李渝平，王慶國，蘇兆達(dá)

（南寧市氣象局，廣西南寧 530022）

廣西一次暴雨過程的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品位渦特征分析

李渝平，王慶國，蘇兆達(dá)

（南寧市氣象局，廣西南寧 530022）

利用廣西自動觀測站雨量資料、歐洲中心細(xì)網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報位渦產(chǎn)品（簡稱EC－THINPV產(chǎn)品）及風(fēng)場產(chǎn)品，對廣西2015年5月21－23日暴雨過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，EC－THINPV產(chǎn)品對位渦異常擾動具有預(yù)報靈敏性；EC－THINPV產(chǎn)品高位渦區(qū)與3h強(qiáng)降水落區(qū)具有較好的空間對應(yīng)關(guān)系，700hPa等壓面位渦高值區(qū)與短時強(qiáng)降水落區(qū)對應(yīng)關(guān)系最好；EC－THINPV產(chǎn)品500hPa等壓面產(chǎn)生位渦擾動，擾動下傳形成高位渦柱的過程，與中尺度低渦形成、發(fā)展及短時強(qiáng)降水的產(chǎn)生具有較好的時間同步性。

暴雨；ECMWF；數(shù)值預(yù)報；位渦

引言

位勢渦度（簡稱位渦）理論最早由Rossby［1－2］提出，其后Ertel［3］提出廣義位渦的概念，Hoskins［4］等指出高位渦異常和低位渦異常可以對應(yīng)高低空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演變趨勢，這種理論和分析方法被稱為位渦思想（PV thinking）。關(guān)于位渦理論的發(fā)展，張述文［5］、陶祖鈺［6］等學(xué)者先后作了較為詳細(xì)的歸納。

由于位渦包含動力因子和熱力因子，且具有在絕熱無摩擦的條件下守恒的特點(diǎn)，許多學(xué)者對位渦進(jìn)行了研究。PV thinking在許多研究成果中得到驗證，一些學(xué)者已經(jīng)探索位渦在暴雨研究中的應(yīng)用［7－8］。

由于等熵坐標(biāo)絕熱無摩擦條件下位渦的保守特性，大量研究都采用等熵坐標(biāo)［9－10］，而等壓坐標(biāo)的位

渦分析相對較少。然而，實際業(yè)務(wù)中大量分析和實踐都基于等壓面，且有研究利用診斷方法分析發(fā)現(xiàn)等壓面位渦與暴雨也具有較好的對應(yīng)關(guān)系［11－12］。因此，本文探索EC－THIN PV產(chǎn)品對位渦異常高值的預(yù)報靈敏性及其與短時強(qiáng)降水落區(qū)的關(guān)系，為廣西暴雨預(yù)報，特別是暴雨過程中短時強(qiáng)降水的預(yù)報提供一些直觀參考。

1 資料和方法

采用2015年5月21－23日廣西自動觀測站雨量逐24h和逐3h數(shù)據(jù)資料，及EC－THIN PV產(chǎn)品及風(fēng)場產(chǎn)品。

EC－THIN PV產(chǎn)品為micaps第四類數(shù)據(jù)格式，即格點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)緯向格點(diǎn)間距均為0.25°，經(jīng)度范圍70－140°E，緯度范圍0－60°N，使用其中200、300、400、500、700、850、925、1000hPa共8層等壓面數(shù)據(jù)。

將EC－THIN PV產(chǎn)品由micaps第四類數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)為可以被GrADS軟件讀取和繪制的二進(jìn)制文件，繪制EC－THIN PV產(chǎn)品在廣西的分布圖并進(jìn)行剖面分析。

2 暴雨過程概述

2.1 降水的時空分布

暴雨過程出現(xiàn)在2015年5月21－23日。21日20時前，廣西國家觀測站未出現(xiàn)暴雨，最大雨量出現(xiàn)在凌云49.4mm，廣西西北部少部分區(qū)域自動站出現(xiàn)暴雨。21日20時之后，雨帶范圍增大并從廣西西北部向廣西中部移動，之后在廣西中部維持。據(jù)廣西國家觀測站20時－20時雨量統(tǒng)計，廣西22日出現(xiàn)8站暴雨，2站大暴雨，最大雨量出現(xiàn)在凌云119mm，23日出現(xiàn)25站暴雨，4站大暴雨，最大雨量出現(xiàn)在田東157.9mm。本次過程具有雨量大，范圍廣的特點(diǎn)，從地理位置看主要位于廣西的北部偏南到中部地區(qū)。

2.2 環(huán)流形勢及天氣系統(tǒng)

暴雨過程期間，500hPa中高緯為兩槽一脊形勢，西西伯利亞以南的中亞至巴爾喀什湖地區(qū)以及亞洲東岸為低槽，西西伯利亞以東到亞洲東岸地區(qū)為高壓脊，這與廣西西風(fēng)帶暴雨環(huán)流背景吻合［13］。21－23日，高原有低槽東移，同時低緯地區(qū)不斷有短波槽東移，廣西不斷受到槽前正渦度平流的影響，為暴雨的產(chǎn)生提供了有利的動力條件。經(jīng)分析，此次暴雨過程與學(xué)者研究的廣西大范圍致洪暴雨天氣模型［14］有近似之處，但500hPa天氣系統(tǒng)振幅略偏小。對于此次暴雨過程，黃遠(yuǎn)盼等學(xué)者作了較為細(xì)致的天氣過程診斷分析［15］。

有學(xué)者利用診斷和數(shù)值模擬對典型過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明，低空急流和中尺度低渦對廣西前汛期暴雨的發(fā)生起到重要作用，暴雨落區(qū)與低層切變線、急流和低渦的位置有著較好的對應(yīng)關(guān)系［16－19］。在本次暴雨集中出現(xiàn)的時段，低層有西南風(fēng)涌、低空急流建立及切變線加強(qiáng)的過程，其中還伴隨有中尺度低渦系統(tǒng)的強(qiáng)烈發(fā)展，切變線和急流中的中尺度渦旋和輻合區(qū)是引發(fā)暴雨的直接原因［20］。

地面氣壓場分析發(fā)現(xiàn)，暴雨過程前，河套地區(qū)和華東地區(qū)分別有冷高壓維持，我國東北地區(qū)和高原東南部各有低壓中心維持，從高原南部到廣西一帶為低壓倒槽的形勢。之后冷空氣沿東路擴(kuò)散，華東地區(qū)高壓東移出海，河套地區(qū)高壓向東南方向移動，原本位于高原東南部的低壓移至云南到廣西西部地區(qū)，強(qiáng)度增強(qiáng)，高低壓對峙的變形場形勢有利于出現(xiàn)倒槽鋒生，廣西地區(qū)西南－東北走向的地面倒槽形勢明顯，同時在廣西中部有準(zhǔn)靜止鋒維持。地面倒槽暴雨個例亦有學(xué)者進(jìn)行研究［21－22］。

3 EC－THINPV產(chǎn)品與暴雨過程的關(guān)系

3.1 EC－THINPV產(chǎn)品與強(qiáng)降水的空間關(guān)系

廣西此次暴雨過程日雨量的特征已在前文描述。以本次過程降水量較大的百色、河池、南寧等地市為例進(jìn)行分析。上述這些地區(qū)雨量主要集中在21日20時－22日11時，我們把這個時段內(nèi)逐3h雨量與EC－THIN PV產(chǎn)品進(jìn)行對比得出：

（1）21日20時－22日11時，強(qiáng)降水落區(qū)從百色市不斷東移，且在移動過程中強(qiáng)降水范圍迅速增大，3h雨量20－70mm。在強(qiáng)降水發(fā)生且落區(qū)東移的過程中，廣西西北部百色到河池地區(qū)500、700、850hPa出現(xiàn)正負(fù)位渦急劇增強(qiáng)、正負(fù)中心成對出現(xiàn)并向東移動的現(xiàn)象，且位置與強(qiáng)降水落區(qū)較接近。

（2）22日02時，500hPa百色市樂業(yè)出現(xiàn)負(fù)位渦中心，百色市西林、田林、凌云以及河池市南丹、天峨、鳳山出現(xiàn)正位渦中心，700hPa負(fù)位渦中心位于河池市鳳山、東蘭、巴馬，負(fù)位渦中心西側(cè)的百色市田陽和東側(cè)的河池市都安各有一個正位渦中心，850hPa百色市西林、田林有負(fù)位渦中心，而其東側(cè)

河池市鳳山、東蘭、巴馬為位渦大值區(qū)，巴馬縣附近有正位渦中心。21日23時－22日02時，百色市西林雨量20－50mm，百色市田東、田陽和河池市巴馬之間地區(qū)最大雨量超過70mm，河池南部大部雨量在10mm以上。

（3）22日02－08h，500hPa負(fù)值中心持續(xù)向東移動，02－05h負(fù)值中心由河池市樂業(yè)移至河池市南丹縣南部、都安縣北部，05－08h負(fù)值中心東移至河池市環(huán)江，于此同時負(fù)值中心東側(cè)及西側(cè)的兩個正值中心也隨之移動，移動速度和方向與負(fù)值中心基本一致；02－05時700hPa位渦正負(fù)中心移動與500hPa基本相同，但在05－08時原本位于河池南丹的負(fù)值中心消失，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檎抵行?，而?2時原負(fù)值中心以南出現(xiàn)新的負(fù)值中心，在此負(fù)值中心東、西側(cè)也隨之出現(xiàn)對應(yīng)的正值中心；850hPa負(fù)值中心在東移過程中持續(xù)減弱，至22日08時原本的負(fù)值中心已經(jīng)消失，而在500、700hPa位渦正負(fù)中心移經(jīng)的地方，850hPa位渦迅速增加。22日02－08時，強(qiáng)降水區(qū)東移，22日08時強(qiáng)降水位于百色市田林、凌云、樂業(yè)，河池市天峨、鳳山、巴馬、都安，南寧市馬山、上林、賓陽、武鳴。

綜上，當(dāng)中低層位渦數(shù)值異常變化，出現(xiàn)成對正負(fù)位渦中心或者位渦大值區(qū)域時，產(chǎn)生短時強(qiáng)降水的可能性較大，3h強(qiáng)降水的落區(qū)多出現(xiàn)在該時段的負(fù)位渦中心的西南側(cè)或正位渦中心附近及南側(cè)，兩者經(jīng)緯度偏差較小，且相對而言700hPa位渦與3h強(qiáng)降水落區(qū)的對應(yīng)關(guān)系最好。

3.2 EC－THINPV產(chǎn)品與強(qiáng)降水的時間關(guān)系

21日20時－22日02時，500hPa有小槽波動從貴州省西南部東移，影響廣西西北部，850hPa西南風(fēng)風(fēng)速涌增，逐漸達(dá)到急流強(qiáng)度，在高空槽前正渦度平流的作用下，低層切變線增強(qiáng)，廣西西北部風(fēng)向由一致的東南風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂希希瓥|南風(fēng)的切變，渦度顯著增強(qiáng)，逐漸形成近似閉合的小低渦，且低渦大致沿著切變線自西向東移動，而這一時間段，正好與西北地區(qū)位渦顯著增強(qiáng)的時間一致。

為探究小低渦的位渦特征，取低渦中心大致位置，沿107.5°E作緯度－等壓面剖面（圖1），可以看到，在廣西西北部低渦發(fā)展，雨量激增的時段，位渦有一個快速擾動加強(qiáng)的過程，先從400－500hPa高度開始，之后位渦擾動迅速下傳，形成一個從400hPa到900hPa貫通的高位渦柱，位渦柱向東偏北方向移動，與雨區(qū)移動方向近似，并隨著天氣系統(tǒng)的發(fā)展、移動而快速生長、消亡，生命期約3－6h。

圖1 EC－THINPV產(chǎn)品沿107.5°E經(jīng)向垂直剖面圖（單位：10－6m2·K·kg－1·s－1）

圖2 EC－THINPV產(chǎn)品在（24.5°N，107.5°E）的時間－等壓面剖面圖（單位：10－6m2·K·kg－1·s－1）

為探索某地短時強(qiáng)降水發(fā)生前后位渦的演變，選取河池市東蘭縣（24.5°N，107.5°E），制作ECTHIN PV產(chǎn)品的時間－等壓面剖面圖（圖2），結(jié)果表明，在強(qiáng)降水發(fā)生前，當(dāng)?shù)貜?00hPa以下整層氣柱位渦數(shù)值都很小，在短時強(qiáng)降水雨區(qū)移近時，其上方500hPa高度附近開始出現(xiàn)位渦擾動中心，然后位渦下傳形成強(qiáng)的高位渦柱，同時正位渦中心下沉至700－850hPa高度。

4 結(jié)論

（1）EC－THIN PV產(chǎn)品對位渦擾動具有較好預(yù)報敏感性。暴雨過程期間，特別是過程中短時強(qiáng)降水發(fā)生時，EC－THIN PV產(chǎn)品中低層位渦顯著增大，出現(xiàn)較強(qiáng)的正負(fù)位渦中心或大值區(qū)，對暴雨發(fā)生具有一定的提示和追蹤意義。

（2）EC－THIN PV產(chǎn)品與短時強(qiáng)降水落區(qū)具有較好的空間對應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降水多發(fā)生在中低層預(yù)報負(fù)位渦中心的西南側(cè)或正位渦中心附近及南側(cè)，兩者經(jīng)緯度差距較小，其中700hPa位渦中心和大值區(qū)域發(fā)展與移動與短時強(qiáng)降水落區(qū)對應(yīng)關(guān)系最好。

（3）EC－THIN PV產(chǎn)品與中尺度低渦發(fā)展及短時強(qiáng)降水的產(chǎn)生在時間上較為同步。中尺度低渦初形成，雨強(qiáng)仍較小時，EC－THIN PV產(chǎn)品在500hPa高度附近出現(xiàn)高位渦中心，當(dāng)高位渦擾動下傳，逐漸形成整層高位渦氣柱，同時位渦中心下沉到700－850hPa高度附近時，低渦強(qiáng)烈發(fā)展，雨強(qiáng)迅速增大，短時內(nèi)雨量迅速累積。當(dāng)高位渦柱逐漸消散時，降水明顯減弱。

［1］Rossby C G.Planetary Flow Patterns In the atmosphere［J］.Quart J R Meteor Soc，1910，66（supple）：68－87.

［2］Rossby C G.Relation between variations in the intensity of the zonal circulation of the atmosphere and the displacement of the semi－permanent centers of action［J］.J marine Rev，1939，2（1）：38－55.

［3］Ertel H.Ein Neuer Hydrodynamischer Wirbelsatz［J］.Met Z，1942，59：271－281.

［4］Hoskins B J，M E McIntyre，A W Robertson.On the use and significance of isentropic potential vorticity maps［J］.Quart J R Meteor Soc，1985，111：877－946.

［5］張述文，王式功.位渦及位渦反演［J］.高原氣象，2001，20（4）：468－473.

［6］陶祖鈺，周小剛，鄭永光.從渦度、位渦、到平流層干侵入——位渦問題的緣起、應(yīng)用及其歧途［J］.氣象，2012，38（1）：28－40.

［7］王川，周麗峰.位渦理論在暴雨分析研究中的應(yīng)用［J］.陜西氣象，2003，（3）：14－17.

［8］范可，琚建華，壽紹文.位渦守恒原理在中尺度低渦降水中的應(yīng)用研究［J］.云南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，23（5）：374－378.

［9］周小剛，王秀明，陶祖鈺.“等熵思維”到“等熵位渦思維”回顧與討論［J］.氣象，2014，40（5）：521－529.

［10］周小剛，柳士俊，王秀明，等.對氣象常用坐標(biāo)系中位渦形式的探討［J］.物理學(xué)報，2011，60（5）：1－7.

［11］盛華.”81.7”大暴雨位渦與相當(dāng)位渦的診斷分析［J］.高原氣象，1983，3（2）：10－18.

［12］趙小平，沈新勇，朱晶晶，等.2009年豫南一次強(qiáng)暴雨過程的位渦方程診斷分析［J］.氣象，2014，40（1）：38－47.

［13］黃海洪，林開平，高安寧，等.廣西天氣預(yù)報技術(shù)和方法［M］.北京：氣象出版社，2012.

［14］黃香杏，林開平，趙紅潔.廣西大范圍致洪暴雨天氣模型［J］.廣西氣象，2001，22（1）：21－23.

［15］黃遠(yuǎn)盼，林振敏，葛意活，等.2015年5月廣西一次連續(xù)性暴雨天氣過程診斷分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2015，36（4）：59－63.

［16］歐徽寧，梁珊珊，楊勝才.2013年廣西一次前汛期暴雨過程分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2013，34（4）：14－17.

［17］姚勝芳.急流對一次特大暴雨形成的影響分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2007，28（S1）：35－37.

［18］何草青，郭洪權(quán)，陸鴻生，等.一次低渦影響造成的暴雨分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2011，32（3）：16－18＋107.

［19］陳紹河，李祖敏，李賽聲，等.廣西防城港2011年5月30日大暴雨落區(qū)診斷分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2011，32（S2）：70－72.

［20］蘇兆達(dá)，賴雨薇，韋覃武，等.一次邊界層急流觸發(fā)的大范圍暴雨過程診斷分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2015，36（4）：53－58.

［21］馬振清.西南倒槽降水預(yù)報方法［J］.山東氣象，1983，（1）：15－20.

［22］鄒錦明，楊曉琳，余青松.一次夏季暴雨過程預(yù)報失誤原因分析［J］.高原山地氣象研究，2009，（S）：63－65.

Potential Vorticity Analysis of ECMWF Thin-grid Numerical Predication Products of a Rainstorm in Guangxi

Li Yu-ping,Wang Qing-guo,Su Zhao-da
(Nanning Municipal Meteorological Service,Nanning Guangxi 530022)

Based on the rainfall data from automatic weather observation stations in Guangxi，potential vorticity of EC-THIN PV products and wind products，the rainstorm process appearing during 21 to 23 May in Guangxi was analyzed.The results show that EC-THIN PV products are sensitivity for predicting anomalous disturbance of PV;High PV areas of EC-THIN PV products have good spatial correlation with falling areas of 3h short-time heavy rainfall，and high PV in 700hPa pressure level have the best correlation with the short-time heavy raining area;The processes of appearing PV anomalous disturbance and downward propagating to form PV anomaly column has time-synchronization with the forming and development of the meso-scale vortex and occurring short-time heavy rainfall.

rainstorm；ECMWF;numerical prediction;potential vorticity

P458.1+21.1

A

1673-8411（2016）03-0038-04

2016-05-26

南寧市氣象局氣象科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目（南氣科201404）資助

李渝平（1990-），男，廣西河池人，助理工程師，主要從事短期、短臨天氣預(yù)報工作，Emai:356564526@qq.com。