2017年青海三次大到暴雨过程中位涡特征分析

祁彩虹 朱永丰 张宁瑾 胡垚

摘要 利用常规资料、卫星及fnl再分析资料，对2017年发生在青海省三次大到暴雨天气过程进行研究。得出结论：（1）位涡中低层为负值，高层为正值，有利于低层气旋性涡度的增加，易储存和释放不稳定能量，造成强烈的上升运动，更利于暴雨发生;（2）低层中MPV1的大绝对值中心、等值线密集区与强降水对应较好，等值线密集区呈西南—东北向分布;（3）中低层中35°N的辐合中心与MPV2零线对应，呈正负分布，强降水区为负值;（4）MPV1的绝对值大中心及密集区与强降水发区的高温高湿区、强上升区、正涡度的大值中心及假相当位温梯度带相对应，降水发生前MPV2为0，强降水发生时增幅为0.2PVU;（5）冷空气越强，水汽图像中干侵入与高层的高位涡对应越好，为研究夏季弱冷空气与高空短波槽扰动在暴雨中的触发作用提供新的思路。

关键词 大到暴雨;位涡;湿位涡;斜压项;特征分析

中图分类号：P458 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2021）01–0085–03

暴雨的形成需要有豐富的水汽供应、有利的动力、热力不稳定条件。位势涡度（Potential Vorticity）不仅表征大气动力和热力属性，还考虑了水汽的作用，因而对位涡进行诊断可以寻求热力和动力及水汽条件与降水的关系，揭示降水发生发展的物理机制[1-3]。基于守恒原理，对中高纬度天气系统的移动和发展有很好的指示性，故而在天气动力学研究中备受关注，被广泛应用于台风、暴雨、强对流等天气系统的诊断和分析研究中，取得了一些有意义的结

论[4-10]。虽然这些研究对推动暴雨起了一定作用，但由于青海省地理位置特殊，降水机制比较复杂，加之本身的研究大多是从常规资料中凝练出预报指标和预报思路，一定程度上提高暴雨预报预警准确率，却很少利用位涡和水汽图像相结合的角度去分析暴雨过程。

对发生在2017年青海三次大到暴雨过程中位涡特征分析研究，分析青海大到暴雨中位涡的分布特征及与强降水对应关系，使预报人员将位涡理论、数值预报输出产品及水汽图像的解释有机地结合起来，在业务中将有用产品相互配合、取长补短，为青海暴雨研究提供理论依据，提升气象防灾减灾能力，减少地方经济损失。

1 过程概况及环流背景

2017年7月下旬—8月初，青海东部出现持续性降雨天气，具有降水范围大、强度强、持续时间长、灾害种类多，损害严重等特点，共造成经济损失2 561.05万元。受副高西南暖湿气流和北部小槽影响，23日20：00～24日20：00（图1a），青海省环湖地区、海北地区出现大到暴雨天气并伴有大风，国家站4站次大雨，区域站6站次暴雨，48站次大雨，最大降水中心出现在青海湖151站，达74 mm。26日08：00～27日08：00（图1b），环湖地区、海南、湟水河谷地区出现大到暴雨并伴有雷暴大风，国家站1站次大到暴雨，4站次大雨，强降水中心出现在贵南，达46 mm。7月31日—8月1日（（图1c）在海南、海西东部、黄南南部、海北东部出现大到暴雨天气，最大降水中心74.5 mm出现在门源县达坂山北口，最大城镇降水在门源43.3 mm，此外西部出现大风，玉树出现冰雹。

23—24日，500 hpa高空槽引导冷空气南下，冷锋影响至海西中部与东部倒灌冷空气在环湖地区形成辐合，副高略东退，其西段不断输送水汽与能量。低空有切变与辐合，高原东侧不断补给水汽与干冷空气，降水区上游有明显的干舌，这种高低空配置有利于大降水的出现。

26—27日，中东高压加强东伸促使西风带系统东移南下和副高外围西南暖湿气流交汇产生降水。26日08：00地面中，河西走廊西部有明显的低涡切变发展，同时柴达木盆地西风明显加大，格尔木站风速达12 m/s，而西宁站东南风风速为8 m/s，两站之间形成明显的风向切变，高原东侧切变线右侧偏东南气流向青海东部输送水汽，补充暴雨区水汽。西北路径冷空气在高空槽后西北气流引导南下，一路沿河西走廊东移南下，一路翻越阿尔金山经柴达木盆地东移，两路冷空气在青海东部相遇，形成锢囚锋，为大降水的出现提供了动力抬升条件和触发作用。

31日，中西亚大槽底部分裂小槽携带冷空气东移南压，与高原上活跃的南支槽前暖湿气流相结合，冷暖空气交汇于青海，促使对流云团爆发性发展，前期副高在青海省的持续控制为此次大到暴雨天气过程提供了充足的能量。

2 资料和方法

采用美国国家环境预报中心（NCEP）提供的FNL全球分析资料，空间分辨率为1?×1?，时间间距为6 h（每日时次：02：00、08：00、14：00、20：00），垂直层数为26层，水平范围包括全球区域。降水等实况资料来源于Micaps常规资料、区域自动站、卫星等资料。

在p坐标系下，忽略垂直速度ω的水平变化，在绝热无摩擦的饱和大气中，湿位涡（moist potential vortcity， MPV）守恒方程为：

将其写成分量形式： ，

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。绝对涡度是正值，大气对流不稳定时，>0，则MPV1<0;若大气为对流稳定时，<0，则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和的水平梯度决定，表征大气的湿斜压性。位涡的单位为PVU，1PVU=10-6m2s-1kkg-1。

3 三次过程中位涡分布特征

为研究3次过程中位涡的分布特征（图1），计算出700～300 hPa各层次不同时刻位涡值分布特征，相似点为MPV的分布特征为中低层为负值，高层均为正值，这种MPV高低层正负区叠置的形势有利于低层气旋性涡度的增加，易储存和释放不稳定能量，造成强烈的上升运动，更利于暴雨发生[11-14];700 hPaMPV1均为负值，降水发生前后湿斜压项数值绝对值呈先增大后减小趋势，且在强降水时段最大即对流层斜压性明显增强，并伴随着对流低层对流不稳定能量的释放，降水强度明显增强;沿强降水中心做垂直剖面，中低层为负值，400 hPa以上为正值，预示高层有干冷空气且冷空气触发潜在对流不稳定能量的释放即三次过程均发生在大气对流不稳定中，而其负值中心的演变反映斜压性在强降水发生发展中的作用。MPV2在三次过程中低层变化不是特别突出，尤其是31日过程中值为0，沿强降水中心强降水时段做垂直剖面呈现“负—零—正”趋势，且MPV2绝对值呈增大趋势，对暴雨增幅起了关键作用。

4 三次过程中位涡与物理量对应特征

分析3次大到暴雨过程中强降水时段段位涡与水汽通量散度、比湿、涡度、垂直速度、假相当位温等物理量对应特征：水汽通量散度的最大负值中心、比湿大值区14 g/kg，与MPV1的负值中心和等值线密集区对应，伴随降水移动MPV1大值区也随之移动，即强降水中心与水汽通量散度最大负中心（辐合）和MPV1等值线密集带向对应，大气斜压项逐渐减弱降水也减弱结束。

降水起始时强降水中心对应低层涡度逐渐增大，其西侧的南北部对应涡度的最大正负中心，伴随降水开始渦度的正值加大且东南移动，MPV1的绝对值也增大且等值线加密，即此过程中大气的旋转不稳定与大气对流稳定共存，强降水发生在正涡度与MPV1等值线密集区。正涡度与MPV2正值对应，发生降水时MPV2为负值且等值线稀疏。中低层垂直速度为一直的上升运动，强烈的上升运动为暴雨的产生和维持提供了充足的动力条件，不仅能使高层增湿，增强大气不稳定度，同时也使得暴雨中尺度系统得以维持和发展。同时处于的高值区即暴雨区既处于高温高湿的对流不稳定区，配合较好的抬升触发条件极易释放不稳定能量，造成强降水。

凝练3次过程中强降水发生时中低层各物理量与MPV1、MPV2对应指标，可得知三次降水均发生在高温高湿区、水汽强辐合上升区与MPV1的大绝对值区及等值线密集区的对应区（图2）。

5 三次过程中位涡与水汽图像对应特征

水汽图像的特点之一是湿区与干区的界限分明，白亮为云区，灰色为相对湿区，深灰色为干区。23—24日强降水时段，400 hPa与500 hPa MPV值均在绝对值大值区与密集区，对应时刻水汽图可知，此过程中无明显的干侵入（图3）。26—27日过程中，26日14：00～27日02：00，伴随584低值系统的东移北抬伴随干侵入明显，强降水增强时段，对流云团有明显的发展和维持而造成强降水，高位涡位置的移动与强度增强和水汽图像所表征的干侵入的位置移动以及强度的增强有较好对应。7月31日对应400 hPa 38°N，96°E MPV的高值区及密集区，最大值0.6 PVU，500 hPa最大值为1.6 PVU，尤其在100°E中干侵入对应区位于MPV的密集区，而其东侧及南侧有明显的白亮区域，尤其是东侧色调更亮水汽更充足。伴随高空槽东移南下，与南部两高切变打通结合为深厚的高原槽，对应区域内MPV值也增大且更加密集，次日02：00甘肃西部又有一股干侵入对应位涡图中MPV的增加与加密，即此次过程中高位涡位置的移动与强度增强和水汽图像所表征的干侵入的位置移动有较好对应。

6 总结

通过对2017年三次暴雨过程中位涡特征分析，总结出：（1）位涡在中低层均为负值，高层为正值，有利于气旋性涡度的增加，易储存和释放不稳定能量，造成强烈的上升运动，更利于暴雨发生;（2）700 hPa中MPV1的绝对值的大值中心及等值线密集区与强降水对应较好，等值线密集区呈西南—东北向分布;（3）中低层中35°N的辐合中心与MPV2零线对应，强降水区为负值，MPV2的增大对暴雨增幅起了关键作用;（4）MPV1的绝对值大中心及密集区与强降水发区的高温高湿区、强上升区、正涡度的大值中心及假相当位温梯度带相对应，降水发生前MPV2为0，强降水发生时增幅为0.2 PVU;（5）冷空气越强，水汽图像中干侵入与高层的高位涡对应越好，为研究夏季弱冷空气与高空短波槽扰动在暴雨中的触发作用提供新的思路。

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责任编辑：黄艳飞

Characteristics Analysis of Potential Vorticity for three Heavy Rain Events in Qinghai in 2017

QI Cai-hong et al （Qinghai Meteorol-ogical Observatory， Xining， Qinghai 810001）

Abstract A synoptic analysis of three heavy rain events with conventional data， meteorology satellite data and reanalysis data in 2017. The results showed that the negative area at low layer and the positive area at high layer， it was beneficial to enhancing cyclonic vorticity， accumulation and releasing unstable energy， causing the strong updraft airflow， it was more conducive to happening heavy rain. The region of heavy rain located in center of large absolute value and the dense isoline region of MPV1， the dense isoline region was distributed from southwest to northeast. The region of the positive vorticity center near 35°N at the middle and lower layers corresponding with zero curve of MPV2， heavy rain located in the negative value of MPV2. The center of large absolute value and dense area of MPV1 corresponding to heavy rainfall area of warm and moist area， the strong ascent motion area， center of positive vorticity and pseudo-equivalent potential temperature gradient area. The value of MPV2 is zero before rain happening， it increased 0.2 PVU when rain happening. Dry intrusion in water vapor image corresponding to high value of potential vorticity at higher layer when cold air getting stronger. It provided new thinking of researching triggering action between weak cold air and short-wave trough at high altitude with heavy rain in su mmer.

Key words Heavy rain; Potential vorticity;

Moist potential vorticity; Atmospheric baroclin-icity; Characteristics analysis