2019, Vol. 38
豫北地区在2016年7月8日夜至9日上午发生暴雨, 部分地区有大暴雨。由于没能及时预报并预警, 从而造成了重大损失。
等熵位涡作为一个既能体现动力学性质又能体现热力学性质的物理量, 已有诸多学者通过分析等熵位涡对多种天气过程进行研究。最早是Hoskins et al(1985)提出采用等熵位涡来研究天气, 为后来的等熵分析打下了坚实的基础。Green et al(1987)完善了等熵位涡分析, 提出在表示大气动力过程中应考虑下边界条件。Isodoro et al(1993)为了研究北美西部斜压的特征, 对斜压的发展做了等熵位涡分析总结。Wu et al(1995)分析了等熵面上的湿位涡, 并以长江降水为例进行了分析。Ding et al(2008)通过对2004/2005年的一次强寒潮事件做位涡分析, 结果发现高位涡的下传对寒潮爆发有很大的影响。Cao et al(2004)利用位涡可以跟踪气块的运动轨迹的特点, 用湿位涡追踪研究了地面气旋发生发展。由于位涡可以在绝热无摩擦的条件下保持守恒, 因此Haynes(1990)研究了非绝热等条件下位涡的变化，指出满足等熵位涡守恒的基本条件。Ren et al(2014)总结了等熵位涡的应用发展以及对青藏高原的影响。周秋林等(2010)对浙北一次暴雨观测做了等熵分析, 发现环流圈的存在有利于此次降水的维持。贾旭轩等(2010)指出在330 K等熵面上的暖湿输送带为暴雨提供了丰沛的水汽条件, 等熵面上气压与风场的分布有利于研究气流的运动情况。寿绍文等(2001)利用湿位涡和等熵位涡理论对暴雨、大暴雨天气过程进行了分析, 结果表明大值位涡区对应强降水区, 正位涡异常中心对降水的发生发展具有很强的指示意义。郭大梅等(2010)利用等熵位涡研究了2009年5月16日发生在陕西境内的一次强对流天气过程。王宏等(2012)利用湿位涡分析对位于河北的暴雪过程进行了诊断研究, 发现等熵面越陡, 越有利于湿斜压的发展。靖春悦等(2007)通过位涡分析研究了台风远距离暴雨产生的机制。Li et al(2017)提出了一个既能体现动力学又能体现热力学特征的新变量, 即位势形变, 并通过研究发现其分布对降水有很好的指示意义, 与等熵位涡对降水的分析存在异曲同工之妙。还有许多其他学者(于玉斌等, 2000; 寿绍文等, 2003; 徐晶等, 2004; 吴蓁等, 2008)应用位涡理论对暴雨过程进行了诊断研究。
利用位涡的收支方程可以诊断出天气过程中位涡的演变和特征, 因此已有多位学者应用其对天气过程做了研究。赵小平等(2014)在计算了河南暴雨过程的位涡收支时发现, 潜热加热项和位涡的水平平流项导致暴雨区位涡发生变化, 位涡有所变大。吴迪等(2015)用位涡收支方程对东北冷涡研究发现, 对低层冷涡的发展有最大贡献的是非绝热加热项, 而垂直平流项对低层位涡有负贡献。张元春等(2012)研究了2009年华北地区一次降雪的低涡演变过程发现, 高空位涡的下传是涡旋得到发展的主要原因之一。Cheng et al(2010)研究发现云的动力和热力效应对涡度的收支变化大致相同。Zhang et al(1994)用位涡收支方程对东亚寒潮高压的变化做了诊断分析, 结果显示对其贡献最大的是水平平流项。
本文利用位涡分析理论诊断研究在2016年7月8日晚到9日上午的豫北暴雨过程, 以期能更清楚地理解此次暴雨发生发展的原因, 从而为提高暴雨预测水平, 将损失降至最低提供有价值的理论和应用。
2 资料选取与方法介绍 2.1 资料选取暴雨实况采用中国自动气象站与Climate Prediction Center Morphing Technique (CMORPH)融合的逐时降水资料, 环流背景和等熵分析均采用美国环境预报中心NCEP的逐6 h再分析资料(分辨率1°×1°), 以上气象场资料均采用2016年7月8日20 : 00(北京时, 下同)至9日20 : 00的数据。
2.2 方法介绍等熵位涡的计算公式(Anna, 2012)是:
| $ P=-g\left(f+\zeta_{\theta}\right) \frac{\partial \theta}{\partial p}, $ | (1) |
式中: P是等熵面上的位涡, 其单位为1 PVU= 1×10-6 m2·K·s-1·kg-1; g为重力加速度; f+ζθ和
等熵位涡的收支方程(林柏旭等, 2012):
| $ \begin{aligned} \frac{\partial P}{\partial t}=&-\vec{V} \cdot \nabla P-w \frac{\partial P}{\partial z}+\frac{\zeta}{\rho} \cdot \nabla \frac{d \theta}{d t}+\\ & \frac{1}{\rho} \nabla \theta \cdot(\nabla \times \vec{F})+R, \end{aligned} $ | (2) |
其单位: m2·K·s-2·kg-1, 为方便起见定义为PVT。方程中P是等熵位涡;
2016年7月8日晚至9日夜, 豫北出现累积24 h降水量超过100 mm的暴雨[图 1, 文中所涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)2890号的标准地图制作, 底图无修改], 强降水主要发生在9日03 : 00—10 : 00, 其中04 : 00—06 : 00是暴雨最集中发生的时间段, 累计降水大于80 mm。
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图 1 2016年7月8日20 : 00至9日20 : 00 (a)和9日04 : 00—06 : 00 (b)降水量(单位: mm) Fig. 1 Precipitation from 20 : 00 on 8 to 20 : 00 on 9 (a), and from 04 : 00 to 06 : 00 on 9(b) July 2016. Unit: mm |
此次暴雨过程发生在变形场中。由2016年7月9日08 : 00 700 hPa的风场(图 2)可以看出, 此变形场的结构包括位于豫北东北方海上的副热带高压, 东南方的1601号台风“尼伯特”, 西北方河套地区的低压以及西南方广东西部的高压。沿膨胀轴(图 2中红线)有强烈的气流辐合, 且膨胀轴沿豫北分布, 为豫北降水提供了有利的条件。
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图 2 2016年7月9日08 : 00 700 hPa的风场(矢量, 单位: m·s-1)与地形高度(彩色区, 单位: m) 红线为变形场膨胀轴, 蓝线为变形场压缩轴 Fig. 2 2 700 hPa wind field (vector, unit: m·s-1) and topographic height (color area, unit: m) at 08 : 00 on 9 July 2016. The red line is the expansion axis and the blue line is the compression axis of deformation field |
从2016年7月9日08 : 00位于300 hPa高度上的风场、位涡以及温度分布(图 3)可知, 河套地区东北部存在最大值为3 PVU的高位涡, 同时在33°N, 112°E位置附近, 存在明显的北风-西风的风向转变。
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图 3 2016年7月9日08 : 00 300 hPa位涡(彩色区, 单位: PVU), 温度(等值线, 单位: ℃)以及风(矢量, 单位: m·s-1) Fig. 3 Potential vorticity (color area, unit: PVU), temperature (contour, unit: ℃) and wind (vectors, unit: m·s-1) at 300 hPa at 08 : 00 on 9 July 2016. Line AB indicates the section position of Fig. 4 |
图 4为沿AB直线做位涡的剖面图。从图 4中可以看出, 在400~700 hPa存在位涡值大于1.2 PVU的异常大值区。因而, 选取了既包含位涡异常大值区又高度合适的324 K等熵面进行位涡分析。
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图 4 2016年7月9日08 : 00位温(等值线, 单位: K)和位涡(彩色区, 单位: PVU)垂直剖面图 直线AB表示图 4剖面位置 Fig. 4 Vertical cross section of potential temperature (contour, unit: K) and potential vorticity (color area, unit: PVU) at 08 : 00 on 9 July 2016 |
从324 K等熵面上的位涡特征[图 5(a)]中可以看出, 8日20 : 00台风尚未登陆, 而台风区域是高位涡值区, 其中心位涡值大于3 PVU。此时, 河套地区的位涡值较大, 大值在1 PVU以上, 在某些区域甚至为1.7 PVU, 并向东延伸到山西中部。另外, 在山西中部位于高位涡中心略偏东北方向的位置区域, 存在冷中心。河南北部绝大部分地区为0.7 PVU的位涡值, 而豫北西部部分区域位涡值更小, 为0.4 PVU。因此, 该时刻降水主要发生在山西的中部区域, 河南北部只有少量降水。
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图 5 2016年7月8日20 : 00至9日14 : 00 324 K等熵面上的位涡(彩色区, 单位: PVU), 等温线(等值线, 单位: ℃)以及风场(矢量, 单位: m·s-1) Fig. 5 Potential vorticity (color area, unit: PVU), isotherm (contour, unit: ℃) and wind field (vector, unit: m·s-1) on the 324 K isentropic surface from 20 : 00 on 8 to 14 : 00 on 9 July 2016 |
对比图 5(a)和图 5(b)发现在9日02 : 00副高较8日20 : 00增强。河套地区高位涡值区域移动较缓慢, 可能是受到暖气团影响, 但山西中部高位涡值区域却在偏西气流的引导下较快地向东南移动, 从而导致延伸到山西中部的高位涡发生断裂。此时, 位于山西中部附近的冷中心位置略微东移, 且山西东部的位涡大值区域向豫北延伸, 致使冷中心与位涡大值中心距离缩小, 结合此刻副高增强, 使高位涡右侧的西南气流得到加强, 由于干冷空气和暖湿空气的相遇, 导致山西、豫北均有降水生成。
从9日08 : 00分布在324 K等熵面上的位涡特征和风场特征[图 5(c)]可看出, 台风开始登陆且强度减弱, 中心位涡值减小, 约为2.4 PVU。位于山西中部的高位涡中心和冷中心几乎重合并一起向东南移动, 同时, 高位涡左侧沿着等熵面爬升的西北风其偏北分量此刻有所增加, 致使冷中心增强, 冷区范围扩大。而位于台风北侧的暖湿气流与冷空气在豫北相遇, 能够使大气层结不稳定性加强, 对流进一步发展, 导致台风远距离暴雨的产生。丛春华等(2011)通过研究指出, 台风远距离暴雨要满足两个条件:一是降水不发生在台风范围内, 而是发生在台风范围外, 二是该降水与台风存在着一定的物理相关。本次暴雨正满足这两个条件, 尽管存在台风, 但降水区域在豫北, 不在台风范围内, 同时, 该降水是来自西北的冷空气与来自台风和副高的暖湿气流相遇生成的, 存在一定的内在联系。这次暴雨过程中, 台风起到了输送水汽的作用, 同时, 台风与副高的相互作用, 使环流逐渐朝着产生远距离暴雨的形势发展。
从图 5(b)与图 5(c)可见, 高位涡和冷空气均在逐渐向东南方向移动, 豫北地区在03 : 00—10 : 00位涡值较高, 为1.7 PVU, 且由图 5(c)知冷空气有所加强, 而西南暖湿气流在豫北地区经过长时间的地面辐合, 致使暴雨区大气不稳定性增强, 进而导致9日03 : 00—10 : 00强降水的集中发生。从9日14 : 00分布在324 K等熵面上的位涡特征[图 5(d)]可知, 台风已登陆大半, 中心位涡有所减小, 为2 PVU。同时豫北地区位涡值也有所减小, 约为0.5 PVU。因此, 该时刻豫北降水逐渐开始减小。
4.2 等熵位涡的垂直分布特征由图 1的暴雨分布可知, 35°N, 114°E是暴雨中心, 为了研究等熵位涡的垂直分布特征, 因此, 沿暴雨中心所在的35°N做位涡的垂直剖面图(图 6)。从图 6(a)可以看出, 7月9日02 : 00位于111°E附近其高度在300 hPa以上的区域为高位涡值区, 位涡值大于0.8 PVU, 部分区域为1 PVU, 同时该区域上空350~600 hPa存在下沉气流, 可以把位于对流层中高空的高位涡向下传输, 使低层位涡增大。同时, 位于115°E—116°E附近其高度在400~700 hPa上的区域也存在位涡值大于0.8 PVU的高位涡。另外, 在115°E—116°E区域范围内从对流层中低层850 hPa至地面存在明显的水汽辐合抬升, 水汽辐合的最大值位于太行山前900 hPa高度上, 值为-30×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1, 因此太行山前迎风坡的动力作用有助于水汽的辐合。台风与副高间的东南低空气流, 能够为暴雨区输送水汽, 干冷空气与上升的暖湿空气交汇为豫北地区带来暴雨。
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图 6 2016年7月9日02 : 00 (a)、08 : 00 (b)沿35°N的垂直剖面位涡(彩色区, 单位: PVU)分布, 水汽通量散度(等值线, 单位: ×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1), 地形(阴影)及垂直纬向风(矢量, 单位: m·s-1) Fig. 6 Distribution of vertical cross-sectional potential vorticity (color area, unit: PVU), water vapor flux divergence (contour, unit: ×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1), topographic height (the shaded) and zonal wind (vectors, unit: m·s-1) along 35°N at 02 : 00 (a) and 08 : 00 (b) on 9 July 2016 |
从图 6(b)可以看出, 在7月9日02 : 00位于111°E附近其高度在200~300 hPa上的区域其高位涡值区向东向下传, 向下移动到500 hPa, 值为0.8 PVU的高位涡区与位于113°E—116°E附近高度在350~650 hPa区域的高位涡合并, 同时, 位于111°E附近高度在200~300 hPa上区域高位涡的向东向下传, 使得位于113°E—116°E附近高度在350~650 hPa区域的位涡大值也增加至1.6 PVU, 而7月9日08 : 00豫北暴雨中心上空的高位涡值范围扩大且值由0.4 PVU增加至1.2 PVU, 有利于降水的增强和降水范围的扩大。此时水汽依旧保持着上升运动, 水汽辐合抬升范围增大, 在111°E—116°E范围内从对流层中低层的700 hPa到地面均为一致的辐合上升运动, 辐合中心的辐合值也有所增大, 其位置仍位于太行山迎风坡前, 值是-50×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1。而在暴雨中心附近113°E—114.5°E的500~700 hPa高度上空存在水汽辐散, 最大值是40×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1。高层辐散、低层辐合的配置, 有利于降水增强。
根据图 6(a)与图 6(b)的分析可知, 太行山前的水汽辐合值最大, 说明地形的动力作用对水汽的辐合起到了重要影响。9日02 : 00低层的偏东暖湿气流风向几乎垂直于太行山, 致使水汽能够沿着地形抬升, 在08 : 00由于水汽的不断累积辐合有所增强, 而中高层的偏西风将高位涡的冷空气能够向东向下传输, 使低空气流在山前触发对流。随着高位涡的不断东移, 对流也随之逐渐东移, 为豫北暴雨发生提供了条件。
由图 6(a)知在9日02 : 00位于113.5°E—115°E范围内在300~850 hPa上空存在强上升运动, 而111°E—115°E范围内从850 hPa至地面则存在暖湿的东风气流, 能够为降水提供充沛的水汽条件。由图 6(b)知, 在9日08 : 00位于暴雨中心附近的113.5°E—114.5°E在450~850 hPa上空也存在上升运动, 而114.5°E—116°E对应下沉运动, 113.5°E附近上空的上升气流一部分来自于地面, 另一部分来自于111°E。次级环流的上升支有利于降水的发生和维持, 而9日08 : 00位于113.5°E—116°E在450 hPa到地面上有次级环流生成, 上升支对应着豫北暴雨区, 从而为降水的持续提供了重要条件。
5 位涡的收支分析从图 6中可以看出, 最大位涡值层位于500 hPa, 图 7为500 hPa高度层在9日08 : 00的位涡收支状况(图 7)。由于摩擦项和剩余项对位涡的局地变化比其他项均小1个量级, 该分析中忽略这两项。
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图 7 2016年7月9日08 : 00 500 hPa位涡收支分布(单位: PVT) Fig. 7 Potential vorticity budget at 500 hPa at 08 : 00 on 9 July 2016. Unit: PVT |
从图 7中可以看出, 在9日08 : 00 500 hPa高度层上, 豫北暴雨区有较大的正局地位涡变化, 最大值位于暴雨中心, 为2.2×10-11 PVT, 9日08 : 00在500 hPa高度上暴雨区存在最大值为3.8×10-11 PVT的正水平平流, 说明在水平流场作用下, 有高位涡向豫北输送, 使豫北地区局地位涡增加。而在9日08 : 00的500 hPa高度上豫北存在负的位涡垂直输送, 位涡输送值是-0.3×10-11 PVT, 再结合图 6(b)中该时刻在500 hPa高度上为上升运动, 可知该位涡为上传输送。在9日08 : 00的500 hPa高度上豫北暴雨中心分布的位涡潜热加热变化项值为-1.3×10-11 PVT, 说明潜热加热项也使暴雨区的局地位涡减小。总之, 在影响豫北暴雨区位涡局地变化的各项中, 垂直输送项和潜热加热项均为负贡献, 不利于局地位涡的增加, 只有水平平流项提供了正贡献, 且由于水平平流项的贡献远大于垂直输送项和潜热加热项的负贡献, 因而导致豫北暴雨区的局地位涡增加。进而说明水平平流为此次暴雨区上空局地位涡的增加起到了最关键的重要作用。
6 结论通过对豫北一次变形场背景下的暴雨过程进行诊断分析后, 得到以下结论:
(1) 8日20 : 00至9日08 : 00, 随着高位涡向东南风向的移动, 豫北地区位涡逐渐增大到1.7 PVU, 而冷中心也随之移动, 并逐渐与高位涡中心发生重合。9日03 : 00—10 : 00豫北地区的冷空气加强, 暖湿气流辐合上升, 冷暖空气相遇, 导致强降水在该时间段产生。而9日14 : 00豫北地区位涡减小, 暖湿空气由于台风的大半登陆也显著减弱, 致使豫北地区降水减少。
(2) 7月9日02 : 00—08 : 00, 111°E附近上空的高位涡向东向下输送, 致使暴雨区位涡值明显增大, 同时从850 hPa到地面均存在强水汽辐合, 其辐合最大值位于900 hPa高度上的太行山迎风坡处, 其值为-50×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1。另外, 豫北暴雨区在9日02 : 00上空为一致的上升运动, 而在9日08 : 00从对流层高层400 hPa至地面暴雨区有次级环流生成, 有利于暴雨的维持。
(3) 9日08 : 00500 hPa高度上豫北暴雨区的局地位涡增加, 且垂直输送项和潜热加热项均不利于位涡的发展, 只有水平平流项为其提供了正贡献, 有利于位涡的发展。
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