湿热力平流参数在贵州初夏强降水中的运用

吴古会,彭 芳

(贵州省气象台,贵州 贵阳 550002)

湿热力平流参数在贵州初夏强降水中的运用

吴古会,彭 芳

(贵州省气象台,贵州 贵阳 550002)

使用 NCEP(1°×1°)再分析资料计算湿热力平流参数及其积分,通过对比分析 2008—2009年初夏 (5—6月)地面实况降水与该因子积分后的中心大值区的对应关系。理论分析表明：湿热力平流参数综合体现了锋区附近大气的动力、热力及水汽作用,相对于常用的相当位温、湿度等常用物理量来说,在一定程度上包含了广义位温及位温平流的相互作用,对实际非均匀饱和大气的动热力变化及水汽有较好的反映。统计分析也表明：积分后的湿热力平流参数中心值区与地面 6小时强降水落区有较好的对应关系,它的变化趋势及移动方向与强降水区的变化也较一致,能作为短时强降水落区预报提供参考;利用 NCEP/NCAR(1°×1°)再分析资料和Micaps地面实况降水资料,选取 2009年 6月 7-9日发生在贵州的强降水过程为例,通过把湿热力平流参数与此次过程中动、热力场结合进行诊断分析,进一步表明该参数能综合地反应锋面强降水系统中的水汽、动力及热力的垂直结构特征,能作为造成强降水的锋面系统的示踪物。

湿热力平流参数;广义位温;位温平流;初夏强降水落区

1 引言

强降水是我国的主要灾害性天气之一,每年由强降水造成的洪灾给国民经济和国防建设造成严重的影响。所以,对强降水落区和雨带移动方向的预报显得尤为重要,这也一直是气象工作者所关注的焦点并在这方面开展了大量卓有成效的研究工作,先后建立多个对地面降水具有指示意义的宏观物理量[1-4]。锋面强降水是贵州初夏强降水中最常见的类型,由于贵州的特殊地理位置及复杂地形,预报难度较大,需要不断探索预报强降水的方法。贵州目前引进了高守亭等研究建立的暴雨短期临近集合动力因子预报方法。高守亭等从暴雨触发机理的角度出发,考虑到各个因子的对降水系统的描述侧重点不同,主张利用多个动力变量的集合来对暴雨区进行综合判别,建立了暴雨短期临近集合动力因子预报方法。主要包含湿热力平流参数(Gmtp)、对流涡度矢量的垂直分量 (Gcvz)、湿热力螺旋度 (Ghelz)、水汽散度通量 (wqvdiv)、位涡(Gpv)、水汽位涡 (Gwpv)、变形锋生函数 (F)等因子。这些因子是能反应强降水系统的动力、热力及水汽特征的宏观物理量,与地面短时强降水落区有较好的对应,移动方向也基本一致。由目前的检验工作初步得出：湿热力平流参数与贵州短时强降水落区的对应关系较理想。所以本文选取该变量对动力因子预报方法的原理进行简要介绍并利用该因子对 2009年 6月 7日-9日发生在贵州的强降水过程进行诊断分析。

2 资料与方法

在介绍湿热力平流参数之前,先来初步了解广义位温这个概念。我们知道,无论位温还是相当位温,由于其守恒性,在大气动力和热力学研究领域都得到了广泛应用,但它们都有各自的适用范围：位温适用于干燥的大气,而相当位温适用于完全饱和的湿空气,对于实际大气的“非均匀饱和”[10]状态,两者的适用性受到了限制;实际观测表明,一般当相对湿度达到 78%时大气中局部区域可能已经有潜热释放了[11],凝结通常随着湿度的增加而增加,高守亭[10]等通过考虑水汽梯度的效应,把一个与比湿相联系的变量——广义位温引入到大气热力框架中,它可以表示实际大气既不是处处干燥,也不是完全饱和的状态,是能很好地表征实际大气干湿共存的凝结可能性函数,其表达式为：

式 (1)中,θ是位温,L是凝结潜热系数,T是大气温度,q和qs分别是比湿和饱和比湿,k是反映大范围凝结状态与局地凝结现象有关的权重函数的计算系数,一般取k=9参考文献[10]。由定义可见,在干空气中,q=0,此时θ＊=θ,在饱和大气中,θ＊=θe。该变量的引入没有带来大量其他的变量,因此在实际业务应用中具有一定的优势。

湿热力平流参数就是定义在广义位温基础上的因子之一,表示为：

本文利用 NCEP/NCAR(2008、2009年 )初夏(5、6月 )实时分析资料 (水平分辨率为 1°×1°,垂直层数为 26层,时间间隔为 6h)计算湿热力平流参数 925～300hPa的垂直积分 (该因子积分后的"异常值"更能突出反映强降水系统的特征),并与地面6h实况降水落区进行对比,实况降水使用的是Micaps地面观测资料,其中≥25mm定义为强降水,由于有 4个时段缺地面降水资料,所以共统计了 484个时段 (每 6h为 1个时段)。

3 统计结果

在这 484个时段中,有 23个时段贵州 6h有≥25mm量级 (≥6站)的降水发生 (下文中的有或无降水均指：有或无≥6站大雨及以上量级降水,其中1站暴雨相当于 3站大雨),统计结果分布如表 1所示：

表 1 2008—2009年初夏 (5—6月)湿热力平流参数与有无降水的对应情况

从表中数据可知：地面有降水的 23个时段中,13个时段的强降水与积分后它的中心值区有较好的对应关系,落区主要位于大值区中心连线附近偏等值线梯度大一侧,有 10个时段积分后的湿热力平流参数的值都接近于零个单位;地面无降水的 461个时段中,仅有 6个时段该因子出现较强中心值区,实况无降水相对应;也就是说：造成强降水的系统它不一定都能反映出来,但当该因子有明显反应时就很大程度地与强降水系统对应。

4 实例诊断分析

选取 2009年 6月 7日—9日发生在贵州的强降水过程为例,诊断分析湿热力平流参数与 6h累积地面观测降水之间的联系。

2009年 6月 7日到 9日,亚洲中高纬的环流形势调整为纬向性,高原小波动活跃引导冷空气南下,低纬地区西太平洋副热带高压逐渐西伸增强,受高空东移浅槽配合中低层切变及西南暖湿急流的共同影响,贵州出现强降水,强降水中心位于榕江 (25.58°N,108.32°E)。从 2009年 6月 8日18UTC沿 108°E的纬向剖面图上 (如图 1所示)可以看到：该时段内 6h累积地面实况降水主要集中在24°～27°N纬度范围内。

图 1 2009年 6月 9日 02时沿 108°E位温、相当位温、风场及比湿的剖面图：实线为相当位温,虚线为位温,箭头表示风场,阴影表示比湿 (g/Kg),直方图表示 8日 20时-9日 02时 6h雨量 (mm),左边纵坐标为气压 (hPa),右边纵坐标为雨量(mm)

同时可以看出,在该雨区的上空,垂直上升运动非常强烈,上升区从地面一直延伸到 100hPa,雨区南侧 500hPa附近气旋性环流加强了雨区上空的上升运动;从比湿的分布可看到,该降水区上空湿度较高,湿舌从 900hPa延伸到 500hPa附近;位温随等值线较平直且随高度增加,而假相当位温在700hPa以下沿锋面呈倾斜分布且随高度减小,即大气有潜在性的不稳定;从位温平流和广义位温的经向垂直分布 (如图 2所示)可以看出：雨区上空广义位温呈漏斗状,从 400hPa延伸至 750hPa附近,坡度比假相当位温的大,即广义位温的水平梯度更大,在强降水区上空的不连续性更加明显,750hPa以下的低层也为不稳定层,在对流层高层,由于水汽含量很少,大气近似为干空气状态,广义位温与位温几乎相同;而位温平流呈现出较强的负值区,强中心在 26°N上空的 400hPa附近,这主要是该雨区上空强烈的上升运动带来的能量交换;以上分别从水汽、垂直运动、不稳定方面分析了该次过程降水系统的特点,当大气呈现这样的垂直结构时,往往伴有降水发生。

图 2 2009年 6月 8日 02时沿 108°E广义位温及位温平流的剖面图：实线表示广义位温,虚线表示位温平流,直方图表示 8日 20时-9日 02时 6h雨量 (mm),左边纵坐标为气压 (hPa),右边纵坐标为雨量 (mm)

由图 3可以看到,在雨区上空也是高值区,表明能综合反应锋面强降水系统动力、热力及垂直速度特征的湿热力平流参数与强降水区有一定的对应关系;|G|高值中心位于 700～500hPa的对流层中低层,这是因为广义位温等值线密集区、位温平流在对流层中低层比较显著,在对流层高层,广义位温等值线较平直,位温平流也较弱,|G|值可忽略不计,我们知道对流层中低层的系统与天气现象有着密切联系,而湿热力平流参数恰好突出了对流层中低层对强降水的贡献。

为了强化 |G|的中心值区,对其进行垂直积分〈·〉=∫PtPs·dp得到该参数的中心值 (如果没有相应的系统配合,该值接近于 0 unit)。考虑到贵州的海拔、主要天气影响系统等因素,选取从ps=925hPa到pt=300hPa的积分。如图 4所示

图 3 2009年 6月 8日 02时沿 108°E湿热力平流参数(Gmtp)的剖面图：等值线表示湿热力平流参数 (10-14Kg·K2·m-5·s-1),直方图表示 8日 20时-9日 02时 6h雨量(mm),左边纵坐标为气压 (hPa),右边纵坐标为雨量 (mm)

6月 8日 00UTC,雨区呈东西向带状分布,有两个强降水中心,分别位于重庆南部和江苏西南部,湿热力平流参数的中心值区也呈东西带状分布,中心值区偏北于强降水中心,但高值区基本覆盖了整个雨区;随着时间的变化,至 12UTC雨带东移,强降水中心移至湖南北部,该参数大值区的移动趋势与雨带一致,大值中心区略偏北于强雨区中心,在贵州西南部有弱的中心值区,但实际降水并不强,这可能与积分层次的选择有关,对于贵州西南部而言,平均海拔接近 850hPa的几何高度,而积分是从925hPa开始,造成虚假值的出现;18UTC由于受到冷空气补充影响,雨势有所增强,贵州出现两个强降水中心,一个位于西南,另一个位于东南部,其中东南部的降水更强,雨区基本都落在中心值区,参数大值区位于贵州西南部,考虑到贵州西部地区因海拔较高而出现的虚假值的影响,大值区的这种分布与 6h强降水落区对应关系较好,而且它的趋势变化能宏观上反应强降水系统的发展或减弱,对强降水的落区和雨带的移动,能给出较有价值的参考信息。

5 总结和展望

湿热力平流参数能综合地反应锋面强降水系统中的水汽、动力及热力的垂直结构特征,对其垂直积分中心值区与地面 6h强降水落区有较好的对应关系,并且它的变化趋势能反应强降水系统的发展或消弱;考虑到降水还包括微观物理过程,加上贵州地形复杂,它的值中心区不一定与强降水中心完全重叠,还可能会有虚假值的出现,值的大小与降水的强度没有必然联系,但对于由锋面系统引起的强降水的落区和雨带的移动趋势,垂直积分的湿热力平流参数异常值区具有一定的指示意义,能作为短时强降水落区预报较有价值的参考。

在业务运用中,该因子的预报效果还依赖于所选用模式的预报能力,还需长期不断地检验和完善;由于各个动力因子侧重点不同,集合多个因子对强降水系统进行判别也是落区预报方法探索道路上的又一尝试,这将是下一步将展开的工作。

致谢：感谢高守亭、冉令坤等老师的指导和帮助。

图 4 2009年 6月 8日 08时、14时、20时、9日 02时地面 6h降水与积分后的 Gmtp分布情况 (等值线表示垂直积分后的湿热力平流参数 (10-9Kg·K2·Pa·m-5·s-1),阴影表示地面对应时刻的 6h降水量 (mm))

[1] 吴国雄,蔡雅萍,唐晓箐 .湿位涡和倾斜涡度发展[J].气象学报,1995,53(4)：387-405.

[2] 高守亭,雷霆,周玉淑,等 .强暴雨系统中湿位涡异常的诊断分析[J].应用气象学报,2002,13(6)：662-670.

[3] 陈忠明,高文良,闵文彬,等 .湿位涡、热力学参数 CD与涡度、散度演化[J].高原气象,2006,25(6)：983-989.

[4] 岳彩军,寿亦萱,姚秀萍,等 .中国 Q矢量分析方法的应用与研究[J].高原气象,2005,24(3)：450-455.

[5] 李耀东,刘健文,高守亭 .螺旋度在对流天气预报中的应用研究进展[J].气象科技,2005,33(1)：7-11.

[6] 冉令坤,楚艳丽.强降水过程中垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式的诊断分析[J].物理学报,2009,58(11)：8094-8016.

[7] Shouting Gao,Lingkun Ran.diagnosis of wave activity in a heavy-rainfall.Jouarnal of Geophysical Research,2009,114,D08119.

[8] 高守亭,崔春光 .广义湿位涡理论及其应用研究[J].暴雨灾害,2007,26(1)：3-8.

[9] 赵宇,高守亭.对流涡度矢量在暴雨诊断分析中的应用研究[J].大气科学,2008,32(3)：444-456.

[10] Gao S,WangX,Zhou Y.Generation of generalizedmoistpotential vorticity in a frictionless and moist adiabatic flow[J].Geophys Res Lett,2004,31：L12113.

[11] 黄美元,徐英华.云和降水物理[M].北京：科学出版社,1999.1～56.

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

吴古会 (1985-),女,助工,主要从事短期天气预报工作。