2017年青海三次大到暴雨過(guò)程中位渦特征分析

祁彩虹 朱永豐 張寧瑾 胡垚

摘要 利用常規(guī)資料、衛(wèi)星及fnl再分析資料，對(duì)2017年發(fā)生在青海省三次大到暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行研究。得出結(jié)論：（1）位渦中低層為負(fù)值，高層為正值，有利于低層氣旋性渦度的增加，易儲(chǔ)存和釋放不穩(wěn)定能量，造成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，更利于暴雨發(fā)生;（2）低層中MPV1的大絕對(duì)值中心、等值線密集區(qū)與強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)較好，等值線密集區(qū)呈西南—東北向分布;（3）中低層中35°N的輻合中心與MPV2零線對(duì)應(yīng)，呈正負(fù)分布，強(qiáng)降水區(qū)為負(fù)值;（4）MPV1的絕對(duì)值大中心及密集區(qū)與強(qiáng)降水發(fā)區(qū)的高溫高濕區(qū)、強(qiáng)上升區(qū)、正渦度的大值中心及假相當(dāng)位溫梯度帶相對(duì)應(yīng)，降水發(fā)生前MPV2為0，強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)增幅為0.2PVU;（5）冷空氣越強(qiáng)，水汽圖像中干侵入與高層的高位渦對(duì)應(yīng)越好，為研究夏季弱冷空氣與高空短波槽擾動(dòng)在暴雨中的觸發(fā)作用提供新的思路。

關(guān)鍵詞 大到暴雨;位渦;濕位渦;斜壓項(xiàng);特征分析

中圖分類號(hào)：P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095–3305（2021）01–0085–03

暴雨的形成需要有豐富的水汽供應(yīng)、有利的動(dòng)力、熱力不穩(wěn)定條件。位勢(shì)渦度（Potential Vorticity）不僅表征大氣動(dòng)力和熱力屬性，還考慮了水汽的作用，因而對(duì)位渦進(jìn)行診斷可以尋求熱力和動(dòng)力及水汽條件與降水的關(guān)系，揭示降水發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制[1-3]?；谑睾阍?，對(duì)中高緯度天氣系統(tǒng)的移動(dòng)和發(fā)展有很好的指示性，故而在天氣動(dòng)力學(xué)研究中備受關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對(duì)流等天氣系統(tǒng)的診斷和分析研究中，取得了一些有意義的結(jié)

論[4-10]。雖然這些研究對(duì)推動(dòng)暴雨起了一定作用，但由于青海省地理位置特殊，降水機(jī)制比較復(fù)雜，加之本身的研究大多是從常規(guī)資料中凝練出預(yù)報(bào)指標(biāo)和預(yù)報(bào)思路，一定程度上提高暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確率，卻很少利用位渦和水汽圖像相結(jié)合的角度去分析暴雨過(guò)程。

對(duì)發(fā)生在2017年青海三次大到暴雨過(guò)程中位渦特征分析研究，分析青海大到暴雨中位渦的分布特征及與強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)關(guān)系，使預(yù)報(bào)人員將位渦理論、數(shù)值預(yù)報(bào)輸出產(chǎn)品及水汽圖像的解釋有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在業(yè)務(wù)中將有用產(chǎn)品相互配合、取長(zhǎng)補(bǔ)短，為青海暴雨研究提供理論依據(jù)，提升氣象防災(zāi)減災(zāi)能力，減少地方經(jīng)濟(jì)損失。

1 過(guò)程概況及環(huán)流背景

2017年7月下旬—8月初，青海東部出現(xiàn)持續(xù)性降雨天氣，具有降水范圍大、強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、災(zāi)害種類多，損害嚴(yán)重等特點(diǎn)，共造成經(jīng)濟(jì)損失2 561.05萬(wàn)元。受副高西南暖濕氣流和北部小槽影響，23日20：00～24日20：00（圖1a），青海省環(huán)湖地區(qū)、海北地區(qū)出現(xiàn)大到暴雨天氣并伴有大風(fēng)，國(guó)家站4站次大雨，區(qū)域站6站次暴雨，48站次大雨，最大降水中心出現(xiàn)在青海湖151站，達(dá)74 mm。26日08：00～27日08：00（圖1b），環(huán)湖地區(qū)、海南、湟水河谷地區(qū)出現(xiàn)大到暴雨并伴有雷暴大風(fēng)，國(guó)家站1站次大到暴雨，4站次大雨，強(qiáng)降水中心出現(xiàn)在貴南，達(dá)46 mm。7月31日—8月1日（（圖1c）在海南、海西東部、黃南南部、海北東部出現(xiàn)大到暴雨天氣，最大降水中心74.5 mm出現(xiàn)在門源縣達(dá)坂山北口，最大城鎮(zhèn)降水在門源43.3 mm，此外西部出現(xiàn)大風(fēng)，玉樹(shù)出現(xiàn)冰雹。

23—24日，500 hpa高空槽引導(dǎo)冷空氣南下，冷鋒影響至海西中部與東部倒灌冷空氣在環(huán)湖地區(qū)形成輻合，副高略東退，其西段不斷輸送水汽與能量。低空有切變與輻合，高原東側(cè)不斷補(bǔ)給水汽與干冷空氣，降水區(qū)上游有明顯的干舌，這種高低空配置有利于大降水的出現(xiàn)。

26—27日，中東高壓加強(qiáng)東伸促使西風(fēng)帶系統(tǒng)東移南下和副高外圍西南暖濕氣流交匯產(chǎn)生降水。26日08：00地面中，河西走廊西部有明顯的低渦切變發(fā)展，同時(shí)柴達(dá)木盆地西風(fēng)明顯加大，格爾木站風(fēng)速達(dá)12 m/s，而西寧站東南風(fēng)風(fēng)速為8 m/s，兩站之間形成明顯的風(fēng)向切變，高原東側(cè)切變線右側(cè)偏東南氣流向青海東部輸送水汽，補(bǔ)充暴雨區(qū)水汽。西北路徑冷空氣在高空槽后西北氣流引導(dǎo)南下，一路沿河西走廊東移南下，一路翻越阿爾金山經(jīng)柴達(dá)木盆地東移，兩路冷空氣在青海東部相遇，形成錮囚鋒，為大降水的出現(xiàn)提供了動(dòng)力抬升條件和觸發(fā)作用。

31日，中西亞大槽底部分裂小槽攜帶冷空氣東移南壓，與高原上活躍的南支槽前暖濕氣流相結(jié)合，冷暖空氣交匯于青海，促使對(duì)流云團(tuán)爆發(fā)性發(fā)展，前期副高在青海省的持續(xù)控制為此次大到暴雨天氣過(guò)程提供了充足的能量。

2 資料和方法

采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）提供的FNL全球分析資料，空間分辨率為1?×1?，時(shí)間間距為6 h（每日時(shí)次：02：00、08：00、14：00、20：00），垂直層數(shù)為26層，水平范圍包括全球區(qū)域。降水等實(shí)況資料來(lái)源于Micaps常規(guī)資料、區(qū)域自動(dòng)站、衛(wèi)星等資料。

在p坐標(biāo)系下，忽略垂直速度ω的水平變化，在絕熱無(wú)摩擦的飽和大氣中，濕位渦（moist potential vortcity， MPV）守恒方程為：

將其寫成分量形式： ，

式中：MPV1為濕位渦的垂直分量（正壓項(xiàng)），其值取決與空氣塊絕對(duì)渦度的垂直分量和相當(dāng)位溫垂直梯度的乘積。絕對(duì)渦度是正值，大氣對(duì)流不穩(wěn)定時(shí)，>0，則MPV1<0;若大氣為對(duì)流穩(wěn)定時(shí)，<0，則MPV1>0。MPV2是濕位渦的水平分量（斜壓項(xiàng)），它的數(shù)值由風(fēng)的垂直切變和的水平梯度決定，表征大氣的濕斜壓性。位渦的單位為PVU，1PVU=10-6m2s-1kkg-1。

3 三次過(guò)程中位渦分布特征

為研究3次過(guò)程中位渦的分布特征（圖1），計(jì)算出700～300 hPa各層次不同時(shí)刻位渦值分布特征，相似點(diǎn)為MPV的分布特征為中低層為負(fù)值，高層均為正值，這種MPV高低層正負(fù)區(qū)疊置的形勢(shì)有利于低層氣旋性渦度的增加，易儲(chǔ)存和釋放不穩(wěn)定能量，造成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，更利于暴雨發(fā)生[11-14];700 hPaMPV1均為負(fù)值，降水發(fā)生前后濕斜壓項(xiàng)數(shù)值絕對(duì)值呈先增大后減小趨勢(shì)，且在強(qiáng)降水時(shí)段最大即對(duì)流層斜壓性明顯增強(qiáng)，并伴隨著對(duì)流低層對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放，降水強(qiáng)度明顯增強(qiáng);沿強(qiáng)降水中心做垂直剖面，中低層為負(fù)值，400 hPa以上為正值，預(yù)示高層有干冷空氣且冷空氣觸發(fā)潛在對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放即三次過(guò)程均發(fā)生在大氣對(duì)流不穩(wěn)定中，而其負(fù)值中心的演變反映斜壓性在強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展中的作用。MPV2在三次過(guò)程中低層變化不是特別突出，尤其是31日過(guò)程中值為0，沿強(qiáng)降水中心強(qiáng)降水時(shí)段做垂直剖面呈現(xiàn)“負(fù)—零—正”趨勢(shì)，且MPV2絕對(duì)值呈增大趨勢(shì)，對(duì)暴雨增幅起了關(guān)鍵作用。

4 三次過(guò)程中位渦與物理量對(duì)應(yīng)特征

分析3次大到暴雨過(guò)程中強(qiáng)降水時(shí)段段位渦與水汽通量散度、比濕、渦度、垂直速度、假相當(dāng)位溫等物理量對(duì)應(yīng)特征：水汽通量散度的最大負(fù)值中心、比濕大值區(qū)14 g/kg，與MPV1的負(fù)值中心和等值線密集區(qū)對(duì)應(yīng)，伴隨降水移動(dòng)MPV1大值區(qū)也隨之移動(dòng)，即強(qiáng)降水中心與水汽通量散度最大負(fù)中心（輻合）和MPV1等值線密集帶向?qū)?yīng)，大氣斜壓項(xiàng)逐漸減弱降水也減弱結(jié)束。

降水起始時(shí)強(qiáng)降水中心對(duì)應(yīng)低層渦度逐漸增大，其西側(cè)的南北部對(duì)應(yīng)渦度的最大正負(fù)中心，伴隨降水開(kāi)始渦度的正值加大且東南移動(dòng)，MPV1的絕對(duì)值也增大且等值線加密，即此過(guò)程中大氣的旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定與大氣對(duì)流穩(wěn)定共存，強(qiáng)降水發(fā)生在正渦度與MPV1等值線密集區(qū)。正渦度與MPV2正值對(duì)應(yīng)，發(fā)生降水時(shí)MPV2為負(fù)值且等值線稀疏。中低層垂直速度為一直的上升運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)為暴雨的產(chǎn)生和維持提供了充足的動(dòng)力條件，不僅能使高層增濕，增強(qiáng)大氣不穩(wěn)定度，同時(shí)也使得暴雨中尺度系統(tǒng)得以維持和發(fā)展。同時(shí)處于的高值區(qū)即暴雨區(qū)既處于高溫高濕的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，配合較好的抬升觸發(fā)條件極易釋放不穩(wěn)定能量，造成強(qiáng)降水。

凝練3次過(guò)程中強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)中低層各物理量與MPV1、MPV2對(duì)應(yīng)指標(biāo)，可得知三次降水均發(fā)生在高溫高濕區(qū)、水汽強(qiáng)輻合上升區(qū)與MPV1的大絕對(duì)值區(qū)及等值線密集區(qū)的對(duì)應(yīng)區(qū)（圖2）。

5 三次過(guò)程中位渦與水汽圖像對(duì)應(yīng)特征

水汽圖像的特點(diǎn)之一是濕區(qū)與干區(qū)的界限分明，白亮為云區(qū)，灰色為相對(duì)濕區(qū)，深灰色為干區(qū)。23—24日強(qiáng)降水時(shí)段，400 hPa與500 hPa MPV值均在絕對(duì)值大值區(qū)與密集區(qū)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻水汽圖可知，此過(guò)程中無(wú)明顯的干侵入（圖3）。26—27日過(guò)程中，26日14：00～27日02：00，伴隨584低值系統(tǒng)的東移北抬伴隨干侵入明顯，強(qiáng)降水增強(qiáng)時(shí)段，對(duì)流云團(tuán)有明顯的發(fā)展和維持而造成強(qiáng)降水，高位渦位置的移動(dòng)與強(qiáng)度增強(qiáng)和水汽圖像所表征的干侵入的位置移動(dòng)以及強(qiáng)度的增強(qiáng)有較好對(duì)應(yīng)。7月31日對(duì)應(yīng)400 hPa 38°N，96°E MPV的高值區(qū)及密集區(qū)，最大值0.6 PVU，500 hPa最大值為1.6 PVU，尤其在100°E中干侵入對(duì)應(yīng)區(qū)位于MPV的密集區(qū)，而其東側(cè)及南側(cè)有明顯的白亮區(qū)域，尤其是東側(cè)色調(diào)更亮水汽更充足。伴隨高空槽東移南下，與南部?jī)筛咔凶兇蛲ńY(jié)合為深厚的高原槽，對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)MPV值也增大且更加密集，次日02：00甘肅西部又有一股干侵入對(duì)應(yīng)位渦圖中MPV的增加與加密，即此次過(guò)程中高位渦位置的移動(dòng)與強(qiáng)度增強(qiáng)和水汽圖像所表征的干侵入的位置移動(dòng)有較好對(duì)應(yīng)。

6 總結(jié)

通過(guò)對(duì)2017年三次暴雨過(guò)程中位渦特征分析，總結(jié)出：（1）位渦在中低層均為負(fù)值，高層為正值，有利于氣旋性渦度的增加，易儲(chǔ)存和釋放不穩(wěn)定能量，造成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，更利于暴雨發(fā)生;（2）700 hPa中MPV1的絕對(duì)值的大值中心及等值線密集區(qū)與強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)較好，等值線密集區(qū)呈西南—東北向分布;（3）中低層中35°N的輻合中心與MPV2零線對(duì)應(yīng)，強(qiáng)降水區(qū)為負(fù)值，MPV2的增大對(duì)暴雨增幅起了關(guān)鍵作用;（4）MPV1的絕對(duì)值大中心及密集區(qū)與強(qiáng)降水發(fā)區(qū)的高溫高濕區(qū)、強(qiáng)上升區(qū)、正渦度的大值中心及假相當(dāng)位溫梯度帶相對(duì)應(yīng)，降水發(fā)生前MPV2為0，強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)增幅為0.2 PVU;（5）冷空氣越強(qiáng)，水汽圖像中干侵入與高層的高位渦對(duì)應(yīng)越好，為研究夏季弱冷空氣與高空短波槽擾動(dòng)在暴雨中的觸發(fā)作用提供新的思路。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Characteristics Analysis of Potential Vorticity for three Heavy Rain Events in Qinghai in 2017

QI Cai-hong et al （Qinghai Meteorol-ogical Observatory， Xining， Qinghai 810001）

Abstract A synoptic analysis of three heavy rain events with conventional data， meteorology satellite data and reanalysis data in 2017. The results showed that the negative area at low layer and the positive area at high layer， it was beneficial to enhancing cyclonic vorticity， accumulation and releasing unstable energy， causing the strong updraft airflow， it was more conducive to happening heavy rain. The region of heavy rain located in center of large absolute value and the dense isoline region of MPV1， the dense isoline region was distributed from southwest to northeast. The region of the positive vorticity center near 35°N at the middle and lower layers corresponding with zero curve of MPV2， heavy rain located in the negative value of MPV2. The center of large absolute value and dense area of MPV1 corresponding to heavy rainfall area of warm and moist area， the strong ascent motion area， center of positive vorticity and pseudo-equivalent potential temperature gradient area. The value of MPV2 is zero before rain happening， it increased 0.2 PVU when rain happening. Dry intrusion in water vapor image corresponding to high value of potential vorticity at higher layer when cold air getting stronger. It provided new thinking of researching triggering action between weak cold air and short-wave trough at high altitude with heavy rain in su mmer.

Key words Heavy rain; Potential vorticity;

Moist potential vorticity; Atmospheric baroclin-icity; Characteristics analysis