呼和浩特市一次大暴雨天气的湿位涡诊断分析

呼和浩特市一次大暴雨天气的湿位涡诊断分析
赵艳丽;王秀萍;杨彩云;杜文娟
【摘要】对1998年7月12日发生在呼和浩特地区的大暴雨天气过程进行了湿位涡初步诊断分析.结果表明:湿位涡在暴雨预报中具有较好的指示性,当对流层低层MPVl<0,同时MPV2>0时,暴雨易发生.从500hPa到对流层中高层,在切变线的附近有一个大的湿位涡正值中心,各层中心的位置基本相对应,从中层到高层略向北倾,越到高层中心值越大.强降水位于低层湿位涡高值区东北侧正位涡较小的地区,并与位涡斜压部分的负值中心相对应,随着斜压负值中心强度的增强,暴雨加强.
【期刊名称】《内蒙古气象》
【年(卷),期】2011(000)002
【总页数】4页(P9-12)
【关键词】暴雨;湿位涡;诊断分析
【作者】赵艳丽;王秀萍;杨彩云;杜文娟
【作者单位】呼和浩特市气象局,内蒙古,呼和浩特,010020;托克托县气象局,内蒙古,托克托甚,010200;呼和浩特市气象局,内蒙古,呼和浩特,010020;呼和浩特市气象局,内蒙古,呼和浩特,010020
【正文语种】中文
【中图分类】P448
引言
暴雨的发生发展与低空流场的辐合、垂直运动的快速发展有关，常伴有气旋性垂直涡度的急剧增大。

位涡作为一个综合反映大气动力学、热力学性质的物理量，无论在理论研究，还是在实际天气分析预报中都有着广泛的应用。

湿位涡这一物理量更是不仅表征了大气动力、热力属性，而且考虑了水汽的作用，所以对湿位涡进行诊断，可以寻求热力、动力及水汽等物理条件与降水的关系，从而揭示降水发生发展的物理机制。

位涡概念在国外出现较早，在国内，位涡的研究与应用从20世纪80年代开始。

王永中等[1]通过研究一次副高外围切变线特大暴雨过程暴雨区的位涡变化，发现位涡和暴雨的发展是比较一致的。

盛华[2]对“81·7”大暴雨位涡与相当位涡的诊断分析中再次显示出暴雨区与位涡场基本一致的特点，并指出位涡场比涡度场更能表现暴雨的移动和强度变化。

王建中等[3]应用位涡理论对一次江淮低涡切变特大暴雨过程中位涡及其物理量的分布特征进行了分析，结果表明：强降水总是落在干位涡比较小的地方和湿位涡负中心暖空气的一侧，它和相对湿位涡的关系更直接。

湿位涡斜压部分可清楚地反映湿斜压性对对流不稳定系统所起的作用，大气在湿位涡值比较小的区域对锋生强迫有更强的反映。

牛宝山等[4]对一次陆地爆发性气旋的数值模拟与湿位涡的诊断分析发现，气旋的爆发与湿位涡的平流关系密切。

气旋的发展并不是在湿位涡中心位于气旋上空时才开始，而是当湿位涡中心位于气旋的后部，并在200hPa以下有明显的倒圆锥形下伸时，才有利于气旋的发展。

1 位涡理论
湿位涡通常定义为，，如果不计非绝热加热和摩擦的作用，湿位涡具备守恒性。

等压面上湿位涡的表达式为：
湿位涡可分为湿正压项MPV1和湿斜压项MPV2。

湿位涡的单位为PVU(1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1)。

MPV1表示惯性稳定性(ζ+f)和对流稳定性的作用。

MPV2包含了湿斜压性(▽pθe)和水平风垂直切变的贡献。

将等压面位涡分解为正压部分和斜压部分，就可以对它们分别进行计算和诊断分析，找出正压过程和斜压过程的各自贡献以及斜压性相对于正压性的大小，能够对降水天气系统和天气过程的演变有更全面、更深入、更准确的认识。

2 湿位涡诊断分析
2.1 资料
本文所用资料包括以下内容：
（1）1998年7月11日20时到12日20时呼和浩特6个气象观测站（呼和浩特、土默特左旗、托克托、和林格尔、清水河、武川）的降水实况资料，依照通常的强度分类标准，暴雨指日雨量在50.0～99.9mm的降雨（日界为北京时20时
至次日20时），大暴雨指日雨量在100.0～249.0mm的降雨。

（2）1998年7月11日20时到12日20时实况和探空资料。

（3）1998年7月11日20时到12日20时每隔6小时一次的NCEP资料，水
平分辨率为2.5°×2.5°经纬风格，垂直分辨率共13层，要素包括位势高度H，U、V风场，相对湿度，气温，垂直速度，涡度，散度等。

2.2 方法
本文主要利用美国PSU/NACR的MM5模式，采用实况和NCEP资料，计算了1998年7月12日呼和浩特大暴雨过程等压面上的湿位涡及其正压项和斜压项，
并对其与本次暴雨的关系进行了分析研究。

2.3 湿位涡正压项分布特征
由于湿正压项MPV1的量级比湿斜压项MPV2要大，所以湿位涡MPV的大小主
要由湿正压项MPV1决定。

本次暴雨过程中，低层湿位涡为负，中高层湿位涡为
正。

从500hPa到对流层中高层，在切变线的附近有一个大的湿位涡正值中心，
各层中心的位置基本相对应，从中层到高层略向北倾，越到高层中心值越大。

2.3.1 正压位涡水平分布特征
11日 20时 500hPa图上（见图1），99°E以东为大范围大于0.2 PVU的正值区，副高外围的西北侧39°N、105°E附近有一个大的正值区，南北向跨32～42°N再转向东，中心闭合等值线为0.8 PVU，另一个大值区位于41°N、120°E附近，中心闭合等值线为1.2 PVU。

12 日 08 时（图略），30～55°N 、95～125°E 范围
内全部为正值，两个大值区分别由西向东和由东向西伸展并连通，成一准东西向带状分布，大值中心位置没有改变，但中心值都减弱为0.6 PVU；12日20时（见
图2），正值区范围向东北缩，大值区中心也随之东北上，中心值增强为1.4 PVU，与切变线北抬发展形成的低涡相对应。

500hPa湿位涡正值区变化可以反映西北路冷空气的活动情况。

对应此次暴雨700hPa切变线生成处一直维持较大范围的MPV1负值区（图略）。

西北路弱冷空气路径与MPV1正值区的位置一致。

在MPV1的0线附近，正是冷暖空气交汇的地带，有利于水汽辐合、垂直涡度剧烈
发展。

850hPa上（图略），切变线附近区域为湿位涡的负值区，在切变线的西南方向有两个负值中心。

11日20时，38°N、107°E附近是一个负值区，中心等值线为-0.6 PVU ，36°N、112°E 附近中心等值线为-1.0 PVU。

12日08时，负值区范围缩小，多中心，中心等值线-1.0 PVU 位于38°N、108°E，中心等值线-0.8 PVU
位于37°N、102°E，中心等值线-0.8 PVU 位于32°N、103°E，正值范围扩大，
等值线增大为0.4 PVU。

2.3.2 正压位涡垂直分布特征
由MPV1沿112°E的经向剖面图看到：位涡最大值集中在400hPa以上，11日
20时36°N附近上空（图3），从平流层向下有一高位涡区伸展，高位涡舌（＞0.6PVU）的范围伸展到 420hPa附近；同时，在对流层中层为对应负值区。

而在44～46°N从大值位涡区分离出一条小值的正位涡舌向下延伸至1000hPa，
800hPa上则对应－0.6PVU的负值区，表明从高层下传的正位涡在低层北移后从
西北向河套地区切入，使这里层结稳定度减弱。

到了12日08时，小值的正位涡
舌到达850hPa附近，低层负值区整体向北推移，配合降雨量图（图略），可以
发现此时此处的对流性降雨开始并增强。

到了12日20时（图4），向下伸展的
高位涡舌北移加强，低层的负值区明显加强，此时呼和浩特的降雨则有所减弱。

湿位涡正压项诊断表明：暴雨过程都发生在中低层MPV1负值区内，它反映了暴
雨区具有局地的强湿对流不稳定层结；对流层高层300hPa以上暴雨区都为
MPV1正值区，表明对流层高层为对流稳定区，说明有冷空气活动。

有正值
MPV1从对流层高层向暴雨区下伸，表明高层冷空气以高值位涡柱的形式向下入侵，与低层负值MPV1相互作用，冷空气通过降低低层稳定度和在低层形成冷垫
强迫中层较暖空气抬升，导致不稳定能量及潜热能的释放，有利于暴雨产生。

高位涡的下传有利于位势不稳定能量的释放，也利于低层气旋式辐合，降水中心发生在边界层中正压位涡正负值交汇处。

湿位涡“正负区叠加”的配置是暴雨发展的有利形势，高层的正位涡区有利于低层气旋的发展，低层的负位涡区有利于对流的发展，这两者的结合有利于暴雨的维持。

2.4 湿位涡斜压项分布
根据湿位涡守恒，当MPV1增大时，MPV2应该减小。

湿位涡斜压项的大小决定
于水平风的垂直切变和相当位温的水平梯度，所以负值越大表明大气的斜压性越强。

2.4.1 850hPa斜压位涡的分布特征
由mPV2在850hPa高度上的水平分布可知（图略）,暴雨发生前、暴雨发生中为正值区。

暴雨产生在MPV2正值区附近，因为在此期间，850 hPa都存在很强的西南气流，暖湿气流的加强，可导致MPV2值增大，即表达了湿斜压度的增大，可导致垂直
涡度的发展，非常有利于对流运动的加剧，使降水强度加剧，这与吴国雄等[5]提出的对流层低层大的正值MPV2的移动可作为低空急流和暖湿气流活动或涡旋活
动是一致的。

2.4.2 斜压位涡的垂直分布特征
分析mPV2沿112°E的经向剖面图（图略）,看到，11日20时、12日08时在对流层中层300hPa有一个大的负值中心(-0.4 PVU)。

低层在34～45°N有正、负、正的区域从南到北相间排列。

斜压位涡诊断表明：尽管湿位涡的斜压部分比正压部分量级要小，但是斜压位涡负值区与降水落区相对应，而且降水位置随着低层斜压位涡负值区的移动而变化。

对流层高层MPV2负值位涡舌的向下伸展有利于中低层大气斜压性增强，使对流性
降水加强。

3 小结
通过对1998年7月12日大暴雨天气等压面高、中、低各层位涡及其正、斜压项的诊断分析可知，此次暴雨过程，既有正压不稳定，反映了暴雨过程位势不稳定能量释放的过程；也存在着斜压不稳定，它对暴雨的落区起着重要的指导作用。

随着斜压性的增强，也就是风的垂直切变和位温的水平分布达到最佳配置时，暴雨出现增幅，低层斜压项的负值和正压项的正值区与暴雨的落区和移动相一致。

此次暴雨天气过程的物理机制可以理解为，高位涡空气（代表冷空气）向南扩展，低层的高位涡气流（代表暖空气）在低空急流作用下向北输送，在冷暖空气的交汇处形成斜压锋区，产生斜压不稳定，触发不稳定能量的释放，使得暴雨增幅。

总之，强降水
是位于位涡高值区东北侧正位涡较小的地区，并与位涡斜压部分的负值中心相对应，随着斜压负值中心强度的增强，暴雨加强。

因此，低层位涡分布特别是斜压部分对暴雨落区和增幅的预报具有一定的指导意义。

参考文献:
【相关文献】
[1]王永中,杨大升.暴雨和低层流场的位涡[J].大气科学,1984,8（4）:411-417.
[2]盛华.“81·7”大暴雨位涡与相当位祸的诊断分析[J].高原气象，1984，3(2)：10-17.
[3]王建中，马淑芬,丁一汇.位涡在暴雨成因丹析中的应用[J].应用气象学报，1996，7(1):19-27.
[4]牛宝山,丁治英,王劲松.一次爆发性气旋的发展与湿位涡关系的研究[J].南京气象学院学报,2003，26（1）:7-16.
[5]吴国雄，蔡雅萍，唐晓菁.湿位涡和倾斜涡度发展[J].气象学报，1995，54(4)：387-404.。