广西冬季2次农业致灾暴雨天气湿位涡分析

陆秋霖，陈明璐，胡勇林

（广西玉林市气象局，广西玉林537000）

广西冬季2次农业致灾暴雨天气湿位涡分析

陆秋霖，陈明璐，胡勇林

（广西玉林市气象局，广西玉林537000）

为了提高冬季暴雨预报准确率，及时为政府和人民提供准确的预报服务，减少农业生产的损失，笔者利用自动站雨量资料以及NECP FNL分析资料，分别对广西冬季2次农业致灾暴雨2016年1月27—28日和2013年12月13—16日进行实况分析、天气学分析和湿位涡诊断分析。结果表明：暴雨发生在MPV1正值区前侧的负值区或0值附近和MPV2负值中心南侧的低值区内。MPV1和MPV2对2类降水落区均具有一定的指示意义，但MPV1中心不能决定锋面暴雨降水落区，却对降水具有潜势预报，MPV2对强降水的发生有一定的提前预报。MPV等值线密集区，冷暖空气交汇强烈有利于水汽辐合、垂直涡度发展易产生暴雨。

湿位涡；冬季；内涝；暴雨

0 引言

湿位涡是综合反映大气动力学、热力学性质和斜压作用的物理量，包含了大气的动力、热力和水汽信息。许多专家通过湿位涡对暴雨、台风等进行分析，取得不少成果[1-11]。吴国雄等[12]从完整的原始运动方程出发，导出湿位涡方程，证明绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性，并提出倾斜涡度发展(SVD)理论。王丛梅等[13]利用湿位涡对西北涡暴雨进行分析，认为强降雨区在湿正压项MPV1的正值区南侧零线附近，湿斜压项MPV2的最大负值区对暴雨的落区、移动有指示作用。

广西属亚热带季风气候，冬季（12月—次年2月）受东北季风控制，降雨相对较少，冬季暴雨事件是一种小概率事件，预报难度大。近年来随着气候变化异常，广西冬季暴雨发生的频率逐渐增多，给国家和人民带来了巨大的影响。2016年1月27—28日的暴雨造成局地内涝、农田被淹，马铃薯、甘蔗、蔬菜等受泡影响生长，大青枣、沙糖桔等水果落果、裂果，导致减产；2013年12月13—16日多日的暴雨造成了局地内涝，阴雨天气不利于香蕉、沙田柚等水果的采收，造成果肉腐烂，对国民经济和农业造成了严重的损失，因此研究该地区冬季暴雨的发生发展规律是十分有必要的。不少学者从动力、水汽特征等方面对冬季暴雨展开了许多研究[14-20]，但应用湿位涡对冬季暴雨的研究并不多见。因此，笔者通过对广西冬季具有不同特征的2次农业致灾暴雨过程（2016年1月27—28日暖区暴雨和2013年12月13—16日锋面暴雨）进行湿位涡诊断分析，以期为广西冬季暴雨预报提供有益的思路和方法。

1 湿位涡计算方法及资料

湿位涡计算方法是根据吴国雄等[12]所阐述的湿位涡守恒方程，即在静力近似下，取P为垂直坐标，垂直速度的水平变化比水平速度的垂直切变小得多，湿位涡的表达式为(1)：

从式(1)可以看出，在无摩擦、湿绝热大气中，系统涡度的发展由大气层结稳定度、斜压性和风的垂直切变等因素决定的。湿位涡可以分为湿正压项(MPV1)和湿斜压项(MPV2)，分别见(2)～(3)。其中，ξ为相对涡度，f为科氏参数，θse为假相当位温。MPV1为湿位涡的垂直分量，取决于空气块绝对涡度的垂直分量和θse的垂直梯度，在北半球，一般绝对涡度(ξ+f)＞0 ，因此当MPV1＜0，，大气是对流性不稳定的；反之，当MPV1＞0，，大气对流性稳定。MPV2为湿位涡的水平分量，由风的垂直切变和θse的水平梯度决定的，低对流层大的正MPV2的移动可作为低空急流和暖湿气流活动或涡旋活动的示踪，MPV2绝对值越大斜压性越强。湿位涡的单位为PVU，1 PVU=10-6m2·K/(s·kg)。

利用2016年1月27—28日和2013年12月13—16日广西区域自动站雨量资料以及美国国家环境预报中心6 h 1次的NECP FNL全球分析资料（水平分辨率为1°×1°）等，分析广西冬季2次农业致灾暴雨环流背景，并计算1000～300 hPa湿位涡及其子项的时空分布。

2 暖区暴雨个例诊断分析

2.1 降水实况及环流背景

图1 2016年1月27日20时—28日08时降水分布图

2016年1月27日20时—28日20时广西东南部出现了暴雨、局部大暴雨，并伴有雷暴天气，最大雨量为玉林市博白县新田镇291 mm（见图1）。强降水集中在850 hPa切变线和地面冷锋以南2～3个纬度的区域，具有明显的华南暖区暴雨的特征。500 hPa中高纬呈两槽一脊，乌拉尔山地区为脊，鄂霍次克海有一深槽伸至30°N地区。孟加拉湾有南支槽发展，槽底伸至20°N以南，槽线在90°—95°E附近摆动。副热带高压西伸到100°E附近，稳定控制南海中北部，广西处于南支槽前和副高西北侧的西南气流控制。850 hPa急流加强，在桂东南有西南风、偏南风、东南风的辐合，切变线在贵州缓慢南压，地面冷高东移出海，广西为倒槽形势，等压线呈南—北走向，为变性高压后部回流的东南气流控制，这样的形势非常有利于广西暴雨的产生。

2.2 湿位涡诊断分析

2.2.1 湿位涡的垂直分析 沿110°E经降水中心对湿位涡子项做垂直剖面发现：降水区(22—24°N)27日20时（见图2a）上空MPV1主要在低层为正值，24°N以北的700 hPa出现-0.3 PVU的负值中心，为对流不稳定区；28°N附近正值区增大，表明有冷空气南下。28日02时700 hPa负值中心向南、向下扩张，8时（见图2b）负值中心增大到-0.6 PVU，并在22°N 925 hPa出现-0.3 PVU的小中心，而24°N 925 hPa的正值中心略有加强，冷暖空气交汇强烈，暴雨区上空形成了正负中心过渡带的MPV1等值线密集带。14时低层正值区范围扩大，降水区转为正的MPV1控制，20时低层正值中心南移，广西转为冷空气控制，强降水结束。

降水区27日20时（见图2c）上空MPV2主要为负值，950 hPa在20°N以南、24°N以北为正值区，21°N附近的中高层有正值区向下入侵，迫使负值区下压，说明有暖湿气流潜入。28日02时降水区的负值略减小，而24°N的负值中心增强到-1.2 PVU，暴雨区上空大气斜压性增强。到了8时（见图2d）在22°N低层出现了负值的低舌区，暴雨区附近MPV2等值线密集，强降水中心位于负值中心偏南一侧低值区内。14时低层负值低舌区北移，负值中心强度减弱，雨区北移降水强度也减弱，20时，低层负值中心再次增强并向南移控制降水区，降水结束。

2.2.2 湿位涡的水平分析 通过对湿位涡各项进行的垂直分析，发现MPV1大部表现为正值，只在降水区以北700 hPa为负值；而MPV2在降水区附近中低层均表现为负值。降水区附近低层975～850 hPa湿斜压度大，存在对流不稳定区，与降水有较好的对应，因此选取925 hPa来分析湿位涡与降水场关系。

图2 2016年1月27日20时(a)、28日08时(b)MPV1沿110°E的垂直剖面图和27日20时(c)、28日08时(d)MPV2沿110°E的垂直剖面图（单位：PVU）

对925 hPa湿位涡进行分析发现：27日20时，广西的MPV1＞0，在桂中有1.8 PVU的正值中心，南海东北部有一负值区向广西东南部扩张（见图3a），而MPV2大部为负值，中心最大为-0.9 PVU，桂西北有0.3 PVU的正值区，大气存在一定的斜压性（见图3c）。28日02时，MPV1正值中心增强略北抬，降水区正值减弱，梯度加大，强降水出现，02—8时是MPV2负值中心发展最为强烈的阶段，斜压性明显增大。到8时，桂东南转为-0.3 PVU的MPV1负值区，桂中出现了2.7 PVU的强MPV1正值区，在桂东形成了东北—西南向的等值线密集带（见图3b），同时MPV2负值中心达到-1.6 PVU（见图3d），暴雨区位于MPV1的正负过渡带偏向负值一侧和MPV2负值中心南侧的低值区里。14时，MPV1、MPV2负值区均减弱东移入广东，广西重新回到MPV1正值区，梯度减小，大气趋于对流稳定，降水减弱，到20时MPV2负值中心移出广西，降水结束。

从几个时次对比中得出：降水发生前广西925 hPa上的MPV也为正值，受南海东北部MPV负值区的入侵，在桂东形成了东北—西南向的MPV等值线密集带，暴雨区位于MPV的正负过渡带偏向负值一侧，对应着MPV1的正负过渡带偏向负值一侧和MPV2负值中心南侧低值区内。

综合分析，925 hPa桂东南出现MPV1负值，导致对流不稳定能量和潜热释放是造成暴雨的原因之一，在暴雨区上空，27日20时，|MPV1|＞0，|MPV2|＜0且|MPV1|＞|MPV2|，MPV＞0，28日8时，|MPV1|＜0，|MPV2|＜0，MPV＜0，MPV场正负中心的强度和范围与MPV1场的分布、走向特征较相似，MPV中MPV1占主导地位，MPV1和MPV2均对此次暖区暴雨的落区具有一定的指示意义。

3 锋面暴雨个例诊断分析

3.1 降水实况及环流背景

2013年12月13日20时—16日20时广西大部都出现了暴雨天气，桂中和桂东南大部地区累积雨量达到100 mm以上，过程最大雨量为玉林市兴业蒲塘镇212.4 mm（见图4）。此次暴雨过程是在有利的环流背景下产生的，具有较典型的锋面暴雨特点。500 hPa中高纬呈两槽一脊的形势，贝加尔湖地区为脊，推动脊前东北冷涡缓慢东移入海，偏北气流带动冷空气不断南下。孟加拉湾有南支槽发展，四川盆地有高原槽东移，广西上空为槽前西南气流控制。低层西南急流加强，切变线14日压至桂南，15日略有北抬，16日再次南压，雨带强中心随着切变线的摆动也略有改变，14日暴雨区在桂中和桂东南，15日暴雨区北抬至桂西北，桂东南降水略有减弱，16日暴雨区再次南压至桂东南。地面冷高中心一直维持在蒙古一带，静止锋在广西沿海摆动，并不断有新冷空气补充。

图3 2016年1月27日20时(a)、28日08时(b)MPV1 925 hPa水平分布图和27日20时(c)、28日08时(d)MPV2 925 hPa水平分布图（单位：PVU）

图4 2013年12月13日20时—16日20时逐日降水分布图

3.2 湿位涡诊断分析

3.2.1 湿位涡的垂直分析 沿110°E经降水中心对湿位涡子项做垂直剖面发现，降水区(22—25°N)13日8时MPV1正值主要在800 hPa以下和600 hPa以上，正值中心出现在22°N的925 hPa为2.4 PVU，700 hPa上有-0.3 PVU的负值区，为对流不稳定区；20时（见图5a）925 hPa正值中心北移至23°N，强度减弱为1.2 PVU，沿海一带有静止锋北抬，高层正值区增大并从28°N附近向下入侵，700 hPa的负值区向上扩张，说明有冷空气向下入侵，强迫较暖空气抬升，导致不稳定能量和潜热能的释放，有利于暴雨的产生。14日8时，700 hPa上的负值区北移至26°N继续向上伸展，对流不稳定区北移降水减弱，925 hPa正值中心加强到1.8 PVU，有冷空气补充；20时（见图5b），高层正值区向下、向南入侵，700 hPa附近的负值区断裂成南北两部，23°N附近冷暖空气交汇强烈，等值线密集，有利于强降水的发生。15日8时，冷空气以高值位涡柱的形式向下呈带状分布，正值中心在26°N 650 hPa增强到2.4 PVU，负值区减弱，20时（见图5c），带状正值区南移，强中心持续增大，在22°N的925 hPa出现了4 PVU的强中心，北部负值区消失，南部负值区范围减小，降水区上空MPV1正负等值线密集，降水持续增大。16日8时，正值区继续南移并下压，到了20时（见图5d），降水区上空MPV1＞0，大气层结趋于稳定。

图5 2013年12月13日(a)、14日(b)、15日(c)、16日(d)20时沿110°E的MPV1垂直剖面图（单位：PVU）

降水区(22—25°N)13日8时MPV2在925 hPa以上为负值，以下为正值，表明低层有暖湿气流经过，上正下负且等值线较密，冷暖空气交汇强烈导致大气湿斜压性较强，有利于暴雨的发生发展；20时（见图6a），负值中心北移上抬略减弱，低层正值区范围扩大，有暖湿气流输送大量水汽，强降水开始。14日8时，低层负值中心继续减弱，梯度减小，降水也减小；20时（见图6b），950 hPa正值区增加到0.6 PVU，负值区从900 hPa向上向北发展，中心强度也增加到-0.6 PVU，23°N附近出现上负下正的中心，冷暖空气交汇再次增强。15日8时，受高层负值区的侵入，25°N 750 hPa负值中心增强到-1.8 PVU，低层正值中心略向北向上发展，正负中心间等值线密集，对应着此时的降水中心，20时（见图6c），负值区向上向北倾斜呈带状分布并南移，最大中心在22°N 900 hPa上为-2.1 PVU，梯度加大，降水持续发展。16日8时，负值区强度减小到 -0.9 PVU，但范围向南扩张，20时（见图6d），降水区上空MPV2减弱，降水趋于结束。

图6 2013年12月13日(a)、14日(b)、15日(c)、16日(d)20时沿110°E的MPV2垂直剖面图（单位：PVU）

3.2.2 湿位涡的水平分析 通过对湿位涡各项进行的垂直分析，发现MPV1大部表现为正值，正值区向北倾斜，只在降水区附近700 hPa为负值；而MPV2在降水区附近中层为负值、低层为正值。降水区附近中低层850～700 hPa存在对流不稳定区，与降水有较好的对应，因此选取700 hPa来分析湿位涡与降水场关系。

图7 2013年12月13日20时(a)、15日20时(b)MPV1 700 hPa水平分布图和13日20时(c)、15日20时(d)MPV2 700 hPa水平分布图（单位：PVU）

对700 hPa湿位涡进行水平分析发现，13日8时700 hPa广西MPV1为负值，中心在桂中一带为-0.6 PVU，有对流不稳定，随后负值区减弱东北移，而MPV2广西大部趋近于0，随后有负值区发展向东北移。到了20时，从较远北侧正值区过渡到南海负值区，有一定的MPV1梯度（见图7a），同时桂北有-0.6 PVU的MPV2负值中心，海上有弱正值区向北发展（见图7c），冷暖空气交汇有利于强降水产生，强降水中心位于MPV1=0附近和MPV2负值中心南侧的低值区内。14日8时，桂中、桂南转为MPV1正值区，桂北的MPV2负值中心移出广西，降水减弱。之后MPV1正值区缓慢向北发展，桂中有-0.9 PVU的MPV2负值区再次发展起来，斜压性增强。到15日8时，桂北的MPV1正值中心增强到3.3 PVU，其西部、东南部较远处有负值区发展，有不稳定能量累积，桂西北、桂东南处于正负过渡带间，MPV1趋近于0，同时桂北MPV2负值中心增强到-2.1 PVU，随后桂东南、桂西北有弱的MPV2正值区发展，梯度加大，降水再次增强。20时，桂北MPV1正值中心缓慢东南移，在桂东南有-0.3 PVU的MPV1负值区发展东移（见图7b），同时MPV2负值中心增强到-2.7 PVU并向南压，弱正值区减弱消散（见图7d），降水持续发展，强降水中心在MPV1的正负过渡带偏向负值一侧和MPV2负值中心南侧的低值区内。16日8时，MPV1正值中心减弱继续东南移，广西大部地区为弱的MPV1正值区控制，MPV2负值区也减弱东南移，20时，MPV1正值中心和MPV2负值中心移出广西，降水结束。

从几个时次对比中得出：强降水发生前6～12 h，700 hPaMPV2负值区有一个增大的过程，斜压性增强，当不稳定能量积累到一定的程度时，低层有辐合、锋生等触发条件，就能导致不稳定能量和潜热释放产生强降水，而暴雨区上空MPV2为负值中心南侧的低值区，对应着MPV1正值区前侧的负值区或0值附近，这是由于锋面层结大多数以中性对流稳定层结为主，∂θse∂p趋近于0，导致MPV1也趋近于0。MPV1中心不能决定降水落区但对降水具有潜势预报，对流不稳定越大(MPV1＜0)，越有利于强降水发生。

4 结论与讨论

（1）2016年1月27日—28日暴雨过程具有华南暖区暴雨特征，边界层925 hPa存在对流不稳定(MPV1＜0)，暴雨区位于925 hPaMPV的正负过渡带附近偏向负值一侧，对应着MPV1的正负过渡带偏向负值一侧和MPV2负值中心偏南一侧低值区内，MPV中MPV1占主导地位。

（2）2013年12月13日—16日暴雨过程具有锋面暴雨特征，以中性对流稳定层结为主，强降水发生在700 hPa上MPV1正值区前侧的负值区或0值附近和MPV2负值中心南侧的低值区内；MPV1从高层正值区向下、向南入侵，与中低层负值区作用，MPV2上正下负且等值线较密，冷暖空气交汇强烈导致大气湿斜压性较强，有利于水汽辐合、垂直涡度发展易产生暴雨，且MPV2对锋面降水的发生有一定的提前预报。

（3）以往文献论著对冬季暴雨湿位涡的分析较少，特别是对冬季暖区暴雨的研究，本研究分析两次不同类型冬季暴雨的湿位涡特征，发现2次暴雨均没有出现MPV1＜0且MPV2＞0的强对流不稳定区域，可能是由于冬季降水的能量、水汽都不足以与夏季相比所致。

（4）暴雨天气的影响因素很多，本研究仅选取2个个例进行湿位涡的诊断分析，由于分析资料的时间、空间分辨率还不够高，对湿位涡的计算也是初步的，得出的结论还不具有较强的普适性，今后应继续通过更多的个例分析来验证，同时对冬季暖区暴雨的研究还可以扩大到对前汛期暖区暴雨的研究，以寻找更多参考指标，提高对冬季暴雨的预报准确率，减少农业生产的损失。

[1] 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.

[2] 吴君,汤剑平,邰庆国,等.切变线暴雨过程中湿位涡的中尺度时空特征[J].气象,2007,33(10):45-51.

[3] 黄金霞,陈楷荣,肖天贵,等.广东“080613”暴雨过程的湿位涡诊断分析[J].广东气象,2010,32(1):25-28.

[4] 徐碧裕,叶朗明,胡丽华.台风“彩虹”过程的湿位涡分析[J].广东气象,2016,38(4):7-11.

[5] 叶爱芬,李江南,徐永辉,等.珠三角一次暖区强降水过程湿位涡的演变特征[J].热带气象学报,2011,27(2):237-243.

[6] 李静楠,潘晓滨,臧增亮,等.一次华北暴雨过程的湿位涡诊断分析[J].暴雨灾害,2016,35(2):158-165.

[7] 吴启树,连东英,刘爱鸣,等.湿位涡子项在华南前汛期两类暴雨中的诊断分析[J].气象科学,2014,34(3):317-324.

[8] 白涛,李崇银,王铁,等.干侵入对陕西“2008.07.21”暴雨过程的影响分析[J].高原气象,2013,32(2):345-356.

[9] 林确略,寿绍文,杨华,等.基于数值模拟对一次广西前汛期回流暴雨形成机制的分析[J].气象,2015,41(7):852-862.

[10] 寿绍文.位涡理论及其应用[J].气象,2010,36(3):9-18.

[11] 李娜,冉令坤,周玉淑,等.北京“7.21”暴雨过程中变形场引起的锋生与倾斜涡度发展诊断分析[J].气象学报,2013,71(4):593-605.

[12] 吴国雄,蔡雅萍,唐晓菁,等.湿位涡和倾斜涡度发展[J].气象学报,1995,53(4):387-404.

[13] 王丛梅,丁治英,张金艳,等.西北涡暴雨的湿位涡诊断分析[J].气象,2005,31(11):28-33.

[14] 查书瑶,伊兰,赵平.冬季华南准静止锋的结构和类型特征研究[J].大气科学,2013,39(3):513-525.

[15] 张芳华,陈涛,杨舒楠,等.一次冬季暴雨过程中的锋生和条件对称不稳定分析[J].气象,2014,40(9):1048-1057.

[16] 罗碧瑜,刘宝升,黎非凡.梅州市两次冬季暴雨过程分析[J].广东水利水电,2014(7):83-86.

[17] 李文奕,杨粤红,李永兵,等.一次冬季持续性暴雨过程的诊断分析[J].广东气象,2013,35(5):14-18.

[18] 苏百兴,段朝霞,梁健.广东省隆冬季节暴雨及个例分析[J].广东气象,2001(4):4-6.

[19] 黄翠银.2010年1月广西冬季暴雨水汽特征分析[J].气象研究与应用,2011,32(4):20-22,48.

[20] 熊英,陈琼,吴瑕.广东前汛期两次暴雨过程的对比分析[J].广东气象,2015,37(4):10-14.

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论文编号：cjas16120024

2016年广西气象科研计划面上项目“玉林市冬季强降水成因及预报着眼点分析”(M16)。

陆秋霖，女，1990年出生，广西玉林人，助理工程师，本科，主要从事短期天气预报工作。通信地址：537000广西壮族自治区玉林市人民东路169号 广西玉林气象局，Tel：0775-2683459，E-mail：383025831@qq.com。

2016-12-23，

2017-07-27。