廣西一次暴雨過程的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品位渦特征分析

李渝平，王慶國，蘇兆達(dá)

（南寧市氣象局，廣西南寧 530022）

廣西一次暴雨過程的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品位渦特征分析

李渝平，王慶國，蘇兆達(dá)

（南寧市氣象局，廣西南寧 530022）

利用廣西自動觀測站雨量資料、歐洲中心細(xì)網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報位渦產(chǎn)品（簡稱EC－THINPV產(chǎn)品）及風(fēng)場產(chǎn)品，對廣西2015年5月21－23日暴雨過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，EC－THINPV產(chǎn)品對位渦異常擾動具有預(yù)報靈敏性；EC－THINPV產(chǎn)品高位渦區(qū)與3h強降水落區(qū)具有較好的空間對應(yīng)關(guān)系，700hPa等壓面位渦高值區(qū)與短時強降水落區(qū)對應(yīng)關(guān)系最好；EC－THINPV產(chǎn)品500hPa等壓面產(chǎn)生位渦擾動，擾動下傳形成高位渦柱的過程，與中尺度低渦形成、發(fā)展及短時強降水的產(chǎn)生具有較好的時間同步性。

暴雨；ECMWF；數(shù)值預(yù)報；位渦

引言

位勢渦度（簡稱位渦）理論最早由Rossby［1－2］提出，其后Ertel［3］提出廣義位渦的概念，Hoskins［4］等指出高位渦異常和低位渦異常可以對應(yīng)高低空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演變趨勢，這種理論和分析方法被稱為位渦思想（PV thinking）。關(guān)于位渦理論的發(fā)展，張述文［5］、陶祖鈺［6］等學(xué)者先后作了較為詳細(xì)的歸納。

由于位渦包含動力因子和熱力因子，且具有在絕熱無摩擦的條件下守恒的特點，許多學(xué)者對位渦進(jìn)行了研究。PV thinking在許多研究成果中得到驗證，一些學(xué)者已經(jīng)探索位渦在暴雨研究中的應(yīng)用［7－8］。

由于等熵坐標(biāo)絕熱無摩擦條件下位渦的保守特性，大量研究都采用等熵坐標(biāo)［9－10］，而等壓坐標(biāo)的位

渦分析相對較少。然而，實際業(yè)務(wù)中大量分析和實踐都基于等壓面，且有研究利用診斷方法分析發(fā)現(xiàn)等壓面位渦與暴雨也具有較好的對應(yīng)關(guān)系［11－12］。因此，本文探索EC－THIN PV產(chǎn)品對位渦異常高值的預(yù)報靈敏性及其與短時強降水落區(qū)的關(guān)系，為廣西暴雨預(yù)報，特別是暴雨過程中短時強降水的預(yù)報提供一些直觀參考。

1 資料和方法

采用2015年5月21－23日廣西自動觀測站雨量逐24h和逐3h數(shù)據(jù)資料，及EC－THIN PV產(chǎn)品及風(fēng)場產(chǎn)品。

EC－THIN PV產(chǎn)品為micaps第四類數(shù)據(jù)格式，即格點數(shù)據(jù)，經(jīng)緯向格點間距均為0.25°，經(jīng)度范圍70－140°E，緯度范圍0－60°N，使用其中200、300、400、500、700、850、925、1000hPa共8層等壓面數(shù)據(jù)。

將EC－THIN PV產(chǎn)品由micaps第四類數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)為可以被GrADS軟件讀取和繪制的二進(jìn)制文件，繪制EC－THIN PV產(chǎn)品在廣西的分布圖并進(jìn)行剖面分析。

2 暴雨過程概述

2.1 降水的時空分布

暴雨過程出現(xiàn)在2015年5月21－23日。21日20時前，廣西國家觀測站未出現(xiàn)暴雨，最大雨量出現(xiàn)在凌云49.4mm，廣西西北部少部分區(qū)域自動站出現(xiàn)暴雨。21日20時之后，雨帶范圍增大并從廣西西北部向廣西中部移動，之后在廣西中部維持。據(jù)廣西國家觀測站20時－20時雨量統(tǒng)計，廣西22日出現(xiàn)8站暴雨，2站大暴雨，最大雨量出現(xiàn)在凌云119mm，23日出現(xiàn)25站暴雨，4站大暴雨，最大雨量出現(xiàn)在田東157.9mm。本次過程具有雨量大，范圍廣的特點，從地理位置看主要位于廣西的北部偏南到中部地區(qū)。

2.2 環(huán)流形勢及天氣系統(tǒng)

暴雨過程期間，500hPa中高緯為兩槽一脊形勢，西西伯利亞以南的中亞至巴爾喀什湖地區(qū)以及亞洲東岸為低槽，西西伯利亞以東到亞洲東岸地區(qū)為高壓脊，這與廣西西風(fēng)帶暴雨環(huán)流背景吻合［13］。21－23日，高原有低槽東移，同時低緯地區(qū)不斷有短波槽東移，廣西不斷受到槽前正渦度平流的影響，為暴雨的產(chǎn)生提供了有利的動力條件。經(jīng)分析，此次暴雨過程與學(xué)者研究的廣西大范圍致洪暴雨天氣模型［14］有近似之處，但500hPa天氣系統(tǒng)振幅略偏小。對于此次暴雨過程，黃遠(yuǎn)盼等學(xué)者作了較為細(xì)致的天氣過程診斷分析［15］。

有學(xué)者利用診斷和數(shù)值模擬對典型過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明，低空急流和中尺度低渦對廣西前汛期暴雨的發(fā)生起到重要作用，暴雨落區(qū)與低層切變線、急流和低渦的位置有著較好的對應(yīng)關(guān)系［16－19］。在本次暴雨集中出現(xiàn)的時段，低層有西南風(fēng)涌、低空急流建立及切變線加強的過程，其中還伴隨有中尺度低渦系統(tǒng)的強烈發(fā)展，切變線和急流中的中尺度渦旋和輻合區(qū)是引發(fā)暴雨的直接原因［20］。

地面氣壓場分析發(fā)現(xiàn)，暴雨過程前，河套地區(qū)和華東地區(qū)分別有冷高壓維持，我國東北地區(qū)和高原東南部各有低壓中心維持，從高原南部到廣西一帶為低壓倒槽的形勢。之后冷空氣沿東路擴散，華東地區(qū)高壓東移出海，河套地區(qū)高壓向東南方向移動，原本位于高原東南部的低壓移至云南到廣西西部地區(qū)，強度增強，高低壓對峙的變形場形勢有利于出現(xiàn)倒槽鋒生，廣西地區(qū)西南－東北走向的地面倒槽形勢明顯，同時在廣西中部有準(zhǔn)靜止鋒維持。地面倒槽暴雨個例亦有學(xué)者進(jìn)行研究［21－22］。

3 EC－THINPV產(chǎn)品與暴雨過程的關(guān)系

3.1 EC－THINPV產(chǎn)品與強降水的空間關(guān)系

廣西此次暴雨過程日雨量的特征已在前文描述。以本次過程降水量較大的百色、河池、南寧等地市為例進(jìn)行分析。上述這些地區(qū)雨量主要集中在21日20時－22日11時，我們把這個時段內(nèi)逐3h雨量與EC－THIN PV產(chǎn)品進(jìn)行對比得出：

（1）21日20時－22日11時，強降水落區(qū)從百色市不斷東移，且在移動過程中強降水范圍迅速增大，3h雨量20－70mm。在強降水發(fā)生且落區(qū)東移的過程中，廣西西北部百色到河池地區(qū)500、700、850hPa出現(xiàn)正負(fù)位渦急劇增強、正負(fù)中心成對出現(xiàn)并向東移動的現(xiàn)象，且位置與強降水落區(qū)較接近。

（2）22日02時，500hPa百色市樂業(yè)出現(xiàn)負(fù)位渦中心，百色市西林、田林、凌云以及河池市南丹、天峨、鳳山出現(xiàn)正位渦中心，700hPa負(fù)位渦中心位于河池市鳳山、東蘭、巴馬，負(fù)位渦中心西側(cè)的百色市田陽和東側(cè)的河池市都安各有一個正位渦中心，850hPa百色市西林、田林有負(fù)位渦中心，而其東側(cè)

河池市鳳山、東蘭、巴馬為位渦大值區(qū)，巴馬縣附近有正位渦中心。21日23時－22日02時，百色市西林雨量20－50mm，百色市田東、田陽和河池市巴馬之間地區(qū)最大雨量超過70mm，河池南部大部雨量在10mm以上。

（3）22日02－08h，500hPa負(fù)值中心持續(xù)向東移動，02－05h負(fù)值中心由河池市樂業(yè)移至河池市南丹縣南部、都安縣北部，05－08h負(fù)值中心東移至河池市環(huán)江，于此同時負(fù)值中心東側(cè)及西側(cè)的兩個正值中心也隨之移動，移動速度和方向與負(fù)值中心基本一致；02－05時700hPa位渦正負(fù)中心移動與500hPa基本相同，但在05－08時原本位于河池南丹的負(fù)值中心消失，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檎抵行?，而?2時原負(fù)值中心以南出現(xiàn)新的負(fù)值中心，在此負(fù)值中心東、西側(cè)也隨之出現(xiàn)對應(yīng)的正值中心；850hPa負(fù)值中心在東移過程中持續(xù)減弱，至22日08時原本的負(fù)值中心已經(jīng)消失，而在500、700hPa位渦正負(fù)中心移經(jīng)的地方，850hPa位渦迅速增加。22日02－08時，強降水區(qū)東移，22日08時強降水位于百色市田林、凌云、樂業(yè)，河池市天峨、鳳山、巴馬、都安，南寧市馬山、上林、賓陽、武鳴。

綜上，當(dāng)中低層位渦數(shù)值異常變化，出現(xiàn)成對正負(fù)位渦中心或者位渦大值區(qū)域時，產(chǎn)生短時強降水的可能性較大，3h強降水的落區(qū)多出現(xiàn)在該時段的負(fù)位渦中心的西南側(cè)或正位渦中心附近及南側(cè)，兩者經(jīng)緯度偏差較小，且相對而言700hPa位渦與3h強降水落區(qū)的對應(yīng)關(guān)系最好。

3.2 EC－THINPV產(chǎn)品與強降水的時間關(guān)系

21日20時－22日02時，500hPa有小槽波動從貴州省西南部東移，影響廣西西北部，850hPa西南風(fēng)風(fēng)速涌增，逐漸達(dá)到急流強度，在高空槽前正渦度平流的作用下，低層切變線增強，廣西西北部風(fēng)向由一致的東南風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂希希瓥|南風(fēng)的切變，渦度顯著增強，逐漸形成近似閉合的小低渦，且低渦大致沿著切變線自西向東移動，而這一時間段，正好與西北地區(qū)位渦顯著增強的時間一致。

為探究小低渦的位渦特征，取低渦中心大致位置，沿107.5°E作緯度－等壓面剖面（圖1），可以看到，在廣西西北部低渦發(fā)展，雨量激增的時段，位渦有一個快速擾動加強的過程，先從400－500hPa高度開始，之后位渦擾動迅速下傳，形成一個從400hPa到900hPa貫通的高位渦柱，位渦柱向東偏北方向移動，與雨區(qū)移動方向近似，并隨著天氣系統(tǒng)的發(fā)展、移動而快速生長、消亡，生命期約3－6h。

圖1 EC－THINPV產(chǎn)品沿107.5°E經(jīng)向垂直剖面圖（單位：10－6m2·K·kg－1·s－1）

圖2 EC－THINPV產(chǎn)品在（24.5°N，107.5°E）的時間－等壓面剖面圖（單位：10－6m2·K·kg－1·s－1）

為探索某地短時強降水發(fā)生前后位渦的演變，選取河池市東蘭縣（24.5°N，107.5°E），制作ECTHIN PV產(chǎn)品的時間－等壓面剖面圖（圖2），結(jié)果表明，在強降水發(fā)生前，當(dāng)?shù)貜?00hPa以下整層氣柱位渦數(shù)值都很小，在短時強降水雨區(qū)移近時，其上方500hPa高度附近開始出現(xiàn)位渦擾動中心，然后位渦下傳形成強的高位渦柱，同時正位渦中心下沉至700－850hPa高度。

4 結(jié)論

（1）EC－THIN PV產(chǎn)品對位渦擾動具有較好預(yù)報敏感性。暴雨過程期間，特別是過程中短時強降水發(fā)生時，EC－THIN PV產(chǎn)品中低層位渦顯著增大，出現(xiàn)較強的正負(fù)位渦中心或大值區(qū)，對暴雨發(fā)生具有一定的提示和追蹤意義。

（2）EC－THIN PV產(chǎn)品與短時強降水落區(qū)具有較好的空間對應(yīng)關(guān)系，強降水多發(fā)生在中低層預(yù)報負(fù)位渦中心的西南側(cè)或正位渦中心附近及南側(cè)，兩者經(jīng)緯度差距較小，其中700hPa位渦中心和大值區(qū)域發(fā)展與移動與短時強降水落區(qū)對應(yīng)關(guān)系最好。

（3）EC－THIN PV產(chǎn)品與中尺度低渦發(fā)展及短時強降水的產(chǎn)生在時間上較為同步。中尺度低渦初形成，雨強仍較小時，EC－THIN PV產(chǎn)品在500hPa高度附近出現(xiàn)高位渦中心，當(dāng)高位渦擾動下傳，逐漸形成整層高位渦氣柱，同時位渦中心下沉到700－850hPa高度附近時，低渦強烈發(fā)展，雨強迅速增大，短時內(nèi)雨量迅速累積。當(dāng)高位渦柱逐漸消散時，降水明顯減弱。

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Potential Vorticity Analysis of ECMWF Thin-grid Numerical Predication Products of a Rainstorm in Guangxi

Li Yu-ping,Wang Qing-guo,Su Zhao-da
(Nanning Municipal Meteorological Service,Nanning Guangxi 530022)

Based on the rainfall data from automatic weather observation stations in Guangxi，potential vorticity of EC-THIN PV products and wind products，the rainstorm process appearing during 21 to 23 May in Guangxi was analyzed.The results show that EC-THIN PV products are sensitivity for predicting anomalous disturbance of PV;High PV areas of EC-THIN PV products have good spatial correlation with falling areas of 3h short-time heavy rainfall，and high PV in 700hPa pressure level have the best correlation with the short-time heavy raining area;The processes of appearing PV anomalous disturbance and downward propagating to form PV anomaly column has time-synchronization with the forming and development of the meso-scale vortex and occurring short-time heavy rainfall.

rainstorm；ECMWF;numerical prediction;potential vorticity

P458.1+21.1

A

1673-8411（2016）03-0038-04

2016-05-26

南寧市氣象局氣象科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目（南氣科201404）資助

李渝平（1990-），男，廣西河池人，助理工程師，主要從事短期、短臨天氣預(yù)報工作，Emai:356564526@qq.com。