重力波引发的局地暴雨天气过程的预报方法

重力波引发的局地暴雨天气过程的预报方法

天气形势分析局部降雨具有突然强、持续时间短、雨强、雨区散等特点。在短期风暴和冰害等危险天气，可能会造成巨大的损害。由于局地暴雨往往发生在弱天气系统影响或者预报指标征兆不明显的条件下,由中-β尺度甚至是更小的中-γ尺度对流系统引发,预报难度较大。对造成重大灾害和影响的突发性局地暴雨,很多气象工作者从不同角度分析了其形成原因及中小尺度对流系统的发生发展机制,如孙继松Uccellini等1气体状态方程由于重力波产生的对流单体尺度较小,可以忽略地球旋转的影响,即消除科氏力。与此同时,大气在垂直方向不满足静力平衡其中位温θ利用气体状态方程可写为利用小扰动法将变量表示为平均状态和扰动2部分:其中且大尺度系统的位温满足(5)式:对于任意小的正数ε有ln(1+ε)≈ε,(10)式中因为重力波由浮力产生,对于浮力运动,气压变化对密度扰动的贡献远小于温度变化引起的密度扰动,即线性化后的(1)~(4)式为:(13)式对z求偏导数,(14)式对y求偏导数,之后两式相减得:其中2石家庄避雨事件2.1降水分布地区2011年8月9日22时至10日02时(北京时),石家庄市区出现了局地大暴雨天气,近4h内市区观测站降水量达到127.7mm。此次暴雨过程的主要特点是:(1)持续时间短,雨强大。市区强降水仅维持4h,其中23~00时为雨强最大时段,观测站1h最大降水量达67.1mm,之后1h降水量也超过30mm(图1);(2)暴雨区相对孤立,降水分布局地性强。石家庄大部分地区出现降水,但雨量分布不均,仅有4个区域加密站雨量超过50mm,大暴雨区主要集中在市区西南侧,且降水范围不足20km×20km,是一次典型的中-β尺度雨带中的中-γ尺度对流系统引发的大暴雨(图2);(3)暴雨区主体沿地面辐合线分布,并且随着辐合线的运动而东移(图略)。2.2天气形势分析2011年8月9日08时500hPa高空图上(图略),大陆高压控制河北以西大部分地区,副热带高压呈块状位于120°E以东,两高之间为东北—西南向的低槽,槽线位于冀鲁交界处。700hPa相应位置也存在一条切变线。850hPa切变线分为2条,一条位于冀鲁交界,与500hPa槽线、700hPa切变线位置对应,另一条位于河北北部40°N附近。地面图(图略)上,河北与内蒙古交界处有一条近似东西向的冷锋正缓慢南压。9日20时,随着副高西北进,500hPa槽线、700hPa和850hPa切变线近似垂直,地面弱冷锋在南压过程中,触发河北北部的强对流发展。降水前期,925hPa上河北中南部地区的比湿>16g/kg,石家庄处于水汽通量辐合中心,表明低层大气已经充分具备强降水发生的水汽条件。在降水开始前,石家庄地区为大范围对流不稳定区域,由9日20时1°×1°NCEP再分析资料得到平均CAPE值>1500J/kg,由探空观测可知南部的对流有效位能超过3000J/kg,能量充沛且影响范围广,使暴雨的发生具备了潜在的可能性。2.3不稳定区域内重力波传播规律8月9日午后开始,冷锋在河北北部的张家口、承德一带激发出多个孤立的中-β尺度对流单体,此后这些单体随着锋面系统的南压向南移动,由于单体与单体之间的相互反馈以及合并作用,在南移过程中逐渐加强并形成较大尺度的中尺度对流系统MCS,同时系统的分布与移动始终与地面辐合线保持一致。9日20时,对流系统移动到燕山以南,系统前部(南侧)为弱东风,后部由于冷空气堆积产生较强东北风,地面平均风速≥6m/s,这一边界层风场辐合在MCS前部形成强烈的阵风锋,之后锋面系统在低层东北风的引导下转向西南偏南方向推进(图3)。强烈阵风锋于22时后激发出重力波,本次大暴雨过程即是重力波和阵风锋共同作用产生的。由雷达风廓线(图略)分析可知,阵风锋向上可达2km高度,从傍晚一直持续到夜间,遍历河北中南部大部分地区。由雷达回波(图4)分析可知,9日22:06强回波主体位于石家庄西北部山区,距离市区30km,阵风锋位于北部,距离市区20km,此时市区附近没有回波发展。仅一个体扫后(22:12),阵风锋后部的回波主体向南传播出至少4个可分辨的孤立单体,这些单体自北向南强度依次减弱、尺度依次减小、近乎等间距排列,为重力波的传播产生(图4左),该回波序列穿过石家庄市区西侧。由经过4个单体的垂直剖面图(图4右)可见,2011年8月9日22:06由主体(左侧)回波内分离出小尺度单体,22:12开始各个单体按等间距排列,并且向阵风锋的前上方传播,但其传播距离有限,22:24之后,后部的主体逐渐减弱,前部的回波单体逐渐加强,此后重力波特征逐渐消失,维持时间较短,这一现象符合重力波的传播原理此后,阵风锋继续向西南偏南方向移动,上述回波单体群在阵风锋的促进下发展加强。22:20阵风锋经过石家庄市区,原先市区西侧激发的单体在锋面系统的进一步抬升作用下,面积迅速增大,加强发展成中-β尺度对流系统,由于其发展前后回波核在垂直方向没有明显的上升、下沉,对其做剖面分析可知,该降水回波属于热带型降水,降水效率较高,最强回波强度达到50~55dBZ,根据Z/R关系估计雨强>100mm/h3地面自动站观测法夏季石家庄地区由阵风锋等系统激发出的重力波经常产生强对流天气,并伴随着不同程度的气象灾害,而对于重力波扰动源、传播方向、方位的研究并没有得到足够重视,且对其准确把握也有一定困难。近年来,一些预报专家提出重力波的传播路径与地面辐合线具有一致性,始终沿着辐合线的走向发展,因此可以利用地面自动站观测数据实时分析地面辐合线以及阵风锋等触发系统的相应位置,将锋面与辐合线的交叉处作为波动的源头,并沿着辐合线传播出去。但是,通过对多次暴雨过程的分析发现(例如8月9日个例),重力波在地面辐合线出现之前已经生成,这一现象说明:(1)对于辐合线出现较晚的过程,无法通过实时分析地面辐合线的方法预判出重力波发生的可能性;(2)地面辐合线与波动的发展仅仅具有对应关系,并没有因果关系;(3)重力波并不一定由辐合线等系统激发,甚至可能是波动发展的伴随现象,为波动的传播提供有利的通道。图5是对2011年8月9日石家庄大暴雨开始前的自动站实况分析,可以看出,石家庄市区西南部处于高能区内,位温向四周逐渐减小,市区北侧有一明显的位温梯度大值区(ue0baθ≥6K/100km),为一显著的斜压区,有利于扰动发展4重力波与地面辐合线的关系(1)重力波的传播路径应与位温脊线一致,但波动既可以从高位温一侧向低位温一侧传播,也可以反方向传播。(2)利用地面资料分析等位温线,可以找出作为预报波动传播路径、距离的依据。(3)重力波的传播与地面辐合线虽有对应关系,但并不一定由辐合线产生,其出现可能是波动的伴随现象。(4)2011年8月9日石家庄局地暴雨,是受到阵风锋的作用,