2. 甘肃省气象局, 兰州 730020
2. Gansu Meteorological Bureau, Lanzhou 730020
西北地区包括陕、甘、宁、青、新等五省区,地域辽阔,占据了青藏高原西北侧到东侧的广大边缘地区。东西跨越37个经度,南北跨越17个纬度,从南到北依次跨越湿润区、半湿润区、干旱半干旱区及高原气候区,是我国年降雨量最少的地区,一向以干旱少雨著称(白虎志,2011)。西北西部有山势高耸的帕米尔高原,天山山脉横贯于新疆境内,山脉两侧有戈壁沙漠构成的盆地。西北东部地处青藏、黄土、蒙古三大高原的交汇地带,域内海拔相差悬殊、下垫面性质复杂,地形地貌特征丰富多彩,形成了高山积雪和盆地燥热等差异显著的自然环境。比如西北东部的黄土高原,原面比较破碎、原面之间多下切200~300 m的河谷,西北东南部的秦岭是我国著名的气候分界线,秦岭以南的秦巴山区和甘肃陇东南地区山势陡峭,峡谷、深涧相间,地面多石质土壤,遇有暴雨冲刷,极易诱发山洪、滑坡、泥石流等次生灾害(胡凯衡等,2010;陆本燕等,2011),同时因暴雨造成的地表径流迅速向山谷、河流、塘坝汇集下泻形成的水库垮坝、铁路中断等,破坏性很大,对当地经济社会活动有着不可忽视的影响(郭富赟等,2015)。但是,西北地区暴雨又是一种有利天气,大多数暴雨出现在西太平洋副热带高压西北侧的降雨带中,暴雨区外围伴有大范围的降雨区,它对解除旱情、水库蓄水和发电、河流水源补给、林区涵养等极为有利。
西北地区是我国暴雨出现最少的区域,而且地理分布极不均匀,陕西、甘肃东南部、宁夏东南部是西北东部暴雨的易发区,具有雨期集中、对年降水贡献占比高、年际变化较大且夜雨型的特点(侯建忠等,2014;赵庆云等,2014)。对西北地区暴雨主要类型和环流形势(白肇烨等,1991;于淑秋等,2003)、异常年大尺度环流特征(黄玉霞等,2004)及其水汽输送(蔡英等,2015;钱正安等,2018)等所做的大量研究,为人们认识和揭示西北暴雨的特征及形成机理奠定了基础。同样,山脉地形、下垫面或局地森林小气候对西北暴雨的影响也受到高度关注(西北暴雨编写组,1992;扈祥来等,2004),其对降水的增幅也因多年累积的加密观测资料(区域气象站)得到进一步验证。例如在以“十年九旱”著称的西北干旱半干旱区,因山脉和森林小气候作用形成了若干年降水量接近或超过600 mm的“湿岛”(如甘肃中部的太子山、兴隆山及陇东的子午岭),不仅存在暴雨,而且暴雨强度非常大,这对我们重新认识西北暴雨非常重要。因南北跨越三个气候区,西北暴雨还与东亚副热带夏季风、西风带及高原季风等气候系统有着密切联系。东亚夏季风异常对西北地区东部夏季降水的影响十分明显(王宝鉴等,2004;黄玉霞等,2017),中亚低涡、西西伯利亚低槽等西风带系统则与新疆暴雨息息相关(张家宝等,1987;马淑红,1993;马力,1993),而高原夏季风的强弱则对南疆盆地(齐玉磊等,2015)、青海和甘肃河西(白虎志等,2000;陈少勇等,2011)夏季降水影响显著。此外,李明等(2011)、刘新伟等(2011)研究了远距离台风活动与西北东部暴雨的关系。
以“8.8”舟曲特大山洪泥石流灾害为标志,西北短历时暴雨形成机理研究在2010年以后再一次受到高度重视,主要进展概括为四个方面。首先是区域站、新一代天气雷达、卫星、闪电等资料的联合应用为暴雨的监测指明了新方向(张弘等,2011;刘新伟等,2017;狄潇泓等;2018),不但有助于从三维角度揭示西北暴雨中尺度系统的水平和垂直结构特征,为数值模式验证提供观测事实,而且还能显著提升短时临近阶段(0—12 h)暴雨的预警能力。其次是更加注重暴雨中尺度对流系统发生发展机理的研究,包括大尺度环流与中小尺度系统的相互作用、中尺度对流系统发生发展的环境条件、低空急流对MCC或MCS生消的作用等。第三是应用数值模式研究暴雨中尺度结构特征取得了新进展(王文等,2013;李江林等,2014;曾勇等,2019),以及利用NOAA HYSPLIT轨迹模式并结合聚类分析,可追踪不同高度水汽输送路径、源地及其贡献(李江萍等,2013;陶健红等,2016)。第四是高时空分辨率的全球数值预报模式、区域中尺度数值模式以及集合预报在业务中的应用,显著提高了西北暴雨的短期预报准确率和预警发布提前量。但因短历时暴雨造成的人员伤亡和财产损失仍然十分巨大(赵玉春等,2010),因此持续并进一步提高暴雨预报水平就显得非常迫切。
下面将重点对西北地区暴雨的气候特征、大尺度环流形势与水汽输送、中尺度系统的发生发展与成因、暴雨预报方法等进行回顾、梳理并剖析,指出仍待解决的问题,以期为进一步开展西北暴雨研究、提高暴雨预报准确率及防灾减灾能力提供参考。
1 西北暴雨的气候特征 1.1 暴雨的时空演变虽然统计标准(时间序列、日界、站点)有差异,但众多学者(西北暴雨编写组,1992;林纾等,2008;侯建忠等,2014)的研究均表明:陕、甘、宁、青四省(区)暴雨日数或频数或站次的空间分布等大致相同,暴雨主要出现在陕西、甘肃东南部、宁夏东南部地区,甘肃河西中西部、青海西北部等地则没有出现过暴雨;空间上自东南向西北递减,雨强也趋于减弱;地理分布受地形影响明显,秦岭南麓是西北东部暴雨频次最高的地方。赵庆云等(2014)发现4—11月均可出现暴雨(1981—2010年),但主要集中在7—8月,约占全年总次数的63%;在旬分布上,从6月下旬开始增加,9月上旬开始减少;30 a中暴雨日数没有明显的增加或减少的趋势(图 1a),但暴雨站数(图 1b)在20世纪80年代前期和21世纪头十年出现相对高值期,80年代后期—90年代中后期有10 a年的相对低值期。
马淑红等(1997)根据新疆暴雨洪水成灾事实和干旱半干旱地区暴雨特点等情况,以日雨量大于等于20 mm(干旱区)和日雨量大于等于25 mm (半干旱区)为标准研究表明:暴雨发生频数、暴雨24 h点雨量、落区等都具有明显的地理分布规律,尤其受制于地形、海拔高度、山系与山脉走向及坡向等因素的影响,大致是北疆多于南疆,山区多于盆地,前山带和中山带暴雨多、雨量大。在暴雨路径定义下(连续日雨量图上暴雨中心轴线与天气系统走向一致),新疆各场次暴雨中心活动规律可归纳为曲线弧形路径(33%)、天山东移路径(23%)、昆仑山东移路径(20%)、天山东移和昆仑山东移混合型路径、西北路径五类,这对于新疆暴雨洪水预告以及工程设计具有实用价值。杨涛等(2003)发现在新疆塔城盆地、昭苏盆地、北疆沿天山一带和阿克苏地区,5月中旬到8月下旬对流性暴雨都有发生,年平均为0.5~1.9次,乌鲁木齐发生强对流暴雨的次数最多,大部分站在0.7~1.1次。
1.2 暴雨的强度《西北暴雨》编写组(1992)指出,西北暴雨的日雨量极值远小于我国东部地区,日极值约为全国暴雨日极值的7%~24%,但1 h、10 min极值的强度与东部相差相对较小。通过对比分析1981—2018年西北与全国排名前5的暴雨日极值发现(表 1):西北地区东部排名前5的暴雨日极值均出现在陕南,最大为陕西宁陕的304.5 mm,全国排名前5的日极值除江苏外,均出现在华南的广东和海南,最大为2000年8月30日12号台风“派比安”外围带来的江苏响水699.7 mm的特强暴雨(王亦平等,2003;马倩等,2003)。对比而言,西北最大极值为全国极值的43.5%。1981—2018年中,甘肃排名前5的暴雨日极值在162~184.6 mm之间(约为江苏响水日极值的23.2%~26.4%,下同),青海在74~119.9 mm之间(10.6%~17.1%),宁夏在98.1~133.5 mm之间(14.0%~19.1%),可见日极值与全国日极值之比近40年基本未变。
短历时暴雨因其强的致灾性而受到广泛关注。伍志方等(2018)研究表明,广州“5.7”暖区特大暴雨期间,增城永宁街05—06时出现的184.4 mm·h-1的极值在广东省历史排名第2,3 h降水量382.6 mm则打破广东省3 h降水量历史极值,并且在黄埔九龙镇出现了长达5 h的50 mm·h-1的持续强降水。1951年以来日平均降水量最大的北京“7.21”特大暴雨(2012年),小时降水极值中心为平谷挂甲峪的100.3 mm·h-1,最大3 h降水为霞云岭的177.3 mm(孙继松等,2012;谌云等,2012)。2016年8月21日夜间贺兰山东麓的一次突发特大暴雨引发了一次超50 a一遇的洪水,创宁夏有气象和水文观测记录以来的历史极值,最大雨量(238.1 mm)和小时雨强(82.5 mm·h-1)均出现在贺兰山滑雪场(陈豫英等,2018)。2018年7月18日甘肃临夏州东乡县发生了一次局地短历时暴雨,造成12人伤亡,最大雨量和最大雨强为梁家寺水库的166.4 mm和74.8 mm·h-1。分析表明(表 2):贺兰山和东乡暴雨的24 h雨量分别为广州暴雨的57.9%和40.5%,北京暴雨的70.4%和49.2%,3 h雨量分别为广州暴雨的45.6%和42.2%,与北京基本持平,1 h雨量分别为广州暴雨的44.7%和40.6%,超过北京小时雨强;对比华南、华北及西北极端暴雨个例的雨强可知,广州1 h和3 h的雨量占日雨量的52.5%和93%,北京为19.8%和52.5%,贺兰山为34.6%和73.3%,东乡为50%和96.9%。综上可知,西北极端暴雨具有这样的特点,不论1 h还是3 h雨强大约为华南极端暴雨的50%左右,与华北基本持平,但降水的效率(1 h和3 h降水量与24 h降水量之比)几乎与华南相当,比华北高。
实际上,以24 h雨量达到或超过50 mm定义暴雨,这种简单的划分没有反映出暴雨的特点和强度变化。西北地区有些暴雨过程,日降水量并不太大,但因其相对强度较大往往可能酿成严重灾害,一般用当地日暴雨极值与30年年平均降水量之比来表征暴雨相对强度(白肇烨等,1991)。从1981—2018年我国暴雨相对强度的空间分布可以看出(图 2,气候平均时段为1981—2010年),其整体呈现出北方强南方弱的空间格局,其中西北地区西部、南疆和东疆、内蒙及华北地区的暴雨相对强度在75~150%,四川盆地西部的暴雨相对强度在25~50%之间。对于暴雨相对强度超过75%的地区,意味着这些地区降水的变率非常大,一天的降雨量可以接近或超过其气候年平均降雨量。对于某一地区而言,大幅偏离气候态的极端事件可能导致巨大损失,因为它们超出了生态和人类系统及基础设施的可承受能力。
上述对西北暴雨气候特征的研究表明,基于不同统计特征的暴雨都具有明显的地理分布规律,尤其受制于地形和下垫面或局地小气候影响。但西北暴雨的气候学研究相对滞后,今后,应当多关注西北地区降水增多背景下的暴雨气候演变特征。极端暴雨个例的分析表明,我国东西部暴雨中尺度系统降水效率基本相同,今后应关注西北暴雨中尺度系统的反复生消机制及其对雨强的贡献。大幅偏离气候态的极端降水事件可导致巨大损失,因此考虑基于强度的暴雨定义,对西北地区防灾减灾具有重要的指导意义。
2 暴雨的大尺度环流形势与水汽输送 2.1 暴雨的大尺度环流形势西北地区暴雨大都出现在一定的大尺度环流形势下,通常表现为冷、暖空气不断在某个区域交汇,并伴有中尺度系统发展。这种大尺度的形势背景与西风带、副热带和热带环流系统有关,西风带主要输送冷空气南下,触发中尺度暴雨系统的出现和反复发展,副热带高压位置决定了中低空水汽输送通道和冷暖空气交汇位置,也大致限定了可能产生暴雨的地区和范围,故西北暴雨的大尺度环流形势主要依据副高的形势确定(白肇烨等,1991)。《中国西北天气》(1991)将西北地区东部暴雨最主要大尺度环流形势概括为“副高西北侧西南气流型”和“副高西侧偏南气流型”两大类,此后又有众多学者进行了完善和总结(薛春芳等,2012;李江萍等,2013),但总体上来讲还是对上述两种分型的细化和补充。
西北暴雨最易出现的大尺度流型是副高西北侧西南气流型(图 3a),其环流特征是随着西太平洋副热带高压西伸北抬,588 gpdm线西脊点到达110°E附近,副热带高压脊线位于30°N附近,青藏高原上有低压槽或闭合低压;西北地区东部对流层中层有一支较强西南气流,与700 hPa偏南气流上下叠加,这种形势下新疆北部、河西走廊等地是西风带冷槽影响区,常引导冷空气东移南下,与高原东北侧的暖湿气流交汇,形成大范围雨区。黄玉霞等(2017)将甘肃夏季暴雨分为陇南陇东型、甘岷山区型、河东强河西弱型和全省型等四类,陇南陇东型是西北副高西北侧西南气流型暴雨的本地化称谓,其暴雨日数分布与西南季风有密切关系,暴雨多发于甘肃陇南、天水、平凉、庆阳等地,200 hPa南亚高压主体偏强偏北。李博等(2018)认为“东高西低”型是陕西暴雨的基本特征,暴雨期间降雨中心及四周气压同时降低,但西部气压降得更低、东部气压相对较高,由此构成“东高西低”的有利形势,该形势下高原东侧形成西南低空急流,将季风区的暖湿空气输送至高空槽前部。邵建(2013)总结的“一槽一脊型”宁夏暴雨大尺度环流也是对该型暴雨的本地细化和完善。
副高西侧偏南气流型(图 3b),此种环流形势下西太平洋副热带高压位置相对偏北,脊线可达33—35°N附近,青藏高原上受暖性高压控制,两高之间有南北向的槽线或切变线,切变线之下或其南段对流层下层有强的热倒槽,切变线附近是深厚的偏南风或东南风,带来比副高西北侧西南气流更加湿热和不稳定的气团,暴雨主要发生在偏南风层中,副高南侧东风带中的热带系统扰动常与暴雨发展有关,暴雨区呈斑块式分布,具有分散性特点,可以为几个孤立的极端暴雨中心。这类暴雨虽然出现次数少,但局地雨量可达100 mm以上,危害较大。对甘肃而言(黄玉霞等,2017),暴雨区位于甘南高原、甘肃中部、武威等地,尤以武威地区暴雨较多。
杨莲梅等(2011)提出了新疆夏季大范围强降水的大尺度环流背景,并建立了短期预报的天气学模型。新疆强降水发生时,南亚高压有两个中心(双体型)(图 4a),一个位于伊朗高原上空,另一个位于青藏高原上空,副热带长波槽位于70—90°E。500 hPa上(图 4b)伊朗高压与中纬波动叠加,在里海、黑海附近形成一个明显的长波脊,长波脊前低槽随之加强东移,造成新疆的强降水天气过程。而西太平洋副热带高压的西移北伸,往往造成“西低东高”环流形势,新疆下游易形成阻塞高压,新疆及其上游西风槽的冷空气与西太平洋副热带高压西侧的暖气流交汇造成新疆降水。
水汽是降水的物质基础,空气中的水汽主要集中在地表附近,却是大气中最为活跃的成分,对气候和天气有着重要的影响(盛裴轩等,2003)。西北地区远离海洋,大气柱中的水汽只及同纬度华北水汽的三分之一到二分之一,可西北地区东南部实际暴雨量非常大,说明西北地区上空得到了大量的外来水汽补充(钱正安等,2018)。一个地区历次暴雨过程虽不尽相同,但水汽源地与该地区相对位置却构成这个地区暴雨期水汽入境方向的气候特征,水汽输送的强弱和路径是影响雨带和雨型分布的重要因素,但暴雨过程的水汽入流方向、水汽输送强度(由大气湿度和风速决定)却由大尺度环流形势所决定(杨柳等,2018)。
黄荣辉等(2011)发现我国东西部水汽输送特征明显不同,东部水汽输入经向大于纬向,西部则相反。王宝鉴等(2003)认为东亚夏季风区是西北大气可降水量和水汽通量的最丰富区,西风带区次之,高原区最少,水汽沿西南、南方与西方三条路径输送到西北地区。钱正安(2018)认为夏秋暴雨前,副高南侧的东南急流、副高西侧的偏南风急流和河西偏东风,沿一逆“之”字路径,以三棒接力方式将水汽输送至西北核心干旱区。陶健红等(2016)、孔祥伟等(2015)利用NOAA HYSPLIT空气质点追踪模型,将甘肃河西极端干旱区暴雨的水汽源地追踪到孟加拉湾地区。暴雨过程不同等压面上的水汽轨迹并不完全一致,但降水量越大,不同等压面上的水汽输送轨迹越趋于一致(李江萍等,2013)。崔玉琴等(1987)把包括新疆在内的西北地区水汽输送路径归纳为西南方、南方、东方、西方、北方或西北方等6条。曾勇等(2017)利用拉格朗日方法的轨迹模式模拟计算发现,2016年新疆西部一次罕见大暴雨期间伊犁河谷地区1 500 m、3 000 m、5 000 m水汽分别来自哈萨克斯坦、哈萨克斯坦、黑海南部,水汽贡献分别占该高度水汽的100%、50%、68%,水汽在输送过程中高度多变,欧洲大陆、西西伯利亚、中亚地区等陆地及黑海、里海等海洋是此次大暴雨的水汽主要源地。
此外,研究发现盛夏低纬热带系统活动也对西北地区暴雨有着重要影响。例如,侯建忠等(2006)研究发现7、8两个月台风活动对陕西极端暴雨的影响最为显著,陕西出现极端暴雨时,台风多在我国台湾岛附近登陆或以北的海域活动或在海南、广东、广西一带登陆或移动,300 hPa高空急流提早出现,这个先兆性对陕西极端暴雨具有一定的预报指示意义。钤伟妙等(2011)发现强盛的西北太平洋副热带高压与台风“电母”之间的偏南气流在23°—30°N纬度带转向西输送水汽到青藏高原东缘,在高原地形作用下转为向北传输到达舟曲附近区域,为“8.8”舟曲特大泥石流灾害强降雨过程对流发展提供水汽条件。
西北地区东部暴雨的短期预报模型主要依据西太平洋副热带高压确定,总体上可分为副高西北侧西南气流和副高西侧偏南气流两大类型,未来应该关注高(南亚高压)-中(西风带、高原槽)-低空(低空急流)系统相互作用与西北暴雨的关系。通过水汽的诊断分析及轨迹模式模拟,我们对西北地区东部和新疆地区水汽的输送路径及源地有了清楚的认识,也发现了低纬热带系统活动对西北东部暴雨可能的影响机制。但利用卫星的监测表明低纬阿拉伯海、孟加拉湾有大量水汽可以越过青藏高原向北输送到青海、新疆地区,甚至印度季风可以间接影响青海西部和新疆的降水,但其接力输送的动力机制如何,对强降水天气系统如何影响等需进一步研究。此外,台风等热带系统对西北暴雨水汽输送的贡献及对暴雨阻塞形势的形成与维持机制也应多加研究。
3 西北暴雨中尺度系统发生发展及成因研究 3.1 中尺度系统发生发展的环境条件暴雨是一种中尺度现象,是在有利的大尺度环流背景下由中尺度系统直接产生的,具有多种尺度天气系统相互作用特征(孙淑清等,2007;廖移山等,2011)。陶诗言(1977,1980,2004,2011)、丁一汇(1993, 2005, 2014)多次跨越式地将暴雨研究和预报首先推进到环流研究阶段,后又推进到中尺度系统研究阶段,指出中尺度系统是暴雨的直接制造者,特别强调应深入研究β中尺度系统的发生发展问题。中小尺度对流系统的形成、发展和消亡与其环境条件关系密切,大气静力不稳定、低层水汽输送和抬升触发机制,是深对流系统形成和发展的三要素(俞小鼎,2011)。基于这一思想发展建立的强对流天气中尺度环境条件分析技术,被广泛应用到短历时暴雨的预报业务和科研工作中(张涛等,2013;蓝渝等,2013;郑媛媛等,2011)。
中尺度对流系统发生前和发生初期大气通常处于不稳定的环境中,表征水汽、不稳定和抬升条件的物理参数具有明显的演变特征。赵庆云等(2018)发现六盘山两侧强对流暴雨中尺度对流系统发生在700 hPa存在较大范围T ≥12 ℃的暖区,比湿达12~15 g·kg-1,暴雨区中甘肃平凉的CAPE指数达1 135 J·kg-1,六盘山东西两侧两条地面辐合线对触发中尺度对流系统、造成强降水起到关键作用。2015年西安“8.3”暴雨发生前6 h内2 km以下比湿快速增至20 g·kg-1以上,高层北路冷空气入侵触发不稳定能量剧烈释放,形成β中尺度对流系统,产生大暴雨(张雅斌等,2016)。甘肃陇东南暴雨的暖区降水阶段(王宝鉴等,2016),整层大气可降水量PW≥44 mm,接近PW指标阈值的上限(25~48 mm),暴雨区CAPE达477 J·kg-1,700 hPa低空急流轴是垂直风切变最强之处(9 m·s-1),暴雨主要发生在低空急流轴和低空急流出口区左侧附近。李文莉等(2013)发现干旱区(河西走廊)暴雨过程500 hPa处在显著湿区、700 hPa存在假相当位温高能舌、K指数大于30 ℃,CAPE高值区可以作为诊断暴雨是否出现的指标。黄玉霞等(2017)总结建立了西北东部两类暴雨所对应的中尺度概念模型(图 5),其特征可概括为“深湿高能+强辐合抬升”和“累积高能+弱冷空气扰动”,暴雨多出现在700 hPa切变线的右侧和地面辐合线或冷空气侵入的位置。该研究可为暴雨的短期预报提供一个清晰的物理模型,有利于预报员快速判断中尺度对流系统发生的可能性、影响范围以及强降水落区。
山地对暖湿气流强迫抬升和辐合引发的暴雨是最早被人们所了解的地形作用(陈明等,1995;范广洲等,1999),当地形走向与风向交角较大时,暖湿气流沿坡爬升,必然使对流旺盛,雨量加大,形成迎风坡降雨中心,尤其是特大暴雨往往是在特定地形下产生的(何光碧等,2013;佚名,2013)。实际山地地形的迎风坡,往往还与喇叭口地形结合在一起,相对于单纯的迎风坡地形,喇叭口地形的抬升作用更强,其增幅程度随着喇叭口开放度增大而增大(段海霞等,2009;赵海英等,2017),且地形坡度大时比坡度小时增大得多。付炜等(2018)、王坚红等(2017)研究表明喇叭口地形在降雨发生前和发生时作用更加明显,主要因增加了抬升处的垂直速度和低层辐合,破坏喇叭口地形后,因狭管效应对系统辐合风速影响的消失使得降水强度大为减弱。
毕宝贵(2006)通过数值模拟发现,秦岭使大巴山和汉江河谷、陕北降水增加,其对降水的影响主要是通过地形产生的垂直次级环流实现的,降水增加的幅度随地形高度呈正相关。贺兰山地形对大暴雨的形成有明显的正贡献(陶林科等,2014),能够使其所在高度(850—700 hPa)东侧迎风坡的风速增大,从而促使了中低层(700—450 hPa)垂直运动的发展,忽略贺兰山地形的影响将导致暴雨预报量级的明显偏小(陈豫英等,2018)。祁连山北坡陡峭地形的抬升作用是祁连山云系降水的主要动力机制(刘卫国等,2007;邵元亭等,2013),祁连山地形作用下云和降水的微物理结构随云的不同发展阶段呈现出不同的特征,由于地形的作用,云降水的主要机制得到了较大增强,甚至会使云降水的主要机制发生本质的变化。从西北地区东部日暴雨极值与地形的叠加图上可以看出(图 6):除因秦岭南麓大地形抬升形成的佛坪-宁陕暴雨中心(暴雨日极值大于等于550 mm,下同)外,西北地区东部还存在若干因小山体、喇叭口或河谷增幅作用形成局地的、相互孤立、零散分布的暴雨中心,如因积石山-太子山地形抬升形成的康乐暴雨中心(≥100 mm),因榆林大理河谷地形抬升形成的子洲暴雨中心(≥150 mm),因关山喇叭口地形抬升形成的陇县-礼泉暴雨中心(≥200 mm)。
综上分析,利用强对流天气中尺度环境条件分析技术,可建立与对流性暴雨中尺度系统发生发展有关的水汽、抬升、不稳定条件物理量的阈值指标,这对开展对流性暴雨的潜势预报非常关键。另外,西北暴雨的地形增幅作用非常显著,应关注中尺度地形增幅的数值模拟研究,通过改进中尺度模式的地形条件与物理过程来提高对暴雨的模拟能力。
4 暴雨预报方法进展 4.1 细网格数值预报和集合预报在暴雨预报中的应用首先,近10 a中西北暴雨预报方法最重要的进展是高时空分辨率的数值预报在业务中得到广泛应用。预报员在总结和把握本地暴雨预报经验的基础上,评估运用细网格全球模式(EC、NCEP、GRAPES-GFS)和中尺度模式(华东、华北、GRAPES-MESO)数值预报产品,较大幅度提高了暴雨临近—短时—短期的预报准确率和精细化水平(苏军锋等,2012;王令等,2012)。与其它业务模式相比,ECMWF数值预报的准确率和稳定性整体上明显优于其它模式(辛辰等,2018;肖红茹等,2013;刘静等,2014)。但值得注意的是,类似北京“7.21”(谌芸等, 2012, 2018;孙军等,2012)、广州“5.7”大暴雨漏报的情况(伍志方等,2018),在干旱半干旱区也会发生,例如2016年8月21日贺兰山东麓238.1 mm(贺兰山滑雪场)大暴雨就存在预报量级明显偏低的现象(陈豫英等,2018)。
其次是集合预报在暴雨预报中的应用。由于大气运动的混沌特征,数值预报初值误差会随着积分时间的延长呈指数式增长(杜钧等,2014;韩焱红等,2013),为了定量地表征初值和模式误差给预报结果带来的不确定性,开发了集合预报系统(Ensemble predic-tion System,EPS),进而从概率的角度提高数值模式的预报性能(胡邦辉等,2015;李泽椿等,2014),给预报员带来了一套全新的预报思路(刘琳等,2013;汪娇阳等,2014)。常用的集合预报产品包括极端天气指数EFI、降水概率、集合平均、集合分位数、最大值等(董全等,2016;曹越等,2019)。在预报准确度方面,EC-MWF-EPS集合平均预报因其平滑了预报的极端值,带来对观测降水极端值预报的不足(朱鹏飞等,2015;武英娇等,2019);极端降水指数EFI大值区和强降水具有较好对应关系,EFI越大,发生强降水的可能性越大,但随着预报时效增加,EFI的指示作用逐渐下降(季晓东等,2018)。傅朝等(2019)指出由于集合预报系统存在物理过程随机,集合成员的随机性体现在预报时效的所有时段,所以对“极端成员”的实时跟踪和即时分析要贯穿天气系统影响的整个时段,特别是不稳定的大气环境下,ECMWF集合预报的“极端成员”预报准确的可能性增大。黄玉霞(2017)等利用EC-MWF-EPS集合预报51位成员的对流环境条件预报,开发了基于“配料法”思路的强降水概率预报产品,能更好地帮助预报员判断对流性暴雨发生的潜势与及落区。
4.2 卫星、雷达、闪电资料在暴雨监测预警中的应用西北地区东南部暴雨天气的中尺度对流系统(MCS)多由γ尺度或β尺度对流云团发展而来,由于中小尺度系统空间尺度小、时间尺度短,用常规地面资料很难捕捉,但利用卫星、雷达资料,不仅可观测大范围云系分布,而且可监测到中小尺度对流云团发生、发展和消散演变的全过程,因此实际业务中通常以多资料融合的方式开展暴雨的监测预警业务(傅朝等,2015;张夕迪等,2018)。纪晓玲等(2010;2012)指出河套地区MCS生成、发展、减弱过程的持续时间约6 h,TBB可达-47 ℃,雷达径向速度图有明显的“逆风区”结构,较强降水发生提前20~30 min,雷电发生频率突然增大时间较强降水超前1 h左右。甘肃陇东南暴雨的雷达强回波以层积混合云回波为主,有垂直塔状、质心低的特征,因受地形阻挡或系统移速较慢等原因,沿着低空急流轴不断衍生出一系列γ或β尺度的对流单体,具有后向传播和“列车效应”特征(王宝鉴等,2016;赵庆云等,2017)。西安南部长安出现86.3 mm·h-1的强降水时TBB小于-60 ℃,且雷达回波上孤立的、反射率超过60 dBz的小尺度对流单体可提前预警暴雨(张雅斌等,2016;郭大梅等,2015)。慕建利等(2012)研究指出,陕西关中暴雨过程中负地闪占总地闪的97.7%,地闪的发生和急剧增加对暴雨发生和发展加强有很好指示意义。张俊兰等(2016)指出4月北疆和南疆东部暴雨过程中,卫星云图TBB<-42 ℃区域可能出现中等强度降水、TBB<-52 ℃时最大小时雨强可能大于7 mm·h-1,乌鲁木齐风廓线雷达的反射率因子在大于20 dBz的强回波出现后30 min左右雨强增大。新疆巴州“6.4”罕见短时暴雨的MCS特征分析表明(王清平等,2016),此次暴雨主要是由多个中β及中γ尺度对流云团在移动过程中逐渐合并加强造成,暴雨主要发生在TBB等值线密集区和TBB≤-52℃区域,过程中MCS云团回波强度大于50 dBz。
相对静止卫星,TRMM卫星的升空为研究陆面降水的降水结构、雨强、降水分布与变化提供了便利条件。王宝鉴等(2017)利用热带测雨卫星(TRMM)的PR和TMI探测资料,研究了2013年青藏高原东坡一次大暴雨强降水三维结构:从水平结构来看,降水系统存在若干20~50 km、回波强度在45~50 dBz的β中尺度对流雨团,零散地分布在由成片层云雨团为主雨带中,对应小于210K的微波辐射亮温区和大于32 mm·h-1的地面强降水;对流样本数占总样本数的6.9%,但平均雨强是层云的4.7倍,对总降水的贡献达到25.6%;从垂直结构来看,平均雨顶高度随地面雨强的增强而不断升高(5~12km),强降水中心区域的质心在2~6 km,降水廓线反映出强降水系统中降水主要集中在6 km以下高度范围。
暴雨的预报是个世界性难题,虽然高分辨率确定性模式、中尺度模式、集合预报在业务中得到广泛应用,也显著提高了暴雨的预报准确率,但近年来极端暴雨事件说明中尺度对流暴雨仍具不可预报性,今后需要加强融合监测、多模式联合应用以及预报员对模式产品的订正等来提高暴雨的精细化预报水平。
5 小结与展望对当前我国西北干旱半干旱地区暴雨研究的回顾,主要涵盖气候特征、大尺度环流形势、水汽输送、中尺度系统发生发展及成因、预报方法等方面,由于水平有限,难免疏漏。总体上看,随着监测手段的完善、高分辨率数值预报模式的发展,西北暴雨的监测预警与预报能力已取得长足进步,但也存在一些亟待解决的问题,主要包括:
(1) 合理的暴雨定义问题,以24 h雨量大于等于50 mm为标准定义的暴雨,反映出降水的量级但没有反映出暴雨的特点和强度,由于西北地区地形地貌和下垫面特征十分复杂,短历时暴雨造成的危害不容小觑,因此基于强度来定义暴雨就显得迫在眉睫。
(2) 短历时暴雨中尺度系统生消机理研究,特别是针对高原大地形下背风坡中尺度低涡暴雨、中尺度地形和下垫面暴雨增幅机理开展研究。
(3) 应重视高、中、低纬环流系统相互作用对与暴雨有密切联系的低空急流的发生发展机制问题,包括西风槽、低涡切变线、台风与副热带高压相互作用生成准南北向的低空急流、与青藏高原热低压相关联的偏东低空急流等。
(4) 从气候和气候变化的角度,针对华西秋雨背景下长历时暴雨的发展演变、东亚夏季风对暴雨的影响、变暖背景下极端暴雨事件预测及其影响预估研究也值得关注。
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