安徽气象-皖南山区暴雨水汽输送.doc

皖南山区暴雨水汽输送及 GPS/PWV 值演变情况分析刘裕禄 张兵（黄山市气象台 邮编 245021）提 要本文分别举例讨论了皖南山区暴雨大尺度水汽输送 3 条不同路径以及 GPS 可降水量PWV 演变情况进行了分析和总结，得出 PWV 能直观、灵敏地反映了暴雨时大气的水汽变化，以及不同水汽输送路径 PWV 有不同的特征，对实际预报工作有很好地指导作用关健词：水汽输送，暴雨，GPS/PWV引言盛夏是皖南山区暴雨多发性季节，充足的水汽输送是产生暴雨最主要原因，皖南山区暴雨主要水汽源地为南海、孟加拉湾和西太平洋，而了解其水汽不同的路径来源是预报的关健和着眼点，比如说预报员能利用最多资料是 700 Hpa 以下水汽数值预报，而无法知道整层的水汽含量对暴雨的贡献情况、在暴雨整个过程整层水汽演变情况，利用 GPS 反演的大气可降水量 PWV 资料可有效地弥补现在这方面的不足本文就从形成皖南山区暴雨 3种不同的水汽输送路径分析 PWV 值变化情况1．PWV 资料来源及计算方法本文选取“长江三角洲 GPS 综合应用网”提供的 GPS 信号所反演的可降水量 Pwv 资料，范围为 29 ~ 33 o N，118 ~ 122 o E 的长江三角洲地区。

计算公式为：Pwv = II•Zwd （1）Pwv 的定义是大气气柱的总水汽含量转换成等效液态水柱的高度，II 为转换因子II = 106 [Rv(k3/Tm+k’2)]-1 （2）其中，R v=461.495 J·kg-1K-1 是水汽的比气体常数，k 3 和 k’2 是物理常数，k ’2 = 22 K·hpa-1，k 3 = 3.739·105 K2·hpa-1，T m 是大气的权重平均温度，可定义为Tm = ∫（e/T ）dz / ∫（e/T 2）dz （3）其中，e 为水汽压，T 为温度（K ） ，积分沿整个气柱在实际工作中， Tm 可一般可通过地面温度 Ts 近似计算：T m = 20.2 + 0.72 Ts[ 1 ]2、南海水汽输送造成皖南山区暴雨2．1 南海水汽输送暴雨概况单独以南海为源地的水汽输送造成皖南山区暴雨一般是受南海低压北上或季风爆发后对流云团北上的系统影响，下面以 2005 年 5 月 16 日皖南黄山市这场暴雨为例，此次暴雨直接原因是来自南海中尺度对流云团北上，黄山市降水量 60.9 毫米，其中 07 时—14 时 7小时降雨量达 60 毫米，自动雨量站上黄山西南面有 7 个站暴雨，有一个站还出现了 100 毫米以上大暴雨。

暴雨发生时间都在 6 小时内上午暴雨北上影响黄山，下午转向东移出境本次暴雨机制，从 16 日 01 时到 08 时卫星云图上可看出，来自广东的一中尺度云团快速北上，然后经过江西中北部，08 时移到黄山地区，然后稳定少动，造成江西波阳、景德镇到黄山一线暴雨强降水在 850Hpa 和 700Hpa 风场上，黄山地区到广东、南海为一大片很强低空急流区，黄山以北为风速较小的偏西气流这种风场形势它有三种作用：首先，为暴雨提供了源源不断来自南海海面的水汽，在暴雨区形成强的水汽通量辐合，低空南风急流风远大于北方的北风分量，因而低空南风急流是暴雨区所需水汽的最大提供者其次，也是对流不稳定层的建立和维持者，南风将大湿度空气向暴雨区输送，有利于对流不稳定层的建立和维持最后，它也是对流不稳定能量释放的触发者，由于南风气流与北方气流在黄山地区辐合，就产生了大尺度上升远动，并触发不稳定能量的释放，就产生了小对流单体的很强的上升运动 2．2 暴雨段 PWV 演变情况在 850Hpa16 日 14 时散度图上本市为一-84g.cm -2.hpa-1.s-1 数值中心(图 1b)，且在850Hpa16 日 14 时垂直速度场上也是一个强上升区( 图 1c)，GPS 的 PWV 值为垂直整层水汽反演大气可降水量，同时在 PWV 时间序列图上( 图 1a)，此时达到最大值 58 毫米。

这也说明：PWV 值直观地反映了水汽垂直输送能力和辐合强度图 1：黄山站 5 月 10 日到 16 日一周 PWV 时序图(a)5 月 16 日 14 时 850Hpa 散度场(b) 5 月 16 日 14 时 850Hpa 垂直速度场(c)另一方面，早期也就是暴雨的前 3 天 PWV 就已上升到很高值，13 日到 16 日 PWV 的平均值为 48 毫米到 16 日 08 时 PWV 值又急升到 54 毫米，我们总结多年 5 月份暴雨PWV 出现值的平均阈值（暴雨临界值）为 51 毫米，此时 PWV=54≥51 毫米时就有可能出现暴雨，在预报员做具体预报时应引起关注 PWV 当天最大值为 59 毫米，时间是 15 时，暴雨已结束，但强降水也是在 8 时到 13 时，所以 PWV 最大值落后于降水峰值，也就是说 PWV 有一定时间的延迟性可能是因为只有当垂直方向上整层水汽含量累积达到一定值时，降水强度才能达到其最大值比较本站地面每小时相对湿度与 PWV 值，一般来说，相对湿度受温度、气压、地面及海陆差异影响，有明显的日变化特征而 PWV 值日变化不如相对对湿度明显，相反的是小振幅波动现象较多但比单站地面相对湿度更能灵敏地反映水汽变化，所以 PWV 值用起来更方便和直观可靠。

这里要说明的是，与地面相对湿度不同的是，850Hpa 相对湿度与PWV 值升降基本保持同步，以 20 时相对湿度为例，11 日到 14 日相对湿度分别为：55%、75%、 87%，93%，11 日到 14 日 PWV 值分别为： 18、42、46、50，表明低空相对湿度和 PWV 值变化趋势相同，因为大气中水汽主要集中在中低层的2．3 南海水汽输送造成皖南山区暴雨特征在水平方向上，从水汽通量散度图上看没有直接来自南海的大范围的水汽辐合，暴雨主要是来自广东、江西的中尺度对流云团，南海是暴雨水汽的输送的主要来源，也就证明了暴雨主要是中尺度引起的，这种形势暴雨时间短，范围小、强度大；此时印度季风尚未爆发，东亚夏季风也刚刚建立，一般来说，印度季风爆发前在南海水汽辐合很强，不易造成大量水汽向北输送；所以在黄山地区 5 月份梅雨前这种暴雨形势少见在垂直水汽输送方向上，PWV 值前期就增大，在暴雨前就有陡然升值现象，PWV 极值与暴雨强度时间比较有延迟性，结果是 PWV 极大值落后于雨强峰值3 孟加拉湾水汽输送造成皖南山区暴雨3.1 暴雨实例孟加拉湾为源地的水汽输造成皖南暴雨多发生在梅雨时期，以下以 05 年 7 月 12 日—7 月 13 日黄山市连续 2 天暴雨为例，黄山市 3 区 4 县连续 2 天普降暴雨，黄山市单站累积降雨量达 171 毫米。

此时，正值江淮梅雨季节，此次暴雨环流形势有典型的梅雨形势特征：在 50°N——70°N 的亚洲地区有一阻塞高压，位置在贝加尔湖北方，东北低槽尾部已延伸到长江流域，冷空气从贝加尔湖以东延东北低压后部南下到达黄山地区，本地东部为副热带高压，其边缘中低层有西南急流3．2 大尺度的西南水汽输送皖南黄山地区盛夏梅雨季节暴雨的主要水汽来源于孟加拉湾，西南气流延副热带高压边缘北上，有利于暴雨的形成，从孟加拉湾到黄山地区总是有大范围的水汽辐合图 2：12 日 20 时 850Hpa 相对湿度场(a) 13 日 20 时 850Hpa 相对湿度场(b)12 日 20 时 850Hpa 风场与水汽通量叠加(c) 13 日 08 时 850Hpa 风场与水汽通量叠加(d)从图 2a 和图 2b 相对对湿度场分析看出，12 日 90%湿度区，从孟加拉湾一直延伸到云贵高原，80%湿度区范围更大，从孟加拉湾一直延伸到江西中部；到 13 日 80%和 90%高湿区继续北扩，延伸到本站以北到长江流域可见此次暴雨的产生的充足的水汽供应来源于孟加拉湾，而如此大范围的水汽辐合了也为暴雨产生提供了特殊的水汽条件对应到 500Hpa 图上，孟加拉湾为一很深的南支槽，更加有利于水汽向北输送。

如从卫星云图动画图上也可看出，孟加拉湾到长江流域为一狭长的锋面云系，在锋面云系上也不断地有对流云向北发展，说明带有充足水汽的中尺度对流云是形成暴雨的直接原因分析图 2c 和图 2d 是 850Hpa 风场和水汽通量叠加图，从孟加拉到长江流域从 12 日晚20 时到 13 日 08 时平均西南风速由 8m/s 增强 10m/s 以上，与之配合黄山地区水汽通量都位于高值区内，其值由 120 增强到 160，同时 12 日晚 20 时黄山 PWV 值为 56，到 13 日 08时增大到 80，说明 PWV 值也反映了水气辐合能力，也说明 PWV 虽然反映是整层大气水汽含量，但大气中的水汽主要集中在中低层，如中低层辐合越强，降水强度也越强，到 13日降水强度比 12 日也就增多3．3 单站 PWV 值与降雨强度对应关系图 3：7 月 12 日 20 时到 7 月 13 日 17 时每小时 PWV 值与降雨量对应图 (a）7 月 12 日 20 时到 7 月 13 日 17 时每 3 小时 PWV 值与降雨量对应图(b ）从上两图可看出，梅雨时期暴雨，与南海水汽输送比较不同的地方：首先 PWV 暴雨阈值较大，据统计多年均值为 68 毫米，大于前者（54 毫米） ；其次，在降水前期也就是 7月 12 日 PWV 极值先于降雨峰值 1 小时左右，极大值 81 毫米出现在上午 7 时，而强降水在上午 8 时和 9 时都是 25 毫米；在降雨后期，到第二天 PWV 极值与降雨峰值基本保持一致，强降雨在 6-8 时，6 时和 8 时都为 27 毫米，PWV 极值 70 毫米也在 8 时。

PWV 有一显著特点：当其突升或突降时则预示未来一天左右暴雨过程开始或结束，如此暴雨过程 PWV 均值在 7 月 11 日 8 点以前为 55 毫米， 8 时以后突升到 17 时 PWV 值达80 毫米，而 12 日 2 时本站就开始有降雨；同样地当 PWV 值突降时，暴雨过程就有可能结束，在此就不多说明由此可说明，PWV 值比较灵敏地反映了大气中的水汽变化，有利于降水的监测和预报另外，对于连续性暴雨，PWV 值也表现不同：12 日 PWV 均值达 74 毫米，13 日其均值比前一日小，均值为 66 毫米，12 日 PWV 最大值为 81 毫米，13 日最大值为 71 毫米，相反的是前一天降雨量比后一天降雨量小 15 毫米，12 日降雨量 71 毫米，13 日降雨量 86毫米可见，在暴雨前期，其整层水汽有明显增加，PWV 值增大，降雨以后，虽暴雨持续，但由于水汽凝结作用，PWV 值比暴雨前期有所减小3．4 孟加拉湾水汽输送造成皖南山区暴雨特征这种水汽输送方式形成暴雨，无论从风场、相对湿度、水汽通量等都有源源不断地来自孟加拉湾的大尺度水汽辐合，这是造成暴雨的必要条件这时 PWV 形成暴雨阈值也升高，其极大值也先于降雨峰值，降雨过后，其均值减小。

4 西太平洋水汽输送造成皖南山区暴雨4．1 暴雨时段 PWV 值变化西太平洋水汽输送造成皖南山区暴雨一般发生在东风波、位于较北副热带高压南侧东风急流以及台风等热带低压形势影响下，最典型的应该是台风影响下造成的暴雨05 年 7 月 20 日皖南宣城地区由于受 5 号台风“海棠”登陆减弱后低压系统影响，当日降雨量达 88 毫米很显然这次水汽来源于西太平洋海域，19 日下午台风从福建北部登陆，20 日台风低压北上至江西中部，宣城 20 日一直吹偏东风不断地向暴雨区输送来自西太平洋水汽统计自东向西杭州、马鞍山、宣城、屯溪 PWV 值，08 时分别为：68，62，60，57；11 时分别为：64，68，70，62；可以清楚看出，08 时自东向西 PWV 是递减的，到 11 时随低压西移 。