引言

迄今为止, 梅汛期(本文指5—6月)大暴雨的落区和定量预报在技术上仍存在较大的难度, 漏报和空报率较高。在1980年代之前, 老一辈预报专家曾对大暴雨发生前24~36小时天气形势和物理场特征通过统计分析建立天气分型及预报指标等做了大量的研究工作, 但实际应用效果并不理想。

近十多年来, 随着数值预报技术的迅速进展, 气象台站可通过数值预报产品的释用, 采用PP法的思路, 直接利用预报时刻的天气形势场和物理量场来分析大暴雨发生条件, 使暴雨预报准确率有了明显提高。另外, 近几年来Q矢量理论在强对流和暴雨天气的诊断分析中得到广泛应用, 给台站暴雨预报提供了新的诊断分析方法。

根据上述思路, 我们利用NCEP再分析资料, 计算了浙江南部1960—2002年5—6月发生的17次大暴雨过程的有关要素场, 包括大暴雨发生当天4个时次、1000~300hPa五层的东亚天气形势场, 流场、θ_se、涡度、(T-T_d)、ω以及Q矢量等6种物理量场。通过这些资料图表的研究分析, 给出浙南大暴雨发生时的天气形势分型、物理量场, 特别是Q矢量场的特征指标, 作为日常暴雨预报分析的依据。

采用以上分析成果指导2005年5—6月浙南大暴雨预报已经取得了较满意的效果。

1 浙南大暴雨个例的选取

根据1960—2002年降水历史资料查询, 以温州8个站点资料为主, 结合丽水、台州地区的资料来选取大暴雨个例。个例入选的具体条件是：

(1) 温州地区至少1个站点出现日降水量在100mm以上的过程(其中5月份定为90mm)。

(2) 同时, 温州、台州、丽水三地区至少有3个站点出现日降水量在50mm以上的降水过程。

(3) 5—6月早期台风直接在浙中南沿海登陆的个例除外, 但台风倒槽的大暴雨仍包括在内。

按照上述条件共选取了17个大暴雨过程作为预报个例进行编号。具体资料见表 1。

2 浙南梅汛期大暴雨天气形势的主要特征

1980年代, 浙江省老一辈预报员通过多年预报经验总结, 曾将浙江省梅汛期暴雨发生前的24~48小时天气形势分成4个型, 即低槽型、冷锋切变型、暖锋切变型和低涡切变型^[1]。但实践证明, 对于大暴雨这样复杂的天气过程采用前24~48小时实况资料分析客观上较困难。

根据现代天气预报“PP法”, 从大暴雨发生时刻的天气形势分析入手, 在实际预报中采用数值预报对应时刻的预报信息, 这样就可以在24~48小时之前做出预报。

根据这一思路, 通过浙南大暴雨发生时刻的天气形势研究分析, 然后据此进行天气分型。

由于大暴雨过程发生机制非常复杂, 每一次大暴雨都是多种因素、多个天气系统共同作用的结果, 严格来说每一次过程都有其个性特征。因此, 采取的办法是先分析其共性, 然后在共性的前提下, 再按主要共同特征分类。鉴于所选取的个例有限, 这种分类还只能是初步的。

2.1 浙南大暴雨的基本特征 2.1.1 冷温度槽的配合

浙南沿海中低层都有一个冷温度槽, 冷温度槽在850hPa更为显著。多数个例, 冷温度槽是和日本海(指我国东北—日本地区, 下同)的冷低压发展有关, 而少数是由于华北槽发展引导冷空气扩散南下形成的。但是, 对于热带低压或台风倒槽的大暴雨, 则没有明显的冷温度槽。

2.1.2 中低空急流

850~500hPa, 从华西到浙南都有一支S—SW的低空急流或者从广东、台湾海峡到浙南的S—SE风急流, 这种急流在大暴雨发生时段存在, 起到水汽、能量的输送作用, 同时, 又是大暴雨产生的必要的动力条件^[2]。

2.1.3 (T-T_d)湿区

大暴雨发生前, 850~700hPa从浙南沿海到江西广东一带都有一个(T-T_d)≤4℃的湿区, 该湿区在大暴雨发生之前已经形成。

2.1.4 天气系统

在华东南部有低槽、低涡、切变线(以下简称切变)等以某种形式的组合, 形成有利于中低层辐合上升发展的形势场。

2.2 天气形势分型

有关研究指出：副热带高压、南海季风涌、中高纬冷空气和青藏高原东移的中尺度对流系统等4个因子的最佳组配, 有利于长江流域出现强降水^[2]。一般来说, 直接造成暴雨的是中小尺度系统^[3]。根据这一思路, 考虑到浙南地区的地理位置和浙南大暴雨发生时中低层一般都有冷温度槽存在, 对大暴雨天气分型的方法是：先以天气尺度的冷温度槽的类型分类, 然后再结合大暴雨过程影响浙南的主要中尺度天气系统以及副热带高压位置的组配来分型。

资料分析表明, 大暴雨形势场的特征在中低层较为显著。因此, 在分型时以大暴雨当天850、700hPa形势图为主。根据上述原则, 大暴雨的冷温度槽类型可分为3类：一是和日本海冷低压相对应的伸向华东南部沿海的冷温度槽, 二是和华北低槽引导冷空气南下相对应的冷温度槽, 三是和南方热低压或台风倒槽相关的无明显冷温度槽的大暴雨过程。

以上3类结合直接影响浙南的天气系统分析, 进行天气形势分类分型, 各个例的分型情况如表 1。

2.2.1 日本海低压冷温槽类

这一类共13例, 占全部大暴雨个例的76%。其共同特征是：在日本海有一发展较深的低压, 该低压引发冷空气南下, 使冷温度槽沿黄海东海伸向浙中南(其示例如图 1)。该类大暴雨发生时影响浙南的主要天气系统有切变、沿海槽、低涡、南支槽。据此又分为4个型：

(1) 暖切变。大暴雨发生时, 浙南闽北上空到江西有一切变或小槽。这种切变以暖切变居多, 一般在华西有南支槽东移相配合。

(2) 高压切变。华北有小高压, 和沿海副高之间形成切变。

(3) 华东槽。华东为一低槽, 这一低槽移动缓慢, 浙南处于槽前。

(4) 低涡。华东西南部或华南北部有低涡东移, 影响浙南。

2.2.2 华北冷槽类

此类仅2例。华北有低压或低槽发展, 引导冷空气南下, 冷温度槽伸向浙中南地区, 同时华西有南支槽东移, 浙南受到低涡或暖切变影响(示例见图 2)。

2.2.3 热低压倒槽类

此类仅2例。浙南受热低压或台风倒槽影响, 华北有弱冷空气扩散南下, 但华东无明显冷温度槽。如个例98528, 是在广东南部沿海生成热低压, 5月28日移到台湾海峡, 停滞少动, 浙南沿海受较强东南气流影响而发生大暴雨(示例见图 3)。

3 浙南大暴雨物理量场特征

以上浙南大暴雨天气形势分型仅给出大暴雨发生的背景场, 在实际预报分析中还必须结合物理量场的条件进行判断。以下根据17个个例的几种主要物理量场特征分析, 给出统计结果。

3.1 中低空急流

浙南大暴雨发生时, 在850~700hPa, 从广东江西到浙南闽北有一支西南急流, 或者在浙闽沿海有一支S—SE的急流。据统计, 850、700、500hPa三层都有急流的有10例, 仅其中两层有急流的有7例。

3.2 湿区和上升气流

(1) (T-T_d)分析表明, 浙南发生大暴雨时, 850、700hPa华东东南部沿海都处于(T-T_d)≤4℃的湿区中。湿区轴线一般是E—W方向, 或者SW—NE方向。其中有8个个例, 在浙中北—江西北部存在(T-T_d)等值线密集的露点锋。

(2) 上升气流。大暴雨发生时, 850、700hPa浙南都处于上升气流区域, 其中有10例处于ω＜-0.2hPa·s^-1的强上升气流中心区域。

3.3 θ_se和涡度

(1) 大暴雨发生时, 浙南都处于θ_se高值区, 一般情况, θ_se的高能舌从广东江西南部伸向浙南, 有时, 浙南处于θ_se高值中心区。据统计, 除热低压倒槽型外, 其余15例在850、700hPa浙中北-江西北部安徽南部都存在一条呈E—W向或SW—NE向的θ_se能量锋区。

(2) 据统计, 17例大暴雨850—500hPa浙南均处于正涡度区, 一般500hPa涡度值大于10×10^-6s^-1。

4 浙南大暴雨Q矢量场的特征

由于利用准地转Ω方程推导的上升气流的ω计算式中, 有两项是互相抵消的, Hoskins等^{[4, 5]}论证了在忽略了科氏参数随纬度变化这一小的作用以后, 计算式重新写成避开潜在抵消作用的Q矢量形式：

从式中看出, 当∇·Q＜0, 则ω＜0, 为上升运动; 当∇·Q＞0, 则ω＞0, 为下沉运动。

上式表明Q矢量散度场实际上是准地转上升运动的强迫机制。在对流层高层, Q矢量的方向与非地转运动方向相反。但Q矢量是在绝热假定条件下推导出来的, 在准地转力中并不包括垂直运动产生的非绝热项, 即未包括潜热释放, 在具体应用中应予以考虑。

近几年来, Q矢量在暴雨预报上的应用有很多的研究工作^{[6, 7]}, 我们对上述17例浙南大暴雨的Q矢量场进行计算, 发现中低层Q矢量的辐合和大暴雨的落区、发生时段以及雨量等有着十分好的对应关系。

据统计, 除热低压倒槽类的两例外, 其余15例Q矢量辐合和浙南大暴雨的发生直接相关, 图 4给出了三类大暴雨Q矢量散度场的示例。为了Q矢量散度场能应用于浙南暴雨预报, 经分析得出如下结果。

(1) 15例中, 浙南大暴雨区均处于Q矢量辐合中心区附近, 或者中心区S—SW方。计算结果表明, 大暴雨发生时, 浙南上空Q矢量散度∇·Q≤-2.0×10^-17hPa^-1·s^-3。

(2) 一般来说, Q矢量辐合区在大暴雨发生之前几个小时生成, 有时, 是和大暴雨同时发生。

(3) 据统计, 15例中, Q矢量散度辐合值越大, 雨量也有偏大的趋势。例如, 61520、70626两例日降水＞200mm的个例, Q矢量中心辐合值也是特别大(图 4a、4b)。

(4) 两例热低压的Q矢量辐合中心区和大暴雨落区不一致(图 4d)。国内有人曾对台风的暴雨和Q矢量散度关系做过研究, 两者不存在显著相关。这可能是由于热带系统发生发展往往伴随着大量的潜热释放, 而Q矢量散度计算式中忽略了这一项。

5 研究结果的应用

2005年5—6月, 我们将以上特征模式应用于大暴雨预报, 取得了令人满意的效果。

6月21日下午, 据MM 5和美国国防部850、700hPa预告图, 22日20时(北京时, 下同) 850~700hPa符合“东北冷低切变”模式(图略); 22日08—20时, 浙南上空850~700hPa为湿区, 上升气流区, 正涡度区, 从广东到闽北浙南有西南急流存在, 浙中北有(T-T_d)锋区。同时, 据温州MM5Q矢量700hPa预告图, 预告22日08时到20时各时段温、台、丽三地区均有Q矢量散度中心值在-3×10^-17~-5×10^-17hPa^-1·s^-3的区域出现(图略)。据上述条件预报22日有大—暴雨, 局部大暴雨。实况是6月21日20时—22日20时日降水量平阳和温岭站均达102mm, 乐清站80.1mm, 温、台、丽三地区有30多个自动站记录日降水在50mm以上。

6 结语

(1) 用暴雨发生时的以温度场为主结合形势场进行暴雨预报形势分型, 用物理量场特征建立判别指标, 采用PP方法预报, 在预报业务中已初步取得成效。

(2) 1960年以来浙南大暴雨的Q矢量场计算结果表明, 中低层Q矢量的辐合和大暴雨的发生有着十分好的对应关系。浙南梅汛期大暴雨(非热低压型)处于Q矢量辐合中心区附近, 或者辐合中心区南—西南方, Q矢量散度∇·Q≤-2.0×10^-17hPa^-1·s^-3。

(3) 梅汛期大暴雨的预报在技术上难度较大, 本文所提供的研究成果可作为预报思路的参考。但对于大暴雨的定时、定量预报, 有待今后进一步深入研究。对一般降水和暴雨的Q矢量散度场也需要进行深入分析探讨。