李瑞青

摘要 針對(duì)2017年7月6—7日蒙古東部地區(qū)的降水過程，利用NCEP的GFS預(yù)報(bào)場(chǎng)資料為輸入資料，反演得到集合動(dòng)力因子預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的14個(gè)動(dòng)力因子以及集合平均動(dòng)力因子，對(duì)強(qiáng)降水過程進(jìn)行診斷分析和預(yù)報(bào)研究。結(jié)果表明，此次降水過程由高低空急流、冷渦、副熱帶高壓和輻合切變線等多個(gè)天氣系統(tǒng)共同作用造成。濕熱力平流參數(shù)等多個(gè)動(dòng)力因子預(yù)報(bào)降水在空間分布上與6 h觀測(cè)降水基本一致，代表動(dòng)力因子對(duì)降水落區(qū)具有較好的指示意義。ETS評(píng)分計(jì)算表明，動(dòng)力因子對(duì)降水預(yù)報(bào)有一定的技巧，動(dòng)力因子的預(yù)報(bào)效果明顯。集合平均動(dòng)力因子可以反映各種動(dòng)力因子預(yù)報(bào)降水的特點(diǎn)，平均集合動(dòng)力因子與觀測(cè)降水落區(qū)的空間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.63，ETS評(píng)分為0.48，明顯優(yōu)于大部分單個(gè)動(dòng)力因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

關(guān)鍵詞 內(nèi)蒙古；暴雨；動(dòng)力因子

中圖分類號(hào)：P458.121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2018）05-029-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.05.011

暴雨是我國(guó)常見的災(zāi)害性天氣，具有局地性強(qiáng)，突發(fā)性明顯，降水歷時(shí)短，強(qiáng)度大等特點(diǎn)，容易在短時(shí)間內(nèi)造成洪澇災(zāi)害，引發(fā)山洪、泥石流和山體滑坡等氣象次生災(zāi)害[1]，因此暴雨，特別是局地暴雨的預(yù)報(bào)依然是一個(gè)難點(diǎn)，同時(shí)也是我國(guó)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重點(diǎn)。內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊，地形復(fù)雜，盛夏季節(jié)冷暖空氣交匯頻繁，內(nèi)蒙古東部地區(qū)由于受夏季風(fēng)邊緣影響，暴雨頻頻發(fā)生，是夏季常見的災(zāi)害性天氣。

國(guó)內(nèi)外氣象工作者在暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)方面開展了大量的研究工作，先后建立了多個(gè)物理意義明確且能夠表征暴雨動(dòng)熱力過程的宏觀物理量，并將其運(yùn)用于暴雨落區(qū)的診斷分析和預(yù)報(bào)中。高守亭等[2]以暴雨觸發(fā)機(jī)制為出發(fā)點(diǎn)，基于國(guó)內(nèi)最新研發(fā)的一系列暴雨動(dòng)力因子開發(fā)了集合動(dòng)力因子預(yù)報(bào)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱EDFF）。筆者對(duì)各動(dòng)力因子開展本地化適用性分析，并且初步統(tǒng)計(jì)各動(dòng)力因子預(yù)報(bào)指標(biāo)，以期為內(nèi)蒙古地區(qū)的一線業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)員在暴雨預(yù)報(bào)過程中提供參考。

1 天氣形勢(shì)分析

2017年7月6—7日我國(guó)內(nèi)蒙古、河北、北京、天津和遼寧等地出現(xiàn)暴雨降水過程，此次暴雨天氣過程在內(nèi)蒙古東部地區(qū)最強(qiáng)6 h降水時(shí)間段出現(xiàn)在7月7日02：00—08：00（圖1），強(qiáng)降水區(qū)主要位于內(nèi)蒙古赤峰市南部和遼寧省朝陽市，其中朝陽市朝陽站6 h降水量為102 mm，羊山站105 mm，內(nèi)蒙區(qū)赤峰市翁牛特旗站93 mm，赤峰市站53 mm。此次暴雨天氣過程為蒙古地區(qū)的低渦緩慢東移所致，同時(shí)也受高低空多個(gè)天氣系統(tǒng)共同影響，包括高、低空急流，高空槽和副熱帶高壓等。

從2017年7月6日20：00的高空天氣配置圖可知（圖2），200 hPa我國(guó)內(nèi)蒙古北部為寬廣的氣旋環(huán)流，低壓槽呈經(jīng)向分布，槽前為東北-西南走向的高空急流，觀測(cè)降水中心位于高空急流入口區(qū)的右側(cè)，對(duì)應(yīng)高空輻散區(qū)和次級(jí)垂直環(huán)流上升支。500 hPa高空冷渦位于內(nèi)蒙古中部地區(qū)，渦后冷空氣南侵，渦前為強(qiáng)大的西南暖濕氣流，降水就發(fā)生在渦前暖濕氣流中，副熱帶高壓脊線北抬至長(zhǎng)江流域，阻滯冷渦東移（圖2a）。700 hPa等壓面上河北、北京為高溫高濕區(qū)，其西北側(cè)的相當(dāng)位溫等值線密集，西北干冷空氣與東南暖濕氣流交匯，形成輻合切變線，切變線右側(cè)與觀測(cè)降水區(qū)重疊，該切變線加強(qiáng)對(duì)流層低層水汽和質(zhì)量輻合，有利于釋放潛在不穩(wěn)定能量，為導(dǎo)致降水的對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展提供動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制，促進(jìn)暴雨的發(fā)生發(fā)展。此外，充分的水汽供應(yīng)也是導(dǎo)致此次降水過程的一個(gè)關(guān)鍵因素，700 hPa等壓面上有一條來自南海的偏南氣流水汽輸送通道，這為此次降水提供了豐富的水汽，同時(shí)也使得降水區(qū)維持一定強(qiáng)度的對(duì)流有效位能，促進(jìn)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展（圖2c）。在850 hPa等壓面上水汽輸送較弱，高空冷渦與副熱帶高壓間形成較強(qiáng)的氣壓梯度，有利于建立通向華北地區(qū)的偏南風(fēng)低空急流（圖2e）。

7日02：00，200 hPa高空槽加深，移動(dòng)緩慢，槽前高空急流入口區(qū)右側(cè)的輻散區(qū)與強(qiáng)降水區(qū)相對(duì)應(yīng)，500 hPa高空冷渦中心加深發(fā)展，受副熱帶高壓的阻擋作用，高空冷渦東移緩慢（圖2b）。同時(shí)受副熱帶高壓影響，700 hPa偏北風(fēng)和西南風(fēng)的輻合切變更加明顯，輻合切變線向東北方向推進(jìn)，促進(jìn)偏南風(fēng)暖濕氣流的輻合抬升。在水汽輸送方面，高空冷渦的加深發(fā)展使得副高西側(cè)的偏南氣流把水汽更直接地輸送到華北地區(qū)（圖2d）。850 hPa低空急流的強(qiáng)度達(dá)14 m/s，強(qiáng)勁的偏南氣流與較弱的偏北氣流交匯在低空急流的左側(cè)，形成東北西南走向的輻合線，與高空急流相配合，促進(jìn)對(duì)流層低層水汽輻合，高層氣流輻散，這些動(dòng)力配置導(dǎo)致河北省北部、內(nèi)蒙古和遼寧地區(qū)垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，降水過程處于發(fā)展加強(qiáng)階段（圖2f）。

從比濕和溫度平流的垂直分布（圖3）可以看出，6日20：00冷暖空氣交匯處位于115°E左右，115°E以西低層處于暖平流控制，高層為冷平流控制，上干冷下暖濕，存在明顯的位勢(shì)不穩(wěn)定，115°E以東地區(qū)地面處于弱冷平流控制，850 hPa以上為暖平流，東部地區(qū)受暖濕氣流水汽輸送的影響，整層比濕場(chǎng)明顯增大，比濕場(chǎng)2 k/kg等值線伸展到400 hPa以上。7日02：00，隨著冷渦的加深發(fā)展東移，干冷空氣不斷侵入，冷暖空氣交匯處東移至117°E左右，同時(shí)降水區(qū)整層受暖濕氣流影響，比濕場(chǎng)也明顯增長(zhǎng)，850 hPa和700 hPa比濕場(chǎng)明顯增長(zhǎng)至12和10 k/kg以上，這種冷暖空氣的交匯有利于不穩(wěn)定能量的觸發(fā)，導(dǎo)致降水的發(fā)生。

另外，從相當(dāng)位溫的垂直分布（圖4）也可以看出，7月6日20：00，降水區(qū)以南相當(dāng)位溫等值線從對(duì)流層高層向下伸展，呈漏斗狀分布，漏斗兩側(cè)及底部的等值線密集，以至于相當(dāng)位溫水平梯度在降水區(qū)低層比較顯著，代表此處存在熱力不連續(xù)面，大氣濕斜壓性明顯。降水區(qū)等值線密集區(qū)在對(duì)流層低層隨高度向南傾斜，對(duì)流層中高層隨高度向北傾斜，這樣對(duì)流層低層相當(dāng)位溫垂直遞減，存在明顯的位勢(shì)不穩(wěn)定。低層南部有弱的下沉運(yùn)動(dòng)，北部有弱的上升運(yùn)動(dòng)，中高層上升運(yùn)動(dòng)并不明顯，7月7日02：00，隨著水汽輸送的增長(zhǎng)，降水區(qū)低層相當(dāng)位溫等值線的垂直梯度進(jìn)一步增大，位勢(shì)不穩(wěn)定增強(qiáng)。

圖5給出FY2E衛(wèi)星黑體亮溫（TBB）的分布特征，7日02：15一條典型的水汽輸送云帶從內(nèi)蒙古中部向東南方向伸展，掠過河北和遼寧等地，直至長(zhǎng)江流域地區(qū)。內(nèi)蒙古自治區(qū)和遼寧省有明顯的對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)，這些不同空間尺度的對(duì)流單體不斷生成合并，由于偏南風(fēng)低空急流水汽輸送，04：15內(nèi)蒙古赤峰市南部對(duì)流云團(tuán)發(fā)展，TBB值降低至-50℃，這是造成內(nèi)蒙古東南部地區(qū)暴雨的主要因素，其后對(duì)流云團(tuán)依然在內(nèi)蒙古赤峰市南部維持，產(chǎn)生較大的累積降水。

綜上所述，副熱帶高壓和蒙古冷渦前沿形成的輻合切變線，以及高低空急流的耦合作用是導(dǎo)致此次內(nèi)蒙古東部地區(qū)暴雨過程的重要因素之一。副熱帶高壓的北抬減緩蒙古冷渦的東移，并且低空急流把南海的水汽輸送到華北地區(qū)，為暴雨事件提供了充足的水汽供應(yīng)。低層切變線加強(qiáng)西北干冷空氣與東南暖濕氣流的輻合，使暖濕氣流在干冷氣團(tuán)之上爬升，釋放潛在不穩(wěn)定能量，為暴雨過程提供動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制。

2 動(dòng)力因子分析

高守亭等[2]發(fā)展多個(gè)物理意義明確，包含豐富動(dòng)熱力信息，對(duì)暴雨落區(qū)有一定指示意義的宏觀物理量，比如濕熱力平流參數(shù)、對(duì)流渦度矢量和波作用密度等?；谀軌虮碚髦谐叨认到y(tǒng)發(fā)展演變的中尺度波流相互作用理論，并結(jié)合暴雨動(dòng)力、熱力學(xué)特點(diǎn)，開發(fā)了集合動(dòng)力因子暴雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)[1]。其基本原理是加強(qiáng)釋用暴雨中的動(dòng)力、熱力過程信息，利用模式預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確的基本產(chǎn)品，構(gòu)建具有物理意義明確且可表征關(guān)鍵動(dòng)熱力過程的因子，并將其用于暴雨預(yù)報(bào)[3]。該系統(tǒng)在內(nèi)蒙古地區(qū)的本地化應(yīng)用，是對(duì)于目前內(nèi)蒙古暴雨預(yù)報(bào)過程技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要補(bǔ)充，該文將利用暴雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)的動(dòng)力因子，對(duì)此次降水過程進(jìn)行預(yù)報(bào)和檢驗(yàn)，以此對(duì)后續(xù)的預(yù)報(bào)員在內(nèi)蒙古東部地區(qū)暴雨預(yù)報(bào)過程中提供參考。

該文借助于高守亭等[2]和冉令坤等[1]以暴雨觸發(fā)機(jī)制為出發(fā)點(diǎn)研發(fā)的集合動(dòng)力因子預(yù)報(bào)系統(tǒng)，首先分析了集合動(dòng)力因子預(yù)報(bào)系統(tǒng)的成員，選取與內(nèi)蒙古地區(qū)熱動(dòng)力效應(yīng)和環(huán)流特征相關(guān)、與暴雨發(fā)生的水汽和垂直運(yùn)動(dòng)等必要條件緊密聯(lián)系的14個(gè)動(dòng)力因子成員（表1），試圖加強(qiáng)釋用內(nèi)蒙古地區(qū)暴雨中的動(dòng)力、熱力過程信息，并將其用于暴雨預(yù)報(bào)診斷分析。這些宏觀物理量分別側(cè)重于不同的大氣動(dòng)力學(xué)特征，例如，對(duì)流渦度矢量的垂直分量包含水平風(fēng)的垂直切變，強(qiáng)迫靜力穩(wěn)定度發(fā)展變化；幾種波作用密度從波流相互作用的角度引入擾動(dòng)垂直速度、擾動(dòng)渦度和擾動(dòng)散度，描述擾動(dòng)能量的發(fā)展演變。此外，這些物理量都包含廣義位溫（或其擾動(dòng)）的梯度，兼顧了大氣濕斜壓性的特點(diǎn)。廣義位溫引入了凝結(jié)潛熱函數(shù)，在一定程度上體現(xiàn)了水汽效應(yīng)。由于降水區(qū)常常伴有垂直風(fēng)切變、低層輻合和渦旋運(yùn)動(dòng)，大氣具有高溫高濕的特點(diǎn)，濕斜壓性較強(qiáng)，垂直上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，凝結(jié)潛熱釋放明顯，因此這些物理量通常在降水區(qū)表現(xiàn)異常[1]。

由于6 h觀測(cè)降水是累積量，而動(dòng)力因子是瞬時(shí)量，為了保持診斷分析的一致性，該文計(jì)算了6 h觀測(cè)降水初始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻這兩個(gè)時(shí)刻平均的動(dòng)力因子，如果沒有特別說明，下文中的動(dòng)力因子均指兩個(gè)時(shí)刻平均的動(dòng)力因子。此外，為了保持與動(dòng)力因子的空間一致性，利用Cressman插值方法將站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)插值成0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖6為集合動(dòng)力因子預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的6 h時(shí)效各集合動(dòng)力因子的空間分布特征，這些動(dòng)力因子的高值區(qū)與觀測(cè)降水一致，呈東南-西北向帶狀分布，基本上覆蓋6 h觀測(cè)降水區(qū)，而在弱降水或非降水區(qū)，這些預(yù)報(bào)的動(dòng)力因子數(shù)值比較小，因此，預(yù)報(bào)動(dòng)力因子與觀測(cè)降水有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，基本上能夠指示降水落區(qū)。這些預(yù)報(bào)動(dòng)力因子的中心位置與觀測(cè)降水中心略有偏差，主要位于觀測(cè)降水中心的西南側(cè)，這種特征也出現(xiàn)在冉令坤等[1]的研究結(jié)果中，這可能是由于降水區(qū)與非降水區(qū)在動(dòng)力、熱力學(xué)特征存在明顯差異，例如垂直速度、相當(dāng)位溫等物理量在二者交界處存在動(dòng)力、熱力學(xué)特征的水平梯度。由于包含動(dòng)力、熱力學(xué)的水平梯度，所以這些動(dòng)力因子在交界處呈現(xiàn)為高值區(qū)，這是造成預(yù)報(bào)動(dòng)力因子與觀測(cè)降水中心位置偏差的一個(gè)可能原因。

為了定量分析動(dòng)力因子對(duì)降水的預(yù)報(bào)效果，把預(yù)報(bào)的動(dòng)力因子轉(zhuǎn)換成預(yù)報(bào)降水量，如圖7走向和位置與觀測(cè)降水區(qū)基本一致。值得注意的是，動(dòng)力因子預(yù)報(bào)降水落區(qū)相比于觀測(cè)資料，整體向西南方向偏移，這種動(dòng)力因子預(yù)報(bào)降水落區(qū)出現(xiàn)的系統(tǒng)性偏差，可能與全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GFS）預(yù)報(bào)場(chǎng)本身的系統(tǒng)性偏差有關(guān)。

為了定量地評(píng)估動(dòng)力因子對(duì)降水在空間上的預(yù)報(bào)效果，該文統(tǒng)計(jì)了預(yù)報(bào)與實(shí)況降水在空間分布上的空間相關(guān)系數(shù)（圖8a），從相關(guān)系數(shù)上看降水預(yù)報(bào)與實(shí)況的空間分布特征非常吻合，尤其是散度垂直通量（sumwdiv）和凝結(jié)潛熱質(zhì)量散度垂直通量（sumwaldiv），相關(guān)系數(shù)分別為0.71和0.70。進(jìn)一步計(jì)算降水量大于5 mm的ETS（Equitable Threat Score）評(píng)分（圖8b），在2017年7月7日02：00開始預(yù)報(bào)的6 h內(nèi)，對(duì)于大于5 mm的降水，除了濕熱力平流參數(shù)（summtp），其他動(dòng)力因子降水預(yù)報(bào)的技巧評(píng)分都在0.3以上，凝結(jié)潛熱質(zhì)量位渦波作用密度（swavepval）最高，達(dá)到0.5。

由于單一動(dòng)力因子只能描述降水過程的動(dòng)力、熱力場(chǎng)和水汽場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)的部分特征，只能反映降水系統(tǒng)及其背景場(chǎng)動(dòng)力、熱力學(xué)的某些性質(zhì)，不能全面地表征降水過程的所有特點(diǎn)，因此單一動(dòng)力因子對(duì)降水的指示作用是有限的，但是這些動(dòng)力因子的集合可以比較全面地表征降水過程的各種典型垂直結(jié)構(gòu)特征和動(dòng)力熱力學(xué)性質(zhì)，因此該文對(duì)這些動(dòng)力因子進(jìn)行簡(jiǎn)單的平均，集合更多的動(dòng)力、熱力信息來預(yù)報(bào)降水。從圖7可以看出，平均動(dòng)力因子預(yù)報(bào)降水中心位于41°N、119°E，綜合反映了各種動(dòng)力因子預(yù)報(bào)降水的特點(diǎn)。但是在降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)方面，平均動(dòng)力因子預(yù)報(bào)降水的強(qiáng)度比觀測(cè)降水的強(qiáng)度偏弱。從空間相關(guān)系數(shù)上看（圖8a），平均動(dòng)力因子預(yù)報(bào)降水與觀測(cè)降水間有很好的相關(guān)性，空間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.63，同時(shí)ETS評(píng)分也達(dá)到0.48（圖8b），明顯優(yōu)于大部分單個(gè)動(dòng)力因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？傮w來看，動(dòng)力因子在此次降水預(yù)報(bào)中，特別是在降水落區(qū)預(yù)報(bào)方面有一定的預(yù)報(bào)能力。

3 結(jié)論

該文以NCEP的GFS預(yù)報(bào)場(chǎng)資料為輸入資料，反演得到集合動(dòng)力因子預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的14個(gè)動(dòng)力因子以及集合平均動(dòng)力因子，對(duì)2017年7月6—7日內(nèi)蒙古東部地區(qū)強(qiáng)降水過程進(jìn)行診斷分析和預(yù)報(bào)研究，對(duì)比了預(yù)報(bào)降水與實(shí)況降水間的差異，探討了動(dòng)力因子對(duì)降水的預(yù)報(bào)指示意義，得出以下主要結(jié)論。

（1）此次降水過程由高低空多個(gè)天氣系統(tǒng)共同作用造成，200 hPa高空急流為降水創(chuàng)造了高層動(dòng)力輻散條件，500 hPa冷渦東移南下，引導(dǎo)冷空氣侵入內(nèi)蒙古東部地區(qū)，700 hPa和850 hPa低空急流向降水區(qū)輸送充足的水汽。副熱帶高壓和冷渦前沿的輻合切變線是導(dǎo)致此次降水過程的兩個(gè)重要因素。輻合切變線加強(qiáng)西北干冷空氣與暖濕氣流的輻合，釋放潛在不穩(wěn)定能量，為此次強(qiáng)降水過程提供了動(dòng)力抬升機(jī)制。

（2）動(dòng)力因子預(yù)報(bào)系統(tǒng)中各動(dòng)力因子預(yù)報(bào)降水空間分布特征與觀測(cè)降水基本一致，散度垂直通量（sumwdiv）和凝結(jié)潛熱質(zhì)量散度垂直通量（sumwaldiv）的空間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7以上，意味著動(dòng)力因子對(duì)此次降水落區(qū)有一定的預(yù)報(bào)能力。ETS評(píng)分計(jì)算表明，在6 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，對(duì)于大于5 mm的降水，除了濕熱力平流參數(shù)（summtp），其他動(dòng)力因子降水預(yù)報(bào)的技巧評(píng)分都在0.3以上，凝結(jié)潛熱質(zhì)量位渦波作用密度（swavepval）最高，達(dá)到0.5，說明動(dòng)力因子對(duì)降水預(yù)報(bào)有一定的技巧，動(dòng)力因子的預(yù)報(bào)效果明顯。

（3）集合平均動(dòng)力因子可以反映各種動(dòng)力因子預(yù)報(bào)降水的特點(diǎn)，但預(yù)報(bào)降水強(qiáng)度相比觀測(cè)降水偏弱，平均集合動(dòng)力因子與觀測(cè)降水的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.63，ETS評(píng)分為0.48，明顯優(yōu)于大部分單個(gè)動(dòng)力因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯：鄭丹丹