湖南省华容县气象局 湖南华容 414200
摘要：本文利用NCEP再分析资料（时空分辨率分别为1°×1°，6h）、T639模式降水预报资料、FY—2E卫星TBB资料、地面加密观测资料、常规气象观测资料，根据天气学原来和诊断分析方法，对2011年6月9-10日湖南省一次大范围暴雨过程的中尺度环流背景及湿位涡进行了分析，揭示了此次强降水过程产生与发展的物理机制，希望为以后的暴雨预报提供参考。
关键词：诊断分析；暴雨过程；MCC；位势稳定度；湿位涡
1、引言
湖南省属中亚热带湿润季风气候区，四季分明，暴雨是其主要灾害性天气之一。加强暴雨预报、做好灾害防御在气象天气预报业务与服务中至关重要。
本文以2011年6月9～10日湖南省典型大范围暴雨过程为例，着重分析了暴雨过程的中尺度特征，湿位涡正压项（MPV1）的垂直结构和水平分布，并探讨了降水强度及落区与它们的时空演变的对应关系，从而揭示了此次强降水过程产生与发展的物理机制，希望为以后的暴雨预报能提供一定参考价值。
2、资料来源与分析方法
本研究使用的NCEP再分析资料（时空分辨率分别为1°×1°，6h）、T639模式降水预报资料、FY—2E卫星TBB资料、常规气象观测资料、地面加密观测资料、中小尺度自动气象站资料、风云-2G红外云图资料、雷达探测资料和探空资料均由湖南省气象台提供，根据天气学原理与诊断方法，对云图特征、假相当位温、湿位涡特征等物理量进行分析。
3、结果与分析
3.1环流背景及过程概况
2011年6月9日20时（北京时，下同），500hPa图上欧亚范围中高纬环流为“两槽一脊”型，欧洲东南部的里海和我国东北地区附近为深厚的低压槽区，中亚大部分地区为宽广的脊区，这种“两槽一脊”的环流形势稳定维持，有利于极地冷空气不断沿东亚大槽西侧随西北气流引导南下，而此时南支槽逐步发展壮大。伴随南支槽槽前显著正涡度输送，加之青藏高原地形加强作用，对应700hPa上在湖北西部—重庆—四川南部形成切变线，850hPa上有一西南涡在贵州中北部生成；10日08时，500hPa上湖南处于南支槽区控制内，700hPa上切变线移至湖北东部—湘西北—贵州南部一线，850hPa上湘中以北处于东移西南涡的控制中，同时，广西、湘南的中低层的西南气流明显加强，最大风速达到20m/s，显著超过急流标准12m/s。在暴雨区的南侧形成一支西南低空急流，前期显著的西南急流，提供了不稳定条件和水汽条件；10日20时，500hPa上南支槽移出湖南境内，700hPa上切变线移至湘中偏南地区，850hPa上湘南处于弱切变控制，广西、湘南的西南气流强度减弱，西南低空急流消失，湘中以北的暴雨过程结束。
图1 2011年6月9日20：00—10日20：00降水量分布图（单位：mm）
图1为2011年6月9日20时—10日20时湖南省97个常规气象观测站的24h降水量分布情况，如图所示，湖南27°N以北地区普降暴雨到大暴雨，其中四个强降水中心主要位于湘东北、湘西北、湘中以及湘西偏南地区，最大中心值超过150mm。从降水落区的时间演变来看，6月9日20时，强降水最先开始于湘西北和湘东北，随后强雨带逐渐自北向南移动，在湘中停留时间最长，影响范围最大，随着雨带进一步南压，强度明显减弱。
3.2云图特征分析
时间分辨率为1h的红外云图的云顶亮温（TBB）可以清楚地反映出暴雨过程的中尺度对流云团发生及其发展的演变特征（图2）。根据文献定义，TBB ≤-32 ℃云团为MCS，满足-32 ℃以下冷云罩面积在105km2 以上，且-52 ℃以下冷云罩面积在5×104km2 以上，维持达6小时以上的暴雨云团为MCC。这里以造成湘中地区大范围暴雨的MCC（MCS）的演变特征为例进行诊断分析。
图3 沿112°E假相当位温和流场经向垂直剖面图
（a为9日20：00，b为10日08：00，阴影区为≥340K）
6月9日20时（图3a），在32°N是密集带，随高度向北倾斜，为能量锋区，30°N以南处于深厚的高舌区内，中心值为356K，湖南上空的高舌区在垂直方向一直延伸至600hPa附近，，为对流不稳定大气层，10日2时，密集带进一步南压，梯度加大，并与不稳定的暖湿气团交汇于30°N附近，触发不稳定能量与潜热的释放，在湘东北、湘西北产生对流性强降水天气，10日8时（图3b），能量锋区移至28.5°N附近，在能量锋区900hPa以下的陡峭密集带与等压面几乎垂直（），对流层低层的稳定度很小，在28°N以南上空的不稳定层厚度下降，700—400hPa之间变化不大，为中性大气层，此时位于能量锋区南侧的湘中出现大范围强降水，10日14时，冷锋前沿移至湘中偏南地区，而密集带的等值线逐渐变得稀疏，湘中以北处于冷空气主体的控制中，湖南上空的不稳定大气范围明显缩小，对应湘中偏南小范围的强降水天气，而湘中以北降水明显减弱。以上分析表明，低层为不稳定大气层，中层为中性大气层以及高层为逆温的稳定大气层的垂直结构，有利于低层不稳定能量的积累，一旦有冷空气侵入，位于能量锋区前部的低层不稳定暖湿气团将会被迫抬升，促使上升运动明显增强，从而有利于暴雨的形成。
3.4湿位涡特征分析
在绝热无摩擦的大气中，湿位涡具有守恒性。近年来有研究指出，可利用对流层中低层的湿位涡符号和数值来判断强降水落区，这为暴雨预报提供了线索和思路。在静力近似条件下，取P坐标为垂直坐标，并假设垂直速度的水平变化比水平速度的垂直切变小得多，则P坐标系中的湿位涡（Moist Potential Vorticity，简称MPV）可以近似表示为：
θse为假相当位温，为垂直方向的涡度，为地转涡度。MVP1表示与惯性稳定度和对流稳定度有关的湿正压项，一般情况下，绝对涡度为正值，当大气对流不稳定时，有，所以MPV1<0；若大气对流稳定时，则，有MPV1>0。MVP的单位为PVU（1PVU=10-6m2·K·s-1·kg-1）。
湿位涡正压项MPV1的垂直分布：
湘东北、湘西北、湘中以及湘西偏南地区是这次暴雨过程主要的四个强降水中心，而湘中地区强降水持续时间最长，影响范围最广，因此，本文选取沿湘中暴雨中心112°E作湿位涡正压项的经向剖面图进行分析。9日20时，暴雨中心28°N上空700hPa以下为负值区，950hPa附近的负值中心为-1.8PVU，为对流不稳定区，中高层450hPa以上为大范围的MPV1正值区，中心值为0.6PVU，而在暴雨中心北侧30°N的950hPa附近有一个1PVU的正值中心，为对流稳定区。10日2时（图4a），暴雨中心高层的MPV1正值区向下伸展至600hPa，30°N的MPV1正值区范围扩大，而暴雨中心上空的MPV1负值区范围缩至850hPa以下，表明中高层的冷空气以高值位涡的形式向下入侵，叠加在低层负值位涡中心上空，暴雨中心北侧低层冷空气南下，在28.5°N低层对流不稳定区附近堆积，不稳定能量开始释放。10日8时（图4b），暴雨中心北侧低层的MPV1正值中心移至29°N上空900hPa附近，强度增至2.4PVU，暴雨中心600hPa以上继续维持一个中心为0.4PVU的正值区，低层MPV1的零线位于850hPa附近，对应湘中地区暴雨达到高峰期。10日14时，低层MPV1正值中心移至暴雨中心28°N上空850hPa附近，中心强度减弱至1PVU，MPV1负值中心移至27°N，对应湘中地区的暴雨过程结束。
图4 沿112°E湿位涡正压项MPV1经向垂直剖面图
（a为10日2时，b为10日8时）
4、 结论
本文通过上述分析，得到如下结论:
（1）欧亚大陆中高纬地区为“两槽一脊”型环流形势，“北槽”引领冷空气南亚推进湖南地区，配合高空印缅槽（“南槽”）、西南急流稳定的水汽输送，中低层辐合区，共同激发出多个中尺度对流系统（MCC或MCS）的生成和发展，直接导致本次暴雨过程的发生。
（2）这次暴雨过程最先从湘西北和湘东北开始，随后强雨带自北向南移动，在湘中持续时间最长，影响范围最大。湘中的暴雨中心是由湘北的MCC和湘中偏南的MCS云团共同影响所产生，强降水主要产生在MCC（MCS）的中心冷云区内或其下游边缘TBB密集区或大梯度区附近。
（3）通过对本次暴雨的垂直热力和环流特征分析，发现低层为不稳定大气层、中层为中性大气层以及高层为逆温的稳定大气层的垂直结构，造成低层积累不稳定能量；冷空气南推，在暖湿气团（低层不稳定能量区）以北的堆积，促使能量锋区前部的暖湿气团的系统抬升，释放不稳定能量和潜热，强烈触发强对流云团的产生于发展。
（4）暴雨的发生发展与湿位涡的时空演变有很好的对应关系，湿位涡高低层正负区叠加的配置与暴雨区北侧的MPV1正值中心的侵入有利于暴雨的发生与发展，暴雨发生前为较强的湿位涡负值，暴雨期间随着不稳定能量的释放，负值的绝对值减小，当湿位涡负值转为正值时，预示着暴雨减弱并结束。
参考文献：
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论文作者:李雪松
论文发表刊物:《防护工程》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/18
标签：暴雨论文; 不稳定论文; 中心论文; 湘西论文; 湘中论文; 湖南论文; 负值论文; 《防护工程》2018年第16期论文;