遼寧一次強(qiáng)降水的診斷分析

高清源， 李 超， 支 詢，3， 于芳健， 田 璐

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225;2.鞍山市氣象局，遼寧 鞍山114004;3.遼寧省氣象裝備保障中心，遼寧沈陽(yáng)110000;4.朝陽(yáng)市氣象局，遼寧朝陽(yáng)122000)

0 引言

暴雨是中國(guó)的主要災(zāi)害性天氣之一，具有突發(fā)性高、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，極易造成嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，因而對(duì)于暴雨天氣的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、預(yù)報(bào)和研究，一直是氣象工作者關(guān)注的重點(diǎn)［1-4］。近年來，位渦理論已成為研究暴雨天氣的重要工具，尤其是在爆發(fā)性氣旋生成和鋒面研究中得到普遍的應(yīng)用，這是因?yàn)槲粶u綜合反映了大氣的熱力、動(dòng)力學(xué)特征，并且在無粘、絕熱的斜壓大氣中具有守恒性［5］，吳國(guó)雄等［6-7］在守恒特性的基礎(chǔ)上，提出了傾斜渦度發(fā)展理論，指出傾斜發(fā)展在暴雨中的重要作用。Bennetts和 Hoskins［8］從 Boussinnesq近似出發(fā)，引入潛熱作用，導(dǎo)出了濕位渦變化方程。劉還珠等［9］研究了強(qiáng)降水鋒面兩側(cè)的冷暖區(qū)垂直環(huán)流，給出了強(qiáng)降水鋒面的三維熱力流型結(jié)構(gòu)，濕位渦斜壓項(xiàng)對(duì)應(yīng)的可能的降水性質(zhì)。王建中等［10-11］指出濕位渦斜壓項(xiàng)能很好的體現(xiàn)濕斜壓性對(duì)流不穩(wěn)定在降水中的作用，而處于濕對(duì)稱不穩(wěn)定的大氣，在鋒面強(qiáng)迫或低空急流的作用下，更易形成強(qiáng)降雪天氣。于玉斌等［12］對(duì)華北一臺(tái)風(fēng)暴雨進(jìn)行了濕位渦分析，指出將位渦分解為正壓和斜壓部分能更好的揭示位渦和暴雨強(qiáng)度和落區(qū)的關(guān)系。李耀輝等［13］分析了一次江淮暴雨天氣過程，指出對(duì)稱不穩(wěn)定區(qū)域的存在，并討論了低空急流附近的對(duì)稱不穩(wěn)定性對(duì)暴雨及其系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展起了重要的作用。近年來，不少論著討論了低空急流附近對(duì)稱不穩(wěn)定性問題［14-15］，指出低空急流特殊的風(fēng)場(chǎng)切變有利于對(duì)稱不穩(wěn)定的發(fā)展，當(dāng)急流處于不同強(qiáng)度時(shí)，其附近的條件性對(duì)稱不穩(wěn)定分布亦不相同，但位于急流軸的前端，存在較為明顯的條件性對(duì)稱不穩(wěn)定區(qū)，有利于濕位渦的發(fā)展，對(duì)暴雨及其系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展起了重要的作用。

文中利用NCEP/NCAR分辨率為1°×1°的一日4次再分析格點(diǎn)資料和地面降水資料(常規(guī)氣象觀測(cè)站、區(qū)域自動(dòng)站降水資料)，對(duì)2010年7月遼寧地區(qū)一次區(qū)域性強(qiáng)降水進(jìn)行濕位渦的診斷分析，總結(jié)對(duì)流層低層濕位渦正壓項(xiàng)和濕位渦斜壓項(xiàng)與強(qiáng)降水強(qiáng)度、落區(qū)及其移動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，探討此次強(qiáng)降水過程中正壓項(xiàng)和斜壓項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的降水形成機(jī)制，為強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)提供一定的借鑒和指示意義。

1 濕位渦(MPV)理論

考慮某一等壓面上的渦度變化，必須結(jié)合渦度方程和大氣熱力學(xué)方程來考慮，即對(duì)于包括熱力學(xué)過程在內(nèi)的大氣渦旋運(yùn)動(dòng)的變化，要綜合考慮大氣熱力結(jié)構(gòu)對(duì)于渦度的約束關(guān)系，這就是位勢(shì)渦度的概念，其綜合反映了大氣的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)特征，可以作為跟蹤氣塊移動(dòng)的特征量。考慮水汽因素等的潛熱作用，引入濕位渦的概念。

在P坐標(biāo)系下，忽略ω的水平變化，則等壓面上的濕位渦方程為

ξ為垂直渦度，f為地轉(zhuǎn)渦度垂直分量，其余符號(hào)均為氣象常用符號(hào)。

濕位渦可以分為濕正壓項(xiàng)和濕斜壓項(xiàng)，其形式分別為

鑒于MPV2相關(guān)于假相當(dāng)位溫梯度和風(fēng)速的垂直切變，所以稱MPV2為濕斜壓項(xiàng)，則稱MPV1為濕正壓項(xiàng)。濕正壓項(xiàng)MPV1與絕對(duì)渦度分量和靜力穩(wěn)定度有關(guān)，其值取決于空氣塊絕對(duì)渦度的垂直分量與假相當(dāng)位溫的垂直梯度的乘積。一般來說，由于絕對(duì)渦度為正值(北半球)，所以MPV1為負(fù)值時(shí)，表征大氣的對(duì)流性不穩(wěn)定。濕斜壓項(xiàng)MPV2包含濕斜壓性和水平風(fēng)的垂直切變的貢獻(xiàn)，它的數(shù)值由風(fēng)的垂直切變和θse的水平梯度決定，表征大氣的濕斜壓性。相對(duì)于干位渦PV的斜壓項(xiàng)PV2，濕位渦MPV的濕斜壓項(xiàng)MPV2包含了大氣中水汽、能量的雙重作用，所以MPV2量級(jí)已可以與濕正壓項(xiàng)MPV1相比擬，因而將濕位渦分解為MPV1和MPV2能更好的揭示濕位渦與暴雨強(qiáng)度和落區(qū)的關(guān)系以及反映MPV1、MPV2各自所表征的降水形成機(jī)制。濕位渦單位為PVU，1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1。

2 天氣概況和環(huán)流背景

2．1 天氣概況

2010年7月20～21日，受高空槽和江淮氣旋的共同影響，遼寧地區(qū)出現(xiàn)明顯強(qiáng)降水天氣過程，中西部地區(qū)普降暴雨，中部地區(qū)為大暴雨乃至特大暴雨，有明顯的短時(shí)強(qiáng)降水天氣，短時(shí)強(qiáng)降水中心位于遼寧中部地區(qū)，強(qiáng)降水區(qū)呈東北-西南向帶狀分布，此次降水過程具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，過程雨量異常偏多，而且局地強(qiáng)度大等特點(diǎn)。全區(qū)域有551個(gè)測(cè)站降水量達(dá)到暴雨標(biāo)準(zhǔn)，其中53個(gè)測(cè)站降水量超過250 mm，最大過程雨量出現(xiàn)在遼寧中部的新民陶屯站，為507 mm，其單日降水量達(dá)到370 mm，降水時(shí)段集中，雨強(qiáng)大，小時(shí)最大降水量達(dá)到45 mm。

利用遼寧地區(qū)957個(gè)氣象觀測(cè)站的地面降水資料繪制了此次暴雨的單日降水量的分布圖(圖1)，從圖1可以看出，遼寧中西部地區(qū)的強(qiáng)降水以08時(shí)為界，降水時(shí)段明顯不同，遼寧西部暴雨時(shí)段為20日08時(shí)之前，降水量由北向南呈明顯的階梯狀分布(圖1a)，遼寧中部地區(qū)強(qiáng)降水時(shí)段為20日08時(shí)到21日08時(shí)，帶狀分布明顯(圖1b)。從逐小時(shí)降水量來看(圖略)，新民陶屯站16～22時(shí)雨強(qiáng)較大，最大雨強(qiáng)為45 mm/h，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，形成了新民地區(qū)的特大暴雨天氣過程。

圖1 降水量分布圖(單位:mm)

2．2 環(huán)流背景

暴雨的形成是在有利的大尺度環(huán)流背景下出現(xiàn)的，這次強(qiáng)降水過程開始之前(圖略)，高空500 hPa歐亞大陸中高緯度地區(qū)為兩槽一脊環(huán)流形勢(shì)，江淮氣旋加強(qiáng)北上，與內(nèi)蒙東北部的短波槽一起形成了北槽南渦的環(huán)流形勢(shì)，副高主體穩(wěn)定少動(dòng)，范圍較大。降水過程中(如圖2)，高空500 hPa江淮氣旋減弱東北上進(jìn)入低槽，使高空槽加深發(fā)展，遼寧省位于高空槽前，副高主體穩(wěn)定少動(dòng)，形成東北地區(qū)暴雨典型的“東高西低”的高空槽暴雨(相伴有鋒面結(jié)構(gòu))環(huán)流形勢(shì)，由于下游高壓壩的阻擋形勢(shì)，迫使其停滯在遼寧地區(qū)，遼寧省即位于高空西風(fēng)槽前與副高西北界交匯處，這樣較大的環(huán)流經(jīng)向度有利于較高緯度地區(qū)的冷空氣沿脊前西北氣流南下，并與副高西北部的暖濕氣流交匯于遼寧中部地區(qū)，為遼寧中部地區(qū)暴雨提供了必要的環(huán)流條件，也利于降水過程的持續(xù)。低空925～850 hPa，江淮氣旋東北上，遼寧西部地區(qū)受切變線影響，遼寧中東部地區(qū)低空急流明顯偏強(qiáng)并較長(zhǎng)時(shí)間維持，急流中心最大風(fēng)速可達(dá)24 m/s，并形成了非常強(qiáng)的低空暖濕空氣的輸送帶，這樣的高低空配置是本次大暴雨過程產(chǎn)生的基礎(chǔ)，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了非常有利的動(dòng)力和和熱力條件。

圖2 2010年7月20日08時(shí)天氣形勢(shì)(實(shí)線為500 hPa等高線，單位:dagpm陰影區(qū)為925 hPa急流，風(fēng)速大于12 m·s-1)

3 濕位渦的特征分析

考慮到水汽的影響作用以及其影響的層次一般在對(duì)流層的中低層，因而著重分析了對(duì)流層低層的濕位渦特征，。圖3(a)和圖4(c)給出7月20日08時(shí)925 hPa和850 hPa等壓面上MPV1的分布，圖3(b)和圖5(b)給出7月20日20時(shí)850 hPa和925 hPa等壓面上MPV2的分布，從低層等壓面上的MPV1和MPV2圖中可以看出，在整個(gè)降水過程中，中低層大氣MPV1負(fù)的大值區(qū)主要位于遼寧西部，具有明顯的對(duì)流性不穩(wěn)定，MPV2無明顯變化特征。而MPV2負(fù)的大值區(qū)主要分布于遼寧中部地區(qū)，大氣具有明顯的濕斜壓性，有利于降水的形成和發(fā)展，MPV1為弱值分布區(qū)，變化不明顯。因而，著重分析了遼寧西部暴雨區(qū)的MPV1特征和遼寧中部強(qiáng)降水區(qū)MPV2特征，尋求兩者變化與暴雨產(chǎn)生、落區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 MPV1、MPV2分布(單位:PVU)

3．1 MPV1的特征分析

經(jīng)過遼寧西部的暴雨中心，作7月19日20時(shí)～7月20日20時(shí)暴雨區(qū)南端綏中站附近(40°N，120°E)的濕位渦正壓項(xiàng)(MPV1)垂直-時(shí)間剖面圖(圖4a)，從圖中可以看出，從20日02時(shí)到20日08時(shí)，綏中站上空850 hPa層附近MPV1有明顯的變化，MPV1由弱值區(qū)轉(zhuǎn)為負(fù)的大值區(qū)，MPV1最大值為-0.9 PVU，說明850 hPa附近出現(xiàn)了明顯的對(duì)流性不穩(wěn)定區(qū)，這與低空暖濕氣流的加強(qiáng)和北上密切相關(guān)，低空暖濕氣流向暴雨區(qū)輸送水汽、熱量和不穩(wěn)定能量，形成低層的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)，進(jìn)而表現(xiàn)為MPV1負(fù)的大值區(qū)。從20日08時(shí)到20日20時(shí)，750 hPa附近出現(xiàn)正的大值區(qū)，隨時(shí)間的推移逐漸增大并向低層發(fā)展，表明高層干冷空氣強(qiáng)度的增強(qiáng)和冷空氣的下傳。

經(jīng)過遼寧西部暴雨區(qū)，沿120°E經(jīng)線作濕位渦(MPV1)的垂直剖面圖(圖4b)，從圖中可以得出，20日08時(shí)，暴雨區(qū)上空900 hPa層附近有兩個(gè)明顯的MPV1的正負(fù)大值區(qū)，呈南北向分布，正負(fù)極值分別為-0.9 PVU、1.9 PVU，MPV1負(fù)值區(qū)延伸到了正值區(qū)上方，這說明暴雨區(qū)上空的中低層大氣中，存在一低空急流攜帶暖濕氣流北上，高層干冷空氣下傳，冷暖氣流交匯，冷空氣侵入到暖濕氣團(tuán)下方，觸發(fā)和加強(qiáng)低層的擾動(dòng)，暖濕氣流抬升明顯，觸發(fā)其不穩(wěn)定能量的釋放，利于形成對(duì)流性的暴雨天氣。強(qiáng)降水落區(qū)位于冷暖氣團(tuán)的交匯處，也就是MPV1正負(fù)過渡的等值線密集區(qū)，從圖4(c)可以看出，在低層850 hPa等壓面上有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(正負(fù)呈南北分布)，隨著干冷空氣的加強(qiáng)南下，正負(fù)過渡的等值線密集區(qū)逐漸南移，降水帶隨之南移，形成了遼寧西部地區(qū)階梯狀的暴雨天氣。到20日08時(shí)，MPV1正負(fù)過渡的等值線密集區(qū)由北向南移至綏中站附近，強(qiáng)降水雨帶隨之移動(dòng)，遼寧西部地區(qū)的強(qiáng)降水過程趨于結(jié)束。

圖4 MPV1時(shí)間剖面圖、垂直剖面圖及分布

3．2 MPV2的特征分析

沿著41°N作濕位渦斜壓項(xiàng)(MPV2)的垂直剖面圖(圖5a)，從圖中可以看出，20日20時(shí)，遼寧中部地區(qū)對(duì)應(yīng)著中低層的MPV2負(fù)值的大值區(qū)，MPV2極值達(dá)到-0.5 PVU，最大MPV2的層次在900 hPa附近，說明遼寧中部地區(qū)低層大氣具有明顯的濕斜壓性特征，易于對(duì)稱性不穩(wěn)定層結(jié)的形成，這與遼寧中部地區(qū)強(qiáng)的低空急流密切相關(guān)，其特殊的風(fēng)場(chǎng)切變有利于大氣條件性對(duì)稱不穩(wěn)定的發(fā)生發(fā)展。從圖5(b)和5(c)所給出的900 hPa等壓面上MPV2的分布可以看出，從20日20時(shí)到21日02時(shí)，MPV2強(qiáng)度有較為明顯的減弱，從-0.5 PVU減弱為-0.3 PVU，但遼寧中部地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為MPV2的負(fù)值區(qū)，范圍逐漸擴(kuò)大。結(jié)合降水量圖(圖1b)可以得出，MPV2的負(fù)的極值中心與強(qiáng)降水中心存在位相的差異，而且MPV2的分布范圍明顯大于強(qiáng)降水落區(qū)，這說明即使是具有強(qiáng)的濕斜壓性特征的地區(qū)，有利于形成條件性對(duì)稱不穩(wěn)定層結(jié)，但不一定對(duì)應(yīng)著強(qiáng)降水落區(qū)，還需要其他條件的配合。

通過遼寧中部強(qiáng)降水區(qū)，沿著41°N作θse的緯向剖面圖(圖6)，從圖中可以看出，20日20時(shí)，受冷空氣和低空暖濕氣流的共同影響，遼寧中部強(qiáng)降水區(qū)上空800 hPa層以下存在一個(gè)陡峭的等θse線密集區(qū)，這個(gè)等值線密集區(qū)正是冷暖氣團(tuán)所交界的鋒區(qū)所在，其位于遼寧中部地區(qū)，呈東北-西南走向。

圖5 MPV2垂直剖面圖及分布

當(dāng)條件性對(duì)稱不穩(wěn)定區(qū)受到鋒面強(qiáng)迫作用發(fā)生降水時(shí)，對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)由沿傾斜的等熵面運(yùn)動(dòng)逐漸變?yōu)檠馗鼮閮A斜的等θse面運(yùn)動(dòng)，即在條件性對(duì)稱不穩(wěn)定區(qū)域與鋒面結(jié)合時(shí)，有利于形成傾斜對(duì)流發(fā)展機(jī)制，而傾斜對(duì)流往往又與暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣相關(guān)聯(lián)，有利于強(qiáng)降水天氣的發(fā)生發(fā)展，形成沿鋒面呈帶狀分布的強(qiáng)降水天氣。因而分析條件性對(duì)稱不穩(wěn)定與鋒面強(qiáng)迫的作用，對(duì)此次遼寧中部地區(qū)強(qiáng)降水天氣具有重要的意義。

圖6 2010年7月20日20時(shí)沿41°N的假相當(dāng)位溫的垂直剖面圖(單位:K)

4 結(jié)論與討論

(1)此次遼寧地區(qū)暴雨發(fā)生在的高空槽和副熱帶高壓的“東高西低”環(huán)流背景下，強(qiáng)的低空急流為暴雨提供了有利條件。濕位渦正壓項(xiàng)(MPV1)和濕位渦斜壓性(MPV2)反映了暴雨區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定的狀況，表征了不同的暴雨形成機(jī)制。

(2)對(duì)流層低層濕位渦正壓項(xiàng)(MPV1)的分布與遼寧西部暴雨區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，暴雨落區(qū)位于MPV1正負(fù)過渡的等值線密集帶，密集帶的移動(dòng)與冷暖空氣的相對(duì)強(qiáng)度有關(guān)，其對(duì)暴雨的落區(qū)和移動(dòng)具有指示作用，利于形成階梯狀的雨量分布，表征了遼寧西部地區(qū)冷暖空氣交匯的對(duì)流性不穩(wěn)定的降水機(jī)制。

(3)對(duì)流層低層MPV2的負(fù)的大值區(qū)表明遼寧中部地區(qū)大氣具有強(qiáng)的斜壓性特征，其與強(qiáng)降水落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降水落區(qū)位于MPV2負(fù)的大值區(qū)與鋒面相結(jié)合的區(qū)域。

(4)MPV2的負(fù)的大值區(qū)表征了大氣的斜壓性特征，易于形成條件性對(duì)稱不穩(wěn)定，當(dāng)與鋒面結(jié)構(gòu)結(jié)合時(shí)，受鋒面的強(qiáng)迫作用，有利于傾斜對(duì)流的發(fā)生發(fā)展，形成暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣。

通過對(duì)這次區(qū)域性強(qiáng)降水的濕位渦診斷分析，總結(jié)了濕位渦正壓項(xiàng)和斜壓項(xiàng)與強(qiáng)降水強(qiáng)度、落區(qū)及其移動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為強(qiáng)降水的研究和預(yù)報(bào)提供一定的借鑒和指示意義。至于此次強(qiáng)降水過程中強(qiáng)的超低空急流及其對(duì)濕位渦斜壓項(xiàng)的作用有待于進(jìn)一步的研究。

［1］ 陶詩(shī)言.中國(guó)之暴雨［M］.北京:科學(xué)出版社，1980:1-5.

［2］ 陳傳雷，吳曉峰，孫曉巍，等.遼寧省強(qiáng)對(duì)流性天氣的氣候特征分析［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，26(3):27-33.

［3］ 王麗榮，裴宇杰，陳明軒，等.北京對(duì)流性天氣的高空氣候背景分析［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，26(5):1-7.

［4］ 陳力強(qiáng)，張立祥，楊森.東北冷渦誘發(fā)的一次連續(xù)強(qiáng)風(fēng)暴環(huán)境條件分析［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，22(6):1-5.

［5］ Hoskins B J，McIntyre M E，Robertson A W.On the use and significance of is entropic porentialvorticity maps［J］.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，1985，111:877-946.

［6］ 吳國(guó)雄，蔡雅萍，唐曉菁.濕位渦和傾斜渦度發(fā)展［J］.氣象學(xué)報(bào)，1995，53(4):387-405.

［7］ 吳國(guó)雄，蔡雅萍.風(fēng)垂直切變和下滑傾斜渦度發(fā)展［J］.大氣科學(xué)，1997，21(3):273-282.

［8］ Bennetts D A，Hoskins B J.Conditional symmetric instability-a possible explanation for frontal rainbands［J］.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，105(446):945-962.

［9］ 劉還珠，張紹晴.濕位渦與鋒面強(qiáng)降水天氣的三維結(jié)構(gòu)［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1996，7(3):275-284.

［10］ 王建中，馬淑芬，丁一匯.位渦在暴雨成因中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1996，7(1):19-27.

［11］ 王建中，丁一匯.一次華北強(qiáng)降雪過程的濕對(duì)稱不穩(wěn)定性研究［J］.氣象學(xué)報(bào)，1995，53(4):451-460.

［12］ 于玉斌，姚秀萍.對(duì)華北一次特大臺(tái)風(fēng)暴雨過程的位渦診斷［J］.高原氣象，2000，19(1):111-120.

［13］ 李耀輝，壽紹文.一次江淮暴雨的MPV及對(duì)稱不穩(wěn)定研究［J］.氣象科學(xué)，2000，20(2):172-178.

［14］ 翟國(guó)慶，丁華君，孫淑清，等.與低空急流相伴的暴雨天氣診斷研究［J］.大氣科學(xué)，1999，23(2):112-118.

［15］ 黃億，壽紹文，傅靈艷.對(duì)一次臺(tái)風(fēng)暴雨的位渦與濕位渦診斷分析［J］.氣象，2009，35(1):65-73.