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        CFSv2模式產(chǎn)品對(duì)貴州一次區(qū)域暴雨過(guò)程的預(yù)報(bào)能力分析

        2020-08-06 02:57:12吳戰(zhàn)平
        中低緯山地氣象 2020年3期
        關(guān)鍵詞:貴州區(qū)域

        李 浪,白 慧,吳戰(zhàn)平,方 荻,于 飛,彭 芳

        (1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所,貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng) 550002)

        0 引言

        延伸期預(yù)報(bào)是指時(shí)間為10~30 d的氣象預(yù)報(bào),它作為天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)之間的重要銜接[1-2],為實(shí)現(xiàn)“無(wú)縫隙”的氣象預(yù)報(bào)服務(wù),其重要性日益凸顯,近年來(lái)隨著極端天氣氣候事件的增多,其引發(fā)的氣象災(zāi)害給國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活帶來(lái)了嚴(yán)重影響和損失,延伸期的預(yù)報(bào)服務(wù)對(duì)防災(zāi)減災(zāi)等工作有著特殊的意義[3]。一直以來(lái),延伸期預(yù)報(bào)都是國(guó)際上大氣科學(xué)關(guān)注的一大研究熱點(diǎn)和難題, 延伸期預(yù)報(bào)的難點(diǎn)在于它的預(yù)報(bào)時(shí)效超過(guò)了逐日天氣可預(yù)報(bào)時(shí)效的理論上限(2周)[4-6],同時(shí)又小于氣候預(yù)測(cè)的月、季時(shí)間尺度。在天氣預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi),主要受大氣初值信息的影響,即所謂的“邊值問題”,而在氣候預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi),更多的是受到海溫、下墊面等外強(qiáng)迫信號(hào)的作用[7-8],延伸期預(yù)報(bào)正處于天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)兩者之間,同時(shí)受到初值信息和外強(qiáng)迫信號(hào)的影響,其預(yù)報(bào)信號(hào)的不確定性,無(wú)疑增加了預(yù)報(bào)的難度。

        延伸期預(yù)報(bào)研究工作的開端要追溯到1983年,Miyakoda首先利用數(shù)值模式成功預(yù)報(bào)出了10~30 d平均的阻塞高壓[9],在那之后,Madden[10]等一系列專家學(xué)者通過(guò)不斷的研究,隨著數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展以及集合預(yù)報(bào)理念的提出使延伸期預(yù)報(bào)逐步成為可能[11-13]。大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的發(fā)現(xiàn)[14]成為延伸期預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)可靠的信號(hào)來(lái)源之一[15],隨后,經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的研究工作,利用MJO(熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩)法以及低頻天氣圖的延伸期預(yù)報(bào)方法逐步開展開來(lái)[16-18]。延伸期預(yù)報(bào)工作的開展為災(zāi)害性天氣的規(guī)避和防御贏得了寶貴的時(shí)間,對(duì)國(guó)民人身安全和經(jīng)濟(jì)的保障有著不可忽視的作用,為真正落實(shí)防災(zāi)減災(zāi)氣象先行的理念是不可或缺的一部分,美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心研發(fā)的新一代氣候預(yù)測(cè)模式—CFSv2模式,該模式產(chǎn)生了3種預(yù)報(bào)產(chǎn)品,分別是預(yù)見期長(zhǎng)度為9個(gè)月的預(yù)報(bào),預(yù)見期長(zhǎng)度為1個(gè)季節(jié)以及45 d的預(yù)報(bào)[19-20]。陳官軍等[21]利用CFS模式資料檢驗(yàn)了該系統(tǒng)對(duì)東亞夏季延伸期大氣環(huán)流的預(yù)報(bào)技巧,結(jié)果表明該系統(tǒng)模式對(duì)一些持續(xù)性強(qiáng)降雨過(guò)程中的主要大氣環(huán)流有一定的預(yù)報(bào)效果。李永生等[22]評(píng)估了CFSv2模式延伸期逐日預(yù)報(bào)對(duì)黑龍江省3次強(qiáng)降溫過(guò)程的預(yù)測(cè)能力,發(fā)現(xiàn)該模式對(duì)強(qiáng)降溫過(guò)程的預(yù)報(bào)表現(xiàn)出一定的技巧。周辰光[23]等利用CFSv2模式資料開展了區(qū)域性高溫事件的延伸期預(yù)報(bào),結(jié)果表現(xiàn)良好。

        本文采用CFSv2模式逐日預(yù)報(bào)的45 d降水量預(yù)報(bào)產(chǎn)品,評(píng)估了對(duì)貴州區(qū)域延伸期時(shí)段6月5—9日暴雨過(guò)程的預(yù)報(bào)能力,并通過(guò)CFSv2模式輸出的環(huán)流預(yù)報(bào)場(chǎng)進(jìn)一步分析此次暴雨過(guò)程預(yù)報(bào)量級(jí)偏差的原因。

        1 資料和方法

        CFSv2模式有4個(gè)時(shí)段(00、06、12和18 UTC cycles)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品,本文選取世界時(shí)12時(shí)起報(bào)的4個(gè)預(yù)報(bào)成員,采用5 d集合平均方案,得到集合20個(gè)成員的逐日平均降水和大氣環(huán)流場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品,實(shí)況降水為貴州省85個(gè)地面氣象觀測(cè)站的逐日降水資料,大氣資料為NCEP/NCAR再分析逐日資料,用于分析本次區(qū)域暴雨過(guò)程的大氣環(huán)流場(chǎng)特征,包括500 hPa高度場(chǎng)、700 hPa和850 hPa風(fēng)場(chǎng),水平分辨率為2.5°×2.5°。

        2 2019年貴州省6月5—9日區(qū)域暴雨過(guò)程實(shí)況

        根據(jù)貴州省區(qū)域性暴雨氣象評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[24],即在一次區(qū)域性降水過(guò)程中,評(píng)估區(qū)域范圍內(nèi)有6個(gè)及以上國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站(或有6%及以上區(qū)域氣象觀測(cè)站)日降水量達(dá)到暴雨標(biāo)準(zhǔn),記為一次區(qū)域暴雨過(guò)程。

        2019年6月5—9日,貴州省出現(xiàn)了大范圍持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程。累計(jì)降水量超過(guò)100 mm的區(qū)域主要分布在畢節(jié)市南部、六盤水市東部、黔西南州北部、安順市、貴陽(yáng)市南部、黔南州西部和中北部、黔東南州和遵義市局地,其中安順市中東南部和黔南州西部等地超過(guò)200 mm。全省有34個(gè)國(guó)家站日降水量超過(guò)了暴雨量級(jí),其中6月8日暴雨范圍最廣,全省有146個(gè)考核站(含10個(gè)國(guó)家站)出現(xiàn)暴雨以上降水,其中25站(含1個(gè)國(guó)家站)達(dá)大暴雨以上量級(jí),達(dá)到了區(qū)域暴雨標(biāo)準(zhǔn)。此次區(qū)域暴雨過(guò)程強(qiáng)度較強(qiáng)、范圍較廣、時(shí)間較長(zhǎng)。本文選取此次過(guò)程作為研究對(duì)象。

        3 大氣環(huán)流形勢(shì)

        從6月5日500 hPa的大氣環(huán)流形勢(shì)(圖1a)中可以看出,西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)脊線處在18°N附近,貴州處在副高588線西北側(cè)的西南氣流中。貴州的大部分地區(qū)處于高空槽前的西南氣流中,引導(dǎo)低層西南氣流加強(qiáng),在6月5日貴州東南部形成西南急流(風(fēng)速≥12 m·s-1)[25]。西南急流有利于將印度洋和南海的水汽輸送至貴州地區(qū),形成較強(qiáng)的降水。從6月5日700 hPa和850 hPa(圖略)的大氣環(huán)流形勢(shì)中可以看出,貴州位于低渦南部的西南急流中,這些條件都極其利于降水的形成。

        6月6—8日貴州上空500 hPa大部分轉(zhuǎn)成西風(fēng)氣流,副高有所西伸,且副高588線斷開(圖1),極利于印度洋暖濕氣流向貴州地區(qū)輸送,700 hPa的低渦也隨之消失,但是低空有一條切變線橫穿貴州上空,一直持續(xù)至9日。低空切變線的長(zhǎng)時(shí)間存在,有利于底層氣流的垂直運(yùn)動(dòng),而高層處在副高邊緣,高空有下沉氣流。低層的暖濕氣流與高空的干冷空氣的長(zhǎng)時(shí)間接觸,有利于長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)降水的形成。10日,隨著副高東退,降水趨于結(jié)束。

        圖1 6月5—9日700 hPa急流(陰影,單位:m·s-1)、500 hPa高度場(chǎng)(等值線,單位:dagpm) 和700 hPa風(fēng)場(chǎng)(a:5日,b:7日,c:8日,d:10日)Fig.1 700 hPa rapids from June 5th to 9th(shadow,unit:m·s-1)、500 hPa height field(Contour,unit:dagpm)and 700 hPa wind farm(a:5th,b:7th,c:8th,d:10th)

        4 CFSv2模式產(chǎn)品的預(yù)報(bào)能力分析

        4.1 降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品

        對(duì)于這次區(qū)域暴雨過(guò)程,CFSv2延伸期逐日降水量預(yù)報(bào)產(chǎn)品在5月21日就已提前15 d預(yù)報(bào)在6月5—9日期間將發(fā)生一次持續(xù)性降水過(guò)程,該預(yù)報(bào)信號(hào)穩(wěn)定、持續(xù)到5月25日。5月22日預(yù)報(bào)在6月3—7日有一次降水過(guò)程,這與6月5—9日的強(qiáng)降水過(guò)程在時(shí)間上稍微有所提前;5月23日預(yù)報(bào)在6月3—7日會(huì)有一次降水過(guò)程;5月24日預(yù)報(bào)在6月3—11日有一次持續(xù)性降水過(guò)程,這與6月5—9日的強(qiáng)降水過(guò)程在時(shí)間尺度上有所偏差;5月25日起報(bào)的預(yù)報(bào)結(jié)果最好,預(yù)報(bào)在6月5—9日會(huì)有一次強(qiáng)降水過(guò)程,并且6月8日的降水量最大,這與6月5—9日這次過(guò)程的實(shí)際情況較為一致,不過(guò)在降水量級(jí)程度上預(yù)報(bào)依然偏小(圖2)。

        圖2 2019年6月1—30日逐日全省平均降水量(a:實(shí)況降水,b:5 d集合平均處理后的5月25日模式預(yù)報(bào)降水)Fig.2 Daily average precipitation in the province from June 1 to 30, 2019(a:Live precipitation, b: Predicted precipitation on May 25 after 5d ensemble processing)

        4.2 環(huán)流預(yù)報(bào)產(chǎn)品

        在本次區(qū)域暴雨過(guò)程中,6月8日降水量最大,選取8日實(shí)況和模式預(yù)報(bào)的環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析,在500 hPa實(shí)況高度場(chǎng)上(圖3a),貴州處于副高588線的西北側(cè),高空大部分為偏西氣流,副高有所西伸,由于副高588線的斷開,利于印度洋的暖濕氣流向貴州區(qū)域輸送,中高緯地區(qū)的東亞大槽中心線為560線。而從圖3b的CFSv2模式預(yù)報(bào)的500 hPa高度場(chǎng)上可以看出,貴州處于副高588線的北側(cè),大部分地區(qū)處于西偏北氣流中,對(duì)于水汽的輸送并不有利,中高緯度東亞大槽的中心位置位于實(shí)際位置的東北方向,并且中心線為548線。對(duì)中高緯的天氣系統(tǒng)模式預(yù)測(cè)比實(shí)況位置偏北,強(qiáng)度要強(qiáng)。反觀CFSv2模式預(yù)報(bào)的副高,預(yù)報(bào)場(chǎng)中副高只控制在海南島南部和中南半島中部以及南海群島,而實(shí)況場(chǎng)中副高幾乎控制整個(gè)中南半島和南海地區(qū),模式對(duì)于副高的預(yù)測(cè)程度略有偏弱,并且副高的位置較實(shí)況要偏南。模式對(duì)于系統(tǒng)的預(yù)測(cè)強(qiáng)度偏低,以及水汽條件的差異,導(dǎo)致該模式對(duì)本次區(qū)域暴雨過(guò)程的預(yù)測(cè)在降水量級(jí)上有所偏小??傮w而言,CFSv2模式延伸期預(yù)報(bào)對(duì)本次區(qū)域暴雨過(guò)程的環(huán)流場(chǎng)預(yù)報(bào)整體上比較符合,但對(duì)于天氣系統(tǒng)的強(qiáng)度及位置的把握有些許偏差。在實(shí)際分析應(yīng)用中,需綜合分析考慮。

        5 結(jié)論

        本文基于CFSv2模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品、NCEPNCAR在分析資料和貴州省降水量實(shí)況資料,選取貴州省2019年6月5—9日這次范圍較廣、時(shí)間較長(zhǎng)的區(qū)域暴雨過(guò)程進(jìn)行CFSv2模式延伸期時(shí)段預(yù)報(bào)能力的分析,得到以下結(jié)論:

        ①CFSv2模式降水量預(yù)報(bào)產(chǎn)品在提前10~15 d能穩(wěn)定、持續(xù)的預(yù)報(bào)出6月5—9日暴雨降水過(guò)程,尤其在5月25日起報(bào)的效果最好,預(yù)報(bào)的過(guò)程起止時(shí)間和最大降水日與實(shí)況一致,總體上預(yù)報(bào)的降水量級(jí)偏小。

        ②CFSv2模式大氣環(huán)流預(yù)報(bào)產(chǎn)品在提前10~15 d亦能穩(wěn)定、持續(xù)的預(yù)報(bào)出影響這次區(qū)域暴雨過(guò)程的中高緯和副熱帶系統(tǒng)的配置形勢(shì)。CFSv2模式對(duì)中高緯地區(qū)的天氣系統(tǒng)在預(yù)測(cè)程度上有所偏強(qiáng),位置要偏北,而對(duì)于低緯地區(qū),如副高等系統(tǒng)的預(yù)測(cè)在程度上略為偏弱,位置較實(shí)況要更偏南。總體上,該模式在貴州區(qū)域暴雨過(guò)程的預(yù)報(bào)中表現(xiàn)出一定的預(yù)報(bào)技巧,大體上能預(yù)測(cè)出降雨過(guò)程,對(duì)環(huán)流形勢(shì)的預(yù)測(cè)整體上表現(xiàn)良好,但在天氣系統(tǒng)的強(qiáng)度及位置的把握上有所偏差。CFSv2模式在本次過(guò)程預(yù)報(bào)中對(duì)副熱帶高壓系統(tǒng)強(qiáng)度偏小、位置偏南的判斷,影響了熱帶海洋北上的水汽強(qiáng)度和位置,是導(dǎo)致預(yù)報(bào)降水量級(jí)偏小的主要原因。

        圖3 2019年6月8日500 hPa高度場(chǎng)(a:NCEP/NCAR實(shí) 況,b:CFSv2模式預(yù)報(bào),c: CFSv2與NCEP/NCAR差值場(chǎng))Fig.3 500 hPa height field on June 8, 2019(a: NCEP/ NCAR Live,b: CFSv2 model forecast,c: CFSv2 and NCEP/NCAR difference field)

        ③在本次過(guò)程中,CFSv2模式產(chǎn)品在提前10~15 d的預(yù)報(bào)中表現(xiàn)出了較好的效果,但僅以此結(jié)果來(lái)評(píng)判該模式的優(yōu)劣過(guò)于局限,要進(jìn)一步評(píng)估該模式的預(yù)報(bào)技巧,需針對(duì)更多的典型過(guò)程詳細(xì)分析,這是下一步準(zhǔn)備開展的工作。

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