两次副高边缘型暴雨过程特征及模式预报偏差检验对比

张 丹

(内蒙古乌兰察布市气象局,乌兰察布 012000)

0 引言

乌兰察布市主汛期经常出现暴雨天气。暴雨也是乌兰察布市主要灾害性天气之一,其危害性大,影响范围广,常常会引发城市内涝、山洪、泥石流等次生灾害,造成人员伤亡和经济损失。副高边缘有较好的水汽和不稳定能量,在一定的触发条件下,极易产生暴雨天气,这也是乌兰察布市夏季暴雨的一个重要影响系统,但由于副高边缘触发条件的不同,从而增加了对副高边缘暴雨落区和强度的预报难度[1]。目前很多学者已对副高型暴雨的环流特征和模式预报进行了深入研究[2-9]。为了更进一步了解乌兰察布市副高边缘暴雨的形成机理和模式,文章对乌兰察布市8月两次暴雨天气过程的环流形势进行对比研究,并对不同模式对副高边缘暴雨的预报情况进行了检验,总结一定经验,从而提高副高边缘暴雨的预报能力,同时也在一定程度上提高了不同模式对降水的订正能力。

1 资料和方法

文章主要应用MICAPS中的高空和地面实况资料,对此次天气过程的环流形势和主要影响系统进行研究分析。数值模式有ECMWF,GRAPES_GFS和NCEP资料。其中高空环流形式检验采用ECMWF临近预报时次,从而分析检验预报场和实况的差异。降水量实况采用乌兰察布市242个监测站的降水量数据,数值模式降水量主要采用ECMWF,GRAPES_GFS和NCEP的24 h降水量预报。

2 降水实况

文章选取2个个例,分别为2022-08-17/08-18暴雨个例(简称“8.17”)和8月21日暴雨个例(简称“8.21”),两次暴雨过程高空环流形势相似,且时间接近,都是副高边缘型南部地区的强降水。不同点在于降水强度和落区有明显差异。在降水强度方面,由于“8.21”的降水主要在白天,对流发展比较旺盛,因此小时雨强较强,最大小时雨强为45.6 mm/h,而“8.21”是从夜间开始,主要以稳定性降水为主,最大小时雨强为18.8 mm/h;在落区方面,“8.21”比“8.17”的暴雨范围广,“8.17”的暴雨主要集中在凉城南部,而“8.21”的暴雨主要位于凉城县大部、卓资县南部、丰镇县大部和兴和县南部。

3 环流背景特征分析

分析500 hPa高度场后得出,两次暴雨天气过程中高纬度均被一个宽广的槽区控制,以纬向环流为主,但两次过程槽区中都有短波槽向东移动,乌兰察布市处于副高边缘西北侧,不稳定能量集聚区,高温高湿天气为暴雨提供了有利条件,从588线的位置和强度来看,“8.21”的副高位置较“8.17”更靠北,且副高西伸脊点更偏西。两次过程高空形势都是副高边缘配合短波槽,造成的暴雨天气。

从影响系统来看,两次过程也较相似,500 hPa在河套地区有短波槽存在,同时在乌兰察布市南部地区中低层有切变线,700 hPa和850 hPa有西南气流,有利于南海的水汽向北输送,乌兰察布市南部地区850 hPa比湿达14 g/kg以上,同时地面存在明显的辐合线,为暴雨天气的发生提供了良好的动力条件。这种高低层配置有利于南部地区暴雨的产生。

4 副高位置的摆动

两次过程都处于副高外围不稳定环流之中,但副高西伸脊点有所不同,“8.17”过程位于118°E,而“8.21”过程位于97°E,“8.21”过程副高更为强盛,西伸脊点更偏西。在暴雨的发展过程中,副高位置的摆动也有很大差异,“8.17”过程副高明显东退,且位置稍微偏南,雨带主要位于584线与588线之间,强降雨带呈片状或块状分布,随着副高的东移南退,雨带也随之移动;而“8.21”过程在发展中副高先略有东退,然后再西进,但是副高整体呈块状,且位置移动不明显,副高维持稳定少动,雨带主要位于580线与588线之间,降雨带主要位于副高北侧和高空槽交界处,呈片状或带状。两次过程的强降水区域和雨带形状都与副高位置的动态变化密切相关。

5 高低层扰动的差异

根据高低层系统配置(500 hPa高空槽和700 hPa切变线)可知,17日08:00—18日08:00“8.17”过程高空槽一直维持在贺兰山西部,并且稳定少动,乌兰察布市受槽前西南气流的控制,同时配合低层有切变线划过乌兰察布市南部地区,切变线主要向东南方向移动,至18日20:00高空槽和低层切变线移出乌兰察布市,降水过程结束。“8.21”过程高空槽的经向度较大,并且配合低层切变线,槽线和切变线配合较好,且移动方向一致,导致产生大面积的强降水。因此得出这两次过程高空槽和低层切变线的移动方向、强度与雨带的落区、形态密切相关。

6 水汽条件

6.1 相对湿度

两次过程均发生在8月中下旬,该时段是乌兰察布市强降水的主要时段。两次过程850 hPa南部地区湿度条件都较好,但是“8.17”过程湿度条件更好。两次过程700 hPa相对湿度大值区的位置有明显的不同,“8.17”过程大值区位于西南部地区,而“8.21”过程大值区范围更广,位于南部地区,相对湿度的大值区强雨带区域一致。

6.2 急流

两次过程700 hPa均存在明显的西南急流,急流有利于暖湿气流的输送,有利于强降水的发生,同时强降雨带也出现在急流的左侧。不同的是“8.17”过程急流较“8.21”过程偏强,最大风速达18 m/s,但是“8.17”过程乌兰察布市出现在急流的左侧,而“8.21”过程乌兰察布市处于急流出口区的左前侧,有风速的辐合,同时乌兰察布市南部地区低层有切变线配合,这也是造成两次过程雨带强度不同的原因之一。

7 模式预报误差检验

7.1 主要影响系统偏差检验

从上述分析可以得出,两次强降水雨带的不同是由副高、高空槽、切变线及水汽条件的差异造成的,其中影响最大的是副高位置的摆动。根据ECMWF数值模式对副高位置的预报可知,16日20:00起报的数值模式对“8.17”过程17日20:00和18日08:00两个时次的副高和高空槽位置预报得比较准确,基本与实况接近,但是两个时次高空槽的强度预报比实况弱,因此针对此次过程的雨带模式预报比较准确,但量级存在一定偏差。

在“8.21”过程中,数值预报在20日20:00起报的500 hPa高度场中,21日08:00预报高空槽和副高的位置与实况基本吻合,但副高的形状有所差异,且副高西脊点的位置与实况偏差2个经度左右。但在21日20:00数值预报副高位置和强度、高空槽位置和强度却与实况有较大偏差,实况副高维持稳定少动,强度比数值预报偏强,高空槽的位置也比预报偏南,且强度更强。因此副高外围暖湿气流与高空槽携带的冷空气交汇,造成强降雨带,而模式预报要偏弱,出现了漏报现象。

7.2 模式降水量预报检验

“8.17”过程主要是从17日夜间开始一直持续到18日白天,雨强不大,以稳定性降水为主。从模式预报24 h的降水量数据来看,ECMWF,GRAPES_GFS和NCEP 3个模式对此次过程的预报比较一致,3个模式均预报了乌兰察布市南部地区的暴雨,但是NCEP中雨和大雨的量级预报比实况范围更大,而ECMWF和GRAPES_GFS对中雨、大雨预报得比较准确。总体来说,此次过程3个模式预报准确性较好,ECMWF和GRAPES_GFS较NCEP的预报效果更好。

“8.21”过程主要是从21日白天开始,且强降雨主要时段也是在白天,以混合性降水为主,对流发展比较旺盛,最大小时雨强达45.6 mm/h。针对此次过程3个预报模式的降水量级普遍偏小,ECMWF和GRAPES_GFS主要以小雨量级为主,对中雨、大雨和暴雨都出现了漏报,降水量级均与实况不符,预报准确率较差。而NCEP相对其他两个模式预报较强,预报乌兰察布市南部地区雨量量级偏大,与实况降水量偏差一个量级。因此针对此次对流性降水天气,3个预报模式都出现了漏报,预报效果较差。

8 结束语

文章从主要影响系统、高低层配置、水汽条件及模式预报之间的差异等方面,对发生在副高边缘的两次暴雨过程进行了对比分析,得出以下结论:

1)两次过程都处于副高外围的不稳定环流之中,副高边缘暖湿气流与高空槽携带的冷空气交汇,配合低层切变线,不稳定能量得到触发,因此在副高边缘出现了大范围的强降水。

2)两次过程500 hPa高度场相似,但两次过程的强度和落区有明显的差异,其主要原因是副高位置的变化,以及西风带槽脊、低层水汽和切变线位置的差异,其中副高位置的变化影响最大。

3)数值模式对于副高外围的大范围强降水有一定的可预报性,特别是GRAPES_GFS、ECMWF对副高外围稳定性降水的指示性较强;对对流性的降水,降水落区预报比较准确;数值模式对强降水落区的指示意义较差,模式预报量级较弱。