陳 鮑 發(fā)
(景德鎮(zhèn)市氣象臺,333000,景德鎮(zhèn),江西)
強天氣威脅指數(shù)(Ⅰ)在景德鎮(zhèn)市暴雨中的應(yīng)用
陳 鮑 發(fā)
(景德鎮(zhèn)市氣象臺,333000,景德鎮(zhèn),江西)
使用南昌站探空資料,計算出1998-2008年10年中I的氣候分布特征,統(tǒng)計出2005-2008年景德鎮(zhèn)市23次暴雨過程中I 的平均場,最后與2010-2012年江西幾次強暴雨過程中的I 分布進行了對比分析,結(jié)果表明:暴雨發(fā)生前24 h,由江西、湖南南部有I高能舌經(jīng)贛東北地區(qū)伸向安徽與江蘇省北部,景德鎮(zhèn)市處在伸展的高能舌內(nèi)。在長江中下游N30°附近有明顯的I 鋒區(qū),景德鎮(zhèn)市處東段鋒區(qū)內(nèi)。暴雨發(fā)生時,處景德鎮(zhèn)以南的南昌、衢州I值明顯增強,而處景德鎮(zhèn)以北的武漢、安慶的I值則有所降低,導(dǎo)致景德鎮(zhèn)所處的I鋒區(qū)的強度增強。暴雨結(jié)束后,不穩(wěn)定能量得到充分釋放,I明顯減弱。個例分析表明,強暴雨區(qū)主要出現(xiàn)在I大值區(qū)以北1~2個緯距內(nèi)的I強鋒區(qū)中或大值區(qū)的北部邊緣。
暴雨;強天氣威脅指數(shù)(Ⅰ);空間分布特征
天氣學(xué)的發(fā)展是一個應(yīng)用物理問題,清楚地認識本地區(qū)各物理量場的空間結(jié)構(gòu),對做出準確的預(yù)報有較大幫助。尤其是在災(zāi)害性天氣過程的預(yù)報中,應(yīng)用物理意義明確且有一定指示意義的物理量,對提高預(yù)報成功率有較好地幫助。
強天氣威脅指數(shù)(以下簡稱Ⅰ),是美國龍卷預(yù)報中的一個常用指標,近年來在我國的強對流天氣中得到廣泛的應(yīng)用。李艷[1]等在分析南京雷暴分級潛勢預(yù)報中計算了強天氣威脅指數(shù)與雷暴的相關(guān)系數(shù),正相關(guān),相關(guān)系數(shù)0.32,并將Ⅰ引入預(yù)報方程,得到良好效果。張慧嬋[2]在分析廣州白云機場雷雨大風(fēng)時,計算了不同類型的合成Ⅰ場,結(jié)果表明所有類型個例的Ⅰ平均值都>250,其中風(fēng)速切變型的Ⅰ平均值>=300,對雷雨大風(fēng)有較好的預(yù)報意義。韓寧[3]等在研究陜甘寧三省5-9月短時強降水的特征時,Ⅰ表現(xiàn)明顯,接近300,這也說明了在我國北方,Ⅰ與強降水的關(guān)系也密切。張艷玲[4]等利用數(shù)值模擬結(jié)果計算的有效位能、強天氣威脅指數(shù),對強對流天氣都具有很好的指示意義。蔣立輝[5]等指出,強天氣威脅指數(shù)大小在某種意義上能夠良好地反映出強對流天氣發(fā)生的強弱程度。易笑園[6]等指出:Ⅰ很好地衡量強熱力和強動力條件、強熱力加上弱動力條件下強對流天氣的劇烈程度,有很高的實用性。張霞[7]等在分析鄭州雷電時指出:Ⅰ值的增大有利于雷電活動的出現(xiàn),Ⅰ>=180的值域范圍與雷電活動的出現(xiàn)關(guān)系密切。
通過作者多年的業(yè)務(wù)實踐,發(fā)現(xiàn)Ⅰ不僅對龍卷、冰雹等強對流天氣有參考價值,而且,對暴雨的預(yù)報也有一定的參考價值。為研究Ⅰ與暴雨的相關(guān)性,本文收集1998-2008年近10年以來Ⅰ 資料,以南昌站為例,研究Ⅰ在江西中北部的氣候特征;然后計算了2005-2008年4年以來景德鎮(zhèn)市23場暴雨天氣過程中Ⅰ的平均場,分析了Ⅰ在景德鎮(zhèn)市暴雨過程中的臨界值與空間分布特征,其結(jié)果可為提高景德鎮(zhèn)市暴雨預(yù)報準確率提供參考依據(jù)。
1.1Ⅰ的定義
強天氣威脅指數(shù)定義為:Ⅰ=12D+20(T-49)+4fs+2f5+125(S+0.2)。
D為850 hPa溫度露點(℃),若D是負數(shù),取值為0;T=850 mb溫度、露點的和減去500 mb溫度的2倍,若T<49,則20(T-49)項等于0;fs為850 hPa風(fēng)速(m/s);f5為500 hPa風(fēng)速(m/s);S為Sin(500 mb風(fēng)向-850 mb風(fēng)向);切變項125(S+0.2)在下列任一條件下為0:1)850 hPa風(fēng)向在130°~250°之間;2)500 hPa風(fēng)向在210°~310°之間;3)500 hPa的風(fēng)向減850 hPa的風(fēng)向為正;4)850 hPa的風(fēng)速及500 hPa的風(fēng)速至少等于15 nmile/h。I反映了不穩(wěn)定能量與風(fēng)速、風(fēng)向切變對風(fēng)暴強度的綜合作用,Ⅰ量值越大,發(fā)生龍卷或強雷暴的可能性越大。相關(guān)研究[2]表明:發(fā)生龍卷時,Ⅰ的臨界值為400,發(fā)生強雷暴時的臨界值為300,Ⅰ從風(fēng)速、風(fēng)向切變出發(fā),體現(xiàn)了氣體渦旋切變的特性,對背景風(fēng)場的突變有一定跟蹤作用。
1.2南昌Ⅰ的氣候特征
表1 南昌站強天氣威脅指數(shù)(Ⅰ)平均月分布
從表1看到,Ⅰ有明顯的月變化,6月、7月、8月最大,達200以上,最大是7月平均可達258.5。11月至來年1月最小,平均都在110以下,最低是12月,月均為102.1。這個氣候特點與江西省中北部冬夏分布相似,最炎熱的6-8月Ⅰ指數(shù)平均最大,最寒冷的11至1月Ⅰ最小。即夏季最易出現(xiàn)強雷暴、龍卷等強對流天氣,而冬季最不易發(fā)生強雷暴。但從各月極端最大值可以看到,全年各月Ⅰ的極大值都在350以上,都遠大于發(fā)生強雷暴的臨界值300。這也表示隨著天氣系統(tǒng)的不同分布,在江西中北部全年都有可能出現(xiàn)對流性天氣,這也與觀測事實相符。同時從表1還可以看到,Ⅰ的變化范圍大,同1個月內(nèi),最大值與最小值之差可達300以上。這說明不同天氣條件下,Ⅰ變動劇烈、敏感,對預(yù)報有一定的指示意義。
2.1暴雨前
從景德鎮(zhèn)市暴雨前24 h的Ⅰ平均空間分布(圖1a)看到,在湖南省中南部、江西省南部、廣西與貴州交界處附近有280以上的大值區(qū)。N30°以北Ⅰ隨緯度增加而減少,N30°以南5~7個緯度內(nèi)Ⅰ隨緯度降低而明顯增大,從而在N30°附近有明顯的Ⅰ鋒區(qū),景德鎮(zhèn)處東部鋒區(qū)內(nèi)。同時由江西、湖南南部Ⅰ大值區(qū)經(jīng)贛東北地區(qū)伸向安徽、江蘇省北部,形成明顯的舌狀分布,景德鎮(zhèn)市處在伸展的高能舌內(nèi)。這種類似的舌狀分布,在江西省暴雨前各物理量的反映中[8-10]非常常見,暴雨、大暴雨落區(qū)經(jīng)常在高能舌內(nèi)或附近地區(qū)。景德鎮(zhèn)市以南的南昌Ⅰ為264、邵武為266,東南方的衢州為252,北方的安慶明顯減少,為229。陜西省、河南省西南部至湖北省西部有Ⅰ低值區(qū)向南擴展,并形成較明顯“V”狀,低值中心在延安,Ⅰ為145。
2.2暴雨中
景德鎮(zhèn)市暴雨發(fā)生時(圖1(b)),Ⅰ大值區(qū)整體有所東移南壓,浙江、福建、廣東等省沿海臺站的Ⅰ明顯加大,增至270~290。30°附近的Ⅰ鋒區(qū)由東西向轉(zhuǎn)為東北-西南向,鋒區(qū)強度增強,主要表現(xiàn)為N30°以北Ⅰ降低,武漢、宜昌、鄂西由229、194、222分別降至207、190、212。而N30°以南的大值區(qū)卻在增加,南昌、邵武、贛州由264、266、289分別增至279、291、305。在暴雨前至暴雨發(fā)生Ⅰ的24 h變化場(圖2(a))中看得更加清楚,江西及浙江、福建、廣東東南沿海Ⅰ明顯增加,而安徽、湖北、湖南、貴州、廣西等地Ⅰ則明顯減小,導(dǎo)致從安徽東北部-江西西北部-湖南西南部-廣西有密集的東北-西南向Ⅰ的24 h變化鋒區(qū)。Ⅰ的24 h變化中增強最大的是浙江省西部、北部與福建、廣東沿海,減弱最明顯的是湖北東部、廣西、貴州等地。景德鎮(zhèn)市以南的南昌、邵武、衢州等站Ⅰ增強了15~48,而北面的安慶卻降低了4。
圖1 景德鎮(zhèn)市暴雨過程中Ⅰ空間分布
2.3暴雨后
景德鎮(zhèn)市暴雨過后(圖1(c))、(圖2(b)),整個華中、華東、華南Ⅰ有明顯減弱,其中江西中部、南部與湖南省中部減弱最明顯,Ⅰ由270~305減至210~220,普遍降低了50~59。Ⅰ鋒區(qū)有所南壓,主要鋒區(qū)位于安徽-江西中北部-湖南、貴州中部;鋒區(qū)強度也明顯減弱,N30°以南的長沙、南昌與以北的武漢、安慶的差值由暴雨發(fā)生時的57、54降至28、32。Ⅰ大值區(qū)(250~260)僅在福建與廣東沿海有反映,江西、湖南、貴州等地都降至230以下,長江以北的臺站也全部降至200以下。這些都表明經(jīng)過劇烈的降水,不穩(wěn)定能量得到了充分釋放,Ⅰ值顯著降低。
圖2 景德鎮(zhèn)市暴雨過程中Ⅰ的24 h變化
從以上分析看到,在景德鎮(zhèn)暴雨發(fā)生前24 h,由江西、湖南南部有Ⅰ高能舌經(jīng)贛東北地區(qū)伸向安徽、江蘇省北部,景德鎮(zhèn)市處在伸展的高能舌內(nèi)。南昌、長沙有Ⅰ平均強度達260以上,安慶、武漢在220附近,這樣在長江中下游N30°附近有明顯的Ⅰ鋒區(qū),景德鎮(zhèn)市處東段鋒區(qū)內(nèi)。暴雨發(fā)生時,處景德鎮(zhèn)以南的南昌、衢州Ⅰ明顯增強,特別是衢州,增長幅度達到了48,而處景德鎮(zhèn)以北的武漢、安慶的Ⅰ則有所降低,武漢更是降低了22,從而導(dǎo)致景德鎮(zhèn)所處的Ⅰ鋒區(qū)的強度增強,景德鎮(zhèn)處Ⅰ大值區(qū)以北1~2個緯距內(nèi)。景德鎮(zhèn)暴雨結(jié)束后,Ⅰ明顯減弱,其中南昌、長沙降低了50以上,不僅景德鎮(zhèn)以南的Ⅰ明顯減弱,處景德鎮(zhèn)以北的安徽、湖北、江蘇等地也明顯減少,Ⅰ值普遍降到了200以下。
2010年5月17-18日,景德鎮(zhèn)市出現(xiàn)了連續(xù)暴雨,過程平均面雨量111.8 mm,最大臧灣鄉(xiāng)達182.2 mm(圖3)。2010年6月19-20日鷹潭、撫州部分地區(qū)降雨量達500 mm以上,導(dǎo)致?lián)嶂莩獎P大堤決口(圖4(a)、(b))。2010年7月15日凌晨,景德鎮(zhèn)市突發(fā)強降水,短短8 h降水量達200 mm以上,其中麗陽鄉(xiāng)1 h雨量超過100 mm,為此景德鎮(zhèn)市氣象臺首次發(fā)布暴雨紅色預(yù)警(圖4(c))。2012年8月10日,受11號臺“??庇绊?,景德鎮(zhèn)市日雨量達369 mm,浮梁縣392 mm,創(chuàng)下有氣象記錄以來最高值(圖4(d))。為研究Ⅰ在暴雨、大暴雨或特大暴雨過程中的指示意義,以下對上述幾次過程的Ⅰ與雨量分布,結(jié)合1、2的研究成果進行比對。
圖3是2010年5月17-19日Ⅰ的空間分布圖,5月17日懷化、長沙、南昌的Ⅰ指數(shù)高達408、396、371,衢州也達到了349,比景德鎮(zhèn)暴雨發(fā)生時的平均值強了許多,其中懷化、長沙更是超出了100以上。景德鎮(zhèn)以北的武漢、安慶的Ⅰ指數(shù)較歷年均值也有所增強,景德鎮(zhèn)處Ⅰ指數(shù)的強鋒區(qū)內(nèi)。18日長沙、南昌的Ⅰ指數(shù)仍高達371和369,衢州更是增至414,而同時武漢、安慶則明顯減小,降至200左右,景德鎮(zhèn)處于Ⅰ指數(shù)大值區(qū)以北1~2個緯度以內(nèi)鋒區(qū)中,而且隨著暴雨出現(xiàn),鋒區(qū)明顯增強。19日暴雨過程結(jié)束,Ⅰ值明顯減弱,武漢、安慶降至52、17,南昌降至205,貴陽、懷化、長沙都降至200以下。暴雨發(fā)生、結(jié)束都與景德鎮(zhèn)暴雨Ⅰ指數(shù)的平均狀態(tài)相似,主要區(qū)別是暴雨發(fā)生時景德鎮(zhèn)以南的南昌、衢州及西南的懷化等地Ⅰ指數(shù)更強,都在300以上,有些甚至超出平均值100以上。而從暴雨強度而言,此次暴雨過程也是景德鎮(zhèn)近10年最強的暴雨過程之一,江河水位上漲并接近警戒線。這表示Ⅰ值的大小對暴雨強度也有一定的指示意義。而且暴雨結(jié)束后,Ⅰ指數(shù)減弱得更明顯,貴州、湖南降至200以下,而北部的安徽、湖北更是降至100以下,也表明Ⅰ指數(shù)在強暴雨過程中反映更加突出。
圖3 2010年5月17-19日Ⅰ指數(shù)分布與雨量
圖4(a)和圖4(b)是2010年6月19-20日Ⅰ的空間分布與雨量疊加圖,從19日圖中可以看到Ⅰ指數(shù)大值區(qū)(300以上)較景德鎮(zhèn)暴雨發(fā)生時平均位置稍偏南,雖然南昌也有282,但與贛州377、長沙360、邵武336均有明顯差距,即南昌站處于Ⅰ指數(shù)強鋒區(qū)中,而且衢州僅有67,表明贛東北Ⅰ指數(shù)偏低,根據(jù)本文前面分析的結(jié)論,強暴雨區(qū)出現(xiàn)在Ⅰ大值區(qū)以北1~2個緯距內(nèi)的Ⅰ強鋒區(qū)中,即此時的強暴雨雨帶應(yīng)主要位于贛西北與贛中(南昌與浙贛鐵路沿線),自南昌向東南方向傾斜。而景德鎮(zhèn)處于Ⅰ鋒區(qū)的北部和西北部,不在主要的鋒區(qū)之中,在鋒區(qū)的邊緣以北,所以降水強度不大,而圖4中實況雨帶的分布與分析吻合。20日Ⅰ指數(shù)大值區(qū)南壓,大于300的Ⅰ指數(shù)位于贛中以南地區(qū),相對應(yīng)強雨帶也有所南落,位于贛中和贛南北部。此時衢州的Ⅰ指數(shù)僅有219,表明贛東北地區(qū)Ⅰ值較小,處于Ⅰ強鋒區(qū)以北,無明顯強降水。
此次過程可以看出,6月19日Ⅰ指數(shù)大值區(qū)位于贛中北部、贛西、湖南、貴州的中南部、福建與兩廣的中北部,強度大,貴州、懷化、長沙分別高達452、433、360,遠大于景德鎮(zhèn)暴雨時的平均場,并較2010年5月17至18日Ⅰ強度還要大,這也在一定程度上反映了此次暴雨過程的總體強度更強。而衢州Ⅰ指數(shù)明顯偏弱,強降雨未能東升、北進,導(dǎo)致位于贛東北北部的景德鎮(zhèn)市僅出現(xiàn)了小到中雨。而在2010年此次暴雨預(yù)報過程中,根據(jù)數(shù)值預(yù)報,景德鎮(zhèn)市氣象臺給出了暴雨、部分大暴雨的預(yù)報,與實況相比出現(xiàn)了明顯預(yù)報失誤。Ⅰ指數(shù)分布特征對暴雨落區(qū)預(yù)報不僅有明顯的指示意義,而且在一定程度上可以彌補數(shù)值預(yù)報的不足。
2010年7月15日(圖4(c)),南昌Ⅰ為280,安慶Ⅰ為223,這二站之間的Ⅰ鋒區(qū)強度與景德鎮(zhèn)市暴雨平均值接近,但衢州為428,比暴雨平均值300高出了128,就是與2010年5月18日414相比還高14,表明衢州與安慶之間的鋒區(qū)強度很強,景德鎮(zhèn)市處于Ⅰ的強鋒區(qū)之間,出現(xiàn)了近10多年以來最強的短時特大暴雨過程。而且主要鋒區(qū)位于安慶與衢州之間,呈西北-東南向,實況強降水回波的走向(圖略)也是不斷從西北初生,在移向東南方向時不斷增強,從而在景德鎮(zhèn)市區(qū)附近形成了明顯的“列車效應(yīng)”。這表明Ⅰ鋒區(qū)的強度、值的大小不僅對降水強度有一定的指示意義,還對雨團的移動方向有指示作用。而此次強暴雨過程預(yù)報,也是景德鎮(zhèn)市氣象臺多年來罕見失誤個例。
2012年8月10日(圖4(d)),南昌Ⅰ為290,衢州Ⅰ為290,安慶Ⅰ為227,3站之間有明顯的Ⅰ鋒區(qū),強度與景德鎮(zhèn)市暴雨平均場接近,但景德鎮(zhèn)市卻出現(xiàn)了超歷史的特大暴雨。而此次過程是臺風(fēng)暴雨,由于Ⅰ反映的是不穩(wěn)定能量與風(fēng)速、風(fēng)向切變對風(fēng)暴強度的綜合作用,而臺風(fēng)暴雨多為穩(wěn)定的層狀云降水回波,所以在臺風(fēng)暴雨過程之中Ⅰ有反映,但是不如一些對流性強降水過程來得明顯。
圖4 近幾年發(fā)生在江西3次強暴雨過程的Ⅰ指數(shù)分布與雨量疊加
本文計算強天氣威脅指數(shù)(Ⅰ)的氣候特征,描繪出了景德鎮(zhèn)暴雨過程中Ⅰ平均空間分布圖,并對幾次強暴雨過程中Ⅰ的分布情況進行了對比分析,主要結(jié)論如下。
1)Ⅰ有明顯的月變化,6月、7月、8月最大,達200以上,最大是7月平均可達258.5。11月至來年1月最小,平均都在110以下,最低是12月,月均為102.1。
2)在景德鎮(zhèn)暴雨發(fā)生前24 h,由江西、湖南南部有Ⅰ高能舌經(jīng)贛東北地區(qū)伸向安徽、江蘇省北部,景德鎮(zhèn)市處在伸展的高能舌內(nèi)。在長江中下游N30°附近有明顯的Ⅰ鋒區(qū),景德鎮(zhèn)市處東段鋒區(qū)內(nèi)。暴雨發(fā)生時,處景德鎮(zhèn)以南的南昌、衢州Ⅰ明顯增強,而處景德鎮(zhèn)以北的武漢、安慶的Ⅰ則有所降低,導(dǎo)致景德鎮(zhèn)所處的Ⅰ鋒區(qū)的強度增強。暴雨結(jié)束后,不穩(wěn)定能量得到充分釋放,Ⅰ明顯減弱。
3)在景德鎮(zhèn)暴雨的落區(qū)中,強暴雨區(qū)主要出現(xiàn)在Ⅰ大值區(qū)以北1~2個緯距內(nèi)的Ⅰ強鋒區(qū)中,后與幾次強暴雨過程對比發(fā)現(xiàn),Ⅰ大值區(qū)的北部邊緣地帶也會有強暴雨發(fā)生。
4)個例分析表明,Ⅰ指數(shù)的分布特征不僅對暴雨落區(qū)預(yù)報有較好的指示意義,而且在一定程度上可以彌補數(shù)值預(yù)報的不足。
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ApplicationonSWEATIndexinHeavyRainStormsofJingdezhenCity
CHEN Baofa
(Jingdezhen Meteorological Bureau,333000,Jingdezhen,Jiangxi,PRC)
By using air sounding data of Nanchang,this article shows the characteristics of distribution of climatic Ⅰ from 1998 to 2008 and the average Ⅰ of 23 heavy rain storms from 2005 to 2008 was calculated which lead to some conclusions by comparing with the distribution of Ⅰ of several storms from 2010 to 2012.24 hours before the storms,Jingdezhen is located in the in east high-level zone of Ⅰ near 30°N,which stretches from the south of Hunan and Jiangxi to Anhui and Jiangsu.When the heavy rain happens,the Ⅰ fronts over Jingdezhen enhance for the reason that it increases over Nanchang and Quzhou while decreases over Wuhan and Anqing.After the storms,the unstable energy is fully released and Ⅰ decreases obviously.Case analysis also support the conclusion that heavy rain fall occurs in the Ⅰ front which locates in the north of high level zone or the northern fringe of high level zone.
heavy rain;meteorological indexes;characteristics of distribution
2014-07-29;
2014-09-05
陳鮑發(fā)(1972-),男,碩士,高級工程師,主要從事氣象預(yù)報方面的工作。
2013年中國氣象局預(yù)報員專項(CMAYBY2013-037);中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室2012年開放課題(2012LASW-B01)共同資助。
10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.008
P458.1+21.1
A
1001-3679(2014)05-0600-06