贵州省一次连续性暴雨的湿位涡诊断分析

2012-12-23王兴菊杨忠明吴哲红

中低纬山地气象 2012年2期

关键词：负值涡度强降水

王兴菊，白慧，杨忠明，吴哲红

(1.贵州省安顺市气象局，贵州安顺 561000;2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州贵阳 550002;3.贵州省气候中心，贵州贵阳 550002)

贵州省一次连续性暴雨的湿位涡诊断分析

王兴菊1，2，白慧3，杨忠明1，吴哲红1

(1.贵州省安顺市气象局，贵州安顺 561000;2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州贵阳 550002;3.贵州省气候中心，贵州贵阳 550002)

该文利用绝热、无摩擦大气湿位涡守恒理论和常规的地面观测资料、NCEP再分析资料(水平分辨率2.5°×2.5°)，对贵州省2011年6月3—6日连续性暴雨过程的湿位涡场进行了诊断和分析。结果表明此次暴雨过程发生在对流层中低层MPV1负值区和MPV2的正值区以及θse的高能区内。湿位涡的正压项与斜压项综合反映了暴雨区对流不稳定和斜压不稳定状况。这一判据将大气中的对流不稳定和斜压不稳定很好地联系在一起，为暴雨天气的诊断和实际预报提供了一种思路。

暴雨;湿位涡;诊断分析

1 引言

湿位涡是能同时表征大气动力、热力和水汽性质的综合物理量。近年来，其概念和理论得到了深入的研究和广泛应用。吴国雄等［1-2］从完整的原始方程出发，导出了湿位涡方程，证明了绝热无摩擦的饱和大气中湿位涡的守恒性，并由此研究了等熵坐标和等压坐标系中倾斜涡度的发展理论;李国平、刘行军［3］分析了西南低涡暴雨的湿位涡分布特征，揭示了湿位涡与强降水的直接关系;田珍富等［4］利用一个考虑了陡峭地形的16层η坐标模式，对1990年一次发生在湖北远安县的局地特大暴雨进行了数值模拟，他们指出湿相对位涡的变化与暴雨过程的演变有较好的对应关系，指出MPV(湿位涡)的变率的正负对暴雨的发生及演变起到很好的指示作用。贵州地处乌蒙山脉南端，云贵高原北部，地形复杂，由于其特殊的地理位置和大气环流等因素影响，形成了贵州独有的天气特征，由持续性暴雨引发的洪涝和由突发性局地暴雨引发的泥石流等山地灾害常有发生［5］。本文利用绝热、无摩擦大气湿位涡守恒理论和常规的地面观测资料、NCEP 再分析资料(水平分辨率2.5°×2.5°)，对贵州省2011年6月3—6日连续性暴雨过程的湿位涡场进行了诊断和分析。结果表明此次暴雨过程发生在对流层中低层MPV1负值区和MPV2的正值区以及θse的高能区内。湿位涡的正压项与斜压项综合反映了暴雨区对流不稳定和斜压不稳定状况。这一判据将大气中的对流不稳定和斜压不稳定很好地联系在一起，为暴雨天气的诊断和实际预报提供了一种思路。

2 降雨实况

实况：2011年6月3—6日，贵州省出现今年入汛以来首场持续暴雨天气过程，强降水集中在贵阳市、遵义市中东部、安顺市、铜仁地区、黔西南州北部及东部、黔南州大部、黔东南州中北部地区，德江、花溪、兴仁、贞丰出现大暴雨。累计雨量有20个县市区在100 mm以上，31个县市区在50～100 mm之间;另有762个乡镇累计雨量在50 mm以上，其中223个乡镇在100 mm以上，12个乡镇达200 mm以上，以罗甸县逢亭镇的248.9 mm为最大。其中3日08时—4日08时，强降水出现在贵州省的东北部，4日08时—5日08时，强降水出现在贵州省的中东部(图1)。5日08时—6日08时，强降水出现在贵州省的西南部和东部(图2)。此次降水过程具有影响范围广、持续时间长、降水强度强、局地灾害重等特点，严重暴雨洪涝造成望谟、紫云、德江、铜仁、江口、湄潭共6个县市不同程度受灾，望谟县城进水，山洪还引发局地泥石流灾害。截止6月6日13时，全省共有20.18万人受灾，因灾死亡1人、失踪15人，紧急转移6.01万人;农作物受灾面积9 383.4 hm2，成灾7 011 hm2;倒塌房屋134户411间，损害房屋2 782间。因灾造成直接经济损失17 001.1万元，其中农业直接经济损失1 219.4万元。

3 环流背景和主要影响系统

6月4日08时—5日20时，500 hPa欧亚中高纬环流为两槽一脊型，巴尔喀什湖到贝加尔湖之间的50～70°N为阻塞高压，稳定少动，脊前偏北气流引导低层冷空气从东北路径南下影响我国。西太平洋副高北界在23°N附近，其西伸脊点在100°E左右。贵州处于副高西北侧的西南气流控制下，同时在高原上不断有小槽东移影响。孟加拉湾低槽深厚活跃，不断有大量的暖湿气流经中南半岛输送到贵州(图3a)。700 hPa从长江中下游到四川南部维持一条东西向的切变线，川西有一中心强度为308 dagpm的低涡。

图3 (a)4日08时—5日20时500 hPa平均高度场(单位：gpm)，(b)4日08时850 hPa天气形势图，(c)4日20时地面天气形势图，(d)5日14时地面天气形势图。

同时在滇东还有一条南北向的切变线，贵州受较强的西南气流控制(图略)。4日08-20时850 hPa从湖北经贵州中部到云南中部有一低涡切变，稳定少动;5日08时切变有所南压，切变线从浙江北部经过江西、湖南、贵州中部到云南南部。同时从3日20时起西南急流建立，4-5日维持且有所加强，最大风速达20m·s-1以上，贵州处于急流的左侧。低空急流为暴雨区带来了大量的暖湿空气(图3b)。从6月4日08时—5日20时的地面图演变来看(图3c，3d)，在这段时间内，贵州中西部到云南东部一直为一个低压系统控制，且在江西、湖南直到贵州的中部偏南一线始终有静止锋维持，四川到青海一带则维持一个弱的小高压。分析14时和20时的24 h变温可见，贵州北部到四川有负变温，而贵州中南部始终维持正变温。这一现象说明，由于近地面低空急流的存在，带来了大量的暖湿气流，所以贵州中南部一直处于高温高湿的状态。四川一带由于有弱冷空气侵入，气压场表现为小高压，变温场也表现为负变温。在这种冷暖空气交汇的情况下，西南暖湿气流遇冷空气抬升，使上升运动加强，激发不稳定能量释放，近而在辐合上升运动强的地区生成中尺度对流云团，产生强对流和强降水天气。从以上分析可以看出，此次持续性暴雨出现在中高纬长波系统稳定时期，低纬度则是西太平洋副高位置稳定适中，且低层低涡切变移动缓慢，地面静止锋维持的情况下。中尺度对流系统是此次过程的主要影响系统。

4 湿位涡(MPV)分析

4.1 湿位涡正压项(MPV1)的分布

从沿暴雨中心沿26°N处MPV1的经向剖面图中看到(图4)：4日08时650 hPa以下为负值区，为对流不稳定区，在100 ～108°E之间有一个 -60PVU的中心，位于800～900 hPa之间，在与负值区对应的范围内，600～400 hPa为正值区，中心强度值为20 PVU。14时负值中心东移到105 ～111°E，中心值迅速增强，达到-144 PVU，与之对应的600 hPa以上的正值中心达到24 PVU。从500 hPa向下有一“漏斗”形高湿位涡区伸展，高位涡(12 PVU)的范围伸展到了600 hPa附近，表明对流层高层为对流稳定区，冷空气向下入侵。到4日20时(图略)，对流层高层高值带减弱，负值区抬升到了500 hPa附近，负值中心值强度减弱，范围缩小，强中心在850 hPa附近，中心值为-96 PVU，一直到5日08时继续减弱。到了5日14时强度再次迅速增强，强中心仍然在贵州范围内，中心值达到-188 PVU，到5日20时后又减弱。在暴雨发生前的4日14时和5日14时，对流层高层正的大值区对应着对流层低层负值中心，这将有利于低层的不稳定能量大大释放，对流不稳定迅速发展。这种MPV1“正负值区垂直迭加”的配置是暴雨发生发展的有利形式。

这次暴雨过程发生在对流层中低层MPV1负值区内。暴雨产生前中低层850 hPa和700 hPa贵州为负值控制，表明大气处于对流不稳定状态，一旦有冷空气触发潜在不稳定能量释放，将产生对流性强降水天气。在MPV1等值线相对密集的零线附近，正是冷暖空气交汇的地带，有利于水汽辐合，垂直涡度剧烈发展。

4.2 等压面上湿位涡斜压项(MPV2)分布

湿位涡斜压项的大小决定于水平风的垂直切变和相当位温的水平梯度，所以其值越大表明大气的斜压性越强。从沿暴雨中心26°N处MPV2的经向剖面图中看出(图5)：6月4日08时，在100 ～108°E范围内，750～850 hPa之间，有一个中心值为-2 PVU的负值中心，在700 hPa以上到300 hPa之间为零值区。到14时贵州中东部在750～850 hPa之间开始出现正值区，中心值为4 PVU，表明此处开始有对流云团产生。到20时，在贵州中东部地区800～850 hPa上有3 PVU的正值区，在750～650 hPa上有-3 PVU的负值中心，贵州西部处于正负值的过渡带，斜压性非常强，这种形式有利于强对流的发展，易产生暴雨。

到5日02时整个贵州范围内变为负值，5日08时贵州范围内开始出现0.5 PVU的正值区。14时，增大为1 PVU，20时正值区抬升到650 hPa左右，贵州西部正值中心为2 PVU，到5日02时，正值区抬升到了600 hPa，5日夜间贵州出现了强降水，2县出现大暴雨，10县市出现暴雨，27县市出现大雨;另外有1个乡镇出现特大暴雨、25个乡镇出现大暴雨、174个乡镇出现暴雨，以罗甸县逢亭镇的239.5 mm最大。其中大部分的强降水主要出现在贵州的中部以西地区。

由于MPV1的绝对值明显比MPV2大，MPV1分布与湿位涡MPV的分布大致相同，负值中心位置也比较一致。MPV2的数值虽说常常比MPV1约小一个量级，但MPV2表达式中风随高度的变化和相当位温的梯度表明，数值越大说明大气的斜压性越强，大气的斜压性可转化成正压位涡扰动，有利于气旋性涡度发展，利于暴雨的产生。同时MPV2绝对值的增大，可以反映大气的斜压不稳定的增强，因为MVP2的表达式中含有等相当位温面的坡度项，斜压不稳定决定于等位温面的坡度。因此，湿位涡的正压项与斜压项综合反映了暴雨区对流不稳定和斜压不稳定状况。这一判据将大气中的对流不稳定和斜压不稳定很好地联系在一起，为暴雨天气的诊断和实际预报提供了一种思路。

5 能量场分析

5.1 θse剖面特征

从850 hPa上θse沿26°N的经度—间剖面图分析(图6)，4日和5日的14—20时在贵州范围内都有θse的大值中心，其中4日的大值区出现在贵州省的东部地区(106～112°E)，中心值达到了390 K，5日的大值区出现在贵州省的中东部地区(104～111°E)，中心值达到了385 K，这与4日和5日贵州出现的强降水范围是吻合的，表明强降水区域在强降水开始前维持高能。

图6 2011年6月4—6日 850 hPa上 θse沿26°N的经度—时间剖面(单位：K)

5.2 物理量场分析

从6月4日和5日20时比湿场和垂直速度场沿26°N的垂直剖面图来看：4日20时在贵州范围内存在强烈的上升中心，在850 hPa附近达到最大上升值-0.18 hPa/s，上升气流达到500 hPa。在湿度场上，贵州中西部强上升区对应的范围内，850 hPa上也存在湿度中心，在103～109°E之间比湿达到80 g/kg。5日20时，在贵州范围内也存在上升气流和比湿中心，垂直速度中心值达到了-0.1 hPa/s，上升气流达到了650 hPa，比湿中心达到800 hPa。说明在6月4日20时和5日20时，贵州已经具备产生暴雨的条件，即强烈的上升运动和水汽条件。

从6月4日和5日20时水汽通量散度场沿26°N的垂直剖面图来看：4日20时在贵州中西部地区存在水汽通量散度负值中心，中心值达到了-25 g/s·cm·hPa。到5日20时，贵州范围内仍然存在水汽通量散度负值中心，中心值达到了-15 g/s·cm·hPa，说明整个过程中贵州范围内均存在水汽通量的辐合，源源不断的水汽在贵州地区聚集。从6月4日和5日20时流场沿26°N的垂直剖面图来看：850 hPa上以偏南气流为主，在700 hPa上贵州中部地区存在西南风和东北风的切变，在700 hPa与600 hPa之间存在西南风和西北风的辐合带，500 hPa以上出现了西风急流，最大风速达到20 m/s。到5日20时，700 hPa上切变仍然很明显，在700 hPa与600 hPa之间也存在明显的辐合区，500 hPa以上盛行西风气流，最大风速达到10 m/s。

图7 2011年6月4日20时、5日20时比湿场和垂直速度场沿26°N的经向垂直剖面图

通过对6月4日和5日20时流场沿26°N的垂直剖面图的分析可以看到，大暴雨区位于高空和低空风速切变最大区的叠加之处。这正是高空急流和低空急流耦合形成最有利暴雨发生的动力场的区域。高空急流右侧的上升区与低空急流左侧的上升区相重叠，形成深厚的、强烈的上升运动。

6月4日20时500 hPa环流形势来看(图9)，贵州受槽前西南气流影响，在105°E附近为涡度平流的0值区，贵州处于正负涡度平流的过渡带，槽前有正涡度平流，槽后有负涡度平流;温度场来看，贵州也处于冷暖平流的过渡带，槽前为暖平流，槽后为冷平流。5日20时500 hPa环流形势来看，在103°E和24°N附近，贵州的西南地区，也出现了冷暖平流和正负涡度的交汇。