榆林2017年7月26日区域性大暴雨数值预报降水检验及误差分析

采用2017年7月25日08时—26日08时地面观测资料与欧洲中期数值模式(ECMWF,简称“EC”)、中国气象局全球中期数值模式（GRAPES_GFS,简称“GFS”）和日本气象厅数值模式（简称“JMA”）的降水预报进行对比,分析各模式对此次区域性大暴雨过程的预报性能,并将各模式预报的环流形势、物理量场与NCEP1°×1°再分析资料做对比,分析模式降水误差的产生原因。结果表明：EC对降水量预报较好,达到大暴雨量级;GFS降雨量级预报为暴雨,中心位置比EC更接近实况;JMA中心位置预报最好,但降雨量与实况相差较大。各模式均为20时预报优于08时预报,且随着预报时效的临近,预报结果更接近实况。EC预报的低层切变、垂直速度中心、水汽通量散度大值区和假相当位温能量舌均偏北,因而预报的降雨区域偏北。GFS预报低层辐合、θse相对大值区、垂直上升运动中心均明显偏西,故降水大值区在内蒙地区,垂直运动次上升中心对应榆林上空降水中心。JMA的各因素均与实况位置一致,降水中心预报在各模式中最接近实况,由于低层气流较弱以及弱的水汽辐合,导致降水量预报与实况相差较大。     

一种定量降水预报误差检验技术及其应用

面向对象检验技术是定量降水预报误差分析方法之一,通过对某一降水过程进行分离,实现对其落区、量级等预报误差的定量化分析。基于面向对象的检验方法和天气系统识别技术,本文利用实况观测资料、ECMWF全球数值模式产品,以2012年汛期西南地区5个典型强降水天气过程作为检验对象,对其降水及天气尺度影响系统1～10 d模式预报误差进行了定量化分析。分析表明:在中短期时效内,模式均对西南地区雨带位置预报偏北、偏西,中期时效内偏差更显著,雨带主轴上70%以上的点预报较实况偏北在2°以内,偏西约3°以内;预报的大雨及以上量级降水量较实况偏弱;模式1～2 d预报的极值分布与实况较为接近,随着预报时效延长,预报的极值较实况明显偏小;模式预报的小雨及以下量级的降水范围较实况偏大,对大雨以上量级的降水范围较实况明显偏小。对于四川盆地而言,预报的切变线较零场偏西0.5°～3°。低空急流预报偏西0.5°～1.5°;低空急流强度预报偏差具有季节差异。     

地形高度对暴雨过程的热力和水汽条件影响数值模拟试验

利用NCEP再分析资料和WRF模式,对2014年8月31日重庆市云阳县特大暴雨进行形势分析和数值模拟,针对重庆地区地形设计了三组地形敏感性试验,分析地形改变对暴雨过程热力条件和水汽条件的影响。结果表明:低纬地区不稳定能量大量积聚并向北传播,在地形和急流的垂直扰动触发下,对流强烈发展;850 h Pa低空急流将来自南海的水汽输送至重庆地区,水汽低层辐合、高层辐散形成的抽吸作用引发水汽的垂直输送。大巴山高度降低后,不稳定厚度减小导致对流强度明显降低;阻挡作用降低不利于水汽在暴雨区的汇聚;水汽辐合、辐散的强度降低导致水汽的垂直输送强度明显减弱。齐岳山高度降低后,低空急流所引起的垂直扰动位置偏南导致高能舌和对流活动位置偏南;水汽输送中心南压,水汽通道变宽导致暴雨区上空水汽输送减弱;低空急流位置偏南导致其所引起的水汽辐合时间偏晚。     

四川冕宁“6.26”大暴雨模式预报检验

运用气象观测资料和GRAPES、ECMWF、SWCWARMS_9KM(简称SWC)模式预报资料,对冕宁“6.26”大暴雨天气过程模式预报性能进行检验。结果表明:（1）对于24 h累计降水预报,中尺度区域模式优势明显,量级与落区预报效果均为最好,其中GRAPES_3KM模式预报落区分布与实况重合度较高,暴雨及以上量级降水TS评分最高。（2）GRAPES_3KM模式最大小时雨强10 mm以上降水落区与实况大雨及以上量级降水落区匹配度最高,ECMWF模式24 h累计降水多物理量订正产品及短时强降水概率产品次之。（3）SWC及GRAPES_3KM模式24 h累计降水极值点相比实况略偏北,量级偏小。对于小时降水峰值出现时间,SWC模式偏早4 h,GRAPES_3KM模式偏早3 h。（4）GRAPES_GFS模式环流背景预报更接近实况,SWC模式能较好地预报出冕宁上空中尺度辐合系统的存在。      

CMA-MESO模式对“21·7”河南特大暴雨的预报评估与误差分析

为分析CMA-MESO模式对2021年7月19—21日河南特大暴雨的预报性能,除了常规观测资料,还利用雷达和卫星非常规观测资料,对模拟回波和云产品开展传统和新型空间检验,以揭示对流风暴和中尺度对流系统(MCS,基于卫星红外通道)的模式预报偏差细节,并从降水形成的水汽、动力、触发和维持机制等角度分析模式误差产生的原因。结果表明:模式能较好预报雨带形态、弱回波持续时间以及主要降水发生前期和后期MCS的面积和强度演变趋势;模式偏差主要体现在低估了降水强度且未报出郑州站极端小时降水,错报主雨带小时降水演变,严重低估了对流风暴和强对流风暴的持续时间,未能报出午后MCS面积陡增的变化趋势且MCS位置预报偏西、偏北;模式降水偏差的原因主要在于水汽的模拟,模式水汽垂直分布不合理,对台风烟花和查帕卡的水汽输送均偏弱,而水汽输送不足的根源是低空急流偏弱和超低空急流脉动不足。另外,模式未能在郑州站附近预报出稳定少动的地面中尺度辐合线,加之大气层结不稳定度不足和对流不稳定能量偏低,使得对流发展不够旺盛,最终导致降水预报不足。     

基于CMA-TRAMS集合预报的“5·22”极端降水事件可预报性分析

2020年5月22日珠江三角洲地区出现了一次极端强降水天气,最大滑动小时雨量201.8 mm,3 h雨量达到351 mm。为探讨此次极端强降水的关键预报因子及可预报性,对热带中尺度集合预报系统（CMA-TRAMS（EPS））降水预报产品进行检验评估和敏感性分析,结果表明:与欧洲中期数值预报中心集合预报系统（ECMWF-EPS）相比,CMA-TRAMS（EPS）的好成员对本次过程降水强度及位置的预报结果与实况更接近,但对极端性预报仍有欠缺。好成员的预报能力来自于对低涡和（超）低空急流的演变特征以及两者强度和位置耦合的有效预测。好成员组预报珠江三角洲东部（超）低空急流南风分量较强,有利于低涡缓慢移动和气旋性辐合增强,致使降水持续时间长、效率高。而低涡自身发展又反馈于急流强度变化,好成员组较准确地刻画了增强的低涡环流反馈导致急流小范围加速的耦合特征。其他成员组预报的低涡和（超）低空急流的耦合位置偏东、偏南,辐合强度偏弱,导致降水强度或落区出现偏差。此外,强降水致使冷池形成,并增强激烈的冷、暖气团对峙（水平温度梯度达0.23—0.76℃/km）,有利于中尺度辐合线维持,加强对流后向传播并产生极端降水量。但CMA-TRAMS（EPS）两组成员在预报中尺度系统的组织性和传播特征方面均存在明显不足,限制了集合预报系统对极端降水的预报能力。      

2013年7月辽宁省降水异常物理机制研究

利用MICAPS常规资料和NCEP再分析资料,对2013年7月辽宁省降水异常物理机制进行了研究。结果表明:2013年7月辽宁省降水偏多发生在异常环流背景下,乌拉尔山高压脊和贝加尔湖低压槽强度大于常年,冷空气偏强且路径偏南;东亚40°—50°N处在纬向强锋区中,有利于气旋生成发展;副热带高压脊线比常年偏北2个纬度,西北侧暖湿气流活跃。7月中高纬地区有3次明显冷空气向南侵入至40°N,与中低纬北上至40°N及以北的暖湿气流交绥形成暴雨,影响系统分别为华北气旋、蒙古气旋冷锋和副热带高压西侧辐合线,不同影响系统暴雨过程的物理机制存在差异。3次暴雨过程中,华北气旋暴雨水汽供应最充沛,水汽源地不仅有西太平洋、南海、东海和黄海,还有孟加拉湾;暴雨区水汽主要由副热带高压外围西南或偏南气流向北输送,东海北部和黄海是水汽汇合及输送量最大的区域。高空急流受贝加尔湖低槽强度影响,不同影响系统高空急流演变和强度不同,低空急流分布与强度及高空辐散区、低空辐合区相对高、低空急流轴分布的位置也不同;高、低空急流耦合发展及高空辐散区、低空辐合区叠置产生的强垂直上升运动造成了水汽强烈辐合,其中华北气旋暴雨水汽辐合最强,水汽辐合层顶达850hPa,蒙古气旋冷锋和副热带高压西侧辐合线暴雨水汽辐合顶在900hPa附近及以下。热力分析表明,3次暴雨过程环境大气中层均有干冷空气侵入,增加了降水对流的不稳定性。     

GRAPES_MESO模式对一次强降水过程的预报及误差分析

本文应用西南低涡大气科学试验加密观测资料,常规探空与地面资料,自动站资料等,分析国家数值预报中心运行的GRAPES_MESO中尺度模式对2010年7月14～19日四川强降水过程预报能力.结果表明,模式降水预报能一定程度反映实况降水.在模式误差分析基础上,指出造成降水预报偏差的可能原因是模式预报的高度场持续偏低,预报低值系统偏强,高值系统偏弱,不利于四川上空的辐合低值系统维持;预报的登陆台风强度偏强,台风外围气流与副高外围环流结合,导致西南低空急流较强,加之,模式预报盆地水汽场在西部偏多,东部偏少,对流层中低层冷空气活动偏弱,暖湿气流活动较强,急流带北移较快,辐合流场位置偏北偏东,导致了积分后期预报降水与实况出现较大偏差,盆地东北部降水偏弱,预报降水落区偏东、偏北.探空分析还指出,盆地测站温度偏差较大,可能是受复杂地形条件下插值误差以及观测误差影响所致,由于盆地测站风向受周边地形影响较大,各站和各层分析风的不确定性较大.误差分析揭示了高度场预报偏低,温度场偏高,地面气压偏低等基本特征,误差的来源需要作进一步的数值试验与动力诊断分析.     

郑州“7·20”极端暴雨过程中水汽和高低空急流作用机制的数值模拟

针对郑州“7·20”特大暴雨过程,使用CMA-MESO区域模式对此次极端强降水过程中水汽与高低空急流的影响进行了数值试验分析。结果表明,此次暴雨过程较为成功地被中尺度模式模拟再现;暴雨过程中水汽来源主要为台风“烟花”北侧的东南急流携带的来自西太平洋与印度洋的水汽以及台风“查帕卡”北侧东南气流携带的来自南海的水汽;降水及水汽输送对水汽含量十分敏感,水汽含量微小的变化便会使郑州上空气流辐合区强度减弱,水汽累积减少,降水范围向河南北部缩小,降水强度大幅度减弱;低空急流对应的气流辐合区是郑州上空出现强垂直上升运动中心的主要机制,低空急流减弱后,水汽辐合减弱,降水减少,降水中心位置偏西南,高空急流对降水的影响与低空急流相比较小。     

2021年7月17日长江中下游地区β中尺度低涡及其模式预报不确定性分析

2021年7月16—17日,在大尺度鞍型背景场中长江中下游地区生成了准静止的β中尺度低涡系统,造成苏皖地区出现局地特大暴雨及雷暴大风天气。欧洲中心（EC）控制预报对低涡位置的描述较实况明显偏北,由此在降水预报中也呈现出较大偏差,给预报决策带来较大误导。采用EC控制和集合预报产品,并基于“预报挑战度（MFC）”和“可预报性演变指数（PHDX）”等客观方法对低涡及降水预报不确定性进行分析,并在此基础上探讨模式偏差成因,得到以下结论:（1）对流层低层低涡东侧西南气流和东南气流的辐合以及低空急流的水平涡度输送是低涡发展的主要动力因素,而低涡东侧和南侧降水的潜热释放则构成低涡发展的热力因素;（2）EC控制预报不同起报时次均出现低涡位置偏北及雨带预报偏北现象,其集合预报产品离散度无法覆盖实况降水,揭示了此次过程的低可预报性,MFC和PHDX则能够客观指示此次过程低可预报性;（3）前期模式对低涡南侧西南气流南风分量预报偏大及对东侧辐合区刻画偏北造成前期东段降水偏北,而后在潜热释放、低空急流与低涡正反馈机制影响下,偏北的降水区造成低涡进一步预报偏北,最终导致整个时段预报较观测呈现巨大差异。      

基于CRA空间检验技术的西南地区东部强降水EC模式预报误差分析

CRA(contiguous rain area)空间检验技术是将连续雨区作为目标进行检验。通过设定降水量阈值,识别、分离及平移降水目标,将预报偏差分解为落区、强度和形态误差,该方法可避免传统TS评分的双惩罚效应。利用CRA空间检验技术对2011—2014年5—9月西南地区东部EC细网格模式36 h预报时效119个降水目标的预报误差进行分析,并按照环流形势和影响系统对强降水个例进行分型,分为西南地区东部低涡切变型、西南地区东部-江淮切变型、南风型,分别对上述三类不同类型强降水个例的落区和强度误差进行了对比。得到如下结论:西南地区东部降水预报形态误差占比最大,为60%左右,其次是落区误差,为30%左右,强度误差最小,约为10%;落区平均偏西0.7°,经向偏差不明显;模式对于水平尺度较小的降水目标漏报可能性较大,而对于天气尺度降水目标模式预报面积偏大,总降水量偏大,雨强偏小;西南地区东部低涡切变型和西南地区东部-江淮切变型降水强度预报误差类似,模式预报雨区面积均偏大,降水尺度越大,偏大的概率越大,实况平均降水强度越强,模式预报强度越偏弱;南风型预报强降水面积和平均强度均偏弱,出现漏报的概率较大;而对于最大降水量,三种类型模式预报的最强降水均较实况偏弱;西南地区东部低涡切变型模式预报落区偏西,江淮至西南地区东部切变型模式预报落区偏西偏北,南风型模式预报落区偏西偏南。     

辽宁地区大暴雨环境场和物理量场合成分析

利用1960—2013年辽宁省61个国家气象站地面降水观测资料和NCEP再分析资料,选取60次区域性大暴雨过程,采用天气学和物理诊断方法对暴雨发生过程中多个时次的环境场与物理量场进行了合成分析。结果表明:辽宁地区大暴雨天气是极地、西风带、副热带及热带系统相互作用的结果,低层冷式切变线带动极地冷空气从偏北路径入侵辽宁地区,西风带短波槽东移使低空急流加强,诱发地面辐合线锋生触发辽宁地区大暴雨。辽宁地区大暴雨的落区、强度与低空急流和冷暖空气的路径、强度密切相关;水汽条件和热力条件是产生强降水的基础,动力抬升条件是降水强度的决定因素。环境场和物理量场的合成分析揭示了辽宁地区大暴雨的共性,可为辽宁地区大暴雨预报提供参考。     

华南前汛期强降水个例模式降水预报误差成因初探

2015年5月19—20日,华南出现一次暴雨过程。检验表明欧洲中期天气预报中心全球确定性预报模式(以下简称EC模式)预报的20日强降水落区在广东境内较实况明显偏北,高估了天气尺度系统附近的降水强度,漏报了其南侧暖区内中尺度对流系统(mesoscale convective system,MCS)造成的降水,华东中尺度模式预报明显优于EC模式。利用高分辨率中尺度天气研究预报模式(以下简称WRF模式)对该暴雨过程进行了模拟,对比EC模式降水物理过程,初步探索了EC模式降水预报误差的成因,结果表明:20日位于广东暖区内的对流组织发展成MCS,并造成明显的低层冷池出流和中高层潜热加热,二者共同作用使得中低层气旋式环流在广东中东部发展,配合其南侧的强西南风水汽输送,在气旋式切变附近不断触发新的对流并南移使得广东中南部暖区内出现强降水,WRF模式能较好地模拟出该过程,而EC模式未能预报出暖区对流及其反馈,从而导致其漏报了广东中南部的强降水;EC模式预报的降水与天气尺度环流之间的正反馈进一步加大了降水的预报偏差。EC模式预报的20日白天的强降水主要位于华南北部切变线附近,且以层状云降水为主,降水产生的潜热使得对流层低层切变线附近减压更明显,预报的切变线辐合较分析场明显偏强,使得其预报的切变线附近降水较实况偏强。     

区域中尺度模式对西南地区一次强降水过程的预报分析

为了认识区域数值模式对西南地区降水预报能力,探索降水预报误差原因,本文应用MICAP资料,NCEP再分析资料,FY-2E辐射亮温资料,自动站资料,西南涡加密观测资料等,针对2012年7月2～5日西南地区一次强降水过程,分析了西南区域中心运行的WRF模式和GRAPES中尺度模式的预报能力,得到：（1）两模式不同程度反映了本次强降水过程.相对而言,WRF模式的预报略好于GRAPES,得益于WRF模式对对流层中低层温度、水汽、流场等演变的较好反映.（2）两模式预报对流层中低层温度偏差总体呈现正偏差,GRAPES模式呈现较大的温度偏差,正偏差特征更显著.两模式不同程度出现空报降水,特别是在高原东南坡.GRAPES模式空报雨区特征更明显.（3）两模式预报近地层湿度较实况大,都预报高原南坡,特别是高原东南坡风场辐合、水汽场辐合偏强,可能是造成虚假降水的主要原因.（4）较实况,WRF模式预报对流层高层的高压和对流层中低层的低压系统偏强,GRAPES模式预报西南低空急流偏强（可能是引起温度正偏差的原因）,两个模式预报的对流层正涡度较深厚,辐合上升运动强,这些可能是造成降水预报偏差的原因.     

850hPa低空急流影响下的一次雅安暴雨天气过程分析

利用地面、探空和雷达实况观测资料,以及ECMWF-ERA5逐小时再分析资料,分析了雅安地区2020年8月29～30日一次区域性大暴雨天气过程。结果表明：台风和副热带高压配合下的低纬环流对此次暴雨天气的低层水汽输送有重要影响。850hPa偏东风低空急流的建立触发了强对流的产生,低空急流的稳定维持为持续性强降水输送了水汽和不稳定能量;低空急流和喇叭口地形的共同影响在雅安东部地区形成了稳定的低涡,并使中尺度对流系统在该地区稳定少动,从而导致了此次区域性大暴雨天气过程。     

新疆哈密“7·31”极端大暴雨过程成因分析

2018年7月31日哈密市出现了一次极端大暴雨天气过程,持续强降雨造成了重大人员伤亡和财产损失。利用NCEP再分析资料、地面常规气象观测资料、区域加密自动站降水资料和FY-2G红外云图TBB资料,对此次极端大暴雨进行诊断分析。结果表明:极端大暴雨发生在有利的大尺度环流背景下,南亚高压双体型建立,东部中心强且位置偏北,西太平洋副热带高压较常年明显偏西偏北;高低空急流在暴雨区上空垂直方向形成耦合形势,加强了暴雨区上升运动的维持和水汽的垂直输送;850～200 hPa强盛的偏南暖湿气流为暴雨提供了充足的水汽和动力条件;低层高温高湿,强风速辐合及特殊地形抬升触发对流不稳定产生,为极端大暴雨提供热力和不稳定能量条件;强降水发生在对流云团边缘TBB等值线密集的梯度最大区域,越接近TBB中心梯度最大处,雨强也越大。数值预报产品具有一定的预报能力,但对于降水落区及量级预报偏弱。     

EC细网格对台风“尼伯特”影响苍南暴雨的分析应用

应用常规气象资料和EC细网格0. 125°×0. 125°数值预报产品,对1601号台风"尼伯特"影响苍南的大暴雨过程进行诊断分析,并检验EC细网格产品的预报效果。分析表明,EC细网格产品对苍南的降水预报能提前48 h以上;苍南位于台风倒槽曲率最大处,东南风急流的建立为水汽输送提供了动力条件,850h Pa水汽通量最大达20 g/(s·h Pa·cm);低层辐合和高层辐散配置有利于上升运动;台风登陆前后苍南地区850 h Pa垂直速度从-0. 2 Pa/s加强到-0. 6 Pa/s,之后又逐渐减小,与降水强度实况吻合;苍南西北部山区地形对台风影响的大暴雨过程起到增雨作用; EC细网格产品对台风大暴雨落区预报表现良好。通过台风个例分析,在应用细网格新资料对基层台站预报台风天气上积累一点经验,以提高台风风雨预报的准确性。     

东亚副热带西风急流位置变化及其对中国东部夏季降水异常分布的影响

利用1951～2004年美国国家环境预报中心 (NCAR/NCEP) 再分析候平均资料和同期中国740站日降水资料, 分析了东亚副热带西风急流轴位置的变化趋势及其对中国东部夏季降水分布的影响, 结果表明: (1) 夏季7～8月东亚副热带西风急流位置和形态在1975～1980年间出现转折, 1980年后西风急流中心逐渐向西移动的同时伴随有西风急流向南偏移。 (2) 在1980年以后华北地区降水量减少和降水强度减弱, 雨季开始时间推迟、 雨季变短, 而长江中下游地区入梅提前、 梅雨期变长, 降水量增加, 从而形成南涝北旱的降水分布形势。 (3) 1957～1964年华北典型多雨时期, 西风急流呈纬向分布, 在华北地区有高低空急流耦合, 强辐合上升区正好位于华北, 并有充足的水汽条件供应, 使得华北降水偏多。而1980～1987年和1997～2002年华北地区为典型少雨时期, 1980～1987年西风急流中心位置偏南和1997～2002年急流位置显著偏西, 在华北地区均无高低空急流耦合的环流形势, 水汽辐合区位于长江流域, 强辐合上升区位置在30°N以南区域, 有利于江南地区降水增加而华北地区少雨, 这表明西风急流位置变化导致环流调整对中国东部降水分布有显著影响。因而, 在讨论东亚副热带西风急流位置与中国东部地区降水异常的关系时, 不仅要考虑西风急流南北位置变化, 还需要综合分析西风急流的东西位置和形态的变化。     

2005年8月13日抚顺地区大暴雨天气过程诊断分析

利用天气图等实况资料,针对2005年8月13日抚顺大暴雨天气过程,从环流形势特征、不稳定能量、水汽和动力条件等方面入手,寻找形成强降水的物理背景,并对云团演变过程、数值预报产品应用和特殊地形对降水的影响进行分析,探讨降水过程的天气系统演变特征及发生、发展的物理机制,以提高对此类型暴雨天气的认识和预报能力。结果表明:西风槽东移、热带风暴北移,促使副热带高压北上,建立了低空急流;低空急流为大暴雨输送大量水汽和不稳定能量;切变线东南移,携带冷空气与副热带高压边缘不稳定能量在抚顺交汇,对流云团得到强烈发展,触发了副热带高压边缘不稳定能量的释放,因此形成了大暴雨天气;地形辐合抬升,对降水起到了增强作用。     

基于CMA-TYM和SCMOC的嫩江流域暴雨检验北大核心CSCD

选取2021年嫩江流域9个暴雨日,利用降水融合产品,采用CRA空间检验,对区域台风数值预报系统(CMATYM)和国家级智能网格指导预报(SCMOC)20:00起报的24 h降水预报产品进行检验。结果表明:CMA-TYM和SCMOC预报的最大降水量位置均偏西、偏北,CMA-TYM和SCMOC预报的降水落区均偏西,但前者偏北,后者略偏南,SCMOC预报优于CMA-TYM。误差分析表明:CMA-TYM和SCMOC预报的暴雨落区最大降水量和平均降水量比实况偏小,格点数、面积较实况偏大,但整体上,CMA-TYM预报更接近实况。CRA空间检验显示,CMA-TYM预报的降水强度和落区形态、SCMOC预报的降水落区位置和形态较接近实况,具有一定指示意义。