廖 波，杜正靜

(貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽 550002)

濕位渦在貴州“2011年1月17—20日”持續(xù)性強(qiáng)降雪中的應(yīng)用

廖 波，杜正靜

(貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽 550002)

該文利用NECP/NCAR(1°×1°)再分析資料及常規(guī)氣象觀測(cè)資料，對(duì)貴州2011年1月17—20日持續(xù)強(qiáng)降雪概況及影響系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這次強(qiáng)降雪過程具有影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長、積雪融化緩慢等特點(diǎn);地面強(qiáng)冷空氣、中低層切變和西南低空急流是此次強(qiáng)降雪的主要影響系統(tǒng);同時(shí)對(duì)強(qiáng)降雪過程進(jìn)行濕位渦分析得知，在MPV1＞0且∣MPV2＜0∣有較大增長的區(qū)域與強(qiáng)降雪落區(qū)相吻合，MPV1的大小變化與降雪的強(qiáng)弱變化一致。

強(qiáng)降雪;濕位渦;相當(dāng)位渦

1 引言

濕位渦作為綜合表征大氣動(dòng)力、熱力和水汽等因素之間約束關(guān)系的物理量，被廣泛應(yīng)用到暴雨分析中，文獻(xiàn)［1-3］認(rèn)為濕位渦正壓項(xiàng)的負(fù)值區(qū)和斜壓項(xiàng)的負(fù)值區(qū)分別對(duì)暴雨區(qū)和暴雨的落區(qū)、移動(dòng)有指示作用。近年來，也有專家學(xué)者把濕位渦應(yīng)用到降雪個(gè)例分析中［4-7］，得出濕位渦正壓項(xiàng)的正值區(qū)和斜壓項(xiàng)的負(fù)值區(qū)分別對(duì)降雪強(qiáng)度和強(qiáng)降雪的落區(qū)也有較好指示意義。但應(yīng)用濕位渦對(duì)貴州強(qiáng)降雪的研究不多見，本文對(duì)貴州2011年1月17-20日持續(xù)強(qiáng)降雪過程進(jìn)行物理量分析和濕位渦分析，進(jìn)一步探討貴州強(qiáng)降雪發(fā)生機(jī)制及濕位渦理論在強(qiáng)降雪分析中的應(yīng)用前景。

2 降雪概況及過程分析

2.1 降雪概況

受強(qiáng)冷空氣和西南暖濕氣流共同影響，2011年1月17-20日貴州出現(xiàn)了一次罕見的持續(xù)性強(qiáng)降雪天氣過程。全省大部分地區(qū)連續(xù)3d普遍出現(xiàn)小到中雪，其中西部、東部地區(qū)局地出現(xiàn)暴雪，其降雪區(qū)域由西北向東南擴(kuò)大，強(qiáng)降雪中心從西向東移。1月20日08時(shí)，強(qiáng)降雪中心位于省的東部地區(qū)，全省有74個(gè)縣(市)積雪深度在1 cm以上，38個(gè)縣(市)為5～10 cm，其中關(guān)嶺、興仁、水城、麻江、萬山、玉屏、貴定、黃平等19個(gè)縣(市)在10 cm以上，萬山、玉屏、岑鞏積雪深度分別為29 cm、23 cm、21 cm。由于地面溫度持續(xù)偏低，積雪融化緩慢，省內(nèi)大部分地區(qū)被積雪覆蓋5d以上，其中萬山特區(qū)被積雪覆蓋達(dá)17d之久。這次強(qiáng)降雪過程具有影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長，積雪融化緩慢等特點(diǎn)。這次持續(xù)性強(qiáng)降雪給交通運(yùn)輸、電力、通信、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的生活帶來了嚴(yán)重的影響。

2.2 影響系統(tǒng)分析

在整個(gè)降雪期間，亞洲中高緯地區(qū)500 hPa維持阻高—橫槽型，90°E附近南支槽穩(wěn)定少動(dòng)。16日08時(shí)烏拉爾山阻高建立，阻高東側(cè)偏北氣流引導(dǎo)地面冷空氣南下影響我省，直到21日08時(shí)阻高被切斷，強(qiáng)度減弱。16日08時(shí)700 hPa貴州上空西南急流建立，西南急流一直維持到20日20時(shí)，其中貴陽16日20時(shí)最大風(fēng)速為28m/s。西南急流把孟灣的水汽源源不斷地輸送到貴州上空，為強(qiáng)降雪提供充沛的水汽條件。由圖1可知700 hPa切變?cè)谫F州東北部邊緣穩(wěn)定少動(dòng)，850 hPa切變位于貴州南部穩(wěn)定少動(dòng)，為強(qiáng)降雪提供了有利的動(dòng)力條件。地面整個(gè)亞洲大陸被強(qiáng)大冷高壓控制，其中心位于貝湖西側(cè)，中心強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)為1 067.5 hPa，冷空氣不斷分裂南下影響貴州，靜止鋒維持在滇黔間，直到20日貴州受變性高壓控制，降雪趨于結(jié)束。因此，此次強(qiáng)降雪的主要影響系統(tǒng)為地面強(qiáng)冷空氣、中低層切變和西南低空急流。

圖1 17日08時(shí)地面及高空影響系統(tǒng)配置圖

2.3 水汽條件分析

產(chǎn)生強(qiáng)降雪，必需有充足的水汽輸送和水汽輻合，從16日08時(shí)700 hPa風(fēng)場(chǎng)來看，貴州上空有一風(fēng)速大于12m/s的西南急流建立，西南急流一直維持到20日，為此次強(qiáng)降雪提供充沛的水汽條件。從16日08時(shí)700 hPa水汽通量分布圖(圖略)可知，從孟加拉灣到貴州上空存在一水汽通量大值帶，到19日20時(shí)(見圖2)，水汽通量大值區(qū)東移到貴州東部到湖南一帶，強(qiáng)度加強(qiáng)，其中心值為12×10-7g·cm-1·hPa-1·s-1，20日08時(shí)水汽通量大值區(qū)繼續(xù)東移并減弱，降雪趨于結(jié)束。

圖2 19日20時(shí)700 hPa水汽通量及西南急流圖

2.4 渦度及垂直速度分析

分析1月16日至21日700 hPa渦度演變特征發(fā)現(xiàn)(圖略)，16日08時(shí)四川到我省北部邊緣存在一正渦度區(qū);17日08時(shí)正渦度中心移到我省東北部，其中心值為4×10-5/s;18日08時(shí)正渦度中心東移到湖南;到19日20時(shí)我省東北部正渦度再次增加，其中心值為6×10-5/s，強(qiáng)降雪區(qū)與正渦度大值區(qū)一致;20日08時(shí)開始減弱東移，21日08時(shí)我省上空為負(fù)渦度區(qū)，降雪結(jié)束。

從垂直速度圖來看，16日08時(shí)貴州西部(26°N、105°E)附近有一弱的上升中心，中心值-0.2pa·s-1;18日08時(shí)上升區(qū)向東擴(kuò)大，強(qiáng)度加強(qiáng)，中心值-0.4pa·s-1;19日08時(shí)中心值減弱為-0.3Pa·s-1，19日20時(shí)(圖4)上升區(qū)強(qiáng)度再次加強(qiáng)，中心值為-0.6Pa·s-1;20日08時(shí)，中心值減弱為為-0.4Pa·s-1;21日08時(shí)垂直速度繼續(xù)減弱。將渦度和垂直速度與強(qiáng)降雪時(shí)段對(duì)比分析可知，渦度及垂直速度的2次增強(qiáng)過程與強(qiáng)降雪時(shí)段基本一致。

2.5 相當(dāng)位溫分析

圖3 19日20時(shí)垂直速度沿26°N的剖面圖

1月16日夜間受冷空氣南下補(bǔ)充影響，四川、重慶、貴州西北部有θe冷舌向南伸展，貴州西北部到重慶一帶存在等θe線密集區(qū)，說明該地區(qū)存在鋒區(qū)［8］。17日隨著冷空氣的不斷南下補(bǔ)充，等 θe線坡度增大，且等θe線變得更加密集，θe的水平梯度增強(qiáng)，鋒區(qū)加強(qiáng)。根據(jù)下滑傾斜渦度發(fā)展理論［9］，當(dāng)θe線坡度增大，大氣斜壓性增大，預(yù)示垂直渦度將顯著發(fā)展，伴隨著強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)降雪發(fā)生在等θe線密集區(qū)內(nèi)。18日等θe線略變稀疏，降雪強(qiáng)度略有減弱，18日夜間又有冷空氣南下補(bǔ)充影響，等θe線變得更加密集，降雪強(qiáng)度加大，20日白天開始隨著降雪的發(fā)生，不穩(wěn)定能量得到釋放，等θe線變得稀疏，且分布趨于平直，降雪趨于結(jié)束。

3 濕位渦分析

濕空氣的位勢(shì)渦度稱為濕位渦。濕位渦作為部邊緣穩(wěn)定少動(dòng)，結(jié)合垂直速度剖面圖可知，冷暖綜合表征大氣動(dòng)力、熱力和水汽等因素之間約束關(guān)系的物理量，它將對(duì)流不穩(wěn)定和濕對(duì)稱斜壓不穩(wěn)定聯(lián)系在一起，提供不穩(wěn)定判別機(jī)制，它與對(duì)流不穩(wěn)定變化、斜壓變化和風(fēng)的垂直變化有關(guān)。在P坐標(biāo)系下，忽略垂直速度ω的水平變化，在絕熱無摩擦的飽和大氣中，濕位渦的守恒方程為［7］：

式中ζp為垂直渦度，f為科氏參數(shù)，θe為相當(dāng)位溫。其分量形式為：

其中，MPV1為濕正壓項(xiàng)，表示對(duì)流穩(wěn)定性，是空氣絕對(duì)渦度的垂直分量與相當(dāng)位溫的垂直梯度的乘積，當(dāng)大氣為對(duì)流穩(wěn)定時(shí)，?θe/?p＜0，所以MPV1 ＞0;當(dāng)大氣為對(duì)流不穩(wěn)定時(shí)，?θe/?p＞0，則MPV1＜0;MPV2為濕位渦的斜壓項(xiàng)，表示對(duì)流穩(wěn)定性，是風(fēng)的垂直切變與θe的水平梯度的乘積，表征大氣的濕斜壓性，風(fēng)的垂直切變的增加或水平濕斜壓的增加，均能因濕等熵面的傾斜而引起垂直渦度的增長，有利于強(qiáng)降水的發(fā)生或加強(qiáng)。濕位渦的單位為 PVU，1PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1。

3.1 正壓位渦(MPV1)分析

由于這次強(qiáng)降雪過程中850 hPa切變?cè)谫F州南部邊緣穩(wěn)定少動(dòng)，且700 hPa切變位于貴州東北強(qiáng)，其中心值為1.0PVU，與強(qiáng)降雪區(qū)域吻合，到18氣流交匯較強(qiáng)烈的區(qū)域位于750 hPa附近，因此本文選取750 hPa的MPV1和MPV2圖進(jìn)行分析。

圖4 2011年1月17日08時(shí)(a)，18日08時(shí)(b)，19日08時(shí)(c)，20日08時(shí)(d)MPV1分布圖

從1月16—21日MPV1分布圖可看出，16日08時(shí)貴州西部存在一個(gè)MPV1為正值區(qū)(圖略)，17日08時(shí)(圖4a)MPV1正值范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度明顯加

日08時(shí)(圖4b)MPV1正值區(qū)強(qiáng)度有所減弱，其中心值為0.3PVU，19日08時(shí)(圖4c)，MPV1正值區(qū)強(qiáng)度再次加強(qiáng)，其中心值為0.9PVU，降雪強(qiáng)度也隨之加強(qiáng)，20日08時(shí)(圖4d)MPV1正值區(qū)中心值減弱為0.6PVU，21日08時(shí)(圖略)MPV1正值區(qū)中心值繼續(xù)減弱為0.0PVU，降雪結(jié)束。因此，對(duì)流層中低層MPV1正值區(qū)與降雪中心有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，MPV1正值的大小變化與降雪強(qiáng)度變化一致。

3.2 斜壓位渦(MPV2)分析

由MPV2分布圖可知，1月16日08時(shí)貴州上空MPV2＜0(圖略)，其最大值為 -0.3PVU，17日08時(shí)(圖5a)隨著干冷空氣不斷南下補(bǔ)充，鋒區(qū)加強(qiáng)，等θe水平梯度增大，變得更加密集陡立，由于等θe面的傾斜狀態(tài)與大氣斜壓性密切相關(guān)，其傾斜程度可以表征大氣斜壓性強(qiáng)弱［10］，所以大氣斜壓性加強(qiáng)，∣MPV2＜0∣增大，中心值為-0.7PVU;18日08時(shí)(圖5b)∣MPV2＜0∣大值區(qū)東移，中心值減弱為-0.6PVU;19日08時(shí)(圖5c)，∣MPV2＜0∣再次增大，其中心值為 -0.9PVU;20日08時(shí)(圖6d)，∣MPV2＜0∣的大值中心東移到貴州東部，中心值略有減弱，其中心值為-0.8PVU;21日08時(shí)(圖略)，只有貴州東部MPV2＜0，其值為-0.1，其余地區(qū)MPV2=0?？傊?，17日、19日∣MPV2＜0∣得到較大增長時(shí)段分別與強(qiáng)降雪時(shí)段對(duì)應(yīng)，結(jié)合天氣系統(tǒng)發(fā)展演變可知∣MPV2＜0∣大值區(qū)與中低層鋒區(qū)一致，同時(shí)∣MPV2＜0∣得到較大增長，其附近的垂直渦度增大，導(dǎo)致下滑傾斜渦度發(fā)展，降雪加強(qiáng)。21日隨著冷空氣的東南移∣MPV2＜0∣明顯減小，大氣斜壓性減弱，降雪結(jié)束。因此，在MPV1＞0且∣MPV2＜0∣得到大增長的區(qū)域?qū)?qiáng)降雪落區(qū)具有一定指示意義。

這次強(qiáng)降雪過程的濕位渦分析得出的結(jié)果與其他專家學(xué)者的研究結(jié)果基本一致：MPV1正值的大小變化與降雪強(qiáng)度變化一致;降雪中心位于MPV2中心的東南側(cè)(即∣MPV2＜0∣得到大增長的區(qū)域)。因此，濕位渦對(duì)強(qiáng)降雪的落區(qū)與降雪強(qiáng)度預(yù)報(bào)有很好的指示意義;另外，濕位渦在強(qiáng)降雪與強(qiáng)降雨分析中的區(qū)別在于強(qiáng)降雪落區(qū)位于MPV1正值區(qū)，而強(qiáng)降雨落區(qū)位于MPV1負(fù)值區(qū)。

圖5 2011年1月17日08時(shí)(a)，18日08時(shí)(b)，19日08時(shí)(c)，20日08時(shí)(d)MPV2分布圖

4 小結(jié)

①這次強(qiáng)降雪過程具有影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長、積雪融化緩慢等特點(diǎn)。

②當(dāng)θe線坡度增大，大氣斜壓性增大，預(yù)示垂直渦度顯著發(fā)展，導(dǎo)致上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，強(qiáng)降雪發(fā)生在等θe線密集陡立區(qū)內(nèi)。

③對(duì)流層中低層MPV1正值區(qū)與降雪中心有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，MPV1正值的大小變化與降雪強(qiáng)度變化一致。

④當(dāng)∣MPV2＜0∣得到較大增長，其附近的垂直渦度增大，導(dǎo)致下滑傾斜渦度發(fā)展，降雪加強(qiáng);在MPV1＞0且∣MPV2＜0∣得到大增長的區(qū)域?qū)?qiáng)降雪落區(qū)具有一定指示意義。

［1］ 王從梅，丁治英，張金艷.西北渦暴雨的濕位渦診斷分析［J］. 氣象，2005，31(11)：28-33.

［2］ 井喜，李明娟，王淑云，等.青藏高原東側(cè)突發(fā)性暴雨的濕位渦診斷分析［J］. 氣象，2007，33(1)：99-106.

［3］ 穆仕超，劉開宇.貴州省2008-08-15暴雨過程濕位渦診斷分析［J］. 貴州氣象，2009，33(4)：6-9.

［4］ 喬林，林建.干冷空氣侵入在2005年12月山東半島持續(xù)性降雪中的應(yīng)用［J］. 氣象，2008，34(7)：27-33.

［5］ 馬新榮，任余龍，丁治英.青藏高原東北側(cè)一次暴雪過程的濕位渦分析［J］. 干旱氣象，2008，26(1)：57-63.

［6］ 王玨，梁琪瑤，易偉霞，等.2008年1月18-22日南陽市強(qiáng)降雪過程診斷分析［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2009，32(2)：54-58.

［7］ 湯俊，杜曉玲.EPV在貴州降雪天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.貴州氣象，2002，26(6)：13-14.

［8］ 冉令坤，楚艷麗.等熵面和濕等熵面傾斜發(fā)展的診斷分析［J］. 大氣科學(xué)，2007，31(4)：655-665.

［9］ 吳國雄，蔡雅萍，唐曉菁.濕位渦和傾斜渦度發(fā)展［J］.氣象學(xué)報(bào)，1995，53(4)：387-404.

［10］ 吳國雄，蔡雅萍.風(fēng)垂直切變和下滑傾斜渦度發(fā)展［J］.大氣科學(xué)，1997，21(3)：273-281.

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B

2011-03-04

廖波(1982-)，男，助工，主要從事中短期天氣預(yù)報(bào)服務(wù)工作。