利用模式輸出資料對武漢地區(qū)二度梅過程進行時空變量場的分析

利用模式輸出資料對武漢地區(qū)二度梅過程進行時空變量場的分析

1eof分析方法的應用eof（經驗正交函數的分解方法）最初由1902年的統(tǒng)計家pearson提出。20世紀中葉，lorenz引入了基于空間研究的藥物研究。20世紀70年代中后期,隨著計算機技術的迅速發(fā)展,EOF分解技術在氣候診斷中得以充分發(fā)展。特別是近十年來,EOF已成為氣候科學研究中分析變量場特征的重要工具之一,并取得了豐碩的研究成果。從前人工作可見,EOF分析方法大多用在對氣候尺度的研究中,而在天氣尺度研究中的應用則幾乎沒有。分析其原因,主要是天氣尺度的觀測資料在時間上不夠稠密(一般高空一日兩次,地面四次),這樣資料集不豐富,使用EOF分析方法就存在困難。不過隨著地面自動氣象站的使用,這方面的問題可有所改善;此外,隨著數值模式的發(fā)展及其性能的提高,對模式輸出資料進行EOF分析也是可行的(其在時間上可做到很稠密,故其資料集很豐富),這樣EOF也能作為一個診斷工具用于天氣尺度過程的研究。本文在該方面作了嘗試,利用模式輸出資料對一次暴雨過程的時空變量場作了EOF診斷分析,以此來研究暴雨發(fā)生發(fā)展的物理機制。2降水特征和數據分析本文選取1998年7月21～22日發(fā)生在武漢地區(qū)的一次持續(xù)性特大暴雨過程,也即長江流域“二度梅”的過程作為個例。7月19日至23日期間,長江流域中下游至日本南部,一直維持著一條地面準靜止鋒,與700hPa上的切變線相對應[如圖1a(圖1資料是由實際觀測資料客觀插值到網格面上得到的,時間為21日00時(國際協調時,下同)]。從7月19日18時開始,在107°E附近有低壓出現,以后長江流域及以西均為呈西南-東北向的低氣壓區(qū)控制(圖1b),直到23日,這是非常有利于西南低渦形成和維持的地面形勢。500hPa為副熱帶高壓北側588線所控制,脊線穩(wěn)定在18°N附近,中高緯為“兩槽一脊”形式。同時四川至云貴高原有西南低槽,該槽相對穩(wěn)定,與對流層低層的低渦系統(tǒng)恰呈“北槽南渦”的配置。低渦與低槽均穩(wěn)定少動,這非常有利于西南低渦的發(fā)展。這種低層有較強輻合,高層有較強輻散的形勢十分有利于強對流天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展。在這次持續(xù)性暴雨過程中,降水主要集中在長江流域中下游地區(qū),即集中在低渦和切變線附近。與低渦的移動方向和發(fā)展情況一致,雨帶逐漸向南向東移動。沿長江流域的切變線上有兩個強降水區(qū),極大值中心位于(29°N,107°E)和(30°N,114°E)附近,分別對應川貴至兩湖以西地區(qū)和鄂東南地區(qū)。分析各測站逐時降水量,21日18時為暴雨臨近,22日00時,為暴雨盛期,暴雨中心在黃石市,以后暴雨減弱停止。本文利用一個有限區(qū)域η坐標暴雨預報模式,模式以21日00時和22日00時的觀測資料作為初始場(其來源于“973專題暴雨個例數據集”中常規(guī)站點的觀測資料),各作24小時積分,且每小時輸出一次積分結果。從中選取21日07時～22日12時的30個樣本資料作為EOF分析的數據集,分析的區(qū)域為(20°N～45°N,100°E～125°E)。所用的η模式水平分辨率約為18km,垂直方向采用下密上疏的不等距分層,共分21層。該模式具有很好的計算穩(wěn)定性和暴雨模擬能力,對該過程的具體模擬情況這里不再贅述,請參見文獻。EOF(經驗正交函數)分析的具體做法參閱文獻。首先從上述模式各輸出場資料中用通常方法提取其對應的擾動場,并對得到的擾動量的距平場作EOF分析。結果發(fā)現高度場H、假相當位溫場θse和溫度場T的前幾個模態(tài)累計方差貢獻較大(見表1),故本文主要對這些場進行討論。因EOF分析的本質是將一個物理量場的演變分解成各正交模態(tài)的獨立演變過程,故該過程就反映了各獨立因子對該物理量演變的影響和貢獻。顯然,獨立因子越多,EOF分解的收斂速度就比較慢。并且,分解出的經驗正交函數究竟是有物理意義的信號還是毫無意義的噪音,也應該進行顯著性檢驗。這里采用North等提出的計算特征值誤差范圍的方法來進行顯著性檢驗。特征值λj誤差范圍為ej=λj(2n)12,(1)ej=λj(2n)12,(1)其中,n為樣本量,當兩相鄰的特征值λj+1滿足λj-λj+1≥ej時,就認為這兩特征值所對應的經驗正交函數是有價值的。經計算,位勢高度場的前二個模態(tài),假相當位溫場的前八個模態(tài),溫度場的前三個模態(tài)均通過顯著性檢驗,其方差貢獻參見表1。下面,將對通過檢驗的位勢高度和假相當位溫的前兩個模態(tài)進行詳細分析。3高度擾動場的時空分布特征3.1暴雨爆發(fā)前eof-1圖2給出了EOF分析得到的位勢高度擾動場第一模態(tài)的850hPa、700hPa和500hPa空間場和對應的時間系數,由圖可見,850hPa位勢高度擾動場的EOF第一主分量(EOF-1)的空間分布主要特征集中表現在一條沿西南-東北走向的負值區(qū)(圖2a的陰影區(qū)),其上有幾個負值中心,分別位于(24°N,107°E)、(29°N,114°E)和(33°N,118°E),在負值區(qū)兩側是與其相平行的正值區(qū)。700hPa位勢高度場的EOF-1的空間分布(圖2b)與850hPa的相似,只是其西南-東北的走向比850hPa的走向更接近于緯向,且負值較強,中心范圍較大。而500hPa的EOF-1的空間分布則表現為在整個長江流域呈現大范圍的負值區(qū)(圖2c陰影區(qū)),負值中心呈緯向分布。注意這些正值區(qū)代表高壓(低壓)異常,負值區(qū)代表低壓(高壓)異常,具體異常取決于時間系數值符號的正負。圖2d給出的是與EOF-1相應的時間系數曲線(這里從樣本中截取21日07時～22日06時的一段,為本次暴雨過程),由圖可見,在整個暴雨過程中,時間系數呈現由負到正的變化。暴雨爆發(fā)前(18時以前)時間系數為負值,且基本呈線性變化。而后,時間系數的數值為正且繼續(xù)增加,但增幅有所放緩。綜合考慮圖2并結合暴雨區(qū)及暴雨臨近、盛期和減弱期不難發(fā)現,EOF-1的特征反映了與暴雨發(fā)生有關的高度場上的低值系統(tǒng),整個大環(huán)境背景場是鞍形場分布,暴雨區(qū)對應在低層為低渦,在中、高層則為低槽。且在整個暴雨過程中,該低值系統(tǒng)一直在增強,只是增長的幅度有所不同,即在暴雨臨近增強迅速,暴雨開始后,增強減慢。3.2eof-2與暴雨相軌線的關系850hPa位勢高度擾動場的EOF第二主分量(EOF-2)的空間分布如圖3a,主要特征集中表現為850hPa高度上在26°N～36°N區(qū)域的人字形負值區(qū)(此時暴雨雨區(qū)中心位于人字相交處稍偏南的位置)。到700hPa高度上則成為近似東西向分布的負值區(qū)(圖3b),而到500hPa負值區(qū)已經退到西南象限(圖3c),中心位于(24°N,106°E)附近,位于暴雨雨區(qū)的西南側。由此,不難發(fā)現EOF-2是與人字形切變線(西部為冷式切變,東部為暖式切變)相聯系的。此時,與EOF-2相應的時間系數曲線(圖3d)呈現半波的變化形式,即暴雨前(18時以前)呈現由負到正的變化,而18時以后則又呈由正到負的變化。這就說明,在暴雨前,冷空氣南下,切變線增強,有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展,暴雨發(fā)生后,切變線明顯減弱,暴雨由強盛轉入消亡。分析還發(fā)現,EOF-2相軌線的上述轉折相對于暴雨的由強轉弱具有一定的超前性(見后文分析)。EOF第2主分量的空間分布相應于在低層表現明顯的切變線系統(tǒng)。3.3暴雨的主要影響因素分析圖4給出用位勢高度擾動場前兩個主分量EOF-1和EOF-2的時間系數構成的平滑后的相軌線,其反映了狀態(tài)相點在相空間中的復雜運動。由圖4可見,整個暴雨過程中相點沿近似拋物線軌跡運動。在暴雨臨近階段至暴雨加強期(18～23時),相點位于第1象限,即EOF兩主分量正相關。配合時間演變圖可知,此時EOF兩主分量所代表的天氣系統(tǒng)都在不斷加強。而到暴雨強盛期以后,相點則移動到第4象限,此時EOF兩主分量負相關。EOF-1表示的低壓系統(tǒng)繼續(xù)在增強,而EOF-2所代表的切變線系統(tǒng)卻迅速減弱。另外,由圖2和圖3對比發(fā)現,EOF-2的負中心比EOF-1的負中心位置偏向西南,由它們組成的相空間如圖4中箭頭所表示的順時針旋轉,相當于低空負值區(qū)向東傳,即低渦東傳。由此可認為,EOF-1代表暴雨大的環(huán)境背景場,而EOF-2則為本次暴雨的主要形勢場。在整個暴雨過程中,環(huán)境背景場所表現的低值系統(tǒng)一直在增強,在暴雨前,增強迅速,暴雨開始后,增強減慢。EOF第2主分量的空間分布在低層表現為明顯的切變線系統(tǒng)。在暴雨臨近階段,EOF-1與EOF-2兩者正相關,激發(fā)暴雨,后期則兩者負相關,致使本次暴雨趨于減弱結束。在本例中由于環(huán)境背景場所表現的低值系統(tǒng)一直在緩慢增強,這可能為下一場暴雨的爆發(fā)積聚能量。4暴雨過程中的相穩(wěn)定區(qū)分析850hPa假相當位溫擾動場的EOF第一主分量(EOF-1)的空間分布(如圖5a),主要特征是集中表現在沿32°N區(qū)域的東西向分布的狹長正值區(qū),以及西南象限的負值中心。結合假相當位溫平均場的分布特點,在500hPa以下,除了切變線北側有一條狹長的穩(wěn)定帶以外,其余均為位勢不穩(wěn)定區(qū)。在切變線附近為弱位勢不穩(wěn)定區(qū)。強位勢不穩(wěn)定中心隨高度向西傾斜。因此,當切變線狹長穩(wěn)定區(qū)內由于濕熱成風不適應而激發(fā)的各種尺度重力波向外傳播進入切變線附近的弱位勢不穩(wěn)定區(qū)時,中間尺度擾動將可能發(fā)生不穩(wěn)定增長。由此可見,假相當位溫擾動場的EOF-1的這一特征是與位勢不穩(wěn)定相聯系的。配合考慮相對應的時間系數演變可見,在本次暴雨過程中存在位勢不穩(wěn)定,并持續(xù)增強。而850hPa假相當位溫擾動場的EOF第二主分量(EOF-2)的空間分布特征則表現為明顯的南北走向的正負中心相間分布(圖5b)。顯然這是由于西南暖濕氣流向北輸送水汽造成的。而且與此相對應的時間系數演變呈拋物線的變化形式,即暴雨前(18時以前)增強,而18時以后隨著暴雨的強盛而減弱。用上述兩個主分量的時間系數作二維坐標所構成的相軌線見圖6,其與位勢高度擾動場的一致,整個暴雨過程中相點沿拋物線軌跡運動。即在暴雨臨近階段至暴雨加強期,EOF兩主分量正相關,而到暴雨強盛期,EOF兩主分量負相關,促使本次暴雨趨于減弱結束。5對暴雨中尺度天氣動力學診斷的討論綜上所述,本文利用EOF分析方法剖析了這次暴雨過程的時空演變特征,得到以下主要結論:(1)EOF第1主分量的空間分布代表典型的暴雨環(huán)境背景場形勢。850hPa上低渦擾動明顯,700hPa、500hPa上有高空槽與之配合。對流層低層(850hPa)存在位勢不穩(wěn)定,是觸發(fā)暴雨的重要機制。在整個暴雨過程中,該系統(tǒng)穩(wěn)定增強。(2)EOF第2主分量的空間分布與人字形切變線(西部為冷式切變,東部為暖式切變)相聯系,是影響本次暴雨的重要形勢場。在暴雨爆發(fā)前,冷空氣南下,切變線低壓增強,同時西南暖濕氣流向北輸送水汽,有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展。暴雨發(fā)生后,系統(tǒng)明顯減弱,暴雨也很快由強盛轉入消亡。(3)利用相軌線的分析方法,將主要模態(tài)的演變特征簡潔地表示在一張二維相空間圖上。分析發(fā)現,暴雨過程中EOF-1和EOF-2的相點沿拋物線軌跡順時針運動,在暴雨臨近階段,兩者正相關,激發(fā)暴雨,后期兩者負相關,切變線系統(tǒng)減弱,促使本次暴雨趨于減弱結束。但環(huán)境背景場所表現的低值系統(tǒng)一直在緩慢增強,可能為下一場暴雨的爆發(fā)積聚能量。本文借鑒氣候研究中的方法,提出了對暴雨中尺度天氣進行動力學診斷的新方法。因EOF分析方法自身的特點,其各分量之間是正交的,即彼此相互獨立,故用EOF方法提取的各天氣形勢場也相互獨立