与28日20时—29日20时实况累积降水量(e)的对比(模式均为27日20时起报)

总体来说，对于副高外围这种大范围的强降水，ECMWF仍以其传统的优势略优于其它数值模式，但仍存在量级偏弱，范围偏小的情况，组织结构与实况有一定差距，这是模式预报的局限所在。从上述个例分析中得出，此类过程可用ECMWF作为基础，SWC-WARMS作为副参考，加之预报员主观经验进行订正，做出最终结论。

6 结论和讨论

本文对副高外围的2次强降水过程,从环流形势、影响系统、水汽条件差异以及数值预报偏差原因分析等方面进行综合对比讨论，得出如下结论：

①盛夏季节盆地内基本都处于高能高湿的环境场之中，如副高强盛使得盆地处于副高外围或两高之间的不稳定环流之中，同时配合有高层系统，冷暖空气交汇，能量一触即发，极易产生大范围强降水。

②副高的移动方向是影响降水落区的主要因素。本文的2次过程正是由于副高移动方向不同直接导致了落区差别。个例7.21副高缓慢东退，因此强降水以盆地西南部为主，同时向东延伸的中南部也有暴雨，雨带呈团状分布。个例7.28的副高较强盛，在过程发展中，副高先略有东退后西伸与大陆高压打通后又再次断裂，使得盆地西部一直处于副高外围不稳定的环流之中，因此雨带在盆地西部呈狭长带状分布。

③数值模式对于副高外围的大范围强降水有一定的可预报性，但总体存在预报量级偏弱，范围偏小的情况，同时系统偏差也直接导致了降水落区的偏差，尤其是对于副高位置的预报。个例7.21正是由于数值模式对于副高东退较实况偏快，才导致漏报盆地中南部的强降水，而个例7.28数值模式对副高移动方向把握较准确，因此雨带形态与位置预报较准确。相较而言ECMWF较其它模式更具有优势，但普遍存在范围偏小、量级偏弱的情况，这是它的局限性所在，可结合SWC-WARMS进行订正。而GRAPES-GFS、GRAPES-MESO在模式稳定性和预报准确率方面都不及上述两者，但随着模式的改进，后期可继续关注。