渦旋自組織在山東暴雨預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究

李春虎,李峰,任健,楊芙蓉,馬革蘭

(1.南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院,江蘇南京210044;2.山東省氣象局,山東濟(jì)南250031;3.濟(jì)南市氣象局,山東濟(jì)南250002;4.襄樊市氣象局,湖北襄樊441021)

0 引言

山東瀕臨黃海、渤海,跨黃河、淮河、海河三大流域,是自然災(zāi)害多發(fā)頻發(fā)省份之一。夏季的暴雨、短歷時(shí)強(qiáng)降水往往造成嚴(yán)重?fù)p失。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)工作對(duì)氣象工作提出了更高要求,災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)水平則是當(dāng)前天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中最重要的也是最需要提高的環(huán)節(jié)。

山東夏季的暴雨以7月最多(蔣伯仁等,2005),近年來關(guān)于山東夏季暴雨的研究有很多,研究工作涉及暴雨的分類、氣候特征、影響系統(tǒng)、不同尺度天氣系統(tǒng)的相互作用、物理量診斷分析以及暴雨的預(yù)報(bào)方法(曹鋼鋒等,1988;張經(jīng)珍等,1998;李昌義等,1999;閆麗鳳等,1999;李昌義,2000;李昌義等,2000a,2000b,2000c;劉文等,2003)。

將自組織理論應(yīng)用于大氣科學(xué),以自組織物理模型研究臺(tái)風(fēng)渦旋的發(fā)生和發(fā)展,大大地拓寬了人們認(rèn)識(shí)若干重要觀測現(xiàn)象的思路和方法。渦旋自組織是2003年國際渦旋動(dòng)力學(xué)會(huì)議的第一優(yōu)先專題,受到國內(nèi)外科學(xué)界越來越多的重視(周嘉陵等,2006a,2006b)。多個(gè)渦旋或渦塊合并的現(xiàn)象往往與強(qiáng)降水天氣災(zāi)害有著密切聯(lián)系(周秀驥等,2006)。

渦旋自組織,指的是初始時(shí)刻兩個(gè)或多個(gè)渦旋,經(jīng)過一段時(shí)間的演變,合并形成一個(gè)尺度更大的渦旋。該渦旋不是受外力強(qiáng)迫生成的,而是自發(fā)生成的,自發(fā)生成的主要機(jī)制是非線性的相互作用(陳聯(lián)壽和丁一匯,1979)。

羅德海(1997)、羅哲賢(1989)在弱非線性的框架內(nèi)分析了阻塞高壓的動(dòng)力學(xué)。近來,在強(qiáng)非線性的框架內(nèi),關(guān)于渦旋自組織的研究,已有一系列的結(jié)果提出。周秀驥等(2006)在模式初始場上放置兩個(gè)相同尺度的渦,雙渦逆時(shí)針互旋,其終態(tài)仍然是兩個(gè)分離的渦;若在雙渦之間加進(jìn)一個(gè)小尺度的渦,不同尺度渦旋之間的相互作用可以導(dǎo)致雙渦合并,其終態(tài)流型是一個(gè)較大尺度的類似于臺(tái)風(fēng)環(huán)流的渦旋。Luo and Liu(2006a)指出,周秀驥等(2006)的結(jié)果在一個(gè)廣闊的參數(shù)空間內(nèi)仍然成立。周嘉陵等(2006a,2006b)進(jìn)一步研究了多渦之間的相互作用。不同尺度渦旋之間強(qiáng)非線性過程中的跨尺度關(guān)聯(lián)問題,小尺度層次相互作用的結(jié)果可以影響到中尺度渦相互作用的過程,再影響到天氣尺度臺(tái)風(fēng)的自組織等研究也取得了初步結(jié)果(羅哲賢,2005;Luo and Liu,2006a,2006b)。在文獻(xiàn)(羅哲賢,2005;周嘉陵等,2006a,2006b;Luo and Liu,2006a,2006b)中,引進(jìn)模式的小尺度渦度場是人為給定的。羅哲賢和李春虎(2007)注意到這個(gè)不足,分析了隨機(jī)生成的小尺度渦度場對(duì)渦旋自組織的影響。臺(tái)風(fēng)與相鄰中小尺度渦旋相互作用的動(dòng)力學(xué)也取得若干進(jìn)展(Luo and Liu,2006a,2006b,2007)。

美國Montgomery教授是2003年國際渦旋動(dòng)力學(xué)會(huì)議的召集人。21世紀(jì)初,他提出了國際上著名的臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的Montgomery模型(Montgomery and Kallenbach,1997;Enagonio and Montgomery,2001)。該模型包含一個(gè)臺(tái)風(fēng)和幾個(gè)中尺度渦。中尺度渦的能量被自組織進(jìn)臺(tái)風(fēng)之中,使臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)。Luo and Liu(2008)提出了一個(gè)包含副熱帶高壓、臺(tái)風(fēng)和幾個(gè)中尺度渦的新模型。Montgomery模型為新模型的特例。新模型的結(jié)果與Montgomery模型相比,更加接近于觀測實(shí)際。多年以來,半徑小于50 km的小渦一直被渦旋動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域國內(nèi)外同行忽略不計(jì)。Ping et al.(2006)在理想模式的框架內(nèi)發(fā)現(xiàn):這些小渦可以構(gòu)成主渦的微環(huán)境場。不同的微環(huán)境場導(dǎo)致不同的渦旋自組織的結(jié)果,引起主渦運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。初始場上十多個(gè)大小不等的渦,可以通過分段自組織的途徑,生成一個(gè)類似于臺(tái)風(fēng)的較大尺度的渦。初始渦的個(gè)數(shù)、尺度、分布和結(jié)構(gòu)均可影響到自組織的成敗(Ping and Luo,2007)。

近年來發(fā)現(xiàn),對(duì)流性渦塊的自組織是熱帶對(duì)流云團(tuán)或中緯度中尺度對(duì)流復(fù)合體形成和發(fā)展的關(guān)鍵過程,針對(duì)濕大氣環(huán)境的動(dòng)力分析方法,將渦旋自組織動(dòng)力學(xué)底部空間的新概念擴(kuò)展到暴雨研究領(lǐng)域。指出在弱天氣環(huán)境背景下,半徑小于50 km的中γ尺度渦旋的自組織和非線性發(fā)展可以造成局地突發(fā)性暴雨(Gao and Ping,2004;Ping et al.,2008)。

本研究應(yīng)用渦旋自組織的研究成果,分析了近年來山東夏季暴雨過程的中尺度云團(tuán)自組織,以了解云團(tuán)的自組織的一般規(guī)律為目的,利用衛(wèi)星云圖資料進(jìn)行TBB反演普查,在此基礎(chǔ)上對(duì)典型個(gè)例云團(tuán)自組織過程進(jìn)行分析,得出統(tǒng)計(jì)規(guī)律,并嘗試在業(yè)務(wù)中應(yīng)用。

1 資料和方法

所用資料包括2000—2007年的衛(wèi)星云圖數(shù)值資料、山東暴雨日123個(gè)測站降水量實(shí)況和原始報(bào)文資料,并對(duì)2008、2009年渦旋自組織典型個(gè)例進(jìn)行分析、試用。其中,衛(wèi)星云圖數(shù)值資料的時(shí)間間隔基本為1h,對(duì)應(yīng)測站降水量時(shí)間間隔為1h。

暴雨日按以下標(biāo)準(zhǔn)選定:將當(dāng)日20時(shí)—次日20時(shí)降水量≥50mm算一個(gè)暴雨日,暴雨分為小范圍暴雨(全省1個(gè)站以上、5個(gè)站以下,日降水量≥50mm)、區(qū)域暴雨(全省5個(gè)站以上、20個(gè)站以下,日降水量≥50mm)和大范圍暴雨(全省20個(gè)站以上,日降水量≥50mm)3類。本文統(tǒng)計(jì)的暴雨日表示全省5個(gè)站及以上測站降水量達(dá)到暴雨。暴雨日確定后,反查暴雨日前后所對(duì)應(yīng)的云圖資料。對(duì)TBB等值線進(jìn)行反演,量化分析中尺度云團(tuán)的自組織過程。

2 普查分析

在選取的暴雨日基礎(chǔ)上,對(duì)衛(wèi)星云圖資料進(jìn)行TBB反演,通過普查分析,篩選了6個(gè)典型的渦旋自組織個(gè)例,該6個(gè)個(gè)例表明在山東省區(qū)域性或大范圍暴雨天氣過程中,產(chǎn)生暴雨的云團(tuán)的發(fā)展演變經(jīng)歷了由無組織到有組織、由不規(guī)則云形到規(guī)則云形的過程。

2.1 演變過程

下面對(duì)2004年7月27日暴雨天氣過程演變過程進(jìn)行分析,其他5個(gè)個(gè)例的具體演變分析不在此展開。

2004年7月27日14:25(北京時(shí),下同),在魯東南有小云塊a生成,位于魯西地區(qū)的2個(gè)云塊未參與自組織。3h后云塊a東移至魯中地區(qū),同時(shí)在半島有小云塊b、c生成,云塊a、b距離為190km,b、c距離為190km(圖1a)。云塊a、b不斷向東北移動(dòng),22:25云塊a、b、c完成合并(圖1b)。23:25在云塊C西南方向沿黃河有條型云塊f生成,同時(shí)在云塊C西南尾部有云塊d生成(圖1c)。28日00:25C、d、f、g四個(gè)云團(tuán)中心清晰可見(圖1d)。02:25云塊C、d和云塊f、g分別合并(圖1e),03:25完成自組織(圖1f),2h后迅速分解消亡。

圖1 2004年7月27—28日云團(tuán)自組織過程的衛(wèi)星云圖TBB等值線反演結(jié)果(單位:℃) a.27日17:25;b.27日22:25;c.27日23:25;d.28日00:25;e.28日02:25;f.28日03:25Fig.1 The TBB isoline of satellite cloud in the self-organizing progress on July27and28,2004(units:℃)a.17:25BST27July;b.22:25BST27July;c.23:25BST27July;d.00:25BST28July;e.02:25BST 28July;f.03:25BST28July

由圖2可見,較強(qiáng)降水從27日20:00開始,其中最強(qiáng)降水出現(xiàn)在27日23:00—24:00,濟(jì)南平陰1 h降水量最大,為87.3mm,較強(qiáng)降水一直持續(xù)到28日07:00,維持11h。28日02:00左右完成自組織過程,相應(yīng)強(qiáng)降水落區(qū)出現(xiàn)在魯西北、魯北、魯西南三個(gè)中心,28日01:00—02:00濱州市降水量最大,為72.3mm,衛(wèi)星云圖上云頂亮溫低值中心位于魯西北。自組織完成后強(qiáng)降水維持5h。

2.2 統(tǒng)計(jì)特征

表1給出了6個(gè)個(gè)例云團(tuán)自組織的特征量。簡要分析如下(圖略):

1)200 0年7月18日自組織過程,初始云塊a、b相距180km,c、d相距140km,d、e相距190km,e、f相距310km,b、f相距360km;發(fā)生源地處于山東中西部、河南、安徽交界處及江蘇境內(nèi);位于山西、河北、河南交界的小云塊未參與自組織;最大1h降水量出現(xiàn)在自組織后第1小時(shí)內(nèi);自組織完成后較強(qiáng)降水維持5h。

2)200 0年7月27日自組織過程,初始云塊a、b距離較遠(yuǎn);發(fā)生源地處于山西和京津地區(qū);初始云塊都參與自組織;最大1h降水量出現(xiàn)在自組織后第3小時(shí)內(nèi);自組織完成后強(qiáng)降水維持10h。

3)200 1年7月2日自組織過程,初始云塊a、b相距110km,b、c相距90km,e、f相距110km,d、f相距100km;發(fā)生源地處于河北、山西交界;云塊c未參與自組織;最大1h降水量出現(xiàn)在自組織后第2小時(shí)內(nèi);自組織完成后較強(qiáng)降水持續(xù)12h。

4)200 1年7月9日自組織過程,初始云塊a、b相距160km,b、c相距200km,c、d相距110km,d、e相距160km,e、f相距150km;發(fā)生源地處于山東西部;山西西部有1云塊未參與自組織;最大1h降水量出現(xiàn)在自組織前第5小時(shí)內(nèi);自組織完成后強(qiáng)降水維持8h。

5)200 4年7月27日自組織過程,初始云塊a、b相距190km,b、c相距190km;發(fā)生源地處于山東南部;位于魯西地區(qū)的2個(gè)云塊未參與自組織;最大1h降水量出現(xiàn)在自組織前第3小時(shí)內(nèi);自組織完成后強(qiáng)降水維持5h。

6)200 7年7月18日自組織過程,發(fā)生源地處于魯西北;最大1h降水量出現(xiàn)在自組織前第4小時(shí)內(nèi);完成自組織后強(qiáng)降水一直持續(xù)10h。

幾個(gè)中尺度云團(tuán)在合并前處于不同的發(fā)展階段,在每個(gè)中尺度云團(tuán)云頂最低溫度的變化上有所體現(xiàn),合并前有的已經(jīng)處于減弱階段,最低TBB呈現(xiàn)先降低后升高的變化態(tài)勢,有的TBB一直在降低,表明對(duì)流旺盛,上沖云頂不斷在抬高,仍處于發(fā)展階段,合并后云團(tuán)最低TBB一般比合并前的每個(gè)中尺度云團(tuán)最低TBB都要低,這在以上個(gè)例分析中都有所體現(xiàn),表明中尺度云團(tuán)的合并不僅僅是形態(tài)上融合,而是內(nèi)部結(jié)構(gòu)更趨于組織化,激發(fā)出更強(qiáng)烈的上升氣流,從而產(chǎn)生更顯著的天氣現(xiàn)象。同時(shí)發(fā)現(xiàn)即使合并之后,云團(tuán)頂部也有多個(gè)中小尺度最低TBB中心,說明存在多個(gè)不同高度的上沖云頂。自組織完成后,如有新的云團(tuán)并入,則它的維持時(shí)間較長,尺度也較大,在2000年7月18日和2001年7月9日自組織過程中反映明顯,往往造成降水維持時(shí)間較長,強(qiáng)度較強(qiáng)。隨著云團(tuán)最強(qiáng)對(duì)流的逐漸減弱,云團(tuán)面積迅速膨脹,并持續(xù)數(shù)小時(shí)后很快減小。云團(tuán)自組織的發(fā)生與西風(fēng)帶弱的短波槽有聯(lián)系,自組織后的云團(tuán)附近存在弱斜壓環(huán)境的作用主要是啟動(dòng)和制約位勢不穩(wěn)定的釋放。

圖2 2004年7月28日01—02時(shí)(a)、05—06時(shí)(b)全省1h降水量分布(單位:mm)Fig.2 The1-hr rainfall(mm)distributions(a)from01:00to02:00BST,and(b)from05:00to06:00BST28 July2004

表1 云團(tuán)自組織的特征量Table 1 Characteristic values of the cloud self-organizing

2.3 預(yù)報(bào)模型

根據(jù)歷史上6個(gè)較典型渦旋自組織個(gè)例,統(tǒng)計(jì)分析了產(chǎn)生山東強(qiáng)降水過程的多云團(tuán)自組織演變的特征量:初始云團(tuán)數(shù)、尺度的演變以及自組織的時(shí)間尺度等。據(jù)此,可以得到云團(tuán)自組織預(yù)報(bào)判據(jù)、指標(biāo)和初步預(yù)報(bào)模型。

分析1996—2004年6—8月降水資料,暴雨日為102個(gè),6、7、8月暴雨日數(shù)比例為1∶3∶3。對(duì)1996—2004年逐年暴雨日及距平逐年變化時(shí)間序列分析,7、8月的暴雨日振蕩周期與整個(gè)夏季相近,特別是7月的變化趨勢與夏季最為接近,所以7月暴雨年際變化對(duì)山東夏季暴雨的年際變化起主要作用。

統(tǒng)計(jì)(表2)發(fā)現(xiàn),造成山東暴雨的云團(tuán)自組織過程多發(fā)生在7月,這與山東暴雨多發(fā)階段及夏季年際變化主要影響期相一致;平均影響日期為7月17日;起始時(shí)刻平均為13時(shí)左右,初始云塊平均為5個(gè)左右,云團(tuán)之間平均距離為200km左右,約有1個(gè)云塊未進(jìn)行自組織過程,源地多發(fā)生在山東、河南、河北三省交界及魯西地區(qū),與地形、地方性熱源有關(guān)。初始時(shí)生成云團(tuán)TBB最低值平均為-70℃,自組織時(shí)云團(tuán)TBB最低值平均為-77.5℃,終態(tài)消亡時(shí)TBB最低值平均為-74℃。1h最強(qiáng)降水一般出現(xiàn)在自組織完成時(shí)刻或其前后3h左右,自組織完成后較強(qiáng)降水平均持續(xù)時(shí)間為8h左右。云團(tuán)從初始生成到自組織并直至消亡整個(gè)過程(生命史)11h左右,其中從生成到自組織9h左右,完成自組織到消亡維持時(shí)間3h左右。終態(tài)渦面積大約30×104km2。

3 應(yīng)用分析

利用渦旋自組織理論和前面普查分析得到的云團(tuán)自組織預(yù)報(bào)判據(jù)、指標(biāo)及初步預(yù)報(bào)模型,對(duì)2008年7月17日和2009年7月8日兩次典型暴雨個(gè)例進(jìn)行試用。

3.1 2008年7月17日暴雨個(gè)例

2008年7月17日23:30,在山東、河北、河南三省交界有云塊a生成;在魯西南有云塊b生成;魯西一帶有小云塊d,沿黃河向東北移動(dòng)入渤海,未進(jìn)行合并(圖3a)。云塊a、b相距230km,a、d相距200 km,b、c相距220km。18日00時(shí)中尺度云塊b發(fā)展,水平尺度為200km左右;同時(shí)在山東以南安徽、江蘇交界有云塊c。云塊a、b自西南向東北移動(dòng),云塊c向西北方向移動(dòng),18日01:30,云塊a合并入b中,面積增大,強(qiáng)度增強(qiáng),位于魯西南(圖3b)。2h后,云塊c北移過程中在魯南合并到b,完成自組織過程,形成云團(tuán)B,尺度約為600km。對(duì)流云團(tuán)向東移動(dòng)影響山東,其北部移速快,南部移動(dòng)緩慢,強(qiáng)度增強(qiáng)。至18日06:30發(fā)展最旺盛(圖3c),以后逐漸減弱,北部開始分裂,4h后分裂為中尺度云塊e、f,至18日14:30消亡(圖3d)。

表2 云團(tuán)自組織模型的特征量Table 2 Characteristic values of the cloud self-organizing model

該次自組織過程,初始時(shí)云團(tuán)TBB最低值平均為-70℃,自組織時(shí)云團(tuán)TBB最低值平均為-77.5℃,終態(tài)消亡時(shí)TBB最低值平均為-74℃。1h最強(qiáng)降水一般出現(xiàn)在自組織完成時(shí)刻或其前后3h左右,自組織完成后較強(qiáng)降水平均持續(xù)時(shí)間為8h左右。云團(tuán)從初始生成到自組織并直至消亡整個(gè)過程(生命史)為11h左右,其中從生成到自組織為9h左右,完成自組織到消亡維持時(shí)間為3h左右。終態(tài)渦面積約為30×104km2。

本次個(gè)例發(fā)生在對(duì)流旺盛的7月17、18日,初始云塊為4個(gè),源地位于山東、河南、河北交界及魯西南;天氣形勢上,副高南側(cè)有熱帶臺(tái)風(fēng)存在,17日08時(shí)500hPa河套地區(qū)上游有西風(fēng)槽東移;從17日20時(shí)垂直速度場分析,垂直運(yùn)動(dòng)高度很高,并且略有傾斜,表明有冷空氣侵入,斜壓發(fā)展。同時(shí),初始云塊a、b、c之間平均距離為220km,預(yù)計(jì)有1個(gè)云塊未進(jìn)行自組織過程,云團(tuán)TBB最低值在小于-60℃的范圍內(nèi),面積大小符合多單體發(fā)展演變統(tǒng)計(jì)范圍。因此,根據(jù)渦旋自組織動(dòng)力學(xué)研究成果,從中小尺度系統(tǒng)的角度出發(fā),結(jié)合前面較典型的云團(tuán)自組織個(gè)例,作為短時(shí)預(yù)報(bào)的判據(jù)和指標(biāo)。預(yù)報(bào)短時(shí)(0～12h)云塊a、b、c多單體在東移過程中很可能完成自組織,生成中尺度對(duì)流云團(tuán),造成山東中東部地區(qū)的暴雨,預(yù)計(jì)云團(tuán)從生成到自組織為9h左右;自組織完成后維持時(shí)間3h左右;終態(tài)渦面積大約30×104km2;1h最強(qiáng)降水可能出現(xiàn)在自組織完成時(shí)刻或其前后3h左右;自組織完成后較強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間為8h左右。

最強(qiáng)降水出現(xiàn)在17日23:00—24:00,魯西南菏澤曹縣降水最大,為75.1mm;自組織時(shí)刻18日03:00—04:00的降水量強(qiáng)度大、范圍廣,菏澤巨野最大,為50.0mm;完成自組織后強(qiáng)降水一直持續(xù)了10h(圖4)。

圖3 2008年7月17、18日衛(wèi)星云圖的TBB等值線反演結(jié)果(單位:℃) a.17日23:30;b.18日01:30;c.18日06:30;d.18日14:30Fig.3 The TBBisoline of satellite cloud on July17and18,2008(units:℃) a.23:30BST17July;b.01:30 BST18July;c.06:30BST18July;d.14:30BST18July

圖4 2008年7月17日23—24時(shí)(a)、18日03—04時(shí)(b)全省1h降水量分布(單位:mm)Fig.4 The1-hr rainfall(mm)distributions(a)from23:00to24:00 17July,and(b)from03:00to04:00 18July2008

經(jīng)檢驗(yàn),這次過程天氣形勢符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律,特別是西風(fēng)槽的存在。同時(shí),初始云塊生成源地及個(gè)數(shù)、距離、TBB最低值、面積和維持時(shí)間(生命史統(tǒng)計(jì)11 h)、終態(tài)渦面積也與統(tǒng)計(jì)規(guī)律吻合。

3.2 2009年7月8日暴雨個(gè)例

2009年7月8日08:30,在魯西南與安徽北部交界有云塊A生成,穩(wěn)定少動(dòng)并不斷增強(qiáng);在河北南部、山西以西有云塊B生成;河北中北部有對(duì)流云團(tuán)C(圖5a)。云團(tuán)B、C緩慢移動(dòng),主體向東移動(dòng),并向南分裂在山東、河南、河北交界生成渦旋狀小對(duì)流云塊。云塊A、B相距210km,B、C相距150 km,A、C相距330km。8日11:30,云團(tuán)B、C在向南分裂的過程中生成小尺度云塊b和中尺度對(duì)流云塊c;云團(tuán)A為副熱帶高壓邊緣的切變線云系,由于水汽和能量條件增強(qiáng),發(fā)展增強(qiáng)至中尺度云團(tuán),水平尺度為100km左右,面積約為800km2。

圖5 2009年7月8日衛(wèi)星云圖的TBB等值線反演結(jié)果(單位:℃) a.08:30;b.16:30;c.17:30;d.22:30Fig.5 The TBB isoline of satellite cloud on July8,2009(units:℃) a.08:30BST;b.16:30BST;c.17:30BST;d.22:30BST

8日15:00,魯南暖切變北抬與西部的低渦切變線合并后東移,云團(tuán)A東側(cè)沿切變線方向分裂生成新的云塊D;云塊b、c分別位于魯西南、魯西沿黃河一帶西側(cè),向東南移動(dòng)并增強(qiáng)。16:30,云塊c在向東南移動(dòng)的過程中與云塊b、D分別合并生成云塊F、E(圖5b)。17:30,云塊F在向東北移動(dòng)的過程中與云塊E合并,完成自組織過程,在魯南生成中尺度對(duì)流系統(tǒng)(M CS)G,尺度約為210km,為α中尺度暴雨云團(tuán)(圖5c)。此后,對(duì)流云團(tuán)G向東北方向移動(dòng),影響魯中、魯東南和半島地區(qū),至22:30發(fā)展最旺盛(圖5d),23時(shí)開始減弱、分裂,5h后移出山東省,結(jié)束影響。

本次自組織過程,發(fā)生在對(duì)流旺盛的7月8、9日,初始云塊為3個(gè),源地位于河北、魯西南及山東、河北交界。8日08時(shí)500hPa河套地區(qū)有高空槽東移,槽后有弱的冷平流,槽后弱冷空氣和副高邊緣西南暖濕氣流在山東交匯,低渦切變線是這次暴雨過程的主要影響系統(tǒng),有冷空氣從低渦后部侵入,使低渦斜壓性加強(qiáng),東移發(fā)展。同時(shí),初始云塊A、B、C之間平均距離為230km,預(yù)計(jì)有1個(gè)云塊未進(jìn)行自組織過程,云團(tuán)TBB最低值為-70℃左右,面積大小符合多單體發(fā)展演變統(tǒng)計(jì)范圍。因此,根據(jù)渦旋自組織動(dòng)力學(xué)研究成果,從中小尺度系統(tǒng)的角度出發(fā),結(jié)合前面較典型的云團(tuán)自組織個(gè)例,作為短時(shí)預(yù)報(bào)的判據(jù)和指標(biāo)。預(yù)報(bào)短時(shí)(0～12h)云塊A、B、C多單體移動(dòng)過程中很可能完成自組織,生成中尺度對(duì)流系統(tǒng)(M CS),造成山東省魯中、魯東南和半島地區(qū)的暴雨,預(yù)計(jì)云團(tuán)從生成到自組織9h左右;自組織完成后維持時(shí)間3h左右;1h最強(qiáng)降水可能出現(xiàn)在自組織完成時(shí)刻或其前后3h左右;自組織完成后較強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間為8h左右。

最強(qiáng)降水出現(xiàn)在8日20:00—21:00,魯西南濟(jì)寧曲阜最大,為48.4mm;自組織時(shí)刻8日17:00—18:00降水量強(qiáng)度大、范圍廣,聊城最大,為33.1 mm;完成自組織后強(qiáng)降水一直持續(xù)12h(圖6)。

經(jīng)檢驗(yàn),這次過程天氣形勢符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律,特別是西風(fēng)槽的存在。初始云塊生成源地及個(gè)數(shù)(3個(gè),統(tǒng)計(jì)為5個(gè))、距離、TBB最低值和生命史(13h,統(tǒng)計(jì)為11h)也與統(tǒng)計(jì)規(guī)律吻合。云團(tuán)從初始時(shí)刻到完成自組織時(shí)間為9h與統(tǒng)計(jì)規(guī)律完全吻合,1h最強(qiáng)降水出現(xiàn)在自組織完成后3h左右。

將渦旋自組織動(dòng)力學(xué)研究最新成果應(yīng)用到山東省災(zāi)害性天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中,有利于進(jìn)一步開拓思路、加強(qiáng)短時(shí)臨近預(yù)報(bào)和精細(xì)化預(yù)報(bào)方法研究,提高災(zāi)害性天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和有效預(yù)警區(qū)域、時(shí)效,為業(yè)務(wù)工作提供了強(qiáng)有力的科技支撐。

4 結(jié)論和討論

造成山東暴雨的云團(tuán)自組織過程多發(fā)生在7月;平均影響日期為7月17日;起始時(shí)刻平均為13時(shí)左右,初始云塊平均為5個(gè)左右,云團(tuán)之間平均距離為200km左右,約有1個(gè)云塊未進(jìn)行自組織過程,源地多發(fā)生在山東、河南、河北三省交界及魯西地區(qū)。初始時(shí)生成云團(tuán)TBB最低值平均為-70℃,自組織時(shí)云團(tuán)TBB最低值平均為-77.5℃,終態(tài)消亡時(shí)TBB最低值平均為-74℃。1h最強(qiáng)降水一般出現(xiàn)在自組織完成時(shí)刻或其前后3h左右,自組織完成后較強(qiáng)降水平均持續(xù)時(shí)間為8h左右。云團(tuán)從初始生成到自組織并直至消亡整個(gè)過程11h左右,其中從生成到自組織9h左右,完成自組織到消亡維持時(shí)間3h左右。終態(tài)渦面積大約30×104km2。

圖6 2009年7月8日17—18時(shí)(a)、20—21時(shí)(b)山東省1h降水量分布(單位:mm)Fig.6 The1-hr rainfall(mm)distributions(a)from17:00to18:00BST,and(b)from20:00to21:00BST8July 2009

本文將渦旋自組織應(yīng)用于山東夏季暴雨預(yù)報(bào),利用氣象衛(wèi)星資料對(duì)典型過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并試用。目前僅僅從云團(tuán)自組織的業(yè)務(wù)應(yīng)用方面進(jìn)行了初步研究探討。一方面在研究應(yīng)用中,認(rèn)識(shí)到強(qiáng)降水也不一定產(chǎn)生在兩個(gè)渦的合并之后,也發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)渦旋相互接近的過程中就已經(jīng)產(chǎn)生強(qiáng)降水了,也有少部分是在兩個(gè)渦合并后,渦旋的中心部位有強(qiáng)降水,因此,降水的具體量級(jí)和落區(qū)是個(gè)難點(diǎn);據(jù)個(gè)例分析,一次中尺度云團(tuán)的自組織的時(shí)間尺度約10 h左右,這對(duì)中尺度系統(tǒng)來講,背景場即環(huán)境場很重要,也即天氣尺度背景很重要,環(huán)境場地域、穩(wěn)定性、強(qiáng)度、移動(dòng)性等要特別關(guān)注。另一方面,從進(jìn)一步研究的角度考慮,需要同時(shí)研究云團(tuán)合并與渦旋合并以及兩者之間的配合和關(guān)系,通過分析自組織過程中的云團(tuán)以及與之相對(duì)應(yīng)的渦旋的尺度、強(qiáng)度、距離、面積和形態(tài)等之間的異同和關(guān)系,或能更好地應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)實(shí)踐。

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