李萍云,王 楠,屈麗瑋,趙 強(qiáng)

(陜西省氣象臺(tái),西安 710014)

熱力散度垂直通量在延安強(qiáng)降水過(guò)程中的診斷分析

李萍云,王 楠,屈麗瑋,趙 強(qiáng)

(陜西省氣象臺(tái),西安 710014)

利用NCEP1°×1°6h再分析資料對(duì)2013年7月22日延安地區(qū)強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行了熱力散度垂直通量診斷分析,結(jié)果表明：當(dāng)高空輻散區(qū)疊加在弱的低層輻合區(qū)上方時(shí),促進(jìn)低值系統(tǒng)的發(fā)展,使高低層的輻散輻合均加強(qiáng),從而引起強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了有利的動(dòng)力條件。在強(qiáng)降水區(qū),廣義位溫等值線(xiàn)呈 “漏斗”狀,從對(duì)流層高層向下伸展到對(duì)流層低層,且在對(duì)流層低層垂直梯度比較顯著。在此次降水過(guò)程中,高空主要有兩股干冷空氣影響延安地區(qū),一股位于延安西側(cè)的中高層,一股位于其東部的對(duì)流層低層,這兩股冷空氣夾擊延安地區(qū)上空中層的暖濕氣流,加強(qiáng)了降水區(qū)附近的濕斜壓不穩(wěn)定,為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了有利的熱力不穩(wěn)定條件。熱力散度垂直通量的垂直分布及整層積分的結(jié)果與地面6h強(qiáng)降水落區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,它的變化趨勢(shì)及移動(dòng)方向與強(qiáng)降水區(qū)的變化趨勢(shì)和移動(dòng)方向也較為一致,對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報(bào)有一定的參考意義。

強(qiáng)降水；高空輻散；廣義位溫；干冷空氣；熱力散度垂直通量

近幾年,極端天氣事件越來(lái)越多,強(qiáng)降水在極端天氣事件中所占的比例也呈增加趨勢(shì),因此對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)和雨帶移動(dòng)方向的預(yù)報(bào)顯得尤為重要。近年來(lái)氣象工作者在這方面開(kāi)展了大量卓有成效的研究,先后建立了多個(gè)對(duì)地面降水具有指示意義的宏觀(guān)物理量[1-4]。陜西地理位置特殊,降水類(lèi)型復(fù)雜,降水預(yù)報(bào)難度較大,需要預(yù)報(bào)員不斷探索新的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)技術(shù)方法。高守亭等[5-10]從暴雨觸發(fā)機(jī)理的角度出發(fā),主張利用多個(gè)動(dòng)力變量的集合來(lái)對(duì)暴雨區(qū)進(jìn)行綜合判別,這些動(dòng)力因子主要包括濕熱力平流參數(shù)、對(duì)流渦度矢量的垂直分量、熱力散度垂直通量、水汽散度垂直通量、Q矢量散度、熱力位勢(shì)散度波作用密度,這些因子是反應(yīng)暴雨系統(tǒng)動(dòng)力、熱力及水汽特征的宏觀(guān)物理量,與降水落區(qū)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。目前研究證明,要尋找出對(duì)所有類(lèi)型強(qiáng)降水落區(qū)及移動(dòng)方向相一致的因子比較困難,不同因子對(duì)應(yīng)不同類(lèi)型暴雨,其中熱力散度垂直通量對(duì)輻合輻散類(lèi)的強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)應(yīng)關(guān)系較為理想,因此本文選取該變量對(duì)2013年7月22日延安強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行診斷分析,為今后該動(dòng)力因子在陜西暴雨預(yù)報(bào)中的應(yīng)用提供一些依據(jù)。

1 過(guò)程概況

2013年7月延安地區(qū)出現(xiàn)了5次暴雨天氣過(guò)程,其中21日20：00—22日20：00的暴雨過(guò)程發(fā)生的范圍最廣、強(qiáng)度最大,有5站雨量超過(guò)100mm,其中富縣151.9mm,創(chuàng)1966年7月26日以來(lái)日降水量新高,延長(zhǎng)115.7mm,創(chuàng)1984年7月10日以來(lái)日降水量新高。降水自西向東影響延安地區(qū),6h累計(jì)雨量最大時(shí)段為22日02：00—22日08：00。持續(xù)強(qiáng)降水造成延安市嚴(yán)重城市內(nèi)澇,并誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。

2 資料和方法

實(shí)際大氣并不是完全干燥,而是含有水汽,但又不是完全飽和,即處于 “非均勻飽和”的狀態(tài)[11]。為了描述非均勻飽和濕大氣的熱力狀態(tài), Gao[5]提出了廣義位溫的概念,其表達(dá)式為：

其中,θ為位溫,exp[Lvqvs/(cpTc)(qv/qvs)k]為凝結(jié)潛熱函數(shù),Lv為單位質(zhì)量水汽的凝結(jié)潛熱,cp為空氣定壓比熱,qv為水汽比濕,qvs為飽和水汽比濕, Tc為抬升凝結(jié)高度處的溫度,k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(本文參考文獻(xiàn)[12]取值為9)。由定義可見(jiàn),在干空氣中qv=0、θ*=θ,在飽和大氣中qv=qvs、θ*=θe,但是當(dāng)比濕qv介于0和qvs之間時(shí),θ*既不是θ,也不是θe,而是介于兩者之間,θ*可以表示大氣從干到濕,再到完全飽和的變化過(guò)程,能更好地反映出實(shí)際濕大氣中的水汽濕度變化。可見(jiàn),廣義位溫可更真實(shí)地描述實(shí)際濕大氣的狀態(tài)。

熱力散度垂直通量是在廣義位溫基礎(chǔ)上建立的因子,其表達(dá)式[12]為：

其中vh=(u,v)和v=(u,v,ω)分別為水平和三維速度矢量,u為緯向速度,v為經(jīng)向速度,ω為垂直速度,ρ為質(zhì)量密度,▽h=?/?xi+?/?yj和▽= ?/?xi+?/?yj+?/?pk分別為水平和三維空間梯度算子。該物理量涵蓋了大氣垂直運(yùn)動(dòng)、水平輻合(輻散)和熱量平流輸送等要素,是動(dòng)力、熱力效應(yīng)相藕合的物理量。

利用一天4次的NCEP/NCAR再分析資料(水平分辨率為1°×1°、垂直26層的風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、相對(duì)濕度場(chǎng)、垂直速度場(chǎng))進(jìn)行計(jì)算,得到熱力散度垂直通量及其各分量,根據(jù)延安地區(qū)2013 -07-21T20—22T20(北京時(shí),下同)自動(dòng)氣象站逐6h降水量演變情況,分別從熱力散度垂直通量的動(dòng)力項(xiàng)(水平輻合輻散項(xiàng)▽h·vh、垂直速度ω)和熱力項(xiàng)(廣義位溫θ*、廣義位溫平流項(xiàng)vh·▽hθ*)對(duì)此次大暴雨過(guò)程進(jìn)行診斷分析,最后分析熱力散度垂直通量的分布特征。由于NCEP/NCAR再分析資料間隔為6h,為了診斷分析結(jié)果對(duì)預(yù)報(bào)有一定指示意義,采用6h累計(jì)雨量初始時(shí)刻的各物理量與6h累計(jì)降水量對(duì)比分析。

3 熱力散度垂直通量的動(dòng)力項(xiàng)

此次過(guò)程強(qiáng)降水區(qū)主要位于108°E～111°E、36°N附近。21日20：00,在延安西側(cè)105°E～106°E區(qū)域上空250hPa高度附近有6×10-5s-1輻散中心,位于200hPa高空急流入口區(qū)的右側(cè),在延安東部110°E對(duì)流層低層750hPa附近有弱輻合區(qū),此時(shí)對(duì)流層無(wú)上升運(yùn)動(dòng)。隨著高空急流核的東移,22日02：00(圖1a)在延安地區(qū)上空對(duì)流層中高層200～500hPa出現(xiàn)輻散,中心位于250hPa附近,強(qiáng)度超過(guò)18×10-5s-1,同時(shí),中低層出現(xiàn)大片的輻合區(qū),中心位于700 hPa附近,強(qiáng)度達(dá)-10×10-5s-1,輻散區(qū)與輻合區(qū)中心均位于109°E上空,在高層強(qiáng)輻散和低層輻合的作用下,延安地區(qū)上空形成了一深厚的上升運(yùn)動(dòng)區(qū),上升運(yùn)動(dòng)伸展至200hPa,中心在400～500hPa,最大值為-6×10-2hPa/s(圖1b),強(qiáng)降水開(kāi)始出現(xiàn)。22日08：00高層輻散低層輻合中心東移至110°E,高層輻散中心分裂為上下兩個(gè),一個(gè)位于200hPa附近,另一個(gè)位于400hPa附近,強(qiáng)度均減弱至8×10-5s-1,低層輻合中心略微上移強(qiáng)度減弱至-8×10-5s-1(圖1c),由于輻合輻散區(qū)東移減弱,上升區(qū)運(yùn)動(dòng)?xùn)|移減弱(圖1d),伸展范圍降至300 hPa以下,其中心在600hPa,最大值減小為-3 ×10-2hPa/s,降水強(qiáng)度開(kāi)始減弱。隨著系統(tǒng)的東移,22日14：00延安地區(qū)上空200～700hPa轉(zhuǎn)為弱輻散區(qū),800hPa延安東部為弱輻合區(qū),上升運(yùn)動(dòng)減弱至-1×10-2hPa/s,此時(shí)降水強(qiáng)度明顯減弱。

可見(jiàn)在強(qiáng)降水開(kāi)始前,延安地區(qū)上空低層有弱輻合,其西側(cè)高層有輻散；在強(qiáng)降水開(kāi)始時(shí),延安地區(qū)上空高層輻散明顯加強(qiáng),低層輻合也明顯增大,但低層輻合仍明顯小于高層輻散；當(dāng)高層輻散減弱至與低層輻合強(qiáng)度相當(dāng)時(shí),強(qiáng)降水開(kāi)始減弱。這說(shuō)明在此次過(guò)程中,高空輻散區(qū)疊加在低層弱輻合區(qū)上方,促進(jìn)低值系統(tǒng)發(fā)展[13-14],使高低層的輻散輻合均加強(qiáng),從而引起強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致強(qiáng)降水的產(chǎn)生。隨著高層輻散的東移減弱,降水隨之東移減弱。

圖1 2013-07-22延安強(qiáng)降水過(guò)程的水平輻散(單位為10-5s-1；a02時(shí),c08時(shí))和垂直速度ω(單位為Pa/s；b02時(shí),d08時(shí))沿36°N垂直剖面

4 熱力散度垂直通量的熱力項(xiàng)

4.1 廣義位溫的分布特征

廣義位溫可真實(shí)反映實(shí)際大氣的水汽分布和熱力性質(zhì),更好地體現(xiàn)暴雨過(guò)程中水汽的集中和水汽梯度效應(yīng),對(duì)暴雨落區(qū)有一定的指示意義[11-12]。強(qiáng)降水發(fā)生前,21日20：00廣義位溫(圖略)在延安地區(qū)及其西側(cè)對(duì)流層低層700hPa, 108°E附近有一338K的大值中心；高層500hPa, 106°E～108°E附近有一廣義位溫橫槽,說(shuō)明延安西側(cè)為高溫高濕區(qū)。延安地區(qū)上空600hPa以上廣義位溫等值線(xiàn)比較平直。22日02：00(圖2a),廣義位溫大值區(qū)東移,300～800hPa高低層連通呈 “漏斗”狀, “漏斗”底部主要位于延安西部108°E～109°E,延安西部上空500～800hPa廣義位溫增大,廣義位溫垂直梯度在延安上空對(duì)流層低層850hPa,108°E～110°E附近比較顯著,說(shuō)明高溫高濕區(qū)已移到了延安西部,且溫度濕度有所增大,同時(shí)說(shuō)明延安地區(qū)存在熱力不連續(xù)面,大氣濕斜壓性明顯[15]。22日08：00廣義位溫(圖2b)“漏斗”東移變淺變寬,“漏斗”底部主要位于700hPa、109°E～111°E附近,廣義位溫水平梯度大值區(qū)相應(yīng)地抬高東移至700hPa、110°E～112°E附近。22日14：00廣義位溫等值線(xiàn)漏斗底部下移至800hPa附近,漏斗低層700～800hPa變寬,寬度范圍從之前的3.5個(gè)經(jīng)度變?yōu)?.5個(gè)經(jīng)度,上部500～600hPa附近變窄,寬度范圍從之前的3個(gè)經(jīng)度變?yōu)?個(gè)經(jīng)度,說(shuō)明暖濕空氣主要位于對(duì)流層低層。

可見(jiàn)在強(qiáng)降水區(qū),廣義位溫等值線(xiàn)呈 “漏斗”狀,從對(duì)流層高層向下伸展到對(duì)流層低層,且在對(duì)流層低層垂直梯度比較顯著。而在非強(qiáng)降水區(qū),廣義位溫等值線(xiàn)相對(duì)比較平直,對(duì)流層低層的垂直梯度也不明顯。

4.2 廣義位溫平流的分布特征

強(qiáng)降水發(fā)生前,從廣義位溫平流項(xiàng)可以看出21日20：00,延安上空以暖濕平流(-vh·▽hθ*＞0)為主(圖略),說(shuō)明延安地區(qū)上空不穩(wěn)定能量在積聚。22日02：00,在延安地區(qū)上空對(duì)流層中低層500～700hPa為暖濕平流(圖3a),中心在600hPa、109°E附近,最小值達(dá)-9×10-4K/s；在其西側(cè)104°E～107°E對(duì)流層中高層200～700hPa為干冷平流,最大中心位于400～500hPa,105°E～106°E附近,最大值為6×10-4K/s；在700hPa下為干冷空氣輸送,其中心位于800hPa,110°E附近,最大值可達(dá)15×10-4K/s。22日08：00中層暖濕平流東移至108°E～111°E(圖3b),最大值略微減小；延安西側(cè)的干冷平流東移至109°E,中心增大至12 ×10-4K/s,中心位于400～500hPa,107°E～108°E附近；對(duì)流層低層700～800hPa的干冷平流中心東移至110°E～111°E,最大值減弱至9 ×10-4K/s；此外在500hPa,110°E附近有一中心為6×10-4K/s干冷平流。說(shuō)明延安地區(qū)中層暖濕平流東移減弱,西部的干冷平流東移加強(qiáng),低層的干冷平流輸送減弱,這是降水在之后6h內(nèi)開(kāi)始減弱的原因,但由于中層500hPa,110°E附近有干冷空氣輸送,使得降水并沒(méi)有立即減弱,反而在08：00—09：00的降水量達(dá)到此次過(guò)程單站小時(shí)雨量的最大值26.3mm。22日14時(shí)700 hPa以上的干冷平流東移至111°E附近,低層700～800hPa,110°E～111°E和108°E附近為弱的暖濕平流,之后6h降水量減弱為小雨。

可見(jiàn)此次過(guò)程開(kāi)始前延安上空有暖濕平流輸送。強(qiáng)降水發(fā)生時(shí),中層有暖濕平流,西側(cè)中高層為干冷平流,東部低層有干冷平流,且東部低層的干冷平流大于西側(cè)中高層的干冷平流。當(dāng)中層暖濕平流減弱,其西側(cè)的干冷平流加強(qiáng),東部低層的干冷平流減弱時(shí),強(qiáng)降水開(kāi)始減弱。

圖2 2013-07-22延安強(qiáng)降水過(guò)程廣義位溫(單位為K；a02時(shí),b08時(shí))沿36°N垂直剖面圖

圖3 2013-07-22延安強(qiáng)降水過(guò)程廣義位溫平流項(xiàng)(單位為10-4K/s；a02時(shí),b08時(shí))沿36°N的垂直剖面圖

5 熱力散度垂直通量的動(dòng)、熱力耦合

5.1 熱力散度垂直通量的垂直分布特征

從沿36°N熱力散度垂直通量剖面圖可以看出,在21日20：00熱力散度垂直通量幾乎無(wú)值,22日 02：00(圖4)熱力散度垂直通量在延安地區(qū)108°E～111°E上空200～850hPa為正值區(qū),在109°E附近上空有兩個(gè)中心,一個(gè)位于對(duì)流層高層400hPa附近,中心值為13×10-2(K·Pa·m)/s2,另一個(gè)位于對(duì)流層中層600hPa附近,中心值為9× 10-2(K·Pa·m)/s2。22日08：00熱力散度垂直通量減弱東移,位于110°E、400hPa附近,中心值減弱為2×10-2(K·Pa·m)/s2,600hPa附近的中心值減為6×10-2(K·Pa·m)/s2。22日14：00熱力散度垂直通量減弱為0(K·Pa·m)/s2。

圖4 2013-07-22延安暴雨過(guò)程熱力散度垂直通量(單位為10-2(K·Pa·m)/s2)沿36°N垂直剖面圖

說(shuō)明在無(wú)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)熱力散度垂直通量在降水區(qū)值很小。在強(qiáng)降水開(kāi)始時(shí),熱力散度垂直通量在降水區(qū)上空值明顯增大,在對(duì)流層高層400hPa和中層600hPa附近有大值中心。當(dāng)強(qiáng)降水開(kāi)始減弱時(shí),熱力散度垂直通量東移減弱,高層中心值減弱明顯,這與高層輻散明顯減弱有關(guān),將以上結(jié)果的動(dòng)、熱力項(xiàng)和熱力散度垂直通量做比較,可知輻合輻散所起的作用在此次過(guò)程中更明顯。

5.2 熱力散度垂直通量的整層積分分布特征

21日20：00陜西及其周?chē)鸁崃ι⒍却怪蓖康恼麑臃e分值很小,幾乎為0(K·Pa·m)/ s2,之后6h無(wú)強(qiáng)降水出現(xiàn),22日02：00陜西中北有一熱力散度垂直通量整層積分的大值區(qū),中心位于延安地區(qū)西部36°N、109°E附近,最大值為6×102(K·Pa·m)/s2,之后6h延安大部分地方為暴雨,36°N附近為大暴雨。22日08：00其大值中心東移到延安東南部,最大值減小到4×102(K·Pa·m)/s2,之后6h延安南部為區(qū)域性暴雨,延安西南部局地出現(xiàn)大暴雨。22日14：00大值區(qū)東移至山西中部,中心減弱為2×102(K·Pa·m)/s2,之后6h延安地區(qū)強(qiáng)降水結(jié)束。

說(shuō)明熱力散度垂直通量的整層積分在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)突然增大,強(qiáng)降水區(qū)位于熱力散度垂直通量的大值中心附近,隨著大值中心的東移減弱,強(qiáng)降水隨之東移減弱。

圖5 2013-07-22延安強(qiáng)降水過(guò)程熱力散度垂直通量的整層積分(等值線(xiàn),單位為102(K·Pa·m)/s2)和6h累計(jì)降水量(陰影)

可見(jiàn)熱力散度垂直通量可綜合反映強(qiáng)降水系統(tǒng)的動(dòng)力、熱力及水汽特征。它的垂直分布和整層積分的大值中心均與6h強(qiáng)降水落區(qū)對(duì)應(yīng)較好,而且它的趨勢(shì)變化可從宏觀(guān)上反映強(qiáng)降水系統(tǒng)的發(fā)展或減弱,對(duì)強(qiáng)降水的落區(qū)和雨帶的移動(dòng),能給出較有價(jià)值的參考信息。

6 結(jié)論

(1)高空輻散區(qū)疊加在低層弱輻合區(qū)上方,促進(jìn)低值系統(tǒng)的發(fā)展,使高低層的輻散輻合均加強(qiáng),從而引起強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

(2)在強(qiáng)降水區(qū),廣義位溫等值線(xiàn)呈 “漏斗”狀,從對(duì)流層高層向下伸展到對(duì)流層低層,且在對(duì)流層低層垂直梯度比較顯著；而在非強(qiáng)降水區(qū),廣義位溫等值線(xiàn)相對(duì)比較平直,對(duì)流層低層的垂直梯度也不明顯。

(3)此次過(guò)程中,高空主要有兩股干冷空氣影響延安地區(qū)的降水,一股位于延安地區(qū)西側(cè)的中高層,一股位于其東部的對(duì)流層低層。這兩股冷空氣夾擊延安地區(qū)上空中層的暖濕氣流,加強(qiáng)了暴雨區(qū)附近的濕斜壓不穩(wěn)定,為暴雨區(qū)提供了有利的熱力不穩(wěn)定條件。

(4)熱力散度垂直通量能綜合反映強(qiáng)降水系統(tǒng)的動(dòng)力、熱力及水汽特征。它的垂直分布和整層積分的大值中心均與6h強(qiáng)降水落區(qū)對(duì)應(yīng)較好,而且它的趨勢(shì)變化可以宏觀(guān)上反映強(qiáng)降水系統(tǒng)的發(fā)展或減弱,對(duì)強(qiáng)降水的落區(qū)和雨帶的移動(dòng),給出較有價(jià)值的參考信息。

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P426

A

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1006-4354(2015)02-0001-06

2014-10-16

李萍云(1982—),女,漢族,山西夏縣人,碩士,工程師,從事天氣預(yù)報(bào)與研究。

陜西省氣象局預(yù)報(bào)員專(zhuān)項(xiàng)(2013Y-5)