4月9～13日连续暴雨和强对流天气过程成因分析和MRM2等模式预报性能检验

4月9～13日连续暴雨和强对流天气过程成因分析
和MRM2等模式预报性能检验

毛连海１，刘志雄２，郭达烽１

（１．江西省环境预报中心，江西南昌 330046；２．湖南省娄底市气象局，湖南娄底　417000）

　　摘　要：对４月１０～１３日形势场进行分析，认为西南暖湿气流和北方冷空气在江西交汇，以及在高低空急流和风速风向辐合的有利配合下，低层切变等引发对流、对称不稳定和第二类条件不稳定，在低空出现强涡度、辐合和上升气流则会出现强降水、雷雨大风等强对流天气。对各种模式预报结果进行比较，发现欧洲有风场预报优势，Ｔ２１３有大尺度物理量分析预报优势，ＭＲＭ２有中尺度对流强降水定点定量预报优势。
　　关建词：强对流　成因分析　预报性能　检验
　　中图分类号：Ｐ458.1＋21.1　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：1007－9033（2003）03－0017－03

１　实况形势场分析
　　９日０８时５００ｈＰａ槽在新疆，西藏至江西为平直气流，２０时快速南压至高原东部；１０日０８时移至四川与湖北交界处。江西处低槽前的西南暖湿气流中，西北部有大片的负变高区，中心值达－１５ｈＰａ。由于温度槽滞后高度槽１～２个纬距，经１２ｈ于１０日２０时低槽到达江西上空，达到最强。１１日低槽继续东移，１２日０８时又有一南支低槽位于重庆到贵阳一线，江西处低槽前更强的西南暖湿气流中，赣州西南风速达２８ｍ／ｓ。９日０８时７００ｈＰａ槽在甘肃至青海，２０时南压至高原东部，１０日移至湖北；１２日西昌到百色又有南支槽东移，江西处于槽前西南气流中。９日０８时８５０ｈＰａ槽在甘肃东部，江西南部有切变，２０时在四川有低涡槽，江西南部切变北抬；１０日０８时西南涡减弱成槽，移至江西西北部，其后随冷空气南下而影响江西；１１日槽北部演变成切变自湖北南部伸至江西北部，后北抬至安徽；１２日又南压回至江西，直至浙赣沿线，１２日２０时在上饶附近形成一低涡。８５０ｈＰａ切变的演变与江西降水强度的演变较一致。在低层９２５ｈＰａ上，１０日和１２日赣北都有风速辐合和风向切变，江西西北面有冷平流（图１）。风场高层多＞２０ｍ／ｓ，有较明显的高空急流低空有西南急流自南海伸至赣北，１０日、１２日江西北部处高空急流出口区的高低空急流耦合处。在这种形势下，低层低空急流造成暖湿空气输送，高空急流则造成干冷空气平流，从而加大了大气潜在不稳定，高低空急流耦合产生的次级环流上升的分支气流将触发不稳定能量的释放，这是江西强降水、强对流天气发生、发展的重要原因。地面１０日０８时江南为倒槽，江西北部有一辐合线，北方有冷空气扩散南下，这些都有利于江西降水的发生。１２日０８时北方较强的冷空气到达我省北部，１４时冷锋与辐合线合并，位于浙赣沿线，且在上饶附近形成１个低值系统，强天气就出现在冷锋附近。可见高低空西南急流、低空切变、风速辐合、冷锋等天气系统是这次强对流天气发生的水汽和动力源。

图1 4月10日和12日8时925hPa形势图

２　位涡、Ｑ矢量和不稳定能量分析
　　根据干位涡计算结果可以发现，１０日前高空有弱干侵入现象存在；１０～１３日低空冷空气侵入江西，低层有高位涡上传，尤其是后２项位涡加大有利斜压涡度和上升气流加大，即有利正涡度随时间和自低层向中层增大。实况涡度和冷空气演变与此相同，说明中低层上升气流在不断加强。
　　用湿位涡公式计算高低层湿位涡随时间分布情况发现暴雨落区中的最大降水前，如１０日和１２日南昌市附近湿位涡有较大负值（其中１２日０８时１个时次位涡分布如图２ａ所示），这些也有利于低层上升气流不断加强。
　　由于Ｑ矢量散度的分布与暴雨区上空５００ｈＰａ常对应着较强的负值散度区，最大暴雨中心与Ｑ矢量负值强中心相匹配。经过分析，我们发现本次暴雨、强对流过程也有着类似的分布特征，且１２日比１０日Ｑ矢量散度负值更大，１２日中心在南昌和上饶一带（图２ｂ）。

a 08时位涡 b 500hPa Q矢量散度
图2 12日8时位涡和500hPa矢量散度

　　１０日和１２日不稳定能量很强，低层很强的暖湿气流引起对流不稳定加大上升气流，９～１０日０８时７００ｈＰａ赣北风速突增１０ｍ／ｓ以上，引发了非线性对称不稳定。１０和１２日０８时在热成风方向上湿度增大，且５００ｈＰａ以下强的Ｖ／Ｐ引起Ｒｉ非常小，导致线性对称不稳定等，有利加大斜上升气流强度；对流云尤其是１２日旺盛引起第二类条件不稳定，即ＣＩＳＫ机制。大尺度流场通过摩擦边界层的抽吸作用，对积云对流提供了必需的水汽辐合和上升运动，反过来积云对流凝结释放的潜热又成为驱动大尺度扰动所需要的能量，从而导致小尺度积云对流和大尺度流场通过相互作用，相辅相成地都得到了发展。
３　ＭＲＭ２模式预报性能检验
３．１　ＭＲＭ２预报的降水量及性能比较
　　用ＭＲＭ２模拟，以４月９日２０时为起报时间，采用与Ｔ２１３谱模式嵌套，即采用时变边界条件，可以得到４月１０日０８时～１１日０８时预报及实况降水量（＞１０ｍｍ，下同），即得到图３。从图３可以看出，在南昌和上饶预报＞５０ｍｍ的暴雨区和实况相符。以１１日２０时为起报时间的１２日０８时～１３日０８时预报及实况降水量图４　还模拟出大暴雨 更与实况相符。以４月９日２０时和１１日２０时为起报时间，采用与Ｔ２１３谱模式嵌套，即采用时变边界条件，可得到间隔６ｈ降水预报，降水时间基本和实况相符１２日１４时南昌及附近出现暴雨，间隔１ｈ降水预报和实况出入大一些。分析日本８日传真图可知，１０日预报赣北有１９ｍｍ降水中心，预报９～１０日８５０ｈＰａ有切变北抬，１０～１１日预报１２日南昌附近有＞２０ｍｍ的强降水中心，降水量预报偏小。ＭＡＰＳ预报赣北１０日白天１２ｈ有６０ｍｍ和１２日白天有３０ｍｍ的强降水中心，１０日短时预报好于１２日，但１２日报出时效好于１０日，两者降水量预报都有偏差。总的来说，此次过程ＭＡＰＳ预报好于日本。

图3 4月10日08时～11日08时预报及实况降水量

图4 4月12日08时～13日08时预报及实况降水量

３．２　ＭＲＭ２预报的形势场及性能比较
　　１１日２０时预报１２日０８时和１２日１４时低层（８２５、９２５、１０００ｈＰａ和地面）形势场，也报出低层切变、小低涡和冷锋所在，和实况较为相符（图５）。９日２０时预报１０日形势结果分析也如此。

a 12日08时 b 12日14时
图5 低空形势场预报图

　　对ＭＲＭ２和ＭＭ５这２种中尺度模式的模拟输出结果进行分析，我们发现ＭＲＭ２在本文所讨论的连续暴雨过程中，对降水预报方面的模拟要高于ＭＭ５，而ＭＭ５在物理量场的模拟结果要优于ＭＲＭ２。以高度场为例，ＭＭ５模拟场与实况场的相对误差随高度的增加而减小，８５０、７００、５００、２００ｈＰａ的最大相对误差分别为３．７％、１．２％、０．６１％、０．５７％；而ＭＲＭ２对这几层的相对误差分别为４．２％、２．６％、１．５５％、１．２５％。在其它模拟场的模拟结果也存在类似的结果。另外我们在调整模式的过程中，发现改善初始场的质量（如在探空资料中加入特性层的资料，可以提高空气中水汽的含量，进而增大ＭＭ５模式的降水量）、提高模式分辨率对模拟结果都有一定的改进。由于客观条件的限制，我们没有进一步做定量的比较，这将是本工作需要进一步完善的内容之一。
　　８５０ｈＰａ欧洲４～９日风场预报赣北１０日有强辐合以及１２日有强辐合和低涡，位置预报时效达６ｄ，强度预报逐步接近实况。１０日和１１日预报１２日赣北也有强辐合且有低涡，位置与强度预报基本准确，大形势预报欧洲有较大优势。日本预报切变偏弱，形势预报偏差较其它大。Ｔ２１３预报１０和１２日赣北涡度、散度、上升气流、水汽通量散度等大尺度物理量场均有利降水。如４月９日Ｔ２１３７００ｈＰａ预报１２日上饶至南昌一带有极强上升气流（图６）。和Ｔ２１３比，大系统ＭＲＭ２受Ｔ２１３影响，位置等预报差不多，但Ｔ２１３高度和副高预报偏强，温度偏低。对此ＭＲＭ２有修正，ＭＲＭ２有报出中小尺度系统的优势。

图6 9日预报12日08时T213 700hPa垂直速度场

４　结语
　　（１）对４月１０～１２日形势场分析认为，西南暖湿气流和北方冷空气在江西交汇，以及在高低空急流和风速风向辐合的有利配合下，低层切变等引发对流、对称不稳定和第二类条件不稳定，在低空出现强涡度、辐合和上升气流则会出现强降水、雷雨大风等强对流天气。
　　（２）对各种模式预报结果比较发现，欧洲有风场预报优势，Ｔ２１３有大尺度物理量分析预报优势，ＭＲＭ２有中尺度对流强降水定点定量预报优势，各种模式必须取长补短。
　

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收稿日期：2003年07月18日改回日期：2003年08月15日
第一作者简介：毛连海（1968－），男，工程师，硕士，主要从事天气预报与研究。