海南航天發(fā)射場非臺(tái)暴雨位渦診斷分析

趙小平，朱晶晶，裴軍林，施蕭

（1.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心氣象室，四川西昌615000；2.海南省氣候中心氣候預(yù)測(cè)科，海南?？?70203）

海南航天發(fā)射場非臺(tái)暴雨位渦診斷分析

趙小平1，朱晶晶2，裴軍林1，施蕭1

（1.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心氣象室，四川西昌615000；2.海南省氣候中心氣候預(yù)測(cè)科，海南海口570203）

利用海南省文昌市氣象站1970—2010年逐日降水資料、NCEP/NCAR全球再分析格點(diǎn)資料，通過濕位渦診斷分析方法，分析研究了近41年海南文昌發(fā)射場非臺(tái)暴雨天氣熱力、動(dòng)力學(xué)特征.結(jié)果表明：濕位渦能夠較好地反映暴雨發(fā)生的動(dòng)力、熱力特征.暴雨發(fā)生時(shí)，低層濕位渦正壓項(xiàng)MPV1＜0，中高層MPV1＞0，海南位于濕對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)；濕位渦斜壓項(xiàng)MPV2的數(shù)值比MPV1小一個(gè)量級(jí)，各天氣系統(tǒng)對(duì)應(yīng)MPV2分布具有典型的上負(fù)下正特征；相對(duì)濕位渦MPVre在低層表現(xiàn)為一致的負(fù)值區(qū).另外，不同天氣類型暴雨的濕位渦分布特征存在顯著的差異.濕位渦分布特征與暴雨系統(tǒng)存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，濕位渦作為表征天氣系統(tǒng)動(dòng)力、熱力學(xué)特征物理量之一，將為海南航天發(fā)射場暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警提供幫助.

海南航天發(fā)射場；非臺(tái)暴雨；濕位渦

暴雨是海南島最主要的災(zāi)害性天氣之一，四季均有暴雨發(fā)生，暴雨研究一直是氣象領(lǐng)域的重要課題［1-4］.海南由于特殊的地理位置，使得海南暴雨具有不同于其他地區(qū)暴雨的獨(dú)特的降水形勢(shì)，冷空氣、臺(tái)風(fēng)、南海季風(fēng)槽等天氣系統(tǒng)均會(huì)給海南發(fā)射場帶來暴雨天氣［5-6］.

海南文昌作為中國新一代航天發(fā)射場，暴雨成為重要影響因素之一.臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的暴雨具有較強(qiáng)的可預(yù)見性，而非臺(tái)風(fēng)暴雨（以下簡稱非臺(tái)暴雨）是由冷空氣、南海季風(fēng)槽等天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的，這類暴雨具有突發(fā)性，較難預(yù)報(bào)，且在海南全年均有發(fā)生，所以有必要對(duì)非臺(tái)暴雨進(jìn)行研究，分析非臺(tái)暴雨發(fā)生的物理特征和形成機(jī)制.

目前對(duì)海南非臺(tái)暴雨的研究主要集中在對(duì)個(gè)別天氣系統(tǒng)或暴雨個(gè)例的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，如趙付竹等［7］、郝麗清等［8］、劉麗君等［9］均對(duì)發(fā)生在海南島的非臺(tái)風(fēng)暴雨的個(gè)例進(jìn)行了分析研究.另外，朱晶晶等對(duì)1970—2010年海南發(fā)射場非臺(tái)暴雨的氣候特征及預(yù)報(bào)模型進(jìn)行了分析，并對(duì)影響海南航天發(fā)射場的非臺(tái)暴雨天氣形勢(shì)進(jìn)行了分類［10］.在暴雨物理特征及形成機(jī)制研究方面，濕位渦是描述大氣熱力和動(dòng)力性質(zhì)的重要特征量，濕位渦診斷可以成為非臺(tái)暴雨診斷和預(yù)報(bào)的一個(gè)實(shí)用工具.本文利用1970—2010年文昌氣象站降水資料，統(tǒng)計(jì)分析了發(fā)生在海南航天發(fā)射場周邊的非臺(tái)暴雨的物理特征，主要通過濕位渦分析誘發(fā)暴雨的動(dòng)力、熱力特征，為發(fā)射場非臺(tái)暴雨的預(yù)報(bào)和預(yù)警提供著眼點(diǎn).

1　研究資料

分析場資料為1970—2010年NCEP/NCAR再分析風(fēng)場、高度場、比濕場、溫度場、垂直速度場等資料，空間分辨率為2.5°×2.5°，實(shí)況資料為1970—2010年海南省氣象臺(tái)站（文昌站及自動(dòng)觀測(cè)站）氣象觀探測(cè)資料［8］.

2　非臺(tái)暴雨天氣類型統(tǒng)計(jì)

非臺(tái)暴雨是指除了臺(tái)風(fēng)影響外造成的暴雨，主要包括冷空氣、南海季風(fēng)槽、變暖高壓脊等天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的暴雨.本文定義非臺(tái)暴雨過程為：日累計(jì)降水量≥50.0mm，站數(shù)≥3個(gè)站（含自動(dòng)氣象觀測(cè)站）［10］.

將造成非臺(tái)暴雨的天氣系統(tǒng)劃分為以下11類［8］：ST槽（南海低壓）、YT（越南低壓槽）、SWT（西南低壓槽）、G1（副熱帶高壓）、G2（變暖高壓脊）、WF（冷空氣偏西下冷鋒過境）、WQ（冷空氣偏西下靜止鋒）、WS（冷空氣偏西下鋒消）、EF（冷空氣偏東下冷鋒過境）、EQ（冷空氣偏東下靜止鋒）、ES（冷空氣偏東下鋒消），各天氣系統(tǒng)特征詳見參考文獻(xiàn)［8］（見表1）.

表11　70—2010年非臺(tái)暴雨天氣系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)Tab.1Statistics of the non-typhoon rainstorm of Hainan launch site from 1970 to 2010

本文在分析過程中，對(duì)低壓槽型、冷空氣型及高壓系統(tǒng)型的天氣特征做了深入詳細(xì)的分析.分析冷空氣時(shí)，僅分析了WF、EF兩種冷鋒過境天氣.本文對(duì)非臺(tái)暴雨個(gè)例進(jìn)行合成分析，初步揭示暴雨的氣候分布特征，在此基礎(chǔ)上，通過濕位渦對(duì)各類暴雨天氣進(jìn)行診斷分析.

3　非臺(tái)暴雨濕位渦診斷分析

考慮大氣的水平速度垂直切變要比垂直速度的水平變化大得多，因而在不考慮垂直速度的水平變化時(shí)，P坐標(biāo)下濕位渦守恒方程可為［12-14］：

其中，ξp為垂直渦度，f為地轉(zhuǎn)渦度，θse為假相當(dāng)位溫，MPV1為濕位渦的正壓項(xiàng)，即濕位渦的垂直分量，其取決于空氣快絕對(duì)渦度的垂直分量與假相當(dāng)位溫垂直梯度的乘積.MPV1正壓項(xiàng)包含了風(fēng)場的氣層動(dòng)力不穩(wěn)定和渦旋變化特征及緯度效應(yīng).MPV2為濕位渦的斜壓項(xiàng)，即濕位渦的水平分量，其由風(fēng)的垂直切變和θse的水平梯度共同決定.MPV2斜壓項(xiàng)表征了風(fēng)場的垂直切變和水汽水平輸送.當(dāng)北半球大氣對(duì)流不穩(wěn)定時(shí)，MPV1＜0；相反，當(dāng)大氣對(duì)流穩(wěn)定時(shí)，MPV1＞0.吳國雄等［15］給出了垂直渦度增長的充分條件：當(dāng)MPV1＜0且MPV2＞0時(shí)，傾斜渦度發(fā)展.濕位渦單位（PVU）是10-6m-2·s-1·kg-1.

為了更好地反映濕位渦與暴雨等強(qiáng)降水的對(duì)應(yīng)關(guān)系，段旭［16］、王建中［17］等提出了相對(duì)濕位渦和牽連濕位渦的概念.

相對(duì)濕位渦的表達(dá)式為：

其中，牽連濕位渦即為大氣靜止時(shí)的濕位渦，因此可以定義為大氣背景濕位渦.相對(duì)濕位渦相當(dāng)于從濕位渦MPV中減去背景位渦，因此相對(duì)濕位渦能夠表征為大氣擾動(dòng)濕位渦.相對(duì)濕位渦大小主要由正壓部分決定，當(dāng)上下層相對(duì)濕位渦為負(fù)值時(shí)，有利于對(duì)流發(fā)展，易于暴雨的發(fā)生.

圖11　970—2010年各天氣系統(tǒng)MPV1合成沿19°N緯向垂直分布Fig.1Vertical profiles along 19°N of the MPV1 of the different weather systems from 1970 to 2010

圖1顯示的是各類天氣系統(tǒng)下發(fā)生暴雨時(shí)濕位渦正壓項(xiàng)MPV1緯向垂直分布特征，從圖1可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于各類天氣系統(tǒng)，海南地區(qū)（108°E～112°E）MPV1的分布表現(xiàn)為低層MPV1＜0，中高層MPV1＞0，MPV1＜0的地區(qū)為濕對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)域，海南均位于濕對(duì)流不穩(wěn)定區(qū).下負(fù)上正的分布特征符合暴雨發(fā)生時(shí)濕位渦正壓部分分布特征.其中，冷空氣偏東下、偏西下冷鋒過境天氣MPV1的分布特征相似（圖1a、圖1b），這兩類天氣系統(tǒng)發(fā)生時(shí)，華東至華南沿海地區(qū)為冷高控制，海南受偏東回流影響.結(jié)合緯向分布可以看出，由于受冷高南側(cè)偏東氣流控制，低層自東向西均為MPV1負(fù)值區(qū)，海南上空MPV1負(fù)值區(qū)域主要集中在850hPa以下，表明低層層結(jié)對(duì)流不穩(wěn)定.另外，在海南島兩側(cè)存在兩個(gè)負(fù)值中心，對(duì)于東路冷空氣過程（圖1a），負(fù)值中心大致位于102°E、120°E附近.而對(duì)于西路冷空氣過程（圖1b），負(fù)值中心大致位于100°E、120°E附近.圖1c、圖1d分別顯示的是副熱帶高壓和變暖高壓脊控制下MPV1垂直分布特征.這兩類天氣形勢(shì)下，海南島上空低層為MPV1＜0區(qū)域，其負(fù)值區(qū)域一直達(dá)到700hPa附近，700hPa以上為MPV1正值.與冷空氣天氣過程相似，在海南兩側(cè)仍然存在兩個(gè)負(fù)值中心，分別位于104°E、120°E附近.圖1e、圖1f、圖1g分別是三類誘發(fā)暴雨的低壓槽天氣系統(tǒng)MPV1垂直分布特征，三類低壓系統(tǒng)的MPV1分布較為相似，但與前兩類天氣系統(tǒng)存在一定的差異.暴雨發(fā)生時(shí)，三類天氣系統(tǒng)700hPa以下均為MPV1＜0區(qū)域，表明暴雨發(fā)生是低層層結(jié)不穩(wěn)定.對(duì)于南海低壓槽（圖1e），海南島兩側(cè)為負(fù)值中心，負(fù)值中心大致位于105°E、116°E附近.對(duì)于西南低壓槽（圖1f），負(fù)值中心主要位于106°E附近.越南低壓槽天氣系統(tǒng)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)MPV1負(fù)值中心位于海南島西側(cè)107°E附近（圖1g），島東側(cè)MPV1值逐漸減小.綜上所述，各類天氣系統(tǒng)下發(fā)生暴雨時(shí)，暴雨區(qū)上空低層均為MPV1＜0，中高層MPV1＞0，海南島兩側(cè)均存在兩個(gè)負(fù)值中心，海南位于兩負(fù)值中心之間，且各類天氣系統(tǒng)的負(fù)值中心位置與強(qiáng)度存在一定的差異.

由濕位渦斜壓項(xiàng)（MPV2）垂直剖面圖可知（圖2），在暴雨系統(tǒng)發(fā)展過程中，MPV2的數(shù)值在量級(jí)上比MPV1小一個(gè)量級(jí)，但從MPV2的計(jì)算公式中可以發(fā)現(xiàn)，低空急流加強(qiáng)或低層暖濕氣流加強(qiáng)等均可使得MPV2得到發(fā)展，有利于降水的發(fā)生和加強(qiáng).因此，低層MPV2的正值中心可作為低空急流或暖濕氣流活動(dòng)的示蹤.從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，各類天氣系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)MPV2分布具有上負(fù)下正特征.在海南島上空（108°E～112°E）低層MPV2＞0，正值區(qū)主要集中在850hPa以下，而850hPa以上中高層多為MPV2＜0.對(duì)于冷空氣影響下的暴雨天氣（圖2a、圖2b），結(jié)合東路冷空氣與西路冷空氣的環(huán)流特征可知，在冷空氣侵入海南的過程中，會(huì)在海南上空形成較強(qiáng)的低空急流，MPV2的加強(qiáng)主要是由于低空急流的爆發(fā)形成的.而對(duì)于高壓環(huán)流控制下暴雨天氣（圖2c、圖2d），MPV2的加強(qiáng)主要是由于海南位于高環(huán)流南側(cè)的偏東南氣流控制下，暖濕氣流強(qiáng)烈，有利于對(duì)流不穩(wěn)定能量的集聚.圖2e、圖2f、圖2g顯示的是形成暴雨的低壓槽系統(tǒng)MPV2垂直分布特征，結(jié)合低壓槽系統(tǒng)的環(huán)流特征，當(dāng)暴雨發(fā)生時(shí)，海南島受低壓槽系統(tǒng)南側(cè)的偏南暖濕氣流控制，且低壓槽系統(tǒng)往往可以向西影響到中南半島，故海南島至中南半島上空低層均為MPV2正值區(qū)域.

根據(jù)相對(duì)濕位渦計(jì)算公式，MPVre相當(dāng)于從濕位渦MPV中減去大氣背景位渦，因此可以稱之為大氣的擾動(dòng)濕位渦.圖3顯示的是各天氣系統(tǒng)暴雨發(fā)生時(shí)850hPa低層MPVre水平分布，對(duì)于各天氣系統(tǒng)，暴雨發(fā)展過程中，低層均為一致的MPVre負(fù)值區(qū)，與相對(duì)濕位渦的定義較為符合，表明暴雨發(fā)生時(shí)刻海南發(fā)射場區(qū)上空大氣層結(jié)不穩(wěn)定明顯.對(duì)于東路冷鋒過境天氣（圖3a），海南、兩廣至云南地區(qū)上空低層相對(duì)濕位渦均為負(fù)值，MPVre＜0區(qū)域較廣闊，但負(fù)MPVre等值線密集帶主要位于海南島東北側(cè)，表明冷空氣主要由東路入侵至海南.而對(duì)于西路冷鋒過境（圖3b），MPVre分布與圖3a較為相似，但是冷空氣是由偏西路侵入，MPVre＜0等值線密集帶主體位于廣西上空，主體與東路冷空氣相比位置較西.圖3c是副熱帶高壓控制下發(fā)生暴雨時(shí)的MPVre分布，此時(shí)華南地區(qū)與西太平洋地區(qū)為副高控制，海南位于副高南側(cè)邊緣，為典型的副高邊緣性天氣，海南處于MPVre正負(fù)邊緣過渡區(qū)域，天氣不穩(wěn)定.變暖高壓脊天氣是由于冷高出海變性，海南受變暖高壓脊西南側(cè)偏東南氣流控制，水汽條件豐富，熱力條件較好，有利于不穩(wěn)定天氣的發(fā)生.對(duì)于G2系統(tǒng)（圖3d），暴雨發(fā)生時(shí)，海南上空低層為相對(duì)濕位渦負(fù)值區(qū).對(duì)于低壓槽天氣系統(tǒng)，三類低壓槽天氣系統(tǒng)MPVre＜0區(qū)域與低壓槽的位置有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.南海低壓槽（圖3e），兩廣地區(qū)至南海上空均為MPVre負(fù)值區(qū)，西南低壓槽時(shí)在廣西、云南上空存在MPVre負(fù)值中心（圖3f），而越南低壓槽控制時(shí)（圖3g），MPVre負(fù)值區(qū)主體位于中南半島上空.三類天氣系統(tǒng)海南上空低層均表現(xiàn)為MPVre＜0，表明海南島上空大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利于在海南地區(qū)形成強(qiáng)降水天氣.

4　結(jié)論

本文利用1970—2010年NCEP/NCAR全球再分析格點(diǎn)資料及文昌氣象站降水資料，統(tǒng)計(jì)分析了近41年海南發(fā)射場區(qū)非臺(tái)暴雨天氣過程的濕位渦分布特征.

1）濕位渦能夠較好地表征暴雨發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力、熱力特征.表現(xiàn)為濕位渦正壓項(xiàng)MPV1的分布低層MPV1＜0，中高層MPV1＞0；濕位渦斜壓項(xiàng)MPV2分布與MPV1相反，具有上負(fù)下正特征，且MPV2比MPV1小一個(gè)量級(jí)；相對(duì)濕位渦MPVre在低層表現(xiàn)為MPVre＜0.

圖2　1970—2010年各天氣系統(tǒng)MPV2合成沿19°N緯向垂直分布（PVU）Fig.2Vertical profiles along 19°N of the MPV2 of the different weather systems from 1970 to 2010（PVU）

2）各類非臺(tái)暴雨天氣的濕位渦分布具有一定的共性特征，但是各不同類型非臺(tái)暴雨的濕位渦分布仍然存在較為顯著的差異.濕位渦能夠較好地診斷不同類型非臺(tái)暴雨，對(duì)非臺(tái)暴雨預(yù)報(bào)具有一定的指導(dǎo)意義.

圖31970—2010年各天氣系統(tǒng)850hPa相對(duì)濕位渦水平分布（PVU）Fig.3Horizontal distribution of the MPVre at 850hpa of the different weather systems from 1970 to 2010（PVU）

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責(zé)任編輯：黃瀾

Potential Vorticity Analyses on Non-typhoon Rainstorm of Hainan Satellite Launch Site

ZHAO Xiaoping1，ZHU Jingjing2，PEI Junling1，SHI Xiao1
（1.Meteorological Office，Xichang Satellite Launch Center，Xichang 615000，China；2.Climate Prediction Division，Hainan Climate Center，Haikou 570203，China）

Using the precipitation data of Wenchang station and global reanalysis gridded data of NCEP/NCAR from 1970 to 2010，this analyzed the dynamic and thermal characteristics of the non-typhoon rainstorm.The results showed that the physical of moist potential vorticity can express the dynamic and thermal characteristics of the non-typhoon rainstorms. When the rainstorm occurs，the barotropic term of the MPV is negative in low level and positive in middle and upper.Hain?an is in the area of moist convective instability.The baroclinic term of the MPV is smaller than the barotropic term.The dis?tribution characteristics of the different weather systems shows that the MPV is negative in middle and upper and positive in low level.Relatively moist potential vorticity is negative in low level and conducive to the occurrence of convection.The moist potential vorticity is one of the physical parameters of the dynamic and thermal characteristics.It will provide assis?tance to the forecast and warning of the rainstorm of the Hainan satellite launch site.

satellite launch site；non-typhoon rainstorm；moist potential vorticity

P 44

A

1674-4942（2015）04-0425-07

2015-09-19