王昌雙+王曉

摘要： 2011年7月30日，遼寧地區(qū)出現(xiàn)了大范圍降水，但降水量分布極不均勻，西部大暴雨、中部小到中雨、東部山區(qū)暴雨。利用常規(guī)天氣資料、NCEP再分析資料，對這次天氣過程進(jìn)行天氣學(xué)和物理量場分析。分析結(jié)果表明：低層上升運動與較強(qiáng)水汽通道同時出現(xiàn)是強(qiáng)降水發(fā)生的重要條件，而各層水汽通量散度、濕位渦異常、CAPE值與降水量存在強(qiáng)相關(guān)。

關(guān)鍵詞： 強(qiáng)降水；水汽通道；濕位渦；CAPE

1 引言

對于同一次降水過程，降水量在降水區(qū)內(nèi)分布極不均勻但有規(guī)律可循，大致上呈西南-東北向的帶狀分布。利用NCEP再分析資料對降水區(qū)的物理量場進(jìn)行分析，找出出現(xiàn)此種降水量分布的原因，對今后區(qū)域降水量的預(yù)報具有重要意義。

2 降水量分布概況

2011年7月30日，遼寧地區(qū)出現(xiàn)了大范圍降水。此次降水過程，遼寧地區(qū)平均降水量為43.6mm，為大雨等級。降水量在各個區(qū)域分布極不均勻。按照降水量等級，大致分成3個區(qū)域。遼西、遼北地區(qū)降水量最大，多數(shù)市縣達(dá)到了大暴雨等級；遼寧中部地區(qū)降水量最小，以小雨為主，個別市縣中雨；東部山區(qū)降水量為暴雨等級。降水量分布呈西南-東北向的帶狀分布（圖1）。

圖1 2011年7月30日08時至31日08時遼寧地區(qū)降水量分布圖

3 天氣形勢特征

影響遼寧地區(qū)的天氣系統(tǒng)是高空槽和由渤海北上的氣旋，而中心位于蒙古東部的冷渦只影響東北北部地區(qū)，不會對遼寧地區(qū)產(chǎn)生大的影響。高空槽移動方向是自西向東（圖2），鋒面氣旋則是向東北方向移動（圖3）。當(dāng)鋒面氣旋移動至高空槽前的正渦度區(qū)域后，氣旋加強(qiáng)。

圖2 30日20時500百帕高空圖 圖3 30日20時地面天氣圖

4 物理量場分析

4.1垂直運動與水汽通量分布

4.1.1 30日14時垂直運動與水汽通量分布

垂直運動是降水的重要因素。做北緯41.5度的緯向剖面垂直速度圖和北緯41.5度的緯向剖面水汽通量圖，分析垂直運動和水汽輸送在不同經(jīng)度和不同高度的分布。

圖4 30日14時北緯41.5度垂直速度圖 圖5 30日14時 北緯41.5度水汽通量圖

在30日14時，強(qiáng)上升運動區(qū)域主要分布在東經(jīng)120度至東經(jīng)123度，東經(jīng)123度至東經(jīng)126度500百帕以下以下沉氣流為主（圖4，紫色線為東經(jīng)123度）。此時東經(jīng)120度至東經(jīng)123度在850百帕至500百帕有較強(qiáng)的水汽通道，東經(jīng)123度至東經(jīng)126度在950百帕至800百帕有較強(qiáng)水汽通道（圖5，紫色線為東經(jīng)123度）。由于東經(jīng)120度至東經(jīng)123度區(qū)域強(qiáng)上升運動區(qū)域與強(qiáng)水汽輸送區(qū)域重合，因此該區(qū)域有強(qiáng)降水發(fā)生（圖6黑線區(qū)域）。而東經(jīng)123度至東經(jīng)126度區(qū)域雖然有低層水汽通道，但該高度以下沉氣流為主，水汽無法大量凝結(jié)，不利于出現(xiàn)強(qiáng)降水（圖6白線區(qū)域）。

圖6 2011年7月30日08時至31日08時北緯41.5度降水量分布示意圖

4.1.2 30日20時垂直運動與水汽通量

到了30日20時，垂直運動與水汽通道的分布情況發(fā)生了變化。強(qiáng)上升運動區(qū)向東偏移，這是由于高空槽緩慢向東移動，高層正渦度區(qū)也隨之移動。水汽通道同時也向東移動，并且更加與14時相比，在垂直方向上更為集中。

圖7 30日20時北緯41.5度垂直速度圖 圖8 30日20時北緯41.5度水汽通量圖

30日20時，強(qiáng)上升運動區(qū)集中在東經(jīng)122-東經(jīng)124范圍內(nèi)（圖7）。而較強(qiáng)水汽輸送區(qū)則集中在東經(jīng)124度附近（圖8，黑色框范圍代表圖7中的強(qiáng)上升運動區(qū)）。此時，遼寧地區(qū)西部強(qiáng)降水已經(jīng)趨于結(jié)束，遼寧中部地區(qū)上空雖然有強(qiáng)上升運動，但水汽通道已經(jīng)東移，因此沒有發(fā)生強(qiáng)降水。遼寧東部水汽輸送較強(qiáng)，但較強(qiáng)上升運動運動只發(fā)生在鳳城、寬甸等山區(qū)附近（圖9，北緯40.5附近），因此東部較強(qiáng)降水也在這一區(qū)域（圖10，白色框?qū)?yīng)圖9強(qiáng)上升運動區(qū)）。

圖9 30日20時北緯40.5度垂直速度圖 圖10 30日08時至31日08時遼寧東部地區(qū)降水量示意圖

4.2 水汽通量散度

定義水汽通量散度為 。其中u、v分別為等壓坐標(biāo)系中x方向、y方向的速度， 為密度，q為水汽比濕。水汽通量散度將大氣運動與水汽分布結(jié)合起來，因此在暴雨過程中可以很好的表征某層大氣水汽收入或支出情況。而將垂直方向上各層水汽通量散度綜合分析，則可以展示暴雨過程中水汽運動的垂直和水平分布情況。

4.2.1 30日14時水汽通量散度

14時700百帕的水汽通量散度輻合大值區(qū)為一個開口向東的“V”型。而“V”的開口處恰為遼寧中部平原地區(qū)（圖11）。可見低層主要水汽輸送地區(qū)是遼寧西北部和東南部，而中部地區(qū)水汽輸送較少或者滯后。而14時300百帕的水汽通量散度輻散大值區(qū)則位于遼寧北部（圖12），可見北部地區(qū)水汽由低層向高層輸送較為強(qiáng)烈，到達(dá)300百帕高度后空氣向外輻散，表征強(qiáng)降水的出現(xiàn)。這種由低層向高層的西南-東北向水汽傾斜輸送帶與遼寧西北部的強(qiáng)降水區(qū)十分吻合。

圖11 30日14時700百帕水汽通量散度圖 圖12 30日14時300百帕水汽通量散度圖

4.2.2 30日20時水汽通量散度

20時700百帕水汽通量散度輻合大值區(qū)和300百帕水汽通量散度輻散大值區(qū)均位于遼寧北部地區(qū)（圖略），由此可以判斷20時強(qiáng)降水主要集中在遼寧北部地區(qū)。但根據(jù)雷達(dá)顯示（圖略），20時在東部山區(qū)仍有降水發(fā)生。分析900百帕的水汽通量散度（圖13），發(fā)現(xiàn)在此高度上水汽通量散度輻合十分明顯。由此判斷，東部山區(qū)的強(qiáng)降水主要集中在3000米以下的高度范圍內(nèi)。

圖13 30日20時950百帕水汽通量散度圖

4.2.3垂直累積水汽通量散度

將950百帕至300百帕的水汽通量散度作垂直積分，得到累積水汽通量散度，即空氣柱水汽得失情況。數(shù)值越大，則從外部得到水汽越多。最終水汽走向大部分以降水形式結(jié)束。以30日20時刻為例（圖14），累積水汽通量散度大值區(qū)有兩個，最大的位于遼寧北部，其次位于遼寧東部山區(qū)，基本與強(qiáng)降水落區(qū)一致。而數(shù)值大小也與降水強(qiáng)度成正比關(guān)系。

圖14 30日20時垂直累積水汽通量散度圖

4.3 濕位渦分布特征

濕位渦綜合反映了某高度動力、熱力特征，是同時表征高度場、溫度場、濕度場分布特征的重要綜合指標(biāo)。30日14時（圖15），在750百帕等壓面上，濕位渦大值區(qū)的分布形狀與700百帕的水汽通量散度大值區(qū)分布形狀比較接近，均呈開口向東的“V”字形，預(yù)示14時及以后數(shù)小時內(nèi)，在遼寧西北部和南部、東南部的溫度場、高度場、濕度場在對流層中低層有利于出現(xiàn)降水。而到了30日20時（圖16），濕位渦大值區(qū)集中在遼寧北部地區(qū)，預(yù)示20時及以后數(shù)小時內(nèi)，遼寧北部地區(qū)的溫度場、高度場、濕度場在對流層中低層有利于出現(xiàn)降水。將兩個時段綜合起來，濕位渦大值區(qū)與實際強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)比較一致。

圖15 30日14時750百帕濕位渦圖 圖16 30日20時750百帕濕位渦圖

4.4 CAPE

對流有效位能是發(fā)生強(qiáng)對流天氣的重要指標(biāo)之一，而一次較大范圍的強(qiáng)降水過程，除了層狀云降水外，大尺度強(qiáng)斜升運動區(qū)中的中β尺度對流云團(tuán)降水對總降水量的貢獻(xiàn)十分重要。中β尺度對流云團(tuán)的生成、發(fā)展伴隨大量不穩(wěn)定能量釋放，而CAPE則可以很好的表征強(qiáng)對流發(fā)展的潛勢。30日14時，CAPE大值區(qū)位于遼寧地區(qū)西部和北部（圖17），由于存在大尺度環(huán)境提供的動力觸發(fā)機(jī)制，較易出現(xiàn)CAPE轉(zhuǎn)化為抬升動能的情況，形成中β對流云團(tuán)，因此14時及以后數(shù)小時遼寧西部和北部易出現(xiàn)連續(xù)性降水和間歇性強(qiáng)降水。30日20時后，CAPE大值區(qū)僅存在于遼寧北部地區(qū)（圖18），遼寧中南部CAPE值始終較小，因此無法生成對流云團(tuán)，也無法出現(xiàn)間歇性強(qiáng)降水，最終此地區(qū)降水僅達(dá)到小雨或中雨量級，與遼寧西部、北部降水量相差一個量級。

圖17 30日14時CAPE圖 圖18 30日20時CAPE圖

5 結(jié)論

（1）雖然是同一天氣系統(tǒng)影響，但不同地區(qū)由于垂直運動與水汽輸送情況不同，降水量也會產(chǎn)生很大差異。強(qiáng)降水區(qū)域需滿足強(qiáng)上升運動區(qū)域與強(qiáng)水汽輸送區(qū)域在空間和時間上重合。

（2）各層水汽通量散度分布情況與降水量在空間和降水強(qiáng)度上存在強(qiáng)相關(guān)。

（3）可利用對流層中下層濕位渦大值區(qū)追蹤暴雨落區(qū)。

（4）由于中尺度對流云團(tuán)產(chǎn)生的間歇性強(qiáng)降水在大范圍降水的總降水量中貢獻(xiàn)巨大，CAPE大值區(qū)的分布對于強(qiáng)降水落區(qū)的判斷具有重要指示意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等. 天氣學(xué)原理與方法[M]. 北京：氣象出版社，2000：649.

[2] 宋新輝，鄢志宇. 一次東北冷渦暴雨過程數(shù)值模擬分析[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報，2004，20（1）：23-24.

[3] 畢寶貴， 鮑媛媛， 李澤椿.“02 . 6” 陜南大暴雨的結(jié)構(gòu)及成因分析[J]. 高原氣象， 2006 ，25（1） ： 34-44 .

[4] 毛冬艷， 喬林，陳濤， 等. 2004 年7 月10 日北京暴雨的中尺度分析[J ]. 氣象， 2005 ，31（5） ：42-46.

[5] 趙玉春， 王仁喬. 一次致洪暴雨的中尺度分析[J]. 氣象科技2005 ，33 （3） ：245-249.

[6] 劉健文，郭虎，李耀東，等. 天氣分析預(yù)報物理量計算基礎(chǔ)[M]. 北京：氣象出版社， 2005 ：64-65 .

[7] 趙桂香，程麟生，常素萍. 山西中部一次罕見暴雨的中尺度特征分析[J]. 氣象科技， 2007 ，35 （4） ： 519-523 .

[8] 郭虎，季崇萍，張琳娜， 等. 北京2004 年7 月10 日局地暴雨過程中的波動分析[J] . 大氣科學(xué)， 2006 ， 30 （4） ：703-711.

[9] Pedlosky J . Geophsical Fluid Dynamics. Oxford ： Oxford Press ， 1979. 31.

作者簡介：王昌雙（1983—）， 男， 吉林磐石人，工程師，主要從事預(yù)報工作

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將950百帕至300百帕的水汽通量散度作垂直積分，得到累積水汽通量散度，即空氣柱水汽得失情況。數(shù)值越大，則從外部得到水汽越多。最終水汽走向大部分以降水形式結(jié)束。以30日20時刻為例（圖14），累積水汽通量散度大值區(qū)有兩個，最大的位于遼寧北部，其次位于遼寧東部山區(qū)，基本與強(qiáng)降水落區(qū)一致。而數(shù)值大小也與降水強(qiáng)度成正比關(guān)系。

圖14 30日20時垂直累積水汽通量散度圖

4.3 濕位渦分布特征

濕位渦綜合反映了某高度動力、熱力特征，是同時表征高度場、溫度場、濕度場分布特征的重要綜合指標(biāo)。30日14時（圖15），在750百帕等壓面上，濕位渦大值區(qū)的分布形狀與700百帕的水汽通量散度大值區(qū)分布形狀比較接近，均呈開口向東的“V”字形，預(yù)示14時及以后數(shù)小時內(nèi)，在遼寧西北部和南部、東南部的溫度場、高度場、濕度場在對流層中低層有利于出現(xiàn)降水。而到了30日20時（圖16），濕位渦大值區(qū)集中在遼寧北部地區(qū)，預(yù)示20時及以后數(shù)小時內(nèi)，遼寧北部地區(qū)的溫度場、高度場、濕度場在對流層中低層有利于出現(xiàn)降水。將兩個時段綜合起來，濕位渦大值區(qū)與實際強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)比較一致。

圖15 30日14時750百帕濕位渦圖 圖16 30日20時750百帕濕位渦圖

4.4 CAPE

對流有效位能是發(fā)生強(qiáng)對流天氣的重要指標(biāo)之一，而一次較大范圍的強(qiáng)降水過程，除了層狀云降水外，大尺度強(qiáng)斜升運動區(qū)中的中β尺度對流云團(tuán)降水對總降水量的貢獻(xiàn)十分重要。中β尺度對流云團(tuán)的生成、發(fā)展伴隨大量不穩(wěn)定能量釋放，而CAPE則可以很好的表征強(qiáng)對流發(fā)展的潛勢。30日14時，CAPE大值區(qū)位于遼寧地區(qū)西部和北部（圖17），由于存在大尺度環(huán)境提供的動力觸發(fā)機(jī)制，較易出現(xiàn)CAPE轉(zhuǎn)化為抬升動能的情況，形成中β對流云團(tuán)，因此14時及以后數(shù)小時遼寧西部和北部易出現(xiàn)連續(xù)性降水和間歇性強(qiáng)降水。30日20時后，CAPE大值區(qū)僅存在于遼寧北部地區(qū)（圖18），遼寧中南部CAPE值始終較小，因此無法生成對流云團(tuán)，也無法出現(xiàn)間歇性強(qiáng)降水，最終此地區(qū)降水僅達(dá)到小雨或中雨量級，與遼寧西部、北部降水量相差一個量級。

圖17 30日14時CAPE圖 圖18 30日20時CAPE圖

5 結(jié)論

（1）雖然是同一天氣系統(tǒng)影響，但不同地區(qū)由于垂直運動與水汽輸送情況不同，降水量也會產(chǎn)生很大差異。強(qiáng)降水區(qū)域需滿足強(qiáng)上升運動區(qū)域與強(qiáng)水汽輸送區(qū)域在空間和時間上重合。

（2）各層水汽通量散度分布情況與降水量在空間和降水強(qiáng)度上存在強(qiáng)相關(guān)。

（3）可利用對流層中下層濕位渦大值區(qū)追蹤暴雨落區(qū)。

（4）由于中尺度對流云團(tuán)產(chǎn)生的間歇性強(qiáng)降水在大范圍降水的總降水量中貢獻(xiàn)巨大，CAPE大值區(qū)的分布對于強(qiáng)降水落區(qū)的判斷具有重要指示意義。

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作者簡介：王昌雙（1983—）， 男， 吉林磐石人，工程師，主要從事預(yù)報工作

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將950百帕至300百帕的水汽通量散度作垂直積分，得到累積水汽通量散度，即空氣柱水汽得失情況。數(shù)值越大，則從外部得到水汽越多。最終水汽走向大部分以降水形式結(jié)束。以30日20時刻為例（圖14），累積水汽通量散度大值區(qū)有兩個，最大的位于遼寧北部，其次位于遼寧東部山區(qū)，基本與強(qiáng)降水落區(qū)一致。而數(shù)值大小也與降水強(qiáng)度成正比關(guān)系。

圖14 30日20時垂直累積水汽通量散度圖

4.3 濕位渦分布特征

濕位渦綜合反映了某高度動力、熱力特征，是同時表征高度場、溫度場、濕度場分布特征的重要綜合指標(biāo)。30日14時（圖15），在750百帕等壓面上，濕位渦大值區(qū)的分布形狀與700百帕的水汽通量散度大值區(qū)分布形狀比較接近，均呈開口向東的“V”字形，預(yù)示14時及以后數(shù)小時內(nèi)，在遼寧西北部和南部、東南部的溫度場、高度場、濕度場在對流層中低層有利于出現(xiàn)降水。而到了30日20時（圖16），濕位渦大值區(qū)集中在遼寧北部地區(qū)，預(yù)示20時及以后數(shù)小時內(nèi)，遼寧北部地區(qū)的溫度場、高度場、濕度場在對流層中低層有利于出現(xiàn)降水。將兩個時段綜合起來，濕位渦大值區(qū)與實際強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)比較一致。

圖15 30日14時750百帕濕位渦圖 圖16 30日20時750百帕濕位渦圖

4.4 CAPE

對流有效位能是發(fā)生強(qiáng)對流天氣的重要指標(biāo)之一，而一次較大范圍的強(qiáng)降水過程，除了層狀云降水外，大尺度強(qiáng)斜升運動區(qū)中的中β尺度對流云團(tuán)降水對總降水量的貢獻(xiàn)十分重要。中β尺度對流云團(tuán)的生成、發(fā)展伴隨大量不穩(wěn)定能量釋放，而CAPE則可以很好的表征強(qiáng)對流發(fā)展的潛勢。30日14時，CAPE大值區(qū)位于遼寧地區(qū)西部和北部（圖17），由于存在大尺度環(huán)境提供的動力觸發(fā)機(jī)制，較易出現(xiàn)CAPE轉(zhuǎn)化為抬升動能的情況，形成中β對流云團(tuán)，因此14時及以后數(shù)小時遼寧西部和北部易出現(xiàn)連續(xù)性降水和間歇性強(qiáng)降水。30日20時后，CAPE大值區(qū)僅存在于遼寧北部地區(qū)（圖18），遼寧中南部CAPE值始終較小，因此無法生成對流云團(tuán)，也無法出現(xiàn)間歇性強(qiáng)降水，最終此地區(qū)降水僅達(dá)到小雨或中雨量級，與遼寧西部、北部降水量相差一個量級。

圖17 30日14時CAPE圖 圖18 30日20時CAPE圖

5 結(jié)論

（1）雖然是同一天氣系統(tǒng)影響，但不同地區(qū)由于垂直運動與水汽輸送情況不同，降水量也會產(chǎn)生很大差異。強(qiáng)降水區(qū)域需滿足強(qiáng)上升運動區(qū)域與強(qiáng)水汽輸送區(qū)域在空間和時間上重合。

（2）各層水汽通量散度分布情況與降水量在空間和降水強(qiáng)度上存在強(qiáng)相關(guān)。

（3）可利用對流層中下層濕位渦大值區(qū)追蹤暴雨落區(qū)。

（4）由于中尺度對流云團(tuán)產(chǎn)生的間歇性強(qiáng)降水在大范圍降水的總降水量中貢獻(xiàn)巨大，CAPE大值區(qū)的分布對于強(qiáng)降水落區(qū)的判斷具有重要指示意義。

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作者簡介：王昌雙（1983—）， 男， 吉林磐石人，工程師，主要從事預(yù)報工作

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