孫璐 陳思遠(yuǎn) 潘賢 王秋萍 和杰 馬旭林

(南京信息工程大學(xué)，南京 210044)

引 言

華南地區(qū)位于我國(guó)大陸南端，受夏季風(fēng)影響顯著，下墊面復(fù)雜，進(jìn)入汛期早，常發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害[1]。其中，華南前汛期觀測(cè)試驗(yàn)指出，華南前汛期暴雨絕大部分為暖區(qū)暴雨，且鋒前暖區(qū)暴雨是其主要暴雨類型[2]。暖區(qū)暴雨由于受單一暖氣團(tuán)控制，大尺度系統(tǒng)信號(hào)不清晰，中小尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的前導(dǎo)信號(hào)較弱及其機(jī)制復(fù)雜，且局地性強(qiáng)等原因，導(dǎo)致暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低[3]。目前，暖區(qū)暴雨的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)依然是氣象預(yù)報(bào)所面臨的一個(gè)科學(xué)難題。

針對(duì)暖區(qū)暴雨的大尺度環(huán)流和中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的天氣學(xué)研究已有大量工作?；?005—2008年5—6月暖區(qū)暴雨中低層環(huán)流形勢(shì)的統(tǒng)計(jì)分析，丁治英等[4]與陳翔翔等[5]將影響華南暖區(qū)暴雨的環(huán)流系統(tǒng)分為切變型、低渦型和偏南風(fēng)速切變輻合型三類，并指出副熱帶高壓脊線對(duì)華南暖區(qū)暴雨產(chǎn)生重要影響。同時(shí)，許多學(xué)者針對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)對(duì)暖區(qū)暴雨的發(fā)展規(guī)律及其演變特征等問(wèn)題也開(kāi)展了諸多研究工作[6-8]。陳敏等[9]、孔期等[10]通過(guò)暖區(qū)暴雨和鋒面暴雨的對(duì)比指出，鋒面上和鋒前暖區(qū)出現(xiàn)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)(Mesoscale Convective System，MCS)明顯不同，前者具有更強(qiáng)的斜壓性特征，并伴隨有冷暖空氣同時(shí)參與，而且二者的觸發(fā)機(jī)制也存在顯著差異。除MCS等較大中尺度系統(tǒng)的影響外，β中尺度或γ中尺度的天氣系統(tǒng)對(duì)暖區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展具有更直接的關(guān)系[11-12]。

隨著數(shù)值模式的快速發(fā)展，借助高分辨率數(shù)值模式開(kāi)展暖區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展機(jī)制等研究已經(jīng)成為一種更為有效的重要方法。現(xiàn)有研究表明，對(duì)于中小尺度強(qiáng)天氣系統(tǒng)而言，相對(duì)于模式誤差，降水預(yù)報(bào)質(zhì)量對(duì)模式的初始誤差更加敏感。預(yù)報(bào)誤差的非線性動(dòng)力學(xué)傳播研究表明，預(yù)報(bào)過(guò)程中模式初始場(chǎng)的微小誤差可能會(huì)快速增長(zhǎng)，最終導(dǎo)致模式降水的顯著差異[13-14]。而相比江淮暴雨，華南暖區(qū)暴雨對(duì)初始誤差更加敏感，誤差增長(zhǎng)往往更加迅速，最終可能導(dǎo)致預(yù)報(bào)失敗[15]。其中，模式初始時(shí)刻微小的濕度誤差，會(huì)造成對(duì)流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)和對(duì)流抑制能量(Convective Inhibition，CIN)出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響MCS系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響[16]。因此，一些學(xué)者從改善預(yù)報(bào)模式的初始場(chǎng)質(zhì)量出發(fā)，希望可以提高暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。張誠(chéng)忠等[17]通過(guò)Nudging降水資料，較好地改善了華南一次暖區(qū)暴雨過(guò)程的臨近預(yù)報(bào)質(zhì)量，只是隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加改善效果逐漸減弱；而利用云分析增加初始云水物質(zhì)，暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)效果也得到顯著改善[18]。王淑莉等[19]使用集合卡爾曼濾波(EnKF)同化方案提高模式初值質(zhì)量，也使得部分集合成員成功模擬出了北京“7.21”暴雨過(guò)程。華南暖區(qū)暴雨研究中采用同樣的方案仍然得到了較優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)果[20]?？梢?jiàn)，在數(shù)值預(yù)報(bào)中，預(yù)報(bào)模式初值的質(zhì)量對(duì)華南暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的再分析資料質(zhì)量得到廣泛認(rèn)可，但也具有一定的差異。研究指出，相比NCEP的FNL分析資料，ECMWF的ERA-Interim再分析資料對(duì)低層溫度場(chǎng)和濕度的描述更接近于觀測(cè)[21-22]。在颮線模擬預(yù)報(bào)中，由于ERA-Interim再分析資料的初始水汽場(chǎng)質(zhì)量更為準(zhǔn)確，致使颮線發(fā)生發(fā)展過(guò)程的模擬效果都有不同程度的提高[23]。

數(shù)值預(yù)報(bào)模式初值質(zhì)量對(duì)暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量具有重要影響。華南地區(qū)緯度較低，濕度對(duì)該地區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展和熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制的影響更為重要。那么，對(duì)于華南暖區(qū)暴雨而言，模式初始場(chǎng)的關(guān)鍵物理量尤其濕度的質(zhì)量或初始誤差對(duì)暖區(qū)暴雨的影響及其敏感程度如何？哪些物理量是華南暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量的關(guān)鍵性影響因素？本文基于ERA-Interim和FNL兩種再分析資料，通過(guò)將兩者的水汽、風(fēng)、溫度等基本模式物理量，逐漸合成不同質(zhì)量的模式初始場(chǎng)，分別制作高分辨率模式預(yù)報(bào)，研究初始場(chǎng)質(zhì)量對(duì)暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的影響，分析不同氣象要素對(duì)華南暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的敏感性以及影響中小尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的可能成因。

1 華南暖區(qū)暴雨個(gè)例

1.1 天氣形勢(shì)與降水

2015年5月19日，華南地區(qū)發(fā)生了一次暴雨、局地大暴雨的天氣過(guò)程，強(qiáng)降水中心分別位于廣東西北和中南部。西北側(cè)強(qiáng)降水中心的降水落區(qū)從廣東北部延伸至中部，范圍較大；南側(cè)強(qiáng)降水中心局地性強(qiáng)，主要集中在廣東南部沿海地區(qū)。兩個(gè)強(qiáng)降水中心的24 h累積降水量分別達(dá)到100 mm和350 mm以上。北側(cè)降水發(fā)生在鋒面周圍，為鋒面暴雨，南側(cè)降水位于鋒前200～300 km的暖區(qū)，為鋒前暖區(qū)暴雨。

基于 ERA-Interim再分析資料(分辨率為0.125°×0.125°)的天氣形勢(shì)(圖1)顯示，19日12時(shí)(世界時(shí)，下同)對(duì)流系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)展時(shí)，對(duì)流層上層200 hPa的廣東南部處于西北氣流控制，北部受到偏南氣流的影響，形成了扇形輻散的風(fēng)場(chǎng)分布。中國(guó)東北部有一個(gè)大槽延伸到山東一帶，高空急流主要分布在30°～40°N之間，華南地區(qū)處在高空急流的南部(圖1a)；中高緯地區(qū)的東亞大陸500 hPa上空主要是兩槽一脊，東北低槽延伸到長(zhǎng)江中下游一帶，副熱帶高壓位于我國(guó)南海，廣東地區(qū)主要受偏西氣流的影響(圖1b)。850 hPa的高比濕中心主要位于華南北部區(qū)域，其中兩廣中北部大部分地區(qū)的比濕大于16 g·kg-1。受西南氣流的影響，東南亞地區(qū)的水汽持續(xù)輸送至兩廣中北部對(duì)流層中低層上空，為強(qiáng)降水的發(fā)生和維持提供了充足的水汽條件(圖1c)。廣東西南部地面出現(xiàn)明顯的中尺度輻合線，低層輻合高層輻散的配置利于降水形成(圖1d)。19日18時(shí)，中國(guó)東北區(qū)域的200 hPa高空槽減弱，其他各系統(tǒng)相比19日12時(shí)，強(qiáng)度未出現(xiàn)明顯變化，但位置略向東移動(dòng)，影響廣東的扇形風(fēng)場(chǎng)相比上一時(shí)刻有所減弱(圖1e)。500 hPa槽也較上一時(shí)刻減弱，副高西段北抬，東段南移(圖1f)。對(duì)流層低層850 hPa，廣東地區(qū)的比濕減小，孟加拉灣地區(qū)出現(xiàn)水汽大值中心，穩(wěn)定存在的西南風(fēng)向廣東地區(qū)持續(xù)輸送水汽(圖1g)。地面輻合線的位置略向東偏移(圖1h)。

圖1 2015年5月19日200 hPa(a、e)、500 hPa(b、f)、850 hPa(c、g)和地面(d、h)天氣形勢(shì)與主要影響系統(tǒng)(陰影為比濕，單位：g·kg-1；棕色實(shí)線為槽線；黑色實(shí)線為地面輻合線)：(a—d)12時(shí)；(e—h)18時(shí)

1.2 強(qiáng)對(duì)流單體的發(fā)展

從19日12時(shí)至20日06時(shí)6 h間隔的雷達(dá)反射率(圖2)可以看出，19日12時(shí)開(kāi)始(圖2a)，南北兩個(gè)降水區(qū)域內(nèi)均出現(xiàn)零星的強(qiáng)度較弱的對(duì)流單體，之后對(duì)流單體快速加強(qiáng)，19日18時(shí)(圖2b)出現(xiàn)大于45 dBZ的強(qiáng)回波，形成明顯的對(duì)流帶。同時(shí)，北部對(duì)流帶開(kāi)始逐漸向南移動(dòng)；20日00時(shí)(圖2c)，南部對(duì)流帶繼續(xù)維持，北側(cè)對(duì)流帶移至南部，并開(kāi)始與南部對(duì)流帶合并。至20日06時(shí)(圖2d)，南北對(duì)流帶在南部沿海完全合并后緩慢向南移動(dòng)，該區(qū)域?qū)α鲙耆浦裂竺妫敬谓邓^(guò)程結(jié)束。由此可見(jiàn)，導(dǎo)致本次暴雨過(guò)程的關(guān)鍵天氣系統(tǒng)為廣東西北部和南部的兩個(gè)中尺度對(duì)流帶，且北側(cè)的對(duì)流帶向南移動(dòng)最終和南部對(duì)流帶合并，進(jìn)一步加強(qiáng)了南部對(duì)流帶。

圖2 5月19日12時(shí)—20日06時(shí)6 h間隔的雷達(dá)反射率(單位：dBZ)：(a)19日12時(shí)；(b)19日18時(shí)；(c)20日00時(shí)；(d)20日06時(shí)

2 資料與試驗(yàn)方案

2.1 預(yù)報(bào)模式與資料

試驗(yàn)采用高分辨率配置的中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式WRF，單層網(wǎng)格，其水平分辨率為2 km，模擬區(qū)域中心位于(21°N，114°E)，水平網(wǎng)格840×759，模式垂直層數(shù)40層，模式層頂為50 hPa，時(shí)間積分步長(zhǎng)為10 s，模式輸出時(shí)間間隔1 h。預(yù)報(bào)模式分別采用Morrison2-mom方案的微物理過(guò)程、RRTM長(zhǎng)波輻射方案和Dudhia短波輻射方案、近地面層為Monin-Obukhov方案、邊界層方案為YSU方案、陸面過(guò)程采用Noah方案。由于模式分辨率較高，模擬時(shí)不使用積云對(duì)流參數(shù)化方案。模式預(yù)報(bào)啟動(dòng)時(shí)間為2015年5月19日00時(shí)，積分40 h。

敏感性數(shù)值模擬試驗(yàn)的初始場(chǎng)使用NCEP的1°×1°分析資料與ECMWF ERA-Interim的分辨率0.25°×0.25°再分析資料及其合成資料，初始場(chǎng)為ERA-Interim再分析資料的敏感性試驗(yàn)的側(cè)邊界條件為對(duì)應(yīng)的ERA-Interim再分析資料，其他敏感性試驗(yàn)的側(cè)邊界條件均為NCEP的1°×1°分析資料。降水為中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的分辨率為0.1°的自動(dòng)站和CMORPH的降水融合資料。

2.2 模式初值合成方案

模式初始場(chǎng)的微小差異可能會(huì)對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。在FNL資料為模式初始場(chǎng)質(zhì)量劣于ECMWF資料的基礎(chǔ)上，為考查模式初始場(chǎng)不同氣象物理量對(duì)暖區(qū)暴雨模擬的敏感性，將FNL資料和ECMWF資料模式初始場(chǎng)的相關(guān)物理量的值分別均分為10等份，按照每次減少10% FNL相關(guān)物理量的值并同時(shí)增加10% ECMWF初始場(chǎng)物理量的值的比例進(jìn)行合成，逐步將FNL模式初始場(chǎng)的相關(guān)物理量的值調(diào)整為ECMWF物理量的值，合成新的初始場(chǎng)。用序號(hào)1到10分別表示ECMWF(FNL)初始場(chǎng)相關(guān)物理量占合成初始場(chǎng)的比例為10%(90%)到100%(0%)。五組試驗(yàn)分別設(shè)置如下：(1)ALL試驗(yàn)：合成溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)以及和水汽混合比；(2)T試驗(yàn)：僅合成溫度場(chǎng)；(3)UV試驗(yàn)：僅合成u、v風(fēng)場(chǎng)；(4)Qv試驗(yàn)：僅合成水汽混合比；(5)noQv試驗(yàn)：僅合成溫度與u、v風(fēng)場(chǎng)。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 初始場(chǎng)差異對(duì)降水預(yù)報(bào)的影響

為給模式初始誤差敏感性分析提供研究基礎(chǔ)，首先進(jìn)行模式初始場(chǎng)分別為ECMWF資料和FNL資料的預(yù)報(bào)試驗(yàn)，以區(qū)分各自模式初始場(chǎng)的質(zhì)量。從5月19日12時(shí)模式起報(bào)的24 h累積降水分布(圖3)可以看出，廣東北部的實(shí)況鋒面降水呈現(xiàn)西北—東南走向的帶狀分布，而南側(cè)的暖區(qū)降水呈現(xiàn)為近東西向分布，并出現(xiàn)了大于350 mm的強(qiáng)降水中心(圖3a)。模式初始場(chǎng)為ECMWF資料(圖3b)和FNL(圖3c)資料的預(yù)報(bào)都較好地模擬出了廣東北部降水的帶狀分布，但后者模擬的降水落區(qū)位置相比實(shí)況整體偏東北方向。另外，二者預(yù)報(bào)的廣東北部鋒面降水強(qiáng)度都較實(shí)況略偏強(qiáng)，尤其后者更強(qiáng)。相對(duì)而言，初始場(chǎng)為ECMWF資料的預(yù)報(bào)在廣東東北部的降水空?qǐng)?bào)改善明顯。對(duì)于南側(cè)的暖區(qū)暴雨，F(xiàn)NL初始場(chǎng)的降水強(qiáng)度明顯偏弱，且雨帶結(jié)構(gòu)松散，而ECMWF資料模擬結(jié)果的降水強(qiáng)度則顯著改善，出現(xiàn)了接近實(shí)況的300 mm以上的強(qiáng)降水中心，只是中心位置相比實(shí)況略有偏北?？傮w而言，ECMWF資料的模擬結(jié)果相比FNL資料更接近實(shí)況，其預(yù)報(bào)質(zhì)量更佳。

圖3 2015年5月19日12時(shí)模式起報(bào)的24 h累積降水分布(單位: mm)：(a)實(shí)況；(b)ECMWF初始場(chǎng)；(c)FNL初始場(chǎng)

3.2 模式初始場(chǎng)合成試驗(yàn)的降水預(yù)報(bào)差異

基于ECMWF資料為模式初始場(chǎng)的預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)于FNL資料，將二者初始場(chǎng)資料進(jìn)行按比例逐步合成，開(kāi)展模式初始誤差敏感性試驗(yàn)分析。如圖4所示，合成初始場(chǎng)從FNL初始場(chǎng)向ECMWF初始場(chǎng)靠近的過(guò)程中，廣東北部鋒面降水、南部暖區(qū)暴雨以及空?qǐng)?bào)的預(yù)報(bào)結(jié)果都逐漸向ECMWF初始場(chǎng)的預(yù)報(bào)結(jié)果靠近，其預(yù)報(bào)質(zhì)量逐步提高。北側(cè)鋒面暴雨的改善主要表現(xiàn)在降水落區(qū)，而南部暖區(qū)暴雨的降水落區(qū)和降水強(qiáng)度都有較好的提高。對(duì)照觀測(cè)降水分布可以發(fā)現(xiàn)，從合成試驗(yàn)ALL_1到ALL_10，鋒面暴雨的降水落區(qū)逐漸向西南方向移動(dòng)，降水落區(qū)得到調(diào)整，逐步接近觀測(cè)。其中，合成試驗(yàn)ALL_3(圖4d)開(kāi)始，F(xiàn)NL初始場(chǎng)預(yù)報(bào)的廣東東北部(25°N，116.3°E)的弱降水空?qǐng)?bào)區(qū)逐漸消失；至ALL_5試驗(yàn)(圖4f)，北側(cè)鋒面暴雨的降水落區(qū)開(kāi)始向西南方向調(diào)整。試驗(yàn)ALL_7(圖4h)對(duì)南部暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)出現(xiàn)了大于250 mm的強(qiáng)降水中心，且降水落區(qū)東西帶狀結(jié)構(gòu)明顯。但試驗(yàn)ALL_7、ALL_8(圖4i)和ALL_9(圖4j)對(duì)鋒面暴雨的南側(cè)落區(qū)模擬較差。合成試驗(yàn)ALL_10(圖4k)預(yù)報(bào)的強(qiáng)降水中心明顯大于其他試驗(yàn)，出現(xiàn)了350 mm以上的強(qiáng)降水中心。值得注意的是，合成試驗(yàn)ALL_10對(duì)暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)相比單純ECMWF資料作為模式初始場(chǎng)更加接近實(shí)況，其強(qiáng)降水中心強(qiáng)度更強(qiáng)，且改進(jìn)了后者強(qiáng)降水中心和降水落區(qū)均偏北的情況。需要指出的是，由于大氣運(yùn)動(dòng)具有復(fù)雜的非線性特征，客觀上難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出其狀態(tài)演變的真實(shí)特征，因此，這種合成試驗(yàn)方案的模擬預(yù)報(bào)結(jié)果不可避免地也具有不確定性。

圖4 FNL初始場(chǎng)、ALL_1到ALL_10以及ECMWF初始場(chǎng)預(yù)報(bào)的24 h累積降水

由降水觀測(cè)可知，本次強(qiáng)降水過(guò)程主降水落區(qū)的24 h累積降水大于100 mm，達(dá)到大暴雨級(jí)別。為進(jìn)一步定量評(píng)估各試驗(yàn)對(duì)大暴雨預(yù)報(bào)的性能，圖5給出了FNL初始場(chǎng)、ECMWF初始場(chǎng)以及各初始場(chǎng)合成試驗(yàn)的的24 h累積降水大于等于100 mm的大暴雨TS評(píng)分?？芍髟囼?yàn)的TS評(píng)分基本位于0.4～0.5之間，ECMWF初始場(chǎng)試驗(yàn)的大暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量?jī)?yōu)于FNL初始場(chǎng)。各初始場(chǎng)合成試驗(yàn)中，降水評(píng)分結(jié)果均高于FNL初始場(chǎng)試驗(yàn)，其中ALL_5和ALL_10的TS評(píng)分明顯高于其他試驗(yàn)。結(jié)合圖4對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在初始場(chǎng)逐漸進(jìn)行合成后，對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)以及強(qiáng)度的模擬相比FNL初始場(chǎng)試驗(yàn)均有所改善，ALL_10試驗(yàn)雖在降水評(píng)分結(jié)果上略差于ALL_5，但是對(duì)于暖區(qū)暴雨的降水中心以及落區(qū)模擬都優(yōu)于ALL_5試驗(yàn)。

圖5 FNL初始場(chǎng)、ALL_1到ALL_10以及ECMWF初始場(chǎng)預(yù)報(bào)的24 h累積降水同觀測(cè)的>100 mm的TS評(píng)分

圖6為按照10%、40%、70%與100%比例合成的模式初值物理量風(fēng)(UV_1、UV_4、UV_7與UV_10)、溫度(T_1、T_4、T_7與T_10)和水汽混合比(Qv_1、Qv_4、Qv_7與Qv_10)及僅合成風(fēng)場(chǎng)與溫度(noQv_1、noQv_4、noQv_7與noQv_10)試驗(yàn)的24 h累積降水預(yù)報(bào)。分析圖6可知，合成風(fēng)場(chǎng)與溫度場(chǎng)對(duì)北部鋒面降水以及東北部出現(xiàn)的空?qǐng)?bào)降水中心的影響較弱，對(duì)暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量沒(méi)有明顯的貢獻(xiàn)，與單純以FNL資料為模式初始場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。而逐步采用合成初始水汽場(chǎng)的試驗(yàn)中，東北部降水中心的空?qǐng)?bào)逐漸減弱，直至最終消失；南側(cè)的暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)一直維持有東西向雨帶，當(dāng)采用100%合成水汽場(chǎng)后，預(yù)報(bào)結(jié)果出現(xiàn)了大于250 mm的強(qiáng)降水中心，且對(duì)北部鋒面暴雨降水落區(qū)偏東北向的情況也有向好調(diào)整，其預(yù)報(bào)接近ALL試驗(yàn)(圖6j、i)。不考慮水汽場(chǎng)只合成風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的noQv試驗(yàn)顯示，該組試驗(yàn)均對(duì)降水預(yù)報(bào)質(zhì)量無(wú)本質(zhì)影響。綜合分析4組試驗(yàn)結(jié)果可知，模式初始水汽混合比顯著影響降水預(yù)報(bào)質(zhì)量，即初始濕度場(chǎng)對(duì)暖區(qū)暴雨的降水預(yù)報(bào)最為敏感。

圖6 按照10%、40%、70%、100%比例的風(fēng)場(chǎng)(a—d)、溫度場(chǎng)(e—h)、水汽混合比(i—l)以及除水汽外其他氣象要素(m—p)的合成試驗(yàn)預(yù)報(bào)的24 h累積降水(單位：mm)

由前述分析可知，受預(yù)報(bào)模式初值質(zhì)量(初始誤差)的影響，合成試驗(yàn)ALL_10的預(yù)報(bào)質(zhì)量最優(yōu)，F(xiàn)NL試驗(yàn)的預(yù)報(bào)質(zhì)量最低。因此，基于逐小時(shí)降水對(duì)二者進(jìn)一步對(duì)比分析，討論模式初值質(zhì)量對(duì)暖區(qū)暴雨降水預(yù)報(bào)的強(qiáng)度和發(fā)生時(shí)間影響的敏感性。暖區(qū)暴雨落區(qū)(22.95°～23.05°N，115.15°～115.75°E)區(qū)域平均的逐小時(shí)降水量(圖7)顯示，本次暖區(qū)暴雨降水存在兩個(gè)峰值，且前12 h降水較強(qiáng)。19日15—18時(shí)降水顯著增加，為第一個(gè)降水的峰值，之后進(jìn)一步加強(qiáng)，并在19日22時(shí)達(dá)到最大值(27 mm·h-1)。相對(duì)于FNL試驗(yàn)，盡管合成試驗(yàn)ALL_10的第二次降水峰值的預(yù)報(bào)從時(shí)間上滯后于實(shí)況約3 h，且主要強(qiáng)降水過(guò)程主要發(fā)生在后12 h階段，但降水顯著增強(qiáng)的時(shí)間和降水強(qiáng)度都更加接近實(shí)況降水，且逐小時(shí)降水的最大值也達(dá)到與實(shí)況基本一致的24 mm以上。而FNL試驗(yàn)的前12 h降水量明顯過(guò)于偏小，后12 h降水量雖有增加，但依然顯著小于實(shí)況和ALL_10的預(yù)報(bào)結(jié)果。兩組試驗(yàn)的降水強(qiáng)度、降水發(fā)生時(shí)間的明顯差異進(jìn)一步說(shuō)明，模式初值質(zhì)量或初值誤差對(duì)這次暖區(qū)暴雨降水預(yù)報(bào)具有較強(qiáng)的敏感性影響。

圖7 觀測(cè)(直方圖)和ALL_10(藍(lán)色虛線)、FNL(紅色虛線)試驗(yàn)預(yù)報(bào)的(22.95°～23.05°N，115.15°～115.75°E)區(qū)域平均的暖區(qū)暴雨逐小時(shí)降水量(單位：mm)

3.3 暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的敏感性分析

前述分析表明模式初始水汽場(chǎng)是影響暖區(qū)暴雨強(qiáng)降水最敏感的條件。依然基于預(yù)報(bào)質(zhì)量最優(yōu)的合成試驗(yàn)ALL_10和預(yù)報(bào)質(zhì)量最差的FNL試驗(yàn)，進(jìn)一步分析和揭示模式初始水汽場(chǎng)影響強(qiáng)降水的主要原因。

3.3.1 濕度場(chǎng)的影響

圖8為沿暖區(qū)暴雨中心(23°N)的相對(duì)濕度和風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)向剖面結(jié)構(gòu)?？芍?月19日12時(shí)降水即將發(fā)生時(shí)，合成試驗(yàn)ALL_10的模式初值低層相對(duì)濕度明顯強(qiáng)于FNL試驗(yàn)(圖8e)，而且在115.8°E附近存在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)(圖8a)。至19日18時(shí)，ALL_10試驗(yàn)的低層水汽進(jìn)一步積聚，垂直運(yùn)動(dòng)也相應(yīng)增強(qiáng)并伸展至對(duì)流層中層。強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)和高溫高濕大值區(qū)相配合，充足的水汽和抬升條件形成了利于對(duì)流運(yùn)動(dòng)快速發(fā)展的大氣不穩(wěn)定層結(jié)，致使對(duì)流層中高層水汽凝結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)降水(圖8b)，是最終形成6 h后廣東南部暖區(qū)暴雨強(qiáng)降水中心的重要原因。對(duì)比FNL試驗(yàn)，由于模式初值的低層相對(duì)濕度和垂直速度明顯偏弱，導(dǎo)致南部的暖區(qū)未能出現(xiàn)明顯降水(圖8e、f)。隨后的20日00時(shí)和06時(shí)，ALL_10試驗(yàn)的強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)和濕度持續(xù)加強(qiáng)，確保了暖區(qū)暴雨強(qiáng)降水發(fā)展(圖8c、d)；而FNL試驗(yàn)預(yù)報(bào)的相對(duì)濕度和垂直速度增大時(shí)間明顯滯后，且強(qiáng)度偏弱，導(dǎo)致暖區(qū)暴雨強(qiáng)降水中心出現(xiàn)時(shí)間相應(yīng)較晚(圖8g、h)。綜合南側(cè)暖區(qū)暴雨強(qiáng)降水區(qū)的逐小時(shí)降水對(duì)比可知，由于合成試驗(yàn)ALL_10的模式初值較準(zhǔn)確地表征了豐富的水汽和小尺度強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展和加強(qiáng)，使得對(duì)暖區(qū)暴雨強(qiáng)降水預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度和發(fā)生時(shí)間都具有較高的預(yù)報(bào)質(zhì)量；而FNL試驗(yàn)的模式初值的水汽偏少，垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)偏弱，使得其對(duì)流觸發(fā)時(shí)間滯后ALL_10試驗(yàn)12 h，且降水強(qiáng)度顯著偏弱。因此，模式低層初始濕度和小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的合理描述是模式準(zhǔn)確預(yù)報(bào)暖區(qū)暴雨強(qiáng)降水發(fā)生和發(fā)展的一個(gè)重要影響因子。

3.3.2 可降水量與對(duì)流有效位能

可降水量和對(duì)流有效位能(≥1 500 J·kg-1)的差異(圖9)顯示，合成試驗(yàn)ALL_10模式初值的大氣可降水量主要集中在廣東中部以及西南側(cè)，在西南風(fēng)的引導(dǎo)下豐沛的水汽向廣東南部輸送，在鋒面北側(cè)積聚(圖9a)；FNL試驗(yàn)的大氣可降水量則主要集中在廣東東北部，其上游水汽輸送較弱， CAPE范圍較分散，量值與前者相當(dāng)(圖9e)。19日18時(shí)，試驗(yàn)ALL_10的CAPE迅速增加，達(dá)到2 000 J·kg-1，暖區(qū)暴雨落區(qū)附近出現(xiàn)了可降水量大值中心，達(dá)75 mm(圖9b)。20日00時(shí)CAPE進(jìn)一步快速增加，降水落區(qū)附近達(dá)到中高度不穩(wěn)定狀態(tài)的2 500 J·kg-1左右(圖9c)。06時(shí)， CAPE和可降水量大值中心依然維持發(fā)展(圖9d)，成為暖區(qū)暴雨強(qiáng)降水發(fā)生和持續(xù)的有力保證。相應(yīng)時(shí)段內(nèi)，F(xiàn)NL試驗(yàn)的可降水量和CAPE值在降水區(qū)附近都相對(duì)較小，未達(dá)到2 000 J·kg-1?？梢?jiàn)，由于合成試驗(yàn)ALL_10的模式初值的可降水量和CAPE等較FNL試驗(yàn)具備更有利于暖區(qū)暴雨產(chǎn)生的小尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展和維持的熱動(dòng)力和水汽條件，配合更強(qiáng)的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)(圖8a)，更易觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流，從而形成暖區(qū)暴雨強(qiáng)降水。

圖8 沿暖區(qū)暴雨中心(23°N)合成試驗(yàn)ALL_10(a—d)和FNL試驗(yàn)(e—h)的相對(duì)濕度(陰影，單位：%)及風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位：m·s-1)的垂直結(jié)構(gòu)： (a、e)19日12時(shí)；(b、f)19日18時(shí)；(c、g)20日00時(shí)；(d、f)20日06時(shí)

圖9 合成試驗(yàn)ALL_10(a—d)和FNL試驗(yàn)(e—h)的可降水量(陰影，單位：mm)、整層最大CAPE(黑實(shí)線，單位：J·kg-1)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(箭矢，單位：m·s-1)：(a、 e)19日12時(shí)；(b、f))19日18時(shí)；(c、g)20日00時(shí)；(d、h)20日06時(shí)

3.3.3 對(duì)流單體發(fā)展的影響

合成試驗(yàn)ALL_10的模式初值中，廣東北部存在較強(qiáng)的雷達(dá)反射率，南部暖區(qū)暴雨區(qū)域內(nèi)有零散對(duì)流單體(圖10a)。預(yù)報(bào)6 h后至19日18時(shí)，試驗(yàn)ALL_10預(yù)報(bào)出了廣東南部強(qiáng)度大于等于45 dBZ強(qiáng)回波的中小尺度對(duì)流單體，達(dá)到了對(duì)流觸發(fā)的強(qiáng)度(圖10b)。該區(qū)域的對(duì)流單體在有利的天氣形勢(shì)下，進(jìn)一步發(fā)生發(fā)展加強(qiáng)，最終與20日00時(shí)形成強(qiáng)對(duì)流帶，且與北側(cè)的對(duì)流帶南移趨于合并(圖10c)。至20日06時(shí)，二者完全合并發(fā)展為新的更強(qiáng)對(duì)流帶并維持在廣東南部(圖10d)。這與雷達(dá)觀測(cè)的對(duì)流單體的發(fā)生發(fā)展較為一致(圖2)。而FNL試驗(yàn)在對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展的整個(gè)過(guò)程中，南部的中小尺度對(duì)流單體和北部向南移動(dòng)的對(duì)流帶的模擬質(zhì)量均較差，最終未出現(xiàn)強(qiáng)降水。降水實(shí)況中暖區(qū)暴雨中心的兩個(gè)降水峰值和降水量的增加(圖7)，其中一次由對(duì)流單體持續(xù)發(fā)生發(fā)展形成強(qiáng)對(duì)流帶造成，另一次則為南北對(duì)流帶合并及其進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)對(duì)流所至。合成試驗(yàn)ALL_10模擬的對(duì)流觸發(fā)時(shí)間較為準(zhǔn)確，但對(duì)對(duì)流組織發(fā)展加強(qiáng)的模擬質(zhì)量相對(duì)較差，致使降水略偏小，其后12 h的降水顯著增強(qiáng)則主要由于南北對(duì)流帶合并使得對(duì)流增強(qiáng)所致。而FNL試驗(yàn)對(duì)南側(cè)對(duì)流單體的模擬失敗導(dǎo)致其在前12 h并未出現(xiàn)明顯降水，之后降水峰值出現(xiàn)在20日06時(shí)左右主要是由于北部對(duì)流帶南移造成(圖10h)。這也是導(dǎo)致FNL試驗(yàn)預(yù)報(bào)降水峰值明顯小于實(shí)況和試驗(yàn)ALL_10結(jié)果的主要原因。

圖10 合成試驗(yàn)ALL_10(a—d)和FNL試驗(yàn)(e—h)的雷達(dá)反射率(單位：dBZ)：(a、e)19日12時(shí)；(b、f)19日18時(shí)；(c、g)20日00時(shí)；(d、h)20日06時(shí)

由于ALL_10在對(duì)流觸發(fā)階段預(yù)報(bào)質(zhì)量較好，進(jìn)一步分析水汽對(duì)對(duì)流單體觸發(fā)的影響。前述分析指出，暖區(qū)暴雨對(duì)流觸發(fā)時(shí)間主要集中在19日17時(shí)前后，故主要分析該時(shí)間段內(nèi)水汽對(duì)對(duì)流單體發(fā)生發(fā)展的影響(圖11)。從19日16時(shí)開(kāi)始，合成試驗(yàn)ALL_10預(yù)報(bào)出了廣東南部較強(qiáng)的對(duì)流單體和其進(jìn)一步加強(qiáng)。結(jié)合950 hPa≥19 g·kg-1的水汽混合比的范圍，試驗(yàn)ALL_10預(yù)報(bào)的水汽場(chǎng)在整個(gè)廣東地區(qū)都強(qiáng)于FNL模擬結(jié)果(圖11)。結(jié)合圖9，CAPE值隨著水汽的增加逐漸增大，不穩(wěn)定能量的快速積聚可有效觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)。這充分說(shuō)明了充足的水汽條件是準(zhǔn)確觸發(fā)對(duì)流運(yùn)動(dòng)并加強(qiáng)其發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此，準(zhǔn)確的模式初值水汽條件對(duì)于預(yù)報(bào)暖區(qū)暴雨強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。

圖11 合成試驗(yàn)ALL_10(a—c)和FNL試驗(yàn)(d—f)的雷達(dá)反射率(陰影，單位：dBZ)和950 hPa大于19 g·kg-1水汽混合比(網(wǎng)格)：(a、d)16時(shí)；(b、e)17時(shí)；(c、f)18時(shí)

3.3.4 對(duì)流觸發(fā)條件分析

基于合成試驗(yàn)ALL_10對(duì)南部暖區(qū)暴雨強(qiáng)降水對(duì)流單體的成功模擬，對(duì)照預(yù)報(bào)質(zhì)量較低的FNL試驗(yàn)，進(jìn)一步分析南部暖區(qū)暴雨第一階段強(qiáng)降水的觸發(fā)條件。從地面10 m風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)結(jié)果(圖12)可知，19日14時(shí)對(duì)流即將開(kāi)始發(fā)展，合成試驗(yàn)ALL_10的沿海洋面主要以強(qiáng)勁的西南風(fēng)為主，而沿海陸地的西南風(fēng)顯著減弱，且其北側(cè)伴隨有小范圍的弱東南風(fēng)和東北風(fēng)，從形成較強(qiáng)的風(fēng)速輻合與弱風(fēng)向輻合。此時(shí)，南部伴隨有較小的對(duì)流單體開(kāi)始生成，并在之后的1 h內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)降水(圖12a)。16時(shí)，沿海洋面的西南風(fēng)進(jìn)一步加強(qiáng)，沿海陸地風(fēng)速減小，弱的東北風(fēng)略增大，地面風(fēng)場(chǎng)輻合同步增強(qiáng)，對(duì)流單體快速發(fā)展增強(qiáng)，之后1 h降水強(qiáng)度隨之增大(圖12b)。隨后18時(shí)，中尺度風(fēng)速輻合線在海陸交界處形成，強(qiáng)對(duì)流單體在輻合線附近發(fā)展強(qiáng)盛，隨后強(qiáng)降水發(fā)生(圖12c)。相較于試驗(yàn)ALL_10，F(xiàn)NL試驗(yàn)(圖12d—f)在沿海地區(qū)也以強(qiáng)西南風(fēng)為主，而陸地上依然為較強(qiáng)的西南風(fēng)，未形成明顯的風(fēng)速輻合以及地面輻合線。由于不具有對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的有利條件，最終南部暖區(qū)暴雨生成的對(duì)流單體較弱，從而也就難以形成強(qiáng)降水。

圖12 合成試驗(yàn)ALL_10(a—c)和FNL試驗(yàn)(d—f)的雷達(dá)反射率(陰影，單位：dBZ)、10 m風(fēng)場(chǎng)(箭頭)與之后小時(shí)累積降水量(黑色實(shí)線，單位：mm)：(a、d)14時(shí)；(b、e)16時(shí)；(c、f)18時(shí)

從南部暖區(qū)暴雨第一階段強(qiáng)降水中心的雷達(dá)反射率、水汽混合比、相當(dāng)位溫的徑向剖面(圖13，沿圖12中的紅色實(shí)線)可以明顯看到，19日14南部開(kāi)始出現(xiàn)風(fēng)速輻合時(shí)，合成試驗(yàn)ALL_10的對(duì)流層低層暴雨中心南側(cè)風(fēng)速迅速減小，形成強(qiáng)風(fēng)速輻合，低層已出現(xiàn)弱上升運(yùn)動(dòng)，將低層暖濕水汽向上層輸送，導(dǎo)致等位溫面開(kāi)始向上抬升(圖略)，對(duì)流單體開(kāi)始發(fā)展，此時(shí)邊界層高度在1 km左右，抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度約0.5 km(圖13a)。16時(shí)地面風(fēng)速輻合增大，垂直運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，對(duì)流單體得以快速發(fā)展，具備了對(duì)流觸發(fā)條件，此時(shí)雷達(dá)回波強(qiáng)度達(dá)到35 dBZ以上，對(duì)流單體發(fā)展的位置抬升凝結(jié)高度略降低，自由對(duì)流高度明顯抬升(圖13b)。至18時(shí)，地面風(fēng)速輻合與上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)，低層暖濕水汽向高層快速輸送，對(duì)流發(fā)展區(qū)域邊界層高度略下降，對(duì)流發(fā)展至強(qiáng)盛階段(圖13c)。相比而言，F(xiàn)NL試驗(yàn)由于低層風(fēng)場(chǎng)輻合偏弱，對(duì)應(yīng)的上升運(yùn)動(dòng)也較弱，低層暖濕水汽缺乏向高層輸送的有利通道，致使難以產(chǎn)生較強(qiáng)對(duì)流。比較兩組試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，在暖區(qū)暴雨觸發(fā)前，合成試驗(yàn)ALL_10的低層大氣相比于FNL試驗(yàn)結(jié)果更加暖濕，更有利于低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定增強(qiáng)和對(duì)流不穩(wěn)定能量的積聚，為南部暖區(qū)暴雨第一階段強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)和發(fā)展提供了更有利的條件。

圖13 合成試驗(yàn)ALL_10(a—c)和FNL試驗(yàn)(d—f)的雷達(dá)回波(陰影，單位：dBZ)、風(fēng)場(chǎng)(箭頭)、抬升凝結(jié)高度(橘黃色實(shí)線)、自由對(duì)流高度(藍(lán)色實(shí)線)和邊界層高度(綠色實(shí)線)沿圖11中紅色實(shí)線的垂直剖面：(a、d)14時(shí)；(b、e)16時(shí)；(c、f)18時(shí)

4 結(jié)論

本文在ECMWF和NCEP再分析資料作為模式初值對(duì)華南暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量差異明顯的基礎(chǔ)上，利用合成初值方法，開(kāi)展了模式初值敏感性數(shù)值試驗(yàn)，討論了模式初始場(chǎng)關(guān)鍵物理量對(duì)暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量的影響，重點(diǎn)分析了模式初值濕度場(chǎng)質(zhì)量對(duì)華南暖區(qū)暴雨降水預(yù)報(bào)的敏感性，指出了不同模式初值對(duì)暖區(qū)暴雨以及對(duì)流單體預(yù)報(bào)效果的影響，并初步解釋了本次暖區(qū)暴雨強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)條件。主要結(jié)論如下：

(1)模式初始場(chǎng)質(zhì)量的差異可顯著影響本次華南暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度、落區(qū)以及降水發(fā)生時(shí)間的質(zhì)量，但初始場(chǎng)的不同氣象物理量對(duì)預(yù)報(bào)質(zhì)量的影響明顯不同；

(2)合成初值試驗(yàn)表明，初始水汽場(chǎng)對(duì)暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)影響最大，也最為敏感，風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)本次暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的影響相對(duì)較小。初始水汽場(chǎng)質(zhì)量的提高，為對(duì)流觸發(fā)提供了有利條件，從而可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)對(duì)流單體的發(fā)生發(fā)展以及地面強(qiáng)降水；

(3)本次暖區(qū)暴雨的觸發(fā)條件主要為地面較強(qiáng)的風(fēng)速輻合。低層的強(qiáng)風(fēng)速輻合，促使暴雨區(qū)暖濕空氣積聚，低層大氣不穩(wěn)定增大，加強(qiáng)了對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)，從而為低層暖濕空氣垂直輸送提供了條件，是強(qiáng)對(duì)流單體觸發(fā)、生成和加強(qiáng)發(fā)展以至產(chǎn)生暖區(qū)強(qiáng)降水的物理基礎(chǔ)。

本文初步揭示了模式初始場(chǎng)尤其濕度場(chǎng)質(zhì)量是影響華南暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量的關(guān)鍵因子之一。但是，由于華南暖區(qū)暴雨發(fā)生發(fā)展及觸發(fā)機(jī)制較為復(fù)雜，全面準(zhǔn)確的理解影響華南暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的關(guān)鍵影響系統(tǒng)和前導(dǎo)信號(hào)以及觸發(fā)條件等相關(guān)科學(xué)問(wèn)題，尚需要更進(jìn)一步的系統(tǒng)性研究。

致謝：本文的數(shù)值計(jì)算得到南京信息工程大學(xué)高性能計(jì)算中心的支持和幫助。