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1、湿位涡在台风远距离突发 性暴雨过程中的应用分析 井喜 贺文彬 马锋 陕西省榆林市气象局 榆林 7 1 9 0 0 0 提 要 应用湿位涡理论对 2 0 0 2 年 7 月 4 5 日发生在陕北子长两次突发性暴雨过程进行了诊断和分析结果表明: 陕北的突发性暴雨和台风的活动有密切关系当台风在我国东部沿海向西北方向前进时从台风北侧到陕北形成 6 8 m s- 1东南气流陕北对流层低层对流不稳定能量迅速增值西风带和副热带系统的相互作用使得陕北对流层中层倾斜涡度显著发展, 形成很强的上升运动 暴雨前在 8 5 0 h P a和 7 0 0 h P a 等压面上暴雨区上游 1 3 个经距处形成 M P V
2、1= - 2 中尺度强对流不稳定核心区和 M P V2等值线密集区的耦合, 耦合区是强对流云团初始发生地 对暴雨的发生发展有指示意义 暴雨期间 M P V2在 5 0 0 h P a 等压面上形成次天气尺度类似系统暴雨出现在系统左拐点和右拐点形成的夹挤处 关键词湿位涡 台风 突发性暴雨 引言 2 0 0 2 年 7 月 4 5 日青藏高原东北侧的陕西北部连续两天出现突发性暴雨延安北部 的子长县 4 日降水量达到 1 9 5 . 3 m m 同时伴有冰雹和大风5 日降水量达到 1 1 6 m m 由于暴 雨历时短强度大引起山洪爆发河水泛滥造成当地百年不遇的特大洪涝直接经济损 失达亿元以下简称 0
3、 2 . 7 暴雨经研究发现陕西北部的突发性暴雨和台风的活动密切相 关 当台风在我国东部沿海朝西北方向前进时 台风北侧的东南低空急流带着充沛的水汽进 入陕西北部地区同时随着台风活动影响陕北的东南低空急流强弱及其位置发生变化急 流左侧影响陕北的低值系统强弱及其位置随之发生变化 湿位涡是能同时表征大气动力 热 力和水汽性质的综合物理量, 近年来已被广泛应用于江淮梅雨锋暴雨 2 华南暴雨 3 台风 暴雨 4 的诊断研究并得到一些有意义的结论本文以上述两次暴雨过程为例探讨湿位涡 及倾斜涡度发展与陕北台风远距离突发性暴雨发生发展的关系 1 湿位涡及倾斜涡度发展理论 忽略的水平变化p 坐标下湿位涡M P
4、V 守恒方程为 M P V = - g (p+ f ) e p + gv p e x - gu p e y = 常数 将其写成分量形式 M P V1= - g (p+ f ) e p M P V2= gv p e x - gu p e y 其中 M P V1为湿正压项表示惯性稳定性p+ f 和对流稳定性- ge p 的作用在北半球大气对流不稳定时 M P V10 若大气对流稳定时 M P V10 M P V2为湿斜压项包含了湿 斜压性 pe和水平风垂直切变的贡献 湿位涡的单位为 P V U 1 P V U = 1 0- 6m2s- 1k k g- 1在湿位涡守恒的制约下e面倾斜越大气旋性涡度越
5、剧烈这种涡度的增长称为倾斜涡度发展文献 1 给出垂直涡度增长的充分条件为M P V2/e p 0 据此在大气为对流不稳定条件下e p 0只有 M P V20垂直涡度才能得到较大增长大气为对流稳定e p 0 则只有 M P V20 垂直涡度才能得到较大增长而且M P V2绝对值越大e p 绝对值越小越有利于垂直涡度的增长 2 突发性暴雨环流背景和影响系统 暴雨期间在 5 0 0 h P a 等压面上台风威马逊在我国东部沿海北上1 2 0 E 副热带高 压主体向北推进 西北涡在河套北部和阴山山脉之间活动 西北涡底部槽和副热带高压形成 东高西低形势西风带乌拉尔山为大槽区蒙古北部为弱脊区西北涡和蒙古北
6、部弱脊形成 反位相迭加 在 7 0 0 h P a 和 8 5 0 h P a 等压面上 副热带高压西侧有倒槽稳定在河套 地面图上 陕西北部处在副高底部东南气流处对流层中上层西北涡和对流层低层副高西侧倒槽的耦 合在陕西北部形成有利于突发性暴雨发生的环流背景3日 2 0时当西北涡底部槽东移 和对流层低层倒槽形成前倾配置的情况下产生了第一场暴雨4日 2 0时当西北涡后部 横槽东移南摆和对流层低层倒槽形成垂直叠置的过程中产生了第二场暴雨 3 突发性暴雨湿位涡特征 3 . 1 相当位温的剖面特征 随着威马逊台风在我国东部沿海向西北方向前进 暴雨前 6 小时从台风北侧到陕北形成一支 6 8 m s- 1
7、的东南气流 把来自西太平洋的水汽和能量源源不断地输向暴雨区 从图 1 看出 3 日 2 0 时和 4 日 2 0 时对流层低层 8 5 0 h P a 能量急剧增加对流层低层形成很强的对流不稳 定暴雨区e8 5 0-e7 0 08对流层中层 5 0 0 h P a由于暴雨区上下游低能区的夹挤在暴雨 区及邻近上游形成很窄的高能区 把对流层上下层高能区连起来 以下简称垂直高能通道在垂直高能通道内e面陡立e p 很小根据倾斜涡度发展理论有利于倾斜涡度的显著发展而倾斜涡度的显著发展造成的上升运动又有利于对流天气的产生从图中看到3 日 2 0 时和 4 日 2 0 时在垂直高能通道内对流层形成一致的上升
8、运动 从 7 0 0 2 5 0 h P a 形成强上 升运动区, 3 日 2 0 时在垂直高能通道所在的层次 5 0 0 h P a 形成 8 0 1 0- 4h P a s- 1强 上升运动核心区由于垂直高能通道内 3 日 2 0 时 5 0 0 h P a 值比 4 日 2 0 时 5 0 0 h P a 值大 3 倍因 此 3 日晚暴雨的雨强雨量比 4 日晚大得多 同时伴有冰雹和大风等剧烈天气现象上述分 析表明 暴雨前对流层低层对流不稳定能量的快速积累和增值 暴雨区对流层中层倾斜涡度 的显著发展 为两次突发性暴雨的发生创造了能量条件和动力触发条件 3 . 2 等压面上的湿 位涡特征 3
9、 . 2 等压面上的湿位涡特征 3 . 2 . 1 8 5 0 h P a 湿位涡特征 分析 0 2 . 7 暴雨 8 5 0 h P a等压面上 M P V2场的时空演变 发现影响陕北 M P V2的演变与台风 活动关系密切7 月 3 日 0 8 时威马逊台风在台湾以东洋面上从江苏吹向陕北的东南风弱 陕北受高原暖干空气的影响M P V20 2 0 时随着台风向西北方向前进河套有倒槽发展 图 1a 2002 年 7 月 3 日 20 时e剖面 图 1b 2002 年 7 月 4 日 20 时e剖面 实线e 单位虚线 单位10-4hPas-1 倒槽东部从江苏吹向陕北的东南风增大 太原风速达 8
10、m s- 1延安生成 M P V2= - 0 . 4 P V U 中心 倒槽西部民勤北北西风发展风速达 1 0 m s- 1民勤附近生成 M P V2= 4 . 4 P V U 中心正负 M P V2 中心在暴雨区上游靖边和银川之间生成 M P V2等值线密集区图 2 a强度达 0 . 9 P V U / 经距 对应 3 日晚子长第一场暴雨的产生4日 0 8 时随着台风向东北方向移动河套倒槽东部太 原风速减弱为 4 m s- 1M P V2负值区向东北退至山西北部和呼和浩特之间高原 M P V2正值区 东移陕北又转为 M P V2正值区子长第一场暴雨结束4 日 2 0 时随着台风再次向西北方向
11、 前进河套倒槽东部太原偏东风再度增强达 1 0 m s- 1图 2a 2002 年 7 月 3 日 20 时 850hPa MPV 图 2b 2002 年 7 月 4 日 20 时 850hPa MPV 实线MPV2 虚线 MPV1 下同 单位 1 0- 7m2s- 1k k g- 1( 下同) 阴影区暴雨区下同 太原 M P V2负值再度发展生成- 4 P V U中心 M P V2负值中心和河套倒槽西部银川附近 M P V2= 2 P V U正值中心在暴雨区又生成 M P V2等值线密集区图 2 b强度达 0 . 9 P V U / 径距对 应 4 日晚子长第二场暴雨的产生 从图 2 同时看
12、到: 暴雨前 3 日 2 0 时 4 日 2 0 时 暴雨区上游 1 3 个经距处生成 M P V1= - 2 P V U 中尺度强对流不稳定核心区和 M P V2等值线密集区形成耦合耦合区是未来强对流单体初始 发生地 4 日 0 8 时第一场暴雨结束和 5 日 0 8 时第二场暴雨结束时 对应 M P V1= - 2 P V U 中尺度 强对流不稳定核心区消失暴雨前 M P V1= - 2 P V U 中尺度强对流不稳定核心区和 M P V2等值线密 集区形成的耦合区对暴雨的发生发展指示意义明显 3 . 2 . 2 7 0 0 h P a 5 0 0 h P a 湿位涡特征 在 7 0 0
13、h P a 等压面上暴雨前在暴区上游 1 3 个经距处也生成的 M P V1= - 2 P V U 中尺度强 对流不稳定核心区和 M P V2等值线密集区形成的耦合区耦合区对暴雨的发生发展同样有指示意义 图 3a 2002 年 7 月 4 日 08 时 500 hPa MPV2 图 3b 2002 年 7 月 4 日 20 时 500 hPa MPV2 在 5 0 0 h P a 等压面上 3 日 2 0 时随着西北涡后部东北风发展西北涡后部 4 0N 附近有 横槽生成并转向南压对应在河套西部民勤附近有 M P V2低值区向东南发展有 M P V2高值区 向陕北发展同时在太行山脉东部有 M P
14、 V2低值区存在东西 M P V2低值区对陕北 M P V2高值区 形成夹挤4 日 0 8 时在东西 M P V2低值区和 M P V2等值线密集区夹挤之下在 M P V2场上形成次 天气尺度类似系统图 3 a4 日 2 0 时次天气尺度系统进一步发展并稳定在 陕北上空图 3 b暴雨出现在系统左拐点和右拐点形成的夹挤处上述分析表明 在 5 0 0 h P a 等压面上 M P V2场的演变对暴雨的发生发展有指示意义 两次突发性暴雨连续发生 伴随着 M P V2场次天气尺度系统的生成发展和稳定 图 4a 子长 MPV2格点时间剖面图 图 4b 2002 年 7 月 3 日 20 时子长 MPV1
15、经向剖面图 3 . 3 剖面图上的湿位涡特征 分析子长 M P V1格点时间剖面图图略暴雨发生前 3 日 2 0 时和 4 日 2 0 日时都伴随着 对流层高层 M P V1增值有 2 P V U等湿位涡面向对流层中下层发展的过程对子长 M P V2格点时 间剖面图进行分析3日 0 8时和 4日 0 8时对流层高层 2 5 0 2 0 0 h P a M P V2突发增值, M P V2 值达 1 4 2 0 P V U 3日 2 0时至 4日 2 0时对流层高层 M P V2大值向对流层中低层发展2 P V U 等湿位涡面向下发展至 7 0 0 h P a 或 5 0 0 h P a 以下图
16、 4 a过暴雨区 1 1 0 E 作 M P V1经向剖面 发现3 日 2 0 时4 日 2 0 时首先在西北涡所在的纬度4 0 N 从 4 0 0 2 0 0 h P a 生成 2 0 P V U 以上湿位涡异常高值中心有 4 P V U 高值舌从 4 0 0 3 0 0 h P a伸向暴雨区图 4 b 4 日 0 8 时 5 日 0 8 时在暴雨区对流层中高层生成 M P V1= 1 0 P V U 以上异常高值中心由上述分析可知 造成突发性暴雨扰动的起源之一来自位于阴山山脉附近对流层中高层的西北涡暴雨前 1 8 小时对流层高层 M P V2具有先变的特征暴雨前 6 小时暴雨区对流层中高层 M P V1和 M P V2大值 都有一个向对流层中低层发展的过程 根据位涡思
