一次短時強(qiáng)降水過程的集合動力因子解釋應(yīng)用

李 燁， 云 天，王曉明

(1.吉林省氣象局，吉林長春 130062；2.吉林省氣象臺，吉林長春 130062)

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一次短時強(qiáng)降水過程的集合動力因子解釋應(yīng)用

李 燁1， 云 天2，王曉明2

(1.吉林省氣象局，吉林長春 130062；2.吉林省氣象臺，吉林長春 130062)

利用吉林省數(shù)值預(yù)報集合動力因子預(yù)報系統(tǒng)資料和NCEP 1°×1°資料，針對2014年8月23～25日期間吉林省的幾次短時強(qiáng)降水天氣落區(qū)預(yù)報與吉林省數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品之集合動力因子進(jìn)行解釋應(yīng)用。結(jié)果表明，集合動力因子對短時強(qiáng)降水的落區(qū)預(yù)報有一定的指示意義，但整體較實(shí)際落區(qū)偏西；集合動力因子預(yù)報的單中心對降水落區(qū)的指示意義比較明確，西部單中心因子較多；多數(shù)集合動力因子在降水過程中均表現(xiàn)為衰減過程，只有個別情況動力因子信號有所增強(qiáng)；山區(qū)集合動力因子表現(xiàn)為較弱信號時也有短時強(qiáng)降水產(chǎn)生。

集合動力因子；短時強(qiáng)降水；落區(qū)；解釋應(yīng)用

隨著數(shù)值天氣預(yù)報模式的改進(jìn)和預(yù)報員對模式性能的了解以及對降水過程機(jī)理理解的更加深入，短期降水預(yù)報的準(zhǔn)確率穩(wěn)步提升。但對于強(qiáng)對流天氣引起的短時強(qiáng)降水，由于造成降水的中尺度天氣系統(tǒng)空間尺度較小，生命史較短，降水具有局地性和短時間性等特征，預(yù)報難度大大提高。降水的預(yù)報分為落區(qū)預(yù)報與強(qiáng)度預(yù)報，其中落區(qū)預(yù)報失誤是降水預(yù)報失誤中最常見的一類[1-2]。吉林省降水類型多樣，不同降水類型的形成機(jī)制各異，但它們的天氣背景有一些共同特征。集合動力因子并結(jié)合暴雨動、熱力學(xué)特點(diǎn)，充分利用數(shù)值模式對溫、濕、壓、風(fēng)等基本氣象要素預(yù)報比較準(zhǔn)確的優(yōu)勢，建立多個包含動力、熱力和水汽等信息的、有明確物理意義的動力因子，因此在降水落區(qū)方面，集合動力因子的預(yù)報技巧比模式自身的降水預(yù)報技巧略有優(yōu)勢[3]。Lilly[4]在分析對流體運(yùn)動過程中首先使用螺旋度來描述風(fēng)場的旋轉(zhuǎn)性。Gao等[5]提出了對流渦度矢量(CVV)的概念，認(rèn)為CVV能夠比位渦更好地表示深對流系統(tǒng)的發(fā)展。

2014年8月23～25日吉林省大部分地區(qū)出現(xiàn)短時降水，其中雨強(qiáng)>20 mm/h的降水站有柳河、輝南、和龍、前郭、乾安、梨樹、遼源和孤家子，這些降水站的分布比較分散，分別位于吉林省的南部、西部和中部。這些短時強(qiáng)降水發(fā)生在一次降水過程中，天氣尺度影響系統(tǒng)相同，如果忽略天氣尺度系統(tǒng)發(fā)展的不同階段對降水的影響，將此次過程根據(jù)地理位置分為西部平原地區(qū)、中部丘陵地帶和東部山區(qū)的短時強(qiáng)降水。筆者以此次降水過程的3個不同地形地區(qū)的短時強(qiáng)降水為研究對象來分析吉林省的集合動力因子的預(yù)報效果。

1 降水過程簡介

2014年8月23～25日，受500 hPa西風(fēng)槽和低層西南暖濕氣流的共同影響(圖1)，在吉林省多地出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水天氣，小時雨強(qiáng)最大出現(xiàn)在乾安，為45.8 mm/h，其次為柳河(42.9 mm/h)和孤家子(38.1 mm/h)。

8月23日14：00～20：00吉林省受南支槽前的正渦度平流影響，低層在吉林省南部出現(xiàn)明顯的西南風(fēng)風(fēng)速輻合(圖1a1、b1)[6]，導(dǎo)致14：00柳河、輝南出現(xiàn)短時強(qiáng)降水(圖2a)；24日14:00～17:00南支槽和北支槽合并，低層在吉林省西部出現(xiàn)明顯的西北風(fēng)和南風(fēng)輻合(圖1a2、b2)，因此在前郭、乾安等地出現(xiàn)短時強(qiáng)降水(圖2b、c)；至25日凌晨，之前生成的閉合冷中心卷攜冷空氣南壓，低層的輻合切變也隨之南壓至中部地區(qū)(圖1a3、b3)，致使梨樹、遼源和孤家子等多地出現(xiàn)短時強(qiáng)降水(圖2d)。

2 集合動力因子特征分析

2.1 動力因子特征統(tǒng)計(jì)分析

分析發(fā)現(xiàn)(表1)，幾乎所有的動力因子的預(yù)報均較降水站偏西，部分動力因子預(yù)報有多個中心，另外一部分動力因子只有一個中心。與螺旋度有關(guān)的4個動力因子(Hel、HelDen、HelQv、HelTh)在西部和南部的短時強(qiáng)降水預(yù)報中均沒有表現(xiàn)；二級位渦(SecPV)、濕熱力平流參數(shù)(Mtp)、垂直濕熱力平流參數(shù)(VMtp)這3個動力因子在南部的短時強(qiáng)降水中沒有表現(xiàn)，在西部和中部均有表現(xiàn)；水汽-垂直速度波作用密度(WaveQv)在西部的短時強(qiáng)降水中沒有表現(xiàn)。針對西部的短時強(qiáng)降水總共有12個動力因子有表現(xiàn) ，其中單中心的因子有5個，多中心的有7個；針對中部的短時強(qiáng)降水總共有17個動力因子有表現(xiàn) ，單中心的因子有11個，多中心的有6個；針對南部的短時強(qiáng)降水總共有10個動力因子有表現(xiàn) ，單中心的因子有6個，多中心的有4個。單中心對降水落區(qū)的指示意義比較明確，之所以中部單中心因子較多，可能與中部短時降水的動力、熱力條件

表1 集合動力因子特征統(tǒng)計(jì)

注：多是指多中心，單是指單中心。

配合較好有關(guān)。因?yàn)橹胁堪l(fā)生短時強(qiáng)降水時高層有明顯的冷空氣南下，低層有明顯的切變生成。說明動力因子的指示意義是否明確與天氣系統(tǒng)的熱動力配置也有關(guān)系。在先后出現(xiàn)3次短時強(qiáng)降水中均有表現(xiàn)的動力因子有Cvz、DivQ、TSap、Vor2、WaveDen、WavePte、WavePtQv、WavePvPte、WalphaDiv，占分析總數(shù)的53%。集合動力因子的中心最大值在出現(xiàn)短時強(qiáng)降水時表現(xiàn)均比較集中。

2.2 動力因子與短時強(qiáng)降水落區(qū)的關(guān)系

選擇對先后出現(xiàn)的3次短時強(qiáng)降水均有表現(xiàn)的9個動力因子(Cvz、DivQ、TSap、Vor2、WaveDen、WavePte、WavePtQv、WavePvPte、WalphaDiv)分析其與短時強(qiáng)降水的落區(qū)關(guān)系。

2.2.1 對流渦度矢量(Cvz)。Cvz高值區(qū)大致能夠反映實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域，其覆蓋范圍較雨區(qū)偏大、位置偏南，對于短時強(qiáng)降水落區(qū)有一定的預(yù)報意義。極值中心與實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系并不十分顯著，但總體上，Cvz的分布能夠?yàn)閺?qiáng)降水落區(qū)提供信號，在強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報方面具有一定的指示意義。Cvz在3次短時強(qiáng)降水中均表現(xiàn)有減弱的趨勢。以23日為例，對南部降水的落區(qū)Cvz有指示意義的也不是最大中心值，而是一較弱的對流渦度矢量區(qū)，23日11：00～14：00其值由6×10-3～8×10-3(K·Pa)/(m·s)減弱為4×10-3～6×10-3(K·Pa)/(m·s)，降水過程中Cvz有所減弱;17:00～20:00中心位置略有東移(圖3)。

2.2.2 Q矢量散度(DivQ)。 DivQ高值區(qū)大致能夠反映實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域，其覆蓋范圍較雨區(qū)偏大、位置偏西，對于短時強(qiáng)降水落區(qū)有一定的預(yù)報意義。對中西部強(qiáng)降水極值中心與實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系比較顯著，DivQ的分布能夠?yàn)閺?qiáng)降水落區(qū)提供信號，而南部這種對應(yīng)關(guān)系較差，在強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報方面具有一定的指示意義。這與低層影響系統(tǒng)的輻合程度有關(guān)，中西部是受輻合切變影響，而南部是受風(fēng)速輻合的影響。DivQ也在3次短時強(qiáng)降水中均表現(xiàn)梯度減小，強(qiáng)度變化不大。如24日，對西部降水的落區(qū)DivQ有指示意義，中心最大值為14×10-15～16×10-15hPa-1·s-1(圖4)。

2.2.3 熱力切變平流參數(shù)(TSap)。TSap高值區(qū)大致能夠反映實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域，其覆蓋范圍較雨區(qū)偏大、位置偏西，對于短時強(qiáng)降水落區(qū)有一定的預(yù)報意義。對南部強(qiáng)降水極值中心與實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系比較顯著，而中西部不是十分明顯，在強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報方面具有一定的指示意義?？傮w來看，在中南部的降水過程 TSap有明顯的減弱而中部正好相反(圖5)。23日11：00～20：00中心值由10×10-8～11×10-8K/(Pa·s)減小為2×10-8～4×10-8K/(Pa·s)(圖5)。

2.2.4 斜壓渦度(Vor2)。 Vor2高值區(qū)大致能夠反映實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域，其覆蓋范圍較雨區(qū)偏廣、位置偏西，對于短時強(qiáng)降

水落區(qū)有一定的預(yù)報意義。極值中心與實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系并不十分顯著，但總體上，Vor2的分布能夠?yàn)閺?qiáng)降水落區(qū)提供信號，在強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報方面具有一定的指示意義。Vor2在3次短時強(qiáng)降水中均表現(xiàn)有減弱的趨勢。以23日為例，11：00～20：00其值為由15×10-10～20×10-10(K·Pa)/(m2·s2)減弱為6×10-10～9×10-10(K·Pa)/(m2·s2)，這種情形類似于對流渦度矢量(Cvz)。

2.2.5 質(zhì)量散度(WaveDen)。WaveDen高值區(qū)大致能夠反映實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域，位置偏西且在南部和西部的降水過程中偏差較大，對于短時強(qiáng)降水落區(qū)有一定的預(yù)報意義。中部極值中心與實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系十分顯著， WaveDen的分布能夠?yàn)閺?qiáng)降水落區(qū)提供信號。WaveDen在3次短時強(qiáng)降水中均表現(xiàn)有減弱的趨勢。如25日02：00WaveDen有明顯的指示區(qū)，并有明顯的東移，降水前其中心值達(dá)9×10-6～10×10-6Pa/(m·s)(圖6)，對中部的短時強(qiáng)降水有較強(qiáng)的指示意義。

2.2.6 熱力波作用密度(WavePte)。WavePte高值區(qū)大致能夠反映實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域，位置偏西，對于短時強(qiáng)降水落區(qū)有一定的預(yù)報意義。中部極值中心與實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系較為顯著，WavePte的分布能夠?yàn)閺?qiáng)降水落區(qū)提供信號。如25日02：00 WavePte有明顯的指示區(qū)，并有明顯的東移，降水前其中心值達(dá)27×10-6～30×10-6Pa/(m·s)，且有多中心變單中心(圖7)，對中部的短時強(qiáng)降水有較強(qiáng)的指示意義。

2.2.7 虛位溫波作用密度(WavePtQv)。WavePtQv高值區(qū)大致能夠反映實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域，位置偏西且在南部和西部的降水過程中偏差較大，對于短時強(qiáng)降水落區(qū)有一定的預(yù)報意義。中部極值中心與實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系十分顯著， WavePtQv的分布能夠?yàn)閺?qiáng)降水落區(qū)提供信號。WavePtQv在3次短時強(qiáng)降水中均表現(xiàn)有減弱的趨勢。如25日02：00 WavePtQv有明顯的指示區(qū)，并有明顯的東移，降水前其中心值達(dá)30×10-6～33×10-6Pa/(m·s)，對中部的短時強(qiáng)降水有較強(qiáng)的指示意義, 這種情形類似于質(zhì)量散度(WaveDen)。

2.2.8 熱力位渦波作用密度(WavePvPte)。WavePvPte高值區(qū)大致能夠反映實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域，位置偏西。在中西部的降水過程中均表現(xiàn)有多個中心的信號。在南部降水的預(yù)報中表現(xiàn)為單一的弱信號，強(qiáng)度極值中心與實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系比較顯著。

2.2.9 凝結(jié)潛熱質(zhì)量-通量散度的垂直輸送(WalphaDiv)。WalphaDiv高值區(qū)大致能夠反映實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域，位置偏西，且在南部的降水過程中偏差較大，對于短時強(qiáng)降水落區(qū)有一定的預(yù)報意義；中部極值中心與實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系十分顯著， WalphaDiv的分布能夠?yàn)閺?qiáng)降水落區(qū)提供信號。

3 小結(jié)

(1)此次過程受500hPa西風(fēng)槽和低層西南暖濕氣流的共同影響，在吉林省多地出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水天氣。

(2)單中心對降水落區(qū)的指示意義比較明確，之所以中部單中心因子較多，可能與中部短時降水的動力、熱力條件配合較好有關(guān)。

(3)動力因子對短時強(qiáng)降水的落區(qū)預(yù)報有一定的指示意義，但整體位置偏西，且多數(shù)動力因子在降水過程中均表現(xiàn)為衰減過程，只有個別情況動力因子信號有所增強(qiáng)；表現(xiàn)對中西部短時強(qiáng)降水的預(yù)報體現(xiàn)為較強(qiáng)信號，而對于南部短時強(qiáng)降水的預(yù)報體現(xiàn)為弱信號，這與南部地形作用對降水的影響有一定關(guān)系。由于山區(qū)地形的摩擦可以產(chǎn)生局地的輻合作用，所以動力因子表現(xiàn)為較弱信號時也有短時強(qiáng)降水產(chǎn)生。

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李燁(1982-)，女，吉林磐石人，助理工程師，從事天氣氣候業(yè)務(wù)管理工作。

2015-11-12

S 161.6

A

0517-6611(2015)35-276-04