怀化一次非典型性地面暖倒槽锋生型暴雨预报失误分析

王 强，崔健榕，王起唤，张 昆，彭艳青

(怀化市气象局，湖南怀化 418000)

怀化地处湖南西部，地形沟壑起伏，是暴雨多发区，夏季尤甚，暴雨是怀化最主要的气象灾害，怀化暴雨具有强度大、时间集中、突发性强等特点。对暴雨的准确预报、及时预警是气象防灾减灾重要决策依据，这也对暴雨预报准确率提出了更高的要求；数值模式预报产品是实际预报业务的重要参考，但是直接依靠数值预报进行降雨落区的预报效果较差。因此开展暴雨过程发生发展机理的研究和数值预报的检验工作已成为实际预报业务的重点和难点。国内许多学者已对暴雨发生发展进行了细致深入的分析和研究[1-4]，随着观测技术手段的完善和数值模式的发展，数值模式预报目前已经成为暴雨预报工作的重要手段，数值模式能够对整体天气形势有较好的把握，但是对风速大小、冷暖气流交汇区、锋生区位置等具体要素或天气系统往往会有不同程度的偏差，影响最后预报效果[5-9]。地面暖倒槽锋生型强降雨是影响湖南强降雨的主要类型，具有降雨强度大，对流性明显的特征[10]，2018年5月25—27日发生在怀化的一次暴雨天气就是地面暖倒槽锋生型，但与湖南“典型”的地面暖倒槽锋生型暴雨不同，它表现出“非典型性”，过程分为降雨特征截然不同的暖区降雨和锋面降雨两个阶段。本文利用NCEP再分析资料和气象探测资料，对过程的环流形势、主要影响系统和EC模式预报偏差等进行分析，探究暴雨形成和落区预报偏差成因，以期为怀化暴雨落区预报提供一些参考依据和思路。

1 天气实况和预报情况

1.1 降雨实况

2018年5月25—27日，怀化自北向南出现了一次连续性强降雨天气，怀化北部、西部、中部出现暴雨，其中沅陵、芷江24 h累积雨量高达140～200 mm。分析怀化北部、西部的火场、罗岩及位于两者中间的松溪铺站逐小时降雨实况(图1)，降雨分为两个阶段，第一阶段降雨从北部发展，26日凌晨加强，03时起出现短时强降水，04时小时降雨量达45.2 mm，08时之后降雨减弱，松溪铺站降雨加强，11时达34.1 mm，同时中部强降雨发展，15时罗岩降雨量达31.7 mm，18时之后减弱，雨强在4 mm/h以下。第二阶段从27日凌晨开始，但强度明显减弱，最大雨强12.3 mm/h。

图1 2018-05-26T00—27T20火场、松溪铺、罗岩逐小时降雨量变化

1.2 预报情况

对此次暴雨天气，怀化市气象台出现大范围的空、漏报。检验怀化市气象台25日16时发布的25日20时至26日20时的城镇和乡镇24 h降雨预报，25日夜间预报北部、西部大雨，其他地区小雨，实况仅在最北部出现大雨、局地暴雨，其他多云；26日白天预报北中部大雨，中部局地暴雨，西部、南部小雨，实况为北部、西部暴雨，其他小到中雨；26日夜间，中南部预报大雨，其他小雨，实况为中部大雨，其他小雨。总体来看，25日夜间北部暴雨漏报，其他地区降雨空报，中南部强降雨预报偏早；26日白天大雨、暴雨的空、漏报最为明显，预报与实况基本相反。

从EC模式降雨量预报情况来看,24日08时起报(图略)的25日20时-26日20时的累积雨量仅为中等量级降雨，参考意义不大。对比24日20时和25日08时起报的逐12 h降雨预报(图2，见第27页),25日08时起报的25 mm雨带位置更偏南，效果较差；24日20时起报的25日夜间25 mm雨带整体偏南(图2a)，怀化中南部的大雨、暴雨空报，26日白天(图2b)，怀化北部暴雨漏报，26日夜间(图略)怀化中南部大雨、暴雨空报。

图2 2018-05-25T20—26T20逐12 h实况降雨量和模式降雨量(单位为mm)预报(a 26日08时，b 26日20时)(色斑为前12 h实况累积雨量；红线、黑线分别为EC模式24日20时起报和25日08时起报前12 h累积降雨量预报；审图号为GS(2019)3082，文见第25页)

怀化市气象台的预报主要参考EC数值模式预报，其结论与EC模式预报有一定的相似性，模式预报偏差以及暖区降雨复杂性导致预报员对降雨过程的整体把握以及24 h大雨、暴雨预报出现较大失误。

2 大气环流背景

在强降雨发生前，2018年5月25日20时(图3a，见第27页)，欧亚中高纬为两槽一脊，副高呈带状分布，588 dagpm线向东伸展至闽粤一带，湖南中南部处在高原东部短波槽前和副高西北侧的西南气流中，怀化上空850 hPa风速达16 m/s。700 hPa和850 hPa华南到长江以南有西南急流发展，地面冷空气在河套以北地区堆积，地面倒槽在湖南发展且有地面辐合线配合，湖南大部分地区地面2 m气温超过30 ℃。25日晚上在地面辐合线附近、850 hPa和925 hPa切变线南侧强偏南风的辐合中触发强对流天气，强降雨在湘西北发展。26日08时(图3b，见第27页)贝加尔湖低槽东移，带动冷空气南下，冷锋南压至湖北西部，副高略有西进北抬，中低纬多短波槽，850 hPa西南急流维持，925 hPa切变线南压至湘北地区，在850 hPa和925 hPa切变线南侧西南急流出口区强烈抬升作用下，强降雨发展，表现为在925 hPa切变线上不断有对流单体生消东移，形成明显的“列车效应”。25日20时至26日20时，此阶段为暖平流强迫类强对流天气[11]，属于副高与冷式切变线相互作用的暖区暴雨，强降雨集中在850 hPa切变线南侧，与925 hPa切变线南侧的强辐合区配合较好；但是在地面辐合线北侧，边界层扰动在中层西南急流引导下向北传播，并与低层西南急流辐合共同作用下触发强降雨。26日20时之后，随着贝加尔湖低槽的进一步东移，槽后西北气流引导地面冷空气大举南下，在湖南北部冷暖气流交汇，大气斜压性增强，有锋生，在锋面附近强迫抬升下，降雨再次加强。由于系统南下速度太快，降雨累积量不大，锋面南压出湖南后，湿度减小，转为锋后稳定性降雨并逐渐停止。

图3 2018-05-25T20—26T08天气形势分析图(a 25日20时，b 26日08时；位势高度单位为dagpm)(文见第25页)

选取怀化站25日20时、26日08时的温度对数压力图进行分析。25日20时(图4a，见第27页)，整层相对较干，湿层主要集中在700 hPa附近，此时降雨主要集中在湘北；26日08时(图4b，见第27页)，湿层从底层伸展至600 hPa以上，强降雨向湘西、湘西南扩展，怀化北部降雨持续、西部降雨发展。分析强对流天气潜势指数(表1)，K指数、SI指数、CAPE值及θse(500-850)，表明强降水时段大气层结不稳定，且含有较高的不稳定能量；两个时次0～6 km垂直风切变为10～12 m/s，0～3 km为5～10 m/s，均属于中等偏弱垂直风切变，有利于降雨在某一地的累积。综上，在25日晚上至26日，怀化上空大气不稳定能量高，湿层逐渐加厚，且处在中等偏弱垂直风切变中，有利于发生以短时强降雨为主的强对流天气。对比两个时次，26日08时较25日20时，具有更高K指数值和更低的SI指数值，且湿度层更深厚，比湿更高，水汽含量充足，因此26日白天的降雨强度更大。

图4 2018-05-25T20—26T08怀化站温度对数压力图(a 25日20时；b 26日08时)(文见第26页)

表1 2018-05-25T20—26T08强对流天气潜势指数

3 预报失误分析

预报员主要是参考数值模式预报给出的形势场进行分析，并结合当前卫星云图、多普勒雷达等实况监测资料，综合预报员对本地气候背景把握，研判过程的发生发展，对模式确定性降雨要素预报结果进行修正并得出最后预报结论。此次强降雨天气过程，EC模式预报稳定性较差，25 mm以上预报效果差，尤其是第一个阶段暖区降雨，暴雨漏报严重，但是在预报中也给出一些有用的信息，预报员没有完全捕捉并利用，这一点对于今后此类过程预报有一定借鉴意义。

3.1 形势预报误差检验

直接引起强降雨的中小尺度系统与有利的大尺度环流背景有关。对500 hPa高度场进行模式预报偏差分析，EC模式预报对东亚地区大尺度天气系统的预报总体情况不错，中高纬环流两槽一脊的环流形势、贝加尔湖低槽以及其东部高压脊、亚洲东岸槽、副高等主要天气系统的预报与实况分析场较为一致，预报误差主要集中在高压脊以及副高的强弱和低压槽位置差异上。25日20时(图5a，见第28页)，模式预报的贝加尔湖低压槽偏强、位置偏东1.5经距，槽前高压脊强度偏弱。从温度场预报来看(图略)，贝加尔湖低槽后冷中心的预报较实况偏强(预报为-30 ℃，实况为-24 ℃)，脊前-16 ℃暖区伸展位置偏南5个纬距，副高西极点位置偏东3个经距，这也导致地面冷空气预报较实况偏早6～12 h。26日08时(图5b，见第28页)预报场贝加尔湖低槽仍偏强(预报为-28 ℃，实况为-24 ℃)、位置偏东2.5个经距。26日20时(图5c，见第28页)环流出现调整，贝加尔湖低槽继续东移，亚洲中高纬大部分地区为其后偏北气流控制，亚洲东岸槽被东移过来的贝加尔湖高压脊取代，模式预报贝加尔湖槽仍偏东3个经距，但588 dagpm线较实况偏西1.5个经距。27日08时(图5d，见第28页)之后随着贝加尔湖低槽继续东移，东亚大槽逐渐建立，降雨过程结束。

图5 2018-05-25T20—27T08 500 hPa位势高度(单位为dagpm)实况图(黑色实线)与EC模式预报图(黑色虚线)(a 25日20时实况，24日20时起报的24 h时效预报；b 26日08时实况，24日20时起报的36 h时效预报；c 26日20时实况，24日20时起报48 h时效预报；d 27日08时实况，24日20时起报的60 h时效预报)(文见第26页)

综上，EC模式预报偏差主要集中在两个方面，一是贝加尔湖低槽强度和位置，二是副高西伸位置。过程开始前，贝加尔湖低槽偏强偏东、副高偏东，致使冷空气南下预报时间偏早；26日20时，预报副高西伸位置偏西，怀化上空形成贝加尔湖低槽后西北气流和副高西北部西南气流交汇区，导致26日20时之后怀化中南部强降雨空报。

3.2 物理量诊断分析

以NCEP再分析资料代替实况，对此次过程物理量进行诊断分析。在沿110°E假相当位温(θse)和垂直速度垂直剖面图上，26日02时(图6a)在31.5°N上空有一条θse密集带向北伸展，在其北部θse上高下低，层结稳定，为冷性气团，在其南部500 hPa以下上低下高，大气处在对流性不稳定层结状态，为暖性气团，两种不同性质的气团在密集带处交汇，有锋生。在26°N～30°N之间θse等348 K线向上伸展到近500 hPa高度， 怀化处在暖性气团控制之下，怀化北部28°N附近有-1～-2 Pa/s的强上升运动中心伸展到600 hPa以上，此时正是怀化第一阶段的暖区降雨。26日08时(图6b)，锋区南压至31°N附近，受锋面强迫抬升出现-0.5～-1 Pa/s的上升运动，锋面降雨在湖北南部发展。26日14时(图6c)，锋区南压至29°N，锋面坡度明显减小，冷空气影响湖南北部，暖区的垂直速度负值中心南移到27°N附近，怀化中部的强降雨发展，形成南北两个降雨中心；20时(图6d)锋区南压至27°N，锋面坡度进一步减小，垂直上升运动弱，怀化北部开始受锋面影响。27日02时(图略)，锋面移至26°N，影响整个怀化地区。整个过程锋区以150～200 km/6 h的速度向南移动影响怀化，且在南下的过程中锋面坡度减小，抬升作用也在南下的过程中逐渐减弱，使得锋面降雨持续时间短、强度弱，累积雨量不大。

此次降雨过程分为两个阶段，第一阶段为锋区南侧的暖区降雨，降雨强度大，第二阶段则为锋面降雨，雨强较弱。

3.3 风场预报检验

对EC模式低层风场检验发现，模式对低层冷暖系统环流的预报也有较多偏差。下文以24日20时起报的预报场为代表，分析模式风场与实况风场的偏差及可能对预报带来的影响。

分析850 hPa 25日20时实况风场与预报风场(图7a)发现，预报怀化站12 m/s的西南风，较实况偏小4 m/s，预报湖北恩施站东北风为2 m/s，实况为南风2 m/s，预报在鄂西南至湘西北有切变，怀化中南部风速为12～16 m/s、西部北部为6～10 m/s，北部、西部处在切变线南侧、西南急流出口区的强烈辐合中，有利于强降雨的发生；而实况切变线位置明显偏北，强辐合区位置也偏北，这也导致降雨预报较实况偏弱、范围偏大、位置偏南，造成25日晚上怀化北中部的降雨空报。

26日08时预报场(图7b)上，西南涡移至湘西北，怀化北部受到低涡向东伸展出的切变线的影响，其他地区则受西南气流控制，对怀化及周边地区的风向预报与实况一致，但风速偏弱2 m/s，致使26日上午怀化北部降雨强度预报偏弱。14时(图略)850 hPa西南涡南压至怀化西部，地面冷空气开始影响湖北南部，大气斜压性加强，有锋生。

26日白天的降雨预报，预报员在考虑怀化中部长时间受低涡切变的影响，将中部降雨预报提升为大雨、部分暴雨，因西部新晃历年暴雨过程极少，暴雨多为空报，且11—17时模式预报为西北风和西风切变，风速仅4～8 m/s，将西部的中雨上调为大雨。从风场偏差来看，北部降雨偏弱一是由于风速预报偏弱，再者，不稳定能量预报偏弱。预报26日08时怀化上空对流有效位能为400 J/kg(图略)，实况探空图(图4b)则为810.6 J/kg，这是由于前期冷空气预报偏早，大气能量已经释放。怀化东部降雨偏弱，从风场预报上能够捕捉到一些信息，14时西南涡南压并演变成一条西南东北向切变线在怀化中部，但是切变线南侧的风速也从8～10 m/s减弱到2～6 m/s。边界层以下925 hPa切变、地面辐合是从怀化西部新晃到会同北部，呈准东西向，怀化东部地区底层和低层切变、辐合的位相相差大，不利于高低空的耦合，且700～500 hPa引导气流风速达到10～12 m/s，不利于降雨在同一地区积累，最终导致预报员在东部暴雨空报。

26日20时(图7c)，EC模式对冷暖气流强度预报有偏差，预报怀化上空为西南风，实况已经转为东北风，切变线位置较实况偏北，这与模式对高空环流预报中高纬槽偏东、副高位置偏北偏西是一致的。在副高西北侧西南气流和中高纬槽后西北气流在湘西南交汇，对环流形势和低层风场的预报偏差也导致此处大雨、暴雨的空报。

综上，造成怀化地区大雨、暴雨预报偏差主要是由于在不同阶段的降雨过程中，模式对低层冷暖系统交汇区的风场预报有偏差，从而影响动力辐合和水汽输送，造成对第一阶段降雨偏弱而第二阶段降雨偏强。

3.4 中尺度滤波分析

由于探空资料分辨率低，对EC模式预报风场偏差分析，大致判断出模式预报风速偏弱，切变在怀化西部维持时间不长，预报员在订正后，26日白天怀化西部预报有大雨。为了进一步探究怀化西部暴雨漏报原因，在此尝试从中小尺度系统出发，探寻预报失误原因。Barnes滤波是一种典型的中尺度滤波方式，采用Barnes方法对NCEP资料进行带通滤波[12-15]，将大尺度系统与中小尺度系统进行分离，寻找暴雨预报的一些信息。

从850 hPa滤波场(图8a)可看出，26日08时在怀化西部有一β中尺度辐合中心，新晃处在辐合中心南侧偏南风辐合中，同时次925 hPa滤波场(图8b)上，怀化西部的中尺度辐合中心更明显，且位置偏南，强降雨在辐合中心南侧发展。14时850 hPa(图8c)怀化西部的中尺度辐合中心加强并南移，新晃就处在辐合中心东南侧，同时次925 hPa(图8d)也有一中尺度涡旋存在于怀化西部地区。20时(图略)怀化中部地区转受偏北气流控制。分析EC模式24日20时起报的850 hPa、925 hPa的36 h时效、42 h时效(分别对应26日08时、14时)滤波场可以发现，26日08时在850 hPa(图8e)和925 hPa(图8g)在怀化中部偏东区域有一辐合中心向西伸展出一β中尺度辐合线，中尺度辐合线一直维持至14时(图8f、图8h)，在辐合线东段、怀化中南部风速在10～12 m/s(图7)，模式也在辐合线东段预报了大雨、怀化中部预报了暴雨。模式滤波后的中尺度系统的位置偏东、怀化西部中尺度辐合没有预报出来，出现时次和持续时间也有较大偏差，这也致使怀化中部偏东区域预报偏大，而西部则偏弱。

通过对NCEP再分析资料中尺度滤波场发现怀化西部有中尺度系统发展演变，与强降雨落区对应较好，可以为强降雨预报提供一些参考。进一步分析EC模式预报滤波场，发现中尺度系统位置、持续时间等与再分析资料也有较大差异，EC模式对中小尺度系统预报能力较弱，致使降雨预报偏差较大。

4 结论及思考

(1)2018年5月25—27日，怀化出现了一次地面暖倒槽锋生型降雨，降雨分为两个阶段，暖区降雨强度大、对流性特征明显，锋面降雨则降雨较弱。由于数值模式预报出现偏差，导致怀化气象台24 h降雨总体偏弱，大雨、暴雨漏报，24～36 h预报则偏强，大雨空报。

(2)通过气象实况观测资料和再分析资料分析，发现25日夜间到26日上午，怀化处在锋前强盛西南暖湿急流中，大气不稳定度强，在中低层风速辐合和地面辐合线附近触发强对流。26日14时之后，中纬度槽加深东移，冷平流增强， 冷空气大举南下，由于前期能量释放和冷空气南下过快，26日夜间未出现较强降雨。

(3)对EC模式高度场、风场检验，发现模式对大尺度环流形势的预报误差主要体现在对贝加尔湖低槽位置、冷中心强度及副高边界上；风场则是在暖区降雨阶段模式预报偏北气流偏强，而锋面降雨阶段则西南暖湿气流偏强，对暖湿气流的辐合区以及冷暖气流的交汇区预报有偏差，造成大雨、暴雨预报偏差较大。

(4)作为全球模式的EC模式预报对于中小尺度系统的预报能力不足，是短期预报中面临的难题，中尺度滤波分析可提供一定参考。

(5)此次暴雨过程预报失误主要是由于模式预报偏差导致强降雨预报失误，暖区暴雨预报的复杂性也加大了此次预报的难度，预报员还需对暖区预报的触发及发展机制做深入的研究，才能有效提高此类天气过程预报准确率。