JMH地面氣象實(shí)時(shí)分析圖,地面氣象觀測(cè)站圖片

《水利水電技術(shù)（中英文）》官網(wǎng)網(wǎng)址https://sjwj.cbpt.cnki.net

摘 要：

【目的】為了解浙江省梅雨期的降水日變化特征以及氣象業(yè)務(wù)模式對(duì)降水的預(yù)報(bào)能力。【方法】利用2008—2019年期間浙江地面雨量站小時(shí)數(shù)據(jù)和ERA-Interim再分析資料進(jìn)行分析，同時(shí)評(píng)估ECMWF在浙江地區(qū)梅雨期的預(yù)報(bào)水平。【結(jié)果】結(jié)果表明：(1)梅雨期間浙江平均日降水量自西向東遞減，浙西地區(qū)從05:00—18:00一直維持強(qiáng)降水的特征，平均最大日降水量超過20 mm。(2)浙中、浙北、浙東降水呈雙峰型特征，主要降水時(shí)段在03:00—11:00和13:00—20:00。浙東北和浙南降水呈單峰型特征，浙東北降水峰值主要在03:00—10:00,但浙南降水峰值主要在14:00—21:00。除浙南外，梅雨期間浙江大部地區(qū)夜間至早晨強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間比午后至傍晚更長(zhǎng)。(3)夜間至早晨強(qiáng)降水與低空急流(LLJ)在夜間逐漸加強(qiáng)密切相關(guān)。因?yàn)橐归g至早晨期間，非地轉(zhuǎn)風(fēng)逐漸加強(qiáng)，使得LLJ增強(qiáng)，而增強(qiáng)的LLJ為浙江地區(qū)帶來大量暖濕氣流，提供不穩(wěn)定能量，增強(qiáng)輻合上升運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而造成早晨降水峰值。午后熱力條件可能是午后至傍晚強(qiáng)降水的主要原因。(4)ECMWF基本可以預(yù)報(bào)出浙江梅雨期間的降水趨勢(shì)，但夜間至早晨(02:00—11:00)的降水趨勢(shì)預(yù)報(bào)優(yōu)于午后至傍晚(14:00—20:00)。【結(jié)論】總體上，ECMWF在夜間至早晨期間更傾向低估強(qiáng)降水，高估弱降水。模式對(duì)夜間至早晨的降水預(yù)報(bào)相對(duì)不夠穩(wěn)定，均方根誤差大于午后至傍晚。隨著預(yù)報(bào)時(shí)間的延長(zhǎng)，模式預(yù)報(bào)能力降低。

關(guān)鍵詞：

梅雨;降水日變化;浙江;低空急流;ECMWF;評(píng)估;降雨;氣候變化;

作者簡(jiǎn)介：

汪冬冬(1993—),男，工程師，碩士，從事降水日變化及短臨天氣預(yù)報(bào)研究。

*涂小萍(1968—),女，正高級(jí)工程師，碩士，從事中小尺度天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研究。

基金：

寧波市公益性計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2022S181);

寧波市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(202003N4192,202003N4193);

浙江省氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)項(xiàng)目(2021YBY05);浙江省“海洋與港航氣象”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助;

引用：

汪冬冬, 方艷瑩, 申華羽, 等. 浙江省梅雨期降水日變化及 ECMWF 預(yù)報(bào)能力評(píng)估[ J]. 水利水電技術(shù)(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.

降水日變化(Diurnal cycle of rainfall, DCR)是重要的區(qū)域氣候特征，它反映了1 d中特定時(shí)段發(fā)生降雨的規(guī)律性。DCR對(duì)區(qū)域水循環(huán)、能量循環(huán)、生態(tài)環(huán)境以及人類活動(dòng)都有顯著影響，也對(duì)氣候系統(tǒng)有重要的反饋?zhàn)饔谩Ｃ酚晔侵该磕?—7月在長(zhǎng)江中下游沿著長(zhǎng)江流域的東西向靜止鋒強(qiáng)雨帶，期間常會(huì)出現(xiàn)連陰雨天氣，雨量充沛。浙江省位于我國(guó)長(zhǎng)江中下游沿海地區(qū)(見圖1),每年6—7月進(jìn)入梅雨期，經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)性降雨。浙江梅雨期降水約占據(jù)整個(gè)夏季降水量的一半。

圖1 浙江省地形和雨量站位置

近年來一些研究表明，梅雨降水會(huì)呈現(xiàn)出獨(dú)特的日變化特征，即早晨峰值和午后峰值。許多學(xué)者研究了梅雨DCR的成因，CHEN等指出區(qū)域的氣候環(huán)境特征并不能充分解釋夜間的持續(xù)性降水，而這更可能與大尺度系統(tǒng)性天氣有關(guān)。季風(fēng)系統(tǒng)中特別是西南低空急流(low-level jet, LLJ)是造成長(zhǎng)江中下游地區(qū)持續(xù)性降水的重要因素。因?yàn)長(zhǎng)LJ不僅能輸送大量的暖濕氣流，為長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水提供充足的水汽條件，而且LLJ具有很強(qiáng)的風(fēng)切變，會(huì)形成風(fēng)剪切不穩(wěn)定。梅雨期間，一些LLJ常呈現(xiàn)出明顯的日變化特征，它們經(jīng)常在夜間風(fēng)速達(dá)到最大，造成夜間強(qiáng)降水的發(fā)生。LLJ的日變化特征可能是由于非地轉(zhuǎn)風(fēng)在夜間加強(qiáng)，并在BLACKADAR慣性震蕩理論下順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。傾斜地形下熱力差異的發(fā)生造成了氣壓梯度力的變化也是LLJ出現(xiàn)日變化的重要原因。因此在地形較為復(fù)雜的東亞地區(qū)，LLJ的日變化將會(huì)呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域特征。XUE等指出在梅雨期間西南季風(fēng)盛行時(shí)，LLJ在夜間加強(qiáng)，其所增加的水汽通量將為早晨峰值降水提供先決條件。梅雨期間午后經(jīng)常呈現(xiàn)出短時(shí)強(qiáng)降水，主要由太陽(yáng)輻射加熱導(dǎo)致局地?zé)崃Σ环€(wěn)定而形成的。對(duì)于DCR的研究，從數(shù)據(jù)資料研究上主要分為兩類，一類是利用高時(shí)空分辨率的衛(wèi)星資料分析，例如TRMM資料、CMORPH資料和GPM資料等；另一類是地面氣象觀測(cè)站的降雨資料分析。衛(wèi)星資料可以覆蓋觀測(cè)站觀測(cè)不到的地區(qū)，但它相對(duì)于地面觀測(cè)站，經(jīng)常會(huì)低估一些強(qiáng)降水過程， 并且空間分辨率相對(duì)較低。

數(shù)值預(yù)報(bào)模式已成為業(yè)務(wù)人員制作天氣預(yù)報(bào)的主要依據(jù)。為了讓數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品能夠在業(yè)務(wù)應(yīng)用中達(dá)到最優(yōu)的預(yù)報(bào)性能，許多研究者對(duì)多種模式在不同地區(qū)的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行了檢驗(yàn)評(píng)估。研究表明，數(shù)值預(yù)報(bào)能力隨著降水等級(jí)的增加而減弱，到暴雨級(jí)別，模式預(yù)報(bào)能力降至最低。例如，劉靜等分別評(píng)估了ECMWF、JMA、安徽省氣象臺(tái)業(yè)務(wù)模式MM5和WRF在2011—2012年汛期的預(yù)報(bào)能力，結(jié)果表明ECMWF預(yù)報(bào)效果最好，但4個(gè)模式的預(yù)報(bào)能力都隨著降水等級(jí)的增加而下降。徐同等評(píng)估WMS-WARMS V2.0模式在我國(guó)西南地區(qū)降水預(yù)報(bào)性能，結(jié)果表明秋冬季節(jié)，該模式對(duì)大雨以上量級(jí)預(yù)報(bào)相對(duì)偏低。另外，一些研究表明，模式的預(yù)報(bào)效果一般隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)而降低;模式對(duì)不同強(qiáng)度的降水過程預(yù)報(bào)也有明顯差異，它們?nèi)菀椎凸缽?qiáng)降水過程。

不同地區(qū)DCR是不同的，然而目前關(guān)于浙江梅雨期的DCR特征研究較少，本文將重點(diǎn)分析浙江地區(qū)梅雨期的DCR特征，分析其物理機(jī)制，便于更好地預(yù)報(bào)浙江梅雨期降水。由于ECMWF預(yù)報(bào)產(chǎn)品在當(dāng)前業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中使用廣泛,因此選取2015—2018年ECMWF降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)浙江地區(qū)梅雨期DCR進(jìn)行客觀評(píng)估，重點(diǎn)評(píng)估ECMWF對(duì)夜間至早晨降水和午后至傍晚降水預(yù)報(bào)的差異，以期了解當(dāng)前業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)于梅雨降水的預(yù)報(bào)能力及關(guān)鍵偏差，為提升數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的應(yīng)用能力和數(shù)值模式的改進(jìn)提供有益參考。

1.1 研究數(shù)據(jù)

本次研究利用2008—2019年梅雨期間浙江地區(qū)地面自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料(見圖1)分析浙江省梅雨期DCR特征，數(shù)據(jù)來源于浙江省氣象信息中心。研究時(shí)段為浙江各年的入梅日至出梅日的前一天(見表1)。同時(shí)，使用2008—2019年歐洲中心再分析資料(ERA-Interim),分析浙江省梅雨期間DCR的物理機(jī)制。該資料的時(shí)空分辨率分別為6 h和0.25°×0.25°,垂直方向共有17層，750～1 000 hPa, 間隔25 hPa; 500～750 hPa, 間隔50 hPa; 還有200 hPa。

為了解當(dāng)前業(yè)務(wù)模式對(duì)浙江梅雨的預(yù)報(bào)水平，本次研究選取2015—2018年ECMWF在浙江地區(qū)梅雨期的降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估。ECMWF在一天預(yù)報(bào)兩次，分別在08:00(北京時(shí)間，下同)起報(bào)和20:00起報(bào)。該產(chǎn)品空間分辨率為0.125°×0.125°,時(shí)間分辨率為3 h累積降水，預(yù)報(bào)時(shí)效72 h, 產(chǎn)品數(shù)據(jù)來源于浙江省氣象信息中心。

1.2 研究方法

對(duì)自動(dòng)站資料進(jìn)行質(zhì)量控制，超過0～150 mm/h區(qū)間認(rèn)為是無效數(shù)據(jù)，將其剔除。2008—2019年浙江省雨量站每年都有新增，期間共有1 100～2 900個(gè)站點(diǎn)參與分析。梅雨期間如果有熱帶低壓或臺(tái)風(fēng)影響，則影響期間不參與分析。通過上述處理后，為便于統(tǒng)計(jì)分析降水空間分布和日變化特征，利用NCL(V6.6.2)中Cressman插值方法對(duì)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到5 km×5 km的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。Cressman插值方法會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，本次研究暫不考慮這種誤差。圖2(a)表示2008—2019年浙江省梅雨期間日平均雨量。根據(jù)日平均雨量的空間分布特征，并結(jié)合浙江省地理空間特點(diǎn)，將浙江省分成6個(gè)區(qū)域(見圖2),即浙西、浙中、浙北、浙東、浙南、浙東北，分別統(tǒng)計(jì)這6個(gè)區(qū)域的DCR特征。本文中所劃分的6個(gè)區(qū)域可能與日常業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中所提的有所差異，這里不做深入討論。基于ERA-Interim再分析資料，利用合成分析方法,從梅雨期形勢(shì)場(chǎng)特征、LLJ和水汽日變化等方面初步分析浙江地區(qū)梅雨期的DCR成因。

圖2 浙江省2008—2019年梅雨期間平均每日降水量與平均經(jīng)向-時(shí)間的雨強(qiáng)變化

以地面雨量站小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)為基準(zhǔn)，利用客觀評(píng)估方法對(duì)ECMWF降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行綜合評(píng)估：平均偏差(Mean Bias, MB)、相關(guān)系數(shù)(Correlation Coefficient, CC)、均方根誤差(Root-Mean-Squared Error, RMSE)。為便于客觀評(píng)估，再次利用Cressman插值方法將地面雨量站數(shù)據(jù)插值成0.125°×0.125°的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，經(jīng)緯度信息與ECMWF降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品匹配。將雨量站的小時(shí)數(shù)據(jù)按3 h累加，使雨量站數(shù)據(jù)時(shí)間與ECMWF的降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)，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累積降水?dāng)?shù)據(jù)。本次研究中，只對(duì)浙江各個(gè)區(qū)域的面雨量(即各區(qū)域格點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值)做統(tǒng)計(jì)分析。較多研究已經(jīng)表明，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效延長(zhǎng)，模式預(yù)報(bào)效果逐漸變差,因此，本次研究評(píng)估時(shí)效為48 h, 主要評(píng)估梅雨期ECMWF對(duì)浙江DCR的預(yù)報(bào)水平。

2.1 浙江梅雨期概況

表1給出2008—2019年期間浙江省入梅日、出梅日和梅雨期。可見2015年梅雨持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到35 d, 2012年最短僅12 d。近12年來平均入梅日6月12日，出梅日7月6日，平均梅雨期24 d。如圖2(a)所示，日平均梅雨量自西向東逐漸減少。較強(qiáng)雨帶位于在浙西和浙中地區(qū)，其中最大位于浙西的衢州和杭州的淳安一帶，如圖2(a)虛線框區(qū)域所示，日平均雨量約22 mm, 其次是浙中地區(qū)，日平均雨量13～15 mm。浙北日平均雨量接近13～14 mm, 略高于浙東地區(qū)10～13 mm。浙南和浙東北在梅雨期間降水量最低，分別約10 mm和9 mm。浙江沿海地區(qū)的日平均梅雨量比內(nèi)陸偏低。分析圖2(a)還可以發(fā)現(xiàn)，浙江地區(qū)梅雨期間平均日降水量也呈現(xiàn)中間高，南北低的特征。從圖2(b)可以看出，在119°E以西，04:00—18:00持續(xù)0.7 mm/h以上的雨強(qiáng)，即后半夜至傍晚梅雨強(qiáng)度較大，并自西向東逐漸減小，且逐漸表現(xiàn)出雙峰型特征。峰值出現(xiàn)的時(shí)間有滯后趨勢(shì)，在119°E附近分別在07:00和15:00前后出現(xiàn)雙峰值[見圖2(b)],而在120°E附近，雨強(qiáng)峰值則分別出現(xiàn)在08:00和16:00前后，表現(xiàn)出小時(shí)雨強(qiáng)自西向東移動(dòng)的特征。分析還發(fā)現(xiàn)，后半夜至上午的降水持續(xù)時(shí)間比午后至傍晚的長(zhǎng)，前者最長(zhǎng)持續(xù)約9 h(02:00—11:00),后者持續(xù)最長(zhǎng)約6 h(14:00—20:00),但午后至傍晚的雨強(qiáng)強(qiáng)于夜間至早晨[見圖2(b)]。另外，121.8°E以東的浙江沿海和海島地區(qū)，梅雨日變化表現(xiàn)出單峰型特征，雨強(qiáng)峰值主要發(fā)生在05:00—09:00[見圖2(b)],可能與海陸下墊面差異、海陸風(fēng)等影響有關(guān)，尚待進(jìn)一步的研究。

圖3給出了浙江省6塊區(qū)域的梅雨期平均DCR。分析圖3可見，浙江梅雨期DCR可分為4類：浙西；浙中、浙東、浙北；浙東北；浙南。梅雨期間浙西地區(qū)從后半夜起，即01:00,雨強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，直到07:00達(dá)到峰值約0.88 mm/h, 之后稍有減弱，而在12:00左右又略有增強(qiáng)，14:00左右達(dá)到第二峰值約0.82 mm/h, 14:00過后，雨強(qiáng)持續(xù)減弱，直到上半夜雨強(qiáng)減至最低。浙西地區(qū)從05:00—18:00(清晨至傍晚)雨強(qiáng)雖有起伏，但總體維持強(qiáng)降雨的特征。與浙西梅雨期早晨到傍晚持續(xù)強(qiáng)降水不同，浙中和浙東梅雨日變化特征表現(xiàn)更為顯著。圖3中可見，03:00起浙中和浙東雨強(qiáng)逐漸加強(qiáng)，在08:00附近達(dá)到峰值0.74 mm/h和0.59 mm/h, 之后逐漸減弱，但13:00左右又逐漸增強(qiáng)，分別在16:00達(dá)到峰值0.65 mm/h, 17:00達(dá)到峰值0.64 mm/h, 之后雨強(qiáng)持續(xù)減小。可見浙中和浙東梅雨雨強(qiáng)呈雙峰型特征，峰值大約出現(xiàn)在08:00和16:00—17:00。浙北也呈現(xiàn)出類似于浙中和浙東的雙峰型特征，但在05:00—16:00雨強(qiáng)變化程度略小于浙中和浙東，該時(shí)段浙北雨強(qiáng)維持在0.6 mm/h左右。從雨強(qiáng)持續(xù)時(shí)間上看，浙中、浙東、浙北后半夜至上午03:00—11:00的雨強(qiáng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于午后到傍晚13:00—20:00的時(shí)間。

圖3 浙江省2008—2019年梅雨期間各區(qū)域 平均DCR(北京時(shí)間)

浙江省海島數(shù)量在全國(guó)第一,因此將浙東北的DCR特征單獨(dú)討論，由圖3可見：浙東北地區(qū)呈現(xiàn)單峰型的特征，其雨量主要集中在后半夜至上午03:00—10:00,并在06:00附近達(dá)到峰值約0.58 mm/h。浙東北強(qiáng)降雨持續(xù)時(shí)間比浙中、浙東、浙北更短。另外，浙東北地區(qū)在19:00—21:00也出現(xiàn)了短暫降水增強(qiáng)的特征，但是由于雨強(qiáng)總體較小，不考慮該時(shí)段屬于降雨峰值(見圖3)。浙南地區(qū)雨強(qiáng)呈現(xiàn)單峰型特征，強(qiáng)降雨主要集中在午后至晚上，即14:00—21:00,峰值在17:00附近約0.7 mm/h(見圖3)。浙南地區(qū)夜間至上午的雨強(qiáng)雖然也有增強(qiáng)的趨勢(shì)，但09:00的峰值僅0.39 mm/h, 明顯弱于午后至晚上，說明浙南地區(qū)熱力作用導(dǎo)致對(duì)流性降水對(duì)梅雨量的影響較其他地區(qū)明顯。從小時(shí)雨強(qiáng)大小上來看，后半夜至上午，浙西>浙中>浙北>浙東>浙東北>浙南，而午后至傍晚，浙西>浙中>浙南>浙東>浙北>浙東北。

2.2 浙江梅雨期天氣形勢(shì)

利用2008—2019年浙江省梅雨期間08:00的ERA-interim再分析資料500 hPa平均高度場(chǎng)，700～850 hPa的平均溫度場(chǎng)、850 hPa平均相對(duì)濕度場(chǎng)和平均風(fēng)場(chǎng)來表示梅雨期間的形勢(shì)特征(見圖4)。圖4中可以看出梅雨期間，在貝加爾湖和蒙古地區(qū)有一個(gè)長(zhǎng)波脊發(fā)展并長(zhǎng)久維持，這起到了阻塞作用。在高壓脊的東部，即我國(guó)東北地區(qū)也有一個(gè)強(qiáng)大的冷渦存在。在這種形勢(shì)下，脊前槽后的西北氣流為梅雨期間降水提供了冷空氣條件。而在我國(guó)南部有副熱帶高壓西伸至我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)(見圖4),此時(shí)東亞西南季風(fēng)已經(jīng)爆發(fā)，西南季風(fēng)將為浙江地區(qū)提供大量的水汽條件。從700～850 hPa平均溫度場(chǎng)和850 hPa平均濕度場(chǎng)和平均風(fēng)場(chǎng)上可見，我國(guó)南方正盛行西南暖濕氣流，而北方是干冷的偏北風(fēng)。浙江北部低層有著很強(qiáng)的濕度梯度存在，這與前人的結(jié)論一致。總體來看，我國(guó)南方穩(wěn)定的西南暖濕氣流與北方南下的冷空氣交匯于浙江一帶，形成范圍大持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的梅汛期降水。

圖4 2008—2019年浙江省梅雨期間500 hPa平均高度場(chǎng)(Z500),700～850 hPa 平均溫度場(chǎng)(T700～850),850 hPa平均相對(duì)濕度場(chǎng)(RH850)和平均風(fēng)場(chǎng)(UV850) (08:00,北京時(shí)間)

黑色等值線表示500hPa位勢(shì)高度(gpm),其中5 880 gpm用黑色加粗等值線表示； 填色表示相對(duì)濕度(%);紫紅色虛線表示溫度(K)

3.1 梅雨期低空急流日變化特征

DING指出，梅雨期降水與LLJ的相關(guān)性較高，還有研究表明夜間暴雨比白天暴雨更依賴于LLJ。在東亞梅雨季節(jié)，LLJ是梅雨期強(qiáng)降水最重要的因子。因此，本節(jié)主要分析浙江梅雨期DCR特征與LLJ的關(guān)系。定義850 hPa大于或等于12 m·s-1的風(fēng)速為L(zhǎng)LJ。利用ERA-Interim再分析資料，合成分析浙江梅雨期850 hPa上02:00、08:00、14:00、20:00的平均風(fēng)場(chǎng)，如圖5(a)—(d)所示。圖5中可以看出，在夜間至清晨02:00和08:00浙江地區(qū)有LLJ形成，而在下午至傍晚14:00和20:00 LLJ減弱或消失，表明LLJ易在夜間加強(qiáng)，在午后減弱，呈現(xiàn)出明顯的日變化特征，與前人研究結(jié)論類似。

圖5 2008—2019年梅雨期合成的水平風(fēng)、地轉(zhuǎn)風(fēng)和非地轉(zhuǎn)風(fēng)在850 hPa上的日變化(短風(fēng)桿和長(zhǎng)風(fēng)桿分表表示 2 m/s和4 m/s, 紅色風(fēng)羽表示風(fēng)速大于或等于12 m/s)

一般認(rèn)為實(shí)際風(fēng)是地轉(zhuǎn)風(fēng)和非地轉(zhuǎn)風(fēng)的綜合表現(xiàn)。地轉(zhuǎn)風(fēng)是氣壓梯度力和科氏力的平衡，非地轉(zhuǎn)風(fēng)是實(shí)際風(fēng)和地轉(zhuǎn)風(fēng)的差異，表示氣壓梯度力和科氏力的非平衡部分，非地轉(zhuǎn)風(fēng)可以表示為實(shí)際風(fēng)和地轉(zhuǎn)風(fēng)的差值。地轉(zhuǎn)風(fēng)和非地轉(zhuǎn)風(fēng)的計(jì)算公式如下

式中，Ug和Vg分別為x和y方向的地轉(zhuǎn)風(fēng)；f=2Ωsin?表示科氏參數(shù)，Ω為角速度，Ω=7.292×10-5 rad·s-1,φ為位勢(shì)；V和Vg分別為實(shí)際風(fēng)和地轉(zhuǎn)風(fēng)。

浙江梅雨期對(duì)應(yīng)各時(shí)次的地轉(zhuǎn)風(fēng)如圖5(e)—(h)所示，可以看出地轉(zhuǎn)風(fēng)日變化特征不明顯，基本是西南風(fēng)，并且在內(nèi)陸地區(qū)也尚未形成LLJ。圖5(i)—(l)表示對(duì)應(yīng)各時(shí)次的非地轉(zhuǎn)風(fēng)。可見在浙江30°N以南地區(qū)，非地轉(zhuǎn)風(fēng)方向在20:00表現(xiàn)偏東風(fēng)[見圖5(l)],在02:00表現(xiàn)東南到南風(fēng)[見圖5(i)],在08:00表現(xiàn)偏南風(fēng)[見圖5(j)],在14:00表現(xiàn)南到東南風(fēng)[見圖5(k)]。可見非地轉(zhuǎn)風(fēng)在夜間由偏東轉(zhuǎn)向偏南，呈現(xiàn)出順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而到了白天逐漸向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)向東南，這與前人的非地轉(zhuǎn)風(fēng)的慣性震蕩理論是基本一致。圖5(a)—(d)中還可見，02:00和08:00風(fēng)速?gòu)?qiáng)于14:00和20:00。主要的原因可能是白天氣溫升高，邊界層較高，湍流混合程度高，摩擦力加強(qiáng)，非地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速減弱。日落之后，邊界層降低，湍流混合程度弱，摩擦力減弱，非地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速加強(qiáng)。所以，浙江地區(qū)梅雨期間，夜間更容易受到非地轉(zhuǎn)風(fēng)的影響。在30°N以南區(qū)域LLJ在夜間加強(qiáng)，白天逐漸減弱。LLJ的加強(qiáng)有利于為浙江地區(qū)帶來水汽條件和不穩(wěn)定能量條件，利于夜間降水的發(fā)生。同時(shí)在30°N以北附近地區(qū)，夜間形成偏北方向的非地轉(zhuǎn)風(fēng)，這造成30°N以北附近地區(qū)的實(shí)際風(fēng)速減弱，在夜間形成風(fēng)速輻合場(chǎng)，也利于夜間降水的發(fā)生[見圖5(i)和(j)]。

3.2 梅雨期水汽條件日變化特征

浙江梅雨期間副高已西伸至我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，此時(shí)副高西側(cè)的西南氣流盛行，低層水汽條件十分充沛，其與冷空氣交匯后容易出現(xiàn)明顯降水(見圖4)。圖6為1 000～700 hPa的垂直水汽通量積分，可看出垂直水汽通量積分也有明顯的日變化特征，其中夜間至早晨明顯強(qiáng)于午后至傍晚，與LLJ的日變化特征基本一致。夜間至早晨，由于LLJ的加強(qiáng)，低緯地區(qū)的大量暖濕氣流被輸送到浙江地區(qū)，造成了該地區(qū)水汽增多，并且早晨的水汽通量積分多于夜間,其中浙西地區(qū)早晨的水汽通量積分甚至超過了180 kg·m-1· s-1。與此相對(duì)應(yīng)，早晨的雨強(qiáng)達(dá)到峰值，并且浙西地區(qū)的雨強(qiáng)也是最強(qiáng)的。午后隨著LLJ逐漸減弱，水汽輸送通量也逐漸減弱。午后至傍晚的最大雨強(qiáng)一般在16:00前后，20:00前后雨強(qiáng)一般明顯減弱。其原因可能與午后熱力條件的加強(qiáng)有關(guān)。值得注意的是，雖然浙江沿海地區(qū)水汽更多并且沿海海面摩擦力更小(見圖6),LLJ更強(qiáng)(見圖5),然而梅雨期間沿海地區(qū)的降水量卻明顯低于浙西和浙中地區(qū)，這可能與梅雨期低空風(fēng)輻合有關(guān)。

圖6 2008—2019年梅雨期1 000～700 hPa合成的垂直水汽通量積分

與水汽通量積分類似，風(fēng)場(chǎng)散度也有著類似的日變化特征(見圖7)。夜間至早晨風(fēng)場(chǎng)輻合加強(qiáng)，浙西和浙東地區(qū)在08:00散度達(dá)到了-3×10-5 s-1,水汽也聚集在浙江中西部，這也造成了夜間至早晨的降水加強(qiáng)。午后至傍晚風(fēng)場(chǎng)輻合程度減弱，但由于午后熱力條件加強(qiáng)，也出現(xiàn)了降水峰值。圖8為850～700 hPa平均垂直風(fēng)速的日變化特征。由于在夜間至早晨LLJ的加強(qiáng)，水平風(fēng)場(chǎng)輻合，尤其是在浙江中西部地區(qū)。因此，浙江地區(qū)也出現(xiàn)了垂直向上的風(fēng)速，并且在夜間逐漸加強(qiáng)，到了早晨達(dá)到最大，浙江中西部地區(qū)超過0.4 Pa·s-1,這也與浙江中西部地區(qū)早晨強(qiáng)降水相對(duì)應(yīng)。而到了午后，向上垂直風(fēng)速逐漸減弱，到了傍晚降至最低，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)了向下的垂直風(fēng)速。午后LLJ的減弱造成了風(fēng)場(chǎng)輻合減弱，進(jìn)而也減弱了垂直風(fēng)速，但是午后經(jīng)常出現(xiàn)降水峰值。因此，熱力條件可能是午后強(qiáng)降水發(fā)生的主導(dǎo)因素。

圖7 2008—2019年梅雨期850 hPa合成的風(fēng)場(chǎng)散度

圖8 2008—2019年梅雨期850～700 hPa合成的垂直風(fēng)速

如前所述，浙江梅雨期不同區(qū)域DCR并不相同，但總體上有兩個(gè)主要降水時(shí)段，分別為夜間至早晨(03:00—11:00)和午后至傍晚(13:00—20:00)。選用2015—2018年ECMWF數(shù)值模式對(duì)浙江省梅雨期降水的預(yù)報(bào)能力進(jìn)行評(píng)估。由于ECMWF降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品的分辨率為3 h累計(jì)降水，因此評(píng)估時(shí)段選為02:00—11:00和14:00—20:00。統(tǒng)計(jì)分析時(shí)剔除梅雨期間熱帶低壓和臺(tái)風(fēng)的影響，各有樣本132個(gè)。圖9和圖10分別為梅雨期間夜間至早晨(02:00—11:00)和午后至傍晚(14:00—20:00)時(shí)段各區(qū)域面雨量的實(shí)況和預(yù)報(bào)。由于雨量大小不同，圖9和圖10的縱坐標(biāo)采用了不同的刻度值。ECMWF基本可以預(yù)報(bào)出各區(qū)域的降水趨勢(shì)。夜間至早晨期間，各區(qū)域中預(yù)報(bào)效果最好的是浙南地區(qū)[見圖9(e)],然而對(duì)于各區(qū)域的強(qiáng)降水，ECMWF基本會(huì)低估，對(duì)于弱降水，ECMWF有時(shí)會(huì)高估(見圖9)。例如，在樣本90—100附近，除浙南外，其它地區(qū)實(shí)況是中到大雨，但預(yù)報(bào)卻是小雨量級(jí)[見圖9(a)—(d)]。在樣本78附近，除浙南外，其它地區(qū)實(shí)況是小雨，ECMWF卻報(bào)出了中到大雨甚至暴雨[見圖9(a)—(d)]。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的推移，預(yù)報(bào)效果也越來越差(見圖9),這些結(jié)論與前人研究類似。對(duì)于午后至傍晚，各區(qū)域?qū)崨r面雨量明顯較夜間至早晨小(見圖9)。這可能是午后至傍晚分散性對(duì)流降水較多，并且持續(xù)時(shí)間較夜間至早晨更短，造成午后至傍晚的面雨量較少。圖10可見，相對(duì)于夜間至早晨，ECMWF對(duì)午后至傍晚預(yù)報(bào)的面雨量降水似乎與實(shí)況更接近。

圖9 2015—2018年梅雨期觀測(cè)和ECMWF預(yù)報(bào)夜間至早晨02:00—11:00(北京時(shí)間)的面雨量

圖10 同圖9,時(shí)段為午后至傍晚14:00—20:00(北京時(shí)間)

為了更加細(xì)致的評(píng)估ECMWF在梅雨期間對(duì)浙江地區(qū)的預(yù)報(bào)能力，分別對(duì)12 h、24 h、36 h、48 h的降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出了R、MB和RMSE評(píng)估指標(biāo)。分析R可見，夜間至早晨期間，ECMWF預(yù)報(bào)有較大的地區(qū)差異，浙北地區(qū)R較低，12 h和24 h分別是0.48和0.35,此后進(jìn)一步降低。相對(duì)于浙北地區(qū)，其它地區(qū)中ECMWF 24 h內(nèi)均表現(xiàn)出較好的預(yù)報(bào)能力，36 h和48 h預(yù)報(bào)能力稍有下降。其中浙南地區(qū)12 h和24 h預(yù)報(bào)的R分別達(dá)到0.7和0.72,之后略有下降，但48 h內(nèi)R均高于0.63。浙西， 浙中和浙東地區(qū)的R稍低于浙南，但12 h和24 h都在0.6左右，48 h內(nèi)仍高于0.50。午后至傍晚期間，ECMWF對(duì)各地區(qū)預(yù)報(bào)的R基本低于0.51(除預(yù)報(bào)24 h, 浙西地區(qū)R為0.59和浙南地區(qū)R為0.58),明顯低于夜間至早晨。可見在浙江地區(qū)梅雨期間，ECMWF對(duì)夜間至早晨時(shí)段的降水趨勢(shì)預(yù)報(bào)比午后至傍晚更準(zhǔn)確。另外，預(yù)報(bào)24 h的R有時(shí)比預(yù)報(bào)12 h更高(見表2和表3),這種現(xiàn)象在午后至傍晚時(shí)段更加顯著(見表3)。從平均偏差上來看，夜間至早晨期間，ECMWF對(duì)浙西和浙中地區(qū)的預(yù)報(bào)更容易低估(見表2),而浙北、浙東和浙南地區(qū)ECMWF預(yù)報(bào)基本高估(除浙東和浙南的12 h預(yù)報(bào))。這可能是由于夜間至早晨期間浙西和浙中地區(qū)的降水強(qiáng)度較其他地區(qū)更強(qiáng)，而ECMWF傾向低估強(qiáng)降水，高估弱降水。

另一方面，ECMWF對(duì)午后至傍晚時(shí)段預(yù)報(bào)的面雨量降水全部低估(見表3),低估較多的地區(qū)是浙西、浙中和浙南，表明ECMWF可能容易低估由熱力條件主導(dǎo)的降水過程。從預(yù)報(bào)時(shí)效上看，ECMWF對(duì)前24 h的預(yù)報(bào)平均偏差總體上優(yōu)于36 h和48 h。但在24 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，一些地區(qū)會(huì)出現(xiàn)24 h比12 h預(yù)報(bào)平均偏差更優(yōu)的現(xiàn)象，比如夜間至早晨的浙中地區(qū)和午后至傍晚的浙東地區(qū)(見表2)。從RMSE上看，夜間至早晨期間RMSE較大。除浙南預(yù)報(bào)相對(duì)穩(wěn)定(RMSE約等于4 mm)外，其它地區(qū)的均方根誤差都大于8(見表2),說明ECMWF對(duì)夜間至早晨期間預(yù)報(bào)不夠穩(wěn)定。相對(duì)而言，午后至傍晚的RMSE都在5.3 mm左右(見表3),說明對(duì)午后至傍晚期間降水ECMWF預(yù)報(bào)的離散程度更小。這可能是夜間至早晨的中到大雨甚至暴雨的次數(shù)多余午后至傍晚，而ECMWF更容易低估雨量較大的情況，導(dǎo)致夜間至早晨的RMSE更大。從預(yù)報(bào)時(shí)效上看，ECMWF對(duì)前24 h預(yù)報(bào)的RMSE總體上小于36 h和48 h, 表明預(yù)報(bào)時(shí)效越短，ECMWF預(yù)報(bào)越穩(wěn)定。

對(duì)2008—2019年浙江省梅雨期間DCR展開研究。根據(jù)地面雨量站逐小時(shí)降水資料分析DCR特征，并根據(jù)梅雨期平均日降水量和地形特點(diǎn)將浙江省劃分成6個(gè)區(qū)域(浙西、浙中、浙北、浙東、浙南、浙東北),對(duì)浙江省梅雨期DCR深入分析。利用ERA-Interim再分析資料，探討了浙江省梅雨期DCR的成因，重點(diǎn)分析了浙江省梅雨期間形勢(shì)場(chǎng)特征以及LLJ日變化與梅雨DCR的關(guān)系，對(duì)梅雨期DCR的成因有了初步的認(rèn)識(shí)。根據(jù)浙江省梅雨期DCR特征，分別評(píng)估了ECMWF在浙江夜間至早晨(02:00—11:00)和午后至傍晚(14:00—20:00)的預(yù)報(bào)能力。研究結(jié)果總結(jié)如下。

(1)浙江省每年梅雨日平均持續(xù)24 d。梅雨期間，日平均降水量自西向東逐漸遞減，其中浙西地區(qū)最大日降水量超過20 mm, 其次是浙中地區(qū)，日平均降水量13～15 mm, 而浙東北地區(qū)日平均降水量?jī)H有9 mm左右。從經(jīng)向上看，日平均降水量呈現(xiàn)出中間高、南北低的特征。

(2)浙西地區(qū)從夜間01:00開始雨強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，并在05:00—18:00維持強(qiáng)降雨特征。浙中、浙東的DCR雙峰型特征明顯，即夜間至早晨和午后至傍晚的雨量較大。浙北的DCR跟浙中、浙東類似，但浙北的DCR程度比浙中、浙東略小。浙東北呈現(xiàn)單峰型特征，雨量主要集中在03:00—10:00。浙南也呈現(xiàn)出單峰型特征，但雨量主要集中在14:00—21:00,其中17:00達(dá)到峰值。從量級(jí)上來看，夜間至早晨，浙西>浙中>浙北>浙東>浙東北>浙南。午后至傍晚，浙西>浙中>浙南>浙東>浙北>浙東北。

(3)浙江梅雨期間的DCR特征可能與LLJ的日變化密切相關(guān)。夜間湍流混合程度減弱，造成非地轉(zhuǎn)風(fēng)在夜間至早晨順轉(zhuǎn)和加強(qiáng)，這進(jìn)一步促進(jìn)了LLJ增強(qiáng)。增強(qiáng)的LLJ又造成低層低緯地區(qū)大量的暖濕氣流被輸送到浙江地區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致梅雨期間夜間至早晨出現(xiàn)較強(qiáng)降水。另外，午后至傍晚也經(jīng)常出現(xiàn)降水峰值，這可能與午后熱力條件有關(guān)。

(4)總體上，ECMWF基本可以預(yù)報(bào)出梅雨降水趨勢(shì)，對(duì)夜間至早晨(02:00—11:00)降水趨勢(shì)的預(yù)報(bào)比午后至傍晚(14:00—20:00)更好。夜間至早晨期間，除浙北地區(qū)外，ECMWF對(duì)浙江地區(qū)在預(yù)報(bào)24 h內(nèi)的R達(dá)到0.6左右，但對(duì)浙江各區(qū)域容易低估強(qiáng)降水，高估弱降水。午后至傍晚期間，ECMWF對(duì)浙江地區(qū)預(yù)報(bào)的R基本低于0.51,并且對(duì)浙江所有區(qū)域的降水都出現(xiàn)了低估。這可能是ECMWF難以預(yù)報(bào)由熱力條件主導(dǎo)的降水過程。ECMWF對(duì)夜間至早晨的降水預(yù)報(bào)相對(duì)不穩(wěn)定，RMSE大于午后至傍晚。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)，ECMWF的對(duì)浙江地區(qū)梅雨降水預(yù)報(bào)能力逐漸下降。

本文主要利用2008—2019年浙江省地面自動(dòng)站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)分析了浙江地區(qū)近12年梅雨期間的DCR特征。通過ERA-Interim再分析資料，從LLJ日變化的角度初步揭示了浙江梅雨期間DCR的成因。針對(duì)各區(qū)域DCR特征，評(píng)估了ECMWF的預(yù)報(bào)能力。然而本次研究期間仍有許多方面需要繼續(xù)改進(jìn)和深入研究，比如：(1)ERA-Interim資料時(shí)空分辨率還不夠高，無法得到更加細(xì)致的LLJ日變化特征。加入風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)等資料是否可以細(xì)致理解LLJ日變化與梅雨期DCR的關(guān)系。(2)浙江經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口眾多，近年來城市規(guī)模越來越大，城市熱島效應(yīng)是否會(huì)影響DCR也非常值得研究。(3)浙江是丘陵地區(qū)，尤其浙西海拔較高，浙西地區(qū)在梅雨期間的降水量也最大，本次研究未討論復(fù)雜地形對(duì)DCR的影響。(4)本文主要分析了夜間至早晨的降水成因，而對(duì)于午后至傍晚的強(qiáng)降水沒有過多闡述。因此，后續(xù)研究中，利用數(shù)值模擬再現(xiàn)梅雨期DCR和傳播過程，定量分析復(fù)雜地形、熱動(dòng)力過程以及城市化在降水過程中的具體作用，進(jìn)而更詳細(xì)地分析浙江梅雨期DCR的物理過程和動(dòng)力機(jī)制。另外，本次研究所用的評(píng)估方法較為初步，只評(píng)估各個(gè)區(qū)域的面雨量，得到的結(jié)論可能較為粗淺。同時(shí)，本文只評(píng)估了ECMWF在浙江地區(qū)的預(yù)報(bào)能力，其它地區(qū)的預(yù)報(bào)效果如何也待研究。除ECMWF外，國(guó)內(nèi)外也有其它業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式，如NCEP、CMA、JMA等。后續(xù)研究中將改進(jìn)評(píng)估方法，對(duì)比評(píng)估ECMWF和其它模式在天氣預(yù)報(bào)中的表現(xiàn)。

水利水電技術(shù)（中英文）

水利部《水利水電技術(shù)（中英文）》雜志是中國(guó)水利水電行業(yè)的綜合性技術(shù)期刊（月刊），為全國(guó)中文核心期刊，面向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。本刊以介紹我國(guó)水資源的開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約和保護(hù)，以及水利水電工程的勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理和科學(xué)研究等方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)為主，同時(shí)也報(bào)道國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建筑、工程施工、工程基礎(chǔ)、水力學(xué)、機(jī)電技術(shù)、泥沙研究、水環(huán)境與水生態(tài)、運(yùn)行管理、試驗(yàn)研究、工程地質(zhì)、金屬結(jié)構(gòu)、水利經(jīng)濟(jì)、水利規(guī)劃、防汛抗旱、建設(shè)管理、新能源、城市水利、農(nóng)村水利、水土保持、水庫(kù)移民、水利現(xiàn)代化、國(guó)際水利等。