王興菊，白 慧，楊忠明，吳哲紅

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000;2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002;3.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

貴州省一次連續(xù)性暴雨的濕位渦診斷分析

王興菊1，2，白 慧3，楊忠明1，吳哲紅1

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000;2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002;3.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

該文利用絕熱、無摩擦大氣濕位渦守恒理論和常規(guī)的地面觀測資料、NCEP再分析資料(水平分辨率2.5°×2.5°)，對貴州省2011年6月3—6日連續(xù)性暴雨過程的濕位渦場進行了診斷和分析。結果表明此次暴雨過程發(fā)生在對流層中低層MPV1負值區(qū)和MPV2的正值區(qū)以及θse的高能區(qū)內。濕位渦的正壓項與斜壓項綜合反映了暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。這一判據(jù)將大氣中的對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定很好地聯(lián)系在一起，為暴雨天氣的診斷和實際預報提供了一種思路。

暴雨;濕位渦;診斷分析

1 引言

濕位渦是能同時表征大氣動力、熱力和水汽性質的綜合物理量。近年來，其概念和理論得到了深入的研究和廣泛應用。吳國雄等［1-2］從完整的原始方程出發(fā)，導出了濕位渦方程，證明了絕熱無摩擦的飽和大氣中濕位渦的守恒性，并由此研究了等熵坐標和等壓坐標系中傾斜渦度的發(fā)展理論;李國平、劉行軍［3］分析了西南低渦暴雨的濕位渦分布特征，揭示了濕位渦與強降水的直接關系;田珍富等［4］利用一個考慮了陡峭地形的16層η坐標模式，對1990年一次發(fā)生在湖北遠安縣的局地特大暴雨進行了數(shù)值模擬，他們指出濕相對位渦的變化與暴雨過程的演變有較好的對應關系，指出MPV(濕位渦)的變率的正負對暴雨的發(fā)生及演變起到很好的指示作用。貴州地處烏蒙山脈南端，云貴高原北部，地形復雜，由于其特殊的地理位置和大氣環(huán)流等因素影響，形成了貴州獨有的天氣特征，由持續(xù)性暴雨引發(fā)的洪澇和由突發(fā)性局地暴雨引發(fā)的泥石流等山地災害常有發(fā)生［5］。本文利用絕熱、無摩擦大氣濕位渦守恒理論和常規(guī)的地面觀測資料、NCEP 再分析資料(水平分辨率2.5°×2.5°)，對貴州省2011年6月3—6日連續(xù)性暴雨過程的濕位渦場進行了診斷和分析。結果表明此次暴雨過程發(fā)生在對流層中低層MPV1負值區(qū)和MPV2的正值區(qū)以及θse的高能區(qū)內。濕位渦的正壓項與斜壓項綜合反映了暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。這一判據(jù)將大氣中的對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定很好地聯(lián)系在一起，為暴雨天氣的診斷和實際預報提供了一種思路。

2 降雨實況

實況：2011年6月3—6日，貴州省出現(xiàn)今年入汛以來首場持續(xù)暴雨天氣過程，強降水集中在貴陽市、遵義市中東部、安順市、銅仁地區(qū)、黔西南州北部及東部、黔南州大部、黔東南州中北部地區(qū)，德江、花溪、興仁、貞豐出現(xiàn)大暴雨。累計雨量有20個縣市區(qū)在100 mm以上，31個縣市區(qū)在50～100 mm之間;另有762個鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計雨量在50 mm以上，其中223個鄉(xiāng)鎮(zhèn)在100 mm以上，12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)達200 mm以上，以羅甸縣逢亭鎮(zhèn)的248.9 mm為最大。其中3日08時—4日08時，強降水出現(xiàn)在貴州省的東北部，4日08時—5日08時，強降水出現(xiàn)在貴州省的中東部(圖1)。5日08時—6日08時，強降水出現(xiàn)在貴州省的西南部和東部(圖2)。此次降水過程具有影響范圍廣、持續(xù)時間長、降水強度強、局地災害重等特點，嚴重暴雨洪澇造成望謨、紫云、德江、銅仁、江口、湄潭共6個縣市不同程度受災，望謨縣城進水，山洪還引發(fā)局地泥石流災害。截止6月6日13時，全省共有20.18萬人受災，因災死亡1人、失蹤15人，緊急轉移6.01萬人;農作物受災面積9 383.4 hm2，成災7 011 hm2;倒塌房屋134戶411間，損害房屋2 782間。因災造成直接經濟損失17 001.1萬元，其中農業(yè)直接經濟損失1 219.4萬元。

3 環(huán)流背景和主要影響系統(tǒng)

6月4日08時—5日20時，500 hPa歐亞中高緯環(huán)流為兩槽一脊型，巴爾喀什湖到貝加爾湖之間的50～70°N為阻塞高壓，穩(wěn)定少動，脊前偏北氣流引導低層冷空氣從東北路徑南下影響我國。西太平洋副高北界在23°N附近，其西伸脊點在100°E左右。貴州處于副高西北側的西南氣流控制下，同時在高原上不斷有小槽東移影響。孟加拉灣低槽深厚活躍，不斷有大量的暖濕氣流經中南半島輸送到貴州(圖3a)。700 hPa從長江中下游到四川南部維持一條東西向的切變線，川西有一中心強度為308 dagpm的低渦。

圖3 (a)4日08時—5日20時500 hPa平均高度場(單位：gpm)，(b)4日08時850 hPa天氣形勢圖，(c)4日20時地面天氣形勢圖，(d)5日14時地面天氣形勢圖。

同時在滇東還有一條南北向的切變線，貴州受較強的西南氣流控制(圖略)。4日08-20時850 hPa從湖北經貴州中部到云南中部有一低渦切變，穩(wěn)定少動;5日08時切變有所南壓，切變線從浙江北部經過江西、湖南、貴州中部到云南南部。同時從3日20時起西南急流建立，4-5日維持且有所加強，最大風速達20m·s-1以上，貴州處于急流的左側。低空急流為暴雨區(qū)帶來了大量的暖濕空氣(圖3b)。從6月4日08時—5日20時的地面圖演變來看(圖3c，3d)，在這段時間內，貴州中西部到云南東部一直為一個低壓系統(tǒng)控制，且在江西、湖南直到貴州的中部偏南一線始終有靜止鋒維持，四川到青海一帶則維持一個弱的小高壓。分析14時和20時的24 h變溫可見，貴州北部到四川有負變溫，而貴州中南部始終維持正變溫。這一現(xiàn)象說明，由于近地面低空急流的存在，帶來了大量的暖濕氣流，所以貴州中南部一直處于高溫高濕的狀態(tài)。四川一帶由于有弱冷空氣侵入，氣壓場表現(xiàn)為小高壓，變溫場也表現(xiàn)為負變溫。在這種冷暖空氣交匯的情況下，西南暖濕氣流遇冷空氣抬升，使上升運動加強，激發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，近而在輻合上升運動強的地區(qū)生成中尺度對流云團，產生強對流和強降水天氣。從以上分析可以看出，此次持續(xù)性暴雨出現(xiàn)在中高緯長波系統(tǒng)穩(wěn)定時期，低緯度則是西太平洋副高位置穩(wěn)定適中，且低層低渦切變移動緩慢，地面靜止鋒維持的情況下。中尺度對流系統(tǒng)是此次過程的主要影響系統(tǒng)。

4 濕位渦(MPV)分析

4.1 濕位渦正壓項(MPV1)的分布

從沿暴雨中心沿26°N處MPV1的經向剖面圖中看到(圖4)：4日08時650 hPa以下為負值區(qū)，為對流不穩(wěn)定區(qū)，在100 ～108°E之間有一個 -60PVU的中心，位于800～900 hPa之間，在與負值區(qū)對應的范圍內，600～400 hPa為正值區(qū)，中心強度值為20 PVU。14時負值中心東移到105 ～111°E，中心值迅速增強，達到-144 PVU，與之對應的600 hPa以上的正值中心達到24 PVU。從500 hPa向下有一“漏斗”形高濕位渦區(qū)伸展，高位渦(12 PVU)的范圍伸展到了600 hPa附近，表明對流層高層為對流穩(wěn)定區(qū)，冷空氣向下入侵。到4日20時(圖略)，對流層高層高值帶減弱，負值區(qū)抬升到了500 hPa附近，負值中心值強度減弱，范圍縮小，強中心在850 hPa附近，中心值為-96 PVU，一直到5日08時繼續(xù)減弱。到了5日14時強度再次迅速增強，強中心仍然在貴州范圍內，中心值達到-188 PVU，到5日20時后又減弱。在暴雨發(fā)生前的4日14時和5日14時，對流層高層正的大值區(qū)對應著對流層低層負值中心，這將有利于低層的不穩(wěn)定能量大大釋放，對流不穩(wěn)定迅速發(fā)展。這種MPV1“正負值區(qū)垂直迭加”的配置是暴雨發(fā)生發(fā)展的有利形式。

這次暴雨過程發(fā)生在對流層中低層MPV1負值區(qū)內。暴雨產生前中低層850 hPa和700 hPa貴州為負值控制，表明大氣處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦有冷空氣觸發(fā)潛在不穩(wěn)定能量釋放，將產生對流性強降水天氣。在MPV1等值線相對密集的零線附近，正是冷暖空氣交匯的地帶，有利于水汽輻合，垂直渦度劇烈發(fā)展。

4.2 等壓面上濕位渦斜壓項(MPV2)分布

濕位渦斜壓項的大小決定于水平風的垂直切變和相當位溫的水平梯度，所以其值越大表明大氣的斜壓性越強。從沿暴雨中心26°N處MPV2的經向剖面圖中看出(圖5)：6月4日08時，在100 ～108°E范圍內，750～850 hPa之間，有一個中心值為-2 PVU的負值中心，在700 hPa以上到300 hPa之間為零值區(qū)。到14時貴州中東部在750～850 hPa之間開始出現(xiàn)正值區(qū)，中心值為4 PVU，表明此處開始有對流云團產生。到20時，在貴州中東部地區(qū)800～850 hPa上有3 PVU的正值區(qū)，在750～650 hPa上有-3 PVU的負值中心，貴州西部處于正負值的過渡帶，斜壓性非常強，這種形式有利于強對流的發(fā)展，易產生暴雨。

到5日02時整個貴州范圍內變?yōu)樨撝担?日08時貴州范圍內開始出現(xiàn)0.5 PVU的正值區(qū)。14時，增大為1 PVU，20時正值區(qū)抬升到650 hPa左右，貴州西部正值中心為2 PVU，到5日02時，正值區(qū)抬升到了600 hPa，5日夜間貴州出現(xiàn)了強降水，2縣出現(xiàn)大暴雨，10縣市出現(xiàn)暴雨，27縣市出現(xiàn)大雨;另外有1個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)特大暴雨、25個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)大暴雨、174個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨，以羅甸縣逢亭鎮(zhèn)的239.5 mm最大。其中大部分的強降水主要出現(xiàn)在貴州的中部以西地區(qū)。

由于MPV1的絕對值明顯比MPV2大，MPV1分布與濕位渦MPV的分布大致相同，負值中心位置也比較一致。MPV2的數(shù)值雖說常常比MPV1約小一個量級，但MPV2表達式中風隨高度的變化和相當位溫的梯度表明，數(shù)值越大說明大氣的斜壓性越強，大氣的斜壓性可轉化成正壓位渦擾動，有利于氣旋性渦度發(fā)展，利于暴雨的產生。同時MPV2絕對值的增大，可以反映大氣的斜壓不穩(wěn)定的增強，因為MVP2的表達式中含有等相當位溫面的坡度項，斜壓不穩(wěn)定決定于等位溫面的坡度。因此，濕位渦的正壓項與斜壓項綜合反映了暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。這一判據(jù)將大氣中的對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定很好地聯(lián)系在一起，為暴雨天氣的診斷和實際預報提供了一種思路。

5 能量場分析

5.1 θse剖面特征

從850 hPa上θse沿26°N的經度—間剖面圖分析(圖6)，4日和5日的14—20時在貴州范圍內都有θse的大值中心，其中4日的大值區(qū)出現(xiàn)在貴州省的東部地區(qū)(106～112°E)，中心值達到了390 K，5日的大值區(qū)出現(xiàn)在貴州省的中東部地區(qū)(104～111°E)，中心值達到了385 K，這與4日和5日貴州出現(xiàn)的強降水范圍是吻合的，表明強降水區(qū)域在強降水開始前維持高能。

圖6 2011年6月4—6日 850 hPa上 θse沿26°N的經度—時間剖面(單位：K)

5.2 物理量場分析

從6月4日和5日20時比濕場和垂直速度場沿26°N的垂直剖面圖來看：4日20時在貴州范圍內存在強烈的上升中心，在850 hPa附近達到最大上升值-0.18 hPa/s，上升氣流達到500 hPa。在濕度場上，貴州中西部強上升區(qū)對應的范圍內，850 hPa上也存在濕度中心，在103～109°E之間比濕達到80 g/kg。5日20時，在貴州范圍內也存在上升氣流和比濕中心，垂直速度中心值達到了-0.1 hPa/s，上升氣流達到了650 hPa，比濕中心達到800 hPa。說明在6月4日20時和5日20時，貴州已經具備產生暴雨的條件，即強烈的上升運動和水汽條件。

從6月4日和5日20時水汽通量散度場沿26°N的垂直剖面圖來看：4日20時在貴州中西部地區(qū)存在水汽通量散度負值中心，中心值達到了-25 g/s·cm·hPa。到5日20時，貴州范圍內仍然存在水汽通量散度負值中心，中心值達到了-15 g/s·cm·hPa，說明整個過程中貴州范圍內均存在水汽通量的輻合，源源不斷的水汽在貴州地區(qū)聚集。從6月4日和5日20時流場沿26°N的垂直剖面圖來看：850 hPa上以偏南氣流為主，在700 hPa上貴州中部地區(qū)存在西南風和東北風的切變，在700 hPa與600 hPa之間存在西南風和西北風的輻合帶，500 hPa以上出現(xiàn)了西風急流，最大風速達到20 m/s。到5日20時，700 hPa上切變仍然很明顯，在700 hPa與600 hPa之間也存在明顯的輻合區(qū)，500 hPa以上盛行西風氣流，最大風速達到10 m/s。

圖7 2011年6月4日20時、5日20時比濕場和垂直速度場沿26°N的經向垂直剖面圖

通過對6月4日和5日20時流場沿26°N的垂直剖面圖的分析可以看到，大暴雨區(qū)位于高空和低空風速切變最大區(qū)的疊加之處。這正是高空急流和低空急流耦合形成最有利暴雨發(fā)生的動力場的區(qū)域。高空急流右側的上升區(qū)與低空急流左側的上升區(qū)相重疊，形成深厚的、強烈的上升運動。

6月4日20時500 hPa環(huán)流形勢來看(圖9)，貴州受槽前西南氣流影響，在105°E附近為渦度平流的0值區(qū)，貴州處于正負渦度平流的過渡帶，槽前有正渦度平流，槽后有負渦度平流;溫度場來看，貴州也處于冷暖平流的過渡帶，槽前為暖平流，槽后為冷平流。5日20時500 hPa環(huán)流形勢來看，在103°E和24°N附近，貴州的西南地區(qū)，也出現(xiàn)了冷暖平流和正負渦度的交匯。

有利的動力場決定了大暴雨的落區(qū)。暴雨的發(fā)生區(qū)與動力場的強中心相一致。這種由于高低空急流適宜配置而形成的高低層動力場的耦合是這次暴雨發(fā)生的主要動力條件。

6 小結

①2011年6月3—6日貴州強降水主要是由于南支槽不斷分裂東移，配合中低層的槽線、低渦和地面冷鋒以及冷暖平流和正負渦度的交匯的共同影響造成的。

②此次暴雨過程發(fā)生在對流層中低層MPV1負值區(qū)和MPV2的正值區(qū)以及θse的高能區(qū)內。濕位渦的正壓項與斜壓項綜合反映了暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。這一判據(jù)將大氣中的對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定很好地聯(lián)系在一起，為暴雨天氣的診斷和實際預報提供了一種思路。

③此次暴雨發(fā)生前貴州有強烈的上升運動和充沛的水汽輸送，暴雨的發(fā)生區(qū)與動力場的強中心相一致。這種由于高低空急流適宜配置而形成的高低層動力場的耦合是這次暴雨發(fā)生的主要動力條件。

［1］ 吳國雄，蔡雅萍，唐曉菁.濕位渦和傾斜渦度發(fā)展［J］.氣象學報，1995，53(4)：387-404.

［2］ 吳國雄，蔡雅萍.風垂直切變和下滑傾斜渦度發(fā)展［J］.大氣科學，1997，21(3)：273-281.

［3］ 李國平，劉行軍.西南低渦暴雨的濕位渦診斷分析［J］.應用氣象學報，1994，5(3)：354-360.

［4］ 田珍富，滕俏彬，王作述.一次局地特大暴雨濕位渦的中尺度分析［J］.熱帶氣象學報，1998，14(2)：163-172.

［5］ 張潤瓊，劉艷雯，沈桐立.貴州大暴雨的濕位渦診斷分析［J］. 災害學，2007，22(4)：6-11.

P458.1+21.1

B

1003-6598(2012)02-0011-06

2011-08-16

王興菊(1980—)，女，工程師，主要從事短期天氣預報預測工作。

中國氣象預報員專項項目“貴州西南部暴雨不穩(wěn)定性分析(CMAYBY2012-053)”、貴州省氣象局青年科技基金QN2009-07共同資助。