浙江省梅雨期降水日变化及ECMWF预报能力评估.pdf
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1、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 capaci
2、ty 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(2022S18
3、1);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
4、 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
5、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
6、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 predict
7、ion 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,Nin
8、gbo 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,Metho
9、ds 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 precipitati
10、on 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 re
11、gions 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 Z
12、hejiang 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 clos
13、ely 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 enh
14、ances 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 basica
15、lly 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 fr
16、om 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;diu
17、rnal 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
18、 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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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 2008201
24、9 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
25、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
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