李國翠，李國平，陳小雷，李宗濤，孫云

(1.河北省石家莊市氣象局，河北石家莊050081;2.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225;3.成都信息工程學(xué)院高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610225;4.河北省氣象臺，河北石家莊050021)

0 引言

水汽的分布極不均勻，時空變化很大。水汽及其變化是天氣和氣候的主要驅(qū)動力，是預(yù)測降雨、中尺度惡劣天氣以及全球氣候變化的一個非常重要的物理量。水汽含量的多少既能決定空氣濕度能否達(dá)到飽和狀態(tài)，也與降水量的多少直接相關(guān)。目前，地基全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)遙感大氣可降水量(precipitable water vapor，PWV)的時空分辨率高(Bevis et al.，1992;曹云昌等，2004;吳建軍等，2007)，已經(jīng)成為大氣水汽監(jiān)測的主要手段之一，并被應(yīng)用于諸多方面。

研究表明，GPS可降水量資料變分同化能有效地提高模式初始水汽場的精度，從而改善降水預(yù)報(bào)效果(李曉莉等，2002;王洪利等，2004;Nakamura et al.，2004;朱男男等，2008;顧瑩等，2010)。在災(zāi)害性暴雨天氣的分析方面，李國翠等(2008)、郭潔等(2009)、李國平等(2009)研究了西南地區(qū)和華北地區(qū)不同類型降水的可降水量特征;丁金才等(2004)、姚建群等(2005)、楊露華等(2006)對華東沿海暴雨個例進(jìn)行了研究。以上側(cè)重的是單個暴雨或不同類型暴雨個例的分析研究，本文利用石家莊市晉州和平山兩站地基GPS反演的可降水量資料，對2010年8月18—21日發(fā)生在石家莊地區(qū)由副熱帶高壓(簡稱副高)西進(jìn)和東退引起的兩次暴雨天氣過程進(jìn)行分析，探尋GPS可降水量與降水天氣過程的對應(yīng)關(guān)系，以期為暴雨天氣的短時臨近預(yù)報(bào)提供新的參考依據(jù)。

1 過程概況和形勢演變

1.1 過程概況

2010年8月18—21日石家莊出現(xiàn)了兩次強(qiáng)降水過程(圖1)。第1次過程出現(xiàn)在18日白天到19日上午，石家莊西北部為中到大雨，市區(qū)及東、南部為大到暴雨，最大值出現(xiàn)在趙縣(77.6 mm);第2次過程出現(xiàn)在20日白天到21日夜間，全區(qū)普降大雨，其中元氏雨量為54.3 mm，達(dá)到暴雨。

從降水性質(zhì)分析，18日夜間石家莊東、南部的9個縣(市)均出現(xiàn)雷暴，東北部行唐、正定、新樂和石家莊出現(xiàn)陣雨，且均屬于對流性降水，降水強(qiáng)度和過程總降水量較大。西部的井陘、平山、靈壽和欒城為穩(wěn)定性降雨;19日白天和20—21日的降水過程則屬于穩(wěn)定性降雨。

1.2 形勢演變

從天氣形勢分析，西太平洋副高加強(qiáng)西伸(圖2)，18日白天到夜間，石家莊處于584～588 dagpm等值線之間，700～850 hPa有切變線東移過境(圖3a)，其中18日20時(北京時，下同)和19日08時700 hPa西南風(fēng)速達(dá)16 m/s，形成低空急流，對應(yīng)著第一次強(qiáng)降水過程;19日下午到20日晨，石家莊完全被副高控制，降水出現(xiàn)停歇;20日白天，副高開始減弱并東退，21日白天石家莊處于584～588 dagpm等值線之間，受到西南暖濕氣流的控制，21日08時700 hPa上山西有氣旋性環(huán)流(圖3b)，石家莊處于槽前，受西南急流(12 m/s)的影響，之后渦旋減弱東移北上，受切變線和副高邊緣共同影響，21日白天石家莊再次出現(xiàn)強(qiáng)降水;22日晨副高退到河套以南，高空槽和切變線移出，降水過程結(jié)束。

2 GPS可降水量分析

2.1 代表站的選取

圖1 石家莊降水分布(單位:mm)a.18日08時—19日20時;b.20日08時—22日08時Fig.1 Distribution of precipitation in Shijiazhuang(units:mm)a.from 08:00 BST 18 to 20:00 BST 19;b.from 08:00 BST 20 to 08:00 BST 22

選取石家莊西部山區(qū)的平山和東部平原的晉州兩站，對18—19日和20—21日的兩次強(qiáng)降水天氣過程進(jìn)行分析。表1列出了兩次降水過程中兩站的降水階段、降水性質(zhì)、過程降水量、降水量極大值(1 h降水量≥5 mm)及出現(xiàn)的時間(北京時)。

由表1可以看出，晉州18—19日為對流性雷陣雨，對應(yīng)的過程降水量和降水強(qiáng)度均達(dá)到最大，過程降水量達(dá)到暴雨，19日00時的1 h最大降水量為26.1 mm，為短歷時強(qiáng)降水(標(biāo)準(zhǔn):1 h降水量≥20 mm的降水)。除此之外，其余3次降水過程均屬于穩(wěn)定性降水，過程降水量為大雨，降水強(qiáng)度相對較弱，1 h最大降水量為13.6 mm，出現(xiàn)在平山18日21時。

表1 兩次強(qiáng)降水過程中平山和晉州的降水特征Table 1Characteristics of two heavy precipitation events in Pingshan and Jinzhou

另外，1 h最大降水量超過5 mm的還有4次。

2.2 單站GPS可降水量分析

從8月16日08時—22日20時平山和晉州兩站的逐時GPS可降水量和1 h降水量演變(圖4)可明顯看出，兩站的GPS可降水量總體均呈升—降—升—降的起伏變化趨勢，GPS可降水量和1 h降水量均存在兩個峰值，分別對應(yīng)著前后兩次降水，且出現(xiàn)的時段基本一致。

1)第1次降水過程

圖4 16日08時—22日20時GPS可降水量和降水量的逐時演變a.平山;b.晉州Fig.4 Hourly variation of precipitable water vapor and precipitation from 08:00 BST 16 to 20:00 BST 22a.Pingshan;b.Jinzhou

平山GPS可降水量從16日13時開始波狀上升，17日20時超過基值(即月平均值，為48.1 mm)，19日05時達(dá)到峰值(65.8 mm)。降水開始時間為18日10:18，位于GPS可降水量上升后期，偏早于GPS可降水量極大值出現(xiàn)時間7 h;結(jié)束時間為9日08:12，晚于極大值出現(xiàn)3 h，位于GPS可降水量的下降初期。降水過程中，GPS可降水量維持在53.2～65.8 mm，遠(yuǎn)高于月均值，說明高值GPS可降水量(超過基值)是降水發(fā)生的必要條件。1 h降水量極大值出現(xiàn)在18日21時，比GPS可降水量峰值偏早8 h，但與18日19時的極大值(60.4 mm)相比，偏晚2 h。另外，GPS可降水量的峰值之后又出現(xiàn)了1 h降水量的次峰值。這說明降水強(qiáng)度的極大值往往對應(yīng)著GPS可降水量的極大值，但時間稍有落后。由此可見，GPS可降水量是一個有預(yù)報(bào)意義的物理量。峰值出現(xiàn)前的石家莊西部降水是副高加強(qiáng)過程中，西風(fēng)帶高空槽過境影響造成的，而峰值后發(fā)生的弱降水與副高西進(jìn)密切相關(guān)。

晉州降水也是出現(xiàn)在GPS可降水量大于基值(51.5 mm)時，GPS可降水量的極大值為69.2～74.5 mm，出現(xiàn)在18日18時—19日09時，其中最大值為19日01時的74.5 mm，較大值為18日20時的71.5 mm和19日08時的72.2 mm。1 h降水量的極大值為26.1 mm，出現(xiàn)在19日00時，比GPS可降水量極大值偏晚1 h，與次大值兩者出現(xiàn)的時間基本吻合。與平山不同的是，晉州GPS可降水量最大值出現(xiàn)前經(jīng)歷了急升階段。其中18日10—20時，GPS可降水量由44.5 mm升至71.5 mm，升幅達(dá)2.7 mm·h－1;之后的GPS可降水量緩慢下降，下降后4 h仍有小雨與之對應(yīng)。峰值出現(xiàn)前，石家莊東部降水主要是由副高西伸過程中冷暖氣流交綏造成的強(qiáng)對流天氣引起的，其特點(diǎn)是降水強(qiáng)度大，GPS可降水量升幅劇烈，可降水量極大值與降水量的極大值剛好對應(yīng);而峰值出現(xiàn)后的弱降水則與位于副高邊緣有關(guān)。

2)降水間隙

18—19日的降水過程之后，兩站的GPS可降水量均有所下降，但由于受副高控制，大氣呈高溫、高濕狀態(tài)，兩站GPS可降水量雖在19日18時下降到谷值，但一直保持在基值之上。19日18時之后GPS可降水量又開始緩慢上升，預(yù)示著大氣中水汽的重新聚集。

3)第2次降水過程

平山GPS可降水量的峰值出現(xiàn)在20日22時—21日12時，峰值階段GPS可降水量始終大于65 mm，遠(yuǎn)高于前次降水，且可降水量高值持續(xù)時間長，其中21日08時達(dá)最大值(71.3 mm)。降水出現(xiàn)時段與GPS可降水量的大值階段對應(yīng)，開始時間剛好對應(yīng)峰值，結(jié)束時間晚于峰值之后9 h，即對應(yīng)著GPS可降水量的極大值階段和下降初期。

晉州20日白天到21日夜間的GPS可降水量也一直維持在較高水平，但上升幅度緩慢。20日04時—21日07時，GPS可降水量處于峰值階段，為68.0～73.8 mm，中間有小幅升降，極大值出現(xiàn)在21日07時，與強(qiáng)降水階段對應(yīng)。21日08時之后，GPS可降水量略有下降;21日15時—22日01時，GPS可降水量維持在65.4～67.6 mm，此階段仍有小雨出現(xiàn)。之后，GPS可降水量快速下降，降水過程結(jié)束。從影響系統(tǒng)分析，這次降水主要是由副高東退及切變線共同影響造成的，副高東退時，降水開始;當(dāng)切變線移過本地時，降水結(jié)束。

4)平山與晉州兩站的對比

從影響機(jī)制上分析，實(shí)況降水強(qiáng)度和降水性質(zhì)主要取決于副高和西來槽(或切變線)的位置、結(jié)合程度以及大氣層結(jié)特征;GPS可降水量反映的是垂直氣柱中的大氣水汽總量的變化，其變化特征主要取決于水汽通道的建立及輻合、輻散程度，間接地取決于天氣形勢的配置。當(dāng)副高與西來槽結(jié)合，槽前的西南氣流可以源源不斷輸送水汽，并在本地對應(yīng)有風(fēng)向或風(fēng)速的輻合時，水汽條件滿足強(qiáng)降水條件，對應(yīng)的降水就強(qiáng)，反之就弱。如:在副高(西進(jìn)或后退)與西來槽(或切變線)結(jié)合時，GPS可降水量處于高值階段(上升至極大值)，可降水量超前于實(shí)際降水的極大值，結(jié)合越好則對應(yīng)的降水越強(qiáng)。當(dāng)配合有不穩(wěn)定能量時，對應(yīng)著高強(qiáng)度的不穩(wěn)定降水，且可降水量與實(shí)際降水的極大值出現(xiàn)時間基本吻合;在副高西進(jìn)或東退的后期，由于副高邊緣的高能高濕，仍會有小量降水出現(xiàn)，使得降水結(jié)束時間滯后于可降水量極大值。當(dāng)然，由于水汽條件是產(chǎn)生強(qiáng)降水的必要而非充分條件，因此實(shí)際預(yù)報(bào)中需要綜合考慮，才能得出正確的結(jié)論。

從GPS可降水量的大小分析，晉州GPS可降水量的平均值和升降幅度明顯高于平山，與此相對應(yīng)，晉州的過程降水量大，降水強(qiáng)度也強(qiáng)。從出現(xiàn)的時間次序來看，晉州GPS可降水量出現(xiàn)極值的時間略早，而迅速下降的時間略晚，大值持續(xù)時間較長，降水的持續(xù)時間也長，這與晉州的地理位置偏東，副高影響(包括水汽輸送)的時段較長有關(guān)。

2.3 GPS可降水量偏離系數(shù)

由于各測站的海拔高度不同，測站之間的GPS可降水量存在系統(tǒng)性差異，不能直接用于比較可降水量的區(qū)域性差異。因此，可對其標(biāo)準(zhǔn)化，引入GPS可降水量偏離系數(shù):其中為該站的月平均值(基準(zhǔn)值);δPWV是其標(biāo)準(zhǔn)差。利用偏離系數(shù)可以消除站與站之間的系統(tǒng)性誤差，還可以凸顯GPS可降水量與平均值的差別，正值表示比平均值大，負(fù)值表示比平均值小，偏離系數(shù)值越大表示偏離平均值的程度越大，通過分析PWV*的變化，可了解大氣水汽的積累和消散。

通過對平山、晉州兩站GPS可降水量偏離系數(shù)與1 h降雨量對應(yīng)關(guān)系的比較(圖5)可以看出，兩站降水均出現(xiàn)在PWV*＞0的時候，而且偏離系數(shù)越大，對應(yīng)的降水強(qiáng)度也越大。說明充足的水汽是發(fā)生降水的必要條件;相反，PWV*＜0，則表示水汽條件不夠，發(fā)生降水的可能性較小。

兩站對比表明，晉州的強(qiáng)降水(1 h降水量大于2 mm)出現(xiàn)在PWV*≥1時，強(qiáng)降水對應(yīng)著GPS可降水量的極大值;當(dāng)PWV*＜1時，對應(yīng)的降水均較弱。而平山的(對流性)強(qiáng)降水出現(xiàn)在GPS可降水量劇烈增長時，超前于GPS可降水量極大值出現(xiàn)的時間，對應(yīng)的GPS可降水量偏離系數(shù)比晉州略小，但一般PWV*≥0.7。

3 地面假相當(dāng)位溫分析

為揭示副高強(qiáng)降水天氣過程的能量演變情況，利用地面加密自動站資料計(jì)算得到了各測站的逐時假相當(dāng)位溫。圖6給出了16日08時—22日20時平山和晉州的假相當(dāng)位溫變化。可以看出:1)在副高西伸和東退引起的兩個階段降水出現(xiàn)之前，能量有一個不斷積累的過程，平山和晉州兩站的假相當(dāng)位溫均經(jīng)歷了上升和極大值階段;降水出現(xiàn)時伴隨著能量的釋放，因此降水出現(xiàn)在假相當(dāng)位溫的快速下降階段或谷值區(qū)。2)兩階段降水過程相比，第一階段降水前期的假相當(dāng)位溫峰值高、升降幅度大、高值持續(xù)時間短，對應(yīng)著短而強(qiáng)的降水;而第二階段的假相當(dāng)位溫峰值低、升降幅度相對平緩、高值持續(xù)時間長，對應(yīng)的降水弱，但持續(xù)時間長。這說明假相當(dāng)位溫的升降幅度、峰值大小等特征對降水預(yù)報(bào)有指示意義。

圖5 GPS可降水量偏離系數(shù)與1 h降雨量的對應(yīng)關(guān)系a.平山;b.晉州Fig.5 The corresponding relationship between deviation coefficient of GPS PWV and hourly precipitationa.Pingshan;b.Jinzhou

圖6 16日08時—22日20時平山和晉州的地面假相當(dāng)位溫Fig.6 The ground pseudo-equivalent temperature from 08:00 BST 16 to 20:00 BST 22 in Pingshan and Jinzhou

另外，高能量的積累是降水出現(xiàn)的必要而非充分條件，假相當(dāng)位溫峰值之后的谷值階段并不一定全部對應(yīng)降水，主要有以下兩個原因:1)地面假相當(dāng)位溫存在白天高、夜間低的日變化;2)雖然前期有能量的積累，但如果不滿足降水所需的水汽、動力條件及天氣系統(tǒng)的高低層配置關(guān)系，降水天氣也不會出現(xiàn)。

4 小結(jié)和討論

2010年8月18—21日石家莊地區(qū)出現(xiàn)兩次強(qiáng)降水天氣過程，是在副高西進(jìn)和東退過程中與西風(fēng)帶高空槽、切變線共同影響造成的，強(qiáng)降水均發(fā)生在584～588 dagpm等值線之間、高空槽或切變線與副高之間的西南急流帶內(nèi)。降水過程中GPS可降水量具有以下特點(diǎn):

1)GPS可降水量反映的是垂直氣柱中的大氣水汽總量，降水通常出現(xiàn)在GPS可降水量高于基值時。由于副高是一個深厚系統(tǒng)，受其影響時，GPS可降水量的極大值階段以及上升后期和下降初期均可出現(xiàn)降水，其中GPS可降水量的極大值階段往往對應(yīng)著強(qiáng)降水;GPS可降水量上升后期，一般水汽和不穩(wěn)定能量已經(jīng)過長時間的積累，滿足高能、高濕條件，一旦配合有擾動發(fā)生(在副高的邊緣)，就會產(chǎn)生很強(qiáng)的對流性降水，GPS可降水量表現(xiàn)為急劇上升特點(diǎn);在GPS可降水量下降初期，水汽總量雖有所減小但仍高于正常水平，則降水趨于減弱但仍會維持弱降水。

2)穩(wěn)定性降水過程中，GPS可降水量呈波狀變化趨勢，變幅相對平緩，呈多峰型形態(tài)，強(qiáng)降水與GPS可降水量的大值階段對應(yīng);而對流性降水過程中，GPS可降水量升降幅度劇烈，可降水量對應(yīng)降水強(qiáng)度的峰值。

3)水汽是發(fā)生降水的必要條件，降水多發(fā)生在GPS可降水量偏離系數(shù)大于零時。偏離系數(shù)越大，對應(yīng)的降水強(qiáng)度也越大，強(qiáng)降水一般出現(xiàn)在偏離系數(shù)超過1時。若降水性質(zhì)為對流性雷雨或陣雨，GPS可降水量劇烈增長，而偏離系數(shù)卻比穩(wěn)定性降水的略小。

4)降水之前有能量積累過程，降水出現(xiàn)前假相當(dāng)位溫經(jīng)歷了極大值階段;副高降水出現(xiàn)在假相當(dāng)位溫的快速下降階段或谷值區(qū)，伴隨著能量釋放。假相當(dāng)位溫峰值越高、升降幅度越大、高值持續(xù)時間越長，對應(yīng)的降水就越強(qiáng)。但是，前期高能量的積累是降水出現(xiàn)的必要而非充分條件，這與假相當(dāng)位溫的日變化以及降水所需的水汽、動力條件及天氣系統(tǒng)的高低層配置有關(guān)。

需要說明的是，上述結(jié)論只是對兩個個例分析后歸納出的，隨著這種新型水汽資料的日益豐富，還有待于通過更多個例的應(yīng)用研究來加以驗(yàn)證和完善。

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