兩次強(qiáng)降水過程中的宏觀通量診斷

兩次強(qiáng)降水過程中的宏觀通量診斷

1.與暴雨系統(tǒng)的關(guān)系及計(jì)算參數(shù)長期以來，氣象一直關(guān)注雨帶運(yùn)動(dòng)方向的預(yù)測。氣象學(xué)家進(jìn)行了大量有效的研究工作，取得了豐富的研究成果。為了顯示土壤降水的特定性質(zhì)，經(jīng)常建立了幾個(gè)重要的宏觀量模型。例如，用于表征流量順序運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的螺母是其中之一。吳榮生等人指出，等熵運(yùn)動(dòng)中的螺旋度具有連續(xù)性。許多研究表明，螺旋度對雷暴、龍卷、雨和沙等災(zāi)害天氣的指示和報(bào)告有一定的影響。在探測雨系統(tǒng)的關(guān)系上，螺旋度不同于cape和科學(xué)進(jìn)步等動(dòng)態(tài)參數(shù)。這些代表潛在不穩(wěn)定的參數(shù)只能通過適當(dāng)?shù)挠|發(fā)機(jī)制來與系統(tǒng)建立。通過將螺釘?shù)拇怪彼俣扰c垂直漩渦相結(jié)合，可以有效地表示潛在不穩(wěn)定能量的釋放。因此，螺旋度與降雨系統(tǒng)的關(guān)系更加密切和直接。水汽不但是大氣的重要組成成分,而且水汽的持續(xù)供應(yīng)也是暴雨系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的必要條件,然而水汽因素在以往的螺旋度相關(guān)研究中很少被考慮.另外,散度是人們用來診斷分析暴雨系統(tǒng)發(fā)展演變的另一個(gè)重要物理量,低層大氣輻合和高層大氣輻散是雨區(qū)上空典型的垂直動(dòng)力結(jié)構(gòu),但散度與雨區(qū)的關(guān)系并不是一一對應(yīng)的,在很多情況下,雨區(qū)以外的區(qū)域也存在散度,因此如何用散度更準(zhǔn)確地描述暴雨系統(tǒng)的發(fā)展演變是一個(gè)值得研究的問題.基于這些認(rèn)識(shí),在螺旋度概念的基礎(chǔ)上,本文把散度與垂直速度結(jié)合起來建立一個(gè)新的參數(shù)——散度通量,并把螺旋度和散度通量拓展到含有水汽的情況,定義另外兩個(gè)參數(shù)——水汽垂直螺旋度和水汽散度通量;利用NCEP/NCAR實(shí)時(shí)分析資料,本文進(jìn)一步診斷分析垂直螺旋度和散度通量以及包含水汽效應(yīng)的水汽垂直螺旋度和水汽散度通量在暴雨過程中的空間分布和時(shí)間演變特征,并研究這些宏觀物理量與地面觀測降水之間的關(guān)系.高守亭等從暴雨觸發(fā)機(jī)理的角度出發(fā),研究并建立了暴雨短期臨近集合動(dòng)力因子預(yù)報(bào)方法,本文定義的這些物理量已被該方法所采用.2.垂直螺旋度和散度通量與地面降水的關(guān)系在等壓坐標(biāo)系中,垂直螺旋度可以寫為Η=ωρ(?v?x-?u?y)?(1)H=ωρ(?v?x??u?y)?(1)其中,u,v和ω分別為等壓坐標(biāo)系中x方向,y方向和垂直方向的速度,ρ為密度.不同于傳統(tǒng)垂直螺旋度的定義(ω(?v?x-?u?y)),(1)式引入了權(quán)重因子——密度,其作用在本質(zhì)上是弱化對流層低層的傳統(tǒng)垂直螺旋度,而強(qiáng)化對流層高層的傳統(tǒng)垂直螺旋度.(1)式的物理意義很明確,代表相對垂直渦度的垂直通量;在等壓坐標(biāo)系中,氣旋區(qū)的上升(下沉)運(yùn)動(dòng)和反氣旋區(qū)的下沉(上升)運(yùn)動(dòng)分別意味著正垂直渦度的向上(下)輸送和負(fù)垂直渦度的向下(上)輸送,此時(shí)垂直螺旋度為負(fù)(正)值.低層大氣輻合和高層大氣輻散是降水過程的一個(gè)典型動(dòng)力學(xué)特征,因此水平散度在強(qiáng)降水過程中的重要性是不言而喻的.與(1)式類似,我們把垂直速度與水平散度的乘積稱為散度通量,即Γ=ωρ(?u?x+?v?y).(2)上式代表水平散度的垂直通量,在等壓坐標(biāo)系中,輻合區(qū)的上升(下沉)運(yùn)動(dòng)和輻散區(qū)的下沉(上升)運(yùn)動(dòng)分別意味著負(fù)水平散度的向上(下)輸送和正水平散度的向下(上)輸送,此時(shí)的散度通量為正(負(fù))值.垂直螺旋度和散度通量表征的是大氣動(dòng)力學(xué)過程,沒有體現(xiàn)大氣中水汽的效應(yīng).若考慮水汽效應(yīng),垂直螺旋度和散度通量與水汽相結(jié)合,那么它們與暴雨的聯(lián)系可能更緊密,對暴雨發(fā)生發(fā)展的指示作用可能更顯著,為此我們對垂直螺旋度和散度通量進(jìn)行拓展,引入水汽垂直螺旋度(垂直速度與水汽通量渦度的乘積)和水汽散度通量(垂直速度與水汽通量散度的乘積)兩個(gè)參數(shù),即Ηm=ωρ[??x(vqv)-??y(uqv)]?(3)Γm=ωρ[??x(uqv)+??y(vqv)]?(4)其中,qv為水汽比濕.由(3)和(4)式可見,水汽垂直螺旋度和水汽散度通量的物理意義在于它們分別代表水汽通量渦度和水汽通量散度的垂直輸送狀況.為了研究垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式與地面降水的關(guān)系,本文利用NCEP/NCAR實(shí)時(shí)分析資料對兩次強(qiáng)降水過程中的這些物理量進(jìn)行診斷分析.3.垂直螺旋度與散度通量的關(guān)系針對2007年7月17日—21日發(fā)生在我國華北地區(qū)的暴雨過程和2008年1月29日—2月3日發(fā)生在我國華南地區(qū)的冰雪凝凍天氣,本文利用NCEP/NCAR實(shí)時(shí)分析資料(水平分辨率為1°×1°,垂直層數(shù)為26層,時(shí)間間隔為6h)診斷分析垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式與6h累積地面觀測降水之間的聯(lián)系;并利用NCEP-GFS的6h預(yù)報(bào)場資料驗(yàn)證6h預(yù)報(bào)的垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式與實(shí)際觀測降水之間的對應(yīng)關(guān)系.3.1.大氣動(dòng)力場的垂直結(jié)構(gòu)2007年7月17日—21日亞洲中高緯度地區(qū)的環(huán)流形勢調(diào)整為一槽一脊型(圖略),脊區(qū)位于烏拉爾山地區(qū),低槽出現(xiàn)在貝加爾湖地區(qū),隨著高壓脊的減弱東移,貝加爾湖冷渦也隨之東移南下,受其影響,我國華北及東北地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水過程.2007年7月18日18UTC緯向平均(116—119°E)的6h累積地面觀測降水主要集中在34—38°N緯度帶內(nèi)(如圖1(a)所示);在該雨區(qū)的上空,垂直上升運(yùn)動(dòng)非常強(qiáng)烈,上升區(qū)從地面一直垂直延伸到100hPa,最大上升垂直速度位于雨區(qū)上空500hPa高度左右;雨區(qū)的南北兩側(cè)為下沉區(qū),其中北側(cè)對流層中高層的下沉運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),南側(cè)對流層低層的下沉運(yùn)動(dòng)較弱.雨區(qū)上空對流層中低層為氣旋性渦度區(qū)(如圖1(b)所示),中心位于900hPa高度附近;雨區(qū)上空對流層高層為反氣旋性渦度區(qū),中心位于150hPa高度左右;雨區(qū)北側(cè)的對流層中高層存在深厚的反氣旋性渦度區(qū);雨區(qū)南側(cè)的垂直渦度配置情況與雨區(qū)上空相反,并且強(qiáng)度較弱.考慮水汽效應(yīng)后(如圖1(c)所示),由于水汽主要集中在對流層中低層,對流層高層的水汽含量很少,所以水汽通量渦度在500hPa以下的對流層中低層比較顯著,而在對流層高層不明顯;氣旋性水汽通量渦度區(qū)主要位于雨區(qū)的上空;雖然雨區(qū)南側(cè)水汽充沛,但由于動(dòng)力場上反氣旋性渦度較弱,因此雨區(qū)南側(cè)的反氣旋性水汽通量渦度并不顯著;雨區(qū)北側(cè)的對流層中高層是深厚的氣旋性渦度區(qū),但那里的水汽含量太少,以至于氣旋性水汽通量渦度基本上可以忽略.從水平散度的垂直分布可以看出(如圖1(d)所示),雨區(qū)上空低層大氣輻合,高層大氣輻散,輻合與輻散的中心分別位于900hPa和150hPa高度附近;雨區(qū)北側(cè)對流層中高層大氣輻合,低層大氣輻散,這里的水平散度垂直分布情況與雨區(qū)相反,并且強(qiáng)度偏弱.考慮水汽作用后(如圖1(e)所示),強(qiáng)烈的水汽通量輻合區(qū)主要出現(xiàn)雨區(qū)上空對流層中低層,雨區(qū)南北兩側(cè)的對流層低層為較弱的水汽通量輻散區(qū);由于對流層高層的水汽含量很少,所以那里的水汽通量散度非常弱.通過水汽通量渦度和水汽通量散度的分析可以看出,水汽在本質(zhì)上對垂直渦度和水平散度具有權(quán)重調(diào)節(jié)的作用,弱化對流層高層和非雨區(qū)的動(dòng)力場結(jié)構(gòu),突出雨區(qū)對流層中低層的動(dòng)力學(xué)特征.以上討論的這些動(dòng)力場垂直結(jié)構(gòu)特征是很多降水系統(tǒng)所共有的典型特征,這種垂直結(jié)構(gòu)與地面降水聯(lián)系緊密;當(dāng)大氣動(dòng)力場呈現(xiàn)這種垂直分布時(shí),地面常常伴隨出現(xiàn)降水.大氣中這種動(dòng)力垂直結(jié)構(gòu)與地面降水之間的對應(yīng)關(guān)系給我們一個(gè)很好的啟示:我們可以定義一些宏觀物理量來綜合地表征這種動(dòng)力場典型的垂直結(jié)構(gòu)特征,并通過計(jì)算這些物理量來診斷分析地面降水的發(fā)生發(fā)展情況.為此,本文計(jì)算了垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式.如圖2(a)所示,2007年7月18日18UTC雨區(qū)上空的垂直螺旋度很顯著,400hPa高度以下垂直螺旋度的負(fù)值區(qū)綜合地表征了氣旋性渦度的垂直向上輸送,雨區(qū)上空對流層高層垂直螺旋度的正值區(qū)代表反氣旋性渦度的垂直向上輸送,雨區(qū)北側(cè)對流層中高層垂直螺旋度的正值區(qū)主要是由弱下沉運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)烈氣旋性渦度共同作用造成的,該正值區(qū)與雨區(qū)沒有明顯的聯(lián)系.由于水汽的權(quán)重調(diào)節(jié)作用,水汽垂直螺旋度主要表現(xiàn)為負(fù)值(如圖2(b)所示),位于雨區(qū)上空400hPa以下高度,負(fù)高值中心大約位于700hPa附近,代表氣旋性水汽通量渦度的垂直向上輸送;對比垂直螺旋度的垂直分布可知,水汽垂直螺旋度體現(xiàn)了對流層中低層垂直螺旋度的主要特征,并且排除了與雨區(qū)沒有直接關(guān)系的雨區(qū)北側(cè)垂直螺旋度正值區(qū).散度通量的高值區(qū)主要集中在雨區(qū)上空(如圖2(c)所示),500hPa高度以下的正值區(qū)和其上的負(fù)值區(qū),分別表示對流層低層動(dòng)力輻合效應(yīng)和高層動(dòng)力輻散效應(yīng)的垂直向上輸送;另外,雨區(qū)北側(cè)對流層高層散度通量的弱負(fù)值區(qū)主要是由弱下沉運(yùn)動(dòng)和弱動(dòng)力輻合效應(yīng)共同作用引起的.考慮水汽效應(yīng)后(如圖2(d)所示),水汽散度通量的正值區(qū)主要出現(xiàn)在雨區(qū)上空500hPa以下高度,綜合地表征了垂直上升運(yùn)動(dòng)和水汽通量的輻合效應(yīng),500—300hPa高度層內(nèi)的弱負(fù)值區(qū)主要與強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)和微弱的水汽通量輻散有關(guān);對比散度通量的分布可以看出,水汽散度通量在很大程度上反映了散度通量在對流層中低層的特征.以上分析表明,垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式可以有效地綜合表征雨區(qū)上空的動(dòng)力學(xué)特征,它們的不同點(diǎn)在于垂直螺旋度和散度通量能夠綜合地表現(xiàn)雨區(qū)上空對流層整層的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu),考慮水汽后,雨區(qū)上空對流層低層的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)被強(qiáng)化,而對流層高層和雨區(qū)兩側(cè)的動(dòng)力學(xué)特征被弱化,這相當(dāng)于對垂直螺旋度和散度通量取了一個(gè)權(quán)重,由此可見水汽的作用在于重點(diǎn)突出與雨區(qū)密切相關(guān)的對流層中低層動(dòng)力場結(jié)構(gòu)特征.本文接下來分析垂直積分的垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式與實(shí)際觀測的6h累積地面降水之間的關(guān)系.如圖3所示,2007年7月18日18UTC觀測的6h累積地面降水主要出現(xiàn)在我國北方地區(qū),雨區(qū)基本上呈現(xiàn)東北—西南走向的帶狀分布,從陜西省西南部向東北方向伸展到吉林省中南部,雨帶內(nèi)的兩個(gè)強(qiáng)降水中心分別位于山東省中西部(35.5°N,117°E)和山東半島南部(36°N,121°E).垂直螺旋度,散度通量,水汽垂直螺旋度和水汽散度通量也都呈帶狀分布,內(nèi)含三個(gè)高值中心,其中山東省中西部垂直螺旋度和水汽垂直螺旋度的高值中心與強(qiáng)降水中心相對應(yīng);對比可以看出,垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式高值區(qū)的水平分布與雨帶的落區(qū)和走向基本一致,并且覆蓋絕大部分雨帶,說明這些物理量與地面降水聯(lián)系緊密,存在一定的對應(yīng)關(guān)系.由于NCEP/NCAR實(shí)時(shí)分析資料的時(shí)間間隔較大(6h間隔),而實(shí)際降水量是6h累積的,所以垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式的高值區(qū)與地面雨帶在空間位置上不是嚴(yán)格對應(yīng)的,還存在一些差異,例如,在108—111°E經(jīng)度帶內(nèi),垂直螺旋度和水汽垂直螺旋度的負(fù)值帶略偏南于實(shí)際降水區(qū).如圖4所示,垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式與實(shí)際觀測的6h累積地面降水在時(shí)間演變趨勢上非常一致,二者的發(fā)展演變具有良好的對應(yīng)關(guān)系,并且在18日18UTC和20日00UTC,這些物理量的高值區(qū)與強(qiáng)降水區(qū)相重疊,表明這些物理量能夠充分表征強(qiáng)降水過程中典型的動(dòng)力垂直結(jié)構(gòu)特征,對強(qiáng)降水過程的發(fā)展演變具有一定的指示意義.本個(gè)例的研究表明,垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式因?yàn)槟軌驕?zhǔn)確地表征強(qiáng)降水過程中雨區(qū)上空典型的動(dòng)力垂直結(jié)構(gòu)特征而與實(shí)際觀測的6h累積地面降水建立良好的對應(yīng)關(guān)系.為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種對應(yīng)關(guān)系在其他強(qiáng)降水過程中也存在,本文對2008年1月29日—2月3日發(fā)生在我國南方的冰雪凝凍天氣進(jìn)行診斷分析.3.2.垂直螺旋度和散度通量的垂直分布2008年1月末至2月初我國南方地區(qū)發(fā)生大范圍的冰雪凝凍天氣.本文利用NCEP/NCAR實(shí)時(shí)分析資料診斷分析該強(qiáng)降水過程中垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式與實(shí)際觀測的6h累積地面降水之間的關(guān)系.如圖5所示,2008年2月1日12UTC強(qiáng)降水區(qū)主要位于24—30°N緯度帶內(nèi),其上空的垂直上升區(qū)呈傾斜分布,從地面向北傾斜伸展到對流層頂,最大上升速度位于雨區(qū)上空450hPa高度附近.雨區(qū)上空的垂直渦度相對來說比較弱,對流層低層為垂直渦度弱正值區(qū),800hPa以上高度為垂直渦度弱負(fù)值區(qū);雨區(qū)北側(cè)對流層中高層的氣旋性渦度比較顯著,其正高值區(qū)隨高度向北傾斜.水汽通量渦度主要位于雨區(qū)周圍上空的對流層中低層,臨近雨區(qū)的南側(cè)為水汽通量渦度的負(fù)值區(qū),臨近雨區(qū)的北側(cè)為水汽通量渦度的正值區(qū),而雨區(qū)的上空并沒有顯著的水汽通量渦度.雨區(qū)上空的低層大氣輻合,高層大氣輻散,傾斜的水平輻合帶與水平輻散帶相鄰,從近地面層向北傾斜伸展到150hPa高度附近.水汽通量散度主要表現(xiàn)為負(fù)值,水汽通量輻合區(qū)從雨區(qū)南側(cè)的近地面層向北傾斜垂直伸展到雨區(qū)上空450hPa高度附近.個(gè)例A中雨區(qū)上空動(dòng)力場的結(jié)構(gòu)基本上呈垂直分布,而在個(gè)例B中,雨區(qū)上空的動(dòng)力場主要呈傾斜分布,并且在850hPa高度以下的近地面層沒有明顯的氣旋性渦度,水平輻合,氣旋性水汽通量渦度和水汽通量輻合.這種動(dòng)力場垂直分布的差異導(dǎo)致了個(gè)例B中垂直螺旋度,散度通量,水汽垂直螺旋度和水汽散度通量的垂直分布結(jié)構(gòu)不同于個(gè)例A.如圖6所示,2008年2月1日12UTC垂直螺旋度的正高值區(qū)主要出現(xiàn)在26—32°N緯度帶的對流層中高層,略偏北于雨區(qū),該正值區(qū)的北側(cè)緊鄰弱負(fù)值區(qū).水汽垂直螺旋度的正負(fù)值區(qū)相鄰,主要位于雨區(qū)周圍上空750—250hPa高度范圍內(nèi),并且隨高度傾斜伸展;雨區(qū)上空550hPa以下高度主要為水汽垂直螺旋度的負(fù)值區(qū),其上為正值區(qū).雨區(qū)上空散度通量的正負(fù)高值區(qū)由南向北隨高度傾斜分布,在550hPa以上的對流層中高層,水平輻合和水平輻散的垂直向上輸送最強(qiáng)烈.水汽散度通量的正值區(qū)與散度通量正值區(qū)的分布比較相似,都是在雨區(qū)上空傾斜向上伸展到400hPa高度附近,但由于對流層中高層的水汽含量較少,所以水汽散度通量的負(fù)值區(qū)比較弱,由此可見水汽散度通量主要體現(xiàn)了散度通量的正值區(qū),水汽的權(quán)重作用削弱了對流層高層散度通量的負(fù)值區(qū).從垂直積分的垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式的水平分布來看(如圖7所示),2008年2月1日12UTC位于廣西,湖南,江西,福建和浙江境內(nèi)的降水區(qū)大體上成東北—西南走向的帶狀分布;垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式的異常值區(qū)也呈現(xiàn)為帶狀,在位置和走向上與雨帶基本上相對應(yīng),覆蓋著雨區(qū),但寬度比雨帶略寬;這些物理量本身的分布也略有差異,垂直螺旋度正高值區(qū)的位置比強(qiáng)降水區(qū)略偏北,而水汽垂直螺旋度正高值區(qū)在位置上比強(qiáng)降水區(qū)略偏南;散度通量和水汽散度通量的負(fù)值區(qū)完全覆蓋雨區(qū),并且它們的負(fù)高值中心與強(qiáng)降水中心基本上相對應(yīng).在時(shí)間演變趨勢上,如圖8所示,緯向平均(112—115°E)的雨帶主要位于23—28°N緯度帶內(nèi),并且2008年2月1日12UTC的降水最強(qiáng),垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式的異常值區(qū)覆蓋強(qiáng)降水區(qū),其時(shí)間演變趨勢與地面降水基本相似,但經(jīng)向范圍略寬于雨帶;2月1日12UTC垂直螺旋度和水汽垂直螺旋度的正高值中心都超前于強(qiáng)降水中心,前者略偏北于雨帶,而后者略偏南于雨帶.散度通量的正高值中心與強(qiáng)降水中心對應(yīng)較好,但是散度通量的覆蓋范圍較廣,并且1月29日12UTC41°N附近和2月2日18UTC33°N附近的正高值區(qū)與雨區(qū)沒有任何關(guān)系.相對來說,水汽散度通量與觀測降水對應(yīng)比較好,正值區(qū)的范圍和2月1日12UTC的正高值中心與雨帶和強(qiáng)降水中心基本一致.以上兩個(gè)強(qiáng)降水過程的診斷分析表明,垂直螺旋度,散度通量,水汽垂直螺旋度和水汽散度通量能夠比較準(zhǔn)確地刻畫強(qiáng)降水系統(tǒng)動(dòng)力場的典型垂直結(jié)構(gòu),可以有效地表征強(qiáng)降水系統(tǒng)的發(fā)展和移動(dòng),因而這些量是與降水過程密切相關(guān)的物理量,與地面降水之間存在良好的對應(yīng)關(guān)系.4.垂直螺旋度和散度通量的正高值區(qū)本文分析強(qiáng)降水過程中垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式的最終目的是為暴雨預(yù)報(bào)服務(wù).為了檢驗(yàn)這些物理量的預(yù)報(bào)能力,本文利用NCEP-GFS每日四次6h預(yù)報(bào)場資料對這些物理量進(jìn)行計(jì)算.如圖9所示,在個(gè)例A中,6h預(yù)報(bào)的垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式與觀測的6h累積地面降水的時(shí)間演變趨勢基本一致,三個(gè)觀測強(qiáng)降水區(qū)與這些物理量的高值區(qū)相重疊,2007年7月18日06UTC和20日00UTC的強(qiáng)降水中心基本上對應(yīng)著垂直螺旋度和水汽垂直螺旋度的負(fù)高值中心以及散度通量和水汽散度通量的正高值中心.如圖10所示,個(gè)例B的垂直螺旋度,水汽垂直螺旋度和散度通量的正高值區(qū)覆蓋著雨區(qū),2008年2月1日12UTC的強(qiáng)降水區(qū)與垂直螺旋度和散度通量的正高值中心相對應(yīng),但它們的經(jīng)向范圍大于雨區(qū),并且有些正值區(qū)并不對應(yīng)雨區(qū);另外,2008年1月31日1