王昌雙+王曉

摘要： 2011年7月30日，遼寧地區(qū)出現(xiàn)了大范圍降水，但降水量分布極不均勻，西部大暴雨、中部小到中雨、東部山區(qū)暴雨。利用常規(guī)天氣資料、NCEP再分析資料，對(duì)這次天氣過(guò)程進(jìn)行天氣學(xué)和物理量場(chǎng)分析。分析結(jié)果表明：低層上升運(yùn)動(dòng)與較強(qiáng)水汽通道同時(shí)出現(xiàn)是強(qiáng)降水發(fā)生的重要條件，而各層水汽通量散度、濕位渦異常、CAPE值與降水量存在強(qiáng)相關(guān)。

關(guān)鍵詞： 強(qiáng)降水；水汽通道；濕位渦；CAPE

1 引言

對(duì)于同一次降水過(guò)程，降水量在降水區(qū)內(nèi)分布極不均勻但有規(guī)律可循，大致上呈西南-東北向的帶狀分布。利用NCEP再分析資料對(duì)降水區(qū)的物理量場(chǎng)進(jìn)行分析，找出出現(xiàn)此種降水量分布的原因，對(duì)今后區(qū)域降水量的預(yù)報(bào)具有重要意義。

2 降水量分布概況

2011年7月30日，遼寧地區(qū)出現(xiàn)了大范圍降水。此次降水過(guò)程，遼寧地區(qū)平均降水量為43.6mm，為大雨等級(jí)。降水量在各個(gè)區(qū)域分布極不均勻。按照降水量等級(jí)，大致分成3個(gè)區(qū)域。遼西、遼北地區(qū)降水量最大，多數(shù)市縣達(dá)到了大暴雨等級(jí)；遼寧中部地區(qū)降水量最小，以小雨為主，個(gè)別市縣中雨；東部山區(qū)降水量為暴雨等級(jí)。降水量分布呈西南-東北向的帶狀分布（圖1）。

圖1 2011年7月30日08時(shí)至31日08時(shí)遼寧地區(qū)降水量分布圖

3 天氣形勢(shì)特征

影響遼寧地區(qū)的天氣系統(tǒng)是高空槽和由渤海北上的氣旋，而中心位于蒙古東部的冷渦只影響東北北部地區(qū)，不會(huì)對(duì)遼寧地區(qū)產(chǎn)生大的影響。高空槽移動(dòng)方向是自西向東（圖2），鋒面氣旋則是向東北方向移動(dòng)（圖3）。當(dāng)鋒面氣旋移動(dòng)至高空槽前的正渦度區(qū)域后，氣旋加強(qiáng)。

圖2 30日20時(shí)500百帕高空?qǐng)D 圖3 30日20時(shí)地面天氣圖

4 物理量場(chǎng)分析

4.1垂直運(yùn)動(dòng)與水汽通量分布

4.1.1 30日14時(shí)垂直運(yùn)動(dòng)與水汽通量分布

垂直運(yùn)動(dòng)是降水的重要因素。做北緯41.5度的緯向剖面垂直速度圖和北緯41.5度的緯向剖面水汽通量圖，分析垂直運(yùn)動(dòng)和水汽輸送在不同經(jīng)度和不同高度的分布。

圖4 30日14時(shí)北緯41.5度垂直速度圖 圖5 30日14時(shí) 北緯41.5度水汽通量圖

在30日14時(shí)，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域主要分布在東經(jīng)120度至東經(jīng)123度，東經(jīng)123度至東經(jīng)126度500百帕以下以下沉氣流為主（圖4，紫色線(xiàn)為東經(jīng)123度）。此時(shí)東經(jīng)120度至東經(jīng)123度在850百帕至500百帕有較強(qiáng)的水汽通道，東經(jīng)123度至東經(jīng)126度在950百帕至800百帕有較強(qiáng)水汽通道（圖5，紫色線(xiàn)為東經(jīng)123度）。由于東經(jīng)120度至東經(jīng)123度區(qū)域強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域與強(qiáng)水汽輸送區(qū)域重合，因此該區(qū)域有強(qiáng)降水發(fā)生（圖6黑線(xiàn)區(qū)域）。而東經(jīng)123度至東經(jīng)126度區(qū)域雖然有低層水汽通道，但該高度以下沉氣流為主，水汽無(wú)法大量凝結(jié)，不利于出現(xiàn)強(qiáng)降水（圖6白線(xiàn)區(qū)域）。

圖6 2011年7月30日08時(shí)至31日08時(shí)北緯41.5度降水量分布示意圖

4.1.2 30日20時(shí)垂直運(yùn)動(dòng)與水汽通量

到了30日20時(shí)，垂直運(yùn)動(dòng)與水汽通道的分布情況發(fā)生了變化。強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)向東偏移，這是由于高空槽緩慢向東移動(dòng)，高層正渦度區(qū)也隨之移動(dòng)。水汽通道同時(shí)也向東移動(dòng)，并且更加與14時(shí)相比，在垂直方向上更為集中。

圖7 30日20時(shí)北緯41.5度垂直速度圖 圖8 30日20時(shí)北緯41.5度水汽通量圖

30日20時(shí)，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)集中在東經(jīng)122-東經(jīng)124范圍內(nèi)（圖7）。而較強(qiáng)水汽輸送區(qū)則集中在東經(jīng)124度附近（圖8，黑色框范圍代表圖7中的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)）。此時(shí)，遼寧地區(qū)西部強(qiáng)降水已經(jīng)趨于結(jié)束，遼寧中部地區(qū)上空雖然有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，但水汽通道已經(jīng)東移，因此沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)降水。遼寧東部水汽輸送較強(qiáng)，但較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)只發(fā)生在鳳城、寬甸等山區(qū)附近（圖9，北緯40.5附近），因此東部較強(qiáng)降水也在這一區(qū)域（圖10，白色框?qū)?yīng)圖9強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)）。

圖9 30日20時(shí)北緯40.5度垂直速度圖 圖10 30日08時(shí)至31日08時(shí)遼寧東部地區(qū)降水量示意圖

4.2 水汽通量散度

定義水汽通量散度為 。其中u、v分別為等壓坐標(biāo)系中x方向、y方向的速度， 為密度，q為水汽比濕。水汽通量散度將大氣運(yùn)動(dòng)與水汽分布結(jié)合起來(lái)，因此在暴雨過(guò)程中可以很好的表征某層大氣水汽收入或支出情況。而將垂直方向上各層水汽通量散度綜合分析，則可以展示暴雨過(guò)程中水汽運(yùn)動(dòng)的垂直和水平分布情況。

4.2.1 30日14時(shí)水汽通量散度

14時(shí)700百帕的水汽通量散度輻合大值區(qū)為一個(gè)開(kāi)口向東的“V”型。而“V”的開(kāi)口處恰為遼寧中部平原地區(qū)（圖11）。可見(jiàn)低層主要水汽輸送地區(qū)是遼寧西北部和東南部，而中部地區(qū)水汽輸送較少或者滯后。而14時(shí)300百帕的水汽通量散度輻散大值區(qū)則位于遼寧北部（圖12），可見(jiàn)北部地區(qū)水汽由低層向高層輸送較為強(qiáng)烈，到達(dá)300百帕高度后空氣向外輻散，表征強(qiáng)降水的出現(xiàn)。這種由低層向高層的西南-東北向水汽傾斜輸送帶與遼寧西北部的強(qiáng)降水區(qū)十分吻合。

圖11 30日14時(shí)700百帕水汽通量散度圖 圖12 30日14時(shí)300百帕水汽通量散度圖

4.2.2 30日20時(shí)水汽通量散度

20時(shí)700百帕水汽通量散度輻合大值區(qū)和300百帕水汽通量散度輻散大值區(qū)均位于遼寧北部地區(qū)（圖略），由此可以判斷20時(shí)強(qiáng)降水主要集中在遼寧北部地區(qū)。但根據(jù)雷達(dá)顯示（圖略），20時(shí)在東部山區(qū)仍有降水發(fā)生。分析900百帕的水汽通量散度（圖13），發(fā)現(xiàn)在此高度上水汽通量散度輻合十分明顯。由此判斷，東部山區(qū)的強(qiáng)降水主要集中在3000米以下的高度范圍內(nèi)。

圖13 30日20時(shí)950百帕水汽通量散度圖

4.2.3垂直累積水汽通量散度

將950百帕至300百帕的水汽通量散度作垂直積分，得到累積水汽通量散度，即空氣柱水汽得失情況。數(shù)值越大，則從外部得到水汽越多。最終水汽走向大部分以降水形式結(jié)束。以30日20時(shí)刻為例（圖14），累積水汽通量散度大值區(qū)有兩個(gè)，最大的位于遼寧北部，其次位于遼寧東部山區(qū)，基本與強(qiáng)降水落區(qū)一致。而數(shù)值大小也與降水強(qiáng)度成正比關(guān)系。

圖14 30日20時(shí)垂直累積水汽通量散度圖

4.3 濕位渦分布特征

濕位渦綜合反映了某高度動(dòng)力、熱力特征，是同時(shí)表征高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)分布特征的重要綜合指標(biāo)。30日14時(shí)（圖15），在750百帕等壓面上，濕位渦大值區(qū)的分布形狀與700百帕的水汽通量散度大值區(qū)分布形狀比較接近，均呈開(kāi)口向東的“V”字形，預(yù)示14時(shí)及以后數(shù)小時(shí)內(nèi)，在遼寧西北部和南部、東南部的溫度場(chǎng)、高度場(chǎng)、濕度場(chǎng)在對(duì)流層中低層有利于出現(xiàn)降水。而到了30日20時(shí)（圖16），濕位渦大值區(qū)集中在遼寧北部地區(qū)，預(yù)示20時(shí)及以后數(shù)小時(shí)內(nèi)，遼寧北部地區(qū)的溫度場(chǎng)、高度場(chǎng)、濕度場(chǎng)在對(duì)流層中低層有利于出現(xiàn)降水。將兩個(gè)時(shí)段綜合起來(lái)，濕位渦大值區(qū)與實(shí)際強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)比較一致。

圖15 30日14時(shí)750百帕濕位渦圖 圖16 30日20時(shí)750百帕濕位渦圖

4.4 CAPE

對(duì)流有效位能是發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣的重要指標(biāo)之一，而一次較大范圍的強(qiáng)降水過(guò)程，除了層狀云降水外，大尺度強(qiáng)斜升運(yùn)動(dòng)區(qū)中的中β尺度對(duì)流云團(tuán)降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)十分重要。中β尺度對(duì)流云團(tuán)的生成、發(fā)展伴隨大量不穩(wěn)定能量釋放，而CAPE則可以很好的表征強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的潛勢(shì)。30日14時(shí)，CAPE大值區(qū)位于遼寧地區(qū)西部和北部（圖17），由于存在大尺度環(huán)境提供的動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制，較易出現(xiàn)CAPE轉(zhuǎn)化為抬升動(dòng)能的情況，形成中β對(duì)流云團(tuán)，因此14時(shí)及以后數(shù)小時(shí)遼寧西部和北部易出現(xiàn)連續(xù)性降水和間歇性強(qiáng)降水。30日20時(shí)后，CAPE大值區(qū)僅存在于遼寧北部地區(qū)（圖18），遼寧中南部CAPE值始終較小，因此無(wú)法生成對(duì)流云團(tuán)，也無(wú)法出現(xiàn)間歇性強(qiáng)降水，最終此地區(qū)降水僅達(dá)到小雨或中雨量級(jí)，與遼寧西部、北部降水量相差一個(gè)量級(jí)。

圖17 30日14時(shí)CAPE圖 圖18 30日20時(shí)CAPE圖

5 結(jié)論

（1）雖然是同一天氣系統(tǒng)影響，但不同地區(qū)由于垂直運(yùn)動(dòng)與水汽輸送情況不同，降水量也會(huì)產(chǎn)生很大差異。強(qiáng)降水區(qū)域需滿(mǎn)足強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域與強(qiáng)水汽輸送區(qū)域在空間和時(shí)間上重合。

（2）各層水汽通量散度分布情況與降水量在空間和降水強(qiáng)度上存在強(qiáng)相關(guān)。

（3）可利用對(duì)流層中下層濕位渦大值區(qū)追蹤暴雨落區(qū)。

（4）由于中尺度對(duì)流云團(tuán)產(chǎn)生的間歇性強(qiáng)降水在大范圍降水的總降水量中貢獻(xiàn)巨大，CAPE大值區(qū)的分布對(duì)于強(qiáng)降水落區(qū)的判斷具有重要指示意義。

參考文獻(xiàn)

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[9] Pedlosky J . Geophsical Fluid Dynamics. Oxford ： Oxford Press ， 1979. 31.

作者簡(jiǎn)介：王昌雙（1983—）， 男， 吉林磐石人，工程師，主要從事預(yù)報(bào)工作

1

將950百帕至300百帕的水汽通量散度作垂直積分，得到累積水汽通量散度，即空氣柱水汽得失情況。數(shù)值越大，則從外部得到水汽越多。最終水汽走向大部分以降水形式結(jié)束。以30日20時(shí)刻為例（圖14），累積水汽通量散度大值區(qū)有兩個(gè)，最大的位于遼寧北部，其次位于遼寧東部山區(qū)，基本與強(qiáng)降水落區(qū)一致。而數(shù)值大小也與降水強(qiáng)度成正比關(guān)系。

圖14 30日20時(shí)垂直累積水汽通量散度圖

4.3 濕位渦分布特征

濕位渦綜合反映了某高度動(dòng)力、熱力特征，是同時(shí)表征高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)分布特征的重要綜合指標(biāo)。30日14時(shí)（圖15），在750百帕等壓面上，濕位渦大值區(qū)的分布形狀與700百帕的水汽通量散度大值區(qū)分布形狀比較接近，均呈開(kāi)口向東的“V”字形，預(yù)示14時(shí)及以后數(shù)小時(shí)內(nèi)，在遼寧西北部和南部、東南部的溫度場(chǎng)、高度場(chǎng)、濕度場(chǎng)在對(duì)流層中低層有利于出現(xiàn)降水。而到了30日20時(shí)（圖16），濕位渦大值區(qū)集中在遼寧北部地區(qū)，預(yù)示20時(shí)及以后數(shù)小時(shí)內(nèi)，遼寧北部地區(qū)的溫度場(chǎng)、高度場(chǎng)、濕度場(chǎng)在對(duì)流層中低層有利于出現(xiàn)降水。將兩個(gè)時(shí)段綜合起來(lái)，濕位渦大值區(qū)與實(shí)際強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)比較一致。

圖15 30日14時(shí)750百帕濕位渦圖 圖16 30日20時(shí)750百帕濕位渦圖

4.4 CAPE

對(duì)流有效位能是發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣的重要指標(biāo)之一，而一次較大范圍的強(qiáng)降水過(guò)程，除了層狀云降水外，大尺度強(qiáng)斜升運(yùn)動(dòng)區(qū)中的中β尺度對(duì)流云團(tuán)降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)十分重要。中β尺度對(duì)流云團(tuán)的生成、發(fā)展伴隨大量不穩(wěn)定能量釋放，而CAPE則可以很好的表征強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的潛勢(shì)。30日14時(shí)，CAPE大值區(qū)位于遼寧地區(qū)西部和北部（圖17），由于存在大尺度環(huán)境提供的動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制，較易出現(xiàn)CAPE轉(zhuǎn)化為抬升動(dòng)能的情況，形成中β對(duì)流云團(tuán)，因此14時(shí)及以后數(shù)小時(shí)遼寧西部和北部易出現(xiàn)連續(xù)性降水和間歇性強(qiáng)降水。30日20時(shí)后，CAPE大值區(qū)僅存在于遼寧北部地區(qū)（圖18），遼寧中南部CAPE值始終較小，因此無(wú)法生成對(duì)流云團(tuán)，也無(wú)法出現(xiàn)間歇性強(qiáng)降水，最終此地區(qū)降水僅達(dá)到小雨或中雨量級(jí)，與遼寧西部、北部降水量相差一個(gè)量級(jí)。

圖17 30日14時(shí)CAPE圖 圖18 30日20時(shí)CAPE圖

5 結(jié)論

（1）雖然是同一天氣系統(tǒng)影響，但不同地區(qū)由于垂直運(yùn)動(dòng)與水汽輸送情況不同，降水量也會(huì)產(chǎn)生很大差異。強(qiáng)降水區(qū)域需滿(mǎn)足強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域與強(qiáng)水汽輸送區(qū)域在空間和時(shí)間上重合。

（2）各層水汽通量散度分布情況與降水量在空間和降水強(qiáng)度上存在強(qiáng)相關(guān)。

（3）可利用對(duì)流層中下層濕位渦大值區(qū)追蹤暴雨落區(qū)。

（4）由于中尺度對(duì)流云團(tuán)產(chǎn)生的間歇性強(qiáng)降水在大范圍降水的總降水量中貢獻(xiàn)巨大，CAPE大值區(qū)的分布對(duì)于強(qiáng)降水落區(qū)的判斷具有重要指示意義。

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作者簡(jiǎn)介：王昌雙（1983—）， 男， 吉林磐石人，工程師，主要從事預(yù)報(bào)工作

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將950百帕至300百帕的水汽通量散度作垂直積分，得到累積水汽通量散度，即空氣柱水汽得失情況。數(shù)值越大，則從外部得到水汽越多。最終水汽走向大部分以降水形式結(jié)束。以30日20時(shí)刻為例（圖14），累積水汽通量散度大值區(qū)有兩個(gè)，最大的位于遼寧北部，其次位于遼寧東部山區(qū)，基本與強(qiáng)降水落區(qū)一致。而數(shù)值大小也與降水強(qiáng)度成正比關(guān)系。

圖14 30日20時(shí)垂直累積水汽通量散度圖

4.3 濕位渦分布特征

濕位渦綜合反映了某高度動(dòng)力、熱力特征，是同時(shí)表征高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)分布特征的重要綜合指標(biāo)。30日14時(shí)（圖15），在750百帕等壓面上，濕位渦大值區(qū)的分布形狀與700百帕的水汽通量散度大值區(qū)分布形狀比較接近，均呈開(kāi)口向東的“V”字形，預(yù)示14時(shí)及以后數(shù)小時(shí)內(nèi)，在遼寧西北部和南部、東南部的溫度場(chǎng)、高度場(chǎng)、濕度場(chǎng)在對(duì)流層中低層有利于出現(xiàn)降水。而到了30日20時(shí)（圖16），濕位渦大值區(qū)集中在遼寧北部地區(qū)，預(yù)示20時(shí)及以后數(shù)小時(shí)內(nèi)，遼寧北部地區(qū)的溫度場(chǎng)、高度場(chǎng)、濕度場(chǎng)在對(duì)流層中低層有利于出現(xiàn)降水。將兩個(gè)時(shí)段綜合起來(lái)，濕位渦大值區(qū)與實(shí)際強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)比較一致。

圖15 30日14時(shí)750百帕濕位渦圖 圖16 30日20時(shí)750百帕濕位渦圖

4.4 CAPE

對(duì)流有效位能是發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣的重要指標(biāo)之一，而一次較大范圍的強(qiáng)降水過(guò)程，除了層狀云降水外，大尺度強(qiáng)斜升運(yùn)動(dòng)區(qū)中的中β尺度對(duì)流云團(tuán)降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)十分重要。中β尺度對(duì)流云團(tuán)的生成、發(fā)展伴隨大量不穩(wěn)定能量釋放，而CAPE則可以很好的表征強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的潛勢(shì)。30日14時(shí)，CAPE大值區(qū)位于遼寧地區(qū)西部和北部（圖17），由于存在大尺度環(huán)境提供的動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制，較易出現(xiàn)CAPE轉(zhuǎn)化為抬升動(dòng)能的情況，形成中β對(duì)流云團(tuán)，因此14時(shí)及以后數(shù)小時(shí)遼寧西部和北部易出現(xiàn)連續(xù)性降水和間歇性強(qiáng)降水。30日20時(shí)后，CAPE大值區(qū)僅存在于遼寧北部地區(qū)（圖18），遼寧中南部CAPE值始終較小，因此無(wú)法生成對(duì)流云團(tuán)，也無(wú)法出現(xiàn)間歇性強(qiáng)降水，最終此地區(qū)降水僅達(dá)到小雨或中雨量級(jí)，與遼寧西部、北部降水量相差一個(gè)量級(jí)。

圖17 30日14時(shí)CAPE圖 圖18 30日20時(shí)CAPE圖

5 結(jié)論

（1）雖然是同一天氣系統(tǒng)影響，但不同地區(qū)由于垂直運(yùn)動(dòng)與水汽輸送情況不同，降水量也會(huì)產(chǎn)生很大差異。強(qiáng)降水區(qū)域需滿(mǎn)足強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域與強(qiáng)水汽輸送區(qū)域在空間和時(shí)間上重合。

（2）各層水汽通量散度分布情況與降水量在空間和降水強(qiáng)度上存在強(qiáng)相關(guān)。

（3）可利用對(duì)流層中下層濕位渦大值區(qū)追蹤暴雨落區(qū)。

（4）由于中尺度對(duì)流云團(tuán)產(chǎn)生的間歇性強(qiáng)降水在大范圍降水的總降水量中貢獻(xiàn)巨大，CAPE大值區(qū)的分布對(duì)于強(qiáng)降水落區(qū)的判斷具有重要指示意義。

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作者簡(jiǎn)介：王昌雙（1983—）， 男， 吉林磐石人，工程師，主要從事預(yù)報(bào)工作

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