引言

区域暴雨在我国东部一年四季都可能发生。统计发现，1960—2010年中国发生了3640个大于相邻两个站的区域暴雨，年平均为71个暴雨事件，而大于相邻10站的区域暴雨有1659个事件，平均每年32个暴雨事件(Shan et al，2015)。对日(24 h)大于相邻10站降水达到暴雨(50 mm)的事件既考虑了时间持续性(duration)，又考虑了范围(coverage)和降水强度(intensity)等衡量暴雨的三个指标。这样的区域日强降水正是各级政府和公众关注的极端天气事件。如何提前准确地预报出区域暴雨的落区更是我国预报员十分关注的问题。早期区域暴雨预报的主要工具是常规天气图。预报员根据几个小时前的环流型，如低压、气旋、切变线、倒槽、锋区等就可以推断未来几小时到24 h内可能发生的区域暴雨。但常常暴雨的落区在切变线的右侧和低空急流的左侧(朱乾根，1975；黄士松，1981)。现代数值天气预报模式可以直接预报未来短期，甚至中期内可能发生的暴雨。但是，即使最好的欧洲中心的中期天气预报模式对我国暴雨的落区也存在偏差(Qian et al，2013)。

区域暴雨属于极端事件或异常事件，预报异常事件寻找异常大气信号是一种具有前景的做法(杜钧等，2014)。近年来，北京大学与美国NOAA合作共同研究了大气瞬变扰动变量和各种动力学参数在区域暴雨落区中的应用，取得了预期的效果(钱维宏等，2012；钱维宏等，2013a；钱维宏，2013；Qian et al，2013；Shan et al，2015；Qian et al，2015a；2016)。本文用发生在1998年的中国41日次区域暴雨事件通过环流分型和比较，阐述扰动天气图上的环流系统对区域暴雨落区的指示意义, 供预报员在业务预报中参考。

1 资料和方法 1.1 资料

本文使用了三种来源的资料。其一是欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的再分析资料(http://www.ecmwf.int/research/era/do/get/index)，包括温度、位势高度、风和比湿等大气变量，空间分辨率0.75°×0.75°，时间分辨率6 h(Dee et al，2011)。其二是中国大陆754站24 h降水量资料。它在中国东部站点分布比较均匀，两站之间的距离在66~163 km。其三是Chen等(2010)利用Kriging方法内插出的中国大陆0.5经纬度格点上的日降水量资料。两套降水资料用于分析区域暴雨与大气环流系统之间的关系。

1.2 方法

根据近期研究，任一大气变量场都可以分解成为瞬时的气候分量场和相对气候的扰动场两个部分(Qian et al，2014b)。前者为准静态地反映了太阳辐射与下垫面辐射达到平衡的状态，而后者是相对这个瞬时平衡态的偏差。理论上，基于扰动场的天气系统是产生极端(异常)天气事件的直接原因。所以，大气变量分解后的扰动场分析是极端天气预报的基础。

根据以上的约定，任一大气变量场F_d(λ, φ, p, t)，如观测时刻t(每年的第d天的第t时刻，每天24 h)的位势高度、温度和风可以分解为气候场${\tilde F_d}\left({\lambda, \varphi, p} \right)$和扰动场F′_d((λ, φ, p, t)(钱维宏，2012b；2012c；Qian et al，2014b)，即

$ {F_d}\left({\lambda, \varphi, p, t} \right) = {{\tilde F}_d}\left({\lambda, \varphi, p} \right) + F{'_d}\left({\lambda, \varphi, p, t} \right) $

(1)

式中，λ、φ和p是大气变量所在点的位置(经度、纬度和气压层次)，下标d(1~365 d)是资料所在日相对每年1月1日的第d日。

气候场由30年(1981—2010) 的再分析资料估算得到

$ {{\tilde F}_d}\left({\lambda, \varphi, p} \right) = \sum\limits_{t = 1981}^{2010} {{F_d}} \left({\lambda, \varphi, p, t} \right)/30 $

(2)

这里假定，在这30年中第d日的同一时刻，正的和负的瞬时扰动相互抵消了，得到的是准平衡的瞬时气候态。由式(2) 定义的气候是逐小时和逐日变化的，它是用历史资料计算(估算)出的，不需要预报。这一分解方法已经在我国的区域暴雨和极端温度事件分析中得到了应用(钱维宏等，2013a；2013b；江漫等，2014；Qian et al，2014a；Qian et al, 2016)。

理论上应该存在一个年循环的8760个时刻(365 d×24 h)的瞬时气候变化场。如果有过去百年逐小时覆盖全球每千米的多层次和多变量观测资料，就可以很好地估算出这个理想的瞬变气候场。但是，实际的情况不尽人意。目前多家气象中心的再分析资料被认为是对过去几十年历史观测的代表。原始器测数据和同化方法的引入能够反映不同再分析资料的质量。自从同化模式引入了1979年以来的卫星观测后，再分析资料的质量有了大的提高。目前研究和业务上使用比较多的是美国的两套三维同化方法的2.5°经纬格点的再分析资料，以及欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的0.75°经纬格点和日本气象厅的1.25°经纬格点的四维同化再分析资料。不同的同化方法产生的初始场对中期数值天气预报结果会产生不同的影响。欧洲中心的中期预报对我国的环流形势预报可以达到6.7 d，而美国的只有3 d(Qian et al，2013)。欧洲模式对2012年Sandy飓风在美国东北部登陆点的预报也能提前7 d，而美国模式只提前了3 d(Bassill, 2014)。直接观测资料覆盖范围有限。美国当日分析资料成为当前很多区域模式的初始场，但其历史资料长度只有十多年。综合考虑到卫星观测资料和四维同化方法的使用以及我国预报员对ECMWF中期模式预报产品的日常业务使用，本文选择用欧洲过去30年(1981—2010年)的每日四时次再分析资料，由式(2) 计算得到瞬变气候场。根据上述对瞬变气候的定义，用ECMWF再分析资料分解的扰动系统对我国区域暴雨落区的指示能力优于用NCEP再分析资料的结果(钱维宏等，2012；钱维宏，2013；钱维宏等，2013a)。

利用传统的常规天气图，预报员对未来24 h内区域暴雨的预报是以环流型为背景场的。中国东部区域暴雨的一种环流型是切变线，此外还有南方气旋和北方气旋等。1998年我国长江流域发生了历史性的的暴雨洪涝灾害。根据产生暴雨水汽所在的主要高度850 hPa，钱维宏(2013)已经绘制了1980—2011年中国东部日区域暴雨在传统天气图上的环流与扰动天气图上的环流形势对比。在此，以1998年的41日次区域暴雨为对象，归并它们为7种环流型作合成分析。依据850 hPa上的扰动环流系统，归并暴雨环流型的标准和步骤是：把日区域暴雨按华南、长江、华北和东北四个地理区域划分；在华南区域把扰动切变线的暴雨合成为一类，倒槽和涡旋暴雨合成为另外的两类；在长江流域把扰动涡旋和扰动切变线与扰动槽线的暴雨合并为两类；在华北和东北地区把扰动涡旋型暴雨进行合并。这样，合成的暴雨是单个暴雨累加的平均，所以合成的降水中心值小于单个暴雨中心值。同样，各个大气变量的合成场也弱于单个例子的变量场。

2 区域暴雨环流型 2.1 华南切变线类暴雨

1998年1—8月期间，华南有4次类似的切变线环流系统下的区域性暴雨。4次区域暴雨的日期在表 1中，分别出现在6月9、14、21日和7月29日。对1998年发生在我国东部的区域性暴雨分析发现，世界时0000时作为中间时间点的高空扰动环流系统与地面前12 h和后12 h的累积24 h区域暴雨有较好的位置对应关系(Qian et al，2015a)。因此，用上述4个世界时0000时的大气四变量合成分析研究与24 h区域暴雨落区的对应关系。

图 1a给出的是上述4日总高度和气候高度以及总温度和气候温度沿116.25°E世界时0000时的合成垂直剖面分布。由于总高度与气候高度和总温度与气候温度的基础数值都较大，它们的垂直分布曲线画在一起，看不出明显的差异。能够看出它们之间的差异并且做出对暴雨落区的指示性判断，那是预报员的经验。这种经验需要经过长期的预报实践与总结。但这种经验往往只可意会，难以言传。与此不同，我们把它们的差值绘制在图 1b中，称为扰动天气图，则地面暴雨带就出现在从对流层上部延伸下来的高度扰动轴线的地方，也在低层大气温度扰动对比最清楚的地方。总风的垂直分布在地面暴雨带的两侧风速是不等的，如图 1c中暴雨带的南侧西南风大于北侧的东北风。但在图 1d中暴雨带两侧的扰动西南风和扰动东北风势力相当，方向相反，能够更好地解释和指示地面暴雨的落区。相对湿度的垂直剖面分布上，气候比湿在华南低层分布范围很广，但合成的总湿度与气候之间有一个集中的差(图 1e)。这个高湿度差就在暴雨带的上空，最大值大致在700 hPa处(图 1f)。

综合高度扰动、温度扰动、风扰动和水汽扰动所在的高度，选择在850 hPa绘制高度、温度、风和比湿总场与扰动场的水平对比，让预报员认识传统天气图与扰动天气图上系统对区域暴雨的指示能力(钱维宏，2011；2012a)。图 2a为华南切变线暴雨对应的850 hPa合成风场。区域暴雨的北侧有一切变线，暴雨的南侧存在西南低空急流。与此不同，图 2b中区域暴雨就出现在扰动切变线上。扰动切变线南侧的西南气流和北侧的东北气流强度相当，方向相反。在850 hPa总高度场上，我国西南有一低涡，区域暴雨位于高度槽的南侧，温度场对暴雨落区没有指示意义(图 2c)。与此不同，850 hPa高度扰动场上区域暴雨位于东部海上向西延伸的低值槽上，也位于北冷南暖的温度扰动对比零线附近(图 2d)。在850 hPa总比湿场上(图 2e)，中国上空有三条大的湿度带，区域暴雨只与其中一条有联系。在比湿扰动场上(图 2f)，区域暴雨就出现在最大的一条湿度扰动轴线上。

2.2 华南涡旋类暴雨

华南涡旋对应的区域暴雨有4日次(表 1)，它们分别出现在1月14日、3月9日、5月14日和7月24日。图 3a给出了华南涡旋类暴雨沿116.25°E的合成总高度和总温度及其气候场的垂直剖面，它们也难以直接指示区域暴雨的落区。但暴雨就位于高度扰动低值轴线到达地面的位置上，也位于低层温度扰动的正负对比零线附近(图 3b)。取低层850 hPa层的总风和风扰动绘制的天气图，区域暴雨位于华南总风涡旋东西两侧切变线的南侧，暴雨区上游有强的西南气流(图 4a)，但在风扰动场上暴雨位于华南扰动涡旋中心和扰动切变线上(图 4b)。同样，区域暴雨位于850 hPa总高度场低涡的南侧，总温度场对暴雨落区也没有指示意义(图 4c)。不同的是，区域暴雨位于850 hPa华南扰动涡旋中心和低值带上，也位于温度扰动的冷暖对比零线上(图 4d)。850 hPa总比湿场上存在两条大值带(图 4e)，只有其中一条对应有暴雨。不同的是，比湿扰动场上(图 4f)区域暴雨就位于一条大的湿度扰动区中。

2.3 华南倒槽类暴雨

华南倒槽类暴雨的环流形势是由5日次区域暴雨合成的(表 1)。图 5a和5b分别为850 hPa层的合成总风环流和风扰动环流。它们之间的差异不大，但总风场上暴雨区西南方的西南气流比扰动场上的西南气流强。扰动环流系统更能反映区域暴雨的范围。这种差异在850 hPa的高度和温度对比上更为清楚。图 5c中区域暴雨出现在西南涡的东北侧。但在图 5d中区域暴雨出现在倒槽低压中的高度扰动低值线附近。对倒槽类暴雨，冷空气并没有进入涡旋系统中。在总比湿场上(图 5e)，华南和我国西部南北方向上各存在一条大值带。而在比湿扰动场上(图 5f)，只有华南的一个湿度扰动区域与区域暴雨落区对应。

2.4 长江切变线和槽线类暴雨

长江切变线和槽线类暴雨的环流形势是由9日次区域暴雨合成的，主要出现在5—7月(表 1)。图 6a中雨区西南方气流较强，所以切变线和槽线的位置在雨区的偏北部位。图 6b中雨区南侧的偏南气流和雨区北侧的偏北气流强度相当，所以扰动辐合线和扰动槽线与雨区对应。850 hPa总高度场上(图 6c)，西南涡比较清楚，东部海上有一高度槽。但在高度扰动场上(图 6d)，与区域暴雨对应的扰动低压中心在30°N和110°E交叉的位置，比总高度场上的西南涡位置偏东。沿海槽上出现了另外一个扰动低压中心。这样，两个扰动低压的连线与大降水位置有很好的对应。在温度扰动场上，冷暖空气对比与雨区的关系更清楚。在总比湿场上(图 6e)，南方和我国西部各存在一条大值带。但在比湿扰动场上(图 6f)，只有南方的一个湿度扰动区域与区域降水对应。

2.5 沿江涡旋类暴雨

沿江涡旋，也就是通常的江淮气旋。表 1中列出了6日次区域暴雨。图 7a和7b分别为850 hPa层的合成总风环流和风扰动环流。它们之间的差异主要表现在前者雨区西南侧的气流较强，所以涡旋中心位置相对偏西，而后者的扰动气旋位置偏东，南北侧的气流方向相反，势力相当。在总高度场和总温度场上(图 7c)，由于西南涡的始终存在，最大的低值中心不在江淮流域，而在西南地区，总温度分布对区域降水落区也没有指示意义。与此不同，高度扰动场和温度扰动场上(图 7d)，扰动低压位于江淮地区并与雨区对应，冷暖气团分布也对气旋模型对应得很好。850 hPa总比湿场和湿度扰动场上(图 7e和7f)都有三条湿度大值带，但前者相对雨区的范围太大，只有后者与降水落区的关系比较紧密。

2.6 华北涡旋类暴雨

华北涡旋对应的区域暴雨有6日次(表 1)。图 8a给出了华北涡旋类暴雨沿116.25°E的总高度和总温度及其气候场的垂直剖面合成分析。它们也难以直接指示区域暴雨。但暴雨就位于高度扰动低值轴线到达地面的位置上，也位于低层温度扰动的正负对比线上(图 8b)。取低层850 hPa层的总风和风扰动绘制的天气图上，涡旋西北侧的总风场上偏北风分量(图 9a)弱于风的扰动分量(图 9b)，涡旋周围的扰动气流更对称，扰动气流的辐合对降水落区的解释更清楚。在总高度场和总温度场上(图 9c)，由于西南涡的始终存在，西南—东北走向的降水带的北侧有两个低压中心，雨带位于暖区中。在高度扰动和温度扰动场上(图 9d)，只有一个扰动低压位于华北，扰动低压槽及其两侧的冷暖对比能够很好地指示降水的位置。从我国西南地区到华北，低层大气表现为大范围的高比湿区(图 9e)。但在湿度扰动场上(图 9f)，降水区与湿度扰动区域有很好的对应。

2.7 东北涡旋类暴雨

表 1中列出了东北涡旋类暴雨有7日次。图 10a和10b分别为850 hPa层的总风环流和风扰动环流。它们之间的差异主要表现在前者存在西南涡环流，而后者不存在西南涡环流，后者的东北涡环流系统更为对称。在总高度场和总温度场上(图 10c)，西南涡和东北涡是同时存在的。在高度扰动和温度扰动场上(图 10d)，东北涡很强大，低层最冷的地区位于涡旋中心的西侧。东北涡形成的夏季持续性低温多雨天气是非常著名的(Qian et al，2014a)。850 hPa总比湿场上(图 10e)，与华北涡的情形相似，从我国西南地区到华北和东北存在相当大范围的高湿区。但在湿度扰动场上(图 10f)，高湿度带与雨带的位置关系更为紧密。

3 结论与讨论

近年来的对比分析已经清楚了，扰动天气图上的环流系统对应地面上区域极端天气事件位置比传统天气图上环流系统有更好的指示能力。过去很多的对暴雨事件的研究都做单一例子的诊断分析。这往往带有研究方法不具普遍应用意义。本文用1998年发生在中国东部地区的41日次区域暴雨，分7类环流系统做了与暴雨落区对应关系的传统天气图与扰动天气图上四个基本大气变量的分布特征分析。这种大样本和多变量覆盖中国大范围的区域暴雨环流形势对比分析会增加预报员应用扰动天气图诊断和分析极端天气事件的信心和提高预报高影响天气事件的能力。基于本文的对比分析，可以总结出下列结论和建设性的建议。

在传统天气图上，区域暴雨多位于低空急流的左侧和切变线的右侧，但在扰动天气图上，区域暴雨就位于对流层扰动辐合线上，扰动辐合线两侧的气流强度相当，方向相反。在总的高度场上，我国西南地区气候上存在的西南涡和东南部地区的气候副热带高压环流会大大改变真正与暴雨落区有直接关系的扰动低值系统，而区域暴雨就位于低层大气高度扰动的低值中心和槽线上。总温度场对区域暴雨落区没有指示意义，但温度扰动的冷暖对比零线上往往是区域暴雨的落区。对流层的低层大气中，总比湿范围比暴雨区大很多，在去掉气候湿度后的湿度扰动场上有限的湿度扰动大值带与暴雨落区有密切的联系。

对流层大气中的扰动环流结构和扰动变量的中心值分布是观测大气资料和模式产品中客观存在的。只是原始场中同时包含了气候和扰动，而气候部分大大影响了预报员对极端天气事件对应大气中扰动信号的准确识别。我国东部地区常常出现南方气旋和北方气旋。分解后的扰动南方涡旋位置主要存在于400 hPa以下的对流层中(图 3b)，其北侧华北地区上空有一个扰动高压垂直伸展到对流层和平流层中。与南方扰动涡旋不同，北方扰动涡旋(图 8b)的深度可以到达对流层上部，而在其南侧的我国南方地区为深厚的扰动高压。无论在哪一种合成暴雨型的变量垂直剖面分布上，或者每个时刻的变量垂直剖面分布上，那些高度扰动和温度扰动都满足静力平衡关系，即用高度扰动的空间分布可以计算出温度扰动的空间分布(Qian et al，2015b；Qian et al，2015c)。在高度正(负)扰动的下方对应为高(低)温扰动，而在上方为低(高)温扰动。本文统一分析850 hPa层的高度扰动、温度扰动、风扰动和湿度扰动不是一个最佳做法。对区域暴雨落区的诊断，高度扰动和温度扰动在南方沿海地区取925 hPa可能更合适，而湿度扰动取700 hPa更好。在我国西南和长江上游地区，由于气候上西南涡的存在和高原东坡地形的影响，所取的高度也不能定在850 hPa上。不过，我们给相关气象台提供的分解软件可以很容易地让预报员看到扰动系统在不同气压层上的表现。这些需要当地预报员的实践总结与应用。

虽然传统的天气图被现代数值天气预报及其产品代替了，但用观测资料和数值模式的预报产品绘制扰动天气图会提高预报员判断区域暴雨落区的水平。虽然美国的全球分析FNL资料在6 h后才能得到，对它的分解绘制的扰动天气图及其连续跟踪也能比较好地判断当前和未来区域暴雨的位置。我国地市级气象台可以实时地获得未来10 d内的欧洲中期模式0.25°和0.75°经纬格点空间分辨率的预报产品了。2010年春夏，我国东部地区发生了几十场的区域性暴雨，欧洲模式能够提前6.7 d预报出影响这些区域暴雨的扰动环流系统(Qian et al，2013)。因此，利用欧洲中期模式预报的低层高度扰动量、温度扰动量、风扰动量和湿度扰动量可以建立预报未来区域暴雨的落区指标和环流型。此外，本文所用的41日次区域暴雨也同样用在了区域暴雨的动力学诊断分析中(Qian et al，2015a)。另外设计的湿涡度和湿散度可以结合数值预报产品对暴雨落区做客观的诊断。