孫璐 陳思遠 潘賢 王秋萍 和杰 馬旭林

(南京信息工程大學(xué)，南京 210044)

引 言

華南地區(qū)位于我國大陸南端，受夏季風(fēng)影響顯著，下墊面復(fù)雜，進入汛期早，常發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害[1]。其中，華南前汛期觀測試驗指出，華南前汛期暴雨絕大部分為暖區(qū)暴雨，且鋒前暖區(qū)暴雨是其主要暴雨類型[2]。暖區(qū)暴雨由于受單一暖氣團控制，大尺度系統(tǒng)信號不清晰，中小尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的前導(dǎo)信號較弱及其機制復(fù)雜，且局地性強等原因，導(dǎo)致暴雨預(yù)報準確率較低[3]。目前，暖區(qū)暴雨的準確預(yù)報依然是氣象預(yù)報所面臨的一個科學(xué)難題。

針對暖區(qū)暴雨的大尺度環(huán)流和中小尺度對流系統(tǒng)的天氣學(xué)研究已有大量工作?；?005—2008年5—6月暖區(qū)暴雨中低層環(huán)流形勢的統(tǒng)計分析，丁治英等[4]與陳翔翔等[5]將影響華南暖區(qū)暴雨的環(huán)流系統(tǒng)分為切變型、低渦型和偏南風(fēng)速切變輻合型三類，并指出副熱帶高壓脊線對華南暖區(qū)暴雨產(chǎn)生重要影響。同時，許多學(xué)者針對中尺度對流系統(tǒng)對暖區(qū)暴雨的發(fā)展規(guī)律及其演變特征等問題也開展了諸多研究工作[6-8]。陳敏等[9]、孔期等[10]通過暖區(qū)暴雨和鋒面暴雨的對比指出，鋒面上和鋒前暖區(qū)出現(xiàn)的中尺度對流系統(tǒng)(Mesoscale Convective System，MCS)明顯不同，前者具有更強的斜壓性特征，并伴隨有冷暖空氣同時參與，而且二者的觸發(fā)機制也存在顯著差異。除MCS等較大中尺度系統(tǒng)的影響外，β中尺度或γ中尺度的天氣系統(tǒng)對暖區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展具有更直接的關(guān)系[11-12]。

隨著數(shù)值模式的快速發(fā)展，借助高分辨率數(shù)值模式開展暖區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展機制等研究已經(jīng)成為一種更為有效的重要方法。現(xiàn)有研究表明，對于中小尺度強天氣系統(tǒng)而言，相對于模式誤差，降水預(yù)報質(zhì)量對模式的初始誤差更加敏感。預(yù)報誤差的非線性動力學(xué)傳播研究表明，預(yù)報過程中模式初始場的微小誤差可能會快速增長，最終導(dǎo)致模式降水的顯著差異[13-14]。而相比江淮暴雨，華南暖區(qū)暴雨對初始誤差更加敏感，誤差增長往往更加迅速，最終可能導(dǎo)致預(yù)報失敗[15]。其中，模式初始時刻微小的濕度誤差，會造成對流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)和對流抑制能量(Convective Inhibition，CIN)出現(xiàn)差異，進而影響MCS系統(tǒng)的發(fā)展，對暖區(qū)暴雨預(yù)報質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響[16]。因此，一些學(xué)者從改善預(yù)報模式的初始場質(zhì)量出發(fā)，希望可以提高暖區(qū)暴雨的預(yù)報準確率。張誠忠等[17]通過Nudging降水資料，較好地改善了華南一次暖區(qū)暴雨過程的臨近預(yù)報質(zhì)量，只是隨著預(yù)報時效的增加改善效果逐漸減弱；而利用云分析增加初始云水物質(zhì)，暖區(qū)暴雨的預(yù)報效果也得到顯著改善[18]。王淑莉等[19]使用集合卡爾曼濾波(EnKF)同化方案提高模式初值質(zhì)量，也使得部分集合成員成功模擬出了北京“7.21”暴雨過程。華南暖區(qū)暴雨研究中采用同樣的方案仍然得到了較優(yōu)的試驗結(jié)果[20]。可見，在數(shù)值預(yù)報中，預(yù)報模式初值的質(zhì)量對華南暖區(qū)暴雨預(yù)報的質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用。歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)和美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的再分析資料質(zhì)量得到廣泛認可，但也具有一定的差異。研究指出，相比NCEP的FNL分析資料，ECMWF的ERA-Interim再分析資料對低層溫度場和濕度的描述更接近于觀測[21-22]。在颮線模擬預(yù)報中，由于ERA-Interim再分析資料的初始水汽場質(zhì)量更為準確，致使颮線發(fā)生發(fā)展過程的模擬效果都有不同程度的提高[23]。

數(shù)值預(yù)報模式初值質(zhì)量對暖區(qū)暴雨預(yù)報質(zhì)量具有重要影響。華南地區(qū)緯度較低，濕度對該地區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展和熱動力學(xué)機制的影響更為重要。那么，對于華南暖區(qū)暴雨而言，模式初始場的關(guān)鍵物理量尤其濕度的質(zhì)量或初始誤差對暖區(qū)暴雨的影響及其敏感程度如何？哪些物理量是華南暖區(qū)暴雨預(yù)報質(zhì)量的關(guān)鍵性影響因素？本文基于ERA-Interim和FNL兩種再分析資料，通過將兩者的水汽、風(fēng)、溫度等基本模式物理量，逐漸合成不同質(zhì)量的模式初始場，分別制作高分辨率模式預(yù)報，研究初始場質(zhì)量對暖區(qū)暴雨預(yù)報的影響，分析不同氣象要素對華南暖區(qū)暴雨預(yù)報的敏感性以及影響中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的可能成因。

1 華南暖區(qū)暴雨個例

1.1 天氣形勢與降水

2015年5月19日，華南地區(qū)發(fā)生了一次暴雨、局地大暴雨的天氣過程，強降水中心分別位于廣東西北和中南部。西北側(cè)強降水中心的降水落區(qū)從廣東北部延伸至中部，范圍較大；南側(cè)強降水中心局地性強，主要集中在廣東南部沿海地區(qū)。兩個強降水中心的24 h累積降水量分別達到100 mm和350 mm以上。北側(cè)降水發(fā)生在鋒面周圍，為鋒面暴雨，南側(cè)降水位于鋒前200～300 km的暖區(qū)，為鋒前暖區(qū)暴雨。

基于 ERA-Interim再分析資料(分辨率為0.125°×0.125°)的天氣形勢(圖1)顯示，19日12時(世界時，下同)對流系統(tǒng)開始發(fā)展時，對流層上層200 hPa的廣東南部處于西北氣流控制，北部受到偏南氣流的影響，形成了扇形輻散的風(fēng)場分布。中國東北部有一個大槽延伸到山東一帶，高空急流主要分布在30°～40°N之間，華南地區(qū)處在高空急流的南部(圖1a)；中高緯地區(qū)的東亞大陸500 hPa上空主要是兩槽一脊，東北低槽延伸到長江中下游一帶，副熱帶高壓位于我國南海，廣東地區(qū)主要受偏西氣流的影響(圖1b)。850 hPa的高比濕中心主要位于華南北部區(qū)域，其中兩廣中北部大部分地區(qū)的比濕大于16 g·kg-1。受西南氣流的影響，東南亞地區(qū)的水汽持續(xù)輸送至兩廣中北部對流層中低層上空，為強降水的發(fā)生和維持提供了充足的水汽條件(圖1c)。廣東西南部地面出現(xiàn)明顯的中尺度輻合線，低層輻合高層輻散的配置利于降水形成(圖1d)。19日18時，中國東北區(qū)域的200 hPa高空槽減弱，其他各系統(tǒng)相比19日12時，強度未出現(xiàn)明顯變化，但位置略向東移動，影響廣東的扇形風(fēng)場相比上一時刻有所減弱(圖1e)。500 hPa槽也較上一時刻減弱，副高西段北抬，東段南移(圖1f)。對流層低層850 hPa，廣東地區(qū)的比濕減小，孟加拉灣地區(qū)出現(xiàn)水汽大值中心，穩(wěn)定存在的西南風(fēng)向廣東地區(qū)持續(xù)輸送水汽(圖1g)。地面輻合線的位置略向東偏移(圖1h)。

圖1 2015年5月19日200 hPa(a、e)、500 hPa(b、f)、850 hPa(c、g)和地面(d、h)天氣形勢與主要影響系統(tǒng)(陰影為比濕，單位：g·kg-1；棕色實線為槽線；黑色實線為地面輻合線)：(a—d)12時；(e—h)18時

1.2 強對流單體的發(fā)展

從19日12時至20日06時6 h間隔的雷達反射率(圖2)可以看出，19日12時開始(圖2a)，南北兩個降水區(qū)域內(nèi)均出現(xiàn)零星的強度較弱的對流單體，之后對流單體快速加強，19日18時(圖2b)出現(xiàn)大于45 dBZ的強回波，形成明顯的對流帶。同時，北部對流帶開始逐漸向南移動；20日00時(圖2c)，南部對流帶繼續(xù)維持，北側(cè)對流帶移至南部，并開始與南部對流帶合并。至20日06時(圖2d)，南北對流帶在南部沿海完全合并后緩慢向南移動，該區(qū)域?qū)α鲙耆浦裂竺?，本次降水過程結(jié)束。由此可見，導(dǎo)致本次暴雨過程的關(guān)鍵天氣系統(tǒng)為廣東西北部和南部的兩個中尺度對流帶，且北側(cè)的對流帶向南移動最終和南部對流帶合并，進一步加強了南部對流帶。

圖2 5月19日12時—20日06時6 h間隔的雷達反射率(單位：dBZ)：(a)19日12時；(b)19日18時；(c)20日00時；(d)20日06時

2 資料與試驗方案

2.1 預(yù)報模式與資料

試驗采用高分辨率配置的中尺度數(shù)值預(yù)報模式WRF，單層網(wǎng)格，其水平分辨率為2 km，模擬區(qū)域中心位于(21°N，114°E)，水平網(wǎng)格840×759，模式垂直層數(shù)40層，模式層頂為50 hPa，時間積分步長為10 s，模式輸出時間間隔1 h。預(yù)報模式分別采用Morrison2-mom方案的微物理過程、RRTM長波輻射方案和Dudhia短波輻射方案、近地面層為Monin-Obukhov方案、邊界層方案為YSU方案、陸面過程采用Noah方案。由于模式分辨率較高，模擬時不使用積云對流參數(shù)化方案。模式預(yù)報啟動時間為2015年5月19日00時，積分40 h。

敏感性數(shù)值模擬試驗的初始場使用NCEP的1°×1°分析資料與ECMWF ERA-Interim的分辨率0.25°×0.25°再分析資料及其合成資料，初始場為ERA-Interim再分析資料的敏感性試驗的側(cè)邊界條件為對應(yīng)的ERA-Interim再分析資料，其他敏感性試驗的側(cè)邊界條件均為NCEP的1°×1°分析資料。降水為中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的分辨率為0.1°的自動站和CMORPH的降水融合資料。

2.2 模式初值合成方案

模式初始場的微小差異可能會對預(yù)報結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。在FNL資料為模式初始場質(zhì)量劣于ECMWF資料的基礎(chǔ)上，為考查模式初始場不同氣象物理量對暖區(qū)暴雨模擬的敏感性，將FNL資料和ECMWF資料模式初始場的相關(guān)物理量的值分別均分為10等份，按照每次減少10% FNL相關(guān)物理量的值并同時增加10% ECMWF初始場物理量的值的比例進行合成，逐步將FNL模式初始場的相關(guān)物理量的值調(diào)整為ECMWF物理量的值，合成新的初始場。用序號1到10分別表示ECMWF(FNL)初始場相關(guān)物理量占合成初始場的比例為10%(90%)到100%(0%)。五組試驗分別設(shè)置如下：(1)ALL試驗：合成溫度場、風(fēng)場以及和水汽混合比；(2)T試驗：僅合成溫度場；(3)UV試驗：僅合成u、v風(fēng)場；(4)Qv試驗：僅合成水汽混合比；(5)noQv試驗：僅合成溫度與u、v風(fēng)場。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 初始場差異對降水預(yù)報的影響

為給模式初始誤差敏感性分析提供研究基礎(chǔ)，首先進行模式初始場分別為ECMWF資料和FNL資料的預(yù)報試驗，以區(qū)分各自模式初始場的質(zhì)量。從5月19日12時模式起報的24 h累積降水分布(圖3)可以看出，廣東北部的實況鋒面降水呈現(xiàn)西北—東南走向的帶狀分布，而南側(cè)的暖區(qū)降水呈現(xiàn)為近東西向分布，并出現(xiàn)了大于350 mm的強降水中心(圖3a)。模式初始場為ECMWF資料(圖3b)和FNL(圖3c)資料的預(yù)報都較好地模擬出了廣東北部降水的帶狀分布，但后者模擬的降水落區(qū)位置相比實況整體偏東北方向。另外，二者預(yù)報的廣東北部鋒面降水強度都較實況略偏強，尤其后者更強。相對而言，初始場為ECMWF資料的預(yù)報在廣東東北部的降水空報改善明顯。對于南側(cè)的暖區(qū)暴雨，F(xiàn)NL初始場的降水強度明顯偏弱，且雨帶結(jié)構(gòu)松散，而ECMWF資料模擬結(jié)果的降水強度則顯著改善，出現(xiàn)了接近實況的300 mm以上的強降水中心，只是中心位置相比實況略有偏北?？傮w而言，ECMWF資料的模擬結(jié)果相比FNL資料更接近實況，其預(yù)報質(zhì)量更佳。

圖3 2015年5月19日12時模式起報的24 h累積降水分布(單位: mm)：(a)實況；(b)ECMWF初始場；(c)FNL初始場

3.2 模式初始場合成試驗的降水預(yù)報差異

基于ECMWF資料為模式初始場的預(yù)報結(jié)果優(yōu)于FNL資料，將二者初始場資料進行按比例逐步合成，開展模式初始誤差敏感性試驗分析。如圖4所示，合成初始場從FNL初始場向ECMWF初始場靠近的過程中，廣東北部鋒面降水、南部暖區(qū)暴雨以及空報的預(yù)報結(jié)果都逐漸向ECMWF初始場的預(yù)報結(jié)果靠近，其預(yù)報質(zhì)量逐步提高。北側(cè)鋒面暴雨的改善主要表現(xiàn)在降水落區(qū)，而南部暖區(qū)暴雨的降水落區(qū)和降水強度都有較好的提高。對照觀測降水分布可以發(fā)現(xiàn)，從合成試驗ALL_1到ALL_10，鋒面暴雨的降水落區(qū)逐漸向西南方向移動，降水落區(qū)得到調(diào)整，逐步接近觀測。其中，合成試驗ALL_3(圖4d)開始，F(xiàn)NL初始場預(yù)報的廣東東北部(25°N，116.3°E)的弱降水空報區(qū)逐漸消失；至ALL_5試驗(圖4f)，北側(cè)鋒面暴雨的降水落區(qū)開始向西南方向調(diào)整。試驗ALL_7(圖4h)對南部暖區(qū)暴雨的預(yù)報出現(xiàn)了大于250 mm的強降水中心，且降水落區(qū)東西帶狀結(jié)構(gòu)明顯。但試驗ALL_7、ALL_8(圖4i)和ALL_9(圖4j)對鋒面暴雨的南側(cè)落區(qū)模擬較差。合成試驗ALL_10(圖4k)預(yù)報的強降水中心明顯大于其他試驗，出現(xiàn)了350 mm以上的強降水中心。值得注意的是，合成試驗ALL_10對暖區(qū)暴雨的預(yù)報相比單純ECMWF資料作為模式初始場更加接近實況，其強降水中心強度更強，且改進了后者強降水中心和降水落區(qū)均偏北的情況。需要指出的是，由于大氣運動具有復(fù)雜的非線性特征，客觀上難以準確預(yù)報出其狀態(tài)演變的真實特征，因此，這種合成試驗方案的模擬預(yù)報結(jié)果不可避免地也具有不確定性。

圖4 FNL初始場、ALL_1到ALL_10以及ECMWF初始場預(yù)報的24 h累積降水

由降水觀測可知，本次強降水過程主降水落區(qū)的24 h累積降水大于100 mm，達到大暴雨級別。為進一步定量評估各試驗對大暴雨預(yù)報的性能，圖5給出了FNL初始場、ECMWF初始場以及各初始場合成試驗的的24 h累積降水大于等于100 mm的大暴雨TS評分。可知，各試驗的TS評分基本位于0.4～0.5之間，ECMWF初始場試驗的大暴雨預(yù)報質(zhì)量優(yōu)于FNL初始場。各初始場合成試驗中，降水評分結(jié)果均高于FNL初始場試驗，其中ALL_5和ALL_10的TS評分明顯高于其他試驗。結(jié)合圖4對比發(fā)現(xiàn)，在初始場逐漸進行合成后，對強降水落區(qū)以及強度的模擬相比FNL初始場試驗均有所改善，ALL_10試驗雖在降水評分結(jié)果上略差于ALL_5，但是對于暖區(qū)暴雨的降水中心以及落區(qū)模擬都優(yōu)于ALL_5試驗。

圖5 FNL初始場、ALL_1到ALL_10以及ECMWF初始場預(yù)報的24 h累積降水同觀測的>100 mm的TS評分

圖6為按照10%、40%、70%與100%比例合成的模式初值物理量風(fēng)(UV_1、UV_4、UV_7與UV_10)、溫度(T_1、T_4、T_7與T_10)和水汽混合比(Qv_1、Qv_4、Qv_7與Qv_10)及僅合成風(fēng)場與溫度(noQv_1、noQv_4、noQv_7與noQv_10)試驗的24 h累積降水預(yù)報。分析圖6可知，合成風(fēng)場與溫度場對北部鋒面降水以及東北部出現(xiàn)的空報降水中心的影響較弱，對暖區(qū)暴雨預(yù)報質(zhì)量沒有明顯的貢獻，與單純以FNL資料為模式初始場的試驗結(jié)果基本一致。而逐步采用合成初始水汽場的試驗中，東北部降水中心的空報逐漸減弱，直至最終消失；南側(cè)的暖區(qū)暴雨預(yù)報一直維持有東西向雨帶，當采用100%合成水汽場后，預(yù)報結(jié)果出現(xiàn)了大于250 mm的強降水中心，且對北部鋒面暴雨降水落區(qū)偏東北向的情況也有向好調(diào)整，其預(yù)報接近ALL試驗(圖6j、i)。不考慮水汽場只合成風(fēng)場和溫度場的noQv試驗顯示，該組試驗均對降水預(yù)報質(zhì)量無本質(zhì)影響。綜合分析4組試驗結(jié)果可知，模式初始水汽混合比顯著影響降水預(yù)報質(zhì)量，即初始濕度場對暖區(qū)暴雨的降水預(yù)報最為敏感。

圖6 按照10%、40%、70%、100%比例的風(fēng)場(a—d)、溫度場(e—h)、水汽混合比(i—l)以及除水汽外其他氣象要素(m—p)的合成試驗預(yù)報的24 h累積降水(單位：mm)

由前述分析可知，受預(yù)報模式初值質(zhì)量(初始誤差)的影響，合成試驗ALL_10的預(yù)報質(zhì)量最優(yōu)，F(xiàn)NL試驗的預(yù)報質(zhì)量最低。因此，基于逐小時降水對二者進一步對比分析，討論模式初值質(zhì)量對暖區(qū)暴雨降水預(yù)報的強度和發(fā)生時間影響的敏感性。暖區(qū)暴雨落區(qū)(22.95°～23.05°N，115.15°～115.75°E)區(qū)域平均的逐小時降水量(圖7)顯示，本次暖區(qū)暴雨降水存在兩個峰值，且前12 h降水較強。19日15—18時降水顯著增加，為第一個降水的峰值，之后進一步加強，并在19日22時達到最大值(27 mm·h-1)。相對于FNL試驗，盡管合成試驗ALL_10的第二次降水峰值的預(yù)報從時間上滯后于實況約3 h，且主要強降水過程主要發(fā)生在后12 h階段，但降水顯著增強的時間和降水強度都更加接近實況降水，且逐小時降水的最大值也達到與實況基本一致的24 mm以上。而FNL試驗的前12 h降水量明顯過于偏小，后12 h降水量雖有增加，但依然顯著小于實況和ALL_10的預(yù)報結(jié)果。兩組試驗的降水強度、降水發(fā)生時間的明顯差異進一步說明，模式初值質(zhì)量或初值誤差對這次暖區(qū)暴雨降水預(yù)報具有較強的敏感性影響。

圖7 觀測(直方圖)和ALL_10(藍色虛線)、FNL(紅色虛線)試驗預(yù)報的(22.95°～23.05°N，115.15°～115.75°E)區(qū)域平均的暖區(qū)暴雨逐小時降水量(單位：mm)

3.3 暖區(qū)暴雨預(yù)報的敏感性分析

前述分析表明模式初始水汽場是影響暖區(qū)暴雨強降水最敏感的條件。依然基于預(yù)報質(zhì)量最優(yōu)的合成試驗ALL_10和預(yù)報質(zhì)量最差的FNL試驗，進一步分析和揭示模式初始水汽場影響強降水的主要原因。

3.3.1 濕度場的影響

圖8為沿暖區(qū)暴雨中心(23°N)的相對濕度和風(fēng)場的經(jīng)向剖面結(jié)構(gòu)。可知，5月19日12時降水即將發(fā)生時，合成試驗ALL_10的模式初值低層相對濕度明顯強于FNL試驗(圖8e)，而且在115.8°E附近存在強上升運動(圖8a)。至19日18時，ALL_10試驗的低層水汽進一步積聚，垂直運動也相應(yīng)增強并伸展至對流層中層。強上升運動和高溫高濕大值區(qū)相配合，充足的水汽和抬升條件形成了利于對流運動快速發(fā)展的大氣不穩(wěn)定層結(jié)，致使對流層中高層水汽凝結(jié)產(chǎn)生強降水(圖8b)，是最終形成6 h后廣東南部暖區(qū)暴雨強降水中心的重要原因。對比FNL試驗，由于模式初值的低層相對濕度和垂直速度明顯偏弱，導(dǎo)致南部的暖區(qū)未能出現(xiàn)明顯降水(圖8e、f)。隨后的20日00時和06時，ALL_10試驗的強對流運動和濕度持續(xù)加強，確保了暖區(qū)暴雨強降水發(fā)展(圖8c、d)；而FNL試驗預(yù)報的相對濕度和垂直速度增大時間明顯滯后，且強度偏弱，導(dǎo)致暖區(qū)暴雨強降水中心出現(xiàn)時間相應(yīng)較晚(圖8g、h)。綜合南側(cè)暖區(qū)暴雨強降水區(qū)的逐小時降水對比可知，由于合成試驗ALL_10的模式初值較準確地表征了豐富的水汽和小尺度強對流運動，利于強對流的發(fā)展和加強，使得對暖區(qū)暴雨強降水預(yù)報的降水強度和發(fā)生時間都具有較高的預(yù)報質(zhì)量；而FNL試驗的模式初值的水汽偏少，垂直對流運動偏弱，使得其對流觸發(fā)時間滯后ALL_10試驗12 h，且降水強度顯著偏弱。因此，模式低層初始濕度和小尺度強對流系統(tǒng)的合理描述是模式準確預(yù)報暖區(qū)暴雨強降水發(fā)生和發(fā)展的一個重要影響因子。

3.3.2 可降水量與對流有效位能

可降水量和對流有效位能(≥1 500 J·kg-1)的差異(圖9)顯示，合成試驗ALL_10模式初值的大氣可降水量主要集中在廣東中部以及西南側(cè)，在西南風(fēng)的引導(dǎo)下豐沛的水汽向廣東南部輸送，在鋒面北側(cè)積聚(圖9a)；FNL試驗的大氣可降水量則主要集中在廣東東北部，其上游水汽輸送較弱， CAPE范圍較分散，量值與前者相當(圖9e)。19日18時，試驗ALL_10的CAPE迅速增加，達到2 000 J·kg-1，暖區(qū)暴雨落區(qū)附近出現(xiàn)了可降水量大值中心，達75 mm(圖9b)。20日00時CAPE進一步快速增加，降水落區(qū)附近達到中高度不穩(wěn)定狀態(tài)的2 500 J·kg-1左右(圖9c)。06時， CAPE和可降水量大值中心依然維持發(fā)展(圖9d)，成為暖區(qū)暴雨強降水發(fā)生和持續(xù)的有力保證。相應(yīng)時段內(nèi)，F(xiàn)NL試驗的可降水量和CAPE值在降水區(qū)附近都相對較小，未達到2 000 J·kg-1?？梢?，由于合成試驗ALL_10的模式初值的可降水量和CAPE等較FNL試驗具備更有利于暖區(qū)暴雨產(chǎn)生的小尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展和維持的熱動力和水汽條件，配合更強的對流上升運動(圖8a)，更易觸發(fā)強對流，從而形成暖區(qū)暴雨強降水。

圖8 沿暖區(qū)暴雨中心(23°N)合成試驗ALL_10(a—d)和FNL試驗(e—h)的相對濕度(陰影，單位：%)及風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)的垂直結(jié)構(gòu)： (a、e)19日12時；(b、f)19日18時；(c、g)20日00時；(d、f)20日06時

圖9 合成試驗ALL_10(a—d)和FNL試驗(e—h)的可降水量(陰影，單位：mm)、整層最大CAPE(黑實線，單位：J·kg-1)和850 hPa風(fēng)場(箭矢，單位：m·s-1)：(a、 e)19日12時；(b、f))19日18時；(c、g)20日00時；(d、h)20日06時

3.3.3 對流單體發(fā)展的影響

合成試驗ALL_10的模式初值中，廣東北部存在較強的雷達反射率，南部暖區(qū)暴雨區(qū)域內(nèi)有零散對流單體(圖10a)。預(yù)報6 h后至19日18時，試驗ALL_10預(yù)報出了廣東南部強度大于等于45 dBZ強回波的中小尺度對流單體，達到了對流觸發(fā)的強度(圖10b)。該區(qū)域的對流單體在有利的天氣形勢下，進一步發(fā)生發(fā)展加強，最終與20日00時形成強對流帶，且與北側(cè)的對流帶南移趨于合并(圖10c)。至20日06時，二者完全合并發(fā)展為新的更強對流帶并維持在廣東南部(圖10d)。這與雷達觀測的對流單體的發(fā)生發(fā)展較為一致(圖2)。而FNL試驗在對流系統(tǒng)發(fā)展的整個過程中，南部的中小尺度對流單體和北部向南移動的對流帶的模擬質(zhì)量均較差，最終未出現(xiàn)強降水。降水實況中暖區(qū)暴雨中心的兩個降水峰值和降水量的增加(圖7)，其中一次由對流單體持續(xù)發(fā)生發(fā)展形成強對流帶造成，另一次則為南北對流帶合并及其進一步發(fā)展加強對流所至。合成試驗ALL_10模擬的對流觸發(fā)時間較為準確，但對對流組織發(fā)展加強的模擬質(zhì)量相對較差，致使降水略偏小，其后12 h的降水顯著增強則主要由于南北對流帶合并使得對流增強所致。而FNL試驗對南側(cè)對流單體的模擬失敗導(dǎo)致其在前12 h并未出現(xiàn)明顯降水，之后降水峰值出現(xiàn)在20日06時左右主要是由于北部對流帶南移造成(圖10h)。這也是導(dǎo)致FNL試驗預(yù)報降水峰值明顯小于實況和試驗ALL_10結(jié)果的主要原因。

圖10 合成試驗ALL_10(a—d)和FNL試驗(e—h)的雷達反射率(單位：dBZ)：(a、e)19日12時；(b、f)19日18時；(c、g)20日00時；(d、h)20日06時

由于ALL_10在對流觸發(fā)階段預(yù)報質(zhì)量較好，進一步分析水汽對對流單體觸發(fā)的影響。前述分析指出，暖區(qū)暴雨對流觸發(fā)時間主要集中在19日17時前后，故主要分析該時間段內(nèi)水汽對對流單體發(fā)生發(fā)展的影響(圖11)。從19日16時開始，合成試驗ALL_10預(yù)報出了廣東南部較強的對流單體和其進一步加強。結(jié)合950 hPa≥19 g·kg-1的水汽混合比的范圍，試驗ALL_10預(yù)報的水汽場在整個廣東地區(qū)都強于FNL模擬結(jié)果(圖11)。結(jié)合圖9，CAPE值隨著水汽的增加逐漸增大，不穩(wěn)定能量的快速積聚可有效觸發(fā)強對流運動。這充分說明了充足的水汽條件是準確觸發(fā)對流運動并加強其發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此，準確的模式初值水汽條件對于預(yù)報暖區(qū)暴雨強對流的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。

圖11 合成試驗ALL_10(a—c)和FNL試驗(d—f)的雷達反射率(陰影，單位：dBZ)和950 hPa大于19 g·kg-1水汽混合比(網(wǎng)格)：(a、d)16時；(b、e)17時；(c、f)18時

3.3.4 對流觸發(fā)條件分析

基于合成試驗ALL_10對南部暖區(qū)暴雨強降水對流單體的成功模擬，對照預(yù)報質(zhì)量較低的FNL試驗，進一步分析南部暖區(qū)暴雨第一階段強降水的觸發(fā)條件。從地面10 m風(fēng)場的預(yù)報結(jié)果(圖12)可知，19日14時對流即將開始發(fā)展，合成試驗ALL_10的沿海洋面主要以強勁的西南風(fēng)為主，而沿海陸地的西南風(fēng)顯著減弱，且其北側(cè)伴隨有小范圍的弱東南風(fēng)和東北風(fēng)，從形成較強的風(fēng)速輻合與弱風(fēng)向輻合。此時，南部伴隨有較小的對流單體開始生成，并在之后的1 h內(nèi)開始出現(xiàn)降水(圖12a)。16時，沿海洋面的西南風(fēng)進一步加強，沿海陸地風(fēng)速減小，弱的東北風(fēng)略增大，地面風(fēng)場輻合同步增強，對流單體快速發(fā)展增強，之后1 h降水強度隨之增大(圖12b)。隨后18時，中尺度風(fēng)速輻合線在海陸交界處形成，強對流單體在輻合線附近發(fā)展強盛，隨后強降水發(fā)生(圖12c)。相較于試驗ALL_10，F(xiàn)NL試驗(圖12d—f)在沿海地區(qū)也以強西南風(fēng)為主，而陸地上依然為較強的西南風(fēng)，未形成明顯的風(fēng)速輻合以及地面輻合線。由于不具有對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的有利條件，最終南部暖區(qū)暴雨生成的對流單體較弱，從而也就難以形成強降水。

圖12 合成試驗ALL_10(a—c)和FNL試驗(d—f)的雷達反射率(陰影，單位：dBZ)、10 m風(fēng)場(箭頭)與之后小時累積降水量(黑色實線，單位：mm)：(a、d)14時；(b、e)16時；(c、f)18時

從南部暖區(qū)暴雨第一階段強降水中心的雷達反射率、水汽混合比、相當位溫的徑向剖面(圖13，沿圖12中的紅色實線)可以明顯看到，19日14南部開始出現(xiàn)風(fēng)速輻合時，合成試驗ALL_10的對流層低層暴雨中心南側(cè)風(fēng)速迅速減小，形成強風(fēng)速輻合，低層已出現(xiàn)弱上升運動，將低層暖濕水汽向上層輸送，導(dǎo)致等位溫面開始向上抬升(圖略)，對流單體開始發(fā)展，此時邊界層高度在1 km左右，抬升凝結(jié)高度和自由對流高度約0.5 km(圖13a)。16時地面風(fēng)速輻合增大，垂直運動加強，對流單體得以快速發(fā)展，具備了對流觸發(fā)條件，此時雷達回波強度達到35 dBZ以上，對流單體發(fā)展的位置抬升凝結(jié)高度略降低，自由對流高度明顯抬升(圖13b)。至18時，地面風(fēng)速輻合與上升運動進一步加強，低層暖濕水汽向高層快速輸送，對流發(fā)展區(qū)域邊界層高度略下降，對流發(fā)展至強盛階段(圖13c)。相比而言，F(xiàn)NL試驗由于低層風(fēng)場輻合偏弱，對應(yīng)的上升運動也較弱，低層暖濕水汽缺乏向高層輸送的有利通道，致使難以產(chǎn)生較強對流。比較兩組試驗可發(fā)現(xiàn)，在暖區(qū)暴雨觸發(fā)前，合成試驗ALL_10的低層大氣相比于FNL試驗結(jié)果更加暖濕，更有利于低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定增強和對流不穩(wěn)定能量的積聚，為南部暖區(qū)暴雨第一階段強對流的觸發(fā)和發(fā)展提供了更有利的條件。

圖13 合成試驗ALL_10(a—c)和FNL試驗(d—f)的雷達回波(陰影，單位：dBZ)、風(fēng)場(箭頭)、抬升凝結(jié)高度(橘黃色實線)、自由對流高度(藍色實線)和邊界層高度(綠色實線)沿圖11中紅色實線的垂直剖面：(a、d)14時；(b、e)16時；(c、f)18時

4 結(jié)論

本文在ECMWF和NCEP再分析資料作為模式初值對華南暖區(qū)暴雨預(yù)報質(zhì)量差異明顯的基礎(chǔ)上，利用合成初值方法，開展了模式初值敏感性數(shù)值試驗，討論了模式初始場關(guān)鍵物理量對暖區(qū)暴雨預(yù)報質(zhì)量的影響，重點分析了模式初值濕度場質(zhì)量對華南暖區(qū)暴雨降水預(yù)報的敏感性，指出了不同模式初值對暖區(qū)暴雨以及對流單體預(yù)報效果的影響，并初步解釋了本次暖區(qū)暴雨強對流的觸發(fā)條件。主要結(jié)論如下：

(1)模式初始場質(zhì)量的差異可顯著影響本次華南暖區(qū)暴雨預(yù)報的降水強度、落區(qū)以及降水發(fā)生時間的質(zhì)量，但初始場的不同氣象物理量對預(yù)報質(zhì)量的影響明顯不同；

(2)合成初值試驗表明，初始水汽場對暖區(qū)暴雨預(yù)報影響最大，也最為敏感，風(fēng)場和溫度場對本次暖區(qū)暴雨預(yù)報的影響相對較小。初始水汽場質(zhì)量的提高，為對流觸發(fā)提供了有利條件，從而可準確預(yù)報對流單體的發(fā)生發(fā)展以及地面強降水；

(3)本次暖區(qū)暴雨的觸發(fā)條件主要為地面較強的風(fēng)速輻合。低層的強風(fēng)速輻合，促使暴雨區(qū)暖濕空氣積聚，低層大氣不穩(wěn)定增大，加強了對流上升運動，從而為低層暖濕空氣垂直輸送提供了條件，是強對流單體觸發(fā)、生成和加強發(fā)展以至產(chǎn)生暖區(qū)強降水的物理基礎(chǔ)。

本文初步揭示了模式初始場尤其濕度場質(zhì)量是影響華南暖區(qū)暴雨預(yù)報質(zhì)量的關(guān)鍵因子之一。但是，由于華南暖區(qū)暴雨發(fā)生發(fā)展及觸發(fā)機制較為復(fù)雜，全面準確的理解影響華南暖區(qū)暴雨預(yù)報的關(guān)鍵影響系統(tǒng)和前導(dǎo)信號以及觸發(fā)條件等相關(guān)科學(xué)問題，尚需要更進一步的系統(tǒng)性研究。

致謝：本文的數(shù)值計算得到南京信息工程大學(xué)高性能計算中心的支持和幫助。