一次華南雙雨帶暴雨中的位渦演變與雨帶間的相互作用

丁治英　王爽　高松

摘要利用實況資料和WRF中尺度數(shù)值模式對2008年6月12日18時—14日00時的華南雙雨帶暴雨過程進行了數(shù)值模擬與診斷分析。結果表明：隨著鋒面的南壓，在鋒面的西南方向（廣西沿海）生成一低渦，該低渦作為位渦源在中高層表現(xiàn)穩(wěn)定，分別為鋒面雨帶（北雨帶）與暖區(qū)雨帶（南雨帶）提供正位渦。南雨帶對北雨帶的作用主要體現(xiàn)在中層（112～114°E附近），南雨帶中有位渦的大值向北輸送，其輸送過程導致兩條雨帶在該處相連，而在115°E以東的南雨帶則無明顯的輸送過程。同時，北部高空槽中也有大值位渦向北雨帶輸送，以維持北雨帶。研究還發(fā)現(xiàn)，本次過程中暖區(qū)暴雨與鋒面暴雨雨帶的結構差異明顯，鋒面雨帶的結構與傳統(tǒng)雨帶的結構比較一致；有利于暖區(qū)暴雨降水的形勢主要表現(xiàn)在中高層。RIP軌跡模式的結果也表明，質(zhì)點在運動過程中位渦的輸送源是位于廣西沿海的低渦，可見該位渦源對雙雨帶形成有重要的作用。

關鍵詞暖區(qū)暴雨；等熵位渦；質(zhì)點軌跡；華南；低渦

華南位于我國最南端，每年汛期開始早，持續(xù)時間長，暴雨頻繁發(fā)生，是我國的一個季節(jié)性雨帶。前汛期不僅存在鋒面暴雨（華南準靜止鋒暴雨），而且在鋒前暖區(qū)往往有強度更大的降水發(fā)生，即所謂的鋒前暖區(qū)暴雨，一般發(fā)生在地面鋒面系統(tǒng)前200～300 km的位置，有時發(fā)生在西南風和東南風的匯合氣流中無明顯切變的西南氣流里（黃士松等，1986；薛紀善，1999）。陶詩言（1980）指出，華南前汛期暴雨中有相當一部分出現(xiàn)在冷鋒前的暖區(qū)內(nèi)，這個區(qū)域濕度大、位勢不穩(wěn)定，滿足暴雨發(fā)生的條件。我國從20世紀70年代就開始了對南方暴雨的科學試驗（黃士松等，1986），2004—2009年我國進行了南方暴雨野外科學試驗（SCHeREX計劃），得到了大量的試驗數(shù)據(jù)及研究結果，對南方暴雨有了進一步的認識。丁治英等（2008，2011）利用相當位溫場與暖區(qū)暴雨的配置將華南暖區(qū)暴雨分為三種類型，并指出我國長江以南6月的連續(xù)性暴雨中，在江南與華南多存在兩支雨帶，南亞高壓與高空急流的穩(wěn)定維持是雙雨帶產(chǎn)生的主要原因。趙玉春等（2008）研究發(fā)現(xiàn)，雙雨帶中的梅雨暴雨帶和鋒前暖區(qū)暴雨帶不僅在中尺度雨團活動、系統(tǒng)動力結構、大氣不穩(wěn)定機制和大氣加熱結構等方面存在明顯的差異，而且在水汽輸送、中尺度環(huán)境以及與暴雨有關的垂直環(huán)流之間也存在不同。張恒德等（2011）給出了梅雨期暴雨產(chǎn)生的主要條件為水汽輸送。夏茹娣等（2006）對華南鋒前暖區(qū)暴雨研究中亦指出水汽輸送起到了非常明顯的作用。

位渦是一個既包含熱力因子又包含動力因子的物理量，能夠更全面有效地描述暴雨發(fā)生發(fā)展的過程（王建中等，1996）。徐晶等（2004）對2003年7月淮河流域特大暴雨進行等熵位渦的研究分析指出，等熵位渦高值區(qū)與強暴雨有較好的對應關系，具有預報指示意義。陸爾等（1994）應用等熵面位渦研究了1991年江淮特大暴雨過程中的冷空氣活動。

我國華南地區(qū)地形復雜，經(jīng)常受東風波、季風槽等低緯度系統(tǒng)的影響，但造成較大災害的暖區(qū)暴雨在發(fā)生時大多與冷鋒相配合，因此中緯度系統(tǒng)的影響也非常顯著。對這種類型的暖區(qū)暴雨的形成機制及其與中緯度鋒面系統(tǒng)的關系，仍然研究不多。本文在華南暴雨試驗結果的基礎上，利用精細分析資料和數(shù)值模擬結果對一次雙雨帶暴雨過程中的位渦活動進行了研究，主要剖析本次暖區(qū)暴雨的中尺度結構、形成機制及其與雙雨帶的關系，以加強對華南暖區(qū)暴雨的認識。

1資料、模式方案與天氣過程簡介

11資料和模式方案

本文使用的資料包括：NCEP的1°×1°再分析資料（間隔6 h）、氣象臺站常規(guī)地面雨量資料、2008年6月SCHeREX中尺度氣象分析場（崔春光等，2011）（LAPS局地分析資料，5 km×5 km）。

采用WRF（Weather Research and Forecasting）模式（版本為WRFV33）對2008年6月12日18時—14日00時（世界時，下同）的暴雨過程進行數(shù)值模擬。模擬采用雙層嵌套方案，格距分別為30 km、10 km，垂直分成28層。模式區(qū)域的網(wǎng)格中心為（114°E，22°N），積分30 h。模擬中的微物理過程采用Lin方案，長波輻射方案采用rrtm方案，短波輻射方案采用Dudhia方案，積云參數(shù)化方案采用New Grell方案。模式的初始場與邊界條件由NCEP再分析資料提供。

12暴雨天氣過程

圖1a、1b中顯示在112～114°E、22～25°N附近，大于25 mm的冷鋒雨帶與暖區(qū)雨帶連接，且鋒面雨帶與暖區(qū)雨帶交匯于廣西境內(nèi)。這種雨帶間的聯(lián)系可能與何種因子有關是本文研究的主要問題之一。

分析沿雙雨帶的相當位溫剖面（圖略），本次過程為伴有雙暴雨帶的二型暖區(qū)暴雨（丁治英等，2011），在雨帶的上空是相當位溫高值區(qū)，雨帶的兩側分別有相當位溫的密集帶，密集帶隨著高度傾斜，南部一支隨高度向南傾斜到300 hPa以上，雨區(qū)北部為一支明顯的鋒區(qū)，鋒區(qū)伸展到200 hPa。

實況13日00時—14日00時的平均500 hPa高度場上（圖略），在中高緯度有兩槽一脊，高壓脊位于貝加爾湖東部，在貝加爾湖西面是一個深厚的長波槽，日本海上空存在閉合的低壓中心，副熱帶高壓的位置偏東。低緯地區(qū)兩廣上空有一淺槽為這次過程的主要影響系統(tǒng)。

13日00時—14日00時的平均850 hPa流場（圖略）顯示，低空急流主要在廣西、福建東部，急流中心風速大于16 m/s，北雨帶主要位于風速的輻合區(qū)中，南雨帶最強降水中心位于最大風速中心的南部。在（115°E，28°N）處有一個低渦，從低渦中心向西南方向至廣西境內(nèi)有切變線存在，與地面鋒面對應。13日00時的200 hPa風速場（圖略）顯示，在我國的東部和西部均有中心風速大于45 m/s的高空急流。地面雙雨帶降水區(qū)位于東部高急流的入口區(qū)右側的輻散場中。

2實況與模擬結果對比

利用實況降水資料、LAPS系統(tǒng)（Local Analysis and Prediction System）得到的中尺度氣象分析場與數(shù)值模擬結果進行對比分析。LAPS系統(tǒng)（李紅莉等，2008）由美國NOAA下屬的ESRL（Earth System Research Laboratory）實驗室研究開發(fā)。中國南方暴雨野外科學試驗（SCHeREX）受國家“973”項目—“中國南方致洪暴雨監(jiān)測理論和方法研究”支持，對2008及2009年5—7月“災害天氣國家重點實驗室”的4個外場觀測基地的野外試驗加密觀測資料使用LAPS系統(tǒng)生成高時空分辨率的中尺度分析場（崔春光等，2011），其空間分辨率為5 km×5 km，時間分辨率為3 h，垂直層次為20層。

雖然LAPS資料更加精細，但該資料為各種資料的融合，有些時次中的某些資料會缺失，并且時間間隔為3 h，資料的連續(xù)性較差，不利于中尺度系統(tǒng)演變分析，但數(shù)值模擬結果與該資料接近，模擬結果的連續(xù)性可較好地分析中尺度系統(tǒng)的演變過程。

21降水對比

對比模擬降水量（圖2a、2b）與實況（圖1a、1b），模擬能夠得到與實況接近的暖區(qū)雨帶與鋒面雨帶，但鋒面雨帶的降水比實況大。強降水的中心位置與實況對應較好，如廣東沿海的暖區(qū)暴雨中心、江西的鋒面暴雨中心、廣西南部的暴雨中心等。但在12 h累計降水圖上（圖2a），汕頭大于150 mm的降水未能模擬出來。由24 h累計降水（圖2b）可見，雖然在112～114°E、22～25°N附近的南北兩支雨帶的連接狀態(tài)也模擬出來，但連接處的降水偏大。

22850 hPa系統(tǒng)演變對比

對比850 hPa風場可見（圖3a、3b），13日00時模擬的低空急流和風場、廣西東北部低渦的分布與實況基本一致。實況的廣西東北部低渦東部主要有兩個急流中心，最大風速均大于20 m/s。但模擬的緊鄰低渦東部的急流偏弱，之后急流與低渦向東北方向移動。同時在模擬的13日06時在廣西南部出現(xiàn)了另一低渦（實況中該低渦出現(xiàn)在13日09時），該低渦在廣西南部少動（圖略），在13日15時的模擬（圖3d）與實況（圖3c）圖上均有反映，但模擬圖上的表現(xiàn)更為完整。從低空急流的位置對比可見模擬與實況也較接近，但實況中廣西低渦的東部有一小的擾動，而模擬圖上表現(xiàn)得不夠清楚?？傮w上模擬結果與實況較為接近。

23等熵位渦對比

位渦是“位勢渦度”的簡稱，是一個既包含熱力因子又包含動力因子的物理量（Hoskins，1977；Hoskins et al.，1985），位渦具有兩個重要特性，守恒性和可反演性（Davis and Emanuel，1991）。位渦有多種分析方法（Jordanovska and Trojko，1998），最常用的方法之一是等熵位渦（IPV）分析法（壽紹文，2003）。

圖4分別是13日12時實況與模擬的305 K、325 K（分別相當于850 hPa、500 hPa）等熵面上的位渦分布。由305 K等熵面的流場可見（圖4a、4b），實況在江西境內(nèi)的低渦模擬得較為清楚，模擬的廣西南部低渦較實況略偏南。低值系統(tǒng)模擬的比較好，在低渦附近的位渦模擬整體較實況偏強，但大值區(qū)的走向及位置與實況基本一致，有暖區(qū)暴雨發(fā)生的廣東與福建沿海也模擬出了位渦帶。與低渦伴隨的大值帶與鋒面降水配合，沿海大值帶與暖區(qū)暴雨配合（圖略）。在325 K等熵面上（圖4c、4d），模擬的流場與實況接近，位渦場上主要有3個大值中心分別位于雷州半島附近、廣東沿海、江西的中北部。模擬的位渦除廣東沿海較實況弱外，其他均較實況值強。345 K等熵面上（圖略）的模擬流場分布與實況也較為一致。圖4顯示，暖區(qū)雨帶上空等熵位渦的大值主要出現(xiàn)在325 K以上，鋒面雨帶的大值區(qū)主要出現(xiàn)在305 K以下。總體來看，模擬的位渦和降水量分布與實況均較接近，可以用來作進一步的分析。

3雙雨帶的發(fā)展與等熵位渦的結構演變

31等熵位渦的水平傳播

圖5a是13日00時的前1 h累計降水，圖中可見廣東省的北部至廣西的南部已經(jīng)形成一條東北—西南向的鋒面雨帶，有多個降水的大值中心，1 h累計降水大于30 mm。廣東南部暖區(qū)雖然出現(xiàn)大于5 mm的降水，但是還沒有形成雨帶。305 K等熵面上（圖5b），帶狀分布的位渦正值區(qū)呈東北—西南向，主要位于鋒面附近，在這條正的位渦帶上分布著多個位渦中心，最大值中心強度大于5 PVU，位于（111°E，255°N）附近。在廣西的西南方向有另一大值中心與較強的氣旋性曲率配合，在暖區(qū)暴雨的發(fā)生地—廣東沿海沒有大于05 PVU的位渦值出現(xiàn)。在325 K圖上（圖5c），沿低層的低渦切變線也對應一較強的位渦大值帶。與低層相比，在廣東以及廣西沿海出現(xiàn)了大范圍大于05 PVU的位渦區(qū)。海上（雷州半島的東部）有大值位渦向暖區(qū)暴雨處輸送。可見在暖區(qū)暴雨初期中層的大值位渦對降水的形成有較大的貢獻。之后，鋒面大值位渦伴隨冷鋒東移，沿海大值位渦在低層開始發(fā)展加強，高層大值位渦始終大于低層（圖略）。

13日04時暖區(qū)雨帶開始出現(xiàn)（圖略），09時（圖5d）兩支雨帶仍然維持。此時的兩條雨帶位置較之前向東發(fā)展，南雨帶的降水量增加，出現(xiàn)了大于30 mm的降水中心。305 K（圖5e）上冷鋒大值位渦帶向東北方向伸展，低層廣東沿海出現(xiàn)了大片大于05 PVU的位渦區(qū)，原來在廣西西部的大值位渦已經(jīng)發(fā)展并移至廣西沿海以及海上。在廣東沿海的中層位渦（325 K等熵面）發(fā)展的最大值已達4 PVU左右（圖5f），而廣西沿海的低渦上空的大值位渦也進一步加強。低渦東部有西風氣流向下游輸送到暖區(qū)雨帶中，在其東北方向有西南氣流輸送到鋒面雨帶中。海上位渦大值區(qū)東移強度加大，暖區(qū)降水加強。

13日15時鋒面雨帶繼續(xù)東移（圖5g），降水強度有所減弱，暖區(qū)降水小于20 mm/h。305 K（圖5h）和325 K（圖5i）等熵面圖上，伴隨廣西南部低渦的位渦大值區(qū)及與暖區(qū)降水有關的高低層位渦大值維持，形勢與13日09時相似，暖區(qū)的中層大值位渦遠大于低層，暖區(qū)雨帶維持。同時與鋒面降水伴隨的位渦大值依然存在，但強度大大減弱。

由以上分析可見，與暖區(qū)暴雨雨帶有關的位渦，一部分來自廣西沿海低渦，另一部分來自海上，而海上的大值位渦主要出自與廣西低渦相連的雷州半島附近，隨低渦的東移而東移。廣西低渦生成在與鋒面相連的切變線上，低渦附近的降水為鋒面雨帶降水（圖略）。鋒面雨帶相伴隨的位渦一部分來自高空槽，一部分來自暖區(qū)暴雨的大值位渦帶的輸送，另一部分來自廣西沿海的低渦，均在中層表現(xiàn)明顯。可見廣西沿海的低渦作為位渦源，對雙雨帶的形成與維持可能有重要影響，同時也顯示出暖區(qū)雨帶與鋒面雨帶的結構差異。

32位渦的傳播與暖區(qū)暴雨

在305 K等熵面沿215°N的剖面（圖6a）上，從13日00時開始，108°E以西的大值位渦由西向東傳播，主要傳播至111°E，位渦最大值大于4 PVU。該處的位渦主要來自廣西南部的低渦環(huán)流；03時起，在110°E附近，有一支大值位渦向東輸送，一直到115°E。這條輸送帶起自雷州半島附近的大值位渦區(qū)，為廣東沿海的降水提供了低層的氣旋式環(huán)流。

由圖2b可見，23°N與25°N附近分別為南北雨帶的位置，13日09時（圖6b），在南雨帶附近出現(xiàn)比較弱的向北的位渦輸送，正位渦值小于1 PVU。在北雨帶附近有較大的正位渦值，但是輸送不是很明顯。325 K等熵面上（圖6c）明顯可看出，在低渦附近（108～110°E）有正位渦帶的向東傳遞，這與低層的輸送是一致的。另外在113°E，存在不斷地正位渦帶的東傳，該正位渦帶可向西追溯到雷州半島附近。隨著正位渦的東傳，降水一般也表現(xiàn)出東傳的形式（圖略）。沿114°E的位渦隨時間演變的剖面圖上（圖6d），在13日09時之后可明顯看出22°N附近的大值位渦北傳，其值遠大于低層，這可能是在該處兩支雨帶相連的主要原因。在北雨帶的北部也有西風槽配合的大值位渦帶不斷南壓，為北雨帶的維持提供能量。在高層355 K的等熵面與325 K等熵面基本一致（圖略）。

在325 K等熵面沿1155°E的剖面（圖7a）上，13日00時—14日00時，在23°N附近存在明顯的大值位渦帶，此位渦區(qū)明顯不是來自南方，且與北部的大值位渦也有明顯的分界線，南雨帶也位于其上（圖7b），同時不向北雨帶輸送大值位渦，可見該處的大值位渦主要來自西部。

由上面的分析可得，在中高層廣西南部以及雷州半島附近的低渦是位渦源。該位渦源分成兩支，一支向東北方向傳播，為北雨帶的加強提供了正位渦；一支由西向東傳播，提供了激發(fā)暖區(qū)雨帶的正位渦，顯示出北雨帶對暖區(qū)暴雨的生成及維持的重要性。在中層114°E附近，南雨帶中位渦大值的向北輸送體現(xiàn)了南雨帶對北雨帶的作用；低層位渦源以向北輸送為主。中層115°E以東的南雨帶的位渦主要來自西部，對北雨帶影響較?。辉谥懈邔痈呖詹蹟y帶的大值位渦對北雨帶以及位渦源的維持有很大的作用。

33質(zhì)點在移動過程中位渦的演變

本節(jié)通過不同層面作為起始位置，討論質(zhì)點運動的軌跡以及質(zhì)點在運動過程中位渦的變化，進一步討論位渦與兩支雨帶形成發(fā)展的原因以及兩支雨帶之間的聯(lián)系。RIP（Read Interpolate Plot）軌跡模式可以利用WRF模式輸出的wrfout文件直接畫圖，還可以計算格點向前和向后的軌跡。本文利用WRFV31輸出的1 h間隔的資料來分析此次降水過程中不同位置質(zhì)點的運動軌跡。

由上節(jié)的討論得知，廣西南部以及雷州半島附近是位渦源之一，因此圖8a上選取廣西南部的低渦附近、以及雷州半島附近的質(zhì)點，軌跡1—4運動的起點分別在950、850、550、200 hPa，軌跡5的運動起點在550 hPa。

13日06時（圖8a）之后，在低層低渦附近（950 hPa、850 hPa）質(zhì)點1和2隨著時間向東北方向的北雨帶運動；中層（550 hPa）的質(zhì)點3運動軌跡偏南，但仍然是向北雨帶運動；質(zhì)點4起于200 hPa高層，由于受南亞高壓的影響，軌跡呈順時針旋轉；質(zhì)點5起于（550 hPa）雷州半島，一直沿著暖區(qū)雨帶的中心運動，在13日21時運動到了海上?？梢娫诘蜏u附近的中低層質(zhì)點多向北雨帶移動，在中層雷州半島附近的質(zhì)點多向暖區(qū)暴雨帶移動，雷州半島附近為暖區(qū)暴雨的位渦源地。

圖8b—8f顯示，質(zhì)點在運動過程中受環(huán)境的影響很大。質(zhì)點1、2在低層運動軌跡隨著時間升高，低層的位渦大于高層，不超過2 km；質(zhì)點3也是如此，在運動過程中位渦變化平穩(wěn)；質(zhì)點4位渦值先增加后減小，隨200 hPa位渦的環(huán)境變化而變化；質(zhì)點5位渦隨高度的增加而增加，到達10 km高度后，位渦快速減小，但一直都是正位渦。

位于雷州半島位渦源附近的質(zhì)點（圖略），運動4h到達暖區(qū)雨帶之后質(zhì)點向北面雨帶運動，軌跡高度隨著時間升高，同時位渦值也增大到了35 PVU，位渦有從南向北的輸送。針對115°E以東的低層質(zhì)點的分析（圖略）所得到的結果與115°E以西的結果類似，但質(zhì)點在運動過程中位渦偏小，在05～10 PVU之間，當其越過南雨帶時位渦迅速減小。

總體看來，質(zhì)點在運動過程中，通過雨帶時一般有一個位渦的增加過程，在高度較高時，位渦在運動軌跡順時針旋轉時有一個減小過程，表現(xiàn)出不守恒性。同時可見，在115°E以西，位渦自西輸送明顯，當越過南雨帶時位渦有增加的過程；在115°E以東，越過南雨帶時位渦明顯減小，顯示出南雨帶的位渦對北雨帶的影響減弱。這與前面提到的位渦主要自西向東傳播一致。

4結論

1）本次過程是三類華南暖區(qū)暴雨中的第二種類型，在這次降水過程中有兩條雨帶，南面暖區(qū)降水和北面鋒面降水。雨帶位于高空急流入口區(qū)的右側，高空急流處于地面鋒和低空急流的上方，這種高、低空急流的配置為降水提供了良好的背景。

2）針對等熵位渦的分析發(fā)現(xiàn)，在中高層廣西南部以及雷州半島附近的與低渦相伴的正位渦是位渦源，分別為南北兩條雨帶提供了維持發(fā)展的動力。該大值位渦的形成是鋒面以及伴隨的高空槽南壓的結果。北雨帶的位渦輸送主要在低層，南雨帶主要在中高層。南北兩條雨帶在112—114°E附近相連，主要與中層南雨帶有大值位渦向北雨帶的輸送有關。中層115°E以東，南北雨帶的位渦相對獨立，相互影響較小。

3）本次過程中暖區(qū)暴雨與鋒面暴雨帶的結構差異明顯，鋒面雨帶的結構與傳統(tǒng)雨帶的結構比較一致。有利于暖區(qū)暴雨的降水形勢主要表現(xiàn)在中高層，在700 hPa左右有一個位渦、垂直速度等物理量的小值區(qū)以及輻散的大值區(qū)，暖區(qū)降水處在南風輻散場中，低空急流主要出現(xiàn)在北雨帶的南側，低層850 hPa以下有弱輻合。

4）分析質(zhì)點運動軌跡發(fā)現(xiàn)，質(zhì)點在穿過雨帶時一般有一個位渦的增加過程，在高度較高時，位渦順時針旋轉有一個減小過程，表現(xiàn)出其不守恒性。同時，在115°E以西，位渦向西輸送明顯，當越過南雨帶時位渦有增加的過程；115°E以東，越過南雨帶時位渦明顯減小，顯示出南雨帶的位渦對北雨帶的影響減弱。質(zhì)點軌跡分析的結果與前面位渦輸送的分析結果一致。

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