基于新型探測資料對西安一次弱降水預報失誤的原因分析

肖貽青 張黎 姚靜 劉慧 劉嘉慧敏

(1 陜西省氣象臺,西安 710014;2 秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室,西安 710016;3 高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室,成都 610072)

引言

近年來,隨著微波輻射計、激光測風雷達、相控陣雷達等新型探測設備的使用,對災害性天氣過程的成因分析及氣象服務保障也更加精細化,同時高時空分辨率的新型探測資料對各種天氣的監測有了更多的指導。例如宋靜等[1]對兩次雷雨過程的分析,認為微波輻射計的探測結果可反映過程從開始到結束不同階段垂直方向上干濕層的特征和差異,具有較好的預報指示意義。朱雯娜等[2]研究結果表明微波輻射計的溫度、濕度、液態水等產品,與不同類型濃霧的開始、持續和結束緊密相關,對濃霧的監測具有重要輔助作用。王健等[3]利用微波輻射計研究暴雨發生前后氣象要素和降水的關系,發現大氣降水和水汽密度、液態水含量之間有著緊密的聯系。方哲卿等[4]研究結果表明微波輻射計在午后強降水發生前半小時內,溫度廓線在1 km高度處有增溫異常,該現象結合經驗指標可在盛夏午后強對流的預報中取得更好效果。黃治勇等[5]利用微波輻射計對兩次冰雹天氣進行了特征分析,認為溫濕資料對于冰雹天氣的監測具有較強的指導意義。劉芳霞等[6]利用激光測風雷達數據產品的研發,提供了高時空分辨率的近地層風場監測信息,形成了對西安重污染天氣預警服務有良好參考意義的指標。魯峻麟等[7]利用激光測風雷達連續觀測城市上空邊界層的風分布狀況,得出邊界層內不同垂直高度上的風場最優探測效能,從而為廣州超大城市觀測提供重要依據。羅云等[8]使用S波段天氣雷達和X波段相控陣天氣雷達對一次強降水的對流風暴進行了特征分析,結果表明相控陣雷達的體掃模式能夠獲取更精細的反演風場,從而反映出強對流單體內部的精細結構,而SA雷達無法反演出對流風暴內部低層水平風場的真實特征。崔夢雪等[9]利用多源觀測資料對一次大范圍降雹過程進行了分析,也認為相控陣雷達可以更快地捕捉到強對流單體微物理特征變化,為冰雹的預報提供有價值的參考。同時為了發展和應用新型探測設備,大量學者對其觀測數據也進行了充分的檢驗[10-15],從而證明了其數據的可靠性,為暴雨[16]、短時強降水[17]等天氣預報提供了更有利的支撐。

在全球氣候變化背景下,人口集中、建筑密集、經濟要素聚集的大城市,不但抵御和防范極端天氣及應對天氣變化的能力顯得尤為重要,同時小量級降水或降雪有時也會對城市交通、公路、鐵路、航空運輸帶來較大的影響,從而成為具有一定影響的天氣。孫軍等[18]對北京春季9次弱降水過程進行分析,發現了4次空報,認為弱降水過程普遍具有對流層水汽條件差或動力抬升弱的特點,且預報員對邊界層水汽、抬升等關鍵降水要素缺乏訂正經驗;魏東等[19]利用微波輻射計和風廓線雷達對一次有利條件下北京降雪空報的原因進行了分析,認為邊界層輻合系統弱、動力抬升條件差、數值模式對相對濕度預報過高是京津冀大部分地方未出現降雪的原因;還有很多新型探測數據應用到對弱降水的微物理特征研究中[20-22],有助于精準判斷降水系統的短時變化特征。隨著國家“一帶一路”戰略實施、國際化大都市建設,西安作為絲綢之路起點城市,日益增多的重大社會活動和經濟健康發展,對天氣預報特別是精細化天氣預報預警水平提出了更高要求。本文利用多源觀測資料對2022年春季西安市城區一次降水預報失誤的過程進行分析總結,以增強對高分辨率新型探測數據的日常應用,并提高預報員對這類天氣的分析和預報能力,同時為提高重大活動氣象保障能力提供參考價值。

1 資料介紹

本文選取的資料包括中國氣象局自動氣象站、區域氣象站的1 h降水量數據,MICAPS提供的高空探測數據,ECMWF(歐洲中期天氣預報中心)、NCEP(美國國家環境預報中心)、CMA(中國氣象局)等數值模式的預報數據、ECMWF的ERA5(0.25°×0.25°) 逐1 h再分析資料和多種新型探測觀測數據。其中C波段多普勒雷達(海拔459 m)位于西安市涇河縣(34.45°N,108.97°E);微波輻射計分別位于西安城區(34.31°N,108.94°E)和長安(34.09°N,108.9°E),每2 min進行一次觀測記錄;激光測風雷達位于西安城區(34.31°N,108.94°E),每20 s進行一次觀測記錄;西安目前建成鄠邑(34.14°N,108.59°E)、灞橋(34.25°N,109.12°E)、高陵(34.58°N,109.06°E)三部X波段相控陣雷達,其徑向水平分辨率為30 m。

2 天氣過程概況

2022年4月23—24日,陜西省經歷了春季一場對流性降水天氣過程,主要降水集中在關中西部和陜南(圖1a),大部地區中到大雨,局地暴雨,同時過程還伴有明顯的雷電和短時強降水。本次過程的主要天氣系統如圖1b所示,500 hPa高原低槽東移發展,陜西處于槽前西南暖濕氣流的控制區,有利于與來自河套地區的冷空氣在陜西中南部交綏;850 hPa在高原槽前形成了西南低渦,并在低渦東側存在偏南風低空急流,有利于水汽和能量向陜西南部輸送,同時西南低渦與高原低槽配合較好,有利于低渦的進一步加強,這種天氣形勢是非常有利于陜西中南部的大范圍降水,但本次過程在短期預報時效內對西安市出現了較大的預報偏差,24 h、12 h均預報西安市為中到大雨,南部山區局部有暴雨,而實況僅西安市南部山區局部出現了小到中雨,且城區無降水(圖1a),預報出現明顯失誤。因此本文將利用多源觀測資料及多家模式數值預報結果對該過程西安的局部天氣進行分析,給出西安城區降水失誤的原因,以提升大城市氣象服務綜合保障能力。

圖1 2022年4月24日20:00陜西省24 h累計降水分布(a),08:00 500 hPa等高線(黑色實線,單位:10 gpm)和850 hPa風場(風羽)天氣環流形勢圖(b)(紅色省界線為陜西邊界)

3 主客觀預報檢驗和分析

對多家模式2022年4月23日08:00起報的未來36 h(即24日20:00)的24 h累計降水預報進行分析(圖2)發現所有模式對西安市區均報有明顯的降水過程,其中全球模式CMA-GFS(中國氣象局全球同化預報系統,圖2b) 、ECMWF(圖2e)及NCEP(圖2f)對西安市區預報均小到中雨,西部和南部山區大雨;而中尺度模式預報的降水強度則明顯增強,CMA-MESO(中國氣象局中尺度天氣數值預報系統,圖2c)對西安市預報的大雨范圍有所增加,CMA-BJ(中國氣象局北京快速更新數值預報系統,圖2a)和CMA-TYM(中國氣象局區域臺風數值預報系統,圖2d)則預報出了南部山區存在局地暴雨,尤其是CMA-TYM(圖2d)預報的暴雨范圍相對較大。結合ECMWF 4月23日08:00起報的西安城區的間隔3 h綜合廓線(圖3),23日夜間隨著中低層偏南風的加強,低層水汽有所加強,24日午后整層水汽和上升運動強烈發展,850 hPa以上相對濕度為90%以上,垂直上升運動中心位于700 hPa,強度可達-1.5 Pa·s-1以上,非常有利于降水;而24日午后700 hPa由偏南風轉向偏北風,水汽條件和垂直上升運動條件逐漸轉差,預計降水也開始減弱。考慮天氣尺度系統強迫明顯,結合多模式預報結果,因此23日18:00發布的主觀預報認為西安市23日20:00至24日20:00有中到大雨,南部山區有暴雨。

圖2 不同模式預報的2022年4月24日20:00 24 h累計降水量分布:(a)CMA-BJ,(b)CMA-GFS,(c)CMA-MESO,(d)CMA-TYM,(e)ECMWF,(f)NCEP

圖3 ECMWF模式2022年4月23日08:00起報的西安站逐3 h綜合廓線(紅線為溫度,單位:℃;填色為相對濕度;黑線為垂直速度,單位:Pa·s-1,其中黑色虛線代表上升運動,黑色實線為下沉運動)

4 基于多源觀測資料的預報失誤分析

4.1 微波輻射計

從西安站的微波輻射計觀測資料(圖4)來看,23日20:00起西安城區受西北氣流影響,天空狀況較好,以高云為主,云底高度均在5 km以上(圖4c);由于云量較少,大氣輻射降溫明顯,3 km以下溫度直減率較高(圖4a),達到6.9 ℃/km,且氣流的下沉增溫使大氣低層相對濕度非常小,近地層相對濕度不到30%(圖4b),整體條件不利于降水。隨著高原渦東移和西南渦北上,有西南水汽通道形成并向陜西輸送大量水汽,24日07:00起西安站3 km左右的中高層相對濕度明顯增加,從70%增至90%,大氣中層接近飽和,但飽和層比較淺薄,且低層相對濕度增加并不明顯。與此同時由于中高層水汽條件的轉好,使該時段云底高度降低至2 km左右。此后大氣低層基本維持50%左右的相對濕度并緩慢減小,而中高層保持近飽和的狀態,云底高度穩定在3 km以下,以積雨云與層積云為主,總體云水含量不高。

圖4 2022年4月23日20:00至24日20:00西安站微波輻射計溫度(a)、相對濕度(b)和云底高度(c)隨時間變化

將西安站微波輻射計觀測的溫度、濕度與ECMWF模式的結果(圖3)進行比較,發現溫度預報與實況的偏差較小,但相對濕度存在較大偏差。ECMWF模式對24日08:00后西安站近地層的相對濕度預報已經高達80%以上,比實況偏高30%以上,同時預報近地層的相對濕度達到60%以上將維持較長時間的,比實況也要偏高10%～20%。因此可根據微波輻射計的濕度實況對降水結果進行一定的訂正,對降水量級適當向下調整或進行一定的消空。

同時對比24日17:00長安站與西安站的水汽條件(圖5),長安站位于秦嶺北麓山區,受中高層短波擾動及低層弱切變的影響,該時刻開始有小雨,而西安站依然未有降水。西安站(圖5a～c) 2 km以下水汽含量為6～8 g·m-3,相對濕度為40%～60%,液態水含量低于0.02 g·m-3,而長安站(圖5d～f)該時刻2 km以下的水汽含量、相對濕度和液態水含量分別為7～12 g·m-3、62%～75%及0.01～0.2 g·m-3,遠高于西安站。但對于中層3～4 km而言,西安站的相對濕度與長安站差別不大,均可達到80%左右,但水汽含量和大氣可降水量具有明顯差異,分別低于長安站1 g·m-3和0.15 g·m-3。因此近地層濕度條件較差及中層的絕對水汽含量低是造成西安城區未能降水的主要原因,且水汽條件預報偏高是造成這次西安城區降水預報失誤的主要原因之一。

圖5 2022年4月24日17:00西安站(a、b、c)和長安站(d、e、f)微波輻射計水汽(a、d)、相對濕度(b、e)和液態水(c、f) 廓線

4.2 激光測風雷達

圖6為西安城區奧體中心站的激光測風雷達在4月24日16:00—20:00的產品,從風矢量廓線的時間變化可以看出,該站點在3 km以下風隨高度有明顯的順時針變化,最強切變位于1500 m附近,即西安城區的中低層存在一定的暖平流, 結合該時段微波輻射計相對濕度的變化以及23日20:00探空圖的溫濕廓線及層結資料,可以判斷暖平流的性質為偏干暖氣流,其輸送可使空氣溫度增加濕度減小,從而使較小的水滴或冰晶因為蒸發或升華變得更小甚至消失。同時2 km以上存在超過14 m·s-1的偏東風,1 km附近偏西風超過12 m·s-1,且持續時間較長,一方面較大的風速也會加快小水滴的蒸發,另一方面中低層較強偏西風也不利于地形的輻合抬升。

圖6 西安城區奧體中心站2022年4月24日16:00—20:00風廓線

另外,1.5～2 km之間形成了一定厚度的弱風區,結合微波輻射計和探空曲線可知近地層存在一層薄的逆溫層,700 hPa以下對流抑制有效位能達到324.6 J·kg-1,這樣的穩定層結不利于上下層的動量及能量交換。從垂直風速(圖略)也可以看出,整層的垂直上升運動非常弱,且伴隨了一定下沉運動,不利于降水。

4.3 多普勒雷達和相控陣雷達

對西安多普勒雷達回波產品進行分析,發現組合反射率因子在17:21的主要降水回波位于西安南部山區(圖7a),呈明顯的層狀云降水回波特征,最大反射率因子為45 dBz,實況顯示該時段西安南部山區的1 h降水量為0～5 mm。西安城區的回波較弱,反射率因子為20 dBz左右,通常這種回波也會帶來較弱的降水, 但實況則顯示城區無降水。進一步沿著西安站至長安方向(圖7a中紅線)進行剖面,西安城區距離雷達站30 km內,可以看出該區域的反射率因子為20～25 dBz(圖7b),結構較松散,同時位于2～3 km以上,說明中層存在一定的降水云團,但由于低層非常干燥,使水滴在下沉過程中蒸發,從而無法形成雨滴下落。結合17:21相控陣雷達的組合反射率因子(圖7c),可以看到西安城區出現一片明顯的無云區,并持續較長時間,結合微波輻射計和激光測風雷達的觀測結果可以得知,該無云區主要由于濕度條件差且存在下沉氣流導致,相對多普勒雷達在大城市的監測預報服務中,相控陣雷達的精細化程度更高。

圖7 2022年4月24日17:21西安雷達組合反射率因子(a)及從西安城區向長安方向(沿a中紅色直線)剖面圖(b)和相控陣雷達組合反射率因子(c)(三角為西安城區所在位置)

5 西安城區干熱島效應及低層干暖平流輸送

為研究西安城區的干島效應和熱島效應(以下稱干熱島效應),對西安市周至縣王家河站、鄠邑區澇峪站、長安區長安站、西安城區的西安市氣象局站及省委機關大院站這5個站點的相對濕度和溫度進行分析,其站點分布及海拔高度如圖8a所示。其中王家河站與澇峪站位于秦嶺山區,在24日午后均出現了明顯降水;長安位于秦嶺北麓山腳,西安市氣象局及省委機關大院位于西安城區,過程均無降水出現。本文使用的干島強度定義為城郊區相對濕度的差值,而熱島強度定義為城郊區溫度的差值。

圖8 西安市地形和5個代表站點分布(a),4月23日20:00至24日10:00 5個站地面溫度(b)與相對濕度(c)變化(1:王家河;2:澇峪;3:長安;4:省委機關大院;5:西安市氣象局)

對過程前期這5個站點的地面溫度和相對濕度進行分析,發現山區及山下(即站點1～3)的溫度(圖8b)普遍低于城區(即站點4～5),相對濕度(圖8c)顯著高于城區:出現降水的山區站其相對濕度最低為64%,最高達到92%;城區的相對濕度最高為71%,最低僅為42%,未能達到飽和,近地層水汽條件較差。進一步選取西安市氣象局站與長安站分別作為城市站和郊區站,計算其熱島強度和干島強度(圖9),結果發現其溫差平均為2 ℃以上,相對濕度差平均為15%以上。隨著城市化進程的加快,人類活動改造了下墊面,使得城市地表氣溫高于附近郊區,是影響局地大氣系統變化的重要因素之一[23-25],尤其對大城市而言,熱島效應更為顯著[26-29]。從以上分析可知西安城區具有顯著的干熱島效應,王建鵬等[30]對西安城市熱島效應及對降水的影響研究表明,隨著熱島效應的加強,可增強氣流因越山后地形強迫的下沉運動,使得系統性降水區域減弱或不利于局地的降水天氣過程;另一方面這種效應由于較高的溫度和較低的濕度,可能使弱的冰晶或水滴在下沉過程中在近地層被升華或蒸發,從而無法碰撞合并為大雨滴降落至地面。

圖9 2022年4月23日20:00至24日10:00西安城區與郊區的熱島強度和干島強度變化

同時,西安的主要降水區位于秦嶺山區,其平均海拔在1000 m以上,而長安及城區的海拔均在500 m以下。利用ERA5資料對24日13:00的垂直剖面場進行分析(圖10a),700 hPa以上大氣以西南氣流為主,中高層的水汽條件較好;秦嶺山區的整層相對濕度高于90%,處于飽和狀態,而秦嶺山麓及其北部的西安城區(圖10的黑色方框處)700 hPa以下相對濕度向北快速減小至50%以下,中低層存在明顯的干層。西安城區700 hPa以下風隨高度順時針旋轉,且風速較大,具有明顯的暖平流,結合之前的分析該暖平流的絕對濕度和相對濕度均較差,可使城區逐漸增溫降濕,不利用降水。同時偏西風與山脈走向幾乎平行,西安城區位于秦嶺北部,自北向南的偏西風無法引起地形的強迫抬升作用。另外,秦嶺山脈上空以偏北風為主,并在靠近山麓和城區的近地層轉為西南風,引導山上的降水云團從秦嶺向北下坡,產生下沉運動,有利于水汽快速蒸發至不飽和,并且削弱了天氣尺度系統的上升運動,不利于產生降水。17:00的垂直運動剖面(圖10b)則顯示西安城區及其附近的低層有明顯的下沉運動,不具備產生降水的條件。

圖10 2022年4月24日13:00風場、相對濕度(等值線,單位:%)(a)和17:00風場、垂直上升速度場(等值線,實線大于0,為下沉運動;虛線小于0,為上升運動,單位:10-2·Pa·s-1)(b)沿西安市氣象局站的經向(108.9°E)垂直剖面(黑色填色為地形高度,黑色方框為秦嶺北麓及西安城區所在區域)

6 結論

本文利用微波輻射計、激光測風雷達、多普勒雷達、地面氣象站及ERA5再分析等資料,對2022年4月24日西安城區一次降水空報失誤的原因進行了分析,得到以下結論:

(1)本次過程全球數值預報模式和中尺度數值預報模式對西安城區均報有明顯降水,但由于ECMWF模式對低層相對濕度值預報較高,使預報員主觀訂正后依然出現較大的空報。

(2)通過微波輻射計、激光測風雷達的資料分析,認為西安城區午后近地層濕度條件較差,且中層的干暖空氣不利于成云致雨,垂直上升運動較弱,共同造成了西安城區無降水。可將微波輻射計的溫濕分布來訂正數值模式的預報結果,以此調整降水量級。

(3)從多普勒雷達的反射率因子可以看出西安城區的降水云團強度較弱,由于低層非常干燥,使水滴在下沉過程中蒸發,從而無法形成雨滴下落;相控

陣雷達的高時空分辨率可直觀監測到城區位于無云區,服務更加精細化。

(4)造成西安城區近地層濕度條件差的原因是城市干熱島效應和低層干暖平流輸送,西安城區相對周邊山區屬于強熱島和強干島級別,不利于產生降水;同時降水云團在引導氣流的影響下,濕空氣從秦嶺山上向北下坡,使氣團中水汽快速蒸發,加之由于存在較強烈的城市熱島效應,在城區低層形成較為深厚的干層,即便是空中存在雨滴,在它們下落過程中也會造成更強的蒸發,形成城區附近的“降水空窗區”,并削弱上升運動,從而導致城區無降水。