暴雨过程发生发展条件天气学分析

暴雨发生发展的天气学条件分析一、前言二、暴雨发生、发展条件一前言•中国是多暴雨的国家之一•暴雨的灾害居多种自然灾害之首•暴雨研究的现状：取得了很多可喜的成果，但还未取得突破性的进展•加强服务，争取职能部门的支持，可以尽量避免暴雨灾害所造成的损失1中国是多暴雨的国家之一•气候：中国处在东亚季风区中，属于亚热带气候，水汽充沛，冷空气活动频繁，冷暖空气的交汇造成中国夏季多暴雨天气过程。•地形：中国是一个多山国家，山地（丘陵）面积约占全国总面积的三分之二，中尺度地形和中尺度下垫面特征十分明显，造成中国多暴雨过程。•地理：中国处在太平洋西岸，南部接近热带地区，经常受到西太平洋热带系统（台风、热带风暴）的影响产生暴雨。1中国是多暴雨的国家之一中国幅员辽阔，每年夏季，随副热带高压的北上，自南向北都依次有多次暴雨过程发生：华南前汛期暴雨长江流域梅雨期暴雨中国北方暴雨台风暴雨所以，中国属于多暴雨的国家，暴雨预报历来都是我国各级气象台站和气象工作者研究的重点。2暴雨灾害居多种自然灾害之首暴雨过程的发生，一般是具有的特点：•突发性•区域性•破坏性•多种灾害并存（强对流、冰雹、大风等）•次生灾害频发（洪涝、城市积渍、山体滑坡、泥石流、水库和江河堤坝失事等）所以，暴雨过程多，破坏性强，对国民经济和人民生命财产威胁大。2暴雨灾害居多种自然灾害之首仅举长江流域为例：在解放后就发生过数次特大洪水，1954年，发生了全流域性的大洪水，汉口街道上可以自由行船。1991年，发生了长江中下游特大洪水。1996年，发生了长江中游特大洪水。1998年，发生了全流域性特大洪水，有百万抗洪大军，严守在荆江大堤上。尤其是78.8河南板桥水库失事，京广铁路中断一月余，死亡人数超过3大战死亡人数之和。历年的暴雨都在不同程度上产生洪水、滑坡和泥石流，造成的损失远远超过了其他自然灾害，暴雨灾害居多种自然灾害之首。3暴雨研究的现状•国际暴雨预报研究主要是从50年代开始，我国系统的暴雨预报研究是从河南75.8暴雨开始，比国际上要晚20年，但我国目前的暴雨预报水平，居国际先进水平之列。•随着计算机的应用，数值天气预报蓬勃发展及多种预报方法的应用，暴雨预报的研究取得了很多的研究成果。这些成果主要表现在暴雨过程预报方面。我想我们大家都有体会，对暴雨过程而言，其预报成功率很高，而失误率却较低，这在80年代前是办不到的。3暴雨研究的现状•另一方面，暴雨单点预报水平较高的是日本，其次是中国、美国，其准确率也只不过是在30-40%左右，暴雨预报没有取得突破性的进展，主要表现在对暴雨的机理认识和单点暴雨预报方面。就连暴雨（天气、气候）概念都是人为的概念。暴雨预报自古以来都是难题；有谁敢说自己“会报暴雨”？有谁能确保自己的暴雨预报准确率每年都一定有提高？所以我说暴雨预报还没有取得突破性的进展，这给我们的研究提供了的空间和机遇。3暴雨研究的现状暴雨预报没有取得突破性的进展重要的原因：气象资料密度不够的问题为什么？请看：为了解决暴雨资料密度不足的问题，采取了很多的措施：比如，数值预报加密网格；气象部门和水文部门互通信息、交换资料；各省都建设很都得地面自动观测站等等。但还没有突破暴雨预报所需要的基本资料密度。3暴雨研究的现状说道这里，可能大家要提出疑问了：我们不是还有可以看到各种尺度的卫星云图和雷达资料吗？云图由上向下探测，只能看到云顶的特征，云中、云下也只能靠分析来完成。雷达是由下向上探测，而且，只有有降水发生时才有降水回波，来做短时外推的预报。这两种资料只是我们做暴雨预报必不可少的资料之一，还不能说是我们需要资料的全部。即使我们在90年代的后期，增加一些地面自动观测站，弥补了资料密度不足的部分问题，也还不能完全了解暴雨的内部结构。所以我说，暴雨预报还没有取得突破性的进展。4加强暴雨预报服务的必要性比如：1982年6月19日，武汉市降水298.5mm,1983年7月3—4日，武汉市降水155.8mm,市区积水长达8天，经济损失十分严重。1998年7月20-21日，武汉市降水456.8mm，由于我们提前与市排水部门联系，预先预排，腾空大型箱涵、明渠、湖库3/4的库容，暴雨发生后又加强抢排，2天市内交通恢复正常，市区积水时间缩短4—6天。所以，暴雨预报和服务紧密结合，尤其是得到职能部门的支持，是当前减少暴雨损失关键。这就是我讲的前言的四个内容：•中国是多暴雨的国家之一；•暴雨灾害居多种自然灾害之首；•暴雨研究的现状：取得了很多可喜的成果，但还未取得突破性的进展；•加强服务，争取职能部门的支持，可以尽量避免暴雨灾害所造成的损失；既然我国暴雨这么多，灾害这么重，而且又有这么多的问题，尤其是其机理、结构，还没有很好的解决，因此，我们要尽可能地掌握暴雨的发生和发展的条件，以便提高我们的预报能力。下面讲正题：暴雨发生、发展条件二、暴雨发生、发展条件（一）降水量公式我们知道，在降水过程中，大气密度变化得比较迟钝，数值变化一般不大，降水量就主要是由三个要素所决定的：•大气的低层水汽•大气的平均垂直速度•大气的降水生命期大气的低层水汽、大气的平均垂直速度、大气的降水生命期是和降水量成正比的。那么，这个公式说明了什么呢？也就是说，我们从这个公式里，得到什么样的启示呢？（一）降水量公式其实，这个公式告诉我们，大气实际上就像是一个造雨的机器。大气的低层水汽就是这个机器的原料，原料越充分，其产量就越大，降水就越强；大气的平均垂直运动可以把它理解为这个机器设备的生产能力，大尺度系统的上升运动小，生产力落后，而中小尺度上升运动强烈，设备先进，效率就高，所以，中小尺度系统有利于暴雨发生；大气的降水生命期可以比作机器的运转时间，当然，机器运转时间越长，产量就越高。（一）降水量公式这个降水量公式给我们提示了一条做暴雨分析和预报的一个思路：1要分析大气的水汽状态，尤其大气低层的水汽特征；2要分析大气的垂直运动状态；3要分析各种天气系统的表现，看其是否稳定，能否使降水天气维持。（一）降水量公式：水汽、垂直运动、降水生命期是暴雨发生不可少的三个因素，就是我们常说的暴雨三要素。有的教科书和论文把水汽、垂直运动和大气稳定度作为暴雨三要素是不妥的。因为大气稳定度严格的讲是属于上升运动的范畴的物理量，因为大气不稳定有利于上升运动的发生。在降水强度不变的情况下，忽视降水时间长短是不对的。下面就让我们对这3要素逐一地进行讨论。（二）水汽直观印象告诉我们：降水是和气温高低成正比，和气压高低成反比的。我们做暴雨的预报的时候，是不是首先要考虑和认识一下气温和气压这两个物理量呢？他们到底和水汽有什么关系、与暴雨又有是个什么联系呢？下面我就讲一下水汽与温度和气压的关系。2水汽与温度和气压的关系无论是干空气，还是湿空气，其凝结函数都和气温成正比，而和气压成反比。也就是说，在绝热的情况下，凝结的水汽都与温度和气压有关。它是随温度的升高而增大，随气压的升高而减小。这个结论就清楚地反应出大气在一定气温和气压的状态下，所能够容纳的水汽量的问题。它的实质：反应了大气中的水容量的问题高温低气压空气中能含纳的水汽就多低温高气压空气中含纳的水汽就少3水汽与温度、气压关系的实质这就解释了为什么R低纬＞R高纬R夏季＞R冬季R高地＞R低地所以有经验的预报员做暴雨预报时首先要考虑大气转暖程度、低压、倒槽等天气形势，这实质上是在考虑大气中的水汽含量多寡，所以，气温、气压也是认识水汽的重要物理量。4表示水汽的物理量饱和差：反应了大气的饱和程度。高温、低压反应了大气中能够容纳的水汽较多，但是否已经容纳了足够的水汽了呢？这要看饱和差的大小了。夏季气温很高、气压低，大气可以容纳很多的水汽，所以，夏季降水要比冬季多。但盛夏气温最高，气压也低，大气中可以容纳很多的水汽，但是露点温度与气温相差很大的时候，空气无法达到饱和，照样无雨。因此，我们不仅要看给的容器的大小，还要看里面盛着多少水。饱和差正是可以给出容器的大小和里面盛有多少水的物理量。4表示水汽的物理量比如说：一个小碗（低温高压），水汽输送充分，里面盛满水（饱和），但毕竟容量小，倒不出多少水来。一个大缸（高温低压），水汽输送不充分，里面没有水（不饱和），也同样倒不出水来。一个大缸（高温低压），里面也盛满水（饱和），当然，大缸里倒出来的水就比小碗里倒出来水就多得多。因此，在盛夏里气温高，难以达到饱和，降水过程相对少，但是，一但饱和，降水强度就很大，十分钟最大雨强、一小时最大雨强等一般是出现在盛夏季节。4表示水汽的物理量假相当位温和湿静力总温度：这两个物理量是两套温标中不同的表达，都是温湿特征的物理量，在某种意义上都可以反应出饱和差。湿静力总温度是大气中显热能、潜热能和位能的综合，和假相当位温一样，其数值可以反映出气柱的显热能和潜热能的状态，其高值也可以表示大气的高温和高湿特征。饱和差一般要和假相当位温和湿静力总温度这两个反应大气温湿特征的物理量配合使用。4表示水汽的物理量水汽通量：反应大气中水汽输送的物理量。一般在潮湿的气柱中只含有6g/cm2,即使是cb的气柱中，其水汽全部降落到地面，也只有50—60mm的降水量且只需要1小时时间就可以下完。本地的蒸发量一天顶多5mm，10多天蒸发的水汽仅供下1小时。在夏季，100、200、300mm的降水是很多见的。4表示水汽的物理量98.7武汉鹦鹉洲24小时606mm63.8邯郸9天1033.9mm75.8河南3天1631mm1天1060mm水汽是从哪里来得呢？靠水汽输送。所以水汽输送在暴雨预报中是非常重要的。一般来说，我国的水汽来源主要有3条路线，一条随东风来自西太平洋，一条随偏南风来自南海，另一条是随西南风来自孟加拉湾。4表示水汽的物理量水汽通量是风速和比湿的乘积，是与风有直接关系的，也是个矢量。因此，水汽通量一般与风场相对应，其大值轴与急流轴基本一致。我们在做暴雨预报时，要特别注意低空急流的生产和发展，尤其是来自南海的南风急流，距离近、无阻挡，有时来得又快又猛，24小时内就有可能引发暴雨。4表示水汽的物理量水汽通量散度：反应大气中水汽聚集和消耗的物理量。这个物理量是急流输送来得水汽能否在暴雨区里凝结并转化为雨的关键，在暴雨的预报中具有十分重要的意义。4表示水汽的物理量水汽通量是水汽在空中流动的概念，就像水在水管里的流动一样，可以分析水汽通道的形状，水汽是从何处流来，流往什么地方去，流来流走，数值的大小都还不好说是下雨的佐证。只有在空中水汽流来的多，流走的少，形成水汽辐和才会下雨。也就是说只有当水管破裂，水才能流得出来。因此，水汽的辐和才可以反应出是否有降水发生的物理量。4表示水汽的物理量暴雨过程水汽的输送和水汽辐和特征：水汽回流型西南急流型低涡上旋低涡下旋切变线下面我们看几个例子4表示水汽的物理量回流暴雨的发生，必须具备近地层（1000米以下的冷空气内）有一支超低空急流，另外，在冷空气上面一定也有一支强的西南风暖湿急流存在，否则，超低空急流在稳定的空气中仅仅靠地形强迫抬升，不足以造成很强的潜热释放形成风场水汽辐和的，只有触动冷空气上方不稳定的暖湿空气后，才能出现强烈的潜热释放，低层得以降高，形成风场水汽辐和，也得到由南向北水汽平流辐和的补充，暴雨才可能发生。4表示水汽的物理量这种类型的水汽辐和引发的暴雨，在我国长江流域及以南地区并不多见，但在我国华北，北面是燕山山脉，西面是太行山山脉，冷空气从贝加尔湖南下，越过燕山后在地面层堆积往往形成高压，高压的底部出现较强的偏东风，将渤海、黄海的水汽向陆地输送，遇到太行山的阻挡上升与上层（850-700hpa）依然是以偏西风的暖湿气流合并，再向东输送，形成回流，引发暴雨，是一种典型的北方暴雨天气类型。这种类型的暴雨过程的特征比较明显，因为低层超低空急流和上层的暖湿急流的结合点正是水汽辐和中心，同时水汽的辐和上升释放潜热，会使低层降高，生成低压，也是风场水汽辐和中心，只要抓住水汽辐和中心（低涡）的移动就可以预报下游的暴雨过程。4表示水汽的物理量西南急流类几种暴雨水汽输送和水汽辐和的共同特征：在副热带外围有一支西南急流，将孟加拉湾和南海的水汽源源不断向长江流域输送，