黃南州“4·23”暴雪天氣過程數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)

彭英超 宋仙芳 郭安欣

（黃南藏族自治州氣象局，青海 同仁 811399）

0 引言

暴雪是我國北方冬季常見的災(zāi)害性天氣，黃南州大到暴雪主要集中在11 月至次年4 月。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃南北部最早出現(xiàn)降雪是在11 月，最晚到次年4 月，其中9 月、6 月降雪頻率較少，即使達(dá)到大雪標(biāo)準(zhǔn)，由于積雪時(shí)間不長、融化快，也不易成災(zāi)；南部最早出現(xiàn)降雪在9 月，最晚到次年6 月結(jié)束，其中11 月至次年3 月大雪極易造成雪災(zāi)，特別是進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代以后，青南高原地區(qū)降水量呈明顯增多趨勢，造成青南高原冬、春季雪災(zāi)增多。

許多氣象工作者對此做了大量的深入研究，閻訪等［1］通過對一次秋季暴雪的診斷分析發(fā)現(xiàn)925 hPa 存在的超低空東北風(fēng)急流是暴雪的啟動(dòng)機(jī)制；付偉等［2］分析了六種數(shù)值模式對蕪湖市的降水預(yù)報(bào)的優(yōu)劣性，發(fā)現(xiàn)了各模式對降水的TS評分有冬季較好、夏季較差的特點(diǎn)；屠妮妮等［3］對成都區(qū)域氣象中心有限區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式和中國氣象局全球T213 和T639 模式預(yù)報(bào)的日降水檢驗(yàn)結(jié)果的分析表明: T213 和T639 模式對小雨預(yù)報(bào)正確率常高于其他模式。胡玲等［4］分析4 次暴雪過程均屬于回流型降雪。孫秀忠等［5］得出東北地區(qū)山地降雪比平原明顯。崔粉娥等［6］對多家數(shù)值產(chǎn)品沿海大暴雨預(yù)報(bào)性能檢驗(yàn)。高松影等［7］得出日本數(shù)值對暴雨預(yù)報(bào)的TS 評分為21.8%，具有一定預(yù)報(bào)能力。數(shù)值模式是預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中必不可少的工具，隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)值預(yù)報(bào)的種類越來越多，如何運(yùn)用好數(shù)值預(yù)報(bào)是每一個(gè)預(yù)報(bào)員必須深入研究和探討的問題。本研究將對2022 年4 月23 日出現(xiàn)的暴雪天氣進(jìn)行數(shù)值模式檢驗(yàn)分析，以期為檢驗(yàn)各種數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品對強(qiáng)降雪的預(yù)報(bào)能力，提高本地暴雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供參考。

1 資料與方法

本研究選取在2022 年黃南州出現(xiàn)的一次最強(qiáng)暴雪天氣過程（四個(gè)國家站及區(qū)域自動(dòng)站24 h累計(jì)降雪量≥10 mm），通過采用天氣學(xué)分析、對比分析法，利用EC-thin,CMA-3KM 和CMA-GFS 三種模式進(jìn)行與暴雪個(gè)例實(shí)況對比評估。高空形勢場采用08 時(shí)、20 時(shí)的實(shí)況觀測資料如風(fēng)場、高度場等各類要素，分別對24 h、48 h 及72 h 不同時(shí)次進(jìn)行大尺度環(huán)流背景和中尺度系統(tǒng)檢驗(yàn)對比分析。降水預(yù)報(bào)通過逐3 h、6 h 及24 h 進(jìn)行檢驗(yàn)對比，通過預(yù)報(bào)與實(shí)況的對比分析，檢驗(yàn)各個(gè)模式的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性，以求在今后的降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中更好地運(yùn)用各類數(shù)值預(yù)報(bào)，對降雪的量級(jí)和落區(qū)做出更準(zhǔn)確的預(yù)判。

2 降雪實(shí)況

2022 年4 月23 日至24 日，黃南州出現(xiàn)一次最強(qiáng)暴雪（24 h累計(jì)降雪量≥10 mm）天氣過程，其中北部尖扎、同仁以降雨為主，中南部出現(xiàn)區(qū)域性暴雪，范圍為同仁、澤庫、河南平均海拔在3 200 m 以上的地區(qū)，共計(jì)14 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雪（如圖1 所示），降雪中心位于河南縣優(yōu)干寧鎮(zhèn)澤雄村23.6 mm，河南本站17.4 mm（雪深2 cm）、澤庫本站11.7 mm（雪深2 cm），河南寧木特鎮(zhèn)19.7 mm、河南托葉瑪鄉(xiāng)夏吾特村19.2 mm、河南賽爾龍鄉(xiāng)18.7 mm、同仁多哇鄉(xiāng)17.2 mm、澤庫恰科日鄉(xiāng)：16.6 mm、河南多松鄉(xiāng)多松村15.2 mm、河南優(yōu)干寧鎮(zhèn)啟龍牧場14.4 mm、河南托葉瑪鄉(xiāng)吾特村13.9 mm、澤庫特克崔爾山埡口13.3 mm、同仁瓜什則鄉(xiāng)力吉村10.8 mm、河南賽爾龍鄉(xiāng)尖克村10.7 mm。

圖1 黃南州4月23日至24日暴雪實(shí)況空間分布

3 模式檢驗(yàn)分析

3.1 環(huán)流形勢預(yù)報(bào)誤差

從500 hPa 高度場的模式對比來看（如圖2 所示），EC、CMA-GFS 不同時(shí)次起報(bào)場均對4 月23日20 時(shí)黃南州的高原槽提前有所預(yù)報(bào)，可以看到，CMA-GFS 模式對于高原槽預(yù)報(bào)較EC 穩(wěn)定且準(zhǔn)確，基本與實(shí)況吻合，而EC 越靠近臨近時(shí)次預(yù)報(bào)越準(zhǔn)確，72 h、48 h 預(yù)場中的高原槽均比實(shí)況淺。24 h 兩家模式預(yù)報(bào)場中576 dagpm 較實(shí)況均偏東1個(gè)經(jīng)距，偏北1～2個(gè)緯距；48～72 h EC 預(yù)報(bào)場中576 dagpm 較實(shí)況偏北1 個(gè)緯距，CMA-GFS 預(yù)報(bào)場中的576 dagpm 與實(shí)況基本吻合；從槽線移速來看，兩家模式均預(yù)報(bào)槽線移速比實(shí)況快，24 h 實(shí)況是槽線在青海東部維持較久，這也是在黃南州出現(xiàn)暴雪的原因之一。

圖2 4月23日20時(shí)24 h 500 hPa高度場與EC和CMA-GFS預(yù)報(bào)場

3.2 降雪量預(yù)報(bào)誤差

3.2.1 24 小時(shí)降雪預(yù)報(bào)誤差分析。EC、CMAGFS 均預(yù)報(bào)出了此次降水過程，且預(yù)報(bào)出青海東部至果洛地區(qū)出現(xiàn)5～10 mm 降水的可能性，但對降水中心的落區(qū)及降水量級(jí)預(yù)報(bào)有較大差異。其中，CMA-GFS 三個(gè)時(shí)次起報(bào)產(chǎn)品均將較大降水報(bào)在了河南賽爾龍、多松一帶，降雪落區(qū)與實(shí)況不符，且預(yù)報(bào)量級(jí)偏小10 mm 左右，預(yù)報(bào)效果差。EC 將較大降水報(bào)在澤庫地區(qū)，且隨著時(shí)間臨近，降水落區(qū)南壓至河南地區(qū)，且有向大調(diào)整的趨勢與實(shí)況更為接近，EC 模式22 日、23 日08 時(shí)起報(bào)的產(chǎn)品均給河南局地預(yù)報(bào)了10 mm 以上的降雪，且在最近起報(bào)時(shí)次產(chǎn)品中，預(yù)報(bào)黃南北部地區(qū)降水量在8～13 mm 與實(shí)況極為接近。綜合以上，EC 模式對此次降水的落區(qū)、強(qiáng)度的把握明顯優(yōu)于CMA-GFS模式，且臨近時(shí)次預(yù)報(bào)效果最佳。

3.2.2 6小時(shí)降雪預(yù)報(bào)誤差分析。此次降水過程中河南的降水集中出現(xiàn)在23 日20 時(shí)至24 日05時(shí)左右，選取23日20時(shí)至24日02時(shí)內(nèi)的降雪實(shí)況與模式預(yù)報(bào)6 h 降水量產(chǎn)品進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)EC模式對于寧木特鎮(zhèn)、優(yōu)干寧鎮(zhèn)及托葉瑪鄉(xiāng)預(yù)報(bào)了12 mm 以上的降水，多松鄉(xiāng)、賽爾龍鄉(xiāng)降水量7～9 mm，與實(shí)況相比，除多松鄉(xiāng)、賽爾龍鄉(xiāng)預(yù)報(bào)值偏小4～6 mm，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)與實(shí)況基本一致。因CMA模式的6小時(shí)降水資料缺失，此部分無法分析。EC模式對于河南地區(qū)預(yù)報(bào)量級(jí)及降水中心基本與實(shí)況吻合，預(yù)報(bào)效果較佳，參考性較強(qiáng)。

3.2.3 3小時(shí)降雪預(yù)報(bào)誤差分析。此次降雪過程的降水量集中時(shí)段為23日23時(shí)至24日03時(shí)，針對該時(shí)段分別采用EC 與CMA-3KM 模式的3 小時(shí)降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)。兩種模式在3h 降水預(yù)報(bào)中對此階段降水均有體現(xiàn)，EC模式對于河南優(yōu)干寧鎮(zhèn)、寧木特鎮(zhèn)及托葉瑪鄉(xiāng)的大值區(qū)有所體現(xiàn)，但預(yù)報(bào)優(yōu)干寧鎮(zhèn)降水量5～7 mm，實(shí)況出現(xiàn)了9.6 mm，較實(shí)況偏小2～4 mm，對于寧木特鎮(zhèn)及托葉瑪鄉(xiāng)的降水預(yù)報(bào)均偏大1 mm，賽爾龍鄉(xiāng)的降水預(yù)報(bào)偏小2 mm。CMA-3KM 模式對于降水中心的體現(xiàn)比EC 模式更明顯，其對于寧木特鎮(zhèn)及托葉瑪鄉(xiāng)的降水預(yù)報(bào)與實(shí)況基本一致，但對于優(yōu)干寧鎮(zhèn)的降水量較實(shí)況偏小4 mm 左右，賽爾龍鄉(xiāng)偏大6 mm 左右。綜合考慮，對于3 小時(shí)降水兩種模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品均能提前預(yù)報(bào)，對于降水中心而言，CMA-3KM 模式優(yōu)于EC 模式，降水量預(yù)報(bào)兩種模式均偏差2～4 mm。

3.3 物理量場分析

由于降水發(fā)生在23 日夜間，考慮到各個(gè)物理量場無實(shí)況，因此選用預(yù)報(bào)零場作為實(shí)況，對23 日20時(shí)各個(gè)物理量場預(yù)報(bào)情況進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

3.3.1 水汽條件。從500 hPa 的相對濕度預(yù)報(bào)場來看，EC 模式中三個(gè)時(shí)次均預(yù)報(bào)23 日20 時(shí)黃南南部地區(qū)相對濕度達(dá)90%以上，局地達(dá)到100%，不同時(shí)次起報(bào)的預(yù)報(bào)場中濕度大值區(qū)的范圍雖然有所調(diào)整，但調(diào)整幅度不大，對降水中心優(yōu)干寧鎮(zhèn)地區(qū)的相對濕度預(yù)報(bào)值一直在95%左右，與預(yù)報(bào)零場也較為吻合。CMA-GFS 模式中對于黃南南部的濕度大值區(qū)也有提前預(yù)報(bào)，21 日08 時(shí)起報(bào)的濕度場中心值在95%左右，在臨近時(shí)次的預(yù)報(bào)場中，降水中心的濕度值明顯增大，且維持時(shí)間較久，為降水提供充沛的水汽條件。在此次降水過程中，對于水汽的預(yù)報(bào)兩種模式體現(xiàn)均較好，尤其是臨近時(shí)次的預(yù)報(bào)與實(shí)況場更為接近，預(yù)報(bào)效果更佳。

3.3.2 動(dòng)力條件。從500 hPa 的散度預(yù)報(bào)場來看，EC 模式中三個(gè)起報(bào)時(shí)次均顯示黃南西部一帶負(fù)的散度場，有明顯的上升運(yùn)動(dòng)，夜間在澤庫與河南中北部穩(wěn)定維持，為降水提供了有利的上升運(yùn)動(dòng)。CMA-GFS 模式21 日08 時(shí)將負(fù)的散度區(qū)預(yù)報(bào)在海南州，與實(shí)況相比略偏西，在臨近時(shí)次的預(yù)報(bào)中散度場負(fù)的大值區(qū)往東調(diào)整，但與實(shí)況相比還是存在誤差，綜合考慮，此次降水過程中對于動(dòng)力條件的預(yù)報(bào)中，EC模式預(yù)報(bào)效果較優(yōu)。

3.4 降水預(yù)報(bào)評分檢驗(yàn)

TS 評分主要反映了數(shù)值模式對降水量級(jí)有效預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確程度。本研究內(nèi)容通過“多模式多要素集約化氣象預(yù)報(bào)檢驗(yàn)系統(tǒng)”查找各類模式檢驗(yàn)情況進(jìn)行分析。此次暴雪過程降水主要集中出現(xiàn)在23日08 時(shí)至24 日08 時(shí)，利用主要降水時(shí)段的實(shí)況降水量對08時(shí)次和20時(shí)次起報(bào)的數(shù)值模式降水預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)內(nèi)容包括一般性降水預(yù)報(bào)和暴雪預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。

3.4.1 一般性降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。由08 時(shí)和20時(shí)起報(bào)的24小時(shí)一般性降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可知(如圖3所示)，三種模式基本都是08時(shí)次起報(bào)的準(zhǔn)確率明顯高于20時(shí)次起報(bào)的準(zhǔn)確率。從08時(shí)次起報(bào)的平均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分析，CMA-GFS 模式預(yù)報(bào)效果最差（47.9%），其次是EC 模式（66.66%），CMA-3KM 模式效果最優(yōu)（79.16%）。從模式對各站點(diǎn)預(yù)報(bào)效果分析，對同仁、澤庫預(yù)報(bào)整體較好，其中CMA-3KM模式準(zhǔn)確率達(dá)到100%，各種模式對尖扎預(yù)報(bào)的效果最差；對于20 時(shí)次起報(bào)的各種模式平均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率來看，EC 模式預(yù)報(bào)效果最差（35.4%），其次是CMA-GFS 模式（50%），CMA-3KM 模式效果最優(yōu)（75%），其中在北部地區(qū)（尖扎、同仁）的各種模式預(yù)報(bào)中，CMA-3KM 對預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到100%，CMA-GFS 為50%，EC 只有30%左右；在南部地區(qū)（澤庫、河南），各種模式預(yù)報(bào)效果均比北部差。綜合以上，一般性降水預(yù)報(bào)中CMA-3KM 參考性最好，且最穩(wěn)定。

圖3 EC-thin、CMA-GFS、CMA-3KM三種模式24小時(shí)一般性降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率

3.4.2 暴雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。由08時(shí)和20時(shí)起報(bào)的24 小時(shí)暴雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率對比可知(如圖4 所示)，08 時(shí)次起報(bào)的暴雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率平均水平為52%，EC 模式（60%）高于其他兩種模式，CMA-3KM 模式預(yù)報(bào)效果最差（41.67%）；20 時(shí)次起報(bào)的暴雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率三種模式平均水平為40.7%，CMA-3KM 模式表現(xiàn)最優(yōu)（55.56%），EC 和CMA-GFS 準(zhǔn)確率相同，均為33.3%。由此可見，對暴雪的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率各種模式并不穩(wěn)定，夜間出現(xiàn)的暴雪預(yù)報(bào)效果08時(shí)次優(yōu)于20時(shí)次。

圖4 EC-thin、CMA-GFS、CMA-3KM三種模式24小時(shí)暴雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率

4 結(jié)論與討論

①環(huán)流形勢場對比CMA-GFS模式對于高原槽預(yù)報(bào)較EC 穩(wěn)定且準(zhǔn)確，基本與實(shí)況吻合，而EC 越靠近臨近時(shí)次預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確；從槽線移速來看，兩種模式均預(yù)報(bào)槽線移速比實(shí)況快。

②24 小時(shí)降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，CMA-GFS 三個(gè)時(shí)次起報(bào)產(chǎn)品均將較大降水預(yù)報(bào)偏南，降雪落區(qū)與實(shí)況不符，預(yù)報(bào)量級(jí)偏小；EC 模式三個(gè)時(shí)次均準(zhǔn)確預(yù)報(bào)10 mm 以上的降雪，且在最近起報(bào)時(shí)次產(chǎn)品中，預(yù)報(bào)黃南北部降水量與實(shí)況極為接近。EC 模式對落區(qū)、強(qiáng)度的把握明顯優(yōu)于CMA-GFS模式，且臨近時(shí)次預(yù)報(bào)效果最佳。

③采用EC 與CMA-3KM 模式的3 小時(shí)降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)，兩種模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品均能提前預(yù)報(bào)，對于降水中心而言，CMA-3KM 模式優(yōu)于EC 模式，降水量預(yù)報(bào)兩種模式均偏差2～4 mm。

通過物理量特征檢驗(yàn)分析，水汽的預(yù)報(bào)兩種模式體現(xiàn)均較好，尤其是臨近時(shí)次的預(yù)報(bào)與實(shí)況場更為接近，預(yù)報(bào)效果更佳；動(dòng)力條件散度場預(yù)報(bào)，EC模式預(yù)報(bào)效果較優(yōu)。

④EC、CMA-GFS 及CMA-3KM 三種模式對比，一般性降水準(zhǔn)確率預(yù)報(bào)CMA-3KM 參考性最好且最穩(wěn)定，準(zhǔn)確率均在70 種以上；暴雪的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率各種模式并不穩(wěn)定，夜間出現(xiàn)的暴雪預(yù)報(bào)效果08時(shí)次優(yōu)于20時(shí)次。