QX气象Meteorological Monthly1000-0526气象编辑部中国北京qx-39-7-88310.7519/j.issn.1000-0526.2013.07.009P456灾害性天气预报技术论坛Articles中尺度天气图分析技术在2011年我国南方4次强降水过程中的应用Application of Mesoscale Synoptic Analysis Techniques in Four Heavy Rainfall Processes in South China in 2011许爱华XUAihua
The precipitation data from model is a significant forecast basis for the severe precipitation of more than 50 mm in 12 h, but sometimes the deviation can be 100-200 km in forecasting. Based on Mesoscale Synoptic Analysis Technics Regulation (provisional) and sounding data this paper tries to analyze the mesoscale weather chart of 4 severe rainfall processes in South China during the Meiyu season of 2011, getting the key point of forecasting the heavy rainfall near Meiyu front and presenting some evidences for estimating the precipitation regions. Convergence zones of southwest or southern jet under 700 hPa have strong power, moisture convergence and certain vertical wind shear. Surface pressure trough lower than the minimum of 3 h daily variation is prone to form convergence flow field of isallobaric wind. And it is also the heavy rainfall areas (center). In most circumstances, the front can be regarded as southern boundary of the heavy rainfall, but when the 925 hPa warm shear is in (or near) the south of surface front, heavy rainfall occurs in the warm sector ahead of fronts. And, southwest jet above 10 m·s-1 which reaches the latitude areas can act as the southern boundary. More than 18 m·s-1 southwest jet in front of trough at 500 hPa can act as the northern boundary of the heavy rainfall area. When the position of 925 hPa shear line overlaps the southwest jet or in the north of it, the 700 hPa shear line can be regarded as the northern boundary. Comparing these criterions with the output of Japanese model, it is found that the results can rectify the southern and northern boundaries of strong rainfall belt as well as rainfall center. Therefore, mesoscale Synoptic Analysis Technics and its forecasting ideas is an effective means for the revised model of heavy rain location forecasting.
中尺度天气是指水平尺度几十千米至几百千米,时间尺度几小时到几十小时的天气现象(寿绍文,2003),按其性质分为中尺度对流性天气和中尺度稳定性天气。中尺度对流性天气包括雷暴、短历时强降雨、冰雹、雷暴大风、龙卷以及下击暴流等(陆汉城,2000)。熊秋芬等(2009)给出了美国空军全球天气预报中心(AFGWC)环境应用部(EAB)的前首席科学家Miller先生的强天气定义,包括龙卷、冰雹、雷暴大风,12 h 2 inch(50.8 mm)以上强降水。可见12 h 50 mm以上的短历时暴雨可以作为中尺度对流性天气或强天气进行研究。中尺度对流性天气或强天气都是在一定的大尺度环流背景中,由各种物理条件相互作用形成的中尺度天气系统造成的。因此,在业务预报过程中分析中尺度天气系统生成发展的环境条件,判断中尺度对流天气系统发生发展的潜势至关重要。20世纪70年代, 美国强风暴中心(SPC)和美国空军全球天气中心(AFGWC)发展了强天气分析技术和规范、技术培训手册(Crisp, 1979; Miller, 1972),对各种强天气建立了相应的“概念模型”(熊秋芬等,2009),强天气分析技术一直应用到现在。近年来,张小玲等(2010)详细介绍了在国家气象中心强对流业务预报中应用的中尺度天气的天气图分析技术(以下简称中尺度天气图分析技术)。中尺度天气图分析的核心思想是通过从地面到高空的天气系统的配置分析中尺度天气系统发生发展的最有利的环境条件,包括水平方向和垂直方向的动力和热力不稳定、湿度等。并列举了利用中尺度分析技术较好地预报了强对流天气潜势的例子。陶诗言等(2008)在研究MJO与我国南方夏季流域性致洪暴雨关系的基础上提出了致洪暴雨中短期预报思路。倪允琪等(2005)提出了我国长江中下游梅雨锋暴雨的多尺度物理模型和天气学模型;张小玲等(2004)概括了梅雨锋上三类暴雨,一类是梅雨锋上的β中尺度的对流性暴雨,二类是梅雨锋东部的初生气旋暴雨,三类是梅雨锋西端深厚高空低槽前部的持续性暴雨,其中第一类是数值预报误差最大的;李娟等(2008)用卫星资料直接同化到暴雨过程的试验,10天以上连续同化可以改善预报结果。张家国等(2011)给出了湖北省暴雨的雷达回波模型。尹东屏等(2010)、尹洁等(2011)、周宏伟等(2011)、伍志方等(2011)、苗爱梅等(2011)、桂海林等(2010)、姚晨等(2010)和俞小鼎(2012)利用各种高空、地面观测资料、再分析资料雷达和卫星等遥感探测资料以及数值预报产品等资料,深入分析了我国近年一些强暴雨过程的对流天气的中尺度对流系统及其发生发展的环境场条件和物理量条件以及暴雨形成机理,增强了中尺度对流系统发展规律的认识,有助于提高暴雨预报能力。
中尺度天气图分析技术在短历时暴雨预报中如何应用?本文针对2011年6月3—20日我国南方4次大范围的暴雨过程中最强降水时段,基于实况探空资料,采用中尺度天气图分析技术,分析有利于暴雨中尺度系统发生发展的环境场条件,探讨12 h 50 mm以上强降水落区和强度预报的一些着眼点,寻找能订正数值预报模式输出的强降水落区预报有效办法,为提高短历时强降水的预报水平提供帮助。
The synoptic situation of the four severe rainfall events in 3-20 June 2011
过程时段/日.时
过程雨量≥100 mm站数
过程雨量≥200 mm站数
过程最大降水/日最大降水量/mm及站名
最强12 h降雨时段: 100 mm以上站数/最大降水量/mm
4.08—7.08
65
14
290/184江西余江
4.20—5.08: 7/169
9.08—12.08
41
5
272/281湖北通城
9.20—10.08: 7/256
13.08—16.08
87
24
380/264江西鄱阳
14.20—15.08: 19/232
17.08—20.08
110
3
276/205浙江衢县
18.08—18.20: 12/166
本文选取了表 1中4个12 h大范围50 mm以上强降水时段(也是严重致灾的时段)来进行中尺度天气图分析,并重点通过中尺度天气图分析方法对4次降水过程中12 h 50 mm以上强降水落区与天气系统关系进行讨论。从天气系统及物理量配置找出一些产生短时强降水典型条件。
中尺度天气图分析技术在4次强降水过程中的应用
倪允琪等(2005)提出了基于多种实时观测资料的梅雨锋暴雨的多尺度物理模型,建立了梅雨锋暴雨的天气学模型。张小玲等(2004)、尹洁等(2011)、周宏伟等(2011)等对我国梅雨锋暴雨多尺度天气系统相互作用给出了较详细分析。但是在稳定的长江流域梅雨形势下,梅雨锋暴雨特别是12 h 50 mm以上强降水具体发生在天气系统的什么部位?用什么手段能找准强降水发生的落区,还是需要预报员不断总结和提炼。这里我们尝试在分析行星尺度环流背景基础上,通过中尺度天气图分析方法分析天气尺度环境场对产生暴雨的作用,提高暴雨预报的水平。
图 2~图 6是采用中尺度天气图分析技术得到的4日20时、9日20时、14日20时和18日08时综合图,图中阴影区和深阴影区分别是12 h雨量50~99.9和100 mm以上暴雨到大暴雨落区(以下统称强降水落区)。图中显示,4日20时至5日08时、9日20时至10日08时、14日20时至15日08时及18日08—20时4个强降水时段中过程的影响系统有短波槽、切变线、低空急流、低涡和地面辐合线(锋面),但是从天气系统配置上还是有一定差别或特殊性。以下通过中尺度天气图分析方法对4次降水过程中12 h 50 mm以上强降水落区与天气系统关系进行讨论。
2011年6月4日20时天气系统配置图
Synoptic situation at 20:00 BT 4 June 2011
-1),绿色虚线为850 hPa为等比湿线(单位:g·kg-1),蓝色折线为200 hPa分流辐散区,阴影区和深阴影区分别是12 h雨量50~99.9和100 mm以上暴雨到大暴雨落区]
]]>-1); single line: 500 hPa trough line (brown); dotted line: specific humidity at 850 hPa (green, unit: g·kg-1); polyline: 200 hPa divergence area (blue); shaded area: precipitation of 50-99.9 mm in 12 h; shaded dark area: precipitation over 100 mm in 12 h]
]]>
2011年6月9日20时天气系统配置图
Synoptic situation at 20:00 BT 9 June 2011
-1),绿色虚线为850 hPa等比湿线,蓝色折线:200 hPa分流区, 黑色虚线为3 h负变压中心,阴影区和深阴影区分别是12 h雨量50~99.9和100 mm以上暴雨到大暴雨落区]
]]>-1); single line: 500 hPa trough line (brown); dotted line: specific humidity at 850 hPa (green), katallobaric center (black); polyline: 200 hPa diversion area (blue); shaded area: precipitation of 50-99.9 mm in 12 hours; shaded dark area: precipitation over 100 mm in 12 hour]
]]>
2011年6月9日20时武汉探空图(a)和6月10日08时南昌探空图
Radiosonde profiles at (a) 20:00 BT 9 June 2011 in Wuhan and (b) 08:00 BT 10 June 2011 in Nanchang
2011年6月14日20时天气系统配置图
Synoptic situation at 20:00 BT 14 June 2011
-1),绿色虚线为850 hPa等比湿线,蓝色折线:200 hPa分流区, 黑色虚线为3 h负变压中心,阴影区和深阴影区分别是12 h雨量50~99.9和100 mm以上暴雨到大暴雨落区]
]]>-1) single line: 500 hPa trough line (brown); dotted line: specific humidity at 850 hPa (green), katallobaric center (black); polyline: 200 hPa diversion area (blue); shaded area: precipitation of 50-99.9 mm in 12 h; shaded dark area: precipitation over 100 mm in 12 h]
]]>
2011年6月18日08时天气系统配置图
Synoptic situation at 08:00 BT 18 June 2011
-1),绿色虚线为850 hPa等比湿线,蓝色折线:200 hPa分流区, 黑色虚线为3 h负变压中心,阴影区和深阴影区分别是12 h雨量50~99.9和100 mm以上暴雨到大暴雨落区]
]]>-1); single line: 500 hPa trough line (brown); dotted line: specific humidity in 850 hPa (green), katallobaric center (black); polyline: 200 hPa diversion area (blue); shaded area: precipitation of 50-99.9 mm in 12 h; shaded dark area: precipitation over 100 mm in 12 h]
]]>6月4日20时至5日08时短时强降水时段的中尺度天气图分析
采用中尺度天气分析方法对2011年6月4日20时、6日20时、9日20时、14日20时、18日08时和20时6个时间的实况探空进行分析,依据上述强降水预报着眼点,做出未来12 h 50 mm以上强降水的范围估计(落区预报),得到图 7。图 7中的实线所包围的区域是12 h 50 mm以上降水落区预报,虚线是100 mm以上降水中心可能发生区域,图 7中的数值是日本降水格点预报值。从图 7可以看到,与降水实况(图 7中的阴影区)比较,实况12 h 50 mm以上基本上落在采用中尺度分析得到的预报范围里,但预报范围比实况大,预报区域的北界多比实况偏北;可能发生100 mm以上的强降水中心预报与实况降水中心相近。由此可见,依据中尺度分析判断强降水中心位置是有较好的预报参考作用。
2011年6月12 h 50 mm以上降水实况(阴影)和根据中尺度天气图分析判断的12 h 50 mm以上落区(实线)以及日本模式输出降水预报(数值)
Observed precipitation of more than 50 mm in 12 hours (shadings) and the estimated precipitation of more than 50 mm in 12 hours by Mesoscale Synoptic Analysis Technics (solid line), and the precipitation area of the Japanese model forecasting (number)
(虚线是地面08时或20时3 h负变压区域,实心圆点是实况强降水中心)
]]>(dotted line: katallobaric area of 3 h at 20:00 BT, solid dot: heavy rainfall center)
]]>
预报实践表明,日本降水模式对中纬度大范围的降水有较好的预报能力,其输出的降水预报是业务预报的重要信息之一,但夏季降水强度系统误差常常是实况雨量的2~3倍,位置偏离误差不确定。图 7中的日本降水预报与实况相比,强降水区的预报位置普遍比实况偏北, 图 7b~7d偏北误差达100~200 km,尤其是图 7c和7d最大降水区落在依据中尺度分析得到的12 h 50 mm线北界以北。欧洲细网格降水预报对这两个时段的预报也有相似的偏北的误差(图略)。由此可见,中尺度分析得到的12 h 50 mm的北界线(下称“北界线”)可以用于修正模式输出的强降水区预报的位置,当模式输出强降水带位置出现在北界线以北时,需要订正到北界线以南。当中层急流位于925 hPa切变北侧时,500 hPa低槽前的中层急流可以作为12 h 50 mm线北界线,当中层急流位和925 hPa切变重合或在其南侧时,以700 hPa切变线为北边界。依据中尺度分析得到的12 h 50 mm线南界和东、西界没有明显优于数值预报。
为了验证这些预报着眼点是否有一定的普适性。我们从2010年6月17—21日,运用这些预报着眼点能够较好地分析出12 h 50 mm以上强降水区的位置。以19日08—20时强降水为例,19日08时700 hPa急流汇合区东西跨度大,所以强降水区东西范围也大,尤其是在江西东部19日08时至20日08时出现特大暴雨。图 8中的日本降水格点大值中心位于湖南境内,江西东部最大降水39 mm, 而用中尺度天气图分析方法得到的综合图上,可以分析出低空急流在江西东部到福建西北部交汇,且300~200 hPa在这一地区为显著的分流式辐散区(图略),图 8中的实心圆点为国家气象站12 h 150 mm以上强降水中心,江西东部到福建西北达到200 mm以上,强降水中心多数落在了08时Δp3≤0.5 hPa小变压区内(图 8中的黑色虚线)。从江西逐时雨量分析得知,江西特大暴雨在19日10时开始迅速加大的,中尺度天气图分析可在10时以前完成。因此,中尺度天气图分析对强降水的短时和临近预报有重要意义。
2011年6月19日12 h 50 mm以上降水实况(阴影)和基于中尺度天气图分析判断的12 h 50 mm以上落区(线条)以及日本模式输出降水预报(数值)
Observed precipitation of more than 50 mm in 12 h (shadings) and the estimated precipition of more than 50 mm in 12 h by Mesoscale Synoptic Analysis Technics (solid line), and the precipitation area of the Japanese model forecasting (number) 19 June 2011
p3≤0.5 hPa变压区域,实心圆点是实况强降水中心)
]]>p3≤0.5 katallobaric area of 3 h at 08:00 BT, solid dot: heavy rainfall center)
]]>结论与讨论
从上述分析来看,基于实况探空的中尺度天气分析技术(思想)对于我国夏季梅雨锋上大范围降水过程中12 h 50 mm以上短时强降水发生条件和落区分析是一个有效的方法,有时可用于修正模式对强降水落区预报的误差,特别是对强雨带北界的订正。
梅雨期间,在长江中下游到江南中北部地区,12 h 50 mm以上的强降水产生的条件:地面低压倒槽和静止锋,中低层32°~28°N有切变线和低压环流,925~700 hPa 25°~32°N西南到偏南急流(其中925~700 hPa急流核大于10、14和16 m·s-1)。对短时强降水落区分析判断主要有以下几个着眼点:
Crisp M C A. 1979.Training guide for severe weather forecasters.AFGWC/TN-79/002.United States Air Force, Air Weather Service (MAC), Air Force Global Weather Central.
Miller R C.1972.Notes on ananlysis and severe-storm forecasting procedures of the Air Force Global Weather Central, Technical Report 200 (Rev). United States Air Force, Air Weather Service (MAC).