基于暴雨动力因子的2011年9月秋淋天气预报检验分析

摘要

对2011年9月陕西历史罕见的强秋淋天气中的暴雨天气过程中暴雨动力因子的预报情况进行了检验分析，发现暴雨动力因子预报场有较好的表现，对系统的出现时间、位置和移动趋势均有较准确的预报；对流涡度矢量阈值能达20×10-8K/（Pa·s），湿热力平流阈值可达25×10-13K2/（m2·s），质量散度的阈值达10×10-6 s-1。对不同的过程，动力因子的预报能力是不同的；对于区域性的暴雨和大暴雨过程，该系统的预报效果好；动力因子的移动趋势和强度变化表现较好，能反映出系统的生成和演变。集合动力因子综合热力、动力、水汽等物理量，能给出更多的预报信息，合理利用多种因子对天气过程进行综合分析，能协助预报员进行科学决策。

关键词 秋淋；暴雨动力因子；对流涡度矢量；湿热力平流；质量散度

中图分类号 S161.6；P458.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）26-09069-04

华西秋雨，在陕西省也被称为“秋淋”，是指在8月中旬以后，西太平洋副热带高压南退时，在长江以南驻留期间，其西部边缘携带大量暖湿气流，与北部持续不断分裂南下的冷空气在陕西中南部上空汇合，形成持续时间长、强度大的连阴雨过程。2011年9月，陕西出现了强秋淋天气，降水从3日持续到20日，历时18 d。其中9月3～8、9～14和16～18日陕西连续3次出现区域性暴雨天气过程，持续时间长、暴雨站数多，历史罕见，关中大部、陕南大部出现暴雨和大暴雨天气。全省平均降水量创1961年以来同期最多，是常年同期的3.7倍。山体滑坡和塌方灾害不断出现，渭河、汉江流域出现严重汛情，公路被洪水冲毁，数十万人被紧急撤离，秋粮作物大面积减产，因灾死亡58人，直接经济损失80多亿元。

集合动力因子暴雨预报技术作为暴雨预报技术的重要补充，已经展开了一些研究。它是分解技术与组合技术在暴雨分析与预报中应用的成果，由中科院大气物理研究所高守亭教授团队开发，在北京、贵州、吉林等省份已投入业务使用，有较好的预报效果^[1-5]。陕西于2010年投入业务使用，经初步检验对陕西汛期暴雨预报效果良好^[6-7]。冉令坤等研究指出对流涡度矢量垂直分量、湿热力平流参数和波作用密度等动力因子对降水的量级和范围有一定的指示意义，其动态演变可以作为一个预示强降水系统发展演变的指标^[1]；赵宇等对华北地区一次大范围的大到暴雨天气过程进行诊断研究，得出对流涡度矢量的垂直分量与云和降水密切相关^[2]。笔者对2011年9月陕西强秋淋天气中的暴雨天气过程中暴雨动力因子的预报结果进行检验分析，重点分析各因子大值区与暴雨落区的对应关系，总结秋季连阴雨暴雨动力因子阈值，检验系统中动力因子的预报效果，为陕西暴雨预报提供参考。

1 降水天气背景

2011年9月秋淋天气发生期间，巴尔喀什湖到新疆维持一个完整强盛阻塞高压，其前部不断有冷空气东移南压，在青藏高原上不断有高原槽生成并东移，再加上西太平洋副热带高压在四川、湖北一带稳定少动，其西侧西南暖湿气流持续，这样造成冷暖空气在陕西中南部上空交汇，形成有利于连阴雨天气形成的环流背景。后期大气环流形势调整，阻塞高压被破坏，西南暖湿气流减弱，连阴雨基本结束。

2 暴雨动力因子预报检验分析

2.1 暴雨动力因子的选取及其公式

暴雨动力因子能够准确地描述暴雨过程中某些动力场、热力场和水汽场的典型结构特征，暴雨动力因子的发展、移动与降水系统的发展和移动存在较好的对应关系，综合分析各动力因子可以预报未来暴雨的强度和落区以及降水系统的发展和移动方向。通过陕西省2010年汛期以来的业务应用，发现非均匀饱和湿热力平流参数、对流涡度矢量、质量散度等因子与强降水落区和强度有较好的对应关系，在此选取以上3个动力因子进行分析。

2.1.1

非均匀饱和湿热力平流参数（summtp）。

非均匀饱和湿热力平流参数是三维位温平流的水平梯度与广义位温水平梯度的标量积，简称为湿热力平流。积分形式可写为：summtp=-

∫500hPa850hPaρ|h（-v·θ）·hθ*|dp，其中，ρ为湿空气密度（kg/m3），v为速度矢量（m/s），θ、θ*分别为位温（K）和广义位温（K）。summtp为湿热力平流参数，单位是K2/（m2·s），它是与位温的水平梯度、比湿、饱和比湿及自由对流高度层的温度有关的表征锋面附近不连续物质面的项，能表现锋区的热力及水汽分布特征。这项用广义湿位温梯度与干冷平流梯度相结合的湿热力平流参数预报新技术，能够较好地解决西风槽暴雨的落区预报问题。

2.1.2

对流涡度矢量的垂直积分（sumcvz）。高守亭等将位涡定义广义化，即把位势涡度定义中涡度矢量和位温梯度的点乘改为叉乘得到了一个新的物理量，称为对流涡度矢量（CVZ）^[8-9]。这里的CVZ是涡度矢量与广义位温梯度的矢量积的垂直分量。可用公式CVZ=ζv×θe表示，积分形式为：sumcvz=-

2.2 暴雨动力因子检验

2.2.1

2011年9月3～8日强降水过程。9月3～8日是此次秋淋天气的第1个降水时段。关中大部降水量在100.0 mm以上，最大为宝鸡162.9 mm；陕南西部降水量60～80 mm、中东部普遍大于100.0 mm，最大为镇巴162.5 mm；全省79县区大于50.0 mm，其中有37县区大于100.0 mm，降水主要集中在关中中西部和陕南中东部。其中，9月5日降水最强，关中大部和陕南东部局地出现暴雨，关中有33县区出现暴雨，眉县100.8 mm，陕南出现2县区暴雨；9月6日，陕南有8县区出现暴雨，含2站大暴雨（紫阳127.2 mm、镇巴114.3 mm）。

9月5日11：00～14：00，陕北南部、关中大部出现降水，宝鸡中部3 h降水量>20 mm（图1a），在对流涡度矢量场上（图1b₁），大值区位于陕北南部和关中一带，与降水场的位置是一致的，在咸阳北部出现了18×10-8 K/（Pa·s）的极大值，在宝鸡西部有极值为15×10-8 K/（Pa·s）的大值中心，较强降水中心的位置偏西，对流涡度矢量的大值区与强降水位置对应是比较一致的；在湿热力平流场上（图1b₂），中心最大值为25×10-13 K2/（m2·s），位于咸阳北部，大于10×10-13 K2/（m2·s）的区域在陕北南部和关中，与雨带位置一致；质量散度场上（图1b₃），大值中心位于宝鸡东北部，较前2个动力因子偏西，与实况更为接近，中心最大值达10×10-6 s-1。

5日14：00～17：00，全省的雨带位置较前3 h略向南移动，位于陕北南部和关中，降雨强度有所减弱，3 h累计最大降水量在20 mm以下，大于10 mm的雨带位于关中中西部地区；对应17：00动力因子预报场上，对流涡度矢量场也表现出向南移动和减弱的趋势，大于18×10-8 K/（Pa·s）的极大值中心向东移动至渭南，大于12×10-8 K/（Pa·s）的区域位于关中中西部大部地区；湿热力平流场上，系统在向南移动，同时中心强度减弱，大于10×10-13 K2/（m2·s）的区域覆盖关中大部，与实况场较一致；质量散度也表现为强度减弱和系统南压的特征。9月6日08：00～11：00（图2），降水出现在陕北南部、关中南部和陕南，强降水区位于汉中东南部和安康西南部，较前一时段向东移动；在动力因子预报场上，物理量也表现出了东移的趋势，对流涡度矢量大值区位于陕南西南部至关中东部一带，中心极值为18×10-8 K/（Pa·s），降水区域较实况偏北偏西；湿热力平流场上，中心极大值为15×10-13 K2/（m2·s），较前一时次强度有所减弱，但范围扩大，与实况更为接近，位于关中南部至陕南南部一带，较实况偏北；质量散度场也向东移，除陕南西部外，在陕南中部出现一个中心强度为8×10-6s-1的新的大值区。6日11：00～14：00，强降水在继续发展，强雨带向东移动，移至安康南部，雨带范围与上一时段相同；在动力因子预报场上，动力因子继续向正东移动，对流涡度矢量大值区移至商洛地区，中心极大值为18×10-8 K/（Pa·s）；湿热力平流场上位置相似，中心极大值为15×10-13 K2/（m2·s），质量散度大值区维持在陇南-陕南西部一带，该时段动力因子预报场延续上一时段的特点，较实况偏北，从向东移动的趋势看，较实况偏快。

2.2.3

2011年9月16～19日强降水。 9月16～19日，全省大部出现降水，该时段为此次秋淋天气的第3个降水时段，陕北北部普遍小雨10 mm，陕北南部降水量20.4～78.4 mm，最大黄陵；关中大部在50 mm以上，最大周至156.9 mm；陕南中部普遍大于100 m，最大镇巴（250.4 mm）。全省75县区降水量大于50 mm，其中26县区降水量大于100 mm，主要位于关中南部和陕南中部。

9月18日02：00～05：00（图4），除陕北北部外，全省均出现降水，强降水带位于陕南南部，镇巴3 h降水量为24.5 mm。从18日08：00 24 h降水量可以看出，在这一时段内，四川北部的降水强度大，在东北部有7站降水>100 mm，最大276 mm，这一时段的动力因子预报，强度也明显强于前2次过程；对流涡度矢量在陕南西南-四川北部出现了45×10-8 K/（Pa·s）的极大值中心，大于10×10-8 K/（Pa·s）的区域与降水带位置对应较好，极大值中心与强降水落区位置对应准确，但强度偏大；在湿热力平流场上，在安康南部出现了大于20×10-13 K2/（m2·s）的极大值，中心最大值为25×10-13 K2/（m2·s），位置较强降水中心偏东；在质量散度场上，大值中心落区与实况较接近，中心最大值达20×10-6s-1，这个时次预报场的值明显偏大，为前2次强降水的2倍。说明暴雨动力因子对于降雨强度很敏感。

18日05：00～08：00，降水持续，在关中南部和陕南西部大部地区出现了大于10 mm的降水，强降水出现在宁强，3 h降水量为21.5 mm；动力因子预报场上，对流涡度矢量极大值为36×10-8 K/（Pa·s），较上一时次减弱，但强度仍较强，系统位置维持不变，大值区与强降水位置对应较准确；湿热力平流的强度也表现出减弱的趋势，极大值达15×10-13 K2/（m2·s），分别位于汉中西部、西安东部和陕南东部；质量散度降至16×10-6s-1，大值区位置与实况接近。

18日08：00～11：00，降水仍发生在陕北南部、关中和陕南，宁强和镇巴3 h降水量分别为24.7、22.6 mm，强降水仍在陕南南部维持；对流涡度矢量场上，在陕南仍维持18×10-8 K/（Pa·s）的大值区，在商洛以东有新的大值系统生成；湿热力平流场上，大值中心位于关中、陕南西部，达15×10-13 K2/（m2·s）以上；质量散度场强中心位置不变，位于陕南西南-四川东北部一带，该时次暴雨动力因子预报场基本与实况一致。

3 结论

从暴雨落区、强度和时段对比分析了2011年9月陕西强秋淋天气中几个强暴雨时段与该强暴雨时段相对应的暴雨动力因子预报情况进行了检验分析，通过对比分析得出以下结论。

（1）对不同的过程，动力因子的预报能力是不同的。对于范围较大的持续性的短时强降水，如区域性的暴雨和大暴雨过程，该系统的预报效果好。动力因子的移动趋势和强度变化表现较好，能反映出系统的生成和演变。动力因子比较适合预报有组织的系统性比较强的降水系统。

（2）对此次强秋淋天气中的暴雨，暴雨动力因子预报场有较好的表现。对系统的出现时间、位置和移动趋势均有较准确的预报，此次过程中出现的暴雨与盛夏暴雨的特点有所不同，对于这种秋季连阴雨中的暴雨，没有出现某些时次的降水特别强，而是24 h内均匀连续的降水造成降水量超过50 mm。短时强降水的出现较盛夏暴雨来说，强度弱、范围小、

出现频次少，对此，与盛夏暴雨相比，暴雨动力因子强度明显较弱，对流涡度矢量极大值能达20×10-8 K/（Pa·s），湿热力平流可达25×10-13 K2/（m2·s），质量散度的阈值达10×10-6s-1。从雨带的范围来讲，暴雨动力因子的范围大小，与实况的一致性较高，动力因子的大值区对应的是降水落区，但从中心强度的位置来讲，准确性不稳定。对于较强的暴雨系统，预报相对较准，对于随机性大、持续时间短的系统，则准确性较差，误差较大时可达2～3个经距。

（3） 集合动力因子综合热力、动力、水汽等物理量，能给出更多的预报信息，合理利用多种因子对天气过程进行综合分析，能协助预报员进行科学决策。另外，对于某些过程的预报，准确性不是很高，报出了系统的存在，但位置的准确性较差，其中的原因还有待进一步的研究。

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