一次垂直切变不稳定背景下的重力波过程分析

覃 皓

（广西壮族自治区气象台，南宁 530022）

引言

重力波是大气内部的基本波动之一。在稳定层结中，气块在垂直方向受到扰动后在浮力和重力作用下产生周期性振荡，这种浮力振荡在连续介质中传播形成重力波［1］。重力波的活动对天气演变具有重要影响［2，3］。在华南地区，徐燚等［4］研究表明重力波可作为暖区暴雨的触发机制之一，重力波由锋面传播至暖区时，其带来的散度或垂直速度扰动可以触发不稳定能量释放，产生对流。Du 和Zhang［5］则发现重力波与对流间存在强烈的相互作用，重力波可以触发并调控对流的发展，而对流产生的潜热加热又对重力波起到正反馈作用。

关于重力波的发生发展机制，前人研究表明，高山地形［2，6］、切变不稳定［1，7］、急流［8-9］、锋面［4，10］以及对流［5，11］等都可以触发重力波。其中，当大气层结稳定时，垂直方向上的切变不稳定常由高空急流造成的强垂直风切变引起，切变越大对应重力波强度越强［12-13］。在垂直切变不稳定背景下，重力波能够从环境气流中获得自身发展所需要的扰动能量［14］。

冬季南支西风急流强盛，位于20°～30°N 之间，正好覆盖广西上空。这种风速和风向随高度的大幅转变有利于垂直切变不稳的发展，为重力波的激发提供扰动背景。然而前人对重力波个例的研究多集中于高海拔地区，关于广西地区重力波过程的分析较少。因此，本文选取2022 年1 月30—31 日广西中部至南部的一次重力波过程进行分析诊断，以进一步加深对重力波发展及传播机理的理解与认识。

1 资料和方法

采用常规气象观测资料，天气雷达组合反射率资料以及欧洲中期天气预报中心ERA5 逐小时再分析资料（分辨率0.25°×0.25°，包括位势高度、温度、比湿、风场和地表气压等）。

本文利用Morlet 小波分析［1，4］以及带通滤波诊断各物理量时间序列中的重力波信号。选取∂θse/∂p＞0 作为层结对流不稳定判据，θse为假相当位温。计算垂直水汽通量Fv=-ω·q 诊断水汽在垂直方向上的输送，ω 是以Pa·s－1为单位的垂直速度，则Fv＞0 表征水汽垂直向上输送。

利用Richardson 数诊断上述过程中的切变不稳定，其表达式如下：

2 过程概况

2.1 回波特征

2022 年1 月30 日17 时—31 日08 时，广西中部至南部出现了大面积的带状回波，回波自西南向东北方向移动。回波带呈西北－东南向的横向排列，与其移动方向垂直，并表现出明显的波动特征（图1）。17—19 时，百色、南宁和崇左一带出现零星的分散回波，强度较弱，反射率因子在30dBZ 左右（图1a）。19—22 时，零星回波逐渐变得密集，沿其移动方向开始呈现波动排列特征，强度也有所增强（图1b）。23 时—31 日01 时，桂南沿海一带也出现与上述回波相似特征的回波带，沿西南东北向排列成串。随后桂西南一带不断有回波生成并向东北方向移动（图1c）。02—05 时，这种波动形势最为显著，范围覆盖桂中、桂南，回波强度达到最强，中心达40dBZ 以上（图1d、1e）。06—08 时，桂中地区的波动形势逐渐减弱，而桂南一带仍维持（图1f），在09 时以后才逐渐衰退。

受上述回波影响，广西出现了中到大雨程度的较强降水，过程产生自南向北三条雨带，雨带排列与回波移动方向（波列）平行，分别对应图1c 中的线段AB、CD 和EF。此外，由于AB、CD 和EF 的垂直剖面上存在相似的特征，下文主要给出AB 剖面的结果。

2.2 环流形势

整个过程广西处于500hPa 南支槽前的西南气流中，南支槽维持在100°E 附近，槽前西南气流逐渐增强达到急流标准。30 日14 时桂南一带500hPa 风速达到25m·s－1，随后急流范围逐渐增大，20 时已经覆盖整个广西上空，其中桂中桂南一带风速达到30m·s－1。低层850hPa 上切变线位于黔桂交界，广西上空为东南气流，桂南一带风速在夜间20 时至31日05 时左右达到急流强度，具有较好的水汽输送条件。高低层的风场配置构成了明显的垂直风切变。此外，地面冷锋位于沿海，整个过程发生在冷空气一侧。

2.3 环境条件

此次过程发生在桂中桂南一带，因此选取30 日20 时南宁和北海的探空进行分析。在热力条件上，两个区域上空均呈现上干下湿的层结特征，在600hPa 以下大气均为饱和状态。其中，南宁站探空显示在冷垫之上的925～850hPa 存在一个静力稳定层结，温度随高度递增，这一特征在北海探空曲线上也有所体现。静力稳定层结的存在为重力波的传播提供了必要条件［7］。动力条件上，强垂直风切变是激发重力波波源的重要因子［8，13］。南宁和北海探空站均显示出明显的风场随高度转变，在近地面层为偏东风，随高度增高风速递增并逐渐顺时针旋转为强西风，0～6km 垂直风切变分别约为36m·s－1和30m·s－1，均属于强的深厚垂直风切变。

3 重力波诊断

以上分析表明，环流形势以及环境条件具备了重力波产生和传播的必要条件，同时雷达回波也存在明显的波动特征，以下进一步证实此次过程中存在重力波的活动，并讨论其发展和传播规律。

3.1 重力波判别

提取垂直速度的波动信号可以较好地识别重力波［4，7］。考虑到南宁站上空的大气层结有利于重力波传播，同时925hPa 上垂直速度由西南向东北方向呈现出正负相间的分布特征（图2），取南宁探空站附近格点（108°E，23°N）925hPa 的垂直速度时间序列进行小波分析。结果如图3a 所示，垂直速度在30 日16 时至31 日08 时存在显著的5～7h 波动周期，在该阶段重力波的活动信号最为明显，这也与雷达反射率呈现出波动特征的时间段相符（16 时已有零星弱回波出现）。其中，波动能量在30 日22 时—31 日07 时达到最强，对应回波强度也达到最大（图1c—1e，图2）。

为进一步验证上述重力波信号，对该点30 日08 时—31 日20 时925hPa 位温、垂直速度以及地表气压标准化时间序列进行5～7h 带通滤波。可以看到，16 时以后位温、垂直速度以及地表气压存在明显的相位差。位温最大扰动超前于垂直速度最大值，而地表气压最大扰动又落后于后者，三者间位相相差π／2（图3b），符合重力波的极化特征［5，15-16］。

综上可以证实，此次过程受到周期为5～7h 的重力波影响。

3.2 重力波发展

当稳定层结存在时，较强的垂直风切变能促进重力波的发展，重力波随风速垂直切变增大而增强［13，17］。图3c 表明30 日傍晚到夜间垂直风切变存在逐渐增强的过程。在14 时左右，中低层间的垂直风切变开始增强，在16 时开始维持较大强度，对应此时开始出现明显的极化特征（图3b）。在31 日后半夜07 时左右，垂直风切变有一定的减弱，此时波动特征也逐渐消失（图1f，3a）。可见，垂直风切变带来的不稳定对重力波的发展具有重要贡献。

由图4（a—c）所示，30 日18 时，Richardson 数小于0.25 的区域主要位于桂西南一带（图4a），此时该地区存在零星弱回波，波动特征还不明显。30 日19 时—31 日00 时，切变不稳定区域进一步向东北方向扩展，不稳定强度也随之增强，31 日00 时广西已大部处于较强的切变不稳定环境中（图4b，4c），在该阶段重力波逐渐发展成型，波动状回波的分布也与Richardson 低值区大致对应（图1b，1c）。

重力波的成熟及维持需要从环境基本气流（平均流）中获得扰动动能，以补充波动传播过程中能量的外泄，而Richardson 数的增大可以反映出基本气流向重力波的能量传递过程［1，5，7］。由线段AB 的垂直剖面可见，30 日20 时，低对流层内存在较强的切变不稳定（图4d），随后在925hPa 附近Richardson 数不断增大（图4e，4f），表明此时重力波不断从基本气流获取能量，对应波动特征的发展成熟（图1e，1f）。

3.3 重力波传播

选取重力波发展成熟阶段（31 日01—05 时）分析其传播特征（图5）。由垂直速度和位温的分布可见，垂直速度在近地面层至850hPa 呈明显的波动特征，正负值（上升与下沉运动）交替分布，而等位温线也表现为波动状，并且波谷（波峰）对应于垂直速度的平衡位置，满足垂直速度场与等位温面相差π／2位相的重力波极化特征（图5a—5e）。相应地，垂直运动与水平散度互相匹配，因而散度也呈现出正负交替分布（图5f—5j），上升（下沉）运动对应低层辐合（辐散）、高层辐散（辐合）。

值得注意的是，在重力波传播过程中，其抬升扰动的影响可以向上延展至更高的层次，促进高层上升运动的增强，这与Wave－CISK 机制有关［1，5，18］。如31 日01 时，在（108°E，23.5°N）西南侧上空700hPa有一强上升中心，垂直速度达到－0.9Pa·s－1（图5a）。随着重力波传播，02 时在（108°E，23.5°N）东北侧850hPa 为重力波引起的辐合抬升，上升运动使得水汽不断向高层输送（图5b，5g 和5l）。水汽来到饱和层结中凝结释放潜热（由探空曲线以及图5k—5o 的比湿分布可知，850～700hPa 为饱和层并且绝对水汽量较低层更大），同时上升带来的绝热冷却进一步促进了水汽相变，大量的潜热加热反馈使得上升运动向更高的层次延伸，造成更多的水汽凝结至雨。此外，800hPa 以上为对流不稳定层结（图5f－5j），当上升气流达到该高度时触发了不稳定能量释放，位能向动能的转换进一步增强了上升运动，促进了对流发展［17］。在上述机制下，原强上升运动中心不断向下游发展传播，并且维持在800hPa 以上。03 时，强上升中心传播至（109°E，24°N）附近，可以明显看到强上升区由925hPa 向上伸展至600hPa（图5c），同时在对应区域存在一支向上的水汽输送带（图5m），验证了上述机制。这种上升气流从冷垫向上贯穿的配置也与一般的高架对流有所区别［19-20］。到了05 时，强上升区已经传播到（110°E，24.5°N）东北侧，随着重力波能量的耗散，此时上升强度已经减弱至－0.7Pa·s－1（图5e），水汽的垂直输送也相应减弱（图5o）。

综上，给出此次过程重力波活动的示意图（图6）。

4 结论

2022 年1 月30 日—31 日广西中部至南部出现了大面积具有波动特征的带状回波，本文基于常规观测以及ERA5 再分析资料对此次过程中重力波的发展及传播进行了诊断分析，得出以下结论：

（1）整个过程广西受南支槽前西南急流控制，强垂直风切变为重力波的发展提供了扰动背景。广西位于锋面冷空气一侧，低层静力稳定层结为重力波的传播提供了必要条件。

（2）小波分析表明此次过程受到周期为5～7h的重力波影响。在过程初期，Richardson 数的减小对应于重力波的发展，体现了切变不稳定对重力波的激发作用，具有较好的指示意义。在波动成熟和维持阶段，Richardson 数的增大则反映了基本气流向重力波的能量输送，弥补了波动传播过程中的能量耗散。

（3）重力波在稳定层结中传播时，波动中的上升运动将水汽向高层输送，潜热加热的正反馈作用使得抬升扰动可以延展至更高层次。在逆温层之上，上升气流的发展触发了不稳定能量释放，进一步增强了上升运动，对降水具有一定增幅作用。

本文主要讨论了垂直切变不稳对此次重力波过程发生发展的影响，而关于非地转的作用并未提及。在高空急流出口区附近存在明显的非地转运动，由此引发的地转适应过程同样可以激发重力波［8，21］，而地转适应过程又提前于切变不稳定的产生［17，22］，这对于短时预报具有重要意义［23-24］。因此未来工作中需要进一步考虑非地转平衡的影响。