海南航天发射场非台暴雨位涡诊断分析

赵小平，朱晶晶，裴军林，施萧

（1.西昌卫星发射中心气象室，四川西昌615000；2.海南省气候中心气候预测科，海南海口570203）

海南航天发射场非台暴雨位涡诊断分析

赵小平1，朱晶晶2，裴军林1，施萧1

（1.西昌卫星发射中心气象室，四川西昌615000；2.海南省气候中心气候预测科，海南海口570203）

利用海南省文昌市气象站1970—2010年逐日降水资料、NCEP/NCAR全球再分析格点资料，通过湿位涡诊断分析方法，分析研究了近41年海南文昌发射场非台暴雨天气热力、动力学特征.结果表明：湿位涡能够较好地反映暴雨发生的动力、热力特征.暴雨发生时，低层湿位涡正压项MPV1＜0，中高层MPV1＞0，海南位于湿对流不稳定区；湿位涡斜压项MPV2的数值比MPV1小一个量级，各天气系统对应MPV2分布具有典型的上负下正特征；相对湿位涡MPVre在低层表现为一致的负值区.另外，不同天气类型暴雨的湿位涡分布特征存在显著的差异.湿位涡分布特征与暴雨系统存在较好的对应关系，湿位涡作为表征天气系统动力、热力学特征物理量之一，将为海南航天发射场暴雨预报预警提供帮助.

海南航天发射场；非台暴雨；湿位涡

暴雨是海南岛最主要的灾害性天气之一，四季均有暴雨发生，暴雨研究一直是气象领域的重要课题［1-4］.海南由于特殊的地理位置，使得海南暴雨具有不同于其他地区暴雨的独特的降水形势，冷空气、台风、南海季风槽等天气系统均会给海南发射场带来暴雨天气［5-6］.

海南文昌作为中国新一代航天发射场，暴雨成为重要影响因素之一.台风产生的暴雨具有较强的可预见性，而非台风暴雨（以下简称非台暴雨）是由冷空气、南海季风槽等天气系统产生的，这类暴雨具有突发性，较难预报，且在海南全年均有发生，所以有必要对非台暴雨进行研究，分析非台暴雨发生的物理特征和形成机制.

目前对海南非台暴雨的研究主要集中在对个别天气系统或暴雨个例的基础上进行分析，如赵付竹等［7］、郝丽清等［8］、刘丽君等［9］均对发生在海南岛的非台风暴雨的个例进行了分析研究.另外，朱晶晶等对1970—2010年海南发射场非台暴雨的气候特征及预报模型进行了分析，并对影响海南航天发射场的非台暴雨天气形势进行了分类［10］.在暴雨物理特征及形成机制研究方面，湿位涡是描述大气热力和动力性质的重要特征量，湿位涡诊断可以成为非台暴雨诊断和预报的一个实用工具.本文利用1970—2010年文昌气象站降水资料，统计分析了发生在海南航天发射场周边的非台暴雨的物理特征，主要通过湿位涡分析诱发暴雨的动力、热力特征，为发射场非台暴雨的预报和预警提供着眼点.

1　研究资料

分析场资料为1970—2010年NCEP/NCAR再分析风场、高度场、比湿场、温度场、垂直速度场等资料，空间分辨率为2.5°×2.5°，实况资料为1970—2010年海南省气象台站（文昌站及自动观测站）气象观探测资料［8］.

2　非台暴雨天气类型统计

非台暴雨是指除了台风影响外造成的暴雨，主要包括冷空气、南海季风槽、变暖高压脊等天气系统产生的暴雨.本文定义非台暴雨过程为：日累计降水量≥50.0mm，站数≥3个站（含自动气象观测站）［10］.

将造成非台暴雨的天气系统划分为以下11类［8］：ST槽（南海低压）、YT（越南低压槽）、SWT（西南低压槽）、G1（副热带高压）、G2（变暖高压脊）、WF（冷空气偏西下冷锋过境）、WQ（冷空气偏西下静止锋）、WS（冷空气偏西下锋消）、EF（冷空气偏东下冷锋过境）、EQ（冷空气偏东下静止锋）、ES（冷空气偏东下锋消），各天气系统特征详见参考文献［8］（见表1）.

表11　70—2010年非台暴雨天气系统统计Tab.1Statistics of the non-typhoon rainstorm of Hainan launch site from 1970 to 2010

本文在分析过程中，对低压槽型、冷空气型及高压系统型的天气特征做了深入详细的分析.分析冷空气时，仅分析了WF、EF两种冷锋过境天气.本文对非台暴雨个例进行合成分析，初步揭示暴雨的气候分布特征，在此基础上，通过湿位涡对各类暴雨天气进行诊断分析.

3　非台暴雨湿位涡诊断分析

考虑大气的水平速度垂直切变要比垂直速度的水平变化大得多，因而在不考虑垂直速度的水平变化时，P坐标下湿位涡守恒方程可为［12-14］：

其中，ξp为垂直涡度，f为地转涡度，θse为假相当位温，MPV1为湿位涡的正压项，即湿位涡的垂直分量，其取决于空气快绝对涡度的垂直分量与假相当位温垂直梯度的乘积.MPV1正压项包含了风场的气层动力不稳定和涡旋变化特征及纬度效应.MPV2为湿位涡的斜压项，即湿位涡的水平分量，其由风的垂直切变和θse的水平梯度共同决定.MPV2斜压项表征了风场的垂直切变和水汽水平输送.当北半球大气对流不稳定时，MPV1＜0；相反，当大气对流稳定时，MPV1＞0.吴国雄等［15］给出了垂直涡度增长的充分条件：当MPV1＜0且MPV2＞0时，倾斜涡度发展.湿位涡单位（PVU）是10-6m-2·s-1·kg-1.

为了更好地反映湿位涡与暴雨等强降水的对应关系，段旭［16］、王建中［17］等提出了相对湿位涡和牵连湿位涡的概念.

相对湿位涡的表达式为：

其中，牵连湿位涡即为大气静止时的湿位涡，因此可以定义为大气背景湿位涡.相对湿位涡相当于从湿位涡MPV中减去背景位涡，因此相对湿位涡能够表征为大气扰动湿位涡.相对湿位涡大小主要由正压部分决定，当上下层相对湿位涡为负值时，有利于对流发展，易于暴雨的发生.

图11　970—2010年各天气系统MPV1合成沿19°N纬向垂直分布Fig.1Vertical profiles along 19°N of the MPV1 of the different weather systems from 1970 to 2010

图1显示的是各类天气系统下发生暴雨时湿位涡正压项MPV1纬向垂直分布特征，从图1可以发现，对于各类天气系统，海南地区（108°E～112°E）MPV1的分布表现为低层MPV1＜0，中高层MPV1＞0，MPV1＜0的地区为湿对流不稳定区域，海南均位于湿对流不稳定区.下负上正的分布特征符合暴雨发生时湿位涡正压部分分布特征.其中，冷空气偏东下、偏西下冷锋过境天气MPV1的分布特征相似（图1a、图1b），这两类天气系统发生时，华东至华南沿海地区为冷高控制，海南受偏东回流影响.结合纬向分布可以看出，由于受冷高南侧偏东气流控制，低层自东向西均为MPV1负值区，海南上空MPV1负值区域主要集中在850hPa以下，表明低层层结对流不稳定.另外，在海南岛两侧存在两个负值中心，对于东路冷空气过程（图1a），负值中心大致位于102°E、120°E附近.而对于西路冷空气过程（图1b），负值中心大致位于100°E、120°E附近.图1c、图1d分别显示的是副热带高压和变暖高压脊控制下MPV1垂直分布特征.这两类天气形势下，海南岛上空低层为MPV1＜0区域，其负值区域一直达到700hPa附近，700hPa以上为MPV1正值.与冷空气天气过程相似，在海南两侧仍然存在两个负值中心，分别位于104°E、120°E附近.图1e、图1f、图1g分别是三类诱发暴雨的低压槽天气系统MPV1垂直分布特征，三类低压系统的MPV1分布较为相似，但与前两类天气系统存在一定的差异.暴雨发生时，三类天气系统700hPa以下均为MPV1＜0区域，表明暴雨发生是低层层结不稳定.对于南海低压槽（图1e），海南岛两侧为负值中心，负值中心大致位于105°E、116°E附近.对于西南低压槽（图1f），负值中心主要位于106°E附近.越南低压槽天气系统强降水发生时MPV1负值中心位于海南岛西侧107°E附近（图1g），岛东侧MPV1值逐渐减小.综上所述，各类天气系统下发生暴雨时，暴雨区上空低层均为MPV1＜0，中高层MPV1＞0，海南岛两侧均存在两个负值中心，海南位于两负值中心之间，且各类天气系统的负值中心位置与强度存在一定的差异.

由湿位涡斜压项（MPV2）垂直剖面图可知（图2），在暴雨系统发展过程中，MPV2的数值在量级上比MPV1小一个量级，但从MPV2的计算公式中可以发现，低空急流加强或低层暖湿气流加强等均可使得MPV2得到发展，有利于降水的发生和加强.因此，低层MPV2的正值中心可作为低空急流或暖湿气流活动的示踪.从图2中可以发现，各类天气系统所对应MPV2分布具有上负下正特征.在海南岛上空（108°E～112°E）低层MPV2＞0，正值区主要集中在850hPa以下，而850hPa以上中高层多为MPV2＜0.对于冷空气影响下的暴雨天气（图2a、图2b），结合东路冷空气与西路冷空气的环流特征可知，在冷空气侵入海南的过程中，会在海南上空形成较强的低空急流，MPV2的加强主要是由于低空急流的爆发形成的.而对于高压环流控制下暴雨天气（图2c、图2d），MPV2的加强主要是由于海南位于高环流南侧的偏东南气流控制下，暖湿气流强烈，有利于对流不稳定能量的集聚.图2e、图2f、图2g显示的是形成暴雨的低压槽系统MPV2垂直分布特征，结合低压槽系统的环流特征，当暴雨发生时，海南岛受低压槽系统南侧的偏南暖湿气流控制，且低压槽系统往往可以向西影响到中南半岛，故海南岛至中南半岛上空低层均为MPV2正值区域.

根据相对湿位涡计算公式，MPVre相当于从湿位涡MPV中减去大气背景位涡，因此可以称之为大气的扰动湿位涡.图3显示的是各天气系统暴雨发生时850hPa低层MPVre水平分布，对于各天气系统，暴雨发展过程中，低层均为一致的MPVre负值区，与相对湿位涡的定义较为符合，表明暴雨发生时刻海南发射场区上空大气层结不稳定明显.对于东路冷锋过境天气（图3a），海南、两广至云南地区上空低层相对湿位涡均为负值，MPVre＜0区域较广阔，但负MPVre等值线密集带主要位于海南岛东北侧，表明冷空气主要由东路入侵至海南.而对于西路冷锋过境（图3b），MPVre分布与图3a较为相似，但是冷空气是由偏西路侵入，MPVre＜0等值线密集带主体位于广西上空，主体与东路冷空气相比位置较西.图3c是副热带高压控制下发生暴雨时的MPVre分布，此时华南地区与西太平洋地区为副高控制，海南位于副高南侧边缘，为典型的副高边缘性天气，海南处于MPVre正负边缘过渡区域，天气不稳定.变暖高压脊天气是由于冷高出海变性，海南受变暖高压脊西南侧偏东南气流控制，水汽条件丰富，热力条件较好，有利于不稳定天气的发生.对于G2系统（图3d），暴雨发生时，海南上空低层为相对湿位涡负值区.对于低压槽天气系统，三类低压槽天气系统MPVre＜0区域与低压槽的位置有较好的对应关系.南海低压槽（图3e），两广地区至南海上空均为MPVre负值区，西南低压槽时在广西、云南上空存在MPVre负值中心（图3f），而越南低压槽控制时（图3g），MPVre负值区主体位于中南半岛上空.三类天气系统海南上空低层均表现为MPVre＜0，表明海南岛上空大气层结不稳定，有利于在海南地区形成强降水天气.

4　结论

本文利用1970—2010年NCEP/NCAR全球再分析格点资料及文昌气象站降水资料，统计分析了近41年海南发射场区非台暴雨天气过程的湿位涡分布特征.

1）湿位涡能够较好地表征暴雨发生发展的动力、热力特征.表现为湿位涡正压项MPV1的分布低层MPV1＜0，中高层MPV1＞0；湿位涡斜压项MPV2分布与MPV1相反，具有上负下正特征，且MPV2比MPV1小一个量级；相对湿位涡MPVre在低层表现为MPVre＜0.

图2　1970—2010年各天气系统MPV2合成沿19°N纬向垂直分布（PVU）Fig.2Vertical profiles along 19°N of the MPV2 of the different weather systems from 1970 to 2010（PVU）

2）各类非台暴雨天气的湿位涡分布具有一定的共性特征，但是各不同类型非台暴雨的湿位涡分布仍然存在较为显著的差异.湿位涡能够较好地诊断不同类型非台暴雨，对非台暴雨预报具有一定的指导意义.

图31970—2010年各天气系统850hPa相对湿位涡水平分布（PVU）Fig.3Horizontal distribution of the MPVre at 850hpa of the different weather systems from 1970 to 2010（PVU）

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责任编辑：黄澜

Potential Vorticity Analyses on Non-typhoon Rainstorm of Hainan Satellite Launch Site

ZHAO Xiaoping1，ZHU Jingjing2，PEI Junling1，SHI Xiao1
（1.Meteorological Office，Xichang Satellite Launch Center，Xichang 615000，China；2.Climate Prediction Division，Hainan Climate Center，Haikou 570203，China）

Using the precipitation data of Wenchang station and global reanalysis gridded data of NCEP/NCAR from 1970 to 2010，this analyzed the dynamic and thermal characteristics of the non-typhoon rainstorm.The results showed that the physical of moist potential vorticity can express the dynamic and thermal characteristics of the non-typhoon rainstorms. When the rainstorm occurs，the barotropic term of the MPV is negative in low level and positive in middle and upper.Hain⁃an is in the area of moist convective instability.The baroclinic term of the MPV is smaller than the barotropic term.The dis⁃tribution characteristics of the different weather systems shows that the MPV is negative in middle and upper and positive in low level.Relatively moist potential vorticity is negative in low level and conducive to the occurrence of convection.The moist potential vorticity is one of the physical parameters of the dynamic and thermal characteristics.It will provide assis⁃tance to the forecast and warning of the rainstorm of the Hainan satellite launch site.

satellite launch site；non-typhoon rainstorm；moist potential vorticity

P 44

A

1674-4942（2015）04-0425-07

2015-09-19