GRAPES_MESO模式對郴州一次強降水過程的預報檢驗

周宜卿　冷謙

摘 要：本文利用GRAPES_MESO模式數據、NCEP再分析資料和常規探空與地面資料、自動站資料等，對2019年6月10日郴州一次大暴雨過程的模式降水預報情況、環流形勢和物理量等進行天氣學檢驗。結果表明：GRAPES_MESO模式降水量預報隨著時效臨近，雨帶位置和強度誤差縮小，短期時效內的降水量預報，能較好地反應本次強降水的位置、范圍、強度，整體效果比GRAPES_GFS、EC細網格、日本中尺度模式好;對于9日20∶00—10日20∶00 24h的降水量，模式9日08∶00預報了郴州西部的大暴雨，落區偏西40km左右，中心值偏小30mm左右;對形勢場的預報誤差隨等壓面高度降低而增大，在一定程度上表明復雜地形對模式預報影響較大;850hPa風速輻合的漏報可能是降水量預報偏小的原因之一;模式對中層干侵入位置預報的偏差可能導致強降水位置偏離實況;對物理量場的預報不穩定，在本文檢驗的幾個物理量中，水汽通量散度預報效果最好，而郴州西部水汽通量散度負值中心的預報范圍和強度較實況偏小，可能是降水量偏小的重要原因之一;假相當位溫的預報效果好于k指數，對渦度和散度的預報效果不太理想，這可能與觀測資料較稀疏、無法體現中尺度對流系統的結構有關。

關鍵詞：GRAPES_MESO模式檢驗;強降水;郴州;預報檢驗

中圖分類號：S165

文獻標識碼：A

引言

暴雨是在一定環流背景下多尺度天氣系統相互作用產生的，而對物理量的診斷分析則能為強降水落區和強度預報提供依據。數值預報作為目前天氣預報主要的參考工具，其檢驗工作對現代天氣預報模式的本地化應用有著重要的作用，因此也受到廣大氣象學者的高度重視。由于降水在時空上的非線性特征，對降水的定量預報是天氣預報中面臨的最困難問題，也是數值模式檢驗評估的重要指標。定性、定量評估數值模式的預報性能，對模式存在的問題和不足進行檢驗，有助于研發人員和預報員了解數值模式的模擬性能，并能進一步推進數值天氣預報準確率的提高。對于模式的檢驗，主要有2方面的工作，定量化統計檢驗，主觀天氣學檢驗。天氣學檢驗，主要是按照預報員實際業務中的預報思路，從模式降水量、天氣過程發生發展的環流形勢和物理量等方面主觀分析和評估數值模式的預報性能，這對于預報員應用和訂正模式有很好的參考意義[1]。

GRAPES模式是我國自主發展的新一代數值預報系統，其確定性預報產品包括全球模式產品（GRAPES_GFS）、區域模式產品（GRAPES_MESO-10KM、GRAPES_MESO-3KM）、區域9km臺風模式產品（GRAPES_TYM）。目前，GRAPES_MESO使用的版本在區域變分同化系統、模式框架與物理過程、后處理產品開發及系統流程等方面進行優化后，降水ETS評分普遍提高，各量級降水的預報偏差明顯降低，雨帶分布更接近實況[2]。根據中國氣象科學研究院對2019年主汛期GRAPES_MESO模式的檢驗表明，GRAPES_MESO-3KM模式對24h內的晴雨預報評分高于ECMWF高分辨率預報產品，對降水頻次、強度分布與強度結構的預報明顯優于ECMWF模式[3]。很多研究表明，GRAPES_GFS模式在不涉及大范圍對流性降水時可參考性較高，而對于中尺度對流活動，則需結合GRAPES_MESO-3KM和GRAPES_MESO等高分辨模式進行雨帶、形態、強度的訂正[4]。

本文主要針對2019年6月10日郴州的大暴雨過程，從天氣學檢驗的角度，分析GRAPES_MESO模式對本地強降水發生發展的天氣形勢和物理量以及降水量的預報能力和誤差，為以后做更深入地研究分析和模式訂正應用打好基礎。

1 資料與方法

利用中國氣象數據網和CMAcast廣播下發的GRAPES_MESO（分辨率為10km×10km）、GRAPES_GFS（分辨率為0.25°×0.25°）模式預報場12h、24h降水量數據，風場、高度場和濕度場以及各種物理量場預報數據，郴州國家氣象站、自動氣象站的降水實況資料、探空資料和地面資料，以及NCEP逐6h再分析分析數據（分辨率為1°×1°）、EC細網格資料等數據進行分析。采用天氣學主觀檢驗方法，降水量檢驗用模式格點預報場填色圖直接和國家站點降水資料對比，通過直觀對比風場和高度場分布情況來檢驗天氣系統位置、強度，對于部分物理量場的水平和垂直分布分別繪圖對比檢驗。

2 降水量預報檢驗

2.1 降水實況

2019年6月9日20∶00—10日20∶00（圖1），郴州市7個國家氣象站出現了暴雨，2個大暴雨，自動氣象站上，郴州市除北部外全市大部出現了大到暴雨、局地大暴雨的降水，全市平均面雨量64.9mm，縣市區最大面雨量為106.7mm，全市共有大雨87站，暴雨151站，大暴雨68站。此次強降水范圍較廣、強度大、小時雨強較強，強降水主要出現在中南部，其中在西部地區有一大片大暴雨點，較強降水時段主要集中在10日01∶00—10∶00。

2.2 降水量檢驗

對比GRAPES_MESO模式8日20∶00、9日08∶00 2個時次起報的24h和12h降水量和實況降水量情況（圖2）。從各時效降水量預報調整來看，模式預報隨著時效臨近，雨帶位置和強度誤差縮小，在8日14∶00及之前的時次，模式都沒有預報出湘南的強降水，到8日20∶00報出了郴州地區的大暴雨，但雨帶位置偏東，9日08∶00起報的雨帶和雨強效果都較好，不足之處是強降水中心位置比實際情況略偏西40km左右，中心值雖為大暴雨量級但偏小30mm左右。對比GRAPES全球模式（圖略），GRAPES_MESO模式預報效果比GRAPES_GFS更好，8日20∶00GRAPES_GFS模式預報雨帶較實況偏北，9日08∶00起報雨帶較8日20∶00往南調整，但與實況雨帶還是有所偏差，最強中心量偏小100mm。再對比日常業務常用的EC細網格模式（圖略），8日20∶00起報的降水量有2個大暴雨中心，分別位于實況大暴雨中心的東西兩側，落區預報不太準確，9日08∶00調整的預報場，在量級上與實況基本相同，但是大暴雨的范圍太大，把整個湘南地區基本都報了大暴雨。日本中尺度模式（圖略）8日20∶00預報的強降水雨帶偏北，9日08∶00的預報場則量級小，大暴雨漏報。

3 天氣形勢檢驗

3.1 天氣形勢分析

2019年6月9日（圖3），中高緯為兩槽一脊型，東北地區存在一冷渦，槽后西北氣流引導冷空氣南下，副高脊線位于N20°～22°，呈東西向帶狀分布，分布形態不利于水汽輸送，中低緯地區多從青藏高原東移的短波槽或來自西北地區的下滑槽。

9日08∶00 500hPa上郴州位于小槽槽后，在上游貴州南部還有一個小槽東移，2個小槽之間是弱脊區，700hPa切變呈東北西南向位于江西北部到湘西一帶，低渦位于重慶到貴州北部附，850hPa切變線分2段，東段是冷切形式在湘東北地區，西段是暖切形式，位置偏南，此時廣西北部到永州西南部位于暖切南側急流區內，有風速輻合，而郴州市位于冷切南側，切變還距離較遠，并且沒有明顯的風速輻合，925hPa切變位于湘中稍偏南一帶，700hPa、850hPa急流位于華南中北部。到9日20∶00，925hPa切變穩定少動還是位于湘中稍偏南一帶，850hPa東段切變南壓，追趕上925hPa，兩層系統較垂直，而500、700的系統已經超前于850、925的切變，前傾槽在移動過程中，槽后的干冷空氣疊加于低層槽前的暖濕空氣之上，增加了氣柱的對流不穩定度，這是10日凌晨暴雨產生的重要原因之一，加之郴州市處于850hPa和925hPa急流出口處，有風速輻合，加劇降水。925hPa切變在10日20∶00逐漸南壓移出郴州，本次降水過程結束。

3.2 主要影響系統檢驗

總體來說，模式能較好地預報高緯環流變化，對500hPa（圖4）西風帶槽脊位置、高低壓環流位置和強度預報效果較好，72h時效預報模式已經比較穩定地預報出郴州位于槽后位置。對西太平洋副高的強度、形狀、脊線和西伸脊點位置預報也比較準確，但是8日20∶00起報對副高的位置預報偏北2個緯度左右，這有可能是8日20∶00起報的雨帶偏北的原因之一，到9日08∶00基本正確，隨著積分時間增加，槽脊的位置移動偏快。850hPa（圖5）上，8日20∶00起報的風場在郴州東側輻合更清楚，這與強降水中心預報偏東可能有關，而9日08∶00起報則在西部輻合更明顯，2個時刻作為初始場的預報效果都較好，但對于郴州附近的風速輻合沒有預報出來，這可能是降水偏小的原因之一。700hPa和925hPa（圖6）上，8日20∶00起報系統移動滯后，可能導致對強降水預報開始時間偏晚，9日08∶00起報的更接近實況。預報場幾個層次的風速都略偏強，這也可能與實況觀測較稀疏、再分析資料分辨率低于預報資料有關。

沿著郴州站點所在緯度（N25.8°）做10日02∶00的風場垂直剖面圖（圖7），從圖中可以看出郴州市（E112°～113°附近）位于高空槽后，低層為西南風。在郴州西部（E112°，大暴雨中心）附近，上干下濕的特征較明顯，使位勢不穩定度增大，結合形勢場分析，干空氣可能來源于高空槽后西北氣流。2個時次的預報場都預報出來上干下濕的分布情況，8日20∶00預報場對中層槽的移動速度估計偏慢，導致槽位置偏西，對850～925hPa的預報較實況移動更快，但對1000hPa的系統預報較好，9日08∶00起報預報場對中層槽以及低層切變線的位置預報與實況接近，但1000hPa系統預報速度偏快，對中層干侵入位置較實況偏西，這可能是降水量大值中心偏西的原因之一。對比模式其它時次垂直剖面場發現，近地層預報場不穩定，且誤差偏大，這可能與地形以及模式地形處理有關。

4 物理量檢驗

4.1 水汽條件檢驗

從實況來看，在降水最強階段，有從廣西北部延伸至郴州西部的水汽輸送帶，位于大暴雨區上風方，中心最強達16g·kg-1（圖8），為暴雨過程提供水汽輸送。盡管在模式的初始場上就存在濕度比實況大的情況，但經過時間積分后，模式在24h內對濕度場的預報效果較好，與實況基本接近。2019年6月8日20∶00起報和9日08∶00起報的預報場均刻畫了此次強降水的水汽輸送通道，但臨近預報時刻更接近實況，最強中心值也基本相同。

再分析水汽通量散度，9日14∶00在郴州上空水汽是輻散的，不利于水汽抬升，到9日20∶00郴州市上空變成水汽輻合區，特別是西部，有利于水汽的垂直輸送，10日02∶00（圖9）水汽通量散度值進一步加大，達到-60×10-7g·（hPa·cm2·s）-1整個強降水期間，郴州在水汽通量梯度最大區域，類似于有濕舌存在，在梯度最大區是水汽輻合較強區域。8日20∶00起報的水汽通量散度在強降水時段把水汽通量散度負值大值中心報得偏東，中心值弱，這與其降水量大值中心偏東，降水量偏小相對應，而到9日08∶00起報的預報場，對郴州西部的水汽通量散度負值中心有所體現，但是范圍和強度較實況小，特別是小于-10×10-7g·（hPa·cm2·s）-1的區域，這可能是模式對降水量預報偏小的重要原因之一。

4.2 能量條件檢驗

在整個強降水過程當中850hPa與500hPa的假相當位溫差值大于0，大氣處于對流不穩定狀態（圖略）。k指數（圖10左）大值區位于永州一帶，中心達到40以上，出現了不規則的Ω型，郴州特別是西部地區位于k指數Ω型東側拐點梯度大值區附近，這里是較強的冷暖交匯區，有利于觸發暴雨中尺度系統。8日20∶00起報的k指數（圖11左上）分布形態與實況相差甚遠，甚至相反，高能區及梯度大值區預報在郴州東部，與其預報的強降水中心位置對應，9日08∶00模式（圖11右上）對k指數的預報場看出，雖沒有呈現出Ω型，但高能區在郴州西部，與實況類似，中心最大值也和實況吻合。分析10日02∶00假相當位溫分布（圖10右）情況來看，從廣西北部到永州有1條明顯的假相當位溫的高能舌，配合西南急流，有不穩定能量輸送到郴州地區，郴州西部位于能量鋒區，有利于觸發中尺度對流系統。從預報場分布情況來看，8日20∶00（圖11左下）起報的假相當位溫和高能舌都在郴州東部，與其預報的強降水中心位置對應，到9日08∶00（圖11右下），模式預報的假相當位溫分布形態與中心值大小都與實況非常相似，預報效果優于k指數，這可能與k指數的計算需要使用幾層數據有關。

4.3 動力條件檢驗

分析高層和低層的渦度和散度場（圖12、13）來看，郴州中西部強降水發生時，600～200hPa均為輻散區，雖然散度值不大，但從9日20∶00—10日08∶00一直處于輻散狀態;在低層則有明顯的輻合，10日02∶00在桂陽站有-3×10-5·s-1的輻合中心，表明附近有強烈的上升運動，與桂陽站10日后半夜至早上的部大暴雨實況對應較好。9日晚開始低層正渦度開始加強并向高層發展，10日02∶00—14∶00 500hPa以下全部為深厚的正渦度區，850hPa最大渦度值達到6×10-5·s-1。從預報場來看，低層比高層的預報效果更好，8日20時起報的850hPa正渦度和輻合中心均位于郴州東部，而9日08時起報的分布形態與實況接近，正渦度和輻合區都位于郴州西部。對于200hPa而言也是臨近時次接近于實況，預報場預報了高層的輻散，但在負渦度中心南側有1個正渦度中心，而實況場沒有，這可能與中尺度對流系統的分布結構有關。

5 小結

GRAPES_MESO模式降水量預報隨著時效臨近，雨帶位置和強度誤差縮小，對短期時效內的降水預報，能較好地反應本次強降水的位置、范圍、強度，整體效果特別是對于中尺度對流降水的預報效果優于EC細網格、GRAPES_GFS、日本中尺度模式。模式9日08∶00起報預報了郴州西部的大暴雨，落區偏西40km左右，中心值偏小30mm左右。

模式能較好預報出副高位置、強度和高緯環流變化，850hPa風速輻合沒有預報出來可能是降水量預報偏小的原因之一，對近地層的預報不穩定，誤差偏大，這可能與地形和模式資料同化、地形處理有關。

模式對中層干侵入預報效果較好，但其位置的偏差可能導致強降水區位置偏離實況。對于物理量場的預報，從本文選取的比濕、水汽通量散度、k指數和高低層渦度、散度預報檢驗來看，模式預報不穩定，臨近時刻（2019年6月9日08∶00）起報的預報場與實況更接近。

水汽通量輻合中心與大暴雨區對應關系較好，而檢驗9日08∶00起報的幾個物理量，模式對水汽通量散度預報效果最好，對郴州西部水汽通量散度負值中心的預報范圍和強度較實況偏小，這可能是模式降水量預報偏小的重要原因之一。

模式對假相當位溫的預報效果好于k指數，能預報出高能舌的位置，對渦度和散度的預報，低層與實況更接近，高層預報效果較差，這可能與觀測資料較稀疏，無法體現中尺度對流系統的結構有關。

參考文獻

[1]?吳晶，李照榮，顏鵬程，等.西北四省（區）GRAPES模式降水預報的定量評估[J].氣象，2020，46（03）：346-356.

[2]黃麗萍，陳德輝，鄧蓮堂，等.GRAPES_[KG-*6]MESOv4.0主要技術改進和預報效果檢驗.應用氣象學報，2017，28（1）：25-37.

[3]鐘有亮，陳靜，王靜，等. GRAPES區域集合預報系統對登陸臺風預報的檢驗評估[J].熱帶氣象學報，2017，33（6）： 953-964.

[4]黃麗萍，陳德輝，鄧蓮堂，等.GRAPES_MESOv4.0主要技術改進和預報效果檢驗[J].應用氣象學報，2017，28（01）：25-37.

（責任編輯 周康）