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2003.6.25南昌特大暴雨分析及模拟研究
毛连海 ， 郭达烽 ， 刘 芳
（江西省环境预报中心，江西 南昌 330046)
摘 要：
对2003年6月25日南昌特大暴雨的环流形势、部分物理量作初步成因分析，并在不同初始边界条件下分析其模拟结果，力图对模式改进和预报特大暴雨的着眼点提出一些初步的想法。
关键词： 暴雨 分析 模拟 研究
中图分类号：P458.1＋21.1；P437 文献标识码：Ａ
文章编号：1007－9033(2003)04－0015－04
２００３年６月２４～２８日，江西省出现了１次连续暴雨过程。６月２４日０８时～２８日０８时，总共有８０个站次雨量超过５０ｍｍ，３９个站次雨量超过１００
ｍｍ。尤其是６月２４～２５日，赣北大部出现了暴雨、局部大暴雨或特大暴雨的天气过程。大降水主要集中在南昌地区附近，过程降水以南昌县４４５ｍｍ为全省之最。６月２４日１４时～２５日１４时，莲塘、南昌、进贤和新建的２４
ｈ雨量分别为４０３ ｍｍ、３０９ ｍｍ、２２０ ｍｍ和２１０ ｍｍ，５站平均雨量高达２５７ｍｍ，为历史罕见。
１ 形势场分析
从５００
ｈＰａ图上可以看出，２４日０８时丹东附近有个５５７位势什米的低值中心，并存在由其中心向南伸出的东亚沿海大槽。另外，贝加尔湖有个５５４位势什米的低值中心，并伴随其有一明显的横槽，乌拉尔山附近阻塞高压形势明显。该形势在其后的２５日，正是横槽甩下影响江西的主要时段。东亚大槽基本稳定在１２５°Ｅ附近。低纬印度半岛上有一低压存在，其东面是西太平洋副高。降水区位于副高的西北象限。分析副高的变化得知：在６月２３日２０时以前，５８８线穿过江西中部，且比较稳定；２４日０８时，副高北界已南退到广东境内；而到了２５日，整个副高已分裂成几个小高压，且都分布在华南沿海，同时有小槽不断东移，这是造成强降水的重要原因。
在８５０
ｈＰａ图上，２４日０８时～２５日２０时，切变稳定位于江西省北部沿长江流域；２６日０８时切变北抬到３２°Ｎ，对应着全省的降水一度减弱；到２７日０８时，切变又南压到江西的北部，全省降水又趋于明显。８５０ｈＰａ图上２４日０８时辐合在赣北（南昌以北），２０时赣北辐合维持，赣南至南昌风速南北辐合出现１０
ｍ／ｓ的中心，中心在南昌；２５日０８时维持，２０时北抬，辐合中心的移动和变化与降水的强度相符合。进一步从９２５ｈＰａ图上来看，２４日０８时～２０时，气温从２５
℃下降到１９ ℃，达６ ℃之多，南北风速辐合有１２
ｍ／ｓ之大。可见北方冷平流势力较为强盛，同时由于南面暖湿气流也十分活跃，江西北部正是冷暖气流交汇的中心地带。
地面图上，２４日０８时有一明显的冷锋南下影响我省，２４日下午～２５日?熏锋面一直维持在南昌附近，２５日０８时南昌附近有一明显的温度梯度高值区。
２ 物理量场分析
２．１ 水汽条件分析
２４日起，在７００、８５０
ｈＰａ实况水汽通量图上，有１个呈西南——东北向的大值区，其中心轴穿过江西北部；到２５日１４时，７００ｈＰａ在南昌附近有个中心值，为１６
ｇ／ｓ·ｃｍ·ｈＰａ；８５０ ｈＰａ在南昌附近有个中心值，为３２
ｇ／ｓ·ｃｍ·ｈＰａ，南昌及以北有一水汽通量锋区；５００ｈＰａ也有与此相类似中心轴。由此可见，有源源不断的水汽向江西北部输送，尤其是低层。另外，分析８５０、７００、５００
ｈＰａ相对湿度，也有东西向的大值轴位于江西。在８５０～５００ｈＰａ实况图上，江西大部为水汽辐合区，区内湿度很大，温度露点差都接近饱和。从８５０
ｈＰａ比湿图上可见江西境内普遍＞１０ ｇ·ｋｇ－１，部份高达１６
ｇ·ｋｇ－１。由此可知水汽条件极有利区域暴雨的发生。
２．２ 动力条件分析
我们分析了２５日２００、５００、７００、８５０
ｈＰａ垂直速度图，发现赣北附近均为垂直上升气流，并在２５日１４时达到最强，其值＜－１５６×１０－３ｈＰａ·ｓ－１，在５００、８５０
ｈＰａ均有垂直上升中心（或轴）。而且此次过程上升气流十分强盛，直到２００
ｈＰａ南昌附近还有较大的上升气流中心。再看涡度分析图，发现从２４日开始，赣北上空５００、７００、８５０ｈＰａ均为正涡度区，且各层正涡度一般＞４×１０－４
ｓ－１，７００ ｈＰａ ２５日１４时达１２×１０－４ ｓ－１。可见７００ ｈＰａ较大的垂直上升速度和中低层的正涡度为出现暴雨提供了良好的动力条件。
２．３ 热力、不稳定能量、位涡和Ｑ矢量分析
分析发现，在过程的每一天江西北部都有１个东西向的高能舌，且５００、７００、８５０ｈＰａ的θｓｅ值普遍＞７２
Ｋ，并随层次的上升其值减小。而在２５日０８～１４时，南昌附近垂直梯度最大，由?鄣θ／?鄣ｚ＜０说明赣北位势不稳定。再从Ｋ指数来分析，以南昌为中心有一东西向的轴，其中心值均＞４０
℃。从演变情况分析，θｓｅ和Ｋ指数２５日１４时为最大，和强降水时段相对应。
２４日和２５日不稳定能量很强，尤其是南昌。除低层很强的暖湿气流引起对流不稳定外，２４日２０时８５０ｈＰａ风速从６ ｍ／ｓ增至２５日２０时１８
ｍ／ｓ。在该时段内因风速的突变易引起非线性对称不稳定，且２４日和２５日０８时在热成风方向上湿度增大和５００ ｈＰａ以下强的?鄣Ｖ／?鄣ｐ引起Ｒｉ＜１?熏Ｓ＝()＜０且非常小，导致线性对称不稳定，有利加强斜上升气流。另外，对流云尤其是２４日下午和２５日旺盛引起了第二类条件不稳定，即ＣＩＳＫ机制。
根据干位涡ｐｖ＝－ｇ(ζ＋ｆ)?鄣θ／?鄣ｐ＋ｇ(?鄣ｖ／?鄣ｐ×?鄣θ／?鄣ｘ－?鄣ｕ／?鄣ｐ×?鄣θ／?鄣ｙ)计算结果表明?熏２３～２５日江西强低空冷空气侵入江西，中低层有高位涡柱存在。用湿位涡公式ｍｐｖ＝－ｇ(ζ＋ｆ)?鄣θｓｅ／?鄣ｐ＋ｇ(?鄣ｖ／?鄣ｐ×?鄣θｓｅ／?鄣ｘ－?鄣ｕ／?鄣ｐ×?鄣θｓｅ／?鄣ｙ)计算高低层湿位涡随时间分布情况?熏可以发现暴雨落区最大暴雨前，如２４日下午前南昌市(１１６°Ｅ)附近(ζ＋ｆ)＞０、?鄣θ／?鄣ｐ＞０?熏?鄣ｖ／?鄣ｐ＊或?鄣ｕ／?鄣ｐ＜０、?鄣θｓｅ／?鄣ｙ＜０、?鄣θｓｅ／?鄣ｘ＞０、湿位涡ｍｐｖ有较大负值。尤其是后２项位涡加大有利斜压涡度和斜上升气流加大，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。
Ｑ矢量散度?荦Ｑ＝－１／２?荦２(σω)－１／２ｆ２?鄣２ω／?鄣ｐ２αω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，我们发现本次暴雨过程也有类似的分布特征，但低层７００
ｈＰａ和８２５ ｈＰａ更明显，中心在南昌附近。
３ 模拟分析
图１是２４日０８时用Ｔ２１３作边界条件预报２４日０８时～２５日０８时的降水量。由图１可知，＞１００ｍｍ的降水在上饶南部，但实况在宜春北部至上饶西部，中心在高安和南昌，雨带一致，中心预报偏东。这在高低空资料齐全、Ｔ２１３资料０８时不太全的情况下，预报效果还可以。图２是２４日０８时用固定边界条件预报２４日０８时～２５日０８时的降水量图。图２的模拟结果与Ｔ２１３作时边界条件预报差不多，说明在这次暴雨过程中边界条件影响不大。图３是ＭＭ５模拟结果，图３中的雨带及中心预报和实况一致，但强度偏小。
图1
24日08时MRM（T213边界条件）预报24日08时～25日08时降水（单位mm）
图2
24日08时MRM2（固定边界）预报24日08时～25日08时降水（单位mm）
图3 24日08时MM5预报24日08时～25日08时降水（单位mm）
图4a 24日20时T213资料齐全情况下MM5结果
图4b 24日20时T213资料齐全情况下MRM2（固定边界）模拟结果
图４ａ、ｂ是在２４日２０时Ｔ２１３资料齐全情况下２种模式计算的结果。从结果看，ＭＲＭ２模式２０时预报不如０８时预报好。可能与２０时预报的初始场常规报文资料要少大约２０个站有关。因为缺报文对预报结果影响极大。ＭＭ５模拟结果好一点，因为ＭＭ５网格距小，可用前后和周围平均场补实况资料，特别是南昌市１００、２００、３００ｈＰａ实况资料。
图５是用２５日０８时资料以固定和Ｔ２１３时变边界条件模拟的结果。从图５可以发现，ＭＲＭ２模拟结果较好，预报２５日０８时～２６日０８时降水量＞１００ｍｍ的降水出现在南昌至上饶南部，实况稍偏北和偏西，中心在南昌及以北，雨带基本一致。而ＭＭ５模拟结果略差。
 
a MRM2（固定边界）模拟结果
b MRM2模拟结果
图5 25日08时2种模拟结果
从以上模拟分析可见，高低空及地面实况资料对模式预报结果的影响是最主要的，资料齐全与否差别也较大。其中资料齐全效果好的多，如所取站点数增多，将会更好。而模式的分辨率是次要的?熏
分辨率高时即网格距小时略好，Ｔ２１３边界条件和固定边界条件对短时（１２
ｈ内）预报影响不是很大，两者差不多或前者略好，而较长时间的模式预报效果则取决于Ｔ２１３预报结果的好坏。如Ｔ２１３预报结果较准时，有Ｔ２１３边界的模式则好；反之，则不如固定边界模式。
由于中尺度暴雨模式ＭＲＭ２在模式结构（η坐标、包络地形、Ｅ网格、时变边界）、物理过程、前处理（最优插值客观分析方法可以利用国家气象中心Ｔ２１３谱模式预报场作为初估场)等方面作了全新的设计，因此在降水预报方面，尤其是暴雨、大暴雨的预报有了明显的提高，模式水平分辨率约为１８
ｋｍ，模式范围为１００～１２５°Ｅ、２０～４５°Ｎ，对中—α尺度系统及部分中—β尺度系统的发生、发展能较好地描述，可提高大暴雨预报的准确率。该模式在这次预报模拟中，报出的大暴雨较其它模式好。但和许多模式一样，它仅仅预报的是可降水量，和实际云产生降水不一样。另外，可引起降水加强的一些因素，如位涡和对称不稳定，尤其是非线性对称不稳定等的动力机制在该模式中没考虑，从而导致ＭＲＭ２模式有时预报的降水中心偏差大。因此在实际应用中，应注意将模式的大降水预报、低层中尺度系统预报、实况形势场和其它模式结果结合起来判断大降水中心。
根据本次过程模拟分析得知，在当前模式条件下，模式结果应适当考虑真实地形作用、位涡和对称不稳定，尤其是非线性对称不稳定等动力机制引起的降水误差。要更好地使用模式及运用其预报结果，在有条件时应使用更真实的地形和物理过程，并改进方案参数，用增加站点资料等进行初始资料处理，用好的边界条件，并增加垂直层次，提高时间和水平网格分辨率及其它方面来改进模式，从而提高降水和低层气象要素方面的预报准确性。
４ 结语
(１)
南昌发生特大暴雨的条件是高低空空气接近饱和状态?熏南昌上空有充足水汽条件来源和长时间辐合，中低空有强风速辐合和地面有强静止锋在南昌。
(２)
ＭＲＭ２可模拟出大暴雨。今后应从初始资料处理、地形处理、方案参数和物理过程改进、提高分辨率、用好的边界条件等许多方面来提高该模式在降水和低层气象要素方面的预报准确性。
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收稿日期：2003年9月22日
改回日期：2003年10月26日
第一作者简介：毛连海（1968－），男，高级工程师，硕士，主要从事天气预报研究。 |
