基于“配料”的暴雨預(yù)報(bào)

張小玲 陶詩(shī)言 孫建華

1國(guó)家氣象中心,北京 100081

2中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京 100029

基于“配料”的暴雨預(yù)報(bào)

張小玲1陶詩(shī)言2孫建華2

1國(guó)家氣象中心,北京 100081

2中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京 100029

本文介紹一種使用顯著“配料”進(jìn)行暴雨預(yù)報(bào)的方法。2007年和2003年的暴雨個(gè)例分析表明,我國(guó)主要的幾類(lèi)暴雨發(fā)生過(guò)程中具有一些共同的動(dòng)力、熱力特征,表征深厚濕對(duì)流發(fā)生發(fā)展的物理“配料”具有明顯的演變特征。綜合環(huán)境場(chǎng)動(dòng)力、熱力條件配置和物理“配料”分析了暴雨的“配料法”主觀預(yù)報(bào)思路。并利用數(shù)值模式輸出產(chǎn)品追蹤有利于暴雨發(fā)生的“配料”演變發(fā)展了“配料法”暴雨客觀預(yù)報(bào)方法,應(yīng)用于國(guó)家級(jí)降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中。

配料 暴雨 預(yù)報(bào)

1 引言

傳統(tǒng)的暴雨預(yù)報(bào)中,從天氣型中概括出一些典型天氣型,并根據(jù)這些典型天氣型做預(yù)報(bào)。天氣型預(yù)報(bào)方法有一定的參考價(jià)值,但預(yù)報(bào)員不能過(guò)分依靠它。有時(shí),實(shí)際出現(xiàn)的天氣與典型天氣型相差甚遠(yuǎn),但仍出現(xiàn)暴雨,這樣就會(huì)出現(xiàn)漏報(bào);有時(shí),實(shí)際出現(xiàn)的天氣型與典型天氣型完全一樣,卻不出現(xiàn)暴雨,就會(huì)出現(xiàn)空?qǐng)?bào)。

隨著數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展、觀測(cè)手段的提高,在暴雨的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中,預(yù)報(bào)員不僅能獲得傳統(tǒng)的地面、高空觀測(cè)資料和衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感資料,還能獲取確定性的高時(shí)間和空間分辨率的單模式數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品,這些數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品既包括對(duì)風(fēng)、溫度、濕度、氣壓等的預(yù)報(bào),還包括不同性質(zhì)降水的定量預(yù)報(bào)。目前,數(shù)值預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)結(jié)果已經(jīng)能用于診斷暴雨和強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)所需的各種參數(shù)(如探空曲線等)。在有效的數(shù)值模式預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上,有必要對(duì)我國(guó)目前短期天氣預(yù)報(bào)方法做一些改進(jìn),即改變預(yù)報(bào)思路,從天氣型的預(yù)報(bào)方法改變成以模式釋用為主的預(yù)報(bào)。

2 方法

1996年,Doswell et al.(1996)結(jié)合Chappel(1986)和Johns and Doswell(1992)的工作提出了一種新的用于產(chǎn)生暴洪的暴雨預(yù)報(bào)方法——“配料法”(ingredients-based methodology)。該方法從天氣學(xué)的觀點(diǎn)入手,考慮降水為累積量,它與降水持續(xù)的時(shí)間和降水率有關(guān),而降水率與水汽的垂直輸送成正比。因此,某場(chǎng)降水(P)可表示為

這里,q是比濕,w是上升速度,E是比例系數(shù),表示從云里落到地面的降水量與進(jìn)入暴雨區(qū)上空的水汽總量之比。

從式(1)可知,降水量決定于上升速度、水汽的供應(yīng)量以及降水持續(xù)的時(shí)間,最強(qiáng)降水量出現(xiàn)在水汽垂直輸送最大且降水持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的地方。也就是說(shuō),當(dāng)某地的水汽很充足,或者具有強(qiáng)烈的抬升條件(如地形、潛熱釋放、大尺度強(qiáng)迫等),或者產(chǎn)生暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)持續(xù)發(fā)生發(fā)展,都有可能出現(xiàn)劇烈降水?！芭淞戏ā碧岢龊?很快被應(yīng)用于美國(guó)的冬季降雪和降水的預(yù)報(bào)(Nietfeld and Kennedy,1998;Wetzel and Martin,2000)。

“配料法”強(qiáng)調(diào)在暴雨的預(yù)報(bào)中,抓住暴雨發(fā)生發(fā)展過(guò)程中影響水汽垂直輸送的主要?jiǎng)恿Α崃l件和環(huán)境場(chǎng)配置。本文從有利于暴雨發(fā)生的環(huán)境場(chǎng)條件持續(xù)或反復(fù)在同一地區(qū)出現(xiàn),闡述持續(xù)性強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)。從暴雨發(fā)生的動(dòng)力、熱力條件耦合闡述一次暴雨過(guò)程的判識(shí),從利用數(shù)值模式輸出產(chǎn)品對(duì)暴雨基本“配料”的診斷,闡述基于物理量演變的“配料法”暴雨預(yù)報(bào)技術(shù)。

3 大范圍持續(xù)性致洪暴雨的多尺度系統(tǒng)協(xié)同作用

我國(guó)的大范圍致洪暴雨主要為受臺(tái)風(fēng)影響的暴雨和持續(xù)性的天氣尺度型暴雨(陶詩(shī)言等,2004;駱承政和樂(lè)嘉祥,1996)。持續(xù)性的天氣尺度暴雨以準(zhǔn)靜止鋒型暴雨為主,如發(fā)生在5～6月的華南梅雨鋒上的致洪暴雨和發(fā)生在6～7月的江淮流域梅雨鋒上的致洪暴雨。對(duì)于這類(lèi)暴雨的預(yù)報(bào),由于其環(huán)流背景穩(wěn)定持續(xù),大尺度強(qiáng)迫明顯,數(shù)值模式對(duì)該類(lèi)天氣的定量降水預(yù)報(bào)精度比較高,在業(yè)務(wù)短期預(yù)報(bào)中具有較高的預(yù)報(bào)技巧。但是,這類(lèi)暴雨的持續(xù)性問(wèn)題是困繞中期預(yù)報(bào)的主要問(wèn)題。如何根據(jù)多類(lèi)天氣尺度系統(tǒng)的診斷分析,判別暴雨的持續(xù)性是解決該類(lèi)暴雨預(yù)報(bào)的主要問(wèn)題。

張順利等(2002)、陶詩(shī)言等(2004)、陶詩(shī)言和衛(wèi)捷(2007)在對(duì)我國(guó)江淮流域和華南致洪暴雨的分析中指出,夏季導(dǎo)致流域性洪澇的持續(xù)性暴雨是西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱(chēng)副高)、季風(fēng)涌、冷空氣以及青藏高原東傳的短波槽協(xié)同作用的結(jié)果。2003年梅雨期間淮河流域持續(xù)性的強(qiáng)降水導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)了繼1991年后最強(qiáng)的大洪水,這次持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程同樣反映出多尺度系統(tǒng)的協(xié)同作用。在6月29日至7月11日期間,淮河出現(xiàn)了三次大范圍持續(xù)性的暴雨過(guò)程(圖1)。在持續(xù)性強(qiáng)降水發(fā)生期間,反映西太平洋副熱帶高壓位置的等588 dagpm線位于25°N～30°N和120°E～130°E之間,表明6月下旬至7月上旬淮河流域位于副高西北側(cè)、西風(fēng)帶南緣之間的劇烈天氣發(fā)生的高危險(xiǎn)區(qū)域。季風(fēng)涌向北的位置和影響淮河流域的時(shí)間與淮河的持續(xù)性暴雨過(guò)程有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)副高位置穩(wěn)定、季風(fēng)涌持續(xù)影響淮河流域期間,冷空氣的活動(dòng)決定了暴雨的發(fā)生時(shí)間。雖然,三次持續(xù)性暴雨過(guò)程期間冷空氣的活動(dòng)路徑有所不同,但與三次冷空氣活動(dòng)影響淮河流域的時(shí)間有很好一致性(圖1c)。三次強(qiáng)降水過(guò)程同時(shí)對(duì)應(yīng)有青藏高原上東移的中尺度系統(tǒng)影響梅雨鋒(圖1h)。

2003年淮河流域的持續(xù)性暴雨過(guò)程說(shuō)明,當(dāng)有利于降水的行星尺度的環(huán)流背景建立并穩(wěn)定后,有利于暴雨發(fā)生的天氣尺度和中尺度環(huán)境場(chǎng)條件的反復(fù)重建,是產(chǎn)生持續(xù)性暴雨的重要原因。因此,監(jiān)視和診斷持續(xù)性暴雨的環(huán)境場(chǎng)“配料”條件是進(jìn)行導(dǎo)致流域性洪水的持續(xù)性暴雨預(yù)報(bào)的重要方法。目前,美國(guó)氣候預(yù)報(bào)中心(CPC)發(fā)展的MJO預(yù)報(bào)和歐洲數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)發(fā)展的中期數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)為監(jiān)視行星尺度的天氣系統(tǒng)“配料”條件提供了可能。而我國(guó)的全球和區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品則為監(jiān)視冷空氣和短波槽的活動(dòng)提供了可能。利用不同的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)和數(shù)值預(yù)報(bào)模式,通過(guò)判斷持續(xù)性暴雨的天氣系統(tǒng)“配料”條件可進(jìn)行流域性的持續(xù)暴雨預(yù)報(bào)。

圖1 2003年6月27日～7月11日淮河流域致洪暴雨的多尺度天氣系統(tǒng)配置:500 hPa位勢(shì)高度(單位:dagpm)(a)27.5°N～32.5°N平均的經(jīng)度-時(shí)間剖面和(b)110°E～130°E平均的時(shí)間-緯度剖面;(c)110°E～120°E平均的700 hPa溫度(等值線,間隔為2℃)和水平經(jīng)向風(fēng)(陰影為偏北風(fēng))時(shí)間-緯度剖面;(d、g、h)淮河流域(32°N～34°N,115°E～120°E)逐日降水量(單位:mm);(e)110°E～120°E平均的季風(fēng)涌隨時(shí)間的演變(箭頭表示地面到300 hPa積分的水汽通量,陰影表示850 hPa水平風(fēng)速≥10 m/s的低空急流);(f)沿32°N～34°N的600 hPa相對(duì)渦度的經(jīng)度-時(shí)間剖面Fig.1 Multi-scale synoptic systems over the Huaihe River valley from 27 Jun to 11 Jul in 2003:(a)Longitude-time cross section along 27.5°N-32.5°Nand(b)time-latitude cross section along 110°E-130°E for 500-hPa geopotential height(dagpm);(c)time-latitude cross section along 110°E-120°E for temperature(solid lines with 2℃interval)and meridional wind(northerly winds are shaded)at 700 hPa;(d,g,h)daily precipitation(mm)over the Huaihe River valley(32°N-34°N,115°E-120°E);(e)the evolution of 110°E-120°E averaged monsoon surge(arrows denote vertically integrated moisture flux from surface to 300 hPa;shaded is low level jet with 850 hPa wind speed over 10 m/s);(f)longitude-time cross section along 110°E-120°E for vorticity at 600 hPa

4 暴雨的環(huán)境“配料”識(shí)別

影響我國(guó)的主要暴雨類(lèi)型大致可分為冷鋒型(高空槽前)暴雨、準(zhǔn)靜止鋒型(梅雨鋒)暴雨、低渦(西南渦和東北冷渦)暴雨、臺(tái)風(fēng)暴雨、局地突發(fā)性暴雨。對(duì)于這些不同類(lèi)型暴雨的天氣系統(tǒng)配置概念模型的研究和基于個(gè)例的動(dòng)力熱力場(chǎng)環(huán)境條件分析已有不少。這樣的概念模型在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中由于許多與典型天氣不同的情況也會(huì)產(chǎn)生暴雨,或者即便是典型的天氣型由于缺乏動(dòng)力熱力等物理?xiàng)l件的診斷分析,難以確定暴雨系統(tǒng)發(fā)生的確定位置。從暴雨預(yù)報(bào)的角度出發(fā),暴雨天氣的判別應(yīng)該同時(shí)考慮天氣系統(tǒng)的配置以及動(dòng)力、熱力條件的綜合效應(yīng),特別是數(shù)值預(yù)報(bào)已經(jīng)高度發(fā)達(dá)的今天,為預(yù)報(bào)員診斷分析動(dòng)力和熱力條件提供了非常方便多樣的診斷產(chǎn)品。因此,如何將典型的天氣系統(tǒng)配置與動(dòng)力、熱力環(huán)境場(chǎng)條件配合,建立綜合天氣型識(shí)別與動(dòng)力熱力物理場(chǎng)的暴雨“配料”是本節(jié)的主要內(nèi)容。下面以2007年的暴雨過(guò)程為例,建立各主要類(lèi)型暴雨的環(huán)境“配料”條件。

圖2 2007年(a)6月16日20時(shí)(北京時(shí),下同)500 hPa、(b)7月8日08時(shí)地面、(c)7月17日08時(shí)850 hPa、(d)7月10日08時(shí)500 hPa、(e)7月18日08時(shí)500 hPa、(f)9月19日20時(shí)地面和(g)7月14日08時(shí)地面天氣圖。陰影:24小時(shí)累積降水大于等于50 mm,截止時(shí)間為次日08時(shí)Fig.2 Weather charts(a)at 500 hPa at 2000 LST 16 Jun 2007,(b)at surface at 0800 LST 8 Jul,(c)at 850 hPa at 0800 LST 17 Jul,(d)at 500 hPa at 0800 LST 10 Jul,(e)at 500 hPa at 0800 LST 18 Jul,(f)at surface at 2000 LST 19 Sep,and(g)at surface at 0800 LST 14 Jul.Shadings are 24-h accumulated precipitation over 50 mm ending at the next 0800 LST

4.1 冷鋒型(高空槽)暴雨

2007年6月16日冷空氣從蒙古高原中部南侵,地面冷鋒沿高原東側(cè)下滑,影響河套、秦嶺和四川盆地,在河套西部向南到四川盆地東部造成準(zhǔn)經(jīng)向型的強(qiáng)降水天氣,其中河套西部和四川東北部和重慶中部24小時(shí)降水超過(guò)50 mm(圖2a)。從當(dāng)日的動(dòng)力和熱力環(huán)境條件(圖3a)分析看,暴雨的直接制造者中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)主要活躍在沿假相當(dāng)位溫(θse)舌區(qū)的軸線附近。θse舌區(qū)正好是925～700 hPa平均的正位渦[簡(jiǎn)稱(chēng)PV,單位:PVU(1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1)]高值區(qū)。根據(jù)Brennan et al.(2008)的研究指出,潛熱釋放對(duì)大氣的動(dòng)力反饋能影響氣旋的發(fā)展、低空急流、水汽傳輸。而利用對(duì)流層低層PV診斷可確定數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品中哪些天氣系統(tǒng)或中尺度系統(tǒng)受凝結(jié)潛熱釋放的強(qiáng)烈影響。6月16日對(duì)流層低層準(zhǔn)經(jīng)向型分布的高PV表明這些地區(qū)的槽將加深,空氣柱將變得更加不穩(wěn)定。其它的動(dòng)力條件如200 hPa的高空急流位于高PV區(qū)和500 hPa正渦度區(qū)的北側(cè),850 hPa的低空急流則位于南側(cè)。這些動(dòng)力和熱力條件的分布反映出通過(guò)凝結(jié)潛熱釋放對(duì)大尺度的反饋,在高空急流南側(cè)、低空急流北側(cè)之間的高溫高濕的θse舌區(qū)附近空氣非常不穩(wěn)定,有利于MCS在此發(fā)生發(fā)展并長(zhǎng)時(shí)間維持,產(chǎn)生劇烈的降水。

圖3 2007年典型暴雨個(gè)例的動(dòng)力和熱力環(huán)境場(chǎng)配置圖:(a)6月16日;(b)7月8日;(c)7月17日;(d)7月10日;(e)7月18日;(f)9月19日;(g)7月14日。箭矢線:200 hPa水平風(fēng)速≥30 m/s;風(fēng)標(biāo):850 hPa水平風(fēng)速≥12 m/s;紅色陰影:850 hPaθse(單位:K);灰色陰影:FY-2C TBB≤-50°C,時(shí)間分別為(a)6月16日16時(shí)、(b)7月8日19時(shí)、(c)7月17日11時(shí)、(d)7月10日18時(shí)、(e)7月18日18時(shí)、(f)9月19日18時(shí)和(g)7月14日22時(shí)Fig.3 The composite charts of dynamical and thermodynamical fields for the typical heavy rainfall cases in 2007.Arrows:200 hPa horizontal wind speed over 30 m/s;flags:850-hPa horizontal wind speed over 12 m/s;red shadings:θse(K)at 850 hPa;grey shadings:FY-2C TBB≤-50°C at(a)1600 LST 16 Jun,(b)1900 LST 8 Jul,(c)1100 LST 17 Jul,(d)1800 LST 10 Jul,(e)1800 LST 18 Jul,(f)1800 LST 19 Sep,and(g)2200 LST 14 Jul

4.2 梅雨鋒暴雨

2007年6月底至7月初在淮河流域出現(xiàn)了持續(xù)性的強(qiáng)降水過(guò)程,有利于強(qiáng)降水發(fā)生的動(dòng)力熱力條件在這一地區(qū)反復(fù)重見(jiàn),產(chǎn)生了多次暴雨天氣,其中2007年7月8日是最典型、也是降水最強(qiáng)的一天。8日,梅雨鋒呈東西向維持在淮河流域,在梅雨鋒上及其南側(cè)出現(xiàn)了大范圍的緯向型暴雨(圖2b)。從當(dāng)日的動(dòng)力和熱力環(huán)境條件(圖3b)分析看,在副高西北側(cè)和西風(fēng)帶南緣之間是850 hPaθse高值區(qū)。沿θse舌區(qū)軸線附近MCS活躍。θse高值區(qū)正好是準(zhǔn)緯向型分布的對(duì)流層低層正PV高值區(qū),表明局地中尺度系統(tǒng)活動(dòng)產(chǎn)生的凝結(jié)潛熱釋放將對(duì)大尺度有正的反饋。其它動(dòng)力條件如200 hPa的高空急流位于高PV區(qū)和500 hPa正渦度區(qū)的北側(cè),850 hPa的低空急流則位于南側(cè)。這些動(dòng)力和熱力條件的分布反映出通過(guò)凝結(jié)潛熱釋放對(duì)大尺度的反饋,在高空急流南側(cè)、低空急流北側(cè)之間的高溫高濕的θse舌區(qū)附近,有利于低空急流的加強(qiáng)、中尺度氣旋的發(fā)生發(fā)展以及水汽在這個(gè)地區(qū)的輸送輻合,使得有利于MCS發(fā)生發(fā)展的背景場(chǎng)條件一直維持。

4.3 低渦暴雨

4.3.1 西南渦暴雨

2007年7月17日沿河套南侵的高空槽深入我國(guó)西南地區(qū),四川盆地上空西南渦發(fā)展。受其影響,四川東部和重慶西部地區(qū)出現(xiàn)大范圍的暴雨和大暴雨(圖2c)。從當(dāng)日的動(dòng)力和熱力環(huán)境條件(圖3c)分析看,從河套往南至西南地區(qū)東部均是925～700 hPa平均的正位渦(PV)高值區(qū),其中西南渦所在的四川盆地PV值高達(dá)7 PVU以上,表明由于前期的降水,凝結(jié)潛熱釋放為大氣運(yùn)動(dòng)的正反饋?zhàn)饔脤⒎浅Ｓ欣谖髂蠝u的發(fā)展和維持,這為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了α中尺度的有利環(huán)境背景條件。沿高位渦區(qū)正好是θse的高值區(qū)。在θse舌區(qū)上中尺度對(duì)流系統(tǒng)活躍,其中四川盆地東部上空的對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展為橢圓狀,類(lèi)似長(zhǎng)生命史的中尺度對(duì)流復(fù)合體(MCC)。500 hPa的相對(duì)渦度高值區(qū)分布表明從河套至西南地區(qū)對(duì)流層中層的高空槽相當(dāng)深厚。整個(gè)θse舌區(qū)位于副高的西北側(cè),在副高西北側(cè)低空急流的左前方正是產(chǎn)生川渝大暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展并維持的地區(qū)。850 hPa低空急流核的風(fēng)速達(dá)到20 m/s,這為暴雨系統(tǒng)的發(fā)展和維持提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力條件和水汽輸送條件。

4.3.2 東北冷渦暴雨

東北冷渦是我國(guó)北方災(zāi)害性天氣的一個(gè)重要影響系統(tǒng)。東北冷渦的不同部位都可以產(chǎn)生降水,主要由冷暖空氣交匯的位置決定。降水一般始于低渦的前部,此時(shí)西南風(fēng)與東南風(fēng)形成暖切變。當(dāng)?shù)蜏u在東北地區(qū)活躍時(shí),與華北地區(qū)活躍的高空槽形成北渦南槽,在華北地區(qū)容易造成強(qiáng)降水天氣。此時(shí),副高位置偏北偏西且異常穩(wěn)定,阻擋西風(fēng)帶上東移向其靠近的弱冷槽,使弱冷空氣與副高西北側(cè)的暖濕氣流相遇,出現(xiàn)一種較穩(wěn)定的輻合場(chǎng),產(chǎn)生明顯的準(zhǔn)緯向型分布的暴雨天氣。本節(jié)介紹的兩個(gè)東北冷渦暴雨(2007年7月10日和2007年7月18日)分別屬于上面兩種情況。

2007年7月10日在亞洲東部的中高緯地區(qū)受經(jīng)向型環(huán)流控制。在貝加爾湖西側(cè)為阻塞高壓控制,在阻塞高壓的東側(cè)我國(guó)東北地區(qū)的西北部上空低渦強(qiáng)烈發(fā)展,其底部向南伸展到渤海上空。西北干冷氣流與來(lái)自渤海灣以及更南端的暖濕氣流在低渦的東南象限交匯,在渤海灣、遼寧和吉林產(chǎn)生了大范圍的暴雨天氣(圖2d)。在東北低渦及其以南的槽區(qū)正好是925～700 hPa平均的正位渦高值區(qū),說(shuō)明該種經(jīng)向型環(huán)流將繼續(xù)維持,為暴雨系統(tǒng)的持續(xù)性發(fā)展提供了有利的環(huán)境場(chǎng)條件。其中冷渦區(qū)PV值高達(dá)8 PVU以上,表明由于前期的降水,凝結(jié)潛熱釋放為大氣運(yùn)動(dòng)的正反饋?zhàn)饔脤⒎浅Ｓ欣诘蜏u的發(fā)展和維持。在低渦的前側(cè)即偏東象限低層是高溫高濕的θse舌區(qū),沿其軸線附近多個(gè)MCS發(fā)生、發(fā)展,產(chǎn)生分布不均勻的強(qiáng)降水天氣(圖3d)。

2007年7月18日,副高異常偏北偏西,控制了黃河以南的我國(guó)東部地區(qū)。在副高北側(cè)的西風(fēng)帶系統(tǒng)內(nèi)有弱的短波槽活動(dòng),與位于東北北部上空的東北低渦形成北渦南槽(或稱(chēng)階梯槽)。階梯槽中的南槽為弱的短波槽,沿副高西側(cè)北上的暖濕氣流與沿階梯槽分裂南下的冷空氣交匯,在河北和山東產(chǎn)生了大范圍的暴雨天氣(圖2e),并在山東省濟(jì)南市造成了1小時(shí)累積降水量超過(guò)150 mm的特大暴雨。關(guān)于這次短時(shí)暴雨天氣已有不少研究(楊曉霞等,2008),本文不再討論。

7月18日的動(dòng)力和熱力環(huán)境場(chǎng)條件(圖3e)分析表明,沿副高西側(cè)和北側(cè)是低層的θse舌區(qū),在這個(gè)高溫高濕舌上中尺度對(duì)流系統(tǒng)非常活躍。低空西南急流就在θse舌的南面,風(fēng)速核達(dá)到20 m/s。200 hPa上的高空急流位于40°N以北,也就是說(shuō)華北暴雨區(qū)正好位于高空急流入口的右側(cè),低空急流出口的北側(cè),且高空偏西急流與低空偏南急流形成接近90°的交角,風(fēng)切變很強(qiáng),氣層非常的不穩(wěn)定,這為山東和河北的大暴雨天氣提供了非常有利的動(dòng)力和熱力環(huán)境場(chǎng)條件,也是濟(jì)南能產(chǎn)生突破歷史極值降水的一個(gè)重要背景條件。925～700 hPa平均的正位渦高值區(qū)分布表明,東亞地區(qū)的經(jīng)向型環(huán)流還將維持,且沿東北方向發(fā)展。

4.4 臺(tái)風(fēng)暴雨

2007年9月19日凌晨強(qiáng)臺(tái)風(fēng)WIPHA在浙江省蒼南縣霞關(guān)鎮(zhèn)登陸。WIPHA登陸并北上期間,與中緯度的短波低槽系統(tǒng)遭遇,在河南、安徽、江蘇和山東以及河北南部、遼寧南部產(chǎn)生暴雨和大暴雨(圖2f)。暴雨主要位于臺(tái)風(fēng)北側(cè)偏西象限,該象限正好位于西風(fēng)槽前和副高西北側(cè)的對(duì)流天氣高發(fā)區(qū)。暴雨區(qū)的東南側(cè)是風(fēng)速超過(guò)20 m/s的偏南低空急流,與暴雨區(qū)北側(cè)的偏西高空急流形成近90°的交角(圖3f),這為暴雨系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間維持提供了有利的動(dòng)力場(chǎng)條件。850 hPa的θse舌正好沿低空急流的輸送方向向北伸展。在高空槽前以及臺(tái)風(fēng)影響區(qū)對(duì)流層低層為正位渦高值區(qū)。這也表明凝結(jié)潛熱釋放產(chǎn)生的正反饋機(jī)制將有利于低層輻合系統(tǒng)的維持,有利于強(qiáng)降水維持。

4.5 局地性暴雨

2007年7月14日,在廣西、湖南和江西境內(nèi)出現(xiàn)了局地的暴雨天氣。這些降水分散出現(xiàn)在冷鋒前或鋒上(圖2g)。雖然產(chǎn)生暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)同樣活躍在副高西北側(cè)的高溫高濕區(qū),但并沒(méi)有與前面幾種暴雨類(lèi)似的低層高溫高濕舌出現(xiàn),也沒(méi)有出現(xiàn)高、低空急流耦合的有利動(dòng)力場(chǎng)條件(圖3g),因此MCS生命史非常短暫,且移動(dòng)速度快,利用天氣背景條件的“配料”識(shí)別難以判斷該類(lèi)暴雨的發(fā)生。24小時(shí)以上的短期預(yù)報(bào)對(duì)該類(lèi)暴雨的預(yù)報(bào)能力相當(dāng)有限。利用高時(shí)間和空間分辨率的衛(wèi)星、雷達(dá)資料監(jiān)測(cè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和移動(dòng)路徑可能是目前進(jìn)行該類(lèi)暴雨天氣預(yù)報(bào)的主要手段。

5 暴雨的基本物理“配料”識(shí)別

暴雨的環(huán)境“配料”分析表明,雖然我國(guó)的暴雨可產(chǎn)生在不同的天氣系統(tǒng)背景下,但其發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力和熱力環(huán)境條件是相似的。這有助于主觀預(yù)報(bào)中定性判斷暴雨可能落區(qū)。此外,暴雨過(guò)程中表征深厚濕對(duì)流發(fā)生發(fā)展的基本物理“配料”——水汽、不穩(wěn)定和抬升三類(lèi)物理量參數(shù)的診斷則可更客觀、定量地判斷暴雨的落區(qū)及可能的量級(jí)。大量的個(gè)例分析研究表明,暴雨發(fā)生、發(fā)展期間,表征水汽、不穩(wěn)定和抬升條件的物理參數(shù)具有明顯的演變特征:強(qiáng)降水發(fā)生過(guò)程中水汽具有明顯的演變特征,水汽積累到一定的程度再消耗。強(qiáng)降水發(fā)生前和發(fā)生初期通常處于不穩(wěn)定的環(huán)境中,降水結(jié)束后,環(huán)境趨于穩(wěn)定或弱的不穩(wěn)定狀態(tài),降水發(fā)生過(guò)程中當(dāng)有天氣尺度的抬升或地形抬升促發(fā)對(duì)流有效位能釋放,將產(chǎn)生強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。(張小玲等,2002;孫建華等,2004,2006;梁豐等,2005)。崔曉鵬(2009)利用熱帶云分辨尺度模擬資料的分析也表明,水汽輻合與局地大氣變干利于強(qiáng)降水,這也證實(shí)在強(qiáng)降水過(guò)程中存在水汽的積累和消耗過(guò)程。

在數(shù)值預(yù)報(bào)水平不斷提高的今天,利用數(shù)值模式輸出結(jié)果追蹤有利于暴雨發(fā)生的物理“配料”的演變過(guò)程已經(jīng)成為可能。下面以2003年7月4～5日淮河流域的一次降水過(guò)程為例,介紹如何利用模式輸出產(chǎn)品進(jìn)行有利于暴雨的物理“配料”的演變?cè)\斷,以訂正模式的降水預(yù)報(bào),從而實(shí)現(xiàn)利用模式輸出的強(qiáng)降水定量預(yù)報(bào)。

7月4日上午β中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)在安徽東南部發(fā)生、發(fā)展為低渦,并沿切變線向東緩慢移動(dòng),在安徽東南部和江蘇西部產(chǎn)生了強(qiáng)降水[圖4(見(jiàn)文后彩圖)]。利用PSU/NCAR的中尺度模式MM5模擬了此次強(qiáng)降水過(guò)程。但7月4日08時(shí)～7月5日08時(shí)的24小時(shí)降水較實(shí)況偏北(圖4)。下面以這次過(guò)程為例,闡述“配料法”暴雨識(shí)別和訂正。7月4日08時(shí)的探空分析[圖5(見(jiàn)文后彩圖)]顯示,長(zhǎng)江和淮河之間的大范圍區(qū)域有高的可降水量(PW AT)、K指數(shù)(KI)和假相當(dāng)位溫(θse),這些地區(qū)的最有利抬升指數(shù)(BLI)值在0附近或小于0,114°E以東的安徽西部和江蘇大部具有高的對(duì)流有效位能(CAPE)。這就表明這些地區(qū)的大氣處于潮濕不穩(wěn)定的環(huán)境里,含有較高的能量。對(duì)于未來(lái)24小時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō),需要關(guān)心的問(wèn)題是:未來(lái)的濕區(qū)將如何變化?未來(lái)的不穩(wěn)定區(qū)將出現(xiàn)在哪里?何時(shí)、何地將有對(duì)流有效位能的釋放?

MM5模擬的未來(lái)24小時(shí)可降水量、K指數(shù)、對(duì)流有效位能和850 hPaθse的演變(圖略)顯示,112°E以東位于長(zhǎng)江、淮河之間的高溫高濕和高能量區(qū)逐漸南壓,其中在安徽西部和江蘇東部可降水量、K指數(shù)和θse均有先增加再減少的特征,表明24小時(shí)內(nèi)有水汽和能量的積累和消耗過(guò)程,安徽中東部、江蘇大部分地區(qū)對(duì)流有效位能積累再釋放將在這些地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。綜合考慮水汽、穩(wěn)定度和抬升條件,可進(jìn)一步判斷在安徽東部和江蘇大部出現(xiàn)強(qiáng)降水的幾率最大。

以南京為例,利用模式輸出結(jié)果可追蹤特定預(yù)報(bào)點(diǎn)的物理量演變,進(jìn)而判斷強(qiáng)降水的可能。南京的降水主要發(fā)生在4日20時(shí)之后,5日14時(shí)之前,累積降水195 mm,其中4日08時(shí)開(kāi)始的24小時(shí)累積降水為127 mm,模式模擬的降水遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)況(圖4)。2003年7月4日08時(shí)南京的探空分析表明該地上空的CAPE高達(dá)1059 J/kg,地面抬升指數(shù)為-5,可降水量為47.5 mm,溫度露點(diǎn)曲線表現(xiàn)出明顯中層干侵入特征,表明不穩(wěn)定的氣層釋放高的能量將產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。對(duì)于南京未來(lái)24小時(shí)降水預(yù)報(bào)需要解決的問(wèn)題是:CAPE何時(shí)會(huì)釋放?空氣是否會(huì)變濕?模擬的36小時(shí)可降水量逐時(shí)分布顯示南京附近的可降水量在24小時(shí)累積到與模擬強(qiáng)降水中心相當(dāng)?shù)闹?圖6a);最有利抬升指數(shù)與降水中心具有同樣的變化特征:從非常不穩(wěn)定趨于弱不穩(wěn)定(圖6b);CAPE在4日14時(shí)積累到峰值,并遠(yuǎn)大于模擬降水中心,到21時(shí)已完全釋放(圖6c),根據(jù)

可以推測(cè)(ECAPE為CAPE),南京上空的垂直速度大于模擬的最大降水中心的垂直速度。圖6的分析表明,南京上空氣層有從不穩(wěn)定趨于穩(wěn)定的變化過(guò)程,其上空的水汽條件與最大降水中心附近相當(dāng),上升運(yùn)動(dòng)則比最大降水中心強(qiáng)。根據(jù)公式(1)則可推測(cè)未來(lái)24小時(shí)南京上空出現(xiàn)不弱于最大降水中心的降水量。

6 “配料”法的分析預(yù)報(bào)應(yīng)用

圖6 模擬的2003年7月4日08時(shí)至5日20時(shí)南京附近(32°N,118.8°E)(虛線)和降水中心(32.5°N～33°N,117.5°E～118.5°E)平均(實(shí)線)的逐時(shí)(a)PWAT(單位:mm)、(b)BLI(單位:℃)和(c)CAPE(單位:J/kg)Fig.6 The evolutions of simulated hourly(a)PWAT,(b)BLI,and(c)CAPE around Nanjing(32°N,118.8°E)(dashed lines)and averaged over the maximal rainfall region(32.5°N-33°N,117.5°E-118.5°E)(solid lines)from 0800 LST 4 Jul to 2000 LST 5 Jul 2007

“配料”法的暴雨預(yù)報(bào)主旨反映了一種主觀的預(yù)報(bào)思路,也就是預(yù)報(bào)員在暴雨預(yù)報(bào)中集中關(guān)注有利于暴雨發(fā)生的“配料”的演變,這種“配料”包括與深厚濕對(duì)流有關(guān)的水汽、不穩(wěn)定和抬升條件。對(duì)于非地形的抬升條件判斷主要通過(guò)天氣圖分析獲得,水汽和不穩(wěn)定則可以通過(guò)典型天氣型識(shí)別和數(shù)值模式產(chǎn)品獲取。關(guān)于天氣形勢(shì)的分型研究和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)已經(jīng)比較完善,而對(duì)于暴雨的動(dòng)力、熱力物理?xiàng)l件“配料”診斷分析產(chǎn)品以及利用模式輸出產(chǎn)品的“配料”暴雨落區(qū)客觀預(yù)報(bào)的研究開(kāi)發(fā)還不多見(jiàn)。下面分別介紹暴雨“配料”的綜合圖分析方法和利用中尺度數(shù)值模式輸出產(chǎn)品的“配料”法暴雨客觀預(yù)報(bào)。

圖7 2008年9月(a)23日和(b)24日08時(shí)12小時(shí)累積降水量(單位:mm)Fig.7 12-h accumulated precipitation(a)from 2000 LST 22 to 0800 LST 23 Sep 2008 and(b)from 2000 LST 23 to 0800 LST 24 Sep 2008

6.1 暴雨“配料”綜合圖應(yīng)用

2008年9月22～26日四川地震災(zāi)區(qū)出現(xiàn)連續(xù)數(shù)日的暴雨天氣。在秋季出現(xiàn)這樣的連續(xù)暴雨是比較罕見(jiàn)的。僅從天氣型的識(shí)別來(lái)判斷此次暴雨過(guò)程有相當(dāng)?shù)碾y度,但利用探空觀測(cè)資料診斷深厚濕對(duì)流發(fā)生的物理“配料”對(duì)于12小時(shí)內(nèi)的暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)是有意義的。下面以9月22～24日的暴雨過(guò)程為例,介紹暴雨“配料”綜合圖在預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。

9月22日08時(shí)至23日08時(shí),汶川地震災(zāi)區(qū)出現(xiàn)了50 mm以上的暴雨天氣。強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在22日夜間至23日凌晨(圖7a)。利用22日20時(shí)的探空資料診斷的可降水量(PWAT)、最有利抬升指數(shù)(BLI)和對(duì)流有效位能(CAPE)顯示:在汶川地震災(zāi)區(qū),PWAT超過(guò)50 mm,達(dá)到氣候狀態(tài)(圖略)的120%;BLI小于0;CAPE超過(guò)3000 J/kg,表明該地區(qū)氣層非常的潮濕且不穩(wěn)定[圖8a(見(jiàn)文后彩圖)]。當(dāng)22日夜間地面低壓系統(tǒng)強(qiáng)迫抬升使大量對(duì)流有效位能產(chǎn)生強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),使暴雨系統(tǒng)得以發(fā)生發(fā)展。22日20時(shí)廣東、湖南、江西雖然PWAT超過(guò)40 mm,但仍然低于氣候狀態(tài),氣層雖然不穩(wěn)定且積聚有大量的對(duì)流有效位能,但這些地區(qū)處于副高的控制范圍,缺乏抬升機(jī)制,并沒(méi)有產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣。

9月23～24日汶川地震災(zāi)區(qū)再次出現(xiàn)暴雨天氣,河套西部地區(qū)、廣東沿海和海南也出現(xiàn)了暴雨和大暴雨天氣。三個(gè)暴雨區(qū)的強(qiáng)降水均主要發(fā)生在23日夜間至24日凌晨(圖7b)。23日20時(shí)的可降水量(PWAT)、最有利抬升指數(shù)(BLI)和對(duì)流有效位能(CAPE)分布顯示:四川盆地和陜西南部、江淮、江南和華南地區(qū)可降水量超過(guò)40 mm,四川中部和南部、河套西部和北部、長(zhǎng)江下游、海南、廣東和福建東部可降水量超過(guò)氣候平均值(圖略),這些地區(qū)的K指數(shù)也超過(guò)了氣候平均狀態(tài)。在四川中部和北部、海南、廣東和福建南部、長(zhǎng)江下游對(duì)流有效位能CAPE超過(guò)2000 J/kg,BLI小于0,表明這些地區(qū)氣層非常潮濕且不穩(wěn)定[圖8b(見(jiàn)文后彩圖)]。當(dāng)22日夜間高原短波槽東移影響四川,大量對(duì)流有效位能釋放產(chǎn)生強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),暴雨系統(tǒng)得以發(fā)生發(fā)展。當(dāng)臺(tái)風(fēng)登陸影響華南時(shí),強(qiáng)烈的抬升使華南和海南的大量對(duì)流有效位能釋放,暴雨系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展。長(zhǎng)江下游氣層雖然不穩(wěn)定且積聚有大量的對(duì)流有效位能,但這些地區(qū)處于副高的控制范圍,缺乏抬升機(jī)制,并沒(méi)有產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣。河套地區(qū)此時(shí)處于副高西北側(cè)和西風(fēng)帶南緣之間,伴隨西風(fēng)槽快速東移南下的冷鋒產(chǎn)生了強(qiáng)烈的天氣尺度的抬升。處于半干旱氣候背景區(qū)域的河套地區(qū),水汽條件在暴雨的發(fā)生和維持中起著更加關(guān)鍵的作用。

圖9 2006年 (a)5月18日和 (b)6月9日“配料法”24小時(shí)暴雨落區(qū)預(yù)報(bào) (等值線)。陰影:國(guó)家氣象中心業(yè)務(wù)中尺度模式MM5預(yù)報(bào)的24小時(shí)50 mm以上降水;標(biāo)值:50 mm以上觀測(cè)降水Fig.9 The ingredients-based heavy rainfall regions forecasting(encircled by isolines)on(a)18 May 2006 and(b)9 Jul 2006.Shadings:precipitation over 50 mm forecasted with operational mesoscale model MM5 in the National Meteorological Center;marked values:observational precipitation over 50 mm

6.2 暴雨“配料”客觀預(yù)報(bào)

利用“配料”的思路,即暴雨系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展必須具備水汽、抬升和不穩(wěn)定條件,通過(guò)有效的模式輸出,診斷暴雨系統(tǒng)中的三類(lèi)基本物理“配料”的時(shí)空變化特征,追蹤暴雨系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展演變過(guò)程,可最終確定暴雨可能發(fā)生的危險(xiǎn)區(qū)域。對(duì)于不同系統(tǒng)產(chǎn)生的暴雨,其物理“配料”的基本成分固定,但各物理“配料”的量的變化非常大,而對(duì)于同類(lèi)系統(tǒng)的暴雨由于地理環(huán)境的差異,氣候背景的不同,在我國(guó)南方地區(qū)和北方地區(qū)也有很大差異。因此,如何確定不同地區(qū)表征“配料”的物理因子及其量的變化是最為關(guān)鍵的兩項(xiàng)技術(shù)。

“配料法”暴雨預(yù)報(bào)是在國(guó)家氣象中心中尺度業(yè)務(wù)模式MM5的輸出結(jié)果上利用“配料法”的原理進(jìn)行,即利用MM5的高時(shí)空分辨率資料,根據(jù)表征有利于深厚濕對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展的的水汽條件、不穩(wěn)定條件和抬升條件判斷暴雨系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程,確定暴雨的落區(qū)。

2006年以來(lái)的應(yīng)用結(jié)果表明,該方法具有一定的參考意義 (圖9),其中“配料法”的暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)方法對(duì)華南前汛期暴雨、臺(tái)風(fēng)暴雨、東西向分布的暴雨 (如梅雨鋒暴雨)具有相對(duì)好的預(yù)報(bào)能力,而對(duì)于南北向分布的暴雨和局地暴雨的預(yù)報(bào)能力有限。

7 結(jié)論和討論

利用2007年的暴雨個(gè)例分析表明,我國(guó)主要的幾類(lèi)暴雨 (臺(tái)風(fēng)暴雨、冷鋒型暴雨、準(zhǔn)靜止鋒型暴雨、西南渦和東北冷渦暴雨)發(fā)生過(guò)程中具有共同的動(dòng)力、熱力特征 (圖10):暴雨系統(tǒng)更傾向于在高溫高濕的不穩(wěn)定區(qū),即沿對(duì)流層低層的θse舌區(qū)軸線附近發(fā)生發(fā)展,這個(gè)區(qū)域通常具有高低空急流耦合的動(dòng)力條件。準(zhǔn)靜止鋒型暴雨通常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),高低空急流耦合非常重要。臺(tái)風(fēng)暴雨、冷鋒型暴雨、西南渦和東北冷渦暴雨發(fā)生時(shí),可能只有高空急流或低空急流存在。局地暴雨的發(fā)生通常由局地的熱力或地形抬升作用,缺乏高低空急流的動(dòng)力條件配合。

暴雨發(fā)生、發(fā)展期間,表征深厚濕對(duì)流發(fā)生發(fā)展的物理“配料”——水汽、不穩(wěn)定條件具有明顯的演變特征:強(qiáng)降水發(fā)生過(guò)程中水汽積累到一定的程度再消耗;強(qiáng)降水發(fā)生前和發(fā)生初期通常處于不穩(wěn)定的環(huán)境中,降水結(jié)束后,環(huán)境趨于穩(wěn)定或弱的不穩(wěn)定狀態(tài);降水發(fā)生過(guò)程中當(dāng)有天氣尺度的抬升或地形抬升促發(fā)對(duì)流有效位能釋放,將產(chǎn)生強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。利用有效的數(shù)值模式輸出結(jié)果,診斷預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)暴雨“配料”的演變特征,發(fā)展了“配料法”暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)方法,并被應(yīng)用于國(guó)家級(jí)業(yè)務(wù)中。

圖10 (a)準(zhǔn)靜止鋒型暴雨和(b)冷鋒型、西南渦型、東北冷渦型、臺(tái)風(fēng)型暴雨的動(dòng)力和熱力配置概念模型。粗箭頭:高空急流(ULJ)和低空急流(LLJ);虛箭頭:可能存在的急流;淺陰影:對(duì)流層低層的θse高值舌;深陰影:產(chǎn)生暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng);細(xì)實(shí)線:等θse線;粗虛線:對(duì)流層低層等PV線Fig.10 Dynamical and thermaldynamical scheme models for heavy rainfall associated with(a)quasi-stationary front type and(b)cold front,southwest vortex,northeast vortex,and typhoon types.Thick arrows denote upper level jet(ULJ)and low level jet(LLJ);dashed arrows denote potential jet;light shadings areθsetongue in the lower troposphere;dark shadings are producing-rainstorm mesoscale convective systems;solid and dashed lines denoteθseand potential vorticity in the lower troposphere,respectively

在持續(xù)性暴雨預(yù)報(bào)中,監(jiān)測(cè)季風(fēng)涌、Rossby波列以及西太平洋副熱帶高壓的活動(dòng)非常重要。當(dāng)有利于持續(xù)性強(qiáng)降水的行星尺度天氣系統(tǒng)配置穩(wěn)定時(shí),應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注西風(fēng)槽、高低急流等天氣尺度系統(tǒng)的建立過(guò)程。

在暴雨和冰雹、雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中,利用“配料”的預(yù)報(bào)思路,抓住預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)“配料”及其建立、演變過(guò)程,可從以下三個(gè)過(guò)程建立預(yù)報(bào)思路。

第一步:識(shí)別物理“配料”的出現(xiàn)。抓住反映造成暴雨(強(qiáng)對(duì)流)天氣的深厚濕對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展所必須的水汽條件、不穩(wěn)定條件幾個(gè)主要的、必要的物理量(稱(chēng)之為“配料”)是首要問(wèn)題。對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣,與垂直風(fēng)切變相關(guān)的“配料”物理量也必須考慮。

第二步:天氣型識(shí)別。抓住暴雨(強(qiáng)對(duì)流)天氣發(fā)生前天氣尺度的環(huán)境場(chǎng)怎樣演變成有利于其發(fā)生的環(huán)境的,在這個(gè)區(qū)域內(nèi)暴雨(強(qiáng)對(duì)流)出現(xiàn)的可能性最大。從各標(biāo)準(zhǔn)等壓面天氣圖上的氣壓場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)分析那些危險(xiǎn)區(qū)域怎樣改變成有利于暴雨(強(qiáng)對(duì)流)出現(xiàn)的天氣尺度的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)、風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及水汽場(chǎng)結(jié)構(gòu)。這個(gè)區(qū)域多數(shù)位于高空槽前,但有時(shí)也離開(kāi)高空槽較遠(yuǎn),甚至到脊線附近。要追蹤配料和危險(xiǎn)區(qū)域的演變就必須根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,預(yù)報(bào)未來(lái)這個(gè)有利于暴雨或強(qiáng)對(duì)流的環(huán)境會(huì)有什么變化。天氣尺度的強(qiáng)迫是有利于暴雨(或強(qiáng)對(duì)流)出現(xiàn)的背景條件。

第三步:分析(或預(yù)報(bào))引起暴雨(或強(qiáng)對(duì)流)的中尺度過(guò)程。對(duì)于突發(fā)性的短時(shí)強(qiáng)降水或強(qiáng)對(duì)流天氣顯得尤其重要。監(jiān)測(cè)有利于暴雨產(chǎn)生的天氣尺度環(huán)境場(chǎng)內(nèi)何時(shí)、何地會(huì)有產(chǎn)生暴雨(強(qiáng)對(duì)流)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生,并追蹤這些新生的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)。利用地面天氣圖、衛(wèi)星云圖上各種邊界(如鋒面、輻合線、出流邊界、積云線等)分析確定中尺度對(duì)流的觸發(fā)機(jī)制尤其重要。特別是不同邊界相交處尤其危險(xiǎn),最強(qiáng)的動(dòng)力抬升通常出現(xiàn)在這些地方。

根據(jù)目前對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展機(jī)理認(rèn)識(shí)水平,利用常規(guī)和加密觀測(cè)站、自動(dòng)站、衛(wèi)星、雷達(dá)、風(fēng)廓線儀、閃電定位儀等多資料源的觀測(cè)資料和遙感探測(cè)可以分析出中尺度對(duì)流系統(tǒng)的活動(dòng),而這對(duì)于進(jìn)行暴雨(或強(qiáng)對(duì)流)天氣的臨近和12小時(shí)內(nèi)的落區(qū)和發(fā)生時(shí)間的預(yù)報(bào)是有效的。

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圖4 2003年7月4～5日08時(shí)24小時(shí)累積降水量(單位:mm)。陰影:實(shí)況;等值線:MM5模擬Fig.4 24-h accumulated precipitation from 0800 LST 4 to 0800 LST 5 Jul 2003.Shadings:observation;isolines:MM5 simulation

圖5 2003年7月4日08時(shí)的探空分析:(a)PWAT(單位:mm;陰影:≥40 mm)、KI(單位:℃)、BLI(單位:℃);(b)地面θse(單位:K;陰影:≥345 K)、CAPE(單位:J/kg)、對(duì)流抑制能量(CIN,單位:J/kg)Fig.5 Sounding analysis at 0800 LST 4 Jul 2003:(a)Precipitable water(PWAT,shadings:≥40 mm),K index(KI,units:℃),and best lifting index(BLI,units:℃);(b)θse(shadings:≥345 K)at surface,convective available potential energy(CAPE,units:J/kg),and convective inhibited energy(CIN,units:J/kg)

圖8 2008年9月(a)22日和(b)23日20時(shí)暴雨“配料”綜合圖。陰影:PWAT≥10 mmFig.8 The composite plots of heavy rainfall ingredients at(a)2000 LST 22 Sep 2008 and(b)2000 LST 23 Sep 2008.Shadings:PWAT≥10 mm

Ingredients-Based Heavy Rainfall Forecasting

ZHANG Xiaoling1,TAO Shiyan2,and SUN Jianhua2

1National Meteorological Center,China Meteorological Administration,Beijing100081
2Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029

An approach to forecast heavy precipitation is developed,using the concept of basic ingredients.Analyses of the heavy rainfall cases in 2007 and 2003 show that rainstorms share some common dynamic and thermodynamic environmental conditions,and their physical ingredients obviously vary with developing of deep moist convective systems in several heavy rainfall types in China.How to synthetically analyze the dynamic and thermodynamic environmental conditions and basic physical parameters in forecasting heavy rainfall is introduced.Atechnique for objective forecasting heavy rainfall which is applied in the National Meteorological Center is developed,using the monitor of basic ingredients variety by the numerical weather prediction output.

ingredients,heavy rainfall,forecasting

1006-9895(2010)04-0754-13

P426

A

張小玲,陶詩(shī)言,孫建華.2010.基于“配料”的暴雨預(yù)報(bào)[J].大氣科學(xué),34(4):754-756.Zhang Xiaoling,Tao Shiyan,Sun Jianhua.2010.Ingredients-based heavy rainfall forecasting[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences(in Chinese),34(4):754-766.

2009-07-07,2009-12-22收修定稿

國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目40505010,公益性行業(yè)(氣象)科研專(zhuān)項(xiàng)GYHY200906003

張小玲,女,1972年出生,博士,主要從事中尺度天氣分析和預(yù)報(bào)方法研究。E-mail:zhangxl@cma.gov.cn