基于暴雨動力因子的2011年9月秋淋天氣預(yù)報檢驗分析

屈麗瑋 梁生俊

摘要

對2011年9月陜西歷史罕見的強(qiáng)秋淋天氣中的暴雨天氣過程中暴雨動力因子的預(yù)報情況進(jìn)行了檢驗分析，發(fā)現(xiàn)暴雨動力因子預(yù)報場有較好的表現(xiàn)，對系統(tǒng)的出現(xiàn)時間、位置和移動趨勢均有較準(zhǔn)確的預(yù)報；對流渦度矢量閾值能達(dá)20×10-8K/（Pa·s），濕熱力平流閾值可達(dá)25×10-13K2/（m2·s），質(zhì)量散度的閾值達(dá)10×10-6 s-1。對不同的過程，動力因子的預(yù)報能力是不同的；對于區(qū)域性的暴雨和大暴雨過程，該系統(tǒng)的預(yù)報效果好；動力因子的移動趨勢和強(qiáng)度變化表現(xiàn)較好，能反映出系統(tǒng)的生成和演變。集合動力因子綜合熱力、動力、水汽等物理量，能給出更多的預(yù)報信息，合理利用多種因子對天氣過程進(jìn)行綜合分析，能協(xié)助預(yù)報員進(jìn)行科學(xué)決策。

關(guān)鍵詞 秋淋；暴雨動力因子；對流渦度矢量；濕熱力平流；質(zhì)量散度

中圖分類號 S161.6；P458.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）26-09069-04

華西秋雨，在陜西省也被稱為“秋淋”，是指在8月中旬以后，西太平洋副熱帶高壓南退時，在長江以南駐留期間，其西部邊緣攜帶大量暖濕氣流，與北部持續(xù)不斷分裂南下的冷空氣在陜西中南部上空匯合，形成持續(xù)時間長、強(qiáng)度大的連陰雨過程。2011年9月，陜西出現(xiàn)了強(qiáng)秋淋天氣，降水從3日持續(xù)到20日，歷時18 d。其中9月3～8、9～14和16～18日陜西連續(xù)3次出現(xiàn)區(qū)域性暴雨天氣過程，持續(xù)時間長、暴雨站數(shù)多，歷史罕見，關(guān)中大部、陜南大部出現(xiàn)暴雨和大暴雨天氣。全省平均降水量創(chuàng)1961年以來同期最多，是常年同期的3.7倍。山體滑坡和塌方災(zāi)害不斷出現(xiàn)，渭河、漢江流域出現(xiàn)嚴(yán)重汛情，公路被洪水沖毀，數(shù)十萬人被緊急撤離，秋糧作物大面積減產(chǎn)，因災(zāi)死亡58人，直接經(jīng)濟(jì)損失80多億元。

集合動力因子暴雨預(yù)報技術(shù)作為暴雨預(yù)報技術(shù)的重要補(bǔ)充，已經(jīng)展開了一些研究。它是分解技術(shù)與組合技術(shù)在暴雨分析與預(yù)報中應(yīng)用的成果，由中科院大氣物理研究所高守亭教授團(tuán)隊開發(fā)，在北京、貴州、吉林等省份已投入業(yè)務(wù)使用，有較好的預(yù)報效果^[1-5]。陜西于2010年投入業(yè)務(wù)使用，經(jīng)初步檢驗對陜西汛期暴雨預(yù)報效果良好^[6-7]。冉令坤等研究指出對流渦度矢量垂直分量、濕熱力平流參數(shù)和波作用密度等動力因子對降水的量級和范圍有一定的指示意義，其動態(tài)演變可以作為一個預(yù)示強(qiáng)降水系統(tǒng)發(fā)展演變的指標(biāo)^[1]；趙宇等對華北地區(qū)一次大范圍的大到暴雨天氣過程進(jìn)行診斷研究，得出對流渦度矢量的垂直分量與云和降水密切相關(guān)^[2]。筆者對2011年9月陜西強(qiáng)秋淋天氣中的暴雨天氣過程中暴雨動力因子的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行檢驗分析，重點分析各因子大值區(qū)與暴雨落區(qū)的對應(yīng)關(guān)系，總結(jié)秋季連陰雨暴雨動力因子閾值，檢驗系統(tǒng)中動力因子的預(yù)報效果，為陜西暴雨預(yù)報提供參考。

1 降水天氣背景

2011年9月秋淋天氣發(fā)生期間，巴爾喀什湖到新疆維持一個完整強(qiáng)盛阻塞高壓，其前部不斷有冷空氣東移南壓，在青藏高原上不斷有高原槽生成并東移，再加上西太平洋副熱帶高壓在四川、湖北一帶穩(wěn)定少動，其西側(cè)西南暖濕氣流持續(xù)，這樣造成冷暖空氣在陜西中南部上空交匯，形成有利于連陰雨天氣形成的環(huán)流背景。后期大氣環(huán)流形勢調(diào)整，阻塞高壓被破壞，西南暖濕氣流減弱，連陰雨基本結(jié)束。

2 暴雨動力因子預(yù)報檢驗分析

2.1 暴雨動力因子的選取及其公式

暴雨動力因子能夠準(zhǔn)確地描述暴雨過程中某些動力場、熱力場和水汽場的典型結(jié)構(gòu)特征，暴雨動力因子的發(fā)展、移動與降水系統(tǒng)的發(fā)展和移動存在較好的對應(yīng)關(guān)系，綜合分析各動力因子可以預(yù)報未來暴雨的強(qiáng)度和落區(qū)以及降水系統(tǒng)的發(fā)展和移動方向。通過陜西省2010年汛期以來的業(yè)務(wù)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)非均勻飽和濕熱力平流參數(shù)、對流渦度矢量、質(zhì)量散度等因子與強(qiáng)降水落區(qū)和強(qiáng)度有較好的對應(yīng)關(guān)系，在此選取以上3個動力因子進(jìn)行分析。

2.1.1

非均勻飽和濕熱力平流參數(shù)（summtp）。

非均勻飽和濕熱力平流參數(shù)是三維位溫平流的水平梯度與廣義位溫水平梯度的標(biāo)量積，簡稱為濕熱力平流。積分形式可寫為：summtp=-

∫500hPa850hPaρ|h（-v·θ）·hθ*|dp，其中，ρ為濕空氣密度（kg/m3），v為速度矢量（m/s），θ、θ*分別為位溫（K）和廣義位溫（K）。summtp為濕熱力平流參數(shù)，單位是K2/（m2·s），它是與位溫的水平梯度、比濕、飽和比濕及自由對流高度層的溫度有關(guān)的表征鋒面附近不連續(xù)物質(zhì)面的項，能表現(xiàn)鋒區(qū)的熱力及水汽分布特征。這項用廣義濕位溫梯度與干冷平流梯度相結(jié)合的濕熱力平流參數(shù)預(yù)報新技術(shù)，能夠較好地解決西風(fēng)槽暴雨的落區(qū)預(yù)報問題。

2.1.2

對流渦度矢量的垂直積分（sumcvz）。高守亭等將位渦定義廣義化，即把位勢渦度定義中渦度矢量和位溫梯度的點乘改為叉乘得到了一個新的物理量，稱為對流渦度矢量（CVZ）^[8-9]。這里的CVZ是渦度矢量與廣義位溫梯度的矢量積的垂直分量?？捎霉紺VZ=ζv×θe表示，積分形式為：sumcvz=-

2.2 暴雨動力因子檢驗

2.2.1

2011年9月3～8日強(qiáng)降水過程。9月3～8日是此次秋淋天氣的第1個降水時段。關(guān)中大部降水量在100.0 mm以上，最大為寶雞162.9 mm；陜南西部降水量60～80 mm、中東部普遍大于100.0 mm，最大為鎮(zhèn)巴162.5 mm；全省79縣區(qū)大于50.0 mm，其中有37縣區(qū)大于100.0 mm，降水主要集中在關(guān)中中西部和陜南中東部。其中，9月5日降水最強(qiáng)，關(guān)中大部和陜南東部局地出現(xiàn)暴雨，關(guān)中有33縣區(qū)出現(xiàn)暴雨，眉縣100.8 mm，陜南出現(xiàn)2縣區(qū)暴雨；9月6日，陜南有8縣區(qū)出現(xiàn)暴雨，含2站大暴雨（紫陽127.2 mm、鎮(zhèn)巴114.3 mm）。

9月5日11：00～14：00，陜北南部、關(guān)中大部出現(xiàn)降水，寶雞中部3 h降水量>20 mm（圖1a），在對流渦度矢量場上（圖1b₁），大值區(qū)位于陜北南部和關(guān)中一帶，與降水場的位置是一致的，在咸陽北部出現(xiàn)了18×10-8 K/（Pa·s）的極大值，在寶雞西部有極值為15×10-8 K/（Pa·s）的大值中心，較強(qiáng)降水中心的位置偏西，對流渦度矢量的大值區(qū)與強(qiáng)降水位置對應(yīng)是比較一致的；在濕熱力平流場上（圖1b₂），中心最大值為25×10-13 K2/（m2·s），位于咸陽北部，大于10×10-13 K2/（m2·s）的區(qū)域在陜北南部和關(guān)中，與雨帶位置一致；質(zhì)量散度場上（圖1b₃），大值中心位于寶雞東北部，較前2個動力因子偏西，與實況更為接近，中心最大值達(dá)10×10-6 s-1。

5日14：00～17：00，全省的雨帶位置較前3 h略向南移動，位于陜北南部和關(guān)中，降雨強(qiáng)度有所減弱，3 h累計最大降水量在20 mm以下，大于10 mm的雨帶位于關(guān)中中西部地區(qū)；對應(yīng)17：00動力因子預(yù)報場上，對流渦度矢量場也表現(xiàn)出向南移動和減弱的趨勢，大于18×10-8 K/（Pa·s）的極大值中心向東移動至渭南，大于12×10-8 K/（Pa·s）的區(qū)域位于關(guān)中中西部大部地區(qū)；濕熱力平流場上，系統(tǒng)在向南移動，同時中心強(qiáng)度減弱，大于10×10-13 K2/（m2·s）的區(qū)域覆蓋關(guān)中大部，與實況場較一致；質(zhì)量散度也表現(xiàn)為強(qiáng)度減弱和系統(tǒng)南壓的特征。9月6日08：00～11：00（圖2），降水出現(xiàn)在陜北南部、關(guān)中南部和陜南，強(qiáng)降水區(qū)位于漢中東南部和安康西南部，較前一時段向東移動；在動力因子預(yù)報場上，物理量也表現(xiàn)出了東移的趨勢，對流渦度矢量大值區(qū)位于陜南西南部至關(guān)中東部一帶，中心極值為18×10-8 K/（Pa·s），降水區(qū)域較實況偏北偏西；濕熱力平流場上，中心極大值為15×10-13 K2/（m2·s），較前一時次強(qiáng)度有所減弱，但范圍擴(kuò)大，與實況更為接近，位于關(guān)中南部至陜南南部一帶，較實況偏北；質(zhì)量散度場也向東移，除陜南西部外，在陜南中部出現(xiàn)一個中心強(qiáng)度為8×10-6s-1的新的大值區(qū)。6日11：00～14：00，強(qiáng)降水在繼續(xù)發(fā)展，強(qiáng)雨帶向東移動，移至安康南部，雨帶范圍與上一時段相同；在動力因子預(yù)報場上，動力因子繼續(xù)向正東移動，對流渦度矢量大值區(qū)移至商洛地區(qū)，中心極大值為18×10-8 K/（Pa·s）；濕熱力平流場上位置相似，中心極大值為15×10-13 K2/（m2·s），質(zhì)量散度大值區(qū)維持在隴南-陜南西部一帶，該時段動力因子預(yù)報場延續(xù)上一時段的特點，較實況偏北，從向東移動的趨勢看，較實況偏快。

2.2.3

2011年9月16～19日強(qiáng)降水。 9月16～19日，全省大部出現(xiàn)降水，該時段為此次秋淋天氣的第3個降水時段，陜北北部普遍小雨10 mm，陜北南部降水量20.4～78.4 mm，最大黃陵；關(guān)中大部在50 mm以上，最大周至156.9 mm；陜南中部普遍大于100 m，最大鎮(zhèn)巴（250.4 mm）。全省75縣區(qū)降水量大于50 mm，其中26縣區(qū)降水量大于100 mm，主要位于關(guān)中南部和陜南中部。

9月18日02：00～05：00（圖4），除陜北北部外，全省均出現(xiàn)降水，強(qiáng)降水帶位于陜南南部，鎮(zhèn)巴3 h降水量為24.5 mm。從18日08：00 24 h降水量可以看出，在這一時段內(nèi)，四川北部的降水強(qiáng)度大，在東北部有7站降水>100 mm，最大276 mm，這一時段的動力因子預(yù)報，強(qiáng)度也明顯強(qiáng)于前2次過程；對流渦度矢量在陜南西南-四川北部出現(xiàn)了45×10-8 K/（Pa·s）的極大值中心，大于10×10-8 K/（Pa·s）的區(qū)域與降水帶位置對應(yīng)較好，極大值中心與強(qiáng)降水落區(qū)位置對應(yīng)準(zhǔn)確，但強(qiáng)度偏大；在濕熱力平流場上，在安康南部出現(xiàn)了大于20×10-13 K2/（m2·s）的極大值，中心最大值為25×10-13 K2/（m2·s），位置較強(qiáng)降水中心偏東；在質(zhì)量散度場上，大值中心落區(qū)與實況較接近，中心最大值達(dá)20×10-6s-1，這個時次預(yù)報場的值明顯偏大，為前2次強(qiáng)降水的2倍。說明暴雨動力因子對于降雨強(qiáng)度很敏感。

18日05：00～08：00，降水持續(xù)，在關(guān)中南部和陜南西部大部地區(qū)出現(xiàn)了大于10 mm的降水，強(qiáng)降水出現(xiàn)在寧強(qiáng)，3 h降水量為21.5 mm；動力因子預(yù)報場上，對流渦度矢量極大值為36×10-8 K/（Pa·s），較上一時次減弱，但強(qiáng)度仍較強(qiáng)，系統(tǒng)位置維持不變，大值區(qū)與強(qiáng)降水位置對應(yīng)較準(zhǔn)確；濕熱力平流的強(qiáng)度也表現(xiàn)出減弱的趨勢，極大值達(dá)15×10-13 K2/（m2·s），分別位于漢中西部、西安東部和陜南東部；質(zhì)量散度降至16×10-6s-1，大值區(qū)位置與實況接近。

18日08：00～11：00，降水仍發(fā)生在陜北南部、關(guān)中和陜南，寧強(qiáng)和鎮(zhèn)巴3 h降水量分別為24.7、22.6 mm，強(qiáng)降水仍在陜南南部維持；對流渦度矢量場上，在陜南仍維持18×10-8 K/（Pa·s）的大值區(qū)，在商洛以東有新的大值系統(tǒng)生成；濕熱力平流場上，大值中心位于關(guān)中、陜南西部，達(dá)15×10-13 K2/（m2·s）以上；質(zhì)量散度場強(qiáng)中心位置不變，位于陜南西南-四川東北部一帶，該時次暴雨動力因子預(yù)報場基本與實況一致。

3 結(jié)論

從暴雨落區(qū)、強(qiáng)度和時段對比分析了2011年9月陜西強(qiáng)秋淋天氣中幾個強(qiáng)暴雨時段與該強(qiáng)暴雨時段相對應(yīng)的暴雨動力因子預(yù)報情況進(jìn)行了檢驗分析，通過對比分析得出以下結(jié)論。

（1）對不同的過程，動力因子的預(yù)報能力是不同的。對于范圍較大的持續(xù)性的短時強(qiáng)降水，如區(qū)域性的暴雨和大暴雨過程，該系統(tǒng)的預(yù)報效果好。動力因子的移動趨勢和強(qiáng)度變化表現(xiàn)較好，能反映出系統(tǒng)的生成和演變。動力因子比較適合預(yù)報有組織的系統(tǒng)性比較強(qiáng)的降水系統(tǒng)。

（2）對此次強(qiáng)秋淋天氣中的暴雨，暴雨動力因子預(yù)報場有較好的表現(xiàn)。對系統(tǒng)的出現(xiàn)時間、位置和移動趨勢均有較準(zhǔn)確的預(yù)報，此次過程中出現(xiàn)的暴雨與盛夏暴雨的特點有所不同，對于這種秋季連陰雨中的暴雨，沒有出現(xiàn)某些時次的降水特別強(qiáng)，而是24 h內(nèi)均勻連續(xù)的降水造成降水量超過50 mm。短時強(qiáng)降水的出現(xiàn)較盛夏暴雨來說，強(qiáng)度弱、范圍小、

出現(xiàn)頻次少，對此，與盛夏暴雨相比，暴雨動力因子強(qiáng)度明顯較弱，對流渦度矢量極大值能達(dá)20×10-8 K/（Pa·s），濕熱力平流可達(dá)25×10-13 K2/（m2·s），質(zhì)量散度的閾值達(dá)10×10-6s-1。從雨帶的范圍來講，暴雨動力因子的范圍大小，與實況的一致性較高，動力因子的大值區(qū)對應(yīng)的是降水落區(qū)，但從中心強(qiáng)度的位置來講，準(zhǔn)確性不穩(wěn)定。對于較強(qiáng)的暴雨系統(tǒng)，預(yù)報相對較準(zhǔn)，對于隨機(jī)性大、持續(xù)時間短的系統(tǒng)，則準(zhǔn)確性較差，誤差較大時可達(dá)2～3個經(jīng)距。

（3） 集合動力因子綜合熱力、動力、水汽等物理量，能給出更多的預(yù)報信息，合理利用多種因子對天氣過程進(jìn)行綜合分析，能協(xié)助預(yù)報員進(jìn)行科學(xué)決策。另外，對于某些過程的預(yù)報，準(zhǔn)確性不是很高，報出了系統(tǒng)的存在，但位置的準(zhǔn)確性較差，其中的原因還有待進(jìn)一步的研究。

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