高清源， 李 超， 支 詢，3， 于芳健， 田 璐

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225;2.鞍山市氣象局，遼寧 鞍山114004;3.遼寧省氣象裝備保障中心，遼寧沈陽110000;4.朝陽市氣象局，遼寧朝陽122000)

0 引言

暴雨是中國的主要災(zāi)害性天氣之一，具有突發(fā)性高、強(qiáng)度大等特點，極易造成嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，因而對于暴雨天氣的監(jiān)測、預(yù)警、預(yù)報和研究，一直是氣象工作者關(guān)注的重點［1-4］。近年來，位渦理論已成為研究暴雨天氣的重要工具，尤其是在爆發(fā)性氣旋生成和鋒面研究中得到普遍的應(yīng)用，這是因為位渦綜合反映了大氣的熱力、動力學(xué)特征，并且在無粘、絕熱的斜壓大氣中具有守恒性［5］，吳國雄等［6-7］在守恒特性的基礎(chǔ)上，提出了傾斜渦度發(fā)展理論，指出傾斜發(fā)展在暴雨中的重要作用。Bennetts和 Hoskins［8］從 Boussinnesq近似出發(fā)，引入潛熱作用，導(dǎo)出了濕位渦變化方程。劉還珠等［9］研究了強(qiáng)降水鋒面兩側(cè)的冷暖區(qū)垂直環(huán)流，給出了強(qiáng)降水鋒面的三維熱力流型結(jié)構(gòu)，濕位渦斜壓項對應(yīng)的可能的降水性質(zhì)。王建中等［10-11］指出濕位渦斜壓項能很好的體現(xiàn)濕斜壓性對流不穩(wěn)定在降水中的作用，而處于濕對稱不穩(wěn)定的大氣，在鋒面強(qiáng)迫或低空急流的作用下，更易形成強(qiáng)降雪天氣。于玉斌等［12］對華北一臺風(fēng)暴雨進(jìn)行了濕位渦分析，指出將位渦分解為正壓和斜壓部分能更好的揭示位渦和暴雨強(qiáng)度和落區(qū)的關(guān)系。李耀輝等［13］分析了一次江淮暴雨天氣過程，指出對稱不穩(wěn)定區(qū)域的存在，并討論了低空急流附近的對稱不穩(wěn)定性對暴雨及其系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展起了重要的作用。近年來，不少論著討論了低空急流附近對稱不穩(wěn)定性問題［14-15］，指出低空急流特殊的風(fēng)場切變有利于對稱不穩(wěn)定的發(fā)展，當(dāng)急流處于不同強(qiáng)度時，其附近的條件性對稱不穩(wěn)定分布亦不相同，但位于急流軸的前端，存在較為明顯的條件性對稱不穩(wěn)定區(qū)，有利于濕位渦的發(fā)展，對暴雨及其系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展起了重要的作用。

文中利用NCEP/NCAR分辨率為1°×1°的一日4次再分析格點資料和地面降水資料(常規(guī)氣象觀測站、區(qū)域自動站降水資料)，對2010年7月遼寧地區(qū)一次區(qū)域性強(qiáng)降水進(jìn)行濕位渦的診斷分析，總結(jié)對流層低層濕位渦正壓項和濕位渦斜壓項與強(qiáng)降水強(qiáng)度、落區(qū)及其移動的對應(yīng)關(guān)系，探討此次強(qiáng)降水過程中正壓項和斜壓項所對應(yīng)的降水形成機(jī)制，為強(qiáng)降水的預(yù)報提供一定的借鑒和指示意義。

1 濕位渦(MPV)理論

考慮某一等壓面上的渦度變化，必須結(jié)合渦度方程和大氣熱力學(xué)方程來考慮，即對于包括熱力學(xué)過程在內(nèi)的大氣渦旋運動的變化，要綜合考慮大氣熱力結(jié)構(gòu)對于渦度的約束關(guān)系，這就是位勢渦度的概念，其綜合反映了大氣的動力學(xué)、熱力學(xué)特征，可以作為跟蹤氣塊移動的特征量?？紤]水汽因素等的潛熱作用，引入濕位渦的概念。

在P坐標(biāo)系下，忽略ω的水平變化，則等壓面上的濕位渦方程為

ξ為垂直渦度，f為地轉(zhuǎn)渦度垂直分量，其余符號均為氣象常用符號。

濕位渦可以分為濕正壓項和濕斜壓項，其形式分別為

鑒于MPV2相關(guān)于假相當(dāng)位溫梯度和風(fēng)速的垂直切變，所以稱MPV2為濕斜壓項，則稱MPV1為濕正壓項。濕正壓項MPV1與絕對渦度分量和靜力穩(wěn)定度有關(guān)，其值取決于空氣塊絕對渦度的垂直分量與假相當(dāng)位溫的垂直梯度的乘積。一般來說，由于絕對渦度為正值(北半球)，所以MPV1為負(fù)值時，表征大氣的對流性不穩(wěn)定。濕斜壓項MPV2包含濕斜壓性和水平風(fēng)的垂直切變的貢獻(xiàn)，它的數(shù)值由風(fēng)的垂直切變和θse的水平梯度決定，表征大氣的濕斜壓性。相對于干位渦PV的斜壓項PV2，濕位渦MPV的濕斜壓項MPV2包含了大氣中水汽、能量的雙重作用，所以MPV2量級已可以與濕正壓項MPV1相比擬，因而將濕位渦分解為MPV1和MPV2能更好的揭示濕位渦與暴雨強(qiáng)度和落區(qū)的關(guān)系以及反映MPV1、MPV2各自所表征的降水形成機(jī)制。濕位渦單位為PVU，1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1。

2 天氣概況和環(huán)流背景

2．1 天氣概況

2010年7月20～21日，受高空槽和江淮氣旋的共同影響，遼寧地區(qū)出現(xiàn)明顯強(qiáng)降水天氣過程，中西部地區(qū)普降暴雨，中部地區(qū)為大暴雨乃至特大暴雨，有明顯的短時強(qiáng)降水天氣，短時強(qiáng)降水中心位于遼寧中部地區(qū)，強(qiáng)降水區(qū)呈東北-西南向帶狀分布，此次降水過程具有持續(xù)時間長，過程雨量異常偏多，而且局地強(qiáng)度大等特點。全區(qū)域有551個測站降水量達(dá)到暴雨標(biāo)準(zhǔn)，其中53個測站降水量超過250 mm，最大過程雨量出現(xiàn)在遼寧中部的新民陶屯站，為507 mm，其單日降水量達(dá)到370 mm，降水時段集中，雨強(qiáng)大，小時最大降水量達(dá)到45 mm。

利用遼寧地區(qū)957個氣象觀測站的地面降水資料繪制了此次暴雨的單日降水量的分布圖(圖1)，從圖1可以看出，遼寧中西部地區(qū)的強(qiáng)降水以08時為界，降水時段明顯不同，遼寧西部暴雨時段為20日08時之前，降水量由北向南呈明顯的階梯狀分布(圖1a)，遼寧中部地區(qū)強(qiáng)降水時段為20日08時到21日08時，帶狀分布明顯(圖1b)。從逐小時降水量來看(圖略)，新民陶屯站16～22時雨強(qiáng)較大，最大雨強(qiáng)為45 mm/h，持續(xù)時間長，形成了新民地區(qū)的特大暴雨天氣過程。

圖1 降水量分布圖(單位:mm)

2．2 環(huán)流背景

暴雨的形成是在有利的大尺度環(huán)流背景下出現(xiàn)的，這次強(qiáng)降水過程開始之前(圖略)，高空500 hPa歐亞大陸中高緯度地區(qū)為兩槽一脊環(huán)流形勢，江淮氣旋加強(qiáng)北上，與內(nèi)蒙東北部的短波槽一起形成了北槽南渦的環(huán)流形勢，副高主體穩(wěn)定少動，范圍較大。降水過程中(如圖2)，高空500 hPa江淮氣旋減弱東北上進(jìn)入低槽，使高空槽加深發(fā)展，遼寧省位于高空槽前，副高主體穩(wěn)定少動，形成東北地區(qū)暴雨典型的“東高西低”的高空槽暴雨(相伴有鋒面結(jié)構(gòu))環(huán)流形勢，由于下游高壓壩的阻擋形勢，迫使其停滯在遼寧地區(qū)，遼寧省即位于高空西風(fēng)槽前與副高西北界交匯處，這樣較大的環(huán)流經(jīng)向度有利于較高緯度地區(qū)的冷空氣沿脊前西北氣流南下，并與副高西北部的暖濕氣流交匯于遼寧中部地區(qū)，為遼寧中部地區(qū)暴雨提供了必要的環(huán)流條件，也利于降水過程的持續(xù)。低空925～850 hPa，江淮氣旋東北上，遼寧西部地區(qū)受切變線影響，遼寧中東部地區(qū)低空急流明顯偏強(qiáng)并較長時間維持，急流中心最大風(fēng)速可達(dá)24 m/s，并形成了非常強(qiáng)的低空暖濕空氣的輸送帶，這樣的高低空配置是本次大暴雨過程產(chǎn)生的基礎(chǔ)，為強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供了非常有利的動力和和熱力條件。

圖2 2010年7月20日08時天氣形勢(實線為500 hPa等高線，單位:dagpm陰影區(qū)為925 hPa急流，風(fēng)速大于12 m·s-1)

3 濕位渦的特征分析

考慮到水汽的影響作用以及其影響的層次一般在對流層的中低層，因而著重分析了對流層低層的濕位渦特征，。圖3(a)和圖4(c)給出7月20日08時925 hPa和850 hPa等壓面上MPV1的分布，圖3(b)和圖5(b)給出7月20日20時850 hPa和925 hPa等壓面上MPV2的分布，從低層等壓面上的MPV1和MPV2圖中可以看出，在整個降水過程中，中低層大氣MPV1負(fù)的大值區(qū)主要位于遼寧西部，具有明顯的對流性不穩(wěn)定，MPV2無明顯變化特征。而MPV2負(fù)的大值區(qū)主要分布于遼寧中部地區(qū)，大氣具有明顯的濕斜壓性，有利于降水的形成和發(fā)展，MPV1為弱值分布區(qū)，變化不明顯。因而，著重分析了遼寧西部暴雨區(qū)的MPV1特征和遼寧中部強(qiáng)降水區(qū)MPV2特征，尋求兩者變化與暴雨產(chǎn)生、落區(qū)的對應(yīng)關(guān)系。

圖3 MPV1、MPV2分布(單位:PVU)

3．1 MPV1的特征分析

經(jīng)過遼寧西部的暴雨中心，作7月19日20時～7月20日20時暴雨區(qū)南端綏中站附近(40°N，120°E)的濕位渦正壓項(MPV1)垂直-時間剖面圖(圖4a)，從圖中可以看出，從20日02時到20日08時，綏中站上空850 hPa層附近MPV1有明顯的變化，MPV1由弱值區(qū)轉(zhuǎn)為負(fù)的大值區(qū)，MPV1最大值為-0.9 PVU，說明850 hPa附近出現(xiàn)了明顯的對流性不穩(wěn)定區(qū)，這與低空暖濕氣流的加強(qiáng)和北上密切相關(guān)，低空暖濕氣流向暴雨區(qū)輸送水汽、熱量和不穩(wěn)定能量，形成低層的對流不穩(wěn)定層結(jié)，進(jìn)而表現(xiàn)為MPV1負(fù)的大值區(qū)。從20日08時到20日20時，750 hPa附近出現(xiàn)正的大值區(qū)，隨時間的推移逐漸增大并向低層發(fā)展，表明高層干冷空氣強(qiáng)度的增強(qiáng)和冷空氣的下傳。

經(jīng)過遼寧西部暴雨區(qū)，沿120°E經(jīng)線作濕位渦(MPV1)的垂直剖面圖(圖4b)，從圖中可以得出，20日08時，暴雨區(qū)上空900 hPa層附近有兩個明顯的MPV1的正負(fù)大值區(qū)，呈南北向分布，正負(fù)極值分別為-0.9 PVU、1.9 PVU，MPV1負(fù)值區(qū)延伸到了正值區(qū)上方，這說明暴雨區(qū)上空的中低層大氣中，存在一低空急流攜帶暖濕氣流北上，高層干冷空氣下傳，冷暖氣流交匯，冷空氣侵入到暖濕氣團(tuán)下方，觸發(fā)和加強(qiáng)低層的擾動，暖濕氣流抬升明顯，觸發(fā)其不穩(wěn)定能量的釋放，利于形成對流性的暴雨天氣。強(qiáng)降水落區(qū)位于冷暖氣團(tuán)的交匯處，也就是MPV1正負(fù)過渡的等值線密集區(qū)，從圖4(c)可以看出，在低層850 hPa等壓面上有很好的對應(yīng)關(guān)系(正負(fù)呈南北分布)，隨著干冷空氣的加強(qiáng)南下，正負(fù)過渡的等值線密集區(qū)逐漸南移，降水帶隨之南移，形成了遼寧西部地區(qū)階梯狀的暴雨天氣。到20日08時，MPV1正負(fù)過渡的等值線密集區(qū)由北向南移至綏中站附近，強(qiáng)降水雨帶隨之移動，遼寧西部地區(qū)的強(qiáng)降水過程趨于結(jié)束。

圖4 MPV1時間剖面圖、垂直剖面圖及分布

3．2 MPV2的特征分析

沿著41°N作濕位渦斜壓項(MPV2)的垂直剖面圖(圖5a)，從圖中可以看出，20日20時，遼寧中部地區(qū)對應(yīng)著中低層的MPV2負(fù)值的大值區(qū)，MPV2極值達(dá)到-0.5 PVU，最大MPV2的層次在900 hPa附近，說明遼寧中部地區(qū)低層大氣具有明顯的濕斜壓性特征，易于對稱性不穩(wěn)定層結(jié)的形成，這與遼寧中部地區(qū)強(qiáng)的低空急流密切相關(guān)，其特殊的風(fēng)場切變有利于大氣條件性對稱不穩(wěn)定的發(fā)生發(fā)展。從圖5(b)和5(c)所給出的900 hPa等壓面上MPV2的分布可以看出，從20日20時到21日02時，MPV2強(qiáng)度有較為明顯的減弱，從-0.5 PVU減弱為-0.3 PVU，但遼寧中部地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為MPV2的負(fù)值區(qū)，范圍逐漸擴(kuò)大。結(jié)合降水量圖(圖1b)可以得出，MPV2的負(fù)的極值中心與強(qiáng)降水中心存在位相的差異，而且MPV2的分布范圍明顯大于強(qiáng)降水落區(qū)，這說明即使是具有強(qiáng)的濕斜壓性特征的地區(qū)，有利于形成條件性對稱不穩(wěn)定層結(jié)，但不一定對應(yīng)著強(qiáng)降水落區(qū)，還需要其他條件的配合。

通過遼寧中部強(qiáng)降水區(qū)，沿著41°N作θse的緯向剖面圖(圖6)，從圖中可以看出，20日20時，受冷空氣和低空暖濕氣流的共同影響，遼寧中部強(qiáng)降水區(qū)上空800 hPa層以下存在一個陡峭的等θse線密集區(qū)，這個等值線密集區(qū)正是冷暖氣團(tuán)所交界的鋒區(qū)所在，其位于遼寧中部地區(qū)，呈東北-西南走向。

圖5 MPV2垂直剖面圖及分布

當(dāng)條件性對稱不穩(wěn)定區(qū)受到鋒面強(qiáng)迫作用發(fā)生降水時，對流上升運動由沿傾斜的等熵面運動逐漸變?yōu)檠馗鼮閮A斜的等θse面運動，即在條件性對稱不穩(wěn)定區(qū)域與鋒面結(jié)合時，有利于形成傾斜對流發(fā)展機(jī)制，而傾斜對流往往又與暴雨等強(qiáng)對流天氣相關(guān)聯(lián)，有利于強(qiáng)降水天氣的發(fā)生發(fā)展，形成沿鋒面呈帶狀分布的強(qiáng)降水天氣。因而分析條件性對稱不穩(wěn)定與鋒面強(qiáng)迫的作用，對此次遼寧中部地區(qū)強(qiáng)降水天氣具有重要的意義。

圖6 2010年7月20日20時沿41°N的假相當(dāng)位溫的垂直剖面圖(單位:K)

4 結(jié)論與討論

(1)此次遼寧地區(qū)暴雨發(fā)生在的高空槽和副熱帶高壓的“東高西低”環(huán)流背景下，強(qiáng)的低空急流為暴雨提供了有利條件。濕位渦正壓項(MPV1)和濕位渦斜壓性(MPV2)反映了暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定的狀況，表征了不同的暴雨形成機(jī)制。

(2)對流層低層濕位渦正壓項(MPV1)的分布與遼寧西部暴雨區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，暴雨落區(qū)位于MPV1正負(fù)過渡的等值線密集帶，密集帶的移動與冷暖空氣的相對強(qiáng)度有關(guān)，其對暴雨的落區(qū)和移動具有指示作用，利于形成階梯狀的雨量分布，表征了遼寧西部地區(qū)冷暖空氣交匯的對流性不穩(wěn)定的降水機(jī)制。

(3)對流層低層MPV2的負(fù)的大值區(qū)表明遼寧中部地區(qū)大氣具有強(qiáng)的斜壓性特征，其與強(qiáng)降水落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降水落區(qū)位于MPV2負(fù)的大值區(qū)與鋒面相結(jié)合的區(qū)域。

(4)MPV2的負(fù)的大值區(qū)表征了大氣的斜壓性特征，易于形成條件性對稱不穩(wěn)定，當(dāng)與鋒面結(jié)構(gòu)結(jié)合時，受鋒面的強(qiáng)迫作用，有利于傾斜對流的發(fā)生發(fā)展，形成暴雨等強(qiáng)對流天氣。

通過對這次區(qū)域性強(qiáng)降水的濕位渦診斷分析，總結(jié)了濕位渦正壓項和斜壓項與強(qiáng)降水強(qiáng)度、落區(qū)及其移動的對應(yīng)關(guān)系，為強(qiáng)降水的研究和預(yù)報提供一定的借鑒和指示意義。至于此次強(qiáng)降水過程中強(qiáng)的超低空急流及其對濕位渦斜壓項的作用有待于進(jìn)一步的研究。

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