2013年濱海新區大雪過程的濕位渦分析

王萬筠，殷海濤，卜清軍

(天津市濱海新區氣象局 天津300457)

2013年濱海新區大雪過程的濕位渦分析

王萬筠，殷海濤，卜清軍

(天津市濱海新區氣象局 天津300457)

應用濕位渦理論及NCEP再分析資料(水平分辨率1 °×1 °)，對2013年12月17日濱海新區出現的大雪過程進行診斷分析。結果表明：500,hPa高空冷渦和中低空切變線是造成強降雪的主要天氣系統。降水時刻濱海新區相對濕度大于 90%。偏東氣流帶來渤海海面的水汽，同時低空流場匯合有利于水汽輻合。暴雪發生在 850,hPa濕位渦正壓項MPV1零值區和濕位渦斜壓項MPV2負值區中。MPV2絕對值增大，大氣濕斜壓性增強導致下滑傾斜渦度發展是形成此次暴雪的重要原因，它對暴雪預報有著很好的指示作用。

大雪 濕位渦 傾斜渦度

0 引 言

強降雪天氣是我國北方地區冬季重要的災害性天氣之一。雖然冬季降雪與夏季降雨相比，降水量小很多，但是降雪后的積雪往往給人民生活帶來很大的不便。特別是強降雪天氣過后，積雪及道路結冰會給城市交通帶來嚴重影響。強降雪天氣的研究已得到越來越多專家的關注。[1-3]

近年來，濕位渦作為綜合反映大氣動力、熱力和水汽作用的物理量，被廣泛應用于暴雨分析中，[5-7]得到了許多有價值的結論。應用濕位渦理論研究暴雪過程的實踐也有很多。本文應用濕位渦理論，選取發生在2013年12月17日的大雪天氣個例作濕位渦診斷分析，以探討濕位渦診斷在濱海新區暴雪預報中的應用前景。

1 天氣實況及影響系統

1.1 天氣實況及災情情況

受冷空氣影響，濱海新區2013年12月17日普降中雪，局部大雪，自清晨05時左右降雪開始，17時降雪基本結束。最大降雪量出現在塘沽，為 5.8,mm(見圖 1)。此次降雪過程由于道路結冰濕滑，且降雪時能見度較低，造成多條高速公路封閉，引發多起交通事故，京津城際列車及進出港航班均受到不同程度影響。

圖1 2013年 12月 17日 08時至 12月 18日 08時天津地區降雪量(單位：mm)Fig.1 Precipitation in Tianjin from 08∶00,Dec. 17，2013,to 08∶00,Dec. 18，2013,BST(Unit：mm)

1.2 天氣形勢分析

本次初雪過程為典型的回流降雪形勢，受高空冷渦和低空切變的影響。2013年 12月 17日 08時500,hPa高空冷渦位于內蒙古東北部，冷渦后部有橫槽存在，隨著橫槽轉豎南壓，華北大部地區將迎來一次冷空氣過程；700,hPa位于槽前部西南氣流控制；850,hPa切變線基本上壓在整個天津地區。地面冷高壓中心位于外蒙，天津位于冷鋒前部與倒槽之間，一致的偏東風為降雪提供了較好的水汽條件，08時前后降雪過程開始。從 14時的地面圖來看，地面還是一致的東北風，大濕區還是壓在天津地區，水汽條件依舊很好，降雪過程持續。20時隨著高空冷渦東移，500,hPa高空槽已移出我區，整個大氣垂直層都處于一個西北氣流的控制中，地面冷鋒東移南壓，此次降雪過程結束。

1.3 水汽條件分析

充足的水汽是成云致雨的先決條件，當然降雪也離不開充沛的水汽條件。濱海新區位于華北平原東部，渤海灣西側。由于特殊的地理位置，濱海新區屬于大陸性季風氣候，并具有海洋性氣候特點。相對于陸地，冬季海洋為相對持久穩定的熱源，東南氣流會把黃、渤海相對暖濕的空氣輸送到京津地區。在實際預報中，東北回流天氣常造成冬季較大降水。山東省分析山東半島的冬季降雪常提到“冷流暴雪”——途經海面的強冷平流帶來豐富的水汽，是造成大暴雪的最終原因。[4]濱海新區這次暴雪的水汽來源于渤海。

從 17日 850,hPa相對濕度和流場分布圖(見圖2)可以明顯看出低空偏東氣流對京津地區相對濕度的影響。16日20時(見圖2a)，降水前期相對濕度大于 90%的大濕區主要分布于北緯 40,°以北。在低渦橫槽下擺的同時，北緯40,°附近產生一個相對濕度大于80%的中心。同時850,hPa流場分布上可以分析得知，冷空氣的偏北氣流及南部的西南氣流在北緯40,°匯合，而此水汽匯合區正逐步東移。17日08時(見圖2b)水汽匯合區東移至濱海新區。反氣旋東移入渤海東部，渤海西部為東南氣流。濱海新區位于反氣旋后部，受偏東氣流影響，且同時流線在濱海新區匯合。此時濱海新區的相對濕度超過 90%。偏東氣流帶來渤海海面的水汽，同時低空流場匯合有利于水汽輻合。此時強降雪已經開始。17日 14時(見圖 2c)，山東半島北側反氣旋系統依然存著，偏東氣流繼續為濱海新區輸送水汽，濱海新區相對濕度維持在 90%以上，降雪依然持續。至 17日 20時，濱海新區沿海轉為偏北氣流，濕度大于 90%區域向南移出濱海新區，降水逐漸減弱。

圖2 2013年12月 16—17日 850,hPa相對濕度和流場的分布(單位：%)Fig.2 The relative humidity(Unit：%)and stream lines at the level of 850 hPa from Dec. 16 to 17，2013

2 濕位渦分析

近年來應用濕位渦理論研究暴雪過程的實踐有很多。閆淑蓮等人應用濕位渦對山東半島一次區域性暴雪的研究發現，暴雪落區與 MPV2負值中心有很好的對應關系。[4]王宏等人對河北東北部暴雪天氣的濕位渦研究發現，暴雪天氣過程的 MPV2密集極值帶狀分布與降水帶相吻合。[5]

2.1 濕位渦的計算方法

考慮大氣垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小得多，當忽略ω的水平變化時，P坐標下濕位渦守恒方程為：

將其寫成分量形式，有：

式中：MPV1為濕位渦的垂直分量(正壓項)，其值取決與空氣塊絕對渦度的垂直分量和相當位溫垂直梯度的乘積(pξ是垂直方向渦度，f是地轉渦度，θse是相當位溫)，因為絕對渦度是正值，當大氣為對流不穩定時，＞0，所以 MPV1＜0；若大氣為對流穩定時，則＜0，MPV1＞0；MPV2是濕位渦的水平分量(斜壓項)，它的數值由風的垂直切變(水平渦度)和θse的水平梯度決定，表征大氣的濕斜壓性。風的垂直切變的增加或水平濕斜壓的增加，均能因濕等熵面的傾斜而引起垂直渦度的增長，有利于強降水發生或加劇。位渦的單位為PVU，1,PVU＝10-6,m2·s-1·K·kg-1。

2.2 等壓面上的濕位渦分析

2.2.1 濕正壓場與暴雪的發展

MPV1是濕位渦的垂直分量，為濕正壓項，北半球大氣對流不穩定時，MPV1＜0；大氣對流穩定時，MPV1＞0。華北地區冬季降雪基本屬于穩定性降水，對流活動并不活躍。降水前期(見圖 3a)華北地區北部有大范圍MPV1正值區。與低渦橫槽下擺相配合，在北緯42,°附近有一中心值為1.2的MPV1正值區。該正值區表明有穩定的冷空氣影響華北地區。在冷空氣逐步向東南方向移動的同時，17日 08時(見圖3b)濱海新區出現一個MPV1為0的區域，表明濱海新區的對流不穩定性正在加強。

圖3 850,hPa上MPV1分布(單位：PVU)Fig.3 The distribution of MPV1 at the level of 850,hPa(Unit：PVU)

2.2.2 濕斜壓場與暴雪的發展

MPV2是濕位渦的斜壓項，MPV2＜0時，MPV2絕對值增大，斜壓性越強，對強降溫和水汽輸送越有利。降水前期(見圖 4a)，850,hPa濱海新區 MPV2為零，表明濱海新區大氣基本不存在斜壓性。而在天津地區以北有一個值為－0.4的 MPV2負值區。17日08時(見圖 4b)隨橫槽下擺，MPV2負值區在東移過程中有所南壓，濱海新區 MPV2絕對值由 0變為0.2。MPV2絕對值越大，說明風的垂直切變和水平梯度越強，大氣的斜壓性增強，有利于下滑傾斜渦度發展及強降雪的發生。強降水就出現在 MPV2絕對值得到較大增長的過程中。[6-8]

圖4 850,hPa上MPV2分布(單位：PVU)Fig.4 The distribution of MPV2 at the level of 850,hPa(Unit：PVU)

圖5 2013年 12月 16日至 18日(世界時)濱海新區時間-高度剖面圖(單位：PVU)Fig.5 Time-height sections along 39° N，117.5° E(Unit：PVU) from 00∶00,Dec. 16,to 06∶00,Dec. 18，2013(Unit：PVU)

2.3 垂直剖面上的濕位渦分析

從2013年12月16日至18日濱海新區(39,°N，117.5,°E)時間-高度剖面圖(見圖 5)上，可以分析濱海新區上空濕位渦隨時間的變化情況。

MPV1時間-高度剖面圖(見圖5a)上，在16日上午濱海新區從低至高整層的 MPV1值均為正值，表明此刻大氣層結比較穩定。從 16日晚上開始低層975,hPa附近及高空650,hPa附近出現MPV1值為0的區域，表明本區的大氣層結由穩定狀態向不穩定狀態變化的一個趨勢。

MPV2時間-高度剖面圖(見圖5b)上，在16日上午濱海新區上空的 MPV2絕對值大值主要位于600,hPa以上，而對于成云致雪的中低空，MPV2絕對值較小。

3 結 語

500,hPa高空冷渦和中低空切變線是引起這次強降雪天氣的主要天氣系統。降水時刻濱海新區相對濕度大于 90%。偏東氣流帶來渤海海面的水汽，同時低空流場匯合有利于水汽輻合。強降雪區發生于850,hPa MPV1趨于 0的區域，表明該區域大氣不穩定性正在加強。在垂直剖面上，MPV1 0值區在中低空上下貫通，表明上升運動可以向上發展，從而有利于降雪的發生。強降雪區位于中低空 MPV1＜0且絕對值得到較大增長的區域。

［1］楊柳，苗春生，壽紹文，等. 2003年春季江淮一次暴雪過程的模擬研究[J]. 南京氣象學院學報，2006，29(3)：382-383.

［2］隆宵，程麟生. “95. 1”高原暴雪及其中尺度系統發展和演變的非靜力模式模擬[J]. 蘭州大學學報：自然科學版，2001，37(2)：141-147.

［3］王文輝，徐祥德. 錫盟大雪和“7710暴雪分析”[J].氣象學報，1979，37(3)：80-86.

［4］閆淑蓮. 山東半島一次區域性暴雪天氣過程分析[J].氣象與環境科學(增刊)，2007，30(9)：102-106.

［5］井喜，李明娟，王淑云，等. 青藏高原東側突發性暴雨的濕位禍診斷分析[J]. 氣象，2007，33(1)：99-106.

［6］任余龍，壽紹文，李姐輝. 西北區東部一次大暴雨過程的濕位渦診斷與數值模擬[J]. 高原氣象，2007，26(2)：344-352.

［7］王宏，王萬筠，余錦華，等. 河北東北部暴雪天氣的濕位渦分析[J]. 高原氣象，2012，31(5)：1302-1308.

［8］趙宇，張興強，楊曉霞. 山東春季一次罕見暴雨天氣的濕位渦分析[J]. 南京氣象學院學報，2004，27(6)：836-843.

Analysis of Moist Potential Vorticity(MPV)for a Heavy Snow Process in Tianjin Binhai New Area in 2013

WANG Wanjun，YIN Haitao，BU Qingjun
(Tianjin Binhai New Area Meteorological Bureau，Tianjin 300457，China)

Based on the theory of moist potential vorticity(MPV) and NCEP reanalysis data(Horizontal resolution 1°×1°)，a heavy snow took place on Dec. 17，2013,in Tianjin Binhai New Area was analyzed. The results showed that cold vortex at 500,hPa and low-altitude shear line formed the main weather system that caused this large-scale heavy snow. Relative humidity in the area was above 90% on the precipitation moment；easterly winds brought moistures from Bohai Sea，and the convergence of the flow field at low altitude was advantageous to the moisture convergence.The heavy snow occurred in the value of zero area of MPV1 at 850,hPa and negative area of MPV2 at 850,hPa. It presented that the development of down sliding slantwise vorticity caused by both the increasing of absolute value of MPV2 and atmospheric wet baroclinity was the main reason that caused this heavy snow. This may be a good indicator for heavy snow forecast.

heavy snow；moist potential vorticity(MPV)；slantwise vorticity

P435+.1

A

1006-8945(2014)10-0108-04

2014-09-10