EC-thin资料在渭河流域中尺度暴雨概念模型中的应用

乔舒婷,武麦凤,2

(1.渭南市气象局，陕西渭南 714000；2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710016)

渭河流域地貌复杂、生态环境脆弱，在降雨集中的6—8月常出现历时短、强度大、局地性强的中尺度暴雨，易引发洪水、滑坡、泥石流等次生灾害，威胁人民群众生命财产安全。因此，渭河流域暴雨研究引起了气象学者的高度关注[1]。近年来，为了提高渭河流域暴雨预报的准确率，提高气象防灾减灾能力，气象工作者对渭河流域典型中尺度暴雨天气过程以及暴雨形成机理做了大量分析[2-7]和研究[8-13]，发现渭河流域独特的地形对产生暴雨的中尺度对流系统(MCS)的发展起到了积极作用[14]。武麦凤等[15-16]利用常规高空、地面观测资料分析归纳出渭河流域远距离台风暴雨和中尺度暴雨的概念模型，明确了渭河流域中尺度暴雨的标准，并根据中尺度暴雨的影响系统、结构配置、演变规律、落区特点等确定了包括干侵入型、西南气流型、干锋生型和暖干型4类中尺度暴雨概念模型[16]。但是在实际业务应用中，用实况资料归纳总结形成的概念模型，受到气象观测频次和空间尺度的限制，只能做出近0～12 h中尺度暴雨的潜势预报，预报时效和预报的精细程度受到了相应的限制。随着数值预报产品可用性的不断提高，预报实践中准确率和实用性较高的EC-thin资料可用性已经达到了7 d。如果把EC-thin资料应用于中尺度暴雨概念模型中，将大大提高中尺度暴雨的预报时效和预报的时空精细化程度。本文试着将前期的研究成果应用于数值预报产品中，在一定程度上能够传承预报经验，提高数值预报产品的本地化应用程度。

本文选取2019年渭河流域3次中尺度暴雨天气过程(2019年8月3日、8月6日、8月9日)，利用EC-thin风场、高度场、物理量场等3 h间隔预报资料对3次过程逐次进行中尺度分析，形成EC-thin资料的影响系统和结构配置图，按照实况概念模型和物理量阈值指标进行对比分析，形成暴雨落区。最终通过实况观测资料对预报结论进行检验分析：一方面检验EC-thin资料在中尺度暴雨预报中的误差和该资料在概念模型中的可用性；另一方面分析误差产生的原因，研究订正方法，得出对中尺度暴雨预报有指导意义的结论。

1 3次过程概况

2019年8月，渭河流域出现了3次范围较大、强度较强的中尺度暴雨天气过程，分别是8月3日(简称“8·3”、第1次，下同)、8月6日(简称“8·6”、第2次，下同)、8月9日(简称“8·9”、第3次，下同)。第1次暴雨过程(图1a)从3日凌晨开始，主要降水时段为3日02时到08时，较强降水主要分布在渭河中游偏北地区，降水量分布不均，最大降水中心在铜川宜君，24 h降水量为65.8 mm，最大雨强为22.9 mm/h。陕南的东部和西部出现了分散性强降水。第2次暴雨过程(图1b)总体强度比第1次强降水过程要弱，其主要降雨时段为6日04时到08时，渭河流域的强降水主要出现在关中东部，最大降水量为合阳45.8 mm，最大雨强为29.4 mm/h。第3次暴雨过程(图1c)的强降水时段为9日04时到09时，强降水主要出现在渭河中下游的西安和渭南中南部，最大降雨量为西安蓝田103.3 mm，最大雨强为57.4 mm/h。

分析3次强降水过程的逐小时雨量变化可知，3次过程雨强≥20 mm/h的短时强降水均持续2 h以上，都属于对流性质的短时强降水。根据文献[16]的定义，这3次过程都属于渭河流域中尺度暴雨天气过程。

该图为审图号 GS(2019)1719号的标准地图制作，底图无修改。图1 2019年8月渭河流域3次中尺度暴雨过程降水量分布(时间为20—20时；a 3日，b 6日，c 9日)

从以上的分析还可以看出，3次中尺度暴雨过程的主要降水时段均出现在凌晨到上午前，相对大降水区分布在渭河流域中下游，即陕西关中中东部。相对而言，第3次暴雨过程降雨总量、小时雨强及影响范围均最大。第2次降水过程降雨总量及分布范围均最小。另外，3次暴雨过程中，陕南都出现了较大范围的暴雨天气过程。由于本文所应用的概念模型是基于渭河流域研究的，因此只做渭河流域中尺度暴雨方面的分析和检验，对于陕南的暴雨不作过多分析。

2 3次过程的中尺度分析

2.1 “8·3”过程

2019年8月2日20时500 hPa图(图略)上，中高纬度呈“两槽一脊”型，高压脊位于贝加尔湖附近，中纬度甘肃中东部到陕西中南部有一宽广的浅槽，槽线北部位于榆中，槽线南部经过武都，陕西关中以南大部分地方位于低压槽前，受584 dagpm控制。低纬度西太平洋副热带高压(简称副高，下同)西伸脊点位于(120°E，33°N)附近，海南及其沿海有登陆台风“韦帕”向北偏西方向移动。700 hPa图上，在甘肃、四川和陕西三省交界处有一低压环流，陕西中南部为低压环流前部一致的偏南风；台风外围的西南暖湿气流经彬州、恩施、紫阳等地一直延伸至陕西关中中东部，给陕西关中中东部输送了充沛的水汽。850 hPa图上，有从副高外围经徐州、郑州输送到陕西关中北部的一条东风气流，也有一条从东海经阜阳、南阳等地到达陕西南部的东风气流，这支东风气流从副高外围带来的水汽和能量，进一步补充了渭河流域中低层的水汽输送，中低层充沛的水汽输送导致了关中中东部充足的水汽含量，在关中北部形成了一条干线，干线前后温度露点差的差值≥11 ℃。地面图上，2日23时，850 hPa干线下方有一条风向辐合线，短时强降水的落区就出现在干线和地面辐合线附近。

图2a综合展示了上述影响系统的配置情况，可以看出本次强降水过程前，584 dagpm线控制了陕西大部分地方，850～500 hPa上关中大部分地方湿度较小，即渭河流域中低层是暖干环境，结合中尺度暴雨概念模型得知本次过程属于暖干型。500 hPa西风槽是强降水过程的主要影响系统，700 hPa来自台风外围高能高湿的暖湿气流给降水区提供了充沛水汽和足够的能量，850 hPa来自副高外围的东风气流在一定程度上补充了关中中东部低层的水汽和能量，850 hPa干线和地面辐合线是本次中尺度暴雨的触发机制。

该图为审图号 GS(2019)3082号的标准地图制作，底图无修改。蓝色实线(箭头)为500 hPa等高线(显著气流)，褐色实线为500 hPa槽线，黄色实线为700 hPa等高线，褐色箭头(双实线)为700 hPa显著气流(切变线)，红色双实线(箭头)为850 hPa切变线(显著气流)，绿色锯齿为850 hPa湿区，黄色锯齿为500 hPa干区，黄色虚线为t(850-500)≥25 ℃区域，红色空心虚线为850 hPa干线，黑色断线为地面辐合线，绿色阴影区为暴雨区。图2 2019年8月渭河流域3次暴雨过程中尺度分析(a 2日20时；b 5日20时；c 8日20时)

2.2 “8·6”过程

2019年8月5日20时500 hPa图(图略)上，欧亚高纬度呈“两槽一脊”型。高压脊位于新疆以北，脊前有一低涡从贝加尔湖南部一直延伸到陕西榆林北部，中纬度陕西关中北部有一低压槽，位于铜川、宝鸡一线。槽前有从重庆沙坪坝经陕南的汉中和安康延伸到关中中部≥16 m/s的西南急流，陕南到关中有明显风速辐合，125°E以东东海和黄海海域分别有一台风向北移动，北部的台风中心位于32°N附近，其外围的东风气流从东海延伸到内陆。表现在850 hPa图上，从东海经阜阳、南阳到河南卢氏为一致的东风气流，沿黄河经郑州也有向陕西关中的东风气流辐合，东风气流的风速都不大，但这一东风气流来自东部海面，持续不断地输送在一定程度上给降水区补充了水汽和能量。700 hPa图上，在延安、榆中与崆峒之间有一条横向切变线，切变线前850 hPa有明显的干线存在，干线前后的露点差≥15 ℃。5日23时地面天气图(图略)上陕西关中东部有一明显的风向辐合线，该辐合线位于700 hPa干线前部。暴雨落区位于500 hPa槽前，700 hPa切变线、干线，地面辐合线重叠区域以及850 hPa东风气流的辐合区内。

图2b展示了上述影响系统的综合配置情况，可以看出本次过程主要发生在500 hPa西南气流控制时段内，结合渭河流域中尺度暴雨概念模型分析认为本次过程属于西南气流型。500 hPa槽前强盛的西南气流是本次短时强降水的主要影响系统，700 hPa切变线是短时强降水的动力抬升机制，850 hPa来自台风外围的东风气流为短时强降水提供了水汽和能量，850 hPa干线和地面辐合线是本次过程的触发机制。

2.3 “8·9”过程

2019年8月8日20时500 hPa高空图上，欧亚中高纬度呈“两脊一槽”型，贝湖附近有一低涡，低涡槽延伸至宁夏中宁—兰州—合作一线，陕西关中大部分地方处于西西南气流中，东部海面上副高的西伸脊点位于(120°E，33°N)附近，台风“利奇马”中心位于台湾附近。700 hPa在甘肃崆峒到延安、西安有切变线，850 hPa切变线与700 hPa切变线位置基本重合，西安东部和渭南位于切变线前部，700 hPa及850 hPa有从副高和台风外围延伸至陕西关中东部的显著东风，为短时强降水提供了充足的水汽条件。地面图上，白水、澄城与大荔、临潼之间有一明显的地面辐合线，随着地面辐合线的南压，强降水就出现在地面辐合线附近。

图2c综合展示了本次短时强降水过程的主要影响系统的配置情况。可以看出，本次强降水区主要位于700 hPa和850 hPa切变线前侧大约0～150 km处，低层湿舌(区)与高层干舌重叠区域内，结合中尺度暴雨概念模型得知本次过程属于干锋生型。700 hPa和850 hPa的切变线为短时暴雨提供了强的动力抬升作用，从台风外围输送到关中东部的显著东风(但风速没有达到急流标准)为短时强降水提供了水汽和能量，增强了降水效率和降水强度，地面辐合线是本次暴雨过程的触发机制。

对比3次中尺度暴雨过程的形成机理，700 hPa的切变线都是中尺度暴雨的抬升机制，850 hPa干线或者地面辐合线是中尺度暴雨的触发机制。3次暴雨均有台风和副高的参与，不同的是第1次和第3次暴雨有从台风和副高外围延伸到关中东部的西南急流或者显著东风为暴雨区输送水汽和能量，降水效率高，持续时间相对较长，降水总量大；而第2次暴雨的水汽主要来自500 hPa的西南急流，低层只有较弱的东风气流从台风附近延伸到了关中东部，相对另外两次暴雨，这次过程的降水强度小，持续时间短，说明有从海南和台湾附近登陆台风参与的渭河流域远距离台风暴雨降水效率更高，强度更大。

3 EC-thin资料中尺度分析和物理量指标应用

对3次暴雨过程中EC-thin资料预报场进行中尺度分析，并按照实况概念模型和物理量指标(这里主要分析代表大气热力不稳定的Ki指数和对流有效位能CAPE值)进行检验分析。3次过程所用的资料均为强降水出现前，预报员做预报时能够用到的最新时次EC-thin资料的预报场，所对应的暴雨落区均为未来24 h的暴雨预报落区。共分析2个时次，一个是与实况中尺度分析一致的时次，另外一个为强降水开始的时间。

3.1 “8·3”过程

将EC-thin资料2019年8月1日20时起报的24 h(图3a)和27 h(图3b)预报场与实况中尺度分析比较得知，24 h预报场上，500 hPa副高南界略偏南1个纬距，台风和中纬度槽线位置预报与实况基本相符。700 hPa低空急流的位置预报有偏差，实况是台风外围的东南风暖湿气流在环流形势的配置下，形成了低空急流延伸到了关中东部。预报场上的低空急流则是延伸到陕西关中西部，预报相对实况场偏西2个经距。低空急流预报的偏差直接导致了强降水落区的偏差，随着预报时效的延长，EC-thin对低空急流的位置进行了调整，27 h的预报场上，低空急流的初始位置已经调整到了台风外围，但低空急流的末端位置依然在关中西部。850 hPa预报场上，干线和东风急流的末端位置预报基本正确，但预报场上华北的低压环流在实况上表现不明显，也正是因为这个低压环流预报偏强导致与实况场相比，850 hPa东风急流预报强度偏弱、位置偏北。对比8月2日20时EC-thin中尺度分析中各影响系统的位置误差，对27 h(即2日23时)EC-thin的各影响系统进行订正。结合文献[16]中概念模型的暴雨落区，将EC-thin的暴雨落区向东移动1～2个经距，移动后的暴雨落区相对实况依然偏北，这与预报场上位于华北的小高压环流预报弱，显著东风偏北有关。

该图为审图号 GS(2019)3082号的标准地图制作，底图无修改。蓝色实线为500 hPa高度线，褐色实线为500 hPa槽线，褐色箭头(双实线)为700 hPa显著气流(切变线)，红色箭头(双实线)为850 hPa显著气流(切变线)，绿色锯齿为700或850 hPa湿区，红色空虚线为850 hPa干线，绿色阴影区为暴雨区。图3 EC-thin 2019-08-01T20起报24 h和27 h预报中尺度分析

分析EC-thin对流降水量预报得知，模式预报的强对流天气落区与累计降水量的大降水区域分布一致，对关中东部的对流性降水有体现，但预报最大降水量为16 mm，没有预报更强降水，同样对于水汽通量和整层可降水量的预报也是偏西，这与前面分析的环流形势的预报相匹配。利用EC-thin的物理量场对降水预报进行诊断分析得知：首先，模式预报CAPE大值区(图略)与预报的强降水落区没有很好的一致性，而模式预报CAPE大值区(≥800 J/kg)与实况强降水落区的对应关系良好；其次，Ki指数大值区的预报范围比较大，模式预报降水落区和实况降水落区都在Ki指数预报的大值区内，大值中心Ki指数预报值≥40 ℃，分析0～27 h逐3 h Ki指数的演变情况得知，实况强降水的落区均处于Ki指数预报的大值区内。

综上分析，对EC-thin资料进行中尺度分析，并在实况中尺度分析的基础上对误差较大的影响系统进行订正，结合中尺度暴雨概念模型进行对比判断落区，可以对EC模式的强降水落区做出一定调整和订正，再加上物理量场的分析和再订正，强降水落区基本可以做到不漏报，但会有较大范围的空报。

3.2 “8·6”过程

将EC-thin 8月4日20时起报的24 h(5日20时，图4a)和30 h(6日02时，图4b)预报场的中尺度分析与实况中尺度分析进行对比可以看出，本次过程的主要影响系统在预报场上都有体现，但EC-thin 5日20时500 hPa西风槽、槽前对应的西南气流、700 hPa切变线位置预报偏西1～2个经距，850 hPa干线位置预报偏南1～2个纬距，因此，大降水区预报偏西1～2个纬距，偏南1～2个纬距。对比文献[16]的中尺度暴雨概念模型的落区，根据实况中尺度分析判断EC-thin资料的误差，按照EC-thin预报场的移动速度，对主要影响系统进行调整之后，降水落区可以向东调整1～2个经距，预报基本能做到不漏报。

分析EC-thin 的CAPE预报场(图略)，并与模式本身的降水预报落区进行对比分析得知，对陕南大降水区，该模型预报5日20时CAPE大值区与强降水落区有很好的一致性；而对关中的大降水区，预报的CAPE大值区(≥800 J/kg)与实况强降水落区的对应关系不一致。随着降水时效的临近，预报的CAPE大值区向东偏北方向移动，6日02时整个关中的CAPE预报值均较大(≥800 J/kg)，但预报场上CAPE预报的大值中心与强降水区域不重合。Ki指数预报分析也有类似的结论，大值中心的Ki指数≥40 ℃。对EC-thin对流降水量的预报分析得知，虽然模式预报的能量较大，但对关中东部的对流性降水出现漏报。水汽上，实况的大降水落区也没有预报出明显的水汽辐合和水汽输送，说明EC-thin对本次过程的对流性没有明确的预报。

该图为审图号 GS(2019)3082号的标准地图制作，底图无修改。褐色实线为500 hPa槽线，褐色双实线为700 hPa切变线，红色双实线为850 hPa切变线，蓝色箭头为500 hPa显著气流，绿色锯齿为700或850 hPa湿区，绿色阴影区为暴雨区。图4 EC-thin 2019-08-04T20起报24 h和30 h预报中尺度分析

3.3 “8·9”过程

将2019年8月7日20时起报24 h(8日20时，图5a)和36 h(9日08时，图5b)预报场的影响系统配置情况与实况进行比较发现，8日20时500 hPa槽线与实况位置基本一致，700 hPa和850 hPa切变线的北段与实况位置相当，但在实况场上700 hPa和850 hPa切变线都是西北—东南走向，而预报场两层切变线都是南北走向，两层切变线的南端预报场较实况场偏西2～3个纬距、偏北0.5～1.0个纬距。东部沿海的台风和副高位置预报与实况基本相符，中低层台风和副高之间东风气流预报也比较接近实况。随着预报时效的延长，中低层切变线略有东移，其南端的位置略向东调整，但仍然偏西0.5～1.0个纬距，偏北0.5个纬距左右。因此，本次过程预报的强降水落区比实况位置偏西大约0.5～1.0个纬距，偏北大约0.5个纬距，量级预报与实况量级接近。对比实况，将EC-thin中尺度分析的影响系统进行订正，按照模式的移动速度重新分析配置后，对比文献[16]的中尺度概念模型的落区，结果发现订正后的暴雨落区与模式的降水预报落区基本一致。

分析EC-thin 的CAPE预报场(图略)，并与模式本身的降水预报落区进行对比得知，本次强降水过程中，模式预报8日20时至9日08时CAPE大值区与强降水落区都有很好的一致性。在实况大降水区域，也有预报CAPE大值区(≥800 J/kg)存在，但大值中心与强降水区域不重合。Ki指数预报分析也有类似的结论，预报的Ki指数大值中心≥40 ℃。分析EC-thin对流降水量预报得知，本次过程模式对关中东部的对流性降水预报比较成功，预报的最大3 h降水量为26 mm，位于蒲城与大荔之间。这个强度与实况相比明显偏小，但在面上雨量相对较小的情况下，个别站点的强降水给预报员的判断敲响了警钟，强降水落区预报很成功。本次水汽条件的预报也比较成功，实况的大降水落区在水汽通量散度的预报场上有明显的水汽辐合，辐合中心最大值≤-44×10-6g/(cm2·hPa·s)，位置与实况强降水的落区基本一致。

该图为审图号 GS(2019)3082号的标准地图制作，底图无修改。蓝色(褐色)实线为500 hPa高度线(槽线)，褐色双实线为700 hPa切变线，红色双实线(箭头)为850 hPa切变线(显著气流)，绿色锯齿为700或850 hPa湿区，黄色锯齿为500 hPa干区，绿色阴影区为暴雨区。图5 EC-thin 2019-08-07T20起报24 h和36 h预报中尺度分析

通过3次过程对比分析发现，EC-thin对降水落区预报均偏西偏北。对比实况中尺度分析图和EC-thin预报场的中尺度分析图得知，EC-thin对低空急流的预报习惯性偏西，而且大概率都是从(110°E，30°N)附近开始预报偏西，该位置附近地形较低，南靠巫山，西北紧邻大巴山，东北方向有武夷山，地势高低错落。当低空急流经过该处时，根据来向的不同，西行北上受到山体的阻挡，其强度和路径都会发生不同的变化，预报难度较大。另外，EC-thin对东风显著气流(急流)的预报位置偏北，这可能与东部来的气流受到太行山，甚至吕梁山的阻挡有关。经过对EC-thin进行中尺度分析，结合实况中尺度分析对影响系统进行订正，结合中尺度暴雨概念模型的暴雨落区和模式物理量场的订正，第1次和第3次暴雨落区有比较好的改善；而第2次暴雨没有得到较好的订正，这可能是在西南气流型中，中层的水汽条件较好，但低层水汽条件、抬升条件相对较差，对流性相对较弱，模式对这种弱对流性预报不足。

4 结论与讨论

(1)EC-thin资料在渭河流域中尺度暴雨概念模型中是可用的，运用实况中尺度分析对EC-thin的影响系统进行订正后采用中尺度概念模型判断暴雨落区，对部分强降水落区的订正效果较好；另外，EC-thin资料容易对低空西南风急流预报偏西1～2个经距，东风急流预报偏北1～2个纬距，实际业务中可以继续关注EC-thin对于低空急流位置预报的偏差。

(2)2019年强对流天气预报中，EC-thin对西南气流型暴雨的预报，无论是强对流性质，还是系统配置或者是物理量场的预报都存在一定的偏差，可以结合结论(1)对影响系统进行调整后，对降水预报进行订正；对于干锋生型暴雨降水落区的预报，可以对EC-thin资料进行中尺度分析，结合物理量预报的大值中心、大值区演变的情况以及调整后的低空急流位置等对降水落区进行综合研判后再进行订正。

(3)EC-thin强对流降水预报资料中，在面上量级相对较小的情况下，个别站点的强降水预报应该引起预报员的关注和再分析，这对强对流天气中中尺度暴雨落区的预报有一定的积极意义。