濕熱力平流參數(shù)在貴州初夏強(qiáng)降水中的運(yùn)用

吳古會(huì),彭 芳

(貴州省氣象臺(tái),貴州 貴陽(yáng) 550002)

濕熱力平流參數(shù)在貴州初夏強(qiáng)降水中的運(yùn)用

吳古會(huì),彭 芳

(貴州省氣象臺(tái),貴州 貴陽(yáng) 550002)

使用 NCEP(1°×1°)再分析資料計(jì)算濕熱力平流參數(shù)及其積分,通過(guò)對(duì)比分析 2008—2009年初夏 (5—6月)地面實(shí)況降水與該因子積分后的中心大值區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。理論分析表明：濕熱力平流參數(shù)綜合體現(xiàn)了鋒區(qū)附近大氣的動(dòng)力、熱力及水汽作用,相對(duì)于常用的相當(dāng)位溫、濕度等常用物理量來(lái)說(shuō),在一定程度上包含了廣義位溫及位溫平流的相互作用,對(duì)實(shí)際非均勻飽和大氣的動(dòng)熱力變化及水汽有較好的反映。統(tǒng)計(jì)分析也表明：積分后的濕熱力平流參數(shù)中心值區(qū)與地面 6小時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,它的變化趨勢(shì)及移動(dòng)方向與強(qiáng)降水區(qū)的變化也較一致,能作為短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報(bào)提供參考;利用 NCEP/NCAR(1°×1°)再分析資料和Micaps地面實(shí)況降水資料,選取 2009年 6月 7-9日發(fā)生在貴州的強(qiáng)降水過(guò)程為例,通過(guò)把濕熱力平流參數(shù)與此次過(guò)程中動(dòng)、熱力場(chǎng)結(jié)合進(jìn)行診斷分析,進(jìn)一步表明該參數(shù)能綜合地反應(yīng)鋒面強(qiáng)降水系統(tǒng)中的水汽、動(dòng)力及熱力的垂直結(jié)構(gòu)特征,能作為造成強(qiáng)降水的鋒面系統(tǒng)的示蹤物。

濕熱力平流參數(shù);廣義位溫;位溫平流;初夏強(qiáng)降水落區(qū)

1 引言

強(qiáng)降水是我國(guó)的主要災(zāi)害性天氣之一,每年由強(qiáng)降水造成的洪災(zāi)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)造成嚴(yán)重的影響。所以,對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)和雨帶移動(dòng)方向的預(yù)報(bào)顯得尤為重要,這也一直是氣象工作者所關(guān)注的焦點(diǎn)并在這方面開(kāi)展了大量卓有成效的研究工作,先后建立多個(gè)對(duì)地面降水具有指示意義的宏觀物理量[1-4]。鋒面強(qiáng)降水是貴州初夏強(qiáng)降水中最常見(jiàn)的類型,由于貴州的特殊地理位置及復(fù)雜地形,預(yù)報(bào)難度較大,需要不斷探索預(yù)報(bào)強(qiáng)降水的方法。貴州目前引進(jìn)了高守亭等研究建立的暴雨短期臨近集合動(dòng)力因子預(yù)報(bào)方法。高守亭等從暴雨觸發(fā)機(jī)理的角度出發(fā),考慮到各個(gè)因子的對(duì)降水系統(tǒng)的描述側(cè)重點(diǎn)不同,主張利用多個(gè)動(dòng)力變量的集合來(lái)對(duì)暴雨區(qū)進(jìn)行綜合判別,建立了暴雨短期臨近集合動(dòng)力因子預(yù)報(bào)方法。主要包含濕熱力平流參數(shù)(Gmtp)、對(duì)流渦度矢量的垂直分量 (Gcvz)、濕熱力螺旋度 (Ghelz)、水汽散度通量 (wqvdiv)、位渦(Gpv)、水汽位渦 (Gwpv)、變形鋒生函數(shù) (F)等因子。這些因子是能反應(yīng)強(qiáng)降水系統(tǒng)的動(dòng)力、熱力及水汽特征的宏觀物理量,與地面短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng),移動(dòng)方向也基本一致。由目前的檢驗(yàn)工作初步得出：濕熱力平流參數(shù)與貴州短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系較理想。所以本文選取該變量對(duì)動(dòng)力因子預(yù)報(bào)方法的原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹并利用該因子對(duì) 2009年 6月 7日-9日發(fā)生在貴州的強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行診斷分析。

2 資料與方法

在介紹濕熱力平流參數(shù)之前,先來(lái)初步了解廣義位溫這個(gè)概念。我們知道,無(wú)論位溫還是相當(dāng)位溫,由于其守恒性,在大氣動(dòng)力和熱力學(xué)研究領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用,但它們都有各自的適用范圍：位溫適用于干燥的大氣,而相當(dāng)位溫適用于完全飽和的濕空氣,對(duì)于實(shí)際大氣的“非均勻飽和”[10]狀態(tài),兩者的適用性受到了限制;實(shí)際觀測(cè)表明,一般當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到 78%時(shí)大氣中局部區(qū)域可能已經(jīng)有潛熱釋放了[11],凝結(jié)通常隨著濕度的增加而增加,高守亭[10]等通過(guò)考慮水汽梯度的效應(yīng),把一個(gè)與比濕相聯(lián)系的變量——廣義位溫引入到大氣熱力框架中,它可以表示實(shí)際大氣既不是處處干燥,也不是完全飽和的狀態(tài),是能很好地表征實(shí)際大氣干濕共存的凝結(jié)可能性函數(shù),其表達(dá)式為：

式 (1)中,θ是位溫,L是凝結(jié)潛熱系數(shù),T是大氣溫度,q和qs分別是比濕和飽和比濕,k是反映大范圍凝結(jié)狀態(tài)與局地凝結(jié)現(xiàn)象有關(guān)的權(quán)重函數(shù)的計(jì)算系數(shù),一般取k=9參考文獻(xiàn)[10]。由定義可見(jiàn),在干空氣中,q=0,此時(shí)θ＊=θ,在飽和大氣中,θ＊=θe。該變量的引入沒(méi)有帶來(lái)大量其他的變量,因此在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

濕熱力平流參數(shù)就是定義在廣義位溫基礎(chǔ)上的因子之一,表示為：

本文利用 NCEP/NCAR(2008、2009年 )初夏(5、6月 )實(shí)時(shí)分析資料 (水平分辨率為 1°×1°,垂直層數(shù)為 26層,時(shí)間間隔為 6h)計(jì)算濕熱力平流參數(shù) 925～300hPa的垂直積分 (該因子積分后的"異常值"更能突出反映強(qiáng)降水系統(tǒng)的特征),并與地面6h實(shí)況降水落區(qū)進(jìn)行對(duì)比,實(shí)況降水使用的是Micaps地面觀測(cè)資料,其中≥25mm定義為強(qiáng)降水,由于有 4個(gè)時(shí)段缺地面降水資料,所以共統(tǒng)計(jì)了 484個(gè)時(shí)段 (每 6h為 1個(gè)時(shí)段)。

3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在這 484個(gè)時(shí)段中,有 23個(gè)時(shí)段貴州 6h有≥25mm量級(jí) (≥6站)的降水發(fā)生 (下文中的有或無(wú)降水均指：有或無(wú)≥6站大雨及以上量級(jí)降水,其中1站暴雨相當(dāng)于 3站大雨),統(tǒng)計(jì)結(jié)果分布如表 1所示：

表 1 2008—2009年初夏 (5—6月)濕熱力平流參數(shù)與有無(wú)降水的對(duì)應(yīng)情況

從表中數(shù)據(jù)可知：地面有降水的 23個(gè)時(shí)段中,13個(gè)時(shí)段的強(qiáng)降水與積分后它的中心值區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,落區(qū)主要位于大值區(qū)中心連線附近偏等值線梯度大一側(cè),有 10個(gè)時(shí)段積分后的濕熱力平流參數(shù)的值都接近于零個(gè)單位;地面無(wú)降水的 461個(gè)時(shí)段中,僅有 6個(gè)時(shí)段該因子出現(xiàn)較強(qiáng)中心值區(qū),實(shí)況無(wú)降水相對(duì)應(yīng);也就是說(shuō)：造成強(qiáng)降水的系統(tǒng)它不一定都能反映出來(lái),但當(dāng)該因子有明顯反應(yīng)時(shí)就很大程度地與強(qiáng)降水系統(tǒng)對(duì)應(yīng)。

4 實(shí)例診斷分析

選取 2009年 6月 7日—9日發(fā)生在貴州的強(qiáng)降水過(guò)程為例,診斷分析濕熱力平流參數(shù)與 6h累積地面觀測(cè)降水之間的聯(lián)系。

2009年 6月 7日到 9日,亞洲中高緯的環(huán)流形勢(shì)調(diào)整為緯向性,高原小波動(dòng)活躍引導(dǎo)冷空氣南下,低緯地區(qū)西太平洋副熱帶高壓逐漸西伸增強(qiáng),受高空東移淺槽配合中低層切變及西南暖濕急流的共同影響,貴州出現(xiàn)強(qiáng)降水,強(qiáng)降水中心位于榕江 (25.58°N,108.32°E)。從 2009年 6月 8日18UTC沿 108°E的緯向剖面圖上 (如圖 1所示)可以看到：該時(shí)段內(nèi) 6h累積地面實(shí)況降水主要集中在24°～27°N緯度范圍內(nèi)。

圖 1 2009年 6月 9日 02時(shí)沿 108°E位溫、相當(dāng)位溫、風(fēng)場(chǎng)及比濕的剖面圖：實(shí)線為相當(dāng)位溫,虛線為位溫,箭頭表示風(fēng)場(chǎng),陰影表示比濕 (g/Kg),直方圖表示 8日 20時(shí)-9日 02時(shí) 6h雨量 (mm),左邊縱坐標(biāo)為氣壓 (hPa),右邊縱坐標(biāo)為雨量(mm)

同時(shí)可以看出,在該雨區(qū)的上空,垂直上升運(yùn)動(dòng)非常強(qiáng)烈,上升區(qū)從地面一直延伸到 100hPa,雨區(qū)南側(cè) 500hPa附近氣旋性環(huán)流加強(qiáng)了雨區(qū)上空的上升運(yùn)動(dòng);從比濕的分布可看到,該降水區(qū)上空濕度較高,濕舌從 900hPa延伸到 500hPa附近;位溫隨等值線較平直且隨高度增加,而假相當(dāng)位溫在700hPa以下沿鋒面呈傾斜分布且隨高度減小,即大氣有潛在性的不穩(wěn)定;從位溫平流和廣義位溫的經(jīng)向垂直分布 (如圖 2所示)可以看出：雨區(qū)上空廣義位溫呈漏斗狀,從 400hPa延伸至 750hPa附近,坡度比假相當(dāng)位溫的大,即廣義位溫的水平梯度更大,在強(qiáng)降水區(qū)上空的不連續(xù)性更加明顯,750hPa以下的低層也為不穩(wěn)定層,在對(duì)流層高層,由于水汽含量很少,大氣近似為干空氣狀態(tài),廣義位溫與位溫幾乎相同;而位溫平流呈現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)值區(qū),強(qiáng)中心在 26°N上空的 400hPa附近,這主要是該雨區(qū)上空強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的能量交換;以上分別從水汽、垂直運(yùn)動(dòng)、不穩(wěn)定方面分析了該次過(guò)程降水系統(tǒng)的特點(diǎn),當(dāng)大氣呈現(xiàn)這樣的垂直結(jié)構(gòu)時(shí),往往伴有降水發(fā)生。

圖 2 2009年 6月 8日 02時(shí)沿 108°E廣義位溫及位溫平流的剖面圖：實(shí)線表示廣義位溫,虛線表示位溫平流,直方圖表示 8日 20時(shí)-9日 02時(shí) 6h雨量 (mm),左邊縱坐標(biāo)為氣壓 (hPa),右邊縱坐標(biāo)為雨量 (mm)

由圖 3可以看到,在雨區(qū)上空也是高值區(qū),表明能綜合反應(yīng)鋒面強(qiáng)降水系統(tǒng)動(dòng)力、熱力及垂直速度特征的濕熱力平流參數(shù)與強(qiáng)降水區(qū)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系;|G|高值中心位于 700～500hPa的對(duì)流層中低層,這是因?yàn)閺V義位溫等值線密集區(qū)、位溫平流在對(duì)流層中低層比較顯著,在對(duì)流層高層,廣義位溫等值線較平直,位溫平流也較弱,|G|值可忽略不計(jì),我們知道對(duì)流層中低層的系統(tǒng)與天氣現(xiàn)象有著密切聯(lián)系,而濕熱力平流參數(shù)恰好突出了對(duì)流層中低層對(duì)強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)。

為了強(qiáng)化 |G|的中心值區(qū),對(duì)其進(jìn)行垂直積分〈·〉=∫PtPs·dp得到該參數(shù)的中心值 (如果沒(méi)有相應(yīng)的系統(tǒng)配合,該值接近于 0 unit)?？紤]到貴州的海拔、主要天氣影響系統(tǒng)等因素,選取從ps=925hPa到pt=300hPa的積分。如圖 4所示

圖 3 2009年 6月 8日 02時(shí)沿 108°E濕熱力平流參數(shù)(Gmtp)的剖面圖：等值線表示濕熱力平流參數(shù) (10-14Kg·K2·m-5·s-1),直方圖表示 8日 20時(shí)-9日 02時(shí) 6h雨量(mm),左邊縱坐標(biāo)為氣壓 (hPa),右邊縱坐標(biāo)為雨量 (mm)

6月 8日 00UTC,雨區(qū)呈東西向帶狀分布,有兩個(gè)強(qiáng)降水中心,分別位于重慶南部和江蘇西南部,濕熱力平流參數(shù)的中心值區(qū)也呈東西帶狀分布,中心值區(qū)偏北于強(qiáng)降水中心,但高值區(qū)基本覆蓋了整個(gè)雨區(qū);隨著時(shí)間的變化,至 12UTC雨帶東移,強(qiáng)降水中心移至湖南北部,該參數(shù)大值區(qū)的移動(dòng)趨勢(shì)與雨帶一致,大值中心區(qū)略偏北于強(qiáng)雨區(qū)中心,在貴州西南部有弱的中心值區(qū),但實(shí)際降水并不強(qiáng),這可能與積分層次的選擇有關(guān),對(duì)于貴州西南部而言,平均海拔接近 850hPa的幾何高度,而積分是從925hPa開(kāi)始,造成虛假值的出現(xiàn);18UTC由于受到冷空氣補(bǔ)充影響,雨勢(shì)有所增強(qiáng),貴州出現(xiàn)兩個(gè)強(qiáng)降水中心,一個(gè)位于西南,另一個(gè)位于東南部,其中東南部的降水更強(qiáng),雨區(qū)基本都落在中心值區(qū),參數(shù)大值區(qū)位于貴州西南部,考慮到貴州西部地區(qū)因海拔較高而出現(xiàn)的虛假值的影響,大值區(qū)的這種分布與 6h強(qiáng)降水落區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系較好,而且它的趨勢(shì)變化能宏觀上反應(yīng)強(qiáng)降水系統(tǒng)的發(fā)展或減弱,對(duì)強(qiáng)降水的落區(qū)和雨帶的移動(dòng),能給出較有價(jià)值的參考信息。

5 總結(jié)和展望

濕熱力平流參數(shù)能綜合地反應(yīng)鋒面強(qiáng)降水系統(tǒng)中的水汽、動(dòng)力及熱力的垂直結(jié)構(gòu)特征,對(duì)其垂直積分中心值區(qū)與地面 6h強(qiáng)降水落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并且它的變化趨勢(shì)能反應(yīng)強(qiáng)降水系統(tǒng)的發(fā)展或消弱;考慮到降水還包括微觀物理過(guò)程,加上貴州地形復(fù)雜,它的值中心區(qū)不一定與強(qiáng)降水中心完全重疊,還可能會(huì)有虛假值的出現(xiàn),值的大小與降水的強(qiáng)度沒(méi)有必然聯(lián)系,但對(duì)于由鋒面系統(tǒng)引起的強(qiáng)降水的落區(qū)和雨帶的移動(dòng)趨勢(shì),垂直積分的濕熱力平流參數(shù)異常值區(qū)具有一定的指示意義,能作為短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報(bào)較有價(jià)值的參考。

在業(yè)務(wù)運(yùn)用中,該因子的預(yù)報(bào)效果還依賴于所選用模式的預(yù)報(bào)能力,還需長(zhǎng)期不斷地檢驗(yàn)和完善;由于各個(gè)動(dòng)力因子側(cè)重點(diǎn)不同,集合多個(gè)因子對(duì)強(qiáng)降水系統(tǒng)進(jìn)行判別也是落區(qū)預(yù)報(bào)方法探索道路上的又一嘗試,這將是下一步將展開(kāi)的工作。

致謝：感謝高守亭、冉令坤等老師的指導(dǎo)和幫助。

圖 4 2009年 6月 8日 08時(shí)、14時(shí)、20時(shí)、9日 02時(shí)地面 6h降水與積分后的 Gmtp分布情況 (等值線表示垂直積分后的濕熱力平流參數(shù) (10-9Kg·K2·Pa·m-5·s-1),陰影表示地面對(duì)應(yīng)時(shí)刻的 6h降水量 (mm))

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M uggy advection parameter’s application to summer heavy precipitation forecast in Guizhou

W U Gu-hui,PENG Fang
(Gui ZhouMeteorologyBureau,Guiyang 550002)

TheMoist Ther modynamic Advection Parameter(Gmtp),adopted by Gao et al,is studied in this paper.It is found that Gmtp,which contains information of interactions among generalpotential temperature and advection of potential temperature,may serve as a physical tracker to detecting weather system leading to frontal heavy rainfall.Utilizing the National Center for Environmental Prediction/National CenterAtmospheric Research(NCEP/NCAR)1°×1°grid data and the surface observational data with 6h interval to test the ability of calculated Gmtp in Gui Zhou during early summer(May and Jun)of 2008 and 2009.Meanwhile,one set of diagnoses are perfor med.The analyses indicate that the parameter shares a similar horizontal distribution pattern and evolution tendencywith the 6-h accumulation of observed surface rainfall.They are closely correlated.

Moist thermodynamic advection parameter;General potential temperature;Potential temperature advection;the strong precipitation area

P43

A

1003-6598(2010)05-0003-04

2010-04-01

吳古會(huì) (1985-),女,助工,主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作。