一次短时强降水过程的集合动力因子解释应用

李 烨， 云 天，王晓明

(1.吉林省气象局，吉林长春 130062；2.吉林省气象台，吉林长春 130062)



一次短时强降水过程的集合动力因子解释应用

李 烨1， 云 天2，王晓明2

(1.吉林省气象局，吉林长春 130062；2.吉林省气象台，吉林长春 130062)

利用吉林省数值预报集合动力因子预报系统资料和NCEP 1°×1°资料，针对2014年8月23～25日期间吉林省的几次短时强降水天气落区预报与吉林省数值预报产品之集合动力因子进行解释应用。结果表明，集合动力因子对短时强降水的落区预报有一定的指示意义，但整体较实际落区偏西；集合动力因子预报的单中心对降水落区的指示意义比较明确，西部单中心因子较多；多数集合动力因子在降水过程中均表现为衰减过程，只有个别情况动力因子信号有所增强；山区集合动力因子表现为较弱信号时也有短时强降水产生。

集合动力因子；短时强降水；落区；解释应用

随着数值天气预报模式的改进和预报员对模式性能的了解以及对降水过程机理理解的更加深入，短期降水预报的准确率稳步提升。但对于强对流天气引起的短时强降水，由于造成降水的中尺度天气系统空间尺度较小，生命史较短，降水具有局地性和短时间性等特征，预报难度大大提高。降水的预报分为落区预报与强度预报，其中落区预报失误是降水预报失误中最常见的一类[1-2]。吉林省降水类型多样，不同降水类型的形成机制各异，但它们的天气背景有一些共同特征。集合动力因子并结合暴雨动、热力学特点，充分利用数值模式对温、湿、压、风等基本气象要素预报比较准确的优势，建立多个包含动力、热力和水汽等信息的、有明确物理意义的动力因子，因此在降水落区方面，集合动力因子的预报技巧比模式自身的降水预报技巧略有优势[3]。Lilly[4]在分析对流体运动过程中首先使用螺旋度来描述风场的旋转性。Gao等[5]提出了对流涡度矢量(CVV)的概念，认为CVV能够比位涡更好地表示深对流系统的发展。

2014年8月23～25日吉林省大部分地区出现短时降水，其中雨强>20 mm/h的降水站有柳河、辉南、和龙、前郭、乾安、梨树、辽源和孤家子，这些降水站的分布比较分散，分别位于吉林省的南部、西部和中部。这些短时强降水发生在一次降水过程中，天气尺度影响系统相同，如果忽略天气尺度系统发展的不同阶段对降水的影响，将此次过程根据地理位置分为西部平原地区、中部丘陵地带和东部山区的短时强降水。笔者以此次降水过程的3个不同地形地区的短时强降水为研究对象来分析吉林省的集合动力因子的预报效果。

1 降水过程简介

2014年8月23～25日，受500 hPa西风槽和低层西南暖湿气流的共同影响(图1)，在吉林省多地出现了短时强降水天气，小时雨强最大出现在乾安，为45.8 mm/h，其次为柳河(42.9 mm/h)和孤家子(38.1 mm/h)。

8月23日14：00～20：00吉林省受南支槽前的正涡度平流影响，低层在吉林省南部出现明显的西南风风速辐合(图1a1、b1)[6]，导致14：00柳河、辉南出现短时强降水(图2a)；24日14:00～17:00南支槽和北支槽合并，低层在吉林省西部出现明显的西北风和南风辐合(图1a2、b2)，因此在前郭、乾安等地出现短时强降水(图2b、c)；至25日凌晨，之前生成的闭合冷中心卷携冷空气南压，低层的辐合切变也随之南压至中部地区(图1a3、b3)，致使梨树、辽源和孤家子等多地出现短时强降水(图2d)。

2 集合动力因子特征分析

2.1 动力因子特征统计分析

分析发现(表1)，几乎所有的动力因子的预报均较降水站偏西，部分动力因子预报有多个中心，另外一部分动力因子只有一个中心。与螺旋度有关的4个动力因子(Hel、HelDen、HelQv、HelTh)在西部和南部的短时强降水预报中均没有表现；二级位涡(SecPV)、湿热力平流参数(Mtp)、垂直湿热力平流参数(VMtp)这3个动力因子在南部的短时强降水中没有表现，在西部和中部均有表现；水汽-垂直速度波作用密度(WaveQv)在西部的短时强降水中没有表现。针对西部的短时强降水总共有12个动力因子有表现 ，其中单中心的因子有5个，多中心的有7个；针对中部的短时强降水总共有17个动力因子有表现 ，单中心的因子有11个，多中心的有6个；针对南部的短时强降水总共有10个动力因子有表现 ，单中心的因子有6个，多中心的有4个。单中心对降水落区的指示意义比较明确，之所以中部单中心因子较多，可能与中部短时降水的动力、热力条件

表1 集合动力因子特征统计

注：多是指多中心，单是指单中心。

配合较好有关。因为中部发生短时强降水时高层有明显的冷空气南下，低层有明显的切变生成。说明动力因子的指示意义是否明确与天气系统的热动力配置也有关系。在先后出现3次短时强降水中均有表现的动力因子有Cvz、DivQ、TSap、Vor2、WaveDen、WavePte、WavePtQv、WavePvPte、WalphaDiv，占分析总数的53%。集合动力因子的中心最大值在出现短时强降水时表现均比较集中。

2.2 动力因子与短时强降水落区的关系

选择对先后出现的3次短时强降水均有表现的9个动力因子(Cvz、DivQ、TSap、Vor2、WaveDen、WavePte、WavePtQv、WavePvPte、WalphaDiv)分析其与短时强降水的落区关系。

2.2.1 对流涡度矢量(Cvz)。Cvz高值区大致能够反映实况强降水区域，其覆盖范围较雨区偏大、位置偏南，对于短时强降水落区有一定的预报意义。极值中心与实况强降水区域的对应关系并不十分显著，但总体上，Cvz的分布能够为强降水落区提供信号，在强降水落区预报方面具有一定的指示意义。Cvz在3次短时强降水中均表现有减弱的趋势。以23日为例，对南部降水的落区Cvz有指示意义的也不是最大中心值，而是一较弱的对流涡度矢量区，23日11：00～14：00其值由6×10-3～8×10-3(K·Pa)/(m·s)减弱为4×10-3～6×10-3(K·Pa)/(m·s)，降水过程中Cvz有所减弱;17:00～20:00中心位置略有东移(图3)。

2.2.2 Q矢量散度(DivQ)。 DivQ高值区大致能够反映实况强降水区域，其覆盖范围较雨区偏大、位置偏西，对于短时强降水落区有一定的预报意义。对中西部强降水极值中心与实况强降水区域的对应关系比较显著，DivQ的分布能够为强降水落区提供信号，而南部这种对应关系较差，在强降水落区预报方面具有一定的指示意义。这与低层影响系统的辐合程度有关，中西部是受辐合切变影响，而南部是受风速辐合的影响。DivQ也在3次短时强降水中均表现梯度减小，强度变化不大。如24日，对西部降水的落区DivQ有指示意义，中心最大值为14×10-15～16×10-15hPa-1·s-1(图4)。

2.2.3 热力切变平流参数(TSap)。TSap高值区大致能够反映实况强降水区域，其覆盖范围较雨区偏大、位置偏西，对于短时强降水落区有一定的预报意义。对南部强降水极值中心与实况强降水区域的对应关系比较显著，而中西部不是十分明显，在强降水落区预报方面具有一定的指示意义。总体来看，在中南部的降水过程 TSap有明显的减弱而中部正好相反(图5)。23日11：00～20：00中心值由10×10-8～11×10-8K/(Pa·s)减小为2×10-8～4×10-8K/(Pa·s)(图5)。

2.2.4 斜压涡度(Vor2)。 Vor2高值区大致能够反映实况强降水区域，其覆盖范围较雨区偏广、位置偏西，对于短时强降

水落区有一定的预报意义。极值中心与实况强降水区域的对应关系并不十分显著，但总体上，Vor2的分布能够为强降水落区提供信号，在强降水落区预报方面具有一定的指示意义。Vor2在3次短时强降水中均表现有减弱的趋势。以23日为例，11：00～20：00其值为由15×10-10～20×10-10(K·Pa)/(m2·s2)减弱为6×10-10～9×10-10(K·Pa)/(m2·s2)，这种情形类似于对流涡度矢量(Cvz)。

2.2.5 质量散度(WaveDen)。WaveDen高值区大致能够反映实况强降水区域，位置偏西且在南部和西部的降水过程中偏差较大，对于短时强降水落区有一定的预报意义。中部极值中心与实况强降水区域的对应关系十分显著， WaveDen的分布能够为强降水落区提供信号。WaveDen在3次短时强降水中均表现有减弱的趋势。如25日02：00WaveDen有明显的指示区，并有明显的东移，降水前其中心值达9×10-6～10×10-6Pa/(m·s)(图6)，对中部的短时强降水有较强的指示意义。

2.2.6 热力波作用密度(WavePte)。WavePte高值区大致能够反映实况强降水区域，位置偏西，对于短时强降水落区有一定的预报意义。中部极值中心与实况强降水区域的对应关系较为显著，WavePte的分布能够为强降水落区提供信号。如25日02：00 WavePte有明显的指示区，并有明显的东移，降水前其中心值达27×10-6～30×10-6Pa/(m·s)，且有多中心变单中心(图7)，对中部的短时强降水有较强的指示意义。

2.2.7 虚位温波作用密度(WavePtQv)。WavePtQv高值区大致能够反映实况强降水区域，位置偏西且在南部和西部的降水过程中偏差较大，对于短时强降水落区有一定的预报意义。中部极值中心与实况强降水区域的对应关系十分显著， WavePtQv的分布能够为强降水落区提供信号。WavePtQv在3次短时强降水中均表现有减弱的趋势。如25日02：00 WavePtQv有明显的指示区，并有明显的东移，降水前其中心值达30×10-6～33×10-6Pa/(m·s)，对中部的短时强降水有较强的指示意义, 这种情形类似于质量散度(WaveDen)。

2.2.8 热力位涡波作用密度(WavePvPte)。WavePvPte高值区大致能够反映实况强降水区域，位置偏西。在中西部的降水过程中均表现有多个中心的信号。在南部降水的预报中表现为单一的弱信号，强度极值中心与实况强降水区域的对应关系比较显著。

2.2.9 凝结潜热质量-通量散度的垂直输送(WalphaDiv)。WalphaDiv高值区大致能够反映实况强降水区域，位置偏西，且在南部的降水过程中偏差较大，对于短时强降水落区有一定的预报意义；中部极值中心与实况强降水区域的对应关系十分显著， WalphaDiv的分布能够为强降水落区提供信号。

3 小结

(1)此次过程受500hPa西风槽和低层西南暖湿气流的共同影响，在吉林省多地出现了短时强降水天气。

(2)单中心对降水落区的指示意义比较明确，之所以中部单中心因子较多，可能与中部短时降水的动力、热力条件配合较好有关。

(3)动力因子对短时强降水的落区预报有一定的指示意义，但整体位置偏西，且多数动力因子在降水过程中均表现为衰减过程，只有个别情况动力因子信号有所增强；表现对中西部短时强降水的预报体现为较强信号，而对于南部短时强降水的预报体现为弱信号，这与南部地形作用对降水的影响有一定关系。由于山区地形的摩擦可以产生局地的辐合作用，所以动力因子表现为较弱信号时也有短时强降水产生。

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李烨(1982-)，女，吉林磐石人，助理工程师，从事天气气候业务管理工作。

2015-11-12

S 161.6

A

0517-6611(2015)35-276-04