鄧 凱

(湖北省孝感市氣象局,湖北孝感 432000)

暴雨是湖北省孝感市最主要的氣象災(zāi)害之一,具有強度大、時間集中、突發(fā)性強的特點;而暴雨預(yù)報一直以來都是天氣預(yù)報的重點和難點[1-2]。近年來,隨著氣象科技的不斷發(fā)展,數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品越來越豐富,預(yù)報工具也越來越多,對暴雨預(yù)報準(zhǔn)確率的要求也越來越高[3],但是直接依靠數(shù)值模式進(jìn)行暴雨強度和落區(qū)的預(yù)報效果較差[4]。覃武等[5]對2016年4月19—20日影響廣西的暖區(qū)暴雨天氣過程預(yù)報失誤進(jìn)行剖析,認(rèn)為主觀預(yù)報及數(shù)值模式在高溫、高濕、高能環(huán)境中對于短期時效內(nèi)的預(yù)報不能準(zhǔn)確把握暴雨觸發(fā)的機制。陳淑琴等[6]對2014年8月18—20日發(fā)生在浙江的大暴雨過程預(yù)報失誤進(jìn)行了總結(jié),認(rèn)為預(yù)報員應(yīng)當(dāng)重視分析熱力條件及系統(tǒng)持續(xù)的時間對暴雨強度的影響。鄧興旺[7]對2004年6月下旬孝感市一次大暴雨預(yù)報失誤的原因進(jìn)行了探析,認(rèn)為不能過于依賴數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的形勢和降水量級的預(yù)報。何正梅等[8]對2017年7月26日出現(xiàn)在大同一次強降水空報及EC模式偏差進(jìn)行了分析,認(rèn)為對云圖和雷達(dá)資料的跟蹤分析,可在臨近預(yù)報中及時修改短期預(yù)報出現(xiàn)的偏差調(diào)整降水量級的預(yù)報。

孝感市位于湖北省東北中部,長江以北,漢江以東,位于武漢市西北方,與武漢市毗鄰;地跨30°23′～31°52′N、113°19′～114°35′E,全境南北長約163 km,東西寬約122 km;下轄大悟縣、安陸市、孝昌縣、云夢縣、應(yīng)城市、孝南區(qū)、漢川市7個縣(市、區(qū))。 2022年6月4日,孝感市出現(xiàn)了一次大到暴雨、局部大暴雨的天氣,孝感市氣象臺短期預(yù)報出現(xiàn)明顯漏報。為避免類似暴雨預(yù)報失誤的發(fā)生,該研究利用常規(guī)天氣圖資料、區(qū)域自動氣象站資料、FY4衛(wèi)星紅外云圖、雷達(dá)回波、EC細(xì)網(wǎng)格(0.25°×0.25°)等多模式預(yù)報資料,對此次孝感市暴雨過程的天氣形勢進(jìn)行了分析,重點對EC細(xì)網(wǎng)格模式在環(huán)流形勢、主要影響系統(tǒng)、物理量和多模式降水量預(yù)報等方面進(jìn)行了誤差分析,總結(jié)了暴雨預(yù)報失誤的原因,可為今后類似的暴雨預(yù)報提供參考借鑒。

1 降水實況與短期預(yù)報

1.1 降水實況2022年6月4日08:00—5日08:00,孝感市出現(xiàn)了一次大到暴雨、局部大暴雨的天氣過程,全市降水分布不均勻,暴雨落區(qū)主要出現(xiàn)在大悟西部、孝南西南部、云夢南部、應(yīng)城南部、漢川北部地區(qū),大暴雨落區(qū)主要出現(xiàn)在應(yīng)城南部和東部(圖1)。全市7個國家氣象觀測站24 h降水量分別為大悟67.9 mm、孝南61.2 mm、應(yīng)城41.2 mm、安陸37.4 mm、漢川36.6 mm、云夢27.9 mm、孝昌21.2 mm,全市130個鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動站監(jiān)測顯示,有2個站出現(xiàn)了≥100 mm大暴雨,22站出現(xiàn)暴雨,最多降水量為應(yīng)城市天鵝157.2 mm,應(yīng)城市長江埠144.9 mm次之。

圖1 孝感市2022年6月4日08:00—5日08:00降水量分布(單位:mm)Fig.1 Rainfall distribution in Xiaogan City from 08:00 on June 4 to 08:00 on June 5,2022

從降水時間分布來看,強降水主要分為2個階段,第1階段出現(xiàn)在4日12:00—14:00,第2階段出現(xiàn)在4日20:00—23:00(圖2);在這2個階段共5 h內(nèi),應(yīng)城天鵝站和長江埠站、孝感站累計降水量分別為141.2、131.3、56.4 mm,分別占其日降水量的89.8%、90.6%、92.2%。24 h區(qū)域自動氣象站最大小時雨強出現(xiàn)在應(yīng)城市長江埠,為58.1 mm(4日22:00—23:00),應(yīng)城市天鵝站次之,為53.0 mm(4日21:00—22:00),國家氣象觀測站最大小時雨強出現(xiàn)在孝感,為41.8 mm(4日12:00—13:00)。

圖2 2022年6月4日08:00—5日08:00逐時降水量變化Fig.2 Hourly precipitation changes from 08:00 on June 4 to 08:00 on June 5,2022

1.2 短期預(yù)報3日06:00,武漢中心氣象臺預(yù)報4日(4日08:00—5日08:00)天氣為孝感市陰天有中到大雨、局部暴雨,孝感市氣象臺預(yù)報全市陰天有中到大雨;4日06:00,武漢中心氣象臺預(yù)報4日白天天氣為孝感市陰天有小到中雨,局部大雨或暴雨,晚上孝感市小雨轉(zhuǎn)陰天;孝感市氣象臺預(yù)報4日白天全市陣雨轉(zhuǎn)小到中雨,晚上全市陰天有小到中雨。 與實況相比較,不論是24 h還是48 h預(yù)報,降水量級預(yù)報均偏小,暴雨預(yù)報漏報。

2 大氣環(huán)流形勢與影響系統(tǒng)

從6月4日08:00 500 hPa環(huán)流形勢(圖3)來看,500 hPa東亞中緯地區(qū)環(huán)流形勢為兩槽一脊,貝加爾湖至蒙古東部有一切斷低渦,鄂霍次克海以東有一低渦環(huán)流,我國東北一帶有一高壓脊,上述切斷低渦東移南壓,形成東北冷渦,東北冷渦及其配合的低槽引導(dǎo)冷空氣經(jīng)東路南下至我國長江中游一帶。此時,500 hPa 110°E副高脊線位于15°N附近,其588 dagpm線位于臺灣及南沙群島附近,副高脊線位置偏南,我國西南地區(qū)有一南支低槽。

圖3 2022年6月4日08:00 500 hPa環(huán)流形勢Fig.3 500 hPa circulation situation at 08:00 on June 4,2022

分析此次暴雨過程的中低層主要影響系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),700和850 hPa均有切變線存在, 而850 hPa切變線最為明顯。從圖4a可以看出,4日08:00,850 hPa孝感市上空有一東北至西南向的暖式切變線,切變線上風(fēng)向和風(fēng)速輻合明顯,切變線南側(cè)為西南風(fēng)、北側(cè)為東北風(fēng),暖式切變線的東南側(cè)西南暖濕氣流發(fā)展旺盛,長沙—桂林—南寧有一支12 m/s的西南急流,桂林出現(xiàn)20 m/s西南風(fēng)。此時,切變線西北側(cè)24 h變溫仍為正值,如南陽、宜昌24 h變溫分別為0.9、0.7 ℃。這充分說明第1階段出現(xiàn)在4日12:00—14:00的短時強降水為暖區(qū)降水。

注:棕色線為切變線,填色為850 hPa 24 h變溫,虛線為500 hPa 588 dagpm線。Note:The brown line represents a shear line,with a temperature change of 850 hPa for 24 hours,and the dashed line represents a 500 hPa 588 dagpm line.圖4 2022年6月4日08:00(a)和20:00(b)850 hPa天氣圖Fig.4 850 hPa Weather map at 08:00 (a) and 20:00 (b) on June 4,2022

4日12:00—14:00的短時強降水發(fā)生在暖式切變線暖區(qū)內(nèi),由一個本地發(fā)展的中尺度對流云團(tuán)產(chǎn)生(圖5)。其間最強降水發(fā)生時,4日12:00中尺度對流云團(tuán)水平尺度約為25 km×60 km,云頂亮溫最低為-58.6 ℃,雷達(dá)回波組合反射率最強為51.5 dBz。

注:a1、b1為12:00;a2、b2為22:00。Note: a1 and b1 are 12:00 on the 4th;a2 and b2 are at 22:00 on the 4th.圖5 2022年6月4日衛(wèi)星云圖(a)和雷達(dá)回波圖(b)Fig.5 Satellite cloud image (a) and radar echo image (b) on June 4,2022

從圖4b可以看出,4日20:00,850 hPa孝感市上空絕大部分已轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),原來的暖式切變已轉(zhuǎn)為冷式切變線,并且剛剛壓過孝感市,如4日08:00阜陽為2 m/s的西南風(fēng),到4日20:00轉(zhuǎn)為4 m/s的東北風(fēng)。冷式切變線的西北側(cè)24 h降溫明顯,黃淮流域和漢江流域出現(xiàn)明顯降溫區(qū),如安康、漢中24 h變溫均為-8.5 ℃,西安24 h變溫均為-8.3 ℃,盧氏甚至達(dá)到了-11.7 ℃。這充分說明第2階段出現(xiàn)在4日20:00—23:00的短時強降水為冷切型降水。

4日20:00—23:00的冷切型短時強降水也是由一個本地發(fā)展的中尺度對流云團(tuán)產(chǎn)生的(圖5)。其間最強降水發(fā)生時,4日22:00中尺度對流云團(tuán)水平尺度約為35 km×60 km,云頂亮溫最低為-68.1 ℃,雷達(dá)回波組合反射率最強為56.0 dBz。

從武漢站6月3日20:00、4日08:00、4日20:00、5日08:00溫度對數(shù)壓力圖(圖6)來看,前期3日20:00 CAPE已經(jīng)達(dá)到1 134 J/kg,K指數(shù)為39.2 ℃,500 hPa高度以下為相對濕度大于80%的濕層,說明強降水發(fā)生前已經(jīng)有一定不穩(wěn)定能量;至4日08:00,濕層逐漸加深并接近400 hPa高度,CAPE達(dá)到1 523 J/kg,K指數(shù)為37.6 ℃,說明不穩(wěn)定能量持續(xù)累積并增大;至4日20:00,濕層進(jìn)一步逐漸加深并達(dá)到400 hPa高度,CAPE達(dá)到1 859 J/kg,K指數(shù)為39.5 ℃,說明強降水發(fā)生時段能量也在不斷累積;6月5日08:00,CAPE明顯下降,為2.2 J/kg,K指數(shù)也降至34.9 ℃,表明不穩(wěn)定能量已經(jīng)釋放完畢,同時濕層也有所減弱。

圖6 2022年6月3日20:00(a)、4日08:00(b)、4日20:00(c)、5日08:00(d)武漢站溫度對數(shù)壓力圖Fig.6 Temperature logarithmic pressure diagram at Wuhan station at 20:00 on June 3 (a),08:00 on June 4 (b),20:00 on June 4 (c) and 08:00 on June 5 (d) in 2022

3 暴雨漏報原因分析

孝感市氣象臺的預(yù)報主要參考數(shù)值預(yù)報模式,特別是EC模式預(yù)報給出的形勢場、物理量場、要素預(yù)報等,并根據(jù)當(dāng)前衛(wèi)星云圖、多普勒雷達(dá)、自動氣象觀測等實況監(jiān)測資料,結(jié)合本地天氣氣候背景,進(jìn)行綜合研判,分析天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展演變,對模式確定性降水要素預(yù)報結(jié)果進(jìn)行修正,并得出最后預(yù)報結(jié)論。下面重點針對EC細(xì)網(wǎng)格模式的形勢場、物理量場、降水要素預(yù)報等進(jìn)行檢驗分析。

3.1 環(huán)流形勢預(yù)報誤差分析從圖7可以看出,EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報對東亞地區(qū)大尺度天氣系統(tǒng)的預(yù)報總體情況不錯,中高緯環(huán)流兩槽一脊的環(huán)流形勢、東北低渦及其配合低槽、南支槽、副熱帶高壓等主要天氣系統(tǒng)的預(yù)報與實況分析場較為一致,預(yù)報誤差主要是對東北低渦的強度預(yù)報偏弱,對4日20:00的24 h預(yù)報(3日20:00起報)和48 h預(yù)報(2日20:00起報),其低渦中心強度均偏高2 dagpm,560 dagpm的范圍明顯偏小。

注:黑色實線為實況,黑色虛線為24 h預(yù)報,黑色點線為48 h預(yù)報。Note:The black solid line represents the actual situation,the black dashed line represents the 24-hour forecast,and the black dotted line represents the 48-hour forecast.圖7 2022年6月4日08:00(a)和20:00(b)500 hPa位勢高度實況與EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報 (單位:dagpm)Fig.7 500 hPa geopotential height actual situation and EC fine grid model prediction at 08:00 (a) and 20:00 (b) on June 4,2022

3.2 主要影響系統(tǒng)預(yù)報誤差分析一般認(rèn)為,暴雨是在幾種尺度系統(tǒng)相互作用的情況下發(fā)生發(fā)展的,中小尺度系統(tǒng)則是其產(chǎn)生的最直接的系統(tǒng)[9-10];而預(yù)報員對中尺度系統(tǒng)的預(yù)報能力決定著暴雨落區(qū)預(yù)報的準(zhǔn)確度[11]。孝感市位于江漢平原東北部至鄂東北中部,全境南北長約163 km,東西寬約122 km,屬于天氣學(xué)概念的中尺度范疇。

從圖8可以看到,EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報對850 hPa風(fēng)場的預(yù)報誤差較大,實況4日08:00中尺度切變線位于棗陽—宜城—當(dāng)陽—宜都一線,而3日08:00起報的24 h 預(yù)報(預(yù)報4日08:00)的中尺度切變線位于廣水—安陸—天門—潛江—公安一線,比實際位置偏東,偏差約130 km;2日08:00起報的48 h預(yù)報(預(yù)報4日08:00)的中尺度切變線位于隨縣—鐘祥—沙洋—公安一線,比實際位置略偏東,偏差約50 km。4日08:00中尺度切變線已南移,整體壓過孝感全市,位于紅安—黃陂—蔡店—洪湖一線,而3日20:00起報的24 h預(yù)報(預(yù)報4日20:00)的中尺度切變線位于麻城—新洲—江夏—赤壁一線,比實際位置偏東,偏差約80 km;2日20:00起報的48 h預(yù)報(預(yù)報4日20:00)的中尺度切變線位置與實況大體相當(dāng),但北端位置略偏東、南端位置略偏西?？偟膩碇v,EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報對850 hPa中尺度切變線是預(yù)報出來了,但24 h預(yù)報的位置偏東且偏差較大,相反其48 h預(yù)報的位置偏差要小一些。

注:a1、b1為實況,a2、b2為24 h預(yù)報,a3、b3為48 h預(yù)報。Note: a1 and b1 are the actual situation,a2 and b2 are 24-hour forecasts,and a3 and b3 are 48-hour forecasts.圖8 2022年6月4日08:00(a)和20:00(b)850 hPa風(fēng)場和切變線Fig.8 850 hPa wind field and shear line at 08:00 (a) and 20:00 (b) on June 4,2022

3.3 物理量預(yù)報誤差分析對流有效位能(CAPE)一般對暴雨過程中強對流天氣的發(fā)生有較好的指示意義[12-13]。從圖9可以看出,EC細(xì)網(wǎng)格模式對此次暴雨過程對流有效位能的預(yù)報偏小,在實況4日08:00孝感市西北部隨州附近有一個CAPE為850 J/kg的大值區(qū),而3日08:00起報的24 h預(yù)報(預(yù)報4日08:00)孝感市CAPE最大值僅為150 J/kg,2日08:00起報的48 h預(yù)報(預(yù)報4日08:00)孝感市CAPE最大值僅為300 J/kg。

注:a.實況,b.24 h預(yù)報,c.48 h預(yù)報。Note: a.Real situation,b.24-hour forecast,c.48-hour forecast.圖9 2022年6月4日08:00對流有效位能(CAPE)Fig.9 Convective available potential energy (CAPE) at 08:00 on June 4,2022

3.4 降水預(yù)報誤差分析從多模式降水預(yù)報(圖10)來看, 4日08:00起報的0～24 h降水預(yù)報,EC細(xì)網(wǎng)格模式、日本模式均預(yù)報為中雨;GRAPES模式預(yù)報為小到中雨;NCEP模式預(yù)報為大到暴雨,其中暴雨區(qū)位于孝感市北部;華東模式預(yù)報孝感市北部為中到大雨,大悟北部有暴雨到大暴雨,南部為小到中雨?？偟膩砜?0～24 h降水預(yù)報EC細(xì)網(wǎng)格模式、日本模式、GRAPES模式預(yù)報降水量均偏小,華東模式預(yù)報量級最大,但落區(qū)誤差較大,NCEP模式預(yù)報相對效果較好。

注:a為4日08:00起報的0～24 h預(yù)報,b為3日08:00起報24～48 h預(yù)報,c為2日08:00起報48～72 h預(yù)報。Note:a represents the 0-24 hour forecast starting from 08:00 on the 4th,b represents the 24-48 hour forecast starting from 08:00 on the 3rd,and c represents the 48-72 hour forecast starting from 08:00 on the 2nd.圖10 多模式降水預(yù)報Fig.10 Multimodal precipitation forecast

3日08:00起報的24～48 h降水預(yù)報(日本模式缺資料),EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報為小到中雨,NCEP模式預(yù)報為中到大雨,GRAPES模式預(yù)報為小到中雨,南部大雨,華東模式預(yù)報為中雨,南部為大雨?？偟膩砜?24～48 h降水預(yù)報EC細(xì)網(wǎng)格模式、NCEP模式、GRAPES模式、華東模式預(yù)報降水量均偏小,相對而言,NCEP模式預(yù)報誤差最小。

2日08:00起報的48～72 h降水預(yù)報(日本模式缺資料),EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報為中到大雨,NCEP模式預(yù)報為中雨,東部大雨,GRAPES模式預(yù)報為中到大雨,華東模式預(yù)報為中到大雨,東南部為暴雨?？偟膩砜?48～72 h降水預(yù)報EC細(xì)網(wǎng)格模式、NCEP模式、GRAPES模式、華東模式預(yù)報降水量均偏小,相對而言,華東模式預(yù)報效果最好。

綜合來講,對此次孝感市大到暴雨、局部大暴雨過程,多模式不同時效的降水量預(yù)報均偏小,同一時效不同模式預(yù)報一致性較差,不同時效0～24 h預(yù)報、24～48 h預(yù)報,NCEP模式預(yù)報相對效果較好,48～72 h預(yù)報華東模式預(yù)報效果較好。

4 結(jié)論

此次孝感市大到暴雨、局部大暴雨的天氣過程是中低層切變線特別是850 hPa切變線,在500 hPa東北冷渦及其配合的低槽引導(dǎo)冷空氣經(jīng)東路南下的作用下,暖式切變線向冷式切變線轉(zhuǎn)換過程中,暖式切變線暖區(qū)和冷式切變線上2個中尺度對流云團(tuán)發(fā)展產(chǎn)生的。此次孝感市大到暴雨、局部大暴雨過程預(yù)報失誤,其主要原因如下:

(1)EC細(xì)網(wǎng)格模式大尺度環(huán)流形勢的預(yù)報誤差是東北低渦的強度預(yù)報偏弱、范圍預(yù)報偏小,對低層切變線的預(yù)報誤差是切變線位置誤差較大,特別是24 h預(yù)報的位置偏東且偏差較大,對流有效位能的預(yù)報也偏小,因此模式預(yù)報造成南下影響孝感市的冷空氣勢力偏弱、不穩(wěn)定能量較差、低層切變線快速壓過孝感市,影響了預(yù)報員對天氣形勢發(fā)展演變的準(zhǔn)確判斷。

(2) 多模式不同時效的降水量預(yù)報均偏小,同一時效不同模式預(yù)報一致性較差,特別是EC細(xì)網(wǎng)格模式24、48、72 h預(yù)報為中雨、小到中雨、中到大雨,影響了預(yù)報員對降水量級預(yù)報的準(zhǔn)確把握。

(3)預(yù)報員對數(shù)值預(yù)報模式預(yù)報產(chǎn)品的完全依賴,是當(dāng)前氣象預(yù)報的一個通病。加強對數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品解釋應(yīng)用和補充訂正,建立本地化、客觀化、精細(xì)化的強降水預(yù)報系統(tǒng)是地市級氣象臺預(yù)報研究的重點方向和現(xiàn)實課題。

(4) 作為全球模式的EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報對于中小尺度系統(tǒng)的預(yù)報能力不足,加強中尺度數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用是提高強降水預(yù)報能力的主要途徑。