华南暖区暴雨预报的模式初始场质量敏感性分析

孙璐 陈思远 潘贤 王秋萍 和杰 马旭林

(南京信息工程大学，南京 210044)

引 言

华南地区位于我国大陆南端，受夏季风影响显著，下垫面复杂，进入汛期早，常发生暴雨洪涝灾害[1]。其中，华南前汛期观测试验指出，华南前汛期暴雨绝大部分为暖区暴雨，且锋前暖区暴雨是其主要暴雨类型[2]。暖区暴雨由于受单一暖气团控制，大尺度系统信号不清晰，中小尺度天气系统发生发展的前导信号较弱及其机制复杂，且局地性强等原因，导致暴雨预报准确率较低[3]。目前，暖区暴雨的准确预报依然是气象预报所面临的一个科学难题。

针对暖区暴雨的大尺度环流和中小尺度对流系统的天气学研究已有大量工作。基于2005—2008年5—6月暖区暴雨中低层环流形势的统计分析，丁治英等[4]与陈翔翔等[5]将影响华南暖区暴雨的环流系统分为切变型、低涡型和偏南风速切变辐合型三类，并指出副热带高压脊线对华南暖区暴雨产生重要影响。同时，许多学者针对中尺度对流系统对暖区暴雨的发展规律及其演变特征等问题也开展了诸多研究工作[6-8]。陈敏等[9]、孔期等[10]通过暖区暴雨和锋面暴雨的对比指出，锋面上和锋前暖区出现的中尺度对流系统(Mesoscale Convective System，MCS)明显不同，前者具有更强的斜压性特征，并伴随有冷暖空气同时参与，而且二者的触发机制也存在显著差异。除MCS等较大中尺度系统的影响外，β中尺度或γ中尺度的天气系统对暖区暴雨的发生发展具有更直接的关系[11-12]。

随着数值模式的快速发展，借助高分辨率数值模式开展暖区暴雨的发生发展机制等研究已经成为一种更为有效的重要方法。现有研究表明，对于中小尺度强天气系统而言，相对于模式误差，降水预报质量对模式的初始误差更加敏感。预报误差的非线性动力学传播研究表明，预报过程中模式初始场的微小误差可能会快速增长，最终导致模式降水的显著差异[13-14]。而相比江淮暴雨，华南暖区暴雨对初始误差更加敏感，误差增长往往更加迅速，最终可能导致预报失败[15]。其中，模式初始时刻微小的湿度误差，会造成对流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)和对流抑制能量(Convective Inhibition，CIN)出现差异，进而影响MCS系统的发展，对暖区暴雨预报质量产生显著影响[16]。因此，一些学者从改善预报模式的初始场质量出发，希望可以提高暖区暴雨的预报准确率。张诚忠等[17]通过Nudging降水资料，较好地改善了华南一次暖区暴雨过程的临近预报质量，只是随着预报时效的增加改善效果逐渐减弱；而利用云分析增加初始云水物质，暖区暴雨的预报效果也得到显著改善[18]。王淑莉等[19]使用集合卡尔曼滤波(EnKF)同化方案提高模式初值质量，也使得部分集合成员成功模拟出了北京“7.21”暴雨过程。华南暖区暴雨研究中采用同样的方案仍然得到了较优的试验结果[20]。可见，在数值预报中，预报模式初值的质量对华南暖区暴雨预报的质量具有至关重要的作用。欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析资料质量得到广泛认可，但也具有一定的差异。研究指出，相比NCEP的FNL分析资料，ECMWF的ERA-Interim再分析资料对低层温度场和湿度的描述更接近于观测[21-22]。在飑线模拟预报中，由于ERA-Interim再分析资料的初始水汽场质量更为准确，致使飑线发生发展过程的模拟效果都有不同程度的提高[23]。

数值预报模式初值质量对暖区暴雨预报质量具有重要影响。华南地区纬度较低，湿度对该地区暴雨的发生发展和热动力学机制的影响更为重要。那么，对于华南暖区暴雨而言，模式初始场的关键物理量尤其湿度的质量或初始误差对暖区暴雨的影响及其敏感程度如何？哪些物理量是华南暖区暴雨预报质量的关键性影响因素？本文基于ERA-Interim和FNL两种再分析资料，通过将两者的水汽、风、温度等基本模式物理量，逐渐合成不同质量的模式初始场，分别制作高分辨率模式预报，研究初始场质量对暖区暴雨预报的影响，分析不同气象要素对华南暖区暴雨预报的敏感性以及影响中小尺度对流系统发生发展的可能成因。

1 华南暖区暴雨个例

1.1 天气形势与降水

2015年5月19日，华南地区发生了一次暴雨、局地大暴雨的天气过程，强降水中心分别位于广东西北和中南部。西北侧强降水中心的降水落区从广东北部延伸至中部，范围较大；南侧强降水中心局地性强，主要集中在广东南部沿海地区。两个强降水中心的24 h累积降水量分别达到100 mm和350 mm以上。北侧降水发生在锋面周围，为锋面暴雨，南侧降水位于锋前200～300 km的暖区，为锋前暖区暴雨。

基于 ERA-Interim再分析资料(分辨率为0.125°×0.125°)的天气形势(图1)显示，19日12时(世界时，下同)对流系统开始发展时，对流层上层200 hPa的广东南部处于西北气流控制，北部受到偏南气流的影响，形成了扇形辐散的风场分布。中国东北部有一个大槽延伸到山东一带，高空急流主要分布在30°～40°N之间，华南地区处在高空急流的南部(图1a)；中高纬地区的东亚大陆500 hPa上空主要是两槽一脊，东北低槽延伸到长江中下游一带，副热带高压位于我国南海，广东地区主要受偏西气流的影响(图1b)。850 hPa的高比湿中心主要位于华南北部区域，其中两广中北部大部分地区的比湿大于16 g·kg-1。受西南气流的影响，东南亚地区的水汽持续输送至两广中北部对流层中低层上空，为强降水的发生和维持提供了充足的水汽条件(图1c)。广东西南部地面出现明显的中尺度辐合线，低层辐合高层辐散的配置利于降水形成(图1d)。19日18时，中国东北区域的200 hPa高空槽减弱，其他各系统相比19日12时，强度未出现明显变化，但位置略向东移动，影响广东的扇形风场相比上一时刻有所减弱(图1e)。500 hPa槽也较上一时刻减弱，副高西段北抬，东段南移(图1f)。对流层低层850 hPa，广东地区的比湿减小，孟加拉湾地区出现水汽大值中心，稳定存在的西南风向广东地区持续输送水汽(图1g)。地面辐合线的位置略向东偏移(图1h)。

图1 2015年5月19日200 hPa(a、e)、500 hPa(b、f)、850 hPa(c、g)和地面(d、h)天气形势与主要影响系统(阴影为比湿，单位：g·kg-1；棕色实线为槽线；黑色实线为地面辐合线)：(a—d)12时；(e—h)18时

1.2 强对流单体的发展

从19日12时至20日06时6 h间隔的雷达反射率(图2)可以看出，19日12时开始(图2a)，南北两个降水区域内均出现零星的强度较弱的对流单体，之后对流单体快速加强，19日18时(图2b)出现大于45 dBZ的强回波，形成明显的对流带。同时，北部对流带开始逐渐向南移动；20日00时(图2c)，南部对流带继续维持，北侧对流带移至南部，并开始与南部对流带合并。至20日06时(图2d)，南北对流带在南部沿海完全合并后缓慢向南移动，该区域对流带完全移至洋面，本次降水过程结束。由此可见，导致本次暴雨过程的关键天气系统为广东西北部和南部的两个中尺度对流带，且北侧的对流带向南移动最终和南部对流带合并，进一步加强了南部对流带。

图2 5月19日12时—20日06时6 h间隔的雷达反射率(单位：dBZ)：(a)19日12时；(b)19日18时；(c)20日00时；(d)20日06时

2 资料与试验方案

2.1 预报模式与资料

试验采用高分辨率配置的中尺度数值预报模式WRF，单层网格，其水平分辨率为2 km，模拟区域中心位于(21°N，114°E)，水平网格840×759，模式垂直层数40层，模式层顶为50 hPa，时间积分步长为10 s，模式输出时间间隔1 h。预报模式分别采用Morrison2-mom方案的微物理过程、RRTM长波辐射方案和Dudhia短波辐射方案、近地面层为Monin-Obukhov方案、边界层方案为YSU方案、陆面过程采用Noah方案。由于模式分辨率较高，模拟时不使用积云对流参数化方案。模式预报启动时间为2015年5月19日00时，积分40 h。

敏感性数值模拟试验的初始场使用NCEP的1°×1°分析资料与ECMWF ERA-Interim的分辨率0.25°×0.25°再分析资料及其合成资料，初始场为ERA-Interim再分析资料的敏感性试验的侧边界条件为对应的ERA-Interim再分析资料，其他敏感性试验的侧边界条件均为NCEP的1°×1°分析资料。降水为中国气象数据网提供的分辨率为0.1°的自动站和CMORPH的降水融合资料。

2.2 模式初值合成方案

模式初始场的微小差异可能会对预报结果产生显著的影响。在FNL资料为模式初始场质量劣于ECMWF资料的基础上，为考查模式初始场不同气象物理量对暖区暴雨模拟的敏感性，将FNL资料和ECMWF资料模式初始场的相关物理量的值分别均分为10等份，按照每次减少10% FNL相关物理量的值并同时增加10% ECMWF初始场物理量的值的比例进行合成，逐步将FNL模式初始场的相关物理量的值调整为ECMWF物理量的值，合成新的初始场。用序号1到10分别表示ECMWF(FNL)初始场相关物理量占合成初始场的比例为10%(90%)到100%(0%)。五组试验分别设置如下：(1)ALL试验：合成温度场、风场以及和水汽混合比；(2)T试验：仅合成温度场；(3)UV试验：仅合成u、v风场；(4)Qv试验：仅合成水汽混合比；(5)noQv试验：仅合成温度与u、v风场。

3 数值结果分析

3.1 初始场差异对降水预报的影响

为给模式初始误差敏感性分析提供研究基础，首先进行模式初始场分别为ECMWF资料和FNL资料的预报试验，以区分各自模式初始场的质量。从5月19日12时模式起报的24 h累积降水分布(图3)可以看出，广东北部的实况锋面降水呈现西北—东南走向的带状分布，而南侧的暖区降水呈现为近东西向分布，并出现了大于350 mm的强降水中心(图3a)。模式初始场为ECMWF资料(图3b)和FNL(图3c)资料的预报都较好地模拟出了广东北部降水的带状分布，但后者模拟的降水落区位置相比实况整体偏东北方向。另外，二者预报的广东北部锋面降水强度都较实况略偏强，尤其后者更强。相对而言，初始场为ECMWF资料的预报在广东东北部的降水空报改善明显。对于南侧的暖区暴雨，FNL初始场的降水强度明显偏弱，且雨带结构松散，而ECMWF资料模拟结果的降水强度则显著改善，出现了接近实况的300 mm以上的强降水中心，只是中心位置相比实况略有偏北。总体而言，ECMWF资料的模拟结果相比FNL资料更接近实况，其预报质量更佳。

图3 2015年5月19日12时模式起报的24 h累积降水分布(单位: mm)：(a)实况；(b)ECMWF初始场；(c)FNL初始场

3.2 模式初始场合成试验的降水预报差异

基于ECMWF资料为模式初始场的预报结果优于FNL资料，将二者初始场资料进行按比例逐步合成，开展模式初始误差敏感性试验分析。如图4所示，合成初始场从FNL初始场向ECMWF初始场靠近的过程中，广东北部锋面降水、南部暖区暴雨以及空报的预报结果都逐渐向ECMWF初始场的预报结果靠近，其预报质量逐步提高。北侧锋面暴雨的改善主要表现在降水落区，而南部暖区暴雨的降水落区和降水强度都有较好的提高。对照观测降水分布可以发现，从合成试验ALL_1到ALL_10，锋面暴雨的降水落区逐渐向西南方向移动，降水落区得到调整，逐步接近观测。其中，合成试验ALL_3(图4d)开始，FNL初始场预报的广东东北部(25°N，116.3°E)的弱降水空报区逐渐消失；至ALL_5试验(图4f)，北侧锋面暴雨的降水落区开始向西南方向调整。试验ALL_7(图4h)对南部暖区暴雨的预报出现了大于250 mm的强降水中心，且降水落区东西带状结构明显。但试验ALL_7、ALL_8(图4i)和ALL_9(图4j)对锋面暴雨的南侧落区模拟较差。合成试验ALL_10(图4k)预报的强降水中心明显大于其他试验，出现了350 mm以上的强降水中心。值得注意的是，合成试验ALL_10对暖区暴雨的预报相比单纯ECMWF资料作为模式初始场更加接近实况，其强降水中心强度更强，且改进了后者强降水中心和降水落区均偏北的情况。需要指出的是，由于大气运动具有复杂的非线性特征，客观上难以准确预报出其状态演变的真实特征，因此，这种合成试验方案的模拟预报结果不可避免地也具有不确定性。

图4 FNL初始场、ALL_1到ALL_10以及ECMWF初始场预报的24 h累积降水

由降水观测可知，本次强降水过程主降水落区的24 h累积降水大于100 mm，达到大暴雨级别。为进一步定量评估各试验对大暴雨预报的性能，图5给出了FNL初始场、ECMWF初始场以及各初始场合成试验的的24 h累积降水大于等于100 mm的大暴雨TS评分。可知，各试验的TS评分基本位于0.4～0.5之间，ECMWF初始场试验的大暴雨预报质量优于FNL初始场。各初始场合成试验中，降水评分结果均高于FNL初始场试验，其中ALL_5和ALL_10的TS评分明显高于其他试验。结合图4对比发现，在初始场逐渐进行合成后，对强降水落区以及强度的模拟相比FNL初始场试验均有所改善，ALL_10试验虽在降水评分结果上略差于ALL_5，但是对于暖区暴雨的降水中心以及落区模拟都优于ALL_5试验。

图5 FNL初始场、ALL_1到ALL_10以及ECMWF初始场预报的24 h累积降水同观测的>100 mm的TS评分

图6为按照10%、40%、70%与100%比例合成的模式初值物理量风(UV_1、UV_4、UV_7与UV_10)、温度(T_1、T_4、T_7与T_10)和水汽混合比(Qv_1、Qv_4、Qv_7与Qv_10)及仅合成风场与温度(noQv_1、noQv_4、noQv_7与noQv_10)试验的24 h累积降水预报。分析图6可知，合成风场与温度场对北部锋面降水以及东北部出现的空报降水中心的影响较弱，对暖区暴雨预报质量没有明显的贡献，与单纯以FNL资料为模式初始场的试验结果基本一致。而逐步采用合成初始水汽场的试验中，东北部降水中心的空报逐渐减弱，直至最终消失；南侧的暖区暴雨预报一直维持有东西向雨带，当采用100%合成水汽场后，预报结果出现了大于250 mm的强降水中心，且对北部锋面暴雨降水落区偏东北向的情况也有向好调整，其预报接近ALL试验(图6j、i)。不考虑水汽场只合成风场和温度场的noQv试验显示，该组试验均对降水预报质量无本质影响。综合分析4组试验结果可知，模式初始水汽混合比显著影响降水预报质量，即初始湿度场对暖区暴雨的降水预报最为敏感。

图6 按照10%、40%、70%、100%比例的风场(a—d)、温度场(e—h)、水汽混合比(i—l)以及除水汽外其他气象要素(m—p)的合成试验预报的24 h累积降水(单位：mm)

由前述分析可知，受预报模式初值质量(初始误差)的影响，合成试验ALL_10的预报质量最优，FNL试验的预报质量最低。因此，基于逐小时降水对二者进一步对比分析，讨论模式初值质量对暖区暴雨降水预报的强度和发生时间影响的敏感性。暖区暴雨落区(22.95°～23.05°N，115.15°～115.75°E)区域平均的逐小时降水量(图7)显示，本次暖区暴雨降水存在两个峰值，且前12 h降水较强。19日15—18时降水显著增加，为第一个降水的峰值，之后进一步加强，并在19日22时达到最大值(27 mm·h-1)。相对于FNL试验，尽管合成试验ALL_10的第二次降水峰值的预报从时间上滞后于实况约3 h，且主要强降水过程主要发生在后12 h阶段，但降水显著增强的时间和降水强度都更加接近实况降水，且逐小时降水的最大值也达到与实况基本一致的24 mm以上。而FNL试验的前12 h降水量明显过于偏小，后12 h降水量虽有增加，但依然显著小于实况和ALL_10的预报结果。两组试验的降水强度、降水发生时间的明显差异进一步说明，模式初值质量或初值误差对这次暖区暴雨降水预报具有较强的敏感性影响。

图7 观测(直方图)和ALL_10(蓝色虚线)、FNL(红色虚线)试验预报的(22.95°～23.05°N，115.15°～115.75°E)区域平均的暖区暴雨逐小时降水量(单位：mm)

3.3 暖区暴雨预报的敏感性分析

前述分析表明模式初始水汽场是影响暖区暴雨强降水最敏感的条件。依然基于预报质量最优的合成试验ALL_10和预报质量最差的FNL试验，进一步分析和揭示模式初始水汽场影响强降水的主要原因。

3.3.1 湿度场的影响

图8为沿暖区暴雨中心(23°N)的相对湿度和风场的经向剖面结构。可知，5月19日12时降水即将发生时，合成试验ALL_10的模式初值低层相对湿度明显强于FNL试验(图8e)，而且在115.8°E附近存在强上升运动(图8a)。至19日18时，ALL_10试验的低层水汽进一步积聚，垂直运动也相应增强并伸展至对流层中层。强上升运动和高温高湿大值区相配合，充足的水汽和抬升条件形成了利于对流运动快速发展的大气不稳定层结，致使对流层中高层水汽凝结产生强降水(图8b)，是最终形成6 h后广东南部暖区暴雨强降水中心的重要原因。对比FNL试验，由于模式初值的低层相对湿度和垂直速度明显偏弱，导致南部的暖区未能出现明显降水(图8e、f)。随后的20日00时和06时，ALL_10试验的强对流运动和湿度持续加强，确保了暖区暴雨强降水发展(图8c、d)；而FNL试验预报的相对湿度和垂直速度增大时间明显滞后，且强度偏弱，导致暖区暴雨强降水中心出现时间相应较晚(图8g、h)。综合南侧暖区暴雨强降水区的逐小时降水对比可知，由于合成试验ALL_10的模式初值较准确地表征了丰富的水汽和小尺度强对流运动，利于强对流的发展和加强，使得对暖区暴雨强降水预报的降水强度和发生时间都具有较高的预报质量；而FNL试验的模式初值的水汽偏少，垂直对流运动偏弱，使得其对流触发时间滞后ALL_10试验12 h，且降水强度显著偏弱。因此，模式低层初始湿度和小尺度强对流系统的合理描述是模式准确预报暖区暴雨强降水发生和发展的一个重要影响因子。

3.3.2 可降水量与对流有效位能

可降水量和对流有效位能(≥1 500 J·kg-1)的差异(图9)显示，合成试验ALL_10模式初值的大气可降水量主要集中在广东中部以及西南侧，在西南风的引导下丰沛的水汽向广东南部输送，在锋面北侧积聚(图9a)；FNL试验的大气可降水量则主要集中在广东东北部，其上游水汽输送较弱， CAPE范围较分散，量值与前者相当(图9e)。19日18时，试验ALL_10的CAPE迅速增加，达到2 000 J·kg-1，暖区暴雨落区附近出现了可降水量大值中心，达75 mm(图9b)。20日00时CAPE进一步快速增加，降水落区附近达到中高度不稳定状态的2 500 J·kg-1左右(图9c)。06时， CAPE和可降水量大值中心依然维持发展(图9d)，成为暖区暴雨强降水发生和持续的有力保证。相应时段内，FNL试验的可降水量和CAPE值在降水区附近都相对较小，未达到2 000 J·kg-1。可见，由于合成试验ALL_10的模式初值的可降水量和CAPE等较FNL试验具备更有利于暖区暴雨产生的小尺度对流系统发生发展和维持的热动力和水汽条件，配合更强的对流上升运动(图8a)，更易触发强对流，从而形成暖区暴雨强降水。

图8 沿暖区暴雨中心(23°N)合成试验ALL_10(a—d)和FNL试验(e—h)的相对湿度(阴影，单位：%)及风场(风矢，单位：m·s-1)的垂直结构： (a、e)19日12时；(b、f)19日18时；(c、g)20日00时；(d、f)20日06时

图9 合成试验ALL_10(a—d)和FNL试验(e—h)的可降水量(阴影，单位：mm)、整层最大CAPE(黑实线，单位：J·kg-1)和850 hPa风场(箭矢，单位：m·s-1)：(a、 e)19日12时；(b、f))19日18时；(c、g)20日00时；(d、h)20日06时

3.3.3 对流单体发展的影响

合成试验ALL_10的模式初值中，广东北部存在较强的雷达反射率，南部暖区暴雨区域内有零散对流单体(图10a)。预报6 h后至19日18时，试验ALL_10预报出了广东南部强度大于等于45 dBZ强回波的中小尺度对流单体，达到了对流触发的强度(图10b)。该区域的对流单体在有利的天气形势下，进一步发生发展加强，最终与20日00时形成强对流带，且与北侧的对流带南移趋于合并(图10c)。至20日06时，二者完全合并发展为新的更强对流带并维持在广东南部(图10d)。这与雷达观测的对流单体的发生发展较为一致(图2)。而FNL试验在对流系统发展的整个过程中，南部的中小尺度对流单体和北部向南移动的对流带的模拟质量均较差，最终未出现强降水。降水实况中暖区暴雨中心的两个降水峰值和降水量的增加(图7)，其中一次由对流单体持续发生发展形成强对流带造成，另一次则为南北对流带合并及其进一步发展加强对流所至。合成试验ALL_10模拟的对流触发时间较为准确，但对对流组织发展加强的模拟质量相对较差，致使降水略偏小，其后12 h的降水显著增强则主要由于南北对流带合并使得对流增强所致。而FNL试验对南侧对流单体的模拟失败导致其在前12 h并未出现明显降水，之后降水峰值出现在20日06时左右主要是由于北部对流带南移造成(图10h)。这也是导致FNL试验预报降水峰值明显小于实况和试验ALL_10结果的主要原因。

图10 合成试验ALL_10(a—d)和FNL试验(e—h)的雷达反射率(单位：dBZ)：(a、e)19日12时；(b、f)19日18时；(c、g)20日00时；(d、h)20日06时

由于ALL_10在对流触发阶段预报质量较好，进一步分析水汽对对流单体触发的影响。前述分析指出，暖区暴雨对流触发时间主要集中在19日17时前后，故主要分析该时间段内水汽对对流单体发生发展的影响(图11)。从19日16时开始，合成试验ALL_10预报出了广东南部较强的对流单体和其进一步加强。结合950 hPa≥19 g·kg-1的水汽混合比的范围，试验ALL_10预报的水汽场在整个广东地区都强于FNL模拟结果(图11)。结合图9，CAPE值随着水汽的增加逐渐增大，不稳定能量的快速积聚可有效触发强对流运动。这充分说明了充足的水汽条件是准确触发对流运动并加强其发展的关键因素。因此，准确的模式初值水汽条件对于预报暖区暴雨强对流的发生发展至关重要。

图11 合成试验ALL_10(a—c)和FNL试验(d—f)的雷达反射率(阴影，单位：dBZ)和950 hPa大于19 g·kg-1水汽混合比(网格)：(a、d)16时；(b、e)17时；(c、f)18时

3.3.4 对流触发条件分析

基于合成试验ALL_10对南部暖区暴雨强降水对流单体的成功模拟，对照预报质量较低的FNL试验，进一步分析南部暖区暴雨第一阶段强降水的触发条件。从地面10 m风场的预报结果(图12)可知，19日14时对流即将开始发展，合成试验ALL_10的沿海洋面主要以强劲的西南风为主，而沿海陆地的西南风显著减弱，且其北侧伴随有小范围的弱东南风和东北风，从形成较强的风速辐合与弱风向辐合。此时，南部伴随有较小的对流单体开始生成，并在之后的1 h内开始出现降水(图12a)。16时，沿海洋面的西南风进一步加强，沿海陆地风速减小，弱的东北风略增大，地面风场辐合同步增强，对流单体快速发展增强，之后1 h降水强度随之增大(图12b)。随后18时，中尺度风速辐合线在海陆交界处形成，强对流单体在辐合线附近发展强盛，随后强降水发生(图12c)。相较于试验ALL_10，FNL试验(图12d—f)在沿海地区也以强西南风为主，而陆地上依然为较强的西南风，未形成明显的风速辐合以及地面辐合线。由于不具有对流系统发生发展的有利条件，最终南部暖区暴雨生成的对流单体较弱，从而也就难以形成强降水。

图12 合成试验ALL_10(a—c)和FNL试验(d—f)的雷达反射率(阴影，单位：dBZ)、10 m风场(箭头)与之后小时累积降水量(黑色实线，单位：mm)：(a、d)14时；(b、e)16时；(c、f)18时

从南部暖区暴雨第一阶段强降水中心的雷达反射率、水汽混合比、相当位温的径向剖面(图13，沿图12中的红色实线)可以明显看到，19日14南部开始出现风速辐合时，合成试验ALL_10的对流层低层暴雨中心南侧风速迅速减小，形成强风速辐合，低层已出现弱上升运动，将低层暖湿水汽向上层输送，导致等位温面开始向上抬升(图略)，对流单体开始发展，此时边界层高度在1 km左右，抬升凝结高度和自由对流高度约0.5 km(图13a)。16时地面风速辐合增大，垂直运动加强，对流单体得以快速发展，具备了对流触发条件，此时雷达回波强度达到35 dBZ以上，对流单体发展的位置抬升凝结高度略降低，自由对流高度明显抬升(图13b)。至18时，地面风速辐合与上升运动进一步加强，低层暖湿水汽向高层快速输送，对流发展区域边界层高度略下降，对流发展至强盛阶段(图13c)。相比而言，FNL试验由于低层风场辐合偏弱，对应的上升运动也较弱，低层暖湿水汽缺乏向高层输送的有利通道，致使难以产生较强对流。比较两组试验可发现，在暖区暴雨触发前，合成试验ALL_10的低层大气相比于FNL试验结果更加暖湿，更有利于低层大气层结不稳定增强和对流不稳定能量的积聚，为南部暖区暴雨第一阶段强对流的触发和发展提供了更有利的条件。

图13 合成试验ALL_10(a—c)和FNL试验(d—f)的雷达回波(阴影，单位：dBZ)、风场(箭头)、抬升凝结高度(橘黄色实线)、自由对流高度(蓝色实线)和边界层高度(绿色实线)沿图11中红色实线的垂直剖面：(a、d)14时；(b、e)16时；(c、f)18时

4 结论

本文在ECMWF和NCEP再分析资料作为模式初值对华南暖区暴雨预报质量差异明显的基础上，利用合成初值方法，开展了模式初值敏感性数值试验，讨论了模式初始场关键物理量对暖区暴雨预报质量的影响，重点分析了模式初值湿度场质量对华南暖区暴雨降水预报的敏感性，指出了不同模式初值对暖区暴雨以及对流单体预报效果的影响，并初步解释了本次暖区暴雨强对流的触发条件。主要结论如下：

(1)模式初始场质量的差异可显著影响本次华南暖区暴雨预报的降水强度、落区以及降水发生时间的质量，但初始场的不同气象物理量对预报质量的影响明显不同；

(2)合成初值试验表明，初始水汽场对暖区暴雨预报影响最大，也最为敏感，风场和温度场对本次暖区暴雨预报的影响相对较小。初始水汽场质量的提高，为对流触发提供了有利条件，从而可准确预报对流单体的发生发展以及地面强降水；

(3)本次暖区暴雨的触发条件主要为地面较强的风速辐合。低层的强风速辐合，促使暴雨区暖湿空气积聚，低层大气不稳定增大，加强了对流上升运动，从而为低层暖湿空气垂直输送提供了条件，是强对流单体触发、生成和加强发展以至产生暖区强降水的物理基础。

本文初步揭示了模式初始场尤其湿度场质量是影响华南暖区暴雨预报质量的关键因子之一。但是，由于华南暖区暴雨发生发展及触发机制较为复杂，全面准确的理解影响华南暖区暴雨预报的关键影响系统和前导信号以及触发条件等相关科学问题，尚需要更进一步的系统性研究。

致谢：本文的数值计算得到南京信息工程大学高性能计算中心的支持和帮助。