河北省一次暴雨过程的Q矢量及湿位涡诊断分析

陈震　王丹　黄婷煜

摘要 利用NCEP/NCAR FNL 1°×1°时间分辨率为6 h再分析资料对河北省2016年7月19—20日暴雨过程的准地转Q矢量与湿位涡进行诊断分析。结果表明，在非地转气流的作用下冷暖空气汇集于河北南部，此处亦是Q矢量锋生区。Q矢量辐合区与暴雨区基本重合，强度变化基本一致，但辐合中心与暴雨中心并不重合；非地转气流的辐合辐散对垂直运动起着明显的作用，低层辐合形成上升气流，上升支两侧的下沉气流又在低层向38°N汇聚，增强了低层辐合。对流不稳定与条件性对称不稳定均起到了明显作用，暴雨区基本位于对流稳定区与对流不稳定区的过渡带内。

关键词 暴雨；Q矢量；湿位涡；诊断分析；河北省

中图分类号 P458.1+21.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）15-0190-03

Abstract Using NCEP/NCAR FNL 1°×1° per 6 hour reanalysis datas，the rainstorm process occurred in Hebei Province on July 19，2016 was analyzed.The results showed that under the effect of ageostrophic wind，cold-warm air was collected at southern Hebei where was also the Q-vector frontogenesis area. Q-vector convergence area and storm area were coincident，the intensity changes were basically consistent，but the central regions were not coincident. Vertical movement was affected obviously by ageostrophic wind′s convergence and divergence，low level convergence formed a strong updraft，downdraft around updraft gatheredto 38°N at low level，intensifying convergence.Conditional symmetry instability and convective instability played important roles in the rainstorm.Rainstorm was located the transition between conditional symmetry instability and convective instability.

Key words rainstorm；Q vector；moist potential vorticity；diagnostic analysis；Hebei Province

強上升运动是产生暴雨的必要条件，以往利用ω方程对垂直运动诊断时会遇到垂直方向的导数，计算时就必须有2层的资料进行差分，这对垂直运动的诊断造成了约束。1978年Hoskins等[1]提出准地转上升运动可以用Q矢量进行诊断，这种方式给对垂直运动的诊断带来方便。国内许多学者都对Q矢量的应用做了研究。赵桂香等[2]对比了Q矢量和湿Q矢量的诊断效果，发现Q矢量适合研究天气尺度的大气运动，而湿Q矢量更适合次级环流的研究，更能突出中尺度特性。刘学华等[3]在对一次梅雨期暴雨的研究中发现Q矢量散度、Q矢量锋生函数变化一致，其走向与雨带相一致，低层Q矢量辐合有利于上升运动的维持。此外，湿位涡还考虑了大气中水汽的影响。因为湿位涡与大气对称不稳定有较好的对应关系，故通过对湿位涡进行分析可以更全面而有效地描述强对流天气过程。吴国雄等[4]证明了在绝热、无摩擦条件下，饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性。以此为基础提出了倾斜位涡发展理论。刘还珠等[5]应用湿位涡守恒理论，探究了暴雨锋面两侧冷暖区的垂直环流结构，并且给出了三维示意图。蒙伟光等[6]在华南暴雨数值模拟中指出条件性对称不稳定可能是MCS发展的一种机制，在弱对流稳定区等相当位温面的斜率比等绝对动量的更大，中层有湿位涡负值区，这种情况下不稳定能量更容易释放。

本文利用Q矢量与湿位涡对河北省一次暴雨过程进行诊断分析，试图找出Q矢量和湿位涡与暴雨之间的关系，揭示非地转作用所造成的强迫上升机制。

1 Q矢量分析

1.1 Q矢量及Q矢量锋生函数的表达式

保留偏差风的同时以地转风代替水平风，便得准地转近似。Doswell[7]在1998年给出了一种便于记忆的准地转Q矢量表达式，即：

Q=-R（？塄Vg）·？塄T（1）

根据矢量展开规则有：

Q=（Qx，Qy）

=-R■■-R■■，-R■■-R■■（2）

应用上式便能以某一层的资料进行Q矢量计算，十分方便。在绝热、无摩擦、准静力平衡的条件下可引入Q矢量锋生函数，它表示锋生或锋消的程度。Q矢量锋生函数表达式[8]：

Fg=■+Vg·|？塄h θ2 |=2Q·？塄θ（3）

Fg>0表示锋生，反之为锋消。

1.2 Q矢量及锋生函数分析

从低层Q矢量场与假相当位温场的分布来看（图1），38°N以南为高温高湿区，假相当位温密集带Q矢量的绝对值也要比周围大。这说明在高温高湿区非地转气流较强。假相当位温密集区两侧非地转风风向有明显差别，在非地转气流的作用下，暖湿空气由南向北输送，干冷空气向西输送，二者在河北中部地区交汇。河北中部暖湿、干冷空气交汇，温、湿梯度都非常大，有利于锋生。分析850 hPa锋生函数场，暴雨发生前低层基本处于较弱的正值区，随着降水强度加大，20日0：00（UTC，下同）河北中部出现一锋生函数正值区，中心值在280×10-15 K·hPa·s-3以上。这里正是非地转气流造成的温、湿梯度大值区，大气层结处于不稳定状态，水汽丰富，上升运动强烈，满足暴雨产生的三要素。同时，6 h累计降水中心基本与锋生函数正值中心重合，强度也相近。endprint

分析850 hPa Q矢量散度分布，19日0：00河北西南部首先出现Q矢量散度负值中心，中心值在-80×10-15 hPa-1·s-3以下，6：00—12：00负值中心强度基本维持不变，但范围逐渐覆盖整个河北南部。随着负值区的东移扩大，20日0：00（图2）负值区覆盖了整个河北省东南地区，负值中心已加强到-160×10-15 hPa-1·s-3，辐合中心位于沧州市附近。Q矢量散度负值区与6 h累计降水落区基本重合，但负值中心较降水中心偏南。20日12：00，辐合区已移至唐山东部地区，强度减弱至-60×10-15 hPa-1·s-3，在其西侧有同强度的辐散区。此时的6 h累计降水有2个大值中心，一个位于唐山东部与辐合区重合，另一个位于北京。

根据上述分析可以得出以下结论：Q矢量辐合区自河北省西南部生成而后向东北方向移动，移动中强度先增大后减小。辐合区与6 h累计降水落区基本重合，二者移向一致，强度变化非常接近，但辐合中心与降水中心存在明显偏差。这说明Q矢量散度对降水落区和强度有较好的指示意义。

为了更全面地分析Q矢量辐合辐散的作用，将Q矢量散度和垂直速度沿115°E方向作剖面图，分析其在垂直方向的分布。19日6：00，500 hPa以下为Q矢量的辐合区，辐合中心位于800 hPa附近，辐合中心值-40×10-15 hPa-1·s-3。在辐合区正上方有Q矢量的辐散，强度在20×10-15 hPa-1·s-3左右。山前38°N上空是强烈上升运动区，上升运动中心位于700 hPa高度，最大上升速度在-2 Pa/s以下。在上升气流两侧各有一支下沉气流，构成了垂直方向上的环流圈。在迎风坡抬升作用下气流辐合抬升，500 hPa高度附近Q矢量开始转为辐散，上升气流转向南，向北运动，再而转为下沉运动。两侧下沉气流在低层分别向38°N汇集，又加强了低层的辐合，相互促进的正反馈机制形成。这种正反馈机制对暴雨的维持起到了相当大的作用（图3）。正反馈在维持了6 h后开始崩溃，19日12：00河北省南部地区均为Q矢量一致辐合上升区，辐合自下向上延伸至300 hPa，而后转为辐散。铅直方向上亦有3个辐合中心，强度在-80×10-15 hPa-1·s-3左右。35°N形成新的上升运动中心，辐合区内基本为上升气流。

2 假相当位温分析

暴雨的产生需要有足够的不稳定能量，假相当位温集温、压、湿于一体，可描述水汽相变造成的潜热变化，故可以作为大气能量指标。在暴雨发生前（18日18：00），850 hPa河北省南部假相當位温线加密，不稳定能量开始积聚。19日6：00，等值线向北凸起，强度增大，“Ω”型高能舌形成，中心值达到356 K。配合850 hPa偏南气流，大量的高温高湿不稳定能量向河北地区输送。19日6：00至20日6：00，高能舌自西南向东北移动，同时范围有明显的扩大，中心值始终维持在352 K左右。河北省南部的暴雨就是发生在高能舌向东北移动，范围扩大的这段时间内。20日12：00，高能舌移至唐山附近，呈南—北走向，对应唐山20日白天的暴雨过程。

从垂直分布来看，18日18：00，河北省700 hPa以下为假相当位温的密集区，925 hPa有暖湿的高值中心，而且假相当位温随高度递减，低值中心在700 hPa高度。暴雨区下暖湿，上干冷，大气处于对流不稳定状态。只要有适当的触发机制，对流便可发展起来。19日12：00，沿36°N的剖面图表明，河北西部为假相当位温的密集带，此处为一冷锋，冷暖空气在此交汇。锋面随高度向西倾斜，延伸至300 hPa左右。随着锋面东移，垂直运动加强。上升与下沉运动成对出现。上升运动位于山前迎风坡，也位于冷锋前暖湿的对流不稳定区，上升运动中心值在-3.6 Pa/s以上，上升运动剧烈。在锋面及地形的共同作用下垂直环流圈形成并维持，非常有利于暴雨的发展。

3 湿位涡分析

3.1 湿位涡表达式

3.2 湿位涡水平分布

19日6：00，河北省基本处于MPV1的负值区，表明在暴雨发生的初始阶段低层大气处于对流不稳定状态。河北南部地区有中心值低于-0.6 PVU的负值区，在其北部有中心值高于0.3 PVU的正值中心。对流不稳定的暖湿空气与稳定的干冷空气在西部山前交汇，6 h累计降水落区就位于干冷、暖湿空气相对峙的区域，降水大值中心更偏向对流不稳定区。随着暴雨的加强，19日18：00（图4）对流不稳定区明显扩大，呈西南—东北走向，覆盖河北东南地区，中心值低于-0.8 PVU。6 h降水中心位于邢台市，中心正位于MPV1正负值过渡带内的梯度大值区。

低层MPV2比MPV1小1个量级，19日6：00有2个MPV2的负值区，分别位于河北省中部的保定市以及南部的邢台市。19日18：00，MPV2负值骤然加大，由12：00的 -0.08 PVU增大至-0.6 PVU。20日6：00，斜压不稳定达到最强，MPV2中心低于-1.2 PVU，位于保定、廊坊一带。随后MPV2负值区强度减弱，范围收缩，向东北方向经唐山移出河北省。

总而言之，MPV1与MPV2均是正负相间分布，对流不稳定对降水有着较大贡献，降水主要发生在MPV1的正负值过渡带。条件性不稳定的作用也不容忽视，19日18：00斜压性突然增大可能与夜间低空急流的增强有关，低空急流的增强使得水平风速的垂直切变加大，从而为MPV2提供了负值。

3.3 湿位涡垂直结构

19日12：00，对流不稳定区主要集中在对流层低层，中心值在-0.8 PVU以上，在700 hPa高度上有中心值为0.6 PVU的正值区，恰好位于对流不稳定区之上。MPV1在暴雨区呈现上正下负的配置，对流不稳定能量不断释放，为气流提供了上升动能。

随着暴雨的发展，不稳定能量逐渐减少，低层MPV1逐渐转为正值。分析MPV2沿36°N的剖面图，条件性对称不稳定区自850 hPa随着高度升高向西倾斜，向上延伸至300 hPa左右。在不稳定区内有3个负值中心，强度均在 -0.6 PVU之上。分析MPV2沿115°E剖面图可知500 hPa高度上有弱的对称不稳定区存在。综上所述，对流层低层为对流不稳定及条件性对称不稳定层结，中层为弱的对流稳定层结。2种不稳定层结所蕴含的能量为整个暴雨过程提供了充足的动能。endprint

4 结论

利用NCEP资料对河北一次暴雨过程进行Q矢量及湿位涡物理量诊断，所得结论如下。

（1）河北省中部及南部地区的Q矢量较其他地区明显偏大，说明河北中部及南部低层非地转气流强。在非地转气流的作用下，干冷、暖湿空气在河北地区交汇，有利于锋生。

（2）Q矢量对暴雨的作用明显，对暴雨的预报总体较好，但仍有不足。Q矢量辐合区与暴雨区基本重合，辐合强度变化与暴雨强度变化基本一致，二者有着较好的对应关系。但Q矢量辐合中心与暴雨中心存在明显偏差，说明Q矢量对暴雨中心的预报效果较差。Q矢量低层辐合，高层辐散增强了垂直运动，在上升支两侧又有下沉气流而且在低层分別向38°N汇聚，增强了低层辐合。这种正反馈机制有利于暴雨维持。

（3）湿位涡梯度大值区是暴雨发生的主要区域。暴雨区主要出现在MPV1的正负值交界处的梯度大值区，对流不稳定区的移向与降水区一致，均自西南向东北移动。受夜间低空急流加强的影响，大气斜压性增大导致MPV2有一次突然增强的过程。

（4）对流不稳定与条件性不稳定均起着重要作用。垂直方向上低层为对流不稳定及条件性对称不稳定层结，中层为弱的对流稳定层结。

5 参考文献

[1] HOSKINS B J，PEDDER M.The diagnosis of middle latitude synoptic development[J].Q JR Meteorological Society，1980，106（450）：707-719.

[2] 赵桂香，程麟生，李新生.Q矢量和湿Q矢量在暴雨诊断中的应用比较[J].气象，2006，32（6）：25-30.

[3] 刘学华，朱宵峰，梁亮.Q矢量和湿位涡在梅雨期区域性暴雨中的诊断分析[J].气象与环境学报，2013，29（4）：11-17.

[4] 吴国雄，蔡雅萍，唐晓菁.湿位涡和倾斜涡度发展[J].气象学报，1995，53（4）：378-405.

[5] 刘还珠，张绍晴.湿位涡与锋面强降水天气的三维结构[J].应用气象学报，1996，7（3）：275-284.

[6] 蒙伟光，王安宇，李江南，等.华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析[J].大气科学，2004，28（3）：330-341.

[7] DOSWELL C A III.A diagnostic study of three heavy precipitation episode in the Western Mediterranean Region[J].Wea Forecasting，1998，13：102-124.

[8] 董安祥，郭蕙，贾建颖，等.青藏高原东部一次大雪过程的Q矢量分析[J].南京气象学院学报，2001，24（3）：406-409.endprint