濕熱力平流參數在貴州初夏強降水中的運用

吳古會,彭 芳

(貴州省氣象臺,貴州 貴陽 550002)

濕熱力平流參數在貴州初夏強降水中的運用

吳古會,彭 芳

(貴州省氣象臺,貴州 貴陽 550002)

使用 NCEP(1°×1°)再分析資料計算濕熱力平流參數及其積分,通過對比分析 2008—2009年初夏 (5—6月)地面實況降水與該因子積分后的中心大值區的對應關系。理論分析表明：濕熱力平流參數綜合體現了鋒區附近大氣的動力、熱力及水汽作用,相對于常用的相當位溫、濕度等常用物理量來說,在一定程度上包含了廣義位溫及位溫平流的相互作用,對實際非均勻飽和大氣的動熱力變化及水汽有較好的反映。統計分析也表明：積分后的濕熱力平流參數中心值區與地面 6小時強降水落區有較好的對應關系,它的變化趨勢及移動方向與強降水區的變化也較一致,能作為短時強降水落區預報提供參考;利用 NCEP/NCAR(1°×1°)再分析資料和Micaps地面實況降水資料,選取 2009年 6月 7-9日發生在貴州的強降水過程為例,通過把濕熱力平流參數與此次過程中動、熱力場結合進行診斷分析,進一步表明該參數能綜合地反應鋒面強降水系統中的水汽、動力及熱力的垂直結構特征,能作為造成強降水的鋒面系統的示蹤物。

濕熱力平流參數;廣義位溫;位溫平流;初夏強降水落區

1 引言

強降水是我國的主要災害性天氣之一,每年由強降水造成的洪災給國民經濟和國防建設造成嚴重的影響。所以,對強降水落區和雨帶移動方向的預報顯得尤為重要,這也一直是氣象工作者所關注的焦點并在這方面開展了大量卓有成效的研究工作,先后建立多個對地面降水具有指示意義的宏觀物理量[1-4]。鋒面強降水是貴州初夏強降水中最常見的類型,由于貴州的特殊地理位置及復雜地形,預報難度較大,需要不斷探索預報強降水的方法。貴州目前引進了高守亭等研究建立的暴雨短期臨近集合動力因子預報方法。高守亭等從暴雨觸發機理的角度出發,考慮到各個因子的對降水系統的描述側重點不同,主張利用多個動力變量的集合來對暴雨區進行綜合判別,建立了暴雨短期臨近集合動力因子預報方法。主要包含濕熱力平流參數(Gmtp)、對流渦度矢量的垂直分量 (Gcvz)、濕熱力螺旋度 (Ghelz)、水汽散度通量 (wqvdiv)、位渦(Gpv)、水汽位渦 (Gwpv)、變形鋒生函數 (F)等因子。這些因子是能反應強降水系統的動力、熱力及水汽特征的宏觀物理量,與地面短時強降水落區有較好的對應,移動方向也基本一致。由目前的檢驗工作初步得出：濕熱力平流參數與貴州短時強降水落區的對應關系較理想。所以本文選取該變量對動力因子預報方法的原理進行簡要介紹并利用該因子對 2009年 6月 7日-9日發生在貴州的強降水過程進行診斷分析。

2 資料與方法

在介紹濕熱力平流參數之前,先來初步了解廣義位溫這個概念。我們知道,無論位溫還是相當位溫,由于其守恒性,在大氣動力和熱力學研究領域都得到了廣泛應用,但它們都有各自的適用范圍：位溫適用于干燥的大氣,而相當位溫適用于完全飽和的濕空氣,對于實際大氣的“非均勻飽和”[10]狀態,兩者的適用性受到了限制;實際觀測表明,一般當相對濕度達到 78%時大氣中局部區域可能已經有潛熱釋放了[11],凝結通常隨著濕度的增加而增加,高守亭[10]等通過考慮水汽梯度的效應,把一個與比濕相聯系的變量——廣義位溫引入到大氣熱力框架中,它可以表示實際大氣既不是處處干燥,也不是完全飽和的狀態,是能很好地表征實際大氣干濕共存的凝結可能性函數,其表達式為：

式 (1)中,θ是位溫,L是凝結潛熱系數,T是大氣溫度,q和qs分別是比濕和飽和比濕,k是反映大范圍凝結狀態與局地凝結現象有關的權重函數的計算系數,一般取k=9參考文獻[10]。由定義可見,在干空氣中,q=0,此時θ＊=θ,在飽和大氣中,θ＊=θe。該變量的引入沒有帶來大量其他的變量,因此在實際業務應用中具有一定的優勢。

濕熱力平流參數就是定義在廣義位溫基礎上的因子之一,表示為：

本文利用 NCEP/NCAR(2008、2009年 )初夏(5、6月 )實時分析資料 (水平分辨率為 1°×1°,垂直層數為 26層,時間間隔為 6h)計算濕熱力平流參數 925～300hPa的垂直積分 (該因子積分后的"異常值"更能突出反映強降水系統的特征),并與地面6h實況降水落區進行對比,實況降水使用的是Micaps地面觀測資料,其中≥25mm定義為強降水,由于有 4個時段缺地面降水資料,所以共統計了 484個時段 (每 6h為 1個時段)。

3 統計結果

在這 484個時段中,有 23個時段貴州 6h有≥25mm量級 (≥6站)的降水發生 (下文中的有或無降水均指：有或無≥6站大雨及以上量級降水,其中1站暴雨相當于 3站大雨),統計結果分布如表 1所示：

表 1 2008—2009年初夏 (5—6月)濕熱力平流參數與有無降水的對應情況

從表中數據可知：地面有降水的 23個時段中,13個時段的強降水與積分后它的中心值區有較好的對應關系,落區主要位于大值區中心連線附近偏等值線梯度大一側,有 10個時段積分后的濕熱力平流參數的值都接近于零個單位;地面無降水的 461個時段中,僅有 6個時段該因子出現較強中心值區,實況無降水相對應;也就是說：造成強降水的系統它不一定都能反映出來,但當該因子有明顯反應時就很大程度地與強降水系統對應。

4 實例診斷分析

選取 2009年 6月 7日—9日發生在貴州的強降水過程為例,診斷分析濕熱力平流參數與 6h累積地面觀測降水之間的聯系。

2009年 6月 7日到 9日,亞洲中高緯的環流形勢調整為緯向性,高原小波動活躍引導冷空氣南下,低緯地區西太平洋副熱帶高壓逐漸西伸增強,受高空東移淺槽配合中低層切變及西南暖濕急流的共同影響,貴州出現強降水,強降水中心位于榕江 (25.58°N,108.32°E)。從 2009年 6月 8日18UTC沿 108°E的緯向剖面圖上 (如圖 1所示)可以看到：該時段內 6h累積地面實況降水主要集中在24°～27°N緯度范圍內。

圖 1 2009年 6月 9日 02時沿 108°E位溫、相當位溫、風場及比濕的剖面圖：實線為相當位溫,虛線為位溫,箭頭表示風場,陰影表示比濕 (g/Kg),直方圖表示 8日 20時-9日 02時 6h雨量 (mm),左邊縱坐標為氣壓 (hPa),右邊縱坐標為雨量(mm)

同時可以看出,在該雨區的上空,垂直上升運動非常強烈,上升區從地面一直延伸到 100hPa,雨區南側 500hPa附近氣旋性環流加強了雨區上空的上升運動;從比濕的分布可看到,該降水區上空濕度較高,濕舌從 900hPa延伸到 500hPa附近;位溫隨等值線較平直且隨高度增加,而假相當位溫在700hPa以下沿鋒面呈傾斜分布且隨高度減小,即大氣有潛在性的不穩定;從位溫平流和廣義位溫的經向垂直分布 (如圖 2所示)可以看出：雨區上空廣義位溫呈漏斗狀,從 400hPa延伸至 750hPa附近,坡度比假相當位溫的大,即廣義位溫的水平梯度更大,在強降水區上空的不連續性更加明顯,750hPa以下的低層也為不穩定層,在對流層高層,由于水汽含量很少,大氣近似為干空氣狀態,廣義位溫與位溫幾乎相同;而位溫平流呈現出較強的負值區,強中心在 26°N上空的 400hPa附近,這主要是該雨區上空強烈的上升運動帶來的能量交換;以上分別從水汽、垂直運動、不穩定方面分析了該次過程降水系統的特點,當大氣呈現這樣的垂直結構時,往往伴有降水發生。

圖 2 2009年 6月 8日 02時沿 108°E廣義位溫及位溫平流的剖面圖：實線表示廣義位溫,虛線表示位溫平流,直方圖表示 8日 20時-9日 02時 6h雨量 (mm),左邊縱坐標為氣壓 (hPa),右邊縱坐標為雨量 (mm)

由圖 3可以看到,在雨區上空也是高值區,表明能綜合反應鋒面強降水系統動力、熱力及垂直速度特征的濕熱力平流參數與強降水區有一定的對應關系;|G|高值中心位于 700～500hPa的對流層中低層,這是因為廣義位溫等值線密集區、位溫平流在對流層中低層比較顯著,在對流層高層,廣義位溫等值線較平直,位溫平流也較弱,|G|值可忽略不計,我們知道對流層中低層的系統與天氣現象有著密切聯系,而濕熱力平流參數恰好突出了對流層中低層對強降水的貢獻。

為了強化 |G|的中心值區,對其進行垂直積分〈·〉=∫PtPs·dp得到該參數的中心值 (如果沒有相應的系統配合,該值接近于 0 unit)?？紤]到貴州的海拔、主要天氣影響系統等因素,選取從ps=925hPa到pt=300hPa的積分。如圖 4所示

圖 3 2009年 6月 8日 02時沿 108°E濕熱力平流參數(Gmtp)的剖面圖：等值線表示濕熱力平流參數 (10-14Kg·K2·m-5·s-1),直方圖表示 8日 20時-9日 02時 6h雨量(mm),左邊縱坐標為氣壓 (hPa),右邊縱坐標為雨量 (mm)

6月 8日 00UTC,雨區呈東西向帶狀分布,有兩個強降水中心,分別位于重慶南部和江蘇西南部,濕熱力平流參數的中心值區也呈東西帶狀分布,中心值區偏北于強降水中心,但高值區基本覆蓋了整個雨區;隨著時間的變化,至 12UTC雨帶東移,強降水中心移至湖南北部,該參數大值區的移動趨勢與雨帶一致,大值中心區略偏北于強雨區中心,在貴州西南部有弱的中心值區,但實際降水并不強,這可能與積分層次的選擇有關,對于貴州西南部而言,平均海拔接近 850hPa的幾何高度,而積分是從925hPa開始,造成虛假值的出現;18UTC由于受到冷空氣補充影響,雨勢有所增強,貴州出現兩個強降水中心,一個位于西南,另一個位于東南部,其中東南部的降水更強,雨區基本都落在中心值區,參數大值區位于貴州西南部,考慮到貴州西部地區因海拔較高而出現的虛假值的影響,大值區的這種分布與 6h強降水落區對應關系較好,而且它的趨勢變化能宏觀上反應強降水系統的發展或減弱,對強降水的落區和雨帶的移動,能給出較有價值的參考信息。

5 總結和展望

濕熱力平流參數能綜合地反應鋒面強降水系統中的水汽、動力及熱力的垂直結構特征,對其垂直積分中心值區與地面 6h強降水落區有較好的對應關系,并且它的變化趨勢能反應強降水系統的發展或消弱;考慮到降水還包括微觀物理過程,加上貴州地形復雜,它的值中心區不一定與強降水中心完全重疊,還可能會有虛假值的出現,值的大小與降水的強度沒有必然聯系,但對于由鋒面系統引起的強降水的落區和雨帶的移動趨勢,垂直積分的濕熱力平流參數異常值區具有一定的指示意義,能作為短時強降水落區預報較有價值的參考。

在業務運用中,該因子的預報效果還依賴于所選用模式的預報能力,還需長期不斷地檢驗和完善;由于各個動力因子側重點不同,集合多個因子對強降水系統進行判別也是落區預報方法探索道路上的又一嘗試,這將是下一步將展開的工作。

致謝：感謝高守亭、冉令坤等老師的指導和幫助。

圖 4 2009年 6月 8日 08時、14時、20時、9日 02時地面 6h降水與積分后的 Gmtp分布情況 (等值線表示垂直積分后的濕熱力平流參數 (10-9Kg·K2·Pa·m-5·s-1),陰影表示地面對應時刻的 6h降水量 (mm))

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M uggy advection parameter’s application to summer heavy precipitation forecast in Guizhou

W U Gu-hui,PENG Fang
(Gui ZhouMeteorologyBureau,Guiyang 550002)

TheMoist Ther modynamic Advection Parameter(Gmtp),adopted by Gao et al,is studied in this paper.It is found that Gmtp,which contains information of interactions among generalpotential temperature and advection of potential temperature,may serve as a physical tracker to detecting weather system leading to frontal heavy rainfall.Utilizing the National Center for Environmental Prediction/National CenterAtmospheric Research(NCEP/NCAR)1°×1°grid data and the surface observational data with 6h interval to test the ability of calculated Gmtp in Gui Zhou during early summer(May and Jun)of 2008 and 2009.Meanwhile,one set of diagnoses are perfor med.The analyses indicate that the parameter shares a similar horizontal distribution pattern and evolution tendencywith the 6-h accumulation of observed surface rainfall.They are closely correlated.

Moist thermodynamic advection parameter;General potential temperature;Potential temperature advection;the strong precipitation area

P43

A

1003-6598(2010)05-0003-04

2010-04-01

吳古會 (1985-),女,助工,主要從事短期天氣預報工作。