CPEFS模式预报产品在昌都市一次降水天气过程中的检验

2023-02-24唐利琴朱薇薇郭龙光泽仁罗布

科技创新与应用 2023年4期

孙禄，罗雄，唐利琴，朱薇薇，郭龙光，泽仁罗布

（1.昌都市气象局，西藏昌都 854000；2.贵州省人工影响天气办公室，贵阳 550081；3.西藏自治区人工影响天气中心，拉萨 850000）

昌都市位于西藏东部，处于横断山区的怒江、澜沧江、金沙江中上游。该区域地质结构极不稳定，土壤以沙质黄土为主，蓄水保水能力弱，是西藏自治区水土流失较为严重的地区[1]。加之受不同大气环流的控制和影响，降水量在地域上分配不均，同时受地形影响暖湿气流形成“焚风”效应导致昌都地区干旱频发，给当地农牧业生产、水资源利用和生态保护等造成巨大的影响[2]。人工增雨作业是缓解干旱的一种常用手段，因此在降水天气系统来临时，提前了解云系的发展演变趋势及其内部云水分布特征，制作人工增雨预案，可为科学开展人工增雨提供依据。

目前在人工增雨业务的增雨预案制定过程中，主要利用中国气象局人工影响天气中心开发的CPEFS模式产品，通过科技援藏，西藏近年来完成了以CPEFS模式为核心的人影综合处理分析与指挥系统的布设和业务应用[3]。CPEFS模式以中尺度数值模式WRF（v3.5）为动力框架，耦合了中国气象科学研究院自主研发的CAMS云降水方案（2016版）[4-7]，将全国范围设置成八大区域，对层状（混合）云、对流云的宏微观云场演变过程进行模拟，可以满足各地对增雨作业条件分析的需求，为作业方案设计等人工影响天气的关键环节提供科技支撑[8]。模式输出的产品主要为云宏观场、云微观场、云垂直结构场和降水场等预报产品，产品的空间分辨率为3 km，时间分辨率为1 h。由于青藏高原下垫面复杂，模式预报结果有很大的不确定性，在应用之前对其进行检验是必不可少的一步。刘俊卿等[9]选取西藏一次冰雹天气过程对GRAPES_CAMS人影模式预报产品进行检验，指出GRAPES_CAMS模式预报可作为人工防雹决策指挥的参考依据。而目前对于CPEFS模式在高原适用性的检验还比较缺乏，因此本文选取昌都市一次降水天气过程，从云系的发展演变特征、云系宏观特征、云系垂直结构和地面降水等方面对CPEFS模式预报产品在昌都市的适用性进行检验，以期为昌都市科学制作人工增雨预案提供依据。

1 资料

本文所选用的资料包括（时间均采用北京时）：①MICAPS资料；②昌都市气象站常规观测资料；③CPEFS模式预报产品，主要包括云宏观场、云微观场、云垂直剖面和降水场；④FY-4A气象卫星反演资料，云黑体亮温、云顶高度、云顶温度。

2 天气概况

2021年6月7 日20时—8日20时，受200 hPa高空槽后西北气流和500 hPa高原低涡与切变线影响（图1），昌都市出现降水天气过程，全市138个站出现不同程度降水，雨量以中到大雨为主，个别乡镇暴雨，其中有14个站点累积降水量达40 mm以上，50 mm以上分别为若区妥坝55.3 mm、类乌齐县滨达50.7 mm。

图1 2021年6月7日20时500 hPa天气形势

3 预报产品检验

3.1 云系演变特征

气象卫星反演的黑体亮温（TBB）能够反映出云系发展演变特征[10]，所以本节从云系的位置、覆盖范围、发展演变等方面，将此次降水过程不同阶段的模式模拟的云带和风云4A气象卫星TBB监测实况进行对比分析，定性检验模式对于云系的预报能力。

从FY-4A卫星实况图上可见，7日20时（图略）昌都市大部地区有云系覆盖，其中西部和北部有对流云系生成并向东偏北方向移动发展；21时（图2（a））云系明显增强，西部的对流云系中心TBB值降低至-60℃以下，并且强中心范围增加，随后该对流云团继续东移北上，影响昌都市东北部地区；8日02时（图2（c））对流云团移动到昌都市东北部，强度有所减弱，但在昌都市西部又有新的对流云团移入，并向东北方向移动发展，直至8日12时减弱；13时位于林芝东北部的云团向东北方向移动影响昌都市中南部（图略），8日16时（图2（e））昌都市大部均有云系覆盖，其中在东部边缘对流云团发展旺盛，TBB值可达-70℃以下。由此可见，此次降水过程有对流云团不断地移入并向东北方向移动影响昌都市。

由对应时刻的CPEFS模式的云带预报可知，7日21时（图2（b）），昌都市大部地区均有云系覆盖，西部的云团覆盖范围和移动方向与实况基本吻合，东北部的云系覆盖范围相较于实况偏小，出现局地漏报。8日02时（图2（d）），CPEFS模式预报较好地预报了实况的云系分布特征，只是在昌都东北部的云系预报位置略微偏南，强度偏弱。8日16时（图2（f）），模式预报的云带整体上与实况吻合，但是位于昌都市东部边缘的云系位置相较于实况略微偏北，昌都北部再次出现局地漏报情况。

图2 FY-4A气象卫星反演的黑体亮温和CPEFS模式预报的云带

综上所述，虽然CPEFS模式预报结果存在局部上个别云团有分布范围偏小、强度偏弱和位置略偏移的情况，但整体而言CPEFS模式预报的昌都市范围内云系的发展演变趋势与实况基本上一致，较好地预报了云系实况特征。同时可能由于天气系统在初始和结束阶段势力较弱，CPEFS模式易出现漏报的现象。因此在实际业务中，需要综合应用多种资料进行分析判断，提高增雨作业预案的科学性和准确性。

3.2 云宏观场

本节针对昌都市范围内的云系发展不同阶段，通过对比典型时刻CPEFS模式预报的云顶温度（高度）和FY-4A气象卫星反演的云顶温度（高度）产品（图3、图4），来检验模式预报云系的宏观特征。

从FY-4A卫星实况上可知，昌都市境内大部地区都有云系覆盖，在7日21时，昌都市北部云顶高度最高超过14 km（图3（a）），CPEFS模式预报的云顶高度最大为12 km，较实况偏低，模式在昌都市北部的云系存在漏报的现象；8日02时，昌都市北部云顶高度在9～14 km，中南部云顶高度在6～9 km（图3（c）），CPEFS模式预报的云顶高度约为12 km（图3（d）），并且覆盖范围较实况偏大，对于昌都市南部的云系，模式预报的云顶高度较实况偏低；8日16时，云顶高度在9～16 km，其中昌都市东部边缘的云系高度最高可达16 km（图3（e）），而模式预报的云顶高度昌都市中部以南大部分地区的云顶高度在14 km左右，在北部局地存在漏报的情况，但整体与实况相差不大。

图3 FY-4A气象卫星反演的云顶高度和CPEFS模式预报的云顶高度

图4给出了FY-4A气象卫星反演和CPEFS模式预报的云顶温度。由图可知，在7日21时，昌都市北部的云顶温度在-70℃以下（图4（a）），模式预报的云顶温度与实况接近，只是对于东北部的云系发生漏报，并且在昌都市南部的云顶温度模式预报结果要低于实况（图4（b））；8日02时，昌都市大部都被云团覆盖，云顶温度的分布呈“北低南高”的形势，其中北部地区云顶温度在-40℃以下，局地最低可达-70℃，南部地区云顶温度在-10～-40℃（图4（c）），对比图4d可知，模式预报的云顶温度也呈“北低南高”的形势，但是-60℃的分布范围要大于实况；8日16时（图4（e）、（f）），模式较实况的云顶温度偏低，在北部局地出现漏报的情况，云顶温度的中心位置较实况偏南。

图4 FY-4A气象卫星反演的云顶温度和CPEFS模式预报的云顶温度

总体来看，CPEFS模式预报昌都地区云系的云顶高度和云顶温度特征和实况基本一致，但是局部存在偏差。

3.3 云垂直结构特征

本节选取6月8日08时昌都探空站观测资料（图5（a））与CPEFS模式预报的昌都站附近云系垂直结构进行对比分析，以此来检验模式预报云系的垂直结构和性质。由图5（a）可知，7月8日08时，昌都探空站上空的云系为冷暖混合云，零度层高度为4 273 m，云顶高度为14 981 m。结合图5（b）和图5（c）可知，CPEFS模式预报的云也为冷暖混合云，零度层高度约为4 500 m，云顶高度约为14 km，云中过冷水含量较少，以冰相粒子为主。由此可见，CPEFS模式预报的云系垂直分布特征、云系性质、云顶温度和零度层高度与探空实况基本一致。

图5 2021年6月8日08时昌都探空站云特征与CPEFS模式预报垂直结构

3.4 降水场特征

图6给出了2021年6月7日20时—8日20时昌都市24小时地面降水量实况降水与模式预报结果。从图6（a）可知，昌都市出现大范围降水，以中到大雨为主，局地暴雨，中雨以上量级的雨带主要分布在昌都市中北部，24小时最大累计降水量可达50 mm以上。CPEFS模式预报的24小时降水量雨带分布与实况基本一致，但是在边坝县和洛隆县的量级达到50 mm，比实况偏强。值得注意的是，模式很好地再现了类乌齐县和卡若区局地的暴雨。由于高原夏季降水多为局地对流性降水，而且地形复杂，导致CPEFS模式对昌都降水的预报存在一定的偏差。总体来看，模式对于雨带位置的预报较为准确，在量级上局部存在一定偏差。