王 坤， 張樹民， 李 敏， 陳 鐵， 丁愛萍， 顧沛澍

(1.江蘇省南通市氣象局，南通 226000；2.江蘇省海門市氣象局，海門 226100)

登陸臺風及其減弱或停編后的殘留低壓往往會帶來極端強降水，給當地帶來嚴重的氣象災害，對人類的生命財產和國民經濟建設及國防建設等造成嚴重損害[1-7]。長江流域下游臺風及其殘留低壓帶來的強降水的成因極其復雜，一直是氣象研究的重點和熱點之一。在業(yè)務預報中，預報員在對熱帶氣旋帶來的強降水進行預報時，往往很難對降水落區(qū)和降水強度進行準確預報[8-14]。基于異常場的分析在氣候研究中早已被廣泛應用，近些年來，基于異常場的分析也被引入到天氣分析之中。許多研究表明，異常場的分析對強天氣分析和預報中也非常有幫助。特別是原始異常場(raw anomaly，RA)和標準化異常場(normalized anomaly，NA)已經被廣泛應用到高影響天氣的分析中[15-27]。Grumm[28]使用標準化的異常場分析了2010年7～8月俄羅斯極端高溫情況。杜鈞等[29]使用集合異常預報法 對北京 2012 年 7 月 21 日特大暴雨進行了分析，揭示出“集合異常預報法”和集合預報可以提供比單一模式預報更可靠和更準確的信息。Jiang等[30]對比了NA和RA在北京2012年7月21日特大暴雨過程的分析和預報中的應用，研究表明，RA和NA在該次特大暴雨過程預報中可以給出成功的預報。

基于異常場的分析對極端天氣的分析和預報是十分有用的，對其他地區(qū)強降水的預報、預警發(fā)揮過重要作業(yè)，但尚未在長江流域下游這一暴雨頻發(fā)的地區(qū)得到檢驗和應用?，F以 2016 年 7 月11日發(fā)生在南通地區(qū)的特大暴雨事件作為研究個例，對比分析RA和NA對極端降水事件的指示意義，并對比分析了評估歐洲中心模式降水預報場及高度異常場對極端降水事件的預報能力。

1 方法及資料

Fd,y(λ，φ，P，t)=

(1)

氣候場由不同時間t的30 a(1981—2010年)平均求得。

使用的歐洲中期天氣預報中心(the european center for medium-range weather forecasts，ECMWF)的再資料ERA5分析場，ERA5是歐洲中心第五代再分析資料，使用的資料同化系統(tǒng)為IFS Cycle 41r2，水平分辨率約31 km，時間間隔為1 h，垂直方向為137層，并使用1981—2010年位勢高度場、溫度場等計算得到相應氣候態(tài)。使用間隔6 min的南通多普勒天氣雷達資料對降水的中尺度特征進行分析。預報資料為ECMWF 提供的細網格預報資料。ECMWF提供的是每天00：00和12：00(UTC)起報的15日預報，時間間隔為6 h(00：00，06：00，12：00，18:00 UTC)，水平空間分辨率為0.25°N×0.25°E經緯格點，垂直分8層。

2 降水實況及天氣背景分析

2016年第一號臺風“尼伯特”7月8日凌晨05：50，尼伯特在臺灣臺東縣登陸，7月9日13：45在福建石獅市再次登陸，7月10日03:00減弱為熱帶低壓，10日11:00移至江西廣昌境內后停止編報?！澳岵亍睔埩舻蛪涸诮K南通地區(qū)造成了大暴雨—特大暴雨強降水天氣過程，給南通崇川區(qū)造成嚴重城市內澇和農田積水，此次強降水天氣過程具有局地性強、雨強大、強降水持續(xù)時間長等特征，是一次典型的局地強對流天氣過程。該次強對流天氣過程的天氣背景分析已在相關文獻中有詳細分析[31]，僅做簡要描述。2016年7月10日20：00—11日14：00，副熱帶高壓使江蘇北部冷渦移動受阻，臺風“尼伯特”(1601號)殘留低壓沿其倒槽方向向東北移動，逐漸與蘇北地區(qū)低渦合并發(fā)展，中低空槽前都有強的西南急流存在，在蘇南地區(qū)激發(fā)出一個新的中尺度低壓并緩慢東移，給南通地區(qū)帶來強降水天氣過程。地面自動站觀測顯示，降水主要集中在11日12：00—19：00(圖1)，南通地區(qū)共125個自動站(含區(qū)域站，下同)中共有29站降水量超過50 mm、18站超過100 mm、5站超過200 mm。其中，最大累計雨量(250.6 mm)出現在南通大學區(qū)域自動站。整點記錄的小時雨量共有36站超過20 mm，其中20站超過50 mm、3站超過100 mm，最大小時雨強為151.2 mm·h-1，創(chuàng)有氣象記錄以來的歷史極值。

使用南通站間隔6 min多普勒天氣雷達資料分析7月11日強降水發(fā)生前后中尺度系統(tǒng)演變特征。14：00—17：00(圖2)在南通地區(qū)生成中尺度低渦，且維持穩(wěn)定少動，強降水地區(qū)回波強度進一步增強到55 dBZ以上，該低渦在南通市區(qū)上空維持3 h以上，導致了南通地區(qū)出現了大暴雨-特大暴雨強降水天氣過程。18：00降水回波逐漸減弱消散，降水過程逐漸停止。

圖1 2016年7月11日12：00—19：00南通地區(qū)累積降水量分布及自動站降水量Fig.1 Accumulated precipitation distribution and accumulated precipitation of automatic weather stations (AWS) over Nantong, at 12:00 to 19:00 on July 11， 2016

圖2 2016年7月11日14：00—17：00的南通多普勒天氣雷達1.5°仰角的基本反射率Fig.2 The base reflectivity of 1.5° elevation by doppler weather radar in Nantong at 14:00 to 17:00 on July 11, 2016

3 異常場分析

前人的研究表明，高空的異常信號一般與地面的極端天氣事件相對應，為檢驗南通地區(qū)極端降水與高空氣象要素的關系，圖3為2016年7月10日14：00沿32.1°N分別對位勢高度(GH)和比濕Q進行了垂直-經度剖面。圖3(a)、圖3(d)分別為位勢高度和比濕原值場，基本上無法看出對極端強降水有指示的明顯信號，從原值場基本上無法診斷出與高影響天氣相關的強異常信號。但從位勢高度RA場[圖3(b)]可以非常明顯的分析出強的異常中心，在南通地區(qū)所在在120.8°E附件150 hPa以下有非常強的位勢高度負異常中心，150 hPa以上為正異常；濕度RA場[圖3(e)]在600 hPa為正異常，600～250 hPa為濕度的負異常，低空正的濕度異常表明低層有充足的水汽，為極端強降水發(fā)生提供了充足的水汽，且高空干、低空濕的配置有利于強對流的產生。綜合分析圖3(b)、圖3(e)的位勢高度和濕度異常場，強的異常信號對潛在的強天氣事件有明顯的指示作用，最強的負異常中心可以作為強天氣事件的指示指標。圖3(c)、圖3(f)為異常除以其標準差，結果表明，位勢高度-濕度異常依然明顯存在，但異常中心略有變化，位勢高度NA場負異常最大超過1個標準差，濕度的NA場正異常最大超過1.5個標準差范圍。位勢高度和濕度NA場的強度可以用來表征極端降水的強度，強的位勢高度和濕度NA對應著地面的強降水的位置。

由圖2可知，此次強降水過程由低空低渦的長期存在所導致的，圖4為2016年7月11日00：00—23：00 UTC沿南通地區(qū)所在的32.1°N、121.0°E的位勢高度和濕度垂直-時間剖面，時間間隔為1 h。圖4(a)、圖4(d)為位勢高度和濕度原值場，基本上無法分析出對該次強降水過程有指示意義的信號。圖4(b)、圖4(e)分別為位勢高度和濕度RA場，可以看出在極端降水出現的12：00—18：00北京時對應500 hPa以下低層的強位勢高度負異常中心和600 hPa以下的濕度正異常中心，其中位勢高度負異常和濕度正異常最強的時段為16：00—17：00，對應南通地區(qū)小時降水最強的時段。其后雖然有出現一個低層位勢高度負異常中心，但相對濕度異常較小，南通地區(qū)沒有明顯降水出現。圖4(c)、圖4(f)為位勢高度和濕度NA場，NA場分布與RA場接近，略有不同，異常中心出現時段和RA場一致，但位勢高度和濕度的NA中心高度位于850～900 hPa之間，在最強極端降水出現的16：00—17：00北京時，低層的位勢高度負異常中心和濕度的正異常中心均超過2個標準差范圍。綜合以上分析可以看出，位勢高度和濕度的異常對極端降水事件有明顯的指示作用，極端事件的強度與NA的強度有明顯的相關。

圖3 2016年7月11日14：00 HCT沿32.1°N的垂直-經度剖面Fig.3 Vertical-longitude sections of HCT along 32.1°N at 14:00 on July 11， 2016

圖4 2016年7月11日00：00—23：00 UTC沿南通地區(qū)所在的32.1°N，121.0°E的垂直-時間剖面Fig.4 Vertical-time sections of UCT along 32.1°N，121.0°E in Nantong at 00:00 to 23:00 on July 11, 2016

圖5 歐洲中心預報模式不同起報時間的沿32.1°N的降水預報時間-經度剖面Fig.5 Time-longitude sections of precipitation forecast along 32.1°N for the ECMWF model rain predictions initiated

4 極端降水的預報

降水落區(qū)、強度、峰值和持續(xù)時間對強降水事件的預報至關重要。前面研究表明，強降水集中在11日12：00—18：00(北京時)。使用歐洲中心預報模式未來192 h的預報結果對該次降水過程的預報進行分析。圖5分別為歐洲中心預報模式不同起報時間的沿32.1°N的降水預報時間-經度剖面，其中圖5(a)起報時間為7月5日12：00 UTC，圖5(b)起報時間為7月7日 00：00 UTC，圖5(c)起報時間為7月9日 00：00 UTC，圖5(d)起報時間為7月10日 12：00 UTC?？梢钥闯瞿Ｊ皆?月5日12：00 UTC的起報場就對該強降水過程有所預報，但降水事件出現時段和最強降水出現時間相比實況更早，隨著起報時間逐漸與強降水出現時間的接近，模式對降水的預報能力并沒有提高，強降水的出現時間、峰值和落區(qū)變化較大，沒有一個持續(xù)穩(wěn)定的預報，可以認為，對于這次過程，模式對降水的預報十分不穩(wěn)定，對降水的預報基本上是失敗的。

圖6與圖5的起報時間一致，預報場分別變?yōu)?50 hPa位勢高度NA場和RA場?？梢钥闯?，起報時間為7月5日12：00 UTC時模式在強降水出現時段在南通地區(qū)所在的121°E上空基本上維持一個強的位勢高度負異常中心。不同起報時效該負異常中心雖然強度不同，但負異常中心位置基本保持穩(wěn)定，有利于預報員對該強降水過程的把握。對比模式對降水和位勢高度NA和RA場的預報，可以看出來，模式對環(huán)流場本身的預報更為穩(wěn)定，使用NA對環(huán)流場進行分析，可以更明顯找出強降水的事件的預報指標，有利于極端天氣事件預報和預警。

5 結論

極端天氣事件極易造成嚴重的氣象災害，對人類的生命財產和國民經濟建設及國防建設等造成嚴重損害?；谇叭说难芯浚x擇對極端天氣有分析和預報有效的原始異常和標準化異常對南通地區(qū)2016年7月11日極端強降水過程進行分析和預報，得到以下結論。

(1)相比常用的原值場，RA和NA等異常場對分析和預報該次強降水過程更有優(yōu)勢。日常業(yè)務中常用的原值場，很難明顯給出對極端降水有較好指示意義的預報指標，相比之下，RA和NA這種異常，可以給出更為有效的極端降水的預報指標。這表明，極端降水事件與氣象要素的異常部分直接相關。

(2)極端降水的落區(qū)與位勢高度RA和NA的負異常中心接近，濕度的RA和NA正異常出現的時段和位置也與降水出現的時段和位置有較好的相關性，降水強度與濕度和位勢高度的RA和NA的異常強度也有一定關系。綜合分析不同高度和位置位勢高度和濕度的RA和NA，對分析和預報潛在極端天氣的落區(qū)、強度和出現時段有重要幫助。

(3)通過分析歐洲中心不同時效對該次過程的降水和850 hPa位勢高度的預報結果，相比于對降水本身的預報，模式對850 hPa位勢高度NA場的預報更為穩(wěn)健，降水中心的位置也更接近實況更有利于預報員該次極端降水事件的把握。