一次冷涡云系CMA-CPEFS v2.0模式模拟效果检验

摘 要：利用卫星反演、探空、地面降水资料，对比分析了一次冷涡降水云系CMA-CPEFS v2.0模式模拟的云带、云顶高度/温度、云垂直结构和降水场。结果表明：模式预报的云系分布形态、范围和云系移向与实况十分接近，含水量大值区与实况不完全相同，云系移速较实况略慢；模式预报的温度特征层（0、-10、-20、-30 ℃）高度、相对湿度与实况一致，云水混合比和温度垂直剖面也反映出了冷涡云系的冷暖垂直结构；模式对各量级24 h降水预报要好于48 h，24 h降水预报模式对降水较为敏感，存在降水预报偏大的现象，而48 h降水预报存在不足的现象。

关键词：模式预报；模式模拟；对比分析

中图分类号：P426.51 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

云降水模式是将云的动力学方程和微物理方程结合观测和实验结果联合求解，模拟云降水的发展演变过程。云数值模式已经在人工影响天气理论、播撒技术等方面得到了广泛应用。胡志晋等[1]发展了双参数混合相层状云模式，考虑云水比水量，雨、冰、雪比水量和比浓度。洪延超[2]建立了对云滴、雨、冰晶、雪和霰5种粒子比含水量和比浓度计算模式。郭学良等[3]建立了一维雨滴分档模式。高茜等[4]利用耦合了CAMS云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云模式，对北京一次层状云系降水进行模拟和人工催化数值试验。韦增岸等[5]利用人工影响天气模式产品和卫星反演产品，对一次飞机增雨作业过程进行了分析。

CMA-CPEFS v2.0模式基于WRF中尺度模式v4.2版本，耦合中国气象局人影中心CAMS双参数云微物理方案和两类冷云催化方案，提供了云宏观场、云微观场、云垂直结构场、降水场4大类预报产品。为检验模式在吉林省的适用性、更好地适应本地复杂天气和云系特征，针对一次冷涡天气过程分析了模式的模拟效果，以期改进和完善模式预报。

1 天气实况

2024年入春以来吉林省气温持续偏高，高温少雨导致西部部分地方土壤缺墒。5月10—11日吉林省自西向东有一场降雨天气过程，对改善土壤墒情、出苗保苗较为有利。5月10日08：00 500 hPa高空有一冷涡（图1a），中心大致在52°N、109°E，地面配合有蒙古低压（图1b），08：00低压暖锋已过境，10日凌晨受系统暖区云系影响，吉林省西部出现小雨；10日午后至夜间受冷涡云系影响，吉林省大部出现小到中雨；整个过程风力较大，11日20：00冷涡和地面低压中心移至黑龙江境内（图略），地面冷锋已移出吉林省，系统主体影响基本结束。

图1" 2024年5月10日08：00 500 hPa（a）和地面（b）形势场

2 模式模拟情况分析

2.1 云系分布和演变特征

为分析模式对整个过程云系发展演变的模拟情况，对比分析了模式预报的云带和卫星反演的光学厚度。云带是所有水成物含水量的垂直积分，反映组成云的水成物的分布和演变特征；光学厚度是云系在整个路径上云消光的总和，是表征云中水物质的特征量，为无量纲参数。2024年5月10日14：00卫星反演的光学厚度（图2a）显示，云系呈东北—西南向分布于东北至华北地区，云系含水量大值区大致有3处，范围较大的位于吉林省中部—黑龙江—内蒙古东部，另2处是呈东北—西南向的位于内蒙古东南部长条云带和呈南—北向的由境外至内蒙古的长条云带。模式5月9日20：00起预报的5月10日14：00云带（图2b）显示，云系的形态和范围与实况十分接近，但含水量大值区不尽相同，内蒙古东部大值区的实况未预报出来。实况图上，云系东部云带已快移过长春、沈阳，在长春、沈阳西侧存在相对少云区域，而模式预报云带正在长春上空、尚未到沈阳，可见模式预报的云系移速较实况略慢。对比5月10日凌晨至系统结束模式预测的云带和卫星反演的光学厚度，结果显示：模式预报的云系形态、范围、移向与实况十分接近，含水量大值区与实况不完全相同，云系移速较实况略慢。

图2" 2024年5月10日14：00卫星反演光学厚度（a）和模式预报云带（b）

2.2" 云顶高度

对比分析模式预报的云顶高度和卫星反演的云顶高度，分析模式对云顶高度的模拟情况。2024年5月10日20：00卫星反演的云顶高度（图3a）显示，云系东部长春—哈尔滨部分云顶高度最大值达12～14 km，

内蒙古部分云系云顶高度最大值达9～10 km，云系冷锋段云顶高度为6～10 km。模式5月9日20：00起预报的5月10日20：00云顶高度（图3b）显示，云系东部长春—哈尔滨部分云顶高度最大值为11～12 km，较实况偏低，内蒙古部分云系云顶高度大部分为8～9 km，最大值达9～10 km，与实况基本相符，这部分云系位置较实况偏北，说明模式预报的云系移速较实况偏慢，云系冷锋段云顶高度为11～14 km，较实况偏高。

图3" 2024年5月10日20：00卫星反演云顶高度（a）和模式预报云顶高度（b）

2.3 云垂直结构

通过对比长春探空与模式预报的相对湿度、云水混合比和温度垂直剖面，发现模式预报的温度特征层（0、-10、-20、-30 ℃）高度、相对湿度与实况一致（表1）。冷涡云系降水基本为冷暖混合云结构，云水混合比和温度垂直剖面也反映出了冷涡云系的冷暖垂直结构。

表1" 探空与模式预报的温度特征层高度和相对湿度

探空时间 温度特征层高度/m 相对湿度/%

0 ℃ -10 ℃ -20 ℃ -30 ℃ 850 hPa 700 hPa 500 hPa

5月10日08：00探空 3 246 4 836 6 396 7 740 75 90 84

5月10日08：00预报 3 200 4800 6 300 7 700 70～80 90～100 80～90

5月10日20：00探空 3 247 5 284 6 819 8 109 90 100 90

5月10日20：00预报 3 200 5 200 6 800 8 000 80～90 95～100 80～90

5月11日08：00探空 1 516 3 016 6 375 7 588 50 23 0

5月11日08：00预报 1 500 3 200 6 000 7 500 / / /

注：模式预报相对湿度按区间填色显示，60%以下不填色。

2.4 降水场

为定量检验降水预报效果，对模式预报的24 h和48 h降水进行TS评分。选取吉林省2024年5月9—11日20：00 54个国家级地面气象观测站24 h降水量资料，采用累加量级检验，对小雨（≥0.1 mm）、中雨（≥

10 mm）（此次过程未出现大雨、暴雨）进行检验分析。

TS评分是实况与预报量级一致的比例，数值越大，表明预报越准。计算公式如下：

TSk=×100%（1）

漏报率（PO）是实况量级高于预报量级在预报中的比例，反映了预报不足的现象。计算公式如下：

POk=×100%（2）

空报率（FAR）是实况量级低于预报量级在预报中的比例，反映了预报过度的现象。计算公式如下：

FARk=×100%（3）

式（1）～式（3）中，k代表降水量级，取1、2分别代表小雨、中雨；NAk为k等级降水预报正确的站数；NBk为k等级空报站数；NCk为k等级漏报站数。

由表2数据可以看出，小雨、中雨24 h预报TS评分均高于48 h，24 h的空报率均高于漏报率，而48 h的漏报率均高于空报率，说明小雨、中雨24 h降水预报要好于48 h，24 h降水预报模式对降水敏感，存在降水预报偏大现象，而48 h降水预报存在不足现象。

3 结论

（1）模式预报的云系分布形态、范围和云系移向与实况十分接近，含水量大值区与实况不完全相同，云系移速较实况略慢。

（2）模式预报的云顶高度因云系部位的不同而有所差异。云系主体东部长春—哈尔滨部分云顶高度较实况偏低，内蒙古部分云系云顶高度与实况基本相符，这部分云系位置较实况偏北，说明模式预报的云系移速较实况偏慢，云系冷锋段云顶高度较实况偏高。模式预报的云顶温度均较实况偏低。

（3）模式预报的相对湿度、温度特征层（0、-10、-20、

-30 ℃）高度与实况一致。冷涡云系降水基本为冷暖混合云结构，云水混合比和温度垂直剖面也反映了冷涡云系的冷暖垂直结构。

（4）模式对小雨、中雨24 h降水预报要好于48 h，24 h降水预报模式对降水敏感，存在降水预报偏大现象，而48 h降水预报存在不足现象。

参考文献

[1] 胡志晋，严采蘩.层状云微物理过程的数值模拟（一）：微物理模式[J].气象科学研究院院刊，1986（1）：37-52.

[2] 洪延超.积层混合云数值模拟研究（I）：模式及其微物理过程参数化[J].气象学报，1996（5）：544-557.

[3] 郭学良，黄美元，徐华英，等.层状云降水微物理过程的雨滴分档数值模拟[J].大气科学，1999（6）：745-752.

[4] 高茜，王广河，史月琴.华北层状云系人工增雨个例数值研究[J].气象，2011，37（10）：1241-1251.

[5] 韦增岸，张正国，程鹏，等.广西一次飞机增雨过程个例分析[J].气象研究与应用，2019，40（3）：90-93，116.

收稿日期：2024-07-12

作者简介：谷笑楠（1989—），男，吉林榆树人，工程师，研究方向为大气物理。#通信作者：李薇，E-mail：lw_dxj@126.com。