一次持續(xù)性強(qiáng)降水過程不同尺度分析

馬琴　蔡海朝　劉久國

摘要 2017年6月23日至7月1日婁底市出現(xiàn)了罕見的持續(xù)性強(qiáng)降水，分析總結(jié)了此次過程的成因及極端性，并檢驗了當(dāng)?shù)刂谐叨瓤陀^預(yù)報產(chǎn)品。研究結(jié)果表明：（1）此次降水持續(xù)時間長、降水強(qiáng)度大;（2）副高位置異常是造成強(qiáng)降水持續(xù)的原因之一;（3）ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）數(shù)值模式降水預(yù)報較差;（4）當(dāng)?shù)乜陀^預(yù)報產(chǎn)品能夠有效地從大尺度系統(tǒng)中分離放大出中尺度系統(tǒng)，但對模式產(chǎn)品中的中尺度信息依賴性較大，易出現(xiàn)虛假系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 強(qiáng)降水;中尺度;客觀預(yù)報產(chǎn)品;模式

中圖分類號：P426.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）04–0110–04

0 引言

大氣運動具有多尺度性，實際氣象場是由多種空間尺度的波動系統(tǒng)疊加而成的[1]。其中大尺度系統(tǒng)為中小尺度系統(tǒng)提供條件和環(huán)境場，而中小尺度系統(tǒng)是對大尺度系統(tǒng)的一種擾動，是直接形成暴雨和強(qiáng)對流天氣的天氣系統(tǒng)[2-4]。目前，EC模式僅提供了大尺度信息和基本的中尺度信息，但缺乏直接客觀的流場、散度場等產(chǎn)品，為此自主開發(fā)了中尺度客觀預(yù)報產(chǎn)品，以提高本地暴雨預(yù)報技術(shù)，更好地預(yù)防和防止洪澇災(zāi)害損失。本文選用2017年6月23日至7月1日婁底市出現(xiàn)的持續(xù)性強(qiáng)降水過程，對其成因和極端性進(jìn)行分析總結(jié)，并對該中尺度客觀預(yù)報產(chǎn)品進(jìn)行檢驗。

1 降水實況

6月23日—7月1日婁底市出現(xiàn)了連續(xù)性強(qiáng)降水過程，主要有3大特點：（1）持續(xù)時間長，6月23日至7月1日共計8天。其中23日凌晨在婁底市的中西部出現(xiàn)了強(qiáng)對流性降水;24—25日隨著副高南撤，自北向南出現(xiàn)在大暴雨過程;26—28日，雨帶基本維持在湘中稍偏南（邵陽-婁底東南部-湘潭）一線，在婁底市南部出現(xiàn)了連續(xù)性暴雨;6月29日—7月1日晚副高加強(qiáng)北抬，雨區(qū)又從西北向東南移經(jīng)婁底市，出現(xiàn)了暴雨到大暴雨過程。（2）降水強(qiáng)度大，暴雨中心在湘中一線反復(fù)擺動，小時最大雨量達(dá)65.9 mm（漣源安平）。（3）降水總量大，雨量200 mm以上達(dá)183站，大于300 mm有137站，22站累積降水超過500 mm（漣源安平923.5 mm、漣源橋頭河903 mm、新化科頭683.8 mm）;國家基本站降水量分別為253.8 mm（雙峰）、472.8 mm（新化），平均達(dá)到376.8 mm，比歷年同期偏多411%（圖1）。

2 成因分析

2.1 500 hPa環(huán)流場

6月22日至25日暴雨過程的第一階段，高緯的阻塞高壓脊向北延伸，脊前的東北低槽東移加深，其尾部深入黃淮地區(qū)一帶;中緯（25°N～35°N）附近為平直西風(fēng)氣流，其上多短波槽東移影響，槽后有弱冷平流擴(kuò)散南下至長江流域地區(qū);低緯地區(qū)副高脊線穩(wěn)定少動，導(dǎo)致了強(qiáng)雨帶滯留在婁底市（圖2）。從6月25日20：00開始高緯地區(qū)的阻塞高壓脊出現(xiàn)了明顯減弱或崩潰，此時西伯利亞冷空氣向南侵入，這是產(chǎn)生強(qiáng)暴雨過程的必要條件之一;中緯東北地區(qū)橫槽轉(zhuǎn)豎，這也是暴雨過程的典型標(biāo)志，高原東部也有一低槽東移;低緯副高基本維持在23°N附近，導(dǎo)致強(qiáng)降水維持[5-7]。6月28日20：00開始，高緯地區(qū)的阻塞高壓崩潰，逐漸被寬廣的槽區(qū)替代;中緯地區(qū)有一深厚低槽發(fā)展，婁底市處于低槽前部強(qiáng)盛西南暖濕急流帶中，隨著低緯副高的南北擺動，強(qiáng)降水區(qū)也來回擺動，并呈現(xiàn)東北—西南走向。

2.2 850 hPa風(fēng)場

第一階段，自6月22日20：00起，850 hPa西南風(fēng)逐漸增強(qiáng)，23日20：00切變線主要位于湘中偏北地區(qū)，強(qiáng)降雨帶自南向北發(fā)展，強(qiáng)降水主要發(fā)生在暖區(qū)（圖3左）。24日至25日隨著副高的南退，切變線緩慢南壓，低空強(qiáng)盛西南氣流供給的充足水汽，造成了婁底市的強(qiáng)降水發(fā)生。第二階段，強(qiáng)降水落區(qū)和強(qiáng)度相較于第一階段均有所減弱，由于850 hPa的切變線主要位于湘中以南，呈東北—西南向，導(dǎo)致婁底市東南部地區(qū)降水相對其他地區(qū)較強(qiáng)（圖3中）。第三階段，受西南低渦東移影響，婁底市自西北向東南出現(xiàn)暴雨;由于水汽條件充足，西南急流強(qiáng)盛，低渦移動緩慢，導(dǎo)致此次暴雨（大暴雨）過程相較于前2個階段的降水強(qiáng)度更強(qiáng)，范圍更大（圖3右）。

2.3 物理量場

由表1可以看出：（1）第一階段，懷化能量較強(qiáng)時段為22日夜間至23日白天，23日夜間有所減弱，24日白天又有所加強(qiáng);這與婁底市的強(qiáng)降水時段比較吻合。（2）第三階段，婁底市強(qiáng)降水時段為6月29日至30日夜間，從能量參數(shù)的時序演變中也可以看出29日前不穩(wěn)定能量逐漸積累，在30日夜間達(dá)到最大值。通過對比2個時間段可以發(fā)現(xiàn)，第一階段的K指數(shù)和對流有效位能明顯高于第三階段，這說明第一階段的降水主要以短時強(qiáng)降水為主，第三階段主要是系統(tǒng)性降水，與實況相符。

3 中尺度客觀預(yù)報產(chǎn)品檢驗

本地客觀預(yù)報產(chǎn)品是基于EC模式產(chǎn)品開發(fā)，對模式中的大尺度系統(tǒng)和中尺度擾動通過客觀分析后，保留了中α尺度信息，并將其特征放大，為預(yù)報員提供暴雨預(yù)報的客觀參考。針對此次持續(xù)性強(qiáng)降水過程，選取具有代表性的2個時次進(jìn)行檢驗分析，分別是22日至23日暖區(qū)降水、24日至25日系統(tǒng)性降水。

22日20：00至23日20：00，暴雨及以上強(qiáng)降水主要發(fā)生在湘中偏北地區(qū)和湘西南，大暴雨集中在湘東北（圖4a）。通過觀察EC模式大尺度流場發(fā)現(xiàn)，除了湘西低渦被有效模擬，其他地方的強(qiáng)降水系統(tǒng)仍無法預(yù)測（圖4b）。而從本地客觀預(yù)報產(chǎn)品可以看出：（1）湘東北、湘西南地區(qū)有明顯的輻合中心;（2）落區(qū)仍略有偏差，但對暖區(qū)降水有顯著的指示作用;（3）有效判別中尺度流場（圖4c）。

23日20：00至25日20：00，強(qiáng)雨帶隨著切變系統(tǒng)自北向南發(fā)展（圖5a和圖5d）。隨著預(yù)報時效的接近，EC模式對暴雨系統(tǒng)位置的預(yù)報越來越準(zhǔn)確，但位置有所偏北，無法甄別大暴雨落區(qū)（圖5b和圖5e）。而通過對比本地客觀預(yù)報產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)：（1）對暴雨落區(qū)具有更強(qiáng)的指示作用，但降水落區(qū)預(yù)報偏北，主要是由于本地客觀預(yù)報產(chǎn)品是基于EC模式產(chǎn)品開發(fā)，而若EC模式中的中尺度信息與實況偏差較大，客觀預(yù)報產(chǎn)品也會出現(xiàn)較大的偏差;（2）能夠有效地甄別100 mm以上的強(qiáng)降水落區(qū);（3）在湘南等地出現(xiàn)虛假系統(tǒng)，這對如何有效地選擇降水系統(tǒng)，帶來了一定的困難。

4 總結(jié)與展望

4.1 主要結(jié)論

通過分析此次持續(xù)性強(qiáng)降水過程，主要得到以下結(jié)論：

（1）此次過程持續(xù)時間長、降水強(qiáng)度大、降水總量多，是有觀測資料以來最強(qiáng)的一次降水過程，給婁底市帶來了嚴(yán)重的洪澇等災(zāi)害。

（2）該過程的3個階段降水性質(zhì)有所區(qū)別，與副高位置有較大關(guān)聯(lián)：前兩次過程（6月22至27日）副高位置相較于常年較為穩(wěn)定，基本上維持在23°N～25°N附近，是造成強(qiáng)降水持續(xù)的原因之一;6月28至7月1日強(qiáng)降水落區(qū)則隨著低緯副高的西進(jìn)東退而南北擺動，并呈現(xiàn)東北—西南走向。

（3）第一階段和第三階段的降水強(qiáng)度較大，K指數(shù)和CAPE值均較大，且濕層深厚，中低層西南氣流較強(qiáng)，為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了充足的水汽和動力條件。而通過對比2個時間段發(fā)現(xiàn)，第一階段的K指數(shù)和對流有效位能明顯高于第三階段，這說明第一階段的降水主要以短時強(qiáng)降水為主，第三階段主要是系統(tǒng)性降水，與實況相符。

（4）EC和T639模式對于此次過程的預(yù)報偏差較大，尤其是第一階段的22日至23日，以及第三階段降水;強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報整體偏北。

（5）本地客觀預(yù)報產(chǎn)品為預(yù)報員的暴雨預(yù)報，提供了強(qiáng)有力的客觀參考：①對強(qiáng)降水落區(qū)（尤其是降雨量≥100 mm），具有較好的指示作用;②對暖區(qū)降水有顯著的指示作用;③能有效地從大尺度系統(tǒng)中分離放大出中尺度系統(tǒng)。

4.2 問題與展望

通過對比檢驗可以看到，本地客觀預(yù)報產(chǎn)品對提高預(yù)報員預(yù)報能力提供了依靠，但仍存在一些問題：（1）該產(chǎn)品基于EC產(chǎn)品建立，對模式產(chǎn)品中的中尺度信息依賴性較大，易出現(xiàn)虛假系統(tǒng);（2）預(yù)報的強(qiáng)降水時間有所偏差;（3）無法預(yù)報暖區(qū)的局地性強(qiáng)降水;（4）當(dāng)前該產(chǎn)品建立了3套方案進(jìn)行對比篩選，為提高強(qiáng)降水預(yù)報提供了可靠、客觀的手段。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Different Scale Analysis of a Continuous Heavy Precipitation Process

MA Qin et al（Loudi Meteorological Obse-rvatory， Loudi， Hunan 417000）

Abstract The large-scale system provided conditions and environmental fields for the small and medium-sized system. The small and medium-sized system was a disturbance to the large-scale system and a weather system that directly formed rainstorm and strong convective weather. From June 23 to July 1， 2017， there was a rare continuous heavy rainfall in Loudi city. This paper analyzed and summarized the causes and extremes of this process; The local mesoscale objective prediction products were tested. The results showed that： （1）The precipitation duration was long and the precipitation intensity was high; （2）The abnormal position of the subtropical high was one of the reasons for the persistence of heavy precipitation; （3）The precipitation forecast of ECMWF （European Centre for medium range weather forecasts） numerical model was poor; （4）Local objective prediction products can effectively separate and amplify the mesoscale system from the large-scale system， but they were highly dependent on the mesoscale information in the model products and were prone to false systems.

Key words Heavy precipitation; Mesoscale; Objective forecast products; Pattern

基金項目 湖南省氣象局短平快課題“GPS-PWV在婁底降水天氣過程分析中的應(yīng)用”（XQKJ21B014）、“ECMWF細(xì)網(wǎng)格和T639細(xì)網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的解釋應(yīng)用研究”（XQKJ16B106）。

作者簡介 馬琴（1985—），女，湖南婁底人，工程師，主要從事天氣預(yù)報服務(wù)工作。

收稿日期 2022-01-02