奚鳳 旦增冉珍 赤曲 余燕群 丹增諾布

西藏自治區(qū)氣象臺，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。研究者們對于歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心（ECMWF）、美國國家環(huán)境預(yù)報中心預(yù)報產(chǎn)品（NCEP）、日本氣象廳（JMA）應(yīng)用較多，對于新資料用之甚少，進行的相關(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大值中心，多出的平均降水量可達1.5 mm/d 以上；ECMWF 的最新全球大氣再分析產(chǎn)品ERA5對于青藏高原東部降水也量級偏大。阿旺卓瑪?shù)壤?019—2020 年CIMISS 資料，對CN 模式模式、EC 模式模式、Germany 模式進行了檢驗，結(jié)果表明EC模式對于察隅大部及墨脫南部預(yù)報量級偏大，同時中雨、大雨空報率較高［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)地面觀測資料包括中國基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、CFSR 的觀測數(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，同時也是夏季降水持續(xù)時間最長的地區(qū)［14］。墨脫地處藏東南部，位于雅魯藏布江下游河谷地區(qū)，是印度季風進入青藏高原進而直接影響該區(qū)降水過程的關(guān)鍵點位。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,當副熱帶西風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,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)了一次累計雨量大、持續(xù)時間長，且較為罕見的突發(fā)性暴雨過程。強降水特點表現(xiàn)在局地性強、雨強大，造成的災(zāi)害及次生災(zāi)害嚴重，預(yù)報難度大。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因連續(xù)強降雨導(dǎo)致多處墻體出現(xiàn)裂縫，房屋基礎(chǔ)及外墻嚴重傾斜，同時導(dǎo)致山體部分滑坡，致使村級道路堵塞，嚴重影響群眾出行安全，造成嚴重經(jīng)濟損失。且此次過程征兆不明顯，短期預(yù)報時效內(nèi)、歐洲中心全球細網(wǎng)格模式等其他多個模式漏報。

近年來，許多學者從氣候特征、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］，但是對于墨脫的暴雨研究很少，暫未見有學者利用中國第一代全球陸面再分析產(chǎn)品對青藏高原的降水成因進行分析。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)品的評估對比，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)報依據(jù)，在驗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，亦可為研究墨脫強降水成因選用合適的再分析資料提供參考指導(dǎo)，進而提煉強降水的前期征兆和預(yù)報著眼點。

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)性暴雨過程的標準：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)了大范圍強降水天氣過程，自動站累計降水量118 mm，最大小時降水量為7.1mm（圖1），降水過程從8 日22 時開始，11 日10 時結(jié)束，降水主要集中在凌晨02～08 時。本次降水過程自北向南加強，具有分布范圍廣、局地性強、持續(xù)時間長、強降水時間集中的特點。

圖1 7月8日22時至11日10時墨脫站逐小時自動站雨量序列（單位：mm）

2 強降水的環(huán)流特征

2.1 環(huán)流演變背景

2020 年7 月8 日08 時（強降水發(fā)生之前）副高偏西，588 dagpm 線西脊點位于80°E，27°N。8 日20時我國中高緯度500hPa 為兩槽一脊形式，副高東退南壓，伊朗高壓東伸加強，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 時系統(tǒng)東南移動加深，林芝低層700 hPa（圖3）切變形成低渦，南部風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動最強，為降水提供更有利的動力條件，更易形成墨脫的強降水。之后墨脫附近的暖式切變線穩(wěn)定少動略向南壓，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，南部風速持續(xù)加強，10 日08 時500 hPa 也形成急流，墨脫附近地面風場形成輻合區(qū)。

圖2 7月8日20時500 hPa高空形勢場

圖3 9日08時700 hPa高空形勢場

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)補充。同時，由于副高的阻擋，低渦切變線穩(wěn)定少動使墨脫強降水維持。整個過程中降水過程中地面24 小時變壓均為負值，達-3 hPa，10 日地面風場上有風向風速的輻合，墨脫東側(cè)有一個氣旋中心。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，有利于對流單體生成和加強。此外，500 hPa 和700 hPa 風速達到12 m/s 以上，形成西南風急流輸送低層強暖濕氣流，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，為強降水的產(chǎn)生提供了非常有利的條件。

3 物理量場特征

3.1 散度和渦度

9日08時700hPa 墨脫以及以南地方為負散度帶，散度中心值達-15×10-5s-1（圖4a），高層為正值，高層輻散和低層輻合，是強降水發(fā)生極為有利的散度場空間結(jié)構(gòu)。在同時次渦度圖上，低層與強的負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)致大氣擾動的產(chǎn)生，造成上升運動。

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

3.2 垂直運動

8 日08 時墨脫底層（700hPa）以及東南一帶為弱垂直上升運動區(qū)，上升運動不斷加強，9 日08 時上升運動最大，其中心值達到-0.4 pa/s（圖5），11日20時轉(zhuǎn)為正值，低層上升運動結(jié)束。500hPa 上，9 日08 時之后為上升運動區(qū)（圖6a），也是11 日20 時之后轉(zhuǎn)為正值；高層200 hPa 在09 日08 時也為上升運動區(qū)（圖6b），由此可知暴雨區(qū)上空是一致的上升運動,最大值出現(xiàn)在700～500 hPa 層上。這樣強烈的垂直上升運動對產(chǎn)生強降水十分有利。

圖5 暴雨中心墨脫站附近9日08時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500h Pa垂直速度分布；（b）暴雨中心墨脫站附近9日08時200 hPa垂直速度分布（單位：pa/s）

3.3 對流有效位能和抑制能

強降水過程中對流有效位能（CAPE）呈南北帶狀分布，墨脫以南CAPE 值最大達1000 J/kg，墨脫處于兩個高值之間的低值地帶中，過程期間，不超過100 J/kg。但是過程中對流抑制能（CIN）也很小，僅在過程開始和結(jié)束時的CIN 負值較大，其余時候在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時對流有效位能分布（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，在強降水過程中需有源源不斷的水汽輸入。對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時達到最大，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，比濕加大，墨脫的水汽有一個明顯增加的過程，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段和強度有較好的對應(yīng)［26］。墨脫站的水汽通量散度剖面可知，08日08時水汽通量散度轉(zhuǎn)為輻合，降水開始，20時輻合達到最大，降水加強，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，輻合層增厚為強降水開始的標志，輻合量突然增大標志著降水強度增大（圖8）。

4 再分析降水與觀測值的誤差評估對比

由于再分析降水資料的準確度相對較差，因此再分析降水資料的檢驗一直受到科研人員的關(guān)注。分析小時降水量，通過地表可降水量資料計算出1 小時降水資料，分析墨脫站點和站點附近空間分布和時間波動的對比結(jié)果可知過程中再分析降水量偏小，時間分布較均勻，晝夜降水差異很小，和實況相比時間差異較明顯（圖9）。從再分析降水量分布圖可知（以9 日08 時為例，圖10），能抓住西藏東南部雨帶位置，量級上在墨脫南部邊境地帶預(yù)報量級偏大，從實況來看并無降水大值中心存在，再分析報有虛假大值中心。

圖9 CRA降水預(yù)報產(chǎn)品與自動站降水實況對比（單位：mm）

圖10 09日08時再分析3小時降水量分布圖（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，對小時降水量進行了空間分布、時間波動的檢驗分析，得到以下幾點認識。

700 hPa 和500 hP 穩(wěn)定少動的低渦切變線，地面風向風速的輻合區(qū)以及東側(cè)的氣旋中心，同時700 hPa、500 hPa 的切變線與地面輻合線三者基本重疊，有利于對流單體生成和加強。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)致了此次強降水的產(chǎn)生。

散度場和渦度場是強降水發(fā)生極為有利的散度場空間結(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動,最大值出現(xiàn)在700～500 hPa上。強烈的垂直上升運動對產(chǎn)生強降水十分有利，垂直速度大小和暴雨發(fā)展結(jié)束時間一致。

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，強降水開始。當輻合量突然增大時，對應(yīng)著降水強度增大。

再分析降水與觀測值的誤差評估對比，再分析資料降水量偏小，預(yù)報的晝夜降水差異小?？臻g分布上，能抓住雨帶位置，但是量級上在墨脫南部存在虛假大值中心，但是原因還需要進一步研究。