2017年青海三次大到暴雨過程中位渦特征分析

祁彩虹 朱永豐 張寧瑾 胡垚

摘要 利用常規資料、衛星及fnl再分析資料，對2017年發生在青海省三次大到暴雨天氣過程進行研究。得出結論：（1）位渦中低層為負值，高層為正值，有利于低層氣旋性渦度的增加，易儲存和釋放不穩定能量，造成強烈的上升運動，更利于暴雨發生;（2）低層中MPV1的大絕對值中心、等值線密集區與強降水對應較好，等值線密集區呈西南—東北向分布;（3）中低層中35°N的輻合中心與MPV2零線對應，呈正負分布，強降水區為負值;（4）MPV1的絕對值大中心及密集區與強降水發區的高溫高濕區、強上升區、正渦度的大值中心及假相當位溫梯度帶相對應，降水發生前MPV2為0，強降水發生時增幅為0.2PVU;（5）冷空氣越強，水汽圖像中干侵入與高層的高位渦對應越好，為研究夏季弱冷空氣與高空短波槽擾動在暴雨中的觸發作用提供新的思路。

關鍵詞 大到暴雨;位渦;濕位渦;斜壓項;特征分析

中圖分類號：P458 文獻標識碼：A 文章編號：2095–3305（2021）01–0085–03

暴雨的形成需要有豐富的水汽供應、有利的動力、熱力不穩定條件。位勢渦度（Potential Vorticity）不僅表征大氣動力和熱力屬性，還考慮了水汽的作用，因而對位渦進行診斷可以尋求熱力和動力及水汽條件與降水的關系，揭示降水發生發展的物理機制[1-3]。基于守恒原理，對中高緯度天氣系統的移動和發展有很好的指示性，故而在天氣動力學研究中備受關注，被廣泛應用于臺風、暴雨、強對流等天氣系統的診斷和分析研究中，取得了一些有意義的結

論[4-10]。雖然這些研究對推動暴雨起了一定作用，但由于青海省地理位置特殊，降水機制比較復雜，加之本身的研究大多是從常規資料中凝練出預報指標和預報思路，一定程度上提高暴雨預報預警準確率，卻很少利用位渦和水汽圖像相結合的角度去分析暴雨過程。

對發生在2017年青海三次大到暴雨過程中位渦特征分析研究，分析青海大到暴雨中位渦的分布特征及與強降水對應關系，使預報人員將位渦理論、數值預報輸出產品及水汽圖像的解釋有機地結合起來，在業務中將有用產品相互配合、取長補短，為青海暴雨研究提供理論依據，提升氣象防災減災能力，減少地方經濟損失。

1 過程概況及環流背景

2017年7月下旬—8月初，青海東部出現持續性降雨天氣，具有降水范圍大、強度強、持續時間長、災害種類多，損害嚴重等特點，共造成經濟損失2 561.05萬元。受副高西南暖濕氣流和北部小槽影響，23日20：00～24日20：00（圖1a），青海省環湖地區、海北地區出現大到暴雨天氣并伴有大風，國家站4站次大雨，區域站6站次暴雨，48站次大雨，最大降水中心出現在青海湖151站，達74 mm。26日08：00～27日08：00（圖1b），環湖地區、海南、湟水河谷地區出現大到暴雨并伴有雷暴大風，國家站1站次大到暴雨，4站次大雨，強降水中心出現在貴南，達46 mm。7月31日—8月1日（（圖1c）在海南、海西東部、黃南南部、海北東部出現大到暴雨天氣，最大降水中心74.5 mm出現在門源縣達坂山北口，最大城鎮降水在門源43.3 mm，此外西部出現大風，玉樹出現冰雹。

23—24日，500 hpa高空槽引導冷空氣南下，冷鋒影響至海西中部與東部倒灌冷空氣在環湖地區形成輻合，副高略東退，其西段不斷輸送水汽與能量。低空有切變與輻合，高原東側不斷補給水汽與干冷空氣，降水區上游有明顯的干舌，這種高低空配置有利于大降水的出現。

26—27日，中東高壓加強東伸促使西風帶系統東移南下和副高外圍西南暖濕氣流交匯產生降水。26日08：00地面中，河西走廊西部有明顯的低渦切變發展，同時柴達木盆地西風明顯加大，格爾木站風速達12 m/s，而西寧站東南風風速為8 m/s，兩站之間形成明顯的風向切變，高原東側切變線右側偏東南氣流向青海東部輸送水汽，補充暴雨區水汽。西北路徑冷空氣在高空槽后西北氣流引導南下，一路沿河西走廊東移南下，一路翻越阿爾金山經柴達木盆地東移，兩路冷空氣在青海東部相遇，形成錮囚鋒，為大降水的出現提供了動力抬升條件和觸發作用。

31日，中西亞大槽底部分裂小槽攜帶冷空氣東移南壓，與高原上活躍的南支槽前暖濕氣流相結合，冷暖空氣交匯于青海，促使對流云團爆發性發展，前期副高在青海省的持續控制為此次大到暴雨天氣過程提供了充足的能量。

2 資料和方法

采用美國國家環境預報中心（NCEP）提供的FNL全球分析資料，空間分辨率為1?×1?，時間間距為6 h（每日時次：02：00、08：00、14：00、20：00），垂直層數為26層，水平范圍包括全球區域。降水等實況資料來源于Micaps常規資料、區域自動站、衛星等資料。

在p坐標系下，忽略垂直速度ω的水平變化，在絕熱無摩擦的飽和大氣中，濕位渦（moist potential vortcity， MPV）守恒方程為：

將其寫成分量形式： ，

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。絕對渦度是正值，大氣對流不穩定時，>0，則MPV1<0;若大氣為對流穩定時，<0，則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和的水平梯度決定，表征大氣的濕斜壓性。位渦的單位為PVU，1PVU=10-6m2s-1kkg-1。

3 三次過程中位渦分布特征

為研究3次過程中位渦的分布特征（圖1），計算出700～300 hPa各層次不同時刻位渦值分布特征，相似點為MPV的分布特征為中低層為負值，高層均為正值，這種MPV高低層正負區疊置的形勢有利于低層氣旋性渦度的增加，易儲存和釋放不穩定能量，造成強烈的上升運動，更利于暴雨發生[11-14];700 hPaMPV1均為負值，降水發生前后濕斜壓項數值絕對值呈先增大后減小趨勢，且在強降水時段最大即對流層斜壓性明顯增強，并伴隨著對流低層對流不穩定能量的釋放，降水強度明顯增強;沿強降水中心做垂直剖面，中低層為負值，400 hPa以上為正值，預示高層有干冷空氣且冷空氣觸發潛在對流不穩定能量的釋放即三次過程均發生在大氣對流不穩定中，而其負值中心的演變反映斜壓性在強降水發生發展中的作用。MPV2在三次過程中低層變化不是特別突出，尤其是31日過程中值為0，沿強降水中心強降水時段做垂直剖面呈現“負—零—正”趨勢，且MPV2絕對值呈增大趨勢，對暴雨增幅起了關鍵作用。

4 三次過程中位渦與物理量對應特征

分析3次大到暴雨過程中強降水時段段位渦與水汽通量散度、比濕、渦度、垂直速度、假相當位溫等物理量對應特征：水汽通量散度的最大負值中心、比濕大值區14 g/kg，與MPV1的負值中心和等值線密集區對應，伴隨降水移動MPV1大值區也隨之移動，即強降水中心與水汽通量散度最大負中心（輻合）和MPV1等值線密集帶向對應，大氣斜壓項逐漸減弱降水也減弱結束。

降水起始時強降水中心對應低層渦度逐漸增大，其西側的南北部對應渦度的最大正負中心，伴隨降水開始渦度的正值加大且東南移動，MPV1的絕對值也增大且等值線加密，即此過程中大氣的旋轉不穩定與大氣對流穩定共存，強降水發生在正渦度與MPV1等值線密集區。正渦度與MPV2正值對應，發生降水時MPV2為負值且等值線稀疏。中低層垂直速度為一直的上升運動，強烈的上升運動為暴雨的產生和維持提供了充足的動力條件，不僅能使高層增濕，增強大氣不穩定度，同時也使得暴雨中尺度系統得以維持和發展。同時處于的高值區即暴雨區既處于高溫高濕的對流不穩定區，配合較好的抬升觸發條件極易釋放不穩定能量，造成強降水。

凝練3次過程中強降水發生時中低層各物理量與MPV1、MPV2對應指標，可得知三次降水均發生在高溫高濕區、水汽強輻合上升區與MPV1的大絕對值區及等值線密集區的對應區（圖2）。

5 三次過程中位渦與水汽圖像對應特征

水汽圖像的特點之一是濕區與干區的界限分明，白亮為云區，灰色為相對濕區，深灰色為干區。23—24日強降水時段，400 hPa與500 hPa MPV值均在絕對值大值區與密集區，對應時刻水汽圖可知，此過程中無明顯的干侵入（圖3）。26—27日過程中，26日14：00～27日02：00，伴隨584低值系統的東移北抬伴隨干侵入明顯，強降水增強時段，對流云團有明顯的發展和維持而造成強降水，高位渦位置的移動與強度增強和水汽圖像所表征的干侵入的位置移動以及強度的增強有較好對應。7月31日對應400 hPa 38°N，96°E MPV的高值區及密集區，最大值0.6 PVU，500 hPa最大值為1.6 PVU，尤其在100°E中干侵入對應區位于MPV的密集區，而其東側及南側有明顯的白亮區域，尤其是東側色調更亮水汽更充足。伴隨高空槽東移南下，與南部兩高切變打通結合為深厚的高原槽，對應區域內MPV值也增大且更加密集，次日02：00甘肅西部又有一股干侵入對應位渦圖中MPV的增加與加密，即此次過程中高位渦位置的移動與強度增強和水汽圖像所表征的干侵入的位置移動有較好對應。

6 總結

通過對2017年三次暴雨過程中位渦特征分析，總結出：（1）位渦在中低層均為負值，高層為正值，有利于氣旋性渦度的增加，易儲存和釋放不穩定能量，造成強烈的上升運動，更利于暴雨發生;（2）700 hPa中MPV1的絕對值的大值中心及等值線密集區與強降水對應較好，等值線密集區呈西南—東北向分布;（3）中低層中35°N的輻合中心與MPV2零線對應，強降水區為負值，MPV2的增大對暴雨增幅起了關鍵作用;（4）MPV1的絕對值大中心及密集區與強降水發區的高溫高濕區、強上升區、正渦度的大值中心及假相當位溫梯度帶相對應，降水發生前MPV2為0，強降水發生時增幅為0.2 PVU;（5）冷空氣越強，水汽圖像中干侵入與高層的高位渦對應越好，為研究夏季弱冷空氣與高空短波槽擾動在暴雨中的觸發作用提供新的思路。

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責任編輯：黃艷飛

Characteristics Analysis of Potential Vorticity for three Heavy Rain Events in Qinghai in 2017

QI Cai-hong et al （Qinghai Meteorol-ogical Observatory， Xining， Qinghai 810001）

Abstract A synoptic analysis of three heavy rain events with conventional data， meteorology satellite data and reanalysis data in 2017. The results showed that the negative area at low layer and the positive area at high layer， it was beneficial to enhancing cyclonic vorticity， accumulation and releasing unstable energy， causing the strong updraft airflow， it was more conducive to happening heavy rain. The region of heavy rain located in center of large absolute value and the dense isoline region of MPV1， the dense isoline region was distributed from southwest to northeast. The region of the positive vorticity center near 35°N at the middle and lower layers corresponding with zero curve of MPV2， heavy rain located in the negative value of MPV2. The center of large absolute value and dense area of MPV1 corresponding to heavy rainfall area of warm and moist area， the strong ascent motion area， center of positive vorticity and pseudo-equivalent potential temperature gradient area. The value of MPV2 is zero before rain happening， it increased 0.2 PVU when rain happening. Dry intrusion in water vapor image corresponding to high value of potential vorticity at higher layer when cold air getting stronger. It provided new thinking of researching triggering action between weak cold air and short-wave trough at high altitude with heavy rain in su mmer.

Key words Heavy rain; Potential vorticity;

Moist potential vorticity; Atmospheric baroclin-icity; Characteristics analysis