利用模式輸出資料對武漢地區(qū)二度梅過程進(jìn)行時空變量場的分析

利用模式輸出資料對武漢地區(qū)二度梅過程進(jìn)行時空變量場的分析

1eof分析方法的應(yīng)用eof（經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)的分解方法）最初由1902年的統(tǒng)計(jì)家pearson提出。20世紀(jì)中葉，lorenz引入了基于空間研究的藥物研究。20世紀(jì)70年代中后期,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,EOF分解技術(shù)在氣候診斷中得以充分發(fā)展。特別是近十年來,EOF已成為氣候科學(xué)研究中分析變量場特征的重要工具之一,并取得了豐碩的研究成果。從前人工作可見,EOF分析方法大多用在對氣候尺度的研究中,而在天氣尺度研究中的應(yīng)用則幾乎沒有。分析其原因,主要是天氣尺度的觀測資料在時間上不夠稠密(一般高空一日兩次,地面四次),這樣資料集不豐富,使用EOF分析方法就存在困難。不過隨著地面自動氣象站的使用,這方面的問題可有所改善;此外,隨著數(shù)值模式的發(fā)展及其性能的提高,對模式輸出資料進(jìn)行EOF分析也是可行的(其在時間上可做到很稠密,故其資料集很豐富),這樣EOF也能作為一個診斷工具用于天氣尺度過程的研究。本文在該方面作了嘗試,利用模式輸出資料對一次暴雨過程的時空變量場作了EOF診斷分析,以此來研究暴雨發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制。2降水特征和數(shù)據(jù)分析本文選取1998年7月21～22日發(fā)生在武漢地區(qū)的一次持續(xù)性特大暴雨過程,也即長江流域“二度梅”的過程作為個例。7月19日至23日期間,長江流域中下游至日本南部,一直維持著一條地面準(zhǔn)靜止鋒,與700hPa上的切變線相對應(yīng)[如圖1a(圖1資料是由實(shí)際觀測資料客觀插值到網(wǎng)格面上得到的,時間為21日00時(國際協(xié)調(diào)時,下同)]。從7月19日18時開始,在107°E附近有低壓出現(xiàn),以后長江流域及以西均為呈西南-東北向的低氣壓區(qū)控制(圖1b),直到23日,這是非常有利于西南低渦形成和維持的地面形勢。500hPa為副熱帶高壓北側(cè)588線所控制,脊線穩(wěn)定在18°N附近,中高緯為“兩槽一脊”形式。同時四川至云貴高原有西南低槽,該槽相對穩(wěn)定,與對流層低層的低渦系統(tǒng)恰呈“北槽南渦”的配置。低渦與低槽均穩(wěn)定少動,這非常有利于西南低渦的發(fā)展。這種低層有較強(qiáng)輻合,高層有較強(qiáng)輻散的形勢十分有利于強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展。在這次持續(xù)性暴雨過程中,降水主要集中在長江流域中下游地區(qū),即集中在低渦和切變線附近。與低渦的移動方向和發(fā)展情況一致,雨帶逐漸向南向東移動。沿長江流域的切變線上有兩個強(qiáng)降水區(qū),極大值中心位于(29°N,107°E)和(30°N,114°E)附近,分別對應(yīng)川貴至兩湖以西地區(qū)和鄂東南地區(qū)。分析各測站逐時降水量,21日18時為暴雨臨近,22日00時,為暴雨盛期,暴雨中心在黃石市,以后暴雨減弱停止。本文利用一個有限區(qū)域η坐標(biāo)暴雨預(yù)報模式,模式以21日00時和22日00時的觀測資料作為初始場(其來源于“973專題暴雨個例數(shù)據(jù)集”中常規(guī)站點(diǎn)的觀測資料),各作24小時積分,且每小時輸出一次積分結(jié)果。從中選取21日07時～22日12時的30個樣本資料作為EOF分析的數(shù)據(jù)集,分析的區(qū)域?yàn)?20°N～45°N,100°E～125°E)。所用的η模式水平分辨率約為18km,垂直方向采用下密上疏的不等距分層,共分21層。該模式具有很好的計(jì)算穩(wěn)定性和暴雨模擬能力,對該過程的具體模擬情況這里不再贅述,請參見文獻(xiàn)。EOF(經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù))分析的具體做法參閱文獻(xiàn)。首先從上述模式各輸出場資料中用通常方法提取其對應(yīng)的擾動場,并對得到的擾動量的距平場作EOF分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)高度場H、假相當(dāng)位溫場θse和溫度場T的前幾個模態(tài)累計(jì)方差貢獻(xiàn)較大(見表1),故本文主要對這些場進(jìn)行討論。因EOF分析的本質(zhì)是將一個物理量場的演變分解成各正交模態(tài)的獨(dú)立演變過程,故該過程就反映了各獨(dú)立因子對該物理量演變的影響和貢獻(xiàn)。顯然,獨(dú)立因子越多,EOF分解的收斂速度就比較慢。并且,分解出的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)究竟是有物理意義的信號還是毫無意義的噪音,也應(yīng)該進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。這里采用North等提出的計(jì)算特征值誤差范圍的方法來進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。特征值λj誤差范圍為ej=λj(2n)12,(1)ej=λj(2n)12,(1)其中,n為樣本量,當(dāng)兩相鄰的特征值λj+1滿足λj-λj+1≥ej時,就認(rèn)為這兩特征值所對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)是有價值的。經(jīng)計(jì)算,位勢高度場的前二個模態(tài),假相當(dāng)位溫場的前八個模態(tài),溫度場的前三個模態(tài)均通過顯著性檢驗(yàn),其方差貢獻(xiàn)參見表1。下面,將對通過檢驗(yàn)的位勢高度和假相當(dāng)位溫的前兩個模態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析。3高度擾動場的時空分布特征3.1暴雨爆發(fā)前eof-1圖2給出了EOF分析得到的位勢高度擾動場第一模態(tài)的850hPa、700hPa和500hPa空間場和對應(yīng)的時間系數(shù),由圖可見,850hPa位勢高度擾動場的EOF第一主分量(EOF-1)的空間分布主要特征集中表現(xiàn)在一條沿西南-東北走向的負(fù)值區(qū)(圖2a的陰影區(qū)),其上有幾個負(fù)值中心,分別位于(24°N,107°E)、(29°N,114°E)和(33°N,118°E),在負(fù)值區(qū)兩側(cè)是與其相平行的正值區(qū)。700hPa位勢高度場的EOF-1的空間分布(圖2b)與850hPa的相似,只是其西南-東北的走向比850hPa的走向更接近于緯向,且負(fù)值較強(qiáng),中心范圍較大。而500hPa的EOF-1的空間分布則表現(xiàn)為在整個長江流域呈現(xiàn)大范圍的負(fù)值區(qū)(圖2c陰影區(qū)),負(fù)值中心呈緯向分布。注意這些正值區(qū)代表高壓(低壓)異常,負(fù)值區(qū)代表低壓(高壓)異常,具體異常取決于時間系數(shù)值符號的正負(fù)。圖2d給出的是與EOF-1相應(yīng)的時間系數(shù)曲線(這里從樣本中截取21日07時～22日06時的一段,為本次暴雨過程),由圖可見,在整個暴雨過程中,時間系數(shù)呈現(xiàn)由負(fù)到正的變化。暴雨爆發(fā)前(18時以前)時間系數(shù)為負(fù)值,且基本呈線性變化。而后,時間系數(shù)的數(shù)值為正且繼續(xù)增加,但增幅有所放緩。綜合考慮圖2并結(jié)合暴雨區(qū)及暴雨臨近、盛期和減弱期不難發(fā)現(xiàn),EOF-1的特征反映了與暴雨發(fā)生有關(guān)的高度場上的低值系統(tǒng),整個大環(huán)境背景場是鞍形場分布,暴雨區(qū)對應(yīng)在低層為低渦,在中、高層則為低槽。且在整個暴雨過程中,該低值系統(tǒng)一直在增強(qiáng),只是增長的幅度有所不同,即在暴雨臨近增強(qiáng)迅速,暴雨開始后,增強(qiáng)減慢。3.2eof-2與暴雨相軌線的關(guān)系850hPa位勢高度擾動場的EOF第二主分量(EOF-2)的空間分布如圖3a,主要特征集中表現(xiàn)為850hPa高度上在26°N～36°N區(qū)域的人字形負(fù)值區(qū)(此時暴雨雨區(qū)中心位于人字相交處稍偏南的位置)。到700hPa高度上則成為近似東西向分布的負(fù)值區(qū)(圖3b),而到500hPa負(fù)值區(qū)已經(jīng)退到西南象限(圖3c),中心位于(24°N,106°E)附近,位于暴雨雨區(qū)的西南側(cè)。由此,不難發(fā)現(xiàn)EOF-2是與人字形切變線(西部為冷式切變,東部為暖式切變)相聯(lián)系的。此時,與EOF-2相應(yīng)的時間系數(shù)曲線(圖3d)呈現(xiàn)半波的變化形式,即暴雨前(18時以前)呈現(xiàn)由負(fù)到正的變化,而18時以后則又呈由正到負(fù)的變化。這就說明,在暴雨前,冷空氣南下,切變線增強(qiáng),有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展,暴雨發(fā)生后,切變線明顯減弱,暴雨由強(qiáng)盛轉(zhuǎn)入消亡。分析還發(fā)現(xiàn),EOF-2相軌線的上述轉(zhuǎn)折相對于暴雨的由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱具有一定的超前性(見后文分析)。EOF第2主分量的空間分布相應(yīng)于在低層表現(xiàn)明顯的切變線系統(tǒng)。3.3暴雨的主要影響因素分析圖4給出用位勢高度擾動場前兩個主分量EOF-1和EOF-2的時間系數(shù)構(gòu)成的平滑后的相軌線,其反映了狀態(tài)相點(diǎn)在相空間中的復(fù)雜運(yùn)動。由圖4可見,整個暴雨過程中相點(diǎn)沿近似拋物線軌跡運(yùn)動。在暴雨臨近階段至暴雨加強(qiáng)期(18～23時),相點(diǎn)位于第1象限,即EOF兩主分量正相關(guān)。配合時間演變圖可知,此時EOF兩主分量所代表的天氣系統(tǒng)都在不斷加強(qiáng)。而到暴雨強(qiáng)盛期以后,相點(diǎn)則移動到第4象限,此時EOF兩主分量負(fù)相關(guān)。EOF-1表示的低壓系統(tǒng)繼續(xù)在增強(qiáng),而EOF-2所代表的切變線系統(tǒng)卻迅速減弱。另外,由圖2和圖3對比發(fā)現(xiàn),EOF-2的負(fù)中心比EOF-1的負(fù)中心位置偏向西南,由它們組成的相空間如圖4中箭頭所表示的順時針旋轉(zhuǎn),相當(dāng)于低空負(fù)值區(qū)向東傳,即低渦東傳。由此可認(rèn)為,EOF-1代表暴雨大的環(huán)境背景場,而EOF-2則為本次暴雨的主要形勢場。在整個暴雨過程中,環(huán)境背景場所表現(xiàn)的低值系統(tǒng)一直在增強(qiáng),在暴雨前,增強(qiáng)迅速,暴雨開始后,增強(qiáng)減慢。EOF第2主分量的空間分布在低層表現(xiàn)為明顯的切變線系統(tǒng)。在暴雨臨近階段,EOF-1與EOF-2兩者正相關(guān),激發(fā)暴雨,后期則兩者負(fù)相關(guān),致使本次暴雨趨于減弱結(jié)束。在本例中由于環(huán)境背景場所表現(xiàn)的低值系統(tǒng)一直在緩慢增強(qiáng),這可能為下一場暴雨的爆發(fā)積聚能量。4暴雨過程中的相穩(wěn)定區(qū)分析850hPa假相當(dāng)位溫?cái)_動場的EOF第一主分量(EOF-1)的空間分布(如圖5a),主要特征是集中表現(xiàn)在沿32°N區(qū)域的東西向分布的狹長正值區(qū),以及西南象限的負(fù)值中心。結(jié)合假相當(dāng)位溫平均場的分布特點(diǎn),在500hPa以下,除了切變線北側(cè)有一條狹長的穩(wěn)定帶以外,其余均為位勢不穩(wěn)定區(qū)。在切變線附近為弱位勢不穩(wěn)定區(qū)。強(qiáng)位勢不穩(wěn)定中心隨高度向西傾斜。因此,當(dāng)切變線狹長穩(wěn)定區(qū)內(nèi)由于濕熱成風(fēng)不適應(yīng)而激發(fā)的各種尺度重力波向外傳播進(jìn)入切變線附近的弱位勢不穩(wěn)定區(qū)時,中間尺度擾動將可能發(fā)生不穩(wěn)定增長。由此可見,假相當(dāng)位溫?cái)_動場的EOF-1的這一特征是與位勢不穩(wěn)定相聯(lián)系的。配合考慮相對應(yīng)的時間系數(shù)演變可見,在本次暴雨過程中存在位勢不穩(wěn)定,并持續(xù)增強(qiáng)。而850hPa假相當(dāng)位溫?cái)_動場的EOF第二主分量(EOF-2)的空間分布特征則表現(xiàn)為明顯的南北走向的正負(fù)中心相間分布(圖5b)。顯然這是由于西南暖濕氣流向北輸送水汽造成的。而且與此相對應(yīng)的時間系數(shù)演變呈拋物線的變化形式,即暴雨前(18時以前)增強(qiáng),而18時以后隨著暴雨的強(qiáng)盛而減弱。用上述兩個主分量的時間系數(shù)作二維坐標(biāo)所構(gòu)成的相軌線見圖6,其與位勢高度擾動場的一致,整個暴雨過程中相點(diǎn)沿拋物線軌跡運(yùn)動。即在暴雨臨近階段至暴雨加強(qiáng)期,EOF兩主分量正相關(guān),而到暴雨強(qiáng)盛期,EOF兩主分量負(fù)相關(guān),促使本次暴雨趨于減弱結(jié)束。5對暴雨中尺度天氣動力學(xué)診斷的討論綜上所述,本文利用EOF分析方法剖析了這次暴雨過程的時空演變特征,得到以下主要結(jié)論:(1)EOF第1主分量的空間分布代表典型的暴雨環(huán)境背景場形勢。850hPa上低渦擾動明顯,700hPa、500hPa上有高空槽與之配合。對流層低層(850hPa)存在位勢不穩(wěn)定,是觸發(fā)暴雨的重要機(jī)制。在整個暴雨過程中,該系統(tǒng)穩(wěn)定增強(qiáng)。(2)EOF第2主分量的空間分布與人字形切變線(西部為冷式切變,東部為暖式切變)相聯(lián)系,是影響本次暴雨的重要形勢場。在暴雨爆發(fā)前,冷空氣南下,切變線低壓增強(qiáng),同時西南暖濕氣流向北輸送水汽,有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展。暴雨發(fā)生后,系統(tǒng)明顯減弱,暴雨也很快由強(qiáng)盛轉(zhuǎn)入消亡。(3)利用相軌線的分析方法,將主要模態(tài)的演變特征簡潔地表示在一張二維相空間圖上。分析發(fā)現(xiàn),暴雨過程中EOF-1和EOF-2的相點(diǎn)沿拋物線軌跡順時針運(yùn)動,在暴雨臨近階段,兩者正相關(guān),激發(fā)暴雨,后期兩者負(fù)相關(guān),切變線系統(tǒng)減弱,促使本次暴雨趨于減弱結(jié)束。但環(huán)境背景場所表現(xiàn)的低值系統(tǒng)一直在緩慢增強(qiáng),可能為下一場暴雨的爆發(fā)積聚能量。本文借鑒氣候研究中的方法,提出了對暴雨中尺度天氣進(jìn)行動力學(xué)診斷的新方法。因EOF分析方法自身的特點(diǎn),其各分量之間是正交的,即彼此相互獨(dú)立,故用EOF方法提取的各天氣形勢場也相互獨(dú)立