屈麗瑋 梁生俊

摘要

對(duì)2011年9月陜西歷史罕見的強(qiáng)秋淋天氣中的暴雨天氣過程中暴雨動(dòng)力因子的預(yù)報(bào)情況進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)暴雨動(dòng)力因子預(yù)報(bào)場(chǎng)有較好的表現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)的出現(xiàn)時(shí)間、位置和移動(dòng)趨勢(shì)均有較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)；對(duì)流渦度矢量閾值能達(dá)20×10-8K/（Pa·s），濕熱力平流閾值可達(dá)25×10-13K2/（m2·s），質(zhì)量散度的閾值達(dá)10×10-6 s-1。對(duì)不同的過程，動(dòng)力因子的預(yù)報(bào)能力是不同的；對(duì)于區(qū)域性的暴雨和大暴雨過程，該系統(tǒng)的預(yù)報(bào)效果好；動(dòng)力因子的移動(dòng)趨勢(shì)和強(qiáng)度變化表現(xiàn)較好，能反映出系統(tǒng)的生成和演變。集合動(dòng)力因子綜合熱力、動(dòng)力、水汽等物理量，能給出更多的預(yù)報(bào)信息，合理利用多種因子對(duì)天氣過程進(jìn)行綜合分析，能協(xié)助預(yù)報(bào)員進(jìn)行科學(xué)決策。

關(guān)鍵詞 秋淋；暴雨動(dòng)力因子；對(duì)流渦度矢量；濕熱力平流；質(zhì)量散度

中圖分類號(hào) S161.6；P458.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）26-09069-04

華西秋雨，在陜西省也被稱為“秋淋”，是指在8月中旬以后，西太平洋副熱帶高壓南退時(shí)，在長(zhǎng)江以南駐留期間，其西部邊緣攜帶大量暖濕氣流，與北部持續(xù)不斷分裂南下的冷空氣在陜西中南部上空匯合，形成持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大的連陰雨過程。2011年9月，陜西出現(xiàn)了強(qiáng)秋淋天氣，降水從3日持續(xù)到20日，歷時(shí)18 d。其中9月3～8、9～14和16～18日陜西連續(xù)3次出現(xiàn)區(qū)域性暴雨天氣過程，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、暴雨站數(shù)多，歷史罕見，關(guān)中大部、陜南大部出現(xiàn)暴雨和大暴雨天氣。全省平均降水量創(chuàng)1961年以來同期最多，是常年同期的3.7倍。山體滑坡和塌方災(zāi)害不斷出現(xiàn)，渭河、漢江流域出現(xiàn)嚴(yán)重汛情，公路被洪水沖毀，數(shù)十萬(wàn)人被緊急撤離，秋糧作物大面積減產(chǎn)，因?yàn)?zāi)死亡58人，直接經(jīng)濟(jì)損失80多億元。

集合動(dòng)力因子暴雨預(yù)報(bào)技術(shù)作為暴雨預(yù)報(bào)技術(shù)的重要補(bǔ)充，已經(jīng)展開了一些研究。它是分解技術(shù)與組合技術(shù)在暴雨分析與預(yù)報(bào)中應(yīng)用的成果，由中科院大氣物理研究所高守亭教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)，在北京、貴州、吉林等省份已投入業(yè)務(wù)使用，有較好的預(yù)報(bào)效果^[1-5]。陜西于2010年投入業(yè)務(wù)使用，經(jīng)初步檢驗(yàn)對(duì)陜西汛期暴雨預(yù)報(bào)效果良好^[6-7]。冉令坤等研究指出對(duì)流渦度矢量垂直分量、濕熱力平流參數(shù)和波作用密度等動(dòng)力因子對(duì)降水的量級(jí)和范圍有一定的指示意義，其動(dòng)態(tài)演變可以作為一個(gè)預(yù)示強(qiáng)降水系統(tǒng)發(fā)展演變的指標(biāo)^[1]；趙宇等對(duì)華北地區(qū)一次大范圍的大到暴雨天氣過程進(jìn)行診斷研究，得出對(duì)流渦度矢量的垂直分量與云和降水密切相關(guān)^[2]。筆者對(duì)2011年9月陜西強(qiáng)秋淋天氣中的暴雨天氣過程中暴雨動(dòng)力因子的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)分析，重點(diǎn)分析各因子大值區(qū)與暴雨落區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，總結(jié)秋季連陰雨暴雨動(dòng)力因子閾值，檢驗(yàn)系統(tǒng)中動(dòng)力因子的預(yù)報(bào)效果，為陜西暴雨預(yù)報(bào)提供參考。

1 降水天氣背景

2011年9月秋淋天氣發(fā)生期間，巴爾喀什湖到新疆維持一個(gè)完整強(qiáng)盛阻塞高壓，其前部不斷有冷空氣東移南壓，在青藏高原上不斷有高原槽生成并東移，再加上西太平洋副熱帶高壓在四川、湖北一帶穩(wěn)定少動(dòng)，其西側(cè)西南暖濕氣流持續(xù)，這樣造成冷暖空氣在陜西中南部上空交匯，形成有利于連陰雨天氣形成的環(huán)流背景。后期大氣環(huán)流形勢(shì)調(diào)整，阻塞高壓被破壞，西南暖濕氣流減弱，連陰雨基本結(jié)束。

2 暴雨動(dòng)力因子預(yù)報(bào)檢驗(yàn)分析

2.1 暴雨動(dòng)力因子的選取及其公式

暴雨動(dòng)力因子能夠準(zhǔn)確地描述暴雨過程中某些動(dòng)力場(chǎng)、熱力場(chǎng)和水汽場(chǎng)的典型結(jié)構(gòu)特征，暴雨動(dòng)力因子的發(fā)展、移動(dòng)與降水系統(tǒng)的發(fā)展和移動(dòng)存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，綜合分析各動(dòng)力因子可以預(yù)報(bào)未來暴雨的強(qiáng)度和落區(qū)以及降水系統(tǒng)的發(fā)展和移動(dòng)方向。通過陜西省2010年汛期以來的業(yè)務(wù)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)非均勻飽和濕熱力平流參數(shù)、對(duì)流渦度矢量、質(zhì)量散度等因子與強(qiáng)降水落區(qū)和強(qiáng)度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此選取以上3個(gè)動(dòng)力因子進(jìn)行分析。

2.1.1

非均勻飽和濕熱力平流參數(shù)（summtp）。

非均勻飽和濕熱力平流參數(shù)是三維位溫平流的水平梯度與廣義位溫水平梯度的標(biāo)量積，簡(jiǎn)稱為濕熱力平流。積分形式可寫為：summtp=-

∫500hPa850hPaρ|h（-v·θ）·hθ*|dp，其中，ρ為濕空氣密度（kg/m3），v為速度矢量（m/s），θ、θ*分別為位溫（K）和廣義位溫（K）。summtp為濕熱力平流參數(shù)，單位是K2/（m2·s），它是與位溫的水平梯度、比濕、飽和比濕及自由對(duì)流高度層的溫度有關(guān)的表征鋒面附近不連續(xù)物質(zhì)面的項(xiàng)，能表現(xiàn)鋒區(qū)的熱力及水汽分布特征。這項(xiàng)用廣義濕位溫梯度與干冷平流梯度相結(jié)合的濕熱力平流參數(shù)預(yù)報(bào)新技術(shù)，能夠較好地解決西風(fēng)槽暴雨的落區(qū)預(yù)報(bào)問題。

2.1.2

對(duì)流渦度矢量的垂直積分（sumcvz）。高守亭等將位渦定義廣義化，即把位勢(shì)渦度定義中渦度矢量和位溫梯度的點(diǎn)乘改為叉乘得到了一個(gè)新的物理量，稱為對(duì)流渦度矢量（CVZ）^[8-9]。這里的CVZ是渦度矢量與廣義位溫梯度的矢量積的垂直分量?？捎霉紺VZ=ζv×θe表示，積分形式為：sumcvz=-

2.2 暴雨動(dòng)力因子檢驗(yàn)

2.2.1

2011年9月3～8日強(qiáng)降水過程。9月3～8日是此次秋淋天氣的第1個(gè)降水時(shí)段。關(guān)中大部降水量在100.0 mm以上，最大為寶雞162.9 mm；陜南西部降水量60～80 mm、中東部普遍大于100.0 mm，最大為鎮(zhèn)巴162.5 mm；全省79縣區(qū)大于50.0 mm，其中有37縣區(qū)大于100.0 mm，降水主要集中在關(guān)中中西部和陜南中東部。其中，9月5日降水最強(qiáng)，關(guān)中大部和陜南東部局地出現(xiàn)暴雨，關(guān)中有33縣區(qū)出現(xiàn)暴雨，眉縣100.8 mm，陜南出現(xiàn)2縣區(qū)暴雨；9月6日，陜南有8縣區(qū)出現(xiàn)暴雨，含2站大暴雨（紫陽(yáng)127.2 mm、鎮(zhèn)巴114.3 mm）。

9月5日11：00～14：00，陜北南部、關(guān)中大部出現(xiàn)降水，寶雞中部3 h降水量>20 mm（圖1a），在對(duì)流渦度矢量場(chǎng)上（圖1b₁），大值區(qū)位于陜北南部和關(guān)中一帶，與降水場(chǎng)的位置是一致的，在咸陽(yáng)北部出現(xiàn)了18×10-8 K/（Pa·s）的極大值，在寶雞西部有極值為15×10-8 K/（Pa·s）的大值中心，較強(qiáng)降水中心的位置偏西，對(duì)流渦度矢量的大值區(qū)與強(qiáng)降水位置對(duì)應(yīng)是比較一致的；在濕熱力平流場(chǎng)上（圖1b₂），中心最大值為25×10-13 K2/（m2·s），位于咸陽(yáng)北部，大于10×10-13 K2/（m2·s）的區(qū)域在陜北南部和關(guān)中，與雨帶位置一致；質(zhì)量散度場(chǎng)上（圖1b₃），大值中心位于寶雞東北部，較前2個(gè)動(dòng)力因子偏西，與實(shí)況更為接近，中心最大值達(dá)10×10-6 s-1。

5日14：00～17：00，全省的雨帶位置較前3 h略向南移動(dòng)，位于陜北南部和關(guān)中，降雨強(qiáng)度有所減弱，3 h累計(jì)最大降水量在20 mm以下，大于10 mm的雨帶位于關(guān)中中西部地區(qū)；對(duì)應(yīng)17：00動(dòng)力因子預(yù)報(bào)場(chǎng)上，對(duì)流渦度矢量場(chǎng)也表現(xiàn)出向南移動(dòng)和減弱的趨勢(shì)，大于18×10-8 K/（Pa·s）的極大值中心向東移動(dòng)至渭南，大于12×10-8 K/（Pa·s）的區(qū)域位于關(guān)中中西部大部地區(qū)；濕熱力平流場(chǎng)上，系統(tǒng)在向南移動(dòng)，同時(shí)中心強(qiáng)度減弱，大于10×10-13 K2/（m2·s）的區(qū)域覆蓋關(guān)中大部，與實(shí)況場(chǎng)較一致；質(zhì)量散度也表現(xiàn)為強(qiáng)度減弱和系統(tǒng)南壓的特征。9月6日08：00～11：00（圖2），降水出現(xiàn)在陜北南部、關(guān)中南部和陜南，強(qiáng)降水區(qū)位于漢中東南部和安康西南部，較前一時(shí)段向東移動(dòng)；在動(dòng)力因子預(yù)報(bào)場(chǎng)上，物理量也表現(xiàn)出了東移的趨勢(shì)，對(duì)流渦度矢量大值區(qū)位于陜南西南部至關(guān)中東部一帶，中心極值為18×10-8 K/（Pa·s），降水區(qū)域較實(shí)況偏北偏西；濕熱力平流場(chǎng)上，中心極大值為15×10-13 K2/（m2·s），較前一時(shí)次強(qiáng)度有所減弱，但范圍擴(kuò)大，與實(shí)況更為接近，位于關(guān)中南部至陜南南部一帶，較實(shí)況偏北；質(zhì)量散度場(chǎng)也向東移，除陜南西部外，在陜南中部出現(xiàn)一個(gè)中心強(qiáng)度為8×10-6s-1的新的大值區(qū)。6日11：00～14：00，強(qiáng)降水在繼續(xù)發(fā)展，強(qiáng)雨帶向東移動(dòng)，移至安康南部，雨帶范圍與上一時(shí)段相同；在動(dòng)力因子預(yù)報(bào)場(chǎng)上，動(dòng)力因子繼續(xù)向正東移動(dòng)，對(duì)流渦度矢量大值區(qū)移至商洛地區(qū)，中心極大值為18×10-8 K/（Pa·s）；濕熱力平流場(chǎng)上位置相似，中心極大值為15×10-13 K2/（m2·s），質(zhì)量散度大值區(qū)維持在隴南-陜南西部一帶，該時(shí)段動(dòng)力因子預(yù)報(bào)場(chǎng)延續(xù)上一時(shí)段的特點(diǎn)，較實(shí)況偏北，從向東移動(dòng)的趨勢(shì)看，較實(shí)況偏快。

2.2.3

2011年9月16～19日強(qiáng)降水。 9月16～19日，全省大部出現(xiàn)降水，該時(shí)段為此次秋淋天氣的第3個(gè)降水時(shí)段，陜北北部普遍小雨10 mm，陜北南部降水量20.4～78.4 mm，最大黃陵；關(guān)中大部在50 mm以上，最大周至156.9 mm；陜南中部普遍大于100 m，最大鎮(zhèn)巴（250.4 mm）。全省75縣區(qū)降水量大于50 mm，其中26縣區(qū)降水量大于100 mm，主要位于關(guān)中南部和陜南中部。

9月18日02：00～05：00（圖4），除陜北北部外，全省均出現(xiàn)降水，強(qiáng)降水帶位于陜南南部，鎮(zhèn)巴3 h降水量為24.5 mm。從18日08：00 24 h降水量可以看出，在這一時(shí)段內(nèi)，四川北部的降水強(qiáng)度大，在東北部有7站降水>100 mm，最大276 mm，這一時(shí)段的動(dòng)力因子預(yù)報(bào)，強(qiáng)度也明顯強(qiáng)于前2次過程；對(duì)流渦度矢量在陜南西南-四川北部出現(xiàn)了45×10-8 K/（Pa·s）的極大值中心，大于10×10-8 K/（Pa·s）的區(qū)域與降水帶位置對(duì)應(yīng)較好，極大值中心與強(qiáng)降水落區(qū)位置對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確，但強(qiáng)度偏大；在濕熱力平流場(chǎng)上，在安康南部出現(xiàn)了大于20×10-13 K2/（m2·s）的極大值，中心最大值為25×10-13 K2/（m2·s），位置較強(qiáng)降水中心偏東；在質(zhì)量散度場(chǎng)上，大值中心落區(qū)與實(shí)況較接近，中心最大值達(dá)20×10-6s-1，這個(gè)時(shí)次預(yù)報(bào)場(chǎng)的值明顯偏大，為前2次強(qiáng)降水的2倍。說明暴雨動(dòng)力因子對(duì)于降雨強(qiáng)度很敏感。

18日05：00～08：00，降水持續(xù)，在關(guān)中南部和陜南西部大部地區(qū)出現(xiàn)了大于10 mm的降水，強(qiáng)降水出現(xiàn)在寧強(qiáng)，3 h降水量為21.5 mm；動(dòng)力因子預(yù)報(bào)場(chǎng)上，對(duì)流渦度矢量極大值為36×10-8 K/（Pa·s），較上一時(shí)次減弱，但強(qiáng)度仍較強(qiáng)，系統(tǒng)位置維持不變，大值區(qū)與強(qiáng)降水位置對(duì)應(yīng)較準(zhǔn)確；濕熱力平流的強(qiáng)度也表現(xiàn)出減弱的趨勢(shì)，極大值達(dá)15×10-13 K2/（m2·s），分別位于漢中西部、西安東部和陜南東部；質(zhì)量散度降至16×10-6s-1，大值區(qū)位置與實(shí)況接近。

18日08：00～11：00，降水仍發(fā)生在陜北南部、關(guān)中和陜南，寧強(qiáng)和鎮(zhèn)巴3 h降水量分別為24.7、22.6 mm，強(qiáng)降水仍在陜南南部維持；對(duì)流渦度矢量場(chǎng)上，在陜南仍維持18×10-8 K/（Pa·s）的大值區(qū)，在商洛以東有新的大值系統(tǒng)生成；濕熱力平流場(chǎng)上，大值中心位于關(guān)中、陜南西部，達(dá)15×10-13 K2/（m2·s）以上；質(zhì)量散度場(chǎng)強(qiáng)中心位置不變，位于陜南西南-四川東北部一帶，該時(shí)次暴雨動(dòng)力因子預(yù)報(bào)場(chǎng)基本與實(shí)況一致。

3 結(jié)論

從暴雨落區(qū)、強(qiáng)度和時(shí)段對(duì)比分析了2011年9月陜西強(qiáng)秋淋天氣中幾個(gè)強(qiáng)暴雨時(shí)段與該強(qiáng)暴雨時(shí)段相對(duì)應(yīng)的暴雨動(dòng)力因子預(yù)報(bào)情況進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，通過對(duì)比分析得出以下結(jié)論。

（1）對(duì)不同的過程，動(dòng)力因子的預(yù)報(bào)能力是不同的。對(duì)于范圍較大的持續(xù)性的短時(shí)強(qiáng)降水，如區(qū)域性的暴雨和大暴雨過程，該系統(tǒng)的預(yù)報(bào)效果好。動(dòng)力因子的移動(dòng)趨勢(shì)和強(qiáng)度變化表現(xiàn)較好，能反映出系統(tǒng)的生成和演變。動(dòng)力因子比較適合預(yù)報(bào)有組織的系統(tǒng)性比較強(qiáng)的降水系統(tǒng)。

（2）對(duì)此次強(qiáng)秋淋天氣中的暴雨，暴雨動(dòng)力因子預(yù)報(bào)場(chǎng)有較好的表現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)的出現(xiàn)時(shí)間、位置和移動(dòng)趨勢(shì)均有較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，此次過程中出現(xiàn)的暴雨與盛夏暴雨的特點(diǎn)有所不同，對(duì)于這種秋季連陰雨中的暴雨，沒有出現(xiàn)某些時(shí)次的降水特別強(qiáng)，而是24 h內(nèi)均勻連續(xù)的降水造成降水量超過50 mm。短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)較盛夏暴雨來說，強(qiáng)度弱、范圍小、

出現(xiàn)頻次少，對(duì)此，與盛夏暴雨相比，暴雨動(dòng)力因子強(qiáng)度明顯較弱，對(duì)流渦度矢量極大值能達(dá)20×10-8 K/（Pa·s），濕熱力平流可達(dá)25×10-13 K2/（m2·s），質(zhì)量散度的閾值達(dá)10×10-6s-1。從雨帶的范圍來講，暴雨動(dòng)力因子的范圍大小，與實(shí)況的一致性較高，動(dòng)力因子的大值區(qū)對(duì)應(yīng)的是降水落區(qū)，但從中心強(qiáng)度的位置來講，準(zhǔn)確性不穩(wěn)定。對(duì)于較強(qiáng)的暴雨系統(tǒng)，預(yù)報(bào)相對(duì)較準(zhǔn)，對(duì)于隨機(jī)性大、持續(xù)時(shí)間短的系統(tǒng)，則準(zhǔn)確性較差，誤差較大時(shí)可達(dá)2～3個(gè)經(jīng)距。

（3） 集合動(dòng)力因子綜合熱力、動(dòng)力、水汽等物理量，能給出更多的預(yù)報(bào)信息，合理利用多種因子對(duì)天氣過程進(jìn)行綜合分析，能協(xié)助預(yù)報(bào)員進(jìn)行科學(xué)決策。另外，對(duì)于某些過程的預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確性不是很高，報(bào)出了系統(tǒng)的存在，但位置的準(zhǔn)確性較差，其中的原因還有待進(jìn)一步的研究。

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