王曉勤，黃艷芳

（1.南京大學大氣科學學院，江蘇南京210008；2.民航湖北空管分局，湖北武漢430302）

0 引言

Q矢量自從1978年Hoskins等人提出以來，不僅在實際業(yè)務工作中得到廣泛應用，而且在理論上也得到不斷地完善與發(fā)展［1－5］.半地轉Q矢量、非地轉Q矢量，完全Q矢量概念的提出，使人們對Q矢量的理論研究工作達到較高的水平，Q矢量方法被譽為業(yè)務垂直運動估算的高級方法［6－7］.用Q矢量診斷方法解釋暴雨的次級環(huán)流，將對暴雨過程的中尺度系統(tǒng)有更清楚的認識.2011年6月18日武漢天河機場出現(xiàn)大暴雨天氣，24h地面降雨量達到196mm，造成返航、備降或取消的航班多達20余架次，嚴重影響機場的正常運轉，這是一次冷空氣、低渦和準靜止鋒相互作用而產生的較為典型的梅雨鋒暴雨.中尺度系統(tǒng)在其中起到關鍵作用.暴雨發(fā)生和持續(xù)除了要有充足的水汽、濕不穩(wěn)定層結等條件外，強烈的垂直上升運動必不可少，大氣中熱量和動量的垂直輸送以及大氣中位能和動能之問的相互轉換都與垂直運動有密切關系，因而垂直運動常被作為天氣系統(tǒng)生成和發(fā)展的一個重要指標.本文中對暴雨過程的環(huán)流概況等作了分析，利用完全Q矢量對其進行診斷，分析完全Q矢量散度分布及演變與暴雨發(fā)生發(fā)展的關聯(lián)度，探討完全Q矢量中動力學過程和由于凝結潛熱釋放所產生的非絕熱過程對中尺度暴雨系統(tǒng)次級環(huán)流的強迫作用，分析暴雨形成的內在機理，提出暴雨預報的新思路.濕位渦的分析表明，對流層低層在暴雨期間始終維持對流性不穩(wěn)定及斜壓不穩(wěn)定，具有濕不穩(wěn)定層結，中層有冷空氣加入，導致暴雨的持續(xù)發(fā)展及強對流的發(fā)生.

1 暴雨過程概況

圖1 武漢2011年6月17日20∶00～18日20∶00逐小時降雨量

2 011年6月17日20∶00～6月18日20∶00，受大氣中低層低渦和地面梅雨鋒系統(tǒng)的共同影響，湖北省出現(xiàn)了一次大范圍的降雨局地大暴雨過程.湖北省共有28站出現(xiàn)暴雨，20站出現(xiàn)大暴雨，3站出現(xiàn)特大暴雨.其中武漢市黃陂區(qū)武湖站和新洲區(qū)潘塘站的降雨量分別達到了243mm和212 mm.如圖1所示，武漢天河機場6月17日20∶00～18日20∶00機場地面降雨總量為192mm，其中在6月18日10∶00～13∶00出現(xiàn)降雨高峰，每小時降雨量大于25mm.此次特大暴雨造成了武漢市區(qū)內多處嚴重的道路漬水、交通堵塞、房屋倒塌，直接經濟損失達數(shù)億元人民幣，同時也給機場的航空運輸和管制指揮帶來了極大的困難，因天氣原因造成的返航、備降或取消的航班多達20余架次.

2 天氣形勢簡析

這次的暴雨形成的主要原因是，暴雨產生期間，500hPa貝加爾湖附近形成明顯的阻塞高壓，冷空氣不斷地從北方侵襲南下，青藏高原南側的南支槽加深發(fā)展，中低層長江流域不斷有低渦形成東移.冷暖空氣在梅雨鋒上強烈地輻合，同時強勁的西南低空急流源源不斷地輸送高能水汽，形成深厚的不穩(wěn)定層結，從而導致了這次特大暴雨過程.6月18日08∶00及20∶00，對流層高層200～300hPa在35°N附近維持一支明顯的偏西風急流，急流帶狹窄.6月18日08∶00、850hPa湖南北部至華東也有明顯的低空西南風急流出現(xiàn)，它們均對暴雨的形成起重要作用.

3 診斷方程

張興旺等［4，8］推導出考慮水汽、非絕熱作用、準靜力平衡及無粘性摩擦條件下P坐標系中的ω方程為：

其中完全Q矢量為Q（Qx，Qy），而

（1）式是以完全Q矢量散度為唯一強迫項的完整ω方程，由（2）式、（3）式可知完全Q矢量取決于風的水平切變和垂直切變的差異效應，風的水平梯度和溫度梯度的乘積以及凝結潛熱釋放產生非絕熱效應.根據(jù)任何波動形式的物理量的拉普拉斯與該物理量本身負值成正比的關系，則有ω∝ ·Q，當 ·Q＜0時，ω＜0，為上升運動，反之為下沉運動.完全Q矢量的輻合是產生ω的強迫機制.研究表明，暴雨過程中凝結潛熱釋放的加熱效應比輻射冷卻效應要強得多.因此，以下的非絕熱過程主要指潛熱釋放效應.

QD和QL分別表示對ω方程的動力學強迫和非絕熱強迫.同樣，對ω做類似分解

其中ωD和ωL分別表示由動力學和非絕熱過程強迫產生的垂直運動，則可以得到

通過以上兩式可以診斷動力學過程QD和非絕熱（潛熱釋放）過程QL對垂直速度ω的強迫作用.

4 暴雨過程完全Q矢量的診斷分析

4.1 完全Q矢量在x和y方向的分布 圖2為6月18日08∶00、850hPa時，完全Q矢量在x和y方向的分布圖.從圖中可見Qx與Qy的負值區(qū)位置相似，在長江流域均分布著兩個中尺度低值區(qū)，相對Qy而言，Qx的中心值更小.從分布的走向看，Qy的負值區(qū)分布更接近實際降雨圖.

圖2 武漢2011年6月18日08∶00、850hPa時，完全Q矢量在x方向（a）、y方向（b）的分布圖（單位：10－10 m·hPa－1·S－3）

4.2 完全Q矢量散度分析 分析這次暴雨過程中850hPa時的完全Q矢量散度分布圖發(fā)現(xiàn)，暴雨開始前的6月17日20∶00，完全Q矢量散度有兩個負值中心，第一個在湖北省中西部，第二個在安徽省北部，湖北省東南部的武漢地區(qū)處于兩個負值中心之間的輻散帶中（圖略）.6月18日08∶00，如圖3（a）所示，完全Q矢量散度的輻合區(qū)已向東移動，第一個輻合區(qū)中心值加強為—50×10－15hPa·S－3，湖北省東南部的武漢地區(qū)第一時段的降雨出現(xiàn)在第一個完全Q矢量散度輻合區(qū)中，強降雨落區(qū)與第一個輻合區(qū)中心位置較吻合.湖北省西北部地區(qū)則處在完全Q矢量散度正值區(qū)中，為下沉氣流區(qū)，存在明顯的輻散，對應的這些下沉氣流區(qū)實況均無降雨發(fā)生.6月18日20∶00后，完全Q矢量散度的輻合區(qū)中心強度逐漸減弱.6月19日08∶00，如圖3（b）所示，完全Q矢量散度的輻合區(qū)繼續(xù)向東南方向移動，第一個輻合區(qū)中心移至湖南北部地區(qū)，中心值減弱為—20×10－15hPa·S－3，第二個輻合區(qū)中心移入浙江省東部.湖北省武漢地區(qū)的完全Q矢量散度由負值迅速變化為0，輻合作用明顯減弱，與之對應的是該地的降雨強度也明顯減弱，完全Q矢量散度輻合區(qū)與強降雨落區(qū)有較好的對應關系，較好地反應出降雨過程中中低層輻合區(qū)位置，輻合區(qū)的大小和強弱也可作為降雨預報的參考.

4.3 動力學過程QD和非絕熱（潛熱釋放）過程QL對垂直速度ω的強迫作用分析 分析圖4（a）、圖4（b），從6月18日08∶00、850hPa時的QD和QL散度水平分布圖發(fā)現(xiàn)，與降雨區(qū)相對的均有兩個負值中心，進一步說明了梅雨鋒暴雨具有中尺度特征，QD散度負值中心達到－40×10－15hPa·S－3，QL散度負值中心為－0.02×10－15hPa·S－3，遠小于QD散度值，表明在低層動力學過程中，QD對垂直速度ω的強迫為主導作用，潛熱釋放的作用不明顯.將圖4（c）與圖4（a）比較，可知850hPa時中低層QD散度負值中心位于30N°，500hPa時QD散度負值中心位于32N°附近，位置偏北，且最小值為－6 ×10－15hPa·S－3，說明動力學輻合系統(tǒng)隨著高度向北傾斜，輻合能力逐漸減小，進一步表明了暴雨的動力機制來源于中低層.500hPa時QL散度負值相比850hPa時的QL散度負值，加強至－0.06×10－15hPa·S－3（圖略），說明對流層中層的非絕熱過程的潛熱釋放對垂直速度ω的強迫作用得到加強，進一步表明積云對流過程中的潛熱反饋機制對對流過程起激勵作用.

圖3 湖北省2011年6月18日08∶00（a）、19日08∶00（b）時·Q分布圖（單位：10－15 hPa·S－3）

圖4 湖北省2011年6月18日8∶00、850hPa時－·QD（a）、－·QL（b）和500hPa時－·QD（c）的分布圖（單位：10－15 hPa·S－3）

5 結論

1）冷暖空氣在梅雨鋒上強烈地輻合是這次大暴雨形成的主要原因，具有顯著的中尺度特征.

2）完全Q矢量散度輻合區(qū)與暴雨落區(qū)有較好的對應關系，對大暴雨預報有明顯的指示作用.

3）大暴雨過程中，中低層動力學強迫作用對垂直上升運動起主導作用，低層的動力輻合激發(fā)了次級環(huán)流，使暴雨發(fā)展.

4）潛熱釋放對暴雨的積極作用在對流層中層較為明顯，積云對流過程中的潛熱反饋機制對大暴雨過程起激勵作用.

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