異常分析在長(zhǎng)江中下游暴雨分析和預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

王 坤， 張樹(shù)民， 李 敏， 陳 鐵， 丁愛(ài)萍， 顧沛澍

(1.江蘇省南通市氣象局，南通 226000；2.江蘇省海門(mén)市氣象局，海門(mén) 226100)

登陸臺(tái)風(fēng)及其減弱或停編后的殘留低壓往往會(huì)帶來(lái)極端強(qiáng)降水，給當(dāng)?shù)貛?lái)嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，對(duì)人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及國(guó)防建設(shè)等造成嚴(yán)重?fù)p害[1-7]。長(zhǎng)江流域下游臺(tái)風(fēng)及其殘留低壓帶來(lái)的強(qiáng)降水的成因極其復(fù)雜，一直是氣象研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，預(yù)報(bào)員在對(duì)熱帶氣旋帶來(lái)的強(qiáng)降水進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，往往很難對(duì)降水落區(qū)和降水強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)[8-14]?；诋惓?chǎng)的分析在氣候研究中早已被廣泛應(yīng)用，近些年來(lái)，基于異常場(chǎng)的分析也被引入到天氣分析之中。許多研究表明，異常場(chǎng)的分析對(duì)強(qiáng)天氣分析和預(yù)報(bào)中也非常有幫助。特別是原始異常場(chǎng)(raw anomaly，RA)和標(biāo)準(zhǔn)化異常場(chǎng)(normalized anomaly，NA)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到高影響天氣的分析中[15-27]。Grumm[28]使用標(biāo)準(zhǔn)化的異常場(chǎng)分析了2010年7～8月俄羅斯極端高溫情況。杜鈞等[29]使用集合異常預(yù)報(bào)法 對(duì)北京 2012 年 7 月 21 日特大暴雨進(jìn)行了分析，揭示出“集合異常預(yù)報(bào)法”和集合預(yù)報(bào)可以提供比單一模式預(yù)報(bào)更可靠和更準(zhǔn)確的信息。Jiang等[30]對(duì)比了NA和RA在北京2012年7月21日特大暴雨過(guò)程的分析和預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，研究表明，RA和NA在該次特大暴雨過(guò)程預(yù)報(bào)中可以給出成功的預(yù)報(bào)。

基于異常場(chǎng)的分析對(duì)極端天氣的分析和預(yù)報(bào)是十分有用的，對(duì)其他地區(qū)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)、預(yù)警發(fā)揮過(guò)重要作業(yè)，但尚未在長(zhǎng)江流域下游這一暴雨頻發(fā)的地區(qū)得到檢驗(yàn)和應(yīng)用。現(xiàn)以 2016 年 7 月11日發(fā)生在南通地區(qū)的特大暴雨事件作為研究個(gè)例，對(duì)比分析RA和NA對(duì)極端降水事件的指示意義，并對(duì)比分析了評(píng)估歐洲中心模式降水預(yù)報(bào)場(chǎng)及高度異常場(chǎng)對(duì)極端降水事件的預(yù)報(bào)能力。

1 方法及資料

Fd,y(λ，φ，P，t)=

(1)

氣候場(chǎng)由不同時(shí)間t的30 a(1981—2010年)平均求得。

使用的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(the european center for medium-range weather forecasts，ECMWF)的再資料ERA5分析場(chǎng)，ERA5是歐洲中心第五代再分析資料，使用的資料同化系統(tǒng)為IFS Cycle 41r2，水平分辨率約31 km，時(shí)間間隔為1 h，垂直方向?yàn)?37層，并使用1981—2010年位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等計(jì)算得到相應(yīng)氣候態(tài)。使用間隔6 min的南通多普勒天氣雷達(dá)資料對(duì)降水的中尺度特征進(jìn)行分析。預(yù)報(bào)資料為ECMWF 提供的細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)資料。ECMWF提供的是每天00：00和12：00(UTC)起報(bào)的15日預(yù)報(bào)，時(shí)間間隔為6 h(00：00，06：00，12：00，18:00 UTC)，水平空間分辨率為0.25°N×0.25°E經(jīng)緯格點(diǎn)，垂直分8層。

2 降水實(shí)況及天氣背景分析

2016年第一號(hào)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”7月8日凌晨05：50，尼伯特在臺(tái)灣臺(tái)東縣登陸，7月9日13：45在福建石獅市再次登陸，7月10日03:00減弱為熱帶低壓，10日11:00移至江西廣昌境內(nèi)后停止編報(bào)?！澳岵亍睔埩舻蛪涸诮K南通地區(qū)造成了大暴雨—特大暴雨強(qiáng)降水天氣過(guò)程，給南通崇川區(qū)造成嚴(yán)重城市內(nèi)澇和農(nóng)田積水，此次強(qiáng)降水天氣過(guò)程具有局地性強(qiáng)、雨強(qiáng)大、強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特征，是一次典型的局地強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。該次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的天氣背景分析已在相關(guān)文獻(xiàn)中有詳細(xì)分析[31]，僅做簡(jiǎn)要描述。2016年7月10日20：00—11日14：00，副熱帶高壓使江蘇北部冷渦移動(dòng)受阻，臺(tái)風(fēng)“尼伯特”(1601號(hào))殘留低壓沿其倒槽方向向東北移動(dòng)，逐漸與蘇北地區(qū)低渦合并發(fā)展，中低空槽前都有強(qiáng)的西南急流存在，在蘇南地區(qū)激發(fā)出一個(gè)新的中尺度低壓并緩慢東移，給南通地區(qū)帶來(lái)強(qiáng)降水天氣過(guò)程。地面自動(dòng)站觀測(cè)顯示，降水主要集中在11日12：00—19：00(圖1)，南通地區(qū)共125個(gè)自動(dòng)站(含區(qū)域站，下同)中共有29站降水量超過(guò)50 mm、18站超過(guò)100 mm、5站超過(guò)200 mm。其中，最大累計(jì)雨量(250.6 mm)出現(xiàn)在南通大學(xué)區(qū)域自動(dòng)站。整點(diǎn)記錄的小時(shí)雨量共有36站超過(guò)20 mm，其中20站超過(guò)50 mm、3站超過(guò)100 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)為151.2 mm·h-1，創(chuàng)有氣象記錄以來(lái)的歷史極值。

使用南通站間隔6 min多普勒天氣雷達(dá)資料分析7月11日強(qiáng)降水發(fā)生前后中尺度系統(tǒng)演變特征。14：00—17：00(圖2)在南通地區(qū)生成中尺度低渦，且維持穩(wěn)定少動(dòng)，強(qiáng)降水地區(qū)回波強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)到55 dBZ以上，該低渦在南通市區(qū)上空維持3 h以上，導(dǎo)致了南通地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨-特大暴雨強(qiáng)降水天氣過(guò)程。18：00降水回波逐漸減弱消散，降水過(guò)程逐漸停止。

圖1 2016年7月11日12：00—19：00南通地區(qū)累積降水量分布及自動(dòng)站降水量Fig.1 Accumulated precipitation distribution and accumulated precipitation of automatic weather stations (AWS) over Nantong, at 12:00 to 19:00 on July 11， 2016

圖2 2016年7月11日14：00—17：00的南通多普勒天氣雷達(dá)1.5°仰角的基本反射率Fig.2 The base reflectivity of 1.5° elevation by doppler weather radar in Nantong at 14:00 to 17:00 on July 11, 2016

3 異常場(chǎng)分析

前人的研究表明，高空的異常信號(hào)一般與地面的極端天氣事件相對(duì)應(yīng)，為檢驗(yàn)?zāi)贤ǖ貐^(qū)極端降水與高空氣象要素的關(guān)系，圖3為2016年7月10日14：00沿32.1°N分別對(duì)位勢(shì)高度(GH)和比濕Q進(jìn)行了垂直-經(jīng)度剖面。圖3(a)、圖3(d)分別為位勢(shì)高度和比濕原值場(chǎng)，基本上無(wú)法看出對(duì)極端強(qiáng)降水有指示的明顯信號(hào)，從原值場(chǎng)基本上無(wú)法診斷出與高影響天氣相關(guān)的強(qiáng)異常信號(hào)。但從位勢(shì)高度RA場(chǎng)[圖3(b)]可以非常明顯的分析出強(qiáng)的異常中心，在南通地區(qū)所在在120.8°E附件150 hPa以下有非常強(qiáng)的位勢(shì)高度負(fù)異常中心，150 hPa以上為正異常；濕度RA場(chǎng)[圖3(e)]在600 hPa為正異常，600～250 hPa為濕度的負(fù)異常，低空正的濕度異常表明低層有充足的水汽，為極端強(qiáng)降水發(fā)生提供了充足的水汽，且高空干、低空濕的配置有利于強(qiáng)對(duì)流的產(chǎn)生。綜合分析圖3(b)、圖3(e)的位勢(shì)高度和濕度異常場(chǎng)，強(qiáng)的異常信號(hào)對(duì)潛在的強(qiáng)天氣事件有明顯的指示作用，最強(qiáng)的負(fù)異常中心可以作為強(qiáng)天氣事件的指示指標(biāo)。圖3(c)、圖3(f)為異常除以其標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果表明，位勢(shì)高度-濕度異常依然明顯存在，但異常中心略有變化，位勢(shì)高度NA場(chǎng)負(fù)異常最大超過(guò)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，濕度的NA場(chǎng)正異常最大超過(guò)1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍。位勢(shì)高度和濕度NA場(chǎng)的強(qiáng)度可以用來(lái)表征極端降水的強(qiáng)度，強(qiáng)的位勢(shì)高度和濕度NA對(duì)應(yīng)著地面的強(qiáng)降水的位置。

由圖2可知，此次強(qiáng)降水過(guò)程由低空低渦的長(zhǎng)期存在所導(dǎo)致的，圖4為2016年7月11日00：00—23：00 UTC沿南通地區(qū)所在的32.1°N、121.0°E的位勢(shì)高度和濕度垂直-時(shí)間剖面，時(shí)間間隔為1 h。圖4(a)、圖4(d)為位勢(shì)高度和濕度原值場(chǎng)，基本上無(wú)法分析出對(duì)該次強(qiáng)降水過(guò)程有指示意義的信號(hào)。圖4(b)、圖4(e)分別為位勢(shì)高度和濕度RA場(chǎng)，可以看出在極端降水出現(xiàn)的12：00—18：00北京時(shí)對(duì)應(yīng)500 hPa以下低層的強(qiáng)位勢(shì)高度負(fù)異常中心和600 hPa以下的濕度正異常中心，其中位勢(shì)高度負(fù)異常和濕度正異常最強(qiáng)的時(shí)段為16：00—17：00，對(duì)應(yīng)南通地區(qū)小時(shí)降水最強(qiáng)的時(shí)段。其后雖然有出現(xiàn)一個(gè)低層位勢(shì)高度負(fù)異常中心，但相對(duì)濕度異常較小，南通地區(qū)沒(méi)有明顯降水出現(xiàn)。圖4(c)、圖4(f)為位勢(shì)高度和濕度NA場(chǎng)，NA場(chǎng)分布與RA場(chǎng)接近，略有不同，異常中心出現(xiàn)時(shí)段和RA場(chǎng)一致，但位勢(shì)高度和濕度的NA中心高度位于850～900 hPa之間，在最強(qiáng)極端降水出現(xiàn)的16：00—17：00北京時(shí)，低層的位勢(shì)高度負(fù)異常中心和濕度的正異常中心均超過(guò)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍。綜合以上分析可以看出，位勢(shì)高度和濕度的異常對(duì)極端降水事件有明顯的指示作用，極端事件的強(qiáng)度與NA的強(qiáng)度有明顯的相關(guān)。

圖3 2016年7月11日14：00 HCT沿32.1°N的垂直-經(jīng)度剖面Fig.3 Vertical-longitude sections of HCT along 32.1°N at 14:00 on July 11， 2016

圖4 2016年7月11日00：00—23：00 UTC沿南通地區(qū)所在的32.1°N，121.0°E的垂直-時(shí)間剖面Fig.4 Vertical-time sections of UCT along 32.1°N，121.0°E in Nantong at 00:00 to 23:00 on July 11, 2016

圖5 歐洲中心預(yù)報(bào)模式不同起報(bào)時(shí)間的沿32.1°N的降水預(yù)報(bào)時(shí)間-經(jīng)度剖面Fig.5 Time-longitude sections of precipitation forecast along 32.1°N for the ECMWF model rain predictions initiated

4 極端降水的預(yù)報(bào)

降水落區(qū)、強(qiáng)度、峰值和持續(xù)時(shí)間對(duì)強(qiáng)降水事件的預(yù)報(bào)至關(guān)重要。前面研究表明，強(qiáng)降水集中在11日12：00—18：00(北京時(shí))。使用歐洲中心預(yù)報(bào)模式未來(lái)192 h的預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)該次降水過(guò)程的預(yù)報(bào)進(jìn)行分析。圖5分別為歐洲中心預(yù)報(bào)模式不同起報(bào)時(shí)間的沿32.1°N的降水預(yù)報(bào)時(shí)間-經(jīng)度剖面，其中圖5(a)起報(bào)時(shí)間為7月5日12：00 UTC，圖5(b)起報(bào)時(shí)間為7月7日 00：00 UTC，圖5(c)起報(bào)時(shí)間為7月9日 00：00 UTC，圖5(d)起報(bào)時(shí)間為7月10日 12：00 UTC?？梢钥闯瞿Ｊ皆?月5日12：00 UTC的起報(bào)場(chǎng)就對(duì)該強(qiáng)降水過(guò)程有所預(yù)報(bào)，但降水事件出現(xiàn)時(shí)段和最強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間相比實(shí)況更早，隨著起報(bào)時(shí)間逐漸與強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間的接近，模式對(duì)降水的預(yù)報(bào)能力并沒(méi)有提高，強(qiáng)降水的出現(xiàn)時(shí)間、峰值和落區(qū)變化較大，沒(méi)有一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的預(yù)報(bào)，可以認(rèn)為，對(duì)于這次過(guò)程，模式對(duì)降水的預(yù)報(bào)十分不穩(wěn)定，對(duì)降水的預(yù)報(bào)基本上是失敗的。

圖6與圖5的起報(bào)時(shí)間一致，預(yù)報(bào)場(chǎng)分別變?yōu)?50 hPa位勢(shì)高度NA場(chǎng)和RA場(chǎng)。可以看出，起報(bào)時(shí)間為7月5日12：00 UTC時(shí)模式在強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)段在南通地區(qū)所在的121°E上空基本上維持一個(gè)強(qiáng)的位勢(shì)高度負(fù)異常中心。不同起報(bào)時(shí)效該負(fù)異常中心雖然強(qiáng)度不同，但負(fù)異常中心位置基本保持穩(wěn)定，有利于預(yù)報(bào)員對(duì)該強(qiáng)降水過(guò)程的把握。對(duì)比模式對(duì)降水和位勢(shì)高度NA和RA場(chǎng)的預(yù)報(bào)，可以看出來(lái)，模式對(duì)環(huán)流場(chǎng)本身的預(yù)報(bào)更為穩(wěn)定，使用NA對(duì)環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行分析，可以更明顯找出強(qiáng)降水的事件的預(yù)報(bào)指標(biāo)，有利于極端天氣事件預(yù)報(bào)和預(yù)警。

5 結(jié)論

極端天氣事件極易造成嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，對(duì)人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及國(guó)防建設(shè)等造成嚴(yán)重?fù)p害。基于前人的研究，選擇對(duì)極端天氣有分析和預(yù)報(bào)有效的原始異常和標(biāo)準(zhǔn)化異常對(duì)南通地區(qū)2016年7月11日極端強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行分析和預(yù)報(bào)，得到以下結(jié)論。

(1)相比常用的原值場(chǎng)，RA和NA等異常場(chǎng)對(duì)分析和預(yù)報(bào)該次強(qiáng)降水過(guò)程更有優(yōu)勢(shì)。日常業(yè)務(wù)中常用的原值場(chǎng)，很難明顯給出對(duì)極端降水有較好指示意義的預(yù)報(bào)指標(biāo)，相比之下，RA和NA這種異常，可以給出更為有效的極端降水的預(yù)報(bào)指標(biāo)。這表明，極端降水事件與氣象要素的異常部分直接相關(guān)。

(2)極端降水的落區(qū)與位勢(shì)高度RA和NA的負(fù)異常中心接近，濕度的RA和NA正異常出現(xiàn)的時(shí)段和位置也與降水出現(xiàn)的時(shí)段和位置有較好的相關(guān)性，降水強(qiáng)度與濕度和位勢(shì)高度的RA和NA的異常強(qiáng)度也有一定關(guān)系。綜合分析不同高度和位置位勢(shì)高度和濕度的RA和NA，對(duì)分析和預(yù)報(bào)潛在極端天氣的落區(qū)、強(qiáng)度和出現(xiàn)時(shí)段有重要幫助。

(3)通過(guò)分析歐洲中心不同時(shí)效對(duì)該次過(guò)程的降水和850 hPa位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)結(jié)果，相比于對(duì)降水本身的預(yù)報(bào)，模式對(duì)850 hPa位勢(shì)高度NA場(chǎng)的預(yù)報(bào)更為穩(wěn)健，降水中心的位置也更接近實(shí)況更有利于預(yù)報(bào)員該次極端降水事件的把握。