辽宁一次强降水的诊断分析

高清源， 李 超， 支 询，3， 于芳健， 田 璐

(1.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都610225;2.鞍山市气象局，辽宁 鞍山114004;3.辽宁省气象装备保障中心，辽宁沈阳110000;4.朝阳市气象局，辽宁朝阳122000)

0 引言

暴雨是中国的主要灾害性天气之一，具有突发性高、强度大等特点，极易造成严重的气象灾害，因而对于暴雨天气的监测、预警、预报和研究，一直是气象工作者关注的重点［1-4］。近年来，位涡理论已成为研究暴雨天气的重要工具，尤其是在爆发性气旋生成和锋面研究中得到普遍的应用，这是因为位涡综合反映了大气的热力、动力学特征，并且在无粘、绝热的斜压大气中具有守恒性［5］，吴国雄等［6-7］在守恒特性的基础上，提出了倾斜涡度发展理论，指出倾斜发展在暴雨中的重要作用。Bennetts和 Hoskins［8］从 Boussinnesq近似出发，引入潜热作用，导出了湿位涡变化方程。刘还珠等［9］研究了强降水锋面两侧的冷暖区垂直环流，给出了强降水锋面的三维热力流型结构，湿位涡斜压项对应的可能的降水性质。王建中等［10-11］指出湿位涡斜压项能很好的体现湿斜压性对流不稳定在降水中的作用，而处于湿对称不稳定的大气，在锋面强迫或低空急流的作用下，更易形成强降雪天气。于玉斌等［12］对华北一台风暴雨进行了湿位涡分析，指出将位涡分解为正压和斜压部分能更好的揭示位涡和暴雨强度和落区的关系。李耀辉等［13］分析了一次江淮暴雨天气过程，指出对称不稳定区域的存在，并讨论了低空急流附近的对称不稳定性对暴雨及其系统的发生发展起了重要的作用。近年来，不少论著讨论了低空急流附近对称不稳定性问题［14-15］，指出低空急流特殊的风场切变有利于对称不稳定的发展，当急流处于不同强度时，其附近的条件性对称不稳定分布亦不相同，但位于急流轴的前端，存在较为明显的条件性对称不稳定区，有利于湿位涡的发展，对暴雨及其系统的发生发展起了重要的作用。

文中利用NCEP/NCAR分辨率为1°×1°的一日4次再分析格点资料和地面降水资料(常规气象观测站、区域自动站降水资料)，对2010年7月辽宁地区一次区域性强降水进行湿位涡的诊断分析，总结对流层低层湿位涡正压项和湿位涡斜压项与强降水强度、落区及其移动的对应关系，探讨此次强降水过程中正压项和斜压项所对应的降水形成机制，为强降水的预报提供一定的借鉴和指示意义。

1 湿位涡(MPV)理论

考虑某一等压面上的涡度变化，必须结合涡度方程和大气热力学方程来考虑，即对于包括热力学过程在内的大气涡旋运动的变化，要综合考虑大气热力结构对于涡度的约束关系，这就是位势涡度的概念，其综合反映了大气的动力学、热力学特征，可以作为跟踪气块移动的特征量。考虑水汽因素等的潜热作用，引入湿位涡的概念。

在P坐标系下，忽略ω的水平变化，则等压面上的湿位涡方程为

ξ为垂直涡度，f为地转涡度垂直分量，其余符号均为气象常用符号。

湿位涡可以分为湿正压项和湿斜压项，其形式分别为

鉴于MPV2相关于假相当位温梯度和风速的垂直切变，所以称MPV2为湿斜压项，则称MPV1为湿正压项。湿正压项MPV1与绝对涡度分量和静力稳定度有关，其值取决于空气块绝对涡度的垂直分量与假相当位温的垂直梯度的乘积。一般来说，由于绝对涡度为正值(北半球)，所以MPV1为负值时，表征大气的对流性不稳定。湿斜压项MPV2包含湿斜压性和水平风的垂直切变的贡献，它的数值由风的垂直切变和θse的水平梯度决定，表征大气的湿斜压性。相对于干位涡PV的斜压项PV2，湿位涡MPV的湿斜压项MPV2包含了大气中水汽、能量的双重作用，所以MPV2量级已可以与湿正压项MPV1相比拟，因而将湿位涡分解为MPV1和MPV2能更好的揭示湿位涡与暴雨强度和落区的关系以及反映MPV1、MPV2各自所表征的降水形成机制。湿位涡单位为PVU，1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1。

2 天气概况和环流背景

2．1 天气概况

2010年7月20～21日，受高空槽和江淮气旋的共同影响，辽宁地区出现明显强降水天气过程，中西部地区普降暴雨，中部地区为大暴雨乃至特大暴雨，有明显的短时强降水天气，短时强降水中心位于辽宁中部地区，强降水区呈东北-西南向带状分布，此次降水过程具有持续时间长，过程雨量异常偏多，而且局地强度大等特点。全区域有551个测站降水量达到暴雨标准，其中53个测站降水量超过250 mm，最大过程雨量出现在辽宁中部的新民陶屯站，为507 mm，其单日降水量达到370 mm，降水时段集中，雨强大，小时最大降水量达到45 mm。

利用辽宁地区957个气象观测站的地面降水资料绘制了此次暴雨的单日降水量的分布图(图1)，从图1可以看出，辽宁中西部地区的强降水以08时为界，降水时段明显不同，辽宁西部暴雨时段为20日08时之前，降水量由北向南呈明显的阶梯状分布(图1a)，辽宁中部地区强降水时段为20日08时到21日08时，带状分布明显(图1b)。从逐小时降水量来看(图略)，新民陶屯站16～22时雨强较大，最大雨强为45 mm/h，持续时间长，形成了新民地区的特大暴雨天气过程。

图1 降水量分布图(单位:mm)

2．2 环流背景

暴雨的形成是在有利的大尺度环流背景下出现的，这次强降水过程开始之前(图略)，高空500 hPa欧亚大陆中高纬度地区为两槽一脊环流形势，江淮气旋加强北上，与内蒙东北部的短波槽一起形成了北槽南涡的环流形势，副高主体稳定少动，范围较大。降水过程中(如图2)，高空500 hPa江淮气旋减弱东北上进入低槽，使高空槽加深发展，辽宁省位于高空槽前，副高主体稳定少动，形成东北地区暴雨典型的“东高西低”的高空槽暴雨(相伴有锋面结构)环流形势，由于下游高压坝的阻挡形势，迫使其停滞在辽宁地区，辽宁省即位于高空西风槽前与副高西北界交汇处，这样较大的环流经向度有利于较高纬度地区的冷空气沿脊前西北气流南下，并与副高西北部的暖湿气流交汇于辽宁中部地区，为辽宁中部地区暴雨提供了必要的环流条件，也利于降水过程的持续。低空925～850 hPa，江淮气旋东北上，辽宁西部地区受切变线影响，辽宁中东部地区低空急流明显偏强并较长时间维持，急流中心最大风速可达24 m/s，并形成了非常强的低空暖湿空气的输送带，这样的高低空配置是本次大暴雨过程产生的基础，为强对流天气的发生提供了非常有利的动力和和热力条件。

图2 2010年7月20日08时天气形势(实线为500 hPa等高线，单位:dagpm阴影区为925 hPa急流，风速大于12 m·s-1)

3 湿位涡的特征分析

考虑到水汽的影响作用以及其影响的层次一般在对流层的中低层，因而着重分析了对流层低层的湿位涡特征，。图3(a)和图4(c)给出7月20日08时925 hPa和850 hPa等压面上MPV1的分布，图3(b)和图5(b)给出7月20日20时850 hPa和925 hPa等压面上MPV2的分布，从低层等压面上的MPV1和MPV2图中可以看出，在整个降水过程中，中低层大气MPV1负的大值区主要位于辽宁西部，具有明显的对流性不稳定，MPV2无明显变化特征。而MPV2负的大值区主要分布于辽宁中部地区，大气具有明显的湿斜压性，有利于降水的形成和发展，MPV1为弱值分布区，变化不明显。因而，着重分析了辽宁西部暴雨区的MPV1特征和辽宁中部强降水区MPV2特征，寻求两者变化与暴雨产生、落区的对应关系。

图3 MPV1、MPV2分布(单位:PVU)

3．1 MPV1的特征分析

经过辽宁西部的暴雨中心，作7月19日20时～7月20日20时暴雨区南端绥中站附近(40°N，120°E)的湿位涡正压项(MPV1)垂直-时间剖面图(图4a)，从图中可以看出，从20日02时到20日08时，绥中站上空850 hPa层附近MPV1有明显的变化，MPV1由弱值区转为负的大值区，MPV1最大值为-0.9 PVU，说明850 hPa附近出现了明显的对流性不稳定区，这与低空暖湿气流的加强和北上密切相关，低空暖湿气流向暴雨区输送水汽、热量和不稳定能量，形成低层的对流不稳定层结，进而表现为MPV1负的大值区。从20日08时到20日20时，750 hPa附近出现正的大值区，随时间的推移逐渐增大并向低层发展，表明高层干冷空气强度的增强和冷空气的下传。

经过辽宁西部暴雨区，沿120°E经线作湿位涡(MPV1)的垂直剖面图(图4b)，从图中可以得出，20日08时，暴雨区上空900 hPa层附近有两个明显的MPV1的正负大值区，呈南北向分布，正负极值分别为-0.9 PVU、1.9 PVU，MPV1负值区延伸到了正值区上方，这说明暴雨区上空的中低层大气中，存在一低空急流携带暖湿气流北上，高层干冷空气下传，冷暖气流交汇，冷空气侵入到暖湿气团下方，触发和加强低层的扰动，暖湿气流抬升明显，触发其不稳定能量的释放，利于形成对流性的暴雨天气。强降水落区位于冷暖气团的交汇处，也就是MPV1正负过渡的等值线密集区，从图4(c)可以看出，在低层850 hPa等压面上有很好的对应关系(正负呈南北分布)，随着干冷空气的加强南下，正负过渡的等值线密集区逐渐南移，降水带随之南移，形成了辽宁西部地区阶梯状的暴雨天气。到20日08时，MPV1正负过渡的等值线密集区由北向南移至绥中站附近，强降水雨带随之移动，辽宁西部地区的强降水过程趋于结束。

图4 MPV1时间剖面图、垂直剖面图及分布

3．2 MPV2的特征分析

沿着41°N作湿位涡斜压项(MPV2)的垂直剖面图(图5a)，从图中可以看出，20日20时，辽宁中部地区对应着中低层的MPV2负值的大值区，MPV2极值达到-0.5 PVU，最大MPV2的层次在900 hPa附近，说明辽宁中部地区低层大气具有明显的湿斜压性特征，易于对称性不稳定层结的形成，这与辽宁中部地区强的低空急流密切相关，其特殊的风场切变有利于大气条件性对称不稳定的发生发展。从图5(b)和5(c)所给出的900 hPa等压面上MPV2的分布可以看出，从20日20时到21日02时，MPV2强度有较为明显的减弱，从-0.5 PVU减弱为-0.3 PVU，但辽宁中部地区逐渐转为MPV2的负值区，范围逐渐扩大。结合降水量图(图1b)可以得出，MPV2的负的极值中心与强降水中心存在位相的差异，而且MPV2的分布范围明显大于强降水落区，这说明即使是具有强的湿斜压性特征的地区，有利于形成条件性对称不稳定层结，但不一定对应着强降水落区，还需要其他条件的配合。

通过辽宁中部强降水区，沿着41°N作θse的纬向剖面图(图6)，从图中可以看出，20日20时，受冷空气和低空暖湿气流的共同影响，辽宁中部强降水区上空800 hPa层以下存在一个陡峭的等θse线密集区，这个等值线密集区正是冷暖气团所交界的锋区所在，其位于辽宁中部地区，呈东北-西南走向。

图5 MPV2垂直剖面图及分布

当条件性对称不稳定区受到锋面强迫作用发生降水时，对流上升运动由沿倾斜的等熵面运动逐渐变为沿更为倾斜的等θse面运动，即在条件性对称不稳定区域与锋面结合时，有利于形成倾斜对流发展机制，而倾斜对流往往又与暴雨等强对流天气相关联，有利于强降水天气的发生发展，形成沿锋面呈带状分布的强降水天气。因而分析条件性对称不稳定与锋面强迫的作用，对此次辽宁中部地区强降水天气具有重要的意义。

图6 2010年7月20日20时沿41°N的假相当位温的垂直剖面图(单位:K)

4 结论与讨论

(1)此次辽宁地区暴雨发生在的高空槽和副热带高压的“东高西低”环流背景下，强的低空急流为暴雨提供了有利条件。湿位涡正压项(MPV1)和湿位涡斜压性(MPV2)反映了暴雨区对流不稳定和斜压不稳定的状况，表征了不同的暴雨形成机制。

(2)对流层低层湿位涡正压项(MPV1)的分布与辽宁西部暴雨区有较好的对应关系，暴雨落区位于MPV1正负过渡的等值线密集带，密集带的移动与冷暖空气的相对强度有关，其对暴雨的落区和移动具有指示作用，利于形成阶梯状的雨量分布，表征了辽宁西部地区冷暖空气交汇的对流性不稳定的降水机制。

(3)对流层低层MPV2的负的大值区表明辽宁中部地区大气具有强的斜压性特征，其与强降水落区有较好的对应关系，强降水落区位于MPV2负的大值区与锋面相结合的区域。

(4)MPV2的负的大值区表征了大气的斜压性特征，易于形成条件性对称不稳定，当与锋面结构结合时，受锋面的强迫作用，有利于倾斜对流的发生发展，形成暴雨等强对流天气。

通过对这次区域性强降水的湿位涡诊断分析，总结了湿位涡正压项和斜压项与强降水强度、落区及其移动的对应关系，为强降水的研究和预报提供一定的借鉴和指示意义。至于此次强降水过程中强的超低空急流及其对湿位涡斜压项的作用有待于进一步的研究。

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