引言

持续性暴雨又称连续性暴雨、连场暴雨等，是某一区域内持续出现2或2天以上的暴雨天气，由于其降雨时间长、降雨总量大，往往会造成严重的气象及其衍生灾害。持续性暴雨在暴雨发生地均有可能发生，中国的持续性暴雨多发生在江南、华南及西南地区等(鲍名等，2007)。广西西北部区域是华南地区持续性暴雨的多发区之一，由于该区域复杂的山区地形地貌，持续性暴雨往往会造成严重的山体滑坡、泥石流等次生灾害，带来重大财产损失和人员伤亡。由于持续性暴雨的危害性极大，气象工作者十分重视对它的研究。目前，国内关于持续性暴雨的研究主要集中在气候特征分析(鲍名等，2007；谢炯光等，2006)、环流背景分析(林爱兰等，2007；张庆云等，2001)、个例要素场特征分析(江吉喜等，1998；李英等，2002；胡亮等，2007)、个例成因分析(宗志平等，2005；黄忠等，2008；陈添宇等，2009)、个例数值模拟(何编等，2010；陈业国等，2010)等，但对持续性暴雨缺乏系统性的分析研究，针对这类天气的相关预报方法还很少见。概念模型及配料法是常用的预报分析法，在暴雨分析预报中得到了广泛的应用(吴蓁等，2011；俞小鼎，2011)，是现阶段行之有效的分析预报方法之一，但利用概念模型结合配料法系统性地作持续性暴雨分析预报还较少见。该课题首先通过统计学、天气气候分析等方法，利用2000—2009年10年常规观测资料，结合ECMWF 2.5°×2.5°初始场客观分析资料，对广西西北部主汛期(5—8月)持续性暴雨进行分析，得出持续性暴雨发生的天气气候特征，并根据主要影响天气系统配置对持续性暴雨进行综合分型，在此基础上，利用概念模型结合配料法对各分型进行分析，获取预报信息，建立24小时短期预报关键技术。

1 资料和方法 1.1 资料来源

(1) 2000—2009年5—8月广西89个国家地面观测站降雨量资料。

(2) 2000—2009年5—8月实况资料，主要包括：地面图、高空图及探空资料等。

(3) 2000—2009年5—8月地面、探空观测计算物理量场和2010—2011年5—8月T639物理量预报场资料，分别用于分析和预报。主要包括：水汽通量、水汽通量散度、涡度、散度、垂直速度、SI、Ki、θ_se及相对湿度等。

(4) ECMWF 2.5°×2.5°数值预报产品2000—2009年5—8月初始场和2010—2011年5—8月预报场资料，分别用于分析和预报。主要包括：500 hPa高度场、850~200 hPa风场及流场、850~700 hPa相对湿度场、850 hPa气温场及地面气压场等。

1.2 方法

(1) 通过统计筛选的方法，按照持续性暴雨的定义，利用雨量资料，筛选出个例。

(2) 通过天气学原理结合统计学分类的方法，利用ECMWF数值预报初始场分析结合实况资料，对持续性暴雨个例进行分型。

(3) 通过概念模型分析法，利用ECMWF数值预报初始场结合实况资料，以持续性暴雨发生前、第一暴雨日、第二暴雨日的主要天气系统三维配置为线索，建立概念模型。

(4) 通过配料法(张庆云等，2011)，利用地面、探空观测及计算物理量特征指数等，对概念模型进行配料，建立持续性暴雨过程24小时短期客观预报工具。

(5) 将ECMWF和T639预报场资料套用于预报工具中，从而建立日常业务化的24小时短期客观预报工具。

2 相关定义 2.1 桂西北区域、持续性暴雨及降雨落区定义

桂西北区域：桂西北是指广西西北部地区，包括百色及河池两市，该区域共有22个国家地面观测站。

桂西北持续性暴雨：桂西北区域内连续2或2天以上出现暴雨，且两日的暴雨站数一日要大于10%(2个)，另一日要大于20%(4个)。

降雨落区：为了分析天气系统位置与降水落区的关系，根据桂西北的地理分布和降雨特征，将桂西北区域再细分为西北部、北部、东北部、中部、东部及南部6个区域(图略)，其中西北部为百色市的西北部，北部为百色市北部和河池市西部，东北部为河池市中东部及西北部，中部为百色市右江河谷，东部为百色市东部和河池市南部，南部为百色市南部。

2.2 影响天气系统关键区的定义

对持续性暴雨发生期间的主要影响天气系统进行普查分析，定义出天气系统影响的关键区：

高空槽影响关键区：第一暴雨日槽影响关键区为(25.0°~27.5°N、100°~112.5°E)(图 1a)，第二暴雨日槽影响关键区为(25.0°~27.5°N、102.5°~115.0°E)(图 1b)。

切变线及锋面影响关键区：(22.5°~25.0°N、105.0°~107.5°E)(图 1c)，关键区中地面任一点升压1~2 hPa为弱升压，2~4 hPa为升压，大于4 hPa为强升压。

低空急流或南风影响关键区：(22.5°~25.0°N、107.5°~110.0°E)(图 1d)，关键区中850 hPa任一格点偏南风大于12 m·s^-1，定义为有急流影响。

3 桂西北持续性暴雨的天气气候分析 3.1 桂西北持续性暴雨天气气候特征

按照桂西北持续性暴雨定义，普查2000—2009年5—8月广西89个国家地面观测站降雨量资料发现，这期间共出现了桂西北持续性暴雨41次(表略)，平均每年4.1次，最多年份(2001年)出现7次，最少年份(2003年)出现1次。在月分布上(图 2a)，6月出现19次，占46.3%，为最多月份，7月出现10次，占24.4%，为次多月份，5和8月各出现6次，各占14.6%，为最少月份。从旬分布来看(图 2b)，6月上旬出现8次，占19.5%，为最多旬；6月中旬、下旬和7月上旬各出现6、5和5次，分别占14.6%、12.2%和12.2%，为次多旬。可见，桂西北持续性暴雨的出现有明显的时间窗，重点在6和7月份，特别是6月上旬时间段，预报中应重点关注该时间窗。

3.2 引起持续性暴雨的主要天气系统

利用2000—2009年5—8月ECMWF 2.5°×2.5°初始场结合实况资料，综合分析发现500 hPa高空槽、850 hPa切变线、地面锋面、低空急流、副热带高压和台风减弱低压6个天气系统是造成桂西北持续性暴雨的主要天气系统(图 3)。在41次持续性暴雨个例中，高空槽参与的为35次，占85.4%，切变线参与的为21次，占51.2%，地面锋面参与的为17次，占41.5%，低空急流参与的为19次，占46.3%，副热带高压边缘参与的为9次，占22.0%，台风减弱低压参与的为4次，占9.8%。进一步分析发现，有24次连续两日暴雨总站数大于10站，属于较大范围的持续性暴雨过程，其余个例暴雨总站数小于10站。同时统计发现在24次较大范围的持续性暴雨过程中有17次伴随有低空急流，可见较大降水与低空急流密切相关。

3.3 持续性暴雨综合分型

利用2000—2009年5—8月ECMWF 2.5°×2.5°初始场(0 h场)结合实况资料，找出每次持续性暴雨发生期间的的主要影响天气系统，根据主要影响天气系统的相互配置对持续性暴雨进行综合分型，得出高空槽配合切变线或锋面型、副热带高压边缘配合深槽型、台风减弱低压型及中低空切变配合型4种类型(表 1)。高空槽配合切变线或锋面型为5—6月持续性暴雨的模式，出现了21次(占51.2%)。副热带高压边缘配合深槽型、台风减弱低压型和中低空切变配合型为6—8月的模式，分别出现了12次(占29.2%)、4次(占9.8%)、4次(占9.8%)。台风减弱低压型和中低空切变配合型发生几率较小，台风减弱低压型的降雨强度最强、范围最大(2001年3号台风榴莲)，中低空切变配合型降水强度最弱、范围最小。高空槽配合切变线或锋面型、副热带高压边缘配合深槽型和台风减弱低压型是持续性暴雨发生最常见的3种模式，占到持续性暴雨的90.2%，因此对3种常见模型在预报中应给予重点关注。

4 概念模型及配料 4.1 台风减弱低压型

台风减弱低压影响桂西北主要有两条路径(图 4)，一条是经广东北或湖南或贵州进入广西的偏北路径，一条是经广东西南进入广西的偏南路径，产生持续性暴雨的形势须满足以下条件：第一暴雨日(图 4c)850 hPa存在低压环流，中心位于桂林与河池或兴义与河池或越南北与南宁或普洱与越南北之间，低压槽基本呈南北向；暴雨前24小时，在地面图上，偏北路径低压要到达湖南与江西交界，偏南路径要过雷州半岛。在与850 hPa基本相同的位置，700 hPa存在低压环流或槽，两层环流大体上呈垂直结构(图 4b)。500 hPa存在低压环流，与低层环流位置垂直或向南倾斜，低压槽呈南—北向或东北—西南向，当与低层环流垂直且槽呈南北向时降雨量较大(图 4c)。第二暴雨日(图 4f)850 hPa低压环流仍然存在，中心位于兴义与河池或越南北与南宁或普洱与越南北之间，倒槽呈南—北或东北—西南或东—西向等，呈东北—西南或南—北向时降雨落区在中东部，呈东西向时在南部，与第一暴雨日比，低压环流向西或南移。700与850 hPa环流基本一致(图 4e)。500 hPa低压环流为向西或西南开口的倒槽，与低层环流位置比向西或西南倾斜得更远，低压环流离关键区越近降雨越大(图 4d)。200 hPa华南上空均为反气旋环流，广西、贵州为东到东北大风控制。

利用2000—2009年5—8月地面、探空观测及计算的物理量场进行配料，具体方法参见表 2。

4.2 高空槽配合切变线或锋面型

此型(图略)在第一暴雨日850 hPa有切变线或地面有锋面进入关键区，500 hPa第一关键区有槽进入；第二暴雨日850 hPa切变线或地面锋面正处于关键区中或南移切变残留于关键区中，500 hPa槽缓慢东移位于第二关键区中，两暴雨日200 hPa南亚高压东扩，脊线位于南海北部或华南地区或西南地区东部一带，广西上空为北风或东北风或东风。从配料(表略)来看，两暴雨日物理量的配料主要集中于地面及850~500 hPa。

4.3 副热带高压边缘配合深槽型

此型(图略)在第一、第二暴雨日850 hPa都以南风到西南风为主，从500~700 hPa分别在第一关键区和第二关键区有槽，与此同时500 hPa副热带高压边缘在广西中部，高压区最好呈方头型，东高西低的形势明显。其配料(表略)主要反映在500~700 hPa中高层。

4.4 中低空切变相互配合型

此型(图略)两暴雨日从700~850 hPa中低空关键区均出现相互配置的切变线，500 hPa以西风或西南风为主，关键区没有明显槽，此类型降雨范围较小。其配料(表略)主要反映在中低层。

5 预报工具流程

预报工具流程为：首先使用数值预报的风场、高度场和气压场等资料进行指标卡形势定出所属类型。其次，根据不同模型的特点，用相对湿度、比湿、水汽通量和水汽通量散度进行水汽条件诊断，用涡度、散度和垂直速度进行动力条件诊断，用SI、Ky、θ_se作为能量、不稳定条件的判据。现就“台风减弱低压型”预报工具流程详述如下(其他类型类似，此处不再累述)。

(1)“台风减弱低压型”指标卡形势法概念模型的确立

700 hPa低压切变线位于关键区(22.5°~27.5°N、105°~107.5°E)内，且满足以下条件之一：

① 河池点、南宁点为偏南风且毕节点、隆林点为偏北风，具体值：毕节附近的ECMWF格点(27.5°N、105°E)和隆林附近的ECMWF格点(25°N、105°E)为风向20°~80°的偏北风；河池附近的ECMWF格点(25°N、107.5°E)为风向100°~230°且风速≥4.0 m·s^-1的偏南风，南宁附近的ECMWF格点(22.5°N、107.5°E)为风向100°~250°且风速≥4.0 m·s^-1的偏南风。

② 河池点、南宁点为偏南风同时隆林点、越南北点为偏北风，具体值：隆林附近的ECMWF格点和越南北部附近的ECMWF格点为偏北风；河池附近的ECMWF格点为风向100°~230°且风速≥4.0 m·s^-1的偏南风，南宁附近的ECMWF格点为风向100°~250°且风速≥4.0 m·s^-1的偏南风。

850 hPa低压切变线位于关键区(22.5°~27.5°N、105°~107.5°E)内，且满足以下条件之一：

① 河池点、南宁点为偏南风且毕节点、隆林点为偏北风，具体值：毕节附近的ECMWF格点为偏北风，隆林附近的ECMWF格点为风向20°~80°的偏北风；河池附近的ECMWF格点和南宁附近的ECMWF格点为风向100°~230°且风速≥5.0 m·s^-1偏南风。

② 河池点、南宁点为偏南风同时隆林点、越南北点为偏北风，具体值：隆林附近的ECMWF格点和越南北部附近的ECMWF格点为偏北风；河池附近的ECMWF格点和南宁附近的ECMWF格点为风向100°~230°且风速≥5.0 m·s^-1偏南风。

700与850 hPa满足了指标卡出的天气形势即为“台风减弱低压型”概念模型。

(2)“台风减弱低压型”配料

① 水汽条件：关键区内至少有一个关键点850 hPa的相对湿度≥80%，925 hPa比湿≥15 g·kg^-1或850 hPa比湿≥13 g·kg^-1，850 hPa水汽通量≥4 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1，925 hPa的水汽通量散度为负值。

② 能量、不稳定条件：关键区内至少有一个关键点850 hPa的θ_se≥74℃，K指数≥34℃，Ky指数≥0.5℃，SI＜0℃。

③ 动力条件：关键区内至少有一个关键点700 hPa的涡度≥4×10^-5 s^-1，700或850 hPa的垂直速度为负值。

满足以上概念模型及配料即可预报有一次“台风减弱低压型”的桂西北持续性暴雨天气过程。

6 预报工具检验及应用效果分析 6.1 预报工具检验

利用2000—2009年5—8月ECMWF 2.5°×2.5°初始场和地面、探空观测资料及计算的物理量对客观预报工具进行回代检验，结果显示(表 3)，最高正确率为37.5%(2004年)，最低正确率为0(2003年), 平均正确率为20.5%；最低空报率为30%(2001年)，最高空报率为80%(2003年), 平均空报率为59.0%；最低漏报率为0(2009年)，最高漏报率为60%(2001年), 平均漏报率为20.5%。

6.2 应用效果分析

利用2010—2011年5—8月ECMWF预报场及T639物理量预报场资料逐日进行了试预报，并与日本、德国模式降雨预报和中央气象台降雨主观指导预报进行比较(表 4)。日本、德国模式降雨预报的正确率(TS)两年均为0%，可见模式降雨预报对桂西北区域的持续性暴雨基本无预报能力。客观预报工具与中央气象台降雨主观指导预报正确率(TS)两年均稳定在10%以上，两年评分正确率分别为12.5%和20%，中央气象台降雨主观预报正确率略高，客观预报工具的空报率高于中央气象台降雨主观预报的空报率，中央气象台降雨主观预报的漏报率高于客观预报工具的漏报率，在空漏率方面各有所长。由此可见，客观预报工具对桂西北持续性暴雨过程的短期预报有稳定的预报能力，结果有参考作用。客观预报工具是建立在模式预报基础之上的预报工具，模式预报准确率会直接影响到工具的预报能力，随着数值模式预报准确率的提高，客观预报工具的预报能力也将会得到进一步提高。另外，由于持续性暴雨发生概率较小，加之只有两年试验预报，样本偏少，有必要进行后续的研究完善。

7 小结

综上所述，经过对桂西北持续性暴雨的分析可以得到以下结论：

(1) 桂西北持续性暴雨的出现有明显的时间窗，主要出现在6和7月，重点在6月上旬，在预报中应关注时间窗的临近。引起桂西北持续性暴雨的主要天气系统包括高空槽、切变线、锋面、低空急流、副热带高压、台风减弱低压等；根据天气系统的相互配置可以将持续性暴雨分为高空槽配合切变线或锋面型、副热带高压边缘配合深槽型、台风减弱低压型、中低空切变配合型4种类型。高空槽配合切变线或锋面型、副热带高压边缘配合深槽型、台风减弱低压型是持续性暴雨发生最常见的3种模式，占到持续性暴雨的90.2%，其中台风减弱低压型的降雨强度最强、范围最大，预报中应予以重点关注。

(2) 基于概念模型及配料法建立的客观预报工具也是对数值预报产品的一种解释应用，所建立的桂西北持续性暴雨24小时短期客观预报工具按年计算的预报正确率(TS)可以稳定在10%以上，略低于中央气象台降雨主观指导预报正确率，在空漏率方面各有所长。客观预报工具预报能力明显强于日本、德国模式降雨预报，预报工具有参考作用。客观预报工具是建立在模式预报基础之上的预报工具，模式预报准确率会直接影响到工具的预报能力，随着数值模式预报准确率的提高，客观预报工具的预报能力也将会得到进一步提高。

(3) 课题的研究加深了对桂西北区域持续性暴雨的认识，为桂西北持续性暴雨24小时短期预报提供了依据。