貴州省一次連續(xù)性暴雨的濕位渦診斷分析

王興菊，白 慧，楊忠明，吳哲紅

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000;2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550002;3.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

貴州省一次連續(xù)性暴雨的濕位渦診斷分析

王興菊1，2，白 慧3，楊忠明1，吳哲紅1

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000;2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550002;3.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

該文利用絕熱、無摩擦大氣濕位渦守恒理論和常規(guī)的地面觀測(cè)資料、NCEP再分析資料(水平分辨率2.5°×2.5°)，對(duì)貴州省2011年6月3—6日連續(xù)性暴雨過程的濕位渦場(chǎng)進(jìn)行了診斷和分析。結(jié)果表明此次暴雨過程發(fā)生在對(duì)流層中低層MPV1負(fù)值區(qū)和MPV2的正值區(qū)以及θse的高能區(qū)內(nèi)。濕位渦的正壓項(xiàng)與斜壓項(xiàng)綜合反映了暴雨區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。這一判據(jù)將大氣中的對(duì)流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定很好地聯(lián)系在一起，為暴雨天氣的診斷和實(shí)際預(yù)報(bào)提供了一種思路。

暴雨;濕位渦;診斷分析

1 引言

濕位渦是能同時(shí)表征大氣動(dòng)力、熱力和水汽性質(zhì)的綜合物理量。近年來，其概念和理論得到了深入的研究和廣泛應(yīng)用。吳國(guó)雄等［1-2］從完整的原始方程出發(fā)，導(dǎo)出了濕位渦方程，證明了絕熱無摩擦的飽和大氣中濕位渦的守恒性，并由此研究了等熵坐標(biāo)和等壓坐標(biāo)系中傾斜渦度的發(fā)展理論;李國(guó)平、劉行軍［3］分析了西南低渦暴雨的濕位渦分布特征，揭示了濕位渦與強(qiáng)降水的直接關(guān)系;田珍富等［4］利用一個(gè)考慮了陡峭地形的16層η坐標(biāo)模式，對(duì)1990年一次發(fā)生在湖北遠(yuǎn)安縣的局地特大暴雨進(jìn)行了數(shù)值模擬，他們指出濕相對(duì)位渦的變化與暴雨過程的演變有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，指出MPV(濕位渦)的變率的正負(fù)對(duì)暴雨的發(fā)生及演變起到很好的指示作用。貴州地處烏蒙山脈南端，云貴高原北部，地形復(fù)雜，由于其特殊的地理位置和大氣環(huán)流等因素影響，形成了貴州獨(dú)有的天氣特征，由持續(xù)性暴雨引發(fā)的洪澇和由突發(fā)性局地暴雨引發(fā)的泥石流等山地災(zāi)害常有發(fā)生［5］。本文利用絕熱、無摩擦大氣濕位渦守恒理論和常規(guī)的地面觀測(cè)資料、NCEP 再分析資料(水平分辨率2.5°×2.5°)，對(duì)貴州省2011年6月3—6日連續(xù)性暴雨過程的濕位渦場(chǎng)進(jìn)行了診斷和分析。結(jié)果表明此次暴雨過程發(fā)生在對(duì)流層中低層MPV1負(fù)值區(qū)和MPV2的正值區(qū)以及θse的高能區(qū)內(nèi)。濕位渦的正壓項(xiàng)與斜壓項(xiàng)綜合反映了暴雨區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。這一判據(jù)將大氣中的對(duì)流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定很好地聯(lián)系在一起，為暴雨天氣的診斷和實(shí)際預(yù)報(bào)提供了一種思路。

2 降雨實(shí)況

實(shí)況：2011年6月3—6日，貴州省出現(xiàn)今年入汛以來首場(chǎng)持續(xù)暴雨天氣過程，強(qiáng)降水集中在貴陽市、遵義市中東部、安順市、銅仁地區(qū)、黔西南州北部及東部、黔南州大部、黔東南州中北部地區(qū)，德江、花溪、興仁、貞豐出現(xiàn)大暴雨。累計(jì)雨量有20個(gè)縣市區(qū)在100 mm以上，31個(gè)縣市區(qū)在50～100 mm之間;另有762個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計(jì)雨量在50 mm以上，其中223個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)在100 mm以上，12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)達(dá)200 mm以上，以羅甸縣逢亭鎮(zhèn)的248.9 mm為最大。其中3日08時(shí)—4日08時(shí)，強(qiáng)降水出現(xiàn)在貴州省的東北部，4日08時(shí)—5日08時(shí)，強(qiáng)降水出現(xiàn)在貴州省的中東部(圖1)。5日08時(shí)—6日08時(shí)，強(qiáng)降水出現(xiàn)在貴州省的西南部和東部(圖2)。此次降水過程具有影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降水強(qiáng)度強(qiáng)、局地災(zāi)害重等特點(diǎn)，嚴(yán)重暴雨洪澇造成望謨、紫云、德江、銅仁、江口、湄潭共6個(gè)縣市不同程度受災(zāi)，望謨縣城進(jìn)水，山洪還引發(fā)局地泥石流災(zāi)害。截止6月6日13時(shí)，全省共有20.18萬人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡1人、失蹤15人，緊急轉(zhuǎn)移6.01萬人;農(nóng)作物受災(zāi)面積9 383.4 hm2，成災(zāi)7 011 hm2;倒塌房屋134戶411間，損害房屋2 782間。因?yàn)?zāi)造成直接經(jīng)濟(jì)損失17 001.1萬元，其中農(nóng)業(yè)直接經(jīng)濟(jì)損失1 219.4萬元。

3 環(huán)流背景和主要影響系統(tǒng)

6月4日08時(shí)—5日20時(shí)，500 hPa歐亞中高緯環(huán)流為兩槽一脊型，巴爾喀什湖到貝加爾湖之間的50～70°N為阻塞高壓，穩(wěn)定少動(dòng)，脊前偏北氣流引導(dǎo)低層冷空氣從東北路徑南下影響我國(guó)。西太平洋副高北界在23°N附近，其西伸脊點(diǎn)在100°E左右。貴州處于副高西北側(cè)的西南氣流控制下，同時(shí)在高原上不斷有小槽東移影響。孟加拉灣低槽深厚活躍，不斷有大量的暖濕氣流經(jīng)中南半島輸送到貴州(圖3a)。700 hPa從長(zhǎng)江中下游到四川南部維持一條東西向的切變線，川西有一中心強(qiáng)度為308 dagpm的低渦。

圖3 (a)4日08時(shí)—5日20時(shí)500 hPa平均高度場(chǎng)(單位：gpm)，(b)4日08時(shí)850 hPa天氣形勢(shì)圖，(c)4日20時(shí)地面天氣形勢(shì)圖，(d)5日14時(shí)地面天氣形勢(shì)圖。

同時(shí)在滇東還有一條南北向的切變線，貴州受較強(qiáng)的西南氣流控制(圖略)。4日08-20時(shí)850 hPa從湖北經(jīng)貴州中部到云南中部有一低渦切變，穩(wěn)定少動(dòng);5日08時(shí)切變有所南壓，切變線從浙江北部經(jīng)過江西、湖南、貴州中部到云南南部。同時(shí)從3日20時(shí)起西南急流建立，4-5日維持且有所加強(qiáng)，最大風(fēng)速達(dá)20m·s-1以上，貴州處于急流的左側(cè)。低空急流為暴雨區(qū)帶來了大量的暖濕空氣(圖3b)。從6月4日08時(shí)—5日20時(shí)的地面圖演變來看(圖3c，3d)，在這段時(shí)間內(nèi)，貴州中西部到云南東部一直為一個(gè)低壓系統(tǒng)控制，且在江西、湖南直到貴州的中部偏南一線始終有靜止鋒維持，四川到青海一帶則維持一個(gè)弱的小高壓。分析14時(shí)和20時(shí)的24 h變溫可見，貴州北部到四川有負(fù)變溫，而貴州中南部始終維持正變溫。這一現(xiàn)象說明，由于近地面低空急流的存在，帶來了大量的暖濕氣流，所以貴州中南部一直處于高溫高濕的狀態(tài)。四川一帶由于有弱冷空氣侵入，氣壓場(chǎng)表現(xiàn)為小高壓，變溫場(chǎng)也表現(xiàn)為負(fù)變溫。在這種冷暖空氣交匯的情況下，西南暖濕氣流遇冷空氣抬升，使上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，激發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，近而在輻合上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)的地區(qū)生成中尺度對(duì)流云團(tuán)，產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流和強(qiáng)降水天氣。從以上分析可以看出，此次持續(xù)性暴雨出現(xiàn)在中高緯長(zhǎng)波系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)期，低緯度則是西太平洋副高位置穩(wěn)定適中，且低層低渦切變移動(dòng)緩慢，地面靜止鋒維持的情況下。中尺度對(duì)流系統(tǒng)是此次過程的主要影響系統(tǒng)。

4 濕位渦(MPV)分析

4.1 濕位渦正壓項(xiàng)(MPV1)的分布

從沿暴雨中心沿26°N處MPV1的經(jīng)向剖面圖中看到(圖4)：4日08時(shí)650 hPa以下為負(fù)值區(qū)，為對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，在100 ～108°E之間有一個(gè) -60PVU的中心，位于800～900 hPa之間，在與負(fù)值區(qū)對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)，600～400 hPa為正值區(qū)，中心強(qiáng)度值為20 PVU。14時(shí)負(fù)值中心東移到105 ～111°E，中心值迅速增強(qiáng)，達(dá)到-144 PVU，與之對(duì)應(yīng)的600 hPa以上的正值中心達(dá)到24 PVU。從500 hPa向下有一“漏斗”形高濕位渦區(qū)伸展，高位渦(12 PVU)的范圍伸展到了600 hPa附近，表明對(duì)流層高層為對(duì)流穩(wěn)定區(qū)，冷空氣向下入侵。到4日20時(shí)(圖略)，對(duì)流層高層高值帶減弱，負(fù)值區(qū)抬升到了500 hPa附近，負(fù)值中心值強(qiáng)度減弱，范圍縮小，強(qiáng)中心在850 hPa附近，中心值為-96 PVU，一直到5日08時(shí)繼續(xù)減弱。到了5日14時(shí)強(qiáng)度再次迅速增強(qiáng)，強(qiáng)中心仍然在貴州范圍內(nèi)，中心值達(dá)到-188 PVU，到5日20時(shí)后又減弱。在暴雨發(fā)生前的4日14時(shí)和5日14時(shí)，對(duì)流層高層正的大值區(qū)對(duì)應(yīng)著對(duì)流層低層負(fù)值中心，這將有利于低層的不穩(wěn)定能量大大釋放，對(duì)流不穩(wěn)定迅速發(fā)展。這種MPV1“正負(fù)值區(qū)垂直迭加”的配置是暴雨發(fā)生發(fā)展的有利形式。

這次暴雨過程發(fā)生在對(duì)流層中低層MPV1負(fù)值區(qū)內(nèi)。暴雨產(chǎn)生前中低層850 hPa和700 hPa貴州為負(fù)值控制，表明大氣處于對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦有冷空氣觸發(fā)潛在不穩(wěn)定能量釋放，將產(chǎn)生對(duì)流性強(qiáng)降水天氣。在MPV1等值線相對(duì)密集的零線附近，正是冷暖空氣交匯的地帶，有利于水汽輻合，垂直渦度劇烈發(fā)展。

4.2 等壓面上濕位渦斜壓項(xiàng)(MPV2)分布

濕位渦斜壓項(xiàng)的大小決定于水平風(fēng)的垂直切變和相當(dāng)位溫的水平梯度，所以其值越大表明大氣的斜壓性越強(qiáng)。從沿暴雨中心26°N處MPV2的經(jīng)向剖面圖中看出(圖5)：6月4日08時(shí)，在100 ～108°E范圍內(nèi)，750～850 hPa之間，有一個(gè)中心值為-2 PVU的負(fù)值中心，在700 hPa以上到300 hPa之間為零值區(qū)。到14時(shí)貴州中東部在750～850 hPa之間開始出現(xiàn)正值區(qū)，中心值為4 PVU，表明此處開始有對(duì)流云團(tuán)產(chǎn)生。到20時(shí)，在貴州中東部地區(qū)800～850 hPa上有3 PVU的正值區(qū)，在750～650 hPa上有-3 PVU的負(fù)值中心，貴州西部處于正負(fù)值的過渡帶，斜壓性非常強(qiáng)，這種形式有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展，易產(chǎn)生暴雨。

到5日02時(shí)整個(gè)貴州范圍內(nèi)變?yōu)樨?fù)值，5日08時(shí)貴州范圍內(nèi)開始出現(xiàn)0.5 PVU的正值區(qū)。14時(shí)，增大為1 PVU，20時(shí)正值區(qū)抬升到650 hPa左右，貴州西部正值中心為2 PVU，到5日02時(shí)，正值區(qū)抬升到了600 hPa，5日夜間貴州出現(xiàn)了強(qiáng)降水，2縣出現(xiàn)大暴雨，10縣市出現(xiàn)暴雨，27縣市出現(xiàn)大雨;另外有1個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)特大暴雨、25個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)大暴雨、174個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨，以羅甸縣逢亭鎮(zhèn)的239.5 mm最大。其中大部分的強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在貴州的中部以西地區(qū)。

由于MPV1的絕對(duì)值明顯比MPV2大，MPV1分布與濕位渦MPV的分布大致相同，負(fù)值中心位置也比較一致。MPV2的數(shù)值雖說常常比MPV1約小一個(gè)量級(jí)，但MPV2表達(dá)式中風(fēng)隨高度的變化和相當(dāng)位溫的梯度表明，數(shù)值越大說明大氣的斜壓性越強(qiáng)，大氣的斜壓性可轉(zhuǎn)化成正壓位渦擾動(dòng)，有利于氣旋性渦度發(fā)展，利于暴雨的產(chǎn)生。同時(shí)MPV2絕對(duì)值的增大，可以反映大氣的斜壓不穩(wěn)定的增強(qiáng)，因?yàn)镸VP2的表達(dá)式中含有等相當(dāng)位溫面的坡度項(xiàng)，斜壓不穩(wěn)定決定于等位溫面的坡度。因此，濕位渦的正壓項(xiàng)與斜壓項(xiàng)綜合反映了暴雨區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。這一判據(jù)將大氣中的對(duì)流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定很好地聯(lián)系在一起，為暴雨天氣的診斷和實(shí)際預(yù)報(bào)提供了一種思路。

5 能量場(chǎng)分析

5.1 θse剖面特征

從850 hPa上θse沿26°N的經(jīng)度—間剖面圖分析(圖6)，4日和5日的14—20時(shí)在貴州范圍內(nèi)都有θse的大值中心，其中4日的大值區(qū)出現(xiàn)在貴州省的東部地區(qū)(106～112°E)，中心值達(dá)到了390 K，5日的大值區(qū)出現(xiàn)在貴州省的中東部地區(qū)(104～111°E)，中心值達(dá)到了385 K，這與4日和5日貴州出現(xiàn)的強(qiáng)降水范圍是吻合的，表明強(qiáng)降水區(qū)域在強(qiáng)降水開始前維持高能。

圖6 2011年6月4—6日 850 hPa上 θse沿26°N的經(jīng)度—時(shí)間剖面(單位：K)

5.2 物理量場(chǎng)分析

從6月4日和5日20時(shí)比濕場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)沿26°N的垂直剖面圖來看：4日20時(shí)在貴州范圍內(nèi)存在強(qiáng)烈的上升中心，在850 hPa附近達(dá)到最大上升值-0.18 hPa/s，上升氣流達(dá)到500 hPa。在濕度場(chǎng)上，貴州中西部強(qiáng)上升區(qū)對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)，850 hPa上也存在濕度中心，在103～109°E之間比濕達(dá)到80 g/kg。5日20時(shí)，在貴州范圍內(nèi)也存在上升氣流和比濕中心，垂直速度中心值達(dá)到了-0.1 hPa/s，上升氣流達(dá)到了650 hPa，比濕中心達(dá)到800 hPa。說明在6月4日20時(shí)和5日20時(shí)，貴州已經(jīng)具備產(chǎn)生暴雨的條件，即強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)和水汽條件。

從6月4日和5日20時(shí)水汽通量散度場(chǎng)沿26°N的垂直剖面圖來看：4日20時(shí)在貴州中西部地區(qū)存在水汽通量散度負(fù)值中心，中心值達(dá)到了-25 g/s·cm·hPa。到5日20時(shí)，貴州范圍內(nèi)仍然存在水汽通量散度負(fù)值中心，中心值達(dá)到了-15 g/s·cm·hPa，說明整個(gè)過程中貴州范圍內(nèi)均存在水汽通量的輻合，源源不斷的水汽在貴州地區(qū)聚集。從6月4日和5日20時(shí)流場(chǎng)沿26°N的垂直剖面圖來看：850 hPa上以偏南氣流為主，在700 hPa上貴州中部地區(qū)存在西南風(fēng)和東北風(fēng)的切變，在700 hPa與600 hPa之間存在西南風(fēng)和西北風(fēng)的輻合帶，500 hPa以上出現(xiàn)了西風(fēng)急流，最大風(fēng)速達(dá)到20 m/s。到5日20時(shí)，700 hPa上切變?nèi)匀缓苊黠@，在700 hPa與600 hPa之間也存在明顯的輻合區(qū)，500 hPa以上盛行西風(fēng)氣流，最大風(fēng)速達(dá)到10 m/s。

圖7 2011年6月4日20時(shí)、5日20時(shí)比濕場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)沿26°N的經(jīng)向垂直剖面圖

通過對(duì)6月4日和5日20時(shí)流場(chǎng)沿26°N的垂直剖面圖的分析可以看到，大暴雨區(qū)位于高空和低空風(fēng)速切變最大區(qū)的疊加之處。這正是高空急流和低空急流耦合形成最有利暴雨發(fā)生的動(dòng)力場(chǎng)的區(qū)域。高空急流右側(cè)的上升區(qū)與低空急流左側(cè)的上升區(qū)相重疊，形成深厚的、強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。

6月4日20時(shí)500 hPa環(huán)流形勢(shì)來看(圖9)，貴州受槽前西南氣流影響，在105°E附近為渦度平流的0值區(qū)，貴州處于正負(fù)渦度平流的過渡帶，槽前有正渦度平流，槽后有負(fù)渦度平流;溫度場(chǎng)來看，貴州也處于冷暖平流的過渡帶，槽前為暖平流，槽后為冷平流。5日20時(shí)500 hPa環(huán)流形勢(shì)來看，在103°E和24°N附近，貴州的西南地區(qū)，也出現(xiàn)了冷暖平流和正負(fù)渦度的交匯。

有利的動(dòng)力場(chǎng)決定了大暴雨的落區(qū)。暴雨的發(fā)生區(qū)與動(dòng)力場(chǎng)的強(qiáng)中心相一致。這種由于高低空急流適宜配置而形成的高低層動(dòng)力場(chǎng)的耦合是這次暴雨發(fā)生的主要?jiǎng)恿l件。

6 小結(jié)

①2011年6月3—6日貴州強(qiáng)降水主要是由于南支槽不斷分裂東移，配合中低層的槽線、低渦和地面冷鋒以及冷暖平流和正負(fù)渦度的交匯的共同影響造成的。

②此次暴雨過程發(fā)生在對(duì)流層中低層MPV1負(fù)值區(qū)和MPV2的正值區(qū)以及θse的高能區(qū)內(nèi)。濕位渦的正壓項(xiàng)與斜壓項(xiàng)綜合反映了暴雨區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。這一判據(jù)將大氣中的對(duì)流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定很好地聯(lián)系在一起，為暴雨天氣的診斷和實(shí)際預(yù)報(bào)提供了一種思路。

③此次暴雨發(fā)生前貴州有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)和充沛的水汽輸送，暴雨的發(fā)生區(qū)與動(dòng)力場(chǎng)的強(qiáng)中心相一致。這種由于高低空急流適宜配置而形成的高低層動(dòng)力場(chǎng)的耦合是這次暴雨發(fā)生的主要?jiǎng)恿l件。

［1］ 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)：387-404.

［2］ 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)：273-281.

［3］ 李國(guó)平，劉行軍.西南低渦暴雨的濕位渦診斷分析［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1994，5(3)：354-360.

［4］ 田珍富，滕俏彬，王作述.一次局地特大暴雨濕位渦的中尺度分析［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，1998，14(2)：163-172.

［5］ 張潤(rùn)瓊，劉艷雯，沈桐立.貴州大暴雨的濕位渦診斷分析［J］. 災(zāi)害學(xué)，2007，22(4)：6-11.

P458.1+21.1

B

1003-6598(2012)02-0011-06

2011-08-16

王興菊(1980—)，女，工程師，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)工作。

中國(guó)氣象預(yù)報(bào)員專項(xiàng)項(xiàng)目“貴州西南部暴雨不穩(wěn)定性分析(CMAYBY2012-053)”、貴州省氣象局青年科技基金QN2009-07共同資助。