基于熱力學熵的廣西暴雨落區(qū)預示性效果檢驗初報
——以突發(fā)性暴雨為例

林 墨，黃小燕，黎彥佐，黃 穎

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象科學研究所，南寧 530022；2.南寧市氣象臺，南寧 530029）

引言

華南西部前汛期的突發(fā)暴雨大多是由中尺度對流系統(tǒng)（MCS）產(chǎn)生［1－9］。早些年，我國氣象學者在研究華南暴雨過程中提出了“暖區(qū)暴雨”概念［10］，但正如覃武［1］，諶蕓等［11］指出，暖區(qū)暴雨是中國大氣科學界的一個研究熱點，由于其天氣尺度斜壓性強迫弱、環(huán)境大氣熱動力不穩(wěn)定性強，以及特殊的地形和海陸熱力差異等外強迫作用，導致暴雨對流系統(tǒng)觸發(fā)機制復雜，暴雨突發(fā)性、局地性特征明顯。目前全球業(yè)務(wù)數(shù)值預報模式、中尺度數(shù)值模式對此類突發(fā)性暴雨的預報能力有限。究其原因，大氣對流是一個開放系統(tǒng)復雜的熱動力過程，“上升速度”、“潛熱釋放”、“卷入稀釋”三者同時相互作用，形成“類N 體問題”，動力學方法難以解決此難題。“數(shù)值預報空隙”［12］是真實存在的，對流突發(fā)性暴雨恰是發(fā)生在“數(shù)值預報空隙”內(nèi)。因此，針對動力學方法上的不足，林宗桂、林墨［13］從熱力學入手，利用熱力學熵原理創(chuàng)建了基于熱力學熵的MCS 理論體系。為了進一步檢驗該理論體系的暴雨落區(qū)預示性效果，利用2019—2020 年廣西發(fā)生的3 個突發(fā)性暴雨實例，分別從空間和時間的分布預示性對突發(fā)性暴雨落區(qū)預示性效果進行討論，以驗證該MCS 理論體系的適用性。

1 資料與方法

1.1 資料來源

資料來源為2019 年—2020 年廣西中尺度負變壓區(qū)預報圖（0～6h）和廣西區(qū)域自動氣象站實況雨量圖，選取的3 個過程為：（1）2019 年年6 月16—17日暴雨過程；（2）2020 年5 月21—22 日暴雨過程；（3）2020 年5 月24—25 日暴雨過程。3 個暴雨過程共同特點都是在數(shù)小時內(nèi)突發(fā)的強降雨，衛(wèi)星云圖上中尺度演變特征不明顯，雷達回波圖上沒有對流回波［1］，暴雨發(fā)生前傳統(tǒng)或者數(shù)值天氣圖上很難分析出強降雨前兆。

根據(jù)暴雨過程發(fā)生發(fā)展特征進行了如下命名：（1）2019 年6 月16—17 日暴雨過程造成了重大經(jīng)濟損失和人員傷亡，屬于重災型例子；（2）2020 年5月21—22 日暴雨過程由于其傳統(tǒng)天氣形勢圖特征不明顯，屬于極弱環(huán)境場例子；（3）2020 年5 月24—25 日暴雨過程由高原短波槽南下觸發(fā)引起，槽底擦著桂北邊界快速東移，屬于快速短波槽東移例子。

1.2 熱力學熵暴雨落區(qū)預測方法

熱力學熵的暴雨落區(qū)預測方法是基于熱力學熵的“負熵源→負熵匯→負熵流”MCS 發(fā)生發(fā)展原理和中尺度分離算法［13］，由分離算法可生成廣西中尺度變壓場負變壓區(qū)預報圖。林宗桂等［13］研究指出，MCS 觸發(fā)暴雨主要發(fā)生在中尺度負變壓區(qū)內(nèi)，中尺度負變壓區(qū)形成和加強超前于MCS 的發(fā)生發(fā)展，預測方法正是利用了這個預示性特征。通過廣西中尺度變壓場預報圖（0～6h）進行檢驗，以紅藍兩色標示，紅色區(qū)域為負變壓區(qū)，為所檢驗的暴雨落區(qū)預示性區(qū)域，區(qū)域顏色越深預示著為暴雨主落區(qū)中心概率越大；藍色區(qū)域為正變壓區(qū)，一般由弱冷空氣或者下沉氣流流入填塞形成。

過程的檢驗分為空間和時間兩部分，空間分布預示性檢驗采用將中尺度變壓場區(qū)的形成加強過程與90 個國家基本氣象站逐小時實況雨量發(fā)展過程進行對比分析；時間分布預示性檢驗，采用逐1h 暴雨及以上量級（≥15mm／h）降雨總站數(shù)的時間分布特征直方圖進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2019 年6 月16—17 日暴雨過程

根據(jù)特征命名該過程屬于重災型例子。2019 年6 月16 日08 時，在桂北邊界線附近有弱的靜止鋒存在，衛(wèi)星云圖上從桂西北邊界到湘西有東北－西南向的淺槽前云系，云系北段慢速東移伸展，南段呈準靜止狀態(tài)，到16 日20 時，云系北段東移伸展湘東北一帶，南段仍停留在桂西北邊界附近。此時，衛(wèi)星云圖和雷達回波圖上難以分析出強降雨發(fā)生的前兆特征信息，天氣圖上的天氣系統(tǒng)強度很弱，更難以分析出強降雨即將發(fā)生的可能性，但中尺度變壓場演變過程所表現(xiàn)出的超前特征卻非常明顯。

2.1.1 空間分布預示性檢驗

圖1 是高空淺槽的槽底附近地面中尺度負變壓區(qū)從發(fā)生到成熟過程的關(guān)鍵階段，以及明顯對流性降雨空間分布圖。

圖1 地面中尺度變壓圖（a、b）和1h 降雨分布圖（c、d）

16 日15 時開始形成中尺度負變壓區(qū)，但此時結(jié)構(gòu)特征不明顯。16 日17 時（圖1a），桂西負變壓區(qū)梯度變大，強度明顯加強，形成了具有明顯槽狀結(jié)構(gòu)的負變壓核心區(qū)N1－N2，這是發(fā)展成熟的中尺度負變壓區(qū)基本特征。16 日17 時后，中尺度負變壓區(qū)的形狀和強度少變，一直維持到16 日20 時后（圖1b）。

在1h 降雨量分布圖上，16 日20 時桂西北邊界開始有局地對流性降雨出現(xiàn)。16 日23 時（圖1c），桂西北開始出現(xiàn)具有系統(tǒng)降雨特征的線狀對流降雨R1－R2。對流雨團組成的線狀雨線在17 日01 時前后降雨強度達到最大（圖1d）。

對比圖1a、圖1b 與圖1c、圖1d，可以明顯看出對流雨線R1－R2 是發(fā)生在中尺度負變壓核心區(qū)N1－N2 的北邊沿附近，這是由于弱冷空氣從西北方向滲透入侵抬升觸發(fā)對流而形成對流線，然后對流線逐漸向中尺度負變壓區(qū)N1－N2 內(nèi)傳播發(fā)展，但對流活動主要還是在中尺度負變壓區(qū)內(nèi)發(fā)生發(fā)展，兩者具有明顯的對應(yīng)關(guān)系，中尺度負變壓區(qū)預示性特征得到驗證。

2.1.2 時間分布預示性檢驗

2019 年6 月16 日09 時至17 日08 時逐1h 暴雨及以上量級（≥15mm／h）降雨總站數(shù)的時間分布特征如圖2 所示。

圖2 2019 年6 月16—17 日逐1h 暴雨及以上量級降雨總站數(shù)時間分布直方圖

從逐1h 雨量分布圖上可以看到，16 日對流性強降雨峰值區(qū)主要出現(xiàn)在16 日23 時至17 日4 時，這是弱冷空氣入侵中尺度負變壓區(qū)抬升觸發(fā)對流而形成。雖然16 日17 時前也有明顯對流性降雨，但16 日09—15 時降雨時間分布特征主要是受海洋性天氣系統(tǒng)影響。17 時后（圖1a），在桂西北到桂中一帶形成了結(jié)構(gòu)特征明顯，強度較強的中尺度負變壓區(qū)，對應(yīng)的圖2 17 時（紅豎線a）中尺度負變壓區(qū)形成后一直到23 時階躍式強降雨峰值區(qū)開始，時間間隔為6h，也就是說中尺度負變壓區(qū)的形成超前于強降雨峰值約6h，時間分布預示性得到檢驗。

2.2 2020 年5 月21—22 日暴雨過程

根據(jù)特征命名該過程屬于極弱環(huán)境場例子。21日08 時，在天氣圖上很難分析出有明顯的天氣系統(tǒng)影響廣西，直至21 日20 時，綜合衛(wèi)星云圖、雷達回波等多種資料，才能大致分析出有1 條很弱的短波槽影響廣西，槽底伸達桂北，地面有很弱的靜止鋒配合。與此相對比，中尺度變壓場的演變和前兆特征卻很明顯，預示了MCS 的發(fā)生發(fā)展。

2.2.1 空間分布預示性檢驗

暴雨過程出現(xiàn)前、后地面中尺度變壓場和降雨量分布演變?nèi)鐖D3 所示。

中尺度變壓場上，21 日19 時開始桂中形成弱負變壓區(qū)，21 日12 時（圖3a），從桂西到桂中形成了強度較強、結(jié)構(gòu)特征明顯的槽狀中尺度負變壓區(qū)N1－N2，桂北邊界上的正變壓區(qū)范圍和強度基本保持。21 日17 時（圖3b），中尺度負變壓區(qū)核心區(qū)N1－N2 位置和強度少變，但桂北正變壓區(qū)加強南壓，中尺度負變壓區(qū)北邊沿梯度加大，表明有弱冷空氣滲透入侵。1h 降雨量空間分布圖上，21 日19 時（圖3c），在圖5a 中尺度負變壓區(qū)N1－N2 范圍內(nèi)出現(xiàn)了對流性降雨。21 日20 時（圖3d），中尺度負變壓區(qū)N1－N2 內(nèi)對流性降雨強度加強，形成了由若干雨團組成的對流降雨線R1－R2。分析圖3 中的中尺度變壓場和降雨分布圖可以發(fā)現(xiàn)，對流性降雨主要出現(xiàn)在中尺度負變壓區(qū)N1－N2 內(nèi)，對流強降雨線R1－R2與核心區(qū)N1－N2 有很好的對應(yīng)關(guān)系，中尺度負變壓核心區(qū)N1－N2 超前對流強降雨線R1－R2 約3～8h，預示性特征得到驗證。

2.2.2 時間分布預示性檢驗

2020 年5 月21 日09 時至22 日08 時逐1h 暴雨及以上量級（≥15mm／h）降雨總站數(shù)的時間分布特征如圖4 所示。

強度和結(jié)構(gòu)特征明顯的中尺度負變壓區(qū)形成時間約在21 日15 時，此后一直維持到21 日17 時后，明顯的對流性降雨開始時間為21 日17 時后，強降雨峰值區(qū)主要出現(xiàn)在21 日22 時至22 日05 時，中尺度負變壓區(qū)的形成超前于對流性降雨峰值約6h。從圖3a、圖3b 分析可知，弱冷空氣是以滲透式入侵中尺度負變壓區(qū)的，對應(yīng)表現(xiàn)在圖4 中對流性降雨強度以漸增式加強，約在21 日22 時后才進入峰值區(qū)，并維持了約7h。

圖3 地面中尺度變壓圖（a、b）和1h 降雨分布圖（c、d）

圖4 2020 年5 月21—22 日逐1h 暴雨及以上量級降雨總站數(shù)時間分布直方圖

2.3 2020 年5 月24—25 日暴雨過程

根據(jù)特征命名該過程屬于快速短波槽東移例子。從雷達拼圖分析可以看出，24 日08 時有一條從高原移出的短波槽進入貴州境內(nèi)，槽底擦著桂北邊界快速東移，24 日17 時短波槽東移過貴州并趨于減弱消失，這條短波槽對廣西無明顯影響。隨后，又有一條短波槽從高原移出并進入貴州境內(nèi)，24 日23時槽底抵達桂西北邊界，24 日23 時至25 日08 時槽底掃過桂北大部，對桂北造成了明顯影響并產(chǎn)生了強降雨。對這類快速東移的短波槽，常規(guī)天氣圖分析追蹤難度很大，經(jīng)驗預報方法成功率不高。但在地面中尺度變壓場演變過程中卻表現(xiàn)出明顯的預示性特征，為短波槽突發(fā)性暴雨準確預測提供了有利基礎(chǔ)條件。

2.3.1 空間分布預示性檢驗

中尺度變壓場演變過程以及代表性的降雨分布特征圖如圖5 所示。

圖5 地面中尺度變壓圖（a、b）和1h 降雨分布圖（c、d）

地面中尺度變壓場上，24 日23 時（圖5a）中尺度變壓場在短波槽前的桂西北負變壓區(qū)范圍加大，強度加強，形成了塊狀的負變壓中心區(qū)N。25 日07時（圖5b），隨著短波槽底部移入，槽底前部的桂西、桂北負變壓區(qū)進一步加強，形成了結(jié)構(gòu)特征明顯的SW－EN 向的槽狀負變壓區(qū)N1－N2。從圖5a、圖5b可以看出，中尺度負變壓區(qū)加強維持期間，桂西北邊界附近的正變壓區(qū)明顯加強南擴，表明短波槽后弱冷空氣是從桂西北開始入侵到中尺度負變壓N1－N2 中的。1h 降雨量分布圖上，24 日23 時開始廣西境內(nèi)有分散性的降雨。25 日01 時（圖5c），在桂西北出現(xiàn)了短的對流性雨線R1－R2。25 日06 時開始，對流性降雨明顯加強，對流降雨線強度加強，并轉(zhuǎn)變成SW－NE 走向，約在25 日09 時（圖5d），對流雨線R1－R2 發(fā)展到峰值，雨團排列緊密，線型光潔，對流降雨達到極強盛階段。

把圖5a、圖5b 與圖5c、圖5d 作對應(yīng)分析可以看到，對流雨線R1－R2 主要是出現(xiàn)在負變壓區(qū)北邊沿弱冷空氣滲透入侵部位，前期（圖5c）由于冷空氣強度較弱，短對流雨線R1－R2 近W－E 向，隨著弱冷空氣入侵增加，對流雨線R1－R2 與中尺度負變壓區(qū)N1－N2 走向趨于一致，空間分布超前預示性特征得到驗證。

2.3.2 時間分布預示性檢驗

2020 年5 月24 日23 時至25 日22 時逐1h 暴雨及以上量級（≥15mm／h）降雨總站數(shù)的時間分布特征如圖6 所示。

圖6 中降雨總站數(shù)的時間分布大致可分為2 個階段。第一階段開始于24 日23 時，當前期中尺度負變壓區(qū)（圖5b）形成后，25 日01 時對流性降雨明顯加強，此后呈繼續(xù)加強趨勢；第二階段為25 日07 時后（圖5d），隨著中尺度負變壓區(qū)繼續(xù)加強，約在08時降雨強度呈階躍式增強進入到峰值區(qū)。前一階段是中尺度負變壓區(qū)形成后約2h，對流性降雨明顯加強；后一階段是中尺度負變壓區(qū)加強后約3h，對流性降雨強度又進一步加強。顯而易見，中尺度負變壓區(qū)形成加強超前于對流性降雨增強，時間分布預示性得到驗證。

圖6 2020 年5 月24—25 日逐1h 暴雨及以上量級降雨總站數(shù)時間分布直方圖

3 結(jié)論和討論

3.1 結(jié)論

通過以上對3 個實例的中尺度變壓場演變過程及其對應(yīng)的對流性降水實況的時空分布關(guān)系的分析討論，結(jié)論如下：

在3 個各具特點的突發(fā)性暴雨實例中，中尺度負變壓區(qū)的形成加強均超前于暴雨發(fā)生2～8h，暴雨主落區(qū)都在中尺度負變壓區(qū)內(nèi)，這與基于熱力學熵的MCS 理論體系描述一致。在檢驗過程中，中尺度負變壓區(qū)前兆信號清晰、明確、指示性強，能以較高精度準確預示暴雨落區(qū)，可見熱力學熵MCS 理論體系對暴雨預示效果的靈敏性和適用性。

3.2 討論

從多年系列性暴雨過程的總結(jié)，以及近些年廣西中尺度短時預報業(yè)務(wù)試應(yīng)用實踐，還沒有發(fā)現(xiàn)突發(fā)性暴雨落區(qū)發(fā)生在中尺度正變壓區(qū)的反例，表明熱力學熵MCS 理論體系具有較高可靠性。本研究主要討論的是：廣西范圍內(nèi)的弱冷空氣南下觸發(fā)抬升形成的短時突發(fā)性暴雨，這也是在廣西前汛期中易造成重大災情的主要暴雨類型，但由于受條件限制，此類暴雨的預示性效果目前仍需進一步廣泛驗證，今后將繼續(xù)重點推進研究。