銅仁2013年4月15日暴雨空報(bào)原因及診斷分析

楊 群

(貴州省銅仁市氣象臺，貴州 銅仁 554300)

1 引言

進(jìn)入汛期，暴雨是常見的災(zāi)害性天氣之一，暴雨的發(fā)生具有局地性、突發(fā)性和活動(dòng)規(guī)律多變等特點(diǎn)，對于暴雨的特點(diǎn)和形成原因，各地都有不同程度的研究結(jié)果。劉運(yùn)成［1］在研究青藏高原東側(cè)一次連續(xù)大暴雨過程濕Q矢量分析中得出，暴雨出現(xiàn)在濕Q矢量散度負(fù)值中心激發(fā)的非地轉(zhuǎn)上升氣流區(qū)附近;段海霞等［2］在研究川渝地區(qū)暴雨中，指出高低層強(qiáng)輻散、輻合及強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)為對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供有利的動(dòng)力背景，水汽通量的強(qiáng)輻合及對流不穩(wěn)定條件則提供了有利的熱力背景;毛冬艷等［3］對貴州南部出現(xiàn)的一次暴雨進(jìn)行了中尺度分析，結(jié)果表明，水汽和能量的聚集為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了有利的條件，地面中尺度低壓和輻合線觸發(fā)了對流的發(fā)展和暴雨的產(chǎn)生。

雖然在暴雨的發(fā)生發(fā)展及其機(jī)理方面有了一定的研究成果，但對于某一地區(qū)暴雨落區(qū)的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)仍是一個(gè)非常困難的問題，在預(yù)報(bào)中總會(huì)出現(xiàn)暴雨的空、漏報(bào)現(xiàn)象。為此也有不少工作者對其原因，從多方面進(jìn)行了分析研究［4－9］，總結(jié)出一些預(yù)報(bào)失誤原因和經(jīng)驗(yàn)。施望芝等［5］在研究強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報(bào)時(shí)，指出單站上空要有強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)，才有利強(qiáng)降水發(fā)生;否則即使強(qiáng)降水云團(tuán)經(jīng)過某站點(diǎn)上空 ，沒有上升運(yùn)動(dòng)相配合 ，強(qiáng)降水也不會(huì)發(fā)生。汪麗新［5］在研究本地局地大暴雨漏報(bào)原因中提出，預(yù)報(bào)中過于依賴數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，也是出現(xiàn)暴雨空漏報(bào)的一大原因，需增強(qiáng)主觀判斷能力，認(rèn)真修正數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

2013年4月15日夜間到16日白天銅仁地區(qū)暴雨預(yù)報(bào)出現(xiàn)了空報(bào)現(xiàn)象，本文在參考已有的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，結(jié)合本地實(shí)際情況，利用NCEP的1.0×1.0再分析資料，對此次暴雨空報(bào)過程，從環(huán)流形勢及物理要素進(jìn)行診斷分析，探討其原因。為日后暴雨的落區(qū)、落點(diǎn)預(yù)報(bào)提供啟示和參考。

2 降水預(yù)報(bào)與實(shí)況

2013年4月15日16時(shí)預(yù)報(bào)15日20時(shí)—16日20時(shí)，受高空槽、中低層切變的共同影響，銅仁市自西北向東南先后出現(xiàn)中等強(qiáng)度陣雨或雷陣雨天氣，雨量一般中雨，中北部大雨，局地暴雨，同時(shí)還伴有雷暴發(fā)生。但實(shí)況只在銅仁市西北部及北部出現(xiàn)了小到中雨，最大為德江泉口鄉(xiāng)16.5 mm;同時(shí)在北部沿河區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了雷電。圖1是降雨預(yù)報(bào)與實(shí)況對比圖。

圖1 2013年4月15日20時(shí)—16日20時(shí)銅仁市雨量預(yù)報(bào)(a)與實(shí)況圖(b)(單位:mm)

3 強(qiáng)降水預(yù)報(bào)思路分析

3.1 實(shí)況天氣形勢分析

根據(jù)4月15日08時(shí)500 hPa、700 hPa和850 hPa、地面圖(圖略)實(shí)況圖分析，在貴州東部高層有冷槽，高原南側(cè)有南支波動(dòng)槽東移;中層700 hPa貴州大部分地區(qū)為溫度脊控制，四川東部有一切變形成，并在貴州西部有14～20 m/s的急流建立;低層850 hPa川東南有低渦弱切變線，四川東部重慶、湖北、貴州為暖溫度中心控制;地面圖上高原至高原東部有弱冷空氣影響，未來將可能影響貴州中西部地區(qū)。由此在貴州東部，形成中低層暖、高層冷的形勢，有利于對流天氣出現(xiàn)。且考慮未來高原南支槽東移，中低層高原東部冷中心東移，700 hPa急流繼續(xù)北抬東移，將有利于冷暖空氣及水汽在貴州東北部交匯，形成明顯降水天氣過程。

3.2 比濕(Q)場的分析

Q值越大越有利于強(qiáng)降水天氣的發(fā)生，一般銅仁區(qū)域出現(xiàn)暴雨時(shí)850 hPa的Q值大多在8～12 g/kg之間或以上，700 hPa在 8 g/kg以上［11］。從 15日08時(shí)Q場(圖略)來看，與14日08時(shí)相比，700 hPa隨著貴州西部西南急流的建立，貴陽15日08時(shí)的Q值從14日08時(shí)的1 g/kg增加到5 g/kg，850 hPa也同樣有Q值從14日08時(shí)的6 g/kg增加到8 g/kg，空氣逐漸趨近飽和。挨近銅仁的懷化站850 hPa的Q值也從14日08時(shí)的5 g/kg增加到6 g/kg，銅仁東西兩站都表示較13日利于降水出現(xiàn)。

3.3 數(shù)值預(yù)報(bào)形勢場分析

參考4月14日20時(shí)、15日08時(shí)歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)資料，預(yù)報(bào)未來24 h的天氣形勢(圖2)。15日20時(shí)—16日08時(shí)500 hPa高原南支槽東移且有所加深，貴州為西偏南風(fēng)控制;700 hPa上15日20時(shí)在云南—廣西—貴州—湖南西部有大于12 m/s的急流區(qū)建立，銅仁位于急流區(qū)內(nèi)，切變線位于四川東部，銅仁區(qū)域的相對濕度達(dá)到100%，到16日08時(shí)急流區(qū)南壓，切變線也隨之南壓至貴州西北部;在850 hPa上15日20時(shí)同樣有從廣西到貴州東南部的風(fēng)速大于12 m/s的急流建立，切變線則位于貴州北部一帶，而到16日08時(shí)風(fēng)速再次加強(qiáng)北抬，切變線南壓到銅仁的中部一線，相對濕度快速增大到100%，銅仁大部位于急流左側(cè)，切變線東側(cè)。綜合高低層天氣形勢的演變來看，銅仁地區(qū)利于強(qiáng)降水天氣出現(xiàn)，但預(yù)報(bào)與實(shí)況相差較大。

圖2 2013年4月14日20時(shí)預(yù)報(bào)15日20時(shí)700 hPa、850 hPa環(huán)流形勢，4月15日08時(shí)預(yù)報(bào)16日08時(shí)700 hPa、850 hPa環(huán)流形勢圖(陰影區(qū)為相對濕度，單位:%)

3.4 垂直上升運(yùn)動(dòng)條件分析

在天氣形勢和水汽條件具備的情況下，強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)條件是水汽凝結(jié)成云，致使某地暴雨出現(xiàn)的重要條件。從 T639模式700 hPa垂直速度場來看(圖3)，2013年4月15日20時(shí)，在貴州北部出現(xiàn)了小于－12 pa·s－1的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，利于貴州北部上空出現(xiàn)水汽的凝結(jié);4月16日02時(shí)，垂直速度中心東移，在貴州東北部(銅仁區(qū)域)和重慶南部形成一中心值為－84 pa·s－1的大值區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)非常強(qiáng);到16日08時(shí)，垂直運(yùn)動(dòng)中心東移南壓，其垂直運(yùn)動(dòng)負(fù)值區(qū)，仍然控制銅仁中東部地區(qū)。所以考慮在銅仁北部有暴雨天氣出現(xiàn)。

圖3 2013年4月15日20時(shí)—16日08時(shí)T639垂直速度預(yù)報(bào)(單位:pa/s)

3.5 降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品分析

圖4給出了各類降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品預(yù)報(bào)24 h內(nèi)降水分布情況:貴州省氣象臺預(yù)報(bào)銅仁雨量一般大雨，中北部暴雨;WRF模式預(yù)報(bào)銅仁雨量大部中到大雨，中部偏北有大于32 mm的降水;T639預(yù)報(bào)銅仁北部有5～15 mm降水;日本預(yù)報(bào)銅仁小到中雨(6～14 mm)。幾種降水產(chǎn)品預(yù)報(bào)銅仁北部降水明顯，南部較弱。

圖4 2013年4月15日20時(shí)—16日20時(shí)雨量落區(qū)預(yù)報(bào)

4 暴雨空報(bào)診斷分析

4.1 環(huán)流形勢診斷分析

15日20時(shí)500hPa高度場(圖5a)，實(shí)況(虛線)顯示高原南支槽的位置比EC(歐洲)數(shù)值預(yù)報(bào)場(實(shí)線)偏西，貴州處于槽前的偏西氣流中，不利于水汽向貴州輸送;850 hPa(圖5b)形勢與EC數(shù)值預(yù)報(bào)基本一致，銅仁區(qū)域(方框內(nèi))的EC預(yù)報(bào)的相對濕度小于80%，實(shí)況則小于50%，銅仁區(qū)域上空非常干，無有利于降雨天氣出現(xiàn)的水汽條件;在700 hPa(圖5c)實(shí)況的切變線明顯比EC預(yù)報(bào)偏北，且相對濕度在銅仁區(qū)域(方框內(nèi))實(shí)況小于60%，而EC預(yù)報(bào)則大于90%?？偟膹母邔拥降蛯?，實(shí)況形勢場比EC預(yù)報(bào)偏西，對貴州影響較小，相對濕度干，銅仁上空水汽少，不利于暴雨天氣出現(xiàn)。由此可見EC預(yù)報(bào)明顯比實(shí)況偏強(qiáng)，預(yù)報(bào)中是過于依賴數(shù)值預(yù)報(bào)這也是導(dǎo)致出現(xiàn)空報(bào)的重要原因。

4.2 水汽條件診斷分析

4.2.1 相對濕度場分析 分析了銅仁上空700 hPa和850 hPa的相對濕度場(圖略)，發(fā)現(xiàn)低層850 hPa上15日20時(shí)、16日02時(shí)相對濕度都在70%以下，濕度條件非常不利于強(qiáng)降水的出現(xiàn);中層700 hPa除15日20時(shí)在銅仁西北部沿河一帶有大于90%的相對濕度外，其余時(shí)間相對濕度均小于80%。

同時(shí)分析了銅仁區(qū)域(27～29°N，107～109.5°E)相對濕度的時(shí)間—空間剖面圖(圖略)，發(fā)現(xiàn)此次過程中，只有在600 hPa以下出現(xiàn)了大于等于80%的相對濕度，濕層薄且相對濕度的值小，則這淺薄的低相對濕度不利于銅仁暴雨天氣出現(xiàn)。

圖5 2013年4月15日20時(shí)500hPa高度場實(shí)況(實(shí)線)和 EC預(yù)報(bào)(虛線)對比;700hPa、850hPa風(fēng)場實(shí)況(粗實(shí)線)和EC預(yù)報(bào)(細(xì)實(shí)線)、相對濕度實(shí)況(實(shí)線)和EC預(yù)報(bào)(填色≥80%)對比

4.2.2 水汽通量和水汽通量散度場分析 暴雨的產(chǎn)生除了當(dāng)?shù)匾邢喈?dāng)高的飽和濕度外，常常需要有大量的水汽源源不斷輸送，并在本地上空形成水汽的輻合。圖6顯示，15日20時(shí)850 hPa在廣西至貴州中東部有一中心為14 g/(s·hPa·cm)水汽通量高值區(qū)建立，這說明自廣西到貴州一帶建立起一條水汽輸送帶，使得南部水汽得以向北輸送到貴州中東部，這條水汽輸送帶隨著時(shí)間推移逐漸南壓，且中心值逐漸增強(qiáng);到16日02時(shí)中心強(qiáng)度由14 g/(s·hPa·cm)增強(qiáng)到 22 g/(s·hPa·cm)，水汽向北的輸送增強(qiáng);到16日08時(shí)后東移南移出銅仁地區(qū)。

圖6 4月15日20時(shí)(a)、16日02時(shí)(b)、16日08時(shí)(c)850 hPa水汽通量場圖(單位:g/(s·hPa·cm))

水汽通量的數(shù)值和方向只能表示水汽的來源，要產(chǎn)生暴雨本地上空還必須有水汽的累積，因此分析了表示水汽輸送集中程度的物理量—水汽通量散度，圖7為沿28°N作的水汽通量散度場，發(fā)現(xiàn)15日20時(shí)銅仁上空低層在900 hPa高度層上的輻合非常弱，西部為20～40×10－6g/(hPa·cm2·s)之間，東部只有 10 ×10－6g/(hPa·cm2·s)，高層 700～600 hPa之間有一輻散中心，西部為40×10－6g/(hPa·cm2·s)，東部為 10 ×10－6g/(hPa·cm2·s)，這種高低層水汽輻散、輻合相當(dāng)?shù)男蝿?，不利于大量水汽在本區(qū)域的輻合。到16日02時(shí)西部形成了低層輻合大于高層輻散值，東部低層則出現(xiàn)了輻散值，此時(shí)段西部有降水出現(xiàn)，東部無降水。16日08時(shí)銅仁西部高層輻散和低層輻合都明顯減弱，東部低層輻散增大。由此可見在銅仁區(qū)域有低層水汽通道的建立，但是在本地上空的水汽輻合非常弱，不利于暴雨天氣出現(xiàn)。

圖7 4月15日20時(shí)(a)、16日02(b)、16日08時(shí)(c)沿28°N的水汽通量散度垂直分布圖(單位:10－6g/(hPa·cm2·s))

4.3 垂直速度場分析

除了源源不斷的水汽輸送外，也需要強(qiáng)烈的動(dòng)力抬升條件，才能使水汽抬升凝結(jié)成云降雨，因此強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)也是造成暴雨的另一個(gè)重要條件。分析銅仁區(qū)域(27～29°N，107 ～109.5°E)上空平均的垂直上升運(yùn)動(dòng)時(shí)間—空間剖面圖(圖8)，在15日12時(shí)，從低層往高層有一負(fù)值垂直速度區(qū)，最強(qiáng)的在850 hPa為－60×10－2pa/s，表明在此時(shí)段銅仁區(qū)域上空整層為上升氣流區(qū)，有動(dòng)力不穩(wěn)定條件產(chǎn)生，所以降水天氣有可能發(fā)生。經(jīng)驗(yàn)表明，即使有強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)在銅仁上空，但水汽不足時(shí)，不利于水汽抬升形成強(qiáng)降水天氣。在15日20時(shí)后整層垂直上升速度逐漸減弱，特別是16日02時(shí)后，垂直上升運(yùn)動(dòng)迅速減小。強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間非常短，這也是沒有出現(xiàn)暴雨的一個(gè)條件。

圖8 2013年4月15日08時(shí)—16日14時(shí)垂直速度時(shí)間—空間剖面圖(單位:10－2 pa/s)

3.4 不穩(wěn)定能量條件分析

強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)，只有在不穩(wěn)定能量建立釋放時(shí)才能形成。若以(即△θ=θ －θ)表sese500se850示大氣對流穩(wěn)定度，當(dāng)△θse＞0時(shí)為穩(wěn)定層結(jié)，△θse＜0時(shí)為不穩(wěn)定層結(jié)。從不同時(shí)刻△θse的變化可知(圖9)，15日20時(shí)△θse＜0的不穩(wěn)定區(qū)位于貴州中西部大部地區(qū)，銅仁中西部位于－6℃的弱對流不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。到16日02時(shí)不穩(wěn)定區(qū)快速南壓，影響貴州南部區(qū)域，銅仁大部轉(zhuǎn)為△θse＞0的對流穩(wěn)定區(qū)控制，16日08時(shí)穩(wěn)定中心區(qū)域再次南壓擴(kuò)大，銅仁的穩(wěn)定中心由0℃增加到2℃，大氣層結(jié)進(jìn)一步趨于穩(wěn)定，不利于對流天氣發(fā)展。

圖9 4月15日20時(shí)(a)、16日02時(shí)(b)、16日08時(shí)(c)△θse場分布圖

5 小結(jié)

上述分析得出，此次天氣過程雖從大的環(huán)流形勢上有利于降水出現(xiàn)的條件，但是單要素分析，特別是水汽條件如比濕、相對濕度的分析則非常不利于暴雨天氣出現(xiàn)，這是在做預(yù)報(bào)時(shí)未能認(rèn)真分析診斷，而導(dǎo)致暴雨預(yù)報(bào)空報(bào)的重要原因;同時(shí)各家數(shù)值預(yù)報(bào)對降水量級預(yù)報(bào)偏大，特別是Wfr的預(yù)報(bào)偏大了一到兩個(gè)量級、T639數(shù)值物理量預(yù)報(bào)偏強(qiáng)，也是導(dǎo)致對天氣形勢判斷失誤，從而出現(xiàn)對降水量級預(yù)報(bào)過大的原因之一。

因此，對于這種局地性的暴雨預(yù)報(bào)，需要認(rèn)真分析天氣形勢是否支持預(yù)報(bào)暴雨天氣發(fā)生的可能，是否有物理量場支持降水天氣系統(tǒng)和降水的發(fā)展和加強(qiáng)。同時(shí)要通過診斷，認(rèn)真分析能量、動(dòng)力、水汽條件是否滿足強(qiáng)降水天氣發(fā)生的條件。目前，數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的種類較多，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也在不斷提高。但是，各家數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在預(yù)報(bào)某一地區(qū)和某一要素時(shí)，它們的差別還是較大的。所以 ，在實(shí)際預(yù)報(bào)工作中，還需要針對多個(gè)歷史個(gè)例的進(jìn)行總結(jié)分析，總結(jié)出各地區(qū)、各種災(zāi)害性天氣發(fā)生的要素指標(biāo)，為將來災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)做好基礎(chǔ)。

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