重力波引發(fā)的局地暴雨天氣過程的預(yù)報(bào)方法

重力波引發(fā)的局地暴雨天氣過程的預(yù)報(bào)方法

天氣形勢(shì)分析局部降雨具有突然強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短、雨強(qiáng)、雨區(qū)散等特點(diǎn)。在短期風(fēng)暴和冰害等危險(xiǎn)天氣，可能會(huì)造成巨大的損害。由于局地暴雨往往發(fā)生在弱天氣系統(tǒng)影響或者預(yù)報(bào)指標(biāo)征兆不明顯的條件下,由中-β尺度甚至是更小的中-γ尺度對(duì)流系統(tǒng)引發(fā),預(yù)報(bào)難度較大。對(duì)造成重大災(zāi)害和影響的突發(fā)性局地暴雨,很多氣象工作者從不同角度分析了其形成原因及中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展機(jī)制,如孫繼松Uccellini等1氣體狀態(tài)方程由于重力波產(chǎn)生的對(duì)流單體尺度較小,可以忽略地球旋轉(zhuǎn)的影響,即消除科氏力。與此同時(shí),大氣在垂直方向不滿足靜力平衡其中位溫θ利用氣體狀態(tài)方程可寫為利用小擾動(dòng)法將變量表示為平均狀態(tài)和擾動(dòng)2部分:其中且大尺度系統(tǒng)的位溫滿足(5)式:對(duì)于任意小的正數(shù)ε有l(wèi)n(1+ε)≈ε,(10)式中因?yàn)橹亓Σㄓ筛×Ξa(chǎn)生,對(duì)于浮力運(yùn)動(dòng),氣壓變化對(duì)密度擾動(dòng)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于溫度變化引起的密度擾動(dòng),即線性化后的(1)~(4)式為:(13)式對(duì)z求偏導(dǎo)數(shù),(14)式對(duì)y求偏導(dǎo)數(shù),之后兩式相減得:其中2石家莊避雨事件2.1降水分布地區(qū)2011年8月9日22時(shí)至10日02時(shí)(北京時(shí)),石家莊市區(qū)出現(xiàn)了局地大暴雨天氣,近4h內(nèi)市區(qū)觀測(cè)站降水量達(dá)到127.7mm。此次暴雨過程的主要特點(diǎn)是:(1)持續(xù)時(shí)間短,雨強(qiáng)大。市區(qū)強(qiáng)降水僅維持4h,其中23~00時(shí)為雨強(qiáng)最大時(shí)段,觀測(cè)站1h最大降水量達(dá)67.1mm,之后1h降水量也超過30mm(圖1);(2)暴雨區(qū)相對(duì)孤立,降水分布局地性強(qiáng)。石家莊大部分地區(qū)出現(xiàn)降水,但雨量分布不均,僅有4個(gè)區(qū)域加密站雨量超過50mm,大暴雨區(qū)主要集中在市區(qū)西南側(cè),且降水范圍不足20km×20km,是一次典型的中-β尺度雨帶中的中-γ尺度對(duì)流系統(tǒng)引發(fā)的大暴雨(圖2);(3)暴雨區(qū)主體沿地面輻合線分布,并且隨著輻合線的運(yùn)動(dòng)而東移(圖略)。2.2天氣形勢(shì)分析2011年8月9日08時(shí)500hPa高空?qǐng)D上(圖略),大陸高壓控制河北以西大部分地區(qū),副熱帶高壓呈塊狀位于120°E以東,兩高之間為東北—西南向的低槽,槽線位于冀魯交界處。700hPa相應(yīng)位置也存在一條切變線。850hPa切變線分為2條,一條位于冀魯交界,與500hPa槽線、700hPa切變線位置對(duì)應(yīng),另一條位于河北北部40°N附近。地面圖(圖略)上,河北與內(nèi)蒙古交界處有一條近似東西向的冷鋒正緩慢南壓。9日20時(shí),隨著副高西北進(jìn),500hPa槽線、700hPa和850hPa切變線近似垂直,地面弱冷鋒在南壓過程中,觸發(fā)河北北部的強(qiáng)對(duì)流發(fā)展。降水前期,925hPa上河北中南部地區(qū)的比濕>16g/kg,石家莊處于水汽通量輻合中心,表明低層大氣已經(jīng)充分具備強(qiáng)降水發(fā)生的水汽條件。在降水開始前,石家莊地區(qū)為大范圍對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)域,由9日20時(shí)1°×1°NCEP再分析資料得到平均CAPE值>1500J/kg,由探空觀測(cè)可知南部的對(duì)流有效位能超過3000J/kg,能量充沛且影響范圍廣,使暴雨的發(fā)生具備了潛在的可能性。2.3不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)重力波傳播規(guī)律8月9日午后開始,冷鋒在河北北部的張家口、承德一帶激發(fā)出多個(gè)孤立的中-β尺度對(duì)流單體,此后這些單體隨著鋒面系統(tǒng)的南壓向南移動(dòng),由于單體與單體之間的相互反饋以及合并作用,在南移過程中逐漸加強(qiáng)并形成較大尺度的中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCS,同時(shí)系統(tǒng)的分布與移動(dòng)始終與地面輻合線保持一致。9日20時(shí),對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)到燕山以南,系統(tǒng)前部(南側(cè))為弱東風(fēng),后部由于冷空氣堆積產(chǎn)生較強(qiáng)東北風(fēng),地面平均風(fēng)速≥6m/s,這一邊界層風(fēng)場(chǎng)輻合在MCS前部形成強(qiáng)烈的陣風(fēng)鋒,之后鋒面系統(tǒng)在低層?xùn)|北風(fēng)的引導(dǎo)下轉(zhuǎn)向西南偏南方向推進(jìn)(圖3)。強(qiáng)烈陣風(fēng)鋒于22時(shí)后激發(fā)出重力波,本次大暴雨過程即是重力波和陣風(fēng)鋒共同作用產(chǎn)生的。由雷達(dá)風(fēng)廓線(圖略)分析可知,陣風(fēng)鋒向上可達(dá)2km高度,從傍晚一直持續(xù)到夜間,遍歷河北中南部大部分地區(qū)。由雷達(dá)回波(圖4)分析可知,9日22:06強(qiáng)回波主體位于石家莊西北部山區(qū),距離市區(qū)30km,陣風(fēng)鋒位于北部,距離市區(qū)20km,此時(shí)市區(qū)附近沒有回波發(fā)展。僅一個(gè)體掃后(22:12),陣風(fēng)鋒后部的回波主體向南傳播出至少4個(gè)可分辨的孤立單體,這些單體自北向南強(qiáng)度依次減弱、尺度依次減小、近乎等間距排列,為重力波的傳播產(chǎn)生(圖4左),該回波序列穿過石家莊市區(qū)西側(cè)。由經(jīng)過4個(gè)單體的垂直剖面圖(圖4右)可見,2011年8月9日22:06由主體(左側(cè))回波內(nèi)分離出小尺度單體,22:12開始各個(gè)單體按等間距排列,并且向陣風(fēng)鋒的前上方傳播,但其傳播距離有限,22:24之后,后部的主體逐漸減弱,前部的回波單體逐漸加強(qiáng),此后重力波特征逐漸消失,維持時(shí)間較短,這一現(xiàn)象符合重力波的傳播原理此后,陣風(fēng)鋒繼續(xù)向西南偏南方向移動(dòng),上述回波單體群在陣風(fēng)鋒的促進(jìn)下發(fā)展加強(qiáng)。22:20陣風(fēng)鋒經(jīng)過石家莊市區(qū),原先市區(qū)西側(cè)激發(fā)的單體在鋒面系統(tǒng)的進(jìn)一步抬升作用下,面積迅速增大,加強(qiáng)發(fā)展成中-β尺度對(duì)流系統(tǒng),由于其發(fā)展前后回波核在垂直方向沒有明顯的上升、下沉,對(duì)其做剖面分析可知,該降水回波屬于熱帶型降水,降水效率較高,最強(qiáng)回波強(qiáng)度達(dá)到50~55dBZ,根據(jù)Z/R關(guān)系估計(jì)雨強(qiáng)>100mm/h3地面自動(dòng)站觀測(cè)法夏季石家莊地區(qū)由陣風(fēng)鋒等系統(tǒng)激發(fā)出的重力波經(jīng)常產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣,并伴隨著不同程度的氣象災(zāi)害,而對(duì)于重力波擾動(dòng)源、傳播方向、方位的研究并沒有得到足夠重視,且對(duì)其準(zhǔn)確把握也有一定困難。近年來,一些預(yù)報(bào)專家提出重力波的傳播路徑與地面輻合線具有一致性,始終沿著輻合線的走向發(fā)展,因此可以利用地面自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析地面輻合線以及陣風(fēng)鋒等觸發(fā)系統(tǒng)的相應(yīng)位置,將鋒面與輻合線的交叉處作為波動(dòng)的源頭,并沿著輻合線傳播出去。但是,通過對(duì)多次暴雨過程的分析發(fā)現(xiàn)(例如8月9日個(gè)例),重力波在地面輻合線出現(xiàn)之前已經(jīng)生成,這一現(xiàn)象說明:(1)對(duì)于輻合線出現(xiàn)較晚的過程,無法通過實(shí)時(shí)分析地面輻合線的方法預(yù)判出重力波發(fā)生的可能性;(2)地面輻合線與波動(dòng)的發(fā)展僅僅具有對(duì)應(yīng)關(guān)系,并沒有因果關(guān)系;(3)重力波并不一定由輻合線等系統(tǒng)激發(fā),甚至可能是波動(dòng)發(fā)展的伴隨現(xiàn)象,為波動(dòng)的傳播提供有利的通道。圖5是對(duì)2011年8月9日石家莊大暴雨開始前的自動(dòng)站實(shí)況分析,可以看出,石家莊市區(qū)西南部處于高能區(qū)內(nèi),位溫向四周逐漸減小,市區(qū)北側(cè)有一明顯的位溫梯度大值區(qū)(ue0baθ≥6K/100km),為一顯著的斜壓區(qū),有利于擾動(dòng)發(fā)展4重力波與地面輻合線的關(guān)系(1)重力波的傳播路徑應(yīng)與位溫脊線一致,但波動(dòng)既可以從高位溫一側(cè)向低位溫一側(cè)傳播,也可以反方向傳播。(2)利用地面資料分析等位溫線,可以找出作為預(yù)報(bào)波動(dòng)傳播路徑、距離的依據(jù)。(3)重力波的傳播與地面輻合線雖有對(duì)應(yīng)關(guān)系,但并不一定由輻合線產(chǎn)生,其出現(xiàn)可能是波動(dòng)的伴隨現(xiàn)象。(4)2011年8月9日石家莊局地暴雨,是受到陣風(fēng)鋒的作用,