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沈阳一次暖区暴雨过程分析与预报误差探讨

2017-10-18徐驰曹世腾李典等

安徽农学通报 2017年18期
关键词:误差分析

徐驰+曹世腾+李典等

摘 要:该文利用ECMWF模式产品、常规和非常规观测资料,针对2013年8月16日沈阳出现的暴雨,局地大暴雨的天气过程,探讨大尺度环流背景下,沈阳地区雨量分布差异的原因,同时探讨水汽输送特征,重点分析干、湿空气路径和大气可降水量特征。结果表明:(1)沈阳地区雨量严重分布不均,主要是回波在移动的过程中出现断裂,北段回波影响沈阳的中北部地区,沈阳市区的强降水是在暖区环境中产生的“列车效应”造成的,而不是ECMWF模式预报的系统性的锋面降水。(2)锋面降水未产生的原因:强对流云团的不断发展,使其后部的下沉气流加强,切断了锋面附近的水汽供应,进而导致模式预报的系统性降水的减弱和消失。回波断裂的原因:回波北段在移动的过程中不断发展,南段强度维持,下沉气流同时也切断了云团之间的水汽供应。(3)925hPa和850hPa水汽都来源于西太平洋,700hPa水汽来源于南海和孟加拉湾,干空气(550hPa)主要是沿着偏西路径。随着强降水的临近,850hPa和700hPa水汽输送明显加强。强降水发生时,700hPa层干侵入明显,850hPa和925hPa水汽输送平稳。强降水间隙时,700hPa干侵入减弱,850hPa和925hPa水汽输送减弱。大气可降水量最大值较强降水的发生提前2~3h。

关键词:暖区暴雨;ECMWF模式;误差分析;水汽输送

中图分类号 P458.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2017)18-0111-05

沈阳地处中高纬度地区,暴雨过程常受高、中、低纬度系统相互作用影响。夏季受西风带、副热带和热带环流的影响,极地冷空气频繁入侵,加上复杂地形和海洋动力、热力等因素的作用,使沈阳暴雨具有强度大、时间集中和局地性强等特征,暴雨极端值较大,预报难度大,往往带来巨大的经济损失[1-2]。辽宁属于农业大省,更有必要做好区域性暴雨分析,以利于农业气象服务保障。目前对暴雨预报的研究较多,陆忠艳等[2]从暴雨落区预报出发,利用实况观测资料和欧洲中心数值预报产品,探讨预报失误原因,结果表明,夏季暴雨预报不仅要考虑高层形势、副热带高压强度和位置大尺度环流形势的变化,也要考虑有利的大尺度环流背景下易产生的中小尺度天气系统,中尺度气旋的强度和移动路径是预报的关键因素。张文龙等[3]认为对流层低层的偏东风对局地暴雨的产生至关重要,特别是浅薄的偏东风。才奎志等[4]对辽宁黑山地区特大暴雨的中尺度对流条件和特征进行分析,结果表明此次强降水由中β尺度系统引起,短时大暴雨发生在能量舌边缘,地面偏东风和地形强迫抬升作用造成对流单体沿山脉东侧生成、发展和移动,最终导致持续对流性强降雨。郭虎等[5]对一次北京局地大暴雨的触发机制进行了研究,结果表明,强垂直风切变可使平均气流中的部分动能转化成扰动动能,从而产生重力波触发强降水。以上研究对暴雨进行了细致的分析与探讨,但对暴雨预报和分析仍需不断完善和总结,为了更好地研究沈阳本地暴雨特征,本研究基于ECMWF模式产品、常规(区域自动站)和非常规(雷达、卫星、GPS)观测资料,针对2013年8月16日(简称“8·16”)沈阳出现的暴雨,局地大暴雨的天气过程,探讨大尺度环流背景下,即沈阳南北的动力抬升和水汽输送差异并不明显的情况下,沈阳地区雨量分布差异的原因,同时探讨水汽输送特征,重点分析干、湿空气路径和大气可降水量特征。

1 暴雨过程概述

2013年8月16日沈阳市出现了暴雨,局地大暴雨的天气过程,全市7个国家气象观测站平均降雨量为54.1mm,最大降水量103.2mm,出现在法库(区站号:54245),达大暴雨量级。全市177个区域自动站,18站降水量大于100mm,74站降水量大于50mm,其中城区的棋盘山植物园降水量最大,为209.5mm。城区强降水时段为11:00—13:00时(最大雨强67mm/h)和15:00—16:00(最大雨強32.9mm/h),此次强降水给沈城造成了严重的城市内涝,且多条交通干道瘫痪。此次降水过程强度大且雨量分布严重不均,从过程累计降水量(图1b)上看,强降水主要集中在沈阳的东部和北部地区,而沈阳的西南部地区(辽中中南部)仅为小雨量级。

分析16日08:00环流背景场(图1a),500hPa为浅槽活动,850hPa切变辐合和急流特征明显,副高断裂为海上和大陆高压,水汽沿断裂带向沈阳上空输送,在这种大尺度的环流背景下,沈阳南北的动力抬升和水汽输送差异并不明显,是如何产生沈阳地区的差异降水?下面我们基于ECMWF模式产品、常规和非常规观测资料,探讨分析模式误差、降水性质及落区分布成因。

2 ECMWF模式产品的误差分析

2.1 模式环流场检验 检验ECMWF模式500hPa高度预报(图2a),贝湖附近存在低涡中心,中心强度为564dagpm,预报与实况相同,冷涡底部多浅槽波动,预报强度较实况略偏弱。副高分为海上和大陆高压,预报强度和范围略偏弱。检验850hPa风场预报(图2b),冷涡底部切变线位置和西南急流强度与实况基本相同。综合检验分析,ECMWF模式的环流场预报与实况基本相同,环流预报场可用。

2.2 降水量预报的稳定性 分析不同起报时次ECMWF模式24h累计降水量预报(图3),均预报出沈阳地区将出现暴雨天气过程。从降水分布上看,最新起报时次(15日20:00)与实况相似,都为东部和北部降水偏多,南部降水偏少。但就其极端性而言,模式并未有所体现,同时市区的特大暴雨模式漏报,且模式降水呈现向小调整趋势。

2.3 误差分析 分析逐3h850hPa风场和3小时累计降水量预报(图4a、4b),市区出现强降水的时间为17:00前后,17:00—20:003h累计降水量为27mm,雨带与切变线的位置对应较好,说明模式预报的降水出现在辐合抬升最明显的切变线附近,对应为系统性的锋面降水。对比市区实况雨强变化(图4c),城区出现强降水时段为11:00—13:00(最大雨强67mm/h)和15:00—16:00(最大雨强32.9mm/h),而模式预报的17:00—20:00的降水并未发生,既模式预报的城区强降水开始时间较实况晚了将近6h,且强度偏弱。图2中我们检验过ECMWF模式的环流场预报与实况基本相同,说明模式预报的降水量误差并不是由天气系统偏差造成的,那么降水偏差究竟是怎么产生的?我们首先来分析一下城区出现强降水的环境场特征,即16日11:00850hPa风场(图4d),城区出现强降水时,沈阳地区整体被西南暖湿气流所控制,最大风速为20m/s,切变线在内蒙古和吉林境内。从环境场上分析,城区强降水是在暖区的西南气流中产生,即为暖区暴雨,而不是模式预报的系统性的锋面降水,因此造成了模式预报降水时间和量级的偏差。下面我们通过雷达拼图来分析暖区暴雨的演变特征。endprint

图5给出了城区强降水开始前的雷达回波特征,06:30回波雨带对应冷切和暖切两部分,两条回波雨带结构完整,下文重点分析冷式切变线对应的回波雨带的变化特征。回波位于切变线南侧西南暖湿气流中,说明对流云团已脱离切变线的作用向暖湿区域移动,即云团在移动的过程中,自身的传播方向在不断加强。就目前来看,沈阳地区未来将出现一次强降水过程,但并不能分析出雨量分布严重不均的特征,这给临近预警带来一定的难度。07:30回波出现断裂,分为南北两端。08:30断裂带进一步增大,北段回波东移南压并加强,从移动方向上分析,北段回波的移动过程中高空引导气流分量和自身的传播分量相差不多。南段回波仅向南移动,说明其移动过程中自身的传播分量要大一些,南移过程中强度变化并不明显。09:30回波主要位于沈阳中北部地区。10:30市区开始产生强降水,从回波上看,并不是受北段回波主体的影响,而是市区不断有零散的对流云团被激发,并向东北方向移动发展,形成“列车效应”。孙继松[6]指出“列车效应”的传播环境需要一定的对流不稳定,也就是一般发生在低空暖区不稳定环境下,并大体沿着显著气流或低空急流方向传播(即假相当位温区的高值区向低值区传播)。但当对流不稳定发展到一定程度时,传播环境将消失。分析2013年8月16日各物理量參数值(表1),08:00对流不稳定增长,低空急流造成沿低空急流轴θse梯度增大,“列车效应”产生并传播;20:00锋面经过,列车效应的传播环境基本消失。

从雷达回波中分析得到,沈阳地区降水量分布不均,主要是回波在移动的过程中,出现断裂,北段回波影响沈阳的中北部地区,沈阳市区的强降水是在暖区环境中产生的“列车效应”造成的。那么回波在移动的过程中,为什么会出现断裂?切变系统到来时,为什么市区没有降水?图6a我们给出了暖区对流对锋面降水的影响示意图,锋面前部和对流云团后部有强烈的下沉下流,对流发展越旺盛,其后部的下沉气流越强。分析不同时刻的水汽图特征(图6b、6c和6d),05:00切变线附近及前部水汽供应充足,随着对流云团的加强发展,水汽图中切变线附近出现暗影区,表明水汽输送出现阻隔。11:00切变线附近已无水汽输送,同时西南气流中水汽输送分为东、西两部分。综合分析,强对流云团的不断发展,使其后部的下沉气流加强,切断了锋面附近的水汽供应,进而导致系统性降水的减弱和消失。同时回波北段在移动的过程中不断发展,南段强度维持,下沉气流同时也切断了云团之间的水汽供应,因此回波出现断裂。

3 水汽条件分析

此次降水之所以强度强、量级大,源于不断的水汽供应,且存在干冷空气的入侵,下面我们重点分析干、湿空气路径和大气可降水量特征。

3.1 干、湿空气路径分析 分析8月16日08:00探空曲线(图7a),850hPa以下为湿层,850~500hPa存在干侵入,为干湿混合层。在湿层中,比湿超过了15g/kg,08:00925hPa风速已达到20m/s,低空急流的建立为沈城输送暖湿空气。为进一步分析湿层水汽的源地,本文基于NOAA提供的全球1°×1°再分析资料,采用HYSPLIT模式,后向积分120h,对气块的轨迹进行模拟,每隔6h输出一次轨迹点的位置。图7b给出了925hPa、850hPa和700hPa气块的模拟轨迹,925hPa和850hPa水汽都来源于西太平洋,925hPa水汽是沿沿海向沈阳输送,850hPa水汽是经内陆向沈阳输出,因此在探空曲线湿层中越靠近地面,湿度越大。700hPa水汽来源于南海和孟加拉湾。由于干侵入最明显的位于600~500hPa(温度露点差为15℃),为分析干空气源地,模拟了550hPa气块的移动轨迹(图7c),550hPa干空气主要是沿着偏西路径,在河套附近堆积后输送到沈阳地区。

分析强降水前后中低层(700hPa、850hPa和925hPa)气块的移动路径,制作图8。对比16日08:00(图7b)和11:00(图8a)水汽路径变化,随着强降水的临近,925hPa水汽的移动路径基本未发生变化,即从西太平洋沿沿海源源不断的向沈阳地区输送。850hPa水汽的起始点11:00较08:00明显向东伸,这表明水汽输送的进一步加强。700hPa来源于南海和孟加拉湾的水汽也明显加强。分析气块的垂直路径,08:00700hPa气块开始是由高层(550hPa以上)逐渐向700hPa层输送,700hPa层湿区并不明显。11:00700hPa气块路径基本是围绕700hPa层震荡,因此其湿区要较08:00明显,从水平路径中也可看出。08:00850hPa气块围绕850hPa层震荡输送,11:00则完全由低层(900hPa以下)向其输送,表明其湿区的进一步加强。08:00和11:00,925hPa层输送前后变化不明显,即围绕925hPa层震荡。从上述分析得知,随着强降水的临近,700hPa和850hPa水汽输送明显增加,水汽由其本层或上层输送转变为由下层向其输送。

16日11:00—16:00,沈阳城区发生强降水,其中13:00—15:00,部分时间存在空歇。分析图8b至图8f,16日12:00(图8b),700hPa气块路径源于新疆,与500hPa气块路径(图7c)相似,表明700hPa层存在明显干侵入,在其垂直路径中也表现相应的特征,700hPa气块源于400hPa层,这为对流的产生提供动力条件。11:00—12:00,沈阳城区出现了小时最大雨强为67.1mm/h的短时强降水。13:00(图8c)和14:00(图8d),850hPa和925hPa在垂直方向上水汽输送路径发生了变化,14:00水汽源及路径较之前的层数高,表明水汽输送的减弱,实况中降水明显减弱,至出现了零星的小阵雨天气。15:00(图8e)和16:00(图8f)短时强降水再次爆发,从气块路径来看,925hPa水汽恢复低层输送,700hPa存在干侵入,有利短时强降水的再次发生。从上述分析得知,强降水发生时,700hPa层干侵入明显,850hPa和925hPa水汽输送平稳。强降水间隙时,700hPa干侵入减弱,850hPa和925hPa水汽输送减弱。endprint

3.2 大气可降水量 研究表明[7-9],夏季暴雨一般发生在大气可降水量从波谷到波峰的上升过程中,大气可降水量的持续性递增、递减预示着降水的开始与结束。分析沈阳站逐小时大气可降水量和小时雨强的时间序列图(图9),15日20:00—16日08:00,大气可降水量持续性递增,并在16日08:00达到最大,为65.6mm,这表明水汽的不断的积累,大气可降水量最大值较强降水的发生提前2~3h。强降水发生时,大气可降水量存在小幅波动。强降水过后,大气可将水量并未迅速下降,主要是这期间降水云团移动到辽宁的东北部地区,在沈阳上空形成一条自西南向东北方向输送的水汽通道。

4 结论

本文基于ECMWF模式产品、常规(区域自动站)和非常规(雷达、卫星、GPS)观测资料,針对2013年8月16日沈阳出现的暴雨,局地大暴雨的天气过程,探讨大尺度环流背景下,即沈阳南北的动力抬升和水汽输送差异并不明显的情况下,沈阳地区雨量分布差异的原因,同时探讨水汽输送特征,重点分析干、湿空气路径和大气可降水量特征,结果表明:

(1)沈阳地区雨量严重分布不均,主要是回波在移动的过程中出现断裂,北段回波影响沈阳的中北部地区,沈阳市区的强降水是在暖区环境中产生的“列车效应”造成的,而不是ECMWF模式预报的系统性的锋面降水。

(2)锋面降水未产生的原因:强对流云团的不断发展,使其后部的下沉气流加强,切断了锋面附近的水汽供应,进而导致模式预报的系统性降水的减弱和消失。回波断裂的原因:回波北段在移动的过程中不断发展,南段强度维持,下沉气流同时也切断了云团之间的水汽供应。

(3)分析水汽移动路径:925hPa和850hPa水汽都来源于西太平洋,700hPa水汽来源于南海和孟加拉湾,干空气(550hPa)主要是沿着偏西路径,在河套附近堆积后输送到沈阳地区。随着强降水的临近,850hPa和700hPa水汽输送明显加强,水汽由其本层或上层输送转变为由下层向其输送。强降水发生时,700hPa层干侵入明显,850hPa和925hPa水汽输送平稳。强降水间隙时,700hPa干侵入减弱,850hPa和925hPa水汽输送减弱。大气可降水量最大值较强降水的发生提前2~3h。

参考文献

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(责编:张宏民)endprint

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