濕位渦在貴州“2011年1月17—20日”持續(xù)性強降雪中的應用

廖 波，杜正靜

(貴州省氣象服務中心，貴州 貴陽 550002)

濕位渦在貴州“2011年1月17—20日”持續(xù)性強降雪中的應用

廖 波，杜正靜

(貴州省氣象服務中心，貴州 貴陽 550002)

該文利用NECP/NCAR(1°×1°)再分析資料及常規(guī)氣象觀測資料，對貴州2011年1月17—20日持續(xù)強降雪概況及影響系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)這次強降雪過程具有影響范圍大、持續(xù)時間長、積雪融化緩慢等特點;地面強冷空氣、中低層切變和西南低空急流是此次強降雪的主要影響系統(tǒng);同時對強降雪過程進行濕位渦分析得知，在MPV1＞0且∣MPV2＜0∣有較大增長的區(qū)域與強降雪落區(qū)相吻合，MPV1的大小變化與降雪的強弱變化一致。

強降雪;濕位渦;相當位渦

1 引言

濕位渦作為綜合表征大氣動力、熱力和水汽等因素之間約束關系的物理量，被廣泛應用到暴雨分析中，文獻［1-3］認為濕位渦正壓項的負值區(qū)和斜壓項的負值區(qū)分別對暴雨區(qū)和暴雨的落區(qū)、移動有指示作用。近年來，也有專家學者把濕位渦應用到降雪個例分析中［4-7］，得出濕位渦正壓項的正值區(qū)和斜壓項的負值區(qū)分別對降雪強度和強降雪的落區(qū)也有較好指示意義。但應用濕位渦對貴州強降雪的研究不多見，本文對貴州2011年1月17-20日持續(xù)強降雪過程進行物理量分析和濕位渦分析，進一步探討貴州強降雪發(fā)生機制及濕位渦理論在強降雪分析中的應用前景。

2 降雪概況及過程分析

2.1 降雪概況

受強冷空氣和西南暖濕氣流共同影響，2011年1月17-20日貴州出現(xiàn)了一次罕見的持續(xù)性強降雪天氣過程。全省大部分地區(qū)連續(xù)3d普遍出現(xiàn)小到中雪，其中西部、東部地區(qū)局地出現(xiàn)暴雪，其降雪區(qū)域由西北向東南擴大，強降雪中心從西向東移。1月20日08時，強降雪中心位于省的東部地區(qū)，全省有74個縣(市)積雪深度在1 cm以上，38個縣(市)為5～10 cm，其中關嶺、興仁、水城、麻江、萬山、玉屏、貴定、黃平等19個縣(市)在10 cm以上，萬山、玉屏、岑鞏積雪深度分別為29 cm、23 cm、21 cm。由于地面溫度持續(xù)偏低，積雪融化緩慢，省內大部分地區(qū)被積雪覆蓋5d以上，其中萬山特區(qū)被積雪覆蓋達17d之久。這次強降雪過程具有影響范圍大、持續(xù)時間長，積雪融化緩慢等特點。這次持續(xù)性強降雪給交通運輸、電力、通信、農業(yè)生產(chǎn)及人們的生活帶來了嚴重的影響。

2.2 影響系統(tǒng)分析

在整個降雪期間，亞洲中高緯地區(qū)500 hPa維持阻高—橫槽型，90°E附近南支槽穩(wěn)定少動。16日08時烏拉爾山阻高建立，阻高東側偏北氣流引導地面冷空氣南下影響我省，直到21日08時阻高被切斷，強度減弱。16日08時700 hPa貴州上空西南急流建立，西南急流一直維持到20日20時，其中貴陽16日20時最大風速為28m/s。西南急流把孟灣的水汽源源不斷地輸送到貴州上空，為強降雪提供充沛的水汽條件。由圖1可知700 hPa切變在貴州東北部邊緣穩(wěn)定少動，850 hPa切變位于貴州南部穩(wěn)定少動，為強降雪提供了有利的動力條件。地面整個亞洲大陸被強大冷高壓控制，其中心位于貝湖西側，中心強度最強時為1 067.5 hPa，冷空氣不斷分裂南下影響貴州，靜止鋒維持在滇黔間，直到20日貴州受變性高壓控制，降雪趨于結束。因此，此次強降雪的主要影響系統(tǒng)為地面強冷空氣、中低層切變和西南低空急流。

圖1 17日08時地面及高空影響系統(tǒng)配置圖

2.3 水汽條件分析

產(chǎn)生強降雪，必需有充足的水汽輸送和水汽輻合，從16日08時700 hPa風場來看，貴州上空有一風速大于12m/s的西南急流建立，西南急流一直維持到20日，為此次強降雪提供充沛的水汽條件。從16日08時700 hPa水汽通量分布圖(圖略)可知，從孟加拉灣到貴州上空存在一水汽通量大值帶，到19日20時(見圖2)，水汽通量大值區(qū)東移到貴州東部到湖南一帶，強度加強，其中心值為12×10-7g·cm-1·hPa-1·s-1，20日08時水汽通量大值區(qū)繼續(xù)東移并減弱，降雪趨于結束。

圖2 19日20時700 hPa水汽通量及西南急流圖

2.4 渦度及垂直速度分析

分析1月16日至21日700 hPa渦度演變特征發(fā)現(xiàn)(圖略)，16日08時四川到我省北部邊緣存在一正渦度區(qū);17日08時正渦度中心移到我省東北部，其中心值為4×10-5/s;18日08時正渦度中心東移到湖南;到19日20時我省東北部正渦度再次增加，其中心值為6×10-5/s，強降雪區(qū)與正渦度大值區(qū)一致;20日08時開始減弱東移，21日08時我省上空為負渦度區(qū)，降雪結束。

從垂直速度圖來看，16日08時貴州西部(26°N、105°E)附近有一弱的上升中心，中心值-0.2pa·s-1;18日08時上升區(qū)向東擴大，強度加強，中心值-0.4pa·s-1;19日08時中心值減弱為-0.3Pa·s-1，19日20時(圖4)上升區(qū)強度再次加強，中心值為-0.6Pa·s-1;20日08時，中心值減弱為為-0.4Pa·s-1;21日08時垂直速度繼續(xù)減弱。將渦度和垂直速度與強降雪時段對比分析可知，渦度及垂直速度的2次增強過程與強降雪時段基本一致。

2.5 相當位溫分析

圖3 19日20時垂直速度沿26°N的剖面圖

1月16日夜間受冷空氣南下補充影響，四川、重慶、貴州西北部有θe冷舌向南伸展，貴州西北部到重慶一帶存在等θe線密集區(qū)，說明該地區(qū)存在鋒區(qū)［8］。17日隨著冷空氣的不斷南下補充，等 θe線坡度增大，且等θe線變得更加密集，θe的水平梯度增強，鋒區(qū)加強。根據(jù)下滑傾斜渦度發(fā)展理論［9］，當θe線坡度增大，大氣斜壓性增大，預示垂直渦度將顯著發(fā)展，伴隨著強烈的上升運動，強降雪發(fā)生在等θe線密集區(qū)內。18日等θe線略變稀疏，降雪強度略有減弱，18日夜間又有冷空氣南下補充影響，等θe線變得更加密集，降雪強度加大，20日白天開始隨著降雪的發(fā)生，不穩(wěn)定能量得到釋放，等θe線變得稀疏，且分布趨于平直，降雪趨于結束。

3 濕位渦分析

濕空氣的位勢渦度稱為濕位渦。濕位渦作為部邊緣穩(wěn)定少動，結合垂直速度剖面圖可知，冷暖綜合表征大氣動力、熱力和水汽等因素之間約束關系的物理量，它將對流不穩(wěn)定和濕對稱斜壓不穩(wěn)定聯(lián)系在一起，提供不穩(wěn)定判別機制，它與對流不穩(wěn)定變化、斜壓變化和風的垂直變化有關。在P坐標系下，忽略垂直速度ω的水平變化，在絕熱無摩擦的飽和大氣中，濕位渦的守恒方程為［7］：

式中ζp為垂直渦度，f為科氏參數(shù)，θe為相當位溫。其分量形式為：

其中，MPV1為濕正壓項，表示對流穩(wěn)定性，是空氣絕對渦度的垂直分量與相當位溫的垂直梯度的乘積，當大氣為對流穩(wěn)定時，?θe/?p＜0，所以MPV1 ＞0;當大氣為對流不穩(wěn)定時，?θe/?p＞0，則MPV1＜0;MPV2為濕位渦的斜壓項，表示對流穩(wěn)定性，是風的垂直切變與θe的水平梯度的乘積，表征大氣的濕斜壓性，風的垂直切變的增加或水平濕斜壓的增加，均能因濕等熵面的傾斜而引起垂直渦度的增長，有利于強降水的發(fā)生或加強。濕位渦的單位為 PVU，1PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1。

3.1 正壓位渦(MPV1)分析

由于這次強降雪過程中850 hPa切變在貴州南部邊緣穩(wěn)定少動，且700 hPa切變位于貴州東北強，其中心值為1.0PVU，與強降雪區(qū)域吻合，到18氣流交匯較強烈的區(qū)域位于750 hPa附近，因此本文選取750 hPa的MPV1和MPV2圖進行分析。

圖4 2011年1月17日08時(a)，18日08時(b)，19日08時(c)，20日08時(d)MPV1分布圖

從1月16—21日MPV1分布圖可看出，16日08時貴州西部存在一個MPV1為正值區(qū)(圖略)，17日08時(圖4a)MPV1正值范圍擴大，強度明顯加

日08時(圖4b)MPV1正值區(qū)強度有所減弱，其中心值為0.3PVU，19日08時(圖4c)，MPV1正值區(qū)強度再次加強，其中心值為0.9PVU，降雪強度也隨之加強，20日08時(圖4d)MPV1正值區(qū)中心值減弱為0.6PVU，21日08時(圖略)MPV1正值區(qū)中心值繼續(xù)減弱為0.0PVU，降雪結束。因此，對流層中低層MPV1正值區(qū)與降雪中心有較好的對應關系，MPV1正值的大小變化與降雪強度變化一致。

3.2 斜壓位渦(MPV2)分析

由MPV2分布圖可知，1月16日08時貴州上空MPV2＜0(圖略)，其最大值為 -0.3PVU，17日08時(圖5a)隨著干冷空氣不斷南下補充，鋒區(qū)加強，等θe水平梯度增大，變得更加密集陡立，由于等θe面的傾斜狀態(tài)與大氣斜壓性密切相關，其傾斜程度可以表征大氣斜壓性強弱［10］，所以大氣斜壓性加強，∣MPV2＜0∣增大，中心值為-0.7PVU;18日08時(圖5b)∣MPV2＜0∣大值區(qū)東移，中心值減弱為-0.6PVU;19日08時(圖5c)，∣MPV2＜0∣再次增大，其中心值為 -0.9PVU;20日08時(圖6d)，∣MPV2＜0∣的大值中心東移到貴州東部，中心值略有減弱，其中心值為-0.8PVU;21日08時(圖略)，只有貴州東部MPV2＜0，其值為-0.1，其余地區(qū)MPV2=0?？傊?，17日、19日∣MPV2＜0∣得到較大增長時段分別與強降雪時段對應，結合天氣系統(tǒng)發(fā)展演變可知∣MPV2＜0∣大值區(qū)與中低層鋒區(qū)一致，同時∣MPV2＜0∣得到較大增長，其附近的垂直渦度增大，導致下滑傾斜渦度發(fā)展，降雪加強。21日隨著冷空氣的東南移∣MPV2＜0∣明顯減小，大氣斜壓性減弱，降雪結束。因此，在MPV1＞0且∣MPV2＜0∣得到大增長的區(qū)域對強降雪落區(qū)具有一定指示意義。

這次強降雪過程的濕位渦分析得出的結果與其他專家學者的研究結果基本一致：MPV1正值的大小變化與降雪強度變化一致;降雪中心位于MPV2中心的東南側(即∣MPV2＜0∣得到大增長的區(qū)域)。因此，濕位渦對強降雪的落區(qū)與降雪強度預報有很好的指示意義;另外，濕位渦在強降雪與強降雨分析中的區(qū)別在于強降雪落區(qū)位于MPV1正值區(qū)，而強降雨落區(qū)位于MPV1負值區(qū)。

圖5 2011年1月17日08時(a)，18日08時(b)，19日08時(c)，20日08時(d)MPV2分布圖

4 小結

①這次強降雪過程具有影響范圍大、持續(xù)時間長、積雪融化緩慢等特點。

②當θe線坡度增大，大氣斜壓性增大，預示垂直渦度顯著發(fā)展，導致上升運動加強，強降雪發(fā)生在等θe線密集陡立區(qū)內。

③對流層中低層MPV1正值區(qū)與降雪中心有較好的對應關系，MPV1正值的大小變化與降雪強度變化一致。

④當∣MPV2＜0∣得到較大增長，其附近的垂直渦度增大，導致下滑傾斜渦度發(fā)展，降雪加強;在MPV1＞0且∣MPV2＜0∣得到大增長的區(qū)域對強降雪落區(qū)具有一定指示意義。

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B

2011-03-04

廖波(1982-)，男，助工，主要從事中短期天氣預報服務工作。