湿位涡在贵州“2011年1月17—20日”持续性强降雪中的应用

廖 波，杜正静

(贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550002)

湿位涡在贵州“2011年1月17—20日”持续性强降雪中的应用

廖 波，杜正静

(贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550002)

该文利用NECP/NCAR(1°×1°)再分析资料及常规气象观测资料，对贵州2011年1月17—20日持续强降雪概况及影响系统进行分析，发现这次强降雪过程具有影响范围大、持续时间长、积雪融化缓慢等特点;地面强冷空气、中低层切变和西南低空急流是此次强降雪的主要影响系统;同时对强降雪过程进行湿位涡分析得知，在MPV1＞0且∣MPV2＜0∣有较大增长的区域与强降雪落区相吻合，MPV1的大小变化与降雪的强弱变化一致。

强降雪;湿位涡;相当位涡

1 引言

湿位涡作为综合表征大气动力、热力和水汽等因素之间约束关系的物理量，被广泛应用到暴雨分析中，文献［1-3］认为湿位涡正压项的负值区和斜压项的负值区分别对暴雨区和暴雨的落区、移动有指示作用。近年来，也有专家学者把湿位涡应用到降雪个例分析中［4-7］，得出湿位涡正压项的正值区和斜压项的负值区分别对降雪强度和强降雪的落区也有较好指示意义。但应用湿位涡对贵州强降雪的研究不多见，本文对贵州2011年1月17-20日持续强降雪过程进行物理量分析和湿位涡分析，进一步探讨贵州强降雪发生机制及湿位涡理论在强降雪分析中的应用前景。

2 降雪概况及过程分析

2.1 降雪概况

受强冷空气和西南暖湿气流共同影响，2011年1月17-20日贵州出现了一次罕见的持续性强降雪天气过程。全省大部分地区连续3d普遍出现小到中雪，其中西部、东部地区局地出现暴雪，其降雪区域由西北向东南扩大，强降雪中心从西向东移。1月20日08时，强降雪中心位于省的东部地区，全省有74个县(市)积雪深度在1 cm以上，38个县(市)为5～10 cm，其中关岭、兴仁、水城、麻江、万山、玉屏、贵定、黄平等19个县(市)在10 cm以上，万山、玉屏、岑巩积雪深度分别为29 cm、23 cm、21 cm。由于地面温度持续偏低，积雪融化缓慢，省内大部分地区被积雪覆盖5d以上，其中万山特区被积雪覆盖达17d之久。这次强降雪过程具有影响范围大、持续时间长，积雪融化缓慢等特点。这次持续性强降雪给交通运输、电力、通信、农业生产及人们的生活带来了严重的影响。

2.2 影响系统分析

在整个降雪期间，亚洲中高纬地区500 hPa维持阻高—横槽型，90°E附近南支槽稳定少动。16日08时乌拉尔山阻高建立，阻高东侧偏北气流引导地面冷空气南下影响我省，直到21日08时阻高被切断，强度减弱。16日08时700 hPa贵州上空西南急流建立，西南急流一直维持到20日20时，其中贵阳16日20时最大风速为28m/s。西南急流把孟湾的水汽源源不断地输送到贵州上空，为强降雪提供充沛的水汽条件。由图1可知700 hPa切变在贵州东北部边缘稳定少动，850 hPa切变位于贵州南部稳定少动，为强降雪提供了有利的动力条件。地面整个亚洲大陆被强大冷高压控制，其中心位于贝湖西侧，中心强度最强时为1 067.5 hPa，冷空气不断分裂南下影响贵州，静止锋维持在滇黔间，直到20日贵州受变性高压控制，降雪趋于结束。因此，此次强降雪的主要影响系统为地面强冷空气、中低层切变和西南低空急流。

图1 17日08时地面及高空影响系统配置图

2.3 水汽条件分析

产生强降雪，必需有充足的水汽输送和水汽辐合，从16日08时700 hPa风场来看，贵州上空有一风速大于12m/s的西南急流建立，西南急流一直维持到20日，为此次强降雪提供充沛的水汽条件。从16日08时700 hPa水汽通量分布图(图略)可知，从孟加拉湾到贵州上空存在一水汽通量大值带，到19日20时(见图2)，水汽通量大值区东移到贵州东部到湖南一带，强度加强，其中心值为12×10-7g·cm-1·hPa-1·s-1，20日08时水汽通量大值区继续东移并减弱，降雪趋于结束。

图2 19日20时700 hPa水汽通量及西南急流图

2.4 涡度及垂直速度分析

分析1月16日至21日700 hPa涡度演变特征发现(图略)，16日08时四川到我省北部边缘存在一正涡度区;17日08时正涡度中心移到我省东北部，其中心值为4×10-5/s;18日08时正涡度中心东移到湖南;到19日20时我省东北部正涡度再次增加，其中心值为6×10-5/s，强降雪区与正涡度大值区一致;20日08时开始减弱东移，21日08时我省上空为负涡度区，降雪结束。

从垂直速度图来看，16日08时贵州西部(26°N、105°E)附近有一弱的上升中心，中心值-0.2pa·s-1;18日08时上升区向东扩大，强度加强，中心值-0.4pa·s-1;19日08时中心值减弱为-0.3Pa·s-1，19日20时(图4)上升区强度再次加强，中心值为-0.6Pa·s-1;20日08时，中心值减弱为为-0.4Pa·s-1;21日08时垂直速度继续减弱。将涡度和垂直速度与强降雪时段对比分析可知，涡度及垂直速度的2次增强过程与强降雪时段基本一致。

2.5 相当位温分析

图3 19日20时垂直速度沿26°N的剖面图

1月16日夜间受冷空气南下补充影响，四川、重庆、贵州西北部有θe冷舌向南伸展，贵州西北部到重庆一带存在等θe线密集区，说明该地区存在锋区［8］。17日随着冷空气的不断南下补充，等 θe线坡度增大，且等θe线变得更加密集，θe的水平梯度增强，锋区加强。根据下滑倾斜涡度发展理论［9］，当θe线坡度增大，大气斜压性增大，预示垂直涡度将显著发展，伴随着强烈的上升运动，强降雪发生在等θe线密集区内。18日等θe线略变稀疏，降雪强度略有减弱，18日夜间又有冷空气南下补充影响，等θe线变得更加密集，降雪强度加大，20日白天开始随着降雪的发生，不稳定能量得到释放，等θe线变得稀疏，且分布趋于平直，降雪趋于结束。

3 湿位涡分析

湿空气的位势涡度称为湿位涡。湿位涡作为部边缘稳定少动，结合垂直速度剖面图可知，冷暖综合表征大气动力、热力和水汽等因素之间约束关系的物理量，它将对流不稳定和湿对称斜压不稳定联系在一起，提供不稳定判别机制，它与对流不稳定变化、斜压变化和风的垂直变化有关。在P坐标系下，忽略垂直速度ω的水平变化，在绝热无摩擦的饱和大气中，湿位涡的守恒方程为［7］：

式中ζp为垂直涡度，f为科氏参数，θe为相当位温。其分量形式为：

其中，MPV1为湿正压项，表示对流稳定性，是空气绝对涡度的垂直分量与相当位温的垂直梯度的乘积，当大气为对流稳定时，∂θe/∂p＜0，所以MPV1 ＞0;当大气为对流不稳定时，∂θe/∂p＞0，则MPV1＜0;MPV2为湿位涡的斜压项，表示对流稳定性，是风的垂直切变与θe的水平梯度的乘积，表征大气的湿斜压性，风的垂直切变的增加或水平湿斜压的增加，均能因湿等熵面的倾斜而引起垂直涡度的增长，有利于强降水的发生或加强。湿位涡的单位为 PVU，1PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1。

3.1 正压位涡(MPV1)分析

由于这次强降雪过程中850 hPa切变在贵州南部边缘稳定少动，且700 hPa切变位于贵州东北强，其中心值为1.0PVU，与强降雪区域吻合，到18气流交汇较强烈的区域位于750 hPa附近，因此本文选取750 hPa的MPV1和MPV2图进行分析。

图4 2011年1月17日08时(a)，18日08时(b)，19日08时(c)，20日08时(d)MPV1分布图

从1月16—21日MPV1分布图可看出，16日08时贵州西部存在一个MPV1为正值区(图略)，17日08时(图4a)MPV1正值范围扩大，强度明显加

日08时(图4b)MPV1正值区强度有所减弱，其中心值为0.3PVU，19日08时(图4c)，MPV1正值区强度再次加强，其中心值为0.9PVU，降雪强度也随之加强，20日08时(图4d)MPV1正值区中心值减弱为0.6PVU，21日08时(图略)MPV1正值区中心值继续减弱为0.0PVU，降雪结束。因此，对流层中低层MPV1正值区与降雪中心有较好的对应关系，MPV1正值的大小变化与降雪强度变化一致。

3.2 斜压位涡(MPV2)分析

由MPV2分布图可知，1月16日08时贵州上空MPV2＜0(图略)，其最大值为 -0.3PVU，17日08时(图5a)随着干冷空气不断南下补充，锋区加强，等θe水平梯度增大，变得更加密集陡立，由于等θe面的倾斜状态与大气斜压性密切相关，其倾斜程度可以表征大气斜压性强弱［10］，所以大气斜压性加强，∣MPV2＜0∣增大，中心值为-0.7PVU;18日08时(图5b)∣MPV2＜0∣大值区东移，中心值减弱为-0.6PVU;19日08时(图5c)，∣MPV2＜0∣再次增大，其中心值为 -0.9PVU;20日08时(图6d)，∣MPV2＜0∣的大值中心东移到贵州东部，中心值略有减弱，其中心值为-0.8PVU;21日08时(图略)，只有贵州东部MPV2＜0，其值为-0.1，其余地区MPV2=0。总之，17日、19日∣MPV2＜0∣得到较大增长时段分别与强降雪时段对应，结合天气系统发展演变可知∣MPV2＜0∣大值区与中低层锋区一致，同时∣MPV2＜0∣得到较大增长，其附近的垂直涡度增大，导致下滑倾斜涡度发展，降雪加强。21日随着冷空气的东南移∣MPV2＜0∣明显减小，大气斜压性减弱，降雪结束。因此，在MPV1＞0且∣MPV2＜0∣得到大增长的区域对强降雪落区具有一定指示意义。

这次强降雪过程的湿位涡分析得出的结果与其他专家学者的研究结果基本一致：MPV1正值的大小变化与降雪强度变化一致;降雪中心位于MPV2中心的东南侧(即∣MPV2＜0∣得到大增长的区域)。因此，湿位涡对强降雪的落区与降雪强度预报有很好的指示意义;另外，湿位涡在强降雪与强降雨分析中的区别在于强降雪落区位于MPV1正值区，而强降雨落区位于MPV1负值区。

图5 2011年1月17日08时(a)，18日08时(b)，19日08时(c)，20日08时(d)MPV2分布图

4 小结

①这次强降雪过程具有影响范围大、持续时间长、积雪融化缓慢等特点。

②当θe线坡度增大，大气斜压性增大，预示垂直涡度显著发展，导致上升运动加强，强降雪发生在等θe线密集陡立区内。

③对流层中低层MPV1正值区与降雪中心有较好的对应关系，MPV1正值的大小变化与降雪强度变化一致。

④当∣MPV2＜0∣得到较大增长，其附近的垂直涡度增大，导致下滑倾斜涡度发展，降雪加强;在MPV1＞0且∣MPV2＜0∣得到大增长的区域对强降雪落区具有一定指示意义。

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P458

B

2011-03-04

廖波(1982-)，男，助工，主要从事中短期天气预报服务工作。