武汉一次大暴雨完全Q矢量的诊断分析

王晓勤，黄艳芳

（1.南京大学大气科学学院，江苏南京210008；2.民航湖北空管分局，湖北武汉430302）

0 引言

Q矢量自从1978年Hoskins等人提出以来，不仅在实际业务工作中得到广泛应用，而且在理论上也得到不断地完善与发展［1－5］.半地转Q矢量、非地转Q矢量，完全Q矢量概念的提出，使人们对Q矢量的理论研究工作达到较高的水平，Q矢量方法被誉为业务垂直运动估算的高级方法［6－7］.用Q矢量诊断方法解释暴雨的次级环流，将对暴雨过程的中尺度系统有更清楚的认识.2011年6月18日武汉天河机场出现大暴雨天气，24h地面降雨量达到196mm，造成返航、备降或取消的航班多达20余架次，严重影响机场的正常运转，这是一次冷空气、低涡和准静止锋相互作用而产生的较为典型的梅雨锋暴雨.中尺度系统在其中起到关键作用.暴雨发生和持续除了要有充足的水汽、湿不稳定层结等条件外，强烈的垂直上升运动必不可少，大气中热量和动量的垂直输送以及大气中位能和动能之问的相互转换都与垂直运动有密切关系，因而垂直运动常被作为天气系统生成和发展的一个重要指标.本文中对暴雨过程的环流概况等作了分析，利用完全Q矢量对其进行诊断，分析完全Q矢量散度分布及演变与暴雨发生发展的关联度，探讨完全Q矢量中动力学过程和由于凝结潜热释放所产生的非绝热过程对中尺度暴雨系统次级环流的强迫作用，分析暴雨形成的内在机理，提出暴雨预报的新思路.湿位涡的分析表明，对流层低层在暴雨期间始终维持对流性不稳定及斜压不稳定，具有湿不稳定层结，中层有冷空气加入，导致暴雨的持续发展及强对流的发生.

1 暴雨过程概况

图1 武汉2011年6月17日20∶00～18日20∶00逐小时降雨量

2 011年6月17日20∶00～6月18日20∶00，受大气中低层低涡和地面梅雨锋系统的共同影响，湖北省出现了一次大范围的降雨局地大暴雨过程.湖北省共有28站出现暴雨，20站出现大暴雨，3站出现特大暴雨.其中武汉市黄陂区武湖站和新洲区潘塘站的降雨量分别达到了243mm和212 mm.如图1所示，武汉天河机场6月17日20∶00～18日20∶00机场地面降雨总量为192mm，其中在6月18日10∶00～13∶00出现降雨高峰，每小时降雨量大于25mm.此次特大暴雨造成了武汉市区内多处严重的道路渍水、交通堵塞、房屋倒塌，直接经济损失达数亿元人民币，同时也给机场的航空运输和管制指挥带来了极大的困难，因天气原因造成的返航、备降或取消的航班多达20余架次.

2 天气形势简析

这次的暴雨形成的主要原因是，暴雨产生期间，500hPa贝加尔湖附近形成明显的阻塞高压，冷空气不断地从北方侵袭南下，青藏高原南侧的南支槽加深发展，中低层长江流域不断有低涡形成东移.冷暖空气在梅雨锋上强烈地辐合，同时强劲的西南低空急流源源不断地输送高能水汽，形成深厚的不稳定层结，从而导致了这次特大暴雨过程.6月18日08∶00及20∶00，对流层高层200～300hPa在35°N附近维持一支明显的偏西风急流，急流带狭窄.6月18日08∶00、850hPa湖南北部至华东也有明显的低空西南风急流出现，它们均对暴雨的形成起重要作用.

3 诊断方程

张兴旺等［4，8］推导出考虑水汽、非绝热作用、准静力平衡及无粘性摩擦条件下P坐标系中的ω方程为：

其中完全Q矢量为Q（Qx，Qy），而

（1）式是以完全Q矢量散度为唯一强迫项的完整ω方程，由（2）式、（3）式可知完全Q矢量取决于风的水平切变和垂直切变的差异效应，风的水平梯度和温度梯度的乘积以及凝结潜热释放产生非绝热效应.根据任何波动形式的物理量的拉普拉斯与该物理量本身负值成正比的关系，则有ω∝ ·Q，当 ·Q＜0时，ω＜0，为上升运动，反之为下沉运动.完全Q矢量的辐合是产生ω的强迫机制.研究表明，暴雨过程中凝结潜热释放的加热效应比辐射冷却效应要强得多.因此，以下的非绝热过程主要指潜热释放效应.

QD和QL分别表示对ω方程的动力学强迫和非绝热强迫.同样，对ω做类似分解

其中ωD和ωL分别表示由动力学和非绝热过程强迫产生的垂直运动，则可以得到

通过以上两式可以诊断动力学过程QD和非绝热（潜热释放）过程QL对垂直速度ω的强迫作用.

4 暴雨过程完全Q矢量的诊断分析

4.1 完全Q矢量在x和y方向的分布 图2为6月18日08∶00、850hPa时，完全Q矢量在x和y方向的分布图.从图中可见Qx与Qy的负值区位置相似，在长江流域均分布着两个中尺度低值区，相对Qy而言，Qx的中心值更小.从分布的走向看，Qy的负值区分布更接近实际降雨图.

图2 武汉2011年6月18日08∶00、850hPa时，完全Q矢量在x方向（a）、y方向（b）的分布图（单位：10－10 m·hPa－1·S－3）

4.2 完全Q矢量散度分析 分析这次暴雨过程中850hPa时的完全Q矢量散度分布图发现，暴雨开始前的6月17日20∶00，完全Q矢量散度有两个负值中心，第一个在湖北省中西部，第二个在安徽省北部，湖北省东南部的武汉地区处于两个负值中心之间的辐散带中（图略）.6月18日08∶00，如图3（a）所示，完全Q矢量散度的辐合区已向东移动，第一个辐合区中心值加强为—50×10－15hPa·S－3，湖北省东南部的武汉地区第一时段的降雨出现在第一个完全Q矢量散度辐合区中，强降雨落区与第一个辐合区中心位置较吻合.湖北省西北部地区则处在完全Q矢量散度正值区中，为下沉气流区，存在明显的辐散，对应的这些下沉气流区实况均无降雨发生.6月18日20∶00后，完全Q矢量散度的辐合区中心强度逐渐减弱.6月19日08∶00，如图3（b）所示，完全Q矢量散度的辐合区继续向东南方向移动，第一个辐合区中心移至湖南北部地区，中心值减弱为—20×10－15hPa·S－3，第二个辐合区中心移入浙江省东部.湖北省武汉地区的完全Q矢量散度由负值迅速变化为0，辐合作用明显减弱，与之对应的是该地的降雨强度也明显减弱，完全Q矢量散度辐合区与强降雨落区有较好的对应关系，较好地反应出降雨过程中中低层辐合区位置，辐合区的大小和强弱也可作为降雨预报的参考.

4.3 动力学过程QD和非绝热（潜热释放）过程QL对垂直速度ω的强迫作用分析 分析图4（a）、图4（b），从6月18日08∶00、850hPa时的QD和QL散度水平分布图发现，与降雨区相对的均有两个负值中心，进一步说明了梅雨锋暴雨具有中尺度特征，QD散度负值中心达到－40×10－15hPa·S－3，QL散度负值中心为－0.02×10－15hPa·S－3，远小于QD散度值，表明在低层动力学过程中，QD对垂直速度ω的强迫为主导作用，潜热释放的作用不明显.将图4（c）与图4（a）比较，可知850hPa时中低层QD散度负值中心位于30N°，500hPa时QD散度负值中心位于32N°附近，位置偏北，且最小值为－6 ×10－15hPa·S－3，说明动力学辐合系统随着高度向北倾斜，辐合能力逐渐减小，进一步表明了暴雨的动力机制来源于中低层.500hPa时QL散度负值相比850hPa时的QL散度负值，加强至－0.06×10－15hPa·S－3（图略），说明对流层中层的非绝热过程的潜热释放对垂直速度ω的强迫作用得到加强，进一步表明积云对流过程中的潜热反馈机制对对流过程起激励作用.

图3 湖北省2011年6月18日08∶00（a）、19日08∶00（b）时·Q分布图（单位：10－15 hPa·S－3）

图4 湖北省2011年6月18日8∶00、850hPa时－·QD（a）、－·QL（b）和500hPa时－·QD（c）的分布图（单位：10－15 hPa·S－3）

5 结论

1）冷暖空气在梅雨锋上强烈地辐合是这次大暴雨形成的主要原因，具有显著的中尺度特征.

2）完全Q矢量散度辐合区与暴雨落区有较好的对应关系，对大暴雨预报有明显的指示作用.

3）大暴雨过程中，中低层动力学强迫作用对垂直上升运动起主导作用，低层的动力辐合激发了次级环流，使暴雨发展.

4）潜热释放对暴雨的积极作用在对流层中层较为明显，积云对流过程中的潜热反馈机制对大暴雨过程起激励作用.

［1］岳彩军.Q矢量及其在天气诊断分析中应用研究的进展［J］.气象，1999，25（11）：3－8.

［2］岳彩军，寿亦萱，寿绍文，等.Q矢量的改进与完善［J］.热带气象学报，2003，19（3）：308－3l6.

［3］李艳春，季亮，潘晓滨，等.一次暴雨过程中的湿Q矢量诊断分析［J］.气象科学，2005，25（2）：179－185.

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