城市暴雨的細(xì)化預(yù)測(cè)實(shí)例分析

陸雅君, 陳剛毅, 張 靜, 陳明軒

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所,北京100089)

1 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,中國(guó)城市建設(shè)日趨加快,人民生活迅速提高,同時(shí)城市“熱島效應(yīng)”也更加明顯和嚴(yán)重。“熱島效應(yīng)”會(huì)造成局部環(huán)流增強(qiáng),城市產(chǎn)生的上升熱氣流與潮濕氣流相遇,會(huì)在局部地區(qū)上空形成亂積云,產(chǎn)生暴雨,易在城區(qū)引發(fā)洪水、山體滑坡和道路塌陷等災(zāi)害。其中城市暴雨造成的危害和損失非常嚴(yán)重。

資料顯示,近些年來(lái),無(wú)論是受外來(lái)洪水威脅的城市(傍江河湖海的城市),還是無(wú)外來(lái)洪水威脅(不靠近江河湖海的城市),洪災(zāi)損失均呈上升趨勢(shì)[1]。主要體現(xiàn)在暴雨量、匯流歷時(shí)縮短,內(nèi)澇峰、量增大,使城市內(nèi)澇災(zāi)害加劇,經(jīng)濟(jì)損失增大。如1981年7月中旬,成都平原的一次暴雨過程,使望江樓水文站超警戒水位1.81m,直接經(jīng)濟(jì)損失1.3億元,間接損失13.7億元。2004年夏,在中國(guó)境內(nèi)遭受暴雨洪災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)148.5億元,因此城市內(nèi)澇現(xiàn)已成為城市災(zāi)害的主要形式之一。

城市熱島效應(yīng)增加了城市降雨的強(qiáng)度,城市暴雨發(fā)生頻率較高,使城市暴雨的細(xì)化預(yù)測(cè)成為氣象科學(xué)者重點(diǎn)解決的問題之一,此問題也是當(dāng)今世界一大科學(xué)難題。目前,中國(guó)大部分氣象臺(tái)站,雖有自動(dòng)氣象站獲取分鐘級(jí)時(shí)間間隔的數(shù)據(jù),但傳統(tǒng)預(yù)報(bào)的分析方法不能處理非規(guī)則信息而忽略分鐘級(jí)的數(shù)據(jù)使用小時(shí)級(jí)的數(shù)據(jù),即不能發(fā)揮現(xiàn)代氣象觀測(cè)設(shè)備的作用,同時(shí)對(duì)于城市暴雨等重大的轉(zhuǎn)折性災(zāi)害天氣的預(yù)報(bào)沒有很好效果[2],尤其是對(duì)暴雨落時(shí)落區(qū)的細(xì)化預(yù)報(bào)方面。利用高空探測(cè)資料和地面自動(dòng)氣象觀測(cè)站的氣象觀測(cè)信息,針對(duì)2004年6月29日成都站暴雨,通過 V-3θ結(jié)構(gòu)圖對(duì)過程分析,進(jìn)一步細(xì)化對(duì)區(qū)域性暴雨的預(yù)測(cè)。

2 細(xì)化預(yù)測(cè)理論與方法

氣象是演化科學(xué)[3]。作為大自然的演化問題,其相應(yīng)的自然信息是不能按人為方法改變的[4]。因?yàn)樽匀恍畔⒌牟环€(wěn)定直接涉及演化的轉(zhuǎn)化[5]。這也就是物質(zhì)的形態(tài)和性質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化,其不同于傳統(tǒng)方法的是以物質(zhì)結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行分析預(yù)測(cè)[6]。

2.1 潰變理論

氣象是快速變化的物理演化過程,暴雨是重大轉(zhuǎn)折性天氣演變過程,城市“熱島”效應(yīng)加強(qiáng)了轉(zhuǎn)折性天氣演化。因此,城市暴雨的預(yù)測(cè)是屬于演化科學(xué)問題。按歐陽(yáng)首承教授的潰變理論[3,4],物質(zhì)損傷、老化和破壞的變化過程屬于演化科學(xué)。破壞過程就是崩潰性的非初值自相似的問題而稱為潰變,也稱為轉(zhuǎn)折性變化。在潰變?cè)碇?將天氣問題分為兩種,其一是物質(zhì)變化的“易壞產(chǎn)品”,屬于非慣性系;而另一種是“耐用產(chǎn)品”,保持穩(wěn)定的存在性,屬慣性系。在自然演化和物質(zhì)循環(huán)的過程中,保持穩(wěn)定的存在性是相對(duì)的,物質(zhì)的演化是絕對(duì)的。天氣系統(tǒng)都是從“產(chǎn)生”-“成熟”-“衰老”-“死亡”演變。如果說(shuō)從“產(chǎn)生”到“衰老”是物質(zhì)形態(tài)性質(zhì)的演化,那么從“老化”到“死亡”就是結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)折性問題,屬于非慣性系問題。顯然,作為大自然的演化問題,其相應(yīng)的自然信息是不能按人為方法改變的。因?yàn)樽匀恍畔⒌牟环€(wěn)定直接涉及演化的轉(zhuǎn)化[7,8]。

2.2 相空間結(jié)構(gòu)圖

相空間結(jié)構(gòu)圖是將“時(shí)序”性信息轉(zhuǎn)換為相空間信息,以結(jié)構(gòu)的差異體現(xiàn)信息變化的圖形。既能識(shí)別過程的差別性,又有空間的可區(qū)分性,為細(xì)化分析提供了一種方法[4]。

按演化原理[4],數(shù)量不穩(wěn)定涉及的復(fù)雜性問題是轉(zhuǎn)折性問題。時(shí)序的差別性可作為演化事件的差別性,考慮到信息自身的分布是不均的而必然具有結(jié)構(gòu),有結(jié)構(gòu)即有梯度,有梯度必然有方向,其結(jié)構(gòu)的差異性而分析其演化的轉(zhuǎn)折性[5]。按文獻(xiàn)[9]可以用折返函數(shù)處理數(shù)量不穩(wěn)定,即將傳統(tǒng)的要素物理量作為方位角變量,取變量的方位分布作為相空間,表示為：以占有物質(zhì)維的物理量為變量 A,分別取其sinA或cosA為相空間,其中時(shí)間不占物質(zhì)維,而不作為物理量[4],按物理量變化的頻繁與非頻繁性的數(shù)字特征區(qū)分過程、落點(diǎn)的差異性,可在相空間上觀測(cè)到事件過程化的演化特征,而構(gòu)成結(jié)構(gòu)信息,即既保留了非規(guī)則信息的特殊性,又直觀、簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用。非規(guī)則信息越“亂(真實(shí))”越好,體現(xiàn)了“亂則變”。

2.3 結(jié)構(gòu)分析方法及 V-3θ圖

結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法是針對(duì)天氣演化轉(zhuǎn)折性過程中災(zāi)害天氣預(yù)測(cè)設(shè)計(jì),用垂直方向上的信息結(jié)構(gòu)的非規(guī)則性揭示轉(zhuǎn)折性變化。V-3θ圖主要是以結(jié)構(gòu)方式揭示非規(guī)則信息的特征[3,4]。利用高空探測(cè)資料的真實(shí)信息來(lái)反映了各個(gè)高度層(包括特性層、規(guī)定層資料)結(jié)構(gòu)信息,包括超低溫信息[4],再根據(jù)轉(zhuǎn)折性問題所配合的滾流方向改變,使 V-3θ結(jié)構(gòu)圖在200km2的區(qū)域性暴雨預(yù)報(bào)中取得較好的預(yù)測(cè)效果,改善了暴雨難預(yù)報(bào)的現(xiàn)狀[1]。其中V-3θ圖中的V表示探空資料中的風(fēng)向、風(fēng)速,并標(biāo)注在 θ*線上,而3θ分別是θ、θsed、θ*在垂直方向上構(gòu)成 P-T(以絕對(duì)溫度K表示)坐標(biāo)的3條曲線,作為每個(gè)測(cè)站的垂直剖面圖。θ是位溫,θsed、θ*體現(xiàn)大氣的水汽分布狀態(tài),也是結(jié)構(gòu)特征,其中θsed是以各層露點(diǎn)溫度計(jì)算的,θ*是人為按假定為飽和狀態(tài)下的假相當(dāng)位溫計(jì)算,作用在于比較大氣結(jié)構(gòu)中的水汽狀態(tài)。

由于探空站的設(shè)置還不能滿足暴雨業(yè)務(wù)細(xì)化預(yù)測(cè)要求,充分利用地面自動(dòng)氣象觀測(cè)站的觀測(cè)信息,將原始的時(shí)序性數(shù)量觀測(cè)信息轉(zhuǎn)化為易識(shí)別暴雨發(fā)生的非規(guī)則結(jié)構(gòu)信息,通過 V-3θ結(jié)構(gòu)圖對(duì)過程分析再對(duì)區(qū)域性暴雨的預(yù)測(cè)作進(jìn)一步細(xì)化。時(shí)序性數(shù)量信息中的不穩(wěn)定信息正是演化過程的轉(zhuǎn)折性問題,信息的非規(guī)則性可以用圖像的折返疏密來(lái)表示,這樣可以在相空間直接得到事件的演化過程[4]。

3 城市暴雨的細(xì)化預(yù)測(cè)分析實(shí)例

3.1 城市暴雨 V-3θ結(jié)構(gòu)圖的過程分析

圖1 2004年6月27日20時(shí)/28日08時(shí)/29日08時(shí)成都站 V-3θ圖

圖1是2004年6月27-29日08時(shí)和20時(shí)成都探空資料的 V-3θ圖,在27日08時(shí),250-200hPa就出現(xiàn)有薄層狀的超低溫。到27日20時(shí),結(jié)構(gòu)圖上的超低溫明顯加強(qiáng),此超低溫已具有一定厚度,超低溫加強(qiáng)預(yù)示結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定,劇烈天氣過程將發(fā)生,同時(shí)20時(shí)圖上的 θsed線和θ*線相距較近且接近平行,說(shuō)明水汽稍充足。28日08時(shí)的超低溫增厚增強(qiáng),在300hPa-150hPa出現(xiàn)拐折(超低溫),并幾乎以云層為中心構(gòu)成整體順滾流[4],θsed線和θ*線更加靠近,水汽增大。29日08時(shí)超低溫依舊存在,并且整層順滾流配置,水汽趨于飽和。具備超低溫和整體順滾流就必然有劇烈天氣現(xiàn)象發(fā)生,19小時(shí)后成都經(jīng)歷了一次降水量117.20mm的大暴雨(據(jù)自動(dòng)氣象站觀測(cè)獲得,本次暴雨中心在郫縣境內(nèi),最大降水量為162mm)。

由此可見,超低溫已經(jīng)是暴雨等劇烈天氣發(fā)生一個(gè)非常明顯的預(yù)警信號(hào),如果沒有超低溫就肯定不會(huì)有暴雨以上等級(jí)的降水發(fā)生,這是歐陽(yáng)首承教授通過3000多個(gè)實(shí)例驗(yàn)證得到的結(jié)論。由于探空站的設(shè)置不能滿足暴雨業(yè)務(wù)細(xì)化預(yù)測(cè)的要求,因此為了突出同一區(qū)域落區(qū)、落時(shí)的差別性,充分利用地面自動(dòng)氣象站的資料,進(jìn)一步對(duì)探空觀測(cè)站附近區(qū)域進(jìn)行區(qū)域細(xì)化和時(shí)間細(xì)化預(yù)報(bào)。

3.2 城市暴雨的細(xì)化預(yù)測(cè)分析

3.2.1 風(fēng)場(chǎng)的非規(guī)則結(jié)構(gòu)信息特征

2004年6月底成都的暴雨降水過程,主要發(fā)生在30日04-09時(shí),各時(shí)段的降水量如表1所示。分別按1小時(shí)的時(shí)間段,計(jì)算分析暴雨前、中、后實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)的相空間分布。

表1 成都市2004年6月29-30日暴雨過程每小時(shí)雨量分布

圖2給出暴雨發(fā)生前1、4和7小時(shí)的風(fēng)向相空間結(jié)構(gòu)。在暴雨發(fā)生前的第5個(gè)小時(shí)開始,一直到第3個(gè)小時(shí),風(fēng)向有非常明顯變化如圖2(b)所示,說(shuō)明風(fēng)向變化激烈,體現(xiàn)了“亂則變”的哲學(xué)思想,對(duì)暴雨的細(xì)化預(yù)報(bào)提供非常好的依據(jù)。圖3表示風(fēng)速非規(guī)則結(jié)構(gòu)信息分布,在降水出現(xiàn)的前3-8個(gè)小時(shí)時(shí)風(fēng)速較弱(小于1m/s),在降水前3小時(shí)時(shí)南風(fēng)開始增大,到03時(shí)達(dá)到5m/s左右如圖2(b),降水時(shí)(04時(shí))南風(fēng)氣流達(dá)最大(10m/s以上),然后,開始由東南方向順時(shí)針逐漸轉(zhuǎn)向偏北氣流,風(fēng)速減弱至5m/s以內(nèi),降雨結(jié)束。

圖2 暴雨前風(fēng)向相空間圖

圖3 6月30日02時(shí)-07時(shí)風(fēng)速相空間圖

從分析中得到如下非規(guī)則結(jié)構(gòu)信息特征：

(1)降水前,風(fēng)向開始改變,風(fēng)速開始減小,可能達(dá)到靜風(fēng)狀態(tài),隨后逐漸增大。

(2)臨降水和降水時(shí),風(fēng)向改變頻繁,至降水時(shí)改變減緩,風(fēng)速迅速增強(qiáng)。體現(xiàn)了“亂則變”的演化規(guī)律。偏北氣流加強(qiáng)。

(3)風(fēng)速逐漸減弱,風(fēng)向幾乎不變,以北風(fēng)氣流為主時(shí),降水結(jié)束。

3.2.2 溫度、濕度非規(guī)則結(jié)構(gòu)信息特征

圖4,5給出了暴雨過程中溫度和濕度的非規(guī)則結(jié)構(gòu)信息特征。從圖4可知,在降水前6-8小時(shí)(圖4(a))時(shí),溫度變化平緩,然后拆返增加,變化增大,在降水初期和降水中溫度變化加劇圖4(c),(d),降水結(jié)束時(shí),又趨于平緩(圖6)。從圖5中可知,濕度變化與溫度相反,降水前圖(a),(b)由折返劇烈,臨近降水時(shí)逐漸減少,在降水中趨于一點(diǎn)。然后折返增大,降水結(jié)束(圖7)。

圖4 29日20時(shí)-30日07時(shí)溫度相空間圖

圖5 29日08時(shí)-30日07時(shí)濕度相空間圖

圖6 成都6月30日10時(shí)溫度相空間圖

圖7 成都6月30日10時(shí)濕度相空間圖

4 對(duì)城市暴雨細(xì)化預(yù)測(cè)技術(shù)的討論

(1)由于城市的“熱島效應(yīng)”,形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小尺度系統(tǒng),城市產(chǎn)生的上升熱氣流與潮濕的氣流相遇,在局部地區(qū)上空形成暴雨,從而在某些地區(qū)引發(fā)洪水。而 V-3θ圖以探空特性層的非規(guī)則信息為基礎(chǔ),結(jié)合分析空間結(jié)構(gòu)的超低溫非規(guī)則信息來(lái)完成對(duì)暴雨的區(qū)域性預(yù)報(bào)。自動(dòng)氣象站能取得小于1分鐘一次精度的數(shù)據(jù),將原始的時(shí)序性數(shù)量觀測(cè)信息轉(zhuǎn)化為易識(shí)別暴雨發(fā)生的非規(guī)則結(jié)構(gòu)信息,實(shí)現(xiàn)城市暴雨的精細(xì)化預(yù)測(cè)。并通過成都2004年6月28日到6月30日暴雨過程的實(shí)例分析,將觀測(cè)信息與大氣演化科學(xué)的分析新理論和方法相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)城市暴雨細(xì)化預(yù)測(cè)。成都市現(xiàn)有51個(gè)6要素氣象自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、25個(gè)溫雨(溫度、雨量)監(jiān)測(cè)站,利用相空間結(jié)構(gòu)分析方法分別對(duì)這51個(gè)自動(dòng)氣象站的觀測(cè)資料進(jìn)行分析畫圖,得到各個(gè)氣象要素的演化特征,這樣就細(xì)化到成都市各個(gè)地區(qū),實(shí)現(xiàn)對(duì)成都城市暴雨的落區(qū)、落時(shí)的細(xì)化預(yù)測(cè)技術(shù)。

(2)作為預(yù)測(cè)問題的改進(jìn)或發(fā)展,目前首要的是改變認(rèn)識(shí)觀念,并應(yīng)當(dāng)承認(rèn)當(dāng)代科學(xué)將監(jiān)測(cè)作為預(yù)測(cè)是認(rèn)識(shí)上的重大失誤,否則很難突破“突發(fā)自然災(zāi)害問題”的預(yù)測(cè)。

(3)將質(zhì)點(diǎn)改為結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)觀念涉及人類認(rèn)識(shí)自然的重大觀念的變革問題。結(jié)構(gòu)體系和質(zhì)點(diǎn)數(shù)量體系涉及了認(rèn)識(shí)論的差別,其中超低溫和時(shí)序信息是數(shù)量的非規(guī)則,不是規(guī)則化的動(dòng)力學(xué)方程或統(tǒng)計(jì)的大概率化方法所能處理。更重要的是數(shù)量是事件后的形式計(jì)量,因此數(shù)量不能體現(xiàn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和功能,不可能用于預(yù)知未然。這正是歐陽(yáng)首承提出物質(zhì)演化原理和信息結(jié)構(gòu)化方法的由來(lái)。

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