基于“配料”的暴雨預報

張小玲 陶詩言 孫建華

1國家氣象中心,北京 100081

2中國科學院大氣物理研究所,北京 100029

基于“配料”的暴雨預報

張小玲1陶詩言2孫建華2

1國家氣象中心,北京 100081

2中國科學院大氣物理研究所,北京 100029

本文介紹一種使用顯著“配料”進行暴雨預報的方法。2007年和2003年的暴雨個例分析表明,我國主要的幾類暴雨發生過程中具有一些共同的動力、熱力特征,表征深厚濕對流發生發展的物理“配料”具有明顯的演變特征。綜合環境場動力、熱力條件配置和物理“配料”分析了暴雨的“配料法”主觀預報思路。并利用數值模式輸出產品追蹤有利于暴雨發生的“配料”演變發展了“配料法”暴雨客觀預報方法,應用于國家級降水預報業務中。

配料 暴雨 預報

1 引言

傳統的暴雨預報中,從天氣型中概括出一些典型天氣型,并根據這些典型天氣型做預報。天氣型預報方法有一定的參考價值,但預報員不能過分依靠它。有時,實際出現的天氣與典型天氣型相差甚遠,但仍出現暴雨,這樣就會出現漏報;有時,實際出現的天氣型與典型天氣型完全一樣,卻不出現暴雨,就會出現空報。

隨著數值預報的發展、觀測手段的提高,在暴雨的業務預報中,預報員不僅能獲得傳統的地面、高空觀測資料和衛星、雷達等遙感資料,還能獲取確定性的高時間和空間分辨率的單模式數值預報產品和集合預報產品,這些數值預報產品既包括對風、溫度、濕度、氣壓等的預報,還包括不同性質降水的定量預報。目前,數值預報模式的預報結果已經能用于診斷暴雨和強對流預報所需的各種參數(如探空曲線等)。在有效的數值模式預報的基礎上,有必要對我國目前短期天氣預報方法做一些改進,即改變預報思路,從天氣型的預報方法改變成以模式釋用為主的預報。

2 方法

1996年,Doswell et al.(1996)結合Chappel(1986)和Johns and Doswell(1992)的工作提出了一種新的用于產生暴洪的暴雨預報方法——“配料法”(ingredients-based methodology)。該方法從天氣學的觀點入手,考慮降水為累積量,它與降水持續的時間和降水率有關,而降水率與水汽的垂直輸送成正比。因此,某場降水(P)可表示為

這里,q是比濕,w是上升速度,E是比例系數,表示從云里落到地面的降水量與進入暴雨區上空的水汽總量之比。

從式(1)可知,降水量決定于上升速度、水汽的供應量以及降水持續的時間,最強降水量出現在水汽垂直輸送最大且降水持續時間最長的地方。也就是說,當某地的水汽很充足,或者具有強烈的抬升條件(如地形、潛熱釋放、大尺度強迫等),或者產生暴雨的中尺度對流系統持續發生發展,都有可能出現劇烈降水。“配料法”提出后,很快被應用于美國的冬季降雪和降水的預報(Nietfeld and Kennedy,1998;Wetzel and Martin,2000)。

“配料法”強調在暴雨的預報中,抓住暴雨發生發展過程中影響水汽垂直輸送的主要動力、熱力條件和環境場配置。本文從有利于暴雨發生的環境場條件持續或反復在同一地區出現,闡述持續性強降水的預報。從暴雨發生的動力、熱力條件耦合闡述一次暴雨過程的判識,從利用數值模式輸出產品對暴雨基本“配料”的診斷,闡述基于物理量演變的“配料法”暴雨預報技術。

3 大范圍持續性致洪暴雨的多尺度系統協同作用

我國的大范圍致洪暴雨主要為受臺風影響的暴雨和持續性的天氣尺度型暴雨(陶詩言等,2004;駱承政和樂嘉祥,1996)。持續性的天氣尺度暴雨以準靜止鋒型暴雨為主,如發生在5～6月的華南梅雨鋒上的致洪暴雨和發生在6～7月的江淮流域梅雨鋒上的致洪暴雨。對于這類暴雨的預報,由于其環流背景穩定持續,大尺度強迫明顯,數值模式對該類天氣的定量降水預報精度比較高,在業務短期預報中具有較高的預報技巧。但是,這類暴雨的持續性問題是困繞中期預報的主要問題。如何根據多類天氣尺度系統的診斷分析,判別暴雨的持續性是解決該類暴雨預報的主要問題。

張順利等(2002)、陶詩言等(2004)、陶詩言和衛捷(2007)在對我國江淮流域和華南致洪暴雨的分析中指出,夏季導致流域性洪澇的持續性暴雨是西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)、季風涌、冷空氣以及青藏高原東傳的短波槽協同作用的結果。2003年梅雨期間淮河流域持續性的強降水導致該地區出現了繼1991年后最強的大洪水,這次持續性強降水過程同樣反映出多尺度系統的協同作用。在6月29日至7月11日期間,淮河出現了三次大范圍持續性的暴雨過程(圖1)。在持續性強降水發生期間,反映西太平洋副熱帶高壓位置的等588 dagpm線位于25°N～30°N和120°E～130°E之間,表明6月下旬至7月上旬淮河流域位于副高西北側、西風帶南緣之間的劇烈天氣發生的高危險區域。季風涌向北的位置和影響淮河流域的時間與淮河的持續性暴雨過程有很好的對應關系。當副高位置穩定、季風涌持續影響淮河流域期間,冷空氣的活動決定了暴雨的發生時間。雖然,三次持續性暴雨過程期間冷空氣的活動路徑有所不同,但與三次冷空氣活動影響淮河流域的時間有很好一致性(圖1c)。三次強降水過程同時對應有青藏高原上東移的中尺度系統影響梅雨鋒(圖1h)。

2003年淮河流域的持續性暴雨過程說明,當有利于降水的行星尺度的環流背景建立并穩定后,有利于暴雨發生的天氣尺度和中尺度環境場條件的反復重建,是產生持續性暴雨的重要原因。因此,監視和診斷持續性暴雨的環境場“配料”條件是進行導致流域性洪水的持續性暴雨預報的重要方法。目前,美國氣候預報中心(CPC)發展的MJO預報和歐洲數值天氣預報中心(ECMWF)發展的中期數值預報系統為監視行星尺度的天氣系統“配料”條件提供了可能。而我國的全球和區域數值預報模式產品則為監視冷空氣和短波槽的活動提供了可能。利用不同的統計預報和數值預報模式,通過判斷持續性暴雨的天氣系統“配料”條件可進行流域性的持續暴雨預報。

圖1 2003年6月27日～7月11日淮河流域致洪暴雨的多尺度天氣系統配置:500 hPa位勢高度(單位:dagpm)(a)27.5°N～32.5°N平均的經度-時間剖面和(b)110°E～130°E平均的時間-緯度剖面;(c)110°E～120°E平均的700 hPa溫度(等值線,間隔為2℃)和水平經向風(陰影為偏北風)時間-緯度剖面;(d、g、h)淮河流域(32°N～34°N,115°E～120°E)逐日降水量(單位:mm);(e)110°E～120°E平均的季風涌隨時間的演變(箭頭表示地面到300 hPa積分的水汽通量,陰影表示850 hPa水平風速≥10 m/s的低空急流);(f)沿32°N～34°N的600 hPa相對渦度的經度-時間剖面Fig.1 Multi-scale synoptic systems over the Huaihe River valley from 27 Jun to 11 Jul in 2003:(a)Longitude-time cross section along 27.5°N-32.5°Nand(b)time-latitude cross section along 110°E-130°E for 500-hPa geopotential height(dagpm);(c)time-latitude cross section along 110°E-120°E for temperature(solid lines with 2℃interval)and meridional wind(northerly winds are shaded)at 700 hPa;(d,g,h)daily precipitation(mm)over the Huaihe River valley(32°N-34°N,115°E-120°E);(e)the evolution of 110°E-120°E averaged monsoon surge(arrows denote vertically integrated moisture flux from surface to 300 hPa;shaded is low level jet with 850 hPa wind speed over 10 m/s);(f)longitude-time cross section along 110°E-120°E for vorticity at 600 hPa

4 暴雨的環境“配料”識別

影響我國的主要暴雨類型大致可分為冷鋒型(高空槽前)暴雨、準靜止鋒型(梅雨鋒)暴雨、低渦(西南渦和東北冷渦)暴雨、臺風暴雨、局地突發性暴雨。對于這些不同類型暴雨的天氣系統配置概念模型的研究和基于個例的動力熱力場環境條件分析已有不少。這樣的概念模型在業務預報中由于許多與典型天氣不同的情況也會產生暴雨,或者即便是典型的天氣型由于缺乏動力熱力等物理條件的診斷分析,難以確定暴雨系統發生的確定位置。從暴雨預報的角度出發,暴雨天氣的判別應該同時考慮天氣系統的配置以及動力、熱力條件的綜合效應,特別是數值預報已經高度發達的今天,為預報員診斷分析動力和熱力條件提供了非常方便多樣的診斷產品。因此,如何將典型的天氣系統配置與動力、熱力環境場條件配合,建立綜合天氣型識別與動力熱力物理場的暴雨“配料”是本節的主要內容。下面以2007年的暴雨過程為例,建立各主要類型暴雨的環境“配料”條件。

圖2 2007年(a)6月16日20時(北京時,下同)500 hPa、(b)7月8日08時地面、(c)7月17日08時850 hPa、(d)7月10日08時500 hPa、(e)7月18日08時500 hPa、(f)9月19日20時地面和(g)7月14日08時地面天氣圖。陰影:24小時累積降水大于等于50 mm,截止時間為次日08時Fig.2 Weather charts(a)at 500 hPa at 2000 LST 16 Jun 2007,(b)at surface at 0800 LST 8 Jul,(c)at 850 hPa at 0800 LST 17 Jul,(d)at 500 hPa at 0800 LST 10 Jul,(e)at 500 hPa at 0800 LST 18 Jul,(f)at surface at 2000 LST 19 Sep,and(g)at surface at 0800 LST 14 Jul.Shadings are 24-h accumulated precipitation over 50 mm ending at the next 0800 LST

4.1 冷鋒型(高空槽)暴雨

2007年6月16日冷空氣從蒙古高原中部南侵,地面冷鋒沿高原東側下滑,影響河套、秦嶺和四川盆地,在河套西部向南到四川盆地東部造成準經向型的強降水天氣,其中河套西部和四川東北部和重慶中部24小時降水超過50 mm(圖2a)。從當日的動力和熱力環境條件(圖3a)分析看,暴雨的直接制造者中尺度對流系統(MCS)主要活躍在沿假相當位溫(θse)舌區的軸線附近。θse舌區正好是925～700 hPa平均的正位渦[簡稱PV,單位:PVU(1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1)]高值區。根據Brennan et al.(2008)的研究指出,潛熱釋放對大氣的動力反饋能影響氣旋的發展、低空急流、水汽傳輸。而利用對流層低層PV診斷可確定數值預報模式產品中哪些天氣系統或中尺度系統受凝結潛熱釋放的強烈影響。6月16日對流層低層準經向型分布的高PV表明這些地區的槽將加深,空氣柱將變得更加不穩定。其它的動力條件如200 hPa的高空急流位于高PV區和500 hPa正渦度區的北側,850 hPa的低空急流則位于南側。這些動力和熱力條件的分布反映出通過凝結潛熱釋放對大尺度的反饋,在高空急流南側、低空急流北側之間的高溫高濕的θse舌區附近空氣非常不穩定,有利于MCS在此發生發展并長時間維持,產生劇烈的降水。

圖3 2007年典型暴雨個例的動力和熱力環境場配置圖:(a)6月16日;(b)7月8日;(c)7月17日;(d)7月10日;(e)7月18日;(f)9月19日;(g)7月14日。箭矢線:200 hPa水平風速≥30 m/s;風標:850 hPa水平風速≥12 m/s;紅色陰影:850 hPaθse(單位:K);灰色陰影:FY-2C TBB≤-50°C,時間分別為(a)6月16日16時、(b)7月8日19時、(c)7月17日11時、(d)7月10日18時、(e)7月18日18時、(f)9月19日18時和(g)7月14日22時Fig.3 The composite charts of dynamical and thermodynamical fields for the typical heavy rainfall cases in 2007.Arrows:200 hPa horizontal wind speed over 30 m/s;flags:850-hPa horizontal wind speed over 12 m/s;red shadings:θse(K)at 850 hPa;grey shadings:FY-2C TBB≤-50°C at(a)1600 LST 16 Jun,(b)1900 LST 8 Jul,(c)1100 LST 17 Jul,(d)1800 LST 10 Jul,(e)1800 LST 18 Jul,(f)1800 LST 19 Sep,and(g)2200 LST 14 Jul

4.2 梅雨鋒暴雨

2007年6月底至7月初在淮河流域出現了持續性的強降水過程,有利于強降水發生的動力熱力條件在這一地區反復重見,產生了多次暴雨天氣,其中2007年7月8日是最典型、也是降水最強的一天。8日,梅雨鋒呈東西向維持在淮河流域,在梅雨鋒上及其南側出現了大范圍的緯向型暴雨(圖2b)。從當日的動力和熱力環境條件(圖3b)分析看,在副高西北側和西風帶南緣之間是850 hPaθse高值區。沿θse舌區軸線附近MCS活躍。θse高值區正好是準緯向型分布的對流層低層正PV高值區,表明局地中尺度系統活動產生的凝結潛熱釋放將對大尺度有正的反饋。其它動力條件如200 hPa的高空急流位于高PV區和500 hPa正渦度區的北側,850 hPa的低空急流則位于南側。這些動力和熱力條件的分布反映出通過凝結潛熱釋放對大尺度的反饋,在高空急流南側、低空急流北側之間的高溫高濕的θse舌區附近,有利于低空急流的加強、中尺度氣旋的發生發展以及水汽在這個地區的輸送輻合,使得有利于MCS發生發展的背景場條件一直維持。

4.3 低渦暴雨

4.3.1 西南渦暴雨

2007年7月17日沿河套南侵的高空槽深入我國西南地區,四川盆地上空西南渦發展。受其影響,四川東部和重慶西部地區出現大范圍的暴雨和大暴雨(圖2c)。從當日的動力和熱力環境條件(圖3c)分析看,從河套往南至西南地區東部均是925～700 hPa平均的正位渦(PV)高值區,其中西南渦所在的四川盆地PV值高達7 PVU以上,表明由于前期的降水,凝結潛熱釋放為大氣運動的正反饋作用將非常有利于西南渦的發展和維持,這為強降水的發生提供了α中尺度的有利環境背景條件。沿高位渦區正好是θse的高值區。在θse舌區上中尺度對流系統活躍,其中四川盆地東部上空的對流系統強烈發展為橢圓狀,類似長生命史的中尺度對流復合體(MCC)。500 hPa的相對渦度高值區分布表明從河套至西南地區對流層中層的高空槽相當深厚。整個θse舌區位于副高的西北側,在副高西北側低空急流的左前方正是產生川渝大暴雨的中尺度對流系統強烈發展并維持的地區。850 hPa低空急流核的風速達到20 m/s,這為暴雨系統的發展和維持提供了強勁的動力條件和水汽輸送條件。

4.3.2 東北冷渦暴雨

東北冷渦是我國北方災害性天氣的一個重要影響系統。東北冷渦的不同部位都可以產生降水,主要由冷暖空氣交匯的位置決定。降水一般始于低渦的前部,此時西南風與東南風形成暖切變。當低渦在東北地區活躍時,與華北地區活躍的高空槽形成北渦南槽,在華北地區容易造成強降水天氣。此時,副高位置偏北偏西且異常穩定,阻擋西風帶上東移向其靠近的弱冷槽,使弱冷空氣與副高西北側的暖濕氣流相遇,出現一種較穩定的輻合場,產生明顯的準緯向型分布的暴雨天氣。本節介紹的兩個東北冷渦暴雨(2007年7月10日和2007年7月18日)分別屬于上面兩種情況。

2007年7月10日在亞洲東部的中高緯地區受經向型環流控制。在貝加爾湖西側為阻塞高壓控制,在阻塞高壓的東側我國東北地區的西北部上空低渦強烈發展,其底部向南伸展到渤海上空。西北干冷氣流與來自渤海灣以及更南端的暖濕氣流在低渦的東南象限交匯,在渤海灣、遼寧和吉林產生了大范圍的暴雨天氣(圖2d)。在東北低渦及其以南的槽區正好是925～700 hPa平均的正位渦高值區,說明該種經向型環流將繼續維持,為暴雨系統的持續性發展提供了有利的環境場條件。其中冷渦區PV值高達8 PVU以上,表明由于前期的降水,凝結潛熱釋放為大氣運動的正反饋作用將非常有利于低渦的發展和維持。在低渦的前側即偏東象限低層是高溫高濕的θse舌區,沿其軸線附近多個MCS發生、發展,產生分布不均勻的強降水天氣(圖3d)。

2007年7月18日,副高異常偏北偏西,控制了黃河以南的我國東部地區。在副高北側的西風帶系統內有弱的短波槽活動,與位于東北北部上空的東北低渦形成北渦南槽(或稱階梯槽)。階梯槽中的南槽為弱的短波槽,沿副高西側北上的暖濕氣流與沿階梯槽分裂南下的冷空氣交匯,在河北和山東產生了大范圍的暴雨天氣(圖2e),并在山東省濟南市造成了1小時累積降水量超過150 mm的特大暴雨。關于這次短時暴雨天氣已有不少研究(楊曉霞等,2008),本文不再討論。

7月18日的動力和熱力環境場條件(圖3e)分析表明,沿副高西側和北側是低層的θse舌區,在這個高溫高濕舌上中尺度對流系統非常活躍。低空西南急流就在θse舌的南面,風速核達到20 m/s。200 hPa上的高空急流位于40°N以北,也就是說華北暴雨區正好位于高空急流入口的右側,低空急流出口的北側,且高空偏西急流與低空偏南急流形成接近90°的交角,風切變很強,氣層非常的不穩定,這為山東和河北的大暴雨天氣提供了非常有利的動力和熱力環境場條件,也是濟南能產生突破歷史極值降水的一個重要背景條件。925～700 hPa平均的正位渦高值區分布表明,東亞地區的經向型環流還將維持,且沿東北方向發展。

4.4 臺風暴雨

2007年9月19日凌晨強臺風WIPHA在浙江省蒼南縣霞關鎮登陸。WIPHA登陸并北上期間,與中緯度的短波低槽系統遭遇,在河南、安徽、江蘇和山東以及河北南部、遼寧南部產生暴雨和大暴雨(圖2f)。暴雨主要位于臺風北側偏西象限,該象限正好位于西風槽前和副高西北側的對流天氣高發區。暴雨區的東南側是風速超過20 m/s的偏南低空急流,與暴雨區北側的偏西高空急流形成近90°的交角(圖3f),這為暴雨系統的長時間維持提供了有利的動力場條件。850 hPa的θse舌正好沿低空急流的輸送方向向北伸展。在高空槽前以及臺風影響區對流層低層為正位渦高值區。這也表明凝結潛熱釋放產生的正反饋機制將有利于低層輻合系統的維持,有利于強降水維持。

4.5 局地性暴雨

2007年7月14日,在廣西、湖南和江西境內出現了局地的暴雨天氣。這些降水分散出現在冷鋒前或鋒上(圖2g)。雖然產生暴雨的中尺度對流系統同樣活躍在副高西北側的高溫高濕區,但并沒有與前面幾種暴雨類似的低層高溫高濕舌出現,也沒有出現高、低空急流耦合的有利動力場條件(圖3g),因此MCS生命史非常短暫,且移動速度快,利用天氣背景條件的“配料”識別難以判斷該類暴雨的發生。24小時以上的短期預報對該類暴雨的預報能力相當有限。利用高時間和空間分辨率的衛星、雷達資料監測中尺度對流系統的發生、發展和移動路徑可能是目前進行該類暴雨天氣預報的主要手段。

5 暴雨的基本物理“配料”識別

暴雨的環境“配料”分析表明,雖然我國的暴雨可產生在不同的天氣系統背景下,但其發生發展的動力和熱力環境條件是相似的。這有助于主觀預報中定性判斷暴雨可能落區。此外,暴雨過程中表征深厚濕對流發生發展的基本物理“配料”——水汽、不穩定和抬升三類物理量參數的診斷則可更客觀、定量地判斷暴雨的落區及可能的量級。大量的個例分析研究表明,暴雨發生、發展期間,表征水汽、不穩定和抬升條件的物理參數具有明顯的演變特征:強降水發生過程中水汽具有明顯的演變特征,水汽積累到一定的程度再消耗。強降水發生前和發生初期通常處于不穩定的環境中,降水結束后,環境趨于穩定或弱的不穩定狀態,降水發生過程中當有天氣尺度的抬升或地形抬升促發對流有效位能釋放,將產生強的上升運動。(張小玲等,2002;孫建華等,2004,2006;梁豐等,2005)。崔曉鵬(2009)利用熱帶云分辨尺度模擬資料的分析也表明,水汽輻合與局地大氣變干利于強降水,這也證實在強降水過程中存在水汽的積累和消耗過程。

在數值預報水平不斷提高的今天,利用數值模式輸出結果追蹤有利于暴雨發生的物理“配料”的演變過程已經成為可能。下面以2003年7月4～5日淮河流域的一次降水過程為例,介紹如何利用模式輸出產品進行有利于暴雨的物理“配料”的演變診斷,以訂正模式的降水預報,從而實現利用模式輸出的強降水定量預報。

7月4日上午β中尺度對流系統(MCS)在安徽東南部發生、發展為低渦,并沿切變線向東緩慢移動,在安徽東南部和江蘇西部產生了強降水[圖4(見文后彩圖)]。利用PSU/NCAR的中尺度模式MM5模擬了此次強降水過程。但7月4日08時～7月5日08時的24小時降水較實況偏北(圖4)。下面以這次過程為例,闡述“配料法”暴雨識別和訂正。7月4日08時的探空分析[圖5(見文后彩圖)]顯示,長江和淮河之間的大范圍區域有高的可降水量(PW AT)、K指數(KI)和假相當位溫(θse),這些地區的最有利抬升指數(BLI)值在0附近或小于0,114°E以東的安徽西部和江蘇大部具有高的對流有效位能(CAPE)。這就表明這些地區的大氣處于潮濕不穩定的環境里,含有較高的能量。對于未來24小時強降水預報來說,需要關心的問題是:未來的濕區將如何變化?未來的不穩定區將出現在哪里?何時、何地將有對流有效位能的釋放?

MM5模擬的未來24小時可降水量、K指數、對流有效位能和850 hPaθse的演變(圖略)顯示,112°E以東位于長江、淮河之間的高溫高濕和高能量區逐漸南壓,其中在安徽西部和江蘇東部可降水量、K指數和θse均有先增加再減少的特征,表明24小時內有水汽和能量的積累和消耗過程,安徽中東部、江蘇大部分地區對流有效位能積累再釋放將在這些地區產生強的上升運動。綜合考慮水汽、穩定度和抬升條件,可進一步判斷在安徽東部和江蘇大部出現強降水的幾率最大。

以南京為例,利用模式輸出結果可追蹤特定預報點的物理量演變,進而判斷強降水的可能。南京的降水主要發生在4日20時之后,5日14時之前,累積降水195 mm,其中4日08時開始的24小時累積降水為127 mm,模式模擬的降水遠遠低于實況(圖4)。2003年7月4日08時南京的探空分析表明該地上空的CAPE高達1059 J/kg,地面抬升指數為-5,可降水量為47.5 mm,溫度露點曲線表現出明顯中層干侵入特征,表明不穩定的氣層釋放高的能量將產生強烈的上升運動。對于南京未來24小時降水預報需要解決的問題是:CAPE何時會釋放?空氣是否會變濕?模擬的36小時可降水量逐時分布顯示南京附近的可降水量在24小時累積到與模擬強降水中心相當的值(圖6a);最有利抬升指數與降水中心具有同樣的變化特征:從非常不穩定趨于弱不穩定(圖6b);CAPE在4日14時積累到峰值,并遠大于模擬降水中心,到21時已完全釋放(圖6c),根據

可以推測(ECAPE為CAPE),南京上空的垂直速度大于模擬的最大降水中心的垂直速度。圖6的分析表明,南京上空氣層有從不穩定趨于穩定的變化過程,其上空的水汽條件與最大降水中心附近相當,上升運動則比最大降水中心強。根據公式(1)則可推測未來24小時南京上空出現不弱于最大降水中心的降水量。

6 “配料”法的分析預報應用

圖6 模擬的2003年7月4日08時至5日20時南京附近(32°N,118.8°E)(虛線)和降水中心(32.5°N～33°N,117.5°E～118.5°E)平均(實線)的逐時(a)PWAT(單位:mm)、(b)BLI(單位:℃)和(c)CAPE(單位:J/kg)Fig.6 The evolutions of simulated hourly(a)PWAT,(b)BLI,and(c)CAPE around Nanjing(32°N,118.8°E)(dashed lines)and averaged over the maximal rainfall region(32.5°N-33°N,117.5°E-118.5°E)(solid lines)from 0800 LST 4 Jul to 2000 LST 5 Jul 2007

“配料”法的暴雨預報主旨反映了一種主觀的預報思路,也就是預報員在暴雨預報中集中關注有利于暴雨發生的“配料”的演變,這種“配料”包括與深厚濕對流有關的水汽、不穩定和抬升條件。對于非地形的抬升條件判斷主要通過天氣圖分析獲得,水汽和不穩定則可以通過典型天氣型識別和數值模式產品獲取。關于天氣形勢的分型研究和預報經驗總結已經比較完善,而對于暴雨的動力、熱力物理條件“配料”診斷分析產品以及利用模式輸出產品的“配料”暴雨落區客觀預報的研究開發還不多見。下面分別介紹暴雨“配料”的綜合圖分析方法和利用中尺度數值模式輸出產品的“配料”法暴雨客觀預報。

圖7 2008年9月(a)23日和(b)24日08時12小時累積降水量(單位:mm)Fig.7 12-h accumulated precipitation(a)from 2000 LST 22 to 0800 LST 23 Sep 2008 and(b)from 2000 LST 23 to 0800 LST 24 Sep 2008

6.1 暴雨“配料”綜合圖應用

2008年9月22～26日四川地震災區出現連續數日的暴雨天氣。在秋季出現這樣的連續暴雨是比較罕見的。僅從天氣型的識別來判斷此次暴雨過程有相當的難度,但利用探空觀測資料診斷深厚濕對流發生的物理“配料”對于12小時內的暴雨落區預報是有意義的。下面以9月22～24日的暴雨過程為例,介紹暴雨“配料”綜合圖在預報中的應用。

9月22日08時至23日08時,汶川地震災區出現了50 mm以上的暴雨天氣。強降水主要出現在22日夜間至23日凌晨(圖7a)。利用22日20時的探空資料診斷的可降水量(PWAT)、最有利抬升指數(BLI)和對流有效位能(CAPE)顯示:在汶川地震災區,PWAT超過50 mm,達到氣候狀態(圖略)的120%;BLI小于0;CAPE超過3000 J/kg,表明該地區氣層非常的潮濕且不穩定[圖8a(見文后彩圖)]。當22日夜間地面低壓系統強迫抬升使大量對流有效位能產生強的上升運動,使暴雨系統得以發生發展。22日20時廣東、湖南、江西雖然PWAT超過40 mm,但仍然低于氣候狀態,氣層雖然不穩定且積聚有大量的對流有效位能,但這些地區處于副高的控制范圍,缺乏抬升機制,并沒有產生強降水天氣。

9月23～24日汶川地震災區再次出現暴雨天氣,河套西部地區、廣東沿海和海南也出現了暴雨和大暴雨天氣。三個暴雨區的強降水均主要發生在23日夜間至24日凌晨(圖7b)。23日20時的可降水量(PWAT)、最有利抬升指數(BLI)和對流有效位能(CAPE)分布顯示:四川盆地和陜西南部、江淮、江南和華南地區可降水量超過40 mm,四川中部和南部、河套西部和北部、長江下游、海南、廣東和福建東部可降水量超過氣候平均值(圖略),這些地區的K指數也超過了氣候平均狀態。在四川中部和北部、海南、廣東和福建南部、長江下游對流有效位能CAPE超過2000 J/kg,BLI小于0,表明這些地區氣層非常潮濕且不穩定[圖8b(見文后彩圖)]。當22日夜間高原短波槽東移影響四川,大量對流有效位能釋放產生強的上升運動,暴雨系統得以發生發展。當臺風登陸影響華南時,強烈的抬升使華南和海南的大量對流有效位能釋放,暴雨系統發生發展。長江下游氣層雖然不穩定且積聚有大量的對流有效位能,但這些地區處于副高的控制范圍,缺乏抬升機制,并沒有產生強降水天氣。河套地區此時處于副高西北側和西風帶南緣之間,伴隨西風槽快速東移南下的冷鋒產生了強烈的天氣尺度的抬升。處于半干旱氣候背景區域的河套地區,水汽條件在暴雨的發生和維持中起著更加關鍵的作用。

圖9 2006年 (a)5月18日和 (b)6月9日“配料法”24小時暴雨落區預報 (等值線)。陰影:國家氣象中心業務中尺度模式MM5預報的24小時50 mm以上降水;標值:50 mm以上觀測降水Fig.9 The ingredients-based heavy rainfall regions forecasting(encircled by isolines)on(a)18 May 2006 and(b)9 Jul 2006.Shadings:precipitation over 50 mm forecasted with operational mesoscale model MM5 in the National Meteorological Center;marked values:observational precipitation over 50 mm

6.2 暴雨“配料”客觀預報

利用“配料”的思路,即暴雨系統發生、發展必須具備水汽、抬升和不穩定條件,通過有效的模式輸出,診斷暴雨系統中的三類基本物理“配料”的時空變化特征,追蹤暴雨系統的發生、發展演變過程,可最終確定暴雨可能發生的危險區域。對于不同系統產生的暴雨,其物理“配料”的基本成分固定,但各物理“配料”的量的變化非常大,而對于同類系統的暴雨由于地理環境的差異,氣候背景的不同,在我國南方地區和北方地區也有很大差異。因此,如何確定不同地區表征“配料”的物理因子及其量的變化是最為關鍵的兩項技術。

“配料法”暴雨預報是在國家氣象中心中尺度業務模式MM5的輸出結果上利用“配料法”的原理進行,即利用MM5的高時空分辨率資料,根據表征有利于深厚濕對流系統發生、發展的的水汽條件、不穩定條件和抬升條件判斷暴雨系統的發生、發展過程,確定暴雨的落區。

2006年以來的應用結果表明,該方法具有一定的參考意義 (圖9),其中“配料法”的暴雨落區預報方法對華南前汛期暴雨、臺風暴雨、東西向分布的暴雨 (如梅雨鋒暴雨)具有相對好的預報能力,而對于南北向分布的暴雨和局地暴雨的預報能力有限。

7 結論和討論

利用2007年的暴雨個例分析表明,我國主要的幾類暴雨 (臺風暴雨、冷鋒型暴雨、準靜止鋒型暴雨、西南渦和東北冷渦暴雨)發生過程中具有共同的動力、熱力特征 (圖10):暴雨系統更傾向于在高溫高濕的不穩定區,即沿對流層低層的θse舌區軸線附近發生發展,這個區域通常具有高低空急流耦合的動力條件。準靜止鋒型暴雨通常持續時間長,高低空急流耦合非常重要。臺風暴雨、冷鋒型暴雨、西南渦和東北冷渦暴雨發生時,可能只有高空急流或低空急流存在。局地暴雨的發生通常由局地的熱力或地形抬升作用,缺乏高低空急流的動力條件配合。

暴雨發生、發展期間,表征深厚濕對流發生發展的物理“配料”——水汽、不穩定條件具有明顯的演變特征:強降水發生過程中水汽積累到一定的程度再消耗;強降水發生前和發生初期通常處于不穩定的環境中,降水結束后,環境趨于穩定或弱的不穩定狀態;降水發生過程中當有天氣尺度的抬升或地形抬升促發對流有效位能釋放,將產生強的上升運動。利用有效的數值模式輸出結果,診斷預報時效內暴雨“配料”的演變特征,發展了“配料法”暴雨落區預報方法,并被應用于國家級業務中。

圖10 (a)準靜止鋒型暴雨和(b)冷鋒型、西南渦型、東北冷渦型、臺風型暴雨的動力和熱力配置概念模型。粗箭頭:高空急流(ULJ)和低空急流(LLJ);虛箭頭:可能存在的急流;淺陰影:對流層低層的θse高值舌;深陰影:產生暴雨的中尺度對流系統;細實線:等θse線;粗虛線:對流層低層等PV線Fig.10 Dynamical and thermaldynamical scheme models for heavy rainfall associated with(a)quasi-stationary front type and(b)cold front,southwest vortex,northeast vortex,and typhoon types.Thick arrows denote upper level jet(ULJ)and low level jet(LLJ);dashed arrows denote potential jet;light shadings areθsetongue in the lower troposphere;dark shadings are producing-rainstorm mesoscale convective systems;solid and dashed lines denoteθseand potential vorticity in the lower troposphere,respectively

在持續性暴雨預報中,監測季風涌、Rossby波列以及西太平洋副熱帶高壓的活動非常重要。當有利于持續性強降水的行星尺度天氣系統配置穩定時,應重點關注西風槽、高低急流等天氣尺度系統的建立過程。

在暴雨和冰雹、雷雨大風等強對流天氣預報中,利用“配料”的預報思路,抓住預報時效內“配料”及其建立、演變過程,可從以下三個過程建立預報思路。

第一步:識別物理“配料”的出現。抓住反映造成暴雨(強對流)天氣的深厚濕對流系統發生發展所必須的水汽條件、不穩定條件幾個主要的、必要的物理量(稱之為“配料”)是首要問題。對于強對流天氣,與垂直風切變相關的“配料”物理量也必須考慮。

第二步:天氣型識別。抓住暴雨(強對流)天氣發生前天氣尺度的環境場怎樣演變成有利于其發生的環境的,在這個區域內暴雨(強對流)出現的可能性最大。從各標準等壓面天氣圖上的氣壓場、溫度場、濕度場和風場分析那些危險區域怎樣改變成有利于暴雨(強對流)出現的天氣尺度的熱力學結構、風場結構以及水汽場結構。這個區域多數位于高空槽前,但有時也離開高空槽較遠,甚至到脊線附近。要追蹤配料和危險區域的演變就必須根據數值預報產品,預報未來這個有利于暴雨或強對流的環境會有什么變化。天氣尺度的強迫是有利于暴雨(或強對流)出現的背景條件。

第三步:分析(或預報)引起暴雨(或強對流)的中尺度過程。對于突發性的短時強降水或強對流天氣顯得尤其重要。監測有利于暴雨產生的天氣尺度環境場內何時、何地會有產生暴雨(強對流)的中尺度對流系統產生,并追蹤這些新生的中尺度對流系統的移動。利用地面天氣圖、衛星云圖上各種邊界(如鋒面、輻合線、出流邊界、積云線等)分析確定中尺度對流的觸發機制尤其重要。特別是不同邊界相交處尤其危險,最強的動力抬升通常出現在這些地方。

根據目前對中尺度對流系統發生發展機理認識水平,利用常規和加密觀測站、自動站、衛星、雷達、風廓線儀、閃電定位儀等多資料源的觀測資料和遙感探測可以分析出中尺度對流系統的活動,而這對于進行暴雨(或強對流)天氣的臨近和12小時內的落區和發生時間的預報是有效的。

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圖4 2003年7月4～5日08時24小時累積降水量(單位:mm)。陰影:實況;等值線:MM5模擬Fig.4 24-h accumulated precipitation from 0800 LST 4 to 0800 LST 5 Jul 2003.Shadings:observation;isolines:MM5 simulation

圖5 2003年7月4日08時的探空分析:(a)PWAT(單位:mm;陰影:≥40 mm)、KI(單位:℃)、BLI(單位:℃);(b)地面θse(單位:K;陰影:≥345 K)、CAPE(單位:J/kg)、對流抑制能量(CIN,單位:J/kg)Fig.5 Sounding analysis at 0800 LST 4 Jul 2003:(a)Precipitable water(PWAT,shadings:≥40 mm),K index(KI,units:℃),and best lifting index(BLI,units:℃);(b)θse(shadings:≥345 K)at surface,convective available potential energy(CAPE,units:J/kg),and convective inhibited energy(CIN,units:J/kg)

圖8 2008年9月(a)22日和(b)23日20時暴雨“配料”綜合圖。陰影:PWAT≥10 mmFig.8 The composite plots of heavy rainfall ingredients at(a)2000 LST 22 Sep 2008 and(b)2000 LST 23 Sep 2008.Shadings:PWAT≥10 mm

Ingredients-Based Heavy Rainfall Forecasting

ZHANG Xiaoling1,TAO Shiyan2,and SUN Jianhua2

1National Meteorological Center,China Meteorological Administration,Beijing100081
2Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029

An approach to forecast heavy precipitation is developed,using the concept of basic ingredients.Analyses of the heavy rainfall cases in 2007 and 2003 show that rainstorms share some common dynamic and thermodynamic environmental conditions,and their physical ingredients obviously vary with developing of deep moist convective systems in several heavy rainfall types in China.How to synthetically analyze the dynamic and thermodynamic environmental conditions and basic physical parameters in forecasting heavy rainfall is introduced.Atechnique for objective forecasting heavy rainfall which is applied in the National Meteorological Center is developed,using the monitor of basic ingredients variety by the numerical weather prediction output.

ingredients,heavy rainfall,forecasting

1006-9895(2010)04-0754-13

P426

A

張小玲,陶詩言,孫建華.2010.基于“配料”的暴雨預報[J].大氣科學,34(4):754-756.Zhang Xiaoling,Tao Shiyan,Sun Jianhua.2010.Ingredients-based heavy rainfall forecasting[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences(in Chinese),34(4):754-766.

2009-07-07,2009-12-22收修定稿

國家自然基金資助項目40505010,公益性行業(氣象)科研專項GYHY200906003

張小玲,女,1972年出生,博士,主要從事中尺度天氣分析和預報方法研究。E-mail:zhangxl@cma.gov.cn