蘇兆達(dá)，潘杰麗，梁岱云，黃增俊，韋覃武

（1.南寧市氣象局，南寧 530029；2.上林縣氣象局，廣西 上林 530599）

引言

廣西地處低緯地區(qū)，南鄰南海，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。廣西汛期長達(dá)6 個月（4—9 月），汛期降水量占全年降水總量的70%～85%［1］。廣西汛期影響天氣系統(tǒng)復(fù)雜，主要有臺風(fēng)、高空槽、切變線、地面鋒面、副熱帶高壓、東風(fēng)波、熱帶輻合帶、季風(fēng)等影響，由于水汽充沛、熱量豐富，常有突發(fā)對流天氣，給短期短臨預(yù)報帶來一定難度。目前以天氣雷達(dá)觀測為基礎(chǔ)的外推方法來實(shí)現(xiàn)0～3h 短臨預(yù)報的技術(shù)已經(jīng)有很好的業(yè)務(wù)應(yīng)用效果［2-6］，但是雷達(dá)回波外推的臨近預(yù)報技術(shù)無法提供3h 以上的對流天氣系統(tǒng)發(fā)展演變的高質(zhì)量預(yù)報。近年來，隨著數(shù)值模式水平的不斷進(jìn)步，高分辨率的數(shù)值模式對降水的預(yù)報能力越來越好，與基于雷達(dá)觀測的外推方法相比，數(shù)值模式是提供對流尺度天氣系統(tǒng)特別是0～6h 對流強(qiáng)降水預(yù)報的有效途徑和手段之一［7-8］；由于對流尺度模式模擬結(jié)果存在明顯的不確定性［9-10］，頻率匹配降水偏差訂正方法、雷達(dá)外推方法與數(shù)值模式的融合也取得了明顯的效果［8，11-12］。廣西目前主要采用自動站和雷達(dá)資料及“光流法”雷達(dá)回波外推客觀預(yù)報產(chǎn)品進(jìn)行短臨預(yù)報和監(jiān)控，主要時效在0～3h 之間［13-15］；而對于3～6h 的延伸時段預(yù)報沒有較好的產(chǎn)品。因此，廣西壯族自治區(qū)氣象局引進(jìn)華南中尺度數(shù)值模式（CMAGD R1KM 模式），經(jīng)本地化改造，研發(fā)了廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式（簡稱：廣西對流尺度模式）。

南寧市作為廣西首府，各類重要活動多，民眾關(guān)注多，精細(xì)化預(yù)報質(zhì)量要求高，廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式在南寧市的有效應(yīng)用顯得尤為重要。本文針對廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品在南寧市的應(yīng)用情況進(jìn)行了分時段、分類型的應(yīng)用分析，為其在業(yè)務(wù)適用性評價以及修訂提供參考。

1 資料與方法

廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式自2021 年7 月15日開始進(jìn)行業(yè)務(wù)試運(yùn)行，針對0～6h 預(yù)報業(yè)務(wù)中常使用雷達(dá)回波、降水、風(fēng)等要素需求，本文所用的資料主要為廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式的部分產(chǎn)品（雷達(dá)組合反射率、1h 降水、10m 風(fēng)場等）、1h 廣西區(qū)域自動站觀測資料、850hPa 及500hPa 實(shí)況形勢場、南寧新一代天氣雷達(dá)組合反射率資料、廣西雷達(dá)外推客觀預(yù)報產(chǎn)品。

從應(yīng)用的角度，采用時間橫向（0～6h 逐時）、縱向（整點(diǎn)與逐12min 數(shù)據(jù)對比）對廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品（主要針對降水及雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品）與實(shí)況，進(jìn)行分時段對比分析；根據(jù)不同的影響天氣系統(tǒng)選取典型個例進(jìn)行分類型對比分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品分時段預(yù)報效果分析

2.1.1 廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式部分產(chǎn)品與雷達(dá)外推客觀預(yù)報產(chǎn)品可用性對比分析

在業(yè)務(wù)應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)在0～3h 預(yù)報時段內(nèi)，雷達(dá)外推客觀預(yù)報產(chǎn)品較廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式降水及雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品的可用性更好。在0～3h 預(yù)報時效內(nèi)，廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式部分產(chǎn)品與實(shí)況偏差較大，表現(xiàn)為：（1）空報，模式會憑空報出“虛假”降水回波；（2）漏報，在實(shí)況已經(jīng)有回波的地方，對流尺度沒有反應(yīng)；（3）存在明顯的位置、強(qiáng)度差異。而雷達(dá)外推客觀預(yù)報產(chǎn)品與實(shí)況較為一致。例如，從2021 年9 月14 日06 時廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式降水產(chǎn)品、雷達(dá)外推客觀預(yù)報產(chǎn)品預(yù)報14 日07—09 時小時雨量，與降水實(shí)況對比可以看出：雷達(dá)外推客觀預(yù)報產(chǎn)品在0～2h 內(nèi)與實(shí)況基本一致，2～3h 雷達(dá)外推客觀預(yù)報產(chǎn)品降水范圍較實(shí)況偏大，強(qiáng)降水中心位置有偏差；而廣西對流尺度模式降水產(chǎn)品在0～1h 內(nèi)較實(shí)況降水范圍偏小，未預(yù)報出隆安縣附近的強(qiáng)降水中心；1～3h 降水范圍仍偏小，強(qiáng)降水中心有偏差，空報了柳州-貴港一帶的分散對流。

在4～6h 預(yù)報時段中，由于降雨云團(tuán)的生消等原因，造成雷達(dá)外推客觀預(yù)報產(chǎn)品與實(shí)況存在較大誤差，參考性較差，而廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品對降水云團(tuán)的生消情況有較好的預(yù)報能力，彌補(bǔ)了廣西該時段預(yù)報參考產(chǎn)品的空缺，有一定參考價值。例如，在2021 年8 月5 日第9 號臺風(fēng)“盧碧”外圍云系影響過程中，5 日15 時廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式降水及雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品提前4～6h 對19—21 時的突發(fā)局地強(qiáng)降雨過程進(jìn)行了成功的預(yù)報，由模式小時雨量預(yù)報圖與降水實(shí)況對比（圖1）可以看出：廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式降水產(chǎn)品能較好的模擬出“盧碧”外圍類臺前颮線系統(tǒng)對桂東的影響，特別是貴港-橫州-玉林附近的強(qiáng)降水。

圖1 2021 年8 月5 日15 時廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式預(yù)報5 日19 時、21 時小時雨量預(yù)報（a、c）及雨量實(shí)況（b、d）圖

對于兩個預(yù)報時段雷達(dá)外推客觀預(yù)報產(chǎn)品和廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式部分產(chǎn)品的表現(xiàn)差異，本文分析結(jié)果與相關(guān)研究［16］一致?？赡茉蚴牵簭V西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式雖然引入了雷達(dá)的水物質(zhì)信息，但由于模式存在SPIN-UP 問題，造成模式積分初期的降水模擬需要一段時間調(diào)整，從而造成模式降水的漏報。模式在非整點(diǎn)起報采用熱啟動可能是造成模式空報的主要原因。

2.1.2 廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式整點(diǎn)產(chǎn)品與非整點(diǎn)逐12min 產(chǎn)品預(yù)報效果對比分析

應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式整點(diǎn)產(chǎn)品與非整點(diǎn)逐12min 產(chǎn)品預(yù)報存在明顯差異。以2021 年8 月20 日9∶00、9∶12 為起報時次的雷達(dá)組合反射率預(yù)報產(chǎn)品為例（圖2），與實(shí)況雷達(dá)組合反射率（圖略）比較后發(fā)現(xiàn)，9∶00 的雷達(dá)反射率預(yù)報產(chǎn)品強(qiáng)度明顯偏弱，而9∶12 預(yù)報結(jié)果基本與實(shí)況一致。

圖2 2021 年8 月20 日兩個時次廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式的雷達(dá)組合反射率預(yù)報圖

出現(xiàn)該差異的主要原因可能是：廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式在整點(diǎn)起報時采用“冷啟動”，使得模式在積分開始的一段時間內(nèi)預(yù)報不出降水，或降水強(qiáng)度、落區(qū)與觀測實(shí)況存在明顯偏差；非整點(diǎn)時的其他逐12min 起報是采用“熱啟動”，預(yù)報結(jié)果更接近實(shí)況［17-18］，因而造成廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式非整點(diǎn)的其他逐12min 起報的預(yù)報效果明顯優(yōu)于整點(diǎn)起報的。

2.2 廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式影響天氣系統(tǒng)典型個例分類分析

為分析廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式對強(qiáng)、弱環(huán)境場影響下的預(yù)報表現(xiàn)差異，以下主要從有明顯影響天氣系統(tǒng)和非明顯影響天氣系統(tǒng)兩類典型個例進(jìn)行分析。

2.2.1 明顯天氣系統(tǒng)典型個例分析

有明顯天氣系統(tǒng)影響廣西的主要分為三類：（1）東風(fēng)波等熱帶系統(tǒng)，（2）副熱帶高壓邊緣，（3）高空槽、切變線（或伴有地面冷空氣）。

2.2.1.1 2021 年9 月1 日東風(fēng)波影響

2021 年8 月31 日20 時—9 月1 日08 時，受東風(fēng)波影響，廣西防城港、東興及南寧市局地出現(xiàn)暴雨或大暴雨，廣西其他地區(qū)有分散陣雨。此次降水具有局地性、雨強(qiáng)大的特點(diǎn)。南寧市局部強(qiáng)降水主要發(fā)生在9 月1 日03—08 時，小時最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在興寧區(qū)獅山公園94mm·h-1（1 日06—07 時），伴有明顯的中小尺度特征。

從廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式的1h 降水預(yù)報結(jié)果來看，2021 年8 月31 日21 時至9 月1 日00時的起報場均穩(wěn)定、準(zhǔn)確地預(yù)報出9 月1 日02 時橫州市境內(nèi)對流的初生。9 月1 日00 時模式預(yù)報02時開始降雨從橫州市逐漸西移進(jìn)入南寧市城區(qū)，03—04 時小時雨強(qiáng)明顯增大，過程期間預(yù)報小時最大雨強(qiáng)達(dá)40～50mm·h-1。同時次比較，與興寧區(qū)老虎嶺水庫、西鄉(xiāng)塘區(qū)花卉公園等站點(diǎn)基本一致，略低于興寧區(qū)獅山公園（65.7mm·h-1），強(qiáng)降雨落區(qū)基本一致（圖3）。分析結(jié)果表明，此次過程模式預(yù)報效果較顯著，準(zhǔn)確預(yù)報出對流初生和發(fā)展演變、移動趨勢，強(qiáng)降雨落區(qū)和范圍基本一致，強(qiáng)度略偏小。

圖3 2021 年9 月1 日00 時廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式預(yù)報1 日03 時、05 時、06 時小時雨量（a、c、e）及雨量實(shí)況（b、d、f）圖

2.2.1.2 2021 年8 月11 日副熱帶高壓邊緣及低層偏南急流共同影響

2021 年8 月10 日20 時—11 日08 時，受副熱帶高壓邊緣及低層偏南急流共同影響，桂中、桂西大部出現(xiàn)小到中雨，部分暴雨或大暴雨，其他地區(qū)有分散陣雨。南寧市大部有小雨，北部馬山縣出現(xiàn)大到暴雨，局部大暴雨的天氣，最大降雨出現(xiàn)在馬山縣林圩鎮(zhèn)（116.8mm）。低層急流軸上的南風(fēng)脈動與季風(fēng)槽暖濕氣流的共同作用是造成此次南寧市北部局地強(qiáng)降水的主要原因。

從廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式的雷達(dá)組合反射率預(yù)報結(jié)果來看，2021 年8 月10 日19—21 時提前4～6h 預(yù)報南寧市中部有對流回波發(fā)展，與實(shí)況降水回波（主要出現(xiàn)在南寧市北部馬山縣附近）相比預(yù)報范圍偏大、位置有偏差、強(qiáng)度偏弱，同時空報了北部灣的大片回波。分析結(jié)果表明：系統(tǒng)對偏南氣流控制下的突發(fā)局地降水有較好指示預(yù)警意義，但降水的范圍、位置有偏差、強(qiáng)度偏弱，對季風(fēng)系統(tǒng)有空報。

2.2.1.3 2021 年10 月20—21 日高空槽、切變線及地面冷空氣共同影響

2021 年10 月20 日20 時—21 日20 時，受高空槽東移引導(dǎo)低層切變線和地面冷空氣南下影響，廣西大部出現(xiàn)了5～8 級，局地9～11 級偏北大風(fēng)。

從廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式10m 風(fēng)預(yù)報結(jié)果來看，2021 年10 月20 日14—16 時提前4～6h 預(yù)報20 日20 時附近地面鋒面進(jìn)入馬山縣，將出現(xiàn)12～14m·s-1的鋒面大風(fēng)。實(shí)況鋒面到達(dá)馬山縣的時間與模式預(yù)報時段一致，馬山縣金釵、周鹿等鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)6～7 級陣風(fēng)（圖4）。其雷達(dá)組合反射率預(yù)報也顯示出雷達(dá)回波呈東西向窄帶狀且邊緣光滑，移動速度快表明出現(xiàn)大風(fēng)的可能性大。分析結(jié)果表明：模式對鋒面大風(fēng)影響時間和量級預(yù)報有很好的指示意義，與相關(guān)研究［19-20］一致。

圖4 2021 年10 月20 日15 時廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式預(yù)報20 日20 時10m 高度風(fēng)向風(fēng)速（m·s-1）及流線圖（a）及實(shí)況小時極大風(fēng)速圖（b）

2.2.2 非明顯天氣系統(tǒng)典型個例分析

過程期間無明顯天氣系統(tǒng)影響廣西而出現(xiàn)明顯降雨天氣。此類天氣短期時效預(yù)報難度大，但廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式在短臨時效中有一定預(yù)報反應(yīng)。

2.2.2.1 2021 年9 月7 日副熱帶高壓控制下弱冷空氣侵入的突發(fā)暴雨

2021 年9 月6 日20 時—7 日20 時，廣西上空500hPa 受副熱帶高壓控制，地面有弱冷空氣南下影響，廣西出現(xiàn)局部暴雨或大暴雨天氣。強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在都安、馬山等縣附近，最大降雨出現(xiàn)在都安縣百旺鎮(zhèn)（172.7mm）。

從廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式模擬的1h 降水預(yù)報結(jié)果來看，2021 年9 月7 日00 時提前4h 預(yù)報7 日04 時開始在馬山附近有對流降水發(fā)生，持續(xù)維持到06 時，小時最大雨強(qiáng)達(dá)40～50mm·h-1（圖5a）。實(shí)況04 時前后在馬山縣和上林縣附近有回波生成，并逐漸加強(qiáng)，馬山縣、上林縣部分地區(qū)小時最大雨量達(dá)10～20mm·h-1（圖5b）。模式較準(zhǔn)確的預(yù)報出馬山縣東、西部的對流降水，但局部降水強(qiáng)度偏強(qiáng)、范圍偏大。7 日04 時也提前6h 較準(zhǔn)確的預(yù)報出10 時南寧市南北方向的帶狀強(qiáng)降水，但南部強(qiáng)降水范圍仍偏大、北部強(qiáng)降雨范圍偏小偏弱（圖5c、d）。分析結(jié)果表明：模式能提前4～6h 較準(zhǔn)確的預(yù)報出局地強(qiáng)降水的演變過程，對短時預(yù)報預(yù)警有積極的參考意義；但局部降水強(qiáng)度、范圍和位置有偏差，存在空報或漏報。

圖5 2021 年9 月7 日00 時、04 時廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式分別預(yù)報7 日04 時、10 時小時降水（a、c）及小時雨量實(shí)況圖（b、d）

2.2.2.2 2021 年11 月3 日副熱帶高壓北側(cè)偏西氣流控制

2021 年11 月2 日20 時—3 日20 時，廣 西500hPa 主要受偏西氣流控制，低層主要受偏南氣流影響。桂北大部有小雨，局部中到大雨，桂南有分散小雨。

從廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式模擬的1h 降水預(yù)報結(jié)果來看，廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式提前4～6h 穩(wěn)定預(yù)報11 月2 日22 時開始南寧市大部將有1.5～7mm·h-1，局部7～15mm·h-1的降雨，降雨持續(xù)到3 日08 時。實(shí)況：2 日20 時—3 日08 時，南寧市基本未出現(xiàn)降水。模式空報了南寧市中部的大片回波。分析結(jié)果表明：在弱系統(tǒng)影響下，特別是南風(fēng)氣流中，模式降水預(yù)報有一定空報。

3 結(jié)論和討論

通過對廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品在南寧市的應(yīng)用情況進(jìn)行了分時段、分系統(tǒng)類型的分析，得到如下結(jié)論：

（1）在臨近預(yù)報0～3h 時段中，廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式較雷達(dá)外推客觀預(yù)報產(chǎn)品可用性低，4～6h 時段可用性明顯增加，彌補(bǔ)了該時段預(yù)報可參考產(chǎn)品的空缺。

（2）廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式在整點(diǎn)起報采用“冷啟動”與非整點(diǎn)逐12min 起報采用“熱啟動”可能是造成廣西對流尺度數(shù)值預(yù)報模式非整點(diǎn)逐12min 起報的預(yù)報效果明顯優(yōu)于整點(diǎn)起報的主要原因。

（3）在明顯影響天氣系統(tǒng)背景下，模式預(yù)報效果顯著，能提前4～6h 準(zhǔn)確預(yù)報出新生對流發(fā)展演變趨勢，對局地降水也有很好的指示意義，但降水的范圍、位置和強(qiáng)度有偏差，有一定程度的空報。

（4）在弱系統(tǒng)影響背景下，模式能提前4～6h 預(yù)報出局地強(qiáng)降水的演變過程，對短時預(yù)報預(yù)警有積極的參考意義，但局部降水強(qiáng)度、范圍均有較明顯偏差，有一定的空報和漏報。

（5）模式對鋒面造成的大風(fēng)演變有很好的指示預(yù)警意義。

針對以上情況，今后將進(jìn)一步研究改進(jìn)模式：（1）引入降水、氣溫、氣壓、風(fēng)場等實(shí)況資料，參與模式計算，提高0～3h 預(yù)報效果。（2）模式提前4～6h 對初生對流及其演變的預(yù)報，有較好的指示意義，結(jié)合雷達(dá)探測、外推產(chǎn)品和區(qū)域自動站監(jiān)測進(jìn)行消空和訂正，對提高預(yù)警信號提前量有較大的幫助。（3）在弱系統(tǒng)影響下降水，特別是南風(fēng)氣流下的暖區(qū)降雨模式能有一定的反應(yīng)，彌補(bǔ)了短期預(yù)報的漏報，但相對于明顯系統(tǒng)，有較多的空報，需要主動跟蹤實(shí)況，剔除空報降水。