李江波,主要从事短期天气预报、雾-霾研究.Email:
应用高空、地面等常规观测资料、NCEP/NCAR再分析资料、京津冀降水量资料,对2000—2013年河北省69次副热带高压(以下简称副高)外围降水个例进行了综合分析,结果表明:(1)69个副高外围降水个例雨量统计表明,暴雨和大暴雨发生频次自西北向东南明显增加,有三个区域较易出现暴雨和大暴雨:燕山南麓的唐山和秦皇岛、太行山东麓的邢台、河北平原东部的沧州和衡水。河北北部的坝上高原和保定西北部山区出现暴雨的概率较低。(2)按照副高型态,将69个副高外围暴雨过程分为三类,分别给出了每类的代表环流型和降水分布特征,并对这三种类型的环流背景场和物理量场进行了合成分析,给出了不同类型的环流特征和物理量特征。(3)统计了多个物理量及气象要素的平均值和极端值,统计结果可作为该类暴雨过程的量级、强度及极端性预报的重要参考指标。(4)在预报副高外围降水过程时,除了关注高空槽和副高的位置、强度、型态外,更要关注中低层及地面辐合系统。强降水多发生在584或586 dagpm等高线外围、低层700和850 hPa的低涡和切变线及地面倒槽或低压附近。
Composite analyses of 69 torrential rain cases along the outer boundary of West Pacific subtropical high (WPSH) are carried out, based on the upper-level and surface observations, NCEP/NCAR reana-lysis and the rainfall data of Beijing, Tianjin and Hebei Province. The results show that: (1) The frequency of torrential rain events increases obviously from the northwest to the southeast of Hebei Province, accompanied by three high-frequency areas, which are located in Qinhuangdao and Tangshan at the south foot of Yanshan Mountain, Xingtai at the east foot of Taihang Mountain and Cangzhou and Hengshui in Hebei Plain, respectively. There are two low-frequency areas, located in the mountains of the northwest of Baoding and the area in the north of Zhangjiakou and the north of Chengde respectively. (2) The 69 torrential rain cases can be divided into three groups according to the flow patterns of WPSH, which are called blocking, quasi-east-west banding and northeast-southwest banding WPSH, respectively. Some typical flow patterns at 500 hPa and the frequency of rainfall over 50 mm and 100 mm in each group are plotted by composite analysis, and spatial distributions of the elements including the atmospheric precipitable water vapor, CAPE, vertical velocity at 700 hPa, pseudo-equivalent potential temperature and K index etc. are given out. (3) Based on the statistics, the mean and extreme values of some physical quantities of the 69 torrential rain cases are counted, which can be considered as the important clues to forecast the amount and location of heavy rainfall, and to estimate the extremity of torrential rain in weather forecasting operation. (4) More attentions should be paid to the location and intensity of the middle/low-level convergence in addition to the location, intensity and flow pattern of WPSH and the upper trough in the operational forecasting of the torrential rain along the outer boundary of WPSH. Severe rainfalls are prone to occurr in the areas along the 584 or 586 dagpm line at 500 hPa, the shear or the center of the vortex at 700/850 hPa, as well as the inverted trough or the center of the surface low pressure.
华北盛夏期暴雨中,西太平洋副热带高压(以下简称副高)外围暴雨是最为常见的一类,这类暴雨一般由副高与西来冷空气(常伴有西风槽、低涡、切变线等)相互作用造成。据统计,在北京地区,这类暴雨占该地区大降水的46%(
每年7—9月,伴随着副高的北跳和南退,华北进入雨季,尤以“七下八上”突出,华北历史上著名的极端暴雨过程如“63·8”“75·8”“96·8”“12·7”均出现在7月下旬到8月上旬,发生在三带系统(西风带、副热带、热带)相互作用的大尺度环流背景下(
由于副高气团具有高温、高湿、高能特征,一旦有合适的抬升触发机制,便可产生较强降水,落区和强度具有明显的不均匀性(
由于三带系统相互作用的复杂性,导致副高的位置和强度存在不确定性,因此长期以来,副高外围降水落区和强度预报一直是暴雨预报中的难点。近些年,以欧洲气象中心为代表的数值天气预报已经取得了长足进步,准确率不断提高,然而在盛汛期,对副高强度和位置的预报仍有较大误差,从而导致副高外围雨带预报的失误。因此如何更好地应用和订正数值预报,是目前预报员面临的主要问题,而详细地总结和分析本地不同地形下、不同系统造成降水的规律和特征,可以合理地对数值预报进行订正。本文将对2000—2013年河北省(包括京津)69次副高外围暴雨过程进行分析,研究副高外围降水的特征和规律,建立天气概念模型,总结预报着眼点,以期更好地订正数值预报产品,提高副高外围暴雨预报准确率。
所用资料包括:(1)2000—2013年河北及京津178个气象观测站08时至次日08时降水量资料;(2)2000—2013年常规地面、高空观测资料;(3)2000—2013年NCAR/NCEP(1°×1°)再分析资料。
根据京津冀178站逐日08时至次日08时降水量,有5个站及以上出现暴雨(≥50 mm),记为一次暴雨过程,如果在暴雨日500 hPa天气图上,584 dagpm等高线位于36°N及以北,就认为该过程受副高影响,是一次副高外围降水过程。以此为标准,研究挑选了2000—2013年69次暴雨过程(表略)。
以588 dagpm等高线所围区域型态分为三类:块状副高、准东西带状副高、东北—西南向带状副高。在69个个例中,块状副高个例16个,准东西带状副高个例40个,东北—西南向带状副高个例13个(表略)。
本文69个副高外围暴雨个例根据当日08时至次日08时降水量选取,大部分个例的降水主要出现在当日午后到夜间,因此在做合成分析时,选取08时NCEP/NCAR(1°×1°)再分析资料对相关物理量场做平均。
从69个副高外围暴雨个例看,此类暴雨过程最早出现在7月1日,最晚发生在9月17日。24 h暴雨站数出现最多的过程是2011年7月29—30日,河北省有62个站点超过50 mm(河北省总站数142个);24 h大暴雨站数出现最多的过程是2012年7月21—22日,有22个站点超过100 mm,最大降水量达到364 mm,这也是2000—2013年河北省气象观测站24 h降水极值。
69个暴雨过程雨量统计
Spatial distribution of some statistical quantities from the 69 torrential rain cases
上文分析了69个副高外围暴雨过程的雨量统计特征:强降水高发区位于河北东部,呈东北—西南向带状分布(
69个副高外围暴雨过程环流背景场合成分析
Composite analysis of synoptic circulations of the 69 torrential rain cases
为了更加详细地分析副高外围降水特征及分布规律,结合预报实践依据副高型态将此类过程分成三种类型:块状副高类、东西向带状副高类、东北—西南向带状副高类,分别给出500 hPa代表性环流型及降水分布特征。
在69个副高外围暴雨个例中,此类暴雨有16例。该类暴雨大多发生在经向型环流背景下,暴雨开始前,副高呈块状,位于黄渤海(
16个块状副高类暴雨过程500 hPa典型环流型
Typical flow patterns at 500 hPa from 16 blocking WPSH cases
对于块状副高类的暴雨过程,雨量合成分析表明(
16个块状副高类暴雨过程≥50 mm(a)和≥100 mm(b)站次空间分布(单位:次)
Spatial distribution of frequencies of the rainfall over (a) 50 mm, (b) 100 mm from 16 blocking WPSH cases
在69个副高外围暴雨个例中,准东西向带状副高类暴雨所占比例最大,有40例。该类暴雨大多发生在纬向型环流背景下,500 hPa多短波槽活动,暴雨开始前,副高呈准东西带状分布,位于黄河以南的我国东部地区(
40个准东西带状副高类暴雨过程500 hPa典型环流型
Typical flow patterns at 500 hPa from 40 quasi-east-west banding WPSH cases
对于准东西向带状副高类的暴雨过程,雨量合成分析表明(
同
Same as
在69个副高外围暴雨个例中,此类暴雨所占比例最小,有13例。该类暴雨大多发生在经向型环流背景下,500 hPa为两高对峙型(
13个东北—西南向带状副高类暴雨过程500 hPa典型环流型
Typical flow patterns at 500 hPa from 13 northeast-southwest banding WPSH cases
对于东北—西南向带状副高类的暴雨过程,最易出现强降水的区域有两个(
同
Same as
以上给出了三类副高外围降水的500 hPa代表性环流型及相应降水分布规律。就块状副高类而言,最容易出现强降水的区域在北京、保定北部、承德南部一带;对于准东西带状副高类来说,最容易出现暴雨的区域位于河北东部的沧州;而东北—西南向带状副高类的强降水区域位于河北东北部的唐山、秦皇岛。
分别对三类副高外围暴雨的水汽场进行了合成分析,包括大气可降水量场、比湿场、露点温度场、水汽通量散度场。
三类副高外围暴雨大气可降水量合成分析(单位:kg·m-2)
Composite analysis of atmospheric precipitable water vapor (PWV) (unit: kg·m-2)
从高层200 hPa散度场看出,三类暴雨过程华北地区均为辐散场,散度值在0.4×10-5~1.2×10-5 s-1(图略),中心值位于河北中北部;在低层850 hPa,河北南部、东部及东北部为辐合区,散度值为-0.6×10-5~-0.2×10-5 s-1(图略),高层辐散低层辐合,产生强烈抽吸作用,有利于垂直上升速度维持,产生强降水天气。
同
Same as
涡度场合成分析:三类暴雨过程均表现为在东部、东北部的强降水区,涡度从低层到高层减少,从850和700 hPa的0.2×10-5~2.4×10-5 s-1,减小到500和200 hPa的-4.2×10-5~-1.6×10-5 s-1(图略)。
分析三类副高外围暴雨过程的假相当位温平均场,可以看出,从低层到高层在河北中南部有一高能舌存在,且高能舌从低层到高层自东南向西北倾斜。这种自低层到高层一致的高温高湿分布,给这一区域暴雨的发生提供了充足的能量条件。这点和强对流天气过程假相当位温的垂直分布有着明显的不同,即500 hPa低能区叠加在850 hPa高能区之上(
16个块状副高类暴雨过程合成分析
Spatial distributions of (a) pseudo-equivalent potential temperature (unit: K), (b) CAPE (unit: J·kg-1) and (c) K index (unit: ℃) from 16 blocking WPSH cases by composite analysis
从对流有效位能(CAPE)的合成分析看,三类副高外围暴雨过程的CAPE值都比较小,并且和暴雨高发区没有明显的对应关系,CAPE值在200~700 J·kg-1(
从K指数的合成分析看(
以上分别对三类副高外围的暴雨过程进行了合成分析,探讨了各种相关物理量空间分布状况与暴雨落区的关系。下文给出河北范围内副高外围69个暴雨过程相关物理量的平均值和极大值的统计情况(
副高外围降水过程物理量平均及极值统计(69个个例)
The mean and maximum values of some physical quantities of 69 torrential rain cases
物理量 | 平均值 | 极大值 |
700 hPa比湿/g·kg-1 | 7~9 | 11~13 |
850 hPa比湿/g·kg-1 | 9~13 | 13~18 |
大气可降水量/kg·m-2 | 40~56 | 64~82 |
850 hPa露点温度/℃ | 9~16 | 16~20 |
700 hPa露点温度/℃ | 2~6 | 8~12 |
850 hPa水汽通量散度/10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1 | -2~-1 | -4~-2 |
850 hPa假相当位温 | 330~346 K(57~73℃) | 344~366 K(71~93℃) |
K指数/℃ | 28~34 | 38~42 |
CAPE/J·kg-1 | 200~1400 | 2000~5000 |
200 hPa散度/10-5 s-1 | 0.6~1.2 | 6~13 |
850 hPa散度/10-5 s-1 | -0.2~0.6 | -12~-4 |
500 hPa涡度/10-5 s-1 | -0.4~0.4 | 7~13 |
700 hPa涡度/10-5 s-1 | 0.4~1.6 | 8~16 |
850 hPa涡度/10-5 s-1 | 1.2~2.4 | 6~21 |
700 hPa垂直速度/Pa·s-1 | -0.1~0.2 | -3.6~-0.8 |
850 hPa垂直速度/Pa·s-1 | -0.2~-0.05 | -0.8 |
地面露点温度/℃ | 20~24 | 26~29 |
应用NCEP/NCAR再分析资料、常规观测资料、京津冀降水量资料对2000年以后,69个西风带冷空气与副高外围暖湿气流相互作用的降水个例进行了综合分析,总结了这类天气的特征和降水分布规律,同时根据副高型态,将这类天气分成三种类型,对这三类天气的环流背景场和物理量场进行了合成分析,结果表明:
(1) 69个西风带冷空气与副高外围暖湿气流相互作用的降水个例雨量统计表明,暴雨和大暴雨发生频次自西北向东南明显增加,有三个区域较易出现暴雨和大暴雨:燕山南麓的唐山和秦皇岛、太行山东麓的邢台、河北平原东部的衡水、坝上及保定西北部山区出现暴雨的概率极低。
(2) 按照副高型态,将这类暴雨分为三类:块状副高类、准东西带状副高类、东北—西南向副高类,其降水分布特征有所不同:块状副高类最易出现强降水的区域有两个,一个位于中北部,即保定东北部、廊坊南部、北京西部、天津北部、承德南部、秦皇岛北部,另一个中心位于河北南部的邢台东部,该类最容易出现大范围较强暴雨到大暴雨过程;准东西向带状副高类的暴雨多发区位于河北东部、东北部(包括天津),呈东北—西南向带状分布,衡水、沧州南部地区最多;东北—西南向带状副高类最易出现强降水的区域有两个,一个位于东北部,即唐山东部、秦皇岛南部,另一个区域位于沧州东部。
(3) 分别对三类副高外围暴雨过程的环流背景场和物理量场进行了合成分析,统计了三类暴雨过程的相关物理量的平均值和极大值,可作为副高外围暴雨强度、量级及落区预报重要参考。
(4) 在预报西风带冷空气与副高相互作用的降水过程时,除了关注西风槽和副高的位置、强度、型态外,更要关注中低层及地面辐合系统,强降水一般发生在副高外围584~586 dagpm线之间或附近,低层700和850 hPa的低涡和切变线系统及地面倒槽和低压系统附近。
鉴于三带系统(西风带、副热带、热带)相互作用的复杂性,本文主要从天气尺度对河北省副高外围暴雨过程进行了初步分析和总结,这对于副高外围区域性暴雨的预报,具有一定的指导意义。同时,在应用数值预报产品做预报时,在不同数值模式大尺度环流背景场(如500 hPa高度场、海平面气压场)相似,但降水预报的落区和强度却差别较大的情况下,可以帮助预报员对模式产品做合理的取舍和订正。
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