中國第一代再分析產(chǎn)品對(duì)青藏高原東南部墨脫地區(qū)強(qiáng)降水成因分析*

奚鳳 旦增冉珍 赤曲 余燕群 丹增諾布

西藏自治區(qū)氣象臺(tái)，西藏 拉薩 850000

長期以來，我國一直缺乏自主研發(fā)生產(chǎn)的全球再分析產(chǎn)品，氣象業(yè)務(wù)科研主要依賴于國外數(shù)據(jù)產(chǎn)品。為了打破相關(guān)業(yè)務(wù)科研對(duì)國外再分析產(chǎn)品的依賴局面，中國第一代全球再分析產(chǎn)品研制成功。研究者們對(duì)于歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心（ECMWF）、美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心預(yù)報(bào)產(chǎn)品（NCEP）、日本氣象廳（JMA）應(yīng)用較多，對(duì)于新資料用之甚少，進(jìn)行的相關(guān)天氣分析也較少。青藏高原地形特殊，各家再分析資料均有一定誤差。研究表明［1-11］NCEP 資料中沒有把位于喜瑪拉雅山脈兩側(cè)的我國西藏東部地區(qū)與山南麓的多雨帶在模式中分離出來，所以在模擬青藏高原降水中量級(jí)偏大；JRA-25 資料在青藏高原東部地區(qū)和四川盆地同樣也存在一個(gè)大值中心，多出的平均降水量可達(dá)1.5 mm/d 以上；ECMWF 的最新全球大氣再分析產(chǎn)品ERA5對(duì)于青藏高原東部降水也量級(jí)偏大。阿旺卓瑪?shù)壤?019—2020 年CIMISS 資料，對(duì)CN 模式模式、EC 模式模式、Germany 模式進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明EC模式對(duì)于察隅大部及墨脫南部預(yù)報(bào)量級(jí)偏大，同時(shí)中雨、大雨空?qǐng)?bào)率較高［12］。

CRA40（CMA’s global atmospheric Re-Analy-sis，CRA40）是我國自主研制的第一代大氣再分析產(chǎn)品，包括全球大氣再分析產(chǎn)品（CRA-40）和全球陸面再分析產(chǎn)品（CRA-40/Land）兩種產(chǎn)品，覆蓋1979—2018 年共40 年。CRA40同化的常規(guī)地面觀測(cè)資料包括中國基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、CFSR 的觀測(cè)數(shù)據(jù)集以及集成地面數(shù)據(jù)庫（ISD）。CRA40 包括逐6 h 產(chǎn)品、逐日產(chǎn)品和逐月產(chǎn)品，CRA-40/Land 包括逐3 h 產(chǎn)品、逐日產(chǎn)品和逐月產(chǎn)品。作為中國第一代全球大氣和陸面再分析產(chǎn)品，CRA 是全球首個(gè)具有“東亞(中國)區(qū)域特色”的高質(zhì)量、高分辨率再分析資料［13］。

青藏高原東南部是西藏年降水最大的地區(qū)之一，同時(shí)也是夏季降水持續(xù)時(shí)間最長的地區(qū)［14］。墨脫地處藏東南部，位于雅魯藏布江下游河谷地區(qū)，是印度季風(fēng)進(jìn)入青藏高原進(jìn)而直接影響該區(qū)降水過程的關(guān)鍵點(diǎn)位。高登義等指出夏季印度洋暖濕氣流經(jīng)雅魯藏布江下游河谷向青藏高原腹地輸送的水汽量,居青藏高原外圍各處向高原輸送的水汽量之冠［15－17］。青藏高原水汽通道使印度洋暖濕氣流不斷向東北輸送大量水汽,當(dāng)副熱帶西風(fēng)槽前的西南氣流控制青藏高原東南部及其南側(cè)地區(qū)時(shí),不僅給青藏高原東南部及其南側(cè)地區(qū)帶來大量降水,而且還會(huì)在青藏高原東側(cè)地區(qū)產(chǎn)生大面積暴雨。

2020 年7 月8 日—11 日，林芝市墨脫一帶出現(xiàn)了一次累計(jì)雨量大、持續(xù)時(shí)間長，且較為罕見的突發(fā)性暴雨過程。強(qiáng)降水特點(diǎn)表現(xiàn)在局地性強(qiáng)、雨強(qiáng)大，造成的災(zāi)害及次生災(zāi)害嚴(yán)重，預(yù)報(bào)難度大。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因連續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致多處墻體出現(xiàn)裂縫，房屋基礎(chǔ)及外墻嚴(yán)重傾斜，同時(shí)導(dǎo)致山體部分滑坡，致使村級(jí)道路堵塞，嚴(yán)重影響群眾出行安全，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。且此次過程征兆不明顯，短期預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)、歐洲中心全球細(xì)網(wǎng)格模式等其他多個(gè)模式漏報(bào)。

近年來，許多學(xué)者從氣候特征、大尺度環(huán)流背景、物理診斷和數(shù)值模擬等方面對(duì)青藏高原邊緣地區(qū)發(fā)生的暴雨做了大量的研究工作［18－22］，但是對(duì)于墨脫的暴雨研究很少，暫未見有學(xué)者利用中國第一代全球陸面再分析產(chǎn)品對(duì)青藏高原的降水成因進(jìn)行分析。因此，本文研究了產(chǎn)生持續(xù)性暴雨天氣的天氣背景、環(huán)流特征、物理量特征和中國第一代再分析產(chǎn)品的評(píng)估對(duì)比，著重利用中國第一代全球陸面再分析產(chǎn)品分析探討持續(xù)性暴雨的成因，為今后提前發(fā)布天氣預(yù)警提供預(yù)報(bào)依據(jù)，在驗(yàn)證中國第一代再分析資料在青藏高原東南部的可信度的同時(shí)，亦可為研究墨脫強(qiáng)降水成因選用合適的再分析資料提供參考指導(dǎo)，進(jìn)而提煉強(qiáng)降水的前期征兆和預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

1 過程概況

持續(xù)性暴雨研究工作的開展首先涉及到持續(xù)性暴雨定義。按照西藏區(qū)域東南部局地持續(xù)性暴雨過程的標(biāo)準(zhǔn)：連續(xù)3 天日降水量＞10 mm 且總降水量＞75 mm，其中有連續(xù)2 天＞25 mm，則為一次局地持續(xù)性暴雨，從第3 天開始及其之后的降水如果連續(xù)有2 天＞5 mm 且＜25 mm，或之后的降水有一天出現(xiàn)5 mm，則此次降水過程結(jié)束［23］。此次強(qiáng)降水過程滿足持續(xù)性暴雨的定義，為一次突發(fā)性的暴雨事件(表1）。

2020年7月8日—11日西藏林芝地區(qū)出現(xiàn)了大范圍強(qiáng)降水天氣過程，自動(dòng)站累計(jì)降水量118 mm，最大小時(shí)降水量為7.1mm（圖1），降水過程從8 日22 時(shí)開始，11 日10 時(shí)結(jié)束，降水主要集中在凌晨02～08 時(shí)。本次降水過程自北向南加強(qiáng)，具有分布范圍廣、局地性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長、強(qiáng)降水時(shí)間集中的特點(diǎn)。

圖1 7月8日22時(shí)至11日10時(shí)墨脫站逐小時(shí)自動(dòng)站雨量序列（單位：mm）

2 強(qiáng)降水的環(huán)流特征

2.1 環(huán)流演變背景

2020 年7 月8 日08 時(shí)（強(qiáng)降水發(fā)生之前）副高偏西，588 dagpm 線西脊點(diǎn)位于80°E，27°N。8 日20時(shí)我國中高緯度500hPa 為兩槽一脊形式，副高東退南壓，伊朗高壓東伸加強(qiáng)，引導(dǎo)北部巴爾喀什湖低槽后部冷空氣南下，西藏東南部的林芝地區(qū)位于588dagpm 線北部，盛行強(qiáng)西南氣流，形成自青海至林芝南部的低渦切變線，利于暴雨產(chǎn)生。印度至孟加拉灣有一個(gè)自下而上向東南傾斜的深厚低渦，渦前西南暖濕氣流提供充沛水汽。高層南亞高壓東移至青藏高原中東部，東伸過程中加深。高空高壓、中低空低壓的形式有利于降水（圖2）。9 日08 時(shí)系統(tǒng)東南移動(dòng)加深，林芝低層700 hPa（圖3）切變形成低渦，南部風(fēng)速加大形成西南急流（圖填色為在12 m/s 以上區(qū)域），墨脫處于低空西南急流軸左前方和以及低渦暖式切變線出。研究表明低渦的東部和東南部輻合上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)，為降水提供更有利的動(dòng)力條件，更易形成墨脫的強(qiáng)降水。之后墨脫附近的暖式切變線穩(wěn)定少動(dòng)略向南壓，配合高空南亞高壓反氣旋環(huán)流利于暖濕空氣輻合上升。同時(shí)，南部風(fēng)速持續(xù)加強(qiáng)，10 日08 時(shí)500 hPa 也形成急流，墨脫附近地面風(fēng)場(chǎng)形成輻合區(qū)。

圖2 7月8日20時(shí)500 hPa高空形勢(shì)場(chǎng)

圖3 9日08時(shí)700 hPa高空形勢(shì)場(chǎng)

2.2 天氣系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)

此次暴雨主要受低渦切變線和低空西南急流的共同影響，孟加拉灣的水汽向西藏東南部輸送，有利于水汽輻合和持續(xù)補(bǔ)充。同時(shí)，由于副高的阻擋，低渦切變線穩(wěn)定少動(dòng)使墨脫強(qiáng)降水維持。整個(gè)過程中降水過程中地面24 小時(shí)變壓均為負(fù)值，達(dá)-3 hPa，10 日地面風(fēng)場(chǎng)上有風(fēng)向風(fēng)速的輻合，墨脫東側(cè)有一個(gè)氣旋中心。高空700 hPa 和500hPa 的切變線位置接近重合，且與地面輻合線重疊，有利于對(duì)流單體生成和加強(qiáng)。此外，500 hPa 和700 hPa 風(fēng)速達(dá)到12 m/s 以上，形成西南風(fēng)急流輸送低層強(qiáng)暖濕氣流，有利于建立條件不能穩(wěn)定層結(jié)，使得整層大氣可降水量增加，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了非常有利的條件。

3 物理量場(chǎng)特征

3.1 散度和渦度

9日08時(shí)700hPa 墨脫以及以南地方為負(fù)散度帶，散度中心值達(dá)-15×10-5s-1（圖4a），高層為正值，高層輻散和低層輻合，是強(qiáng)降水發(fā)生極為有利的散度場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)。在同時(shí)次渦度圖上，低層與強(qiáng)的負(fù)散度帶配合為正值中心的渦度（圖4b），其量值為12×10-5s-1。高層輻散，低層輻合的分布，容易導(dǎo)致大氣擾動(dòng)的產(chǎn)生，造成上升運(yùn)動(dòng)。

圖4 （a）暴雨中心墨脫站附近9日08時(shí)700 hPa散度場(chǎng)；（b）暴雨中心墨脫站附近9日08時(shí)700 hPa渦度場(chǎng)（單位：s-1）

3.2 垂直運(yùn)動(dòng)

8 日08 時(shí)墨脫底層（700hPa）以及東南一帶為弱垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)不斷加強(qiáng)，9 日08 時(shí)上升運(yùn)動(dòng)最大，其中心值達(dá)到-0.4 pa/s（圖5），11日20時(shí)轉(zhuǎn)為正值，低層上升運(yùn)動(dòng)結(jié)束。500hPa 上，9 日08 時(shí)之后為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)（圖6a），也是11 日20 時(shí)之后轉(zhuǎn)為正值；高層200 hPa 在09 日08 時(shí)也為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)（圖6b），由此可知暴雨區(qū)上空是一致的上升運(yùn)動(dòng),最大值出現(xiàn)在700～500 hPa 層上。這樣強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)對(duì)產(chǎn)生強(qiáng)降水十分有利。

圖5 暴雨中心墨脫站附近9日08時(shí)700 hPa垂直速度分布（單位：pa/s）

圖6 （a）暴雨中心墨脫站附近8日20時(shí)500h Pa垂直速度分布；（b）暴雨中心墨脫站附近9日08時(shí)200 hPa垂直速度分布（單位：pa/s）

3.3 對(duì)流有效位能和抑制能

強(qiáng)降水過程中對(duì)流有效位能（CAPE）呈南北帶狀分布，墨脫以南CAPE 值最大達(dá)1000 J/kg，墨脫處于兩個(gè)高值之間的低值地帶中，過程期間，不超過100 J/kg。但是過程中對(duì)流抑制能（CIN）也很小，僅在過程開始和結(jié)束時(shí)的CIN 負(fù)值較大，其余時(shí)候在0～2 J/kg，說明此次降水主要為穩(wěn)定性（圖7）。

圖7 暴雨中心墨脫站附近9日20時(shí)對(duì)流有效位能分布（單位：J/kg）

3.4 水汽條件分析

充沛的水汽供應(yīng)是持續(xù)性暴雨產(chǎn)生的重要條件之一，在強(qiáng)降水過程中需有源源不斷的水汽輸入。對(duì)流層低層水汽在大氣水汽中占有重要位置［24］。500 hPa 比濕分布圖可見，8 日08 時(shí)比濕增加，墨脫周邊存在一條長濕舌，隨著低槽加深形成低渦，低空西南急流加深，比濕在9日08時(shí)達(dá)到最大，中心數(shù)值為8 g/kg，墨脫位于濕舌中心的前部。8 日08 至9 日08 時(shí)，比濕加大，墨脫的水汽有一個(gè)明顯增加的過程，此后比濕較穩(wěn)定，維持在6～8 g/kg，雖然9 日08 時(shí)后降雨量較大，但空氣中水汽含量穩(wěn)定，水汽供應(yīng)豐富，利于持續(xù)降水。

低層水汽通量散度的變化與暴雨時(shí)段和強(qiáng)度有較好的對(duì)應(yīng)［26］。墨脫站的水汽通量散度剖面可知，08日08時(shí)水汽通量散度轉(zhuǎn)為輻合，降水開始，20時(shí)輻合達(dá)到最大，降水加強(qiáng)，9日白天隨著輻合量突然減小降水減弱，轉(zhuǎn)為輻散，夜間再一次轉(zhuǎn)為輻合，輻合量突然增大。水汽通量散度輻散轉(zhuǎn)為輻合，輻合層增厚為強(qiáng)降水開始的標(biāo)志，輻合量突然增大標(biāo)志著降水強(qiáng)度增大（圖8）。

4 再分析降水與觀測(cè)值的誤差評(píng)估對(duì)比

由于再分析降水資料的準(zhǔn)確度相對(duì)較差，因此再分析降水資料的檢驗(yàn)一直受到科研人員的關(guān)注。分析小時(shí)降水量，通過地表可降水量資料計(jì)算出1 小時(shí)降水資料，分析墨脫站點(diǎn)和站點(diǎn)附近空間分布和時(shí)間波動(dòng)的對(duì)比結(jié)果可知過程中再分析降水量偏小，時(shí)間分布較均勻，晝夜降水差異很小，和實(shí)況相比時(shí)間差異較明顯（圖9）。從再分析降水量分布圖可知（以9 日08 時(shí)為例，圖10），能抓住西藏東南部雨帶位置，量級(jí)上在墨脫南部邊境地帶預(yù)報(bào)量級(jí)偏大，從實(shí)況來看并無降水大值中心存在，再分析報(bào)有虛假大值中心。

圖9 CRA降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品與自動(dòng)站降水實(shí)況對(duì)比（單位：mm）

圖10 09日08時(shí)再分析3小時(shí)降水量分布圖（單位：mm）

5 結(jié)語

利用中國第一代再分析產(chǎn)品通過對(duì)2020 年7 月墨脫持續(xù)性暴雨的環(huán)流背景、三維配置和物理量分析，對(duì)小時(shí)降水量進(jìn)行了空間分布、時(shí)間波動(dòng)的檢驗(yàn)分析，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

700 hPa 和500 hP 穩(wěn)定少動(dòng)的低渦切變線，地面風(fēng)向風(fēng)速的輻合區(qū)以及東側(cè)的氣旋中心，同時(shí)700 hPa、500 hPa 的切變線與地面輻合線三者基本重疊，有利于對(duì)流單體生成和加強(qiáng)。其南側(cè)的低空西南急流向墨脫穩(wěn)定持久輸送水汽，共同導(dǎo)致了此次強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

散度場(chǎng)和渦度場(chǎng)是強(qiáng)降水發(fā)生極為有利的散度場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)，降水前期低渦系統(tǒng)已經(jīng)生成。暴雨區(qū)上空是一致的上升運(yùn)動(dòng),最大值出現(xiàn)在700～500 hPa上。強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)對(duì)產(chǎn)生強(qiáng)降水十分有利，垂直速度大小和暴雨發(fā)展結(jié)束時(shí)間一致。

暴雨過程中水汽通量散度由輻散轉(zhuǎn)為輻合，輻合層增厚時(shí)，強(qiáng)降水開始。當(dāng)輻合量突然增大時(shí)，對(duì)應(yīng)著降水強(qiáng)度增大。

再分析降水與觀測(cè)值的誤差評(píng)估對(duì)比，再分析資料降水量偏小，預(yù)報(bào)的晝夜降水差異小?？臻g分布上，能抓住雨帶位置，但是量級(jí)上在墨脫南部存在虛假大值中心，但是原因還需要進(jìn)一步研究。