河南省区域性暴雨动态集成预报 郑世林 席世平 河南省气象台郑州4 5 0 0 0 3 摘 要 河南省是一个暴雨多发区为了提高预报的准确率我们参考了多种数值模式的预报结论本文的就如何客观的使用这些结论做了一些探讨希望通过对各种模式的客观评价建立一个适用于不同天气形势下的动态暴雨集成模型从而为数值模式的合理应用提出一个初步结论 关键词区域暴雨 数值模式 集成预报 1 引言 6 到 8 月没河南省的暴雨多发期 而所有的气象灾害中由暴雨所造成的损失通常也占据 了很大的比例为了提高暴雨预报的准确率各级预报员都在做着不懈的努力目前我们既 拥有国家中心的 T 2 1 3 H L A F S 日本传真图等降水指导预报也有 M M 5 R E M M A P S等本地 的中尺度模式 它们都能为预报员提供时效不等的降水预报 但实际上并不是每一次它们都 能具有相同的结论也许今天这种个模式预报有暴雨明天却是另一个模式预报了暴雨预 报员该怎样理解这些结论 如何使用它们呢从我们多年的使用经验来看 在不同的天气形 势下各种模式具备不同的预报能力比如日本模式对副高边缘强降水的预报很差而 M M 5等中尺度模式却能很好把握相反对于西风带系统等系统性降水日本及 T 2 1 3都有很 好的指示意义但中尺度模式却有很大偏差 本文的目的就是通过对河南省区域性暴雨的客观天气分型对各种数值模式在不同形 势下的预报能力进行评价利用评价结论生成集成权重系数从而得出集成方程由于数值 模式是在不断改进 为了提高集成方程对模式的适应能力 我们每次的评价都采用实时样本 序列 也就是说每当有新的区域性暴雨发生是都会进入我们的评价样本 由于很多模式的历 史资料不足目前采用的样本基本上是从 2 0 0 2 年汛期开始但随着时间的增加样本也会增 加预报的可信度也会稳步提高 2 暴雨形势分型 本文采用了 1 9 8 0 年到 1 9 9 5年共 2 1 3个暴雨日的 5 0 0 h P a高度场通过聚类分析得出 4 种暴雨形势分别为径向环流型纬向环流型副高边缘型低槽型分别描述如下 2 1 径向环流型 环流以经向型为主在二连浩特呼和浩特到延安一线和甘孜西昌到临沧一线分别 有一低槽北支槽作用为引导冷空气南下南支槽为河南省输送水汽此类型也可以称为南 北两槽型该型占样本总数的 2 2 . 5 % 该形势下暴雨落区主要在黄淮之间暴雨多集中在南阳驻马店两地区附近 2 2 纬向环流型 环流以纬向型为主此类型下多短波槽活动该型占样本总数的 2 6 . 8 % 该形势下降水落区在我省东部南部暴雨落区在周口商丘许昌漯河驻马店等 地区 2 3 副高边缘型 5 8 8线位于杭州宜昌桂林到南宁一线副高控制长江以南大部分地区我省处于副 高边缘的西南气流中该型占样本总数的 2 4 . 9 % 该形势下降水落区分别在黄河以北和许昌以南地区暴雨多集中在濮阳新乡驻马店 信阳等地 2 4 低槽型 在乌拉特平凉到合作一线有一低槽东移影响我省该型占样本总数的 2 3 . 0 % 该形势下降水落区主要集中在黄淮之间暴雨落区大部分在许昌以北也有个别个例在 南部 3 物理量分析 暴雨产生前存在极大的不稳定能量积蓄 而暴雨过程则是不稳定能量的释放过程 同时 暴雨产生与水汽供给以及强烈的上升运动紧密相连 为此我们从表征大气稳定度 水汽和上 升运动等方面对暴雨的产生机制作如下诊断分析 3 1 湿度场和稳定度 湿度场要素的变化能够反映水汽辐合和水汽输送 在暴雨产生前底层湿度明显增大 在 影响河南省的关键区( 东经 1 0 7 1 1 7 度北纬 3 0 3 7 . 5 度) 暴雨产生前 8 5 0 h P a 的比湿均大于 1 4310gg同时分析静力稳定度可以看出暴雨产生前我省上空 K 指数均大于 3 1 0 K 这就为暴雨产生提供十分有利的温湿环境场 3 2 水汽通量散度 降水过程中空气中的水汽一面不断的降落 一面从降水区外不断的有水汽向降水区补充 因 此作暴雨预报不仅要了解水汽的来源还要看水汽在何处集中我们分析了水汽通量散度 一般来说底层7 0 0 h P a 以下的水汽通量散度能较好的反映水汽的集中据统计 7 0 0 h P a 的水汽通量散度均小于7hpacmg28 5 0 h P a的水汽通量散度至少要小于1 1810hpacmg23 3 散度场涡度场和垂直速度场 散度场的配置一般是低层辐合高层辐散 这样有利于垂直运动的发展和暴雨的产生 我 们在分析动力条件中发现散度场以 8 5 0 h P a 辐合最强5 0 0 h P a 的辐合最弱甚至散度值为正 值 也就是暴雨产生前高层与低层散度有明显的差值 而且这种散度差越大降水强度也越大 涡度场以 7 0 0 h P a 为最大而垂直速度以 5 0 0 h P a 为最强到了 2 0 0 h P a 又为辐散区这种现 象说明了低中高空存在着两个次级环流 有利于低层辐合加强发展 是暴雨产生的一个重要 的动力条件 据统计8 5 0 h P a 的散度值一般在1 . 02 . 8105s17 0 0 h P a 的涡度值一般在3 4105s1而 5 0 0 h P a 的垂直速度一般在- 1 0 . 0 - 2 5103h P as1左右 3 4 螺旋度分析 螺旋度是用来衡量涡旋气流的强弱及沿输入方向的涡度分量大小的参数 由于它的物理 意义明确对大范围暴雨的分析预报有较好的实用价值近年来研究较多螺旋度可以表示 为风速矢量和涡度矢量的点积的体积分 暴雨发生之前的螺旋度的增长体现为环境风场将正 涡度和暖湿气流输送到暴雨关键区 这一点为暴雨的发生发展提供了所必须的水汽和能量条 件 同时螺旋度的增长与暴雨极值的出现存在相应的对照关系 因此利用数值预报产品可以 作出对应的暴雨落区预报这一点是螺旋度可以作为暴雨落区预报参数的根据 4 暴雨集成预报 4 1 集成方案 首先对参加集成的数值预报产品的降水预报结论按不同的天气分型进行评价以 T s 评 分为评价依据某种数值预报产品在某一天气型下的降水实时 T s 评分决定该数值预报产品 在该天气型下的方程中的集成权重系数 T s 1 ( m , t ) , T s 2 ( m , t ) , T s n ( m , t ) , 其中 m为分型种类n为参加评价的数值预报产品种 类t 为评价时段 依据评价结果确定动态权重 a n = T s n ( m , t ) / ( T s 1 ( m , t ) + T s 2 ( m , t ) + T s n ( m , t ) ) 集成预报方程为 R = a 1 * r 1 + a 2 * r 2 + a n * r n 其中 r 1 , r 2 , r n 为 1 到 n 类数值预报产品的降水预报值 a 1 a 2a n 均为时间数值产品种类预报对象的函数 4 2 作业流程 首先进行 5 0 0 h P a形势的天气形势判别根据实况资料确定进入四种暴雨形势的哪一 种并进行物理量的诊断分析确定是否符合暴雨产生的条件然后计算样本序列中该形势 下参与集成的各产品的 T s 评分 并计算相应的权重系数 最后提取各产品的降水预报结果 加入集成权重得出预报结论 5 个例分析 2 0 0 4 年 7 月 9 日至 1 0 日为我省今年入汛首场暴雨具有范围大强度强等特点下图 为 7 月 9 日 2 0 时到 1 0 日 2 0 时我省的降水量图从图中可以看出暴雨落区主要在黄淮之 间 图一 河南省降水量图 根据天气形势分析图略9 日 0 8 点 5 0 0 h P a 图上巴彦毛道兰州到西昌一线有一 低槽符合低槽型预报形势且地面有冷空气配合属于典型的暴雨形势另外从动力条 件和水汽条件分析也都能满足暴雨的要求 根据样本资料分析T 2 1 3对我省各站点在低槽形势下暴雨的预报能力基本都在 2 5 % 左 右而 M M 5 和 R E M 模式的预报能力在 3 5 % 以上其他模式由于在 2 0 0 3 年中暴雨预报能力较 差其 T s 评分基本在 1 5 % 以下具体评分结果及使用均是针对单站此处只是简要说明 由此我们可以确定集成方程并得出预报结果对比分析如下从下面三张图中可以 看出 T 2 1 3 和 M M 5 两种模式均作出了暴雨预报但落区略有差别通过我们的集成有改善 落区准确率的效果 图二 T 2 1 3 预报结果 图三 M M 5 预报结果 图四 集成结果 6 结论 通过我们的工作初步掌握了模式产品在不同天气形势下的不同预报能力 并且随着我们样本的积累这种能力的判断也将会越来越准确有了这种较为准 确的能力判断我们对他们的降水预报的使用也必将走向客观同样基于数值 预报产品为基础的暴雨预报水平也会逐步提高