云南地區(qū)強(qiáng)降水物理量場(chǎng)特征分析

劉 磊，閔 穎，尹麗云

(云南省氣象臺(tái)，云南 昆明 650034)

0 引言

云南地區(qū)受熱帶、副熱帶天氣系統(tǒng)影響和高原復(fù)雜地形的作用以及南海、孟加拉灣兩個(gè)水汽輸送帶等因素的影響，強(qiáng)降水天氣過程頻繁發(fā)生，常造成突發(fā)性局地暴雨并引起山洪、滑坡泥石流等嚴(yán)重自然災(zāi)害，給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。針對(duì)這種多發(fā)的自然災(zāi)害，多位學(xué)者都對(duì)其預(yù)報(bào)方法進(jìn)行過研究，晏紅明等[1]指出云南地區(qū)南支槽強(qiáng)降水對(duì)流系統(tǒng)區(qū)別于其他對(duì)流系統(tǒng)最主要的特征為物理量的垂直軸線隨高度向高緯度地區(qū)傾斜；趙剛等[2]使用MM5(V3.6)對(duì)2001年8月24日發(fā)生在低緯高原的一次MCC過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)物理量的時(shí)空變化的分析來揭示MCC的發(fā)生發(fā)展機(jī)制。張一平等[3]對(duì)2001～2010年淮河上游短時(shí)強(qiáng)降水過程進(jìn)行中尺度天氣分析和物理量場(chǎng)診斷，歸納各類短時(shí)強(qiáng)降水天氣系統(tǒng)配置模型，并提煉出表征短時(shí)強(qiáng)降水天氣的物理量閾值。張之賢等[4]通過使用站點(diǎn)降水和探空資料，研究了在強(qiáng)降水和無降水時(shí)中尺度物理量分布規(guī)律，并且通過確定物理量閾值，計(jì)算了在不同不穩(wěn)定和穩(wěn)定物理量個(gè)數(shù)時(shí)的命中率、降水概率等。尹承美等[5]通過普查2007～2010年濟(jì)南市區(qū)39次局地短歷時(shí)強(qiáng)降水天氣過程，利用高空和地面常規(guī)觀測(cè)資料、自動(dòng)站資料以及多普勒雷達(dá)產(chǎn)品，對(duì)濟(jì)南市區(qū)局地短歷時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行天氣分型，建立預(yù)報(bào)指標(biāo)，并在2011年汛期進(jìn)行了預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。張小玲[6]通過診斷有組織的深厚中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展的4個(gè)條件(水汽、不穩(wěn)定、抬升和垂直風(fēng)切變)，開發(fā)了中尺度對(duì)流天氣的環(huán)境場(chǎng)條件分析技術(shù)，并應(yīng)用于中國(guó)國(guó)家氣象中心的強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)。通過先行者們的研究表明，通過對(duì)強(qiáng)降水過程發(fā)生前后的物理量場(chǎng)閾值進(jìn)行研究，是建立預(yù)報(bào)方法的有效途徑。

1 資料來源和研究方法

文中所采用的降水資料主要有兩個(gè)來源：一是由國(guó)家氣象信息中心統(tǒng)一提供《中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)集》，數(shù)據(jù)主要包括2015～2016年汛期逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)；二是從云南省氣象臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取的大監(jiān)站和鄉(xiāng)鎮(zhèn)站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要包括2015～2016年整年逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)。由于國(guó)家氣象信息中心提供的降水?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過了質(zhì)量控制，因此文中涉及兩種資料整合，主要是基于第1種資料，在非汛期時(shí)段用第2種資料補(bǔ)齊。

天氣形勢(shì)及物理量場(chǎng)分析的資料為國(guó)家局下發(fā)的08時(shí)及20時(shí)高空資料、地面資料、T-logp資料。

1.1 統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

大雨：25r24>99.9；大暴雨：100>r24>249.9。

根據(jù)氣候類型結(jié)合行政區(qū)將云南劃分為5個(gè)區(qū)，1區(qū)(滇東北)為昭通、曲靖，2區(qū)(滇東南)為文山、紅河，3區(qū)(滇中)為昆明、玉溪、楚雄，4區(qū)(滇西北)為迪慶、怒江、麗江、大理，5區(qū)(滇西南)為保山、德宏、臨滄、普洱、西雙版納。區(qū)域性暴雨過程指區(qū)域內(nèi)1/6氣象站及以上24小時(shí)日降水量50～99.9 mm。全省性暴雨過程指全省125個(gè)氣象站有12個(gè)及以上24小時(shí)日降水量50～99.9 mm；強(qiáng)降水過程選取標(biāo)準(zhǔn)為全省125個(gè)氣象站有1/6氣象站24小時(shí)日降水量達(dá)到大雨標(biāo)準(zhǔn)以上。

1.2 2015～2016年云南省主要強(qiáng)降水過程

2015～2016年云南省主要強(qiáng)降水過程見表1。

表1 2015～2016年云南省主要降水過程

1.3 代表探空站資料的選取標(biāo)準(zhǔn)

T-logp圖能清晰直觀地反映大氣的熱力狀況和垂直切變狀況，單站的T-logp圖是分析本地大氣環(huán)境的熱力和動(dòng)力穩(wěn)定度的重要手段，因此選取代表站非常重要。

將2015～2016年32個(gè)個(gè)例拆分為08時(shí)～20時(shí)、20時(shí)～次日08時(shí)。根據(jù)臨近原則，若強(qiáng)降水(強(qiáng)降水時(shí)段選取標(biāo)準(zhǔn)參照強(qiáng)降水過程選取標(biāo)準(zhǔn))發(fā)生的時(shí)段為08～20時(shí)，則選取08時(shí)的探空資料進(jìn)行分析，若強(qiáng)降水發(fā)生的時(shí)段為20～次日08時(shí)，則選取20時(shí)的探空資料進(jìn)行分析，跨時(shí)段過程按兩個(gè)站次資料分開進(jìn)行分析；再根據(jù)鄰近原則，代表站點(diǎn)所代表的分析范圍按照表3、圖4進(jìn)行分配。同時(shí)還要求在分析時(shí)刻代表站所代表的范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)降水的鄉(xiāng)鎮(zhèn)站站點(diǎn)數(shù)大于等于10站次時(shí)才對(duì)該時(shí)刻該代表探空站的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。按以上選站原則，共選擇115個(gè)站次的T-logp資料進(jìn)行分析。

1.4 T-logp資料研究方法

根據(jù)樊李苗[7]利用2002～2011年部分探空站探空資料和2005～2009年2 000多個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站雨量資料對(duì)短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣環(huán)境參數(shù)特征分析，結(jié)論得出：通過對(duì)T-logp圖溫濕曲線形態(tài)等一系列物理量場(chǎng)參數(shù)分析，可以對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)提供依據(jù)與指標(biāo)。

本文對(duì)所選站次的T-logp圖上溫濕廓線的分布特征進(jìn)行初步分析，可將T-logp圖分為兩類，第一類的溫濕廓線間的距離從底層至上層都比較近，說明整層水汽條件都比較好；第二類溫濕廓線呈現(xiàn)喇叭口特征，說明水汽情況為“上干下濕”，在115個(gè)代表站次中，有26個(gè)在強(qiáng)降水天氣出現(xiàn)時(shí)伴有大風(fēng)天氣，而其中21個(gè)的特征符合第二類溫濕廓線特征。因此可初步認(rèn)為：第一類易出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣，第二類在出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣的同時(shí)，一般還伴有雷暴大風(fēng)天氣。

以下內(nèi)容將分別對(duì)第一類和第二類進(jìn)行物理量場(chǎng)特征分析。

表2 代表探空站所代表的分析范圍

圖1 代表探空站所代表的分析范圍

2 物理量場(chǎng)特征分析

2.1 判斷熱力不穩(wěn)定的常用參數(shù)

判斷熱力不穩(wěn)定的常用參數(shù)有對(duì)流有效位能CAPE、對(duì)流抑制能量CIN、沙氏指數(shù)SI、K指數(shù)、Δθse、ΔT等。

(1)對(duì)流有效位能CAPE

CAPE是一個(gè)具有非常明確物理意義的熱力不穩(wěn)定參量，CAPE越大，對(duì)流發(fā)展的高度就越高，或者說對(duì)流就越強(qiáng)烈。CAPE是溫度和濕度的相關(guān)函數(shù)，對(duì)溫度和濕度極為敏感，因此，它具有明確的季節(jié)變化和日變化，一般情況下，夏季和午后容易達(dá)到高值。

式中：ZEL為平衡高度；ZLFC為自由對(duì)流高度；Tvp為氣塊虛溫；Tve為環(huán)境虛溫；g為標(biāo)準(zhǔn)重力。

從CAPE的形態(tài)特征來看，CAPE為細(xì)長(zhǎng)條分布的站點(diǎn)有94個(gè)，占81.74%(94/115)。

從圖2平均值線可看出，除了普洱站以外，其余站點(diǎn)第二類的CAPE值大于第一類的CAPE值；第一類中的普洱站，第二類中的普洱站、宜賓站和百色站的CAPE值大于1 000 J/kg，第一類中的昆明站和威寧站的CAPE值小于300 J/kg，其余站點(diǎn)各類的CAPE值都在500～800 J/kg。

圖2 各代表站兩個(gè)分類對(duì)流有效位能CAPE分布(單位：J/kg)

(2)對(duì)流抑制能量CIN

CIN也是一個(gè)具有非常明確物理意義的熱力不穩(wěn)定參量。處于自由對(duì)流高度以下的氣塊能否產(chǎn)生對(duì)流，取決于它是否能從其他途徑克服CIN所表示的能量，這是對(duì)流發(fā)展的先決條件，因此CIN是氣塊獲得對(duì)流必須超越的能量臨界值。事實(shí)表明，對(duì)于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的情況往往是CIN有一較為合適的值：太大，抑制對(duì)流程度大，對(duì)流不容易發(fā)生；太小，不穩(wěn)定能量不容易在低層積聚，不太強(qiáng)的對(duì)流很容易發(fā)生，從而使對(duì)流不能發(fā)展到較強(qiáng)的程度。

從代表站分析來看，有21個(gè)站點(diǎn)沒有出現(xiàn)CIN，其中第一類中的普洱站沒有出現(xiàn)CIN的次數(shù)最多，達(dá)7次。從圖3平均值線可看出，麗江站、騰沖站和威寧站第二類的CIN值小于第一類的CIN值，其余站點(diǎn)情況相反；除了第二類中的宜賓站CIN值大于100 J/kg以外，其余站點(diǎn)的CIN值都小于60 J/kg。

圖3 各代表站兩個(gè)分類對(duì)流抑制能量CIN分布(單位：J/kg)

(3)沙氏指數(shù)SI

SI指數(shù)可以定性地用來判斷對(duì)流層中層是否存在熱力不穩(wěn)定層結(jié)，SI指數(shù)小于零，表示層結(jié)不穩(wěn)定。它不能反映對(duì)流層底層的熱力狀況，反過來說，它的優(yōu)點(diǎn)是受日變化的影響相對(duì)較小，而與CAPE有較好的負(fù)相關(guān)。

從圖4平均值線可看出，除第一類中的昆明站、騰沖站、威寧站以外，其余各類各站點(diǎn)的SI指數(shù)都小于零；除麗江站外，其余站點(diǎn)第二類的SI值都小于第一類站點(diǎn)的SI指數(shù)。

圖4 各代表站兩個(gè)分類沙氏指數(shù)SI分布

(4)K指數(shù)

K指數(shù)側(cè)重反映對(duì)流層中低層的溫濕分布對(duì)穩(wěn)定度的影響，K值越大，越不穩(wěn)定。當(dāng)對(duì)流層中低層“上冷下暖”的結(jié)構(gòu)特征明顯以及低層高濕時(shí)，K指數(shù)的值都可能比較大，K只能在判斷強(qiáng)對(duì)流潛勢(shì)時(shí)定性使用，對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣類型的判斷不夠充分。K指數(shù)同樣不能反映對(duì)流層底層的溫濕狀況。

K=(T850-T500)+Td850-(T700-Td700)

式中：T為溫度，Td為溫度露點(diǎn)。數(shù)字為對(duì)應(yīng)等壓面。

圖5 各代表站兩個(gè)分類K指數(shù)分布(單位：℃)

從圖5平均值線可看出，兩類K指數(shù)的差異不大，所有站點(diǎn)的K指數(shù)都大于38℃。

(5)上下層θse之差

Δθse用于表征濕空氣的條件靜力穩(wěn)定度，大于零，表示層結(jié)不穩(wěn)定，且差值越大，越不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定的產(chǎn)生，既與溫度的垂直遞減率有關(guān)，也與濕度的垂直遞減率有關(guān)。

從圖6平均值線可看出，兩類Δθse的差異很大，從Δθse700-500來看，第一類站點(diǎn)的Δθse700-500在2～6℃，第二類站點(diǎn)的Δθse700-500在8～11℃；從Δθse850-500來看，普洱站兩類的Δθse850-500 都大于10℃，另外第二類宜賓站的Δθse850-500 超過20℃，其余第一類站點(diǎn)的Δθse850-500在4～8℃，第二類站點(diǎn)的Δθse850-500在14～15℃。

圖6 各代表站兩個(gè)分類Δθse分布(單位：℃)

(6)上下層溫度之差

從圖7平均值線可看出，兩類ΔT的差異不大，其中ΔT700-500除第二類的麗江站和宜賓站的值大于16 ℃以外，其各類各站點(diǎn)的值均在15 ℃左右；ΔT850-500百色站的值略小，約在22～23 ℃左右，其余站點(diǎn)的值在25 ℃左右。

圖7 各代表站兩個(gè)分類ΔT分布(單位：℃)

2.2 判斷濕度的常用參數(shù)

判斷空氣濕度的常用參數(shù)：比濕、溫度露點(diǎn)差和濕層厚度等。

(1)比濕q

比濕q是反映空氣絕對(duì)濕度的一個(gè)物理量。

從圖8平均值線可看出，兩類的q700以及各站點(diǎn)的q700值差異不大，都在11 g/kg左右。

圖8 各代表站兩個(gè)分類q700分布(單位：g/kg)

(2)溫度露點(diǎn)差T-Td

溫度露點(diǎn)差在日常業(yè)務(wù)中很容易獲取，因此是日常天氣分析預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中經(jīng)常用以表示空氣干濕程度的一個(gè)物理量。當(dāng)T=Td時(shí)，空氣達(dá)到飽和；T-Td的數(shù)值越大，代表空氣距離飽和程度越遠(yuǎn)。但是在使用過程中應(yīng)該注意溫度露點(diǎn)差反映的是空氣的相對(duì)濕度情況。

圖9 各代表站兩個(gè)分類T-Td分布(單位：℃)

從圖9平均值線可看出，兩類T-Td的差異不大，其中(T-Td)700除第二類宜賓站的值大于4℃以外，其各類各站點(diǎn)的值都小于4℃；(T-Td)地面除第二類宜賓站的值大于5℃以外，其各類各站點(diǎn)的值都小于5℃。

(3)濕層厚度

從分析站點(diǎn)T-logp圖中濕層(RH>80%)厚度的分布情況看，從底部(含近底)向上伸展的站點(diǎn)有82個(gè)，占71.30%(82/115)。低層無濕層的站點(diǎn)有3個(gè)，但其在600 hPa附近有一淺薄濕層。

濕層上下界之間的厚度差：

<100 hPa共有10個(gè)站點(diǎn)；100～200 hPa共有22個(gè)站點(diǎn)；200～300 hPa共有26個(gè)站點(diǎn)；300～400 hPa共有23個(gè)站點(diǎn)；400～500 hPa共有19個(gè)站點(diǎn)；500～600 hPa共有8個(gè)站點(diǎn)；600～700 hPa僅有4個(gè)站點(diǎn)，說明濕層相當(dāng)深厚，從底部一直伸展至頂部。

歸納總結(jié)看出，出現(xiàn)強(qiáng)降水時(shí)濕層厚度基本上需要從站點(diǎn)的底層向上延伸至中層(400～500 hPa)附近。

2.3 特殊層的分析(0 ℃層和-20 ℃層)

0 ℃層和-20 ℃層的高度在分析冰雹天氣時(shí)非常重要，為了探討強(qiáng)降水天氣發(fā)生時(shí)0 ℃層和-20 ℃層的高度與冰雹發(fā)生時(shí)是否有差異，對(duì)其進(jìn)行分析，得出結(jié)果見表3。

表3 代表探空站特殊層高度

按照海拔高度從低到高將8個(gè)站兩兩分組，可以看出0 ℃層和-20 ℃層的高度隨海拔高度增高而逐漸降低，即宜賓/百色站的高度分別為5.1/5.2 km，8.5/8.6 km；蒙自/普洱站的高度分別為4.1/4.1 km，7.5/7.6 km；昆明/騰沖站的高度分別為3.5/3.8 km，7.0/7.2 km；麗江和威寧站的高度分別為3.2/3.2 km，6.6/6.6 km。

3 結(jié)論與討論

云南省產(chǎn)生強(qiáng)降水有利的環(huán)境條件主要有如下幾點(diǎn)：

(1)熱力不穩(wěn)定參數(shù)：CAPE位于500～800 J/kg；CIN<60 J/kg且值較大時(shí)易出現(xiàn)雷暴大風(fēng)；SI<0；K>38 ℃；Δθse700-500在2～11 ℃且超過6 ℃易出現(xiàn)雷暴大風(fēng)；Δθse850-500在4～15 ℃，且超過8 ℃易出現(xiàn)雷暴大風(fēng)；ΔT700-500約等于15 ℃左右；ΔT850-500約等于25 ℃左右。

(2)濕度參數(shù)：q700約等于11 g/kg左右；(T-Td)700<4 ℃；(T-Td)地面<5 ℃；濕層較厚，延伸到(400～500 hPa)附近。

(3)特殊層的特征：易發(fā)生強(qiáng)降水地區(qū)的0 ℃層和-20 ℃層的高度隨海拔增高逐漸降低。

(4)部分站點(diǎn)由于其特殊的地理和氣候，閾值特征與其他站點(diǎn)差別較大，判斷時(shí)需要加以訂正，當(dāng)數(shù)值超過以下區(qū)域時(shí)，仍有較高發(fā)生強(qiáng)降水的可能：普洱站、宜賓站和百色站CAPE>1 000 J/kg；昆明站和威寧站的CAPE<300 J/kg；宜賓站CIN>100 J/kg；昆明站、騰沖站、威寧站SI>0；普洱站Δθse850-500 >10 ℃，宜賓站的Δθse850-500>20 ℃；宜賓站(T-Td)相對(duì)較大(1 ℃左右)。

結(jié)論表明，在日常預(yù)報(bào)中，對(duì)有可能出現(xiàn)強(qiáng)降水過程的天氣系統(tǒng)，可以依次對(duì)其熱力不穩(wěn)定，濕度，特殊層特征3個(gè)方面進(jìn)行物理量場(chǎng)參數(shù)上的分析，同時(shí)針對(duì)閾值相差較大地區(qū)進(jìn)行篩選，可有效提高云南地區(qū)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。