李萍云,王 楠,屈麗瑋,趙 強

(陜西省氣象臺,西安 710014)

熱力散度垂直通量在延安強降水過程中的診斷分析

李萍云,王 楠,屈麗瑋,趙 強

(陜西省氣象臺,西安 710014)

利用NCEP1°×1°6h再分析資料對2013年7月22日延安地區(qū)強降水過程進行了熱力散度垂直通量診斷分析,結果表明：當高空輻散區(qū)疊加在弱的低層輻合區(qū)上方時,促進低值系統(tǒng)的發(fā)展,使高低層的輻散輻合均加強,從而引起強烈的上升運動,為強降水的產生提供了有利的動力條件。在強降水區(qū),廣義位溫等值線呈 “漏斗”狀,從對流層高層向下伸展到對流層低層,且在對流層低層垂直梯度比較顯著。在此次降水過程中,高空主要有兩股干冷空氣影響延安地區(qū),一股位于延安西側的中高層,一股位于其東部的對流層低層,這兩股冷空氣夾擊延安地區(qū)上空中層的暖濕氣流,加強了降水區(qū)附近的濕斜壓不穩(wěn)定,為強降水的產生提供了有利的熱力不穩(wěn)定條件。熱力散度垂直通量的垂直分布及整層積分的結果與地面6h強降水落區(qū)有很好的對應關系,它的變化趨勢及移動方向與強降水區(qū)的變化趨勢和移動方向也較為一致,對強降水落區(qū)預報有一定的參考意義。

強降水；高空輻散；廣義位溫；干冷空氣；熱力散度垂直通量

近幾年,極端天氣事件越來越多,強降水在極端天氣事件中所占的比例也呈增加趨勢,因此對強降水落區(qū)和雨帶移動方向的預報顯得尤為重要。近年來氣象工作者在這方面開展了大量卓有成效的研究,先后建立了多個對地面降水具有指示意義的宏觀物理量[1-4]。陜西地理位置特殊,降水類型復雜,降水預報難度較大,需要預報員不斷探索新的強降水預報技術方法。高守亭等[5-10]從暴雨觸發(fā)機理的角度出發(fā),主張利用多個動力變量的集合來對暴雨區(qū)進行綜合判別,這些動力因子主要包括濕熱力平流參數、對流渦度矢量的垂直分量、熱力散度垂直通量、水汽散度垂直通量、Q矢量散度、熱力位勢散度波作用密度,這些因子是反應暴雨系統(tǒng)動力、熱力及水汽特征的宏觀物理量,與降水落區(qū)有一定的對應關系。目前研究證明,要尋找出對所有類型強降水落區(qū)及移動方向相一致的因子比較困難,不同因子對應不同類型暴雨,其中熱力散度垂直通量對輻合輻散類的強降水過程對應關系較為理想,因此本文選取該變量對2013年7月22日延安強降水過程進行診斷分析,為今后該動力因子在陜西暴雨預報中的應用提供一些依據。

1 過程概況

2013年7月延安地區(qū)出現(xiàn)了5次暴雨天氣過程,其中21日20：00—22日20：00的暴雨過程發(fā)生的范圍最廣、強度最大,有5站雨量超過100mm,其中富縣151.9mm,創(chuàng)1966年7月26日以來日降水量新高,延長115.7mm,創(chuàng)1984年7月10日以來日降水量新高。降水自西向東影響延安地區(qū),6h累計雨量最大時段為22日02：00—22日08：00。持續(xù)強降水造成延安市嚴重城市內澇,并誘發(fā)滑坡、泥石流等地質災害,對人民生命財產造成嚴重損失。

2 資料和方法

實際大氣并不是完全干燥,而是含有水汽,但又不是完全飽和,即處于 “非均勻飽和”的狀態(tài)[11]。為了描述非均勻飽和濕大氣的熱力狀態(tài), Gao[5]提出了廣義位溫的概念,其表達式為：

其中,θ為位溫,exp[Lvqvs/(cpTc)(qv/qvs)k]為凝結潛熱函數,Lv為單位質量水汽的凝結潛熱,cp為空氣定壓比熱,qv為水汽比濕,qvs為飽和水汽比濕, Tc為抬升凝結高度處的溫度,k為經驗常數(本文參考文獻[12]取值為9)。由定義可見,在干空氣中qv=0、θ*=θ,在飽和大氣中qv=qvs、θ*=θe,但是當比濕qv介于0和qvs之間時,θ*既不是θ,也不是θe,而是介于兩者之間,θ*可以表示大氣從干到濕,再到完全飽和的變化過程,能更好地反映出實際濕大氣中的水汽濕度變化?？梢?廣義位溫可更真實地描述實際濕大氣的狀態(tài)。

熱力散度垂直通量是在廣義位溫基礎上建立的因子,其表達式[12]為：

其中vh=(u,v)和v=(u,v,ω)分別為水平和三維速度矢量,u為緯向速度,v為經向速度,ω為垂直速度,ρ為質量密度,▽h=?/?xi+?/?yj和▽= ?/?xi+?/?yj+?/?pk分別為水平和三維空間梯度算子。該物理量涵蓋了大氣垂直運動、水平輻合(輻散)和熱量平流輸送等要素,是動力、熱力效應相藕合的物理量。

利用一天4次的NCEP/NCAR再分析資料(水平分辨率為1°×1°、垂直26層的風場、溫度場、相對濕度場、垂直速度場)進行計算,得到熱力散度垂直通量及其各分量,根據延安地區(qū)2013 -07-21T20—22T20(北京時,下同)自動氣象站逐6h降水量演變情況,分別從熱力散度垂直通量的動力項(水平輻合輻散項▽h·vh、垂直速度ω)和熱力項(廣義位溫θ*、廣義位溫平流項vh·▽hθ*)對此次大暴雨過程進行診斷分析,最后分析熱力散度垂直通量的分布特征。由于NCEP/NCAR再分析資料間隔為6h,為了診斷分析結果對預報有一定指示意義,采用6h累計雨量初始時刻的各物理量與6h累計降水量對比分析。

3 熱力散度垂直通量的動力項

此次過程強降水區(qū)主要位于108°E～111°E、36°N附近。21日20：00,在延安西側105°E～106°E區(qū)域上空250hPa高度附近有6×10-5s-1輻散中心,位于200hPa高空急流入口區(qū)的右側,在延安東部110°E對流層低層750hPa附近有弱輻合區(qū),此時對流層無上升運動。隨著高空急流核的東移,22日02：00(圖1a)在延安地區(qū)上空對流層中高層200～500hPa出現(xiàn)輻散,中心位于250hPa附近,強度超過18×10-5s-1,同時,中低層出現(xiàn)大片的輻合區(qū),中心位于700 hPa附近,強度達-10×10-5s-1,輻散區(qū)與輻合區(qū)中心均位于109°E上空,在高層強輻散和低層輻合的作用下,延安地區(qū)上空形成了一深厚的上升運動區(qū),上升運動伸展至200hPa,中心在400～500hPa,最大值為-6×10-2hPa/s(圖1b),強降水開始出現(xiàn)。22日08：00高層輻散低層輻合中心東移至110°E,高層輻散中心分裂為上下兩個,一個位于200hPa附近,另一個位于400hPa附近,強度均減弱至8×10-5s-1,低層輻合中心略微上移強度減弱至-8×10-5s-1(圖1c),由于輻合輻散區(qū)東移減弱,上升區(qū)運動東移減弱(圖1d),伸展范圍降至300 hPa以下,其中心在600hPa,最大值減小為-3 ×10-2hPa/s,降水強度開始減弱。隨著系統(tǒng)的東移,22日14：00延安地區(qū)上空200～700hPa轉為弱輻散區(qū),800hPa延安東部為弱輻合區(qū),上升運動減弱至-1×10-2hPa/s,此時降水強度明顯減弱。

可見在強降水開始前,延安地區(qū)上空低層有弱輻合,其西側高層有輻散；在強降水開始時,延安地區(qū)上空高層輻散明顯加強,低層輻合也明顯增大,但低層輻合仍明顯小于高層輻散；當高層輻散減弱至與低層輻合強度相當時,強降水開始減弱。這說明在此次過程中,高空輻散區(qū)疊加在低層弱輻合區(qū)上方,促進低值系統(tǒng)發(fā)展[13-14],使高低層的輻散輻合均加強,從而引起強烈的上升運動,導致強降水的產生。隨著高層輻散的東移減弱,降水隨之東移減弱。

圖1 2013-07-22延安強降水過程的水平輻散(單位為10-5s-1；a02時,c08時)和垂直速度ω(單位為Pa/s；b02時,d08時)沿36°N垂直剖面

4 熱力散度垂直通量的熱力項

4.1 廣義位溫的分布特征

廣義位溫可真實反映實際大氣的水汽分布和熱力性質,更好地體現(xiàn)暴雨過程中水汽的集中和水汽梯度效應,對暴雨落區(qū)有一定的指示意義[11-12]。強降水發(fā)生前,21日20：00廣義位溫(圖略)在延安地區(qū)及其西側對流層低層700hPa, 108°E附近有一338K的大值中心；高層500hPa, 106°E～108°E附近有一廣義位溫橫槽,說明延安西側為高溫高濕區(qū)。延安地區(qū)上空600hPa以上廣義位溫等值線比較平直。22日02：00(圖2a),廣義位溫大值區(qū)東移,300～800hPa高低層連通呈 “漏斗”狀, “漏斗”底部主要位于延安西部108°E～109°E,延安西部上空500～800hPa廣義位溫增大,廣義位溫垂直梯度在延安上空對流層低層850hPa,108°E～110°E附近比較顯著,說明高溫高濕區(qū)已移到了延安西部,且溫度濕度有所增大,同時說明延安地區(qū)存在熱力不連續(xù)面,大氣濕斜壓性明顯[15]。22日08：00廣義位溫(圖2b)“漏斗”東移變淺變寬,“漏斗”底部主要位于700hPa、109°E～111°E附近,廣義位溫水平梯度大值區(qū)相應地抬高東移至700hPa、110°E～112°E附近。22日14：00廣義位溫等值線漏斗底部下移至800hPa附近,漏斗低層700～800hPa變寬,寬度范圍從之前的3.5個經度變?yōu)?.5個經度,上部500～600hPa附近變窄,寬度范圍從之前的3個經度變?yōu)?個經度,說明暖濕空氣主要位于對流層低層。

可見在強降水區(qū),廣義位溫等值線呈 “漏斗”狀,從對流層高層向下伸展到對流層低層,且在對流層低層垂直梯度比較顯著。而在非強降水區(qū),廣義位溫等值線相對比較平直,對流層低層的垂直梯度也不明顯。

4.2 廣義位溫平流的分布特征

強降水發(fā)生前,從廣義位溫平流項可以看出21日20：00,延安上空以暖濕平流(-vh·▽hθ*＞0)為主(圖略),說明延安地區(qū)上空不穩(wěn)定能量在積聚。22日02：00,在延安地區(qū)上空對流層中低層500～700hPa為暖濕平流(圖3a),中心在600hPa、109°E附近,最小值達-9×10-4K/s；在其西側104°E～107°E對流層中高層200～700hPa為干冷平流,最大中心位于400～500hPa,105°E～106°E附近,最大值為6×10-4K/s；在700hPa下為干冷空氣輸送,其中心位于800hPa,110°E附近,最大值可達15×10-4K/s。22日08：00中層暖濕平流東移至108°E～111°E(圖3b),最大值略微減小；延安西側的干冷平流東移至109°E,中心增大至12 ×10-4K/s,中心位于400～500hPa,107°E～108°E附近；對流層低層700～800hPa的干冷平流中心東移至110°E～111°E,最大值減弱至9 ×10-4K/s；此外在500hPa,110°E附近有一中心為6×10-4K/s干冷平流。說明延安地區(qū)中層暖濕平流東移減弱,西部的干冷平流東移加強,低層的干冷平流輸送減弱,這是降水在之后6h內開始減弱的原因,但由于中層500hPa,110°E附近有干冷空氣輸送,使得降水并沒有立即減弱,反而在08：00—09：00的降水量達到此次過程單站小時雨量的最大值26.3mm。22日14時700 hPa以上的干冷平流東移至111°E附近,低層700～800hPa,110°E～111°E和108°E附近為弱的暖濕平流,之后6h降水量減弱為小雨。

可見此次過程開始前延安上空有暖濕平流輸送。強降水發(fā)生時,中層有暖濕平流,西側中高層為干冷平流,東部低層有干冷平流,且東部低層的干冷平流大于西側中高層的干冷平流。當中層暖濕平流減弱,其西側的干冷平流加強,東部低層的干冷平流減弱時,強降水開始減弱。

圖2 2013-07-22延安強降水過程廣義位溫(單位為K；a02時,b08時)沿36°N垂直剖面圖

圖3 2013-07-22延安強降水過程廣義位溫平流項(單位為10-4K/s；a02時,b08時)沿36°N的垂直剖面圖

5 熱力散度垂直通量的動、熱力耦合

5.1 熱力散度垂直通量的垂直分布特征

從沿36°N熱力散度垂直通量剖面圖可以看出,在21日20：00熱力散度垂直通量幾乎無值,22日 02：00(圖4)熱力散度垂直通量在延安地區(qū)108°E～111°E上空200～850hPa為正值區(qū),在109°E附近上空有兩個中心,一個位于對流層高層400hPa附近,中心值為13×10-2(K·Pa·m)/s2,另一個位于對流層中層600hPa附近,中心值為9× 10-2(K·Pa·m)/s2。22日08：00熱力散度垂直通量減弱東移,位于110°E、400hPa附近,中心值減弱為2×10-2(K·Pa·m)/s2,600hPa附近的中心值減為6×10-2(K·Pa·m)/s2。22日14：00熱力散度垂直通量減弱為0(K·Pa·m)/s2。

圖4 2013-07-22延安暴雨過程熱力散度垂直通量(單位為10-2(K·Pa·m)/s2)沿36°N垂直剖面圖

說明在無強降水發(fā)生時熱力散度垂直通量在降水區(qū)值很小。在強降水開始時,熱力散度垂直通量在降水區(qū)上空值明顯增大,在對流層高層400hPa和中層600hPa附近有大值中心。當強降水開始減弱時,熱力散度垂直通量東移減弱,高層中心值減弱明顯,這與高層輻散明顯減弱有關,將以上結果的動、熱力項和熱力散度垂直通量做比較,可知輻合輻散所起的作用在此次過程中更明顯。

5.2 熱力散度垂直通量的整層積分分布特征

21日20：00陜西及其周圍熱力散度垂直通量的整層積分值很小,幾乎為0(K·Pa·m)/ s2,之后6h無強降水出現(xiàn),22日02：00陜西中北有一熱力散度垂直通量整層積分的大值區(qū),中心位于延安地區(qū)西部36°N、109°E附近,最大值為6×102(K·Pa·m)/s2,之后6h延安大部分地方為暴雨,36°N附近為大暴雨。22日08：00其大值中心東移到延安東南部,最大值減小到4×102(K·Pa·m)/s2,之后6h延安南部為區(qū)域性暴雨,延安西南部局地出現(xiàn)大暴雨。22日14：00大值區(qū)東移至山西中部,中心減弱為2×102(K·Pa·m)/s2,之后6h延安地區(qū)強降水結束。

說明熱力散度垂直通量的整層積分在強降水發(fā)生時突然增大,強降水區(qū)位于熱力散度垂直通量的大值中心附近,隨著大值中心的東移減弱,強降水隨之東移減弱。

圖5 2013-07-22延安強降水過程熱力散度垂直通量的整層積分(等值線,單位為102(K·Pa·m)/s2)和6h累計降水量(陰影)

可見熱力散度垂直通量可綜合反映強降水系統(tǒng)的動力、熱力及水汽特征。它的垂直分布和整層積分的大值中心均與6h強降水落區(qū)對應較好,而且它的趨勢變化可從宏觀上反映強降水系統(tǒng)的發(fā)展或減弱,對強降水的落區(qū)和雨帶的移動,能給出較有價值的參考信息。

6 結論

(1)高空輻散區(qū)疊加在低層弱輻合區(qū)上方,促進低值系統(tǒng)的發(fā)展,使高低層的輻散輻合均加強,從而引起強烈的上升運動,導致強降水的產生。

(2)在強降水區(qū),廣義位溫等值線呈 “漏斗”狀,從對流層高層向下伸展到對流層低層,且在對流層低層垂直梯度比較顯著；而在非強降水區(qū),廣義位溫等值線相對比較平直,對流層低層的垂直梯度也不明顯。

(3)此次過程中,高空主要有兩股干冷空氣影響延安地區(qū)的降水,一股位于延安地區(qū)西側的中高層,一股位于其東部的對流層低層。這兩股冷空氣夾擊延安地區(qū)上空中層的暖濕氣流,加強了暴雨區(qū)附近的濕斜壓不穩(wěn)定,為暴雨區(qū)提供了有利的熱力不穩(wěn)定條件。

(4)熱力散度垂直通量能綜合反映強降水系統(tǒng)的動力、熱力及水汽特征。它的垂直分布和整層積分的大值中心均與6h強降水落區(qū)對應較好,而且它的趨勢變化可以宏觀上反映強降水系統(tǒng)的發(fā)展或減弱,對強降水的落區(qū)和雨帶的移動,給出較有價值的參考信息。

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P426

A

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1006-4354(2015)02-0001-06

2014-10-16

李萍云(1982—),女,漢族,山西夏縣人,碩士,工程師,從事天氣預報與研究。

陜西省氣象局預報員專項(2013Y-5)