一次垂直切變不穩(wěn)定背景下的重力波過程分析

覃 皓

（廣西壯族自治區(qū)氣象臺，南寧 530022）

引言

重力波是大氣內部的基本波動之一。在穩(wěn)定層結中，氣塊在垂直方向受到擾動后在浮力和重力作用下產生周期性振蕩，這種浮力振蕩在連續(xù)介質中傳播形成重力波［1］。重力波的活動對天氣演變具有重要影響［2，3］。在華南地區(qū)，徐燚等［4］研究表明重力波可作為暖區(qū)暴雨的觸發(fā)機制之一，重力波由鋒面?zhèn)鞑ブ僚瘏^(qū)時，其帶來的散度或垂直速度擾動可以觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，產生對流。Du 和Zhang［5］則發(fā)現(xiàn)重力波與對流間存在強烈的相互作用，重力波可以觸發(fā)并調控對流的發(fā)展，而對流產生的潛熱加熱又對重力波起到正反饋作用。

關于重力波的發(fā)生發(fā)展機制，前人研究表明，高山地形［2，6］、切變不穩(wěn)定［1，7］、急流［8-9］、鋒面［4，10］以及對流［5，11］等都可以觸發(fā)重力波。其中，當大氣層結穩(wěn)定時，垂直方向上的切變不穩(wěn)定常由高空急流造成的強垂直風切變引起，切變越大對應重力波強度越強［12-13］。在垂直切變不穩(wěn)定背景下，重力波能夠從環(huán)境氣流中獲得自身發(fā)展所需要的擾動能量［14］。

冬季南支西風急流強盛，位于20°～30°N 之間，正好覆蓋廣西上空。這種風速和風向隨高度的大幅轉變有利于垂直切變不穩(wěn)的發(fā)展，為重力波的激發(fā)提供擾動背景。然而前人對重力波個例的研究多集中于高海拔地區(qū)，關于廣西地區(qū)重力波過程的分析較少。因此，本文選取2022 年1 月30—31 日廣西中部至南部的一次重力波過程進行分析診斷，以進一步加深對重力波發(fā)展及傳播機理的理解與認識。

1 資料和方法

采用常規(guī)氣象觀測資料，天氣雷達組合反射率資料以及歐洲中期天氣預報中心ERA5 逐小時再分析資料（分辨率0.25°×0.25°，包括位勢高度、溫度、比濕、風場和地表氣壓等）。

本文利用Morlet 小波分析［1，4］以及帶通濾波診斷各物理量時間序列中的重力波信號。選取?θse/?p＞0 作為層結對流不穩(wěn)定判據，θse為假相當位溫。計算垂直水汽通量Fv=-ω·q 診斷水汽在垂直方向上的輸送，ω 是以Pa·s－1為單位的垂直速度，則Fv＞0 表征水汽垂直向上輸送。

利用Richardson 數診斷上述過程中的切變不穩(wěn)定，其表達式如下：

2 過程概況

2.1 回波特征

2022 年1 月30 日17 時—31 日08 時，廣西中部至南部出現(xiàn)了大面積的帶狀回波，回波自西南向東北方向移動?；夭◣С饰鞅保瓥|南向的橫向排列，與其移動方向垂直，并表現(xiàn)出明顯的波動特征（圖1）。17—19 時，百色、南寧和崇左一帶出現(xiàn)零星的分散回波，強度較弱，反射率因子在30dBZ 左右（圖1a）。19—22 時，零星回波逐漸變得密集，沿其移動方向開始呈現(xiàn)波動排列特征，強度也有所增強（圖1b）。23 時—31 日01 時，桂南沿海一帶也出現(xiàn)與上述回波相似特征的回波帶，沿西南東北向排列成串。隨后桂西南一帶不斷有回波生成并向東北方向移動（圖1c）。02—05 時，這種波動形勢最為顯著，范圍覆蓋桂中、桂南，回波強度達到最強，中心達40dBZ 以上（圖1d、1e）。06—08 時，桂中地區(qū)的波動形勢逐漸減弱，而桂南一帶仍維持（圖1f），在09 時以后才逐漸衰退。

受上述回波影響，廣西出現(xiàn)了中到大雨程度的較強降水，過程產生自南向北三條雨帶，雨帶排列與回波移動方向（波列）平行，分別對應圖1c 中的線段AB、CD 和EF。此外，由于AB、CD 和EF 的垂直剖面上存在相似的特征，下文主要給出AB 剖面的結果。

2.2 環(huán)流形勢

整個過程廣西處于500hPa 南支槽前的西南氣流中，南支槽維持在100°E 附近，槽前西南氣流逐漸增強達到急流標準。30 日14 時桂南一帶500hPa 風速達到25m·s－1，隨后急流范圍逐漸增大，20 時已經覆蓋整個廣西上空，其中桂中桂南一帶風速達到30m·s－1。低層850hPa 上切變線位于黔桂交界，廣西上空為東南氣流，桂南一帶風速在夜間20 時至31日05 時左右達到急流強度，具有較好的水汽輸送條件。高低層的風場配置構成了明顯的垂直風切變。此外，地面冷鋒位于沿海，整個過程發(fā)生在冷空氣一側。

2.3 環(huán)境條件

此次過程發(fā)生在桂中桂南一帶，因此選取30 日20 時南寧和北海的探空進行分析。在熱力條件上，兩個區(qū)域上空均呈現(xiàn)上干下濕的層結特征，在600hPa 以下大氣均為飽和狀態(tài)。其中，南寧站探空顯示在冷墊之上的925～850hPa 存在一個靜力穩(wěn)定層結，溫度隨高度遞增，這一特征在北海探空曲線上也有所體現(xiàn)。靜力穩(wěn)定層結的存在為重力波的傳播提供了必要條件［7］。動力條件上，強垂直風切變是激發(fā)重力波波源的重要因子［8，13］。南寧和北海探空站均顯示出明顯的風場隨高度轉變，在近地面層為偏東風，隨高度增高風速遞增并逐漸順時針旋轉為強西風，0～6km 垂直風切變分別約為36m·s－1和30m·s－1，均屬于強的深厚垂直風切變。

3 重力波診斷

以上分析表明，環(huán)流形勢以及環(huán)境條件具備了重力波產生和傳播的必要條件，同時雷達回波也存在明顯的波動特征，以下進一步證實此次過程中存在重力波的活動，并討論其發(fā)展和傳播規(guī)律。

3.1 重力波判別

提取垂直速度的波動信號可以較好地識別重力波［4，7］?？紤]到南寧站上空的大氣層結有利于重力波傳播，同時925hPa 上垂直速度由西南向東北方向呈現(xiàn)出正負相間的分布特征（圖2），取南寧探空站附近格點（108°E，23°N）925hPa 的垂直速度時間序列進行小波分析。結果如圖3a 所示，垂直速度在30 日16 時至31 日08 時存在顯著的5～7h 波動周期，在該階段重力波的活動信號最為明顯，這也與雷達反射率呈現(xiàn)出波動特征的時間段相符（16 時已有零星弱回波出現(xiàn)）。其中，波動能量在30 日22 時—31 日07 時達到最強，對應回波強度也達到最大（圖1c—1e，圖2）。

為進一步驗證上述重力波信號，對該點30 日08 時—31 日20 時925hPa 位溫、垂直速度以及地表氣壓標準化時間序列進行5～7h 帶通濾波?？梢钥吹?，16 時以后位溫、垂直速度以及地表氣壓存在明顯的相位差。位溫最大擾動超前于垂直速度最大值，而地表氣壓最大擾動又落后于后者，三者間位相相差π／2（圖3b），符合重力波的極化特征［5，15-16］。

綜上可以證實，此次過程受到周期為5～7h 的重力波影響。

3.2 重力波發(fā)展

當穩(wěn)定層結存在時，較強的垂直風切變能促進重力波的發(fā)展，重力波隨風速垂直切變增大而增強［13，17］。圖3c 表明30 日傍晚到夜間垂直風切變存在逐漸增強的過程。在14 時左右，中低層間的垂直風切變開始增強，在16 時開始維持較大強度，對應此時開始出現(xiàn)明顯的極化特征（圖3b）。在31 日后半夜07 時左右，垂直風切變有一定的減弱，此時波動特征也逐漸消失（圖1f，3a）?？梢?，垂直風切變帶來的不穩(wěn)定對重力波的發(fā)展具有重要貢獻。

由圖4（a—c）所示，30 日18 時，Richardson 數小于0.25 的區(qū)域主要位于桂西南一帶（圖4a），此時該地區(qū)存在零星弱回波，波動特征還不明顯。30 日19 時—31 日00 時，切變不穩(wěn)定區(qū)域進一步向東北方向擴展，不穩(wěn)定強度也隨之增強，31 日00 時廣西已大部處于較強的切變不穩(wěn)定環(huán)境中（圖4b，4c），在該階段重力波逐漸發(fā)展成型，波動狀回波的分布也與Richardson 低值區(qū)大致對應（圖1b，1c）。

重力波的成熟及維持需要從環(huán)境基本氣流（平均流）中獲得擾動動能，以補充波動傳播過程中能量的外泄，而Richardson 數的增大可以反映出基本氣流向重力波的能量傳遞過程［1，5，7］。由線段AB 的垂直剖面可見，30 日20 時，低對流層內存在較強的切變不穩(wěn)定（圖4d），隨后在925hPa 附近Richardson 數不斷增大（圖4e，4f），表明此時重力波不斷從基本氣流獲取能量，對應波動特征的發(fā)展成熟（圖1e，1f）。

3.3 重力波傳播

選取重力波發(fā)展成熟階段（31 日01—05 時）分析其傳播特征（圖5）。由垂直速度和位溫的分布可見，垂直速度在近地面層至850hPa 呈明顯的波動特征，正負值（上升與下沉運動）交替分布，而等位溫線也表現(xiàn)為波動狀，并且波谷（波峰）對應于垂直速度的平衡位置，滿足垂直速度場與等位溫面相差π／2位相的重力波極化特征（圖5a—5e）。相應地，垂直運動與水平散度互相匹配，因而散度也呈現(xiàn)出正負交替分布（圖5f—5j），上升（下沉）運動對應低層輻合（輻散）、高層輻散（輻合）。

值得注意的是，在重力波傳播過程中，其抬升擾動的影響可以向上延展至更高的層次，促進高層上升運動的增強，這與Wave－CISK 機制有關［1，5，18］。如31 日01 時，在（108°E，23.5°N）西南側上空700hPa有一強上升中心，垂直速度達到－0.9Pa·s－1（圖5a）。隨著重力波傳播，02 時在（108°E，23.5°N）東北側850hPa 為重力波引起的輻合抬升，上升運動使得水汽不斷向高層輸送（圖5b，5g 和5l）。水汽來到飽和層結中凝結釋放潛熱（由探空曲線以及圖5k—5o 的比濕分布可知，850～700hPa 為飽和層并且絕對水汽量較低層更大），同時上升帶來的絕熱冷卻進一步促進了水汽相變，大量的潛熱加熱反饋使得上升運動向更高的層次延伸，造成更多的水汽凝結至雨。此外，800hPa 以上為對流不穩(wěn)定層結（圖5f－5j），當上升氣流達到該高度時觸發(fā)了不穩(wěn)定能量釋放，位能向動能的轉換進一步增強了上升運動，促進了對流發(fā)展［17］。在上述機制下，原強上升運動中心不斷向下游發(fā)展傳播，并且維持在800hPa 以上。03 時，強上升中心傳播至（109°E，24°N）附近，可以明顯看到強上升區(qū)由925hPa 向上伸展至600hPa（圖5c），同時在對應區(qū)域存在一支向上的水汽輸送帶（圖5m），驗證了上述機制。這種上升氣流從冷墊向上貫穿的配置也與一般的高架對流有所區(qū)別［19-20］。到了05 時，強上升區(qū)已經傳播到（110°E，24.5°N）東北側，隨著重力波能量的耗散，此時上升強度已經減弱至－0.7Pa·s－1（圖5e），水汽的垂直輸送也相應減弱（圖5o）。

綜上，給出此次過程重力波活動的示意圖（圖6）。

4 結論

2022 年1 月30 日—31 日廣西中部至南部出現(xiàn)了大面積具有波動特征的帶狀回波，本文基于常規(guī)觀測以及ERA5 再分析資料對此次過程中重力波的發(fā)展及傳播進行了診斷分析，得出以下結論：

（1）整個過程廣西受南支槽前西南急流控制，強垂直風切變?yōu)橹亓Σǖ陌l(fā)展提供了擾動背景。廣西位于鋒面冷空氣一側，低層靜力穩(wěn)定層結為重力波的傳播提供了必要條件。

（2）小波分析表明此次過程受到周期為5～7h的重力波影響。在過程初期，Richardson 數的減小對應于重力波的發(fā)展，體現(xiàn)了切變不穩(wěn)定對重力波的激發(fā)作用，具有較好的指示意義。在波動成熟和維持階段，Richardson 數的增大則反映了基本氣流向重力波的能量輸送，彌補了波動傳播過程中的能量耗散。

（3）重力波在穩(wěn)定層結中傳播時，波動中的上升運動將水汽向高層輸送，潛熱加熱的正反饋作用使得抬升擾動可以延展至更高層次。在逆溫層之上，上升氣流的發(fā)展觸發(fā)了不穩(wěn)定能量釋放，進一步增強了上升運動，對降水具有一定增幅作用。

本文主要討論了垂直切變不穩(wěn)對此次重力波過程發(fā)生發(fā)展的影響，而關于非地轉的作用并未提及。在高空急流出口區(qū)附近存在明顯的非地轉運動，由此引發(fā)的地轉適應過程同樣可以激發(fā)重力波［8，21］，而地轉適應過程又提前于切變不穩(wěn)定的產生［17，22］，這對于短時預報具有重要意義［23-24］。因此未來工作中需要進一步考慮非地轉平衡的影響。