一次梅雨锋特大暴雨过程的预报误差分析

肖 雯,凌 婷

(江西省气象服务中心,南昌 330096)

0 引言

梅雨锋是中国东亚夏季风系统的组成之一[1]。每年的6月中旬梅雨锋随着副热带高压北跳,锋面移至从长江流域到日本南部一带,中国梅雨锋两侧没有明显的温度差,但是有很大的湿度差[2]。梅雨锋暴雨是长江中下游地区夏季主要的灾害天气,相关研究表明梅雨锋暴雨一般发生在副热带高压西侧或北侧边缘,季风是梅雨锋暴雨的主要水汽来源,梅雨锋暴雨往往伴随着中尺度低涡或者江淮气旋[3-10]。近年来,随着科学技术高速发展,暴雨预报已经由传统的天气学主观分析预报逐渐演变为以数值天气预报为基础、预报员订正结果的模式客观定量化预报[11-13]。业务预报人员对大暴雨或特大暴雨个例的分析总结,逐渐由暴雨成因和机制研究,转为暴雨成因和机制研究与数值模式偏差原因分析(主要是针对全球模式)两者并重的形式[14-18]。漆梁波等[19]在反思一次漏报的豫北特大暴雨过程中指出,全球模式对过程中的中小尺度系统相互作用预报能力较差,而高分辨力区域模式和快速同化更新系统的预报性能更优。伍志方等[20]在分析一次发生在广州的暖区特大暴雨时指出,全球模式无法合理地预报出暖区的对流触发,进而导致局地特大暴雨的漏报。上述研究更多地着眼于暖区暴雨,对梅雨锋暴雨模式预报偏差的研究还需要进一步加强。2020-07-09江西发生了一次梅雨锋暴雨过程,主观预报有较大的落区预报偏差,因此有必要对此次过程做进一步研究。

文章利用常规气象观测资料、业务数值预报模式、FNL再分析资料等对2020-07-09江西一次暴雨过程进行分析,从环流形势、物理量特征等方面进行成因分析,并且通过各类数值预报模式与实况的对比来分析此次暴雨过程中各模式预报偏差的原因,以期对此类暴雨过程预报提供参考,从而解决预报中的实际问题。

1 降水特点及预报误差

从2020-07-09T08:00/2020-07-10T08:00(北京时,下同)的实况降水量来看,江西省有1.7%(43个)测站降雨量超过250 mm,14.8%(377个)测站降雨量超过100 mm,19.3%(492个)测站降雨量超过50 mm;24 h累计雨量最大为480.9 mm,出现在吉安永和,其次为375.1 mm,出现在吉安县;小时雨强最大为93.4 mm/h,出现在吉安泰和,其次为92.8 mm/h,出现在吉安南溪。

针对此次过程的12 h以上降水预报,各个模式预报效果均不尽如人意。GRAPES和NCEP对降水等级的结果较差,江西全省范围均未预报大暴雨,NCEP最大等级只有大雨,可参考性差;华东模式则在江西南部预报了全区暴雨,导致其可信度降低,且暴雨落区明显偏南;EC预报结果从降水落区来看效果较好,但大暴雨落区范围较实况偏小,且南界偏北100 km左右,赣中南部预报小雨到中雨,实况则出现了暴雨到大暴雨,预报偏差较大,导致江西中南部的万安水库和石虎塘水库预报服务效果差。根据以上结果,重点分析EC和华东区域模式不同时次起报场的预报结果。分析发现,EC对于此次过程的降水落区及量级预报比较稳定,随着时间临近,模式将暴雨落区向南略有调整;华东区域模式对于对流性降水有着更好的预测,其中7日20:00和8日08:00起报的结果对此次过程暴雨落区与量级预测较好,但是由于其8日20:00起报的预报结果将暴雨落区突然调整至赣南,严重降低了其预报可信度。

2 对流环境场及维持原因分析

2.1 环流形势和影响系统分析

由分析7月9日08:00环流形势可知,中高纬为“两槽一脊”形势,贝加尔湖南部和中国东北地区东部存在两低涡,高压脊位于内蒙古东部,华中地区有一槽线向南延伸,江西处于500 hPa槽底位置,大部分地区处于西北气流控制下,上游贵州、湖南地区不断有短波槽东移影响江西;588线从广东沿海地区不断东退至海上,明显呈减弱趋势。这种形势有利于南方水汽输送至江西一带。从温度场上看,西高东低,江西位于冷中心。700 hPa上长江入海口附近有低涡,切变线近似东西走向位于长江沿岸,南昌站西北风速12 m/s,赣州站偏西风,风速为16 m/s,衢州站风速为20 m/s。850 hPa上低涡位于安徽,切变线较700 hPa略偏南,南昌站东北风,风速为4 m/s,赣州站西南风,风速为14 m/s,两站之间存在明显的风向风速辐合区。925 hPa上低涡中心较高层偏西偏南,位于湖北东部,辐合区仍然位于江西中部。在对应200 hPa高层,江西抚州地区对应分流辐散区。

2.2 动力条件分析

7月9日08:00,850 hPa涡度场上,江西中北部存在很强的正涡度区,正涡度中心位于鹰潭附近,吉安、抚州附近则存在很强的涡度梯度,表明该地区风场存在很强的气旋性旋转,辐合较强。9日20:00,850 hPa涡度场上,江西中部正涡度增大,其位置较08:00更为偏南,吉安地区处于正涡度中心区域,表明此时江西中部风场气旋性旋转增强,辐合也相应增强。

2.3 水汽条件分析

7月8日20:00起,江西省大部分地区850 hPa比湿达14 g/kg以上,925 hPa比湿达16～18 g/kg。9日08:00 850 hPa赣北地区存在近似东西走向的切变线,切变线南侧比湿达16 g/kg,比湿条件良好,配合925 hPa上8～14 m/s和850 hPa上12～16 m/s强劲的西南风急流,不断地从南海地区向暴雨区输送水汽。

结合水汽通量与水汽通量散度来看,同样表明充沛的水汽被西南风急流由南海地区不断地向暴雨区输送,且在大暴雨的中心地区存在明显的水汽通量散度负中心,存在着水汽辐合,有利于强降水的不断维持,这是造成吉安地区暴雨的直接原因。

2.4 热力条件分析

假相当位温能够综合表征大气热力状况,是大气能量很好的承载量。9日08:00,850 hPa假相当位温场上,有一高能位温舌从湖南延伸至江西中部,江西北部假相当位温超过354 K,表明该地区有很好的能量供应,江西北部有较强的温度锋区,温度锋区有利于激发对流。10日02:00,850 hPa假相当位温场上354 K温度场范围扩大至整个江西中南部,江西中部位温升高至356 K,表明江西上游有很强的能量输送。

3 预报偏差及其原因分析

3.1 副高和风场的检验

华北-江南深厚低槽东移南压是此次暴雨过程的关键,槽底位置决定了暴雨南界。对比模式的形势场预报得出,500 hPa江西中南部已有短波槽预报,但是槽底偏西气流较实况偏小2～4 m/s,而湖南地区没有短波槽预报。这导致预报中对西风槽位置和强度估计不足,没有足够重视西风槽后部冷空气的影响,且模式对短波槽后偏北气流预报偏差较大,鄂东、皖西、赣北实况主要是北风,模式预报为西北风,风场向南分量被低估,意味着模式对槽后冷空气预报偏弱,这是降水偏北的原因之一。500 hPa高度场上584线江西段位于25.5°N附近,西风槽东移至赣南北部,模式预报中中国东部沿海主槽位置与实况基本一致,但是主槽南部的短波槽预报比实况偏北50 km左右,此短波槽是造成江西中部暴雨的关键。

3.2 低层切变线和西南气流检验

此次暴雨过程中低层有强西南急流和明显的切变线。模式对9日20:00,850 hPa湘赣两省南部西南急流预报准确,准确预报出16 m/s的急流核,急流出口区有很强的风速辐合,急流顶端风速差超过6 m/s。实况中切变线位于湘中至赣东北一线,其北部为偏东气流,模式预报场为东南气流;江西上游湖南段切变线南部实况为偏西气流,模式预报为西南气流,预报中切变线上的辐合是偏东风与偏西风的辐合,而实况是东南风与西南风的辐合,且切变线南侧风速较实况偏小2～4 m/s,这导致切变线上辐合强度较实况偏弱,位置偏北。模式对急流上脉动的预报也出现偏差,如江西中部吉安地区实况为4～6 m/s的偏西气流,模式则预报为10～14 m/s的西南气流,这直接导致吉安地区风速辐合北推50 km左右,是造成预报偏北的原因之一。

3.3 温湿度场检验

此次过程中数值模式对850 hPa温度有较好的表现,无论是暖舌还是温度锋区的位置、强度均与实况基本一致。但在湿度预报存在较大的误差,通过对比850 hPa比湿预报与实况后发现,9日20:00模式将16 g/kg的湿舌预报在湖南-江西-浙江一带,赣中处于湿舌中;实际湿舌范围较预报小,仅覆盖江西中部-浙江,江西北部比湿为14 g/kg,较预报偏小2 g/kg,赣中北部处于比湿梯度大值区附近,湿度预报场弱化了北部干空气的作用,使得北部降水偏大、偏北,因此在确定暴雨落区时应该更加关注低层比湿的作用。

4 结束语

文章分析了2020-07-09江西1次梅雨锋背景下特大暴雨过程的环流形势和维持原因,并且对各个模式的预报偏差原因进行了探讨,得到结论如下:

1)此次暴雨过程是一次典型的梅雨锋暴雨过程。高层200 hPa对应辐散区,500 hPa上不断有短波槽移动影响江西,低层切变线附近有明显的辐合上升运动,为暴雨的产生提供了良好的动力抬升条件,配合不断向暴雨区输送水汽和热量的西南急流,导致了此次特大暴雨过程。

2)对于此次暴雨过程,各个模式均表现出一定的缺陷。EC模式对暴雨的落区和量级均表现较好,但是仍然存在强度偏弱、落区偏北的缺点。

3)数值模式对此次过程中850 hPa暖舌和温度锋区的位置、强度均与实况基本一致,但在湿度预报场上表现出较大的误差,因此在确定暴雨落区时应该更关注低层比湿的作用。

在此次暴雨预报过程中,华东区域模式预报偏差和EC模式预报偏差相反,一定程度上反映出此次暴雨过程位置偏南的信息,同时EC模式降水落区有向南调整的趋势。在以后的预报工作中,需要关注全球模式调整趋势及中尺度区域模式对流区域的预报,同时需要进一步研究综合应用中尺度区域模式和全球模式的方法。