陸秋霖，陳明璐，胡勇林

（廣西玉林市氣象局，廣西玉林537000）

廣西冬季2次農業(yè)致災暴雨天氣濕位渦分析

陸秋霖，陳明璐，胡勇林

（廣西玉林市氣象局，廣西玉林537000）

為了提高冬季暴雨預報準確率，及時為政府和人民提供準確的預報服務，減少農業(yè)生產的損失，筆者利用自動站雨量資料以及NECP FNL分析資料，分別對廣西冬季2次農業(yè)致災暴雨2016年1月27—28日和2013年12月13—16日進行實況分析、天氣學分析和濕位渦診斷分析。結果表明：暴雨發(fā)生在MPV1正值區(qū)前側的負值區(qū)或0值附近和MPV2負值中心南側的低值區(qū)內。MPV1和MPV2對2類降水落區(qū)均具有一定的指示意義，但MPV1中心不能決定鋒面暴雨降水落區(qū)，卻對降水具有潛勢預報，MPV2對強降水的發(fā)生有一定的提前預報。MPV等值線密集區(qū)，冷暖空氣交匯強烈有利于水汽輻合、垂直渦度發(fā)展易產生暴雨。

濕位渦；冬季；內澇；暴雨

0 引言

濕位渦是綜合反映大氣動力學、熱力學性質和斜壓作用的物理量，包含了大氣的動力、熱力和水汽信息。許多專家通過濕位渦對暴雨、臺風等進行分析，取得不少成果[1-11]。吳國雄等[12]從完整的原始運動方程出發(fā)，導出濕位渦方程，證明絕熱無摩擦的飽和濕空氣具有濕位渦守恒的特性，并提出傾斜渦度發(fā)展(SVD)理論。王叢梅等[13]利用濕位渦對西北渦暴雨進行分析，認為強降雨區(qū)在濕正壓項MPV1的正值區(qū)南側零線附近，濕斜壓項MPV2的最大負值區(qū)對暴雨的落區(qū)、移動有指示作用。

廣西屬亞熱帶季風氣候，冬季（12月—次年2月）受東北季風控制，降雨相對較少，冬季暴雨事件是一種小概率事件，預報難度大。近年來隨著氣候變化異常，廣西冬季暴雨發(fā)生的頻率逐漸增多，給國家和人民帶來了巨大的影響。2016年1月27—28日的暴雨造成局地內澇、農田被淹，馬鈴薯、甘蔗、蔬菜等受泡影響生長，大青棗、沙糖桔等水果落果、裂果，導致減產；2013年12月13—16日多日的暴雨造成了局地內澇，陰雨天氣不利于香蕉、沙田柚等水果的采收，造成果肉腐爛，對國民經(jīng)濟和農業(yè)造成了嚴重的損失，因此研究該地區(qū)冬季暴雨的發(fā)生發(fā)展規(guī)律是十分有必要的。不少學者從動力、水汽特征等方面對冬季暴雨展開了許多研究[14-20]，但應用濕位渦對冬季暴雨的研究并不多見。因此，筆者通過對廣西冬季具有不同特征的2次農業(yè)致災暴雨過程（2016年1月27—28日暖區(qū)暴雨和2013年12月13—16日鋒面暴雨）進行濕位渦診斷分析，以期為廣西冬季暴雨預報提供有益的思路和方法。

1 濕位渦計算方法及資料

濕位渦計算方法是根據(jù)吳國雄等[12]所闡述的濕位渦守恒方程，即在靜力近似下，取P為垂直坐標，垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小得多，濕位渦的表達式為(1)：

從式(1)可以看出，在無摩擦、濕絕熱大氣中，系統(tǒng)渦度的發(fā)展由大氣層結穩(wěn)定度、斜壓性和風的垂直切變等因素決定的。濕位渦可以分為濕正壓項(MPV1)和濕斜壓項(MPV2)，分別見(2)～(3)。其中，ξ為相對渦度，f為科氏參數(shù)，θse為假相當位溫。MPV1為濕位渦的垂直分量，取決于空氣塊絕對渦度的垂直分量和θse的垂直梯度，在北半球，一般絕對渦度(ξ+f)＞0 ，因此當MPV1＜0，，大氣是對流性不穩(wěn)定的；反之，當MPV1＞0，，大氣對流性穩(wěn)定。MPV2為濕位渦的水平分量，由風的垂直切變和θse的水平梯度決定的，低對流層大的正MPV2的移動可作為低空急流和暖濕氣流活動或渦旋活動的示蹤，MPV2絕對值越大斜壓性越強。濕位渦的單位為PVU，1 PVU=10-6m2·K/(s·kg)。

利用2016年1月27—28日和2013年12月13—16日廣西區(qū)域自動站雨量資料以及美國國家環(huán)境預報中心6 h 1次的NECP FNL全球分析資料（水平分辨率為1°×1°）等，分析廣西冬季2次農業(yè)致災暴雨環(huán)流背景，并計算1000～300 hPa濕位渦及其子項的時空分布。

2 暖區(qū)暴雨個例診斷分析

2.1 降水實況及環(huán)流背景

圖1 2016年1月27日20時—28日08時降水分布圖

2016年1月27日20時—28日20時廣西東南部出現(xiàn)了暴雨、局部大暴雨，并伴有雷暴天氣，最大雨量為玉林市博白縣新田鎮(zhèn)291 mm（見圖1）。強降水集中在850 hPa切變線和地面冷鋒以南2～3個緯度的區(qū)域，具有明顯的華南暖區(qū)暴雨的特征。500 hPa中高緯呈兩槽一脊，烏拉爾山地區(qū)為脊，鄂霍次克海有一深槽伸至30°N地區(qū)。孟加拉灣有南支槽發(fā)展，槽底伸至20°N以南，槽線在90°—95°E附近擺動。副熱帶高壓西伸到100°E附近，穩(wěn)定控制南海中北部，廣西處于南支槽前和副高西北側的西南氣流控制。850 hPa急流加強，在桂東南有西南風、偏南風、東南風的輻合，切變線在貴州緩慢南壓，地面冷高東移出海，廣西為倒槽形勢，等壓線呈南—北走向，為變性高壓后部回流的東南氣流控制，這樣的形勢非常有利于廣西暴雨的產生。

2.2 濕位渦診斷分析

2.2.1 濕位渦的垂直分析 沿110°E經(jīng)降水中心對濕位渦子項做垂直剖面發(fā)現(xiàn)：降水區(qū)(22—24°N)27日20時（見圖2a）上空MPV1主要在低層為正值，24°N以北的700 hPa出現(xiàn)-0.3 PVU的負值中心，為對流不穩(wěn)定區(qū)；28°N附近正值區(qū)增大，表明有冷空氣南下。28日02時700 hPa負值中心向南、向下擴張，8時（見圖2b）負值中心增大到-0.6 PVU，并在22°N 925 hPa出現(xiàn)-0.3 PVU的小中心，而24°N 925 hPa的正值中心略有加強，冷暖空氣交匯強烈，暴雨區(qū)上空形成了正負中心過渡帶的MPV1等值線密集帶。14時低層正值區(qū)范圍擴大，降水區(qū)轉為正的MPV1控制，20時低層正值中心南移，廣西轉為冷空氣控制，強降水結束。

降水區(qū)27日20時（見圖2c）上空MPV2主要為負值，950 hPa在20°N以南、24°N以北為正值區(qū)，21°N附近的中高層有正值區(qū)向下入侵，迫使負值區(qū)下壓，說明有暖濕氣流潛入。28日02時降水區(qū)的負值略減小，而24°N的負值中心增強到-1.2 PVU，暴雨區(qū)上空大氣斜壓性增強。到了8時（見圖2d）在22°N低層出現(xiàn)了負值的低舌區(qū)，暴雨區(qū)附近MPV2等值線密集，強降水中心位于負值中心偏南一側低值區(qū)內。14時低層負值低舌區(qū)北移，負值中心強度減弱，雨區(qū)北移降水強度也減弱，20時，低層負值中心再次增強并向南移控制降水區(qū)，降水結束。

2.2.2 濕位渦的水平分析 通過對濕位渦各項進行的垂直分析，發(fā)現(xiàn)MPV1大部表現(xiàn)為正值，只在降水區(qū)以北700 hPa為負值；而MPV2在降水區(qū)附近中低層均表現(xiàn)為負值。降水區(qū)附近低層975～850 hPa濕斜壓度大，存在對流不穩(wěn)定區(qū)，與降水有較好的對應，因此選取925 hPa來分析濕位渦與降水場關系。

圖2 2016年1月27日20時(a)、28日08時(b)MPV1沿110°E的垂直剖面圖和27日20時(c)、28日08時(d)MPV2沿110°E的垂直剖面圖（單位：PVU）

對925 hPa濕位渦進行分析發(fā)現(xiàn)：27日20時，廣西的MPV1＞0，在桂中有1.8 PVU的正值中心，南海東北部有一負值區(qū)向廣西東南部擴張（見圖3a），而MPV2大部為負值，中心最大為-0.9 PVU，桂西北有0.3 PVU的正值區(qū)，大氣存在一定的斜壓性（見圖3c）。28日02時，MPV1正值中心增強略北抬，降水區(qū)正值減弱，梯度加大，強降水出現(xiàn)，02—8時是MPV2負值中心發(fā)展最為強烈的階段，斜壓性明顯增大。到8時，桂東南轉為-0.3 PVU的MPV1負值區(qū)，桂中出現(xiàn)了2.7 PVU的強MPV1正值區(qū)，在桂東形成了東北—西南向的等值線密集帶（見圖3b），同時MPV2負值中心達到-1.6 PVU（見圖3d），暴雨區(qū)位于MPV1的正負過渡帶偏向負值一側和MPV2負值中心南側的低值區(qū)里。14時，MPV1、MPV2負值區(qū)均減弱東移入廣東，廣西重新回到MPV1正值區(qū)，梯度減小，大氣趨于對流穩(wěn)定，降水減弱，到20時MPV2負值中心移出廣西，降水結束。

從幾個時次對比中得出：降水發(fā)生前廣西925 hPa上的MPV也為正值，受南海東北部MPV負值區(qū)的入侵，在桂東形成了東北—西南向的MPV等值線密集帶，暴雨區(qū)位于MPV的正負過渡帶偏向負值一側，對應著MPV1的正負過渡帶偏向負值一側和MPV2負值中心南側低值區(qū)內。

綜合分析，925 hPa桂東南出現(xiàn)MPV1負值，導致對流不穩(wěn)定能量和潛熱釋放是造成暴雨的原因之一，在暴雨區(qū)上空，27日20時，|MPV1|＞0，|MPV2|＜0且|MPV1|＞|MPV2|，MPV＞0，28日8時，|MPV1|＜0，|MPV2|＜0，MPV＜0，MPV場正負中心的強度和范圍與MPV1場的分布、走向特征較相似，MPV中MPV1占主導地位，MPV1和MPV2均對此次暖區(qū)暴雨的落區(qū)具有一定的指示意義。

3 鋒面暴雨個例診斷分析

3.1 降水實況及環(huán)流背景

2013年12月13日20時—16日20時廣西大部都出現(xiàn)了暴雨天氣，桂中和桂東南大部地區(qū)累積雨量達到100 mm以上，過程最大雨量為玉林市興業(yè)蒲塘鎮(zhèn)212.4 mm（見圖4）。此次暴雨過程是在有利的環(huán)流背景下產生的，具有較典型的鋒面暴雨特點。500 hPa中高緯呈兩槽一脊的形勢，貝加爾湖地區(qū)為脊，推動脊前東北冷渦緩慢東移入海，偏北氣流帶動冷空氣不斷南下。孟加拉灣有南支槽發(fā)展，四川盆地有高原槽東移，廣西上空為槽前西南氣流控制。低層西南急流加強，切變線14日壓至桂南，15日略有北抬，16日再次南壓，雨帶強中心隨著切變線的擺動也略有改變，14日暴雨區(qū)在桂中和桂東南，15日暴雨區(qū)北抬至桂西北，桂東南降水略有減弱，16日暴雨區(qū)再次南壓至桂東南。地面冷高中心一直維持在蒙古一帶，靜止鋒在廣西沿海擺動，并不斷有新冷空氣補充。

圖3 2016年1月27日20時(a)、28日08時(b)MPV1 925 hPa水平分布圖和27日20時(c)、28日08時(d)MPV2 925 hPa水平分布圖（單位：PVU）

圖4 2013年12月13日20時—16日20時逐日降水分布圖

3.2 濕位渦診斷分析

3.2.1 濕位渦的垂直分析 沿110°E經(jīng)降水中心對濕位渦子項做垂直剖面發(fā)現(xiàn)，降水區(qū)(22—25°N)13日8時MPV1正值主要在800 hPa以下和600 hPa以上，正值中心出現(xiàn)在22°N的925 hPa為2.4 PVU，700 hPa上有-0.3 PVU的負值區(qū)，為對流不穩(wěn)定區(qū)；20時（見圖5a）925 hPa正值中心北移至23°N，強度減弱為1.2 PVU，沿海一帶有靜止鋒北抬，高層正值區(qū)增大并從28°N附近向下入侵，700 hPa的負值區(qū)向上擴張，說明有冷空氣向下入侵，強迫較暖空氣抬升，導致不穩(wěn)定能量和潛熱能的釋放，有利于暴雨的產生。14日8時，700 hPa上的負值區(qū)北移至26°N繼續(xù)向上伸展，對流不穩(wěn)定區(qū)北移降水減弱，925 hPa正值中心加強到1.8 PVU，有冷空氣補充；20時（見圖5b），高層正值區(qū)向下、向南入侵，700 hPa附近的負值區(qū)斷裂成南北兩部，23°N附近冷暖空氣交匯強烈，等值線密集，有利于強降水的發(fā)生。15日8時，冷空氣以高值位渦柱的形式向下呈帶狀分布，正值中心在26°N 650 hPa增強到2.4 PVU，負值區(qū)減弱，20時（見圖5c），帶狀正值區(qū)南移，強中心持續(xù)增大，在22°N的925 hPa出現(xiàn)了4 PVU的強中心，北部負值區(qū)消失，南部負值區(qū)范圍減小，降水區(qū)上空MPV1正負等值線密集，降水持續(xù)增大。16日8時，正值區(qū)繼續(xù)南移并下壓，到了20時（見圖5d），降水區(qū)上空MPV1＞0，大氣層結趨于穩(wěn)定。

圖5 2013年12月13日(a)、14日(b)、15日(c)、16日(d)20時沿110°E的MPV1垂直剖面圖（單位：PVU）

降水區(qū)(22—25°N)13日8時MPV2在925 hPa以上為負值，以下為正值，表明低層有暖濕氣流經(jīng)過，上正下負且等值線較密，冷暖空氣交匯強烈導致大氣濕斜壓性較強，有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展；20時（見圖6a），負值中心北移上抬略減弱，低層正值區(qū)范圍擴大，有暖濕氣流輸送大量水汽，強降水開始。14日8時，低層負值中心繼續(xù)減弱，梯度減小，降水也減?。?0時（見圖6b），950 hPa正值區(qū)增加到0.6 PVU，負值區(qū)從900 hPa向上向北發(fā)展，中心強度也增加到-0.6 PVU，23°N附近出現(xiàn)上負下正的中心，冷暖空氣交匯再次增強。15日8時，受高層負值區(qū)的侵入，25°N 750 hPa負值中心增強到-1.8 PVU，低層正值中心略向北向上發(fā)展，正負中心間等值線密集，對應著此時的降水中心，20時（見圖6c），負值區(qū)向上向北傾斜呈帶狀分布并南移，最大中心在22°N 900 hPa上為-2.1 PVU，梯度加大，降水持續(xù)發(fā)展。16日8時，負值區(qū)強度減小到 -0.9 PVU，但范圍向南擴張，20時（見圖6d），降水區(qū)上空MPV2減弱，降水趨于結束。

圖6 2013年12月13日(a)、14日(b)、15日(c)、16日(d)20時沿110°E的MPV2垂直剖面圖（單位：PVU）

3.2.2 濕位渦的水平分析 通過對濕位渦各項進行的垂直分析，發(fā)現(xiàn)MPV1大部表現(xiàn)為正值，正值區(qū)向北傾斜，只在降水區(qū)附近700 hPa為負值；而MPV2在降水區(qū)附近中層為負值、低層為正值。降水區(qū)附近中低層850～700 hPa存在對流不穩(wěn)定區(qū)，與降水有較好的對應，因此選取700 hPa來分析濕位渦與降水場關系。

圖7 2013年12月13日20時(a)、15日20時(b)MPV1 700 hPa水平分布圖和13日20時(c)、15日20時(d)MPV2 700 hPa水平分布圖（單位：PVU）

對700 hPa濕位渦進行水平分析發(fā)現(xiàn)，13日8時700 hPa廣西MPV1為負值，中心在桂中一帶為-0.6 PVU，有對流不穩(wěn)定，隨后負值區(qū)減弱東北移，而MPV2廣西大部趨近于0，隨后有負值區(qū)發(fā)展向東北移。到了20時，從較遠北側正值區(qū)過渡到南海負值區(qū)，有一定的MPV1梯度（見圖7a），同時桂北有-0.6 PVU的MPV2負值中心，海上有弱正值區(qū)向北發(fā)展（見圖7c），冷暖空氣交匯有利于強降水產生，強降水中心位于MPV1=0附近和MPV2負值中心南側的低值區(qū)內。14日8時，桂中、桂南轉為MPV1正值區(qū)，桂北的MPV2負值中心移出廣西，降水減弱。之后MPV1正值區(qū)緩慢向北發(fā)展，桂中有-0.9 PVU的MPV2負值區(qū)再次發(fā)展起來，斜壓性增強。到15日8時，桂北的MPV1正值中心增強到3.3 PVU，其西部、東南部較遠處有負值區(qū)發(fā)展，有不穩(wěn)定能量累積，桂西北、桂東南處于正負過渡帶間，MPV1趨近于0，同時桂北MPV2負值中心增強到-2.1 PVU，隨后桂東南、桂西北有弱的MPV2正值區(qū)發(fā)展，梯度加大，降水再次增強。20時，桂北MPV1正值中心緩慢東南移，在桂東南有-0.3 PVU的MPV1負值區(qū)發(fā)展東移（見圖7b），同時MPV2負值中心增強到-2.7 PVU并向南壓，弱正值區(qū)減弱消散（見圖7d），降水持續(xù)發(fā)展，強降水中心在MPV1的正負過渡帶偏向負值一側和MPV2負值中心南側的低值區(qū)內。16日8時，MPV1正值中心減弱繼續(xù)東南移，廣西大部地區(qū)為弱的MPV1正值區(qū)控制，MPV2負值區(qū)也減弱東南移，20時，MPV1正值中心和MPV2負值中心移出廣西，降水結束。

從幾個時次對比中得出：強降水發(fā)生前6～12 h，700 hPaMPV2負值區(qū)有一個增大的過程，斜壓性增強，當不穩(wěn)定能量積累到一定的程度時，低層有輻合、鋒生等觸發(fā)條件，就能導致不穩(wěn)定能量和潛熱釋放產生強降水，而暴雨區(qū)上空MPV2為負值中心南側的低值區(qū)，對應著MPV1正值區(qū)前側的負值區(qū)或0值附近，這是由于鋒面層結大多數(shù)以中性對流穩(wěn)定層結為主，?θse?p趨近于0，導致MPV1也趨近于0。MPV1中心不能決定降水落區(qū)但對降水具有潛勢預報，對流不穩(wěn)定越大(MPV1＜0)，越有利于強降水發(fā)生。

4 結論與討論

（1）2016年1月27日—28日暴雨過程具有華南暖區(qū)暴雨特征，邊界層925 hPa存在對流不穩(wěn)定(MPV1＜0)，暴雨區(qū)位于925 hPaMPV的正負過渡帶附近偏向負值一側，對應著MPV1的正負過渡帶偏向負值一側和MPV2負值中心偏南一側低值區(qū)內，MPV中MPV1占主導地位。

（2）2013年12月13日—16日暴雨過程具有鋒面暴雨特征，以中性對流穩(wěn)定層結為主，強降水發(fā)生在700 hPa上MPV1正值區(qū)前側的負值區(qū)或0值附近和MPV2負值中心南側的低值區(qū)內；MPV1從高層正值區(qū)向下、向南入侵，與中低層負值區(qū)作用，MPV2上正下負且等值線較密，冷暖空氣交匯強烈導致大氣濕斜壓性較強，有利于水汽輻合、垂直渦度發(fā)展易產生暴雨，且MPV2對鋒面降水的發(fā)生有一定的提前預報。

（3）以往文獻論著對冬季暴雨濕位渦的分析較少，特別是對冬季暖區(qū)暴雨的研究，本研究分析兩次不同類型冬季暴雨的濕位渦特征，發(fā)現(xiàn)2次暴雨均沒有出現(xiàn)MPV1＜0且MPV2＞0的強對流不穩(wěn)定區(qū)域，可能是由于冬季降水的能量、水汽都不足以與夏季相比所致。

（4）暴雨天氣的影響因素很多，本研究僅選取2個個例進行濕位渦的診斷分析，由于分析資料的時間、空間分辨率還不夠高，對濕位渦的計算也是初步的，得出的結論還不具有較強的普適性，今后應繼續(xù)通過更多的個例分析來驗證，同時對冬季暖區(qū)暴雨的研究還可以擴大到對前汛期暖區(qū)暴雨的研究，以尋找更多參考指標，提高對冬季暴雨的預報準確率，減少農業(yè)生產的損失。

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Two Winter Rainstorms Resulting in Agricultural Disaster in Guangxi:Moist Potential Vorticity Analysis

Lu Qiulin,Chen Minglu,Hu Yonglin
(The Meteorological Bureau of Yulin,Yulin 537000,Guangxi,China)

To improve the accuracy of winter rainstorm forecasting,timely provide weather service for the government and people,and reduce the loss of agricultural production,the authors did real-time analysis,synoptic analysis,diagnosis analysis of moist potential vorticity(MPV)of 2 winter rainstorms resulting in agricultural disasters occurred on January 27 to 28,2016 and December 13 to 16,2013 in Guangxi,by using the precipitation data from automatic weather stations and NECP FNL analysis data.The results showed that:the rainstorm occurred in negative or near the zero line before the positive side ofMPV1 and the low zone of the south ofMPV2 negative center;MPV1 andMPV2 had some indicating significance for the 2 types of precipitation areas,MPV1 center could not decide the frontal rainstorm precipitation fall area,but had the forecast potentiality for precipitation,MPV2 could forecast the occurrence of heavy rain in advance.MPVisoline-intensive area,the meet of cold and warm air strongly is beneficial to moisture convergence,and the development of vertical vorticity is easy to produce rainstorm.

Moist Potential Vorticity;Winter;Inland Inundation;Rainstorm

P458.3

A論文編號：cjas16120024

2016年廣西氣象科研計劃面上項目“玉林市冬季強降水成因及預報著眼點分析”(M16)。

陸秋霖，女，1990年出生，廣西玉林人，助理工程師，本科，主要從事短期天氣預報工作。通信地址：537000廣西壯族自治區(qū)玉林市人民東路169號 廣西玉林氣象局，Tel：0775-2683459，E-mail：383025831@qq.com。

2016-12-23，

2017-07-27。