華北地區(qū)“16·7”極端強(qiáng)降水事件之環(huán)流及擾動(dòng)能量變化特征

孫思遠(yuǎn) 管兆勇

(南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/ 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044)

引 言

華北位處東亞季風(fēng)影響范圍中的中緯度邊緣地區(qū)，降水的年際變化幅度很大，極端降水事件也相應(yīng)地有其區(qū)域特點(diǎn)。華北地區(qū)降水具有明顯的季節(jié)性差異，且主要集中在夏季，占全年降水量的65% 以上[1]。在全球變暖的背景下，華北地區(qū)夏季降水減少[2]，該區(qū)域降水的減少趨勢(shì)與東亞夏季風(fēng)的減弱相對(duì)應(yīng)[3-4]，且與長(zhǎng)江流域降水的增強(qiáng)趨勢(shì)構(gòu)成了我國(guó)東部地區(qū)近幾十年來(lái)“南澇北旱”的降水分布特征[5-6]。有研究指出，華北地區(qū)降水具有全區(qū)一致性[7]，且近10 a來(lái)華北地區(qū)極端降水和干旱事件的發(fā)生頻次均處于上升趨勢(shì)[8]。

華北區(qū)域性極端降水總是發(fā)生在有利的大尺度環(huán)流背景下，并由中尺度系統(tǒng)直接作用[9-11]。張恒德等[12]發(fā)現(xiàn)極渦指數(shù)、副高脊線與華北夏季降水均呈正相關(guān)[13]，而副高面積、強(qiáng)度指數(shù)則與華北夏季降水呈負(fù)相關(guān)。高空西風(fēng)急流位置偏北時(shí)，華北地區(qū)夏季降水偏多[14]；環(huán)貝加爾湖地區(qū)地表溫度的升高使蒙古高原上空大氣穩(wěn)定度增加，從而可能導(dǎo)致華北地區(qū)夏季降水減少[15]。絲路遙相關(guān)和極地波列與華北地區(qū)極端降水也有密切相關(guān)[16]。此外，華北夏季降水與南半球環(huán)流系統(tǒng)的異常也存在緊密的聯(lián)系，以馬斯克林高壓為例，其與華北地區(qū)夏季降水呈負(fù)相關(guān)[17-18]。李靜楠等[19]發(fā)現(xiàn)低層濕位渦中心的強(qiáng)度變化對(duì)應(yīng)華北暴雨的發(fā)生發(fā)展，隨著濕斜壓項(xiàng)負(fù)值增大、濕正壓項(xiàng)正值減小，大氣斜壓性向正壓位渦擾動(dòng)轉(zhuǎn)換，有利于氣旋性渦度的發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，使得降水得以維持和發(fā)展[20]。地形高度的改變對(duì)于動(dòng)力場(chǎng)的影響十分明顯[21]，太行山的地形作用能在一定程度上促進(jìn)華北地區(qū)降水的發(fā)展[22]。

2016年7月在華北地區(qū)發(fā)生的特大暴雨，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因此眾學(xué)者針對(duì)本次事件進(jìn)行了很多研究。結(jié)果表明，此次強(qiáng)降水過(guò)程的大氣環(huán)流背景穩(wěn)定且斜壓性顯著[23]，受黃淮氣旋的發(fā)展北上直接影響[24]，低渦與高低空急流的配置更是為華北地區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了所需的充足水汽和能量[25]。RAN， et al[26]引入位勢(shì)形變參數(shù)，參數(shù)中包含與降水有關(guān)的動(dòng)力和熱力因子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其高值區(qū)與降水區(qū)重疊；還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，位勢(shì)散度的高值區(qū)與降水高值區(qū)也有很好的對(duì)應(yīng)[27]，這些為追蹤降水提供了新的思路。此外，康延臻等[28]利用多種云微物理方案對(duì)本次強(qiáng)降水模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)單參方案SBU-YLin的描述最佳。

綜上，前人針對(duì)華北地區(qū)降水的研究多是從熱力和動(dòng)力角度展開(kāi)，但鮮從擾動(dòng)能量變化和傳播的角度進(jìn)行分析，而弄清擾動(dòng)能量變化對(duì)中緯度天氣系統(tǒng)的影響特別重要[29-31]。特別對(duì)于2016年，關(guān)于Rossby波活動(dòng)及能量變化特征尚未有更多研究，因此，本文將探討華北地區(qū)“16·7”極端強(qiáng)降水事件期間斜壓Rossby波活動(dòng)特征和擾動(dòng)能量的變化，為理解極端降水事件的形成機(jī)理和預(yù)報(bào)提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文研究時(shí)段為2016年 7月18—22日，使用的資料有：(1) NCEP/NCAR逐日再分析資料，包括經(jīng)向風(fēng)v、緯向風(fēng)u、垂直速度ω、位勢(shì)高度h、比濕q、溫度T等，水平空間分辨率為2.5° × 2.5°。各變量的逐日擾動(dòng)定義為該變量與其逐日氣候平均值之間的偏差。逐日氣候定義為1981—2010年逐日變化的30 a平均值。(2) 國(guó)家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集的2 425個(gè)站的逐日降水資料。華北地區(qū)(京津冀晉)共有284站(圖1)，站點(diǎn)分布比較均勻，且在空間上較為密集，所以在計(jì)算區(qū)域平均時(shí)采用算術(shù)平均方式。

1.2 波作用通量

波作用通量可以用來(lái)診斷Rossby波擾動(dòng)能量的傳播特征，使波包動(dòng)力學(xué)特征更為清晰[32]，p坐標(biāo)中的波作用通量W和波擾動(dòng)能量通量的水平分量Wr可記為：

圖1 華北地區(qū)284個(gè)降水觀測(cè)站點(diǎn)位置(圖中藍(lán)色粗實(shí)線表示黃河)Fig.1 Location of 284 precipitation observation stations in North China， (thick blue line is the Yellow River)

(1)

,

(2)

其中：ψ′為準(zhǔn)地轉(zhuǎn)擾動(dòng)流函數(shù)；U=(U,V)T為基本流場(chǎng)；CU為沿基本氣流方向的相速度；M為描寫(xiě)小振幅準(zhǔn)地轉(zhuǎn)渦動(dòng)的廣義假動(dòng)量。Wr的散度為負(fù)時(shí)，表示波作用通量因能量輻合而增大，反之散度為正時(shí)，表示擾動(dòng)減弱。需要要說(shuō)明的是，當(dāng)擾動(dòng)相速度非常小或者對(duì)于準(zhǔn)靜止波動(dòng)而言，Wr可用于診斷Rossby波的能量傳播特征。當(dāng)然，即使針對(duì)移動(dòng)性Rossby波，在不考慮基本氣流相關(guān)的通量CUM時(shí)，Wr仍可用于部分地揭示Rossby波動(dòng)能量傳播的方向和波作用通量變化趨勢(shì)。

1.3 渦動(dòng)動(dòng)能方程

極端降水發(fā)生時(shí)，伴隨著局地有效位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，擾動(dòng)增強(qiáng)，此時(shí)渦動(dòng)動(dòng)能的維持受到斜壓轉(zhuǎn)換的影響。根據(jù)水平動(dòng)量方程推導(dǎo)出的渦動(dòng)動(dòng)能方程為[33-34]：

(3)

圖2 1979—2016年7月華北地區(qū)區(qū)域平均逐日降水的時(shí)間序列(單位: mm)Fig.2 Time series of regional mean daily precipitation in July in North China from 1979 to 2016 (unit: mm)

2 華北地區(qū)“16·7”極端強(qiáng)降水與環(huán)流特征

2016年7月18—22日，華北發(fā)生強(qiáng)降水事件，此次降水事件持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降水量級(jí)大、影響范圍廣[36]。根據(jù)華北地區(qū)1979—2016年7月區(qū)域平均降水的時(shí)間序列(圖2)可以看出，此次降水總量和強(qiáng)度造成華北地區(qū)多地的日降水量突破了歷史極值，造成了較為嚴(yán)重的城市內(nèi)澇和山洪泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，給人民的生產(chǎn)生活帶來(lái)了很大影響。

18日在晉陜邊界有少量降水，華北地區(qū)強(qiáng)降水過(guò)程開(kāi)始(圖3a)；19日降水強(qiáng)度增強(qiáng)，降水覆蓋了北京、山西和河北大部分地區(qū)，大值中心位于冀晉豫三省交界的太行山脈附近(圖3b)；20日降水強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)，降水覆蓋北京、天津、河北和山西部分地區(qū)，大值中心向東北移動(dòng)至廊坊、天津附近(圖3c)；21日降水強(qiáng)度減弱，降水覆蓋北京、天津和河北部分地區(qū)，大值中心繼續(xù)北上離開(kāi)華北地區(qū)(圖3d)；22日降水強(qiáng)度繼續(xù)減弱，僅河北東北部有少量降水(圖3e)，降水過(guò)程基本結(jié)束。此次強(qiáng)降水過(guò)程持續(xù)5 d左右，雨帶沿太行山和燕山山脈，呈西南—東北向分布特征，雨量大值中心主要在京津冀，此外，在江漢地區(qū)也存在大值中心(圖3f)。

圖3 華北地區(qū)2016年7月18—22日逐日降水分布及過(guò)程總降水量分布(單位: mm): (a) 18日;(b) 19日;(c) 20日;(d) 21日;(e) 22日; (f) 總降水量 Fig.3 Distribution of daily precipitation and total precipitation in North China from 18 to 22 July， 2016 (unit: mm): (a) July 18;(b) July 19;(c) July 20;(d) July 21;(e) July 22; (f) total precipitation

華北地區(qū)夏季降水的大氣水汽來(lái)源主要有4支，分別來(lái)源于孟加拉灣、中國(guó)南海和西太平洋以及中高緯西風(fēng)帶的輸送[37]。從整層積分(1 000 ～ 300 hPa)的水汽通量散度及其旋轉(zhuǎn)分量和輻散分量分布中可以發(fā)現(xiàn)，18日有微弱水汽在晉陜邊界匯聚(圖4a)，華北地區(qū)強(qiáng)降水過(guò)程開(kāi)始；19日在冀晉豫三省邊界有很強(qiáng)的水汽匯(圖4b)，華北地區(qū)降水強(qiáng)度增大、量級(jí)增加；20日在華北大部分地區(qū)有強(qiáng)水汽匯(圖4c)，華北地區(qū)降水達(dá)到最強(qiáng)；21日華北地區(qū)的水汽匯聚趨勢(shì)與前1 d相比有所減弱(圖4d)，華北地區(qū)降水開(kāi)始減弱；22日水汽通量輻合的大值區(qū)移至東北(圖4e)，華北地區(qū)強(qiáng)降水過(guò)程基本結(jié)束。此次強(qiáng)降水過(guò)程華北地區(qū)有較大范圍的水汽通量輻合的大值區(qū)，水汽自孟加拉灣和中國(guó)南海一直輸送向華北地區(qū)(圖4f)，為華北地區(qū)極端強(qiáng)降水發(fā)生提供了充足的水汽條件。

圖4 2016年7月18—22日華北地區(qū)逐日和過(guò)程平均的整層積分(1 000～300 hPa)的水汽通量散度(陰影， 單位: 104 kg·s-1) 及其輻散分量(箭矢， 單位: kg·m-1·s-1)和旋轉(zhuǎn)分量(流線， 單位: kg·m-1·s-1):(a) 18日;(b) 19日;(c) 20日;(d) 21日;(e) 22日; (f) 過(guò)程平均 Fig.4 Water vapor fluxes divergence (shaded contours， unit: 104 kg·s-1)， divergent component (arrows， unit: kg·m-1·s-1) and rotational component (streamlines， unit: kg·m-1·s-1) integrated from 1 000 hPa up to 300 hPa of daily and average during the period in North China from 18 to 22 July， 2016 (unit: mm): (a) July 18; (b) July 19; (c) July 20;(d) July 21;(e) July 22; (f) July mean

為探討華北地區(qū)極端強(qiáng)降水事件的發(fā)生與大尺度環(huán)流背景的關(guān)系，圖5給出了此次極端強(qiáng)降水事件發(fā)生期間和過(guò)程平均的850 hPa(左列)和300 hPa(右列)高度上的水平環(huán)流和輻散風(fēng)場(chǎng)。在對(duì)流層低層850 hPa上，華北地區(qū)在18日主要受中心位于渤海灣的反氣旋性環(huán)流異常的控制(圖5a)；在19日該中心北上至東北地區(qū)并于中心位于華中地區(qū)的氣旋性異常和環(huán)流共同影響華北地區(qū)，此時(shí)，該地區(qū)上空主要為東南風(fēng)(圖5c)；20日反氣旋和氣旋性環(huán)流異常中心持續(xù)向東北向移動(dòng)(圖5e)；華北地區(qū)在21日受中心北上至該地區(qū)上空的氣旋性環(huán)流異常控制(圖5g)； 22日氣旋性環(huán)流異常中心移出華北地區(qū)，此時(shí)，主要受該環(huán)流與中心位于海南附近的反氣旋性環(huán)流異常的共同影響，上空主要為偏西風(fēng)(圖5i)。在對(duì)流層上層300 hPa上，中緯度(圖5右列紅色方框)和高緯度(圖5右列紅色三角形)分別存在兩個(gè)明顯的波列狀環(huán)流結(jié)構(gòu)，華北地區(qū)主要受中心初始位置分別位于外興安嶺和河西走廊的反氣旋性環(huán)流異常和氣旋性環(huán)流異常的共同作用，但反氣旋性環(huán)流異常的影響作用更大。氣旋性和反氣旋性環(huán)流異常中心從18—22日均有明顯的南移過(guò)程，但華北地區(qū)對(duì)流層上層以輻散為主。

就本次過(guò)程平均而言，華北地區(qū)在對(duì)流層中低層受到氣旋性環(huán)流異?？刂?圖5k)，而在對(duì)流層上層則受中心位于東北地區(qū)的反氣旋性環(huán)流異常CN和中心位于閩贛地區(qū)的氣旋性環(huán)流異常CS的共同作用(圖5l)。異常輻散風(fēng)在對(duì)流層中低層輻合，在對(duì)流層上層輻散，這種低層至高層的斜壓環(huán)流結(jié)構(gòu)有利于極端強(qiáng)降水事件的發(fā)生發(fā)展。特別注意到，在850 hPa上，自南海向中國(guó)東北存在波列狀“反氣旋AE—?dú)庑鼴E—反氣旋CE”的環(huán)流結(jié)構(gòu)，隨著氣旋移動(dòng)至華北地區(qū)，利于該地區(qū)在對(duì)流層低層輻合，進(jìn)而推進(jìn)了此次過(guò)程的發(fā)生。在300 hPa上，有急流軸北側(cè)的“反氣旋AN—?dú)庑鼴N—反氣旋CN”和南側(cè)的“氣旋AS—反氣旋BS—?dú)庑鼵S”波列狀的環(huán)流結(jié)構(gòu)。CN和CS之間的東南風(fēng)及相應(yīng)的輻散氣流對(duì)850 hPa上BE處的輻合作為補(bǔ)償，利于極端強(qiáng)降水事件的發(fā)生。

圖5 2016年7月18—22日華北地區(qū)逐日和過(guò)程平均的850 hPa(a、c、e、g、i、k)和300 hPa(b、d、f、h、j、l)上流函數(shù)異常(陰影， 單位: 106 m2·s-1)及相應(yīng)異常旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)(流線， 單位: m·s-1)和異常輻散風(fēng)場(chǎng)(箭矢， 單位: m·s-1)(圖中字母表示氣旋或反氣旋中心編號(hào);字母下標(biāo)“E”表示“東”;“N”和“S”則分別表示“北”和“南”): (a、b) 18日; (c、d) 19日;(e、f) 20日; (g、h) 21日; (i、j) 22日; (k、l) 過(guò)程平均 Fig.5 Daily and average anomalous circulations at 850 hPa (a， c， e， g， i， k) and 300 hPa (b， d， f， h， j， l) of the stream-functions (shaded， unit: 106 m2·s-1)， rotational component (streamlines， unit: m·s-1)， divergent component (arrows， unit: m·s-1) of the anomalous winds in North China from 18 to 22 July， 2016 (The letters indicate the number of the cyclone or anticyclone center， and the subscript “E” indicates “East”， while “N” and “S” indicate “North” and “South” respectively): (a， b) July 18; (c， d) July 19; (e， f) July 20; (g， h) July 21; (i， j) July 22; (k， l) mean

圖6 2016年7月18—22日華北地區(qū)逐日以及本次過(guò)程平均的850 hPa(a、c、e、g、i、k)和300 hPa(b、d、f、h、j、l)上擾動(dòng)位勢(shì)高度場(chǎng)(陰影， 單位: 10 m)與相應(yīng)的波作用通量(矢量， 單位: m2·s-2)及其散度(等值線， 實(shí)線表示正值; 虛線表示負(fù)值; 單位: 10-5 m·s-2): (a、b) 18日;(c、d)19日;(e、f)20日; (g、h) 21日; (i、j) 22日; (k、l) 過(guò)程平均Fig.6 Daily and average potential height perturbations (shaded， unit: 10 m) and horizontal components of wave activity flux (vectors， unit: m2·s-2) at 850 hPa (a， c， e， g， i， k) and 300 hPa (b， d， f， h， j， l)， and its divergence (contours， solid lines are positive values， dashed lines are negative values; unit: 10-5m·s-2) in North China from 18 to 22 July， 2016: (a， b) July 18; (c， d) July 19; (e， f) July 20; (g， h) July 21; (i， j) July 22; (k， l) mean

圖7 華北地區(qū)區(qū)域極端強(qiáng)降水事件中引起渦動(dòng)動(dòng)能變化的各項(xiàng)的整層積分(1 000～100 hPa)隨時(shí)間的變化(單位: 10-2m2·s-3; 其中(b)中Kpr為Ke3與Ke4之和; 其他曲線同a圖 )Fig.7 The temporal variations of terms (unit: 10-2 m2·s-3) including Ket，Ke1， Ke2，……，Ke7 and Kpr integrated vertically from 1 000 hPa to 100 hPa， which induce the eddy kinetic energy to change during the extreme heavy precipitation in North China， where Kpr is the sum of Ke3 and Ke4

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，波作用通量在中國(guó)東部區(qū)域性極端日降水事件中可以反映出波擾能的傳播過(guò)程[38-39]，因此，圖6計(jì)算Wr以了解在極端強(qiáng)降水發(fā)生期間，Rossby波能量在不同等壓面上的水平頻散特征。我國(guó)東部的對(duì)流層低層850 hPa存在顯著的擾動(dòng)能量自南向北的傳播(圖6左列)，這與850 hPa上存在的“AE—BE—CE”波列狀擾動(dòng)(圖5a)一致。北向的波擾動(dòng)能量通量在19—20日最為明顯，這兩日也是降水最為集中，而18日和21—22日的擾動(dòng)能量的傳播相對(duì)較弱，與本次降水的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間較為一致。相應(yīng)地，在40° ～ 70°N的對(duì)流層上層300 hPa上存在正負(fù)正的Rossby波列結(jié)構(gòu)，擾動(dòng)位勢(shì)高度的正、負(fù)值中心移動(dòng)略有東移，強(qiáng)度也是先增強(qiáng)后減弱。而從波作用通量則可以看出，高空擾動(dòng)能量主要呈現(xiàn)緯向傳播，這與圖5b的南北兩支波列狀擾動(dòng)對(duì)應(yīng)，在19—22日華北地區(qū)的Wr有較為明顯的輻合輻散變化。這對(duì)高空擾動(dòng)能量的維持起到重要作用。

3 華北極端強(qiáng)降水事件期間的能量變化

3.1 渦動(dòng)動(dòng)能變化

利用渦動(dòng)動(dòng)能方程(3)可診斷華北地區(qū)本次極端強(qiáng)降水過(guò)程的渦動(dòng)動(dòng)能隨時(shí)間的變化情況。由圖7a所給出的整層積分(1 000 ～ 100 hPa)的各項(xiàng)變化情況可以看出，方程的貢獻(xiàn)大項(xiàng)為Ke3和Ke4，其中Ke3在19—22日為負(fù)，Ke4在18—22日為正，雖然這兩項(xiàng)對(duì)渦動(dòng)動(dòng)能變化的貢獻(xiàn)相反但同時(shí)在20日達(dá)到極值。然而，若我們采用不同的表達(dá)方式，將Ke3和Ke4合并且定義為動(dòng)能轉(zhuǎn)化項(xiàng)(Kpr)，此時(shí)整層積分(1 000～100 hPa)的各項(xiàng)變化情況如圖7b所示。由圖可見(jiàn)，Ket在19—20日為正，21—22日轉(zhuǎn)為負(fù)，表明華北地區(qū)于18—19日能量積聚增強(qiáng)，隨后擾動(dòng)能量隨時(shí)間減小，這意味著20日可能是降水最強(qiáng)的時(shí)間；Ke1和Ke5在19—20日為正，利于渦動(dòng)動(dòng)能的增強(qiáng)和維持，Ke5的貢獻(xiàn)比Ke1大，并且兩項(xiàng)和Ket均在21日轉(zhuǎn)號(hào)，進(jìn)一步增強(qiáng)了20日為降水最強(qiáng)的時(shí)間的可能性；Kpr在19—22日為負(fù)，利于渦動(dòng)動(dòng)能的減??；Ke7在19—22日為正，利于渦動(dòng)動(dòng)能的維持；Ke2和Ke6對(duì)渦動(dòng)動(dòng)能的貢獻(xiàn)很小。整體而言，Ke1、Kpr、Ke5和Ke7為方程的貢獻(xiàn)大項(xiàng)，Ke2和Ke6相對(duì)而言為小項(xiàng)。在強(qiáng)降水發(fā)生期間，各項(xiàng)變化主要集中在19—22日，渦動(dòng)動(dòng)能在19—20日的增強(qiáng)和維持主要是Ke1、Ke5和Ke7的貢獻(xiàn)，而在21—22日的減弱主要是Kpr的貢獻(xiàn)。

從引起華北地區(qū)渦動(dòng)動(dòng)能變化的各項(xiàng)在2016年7月18—22日的垂直廓線中(圖8)，可以更清晰地看出極端強(qiáng)降水事件發(fā)生時(shí)，各層渦動(dòng)動(dòng)能的變化趨勢(shì)及引起渦動(dòng)動(dòng)能變化的各項(xiàng)的變化趨勢(shì)。從量級(jí)的角度可以發(fā)現(xiàn)，Ke3和Ke4是引起渦動(dòng)動(dòng)能變化的大項(xiàng)，兩項(xiàng)的貢獻(xiàn)相反，殘差項(xiàng)Ke7的貢獻(xiàn)也比較大，其他項(xiàng)相較而言均為小項(xiàng)，這與整層積分所得到的結(jié)果相吻合。從隨高度變化的角度可以看出，各項(xiàng)的變化主要集中在對(duì)流層中上層：Ket在19日的對(duì)流層上層由正轉(zhuǎn)負(fù)，即華北地區(qū)上空的渦動(dòng)動(dòng)能在19日開(kāi)始積聚增強(qiáng)，并在20日得以維持，隨后在21日再次轉(zhuǎn)號(hào)，即能量開(kāi)始消散，渦動(dòng)動(dòng)能的變化與本次降水過(guò)程的發(fā)展減弱有很好的一致性；引起渦動(dòng)動(dòng)能變化的各項(xiàng)的極值也多出現(xiàn)在19日和20日，正、負(fù)轉(zhuǎn)號(hào)也多出現(xiàn)在19—21日，在19日和20日有利于渦動(dòng)動(dòng)能增強(qiáng)并得以維持的主要為Ke1、Ke4(大項(xiàng))和Ke5，在21日使得渦動(dòng)動(dòng)能減弱的則主要為Ke1和Ke3(大項(xiàng))。值得注意的是，渦動(dòng)動(dòng)能的變化Ket與平流輸送項(xiàng)Ke1在本次極端強(qiáng)降水過(guò)程中的變化趨勢(shì)相似。

圖8 2016年7月18—22日華北地區(qū)渦動(dòng)動(dòng)能變化Ket(a)和引起渦動(dòng)動(dòng)能變化的Ke1(b)、Ke2(c)、Ke3(d)、Ke4(e)、 Ke5(f)、Ke6(g)和Ke7(h)的垂直廓線(單位: 10-2 m2·s-3)Fig.8 The vertical profile of (a)Ket, (b)Ke1, (c)Ke2, (d)Ke3, (e)Ke4, (f)Ke5, (g)Ke6, (h)Ke7(a-h， unit: 10-2m2·s-3) in North China from 18 to 22 July， 2016 and the average during the period

3.2 渦動(dòng)通量變化

圖9 華北地區(qū)極端強(qiáng)降水事件的區(qū)域平均(a)向極渦動(dòng)熱量通量發(fā)ν′T′(陰影， 單位：K·m·s-1)和擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)ν′(等值線， 單位: m·s-1)、(b)向上渦動(dòng)熱量通量ω′T′(陰影， 單位: K·Pa·s-1)和擾動(dòng)垂直速度ω′(等值線， 單位: Pa·s-1)、(c)渦動(dòng)動(dòng)量通量(u′ν′陰影， 單位: m2·s-2)和擾動(dòng)緯向風(fēng)場(chǎng)u′(等值線， 單位: m·s-1) 的高度—時(shí)間剖面以及的垂直廓線(單位: 10-5 s-1)Fig.9 Height-time cross-section of regional mean eddy fluxes ν′T′ (a; shaded， unit: K·m·s-1)，ω′T′(b; shaded， unit: K·Pa·s-1) and u′υ′(c; shaded， unit: m2·s-2)， and the vertical profile of unit: 10-5 s-1) during the extreme heavy precipitation in North China; contours for (a-c) are meridional winds perturbations v′(unit: m·s-1)， vertical velocity perturbations w′(unit: Pa·s-1)， and zonal winds perturbations u′ (unit: m·s-1)， respectively

4 結(jié)論

本文對(duì)華北地區(qū)2016年7月18—22日一次極端強(qiáng)降水事件的降水特征及期間的能量變化進(jìn)行了分析，得到結(jié)論如下：

本次降水過(guò)程是自1979—2016年來(lái)發(fā)生在華北地區(qū)的一次較強(qiáng)的持續(xù)性極端降水，降水從18日開(kāi)始并逐漸增強(qiáng)東移，于20日達(dá)到極值后降水減弱東移北上，并在22日結(jié)束，持續(xù)5 d左右，雨帶呈西南—東北走向，中心位于京津冀。水汽主要來(lái)源于孟加拉灣和中國(guó)南海地區(qū)，為極端強(qiáng)降水事件的發(fā)生和維持提供了有利的條件。

極端降水發(fā)生期間，華北地區(qū)在對(duì)流層中低層是輻合型流場(chǎng)，而在對(duì)流層上層是輻散型流場(chǎng)，這種斜壓環(huán)流結(jié)構(gòu)同樣有利于極端強(qiáng)降水事件的發(fā)生發(fā)展，且相應(yīng)地，通過(guò)波作用通量的分布可以看出，低層存在同樣的經(jīng)向波列結(jié)構(gòu)，低層擾動(dòng)能量對(duì)華北地區(qū)的影響較為明顯，且能量傳播最強(qiáng)的兩天與降水最集中的兩天有較好的對(duì)應(yīng)；高層擾動(dòng)能量的緯向傳播明顯，在19—20日的華北地區(qū)上空存在明顯的波能輻合。

大氣能量的積累和轉(zhuǎn)換過(guò)程在中緯度地區(qū)十分活躍[42]，極端天氣氣候事件的發(fā)生發(fā)展與局地能量變化關(guān)系密切，局地能量變化對(duì)局地大氣環(huán)流的異常變動(dòng)亦有重要影響[43-44]。華北地區(qū)的渦動(dòng)動(dòng)能在極端強(qiáng)降水發(fā)生期間變化明顯，在19日顯著增強(qiáng)并在20日得以維持，支持了該地區(qū)20日降水最強(qiáng)這一現(xiàn)象的發(fā)生。Ke3和Ke4是引起渦動(dòng)動(dòng)能變化的貢獻(xiàn)大項(xiàng)，但兩項(xiàng)的作用相反，其中Ke3主要表現(xiàn)為輻散特征，不利于渦動(dòng)動(dòng)能的增強(qiáng)維持，而Ke4則表明斜壓轉(zhuǎn)換強(qiáng)，渦動(dòng)有效位能向渦動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換，有利于渦動(dòng)動(dòng)能的維持。此外，Ke7對(duì)渦動(dòng)動(dòng)能的貢獻(xiàn)也較大，其他項(xiàng)相對(duì)而言均為小項(xiàng)，但各項(xiàng)的變化多集中在對(duì)流層中上層。這些變化特征對(duì)極端強(qiáng)降水事件的發(fā)生和維持及其預(yù)測(cè)有指示意義。

華北地區(qū)在極端強(qiáng)降水發(fā)生期間，向極渦動(dòng)熱量通量在對(duì)流層中低層向極、在對(duì)流層上層向赤道，表明低層有暖濕空氣向北輸送，高層有干冷空氣向南輸送；而向上渦動(dòng)熱量通量在對(duì)流層低層和對(duì)流層頂為冷上升，在對(duì)流層中上層為暖上升，其與渦動(dòng)有效位能向渦動(dòng)動(dòng)能的斜壓轉(zhuǎn)換有關(guān)，渦動(dòng)熱量通量在20日達(dá)到最強(qiáng)，表明當(dāng)時(shí)斜壓轉(zhuǎn)化最強(qiáng)，因而該日降水也是此次降水過(guò)程最強(qiáng)的一天。同時(shí)，渦動(dòng)動(dòng)量通量的變化主要集中在對(duì)流層中上層，其在一定程度上起到了加強(qiáng)作用，進(jìn)而使得渦動(dòng)動(dòng)能增強(qiáng)，有利于極端強(qiáng)降水事件的發(fā)生。

需要說(shuō)明的是，本文以華北地區(qū)2016年7月的極端強(qiáng)降水事件發(fā)生期間的能量變化分析為主。由于這次天氣過(guò)程顯示出降水中心有較快的東移現(xiàn)象(圖3和圖4)，Rossby波包的傳播特征僅通過(guò)波擾動(dòng)能量通量Wr來(lái)顯示(圖6)。波包的空間結(jié)構(gòu)及移動(dòng)特征如何仍需進(jìn)一步分析。另外，該地區(qū)其他降水事件發(fā)生時(shí)是否有同樣現(xiàn)象仍需進(jìn)一步研究。

致謝：中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn/)提供的中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)和NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center(https:∥www.noaa.gov/)提供的再分析資料；文中插圖使用NCL軟件繪制。