河南2023年麦收期连阴雨极端特征及预报偏差分析

刘 超, 董俊玲

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室,郑州 450003;2.河南省气象台,郑州 450003)

引 言

连阴雨是河南省主要灾害天气之一。统计分析表明,2009-2017年河南省主要气象灾害及相应损失程度,除暴雨洪涝在河南造成的损失最为严重外,连阴雨造成的年均经济损失也在1亿元以上[1]。目前针对连阴雨有很多研究。高晶等[2]统计了1981年以来河南5月中旬到6月中旬的连阴雨过程,分析了2023年黄淮麦区“烂场雨”过程的极端性和大尺度大气环流场特征。张涛[3]、鲍媛媛[4]等从不同角度分析总结北方连阴雨天气的大气环流特征。何慧根等[5]对重庆春季连阴雨的气候特征和气候信号进行分析。刘璐等[6]利用50年的观测资料设计并计算了陕西连阴雨指数,客观地反映连阴雨强度。朱公群等[7]利用近60年资料,分析建立了安徽省沿淮地区秋季连阴雨的监测指标和强度综合指数公式。姚阮等[8]利用近30年资料构建江苏省连阴雨特征与区域指数。上述研究多是针对春季和秋季的连阴雨天气[9-12]。

河南连阴雨的研究也有一定的基础。孔海江[13]、谷秀杰[14]和朱玉周[15]等分别诊断分析了2005、2009和2017年发生在河南省的秋季连阴雨的异常环流特征及其可能原因。针对2011年9月河南连阴雨天气过程,刘佳[16]、孔海江[17]、朱玉周[18]等利用不同方法和数据,从不同角度进行了深入分析。刘雅星[19]、王秀萍[20]等分别研究了连阴雨对农作物的影响。

王记芳等[21]利用50年连阴雨数据分析发现,河南省连阴雨夏季最多,秋季的次之。但是对河南省夏初连阴雨的研究较少[22],全国范围内对夏初麦收期的连阴雨天气的研究也不多[23]。张建新等[24]对1951-1991年徐州夏收期降水统计分析发现,平均7年发生一次雨涝,造成三麦严重减产,丰产不丰收。王秀文等[25]统计1980-2004年5月下旬至6月中旬北方麦收区连阴雨天气过程,发现连阴雨天气日数一般为4天左右,5天以上连阴雨有12次,1991年出现了长达11天的连阴雨天气,是持续时间最长、对安徽麦收影响最大的一次过程。

2023年5月20日-6月4日河南省遭遇近10年来最为严重的“烂场雨”天气。大范围持续阴雨天气导致麦田积水,小麦点片倒伏、发霉,部分地区出现籽粒萌动和穗发芽现象。本文研究了2023年5月20日-6月4日麦收关键期河南连阴雨过程的降水与环流极端性特征,分析了主客观预报误差分布特征和偏差原因[26-27]。

1 资料简介

研究中使用的降水资料源自中国气象局多尺度气象观测资料,日照时长资料源自中国气象局气象大数据云平台——天擎。大气环流资料来自欧洲中期数值预报中心(ECMWF)提供的空间分辨率为0.25°×0.25°、时间分辨率1 h的ERA5再分析资料。天气雷达和风廓线雷达资料源自河南省气象信息中心。模式预报产品为中国气象局上海数值预报模式系统(CMA-SH9)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)等数值模式预报产品,主观预报产品源自河南省智能网格气象编辑平台。

2 极端性特征分析

我国北方传统麦收期为历年5月下旬到6月中旬[25]。随着农业现代化推进和机收作业的普及,河南麦收关键期集中在5月下旬到6月上旬。2023年河南极端连阴雨过程恰好处在麦收关键期,出现在5月20日到6月4日。连续降水导致小麦晚熟,影响灌浆;强降水更是在豫南、豫东引发短期农田积水、渍涝,导致机械收割无法大规模开展,影响收割进度和小麦品质。

2.1 降水极端性特征

从河南省2023年5月20日08时-6月5日08时累计降水量图(图1a)可见,两条主雨带呈东北—西南向分布在三门峡、洛阳西部到焦作西部一线和南阳东部经驻马店、周口到商丘一线。全省平均降水量93.9 mm,地市平均降水量前三分别为三门峡(183.0 mm)、济源(130.3 mm)、驻马店(121.3 mm),50 mm以上的有163个县(市、区)共2478个雨量站,占全省雨量站的87.6%,100 mm以上的有110个县(市、区)共1162个站,占全省雨量站的41.1%,250 mm以上的有3个县(市、区)共16个站。最大雨量出现在灵宝城区,为324.5 mm。从该时段过程累计降水量距平百分率和历史排名(图1b)可知,全省国家站降水量距平百分率均为正值,主要分布在54.5%～769.1%,最大距平百分率出现在灵宝站,为769.1%。全省平均降水量距平百分率为170.3%,其中有17个站达到历史同期排名第一,10个站位于历史同期排名第二,27个站位于历史同期排名第三,多分布在豫西、豫北和豫东。

图1 2023年5月20日08时-6月5日08时河南省累计降水量(a)、累计降水量距平百分率和历史排名(b)填色为累计降水量距平百分率,数字为同期历史排名

2.2 连阴雨极端性特征

根据《连阴雨预警信号等级划分》河南省地方标准规定,河南省单站连阴雨标准:某日期段内第一日和最后一日均出现降水,日降水量均≥0.1 mm,过程中每日日照时长均≤2 h或云量≥8成,过程降水量≥30 mm;或降水过程持续5～10 d,无雨日数≤2天且不连续;或降水过程持续≥11 d,无雨日数≤3天且不连续。河南省区域性连阴雨标准:区域内有≥20%测站出现连阴雨,则认定出现一次区域性连阴雨。

依据河南省单站及区域连阴雨标准,对本次连阴雨过程的极端性进行诊断分析。图2给出2023年5月20日到6月5日逐日河南省国家站日照时数箱线图和全省平均降水量。由图2可见,5月20日起,全省降水增加,日照减少,5月25日到6月4日,河南省出现持续大范围连阴雨过程。25日全省平均日照时数为1.51 h,50%的站点日照时数≤0.8 h,全省平均降水量为1.8 mm,降水站点超过70%,符合区域连阴雨开始标准。26日到29日和6月2日到4日全省降水持续,日照时数接近0,尽管30日和31日降水减弱,但全省依然有≥25%测站出现连阴雨。6月1日为无雨日,6月5日除豫东南外降水结束。依据河南区域连阴雨标准,5月25日到6月4日全省范围出现累计11天连阴雨。6月5日,豫东南仍有5 mm以上的降水,信阳站日照时数为0,豫东南连阴雨持续至12天。

图2 2023年5月20日-6月5日河南省国家站日照时数箱线图和全省日平均降水量(直方图)

高晶等[2]研究表明,自1981年以来河南最长的连阴雨为1991年5月29日-6月2日的5天,因此本次过程为1981年来持续时间最长的一次区域连阴雨过程,仅次于有记录以来的1963年5月18-30日全省大部分地区出现的长达13天的连阴雨天气过程(宋清芝等[22]),历史排名第二。

2.3 大尺度环流极端性特征

图3给出2023年5月25-30日500 hPa气候态(1991-2020年)平均位势高度场和距平场及2023年5月25-30日平均场5880位势米线(以下用gpm)。由平均位势高度场可见,河南上空受西北气流控制,多以晴好天气为主,有利于小麦的收割与晾晒。西太平洋副热带高压(以下简称副高)5880 gpm位于135°E以东洋面;高值中心只有5760 gpm,其脊线位于15°N附近,西伸脊点在122°E附近。

图3 2023年5月25-30日500 hPa位势高度场及距平场(填色)实线为气候平均,虚线为2023年5880平均线,单位:gpm

2023年5月25-30日平均场5880 gpm线西伸脊点位于102°E附近,较气候态偏西33个经度以上。其间,29日20时副高脊线北抬至31°N附近,较气候态明显偏西、偏北。如此强盛而稳定的副热带高压,将其脊线南侧的西南暖湿气流不断向河南输送,伴随低层冷空气不断南下,冷暖空气长时间在河南境内交汇,形成大范围持续降水。

从距平场可见,大于200 gpm正距平中心位于东海,由东北南部经华北、黄淮到长江中下游一带为160～180 gpm正距平区域;2023年第二号强台风“玛娃”影响下台湾东南洋面有一个0 gpm距平中心区,受其影响,副高挤压变形;新疆有一个6 gpm的低距平中心;河南省位于两个低距平中心之间,零距平中心(台风“玛娃”)东侧为向南的逆时针距平环流,同时正距平西侧也为向南的顺时针距平环流。在强台风“玛娃”配合下的偶极型分布,非常有利于水汽往河南省输送。

3 预报偏差分析

根据影响系统及落区集中程度,将本次连阴雨过程分为三个主要降水时段,分别为2023年5月20-21日(简称时段1),5月25-30日(简称时段2),6月3-4日(简称时段3)。以下就上述3个主要降水时段进行主观预报偏差分析。

3.1 主观预报偏差分析

图4、图5分别给出3个时段累计降水量实况和前24 h主观预报。对比可知,3个降水时段中主观预报均在豫西或豫西北山区存在明显强降水漏报。时段1中,降水强度预报偏弱两个量级,实况在豫西南出现暴雨到大暴雨,预报为中到大雨,豫东空报;时段2中,降水强度预报与实况基本一致,但主雨带预报较实况明显偏南,在豫西同样出现预报偏弱情况;时段3中,雨强和雨带的预报与实况基本一致,只是在豫西三门峡存在强降水漏报。

图4 三次过程3个时段累计降水量(a)2023年5月20日08时-22日08时,(b)2023年5月25日20时-30日20时,(c)2023年6月3日08时-5日08时

图5 提前24 h省台预报降水量(a)2023年5月20日08时-22日08时,(b)2023年5月25日20时-30日20时,(c)2023年6月3日08时-5日08时

对时段1强度预报偏弱进行偏差分析:预报员和数值模式对过程判定为自西北向东南的风雹类强对流过程,面雨量预报偏弱。实际过程产生在东北冷涡背景下有低槽携冷空气南下与西南暖湿急流在秦岭和南太行山交汇,配合低层切变线影响,在河南西部产生明显降水。2023年5月20日16时开始,700 hPa南风偏强,推动豫西降水回波自南向北移动(图6a),由风雹类天气过程逐渐演变为短时强降水为主的强对流天气过程,河南大部小到中雨,西部大到暴雨,局部大暴雨,最大小时雨强58.6 mm。模式对中层环境风场预报偏弱是导致豫西降水预报较实况明显偏弱的主要原因。

图6 2023年5月20日16时(a)和6月3日14时(b)河南省雷达拼图

对时段2预报落区偏南进行偏差分析:5月25日至30日西太平洋副热带高压(以下简称副高)逐渐北抬至黄淮地区(图3),尤其是29日20时588 dagm线北抬至31°N附近,控制河南沿淮一线,中纬度西风带不断有低槽东移,在低层切变线及副热带高压外围暖湿气流共同作用下,河南产生持续性大范围强降水天气,暴雨及以上量级降水主要分布在西部和中东部。过程中副高受强台风“玛娃”挤压变形(图3),各模式对台风预报存在偏差,进而影响对副高预报准确性,导致副高预报明显偏南。预报员对模式预报副高位置向北订正后仍有偏差,预报的主雨带位于东南部(图5b)。

对时段3西部强降水漏报预报偏差分析:此过程预报员对主雨带和雨强有较好的把握,但在西部山区有短时强降水漏报(图4c、图5c)。偏差原因:过程中500 hPa西风作为引导气流(图6a),在豫西高海拔山区受地形强迫产生短时强降水。图7给出6月3日14时ERA5再分析资料在三门峡到开封一线垂直剖面。600 hPa以上为强盛西风,500 hPa在三门峡上空风速达到22 m/s。在110.5°E到111.3°E上空有0.3 m/s的大范围上升运动区,高度在600-300 hPa,配合925 hPa的东南风造成三门峡地区强降水。在112.2°E上空有0.4 m/s的强上升运动区,中心高度达400 hPa,但低层925 hPa东北风造成下沉运动,因此济源—郑州一线的强回波并没有带来明显降水(图6b)。

图7 2023年6月3日14时ERA5沿三门峡到开封垂直剖面等值线为相当位温,填色为垂直速度

时段1和时段3在豫西强降水预报漏报的共同原因:中层气流变化(加强)导致降水系统移动方向发生变化。加强实时气象观测资料分析,判断引导气流及系统移动与模式预报相比是否已经发生变化,及时做好临近预报订正,可以在一定程度上改善西部山区强降水的漏报,提供预报预警的准确率。但是豫西山区复杂地形对风场的影响机制尚不明确,需持续深入的分析研究。

3.2 24 h降水晴雨准确率和TS评分

逐24 h评分数值模式(主观预报前12 h起报资料)和三级主观产品(中央台指导/省台指导/地市订正)预报晴雨准确率除日本模式外,均在80%以上,省台主客观预报表现最优,分别达到83%和84%(图8a)。随时效推移,虽然准确率有所下降,但72 h晴雨预报除中央台指导报外,其余预报准确率均在74%以上,省台和地市主观预报分别达到82%和81%(图8b)。因此对于此次连阴雨过程,大多数主客观预报有72 h以上的提前量。

图8 2023年5月20日20时-6月4日20时24 h降水晴雨准确率评分(a)为数值模式12-36 h和主客观产品0-24 h预报,(b)为数值模式60-84 h和主客观产品48-72 h预报

累计降水TS评分(图9a、b)可以看出,对于小雨和中雨以上量级降水,数值模式和主客观产品都有较好的预报。24 h预报时效小雨以上量级降水的预报TS评分都在0.74以上,中雨以上量级降水的TS评分都在0.32以上;48 h预报时效小雨以上量级降水TS评分在0.67以上,中雨以上量级降水TS评分除EC外都在0.30以上。因此数值模式和主客观预报产品对连阴雨过程中的一般性降水有较好的预报效果,和晴雨准确率评分得到的结论一致。但是对暴雨以上量级降水,预报能力迅速下降,TS评分仅为0～0.07,同样反映了主客观预报对主雨带的系统偏差。

图9 2023年5月20日20时-6月4日20时数值模式和主客观产品24 h降水预报TS评分(a)为数值模式12-36 h和主客观产品0-24 h预报,(b)为数值模式36-60 h和主客观产品24-48 h预报时效

3.3 数值模式预报大雨以上偏差分析

图10给出实况大雨以上降水中心(≥25 mm)与各数值模式预报最临近区域的位相偏差特征及其随预报时效临近偏差变化趋势,可以很清楚地看出,在36 h预报时效各模式预报的雨带均出现比实况偏南特征;各模式随时效临近,预报的雨带偏南特征较早期预报得更加明显,即模式主雨带出现了“系统性向南偏差”。

图10 2023年5月25日08时-30日08时模式预报的雨带位置偏差特征(a)(b)(c)(d)依次为72 h、60 h、48 h、36 h预报

模式预报雨带系统性偏差的主要原因是模式对副高(588 dagpm线)预报偏差。2023年第二号台风“玛娃”在5月27日下午增强为强台风,继续西行北上,并推动副高异常北抬。数值模式对台风预报的偏差是导致对副高位置预报偏差的重要原因,也是各数值模式出现“系统性偏差”的根本原因,结果导致各模式在暴雨以上量级降水TS评分偏低(图9a、b)。

4 结论与讨论

(1)通过对2023年河南麦收关键期连阴雨过程降水强度和持续时间的诊断,发现降水持续时间长,降水范围大,从5月20日开始,6月4日结束;累计降水量大,降水量距平百分率全省平均为170.3%,累计雨量有17站达到历史同期排名第一。在5月25日至6月4日产生了长达11天的连阴雨,持续天数在全省大范围连阴雨过程历史排名第二,仅次于1963年5月18-30日长达13天的全省范围连阴雨天气过程。

(2)2023年麦收关键期西太平洋副热带高压偏西偏强且西段脊线偏北,5月25-30日平均场5880 gpm西伸脊点较气候态偏西33个经度以上,该时段500 hPa距平场显示,河南位于正距平中心西侧梯度区,高出气候态160～200 gpm,并位于两个低距平中心之间。在强台风“玛娃”背景下的偶极型分布,非常有利于水汽持续不断向河南输送。

(3)偏差分析表明,3个降水时段中主观预报均在豫西或豫西北山区存在强降水中心漏报,时段1预报偏弱,时段2主雨带预报偏南,时段3雨强和雨带预报较一致,但豫西依然存在强降水漏报。诊断表明,中层气流较预报的偏差导致降水系统移动方向发生变化是时段1和时段3在豫西强降水漏报的主要原因,台风和副高位置的预报偏差是时段2雨带偏差的主要原因。

(4)对于此次连阴雨过程,多数主客观预报有72 h以上的提前量。过程中后期数值模式对主雨带预报出现了“系统性向南偏差”,雨带偏差导致各数值模式对暴雨量级预报TS评分偏低。豫西地形对风场影响的机理较为复杂,对低层气流有狭管效应,对中高层引导气流也有复杂影响,需对更多个例进行深入诊断分析,得到更客观的结论,指导预报工作。