張 博 張芳華* 李曉蘭 胡 藝

1)(國家氣象中心, 北京 100081) 2)(中國氣象局水文氣象重點開放實驗室, 北京 100081)

引 言

數(shù)值預(yù)報模式可為降水預(yù)報提供最有價值的參考信息,不同的模式初始場、邊界條件、動力框架、物理過程及參數(shù)化方案等導致其預(yù)報效果差異明顯[1]。對數(shù)值預(yù)報模式有針對性地進行客觀統(tǒng)計檢驗和天氣學檢驗,探究其預(yù)報性能、偏差特點及可能原因,構(gòu)建訂正方法,是基于數(shù)值預(yù)報模式的現(xiàn)代天氣預(yù)報業(yè)務(wù)流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

隨著全球和區(qū)域數(shù)值模式的發(fā)展,數(shù)值模式對大范圍強降水的環(huán)流形勢預(yù)報能力不斷提高,其預(yù)報時效和預(yù)報準確率也明顯提升。我國氣象工作者針對不同模式的降水預(yù)報能力進行了大量檢驗分析[2-8],采用的檢驗方法包括在兩個變量預(yù)報檢驗列聯(lián)表[9]基礎(chǔ)上發(fā)展的TS(threat score)評分和ETS(equitable threat score)評分等,利用該檢驗辦法已開展多個氣象要素場的檢驗工作[10-11],但TS評分、ETS評分等方法為點對點檢驗,對雨帶位置和強度的檢驗過于嚴苛,不能反映模式預(yù)報場的空間結(jié)構(gòu)、預(yù)報能力的尺度變化等,往往會漏掉對預(yù)報員有價值的空間信息特征[12]。Hoffman等[13]首次將預(yù)報誤差分解為位移、振幅和剩余殘差3部分,在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一系列空間診斷檢驗方法。潘留杰等[14]總結(jié)和歸納空間診斷檢驗技術(shù),將其分為屬性判別法、尺度分離法、鄰域法和形變法,其中屬性判別法[15]和鄰域法在診斷檢驗中較常用。屬性判別法較常用的有MODE(method for object-based diagnostic evaluation)和CRA(contiguous rain area)方法,MODE方法可辨識二維場的空間特征,通過比較確定該空間特征在不同場的相似程度,開展相似性統(tǒng)計,尤鳳春等[16]和張博等[17]利用該方法對華北降水進行多樣本空間檢驗,蘇翔等[18]和董立清[19]分別對2020年和1991梅雨期暴雨雨帶的預(yù)報不確定性進行分析。CRA方法是Ebert等[20]提出的基于目標的定量降水檢驗方法,符嬌蘭等[21]利用CRA方法檢驗了歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)模式在西南地區(qū)東部強降水的預(yù)報,并依據(jù)檢驗結(jié)果分析模式的誤差來源。常煜等[22]采用CRA方法分析兩個區(qū)域模式對嫩江流域暴雨的預(yù)報性能。王新敏等[23]采用CRA方法檢驗評估了4個數(shù)值模式對2018年8月3次登陸臺風暴雨過程的降水預(yù)報性能。采用多種檢驗手段可更加直觀和定量地認識數(shù)值預(yù)報模式對不同類型天氣過程的預(yù)報性能。近年華北地區(qū)極端暴雨事件多發(fā),多角度的成因分析和預(yù)報評估[24-26]為全面認識極端強降水事件提供了參考。根據(jù)預(yù)報特征利用天氣學檢驗方法評估數(shù)值模式中的行星尺度、大尺度乃至中小尺度的環(huán)流系統(tǒng),得到降水預(yù)報出現(xiàn)偏差的可能原因[27-29]。

2023年7月29日—8月1日北上臺風杜蘇芮(2305)的殘余環(huán)流在華北地區(qū)停滯,導致京津冀等地出現(xiàn)歷史罕見的持續(xù)性強降水(簡稱“23·7”過程),單站累積降水量超過1000 mm。強降水造成房屋、道路、通信以及水電設(shè)施等損毀,還造成人員傷亡和重大財產(chǎn)損失,產(chǎn)生嚴重的災(zāi)害影響。對于如此罕見的持續(xù)性強降水,常用業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報模式在中長期時效對其持續(xù)性和過程降水量的極端性預(yù)報效果以及短期時效對強降水的落區(qū)和強度把握情況均值得探討。本文采用天氣學檢驗和統(tǒng)計檢驗相結(jié)合的方式評估業(yè)務(wù)數(shù)值模式對過程累積降水量、持續(xù)時間以及關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)報性能,并分析短期降水預(yù)報偏差,為預(yù)報員更有效地使用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品提供參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

本文檢驗的數(shù)值模式包括中國氣象局高分辨率全球同化預(yù)報系統(tǒng)(CMA-GFS)、較低分辨率全球集合預(yù)報系統(tǒng)(CMA-EPS)、歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心集合預(yù)報系統(tǒng)(EC-EPS)和業(yè)務(wù)預(yù)報模式(EC-HR)、美國環(huán)境預(yù)報中心全球預(yù)報系統(tǒng)(NCEP-GFS)等全球模式和中國氣象局區(qū)域臺風數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)(CMA-TYM)、中尺度天氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)(CMA-MESO)和區(qū)域數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)(CMA-BJ)等區(qū)域中尺度模式,檢驗要素包括2023年7月18—29日20:00(北京時,下同)起報的降水量、500 hPa高度場、850 hPa風場、925 hPa風場和比濕場。CMA-GFS和EC-HR降水場原始分辨率為0.125°×0.125°,CMA-EPS和EC-EPS降水場原始分辨率為0.5°×0.5°,NCEP-GFS降水場原始分辨率為0.25°×0.25°,CMA-TYM和CMA-BJ降水場原始分辨率為0.09°×0.09°,CMA-MESO降水場原始分辨率為0.03°×0.03°;CMA-GFS、EC-HR和NCEP-GFS預(yù)報時效為240 h,CMA-EPS和EC-EPS預(yù)報時效為360 h,CMA-TYM預(yù)報時效為120 h,CMA-MESO預(yù)報時效為72 h,CMA-BJ預(yù)報時效為96 h[5,8,10,22,30-31]。

所用資料包括國家氣象信息中心提供的2023年7月29日—8月2日全國地面國家氣象站和自動氣象站間隔1 h的降水量,以及ECMWF發(fā)布的ERA5逐小時再分析資料,要素包括位勢高度、風場和比濕場等,水平分辨率為0.25°×0.25°。

1.2 檢驗方法

本文檢驗方法包括天氣學檢驗、二分類檢驗和MODE空間檢驗。天氣學檢驗主要包括降水預(yù)報和實況的偏差對比、環(huán)流場(位勢高度、風場、濕度場等)的檢驗分析。傳統(tǒng)二分類檢驗是基于點對點的檢驗,評估模式的預(yù)報性能。首先利用列聯(lián)表將預(yù)報和實況降水進行判定,對符合閾值條件的降水事件定為1,反之定為0。

MODE方法通過給定的卷積半徑對原始降水場進行卷積處理,按照給定閾值篩選滿足條件的降水對象,確定降水對象空間特征在不同場的相似程度,開展相似性統(tǒng)計,計算匹配對象間的降水強度、面積、中心位置、軸角等各種要素。其具體方法和閾值選取依據(jù)參見文獻[16]。

本文插圖所涉及的國界和行政區(qū)域界線基于審圖號為GS(2019)3082號標準地圖制作,底圖無修改。

2 特大暴雨過程概況

2.1 強降水特征

2023年7月29日—8月1日華北地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性強降水天氣(圖1),日降水量、累積降水量及降水持續(xù)時間等均具有顯著極端性,是“63·8”以來華北最強的降水過程[32-33]。北京、天津、河北大部以及山西東部、河南北部等地連續(xù)3 d出現(xiàn)暴雨到大暴雨,北京和河北部分地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨,上述地區(qū)過程累積降水量(圖1)約為100～400 mm,其中北京西部、河北中部和西南部等太行山東麓沿山地區(qū)達500～700 mm,氣象站觀測最大累積降水量出現(xiàn)在河北邢臺臨城梁家莊,為1003.4 mm。

圖1 2023年7月29日—8月1日累積降水量實況(單位:mm)

由圖1可知,2023年7月29日08:00—30日08:00北京中南部、天津西南部、河北中南部以及山西東部、河南北部、山東中西部等地出現(xiàn)暴雨到大暴雨,河北西南部、河南北部局地出現(xiàn)特大暴雨。7月30日08:00—31日08:00強降水落區(qū)向北發(fā)展,特大暴雨落區(qū)及降水中心強度均明顯增大,北京西部、河北中部和西南部等地日降水量達250～400 mm,局地接近500 mm,強降水最集中。7月31日08:00—8月1日08:00強降水范圍和強度均有所減小,暴雨以上量級強降水集中在北京、天津、河北中部地區(qū)。8月1日(圖略)京津冀降水顯著減弱,僅在天津及河北中部的局部地區(qū)出現(xiàn)暴雨。

2.2 環(huán)流形勢

此次持續(xù)性強降水過程出現(xiàn)在北上臺風杜蘇芮受高壓壩阻擋而減速維持的穩(wěn)定環(huán)流背景下。2023年7月29日—8月1日500 hPa平均位勢高度場(圖略)顯示,亞洲中高緯度對流層中層呈兩槽一脊環(huán)流型,貝加爾湖附近至我國河套地區(qū)一帶為強大的高壓脊,位勢高度超過2倍標準差,較氣候態(tài)顯著偏強;其與西北太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)合并加強,在華北地區(qū)的東部和南部形成阻擋臺風殘渦東移的高壓壩,這是造成此次華北持續(xù)性極端強降水的關(guān)鍵系統(tǒng),也是本文的重點檢驗對象。

圖2為2023年7月29日—8月1日逐日環(huán)流。由圖2可知,7月29日20:00臺風杜蘇芮登陸后北上,強度明顯減弱,對應(yīng)850 hPa低壓中心位于河南東南部,副高呈南北向的塊狀分布,臺風杜蘇芮的低壓與副高間形成強盛的偏南風低空急流,急流強度達到20～24 m·s-1以上。同時2023年第6號臺風卡努(2306)的中心位于菲律賓以東洋面,其北側(cè)與副高間的東南風也匯入上述低空急流區(qū),形成暢通的水汽輸送通道,為強降水提供持續(xù)而充沛的水汽輸送,華北地區(qū)850 hPa比濕(圖略)超過14 g·kg-1。7月30日20:00副高向西北方向發(fā)展,其北界與位于蒙古國中部的大陸高壓脊合并加強,850 hPa臺風杜蘇芮的低壓中心減弱北移,倒槽仍維持在太行山東麓附近,東南風急流也向華北地區(qū)推進。7月31日20:00副高繼續(xù)西伸,588 dagpm等位勢高度線越過京津冀并進入山西中部,低壓中心和倒槽減弱消失,低空急流明顯減弱,但臺風卡努繼續(xù)向西北方向移動并趨向我國華東沿海,且加強為超強臺風,其東側(cè)至北側(cè)的東南風持續(xù)為華北地區(qū)提供水汽輸送,華北大部地區(qū)850 hPa比濕(圖略)均超過16 g·kg-1。8月1日20:00蒙古國西部至我國西北地區(qū)有高空槽東移,華北高壓壩明顯減弱南落,由經(jīng)向分布演變?yōu)榫曄蚍植?低層風向也由東南風轉(zhuǎn)為西南風,區(qū)域性強降水過程接近尾聲。

圖2 2023年7月29日—8月1日500 hPa高度場(等值線,單位:dagpm)、850 hPa風場(風羽)和風速(填色)

以上分析表明:強降水集中時段(7月29—31日)華北北部及以北地區(qū)500 hPa由于高壓壩阻擋,其南側(cè)對流層低層低壓和倒槽、東南風低空急流在太行山東麓山前穩(wěn)定維持,與來自西北太平洋持續(xù)的水汽輸送共同為特大暴雨發(fā)生提供有利而穩(wěn)定的環(huán)流背景。

3 特大暴雨過程預(yù)報檢驗評估

3.1 過程累積降水量預(yù)報檢驗

3.1.1 EC-EPS中長期降水量預(yù)報檢驗

圖3為EC-EPS對2023年7月29日08:00—8月2日08:00累積降水量不低于100 mm的概率預(yù)報檢驗。由圖3可知,自7月18日(圖略)起EC-EPS預(yù)報華北東部到黃淮累積降水量超過100 mm的概率為10%～20%,24日大概率中心位置趨于穩(wěn)定且概率值隨時效臨近顯著增加;7月26日預(yù)報河北中南部和北京西南部降水量超過100 mm的概率大于80%;7月27日大概率中心位置北抬,北京西南部至河北中部保定一帶出現(xiàn)100 mm以上強降水的概率超過90%;7月28日大概率區(qū)范圍進一步擴大,南界擴至河北石家莊一帶。對于過程累積降水量不低于250 mm的落區(qū)(圖略),7月25日預(yù)報北京西南部至河北保定一帶的概率超過10%,26日超過10%的概率范圍明顯擴大,與實況較為接近,7月27日北京—河北石家莊一帶強降水的概率顯著增加,其中北京房山至河北保定的概率預(yù)報超過30%～40%。此外,EC-EPS僅自7月27日起提示北京西南部、河北保定至河北西南部沿太行山東麓地區(qū)累積降水量超過400 mm的概率超過10%,對于600 mm以上降水,EC-EPS各時效各成員均無預(yù)報提示。

圖3 EC-EPS對2023年7月29日08:00—8月2日08:00累積降水量不低于100 mm的概率預(yù)報檢驗(· 代表實況累積降水量不低于100 mm的格點)

可見,EC-EPS提前14 d(18日起)預(yù)報過程累積降水量可能超過100 mm,提前6 d(26日起)過程累積降水量80%以上的概率預(yù)報與實況落區(qū)接近,具有預(yù)報參考價值;對于250 mm以上累積降水量的提前預(yù)報時效、落區(qū)位置和概率大小均不及100 mm以上累積降水量,對600 mm以上的極端強降水,EC-EPS則無預(yù)報能力。此外,CMA-EPS提前12 d(20日)在京津冀及渤海灣預(yù)報超過100 mm過程累積降水量的概率,但大概率區(qū)(50%以上)明顯偏東偏南且預(yù)報欠穩(wěn)定;對過程累積降水量超過250 mm則無預(yù)報提示。

3.1.2 全球確定性模式中期降水量預(yù)報檢驗

此次天氣過程降水大值區(qū)集中2023年7月29日—8月2日在北京西部至河北西南部的太行山東麓地區(qū),過程累積降水量最大值出現(xiàn)在河北邢臺臨城梁家莊,為1003.4 mm。由CMA-GFS、EC-HR和NCEP-GFS中期時效(2023年7月29日—8月2日)累積降水量的預(yù)報(圖4)可知,CMA-GFS 7月23日和24日預(yù)報華北南部至黃淮東部將出現(xiàn)強降水,7月26—28日預(yù)報落區(qū)連續(xù)向西調(diào)整,與實況(圖1)逐漸接近,但落區(qū)仍略偏東且強度偏弱,250 mm 以上強降水的預(yù)報明顯偏小;EC-HR 7月23日預(yù)報的降水偏東偏南,24日起報的100 mm降水落區(qū)位置接近實況,但250 mm以上的降水落區(qū)偏西偏北,26日起報的降水最強中心(591.4 mm)雖較實況弱,但超過100 mm的降水落區(qū)形態(tài)、位置以及中心強度均最接近實況,這對實際預(yù)報已有較強指示意義;NCEP-GFS自7月25日起預(yù)報的100 mm 以上量級降水向西調(diào)整至華北地區(qū),28日預(yù)報的太行山前降水強度更接近實況,但河北東部降水較前幾個時次明顯偏弱。此外,CMA-TYM(圖略)7月26日起預(yù)報京津冀大部地區(qū)出現(xiàn)100 mm 以上強降水區(qū),對太行山東麓250～400 mm強降水中心的預(yù)報略偏東、強度仍偏小,尤其是對河北西南部強降水中心的反映明顯不足。上述分析可見,CMA-GFS、EC-HR和NCEP-GFS中期時效預(yù)報對強降水過程均有預(yù)報提示,EC-HR在累積降水量的預(yù)報時效(提前8 d)、落區(qū)形態(tài)和降水量的預(yù)報上均表現(xiàn)最優(yōu),具有較高業(yè)務(wù)參考價值;CMA-GFS提前預(yù)報時效為6 d,但中心位置顯著偏東,強度偏弱;NCEP-GFS提前預(yù)報時效為7 d,但強度偏弱。

圖4 2023年7月29日08:00—8月2日08:00預(yù)報的累積降水量(右上角數(shù)值為模式預(yù)報最大降水量)

3.2 降水持續(xù)時間的中期檢驗

超長降水持續(xù)時間是造成此次極端強降水的關(guān)鍵原因。京津冀、山西東部的部分氣象站出現(xiàn)累計2 d以上日降水量超過50 mm(暴雨量級)的降水,其中北京中南部和河北中部暴雨日數(shù)達到3～4 d(圖略)。CMA-GFS 7月26日起預(yù)報河北東部及其以東地區(qū)有1～3 d暴雨,位置較實況偏東,7月28日預(yù)報北京至天津一帶有2～3 d的暴雨,落區(qū)偏東且范圍偏小;EC-HR 7月24日最早預(yù)報京津冀中南部有累計1～2 d、局地3 d的暴雨日數(shù),7月25—27日預(yù)報累計超過3 d的降水范圍逐漸增大,27日預(yù)報河北保定一帶累計暴雨日數(shù)達到4 d,位置與實況最為接近;NCEP-GFS 7月25日起預(yù)報暴雨日數(shù)為1～2 d的降水落區(qū)基本覆蓋京津冀地區(qū),但總體偏少。由此可見,對于強降水持續(xù)時間的預(yù)報,EC-HR在提前日數(shù)(提前8 d)及2 d以上暴雨日的落區(qū)預(yù)報方面表現(xiàn)最佳;NCEP-GFS對強降水持續(xù)時間的預(yù)報偏短,但影響范圍預(yù)報有較好參考價值;CMA-GFS可用時效最短。

3.3 逐日強降水短期預(yù)報檢驗

針對2023年7月29日、30日、31日的日降水量(圖1),檢驗CMA-GFS、EC-HR、CMA-MESO、CMA-TYM和CMA-BJ的36 h預(yù)報(圖5)。由圖5可知,各模式均可預(yù)報降水落區(qū)逐日北抬的特點,CMA-GFS的預(yù)報位置偏東且強度偏弱最為顯著,最大日降水量均低于100 mm。7月29日EC-HR、CMA-MESO和CMA-TYM預(yù)報大暴雨范圍較實況偏小,CMA-BJ落區(qū)位置和形態(tài)與實況最為接近,范圍和極值略偏大。對于7月30日大暴雨落區(qū),EC-HR的預(yù)報偏西偏北,CMA-MESO和CMA-TYM的預(yù)報偏西,CMA-BJ的預(yù)報與實況最為接近。7月31日大暴雨位于北京西部及其以西地區(qū),EC-HR的預(yù)報略偏東、CMA-MESO和CMA-TYM的預(yù)報與實況較接近,范圍略偏小;CMA-BJ的預(yù)報與實況位置及形態(tài)最接近,但強度偏大。由此可見,對于36 h時效,各模式均可預(yù)報出強降水落區(qū)和區(qū)域強度的變化趨勢,中尺度模式可以更加精細地刻畫強降水落區(qū)形態(tài)和位置分布,尤以CMA-BJ為佳,但其存在預(yù)報偏強的偏差;CMA-GFS的預(yù)報最偏小。

圖5 模式提前36 h預(yù)報的2023年7月29—31日的日降水量

為了定量化描述各模式對強降水落區(qū)中心位置預(yù)報的偏差,基于MODE方法從降水個體空間位置偏差和面積比對2023年7月29—31日逐日50 mm以上量級降水的短期降水預(yù)報進行評估(圖6)。由圖6可知,對于降水落區(qū)偏差,CMA-BJ的預(yù)報與實況最為接近(平均經(jīng)向偏差為0.4°),EC-HR的預(yù)報以偏西偏北為主(偏差小于1°),與圖5表征一致;CMA-GFS的預(yù)報偏東(偏差約為1°);NCEP-GFS、CMA-MESO和CMA-TYM的預(yù)報中心位置不穩(wěn)定。通過降水面積比(圖略)可知,各模式7月30日的預(yù)報面積與實況最接近,面積比約為0.7～1;7月31日的預(yù)報面積各模式差異最大,CMA-GFS的預(yù)報顯著偏小,EC-HR的預(yù)報最接近實況(約為0.9)。對于100 mm以上的降水量(圖略),CMA-GFS無預(yù)報能力,EC-HR的預(yù)報偏差仍以偏北為主,CMA-MESO、CMA-TYM和NCEP-GFS的預(yù)報偏西;各模式7月30日的預(yù)報面積均最接近實況。對于集中期逐日暴雨預(yù)報,CMA-BJ的落區(qū)位置和范圍預(yù)報與實況最接近,EC-HR的預(yù)報偏北,CMA-GFS的預(yù)報顯著偏小,而NCEP-GFS和CMA-MESO的預(yù)報穩(wěn)定性較差。

圖6 模式36 h時效預(yù)報的2023年7月29—31日日降水量不低于50 mm降水個體經(jīng)向和緯向位移偏差

為了從降水落區(qū)和量級上精細化檢驗各模式在降水集中期的逐日降水預(yù)報效果,圖7為2023年7月29-31日關(guān)鍵區(qū)(35°～41°N,113°～118°E)36 h預(yù)報的日降水量超過50 mm和100 mm的預(yù)報檢驗。橙色線為TS評分,越接近右上角TS評分則越高;黑色對角線是偏差評分為1.0的特征線,其下方區(qū)域為漏報,其上方區(qū)域為空報。除了CMA-BJ外,各模式存在不同程度的漏報,并且隨降水強度增加漏報增長,表明對強降水預(yù)報偏弱。CMA-BJ對50 mm 以上和100 mm以上降水預(yù)報的TS評分均表現(xiàn)最優(yōu),但存在一定空報,與圖5一致;EC-HR對于50 mm以上量級降水預(yù)報穩(wěn)定、TS評分較高,但對100 mm以上降水TS評分下降明顯;CMA-GFS預(yù)報50 mm以上降水TS評分最低,對100 mm以上降水無預(yù)報能力;CMA-MESO預(yù)報50 mm以上降水較好,但100 mm以上降水不穩(wěn)定;CMA-TYM強降水預(yù)報TS評分平均值位于檢驗?zāi)Ｊ降牡?位且預(yù)報穩(wěn)定。關(guān)鍵區(qū)60 h時效預(yù)報的日降水量超過50 mm 和100 mm的降水檢驗(圖略)表明:對于50 mm 以上量級的降水,EC-HR的預(yù)報穩(wěn)定,TS評分較高,對與100 mm以上量級的降水,除CMA-BJ外,各模式均出現(xiàn)明顯漏報。

圖7 2023年7月29—31日關(guān)鍵區(qū)(35°～41°N,113°～118°E)36 h時效的日降水量預(yù)報檢驗

4 降水預(yù)報偏差原因

強降水過程成因分析和預(yù)報經(jīng)驗表明:500 hPa華北高壓壩是此次天氣過程的關(guān)鍵影響系統(tǒng),數(shù)值預(yù)報模式對高壓壩位置及持續(xù)時間預(yù)報的優(yōu)劣直接影響暴雨持續(xù)性以及過程降水量極端性的預(yù)報效果。4.1 降水持續(xù)性預(yù)報偏差的原因

針對臺風杜蘇芮減弱后位于黃淮至華北西部一帶的殘渦以及華北及其以北地區(qū)的高壓壩,對比2023年7月29—31日ERA5再分析資料逐日500 hPa 高度場與預(yù)報員主觀分析場,發(fā)現(xiàn)ERA5再分析場與主觀分析場一致(圖略),因此將ERA5分析場作為檢驗環(huán)流的實況場。

由2023年7月29—31日500 hPa平均位勢高度的實況588 dagpm特征線(圖8)可知,高壓西邊界接近100°E,副高120°E北界位于45°N附近,CMA-GFS和NCEP-GFS預(yù)報相似,7月23日預(yù)報(圖略)高壓帶控制副熱帶地區(qū),7月24日起預(yù)報我國大陸上空有高壓但并不穩(wěn)定,副高主體位于西北太平洋洋面上,直至28日兩個模式才預(yù)報副高明顯西伸,出現(xiàn)高壓壩形勢;EC-HR自7月24日起對副高形態(tài)預(yù)報較為穩(wěn)定,較準確地預(yù)報副高西伸北抬與大陸高壓脊合并加強的趨勢,對華北高壓壩形勢的預(yù)報較CMA-GFS和NCEP-GFS提前3～4 d,且隨時效臨近預(yù)報的副高西界位置和形態(tài)更接近實況。貝加爾湖以南500 hPa位勢高度超過2倍標準差(圖略),表征該地區(qū)高壓脊強度異常偏強,EC-HR不同時效的預(yù)報也有較好體現(xiàn)。通過對比CMA-GFS、EC-HR和NCEP-GFS的500 hPa高度場(圖8)和過程累積降水量預(yù)報(圖4),EC-HR對華北高壓壩的建立、形態(tài)和維持預(yù)報效果優(yōu)于CMA-GFS和NCEP-GFS,在中長期時效對強降水的落區(qū)位置和強度預(yù)報也優(yōu)于CMA-GFS和NCEP-GFS。

圖8 2023年7月29—31日20:00平均500 hPa位勢高度預(yù)報場(藍色等值線,單位:dagpm)(紅色等值線為588 dagpm等值線實況)

此次天氣過程中925 hPa偏東風或東南風急流在太行山山前維持約2 d,地形對水汽的輻合抬升和阻擋作用是此次極端強降水的重要原因之一[32-33]。模式對低層風向、風速以及水汽條件的預(yù)報能力是強降水的預(yù)報關(guān)鍵。由CMA-GFS、EC-HR和NCEP-GFS在2023年7月23—28日對7月29—31日平均925 hPa風場和比濕預(yù)報(圖略)可知,CMA-GFS在7月24日預(yù)報出倒槽,但槽底較實況偏南,預(yù)報河北為一致的東北風,直至7月27日再次預(yù)報倒槽形勢,但較實況偏東,此外925 hPa比濕較實況明顯偏小。EC-HR在7月25—27日預(yù)報河北中部為一致偏東風,倒槽的強度較實況偏弱;對殘渦中心預(yù)報不穩(wěn)定,中心位置較實況偏北;7月28日預(yù)報的風場與實況更為接近,但倒槽預(yù)報仍偏弱。NCEP-GFS自7月25日起預(yù)報出倒槽形勢,但槽底位置較實況偏南,比濕較實況偏小約1 g·kg-1。

通過中期時效環(huán)流場的天氣學檢驗可知,EC-HR預(yù)報效果最好,提前8 d穩(wěn)定預(yù)報高壓壩的維持,提前7 d預(yù)報925 hPa低壓倒槽及低空急流的發(fā)展,但系統(tǒng)強度較實況偏弱,位置偏西偏北,CMA- GFS和NCEP-GFS對倒槽預(yù)報偏南,均低估了太行山地形對偏東風的強迫抬升作用,導致降水量預(yù)報明顯偏小。

4.2 強降水短期預(yù)報偏差的原因

本節(jié)以日降水量最大的7月30日為例,分析EC-HR降水預(yù)報偏差的可能原因。

由2023年7月29日20:00起報的主要影響系統(tǒng)預(yù)報可知,模式對500 hPa高度場24 h預(yù)報與實況基本一致(圖略),但低空急流預(yù)報偏差較大。圖9為EC-HR在7月29日20:00起報的7月30日20:00 850 hPa 和925 hPa風場。由圖9可知,850 hPa 太行山山前地區(qū)分析場為偏東或東北風,模式預(yù)報為東南風,倒槽較分析場略偏西偏北,且太行山北段迎風坡附近風速的預(yù)報偏小4～8 m·s-1,導致低層輻合區(qū)偏西偏北、山前輻合偏弱;925 hPa情況類似,風向偏差一方面導致倒槽位置偏弱、偏西,另一方面削弱了地形對強降水的增幅作用,這是因為河北西南部的太行山山前地區(qū)分析場為東北風,模式預(yù)報為偏東風,而這一帶有多個朝向東北方向的喇叭口小地形,因而東北風較偏東風更易在此強迫抬升,造成降水增幅。

圖9 EC-HR 2023年7月29日20:00起報的30日20:00 850 hPa和925 hPa風場預(yù)報場(藍色風羽)與分析場(黑色風羽)對比(陰影為地形高度)

由降水性質(zhì)預(yù)報(圖略)可知,模式預(yù)報30日午后河北東部和南部地區(qū)對流性降水比例高達60%～90%,且背景場條件顯示午后華北平原對流有效位能增大,低空暖濕輸送持續(xù),水汽和能量條件均有利于出現(xiàn)對流性降水(圖略)。根據(jù)業(yè)務(wù)實踐經(jīng)驗,這種形勢下EC-HR往往對對流性降水預(yù)報偏小,而將強降水主要預(yù)報在天氣尺度系統(tǒng)動力抬升作用更強的倒槽附近(圖9),也是導致強降水落區(qū)預(yù)報偏西偏北的原因之一。

因此低層風場偏弱、倒槽位置略偏西偏北、模式對槽前后部東南風低空急流區(qū)前沿的對流性降水預(yù)報不足等因素綜合作用,導致模式對強降水預(yù)報偏西、偏北,強度偏弱。業(yè)務(wù)中可以結(jié)合環(huán)境場特征和模式降水性質(zhì)預(yù)報,對強降水落區(qū)進一步訂正;在有利于對流性降水發(fā)生的形勢下,中尺度模式的強降水預(yù)報更有參考價值。

5 結(jié)論和討論

本文采用數(shù)值模式天氣學檢驗、TS評分和MODE方法對CMA-GFS、CMA-EPS、EC-EPS、EC-HR和NCEP-GFS等全球模式和CMA-TYM、CMA-MESO和CMA-BJ等區(qū)域中尺度模式對“23·7”華北特大暴雨過程中長期時效強降水的持續(xù)性和極端性、短期時效強降水落區(qū)和強度預(yù)報進行檢驗分析,評估模式中短期時效對關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)報能力,并分析模式預(yù)報偏差來源,得到如下結(jié)論:

1) 對于過程累積降水的中長期預(yù)報,EC-EPS提前14 d預(yù)報可能超過100 mm,提前6 d以內(nèi)80%以上的概率預(yù)報與實況落區(qū)更為接近,對預(yù)報有較強指示意義;對于更大量級的降水,預(yù)報性能明顯下降,對于600 mm以上的極端強降水則無預(yù)報能力。CMA-EPS提前12 d報出京津冀一帶有100 mm以上降水概率,但預(yù)報欠穩(wěn)定且位置偏東偏南。

2) EC-HR在累積降水量的預(yù)報時效(提前8 d)、落區(qū)形態(tài)和降水量的預(yù)報上均表現(xiàn)最優(yōu),具有較高的業(yè)務(wù)參考價值;CMA-GFS提前預(yù)報時效為6 d,但中心位置顯著偏東,強度偏弱;NCEP-GFS提前預(yù)報時效為7 d,但強度也偏弱。對強降水的持續(xù)時間預(yù)報。EC-HR在提前日數(shù)(提前8 d)及2 d以上暴雨日出現(xiàn)的區(qū)域預(yù)報方面性能最佳;NCEP-GFS持續(xù)時間預(yù)報偏短,但對于影響范圍的預(yù)報也有較好參考價值;CMA-GFS可用時效最短。

3) 強降水短期預(yù)報檢驗表明,各模式均可提前36 h預(yù)報出強降水落區(qū)和區(qū)域強度的變化趨勢,對2023年7月30日的預(yù)報面積與實況最為接近,中尺度模式可以更加精細地刻畫強降水落區(qū)形態(tài)和位置分布,尤以CMA-BJ為佳,但其存在預(yù)報偏強的特征;其余模式預(yù)報不同程度偏弱,其中CMA-GFS預(yù)報最為偏小,EC-HR整體預(yù)報較為穩(wěn)定,落區(qū)有一定的偏北或偏西,NCEP-GFS和CMA-MESO穩(wěn)定性較差。

4) EC-HR較CMA-GFS和NCEP-GFS提前3～4 d較好預(yù)報500 hPa高壓壩的建立和加強;EC-HR提前7 d預(yù)報925 hPa低壓倒槽及低空急流發(fā)展,但倒槽和急流強度偏弱,位置偏西偏北;CMA-GFS和NCEP-GFS預(yù)報倒槽偏南,均低估太行山地形對偏東風的強迫抬升作用,導致降水量預(yù)報明顯偏小。2023年7月30日強降水36 h預(yù)報檢驗表明:EC-HR對低層風場預(yù)報偏弱、倒槽位置偏西偏北、對流性降水預(yù)報不足等因素綜合作用,導致強降水強度偏弱,落區(qū)偏西偏北。

本文針對“23·7”特大暴雨過程進行多模式預(yù)報檢驗評估,提前7～8 d已有模式能預(yù)報出持續(xù)性強降水,為業(yè)務(wù)預(yù)報提供了有價值的信息;但各模式對于極端強降水的落區(qū)、強度等預(yù)報能力還存在不足,因而持續(xù)提高數(shù)值預(yù)報模式對極端性天氣的預(yù)報性能是未來的發(fā)展目標。此次天氣過程由臺風殘渦北上受高壓壩阻擋而形成,那么,殘渦北上的物理機制和數(shù)值預(yù)報模式對高壓壩預(yù)報偏差的原因等均需要深入分析,對持續(xù)性極端強降水預(yù)報提供更長的預(yù)報時效。