用“分型配料法”制作内蒙古东南部区域暴雨预报_徐建国.pdf

2022 年第 3 期内 蒙 古 气 象3文章编号 1005-8656（2022）03-0003-06用“分型配料法”制作内蒙古东南部区域暴雨预报徐建国，赵立清，齐佳慧（通辽市气象局，内蒙古 通辽 028000）摘要 利用 19522015 年内蒙古东南部 25 个国家级气象观测站逐日降水量、历史天气图、NCEP/NCAR 再分析资料和19802015 年的 Micaps 系统数据，统计出 130 次区域暴雨过程,将 700 hPa 环流分为 8 种类型；对发生在 20072015 年的17 次暴雨过程，分型统计各层次物理量场特征，配料选取可降水量、水汽通量散度、垂直速度、假相当位温等物理意义明确的 4 个因子，注重暴雨的动力条件、热力条件、水汽供应及高低空配合，释用 T639 数值模式，应用“分型配料法”对 20162018 年发生的 4 种类型区域暴雨过程进行分站落区预报。结果表明：基于上述分型研究的“配料法”能较好地制作暴雨落区预报，从暴雨的实况与预报落区的对比看，T639 数值预报模式具有很好的释用价值。关键词 区域暴雨；环流形势；物理量场；分型配料法；落区预报中图分类号 P457.6 文献标识码 Adoi:10.14174/ki.nmqx.2022.03.0010 引言 内蒙古东南部包括通辽市和赤峰市，暴雨主要发生在 4 月下旬至 10 月上旬，是此时段两地主要气象灾害之一。在 19522015 年的 64 年统计中，两市分别出现 79、77 次区域暴雨过程，年均 1.23、1.2 次，共同出现 26 次区域暴雨过程，年均 0.41 次，小概率事件导致预报难度相对加大，但其造成的危害有时是巨大的。如 2017 年 8 月 3 日发生在通辽市的区域大暴雨过程和赤峰市的区域暴雨过程，通辽市的青龙山站日降水量达 349.7 mm，6 h 雨强达 248.0 mm，是内蒙古自治区 119 个国家级气象观测站中首个达到特大暴雨的站，通辽站达 179.0 mm，突破历史日极值，另外还出现 3 站大暴雨和 3 站暴雨；赤峰市的宝国吐站日降水量达 206.4 mm，刷新日极值，另外出现 1 站大暴雨、3 站暴雨，两市因暴雨灾害造成直接经济损失分别达 3.5、0.4 亿元。近年来，由于地球变暖，气候变化异常，暴雨灾害有明显的加剧趋势，为此气象专家、学者为提高预报准确率，进行了诸多精心研究。如采用多种动力相似方法研究广东省短期区域暴雨预报，发现了预报员预报经验成长曲线模式，找到了影响暴雨预报的决定性因子 850 hPa 风场，证明双时次相似的优越性1；在基于人工神经网络的暴雨预报方法的探讨中，通过仿预报员的暴雨预报思路，在动力模式的降水预报产品、环流形势场和暴雨落区之间通过人工神经网络建立非线性的统计预报模型2；将集合统计量集成法应用于湖北省降水预报时，改进后的 ECMWF 集合统计量集成方案，对湖北省 72 h 内大雨及以上降水预报的TS评分均有不同程度的提高3；这些年“配料法”在我国有了较好的应用，1996 年由Doswell等提出“基于构成要素的预报方法”，强调“配料法”和“流型辨识方法”之间有很强的互补性4；在区域暴雨中，以数值预报产品为基础，结合常规、非常规气象资料，对历史暴雨过程进行诊断分析，针对常见暴雨类型的配料法选择方式，从水汽、垂直运动、抬升稳定度等 3 个方面选择合适的因子进行暴雨落区预测5-9，在强对流暴雨预报中，对构成强对流天气的层结稳定度、水汽、触发机制、垂直风切变、对流层干层等进行短时强对流暴雨预报10-11；利用欧洲中心高分辨率数值预报产品提供的细网格气象要素场与陕西省1520 个自动气象站降水资料相结合，采用配料法对陕西省暴雨进行反演12；“配料法”在短期气候预测中也有较好的应用研究13；暴雨过程的环流分型及雷达回波模型有助于对暴雨结构更好地认知14-17,而动力、热力、湿度及层结条件在暴雨过程中的配置变化对于强降水的发生影响明显18。配料法是由观测或推导得到的量，能被用来估计一个成分的存在和强度。各个成分和诊断量的选择是有机动性的，随着时间和空间的变化，成分和诊断量的选择也是不同的。而且，给定诊断量的量级范围只是一个潜势的指示，并不代表严格的临界值；其精髓就是具有很容易和新的成分估值相结合的灵活性，这些方法的应用使得预报思路更加广阔。内蒙古地区东西狭长，地形复杂，海拔高度变化大，专家和学者对于中西部暴雨研究多，而对于东部研究相对要少，大多也只在于个例分析这些层面。本文将尝试用先分型后配料的方法制作内蒙古东南部25 个国家级站点的暴雨落区预报，在 20162018 年的实际应用中为预报员进行暴雨预报提供很好的参考。资助项目：通辽市气象局科技创新项目（201518）内 蒙 古 气 象42022 年第 3 期1 资料选取和阈值统计方法 通辽、赤峰两市分别有国家级气象观测站 11、14 个。选取 19522015 年 25 个观测站逐日降水量资料，当相邻 2 站或不相邻 3 站日降水量 50.0 mm 时，两市分别统计出区域暴雨过程有 53、51 例，共同影响两地的过程 26 例，合计 130 例。再利用 19522015 年历史天气图、NCEP 再分析资料和 19802015 年 Micaps 系统数据，对两地 130 个区域暴雨过程的 700 hPa 环流进行分型。分型配料选用暴雨过程中动力、水汽、层结条件等天气意义明确的物理量，因此选取 20072015 年Micaps 系统数据中的 Physic 资料，选用垂直速度、水汽通量散度、比湿和假相当位温等 4 种物理量场。9 年共发生 17 次暴雨过程，将 4 种物理量分别插值到 08:00、20:00 正在降暴雨的 25 个站点上，然后分型统计其特征。阈值统计采用百分位数方法，即如果将一组数据从小到大排序，并计算相应的累计百分位，则某一百分位所对应数值就称为这一百分位的百分位数。通常用第几百分位来表示，如第 X 百分位，它表示在所有测量数据中，测量值的累计频次达X%。第 25 百分位数又称第一个四分位数，第 50 百分位数又称第二个四分位数（也叫中位数），第 75 百分位数又称第三个四分位数。本文在阈值物理量场的统计中，从 10、15、20、25、50、75、80、85、90 百分位数进行预报个例检验，最终采用25（0.0的数据，如垂直速度场、水汽通量散度场）、75（假相当位温场、散度场）百分位数进行阈值统计和应用。2 区域暴雨环流分型和配料2.1 高空影响系统分型 考虑两地 25 个测站的海拔高度差异及各层影响系统对暴雨的贡献，对 130 个区域暴雨过程选用700 hPa 环流进行分型，分为低槽、暖湿切变、蒙古低槽、台风、北槽南涡、冷切变、东北冷涡和贝加尔湖低槽等 8 种类型。64 年中两市区域暴雨主要为前 5 种环流系统影响，合计占比分别为 88.61%、81.82%（见表 1），很好地表征了两市区域暴雨主2.2 分型配料选取 根据总降水量 P 可以表达为：P=EqwD。（1）式中：E 为比例系数，q 为比湿，w 为上升速度，D为降水持续时间3。根据(1)式可知，总降水量与该地区的降水效率、水汽条件、抬升条件、温度层结、降水持续时间等因素有关。2.2.1 动力条件 从 75 百分位（见图 1a）散度场特征看低空辐合、高空辐散，且高空辐散远大于低空辐合，反映高、低空急流的耦合及高空急流的抽吸作用，形成垂直气流的上升支，对应了 25 百分位（见图 1b）垂直速度场的统计特征，表现为持续的、连续层次的强上升气流，最强上升气流维持在 700 300 hPa，满足了暴雨区大范围的、持续的强动力抬升条件。但各类型最大垂直速度并不稳定在某一层，所以考虑 850、700 hPa 两层垂直速度之和，这样能反映对流层中低层明显的、持续的气流辐合抬升运动，又对应低层水汽的辐合抬升凝结，因此区域暴雨中动力因子选取垂直速度。垂直速度：700、850 hPa 两层垂直速度之和-49.2910-2 Pas-1，各类型垂直速度配料见表 2。-30-20-10010203040501000925850700500400300250200散度(10-5)/s-1高度/hPa低槽型暖湿切变型蒙古低槽型台风型北槽南涡型冷切变型东北冷涡型贝加尔湖低槽型-70-60-50-40-30-20-10010925850700500400300250200垂直速度(10-2)/Pas-1高度/hPa低槽型暖湿切变型蒙古低槽型台风型北槽南涡型冷切变型东北冷涡型贝加尔湖低槽型图 1 8 种类型 75 百分位散度场（a）和 25 百分位垂直速度场（b）随高度变化ab表 1 通辽市、赤峰市 64 年区域暴雨 700 hPa 环流 分型占比700 hPa 分型通辽市/%赤峰市/%低槽型26.5831.17暖湿切变型24.0515.59蒙古低槽型21.5216.88台风型8.869.09北槽南涡型7.609.09冷切变型5.067.79东北冷涡型3.802.60贝加尔湖低槽型2.537.79要环流特征。(Pas-1)2022 年第 3 期内 蒙 古 气 象5表 2 25 百分位区域暴雨 8 种分型配料水汽通量散度和垂直速度配料700 hPa 分型水汽通量散度（10-6）/(g cm-2hPa-1s-1)垂直速度（10-2）/(Pas-1)850 hPa925 hPa合计700 hPa850 hPa合计低槽型-16.50-23.94-40.44-18.45-14.00-32.45暖湿切变型-22.16-32.01-54.17-35.10-22.14-57.24蒙古低槽型-18.00-19.37-37.37-18.19-13.26-31.45台风型-20.11-36.65-56.76-32.21-17.08-49.29北槽南涡型-23.35-57.62-80.97-36.23-25.10-61.33冷切变型-7.35-7.17-14.52-15.01-7.87-22.88东北冷涡型-10.79-18.87-29.66-7.66-5.28-12.94贝加尔湖低槽型-12.80-19.67-32.47-28.71-17.02-45.732.2.2 水汽条件 对流层中低层的大范围上升气流是启动低层水汽辐合抬升的重要条件，从8种类型75百分位比湿（见图2a）和25 百分位水汽通量散度（见图 2b）可以看出，低层强辐合、高空弱辐散，最强水汽辐合位于 925 hPa，850 hPa 次之，因此用水汽通量散度因子代表源源不断的水汽供应。两市北部地区海拔高度在 600 1100 m，随海拔高度变化最强水汽辐合层也会发生相应变化。另外，不同降水过程中低层之间对暴雨的贡献会有所不同，所以采用 925、850 hPa两层水汽通量散度之和进行表征。水汽通量散度：850、925 hPa 两层水汽通量散度之和-56.7610-6 gcm-2hPa-1s-1，各类型的水汽通量散度配料见表 2。图 2 8 种类型 75 百分位比湿（a）和 25 百分位水汽通量散度（b）随高度变化0204060801001201401601000 925850700500400300250200150100假相当位温/高度/hPa低槽型暖湿切变型蒙古低槽型台风型北槽南涡型冷切变型东北冷涡型贝加尔湖低槽型a0204060801001201401601000925850700500400300250200150100假相当位温/高度/hPa低槽型暖湿切变型蒙古低槽型台风型北槽南涡型冷切变型东北冷涡型贝加尔湖低槽型图 3 8 种类型 25 百分位（a）和 75 百分位（b）假相当位温随高度变化b0246810121416181000925850700500400300250比湿/gkg-1高度/hPa低槽型暖湿切变型蒙古低槽型台风型北槽南涡型冷切变型东北冷涡型贝加尔湖低槽型a-70-60-50-40-30-20-100101000925850700500400300250水汽通量散度(10-6)/gcm-2hPa-1s-1高度/hPa低槽型暖湿切变型蒙古低槽型台风型北槽南涡型冷切变型东北冷涡型贝加尔湖低槽型b(gkg-1)(gcm-2hPa-1s-1)内 蒙 古 气 象62022 年第 3 期2.2.3 层结条件 图 3a、3b 分别是 25 百分位和 75 百分位假相当位温随高度变化图。可以看出,暖湿不稳定能量的积聚层位于 925 850 hPa，925 hPa 暖湿能量的积聚要更强，采用 925 hPa 与 850 hPa 假相当位温之差或 850 hPa 与 700 hPa 假相当位温之差来表征。在分型统计中，冷切变型未表现出不稳定层结的明显存在或湿热能量的积累，计算中降低配料阈值。假相当位温（se）：925 hPa 与 850 hPa 假相当位温之差或 850 hPa 与 700 hPa 假相当位温之差0.0。2.2.4 大气可降水量条件 选取可降水量，用它表征高、中、低层空气中含水量，也可作为消空指标。图 2a 是 75 百分位比湿随高度变化图，可以看出，比湿最大值在 500 hPa 层以下，400 hPa 以上迅速减小到近于零，因此在可降水量计算上，只计算 1000 500 hPa 层次的可降水量。可降水量采用如下公式计算：(q1000+q925)(1000-925)+(q925+q950)(925-850)+(q950+q700)(850-700)+(q700+q500)(700-500)/196 50.0（2）式（2）中，q 表示比湿，下标数字表示层次，组合之后表示该层次的比湿值。可降水量的单位为 mm。2.2.5 预报时效 预报当天上午用前一日 20:00（北京时，下同）或预报当天下午用 08:00 的 T639 数值预报，预报时效 36 h，对应 T639 数值预报产品的 27 60 h 时效，每隔 3 h 输出一次预报产品，即暴雨预报的有或无。3 实例分析 用“分型配料法”制作两市暴雨落区预报项目是在 2015 年完成的，2016 年投入业务应用，系统运行稳定。20162018 年两市共计发生 8 次区域暴雨过程，其中：低槽型2 次、台风型2 次、蒙古低槽型3 次、北槽南涡型1 次。每个分型各选一例，用“分型配料法”实例分析暴雨分站落区预报，释用 T639 数值模式资料。3.1 台风型 台风型暴雨是指台风或减弱为热带低压进入28 40 N、110 130 E 区域，从副热带高压西侧北上或东北上，未来 36 h 直接或减弱为温带气旋后对内蒙古自治区东南部产生的暴雨影响。2017 年 8 月 1 日 08:00 台风“海棠”在江西省境内减弱为热带低压，在副热带高压西侧平均气流的引导下减弱北上。2 日 08:00 的 500、700、850 hPa图上（图略），北部低槽位于河套地区，南部的热带低压在副热带高压西侧继续北上。20:00 热带低压并入西来低槽，低槽加深东移，副热带高压脊稳定，并加强北挺西伸，促使低槽与副热带高压等高线梯度加大，偏南风暖湿急流向暴雨区输送的通道建立并逐渐加强。2 日 08:00 地面图上（图略），热带低压位于河南省东南部；3 日 02:00 冷平流进入北上至河北省文安县附近的热带低压，其前部暖平流强盛，形成冷、暖锋锋生，加之高空槽加深，槽前正涡度平流加强，使得热带低压演变成华北气旋，在 500 hPa 平均气流引导下东北上影响通辽、赤峰两市。3 日 08:00 高空 700 hPa 图上（图略），槽前的荣成、大连、锦州站南风急流加大到 24 22 ms-1；850 hPa 上述 3 站南风急流加大到 22 20 ms-1；925 hPa 低涡加深到 64 dagpm，其前部的青岛、大连、锦州等 3 站南风急流加大到 18 20 ms-1，完成大暴雨区低层暖湿急流立体输送通道的加强，表明中低层暖湿气流强盛。3 日 20:00 的 700、850、925 hPa 低涡分别加深到 297、132、58 dagpm，在通辽站上空形成近于垂直的低涡系统。通辽市的青龙山站达特大暴雨，奈曼、库伦、科左中旗、通辽等 4 站达大暴雨，开鲁、科左后旗、舍伯吐等 3 站达暴雨。预报通辽市 9 站暴雨，正确8 站，扎鲁特旗站空报；赤峰市、敖汉旗、八里罕等3 站暴雨和宝国吐、宁城县等 2 站大暴雨，翁牛特旗、阿鲁科尔沁旗、喀喇沁旗 3 站空报和敖汉旗站暴雨漏报，预报正确 4 站。两地暴雨预报正确率为 72.2%、空报率为 23.5%、漏报率为 7.1%。3.2 低槽型 低槽型暴雨在 30 45 N、100 125 E 生成或从中亚地区移入该区的低槽（或丁字槽、人字形切变）。2016 年 7 月 19 日 08:00 高空 500 hPa 图上，位于青藏高原东侧的暖高脊加强北伸，使脊前西北气流加强南压，低槽加深；700 hPa 图上，西南涡加强并移动到山西省中北部地区，在低涡与副热带高压之间西南暖湿急流加强，且有暖湿切变线建立；20:00 高空 500 hPa 低槽加深为低涡，700 hPa 低涡进一步加深东移到河北省南部，暖湿切变位于邢台济南青岛一线；20 日08:00 高空500、700、850 hPa图上（图略），低涡加深，近于垂直的分布结构，且北上到山西省、河北省的南部地区，700 hPa 前部暖湿切变线快速北上至北京秦皇岛大连一线。地面图上，由于高空低涡加深，涡前正涡度平流加强，促使东北上的江淮气旋加深，在 500 hPa 平均气流的引导下东北上到山东省的西北部。由于副热带高压阻挡明显，暴雨区出现在通辽市西南部的青龙山（大暴雨）和库伦两站，以及赤峰市的岗子、翁牛特旗、赤峰、敖汉旗、宝国吐、喀喇沁旗、宁城县和八里罕站（大暴雨）等 8 站。翁牛特旗、敖汉旗、宝国吐等3 站暴雨漏报，其它7 站预报正确。两地暴雨预报正确率为 70.0%、漏报率为 30.0%。2022 年第 3 期内 蒙 古 气 象73.3 北槽南涡型 在 100 130 E 存在有南北两支系统，北槽位于 40 N 以北的低槽（或低涡），槽后脊前冷平流明显，高空锋区南压，致使 40 50 N 等温线密集；南槽或涡位于 40 N 以南，且锋区强度较弱，槽或涡前副热带高压脊北伸明显，南槽或涡后高原高脊与北槽后高脊叠加，经向度加大，冷平流加强南压；南槽前多为副高脊或与副高叠加脊，脊后暖湿气流明显加强北涌，冷、暖平流在 40 46 N、115 125 E 区域交绥。2016 年 7 月 24 日在 30 60 N、110 130 E，08:00 高空 500、700、850 hPa 图上（图略），北槽位于 40 N 北侧的贝加尔湖冷涡东移到内蒙古自治区的呼伦贝尔市北侧，涡后部冷平流输送到赤峰市，850 hPa 图上，锋区南压到 43 N 附近。南槽位于 40 N南侧，槽前的副热带高压西侧暖湿气流向北输送。地面图上（图略），江淮倒槽东北伸展到河北省中南部。25 日冷、暖气流在通辽、赤峰两市南部交绥，通辽市的青龙山、库伦、科左后旗出现 3 站暴雨，赤峰市的岗子、宁城县出现 2 站暴雨。预报青龙山、宁城县 2 站暴雨正确，3 站暴雨漏报。两地预报正确率为 40.0%、漏报率为 60.0%。3.4 蒙古低槽型 在 43 50 N、90 115 E，有从西伯利亚经蒙西山地移入蒙古国中东部地区的低槽或涡，冷空气经蒙古国西部或新疆进入内蒙古，在低槽前（45 N以南、100125 E）多配合有西南急流建立。2017 年 7 月 6 日 08:00 高空 500、700、850 hPa图上（图略），蒙古低槽在蒙古国中东南部生成；20:00 低槽加深为低涡并东移，其底前部暖湿切变线移到山东半岛北侧海岸线附近。地面图上（图略），蒙古气旋位于蒙古国东部。由于副热带高压稳定少动，暴雨出现在赤峰地区的富河、巴林左旗、巴林右旗、翁牛特旗、赤峰和宁城县等区域。上述 6 站暴雨预报正确，12 站空报。两地预报正确率为 33.3%、空报率为 66.7%。4 结论与讨论 (1)将内蒙古东南部 130 例区域暴雨过程的700 hPa 环流分为低槽、蒙古低槽、暖湿切变、台风、冷切变、北槽南涡、东北冷涡和贝加尔湖低槽等 8 种类型；(2)通过对 8 种分型 Micpas 的物理量场统计分析，以及在暴雨形成的过程中各层次物理量场对暴雨的贡献，分型配料有 1000 500 hPa 的可降水 量 50.0 mm，925、850 hPa 两 层 水 汽 通 量 散度和 850、700 hPa 两层的垂直速度和假相当位温925 hPa 与 850 hPa 的差或 850 hPa 与 700 hPa 的差0 等 4 个因子；(3)从水汽、动力条件、层结稳定度等 3 个方面选择配料因子进行暴雨落区预报，注重动力和热力的配合及中、低层水汽供应，物理意义 清 晰。从 20162018 年“分 型 配 料 法”实际 预 报 应 用 的 4 个 实 例 可 以 看 出，两 市 25 站暴 雨 分 站 落 区 预 报 正 确 率 为 57.4%、空 报 率 为32.5%、漏报率为 20.6%，此结果有很好的参考价值，为两市提高暴雨预报准确率提供了支撑。参考文献1 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supply,high and low altitude cooperation of rainstrom.By using the T639 numerical model and applying the Partiing Method,4 types of regional rainstorm process occured in 20162018 were done the falling area forcast for the sub-station.The results show that:the“Parting method”that based on the above classification research can better do the falling area forecast,the T639 numerical forecasting model has a good interpretation value.Keywords Regional rainstrom;Circulation situation;Physical quantity field;Parting method;Falling area forecast