陳震　王丹　黃婷煜

摘要 利用NCEP/NCAR FNL 1°×1°時間分辨率為6 h再分析資料對河北省2016年7月19—20日暴雨過程的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)Q矢量與濕位渦進(jìn)行診斷分析。結(jié)果表明，在非地轉(zhuǎn)氣流的作用下冷暖空氣匯集于河北南部，此處亦是Q矢量鋒生區(qū)。Q矢量輻合區(qū)與暴雨區(qū)基本重合，強(qiáng)度變化基本一致，但輻合中心與暴雨中心并不重合；非地轉(zhuǎn)氣流的輻合輻散對垂直運(yùn)動起著明顯的作用，低層輻合形成上升氣流，上升支兩側(cè)的下沉氣流又在低層向38°N匯聚，增強(qiáng)了低層輻合。對流不穩(wěn)定與條件性對稱不穩(wěn)定均起到了明顯作用，暴雨區(qū)基本位于對流穩(wěn)定區(qū)與對流不穩(wěn)定區(qū)的過渡帶內(nèi)。

關(guān)鍵詞 暴雨；Q矢量；濕位渦；診斷分析；河北省

中圖分類號 P458.1+21.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）15-0190-03

Abstract Using NCEP/NCAR FNL 1°×1° per 6 hour reanalysis datas，the rainstorm process occurred in Hebei Province on July 19，2016 was analyzed.The results showed that under the effect of ageostrophic wind，cold-warm air was collected at southern Hebei where was also the Q-vector frontogenesis area. Q-vector convergence area and storm area were coincident，the intensity changes were basically consistent，but the central regions were not coincident. Vertical movement was affected obviously by ageostrophic wind′s convergence and divergence，low level convergence formed a strong updraft，downdraft around updraft gatheredto 38°N at low level，intensifying convergence.Conditional symmetry instability and convective instability played important roles in the rainstorm.Rainstorm was located the transition between conditional symmetry instability and convective instability.

Key words rainstorm；Q vector；moist potential vorticity；diagnostic analysis；Hebei Province

強(qiáng)上升運(yùn)動是產(chǎn)生暴雨的必要條件，以往利用ω方程對垂直運(yùn)動診斷時會遇到垂直方向的導(dǎo)數(shù)，計算時就必須有2層的資料進(jìn)行差分，這對垂直運(yùn)動的診斷造成了約束。1978年Hoskins等[1]提出準(zhǔn)地轉(zhuǎn)上升運(yùn)動可以用Q矢量進(jìn)行診斷，這種方式給對垂直運(yùn)動的診斷帶來方便。國內(nèi)許多學(xué)者都對Q矢量的應(yīng)用做了研究。趙桂香等[2]對比了Q矢量和濕Q矢量的診斷效果，發(fā)現(xiàn)Q矢量適合研究天氣尺度的大氣運(yùn)動，而濕Q矢量更適合次級環(huán)流的研究，更能突出中尺度特性。劉學(xué)華等[3]在對一次梅雨期暴雨的研究中發(fā)現(xiàn)Q矢量散度、Q矢量鋒生函數(shù)變化一致，其走向與雨帶相一致，低層Q矢量輻合有利于上升運(yùn)動的維持。此外，濕位渦還考慮了大氣中水汽的影響。因為濕位渦與大氣對稱不穩(wěn)定有較好的對應(yīng)關(guān)系，故通過對濕位渦進(jìn)行分析可以更全面而有效地描述強(qiáng)對流天氣過程。吳國雄等[4]證明了在絕熱、無摩擦條件下，飽和濕空氣具有濕位渦守恒的特性。以此為基礎(chǔ)提出了傾斜位渦發(fā)展理論。劉還珠等[5]應(yīng)用濕位渦守恒理論，探究了暴雨鋒面兩側(cè)冷暖區(qū)的垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)，并且給出了三維示意圖。蒙偉光等[6]在華南暴雨數(shù)值模擬中指出條件性對稱不穩(wěn)定可能是MCS發(fā)展的一種機(jī)制，在弱對流穩(wěn)定區(qū)等相當(dāng)位溫面的斜率比等絕對動量的更大，中層有濕位渦負(fù)值區(qū)，這種情況下不穩(wěn)定能量更容易釋放。

本文利用Q矢量與濕位渦對河北省一次暴雨過程進(jìn)行診斷分析，試圖找出Q矢量和濕位渦與暴雨之間的關(guān)系，揭示非地轉(zhuǎn)作用所造成的強(qiáng)迫上升機(jī)制。

1 Q矢量分析

1.1 Q矢量及Q矢量鋒生函數(shù)的表達(dá)式

保留偏差風(fēng)的同時以地轉(zhuǎn)風(fēng)代替水平風(fēng)，便得準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似。Doswell[7]在1998年給出了一種便于記憶的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)Q矢量表達(dá)式，即：

Q=-R（？塄Vg）·？塄T（1）

根據(jù)矢量展開規(guī)則有：

Q=（Qx，Qy）

=-R■■-R■■，-R■■-R■■（2）

應(yīng)用上式便能以某一層的資料進(jìn)行Q矢量計算，十分方便。在絕熱、無摩擦、準(zhǔn)靜力平衡的條件下可引入Q矢量鋒生函數(shù)，它表示鋒生或鋒消的程度。Q矢量鋒生函數(shù)表達(dá)式[8]：

Fg=■+Vg·|？塄h θ2 |=2Q·？塄θ（3）

Fg>0表示鋒生，反之為鋒消。

1.2 Q矢量及鋒生函數(shù)分析

從低層Q矢量場與假相當(dāng)位溫場的分布來看（圖1），38°N以南為高溫高濕區(qū)，假相當(dāng)位溫密集帶Q矢量的絕對值也要比周圍大。這說明在高溫高濕區(qū)非地轉(zhuǎn)氣流較強(qiáng)。假相當(dāng)位溫密集區(qū)兩側(cè)非地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)向有明顯差別，在非地轉(zhuǎn)氣流的作用下，暖濕空氣由南向北輸送，干冷空氣向西輸送，二者在河北中部地區(qū)交匯。河北中部暖濕、干冷空氣交匯，溫、濕梯度都非常大，有利于鋒生。分析850 hPa鋒生函數(shù)場，暴雨發(fā)生前低層基本處于較弱的正值區(qū)，隨著降水強(qiáng)度加大，20日0：00（UTC，下同）河北中部出現(xiàn)一鋒生函數(shù)正值區(qū)，中心值在280×10-15 K·hPa·s-3以上。這里正是非地轉(zhuǎn)氣流造成的溫、濕梯度大值區(qū)，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，水汽豐富，上升運(yùn)動強(qiáng)烈，滿足暴雨產(chǎn)生的三要素。同時，6 h累計降水中心基本與鋒生函數(shù)正值中心重合，強(qiáng)度也相近。endprint

分析850 hPa Q矢量散度分布，19日0：00河北西南部首先出現(xiàn)Q矢量散度負(fù)值中心，中心值在-80×10-15 hPa-1·s-3以下，6：00—12：00負(fù)值中心強(qiáng)度基本維持不變，但范圍逐漸覆蓋整個河北南部。隨著負(fù)值區(qū)的東移擴(kuò)大，20日0：00（圖2）負(fù)值區(qū)覆蓋了整個河北省東南地區(qū)，負(fù)值中心已加強(qiáng)到-160×10-15 hPa-1·s-3，輻合中心位于滄州市附近。Q矢量散度負(fù)值區(qū)與6 h累計降水落區(qū)基本重合，但負(fù)值中心較降水中心偏南。20日12：00，輻合區(qū)已移至唐山東部地區(qū)，強(qiáng)度減弱至-60×10-15 hPa-1·s-3，在其西側(cè)有同強(qiáng)度的輻散區(qū)。此時的6 h累計降水有2個大值中心，一個位于唐山東部與輻合區(qū)重合，另一個位于北京。

根據(jù)上述分析可以得出以下結(jié)論：Q矢量輻合區(qū)自河北省西南部生成而后向東北方向移動，移動中強(qiáng)度先增大后減小。輻合區(qū)與6 h累計降水落區(qū)基本重合，二者移向一致，強(qiáng)度變化非常接近，但輻合中心與降水中心存在明顯偏差。這說明Q矢量散度對降水落區(qū)和強(qiáng)度有較好的指示意義。

為了更全面地分析Q矢量輻合輻散的作用，將Q矢量散度和垂直速度沿115°E方向作剖面圖，分析其在垂直方向的分布。19日6：00，500 hPa以下為Q矢量的輻合區(qū)，輻合中心位于800 hPa附近，輻合中心值-40×10-15 hPa-1·s-3。在輻合區(qū)正上方有Q矢量的輻散，強(qiáng)度在20×10-15 hPa-1·s-3左右。山前38°N上空是強(qiáng)烈上升運(yùn)動區(qū)，上升運(yùn)動中心位于700 hPa高度，最大上升速度在-2 Pa/s以下。在上升氣流兩側(cè)各有一支下沉氣流，構(gòu)成了垂直方向上的環(huán)流圈。在迎風(fēng)坡抬升作用下氣流輻合抬升，500 hPa高度附近Q矢量開始轉(zhuǎn)為輻散，上升氣流轉(zhuǎn)向南，向北運(yùn)動，再而轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動。兩側(cè)下沉氣流在低層分別向38°N匯集，又加強(qiáng)了低層的輻合，相互促進(jìn)的正反饋機(jī)制形成。這種正反饋機(jī)制對暴雨的維持起到了相當(dāng)大的作用（圖3）。正反饋在維持了6 h后開始崩潰，19日12：00河北省南部地區(qū)均為Q矢量一致輻合上升區(qū)，輻合自下向上延伸至300 hPa，而后轉(zhuǎn)為輻散。鉛直方向上亦有3個輻合中心，強(qiáng)度在-80×10-15 hPa-1·s-3左右。35°N形成新的上升運(yùn)動中心，輻合區(qū)內(nèi)基本為上升氣流。

2 假相當(dāng)位溫分析

暴雨的產(chǎn)生需要有足夠的不穩(wěn)定能量，假相當(dāng)位溫集溫、壓、濕于一體，可描述水汽相變造成的潛熱變化，故可以作為大氣能量指標(biāo)。在暴雨發(fā)生前（18日18：00），850 hPa河北省南部假相當(dāng)位溫線加密，不穩(wěn)定能量開始積聚。19日6：00，等值線向北凸起，強(qiáng)度增大，“Ω”型高能舌形成，中心值達(dá)到356 K。配合850 hPa偏南氣流，大量的高溫高濕不穩(wěn)定能量向河北地區(qū)輸送。19日6：00至20日6：00，高能舌自西南向東北移動，同時范圍有明顯的擴(kuò)大，中心值始終維持在352 K左右。河北省南部的暴雨就是發(fā)生在高能舌向東北移動，范圍擴(kuò)大的這段時間內(nèi)。20日12：00，高能舌移至唐山附近，呈南—北走向，對應(yīng)唐山20日白天的暴雨過程。

從垂直分布來看，18日18：00，河北省700 hPa以下為假相當(dāng)位溫的密集區(qū)，925 hPa有暖濕的高值中心，而且假相當(dāng)位溫隨高度遞減，低值中心在700 hPa高度。暴雨區(qū)下暖濕，上干冷，大氣處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)。只要有適當(dāng)?shù)挠|發(fā)機(jī)制，對流便可發(fā)展起來。19日12：00，沿36°N的剖面圖表明，河北西部為假相當(dāng)位溫的密集帶，此處為一冷鋒，冷暖空氣在此交匯。鋒面隨高度向西傾斜，延伸至300 hPa左右。隨著鋒面東移，垂直運(yùn)動加強(qiáng)。上升與下沉運(yùn)動成對出現(xiàn)。上升運(yùn)動位于山前迎風(fēng)坡，也位于冷鋒前暖濕的對流不穩(wěn)定區(qū)，上升運(yùn)動中心值在-3.6 Pa/s以上，上升運(yùn)動劇烈。在鋒面及地形的共同作用下垂直環(huán)流圈形成并維持，非常有利于暴雨的發(fā)展。

3 濕位渦分析

3.1 濕位渦表達(dá)式

3.2 濕位渦水平分布

19日6：00，河北省基本處于MPV1的負(fù)值區(qū)，表明在暴雨發(fā)生的初始階段低層大氣處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)。河北南部地區(qū)有中心值低于-0.6 PVU的負(fù)值區(qū)，在其北部有中心值高于0.3 PVU的正值中心。對流不穩(wěn)定的暖濕空氣與穩(wěn)定的干冷空氣在西部山前交匯，6 h累計降水落區(qū)就位于干冷、暖濕空氣相對峙的區(qū)域，降水大值中心更偏向?qū)α鞑环€(wěn)定區(qū)。隨著暴雨的加強(qiáng)，19日18：00（圖4）對流不穩(wěn)定區(qū)明顯擴(kuò)大，呈西南—東北走向，覆蓋河北東南地區(qū)，中心值低于-0.8 PVU。6 h降水中心位于邢臺市，中心正位于MPV1正負(fù)值過渡帶內(nèi)的梯度大值區(qū)。

低層MPV2比MPV1小1個量級，19日6：00有2個MPV2的負(fù)值區(qū)，分別位于河北省中部的保定市以及南部的邢臺市。19日18：00，MPV2負(fù)值驟然加大，由12：00的 -0.08 PVU增大至-0.6 PVU。20日6：00，斜壓不穩(wěn)定達(dá)到最強(qiáng)，MPV2中心低于-1.2 PVU，位于保定、廊坊一帶。隨后MPV2負(fù)值區(qū)強(qiáng)度減弱，范圍收縮，向東北方向經(jīng)唐山移出河北省。

總而言之，MPV1與MPV2均是正負(fù)相間分布，對流不穩(wěn)定對降水有著較大貢獻(xiàn)，降水主要發(fā)生在MPV1的正負(fù)值過渡帶。條件性不穩(wěn)定的作用也不容忽視，19日18：00斜壓性突然增大可能與夜間低空急流的增強(qiáng)有關(guān)，低空急流的增強(qiáng)使得水平風(fēng)速的垂直切變加大，從而為MPV2提供了負(fù)值。

3.3 濕位渦垂直結(jié)構(gòu)

19日12：00，對流不穩(wěn)定區(qū)主要集中在對流層低層，中心值在-0.8 PVU以上，在700 hPa高度上有中心值為0.6 PVU的正值區(qū)，恰好位于對流不穩(wěn)定區(qū)之上。MPV1在暴雨區(qū)呈現(xiàn)上正下負(fù)的配置，對流不穩(wěn)定能量不斷釋放，為氣流提供了上升動能。

隨著暴雨的發(fā)展，不穩(wěn)定能量逐漸減少，低層MPV1逐漸轉(zhuǎn)為正值。分析MPV2沿36°N的剖面圖，條件性對稱不穩(wěn)定區(qū)自850 hPa隨著高度升高向西傾斜，向上延伸至300 hPa左右。在不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)有3個負(fù)值中心，強(qiáng)度均在 -0.6 PVU之上。分析MPV2沿115°E剖面圖可知500 hPa高度上有弱的對稱不穩(wěn)定區(qū)存在。綜上所述，對流層低層為對流不穩(wěn)定及條件性對稱不穩(wěn)定層結(jié)，中層為弱的對流穩(wěn)定層結(jié)。2種不穩(wěn)定層結(jié)所蘊(yùn)含的能量為整個暴雨過程提供了充足的動能。endprint

4 結(jié)論

利用NCEP資料對河北一次暴雨過程進(jìn)行Q矢量及濕位渦物理量診斷，所得結(jié)論如下。

（1）河北省中部及南部地區(qū)的Q矢量較其他地區(qū)明顯偏大，說明河北中部及南部低層非地轉(zhuǎn)氣流強(qiáng)。在非地轉(zhuǎn)氣流的作用下，干冷、暖濕空氣在河北地區(qū)交匯，有利于鋒生。

（2）Q矢量對暴雨的作用明顯，對暴雨的預(yù)報總體較好，但仍有不足。Q矢量輻合區(qū)與暴雨區(qū)基本重合，輻合強(qiáng)度變化與暴雨強(qiáng)度變化基本一致，二者有著較好的對應(yīng)關(guān)系。但Q矢量輻合中心與暴雨中心存在明顯偏差，說明Q矢量對暴雨中心的預(yù)報效果較差。Q矢量低層輻合，高層輻散增強(qiáng)了垂直運(yùn)動，在上升支兩側(cè)又有下沉氣流而且在低層分別向38°N匯聚，增強(qiáng)了低層輻合。這種正反饋機(jī)制有利于暴雨維持。

（3）濕位渦梯度大值區(qū)是暴雨發(fā)生的主要區(qū)域。暴雨區(qū)主要出現(xiàn)在MPV1的正負(fù)值交界處的梯度大值區(qū)，對流不穩(wěn)定區(qū)的移向與降水區(qū)一致，均自西南向東北移動。受夜間低空急流加強(qiáng)的影響，大氣斜壓性增大導(dǎo)致MPV2有一次突然增強(qiáng)的過程。

（4）對流不穩(wěn)定與條件性不穩(wěn)定均起著重要作用。垂直方向上低層為對流不穩(wěn)定及條件性對稱不穩(wěn)定層結(jié)，中層為弱的對流穩(wěn)定層結(jié)。

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