集合动力因子在内蒙古东部暴雨预报过程中的检验分析

李瑞青

摘要 针对2017年7月6—7日蒙古东部地区的降水过程，利用NCEP的GFS预报场资料为输入资料，反演得到集合动力因子预报系统中的14个动力因子以及集合平均动力因子，对强降水过程进行诊断分析和预报研究。结果表明，此次降水过程由高低空急流、冷涡、副热带高压和辐合切变线等多个天气系统共同作用造成。湿热力平流参数等多个动力因子预报降水在空间分布上与6 h观测降水基本一致，代表动力因子对降水落区具有较好的指示意义。ETS评分计算表明，动力因子对降水预报有一定的技巧，动力因子的预报效果明显。集合平均动力因子可以反映各种动力因子预报降水的特点，平均集合动力因子与观测降水落区的空间相关系数达到0.63，ETS评分为0.48，明显优于大部分单个动力因子统计结果。

关键词 内蒙古；暴雨；动力因子

中图分类号：P458.121 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2018）05-029-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.05.011

暴雨是我國常见的灾害性天气，具有局地性强，突发性明显，降水历时短，强度大等特点，容易在短时间内造成洪涝灾害，引发山洪、泥石流和山体滑坡等气象次生灾害[1]，因此暴雨，特别是局地暴雨的预报依然是一个难点，同时也是我国天气预报业务的重点。内蒙古自治区地域辽阔，地形复杂，盛夏季节冷暖空气交汇频繁，内蒙古东部地区由于受夏季风边缘影响，暴雨频频发生，是夏季常见的灾害性天气。

国内外气象工作者在暴雨落区预报方面开展了大量的研究工作，先后建立了多个物理意义明确且能够表征暴雨动热力过程的宏观物理量，并将其运用于暴雨落区的诊断分析和预报中。高守亭等[2]以暴雨触发机制为出发点，基于国内最新研发的一系列暴雨动力因子开发了集合动力因子预报系统（简称EDFF）。笔者对各动力因子开展本地化适用性分析，并且初步统计各动力因子预报指标，以期为内蒙古地区的一线业务预报员在暴雨预报过程中提供参考。

1 天气形势分析

2017年7月6—7日我国内蒙古、河北、北京、天津和辽宁等地出现暴雨降水过程，此次暴雨天气过程在内蒙古东部地区最强6 h降水时间段出现在7月7日02：00—08：00（图1），强降水区主要位于内蒙古赤峰市南部和辽宁省朝阳市，其中朝阳市朝阳站6 h降水量为102 mm，羊山站105 mm，内蒙区赤峰市翁牛特旗站93 mm，赤峰市站53 mm。此次暴雨天气过程为蒙古地区的低涡缓慢东移所致，同时也受高低空多个天气系统共同影响，包括高、低空急流，高空槽和副热带高压等。

从2017年7月6日20：00的高空天气配置图可知（图2），200 hPa我国内蒙古北部为宽广的气旋环流，低压槽呈经向分布，槽前为东北-西南走向的高空急流，观测降水中心位于高空急流入口区的右侧，对应高空辐散区和次级垂直环流上升支。500 hPa高空冷涡位于内蒙古中部地区，涡后冷空气南侵，涡前为强大的西南暖湿气流，降水就发生在涡前暖湿气流中，副热带高压脊线北抬至长江流域，阻滞冷涡东移（图2a）。700 hPa等压面上河北、北京为高温高湿区，其西北侧的相当位温等值线密集，西北干冷空气与东南暖湿气流交汇，形成辐合切变线，切变线右侧与观测降水区重叠，该切变线加强对流层低层水汽和质量辐合，有利于释放潜在不稳定能量，为导致降水的对流系统发展提供动力触发机制，促进暴雨的发生发展。此外，充分的水汽供应也是导致此次降水过程的一个关键因素，700 hPa等压面上有一条来自南海的偏南气流水汽输送通道，这为此次降水提供了丰富的水汽，同时也使得降水区维持一定强度的对流有效位能，促进对流系统的发展（图2c）。在850 hPa等压面上水汽输送较弱，高空冷涡与副热带高压间形成较强的气压梯度，有利于建立通向华北地区的偏南风低空急流（图2e）。

7日02：00，200 hPa高空槽加深，移动缓慢，槽前高空急流入口区右侧的辐散区与强降水区相对应，500 hPa高空冷涡中心加深发展，受副热带高压的阻挡作用，高空冷涡东移缓慢（图2b）。同时受副热带高压影响，700 hPa偏北风和西南风的辐合切变更加明显，辐合切变线向东北方向推进，促进偏南风暖湿气流的辐合抬升。在水汽输送方面，高空冷涡的加深发展使得副高西侧的偏南气流把水汽更直接地输送到华北地区（图2d）。850 hPa低空急流的强度达14 m/s，强劲的偏南气流与较弱的偏北气流交汇在低空急流的左侧，形成东北西南走向的辐合线，与高空急流相配合，促进对流层低层水汽辐合，高层气流辐散，这些动力配置导致河北省北部、内蒙古和辽宁地区垂直上升运动增强，降水过程处于发展加强阶段（图2f）。

从比湿和温度平流的垂直分布（图3）可以看出，6日20：00冷暖空气交汇处位于115°E左右，115°E以西低层处于暖平流控制，高层为冷平流控制，上干冷下暖湿，存在明显的位势不稳定，115°E以东地区地面处于弱冷平流控制，850 hPa以上为暖平流，东部地区受暖湿气流水汽输送的影响，整层比湿场明显增大，比湿场2 k/kg等值线伸展到400 hPa以上。7日02：00，随着冷涡的加深发展东移，干冷空气不断侵入，冷暖空气交汇处东移至117°E左右，同时降水区整层受暖湿气流影响，比湿场也明显增长，850 hPa和700 hPa比湿场明显增长至12和10 k/kg以上，这种冷暖空气的交汇有利于不稳定能量的触发，导致降水的发生。

另外，从相当位温的垂直分布（图4）也可以看出，7月6日20：00，降水区以南相当位温等值线从对流层高层向下伸展，呈漏斗状分布，漏斗两侧及底部的等值线密集，以至于相当位温水平梯度在降水区低层比较显著，代表此处存在热力不连续面，大气湿斜压性明显。降水区等值线密集区在对流层低层随高度向南倾斜，对流层中高层随高度向北倾斜，这样对流层低层相当位温垂直递减，存在明显的位势不稳定。低层南部有弱的下沉运动，北部有弱的上升运动，中高层上升运动并不明显，7月7日02：00，随着水汽输送的增长，降水区低层相当位温等值线的垂直梯度进一步增大，位势不稳定增强。

图5给出FY2E卫星黑体亮温（TBB）的分布特征，7日02：15一條典型的水汽输送云带从内蒙古中部向东南方向伸展，掠过河北和辽宁等地，直至长江流域地区。内蒙古自治区和辽宁省有明显的对流云团活动，这些不同空间尺度的对流单体不断生成合并，由于偏南风低空急流水汽输送，04：15内蒙古赤峰市南部对流云团发展，TBB值降低至-50℃，这是造成内蒙古东南部地区暴雨的主要因素，其后对流云团依然在内蒙古赤峰市南部维持，产生较大的累积降水。

综上所述，副热带高压和蒙古冷涡前沿形成的辐合切变线，以及高低空急流的耦合作用是导致此次内蒙古东部地区暴雨过程的重要因素之一。副热带高压的北抬减缓蒙古冷涡的东移，并且低空急流把南海的水汽输送到华北地区，为暴雨事件提供了充足的水汽供应。低层切变线加强西北干冷空气与东南暖湿气流的辐合，使暖湿气流在干冷气团之上爬升，释放潜在不稳定能量，为暴雨过程提供动力触发机制。

2 动力因子分析

高守亭等[2]发展多个物理意义明确，包含丰富动热力信息，对暴雨落区有一定指示意义的宏观物理量，比如湿热力平流参数、对流涡度矢量和波作用密度等。基于能够表征中尺度系统发展演变的中尺度波流相互作用理论，并结合暴雨动力、热力学特点，开发了集合动力因子暴雨预报系统[1]。其基本原理是加强释用暴雨中的动力、热力过程信息，利用模式预报较为准确的基本产品，构建具有物理意义明确且可表征关键动热力过程的因子，并将其用于暴雨预报[3]。该系统在内蒙古地区的本地化应用，是对于目前内蒙古暴雨预报过程技术发展的一个重要补充，该文将利用暴雨预报系统的动力因子，对此次降水过程进行预报和检验，以此对后续的预报员在内蒙古东部地区暴雨预报过程中提供参考。

该文借助于高守亭等[2]和冉令坤等[1]以暴雨触发机制为出发点研发的集合动力因子预报系统，首先分析了集合动力因子预报系统的成员，选取与内蒙古地区热动力效应和环流特征相关、与暴雨发生的水汽和垂直运动等必要条件紧密联系的14个动力因子成员（表1），试图加强释用内蒙古地区暴雨中的动力、热力过程信息，并将其用于暴雨预报诊断分析。这些宏观物理量分别侧重于不同的大气动力学特征，例如，对流涡度矢量的垂直分量包含水平风的垂直切变，强迫静力稳定度发展变化；几种波作用密度从波流相互作用的角度引入扰动垂直速度、扰动涡度和扰动散度，描述扰动能量的发展演变。此外，这些物理量都包含广义位温（或其扰动）的梯度，兼顾了大气湿斜压性的特点。广义位温引入了凝结潜热函数，在一定程度上体现了水汽效应。由于降水区常常伴有垂直风切变、低层辐合和涡旋运动，大气具有高温高湿的特点，湿斜压性较强，垂直上升运动强烈，凝结潜热释放明显，因此这些物理量通常在降水区表现异常[1]。

由于6 h观测降水是累积量，而动力因子是瞬时量，为了保持诊断分析的一致性，该文计算了6 h观测降水初始时刻和结束时刻这两个时刻平均的动力因子，如果没有特别说明，下文中的动力因子均指两个时刻平均的动力因子。此外，为了保持与动力因子的空间一致性，利用Cressman插值方法将站点降水数据插值成0.5°×0.5°格点数据。

图6为集合动力因子预报系统预报的6 h时效各集合动力因子的空间分布特征，这些动力因子的高值区与观测降水一致，呈东南-西北向带状分布，基本上覆盖6 h观测降水区，而在弱降水或非降水区，这些预报的动力因子数值比较小，因此，预报动力因子与观测降水有一定的对应关系，基本上能够指示降水落区。这些预报动力因子的中心位置与观测降水中心略有偏差，主要位于观测降水中心的西南侧，这种特征也出现在冉令坤等[1]的研究结果中，这可能是由于降水区与非降水区在动力、热力学特征存在明显差异，例如垂直速度、相当位温等物理量在二者交界处存在动力、热力学特征的水平梯度。由于包含动力、热力学的水平梯度，所以这些动力因子在交界处呈现为高值区，这是造成预报动力因子与观测降水中心位置偏差的一个可能原因。

为了定量分析动力因子对降水的预报效果，把预报的动力因子转换成预报降水量，如图7走向和位置与观测降水区基本一致。值得注意的是，动力因子预报降水落区相比于观测资料，整体向西南方向偏移，这种动力因子预报降水落区出现的系统性偏差，可能与全球预报系统（GFS）预报场本身的系统性偏差有关。

为了定量地评估动力因子对降水在空间上的预报效果，该文统计了预报与实况降水在空间分布上的空间相关系数（图8a），从相关系数上看降水预报与实况的空间分布特征非常吻合，尤其是散度垂直通量（sumwdiv）和凝结潜热质量散度垂直通量（sumwaldiv），相关系数分别为0.71和0.70。进一步计算降水量大于5 mm的ETS（Equitable Threat Score）评分（图8b），在2017年7月7日02：00开始预报的6 h内，对于大于5 mm的降水，除了湿热力平流参数（summtp），其他动力因子降水预报的技巧评分都在0.3以上，凝结潜热质量位涡波作用密度（swavepval）最高，达到0.5。

由于单一动力因子只能描述降水过程的动力、热力场和水汽场垂直结构的部分特征，只能反映降水系统及其背景场动力、热力学的某些性质，不能全面地表征降水过程的所有特点，因此单一动力因子对降水的指示作用是有限的，但是这些动力因子的集合可以比较全面地表征降水过程的各种典型垂直结构特征和动力热力学性质，因此该文对这些动力因子进行简单的平均，集合更多的动力、热力信息来预报降水。从图7可以看出，平均动力因子预报降水中心位于41°N、119°E，综合反映了各种动力因子预报降水的特点。但是在降水强度预报方面，平均动力因子预报降水的强度比观测降水的强度偏弱。从空间相关系数上看（图8a），平均动力因子预报降水与观测降水间有很好的相关性，空间相关系数达到0.63，同时ETS评分也达到0.48（图8b），明显优于大部分单个动力因子统计结果。总体来看，动力因子在此次降水预报中，特别是在降水落区预报方面有一定的预报能力。

3 结论

该文以NCEP的GFS预报场资料为输入资料，反演得到集合动力因子预报系统中的14个动力因子以及集合平均动力因子，对2017年7月6—7日内蒙古东部地区强降水过程进行诊断分析和预报研究，对比了预报降水与实况降水间的差异，探讨了动力因子对降水的预报指示意义，得出以下主要结论。

（1）此次降水过程由高低空多个天气系统共同作用造成，200 hPa高空急流为降水创造了高层动力辐散条件，500 hPa冷涡东移南下，引导冷空气侵入内蒙古东部地区，700 hPa和850 hPa低空急流向降水区输送充足的水汽。副热带高压和冷涡前沿的辐合切变线是导致此次降水过程的两个重要因素。辐合切变线加强西北干冷空气与暖湿气流的辐合，释放潜在不稳定能量，为此次强降水过程提供了动力抬升机制。

（2）动力因子预报系统中各动力因子预报降水空间分布特征与观测降水基本一致，散度垂直通量（sumwdiv）和凝结潜热质量散度垂直通量（sumwaldiv）的空间相关系数达到0.7以上，意味着动力因子对此次降水落区有一定的预报能力。ETS评分计算表明，在6 h预报时效内，对于大于5 mm的降水，除了湿热力平流参数（summtp），其他动力因子降水预报的技巧评分都在0.3以上，凝结潜热质量位涡波作用密度（swavepval）最高，达到0.5，说明动力因子对降水预报有一定的技巧，动力因子的预报效果明显。

（3）集合平均动力因子可以反映各种动力因子预报降水的特点，但预报降水强度相比观测降水偏弱，平均集合动力因子与观测降水的相关系数达到0.63，ETS评分为0.48，明显优于大部分单个动力因子统计结果。

参考文献

[1] 冉令坤，齐彦斌，郝寿昌. 2014. “7.21”暴雨过程动力因子分析和预报研究[J]. 大气科学， 38（1）：83-100.

[2] 高守亭，冉令坤，李娜等. 2013. 集合动力因子暴雨预报方法研究[J]. 暴雨灾害， 32（4）：289-302.

[3] 李琴，杨帅，崔晓鹏等. 2016. 四川暴雨过程动力因子指示意义与预报意义研究[J]. 大气科学， 40（2）：341-356.

责任编辑：郑丹丹