浙江省梅雨期降水日变化及ECMWF预报能力评估.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.7汪冬冬,方艳莹,申华羽,等.浙江省梅雨期降水日变化及 ECMWF 预报能力评估J.水利水电技术(中英文),2023,54(7):36-49.WANG Dongdong,FANG Yanying,SHEN Huayu,et al.Diurnal change of rainfall during Meiyu period in Zhejiang Province and assessment on prediction capacity of ECMWF J.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(7):36-49.浙江省梅雨期降水日变化及 ECMWF预报能力评估汪冬冬1,2,方艳莹1,2,申华羽1,2,涂小萍3,吕劲文1,2,钱 峥1(1.宁波市气象服务中心,浙江 宁波 315000;2.宁波市气象灾害预警中心,浙江 宁波 315000;3.宁波市气象台,浙江 宁波 315000)收稿日期:2022-10-20;修回日期:2022-11-18;录用日期:2022-11-21;网络出版日期:2023-01-09基金项目:宁波市公益性计划重点项目(2022S181);宁波市自然科学基金项目(202003N4192,202003N4193);浙江省气象局预报员专项项目(2021YBY05);浙江省“海洋与港航气象”创新团队资助作者简介:汪冬冬(1993),男,工程师,硕士,从事降水日变化及短临天气预报研究。E-mail:wangdd27 通信作者:涂小萍(1968),女,正高级工程师,硕士,从事中小尺度天气预报技术研究。E-mail:txp_ hk Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】为了解浙江省梅雨期的降水日变化特征以及气象业务模式对降水的预报能力。【方法】利用 20082019 年期间浙江地面雨量站小时数据和 ERA-Interim 再分析资料进行分析,同时评估 ECMWF 在浙江地区梅雨期的预报水平。【结果】结果表明:(1)梅雨期间浙江平均日降水量自西向东递减,浙西地区从 05:0018:00 一直维持强降水的特征,平均最大日降水量超过 20 mm。(2)浙中、浙北、浙东降水呈双峰型特征,主要降水时段在 03:0011:00 和 13:0020:00。浙东北和浙南降水呈单峰型特征,浙东北降水峰值主要在 03:0010:00,但浙南降水峰值主要在 14:0021:00。除浙南外,梅雨期间浙江大部地区夜间至早晨强降水持续时间比午后至傍晚更长。(3)夜间至早晨强降水与低空急流(LLJ)在夜间逐渐加强密切相关。因为夜间至早晨期间,非地转风逐渐加强,使得 LLJ 增强,而增强的 LLJ 为浙江地区带来大量暖湿气流,提供不稳定能量,增强辐合上升运动,进而造成早晨降水峰值。午后热力条件可能是午后至傍晚强降水的主要原因。(4)ECMWF 基本可以预报出浙江梅雨期间的降水趋势,但夜间至早晨(02:0011:00)的降水趋势预报优于午后至傍晚(14:0020:00)。【结论】总体上,ECMWF 在夜间至早晨期间更倾向低估强降水,高估弱降水。模式对夜间至早晨的降水预报相对不够稳定,均方根误差大于午后至傍晚。随着预报时间的延长,模式预报能力降低。关键词:梅雨;降水日变化;浙江;低空急流;ECMWF;评估;降雨;气候变化DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.07.004开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:TV213.4文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)07-0036-14Diurnal change of rainfall during Meiyu period in Zhejiang Province and assessment on prediction capacity of ECMWF WANG Dongdong1,2,FANG Yanying1,2,SHEN Huayu1,2,TU Xiaoping3,LYU Jingwen1,2,QIAN Zheng1(1.Ningbo Meteorological Service Center,Ningbo 315000,Zhejiang,China;2.Ningbo Meteorological Disaster 63汪冬冬,等/浙江省梅雨期降水日变化及 ECMWF 预报能力评估水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期Emergency Warning Center,Ningbo 315000,Zhejiang,China;3.Ningbo Meteorological Observatory,Ningbo 315000,Zhejiang,China)Abstract:Objective In order to understand both the diurnal changing characteristics of rainfall and the prediction capacity of meteorological operational mode during the Meiyu period in Zhejiang Province,Methods the hourly data of ground rainfall sta-tions and the ERA-Interim data during the period from 2008 to 2019 in Zhejiang Province are analyzed herein,while the predic-tion level of ECMWF during Meiyu period in the province is assessed as well.Results The result show that(1)the mean daily precipitation during the Meiyu period in Zhejiang Province progressively decreases from west to east,while the characteristics of strong precipitation maintains from 05:00 to 18:00 all along within the western region of Zhejiang Province with the maximum daily precipitation over 20 mm;(2)the rainfall in the regions of the Central,Northern and Eastern Zhejiang exhibit bimodal characteristics with the main precipitation periods of 03:0011:00 and 13:0020:00,while the precipitations in the northeast-ern and southern Zhejiang mainly exhibit unimodal characteristics,but the precipitation peak of the southern Zhejiang mainly con-centrates in the period of 14:0021:00.Besides the southern Zhejiang,the heavy precipitation durations from night to morning within most of the regions in Zhejiang Province are more longer than those from afternoon to evening;(3)the heavy precipitation from night to morning is closely related to the gradual strengthening of the low-level jet(LLJ)at night.Due to the gradual strengthening of ageostrophic wind from night to morning,the low-level jet(LLJ)is enhanced,however,the enhanced low-level jet(LLJ)brings a large amount of warm and humid air,provides unstable energy,and enhances convergence ascending move-ment,and then causes morning precipitation peak,while the thermal conditions in the afternoon is possible to be the main causa-tion for the heavy precipitation from afternoon to evening;(4)the precipitation trend during Meiyu period of Zhejiang Province can be basically predicted by ECMWF,but the precipitation trend prediction for the period from night to morning(02:0011:00)is better than that from afternoon to evening.Conclusion Generally,ECMWF is more trended to underestimate the heavy precipitation and overestimate the weak precipitation during the period from night to morning.The model is not so stable to predict the precipitation from night to morning with the root mean square error(RMSE)greater than that from afternoon to eve-ning.With the extension of prediction time,the prediction capacity of the mode is decreased as well.Keywords:Meiyu period;diurnal change of rainfall;Zhejiang Province;low-level jet;ECMWF;assessment;rainfall;climate change0 引 言 降水日变化(Diurnal cycle of rainfall,DCR)是重要的区域气候特征,它反映了 1 d 中特定时段发生降雨的规律性。DCR 对区域水循环、能量循环、生态环境以及人类活动都有显著影响,也对气候系统有重要的反馈作用1-2。梅雨是指每年 67 月在长江中下游沿着长江流域的东西向静止锋强雨带,期间常会出现连阴雨天气,雨量充沛3。浙江省位于我国长江中下游沿海地区(见图 1),每年 67 月进入梅雨期,经常出现连续性降雨。浙江梅雨期降水约占据整个夏季降水量的一半4。近年来一些研究表明,梅雨降水会呈现出独特的日变化特征,即早晨峰值和午后峰值5-7。许多学者研究了梅雨 DCR 的成因,CHEN 等8指出区域的气候环境特征并不能充分解释夜间的持续性降水,而这更可能与大尺度系统性天气有关。季风系统中特别是西南低空急流(low-level jet,LLJ)是造成长江中下游地区持续性降水的重要因素。因为 LLJ 不仅能输送大量的暖湿气流,为长江中下游地区降水提供充足的水汽条件9-11,而且 LLJ 具有很强的风切变,会形成风剪切不稳定12。梅雨期间,一些 LLJ 常呈现出明显的日变化特征,它们经常在夜间风速达到最大,造成夜间强降水的发生2-13。LLJ 的日变化特征可能是由于非地转风在夜间加强,并在 BLACKADAR 惯性震荡理论下顺时针偏转14-16。倾斜地形下热力差异的发生造成了气压梯度力的变化也是 LLJ 出现日变化的重要原因17-19。因此在地形较为复杂的东亚地区,LLJ 的日变化将会呈现出明显的区域特征20-21。XUE等3指出在梅雨期间西南季风盛行时,LLJ 在夜间加强,其所增加的水汽通量将为早晨峰值降水提供先决条件。梅雨期间午后经常呈现出短时强降水,主要由太阳辐射加热导致局地热力不稳定而形成的2。对于 DCR 的研究,从数据资料研究上主要分为两类,一类是利用高时空分辨率的卫星资料分析,例如TRMM 资料22、CMORPH 资料23-25和 GPM 资料26等;另一类是地面气象观测站的降雨资料分析27-28。73汪冬冬,等/浙江省梅雨期降水日变化及 ECMWF 预报能力评估水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期 图 1 浙江省地形和雨量站位置Fig.1 Topography and gauge distribution over Zhejiang Province(ZJP)卫星资料可以覆盖观测站观测不到的地区,但它相对于地面观测站,经常会低估一些强降水过程,并且空间分辨率相对较低29。数值预报模式已成为业务人员制作天气预报的主要依据。为了让数值预报产品能够在业务应用中达到最优的预报性能,许多研究者对多种模式在不同地区的预报效果进行了检验评估30-31。研究表明,数值预报能力随着降水等级的增加而减弱,到暴雨级别,模式预报能力降至最低32。例如,刘静等33分别评估了 ECMWF、JMA、安徽省气象台业务模式 MM5 和WRF 在 20112012 年汛期的预报能力,结果表明 EC-MWF 预报效果最好,但 4 个模式的预报能力都随着降水等级的增加而下降。徐同等34评估 WMS-WARMS V2.0 模式在我国西南地区降水预报性能,结果表明秋冬季节,该模式对大雨以上量级预报相对偏低。另外,一些研究表明,模式的预报效果一般随着预报时效的延长而降低34-35;模式对不同强度的降水过程预报也有明显差异,它们容易低估强降水过程33-36。不同地区 DCR 是不同的,然而目前关于浙江梅雨期的 DCR 特征研究较少,本文将重点分析浙江地区梅雨期的 DCR 特征,分析其物理机制,便于更好地预报浙江梅雨期降水。由于 ECMWF 预报产品在当前业务预报中使用广泛35-36,因此选取 20152018年 ECMWF 降水预报产品对浙江地区梅雨期 DCR 进行客观评估,重点评估 ECMWF 对夜间至早晨降水和午后至傍晚降水预报的差异,以期了解当前业务数值预报模式对于梅雨降水的预报能力及关键偏差,为提升数值预报产品的应用能力和数值模式的改进提供有益参考。1 研究数据与方法1.1 研究数据 本次研究利用 20082019 年梅雨期间浙江地区地面自动站逐小时降水资料(见图 1)分析浙江省梅雨期 DCR 特征,数据来源于浙江省气象信息中心。研究时段为浙江各年的入梅日至出梅日的前一天(见表 1)。同时,使用 20082019 年欧洲中心再分析资料(ERA-Interim),分析浙江省梅雨期间 DCR 的物理机制。该资料的时空分辨率分别为 6 h和 0.250.25,垂直方向共有 17层,750 1 000 hPa,间隔 25 hPa;500750 hPa,间隔 50 hPa;还有 200 hPa。表 1 浙江省 20082019 年梅雨日Table 1 The Meiyu period in ZJP from 2008 to 2019年 份入梅日出梅日梅雨期/d200806-0807-0123200906-0907-0829201006-1707-1730201106-0406-2622201206-1706-2912201306-0707-0124201406-1707-0720201506-0707-1235201606-1206-3018201706-0907-0526201806-2007-0919201906-1707-1730平 均06-1207-0624 为了解当前业务模式对浙江梅雨的预报水平,本次研究选取 20152018 年 ECMWF 在浙江地区梅雨期的降水预报产品进行评估。ECMWF 在一天中共预报两次,分别在 08:00(北京时间,下同)起报和20:00 起报。该产品空间分辨率为 0.1250.125,时间分辨率为 3 h 累积降水,预报时效 72 h,产品数据来源于浙江省气象信息中心。1.2 研究方法 对自动站资料进行质量控制,超过 0150 mm/h区间认为是无效数据,将其剔除。20082019 年浙江省雨量站每年都有新增,期间共有 1 1002 900 个站点参与分析。梅雨期间如果有热带低压或台风影83汪冬冬,等/浙江省梅雨期降水日变化及 ECMWF 预报能力评估水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期 图 2 浙江省 20082019 年梅雨期间平均每日降水量与平均经向-时间的雨强变化Fig.2 Daily mean of the rainfall in ZJP and longitude-time variations of rainfall rate averaged over in ZJP during the Meiyu Period from 2008 to 2019响,则影响期间不参与分析。通过上述处理后,为便于统计分析降水空间分布和日变化特征,利用 NCL(V6.6.2)中 Cressman 插值方法对站点数据进行插值得到 5 km5 km 的网格数据。Cressman 插值方法会产生一定的误差,本次研究暂不考虑这种误差。图 2(a)表示 20082019 年浙江省梅雨期间日平均雨量。根据日平均雨量的空间分布特征,并结合浙江省地理空间特点,将浙江省分成 6 个区域(见图 2),即浙西、浙中、浙北、浙东、浙南、浙东北,分别统计这6 个区域的 DCR 特征。本文中所划分的6 个区域可能与日常业务预报中所提的有所差异,这里不做深入讨论。基于 ERA-Interim 再分析资料,利用合成分析方法6-13,从梅雨期形势场特征、LLJ 和水汽日变化等方面初步分析浙江地区梅雨期的 DCR 成因。以地面雨量站小时降水数据为基准,利用客观评估方法对 ECMWF 降水预报产品进行综合评估:平均偏差(Mean Bias,MB)、相关系数(Correlation Coeffi-cient,CC)、均方根误差(Root-Mean-Squared Error,RMSE)。为便于客观评估,再次利用 Cressman 插值方法将地面雨量站数据插值成 0.1250.125的网格数据,经纬度信息与 ECMWF 降水预报产品匹配。将雨量站的小时数据按 3 h 累加,使雨量站数据时间与ECMWF 的降水预报产品对应,最后得到 02:00、05:00、08:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00 的雨量站 3 h 累积降水数据。本次研究中,只对浙江各个区域的面雨量(即各区域格点数据的均值)做统计分析。较多研究已经表明,随着预报时效延长,模式预报效果逐渐变差34-35,因此,本次研究评估时效为 48 h,主要评估梅雨期 ECMWF 对浙江DCR 的预报水平。2 浙江梅雨期概况及天气形势2.1 浙江梅雨期概况 表 1 给出 20082019 年期间浙江省入梅日、出梅日和梅雨期。可见 2015 年梅雨持续时间最长,达到 35 d,2012 年最短仅 12 d。近 12 年来平均入梅日6 月12 日,出梅日7 月6 日,平均梅雨期24 d。如图2(a)所示,日平均梅雨量自西向东逐渐减少。较强雨带位于在浙西和浙中地区,其中最大位于浙西的衢州和杭州的淳安一带,如图 2(a)虚线框区域所示,日平均雨量约 22 mm,其次是浙中地区,日平均雨量1315 mm。浙北日平均雨量接近 1314 mm,略高于浙东地区 1013 mm。浙南和浙东北在梅雨期间降水量最低,分别约 10 mm 和 9 mm。浙江沿海地区的日平均梅雨量比内陆偏低。分析图 2(a)还可以发现,浙江地区梅雨期间平均日降水量也呈现中间高,南北低的特征。从图 2(b)可以看出,在 119 E 以西,04:0018:00 持续 0.7 mm/h 以上的雨强,即后半夜至傍晚梅雨强度较大,并自西向东逐渐减小,且逐渐表现出双峰型特征。峰值出现的时间有滞后趋势,在119E 附近分别在 07:00 和 15:00 前后出现双峰值见图 2(b),而在 120E 附近,雨强峰值则分别出93汪冬冬,等/浙江省梅雨期降水日变化及 ECMWF 预报能力评估水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期现在 08:00 和 16:00 前后,表现出小时雨强自西向东移动的特征。分析还发现,后半夜至上午的降水持续时间 比 午 后 至 傍 晚 的 长,前 者 最 长 持 续 约 9 h(02:0011:00),后者持续最长约 6 h(14:0020:00),但午后至傍晚的雨强强于夜间至早晨见图2(b)。另外,121.8E 以东的浙江沿海和海岛地区,梅雨日变化表现出单峰型特征,雨强峰值主要发生在 05:0009:00见图 2(b),可能与海陆下垫面差异、海陆风等影响有关,尚待进一步的研究。图 3 给出了浙江省 6 块区域的梅雨期平均 DCR。分析图 3 可见,浙江梅雨期 DCR 可分为 4 类:浙西;浙中、浙东、浙北;浙东北;浙南。梅雨期间浙西地区从后半夜起,即 01:00,雨强逐渐增强,直到07:00 达到峰值约 0.88 mm/h,之后稍有减弱,而在12:00 左右又略有增强,14:00 左右达到第二峰值约0.82 mm/h,14:00 过后,雨强持续减弱,直到上半夜雨强减至最低。浙西地区从 05:0018:00(清晨至傍晚)雨强虽有起伏,但总体维持强降雨的特征。与浙西梅雨期早晨到傍晚持续强降水不同,浙中和浙东梅雨日变化特征表现更为显著。图 3 中可见,03:00起浙中和浙东雨强逐渐加强,在 08:00 附近达到峰值0.74 mm/h 和 0.59 mm/h,之后逐渐减弱,但 13:00左右又逐渐增强,分别在 16:00 达到峰值 0.65 mm/h,17:00 达到峰值 0.64 mm/h,之后雨强持续减小。可见浙中和浙东梅雨雨强呈双峰型特征,峰值大约出现在08:00 和 16:0017:00。浙北也呈现出类似于浙中和浙东的双峰型特征,但在 05:0016:00 雨强变化程度略小于浙中和浙东,该时段浙北雨强维持在 0.6 mm/h 左右。从雨强持续时间上看,浙中、浙东、浙北后半夜至上午 03:0011:00 的雨强持续时间长于午后到傍晚 13:0020:00 的时间。浙江省海岛数量在全国第一37,因此将浙东北的 DCR 特征单独讨论,由图 3 可见:浙东北地区呈现单峰型的特征,其雨量主要集中在后半夜至上午03:0010:00,并在 06:00 附近达到峰值约 0.58 mm/h。浙东北强降雨持续时间比浙中、浙东、浙北更短。另外,浙东北地区在 19:0021:00 也出现了短暂降水增强的特征,但是由于雨强总体较小,不考虑该时段属于降雨峰值(见图 3)。浙南地区雨强呈现单峰型特征,强降雨主要集中在午后至晚上,即14:0021:00,峰值在 17:00 附近约 0.7 mm/h(见图3)。浙南地区夜间至上午的雨强虽然也有增强的趋势,但 09:00 的峰值仅 0.39 mm/h,明显弱于午后至晚上,说明浙南地区热力作用导致对流性降水对梅雨图 3 浙江省 20082019 年梅雨期间各区域平均 DCR(北京时间)Fig.3 Mean of DCR in six regions of ZJP during the Meiyu period from 2009 to 2019(CST)量的影响较其他地区明显。从小时雨强大小上来看,后半夜至上午,浙西浙中浙北浙东浙东北浙南,而午后至傍晚,浙西浙中浙南浙东浙北浙东北。2.2 浙江梅雨期天气形势 利用 20082019 年浙江省梅雨期间 08:00 的ERA-interim 再分析资料 500 hPa 平均高度场,700850 hPa 的平均温度场、850 hPa 平均相对湿度场和平均风场来表示梅雨期间的形势特征(见图 4)。图 4中可以看出梅雨期间,在贝加尔湖和蒙古地区有一个长波脊发展并长久维持,这起到了阻塞作用。在高压脊的东部,即我国东北地区也有一个强大的冷涡存在。在这种形势下,脊前槽后的西北气流为梅雨期间降水提供了冷空气条件。而在我国南部有副热带高压西伸至我国台湾地区(见图 4),此时东亚西南季风已经爆发,西南季风将为浙江地区提供大量的水汽条件38。从 700850 hPa 平均温度场和 850 hPa 平均湿度场和平均风场上可见,我国南方正盛行西南暖湿气流,而北方是干冷的偏北风。浙江北部低层有着很强的湿度梯度存在,这与前人的结论一致2,39。总体来看,我国南方稳定的西南暖湿气流与北方南下的冷空气交汇于浙江一带,形成范围大持续时间长的梅汛期降水。3 梅雨期降水日变化形成原因3.1 梅雨期低空急流日变化特征 DING1指出,梅雨期降水与 LLJ 的相关性较高,还 有 研 究 表 明 夜 间 暴 雨 比 白 天 暴 雨 更 依 赖 于04汪冬冬,等/浙江省梅雨期降水日变化及 ECMWF 预报能力评估水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期 黑色等值线表示 500hPa 位势高度(gpm),其中 5 880 gpm 用黑色加粗等值线表示;填色表示相对湿度(%);紫红色虚线表示温度(K)图 4 20082019 年浙江省梅雨期间 500 hPa 平均高度场(Z500),700850 hPa平均温度场(T700850),850 hPa 平均相对湿度场(RH850)和平均风场(UV850)(08:00,北京时间)Fig.4 Mean of 500 hPa geopotential height(gpm,black contours),850 hPa relative humidity(%,shading)and 700850 hPa temperature(K,magenta dashed line)at 08:00 CST during the Meiyu period in ZJP from 2008 to 2019.The black thick contour means 5 880 gpmLLJ15-40。在东亚梅雨季节,LLJ 是梅雨期强降水最重要的因子2-3。因此,本节主要分析浙江梅雨期DCR 特征与 LLJ 的关系。定义850 hPa 大于或等于12 ms-1的风速为 LLJ 8-17。利用 ERA-Interim 再分析资料,合 成 分 析 浙 江 梅 雨 期 850 hPa 上 02:00、08:00、14:00、20:00 的平均风场,如图 5(a)(d)所示。图 5 中可以看出,在夜间至清晨 02:00 和08:00 浙江地区有 LLJ 形成,而在下午至傍晚 14:00和 20:00 LLJ 减弱或消失,表明 LLJ 易在夜间加强,在午后减弱,呈现出明显的日变化特征,与前人研究结论类似8-13。一般认为实际风是地转风和非地转风的综合表现。地转风是气压梯度力和科氏力的平衡,非地转风是实际风和地转风的差异,表示气压梯度力和科氏力的非平衡部分,非地转风可以表示为实际风和地转风的差值。地转风和非地转风的计算公式如下Ug=-1fy(1)Vg=1fx(2)Vag=V-Vg(3)式中,Ug和 Vg分别为 x 和 y 方向的地转风;f=2sin 表示科氏参数,为角速度,=7.29210-5 rads-1,为位势;V 和 Vg分别为实际风和地转风。浙江梅雨期对应各时次的地转风如图 5(e)(h)所示,可以看出地转风日变化特征不明显,基本是西南风,并且在内陆地区也尚未形成 LLJ。图 5(i)(l)表示对应各时次的非地转风。可见在浙江 30N以南地区,非地转风方向在 20:00表现偏东风见图 5(l),在 02:00表现东南到南风见图 5(i),在08:00 表现偏南风见图 5(j),在14:00 表 现 南 到 东 南 风 见 图 5(k)。可见非地转风在夜间由偏东转向偏南,呈现出顺时针旋转,而到了白天逐渐向逆时针偏转,由偏南风转向东南,这与前人的非地转风 的 惯 性 震 荡 理 论 是 基 本 一致14,40。图 5(a)(d)中还可见,02:00 和 08:00 风速强于 14:00 和20:00。主要的原因可能是白天气温升高,边界层较高,湍流混合程度高,摩擦力加强,非地转风风速减弱。日落之后,边界层降低,湍流混合程度弱,摩擦力减弱,非地转风风速加强13-14。所以,浙江地区梅雨期间,夜间更容易受到非地转风的影响。在 30N 以南区域 LLJ 在夜间加强,白天逐渐减弱。LLJ 的加强有利于为浙江地区带来水汽条件和不稳定能量条件,利于夜间降水的发生。同时在 30N 以北附近地区,夜间形成偏北方向的非地转风,这造成30N 以北附近地区的实际风速减弱,在夜间形成风速辐合场,也利于夜间降水的发生见图 5(i)和(j)。3.2 梅雨期水汽条件日变化特征 浙江梅雨期间副高已西伸至我国台湾地区,此时副高西侧的西南气流盛行,低层水汽条件十分充沛,其与冷空气交汇后容易出现明显降水(见图4)。图 6 为 1 000 700 hPa 的垂直水汽通量积分,可看出垂直水汽通量积分也有明显的日变化特征,其中夜间至早晨明显强于午后至傍晚,与 LLJ 的日变化特征基本一致。夜间至早晨,由于 LLJ 的加强,低纬地区的大量暖湿气流被输送到浙江地区,造成了该地区水汽增多,并且早晨的水汽通量积分多于夜间8,其中浙西地区早晨的水汽通量积分甚至超过了 180 kgm-1 s-1。与此相对应,早晨的雨14汪冬冬,等/浙江省梅雨期降水日变化及 ECMWF 预报能力评估水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期 图 5 20082019 年梅雨期合成的水平风、地转风和非地转风在 850 hPa 上的日变化(短风杆和长风杆分表表示2 m/s 和 4 m/s,红色风羽表示风速大于或等于 12 m/s)Fig.5 Diurnal variation of composite horizontal,geostrophic and agestrophic winds(short and long barbs denoting 2 and 4 m/s,red barbs for 12 m/s)on 850 hPa during the Meiyu period from 2008 to 2019 强达到峰值,并且浙西地区的雨强也是最强的。午后随着 LLJ 逐渐减弱,水汽输送通量也逐渐减弱。午后至傍晚的最大雨强一般在 16:00 前后,20:00 前后雨强一般明显减弱。其原因可能与午后热力条件的加强有关2,41。值得注意的是,虽然浙江沿海地区水汽更多并且沿海海面摩擦力更小(见图 6),LLJ 更强(见图 5),然而梅雨期间沿海地区的降水量却明显低于浙西和浙中地区,这可能与梅雨期低空风辐合有关。与水汽通量积分类似,风场散度也有着类似的日变化特征(见图 7)。夜间至早晨风场辐合加强,浙西和浙东地区在 08:00 散度达到了-310-5 s-1,水汽也聚集在浙江中西部,这也造成了夜间至早晨的降水加强。午后至傍晚风场辐合程度减弱,但由于午后热力条件加强,也出现了降水峰值2,41。图 8 为 850700 hPa 平均垂直风速的日变化特征。由于在夜间至早晨LLJ 的加强,水平风场辐合,尤其是在浙江中西部地区。因此,浙江地区也出现了垂直向上的风速,并且在夜间逐渐加强,到了早晨达到最大,浙江中西部地区超过 0.4 Pas-1,这也与浙江中西部地区早晨强降水相对应。而到了午后,向上垂直风速逐渐减弱,到了傍晚降至最低,部分地区甚至出现了向下的垂直风速。午后 LLJ 的减弱造成了风场辐合减弱,进而也减弱了垂直风速,但是午后经常出现降水峰值。因此,热力条件可能是午后强降水发生的主导因素。4 ECMWF 模式评估 如前所述,浙江梅雨期不同区域 DCR 并不相同,但总体上有两个主要降水时段,分别为夜间至早晨(03:0011:00)和午后至傍晚(13:0020:00)。选用 20152018 年 ECMWF 数值模式对浙江省梅雨期降水的预报能力进行评估。由于 ECMWF 降水预报产品的分辨率为 3 h 累计降水,因此评估时段选为02:0011:00 和 14:0020:00。统计分析时剔除梅雨期间热带低压和台风的影响,各有样本 132 个。24汪冬冬,等/浙江省梅雨期降水日变化及 ECMWF 预报能力评估水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期 图 6 20082019 年梅雨期 1 000700 hPa 合成的垂直水汽通量积分Fig.6 Diurnal variation of composite water vapor flux(kg m-1 s-1)integrate in the lower tropospher(1 000700 hPa)during the Meiyu period from 2008 to 2019图 9 和图 10 分别为梅雨期间夜间至早晨(02:0011:00)和午后至傍晚(14:0020:00)时段各区域面雨量的实况和预报。由于雨量大小不同,图 9 和图 10 的纵坐标采用了不同的刻度值。ECMWF 基本可以预报出各区域的降水趋势。夜间至早晨期间,各区域中预报效果最好的是浙南地区见图 9(e),然而对于各区域的强降水,ECMWF 基本会低估,对于弱降水,ECMWF 有时会高估(见图 9)。例如,在样本 90100 附近,除浙南外,其它地区实况是中到大雨,但预报却是小雨量级见图 9(a)(d)。在样本 78 附近,除浙南外,其它地区实况是小雨,ECMWF 却报出了中到大雨甚至暴雨见图 9(a)(d)。随着预报时效的推移,预报效果也越来越差(见图 9),这些结论与前人研究类似36-37。对于午后至傍晚,各区域实况面雨量明显较夜间至早晨小(见图 9)。这可能是午后至傍晚分散性对流降水较多,并且持续时间较夜间至早晨更短,造成午后至傍晚的面雨量较少。图10 可见,相对于夜间至早晨,ECMWF 对午后至傍晚预报的面雨量降水似乎与实况更接近。为了更加细致的评估 ECMWF 在梅雨期间对浙江地区的预报能力,分别对 12 h、24 h、36 h、48 h 的降水预报产品进行统计分析,得出了 R、MB 和RMSE 评估指标。分析 R 可见,夜间至早晨期间,ECMWF 预报有较大的地区差异,浙北地区 R 较低,12 h 和