热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (4): 499-506  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.007
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引用本文  

周宁芳, 马杰, 刘凑华. 2016年梅汛期降雨环流特征及ECMWF中期预报偏差分析[J]. 热带气象学报, 2018, 34(4): 499-506. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.007.
ZHOU Ning-fang, MA Jie, LIU Cou-hua. Analysis of mid-range forecast bias by ecmwf on precipitation features and related large-scale circulation during 2016 meiyu season[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(4): 499-506. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.007.

基金项目

国家自然科学基金(41575090);国家科技支撑计划课题(2015BAC03B04)共同资助

通讯作者

周宁芳, 女,陕西省人,高级工程师,博士,主要从事中期预报及方法研究。E-mail:zhounf@cma.gov.cn

文章历史

收稿日期:2017-07-06
修订日期:2017-11-16
2016年梅汛期降雨环流特征及ECMWF中期预报偏差分析
周宁芳 , 马杰 , 刘凑华     
国家气象中心,北京 100081
摘要:利用NCAR/NCEP逐日再分析资料和台站观测日平均降雨资料,分析2016年梅汛期的大气环流演变特点和期间3次强降雨过程的环流特征,对比了欧洲中期数值模式(EC模式)的预报能力,并对其中期预报降雨的落区偏北、强度偏弱的偏差原因进行分析。结果表明,2016年梅汛期中高纬度环流多变化,多冷空气活动但势力总体不强,夏季风在6月下旬和7月上旬逐步增强,西太平洋副热带高压稳定维持,为强降雨的发生提供了有利动力和水汽条件。在梅汛期前期EC在中期时效对于夏季风的预报强度偏强、副高位置偏北,直接造成模式预报的雨带位置偏北。EC对于乌拉尔山一带的环流系统预报能力较好,但对于日本海-鄂霍茨克海一带的环流系统预报能力较差,从而使得影响我国的冷空气路径和强度预报均出现偏差,这对于7月初的强降水的强度和落区预报也有明显影响。
关键词梅汛期    强降雨    环流特征    中期预报偏差    
ANALYSIS OF MID-RANGE FORECAST BIAS BY ECMWF ON PRECIPITATION FEATURES AND RELATED LARGE-SCALE CIRCULATION DURING 2016 MEIYU SEASON
ZHOU Ning-fang , MA Jie , LIU Cou-hua     
National Meteorological Center, Beijing 100081, China
Abstract: In 2016, the precipitation was significantly above normal over the middle and lower reaches of the Yangtze River basin during the Meiyu season. It is rare that, in recent years, ECMWF showed obvious forecasting bias on both the location and the intensity of severe rainfall processes, particularly on July 1 to 4. In ECMWF forecast, the location of the rainfall belt is obviously northward and its intensity is much weaker than observations. In this paper, using daily NCEP/NCAR reanalysis data and observational daily precipitation data, characteristics of rainfall and related atmospheric circulation during the 2016 Meiyu season are analyzed, and then forecasting bias of ECMWF is carefully investigated. The results show that, during the Meiyu season, a strong and stable western Pacific subtropical high (WPSH), a gradually strengthened East Asian summer monsoon (EASM) from late June to early July, and together with frequent but weak cold air activities, provide favorable dynamic and moisture conditions for strong rainfall. From the point of the mid-range forecast, the ECMWF forecasting bias is mainly attributed to the overestimation of the intensity of EASM and more northward location of WPSH, which leads to a northward forecasting bias of the location of the strong rainfall belt. Additionally, although the model gives a good forecast for mid-latitude circulation near Ural Mountains, the forecast in the Sea of Japan and near Okhotsk is relatively bad, which result in an obvious bias on the track and the intensity of the cold air activity, especially in early July. It is perhaps helpful for forecasters to understand these forecasting bias and carry out a reasonable correction based on the numerical forecast.
Key words: Meiyu season    severe rainfall    characteristics of circulation    mid-range forecast bias    
1 引言

中国地处亚澳季风区,夏季风的影响使我国成为一个旱涝灾害频发的国家。如1991年江淮流域暴雨和1998年长江洪涝对人民生命财产和国民经济都造成巨大的影响。因此,我国气象工作者对梅汛期降水天气进行了许多深入的分析研究[1-4],并取得丰富的成果。在这些研究基础上,实际预报业务中预报员多关注季风涌、西太平洋副热带高压、中高纬度冷空气活动和高原东移短波槽等多尺度天气系统的协同作用,并基于中期数值模式的预报对降水落区和强度做出预报。2016年梅汛期长江流域降水明显偏多,暴雨过程频繁且集中,长江流域降雨量为1954年以来最多,长江中下游和太湖流域全线超警戒水位,尤其是6月30日—7月6日的持续强降雨过程,使长江中下游等地遭受洪涝、风雹、滑坡和泥石流等灾害,造成164人死亡,直接经济损失670.9亿元。

1990年代中期数值模式预报开始发展,数值产品在时效、层次、要素、范围、分辨率和预报准确率等方面迅速提高。进入21世纪,随着信息技术和大气科学的发展,以中期数值天气预报为基础,各种数值产品统计释用方法为手段,传统中期的预报技术与天气学基本原理为理论支撑,中期预报准确率大大提高。欧洲中期数值预报中心(ECMWF,简称EC)数值预报产品在我国天气预报业务中有广泛的应用,且在多次的预报检验中,其预报性能均好于其他数值模式[5-6]。但在2016年梅汛期期间,EC中期数值模式预报的强降雨落区和降雨强度均出现较大偏差,尤其是对于7月初的持续强降雨过程的预报偏差幅度是近些年少有的。因此,本文将对2016年梅汛期强降雨过程及其相应的大尺度环流的EC中期预报出现的偏差进行分析,初步了解模式环流偏差与降雨预报偏差的关系,从而提高预报员对梅汛期强降雨天气环流特征的理解,加深对于模式预报偏差的系统认识及订正应用。

2 资料和方法

本文使用的资料包括:(1) 2016年6月1日—7月31日全国逐日台站降水观测资料,取自中国气象局国家气象信息中心整理发布的数据集;(2) NCEP/NCAR逐日再分析资料中的500 hPa位势高度场和850 hPa风场,空间分辨率为2.5 °×2.5 °[7-8];(3) ECMWF每日20时(北京时,下同)发布的高分辨率降水预报产品(空间分辨率为0.25 °×0.25 °)、500 hPa高度和850 hPa风场(空间分辨率为2.5 ° × 2.5 °),预报时效为提前96~240 h。文中气候平均值取NCEP/NCAR逐日再分析资料计算得到的1981—2010年平均值。

3 2016年梅汛期降雨时空特征和EC中期预报偏差分析

2016年夏季我国中东部存在2个显著多雨中心:华北和长江中下游地区。而长江中下游地区的降雨主要发生在梅汛期间,累积降雨量达到584.3 mm,为1954年以来最多,长江中下游和太湖流域全线超警戒水位。由2016年6—7月我国东部地区(114 °E以东)平均降雨量的时间-纬度逐日演变(图 1)可以看到,6月19日梅汛期开始,主雨带从江南北抬至长江流域,但雨带位置南北摆动。6月24日—7月7日雨带位置南北摆动幅度相对较小,基本维持在长江流域,降雨强度增大,其中6月30日—7月6日是入汛后南方持续时间最长、强度最强的一次降雨天气过程。7月8—12日,长江流域降雨强度较弱,甚至出现4天中断。7月13日之后,降雨强度有所增强,雨带位置南北摆动幅度再次加大。7月21日,随着主雨带北跳至华北地区,长江流域的降雨结束,梅汛期长达32天,较常年平均的梅雨期(29.3天)略偏长。

图 1 2016年6—7月我国东部地区(114 °E以东)平均日降水量时间-纬度剖面 单位:mm。

2016年长江流域梅汛期共有7次区域性暴雨过程,从中期业务预报效果检验来看,预报员对于梅汛期降雨过程预报均没有遗漏,对于长江中上游(四川盆地至江汉)的雨带位置把握较好,但对长江下游雨带位置偏差较大,订正能力有限,尤其是6月底—7月初的持续强降雨过程预报偏差最大,强度预报也明显偏弱。图 2给出了EC对于长江下游(114~120 °E)平均降雨量最大值的纬度位置和强度偏差的逐日变化。从图 2a可以看到,EC预报的主雨带南北位置偏差在中期预报时效内存在南北摆动,但多数时间以偏北误差为主,预报偏北的日数达到85%,其中96 h预报相对其它时效预报偏差幅度最小。7月4—11日偏北误差相对其它时段要大,可达3个纬度以上,此时期是降水强度最强时段。同时,随着预报时效的提前预报偏差更加明显。图 2b是EC对于长江下游(114~120 °E)平均降雨量最大值的预报与实际降雨最大值的差值,虽然6月25—27日降雨强度预报较实况要偏强一些,但在7月中旬前降雨强度还是以偏弱为主,尤其是7月初的强降雨过程强度预报偏弱最明显。7月6日后长江的降雨强度减弱,中期预报对于强度预报偏差也相对较小。EC对于2016年梅汛期降雨的中期预报偏差主要表现为主雨带位置偏北、强度偏弱。

图 2 2016年梅汛期EC不同预报时效(96~240 h)预报的我国东部(114 °以东)平均雨量最大值的纬度位置偏差(a,单位:纬度)和强度偏差(b,单位:mm)的逐日变化
4 2016年梅汛期大尺度环流特征及中期预报偏差分析

数值模式预报的降雨偏差与产生降水的天气环流系统关系密切,中期预报由于较长的提前预报时效,需更加关注大尺度环流系统,分析大尺度环流预报偏差与降水偏差的关系,可以加深预报员对数值模式预报性能的认识和降雨机制的理解,从而提高主观订正能力。

4.1 中高纬环流变化及其中期预报偏差

西风指数是表示平均地转风速中的西风分量的一个指标,可以定量表述纬向环流的强弱。中央气象台中期预报业务中长期使用的亚洲地区西风指数计算是采用在60~150 °E每隔10个经度上的45 °N与65 °N的500 hPa位势高度差之和计算得到。作为一个重要指标,对于反映欧亚中高纬度环流变化有很好的指示作用。一般情况下高指数时西风强,中高纬环流平直,冷空气势力往往偏弱;低指数时环流经向度大,有利于冷空气势力增强。

图 3给出2016年梅汛期西风指数逐日演变及EC提前96~240 h预报时效的预报结果和相关系数。2016年梅汛期期间西风指数表现出中高纬环流多变化,但环流经向度较小,冷空气势力总体不强。6月21日开始西风指数由高逐渐降低,30日指数达到最低,表明6月下旬相对梅汛期其他时段冷空气势力逐步增强,配合来自中低纬度充足的水汽条件,使得这一时段降雨强度增强。7月初开始,环流指数开始逐步升高,7月6日后环流指数基本维持在高位,环流经向度小,表明此时期冷空气势力不强。从EC的预报对比来看,提前96 h和120 h的预报与实况演变最接近,相关系数大于0.9,超过120~144 h预报也能反映出环流调整的趋势,但超过168 h后西风指数的预报日变化较大,与实况的相关系数明显减小。

图 3 2016年梅汛期西风指数逐日演变(黑色实线)及EC不同预报时效(提前96~240 h)预报结果和相关系数 单位:位势米。

西风指数反映了欧亚中高纬度环流变化,而中高纬度阻塞高压活动是造成我国东部夏季持续强降水的主要环流型,其中当乌拉尔山和鄂霍茨克海地区同时出现阻高活动时,长江中下游大部分地区降水将明显偏多,有利于长江持续强降雨发生[9-11]。也有研究表明[12],当夏季风影响我国大陆,热带副热带系统较稳定时,东亚环流系统可制约季风的东西向和南北向摆动以及季风雨带的强弱和位置。为了进一步对比环流形势的空间分布特征及数值模式的预报偏差,选取6月19—20日、27—28日和7月1—4日长江中下游的3次强降雨过程,给出相应时段NCEP资料(OBS)的500 hPa高度场和高度距平场以及EC提前96 h和168 h的预报(图 4)。从图中可以看到,6月19—20日和7月初的两次强降雨发生时,乌拉尔山高压强度偏强,但位置偏东,乌拉尔山以东地区为一个偏强的低涡,由于中高纬环流经向度较小,南下影响我国的冷空气势力较弱。6月27—28日,贝加尔湖以西为高压脊,我国中高纬度500 hPa高度场呈现西高东低,环流经向度加大,有利于较强的冷空气影响我国中东部。3次降雨过程,鄂霍茨克海至日本海500 hPa均为高压脊控制,且高度距平均为正值,表明这一带高压较常年同期偏强,其中7月1—4日降雨过程中日本海-鄂霍茨克海的高压最强,且稳定持续了5天左右。对比EC提前96 h和168 h的预报结果,可以看到我国上游的乌拉尔山高压脊或者低槽,各预报时效均能较好地预报,但是对于鄂霍茨克海或日本海一带的高压脊预报的强度和位置都有明显偏差。比较而言,27—28日过程中高纬环流预报较好,而这次过程中降雨强度也相对偏差最小。7月1—4日过程对于日本海-鄂霍茨克海的高压的预报明显偏弱,但96 h预报的日本海高压较168 h预报强度有所增强,因此其降雨强度预报也有所提高。

图 4 2016年梅汛期6月19—20日(上行)、27—28日(中行)和7月1—4日(下行)强降雨过程实况(左)、96 h预报(中)和168 h预报(右)的500 hPa平均高度场(等值线)和距平(阴影) 单位:位势米。
4.2 东亚夏季风及其中期预报偏差

梅雨是夏季季风涌带来的充沛水汽和中高纬度的冷空气交汇所产生,暴雨往往发生在季风增强期。本文中东亚副热带夏季风指数采用张庆云等[13]定义的指数,即将东亚热带季风槽区(100~150 °E,10~20 °N)与东亚副热带地区(100~150 °E,25~35 °N)平均的850 hPa纬向风之差作为季风指数,该指数为负代表弱季风,为正代表强季风。图 5给出2016年梅汛期期间东亚夏季风指数演变和EC不同提前预报时效的预报结果。梅汛期开始夏季风持续增强,在7月8日达到最强,之后快速减弱。从EC各时效的预报结果可以看出在7月4日前预报的夏季风强度明显偏强,但5—9日为夏季风最强的时段预报却偏弱。分别计算96~240 h的EC预报的夏季风指数和NCEP再分析资料计算所得的夏季风指数的相关系数,可以看到随着预报时效提前相关系数逐渐减小,表明预报的偏差逐渐增大。2016年强降雨过程发生在7月4日前,而7月4日前夏季风预报偏强、副高位置偏北,使得季风涌可以推进到更北的区域,是造成强降雨雨带偏北的主要原因之一。

图 5 2016年梅汛期夏季风指数逐日演变(黑色实线)及EC(96~240 h)预报结果 单位:m/s。

与季风系统相关的对流层中低层系统的配置与降雨强度和落区有直接的关系,中期预报时关注850 hPa西南急流和北方南下冷空气形成的切变线或者低涡系统。图 6中给出上述3次强降雨过程对应的850 hPa风场距平和≥8 m/s的风速大值区。从3次强降雨过程的850 hPa风场距平实况(NCEP再分析资料,图 6左栏)表明,6月19—20日印度洋西南风增强,27—28日孟加拉湾南部西南风增强,7月1—4日孟加拉湾的西南风和东南风汇合,西南风向北向东推进至中南半岛和南海北部,表明来自印度洋和孟加拉湾的夏季风逐渐增强且向北推进。EC提前96 h和168 h的预报均能表现出夏季风增强的趋势。在3次强降雨过程中,江南、华南一带的EC风速均大于8 m/s,19—20日和7月1—4日长江中下游地区风速超过12 m/s,EC对我国南方的西南急流强度预报均偏强。从我国中高纬度风场距平可以看到,6月19—20日过程中从河西走廊一带有偏北风扩散南下,27—28日过程中河套一带有较强偏北风南下,而7月1—4日河套一带为偏南风距平,表明此过程中来自西路和中路的冷空气势力偏弱,但在东北地区存在一个弱反气旋式环流异常,其底部有东北风异常南下影响长江中下游地区。中高纬南下冷空气是造成强降雨层结不稳定能量建立和释放的重要因子[14],因此影响长江中下游的冷空气预报的路径和强度对于强降雨的发生十分重要。对比EC模式对19—20日和27—28日河套的偏北风异常预报均有体现,96 h预报相对168 h的预报有所改善,因此96 h预报较168 h预报主雨带强度和位置均有所改善。7月1—4日过程中东北地区的反气旋式环流异常,EC提前168 h预报没有体现,96 h预报位置偏北,位于内蒙古东北部,其底部的东北风影响位置偏北,所以96 h预报的降雨落区较168 h的预报的位置从黄淮地区调整至江淮地区。以上分析表明,由于中高纬度环流系统预报偏差导致影响长江中下游的冷空气预报偏弱,也是EC对于降雨过程预报的降雨强度偏弱、位置偏北的原因之一。

图 6图 4,但为850 hPa风场距平(矢量)和≥8 m/s的风速(阴影)
4.3 西太平洋副高异常活动及中期预报偏差

我国夏季降雨与西太平洋副热带高压(简称副高)关系密切,且与副高脊线的位置最密切。图 7是2016年梅汛期110~130 °E平均的逐日500 hPa副高脊线以及EC模式96~240 h的预报结果。自6月19日长江中下游地区入梅后一直到7月1日,副高脊线稳定维持在23~24 °N,2—4日副高脊线略有南落,仍在22 °N以北,有利于江淮地区出现持续的降雨天气。7月4日后,1601号台风“尼伯特”进入菲律宾以东洋面,并在7月9日登陆福建,在此期间副高脊线明显北抬,6—9日脊线位置一度达到29 °N以北。热带气旋的活动并没有使得稳定副高北抬,13日之后副高南落西伸,脊线基本维持在22~24 °N,直至出梅。

图 7 2016年梅汛期副高西段脊线指数逐日演变及EC(96~240 h)预报结果

2016年汛期处于超强厄尔尼诺事件的衰减期,副高具有较常年偏强、偏西的特征[15-16]。从EC预报结果(图 7)可看到,7月6日前预报的脊线位置比实况都偏北,其中96~144 h预报偏差明显小于168~240 h的预报。7月1日之前的96 h预报与实况偏差最小,EC系统偏北不到1 °。而这段时期,降雨落区预报偏北的幅度相对较小。2—3日副高突然向南调整,5日突然北跳。EC各时效对于副高这种突然的南北调整均没有反应,预报均是逐步北抬,这也是造成7月1—4日强降雨过程位置偏差显著偏北的原因之一。5—6日虽然夏季风预报偏差已经由偏强转为偏弱,但受副高脊线偏北的影响,雨带位置仍偏北,但降雨强度的偏差有所减小。6日之后受热带气旋“尼伯特”影响,对于副高西段脊线的预报偏差明显增大,而7月中旬副高位置偏南西伸,EC的96~168 h预报的偏差增大并有南北摆动的特点。此外,对比图 4中副高的空间分布和强度预报发现,3次过程中副高强度预报均偏弱,96 h的预报较168 h的预报有所增强。对副高西段588线的预报可以看到,96 h和168 h预报较实况均偏北。3次过程中对于副高预报偏差相对最小的是27—28日,而7月1—4日预报偏差最大,因此7月1—4日的降水过程偏差最大。可见,副高强度偏弱、位置偏北也是导致2016年梅汛期强降雨落区较实况偏北且降雨强度偏弱的重要原因之一。

5 小结与讨论

2016年梅雨期降水异常偏多,暴雨过程集中且频繁,而EC中期数值模式对强降雨过程的预报在强度和落区方面均出现明显偏差。通过对2016年梅汛期大气环流演变特征以及ECMWF模式的中期环流形势预报偏差分析,得到强降雨预报偏差较大的一些原因,这些分析结果会给中期预报的偏差订正带来一些认识和帮助。

(1) 2016年梅汛期中高纬度环流多变化,多冷空气活动但总体势力不强。夏季风在6月下旬和7月上旬逐步持续增强,西太平洋副热带高压稳定维持,为强降雨的发生提供了有利的动力和水汽条件。

(2) 从500 hPa高度场的预报可以看到,对于我国上游的乌山高压脊或者低槽,EC模式能有较好的预报,但是对于鄂霍茨克海或日本海一带的高压脊预报的强度和位置都有明显偏差。由于冷空气势力总体偏弱,中高纬度环流系统预报偏差导致影响长江中下游的冷空气预报更加偏弱,是EC对于强降雨过程的强度预报偏弱、位置偏北的原因之一。

(3) 2016年是超强厄尔尼诺次年,从春季到夏季西北太平洋副热带高压主体偏强、偏西,而在梅汛期几次强降雨过程中,EC数值模式在中期时效内对副高的位置预报偏北,强度预报偏弱。此外,梅汛期开始夏季风持续增强,而EC对于7月4日前夏季风强度预报均偏强,加上副高位置预报偏北,使得季风涌可以推进到更北的区域,是造成强降雨雨带偏北的主要原因之一。

(4) 从EC预报的环流指数和实况的相关分析对比来看,提前96 h和120 h的预报较好,因此强降雨的落区和强度较更长时效的预报有所改善,而144 h后与实况的相关系数明显减小,因此强降雨预报的偏差也增大。

(5) 不同的天气气候背景下,数值模式的预报性能和偏差有所变化。2016年梅雨期前期是季风逐渐加强、副高稳定维持的阶段。EC预报对于大尺度环流系统的预报偏差较一致,但是梅雨期后期,热带气旋活动,环流调整较大,EC预报不同时效的调整也加大,预报偏差特征和趋势也与前期不同。这种模式性能及其偏差特征调整的原因还需要在预报中关注并做进一步系统性深入分析和研究。

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