中国第一代再分析产品对青藏高原东南部墨脱地区强降水成因分析*

奚凤 旦增冉珍 赤曲 余燕群 丹增诺布

西藏自治区气象台，西藏 拉萨 850000

长期以来，我国一直缺乏自主研发生产的全球再分析产品，气象业务科研主要依赖于国外数据产品。为了打破相关业务科研对国外再分析产品的依赖局面，中国第一代全球再分析产品研制成功。研究者们对于欧洲中期数值预报中心（ECMWF）、美国国家环境预报中心预报产品（NCEP）、日本气象厅（JMA）应用较多，对于新资料用之甚少，进行的相关天气分析也较少。青藏高原地形特殊，各家再分析资料均有一定误差。研究表明［1-11］NCEP 资料中没有把位于喜玛拉雅山脉两侧的我国西藏东部地区与山南麓的多雨带在模式中分离出来，所以在模拟青藏高原降水中量级偏大；JRA-25 资料在青藏高原东部地区和四川盆地同样也存在一个大值中心，多出的平均降水量可达1.5 mm/d 以上；ECMWF 的最新全球大气再分析产品ERA5对于青藏高原东部降水也量级偏大。阿旺卓玛等利用2019—2020 年CIMISS 资料，对CN 模式模式、EC 模式模式、Germany 模式进行了检验，结果表明EC模式对于察隅大部及墨脱南部预报量级偏大，同时中雨、大雨空报率较高［12］。

CRA40（CMA’s global atmospheric Re-Analy-sis，CRA40）是我国自主研制的第一代大气再分析产品，包括全球大气再分析产品（CRA-40）和全球陆面再分析产品（CRA-40/Land）两种产品，覆盖1979—2018 年共40 年。CRA40同化的常规地面观测资料包括中国基础数据、CFSR 的观测数据集以及集成地面数据库（ISD）。CRA40 包括逐6 h 产品、逐日产品和逐月产品，CRA-40/Land 包括逐3 h 产品、逐日产品和逐月产品。作为中国第一代全球大气和陆面再分析产品，CRA 是全球首个具有“东亚(中国)区域特色”的高质量、高分辨率再分析资料［13］。

青藏高原东南部是西藏年降水最大的地区之一，同时也是夏季降水持续时间最长的地区［14］。墨脱地处藏东南部，位于雅鲁藏布江下游河谷地区，是印度季风进入青藏高原进而直接影响该区降水过程的关键点位。高登义等指出夏季印度洋暖湿气流经雅鲁藏布江下游河谷向青藏高原腹地输送的水汽量,居青藏高原外围各处向高原输送的水汽量之冠［15－17］。青藏高原水汽通道使印度洋暖湿气流不断向东北输送大量水汽,当副热带西风槽前的西南气流控制青藏高原东南部及其南侧地区时,不仅给青藏高原东南部及其南侧地区带来大量降水,而且还会在青藏高原东侧地区产生大面积暴雨。

2020 年7 月8 日—11 日，林芝市墨脱一带出现了一次累计雨量大、持续时间长，且较为罕见的突发性暴雨过程。强降水特点表现在局地性强、雨强大，造成的灾害及次生灾害严重，预报难度大。通过调查发现，因连续强降雨导致多处墙体出现裂缝，房屋基础及外墙严重倾斜，同时导致山体部分滑坡，致使村级道路堵塞，严重影响群众出行安全，造成严重经济损失。且此次过程征兆不明显，短期预报时效内、欧洲中心全球细网格模式等其他多个模式漏报。

近年来，许多学者从气候特征、大尺度环流背景、物理诊断和数值模拟等方面对青藏高原边缘地区发生的暴雨做了大量的研究工作［18－22］，但是对于墨脱的暴雨研究很少，暂未见有学者利用中国第一代全球陆面再分析产品对青藏高原的降水成因进行分析。因此，本文研究了产生持续性暴雨天气的天气背景、环流特征、物理量特征和中国第一代再分析产品的评估对比，着重利用中国第一代全球陆面再分析产品分析探讨持续性暴雨的成因，为今后提前发布天气预警提供预报依据，在验证中国第一代再分析资料在青藏高原东南部的可信度的同时，亦可为研究墨脱强降水成因选用合适的再分析资料提供参考指导，进而提炼强降水的前期征兆和预报着眼点。

1 过程概况

持续性暴雨研究工作的开展首先涉及到持续性暴雨定义。按照西藏区域东南部局地持续性暴雨过程的标准：连续3 天日降水量＞10 mm 且总降水量＞75 mm，其中有连续2 天＞25 mm，则为一次局地持续性暴雨，从第3 天开始及其之后的降水如果连续有2 天＞5 mm 且＜25 mm，或之后的降水有一天出现5 mm，则此次降水过程结束［23］。此次强降水过程满足持续性暴雨的定义，为一次突发性的暴雨事件(表1）。

2020年7月8日—11日西藏林芝地区出现了大范围强降水天气过程，自动站累计降水量118 mm，最大小时降水量为7.1mm（图1），降水过程从8 日22 时开始，11 日10 时结束，降水主要集中在凌晨02～08 时。本次降水过程自北向南加强，具有分布范围广、局地性强、持续时间长、强降水时间集中的特点。

图1 7月8日22时至11日10时墨脱站逐小时自动站雨量序列（单位：mm）

2 强降水的环流特征

2.1 环流演变背景

2020 年7 月8 日08 时（强降水发生之前）副高偏西，588 dagpm 线西脊点位于80°E，27°N。8 日20时我国中高纬度500hPa 为两槽一脊形式，副高东退南压，伊朗高压东伸加强，引导北部巴尔喀什湖低槽后部冷空气南下，西藏东南部的林芝地区位于588dagpm 线北部，盛行强西南气流，形成自青海至林芝南部的低涡切变线，利于暴雨产生。印度至孟加拉湾有一个自下而上向东南倾斜的深厚低涡，涡前西南暖湿气流提供充沛水汽。高层南亚高压东移至青藏高原中东部，东伸过程中加深。高空高压、中低空低压的形式有利于降水（图2）。9 日08 时系统东南移动加深，林芝低层700 hPa（图3）切变形成低涡，南部风速加大形成西南急流（图填色为在12 m/s 以上区域），墨脱处于低空西南急流轴左前方和以及低涡暖式切变线出。研究表明低涡的东部和东南部辐合上升运动最强，为降水提供更有利的动力条件，更易形成墨脱的强降水。之后墨脱附近的暖式切变线稳定少动略向南压，配合高空南亚高压反气旋环流利于暖湿空气辐合上升。同时，南部风速持续加强，10 日08 时500 hPa 也形成急流，墨脱附近地面风场形成辐合区。

图2 7月8日20时500 hPa高空形势场

图3 9日08时700 hPa高空形势场

2.2 天气系统的三维结构

此次暴雨主要受低涡切变线和低空西南急流的共同影响，孟加拉湾的水汽向西藏东南部输送，有利于水汽辐合和持续补充。同时，由于副高的阻挡，低涡切变线稳定少动使墨脱强降水维持。整个过程中降水过程中地面24 小时变压均为负值，达-3 hPa，10 日地面风场上有风向风速的辐合，墨脱东侧有一个气旋中心。高空700 hPa 和500hPa 的切变线位置接近重合，且与地面辐合线重叠，有利于对流单体生成和加强。此外，500 hPa 和700 hPa 风速达到12 m/s 以上，形成西南风急流输送低层强暖湿气流，有利于建立条件不能稳定层结，使得整层大气可降水量增加，为强降水的产生提供了非常有利的条件。

3 物理量场特征

3.1 散度和涡度

9日08时700hPa 墨脱以及以南地方为负散度带，散度中心值达-15×10-5s-1（图4a），高层为正值，高层辐散和低层辐合，是强降水发生极为有利的散度场空间结构。在同时次涡度图上，低层与强的负散度带配合为正值中心的涡度（图4b），其量值为12×10-5s-1。高层辐散，低层辐合的分布，容易导致大气扰动的产生，造成上升运动。

图4 （a）暴雨中心墨脱站附近9日08时700 hPa散度场；（b）暴雨中心墨脱站附近9日08时700 hPa涡度场（单位：s-1）

3.2 垂直运动

8 日08 时墨脱底层（700hPa）以及东南一带为弱垂直上升运动区，上升运动不断加强，9 日08 时上升运动最大，其中心值达到-0.4 pa/s（图5），11日20时转为正值，低层上升运动结束。500hPa 上，9 日08 时之后为上升运动区（图6a），也是11 日20 时之后转为正值；高层200 hPa 在09 日08 时也为上升运动区（图6b），由此可知暴雨区上空是一致的上升运动,最大值出现在700～500 hPa 层上。这样强烈的垂直上升运动对产生强降水十分有利。

图5 暴雨中心墨脱站附近9日08时700 hPa垂直速度分布（单位：pa/s）

图6 （a）暴雨中心墨脱站附近8日20时500h Pa垂直速度分布；（b）暴雨中心墨脱站附近9日08时200 hPa垂直速度分布（单位：pa/s）

3.3 对流有效位能和抑制能

强降水过程中对流有效位能（CAPE）呈南北带状分布，墨脱以南CAPE 值最大达1000 J/kg，墨脱处于两个高值之间的低值地带中，过程期间，不超过100 J/kg。但是过程中对流抑制能（CIN）也很小，仅在过程开始和结束时的CIN 负值较大，其余时候在0～2 J/kg，说明此次降水主要为稳定性（图7）。

图7 暴雨中心墨脱站附近9日20时对流有效位能分布（单位：J/kg）

3.4 水汽条件分析

充沛的水汽供应是持续性暴雨产生的重要条件之一，在强降水过程中需有源源不断的水汽输入。对流层低层水汽在大气水汽中占有重要位置［24］。500 hPa 比湿分布图可见，8 日08 时比湿增加，墨脱周边存在一条长湿舌，随着低槽加深形成低涡，低空西南急流加深，比湿在9日08时达到最大，中心数值为8 g/kg，墨脱位于湿舌中心的前部。8 日08 至9 日08 时，比湿加大，墨脱的水汽有一个明显增加的过程，此后比湿较稳定，维持在6～8 g/kg，虽然9 日08 时后降雨量较大，但空气中水汽含量稳定，水汽供应丰富，利于持续降水。

低层水汽通量散度的变化与暴雨时段和强度有较好的对应［26］。墨脱站的水汽通量散度剖面可知，08日08时水汽通量散度转为辐合，降水开始，20时辐合达到最大，降水加强，9日白天随着辐合量突然减小降水减弱，转为辐散，夜间再一次转为辐合，辐合量突然增大。水汽通量散度辐散转为辐合，辐合层增厚为强降水开始的标志，辐合量突然增大标志着降水强度增大（图8）。

4 再分析降水与观测值的误差评估对比

由于再分析降水资料的准确度相对较差，因此再分析降水资料的检验一直受到科研人员的关注。分析小时降水量，通过地表可降水量资料计算出1 小时降水资料，分析墨脱站点和站点附近空间分布和时间波动的对比结果可知过程中再分析降水量偏小，时间分布较均匀，昼夜降水差异很小，和实况相比时间差异较明显（图9）。从再分析降水量分布图可知（以9 日08 时为例，图10），能抓住西藏东南部雨带位置，量级上在墨脱南部边境地带预报量级偏大，从实况来看并无降水大值中心存在，再分析报有虚假大值中心。

图9 CRA降水预报产品与自动站降水实况对比（单位：mm）

图10 09日08时再分析3小时降水量分布图（单位：mm）

5 结语

利用中国第一代再分析产品通过对2020 年7 月墨脱持续性暴雨的环流背景、三维配置和物理量分析，对小时降水量进行了空间分布、时间波动的检验分析，得到以下几点认识。

700 hPa 和500 hP 稳定少动的低涡切变线，地面风向风速的辐合区以及东侧的气旋中心，同时700 hPa、500 hPa 的切变线与地面辐合线三者基本重叠，有利于对流单体生成和加强。其南侧的低空西南急流向墨脱稳定持久输送水汽，共同导致了此次强降水的产生。

散度场和涡度场是强降水发生极为有利的散度场空间结构，降水前期低涡系统已经生成。暴雨区上空是一致的上升运动,最大值出现在700～500 hPa上。强烈的垂直上升运动对产生强降水十分有利，垂直速度大小和暴雨发展结束时间一致。

暴雨过程中水汽通量散度由辐散转为辐合，辐合层增厚时，强降水开始。当辐合量突然增大时，对应着降水强度增大。

再分析降水与观测值的误差评估对比，再分析资料降水量偏小，预报的昼夜降水差异小。空间分布上，能抓住雨带位置，但是量级上在墨脱南部存在虚假大值中心，但是原因还需要进一步研究。