2013年滨海新区大雪过程的湿位涡分析

王万筠，殷海涛，卜清军

(天津市滨海新区气象局 天津300457)

2013年滨海新区大雪过程的湿位涡分析

王万筠，殷海涛，卜清军

(天津市滨海新区气象局 天津300457)

应用湿位涡理论及NCEP再分析资料(水平分辨率1 °×1 °)，对2013年12月17日滨海新区出现的大雪过程进行诊断分析。结果表明：500,hPa高空冷涡和中低空切变线是造成强降雪的主要天气系统。降水时刻滨海新区相对湿度大于 90%。偏东气流带来渤海海面的水汽，同时低空流场汇合有利于水汽辐合。暴雪发生在 850,hPa湿位涡正压项MPV1零值区和湿位涡斜压项MPV2负值区中。MPV2绝对值增大，大气湿斜压性增强导致下滑倾斜涡度发展是形成此次暴雪的重要原因，它对暴雪预报有着很好的指示作用。

大雪 湿位涡 倾斜涡度

0 引 言

强降雪天气是我国北方地区冬季重要的灾害性天气之一。虽然冬季降雪与夏季降雨相比，降水量小很多，但是降雪后的积雪往往给人民生活带来很大的不便。特别是强降雪天气过后，积雪及道路结冰会给城市交通带来严重影响。强降雪天气的研究已得到越来越多专家的关注。[1-3]

近年来，湿位涡作为综合反映大气动力、热力和水汽作用的物理量，被广泛应用于暴雨分析中，[5-7]得到了许多有价值的结论。应用湿位涡理论研究暴雪过程的实践也有很多。本文应用湿位涡理论，选取发生在2013年12月17日的大雪天气个例作湿位涡诊断分析，以探讨湿位涡诊断在滨海新区暴雪预报中的应用前景。

1 天气实况及影响系统

1.1 天气实况及灾情情况

受冷空气影响，滨海新区2013年12月17日普降中雪，局部大雪，自清晨05时左右降雪开始，17时降雪基本结束。最大降雪量出现在塘沽，为 5.8,mm(见图 1)。此次降雪过程由于道路结冰湿滑，且降雪时能见度较低，造成多条高速公路封闭，引发多起交通事故，京津城际列车及进出港航班均受到不同程度影响。

图1 2013年 12月 17日 08时至 12月 18日 08时天津地区降雪量(单位：mm)Fig.1 Precipitation in Tianjin from 08∶00,Dec. 17，2013,to 08∶00,Dec. 18，2013,BST(Unit：mm)

1.2 天气形势分析

本次初雪过程为典型的回流降雪形势，受高空冷涡和低空切变的影响。2013年 12月 17日 08时500,hPa高空冷涡位于内蒙古东北部，冷涡后部有横槽存在，随着横槽转竖南压，华北大部地区将迎来一次冷空气过程；700,hPa位于槽前部西南气流控制；850,hPa切变线基本上压在整个天津地区。地面冷高压中心位于外蒙，天津位于冷锋前部与倒槽之间，一致的偏东风为降雪提供了较好的水汽条件，08时前后降雪过程开始。从 14时的地面图来看，地面还是一致的东北风，大湿区还是压在天津地区，水汽条件依旧很好，降雪过程持续。20时随着高空冷涡东移，500,hPa高空槽已移出我区，整个大气垂直层都处于一个西北气流的控制中，地面冷锋东移南压，此次降雪过程结束。

1.3 水汽条件分析

充足的水汽是成云致雨的先决条件，当然降雪也离不开充沛的水汽条件。滨海新区位于华北平原东部，渤海湾西侧。由于特殊的地理位置，滨海新区属于大陆性季风气候，并具有海洋性气候特点。相对于陆地，冬季海洋为相对持久稳定的热源，东南气流会把黄、渤海相对暖湿的空气输送到京津地区。在实际预报中，东北回流天气常造成冬季较大降水。山东省分析山东半岛的冬季降雪常提到“冷流暴雪”——途经海面的强冷平流带来丰富的水汽，是造成大暴雪的最终原因。[4]滨海新区这次暴雪的水汽来源于渤海。

从 17日 850,hPa相对湿度和流场分布图(见图2)可以明显看出低空偏东气流对京津地区相对湿度的影响。16日20时(见图2a)，降水前期相对湿度大于 90%的大湿区主要分布于北纬 40,°以北。在低涡横槽下摆的同时，北纬40,°附近产生一个相对湿度大于80%的中心。同时850,hPa流场分布上可以分析得知，冷空气的偏北气流及南部的西南气流在北纬40,°汇合，而此水汽汇合区正逐步东移。17日08时(见图2b)水汽汇合区东移至滨海新区。反气旋东移入渤海东部，渤海西部为东南气流。滨海新区位于反气旋后部，受偏东气流影响，且同时流线在滨海新区汇合。此时滨海新区的相对湿度超过 90%。偏东气流带来渤海海面的水汽，同时低空流场汇合有利于水汽辐合。此时强降雪已经开始。17日 14时(见图 2c)，山东半岛北侧反气旋系统依然存着，偏东气流继续为滨海新区输送水汽，滨海新区相对湿度维持在 90%以上，降雪依然持续。至 17日 20时，滨海新区沿海转为偏北气流，湿度大于 90%区域向南移出滨海新区，降水逐渐减弱。

图2 2013年12月 16—17日 850,hPa相对湿度和流场的分布(单位：%)Fig.2 The relative humidity(Unit：%)and stream lines at the level of 850 hPa from Dec. 16 to 17，2013

2 湿位涡分析

近年来应用湿位涡理论研究暴雪过程的实践有很多。闫淑莲等人应用湿位涡对山东半岛一次区域性暴雪的研究发现，暴雪落区与 MPV2负值中心有很好的对应关系。[4]王宏等人对河北东北部暴雪天气的湿位涡研究发现，暴雪天气过程的 MPV2密集极值带状分布与降水带相吻合。[5]

2.1 湿位涡的计算方法

考虑大气垂直速度的水平变化比水平速度的垂直切变小得多，当忽略ω的水平变化时，P坐标下湿位涡守恒方程为：

将其写成分量形式，有：

式中：MPV1为湿位涡的垂直分量(正压项)，其值取决与空气块绝对涡度的垂直分量和相当位温垂直梯度的乘积(pξ是垂直方向涡度，f是地转涡度，θse是相当位温)，因为绝对涡度是正值，当大气为对流不稳定时，＞0，所以 MPV1＜0；若大气为对流稳定时，则＜0，MPV1＞0；MPV2是湿位涡的水平分量(斜压项)，它的数值由风的垂直切变(水平涡度)和θse的水平梯度决定，表征大气的湿斜压性。风的垂直切变的增加或水平湿斜压的增加，均能因湿等熵面的倾斜而引起垂直涡度的增长，有利于强降水发生或加剧。位涡的单位为PVU，1,PVU＝10-6,m2·s-1·K·kg-1。

2.2 等压面上的湿位涡分析

2.2.1 湿正压场与暴雪的发展

MPV1是湿位涡的垂直分量，为湿正压项，北半球大气对流不稳定时，MPV1＜0；大气对流稳定时，MPV1＞0。华北地区冬季降雪基本属于稳定性降水，对流活动并不活跃。降水前期(见图 3a)华北地区北部有大范围MPV1正值区。与低涡横槽下摆相配合，在北纬42,°附近有一中心值为1.2的MPV1正值区。该正值区表明有稳定的冷空气影响华北地区。在冷空气逐步向东南方向移动的同时，17日 08时(见图3b)滨海新区出现一个MPV1为0的区域，表明滨海新区的对流不稳定性正在加强。

图3 850,hPa上MPV1分布(单位：PVU)Fig.3 The distribution of MPV1 at the level of 850,hPa(Unit：PVU)

2.2.2 湿斜压场与暴雪的发展

MPV2是湿位涡的斜压项，MPV2＜0时，MPV2绝对值增大，斜压性越强，对强降温和水汽输送越有利。降水前期(见图 4a)，850,hPa滨海新区 MPV2为零，表明滨海新区大气基本不存在斜压性。而在天津地区以北有一个值为－0.4的 MPV2负值区。17日08时(见图 4b)随横槽下摆，MPV2负值区在东移过程中有所南压，滨海新区 MPV2绝对值由 0变为0.2。MPV2绝对值越大，说明风的垂直切变和水平梯度越强，大气的斜压性增强，有利于下滑倾斜涡度发展及强降雪的发生。强降水就出现在 MPV2绝对值得到较大增长的过程中。[6-8]

图4 850,hPa上MPV2分布(单位：PVU)Fig.4 The distribution of MPV2 at the level of 850,hPa(Unit：PVU)

图5 2013年 12月 16日至 18日(世界时)滨海新区时间-高度剖面图(单位：PVU)Fig.5 Time-height sections along 39° N，117.5° E(Unit：PVU) from 00∶00,Dec. 16,to 06∶00,Dec. 18，2013(Unit：PVU)

2.3 垂直剖面上的湿位涡分析

从2013年12月16日至18日滨海新区(39,°N，117.5,°E)时间-高度剖面图(见图 5)上，可以分析滨海新区上空湿位涡随时间的变化情况。

MPV1时间-高度剖面图(见图5a)上，在16日上午滨海新区从低至高整层的 MPV1值均为正值，表明此刻大气层结比较稳定。从 16日晚上开始低层975,hPa附近及高空650,hPa附近出现MPV1值为0的区域，表明本区的大气层结由稳定状态向不稳定状态变化的一个趋势。

MPV2时间-高度剖面图(见图5b)上，在16日上午滨海新区上空的 MPV2绝对值大值主要位于600,hPa以上，而对于成云致雪的中低空，MPV2绝对值较小。

3 结 语

500,hPa高空冷涡和中低空切变线是引起这次强降雪天气的主要天气系统。降水时刻滨海新区相对湿度大于 90%。偏东气流带来渤海海面的水汽，同时低空流场汇合有利于水汽辐合。强降雪区发生于850,hPa MPV1趋于 0的区域，表明该区域大气不稳定性正在加强。在垂直剖面上，MPV1 0值区在中低空上下贯通，表明上升运动可以向上发展，从而有利于降雪的发生。强降雪区位于中低空 MPV1＜0且绝对值得到较大增长的区域。

［1］杨柳，苗春生，寿绍文，等. 2003年春季江淮一次暴雪过程的模拟研究[J]. 南京气象学院学报，2006，29(3)：382-383.

［2］隆宵，程麟生. “95. 1”高原暴雪及其中尺度系统发展和演变的非静力模式模拟[J]. 兰州大学学报：自然科学版，2001，37(2)：141-147.

［3］王文辉，徐祥德. 锡盟大雪和“7710暴雪分析”[J].气象学报，1979，37(3)：80-86.

［4］闫淑莲. 山东半岛一次区域性暴雪天气过程分析[J].气象与环境科学(增刊)，2007，30(9)：102-106.

［5］井喜，李明娟，王淑云，等. 青藏高原东侧突发性暴雨的湿位祸诊断分析[J]. 气象，2007，33(1)：99-106.

［6］任余龙，寿绍文，李姐辉. 西北区东部一次大暴雨过程的湿位涡诊断与数值模拟[J]. 高原气象，2007，26(2)：344-352.

［7］王宏，王万筠，余锦华，等. 河北东北部暴雪天气的湿位涡分析[J]. 高原气象，2012，31(5)：1302-1308.

［8］赵宇，张兴强，杨晓霞. 山东春季一次罕见暴雨天气的湿位涡分析[J]. 南京气象学院学报，2004，27(6)：836-843.

Analysis of Moist Potential Vorticity(MPV)for a Heavy Snow Process in Tianjin Binhai New Area in 2013

WANG Wanjun，YIN Haitao，BU Qingjun
(Tianjin Binhai New Area Meteorological Bureau，Tianjin 300457，China)

Based on the theory of moist potential vorticity(MPV) and NCEP reanalysis data(Horizontal resolution 1°×1°)，a heavy snow took place on Dec. 17，2013,in Tianjin Binhai New Area was analyzed. The results showed that cold vortex at 500,hPa and low-altitude shear line formed the main weather system that caused this large-scale heavy snow. Relative humidity in the area was above 90% on the precipitation moment；easterly winds brought moistures from Bohai Sea，and the convergence of the flow field at low altitude was advantageous to the moisture convergence.The heavy snow occurred in the value of zero area of MPV1 at 850,hPa and negative area of MPV2 at 850,hPa. It presented that the development of down sliding slantwise vorticity caused by both the increasing of absolute value of MPV2 and atmospheric wet baroclinity was the main reason that caused this heavy snow. This may be a good indicator for heavy snow forecast.

heavy snow；moist potential vorticity(MPV)；slantwise vorticity

P435+.1

A

1006-8945(2014)10-0108-04

2014-09-10