河北省一次暴雨過程的Q矢量及濕位渦診斷分析

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日暴雨過程的準地轉Q矢量與濕位渦進行診斷分析。結果表明，在非地轉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。Q矢量輻合區與暴雨區基本重合，強度變化基本一致，但輻合中心與暴雨中心并不重合；非地轉氣流的輻合輻散對垂直運動起著明顯的作用，低層輻合形成上升氣流，上升支兩側的下沉氣流又在低層向38°N匯聚，增強了低層輻合。對流不穩定與條件性對稱不穩定均起到了明顯作用，暴雨區基本位于對流穩定區與對流不穩定區的過渡帶內。

關鍵詞 暴雨；Q矢量；濕位渦；診斷分析；河北省

中圖分類號 P458.1+21.1 文獻標識碼 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

強上升運動是產生暴雨的必要條件，以往利用ω方程對垂直運動診斷時會遇到垂直方向的導數，計算時就必須有2層的資料進行差分，這對垂直運動的診斷造成了約束。1978年Hoskins等[1]提出準地轉上升運動可以用Q矢量進行診斷，這種方式給對垂直運動的診斷帶來方便。國內許多學者都對Q矢量的應用做了研究。趙桂香等[2]對比了Q矢量和濕Q矢量的診斷效果，發現Q矢量適合研究天氣尺度的大氣運動，而濕Q矢量更適合次級環流的研究，更能突出中尺度特性。劉學華等[3]在對一次梅雨期暴雨的研究中發現Q矢量散度、Q矢量鋒生函數變化一致，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定有較好的對應關系，故通過對濕位渦進行分析可以更全面而有效地描述強對流天氣過程。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。以此為基礎提出了傾斜位渦發展理論。劉還珠等[5]應用濕位渦守恒理論，探究了暴雨鋒面兩側冷暖區的垂直環流結構，并且給出了三維示意圖。蒙偉光等[6]在華南暴雨數值模擬中指出條件性對稱不穩定可能是MCS發展的一種機制，在弱對流穩定區等相當位溫面的斜率比等絕對動量的更大，中層有濕位渦負值區，這種情況下不穩定能量更容易釋放。

本文利用Q矢量與濕位渦對河北省一次暴雨過程進行診斷分析，試圖找出Q矢量和濕位渦與暴雨之間的關系，揭示非地轉作用所造成的強迫上升機制。

1 Q矢量分析

1.1 Q矢量及Q矢量鋒生函數的表達式

保留偏差風的同時以地轉風代替水平風，便得準地轉近似。Doswell[7]在1998年給出了一種便于記憶的準地轉Q矢量表達式，即：

Q=-R（？塄Vg）·？塄T（1）

根據矢量展開規則有：

Q=（Qx，Qy）

=-R■■-R■■，-R■■-R■■（2）

應用上式便能以某一層的資料進行Q矢量計算，十分方便。在絕熱、無摩擦、準靜力平衡的條件下可引入Q矢量鋒生函數，它表示鋒生或鋒消的程度。Q矢量鋒生函數表達式[8]：

Fg=■+Vg·|？塄h θ2 |=2Q·？塄θ（3）

Fg>0表示鋒生，反之為鋒消。

1.2 Q矢量及鋒生函數分析

從低層Q矢量場與假相當位溫場的分布來看（圖1），38°N以南為高溫高濕區，假相當位溫密集帶Q矢量的絕對值也要比周圍大。這說明在高溫高濕區非地轉氣流較強。假相當位溫密集區兩側非地轉風風向有明顯差別，在非地轉氣流的作用下，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鋒生函數場，暴雨發生前低層基本處于較弱的正值區，隨著降水強度加大，20日0：00（UTC，下同）河北中部出現一鋒生函數正值區，中心值在280×10-15 K·hPa·s-3以上。這里正是非地轉氣流造成的溫、濕梯度大值區，大氣層結處于不穩定狀態，水汽豐富，上升運動強烈，滿足暴雨產生的三要素。同時，6 h累計降水中心基本與鋒生函數正值中心重合，強度也相近。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Q矢量散度負值中心，中心值在-80×10-15 hPa-1·s-3以下，6：00—12：00負值中心強度基本維持不變，但范圍逐漸覆蓋整個河北南部。隨著負值區的東移擴大，20日0：00（圖2）負值區覆蓋了整個河北省東南地區，負值中心已加強到-160×10-15 hPa-1·s-3，輻合中心位于滄州市附近。Q矢量散度負值區與6 h累計降水落區基本重合，但負值中心較降水中心偏南。20日12：00，輻合區已移至唐山東部地區，強度減弱至-60×10-15 hPa-1·s-3，在其西側有同強度的輻散區。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重合，另一個位于北京。

根據上述分析可以得出以下結論：Q矢量輻合區自河北省西南部生成而后向東北方向移動，移動中強度先增大后減小。輻合區與6 h累計降水落區基本重合，二者移向一致，強度變化非常接近，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和強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，輻合中心位于800 hPa附近，輻合中心值-40×10-15 hPa-1·s-3。在輻合區正上方有Q矢量的輻散，強度在20×10-15 hPa-1·s-3左右。山前38°N上空是強烈上升運動區，上升運動中心位于700 hPa高度，最大上升速度在-2 Pa/s以下。在上升氣流兩側各有一支下沉氣流，構成了垂直方向上的環流圈。在迎風坡抬升作用下氣流輻合抬升，500 hPa高度附近Q矢量開始轉為輻散，上升氣流轉向南，向北運動，再而轉為下沉運動。兩側下沉氣流在低層分別向38°N匯集，又加強了低層的輻合，相互促進的正反饋機制形成。這種正反饋機制對暴雨的維持起到了相當大的作用（圖3）。正反饋在維持了6 h后開始崩潰，19日12：00河北省南部地區均為Q矢量一致輻合上升區，輻合自下向上延伸至300 hPa，而后轉為輻散。鉛直方向上亦有3個輻合中心，強度在-80×10-15 hPa-1·s-3左右。35°N形成新的上升運動中心，輻合區內基本為上升氣流。

2 假相當位溫分析

暴雨的產生需要有足夠的不穩定能量，假相當位溫集溫、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。在暴雨發生前（18日18：00），850 hPa河北省南部假相當位溫線加密，不穩定能量開始積聚。19日6：00，等值線向北凸起，強度增大，“Ω”型高能舌形成，中心值達到356 K。配合850 hPa偏南氣流，大量的高溫高濕不穩定能量向河北地區輸送。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大，中心值始終維持在352 K左右。河北省南部的暴雨就是發生在高能舌向東北移動，范圍擴大的這段時間內。20日12：00，高能舌移至唐山附近，呈南—北走向，對應唐山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以下為假相當位溫的密集區，925 hPa有暖濕的高值中心，而且假相當位溫隨高度遞減，低值中心在700 hPa高度。暴雨區下暖濕，上干冷，大氣處于對流不穩定狀態。只要有適當的觸發機制，對流便可發展起來。19日12：00，沿36°N的剖面圖表明，河北西部為假相當位溫的密集帶，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，垂直運動加強。上升與下沉運動成對出現。上升運動位于山前迎風坡，也位于冷鋒前暖濕的對流不穩定區，上升運動中心值在-3.6 Pa/s以上，上升運動劇烈。在鋒面及地形的共同作用下垂直環流圈形成并維持，非常有利于暴雨的發展。

3 濕位渦分析

3.1 濕位渦表達式

3.2 濕位渦水平分布

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

低層MPV2比MPV1小1個量級，19日6：00有2個MPV2的負值區，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，斜壓不穩定達到最強，MPV2中心低于-1.2 PVU，位于保定、廊坊一帶。隨后MPV2負值區強度減弱，范圍收縮，向東北方向經唐山移出河北省。

總而言之，MPV1與MPV2均是正負相間分布，對流不穩定對降水有著較大貢獻，降水主要發生在MPV1的正負值過渡帶。條件性不穩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有關，低空急流的增強使得水平風速的垂直切變加大，從而為MPV2提供了負值。

3.3 濕位渦垂直結構

19日12：00，對流不穩定區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，恰好位于對流不穩定區之上。MPV1在暴雨區呈現上正下負的配置，對流不穩定能量不斷釋放，為氣流提供了上升動能。

隨著暴雨的發展，不穩定能量逐漸減少，低層MPV1逐漸轉為正值。分析MPV2沿36°N的剖面圖，條件性對稱不穩定區自850 hPa隨著高度升高向西傾斜，向上延伸至300 hPa左右。在不穩定區內有3個負值中心，強度均在 -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定區存在。綜上所述，對流層低層為對流不穩定及條件性對稱不穩定層結，中層為弱的對流穩定層結。2種不穩定層結所蘊含的能量為整個暴雨過程提供了充足的動能。endprint

4 結論

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

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

（2）Q矢量對暴雨的作用明顯，對暴雨的預報總體較好，但仍有不足。Q矢量輻合區與暴雨區基本重合，輻合強度變化與暴雨強度變化基本一致，二者有著較好的對應關系。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報效果較差。Q矢量低層輻合，高層輻散增強了垂直運動，在上升支兩側又有下沉氣流而且在低層分別向38°N匯聚，增強了低層輻合。這種正反饋機制有利于暴雨維持。

（3）濕位渦梯度大值區是暴雨發生的主要區域。暴雨區主要出現在MPV1的正負值交界處的梯度大值區，對流不穩定區的移向與降水區一致，均自西南向東北移動。受夜間低空急流加強的影響，大氣斜壓性增大導致MPV2有一次突然增強的過程。

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

5 參考文獻

[1] HOSKINS B J，PEDDER M.The diagnosis of middle latitude synoptic development[J].Q JR Meteorological Society，1980，106（450）：707-719.

[2] 趙桂香，程麟生，李新生.Q矢量和濕Q矢量在暴雨診斷中的應用比較[J].氣象，2006，32（6）：25-30.

[3] 劉學華，朱宵峰，梁亮.Q矢量和濕位渦在梅雨期區域性暴雨中的診斷分析[J].氣象與環境學報，2013，29（4）：11-17.

[4] 吳國雄，蔡雅萍，唐曉菁.濕位渦和傾斜渦度發展[J].氣象學報，1995，53（4）：378-405.

[5] 劉還珠，張紹晴.濕位渦與鋒面強降水天氣的三維結構[J].應用氣象學報，1996，7（3）：275-284.

[6] 蒙偉光，王安宇，李江南，等.華南暴雨中尺度對流系統的形成及濕位渦分析[J].大氣科學，2004，28（3）：330-341.

[7] DOSWELL C A III.A diagnostic study of three heavy precipitation episode in the Western Mediterranean Region[J].Wea Forecasting，1998，13：102-124.

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