ECMWF細網格數值預報產品在山東汛期強對流天氣預報中的檢驗

丁 凡，安婷婷，陳小蘇，程 月,潘 玲

(1.日照市氣象局，山東日照 276800；2.張掖市氣象局，甘肅張掖 734000 )

強對流天氣是大氣不穩定能量釋放的產物，主要包括雷雨大風、冰雹、龍卷風、局部強降雨等。由于發生突然、移動迅速、產生的天氣現象劇烈、破壞力極強，一直是天氣預報的重點和難點[1-5]。隨著預報技術的不斷發展，數值預報已經成為預報員制作強對流天氣預報不可缺少的工具，尤其是ECMWF模式，在強對流預報中發揮著舉足輕重的作用；但是由于數值模式的預報結果受到邊界條件、地形、物理過程及初始場等諸多因素的影響，使得模式預報的要素在量級和時空分布上與實況有著不同程度的差異[6-8]。因此了解數值模式產品的預報性能、掌握模式存在的問題和不足并對其加以訂正和評估[9-11]，可以有效提高預報員的模式應用和訂正能力，提高天氣預報的準確率，從而取得更好的預報效果。

目前，學者們運用了多種新技術、新方法對不同模式下降水預報的各個方面進行了大量研究[12-16]，主要為不同區域、不同時段、不同要素預報效果的分析檢驗。通過對不同模式產品進行大量主客觀檢驗與評估，使預報員的預報技術得到明顯提高。鄭婧[17]給出了預報西北氣流下特大暴雨的著眼點和預報概念模型以及訂正模式降水的思路。曲巧娜[18]對多種模式的強降水落區進行了檢驗,結果表明EnWRE和EC-thin降水落區的預報優于其它模式，并且表現出一定的互補性。諶蕓[19]對北方一次暖區大暴雨降水預報失敗案例進行剖析，結果表明高溫高濕的環境中未能捕捉到可觸發對流的次天氣及以下尺度的小擾動，加之對中尺度對流系統環境場條件的精細分析不足是導致強降水預報量級偏弱的重要因素。本文對細網格模式產品(下簡稱EC產品)的形勢場、物理量場、強降水中心量級進行主客觀檢驗分析，旨在研究EC產品對強對流天氣的影響系統、關鍵物理量及降水量大小的預報效果，為數值模式產品的訂正提供參考，以期提高天氣預報準確率。

1 資料和強對流過程的選取

利用2018—2019年發生在山東省汛期6—9月的20次強對流過程(表1)，對與暴雨相對應的歐洲中心0.25°×0.25°EC產品08時起報的24 h、48 h的預報場進行檢驗，將預報場與NCEP1°×1°再分析資料及常規觀測資料進行對比，主要檢驗20次強對流過程中系統的位置及移速、物理量大小、降水中心量級與范圍等。檢驗內容為強對流天氣影響系統(500 hPa副熱帶高壓、500 hPa西風槽)、關鍵物理量(低層濕度、500 hPa與850 hPa溫度差(T500-850)、0 ℃層與-20 ℃層高度、K指數、LI指數(抬升指數)、CAPE值)、強降水中心降水量及降水范圍。

表1 2018—2019年6—9月山東省20次強對流天氣過程影響系統

2 預報效果檢驗分析

2.1 影響系統

2.1.1 500 hPa西風槽 表2為2018—2019年山東省汛期強對流發生時EC產品24 h、48 h預報時效內500 hPa西風槽的預報結果，其中用500 hPa環流形勢場上三條特征線與槽交點的經緯度的平均值來確定西風槽的強度和移速，規定該特征線為576、580、584 dagpm線。經度偏差為預報經度與實況經度之差，當-1°≤經度偏差≤1°時，西風槽移動速度預報與實況相一致；經度偏差>1°時，則西風槽移動速度預報偏快；經度偏差<-1°時，則預報移速偏慢。緯度偏差為預報緯度與實況緯度之差。當-1°≤緯度偏差≤1°時，西風槽強度預報與實況相一致；緯度偏差>1°時，則預報強度偏弱；緯度偏差<-1°時，則預報強度偏強。

對西風槽強度的預報，EC產品24 h預報效果與48 h預報效果一致，預報準確率均為80%。當預報與實況不一致時，除48 h有1次漏報之外，其余預報緯度均比實況低，強度預報偏強，偏強誤差在2.3個緯度以內。EC產品對西風槽移動速度的預報隨著預報時效的延長，預報效果變差，24 h預報準確率為80%，48 h預報準確率為70%。預報移速偏快或偏慢的次數幾乎相當，24～48 h預報時效內，偏快4次，偏慢5次，經度誤差均在4.3°以內。由此看出，EC產品對西風槽的移速和強度的預報相對較好，除48 h的移速預報準確率為70%外，其余預報準確率均達到了80%，具有較好指示意義。

表2 EC產品對山東省2018—2019年6—9月20次強對流天氣500 hPa西風槽預報強度和移速檢驗 單位：次

2.1.2 500 hPa副熱帶高壓 副熱帶高壓(下簡稱副高)是制約大氣環流變化的重要成員之一，是控制熱帶和副熱帶地區的、持久的、大型天氣系統之一。副高北界的位置變動與山東省天氣變化有著極其密切的關系。通過檢驗2019年山東省汛期暴雨發生時EC產品預報的24 h、48 h預報時效內120°E上588 dagpm線最北界的緯度值，來分析EC產品對副高北界的預報能力。規定120°E上588 dagpm的副高緯度偏差為預報緯度值與實況緯度值之差，當-1°≤副高緯度偏差≤1°時，副高北界位置預報正確；當副高緯度偏差<-1°時，副高北界位置預報偏南；當副高緯度偏差>1°時，預報偏北。

通過檢驗可以看出，對副高北界的預報，48 h預報準確次數僅比24 h多1次，預報效果略優于24 h，預報能力大致相當，準確率在80%以上。24 h預報時效內有16次過程預報正確，2次過程偏北，1次過程偏南，1次漏報；48 h預報時效內有17次過程預報正確，3次過程預報偏北。可以看出，EC產品對副高北界預報誤差以偏北為主，且誤差均在2.3°以內，總體誤差較小。出現偏差的過程中，僅有一次過程24 h與48 h預報與實況均不一致，有3次過程24 h預報與實況不一致而48 h預報正確，有兩次過程48 h預報偏北而24 h預報正確。總體而言，EC產品對副高北界預報效果較好，具有較好的指示意義。

2.2 物理量

2.2.1 特殊高度檢驗 在做冰雹預報時，除天氣形勢分析之外，0 ℃層和-20 ℃層高度的探空分析是首先需要注意的。一般來說，冰雹都發生在0 ℃層和-20 ℃層高度適宜的條件下，因此，模式預報的特殊高度的準確度對預報員判斷未來有無冰雹發生有著極其重要的作用。規定當模式的預報結果與實況之差的絕對值小于等于200 m時，預報正確，大于200 m時預報錯誤。

通過檢驗可知，EC產品對0 ℃層高度預報的準確率達到100%，誤差在200 m以內，預報效果非常好。但是，其對-20 ℃層高度的預報效果不太理想，24 h預報時效內有11次預報正確，3次高度偏高，6次偏低，9次預報失誤的誤差絕對值的平均值為352 m；48 h預報時效內有12次預報正確，3次偏高，5次偏低，8次預報失誤的誤差絕對值的平均值為402 m。由此看出，24 h和48 h預報時效內的誤差均以偏低為主，雖然48 h時效的預報準確率略高于24 h，但48 h預報錯誤過程的誤差絕對值的平均值卻大于24 h。

2.2.2 能量指標 大氣對流是有效能量之間的相互轉換和釋放，對流有效位能(CAPE)從理論上反映出對流上升運動可能發展的最大強度，是可以轉化為動能的位能，近年來有廣泛的應用。規定CAPE的EC產品預報值與實況值之差的絕對值小于等于200 J/kg為預報準確，大于200 J/kg為預報錯誤。

通過分析CAPE值絕對誤差發現，EC產品對CAPE的預報效果較差，24 h預報時效內成功預報4次，偏大16次，偏小0次，16次偏大的誤差絕對值的平均數為1 330 J/kg；48 h預報時效內成功預報3次，偏大17次，偏小0次,17次偏大的誤差絕對值的平均值為1 510 J/kg。由此看出，EC產品預報CAPE的準確率較低，誤差較大，且均以偏大為主。

2.2.3 熱力不穩定指數 穩定度分析是對流天氣診斷和分析常用的方法。在預報業務中，常常用一些指數表示大氣的穩定度。參與檢驗的指數為K指數、LI指數和500 hPa與850 hPa溫差(T500-850)，并且規定，EC產品的預報值與實況值之差的絕對值小于等于2 ℃時，預報正確，大于2 ℃時預報錯誤。

分析K指數發現，EC產品24 h預報準確率略高于48 h。24 h的預報準確率為65%，13次預報正確，4次預報偏大，3次預報偏小；48 h預報準確率為60%，12次預報正確，5次預報偏大，3次預報偏小。由此看出，EC產品對K指數的預報效果一般，但仍具有一定的指示意義。

分析抬升指數發現，無論是24 h還是48 h，EC產品準確預報的過程次數為0次，且預報的數值均為偏大，都在0 ℃以上，因此EC產品對LI指數的預報無指示意義。

分析T500-850發現，EC產品對其預報效果較好。24 h、48 h的預報準確率分別為90%、80%，誤差來源均為溫差偏小，24 h偏小2次，48 h偏小4次，且24 h、48 h的誤差分別在-2.5 ℃、-3 ℃以內，準確率較高，具有很好的指示意義。

由此看出，EC產品對熱力不穩定指數的預報效果參差不齊，差別較大，T500-850的預報效果最好，其次為K指數，效果最差為LI指數。

2.2.4 低層濕度 水汽條件對強對流天氣的發生發展有著極其重要的作用，通過地面露點溫度、925 hPa比濕及850 hPa比濕來檢驗EC產品對水汽的預報能力。規定預報與實況值之差的絕對值地面露點溫度小于等于2 ℃或比濕小于等于2 g/kg時，預報正確，反之，預報錯誤。

EC產品對2 m露點溫度的預報與實況幾乎一致。24 h預報準確率為100%，48 h僅有1次與實況不一致，預報準確率為95%， 效果非常好。

EC產品對925 hPa比濕的預報準確率很高，24 h只有1次與實況不一致，預報準確率為95%，48 h有2次與實況不一致，預報準確率為90%，3次預報失誤的原因均為預報偏大，且誤差在3 g/kg以內，預報效果非常好。

EC產品對850 hPa比濕的預報效果較好，24 h的預報準確率高于48 h，分別為90%、80%。除48 h有一次比濕預報偏小外，其余誤差均為比濕預報偏大，誤差在3 g/kg以內，具有較好的指示意義。

由此可見，EC產品對低層濕度的預報效果較好，預報準確率2 m露點溫度>925 hPa比濕>850 hPa比濕，誤差以偏大為主，隨著高度的降低，預報準確率升高，隨著時效的延長，預報準確率降低。

2.3 強降水中心

首先將EC產品預報的強降水中心與實況強降水中心的降水量差值進行檢驗(表3)，發現在強對流過程中，EC產品預報的降水量最大值一般小于實況。24 h預報時效內，有3次降水量預報值偏大，17次預報值偏小，最大負偏差達到-115 mm，平均負偏差為-45.7 mm。在7次暴雨以下量級的降水過程中，有5次過程降水量預報中心值比實況小10 mm以上；13次暴雨及以上的降水過程中，有10次偏差小于-20 mm，5次偏差小于-50 mm，3次偏差小于-100 mm。48 h預報時效內，有4次預報值偏大，16次預報值偏小，最大負偏差達到-136 mm，平均負偏差為-54.6 mm。在7次暴雨以下量級的降水過程中，有5次過程預報的中心值比實況小10 mm以上，13次暴雨及以上量級的降水過程中，有8次偏差小于-20 mm，有6次偏差小于-50 mm，有3次偏差小于-100 mm。

其次，對強對流過程中中雨及以上量級的降水范圍進行檢驗，規定其預報值與實況值之差的絕對值小于等于實況值的1/4為預報正確，大于實況值的1/4預報錯誤。經檢驗可知，模式預報的中雨及以上量級的降水范圍一般小于等于實況。EC產品24 h內預報中雨及以上量級的降水范圍與實況一致9次，偏小10次，偏大1次；48 h預報降水范圍與實況一致5次，偏小13次，偏大2次。

表3 EC產品強降水中心降水量預報與實況差值

3 結論

(1)EC產品對500 hPa西風槽和副高的預報相對較好，除48 h的西風槽移速預報效果較差，其余時次的預報準確率均達到了80%。

(2)EC產品對0 ℃層高度預報的準確率達到100%，但對-20 ℃層高度24 h和48 h的預報準確率僅為55%、60%。EC產品對CAPE值24 h和48 h的預報準確率僅為20%、15%，且誤差均以偏大為主。EC產品對熱力不穩定指數的預報效果參差不齊，T500-850的預報效果最好，其次為K指數，效果最差的為LI指數。EC產品對低層濕度的預報準確率均在80%以上，預報效果2 m露點溫度>925 hPa比濕>850 hPa比濕，誤差以偏大為主。

(3)EC產品預報強對流過程的降水量最大值一般小于實況，預報中雨及以上量級降水的范圍一般小于等于實況。