陳 龍, 陳忠明

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.四川省氣象局,四川成都610072)

0 引言

一直以來,暴雨因其易致災(zāi)性與高頻發(fā)率始終是中國甚至是全世界面臨的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。具體說,暴雨尤其是大范圍的持續(xù)性暴雨和集中的特大暴雨,極易導(dǎo)致山體滑坡,房屋倒塌,農(nóng)田被淹,交通和電訊中斷等問題,對國民經(jīng)濟(jì)和人民的生命財產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。以北京“7.21”特大暴雨為例,不僅造成了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇,引發(fā)了部分山區(qū)泥石流等災(zāi)害,甚至出現(xiàn)了讓人痛心的人員傷亡,而且類似的由暴雨導(dǎo)致的嚴(yán)重的社會問題頻發(fā)。因此,暴雨的研究和預(yù)報一直以來都是政府和氣象部門的關(guān)注重點(diǎn)。

早在20世紀(jì)80年代初,位渦在天氣診斷中的應(yīng)用價值就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),然后被應(yīng)用于大、中尺度的天氣現(xiàn)象研究中[1-4]。位渦作為一綜合物理量,同時反映了大氣的熱力、動力性質(zhì),很好地將大氣中兩種不穩(wěn)定機(jī)制聯(lián)系在了一起,并提供了判別機(jī)制,故而在暴雨中尺度天氣的診斷分析中應(yīng)用較廣,目前已有大量研究[5-9]。但在研究具體的暴雨天氣時,其過程不可能是干絕熱的,還必須考慮水汽在其中所起的反饋?zhàn)饔?。因?濕位渦在暴雨分析中的應(yīng)用變得更加頻繁。吳國雄等[10]用相當(dāng)位溫取代位溫,證實了絕熱無摩擦的飽和濕空氣具有濕位渦守恒的特性,同時也為位渦在暴雨中尺度系統(tǒng)研究中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了更可靠的理論基礎(chǔ)。高守亭等[11-12]在提出濕位渦不可滲透性原理的同時,還發(fā)現(xiàn)暴雨系統(tǒng)的發(fā)展時常伴隨著濕位渦異常的產(chǎn)生,且位渦異常與暴雨落區(qū)及其移動具有很好的對應(yīng)關(guān)系,可利用位渦自身的特點(diǎn)及其異常來追蹤暴雨的落區(qū)及其移動。鄧國等[13]、周玉淑等[14]曾利用濕位渦對江淮流域的暴雨進(jìn)行診斷分析,發(fā)現(xiàn)在對流層的中低層,濕位渦異常區(qū)與降水落區(qū)對應(yīng)良好。根據(jù)濕位渦的不可滲透性原理,濕位渦異常區(qū)及其走向與等θe線大體一致,可利用等壓面上等 θe線間的濕位渦物質(zhì)異常區(qū)的移動來有效地追蹤暴雨系統(tǒng)的移動和演變。潘業(yè)森等[15]依據(jù)濕位渦(MPV)的不可滲透性原理,對發(fā)生在中國中、東部的一次暴雨過程診斷分析后得出,若將濕位渦(MPV)的異常高值區(qū)與等θe線結(jié)合起來,則能在中國中東部的暴雨預(yù)報中起到較好的示蹤作用。

在近幾十年的研究中,盡管濕位渦不可滲透性原理在暴雨研究中的應(yīng)用在逐漸增加,但基于暴雨個例的針對性研究還不是太多,之前所得的結(jié)論是否具有普遍適用性還不確定,因此有必要對更多的暴雨個例進(jìn)行研究,找出其可能存在的普遍適用性。通過濕位渦正壓項、斜壓項及其不可滲透性原理,研究并分析了2011年6月13～15日發(fā)生在長江流域的一次暴雨過程,并進(jìn)一步論證,將MPV異常高值區(qū)與等θe線結(jié)合,在暴雨落區(qū)和移動中所起的積極作用。

1 降雨情況與環(huán)流形勢

1.1 降雨情況

2011年06月13～15日,在長江中下游出現(xiàn)了一次強(qiáng)降水過程,此次降水過程為長江中下游地區(qū)6月份以來降水強(qiáng)度最強(qiáng)、覆蓋范圍最廣的一次。最新監(jiān)測表明,重慶、湖北、江西、安徽、浙江等省市均出現(xiàn)較強(qiáng)降雨,湖北東南部、安徽南部、江西北部、浙江西部等省的部分地區(qū)雨量尤大,過程累積降水量在180～290mm。其中,過程累計降雨量最大值為江西德興380mm。圖1(a)給出6月13日08:00(北京時,下同)到14日08:00的24h累積降水,強(qiáng)降水中心主要位于重慶、貴州、湖北、湖南4省市交界處,中心累積降水量達(dá)81mm,另外,在江西東北與浙江東部的交界處也出現(xiàn)了強(qiáng)降水中心,中心累積降水量達(dá)69mm。圖1(b)給出6月14日08:00到15日08:00的24h累積降水,可以看到降雨帶西段較24h前整體南壓,原來位于4省市交界處的降水中心南壓至湖南中部,降雨過程有所加強(qiáng),中心累積降水量達(dá)153mm。而在湖北東南、江西北部、安徽南部、浙江西北部的交界處,降雨帶合并增強(qiáng),該位置的中心累積降水量達(dá)232mm。

圖1 臺站實時觀測的24h累積降水量(單位:mm)

1.2 環(huán)流形勢

如圖2所示,在歐亞大陸的中高緯有清晰可見的“兩槽一脊”,低槽分別出現(xiàn)在巴爾喀什湖北部和鄂霍次克海西部,而高壓脊則出現(xiàn)在貝加爾湖以北,且大概介于50°N～70°N。在中高緯地區(qū),經(jīng)向環(huán)流持續(xù)且穩(wěn)定,可為持續(xù)性強(qiáng)降水提供足夠且必要的冷空氣。在中低緯地區(qū),30°N附近有一低槽,槽線為東北-西南走向,槽后有較強(qiáng)的冷平流,引導(dǎo)冷空氣向長江中下游輸送。槽前有較強(qiáng)的西南暖濕氣流,槽前、后冷暖氣流在長江流域的交匯是導(dǎo)致此次強(qiáng)降水過程的直接原因。而西太平洋副高脊逐漸西伸,已西伸至120°E,副高北緣也到達(dá)30°N左右,并開始逐步影響并控制長江中下游地區(qū),而且副高的穩(wěn)定存在,也有利于強(qiáng)降水系統(tǒng)的持續(xù)?？梢哉f,30°N附近的低槽,其前、后較強(qiáng)的西南暖濕氣流與冷空氣匯聚于長江流域,為強(qiáng)降水過程提供了有力的水汽輸送,繼而產(chǎn)生了大范圍的強(qiáng)降水,而副高的相對穩(wěn)定則促成了強(qiáng)降水的持續(xù)性。

圖2 2011年6月14日08:00 500hPa位勢高度場

2 診斷分析

2.1 資料選取

研究使用的數(shù)據(jù)資料主要包括:美國NCEP的再分析資料(FNL),水平分辨率1°×1°,時間間隔為6h;常規(guī)站點(diǎn)觀測的6h、24h累積降水資料。

2.2 研究方法和理論基礎(chǔ)

在笛卡爾坐標(biāo)系中,且取p為垂直坐標(biāo),可將濕位渦定義為:

若考慮濕位渦在水平、垂直方向的分量,在靜力近似下,假定垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小很多,且忽略 ω的水平變化時,通過(1)式,濕位渦守恒方程在等壓面上可表示為:

定義濕位渦的第一分量為垂直分量,第二分量為水平分量,即:

式中:MPV1為濕位渦垂直分量,正壓項,其值取決于大氣絕對渦度的垂直分量和相當(dāng)位溫垂直梯度的乘積,因為絕對渦度為正值,故,當(dāng)大氣呈對流不穩(wěn)定狀態(tài)時,故＜0;當(dāng)大氣呈對流穩(wěn)定狀態(tài)時,,故MPV1＞0;MPV2為濕位渦水平分量,斜壓項,其值由風(fēng)的垂直切變和θe的水平梯度決定,表征了大氣的濕斜壓性,風(fēng)的垂直切變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)生或加劇。濕位渦簡稱為MPV,單位是:10-6m2·s-1·Κ·kg-1.

另外,濕位渦物質(zhì)具有不可滲透性,因而伴隨暴雨發(fā)生而產(chǎn)生的濕位渦物質(zhì)異常不能穿過與它相鄰的濕等熵面。由已知數(shù)據(jù)可繪出等線,而對應(yīng)等壓面上的等線也就代表了濕等熵面同該等壓面的交線。因此,在暴雨過程中出現(xiàn)的濕位渦物質(zhì)異常必將在由這兩個濕等熵面所形成的濕等熵面管道中移動,即濕位渦物質(zhì)的移動必定介于兩個確定的等θe線之間。于是,可以結(jié)合等θe線,并依據(jù)濕位渦物質(zhì)異常的移動傾向來更準(zhǔn)確地預(yù)報暴雨的落區(qū)及其移動方向。

2.3 相當(dāng)位溫分析

相當(dāng)位溫θe不僅考慮了氣壓對溫度的影響,還考慮了水汽對溫度的影響,能較好反映大氣中的能量分布。又因強(qiáng)降水過程本質(zhì)上就是不穩(wěn)定能量的釋放過程。所以,一般通過θe來對大氣位勢穩(wěn)定度和整個大氣層所蘊(yùn)含的對流不穩(wěn)定能量進(jìn)行分析。

圖3 2011年6月14～15日最大暴雨區(qū)沿116.5°E的θe經(jīng)向垂直剖面(單位:℃)

由圖3(a)可知,15日08時在暴雨區(qū)對應(yīng)的28°N～30°N上空,從500～950hPa的高度上有明顯的位勢不穩(wěn)定,即,存在對流不穩(wěn)定區(qū)域,而在30°N上空,對應(yīng)高度上有,屬于對流穩(wěn)定區(qū),這時,對應(yīng)高度上的冷空氣就從北方侵入高溫高濕的氣團(tuán),繼而觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量的強(qiáng)烈釋放,產(chǎn)生了此次暴雨過程中的最強(qiáng)降水。之后一直到14時(圖4b),西南暖濕氣流與來自北方的冷空氣對峙江淮流域。盡管伴隨不穩(wěn)定能量的釋放,暴雨強(qiáng)度有所減弱,但暴雨仍在持續(xù),并且隨著冷空氣的不斷南侵,暴雨落區(qū)有所南移。15日20時(圖5c),暴雨區(qū)所對應(yīng)上空的不穩(wěn)定能量基本釋放完全,對流層低層逐漸被冷空氣所控制,層結(jié)趨于穩(wěn)定,此次降水過程已經(jīng)結(jié)束。

2.4 濕位渦的分布

2.4.1 濕位渦正壓項的分布

此次暴雨過程主要發(fā)生在對流層低層MPV1負(fù)值區(qū)及其鄰近區(qū)域。在暴雨發(fā)生初期(圖略),在850hPa上,最大暴雨區(qū)(江西北部,下同)處在MPV1的零線附近,靠近負(fù)值區(qū),說明大氣呈對流不穩(wěn)定狀態(tài)。不穩(wěn)定能量一旦釋放,將極易產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣。暴雨強(qiáng)盛時期15日08時,從850hPa濕位渦正壓項分布圖上看(圖4a),最大暴雨區(qū)上空大部分已處在MPV1零線及其負(fù)值區(qū),南昌北部的正值MPV1值介于0.3～0.9,為對流穩(wěn)定的干冷空氣。南昌南部則被負(fù)的MPV1控制,其值為0～-0.3。濕位渦正壓項的正、負(fù)值區(qū)相持于暴雨區(qū),而且MPV1正、負(fù)值交界的等值線密集帶,恰好是冷、暖空氣的匯集地,這有利于垂直渦度的劇烈發(fā)展,促進(jìn)水汽輻合。而且降水實況表明,強(qiáng)降水落區(qū)恰位于濕位渦正、負(fù)值的交界處。15日14時(圖4b),暴雨區(qū)上空MPV1負(fù)值區(qū)逐漸消失,對流不穩(wěn)定能量基本釋放,低層漸趨于層結(jié)穩(wěn)定,此次暴雨過程基本結(jié)束。

圖4 850hPa上的 MPV1分布圖(單位:PV U)

2.4.2 濕位渦斜壓項的分布

暴雨發(fā)生前期,在850hPa上,濕位渦斜壓項分布圖上(圖略)可看出,暴雨落區(qū)的值為零。在暴雨強(qiáng)盛時期15日08時(圖5a),濕位渦正值區(qū)擴(kuò)大,中心數(shù)值為0.1PVU 。吳國雄等[10]指出,在對流層低層,MPV2的正、高值區(qū)的移動能夠有效地追蹤低層急流和暖濕氣流的移動。而且隨著MPV2正值的增大與范圍的增加,低空的暖濕氣流也明顯增強(qiáng)。至15日14時(圖5b),暴雨落區(qū)的正值逐漸消失,這反映了低空暖濕氣流的減弱,并且伴隨不穩(wěn)定能量的釋放和MPV2正值的消散,該暴雨過程趨于結(jié)束。

整體來講,當(dāng)處于暴雨初期時,在對流層低層上(850hPa),既滿足MPV1＜0又滿足MPV2＞0,這反映了暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定的增強(qiáng),而且這種配置有利于垂直渦度的發(fā)展和強(qiáng)降水的產(chǎn)生。然后,到暴雨強(qiáng)盛時期,暴雨中心恰落在濕位渦正值和負(fù)值的過渡區(qū)。

2.5 濕位渦與未來6h累積降水量的對應(yīng)

伴隨暴雨過程的發(fā)生,會有濕位渦異常的出現(xiàn),而它與降水落區(qū)也有一定的對應(yīng)。通過研究數(shù)據(jù),對850hPa的濕位渦場進(jìn)行了仔細(xì)計算,并結(jié)合等θe線,分析14日08:00、14:00、20:00各時刻的濕位渦與未來6h累積降水量的對應(yīng)關(guān)系。具體如下:

圖5 850hPa上的 MPV2分布圖(單位:PVU)

圖6 濕位渦(單位:10-6m2·s-1·Κ·kg-1)和6h累積降水量(單位:mm)的對應(yīng)關(guān)系(實線代表等壓面上等θe線,而陰影區(qū)代表濕位渦,陰影區(qū)濕位渦≥0.3)

圖6(a)和6(b)分別是6月14日08:00 850hPa上濕位渦分布和與之對應(yīng)的長江流域及其鄰近區(qū)域從6月14日08:00至14日14:00累積的6h觀測降水量分布?？梢钥闯?圖6(a)中,自109°E～120°E有一條由西南-東北向逐漸轉(zhuǎn)為東西走向的濕位渦異常高值帶,中心最大數(shù)值達(dá)1.2×10-6m2·s-1·Κ·kg-1,并且從與這條濕位渦異常高值帶對應(yīng)的地面降水分布圖上(圖6b)看出,濕位渦高值中心同地面上的2個強(qiáng)降水中心對應(yīng)良好。圖6(a)還顯示,濕位渦物質(zhì)異常區(qū)兩側(cè)的等θe線在湖北、安徽附近呈東西走向,這與濕位渦異常高值帶基本平行。根據(jù)濕位渦物質(zhì)的不可滲透性原理,未來濕位渦異常區(qū)會隨著等θe線呈東西走向。這一變化趨勢在圖7(a)中已有所體現(xiàn),這說明與濕位渦異常區(qū)對應(yīng)的暴雨帶未來也應(yīng)該呈東西走向。

圖7 濕位渦(單位:10-6m2·s-1·Κ·kg-1)和6h累積降水量(單位:mm)的對應(yīng)關(guān)系(實線代表等壓面上等θe線,而陰影區(qū)代表濕位渦,陰影區(qū)濕位渦≥0.2)

從圖7(a)中可以看出,在長江流域及其附近區(qū)域仍呈現(xiàn)出一條濕位渦物質(zhì)異常高值帶,有3處異常高值中心,中心最大數(shù)值均達(dá)到0.8×10-6m2·s-1·Κ·kg-1,其中2處異常高值中心及其附近均對應(yīng)有地面強(qiáng)降水中心。在對應(yīng)的地面累積降水圖上(圖7b),降水較6h前,仍呈現(xiàn)出東西走向。從圖7(a)中還可以看出,在湖南、湖北中部以西的地區(qū),濕位渦物質(zhì)異常區(qū)兩側(cè)的等θe線呈西南—東北走向,而在湖北中部以東、安徽地區(qū),則逐漸轉(zhuǎn)為東西向,與濕位渦異常高值走向基本平行,根據(jù)濕位渦物質(zhì)的不可滲透性原理,未來濕位渦異常區(qū)會隨著等θe線逐漸呈西南偏西走向。這一變化趨勢在圖8(a)中已有所體現(xiàn),這說明與濕位渦高值區(qū)對應(yīng)的暴雨帶未來也將會轉(zhuǎn)為西南偏西走向。

圖8 濕位渦(單位:10-6m2·s-1·Κ·kg-1)和6h累積降水量(單位:mm)的對應(yīng)關(guān)系(實線代表等壓面上等θe線,而陰影區(qū)代表濕位渦,陰影區(qū)濕位渦≥0.2)

由圖8(a)可見,濕位渦異常高值帶的西南偏西走向與之前推測的大致吻合,并出現(xiàn)2個異常高值中心,中心數(shù)值最小為0.4×10-6m2·s-1·Κ·kg-1,最大達(dá)1.0×10-6m2·s-1·Κ·kg-1。濕位渦高值中心基本和降水中心基本相對應(yīng)。與此同時,通過觀察地面降水圖(圖8b),發(fā)現(xiàn)該日強(qiáng)降水帶與濕位渦異常高值區(qū)對應(yīng)良好,呈西南偏西走向。

在此次強(qiáng)降水天氣過程的分析中發(fā)現(xiàn),某一時刻850hPa上濕位渦的分布與未來6h的累積降水量分布對應(yīng)良好。那么,若將850 hPa上濕位渦與θe場結(jié)合起來,則能提前預(yù)測未來6h降水的大致落區(qū)和中心,由濕位渦異常預(yù)測的降水大值中心則是基本準(zhǔn)確的。

需要注意一點(diǎn),在以上的分析中,雖然通過觀察濕位渦異常區(qū)分布圖和與之對應(yīng)的降水分布圖,發(fā)現(xiàn)了兩者整體的分布形勢和走向比較一致,但濕位渦的異常高值中心和強(qiáng)降水中心并非完全重合。從圖6、圖7的濕位渦異常高值區(qū)和降水對應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn),6h累積降水區(qū)域總是略偏于濕位渦異常高值區(qū)東南側(cè)。這可能是因為本文假設(shè)降水過程是假絕熱的,而實際大氣并不會如此理想,因此累積降水量與水汽的凝結(jié)量并不等價,可能存在一定偏差。這需要在以后的研究中進(jìn)行更全面的分析,以此來逐步提升預(yù)報準(zhǔn)確度。

3 結(jié)論與討論

通過濕位渦正壓項(MPV1)、斜壓項(MPV2)及其不可滲透性原理,研究并分析了2011年6月13日15日發(fā)生在長江流域的一次暴雨過程,同時進(jìn)一步論證,將MPV異常高值區(qū)與等θe線結(jié)合,在暴雨落區(qū)及其移動的預(yù)報中能起到的積極作用。

(1)暴雨區(qū)鄰近850hPa上MPV1的零線,即正值與負(fù)值的過渡區(qū),這對暴雨落區(qū)有指示作用。且濕位渦在850hPa上滿足MPV1＜0同時MPV2＞0的條件,這種配置有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生,因此可作為預(yù)報暴雨的一個有效輔助工具。

(2)在850hPa上,濕位渦高值區(qū)與地面降水落區(qū)對應(yīng)良好,依據(jù)濕位渦的不可滲透性原理,如能將MPV異常高值區(qū)與等θe線有效結(jié)合起來,則能在長江流域暴雨預(yù)報中起到良好的指示作用。

由于分析資料的時間、空間分辨率都還不夠高,對于濕位渦及濕位渦物質(zhì)異常的計算和分析也都還是初步的。那么在以后的研究中,可以考慮利用中尺度數(shù)值預(yù)報模式(如WRF),采用模式輸出的高分辨率資料對暴雨區(qū)的濕位渦及濕位渦物質(zhì)異常區(qū)進(jìn)行診斷,以期對暴雨的發(fā)生發(fā)展能夠有更為細(xì)致的分析,來更好地體現(xiàn)出暴雨的發(fā)生發(fā)展與濕位渦及濕位渦異常區(qū)的良好對應(yīng)關(guān)系。要注意的是,文中通過個例分析得出的初步結(jié)論,還不具有較強(qiáng)的普適性,這需要通過更多的個例分析來驗證。

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