利用SWAP衛(wèi)星平臺對一次秋季連陰雨過程進行解析

張澤銘，李春光，侯紅運

（山東省濟寧市氣象局，山東 濟寧 272037）

SWAP（靜止氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺，Satellite Weather Application Platform）是主要為從事天氣預(yù)報專業(yè)技術(shù)和科研人員，基于數(shù)據(jù)同步及共享數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品及圖像顯示處理及交互分析等業(yè)務(wù)運行的公共平臺。山東省第23屆運動會于2014年9月16日至24日在山東濟寧召開，9月13日開始濟寧地區(qū)出現(xiàn)連陰雨天氣，降水一直持續(xù)至18日白天，過程降水量到達暴雨級別，16日下午開幕式和17日第1個比賽日多項室外比賽均在降水中進行。為了做好精細化氣象服務(wù)工作，濟寧市氣象臺更新了SWAP平臺的版本，為山東省重要天氣精細化服務(wù)發(fā)揮了重要作用。我們介紹了本次降水實況，利用強降水的主要時段高空和地面實況資料，結(jié)合各種物理量場和能量場進行分析，找出秋季連陰雨的降水成因和機制，利用SWAP平臺高分辨率資料、云導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品和對流綜合顯示進行解析，找出規(guī)律，為以后SWAP平臺在日常預(yù)報業(yè)務(wù)，特別是秋季連陰雨等強降水，以及重大活動精細化預(yù)報服務(wù)中找出分析著眼點和分析思路，使SWAP平臺發(fā)揮更大作用。

1 降水實況及分析方法

受切變線和地面倒槽的共同影響，2014年9月13日夜間開始，山東省自西南向東北出現(xiàn)了1次大范圍的降水過程，降水持續(xù)至18日結(jié)束。濟寧11縣（市）平均降水量達62.9 mm，均達到暴雨，最大降水區(qū)出現(xiàn)在金鄉(xiāng)縣，為98.3 mm。此次濟寧市秋季強降水的特點是強度大、歷時長、范圍廣，這種全區(qū)性的秋季暴雨在濟寧市較為少見。

利用本次強降水的主要時段9月17日的500、700、850 hPa高空和地面實況資料，結(jié)合各種物理量場和能量場進行分析，找出本次秋季連陰雨的降水成因和機制。利用常規(guī)資料和NCEP2.5°X2.5°再分析資料，對該強降水過程從環(huán)流背景、水汽條件和物理量特征等方面進行了分析和探討，重點利用SWAP平臺高分辨率資料、云導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品和對流綜合顯示進行解析，找出規(guī)律。

圖1 2014年9月17日8：00時高空天氣形勢 500 hPa（a）、700 hPa（b）、850 hPa（c）

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)流形勢分析

2.1.1 高空天氣形勢 根據(jù)NCEP2.5°X2.5°再分析資料9月17日8：00時的高空形勢圖（圖1）可以看出，在9月17日8：00時500 hPa高度場上，山東省處于寬廣的槽前西南氣流中，河套南部地區(qū)有高空槽存在，未來有逐漸東移趨勢；貝加爾湖附近維持一強大高壓，濟寧地區(qū)位于588線和584線之間，副熱帶高壓強勢維持，南方暖濕氣流不斷向北輸送。700 hPa在山西南部形成低渦，其東側(cè)暖式切變線恰好在濟寧市背部穿過。850 hPa上低渦位置略微偏東南方向，在河南地區(qū)的中南部，其暖式切變線在山東江蘇的交接處。700 hPa和850 hPa上均有一支從河南到山東的西南氣流，風(fēng)速達到16 m/s，為這次降水提供了充足的水汽。850 hPa自魯西南至魯東北有很好的風(fēng)速風(fēng)向切變副合區(qū)，冷暖空氣交匯，強降水主要出現(xiàn)在850 hPa切變線位置與700 hPa切變線之間的地區(qū)，該地區(qū)也基本為濟寧市整個轄區(qū)范圍。

2.1.2 地面形勢 從地面形勢圖上分析，在9月17日20：00時地面圖上，山東自西南向東北有倒槽（或低壓）發(fā)展，倒槽頂部壓在魯南邊界，存在地面風(fēng)場的輻合，此后倒槽穩(wěn)定少動，造成濟寧地區(qū)強降水。后期倒槽向北向東發(fā)展，濟寧市降水強度逐漸減弱。通過高空和地面實況分析，此次暴雨具備有利的環(huán)流形勢。

2.2 物理量場分析

2.2.1 水汽條件 暴雨的形成需要大量的水汽供應(yīng)，水汽通量輻合中心與暴雨的落區(qū)和強度有很好的對應(yīng)關(guān)系，通過分析水汽通量散度等一些關(guān)鍵要素即可發(fā)現(xiàn)水汽的輻合、輻散及其來源。通過分析對比16日和17日20：00時的各層水汽通量散度（圖略）發(fā)現(xiàn)，各層的水汽通量散度分布相似，數(shù)值由低層向高層逐漸減小，同時可明顯看出16日20：00時850 hPa上有一條自西南至東北走向的水汽輻合帶，該輻合帶與中低空強盛的西南氣流位置非常吻合。濟寧的水汽通量散度負值區(qū)達到5 g/（s·cm2·hPa），中西大部分處于輻合區(qū)，東南少部分還處于輻散區(qū)，之后水汽通道東移南壓，至17日20：00時，濟寧東部水汽通量散度負值區(qū)達到7 g/（s·cm2·hPa），但其最北側(cè)、最南側(cè)的水汽條件不好，這與濟寧市16日白天西部降水較多、17日白天東南地區(qū)降水加強的實況是一致的。水汽通量散度負值區(qū)為水汽通量輻合區(qū)，絕對數(shù)值越大，越有利于對流系統(tǒng)的產(chǎn)生發(fā)展以及強降水的產(chǎn)生。充沛的水汽供應(yīng)和強烈的水汽輻合，為濟寧這次秋季強降水提供了充足的水汽條件。

2.2.2 K指數(shù) K指數(shù)是能綜合反映中低層垂直降溫、低層露點及溫度露點差的物理量，也是診斷暴雨產(chǎn)生的指數(shù)之一［1］。從9月16日20：00時至17日20：00時K指數(shù)的水平分布演變可知，9月16日20：00時山東省K指數(shù)魯西北在24～28，說明比較穩(wěn)定；魯西南和魯中在32～34，說明魯西南和魯中不穩(wěn)定能量增加，此時濟寧的K指數(shù)在34左右，能量逐漸聚集，部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)弱降水。17日20：00時濟寧處在36～38的高值中心區(qū)，能量加大，受其影響，17日白天濟寧全區(qū)的降水強度明顯加強，金鄉(xiāng)站已經(jīng)出現(xiàn)暴雨，這與實況相吻合。在這次強降水過程中，K指數(shù)具有較好的指示意義，K指數(shù)≥35℃是濟寧秋季出現(xiàn)暴雨的條件之一。從9月16日20：00時至17日20：00時，濟寧地區(qū)的K指數(shù)一直較大，并且有不斷增大的過程，說明濟寧上空的大氣非常暖濕，積聚了大量不穩(wěn)定能量，在有利的觸發(fā)機制下，積聚的能量一旦得到釋放，將容易出現(xiàn)較大降水。

2.3 SWAP資料分析應(yīng)用

2.3.1 高分辨率可見光圖像分析 連陰雨天氣過程雨強最大出現(xiàn)在17日17：00時，最大小時雨強出現(xiàn)在金鄉(xiāng)，為9.4 mm，濟寧為9.0 mm。17日17：00時SWAP可見光1.25 km分辨率見圖2，在副高外圍湖北、河南和安徽北部有明顯的對流云團發(fā)展，其內(nèi)部對流泡清晰可見，在東北側(cè)邊緣恰好處于濟寧上空，與本時段的強降水的出現(xiàn)非常吻合。

圖2 17日17：00時可見光1.25 km分辨率可見光圖像

2.3.2 云導(dǎo)風(fēng)資料分析 衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)，國際上通常稱為大氣運動矢量（AMVs，atmosheric motion vectors），國內(nèi)通常稱為云導(dǎo)風(fēng)或云跡風(fēng)。衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)資料具有覆蓋范圍廣、時空密度大等優(yōu)點，因此，它能有效地彌補海洋、高原等地區(qū)觀測信息的不足，為天氣分析和數(shù)值預(yù)報提供大量有用資料［2］。選取17日16：00時雨強最大時的衛(wèi)星資料，取離16：00時最近的19：30時云導(dǎo)風(fēng)資料和16：00時高分辨率可見光圖像疊加（圖3）可見，風(fēng)場和副高外圍的高層氣流非常一致，華南和華中大部地區(qū)由于處在副高里面，天氣晴好，基本無云，也基本無云導(dǎo)風(fēng)資料，而副高西側(cè)和北側(cè)全部為紅色的風(fēng)場，表示400 hPa以上的風(fēng)場信息。濟寧處于副高外圍北側(cè)的偏西氣流里，東側(cè)臨沂地區(qū)附近有個30 m/s的西風(fēng)顯示，而基本正西方向在菏澤與河南交接處附近的西風(fēng)僅為20 m/s，說明濟寧上空高層有著強烈的高空輻散。分析17日20：00時700 hPa（圖1 b） 形勢圖，濟寧恰好處于低空急流的左前方，有著明顯的低空輻合。強降水發(fā)生過程中，高空急流入口區(qū)南側(cè)的輻散區(qū)和低空急流左前方的輻合區(qū)耦合，使得高空急流入口區(qū)產(chǎn)生正的次級環(huán)流，低層輻合上升，高空輻散，有利于對流的發(fā)展，同時有利于低空急流的形成和發(fā)展，低空急流為此次暴雨提供了充足的水汽和對流發(fā)展的不穩(wěn)定能量。山東南部和河南境內(nèi)的低空急流不斷加強，它的加強對強降水的發(fā)生和維持有積極作用。后期低空急流減弱，雨勢減弱，暴雨區(qū)移出，充分顯示了低空急流對暴雨的作用［3-4］。

圖3 17日19：30時云導(dǎo)風(fēng)和16：00時高分辨率可見光圖像

2.3.3 對流分析 SWAP1.0.5版本對流分析功能進行了優(yōu)化，能夠更好的幫助預(yù)報員對對流云團進行細致分析。通過SWAP對17日16：00時水汽通道圖像進行對流綜合顯示（圖4），放大山東至河南地區(qū)，一塊對流云團在山東南部邊界至河南東部、安徽北部地區(qū)，而在其北側(cè)，恰好在濟寧的金鄉(xiāng)上空有向東北方向伸展的-32.0左右的高能舌（圓圈處），而此時的降水實況，金鄉(xiāng)恰好是該地區(qū)的最大小時雨強地點（圖5），與強降水區(qū)非常吻合。結(jié)合700 hPa引導(dǎo)風(fēng)場，濟寧上空吹西南風(fēng)，濟寧位于金鄉(xiāng)的東北方向，正好沿著西南氣流的方向，濟寧也是該時段的強降水地區(qū)之一?？梢姡琒WAP對流分析顯示的高能舌位置不僅能夠提示強降水的地區(qū)，還能結(jié)合700 hPa引導(dǎo)風(fēng)預(yù)報出未來2 h左右的強降水區(qū)。

圖4 SWAP17日16：00時水汽圖像對流綜合顯示

圖5 濟寧和金鄉(xiāng)16日23：00時至17日8：00時小時雨量曲線

3 結(jié)論

1） 通過對在對2014年9月16—17日山東省省運會期間濟寧地區(qū)的秋季連陰雨的降水成因和機制分析，以及SWAP平臺在本次秋季連陰雨的服務(wù)中的使用解析，結(jié)果表明，本次連陰雨天氣過程是在有利的天氣背景下發(fā)生的，高空影響系統(tǒng)是高空槽、副高外圍以及槽前強盛的西南氣流，貝加爾湖附近強大高壓脊與降水關(guān)系密切，底層有明顯的切變線，地面主要受倒槽影響。

2）強降水區(qū)低層有大量的水汽輸送和強烈的水汽輻合。水汽通量散度負值區(qū)為水汽通量輻合區(qū)，絕對數(shù)值越大，越有利于對流系統(tǒng)的產(chǎn)生發(fā)展以及強降水的產(chǎn)生。充沛的水汽供應(yīng)和強烈的水汽輻合，為濟寧這次秋季強降水提供了充足的水汽條件。濟寧上空的大氣非常暖濕，積聚了大量不穩(wěn)定能量，在有利的觸發(fā)機制下，積聚的能量一旦得到釋放，將容易出現(xiàn)較大降水。

3）高分辨率可見圖像上，包含對流泡的對流云團東北側(cè)邊緣地區(qū)與該時段強降水區(qū)位置非常吻合。云導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品能夠指示出高空的強烈輻散，結(jié)合低空急流的輻合，能夠判斷出產(chǎn)生正的次級環(huán)流，低層輻合上升，高空輻散，有利于對流的發(fā)展，同時有利于低空急流的形成和發(fā)展，低空急流為此次暴雨提供了充足的水汽和對流發(fā)展的不穩(wěn)定能量，充分顯示了低空急流對暴雨的作用。SWAP平臺對流綜合顯示的高能舌位置不僅能夠提示強降水的地區(qū)，還能再結(jié)合700 hPa引導(dǎo)風(fēng)預(yù)報出未來2 h左右的強降水區(qū)。

［1］ 壽紹文，勵申申，姚秀萍.中尺度氣象學(xué)［M］.氣象出版社，2003：291-300.

［2］ 侯 青，許健民.衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)資料所揭示的對流層上部環(huán)流形勢與我國夏季主要雨帶之間的關(guān)系［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報，2006，17（2）：138-144.

［3］ 李建輝.華南初夏的超低空急流及其對暴雨的影響［J］. 氣象學(xué)報，1982，40（3）：319-326.

［4］朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理和方法［M］.氣象出版社（第四版），2007：398-400.