武漢一次大暴雨完全Q矢量的診斷分析

王曉勤，黃艷芳

（1.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210008；2.民航湖北空管分局，湖北武漢430302）

0 引言

Q矢量自從1978年Hoskins等人提出以來(lái)，不僅在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中得到廣泛應(yīng)用，而且在理論上也得到不斷地完善與發(fā)展［1－5］.半地轉(zhuǎn)Q矢量、非地轉(zhuǎn)Q矢量，完全Q矢量概念的提出，使人們對(duì)Q矢量的理論研究工作達(dá)到較高的水平，Q矢量方法被譽(yù)為業(yè)務(wù)垂直運(yùn)動(dòng)估算的高級(jí)方法［6－7］.用Q矢量診斷方法解釋暴雨的次級(jí)環(huán)流，將對(duì)暴雨過(guò)程的中尺度系統(tǒng)有更清楚的認(rèn)識(shí).2011年6月18日武漢天河機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)大暴雨天氣，24h地面降雨量達(dá)到196mm，造成返航、備降或取消的航班多達(dá)20余架次，嚴(yán)重影響機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這是一次冷空氣、低渦和準(zhǔn)靜止鋒相互作用而產(chǎn)生的較為典型的梅雨鋒暴雨.中尺度系統(tǒng)在其中起到關(guān)鍵作用.暴雨發(fā)生和持續(xù)除了要有充足的水汽、濕不穩(wěn)定層結(jié)等條件外，強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)必不可少，大氣中熱量和動(dòng)量的垂直輸送以及大氣中位能和動(dòng)能之問(wèn)的相互轉(zhuǎn)換都與垂直運(yùn)動(dòng)有密切關(guān)系，因而垂直運(yùn)動(dòng)常被作為天氣系統(tǒng)生成和發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo).本文中對(duì)暴雨過(guò)程的環(huán)流概況等作了分析，利用完全Q矢量對(duì)其進(jìn)行診斷，分析完全Q矢量散度分布及演變與暴雨發(fā)生發(fā)展的關(guān)聯(lián)度，探討完全Q矢量中動(dòng)力學(xué)過(guò)程和由于凝結(jié)潛熱釋放所產(chǎn)生的非絕熱過(guò)程對(duì)中尺度暴雨系統(tǒng)次級(jí)環(huán)流的強(qiáng)迫作用，分析暴雨形成的內(nèi)在機(jī)理，提出暴雨預(yù)報(bào)的新思路.濕位渦的分析表明，對(duì)流層低層在暴雨期間始終維持對(duì)流性不穩(wěn)定及斜壓不穩(wěn)定，具有濕不穩(wěn)定層結(jié)，中層有冷空氣加入，導(dǎo)致暴雨的持續(xù)發(fā)展及強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生.

1 暴雨過(guò)程概況

圖1 武漢2011年6月17日20∶00～18日20∶00逐小時(shí)降雨量

2 011年6月17日20∶00～6月18日20∶00，受大氣中低層低渦和地面梅雨鋒系統(tǒng)的共同影響，湖北省出現(xiàn)了一次大范圍的降雨局地大暴雨過(guò)程.湖北省共有28站出現(xiàn)暴雨，20站出現(xiàn)大暴雨，3站出現(xiàn)特大暴雨.其中武漢市黃陂區(qū)武湖站和新洲區(qū)潘塘站的降雨量分別達(dá)到了243mm和212 mm.如圖1所示，武漢天河機(jī)場(chǎng)6月17日20∶00～18日20∶00機(jī)場(chǎng)地面降雨總量為192mm，其中在6月18日10∶00～13∶00出現(xiàn)降雨高峰，每小時(shí)降雨量大于25mm.此次特大暴雨造成了武漢市區(qū)內(nèi)多處嚴(yán)重的道路漬水、交通堵塞、房屋倒塌，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元人民幣，同時(shí)也給機(jī)場(chǎng)的航空運(yùn)輸和管制指揮帶來(lái)了極大的困難，因天氣原因造成的返航、備降或取消的航班多達(dá)20余架次.

2 天氣形勢(shì)簡(jiǎn)析

這次的暴雨形成的主要原因是，暴雨產(chǎn)生期間，500hPa貝加爾湖附近形成明顯的阻塞高壓，冷空氣不斷地從北方侵襲南下，青藏高原南側(cè)的南支槽加深發(fā)展，中低層長(zhǎng)江流域不斷有低渦形成東移.冷暖空氣在梅雨鋒上強(qiáng)烈地輻合，同時(shí)強(qiáng)勁的西南低空急流源源不斷地輸送高能水汽，形成深厚的不穩(wěn)定層結(jié)，從而導(dǎo)致了這次特大暴雨過(guò)程.6月18日08∶00及20∶00，對(duì)流層高層200～300hPa在35°N附近維持一支明顯的偏西風(fēng)急流，急流帶狹窄.6月18日08∶00、850hPa湖南北部至華東也有明顯的低空西南風(fēng)急流出現(xiàn)，它們均對(duì)暴雨的形成起重要作用.

3 診斷方程

張興旺等［4，8］推導(dǎo)出考慮水汽、非絕熱作用、準(zhǔn)靜力平衡及無(wú)粘性摩擦條件下P坐標(biāo)系中的ω方程為：

其中完全Q矢量為Q（Qx，Qy），而

（1）式是以完全Q矢量散度為唯一強(qiáng)迫項(xiàng)的完整ω方程，由（2）式、（3）式可知完全Q矢量取決于風(fēng)的水平切變和垂直切變的差異效應(yīng)，風(fēng)的水平梯度和溫度梯度的乘積以及凝結(jié)潛熱釋放產(chǎn)生非絕熱效應(yīng).根據(jù)任何波動(dòng)形式的物理量的拉普拉斯與該物理量本身負(fù)值成正比的關(guān)系，則有ω∝ ·Q，當(dāng) ·Q＜0時(shí)，ω＜0，為上升運(yùn)動(dòng)，反之為下沉運(yùn)動(dòng).完全Q矢量的輻合是產(chǎn)生ω的強(qiáng)迫機(jī)制.研究表明，暴雨過(guò)程中凝結(jié)潛熱釋放的加熱效應(yīng)比輻射冷卻效應(yīng)要強(qiáng)得多.因此，以下的非絕熱過(guò)程主要指潛熱釋放效應(yīng).

QD和QL分別表示對(duì)ω方程的動(dòng)力學(xué)強(qiáng)迫和非絕熱強(qiáng)迫.同樣，對(duì)ω做類似分解

其中ωD和ωL分別表示由動(dòng)力學(xué)和非絕熱過(guò)程強(qiáng)迫產(chǎn)生的垂直運(yùn)動(dòng)，則可以得到

通過(guò)以上兩式可以診斷動(dòng)力學(xué)過(guò)程QD和非絕熱（潛熱釋放）過(guò)程QL對(duì)垂直速度ω的強(qiáng)迫作用.

4 暴雨過(guò)程完全Q矢量的診斷分析

4.1 完全Q矢量在x和y方向的分布 圖2為6月18日08∶00、850hPa時(shí)，完全Q矢量在x和y方向的分布圖.從圖中可見Qx與Qy的負(fù)值區(qū)位置相似，在長(zhǎng)江流域均分布著兩個(gè)中尺度低值區(qū)，相對(duì)Qy而言，Qx的中心值更小.從分布的走向看，Qy的負(fù)值區(qū)分布更接近實(shí)際降雨圖.

圖2 武漢2011年6月18日08∶00、850hPa時(shí)，完全Q矢量在x方向（a）、y方向（b）的分布圖（單位：10－10 m·hPa－1·S－3）

4.2 完全Q矢量散度分析 分析這次暴雨過(guò)程中850hPa時(shí)的完全Q矢量散度分布圖發(fā)現(xiàn)，暴雨開始前的6月17日20∶00，完全Q矢量散度有兩個(gè)負(fù)值中心，第一個(gè)在湖北省中西部，第二個(gè)在安徽省北部，湖北省東南部的武漢地區(qū)處于兩個(gè)負(fù)值中心之間的輻散帶中（圖略）.6月18日08∶00，如圖3（a）所示，完全Q矢量散度的輻合區(qū)已向東移動(dòng)，第一個(gè)輻合區(qū)中心值加強(qiáng)為—50×10－15hPa·S－3，湖北省東南部的武漢地區(qū)第一時(shí)段的降雨出現(xiàn)在第一個(gè)完全Q矢量散度輻合區(qū)中，強(qiáng)降雨落區(qū)與第一個(gè)輻合區(qū)中心位置較吻合.湖北省西北部地區(qū)則處在完全Q矢量散度正值區(qū)中，為下沉氣流區(qū)，存在明顯的輻散，對(duì)應(yīng)的這些下沉氣流區(qū)實(shí)況均無(wú)降雨發(fā)生.6月18日20∶00后，完全Q矢量散度的輻合區(qū)中心強(qiáng)度逐漸減弱.6月19日08∶00，如圖3（b）所示，完全Q矢量散度的輻合區(qū)繼續(xù)向東南方向移動(dòng)，第一個(gè)輻合區(qū)中心移至湖南北部地區(qū)，中心值減弱為—20×10－15hPa·S－3，第二個(gè)輻合區(qū)中心移入浙江省東部.湖北省武漢地區(qū)的完全Q矢量散度由負(fù)值迅速變化為0，輻合作用明顯減弱，與之對(duì)應(yīng)的是該地的降雨強(qiáng)度也明顯減弱，完全Q矢量散度輻合區(qū)與強(qiáng)降雨落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，較好地反應(yīng)出降雨過(guò)程中中低層輻合區(qū)位置，輻合區(qū)的大小和強(qiáng)弱也可作為降雨預(yù)報(bào)的參考.

4.3 動(dòng)力學(xué)過(guò)程QD和非絕熱（潛熱釋放）過(guò)程QL對(duì)垂直速度ω的強(qiáng)迫作用分析 分析圖4（a）、圖4（b），從6月18日08∶00、850hPa時(shí)的QD和QL散度水平分布圖發(fā)現(xiàn)，與降雨區(qū)相對(duì)的均有兩個(gè)負(fù)值中心，進(jìn)一步說(shuō)明了梅雨鋒暴雨具有中尺度特征，QD散度負(fù)值中心達(dá)到－40×10－15hPa·S－3，QL散度負(fù)值中心為－0.02×10－15hPa·S－3，遠(yuǎn)小于QD散度值，表明在低層動(dòng)力學(xué)過(guò)程中，QD對(duì)垂直速度ω的強(qiáng)迫為主導(dǎo)作用，潛熱釋放的作用不明顯.將圖4（c）與圖4（a）比較，可知850hPa時(shí)中低層QD散度負(fù)值中心位于30N°，500hPa時(shí)QD散度負(fù)值中心位于32N°附近，位置偏北，且最小值為－6 ×10－15hPa·S－3，說(shuō)明動(dòng)力學(xué)輻合系統(tǒng)隨著高度向北傾斜，輻合能力逐漸減小，進(jìn)一步表明了暴雨的動(dòng)力機(jī)制來(lái)源于中低層.500hPa時(shí)QL散度負(fù)值相比850hPa時(shí)的QL散度負(fù)值，加強(qiáng)至－0.06×10－15hPa·S－3（圖略），說(shuō)明對(duì)流層中層的非絕熱過(guò)程的潛熱釋放對(duì)垂直速度ω的強(qiáng)迫作用得到加強(qiáng)，進(jìn)一步表明積云對(duì)流過(guò)程中的潛熱反饋機(jī)制對(duì)對(duì)流過(guò)程起激勵(lì)作用.

圖3 湖北省2011年6月18日08∶00（a）、19日08∶00（b）時(shí)·Q分布圖（單位：10－15 hPa·S－3）

圖4 湖北省2011年6月18日8∶00、850hPa時(shí)－·QD（a）、－·QL（b）和500hPa時(shí)－·QD（c）的分布圖（單位：10－15 hPa·S－3）

5 結(jié)論

1）冷暖空氣在梅雨鋒上強(qiáng)烈地輻合是這次大暴雨形成的主要原因，具有顯著的中尺度特征.

2）完全Q矢量散度輻合區(qū)與暴雨落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)大暴雨預(yù)報(bào)有明顯的指示作用.

3）大暴雨過(guò)程中，中低層動(dòng)力學(xué)強(qiáng)迫作用對(duì)垂直上升運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用，低層的動(dòng)力輻合激發(fā)了次級(jí)環(huán)流，使暴雨發(fā)展.

4）潛熱釋放對(duì)暴雨的積極作用在對(duì)流層中層較為明顯，積云對(duì)流過(guò)程中的潛熱反饋機(jī)制對(duì)大暴雨過(guò)程起激勵(lì)作用.

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