2011年7月30日辽宁地区降水量分布分析

    王昌双+王晓

    摘要： 2011年7月30日，辽宁地区出现了大范围降水，但降水量分布极不均匀，西部大暴雨、中部小到中雨、东部山区暴雨。利用常规天气资料、NCEP再分析资料，对这次天气过程进行天气学和物理量场分析。分析结果表明：低层上升运动与较强水汽通道同时出现是强降水发生的重要条件，而各层水汽通量散度、湿位涡异常、CAPE值与降水量存在强相关。

    关键词： 强降水；水汽通道；湿位涡；CAPE

    1 引言

    对于同一次降水过程，降水量在降水区内分布极不均匀但有规律可循，大致上呈西南-东北向的带状分布。利用NCEP再分析资料对降水区的物理量场进行分析，找出出现此种降水量分布的原因，对今后区域降水量的预报具有重要意义。

    2 降水量分布概况

    2011年7月30日，辽宁地区出现了大范围降水。此次降水过程，辽宁地区平均降水量为43.6mm，为大雨等级。降水量在各个区域分布极不均匀。按照降水量等级，大致分成3个区域。辽西、辽北地区降水量最大，多数市县达到了大暴雨等级；辽宁中部地区降水量最小，以小雨为主，个别市县中雨；东部山区降水量为暴雨等级。降水量分布呈西南-东北向的带状分布（图1）。

    图1 2011年7月30日08时至31日08时辽宁地区降水量分布图

    3 天气形势特征

    影响辽宁地区的天气系统是高空槽和由渤海北上的气旋，而中心位于蒙古东部的冷涡只影响东北北部地区，不会对辽宁地区产生大的影响。高空槽移动方向是自西向东（图2），锋面气旋则是向东北方向移动（图3）。当锋面气旋移动至高空槽前的正涡度区域后，气旋加强。

    图2 30日20时500百帕高空图 图3 30日20时地面天气图

    4 物理量场分析

    4.1垂直运动与水汽通量分布

    4.1.1 30日14时垂直运动与水汽通量分布

    垂直运动是降水的重要因素。做北纬41.5度的纬向剖面垂直速度图和北纬41.5度的纬向剖面水汽通量图，分析垂直运动和水汽输送在不同经度和不同高度的分布。

    图4 30日14时北纬41.5度垂直速度图 图5 30日14时 北纬41.5度水汽通量图

    在30日14时，强上升运动区域主要分布在东经120度至东经123度，东经123度至东经126度500百帕以下以下沉气流为主（图4，紫色线为东经123度）。此时东经120度至东经123度在850百帕至500百帕有较强的水汽通道，东经123度至东经126度在950百帕至800百帕有较强水汽通道（图5，紫色线为东经123度）。由于东经120度至东经123度区域强上升运动区域与强水汽输送区域重合，因此该区域有强降水发生（图6黑线区域）。而东经123度至东经126度区域虽然有低层水汽通道，但该高度以下沉气流为主，水汽无法大量凝结，不利于出现强降水（图6白线区域）。

    图6 2011年7月30日08时至31日08时北纬41.5度降水量分布示意图

    4.1.2 30日20时垂直运动与水汽通量

    到了30日20时，垂直运动与水汽通道的分布情况发生了变化。强上升运动区向东偏移，这是由于高空槽缓慢向东移动，高层正涡度区也随之移动。水汽通道同时也向东移动，并且更加与14时相比，在垂直方向上更为集中。

    图7 30日20时北纬41.5度垂直速度图 图8 30日20时北纬41.5度水汽通量图

    30日20时，强上升运动区集中在东经122-东经124范围内（图7）。而较强水汽输送区则集中在东经124度附近（图8，黑色框范围代表图7中的强上升运动区）。此时，辽宁地区西部强降水已经趋于结束，辽宁中部地区上空虽然有强上升运动，但水汽通道已经东移，因此没有发生强降水。辽宁东部水汽输送较强，但较强上升运动运动只发生在凤城、宽甸等山区附近（图9，北纬40.5附近），因此东部较强降水也在这一区域（图10，白色框对应图9强上升运动区）。

    图9 30日20时北纬40.5度垂直速度图 图10 30日08时至31日08时辽宁东部地区降水量示意图

    4.2 水汽通量散度

    定义水汽通量散度为 。其中u、v分别为等压坐标系中x方向、y方向的速度， 为密度，q为水汽比湿。水汽通量散度将大气运动与水汽分布结合起来，因此在暴雨过程中可以很好的表征某层大气水汽收入或支出情况。而将垂直方向上各层水汽通量散度综合分析，则可以展示暴雨过程中水汽运动的垂直和水平分布情况。

    4.2.1 30日14时水汽通量散度

    14时700百帕的水汽通量散度辐合大值区为一个开口向东的“V”型。而“V”的开口处恰为辽宁中部平原地区（图11）。可见低层主要水汽输送地区是辽宁西北部和东南部，而中部地区水汽输送较少或者滞后。而14时300百帕的水汽通量散度辐散大值区则位于辽宁北部（图12），可见北部地区水汽由低层向高层输送较为强烈，到达300百帕高度后空气向外辐散，表征强降水的出现。这种由低层向高层的西南-东北向水汽倾斜输送带与辽宁西北部的强降水区十分吻合。

    图11 30日14时700百帕水汽通量散度图 图12 30日14时300百帕水汽通量散度图

    4.2.2 30日20时水汽通量散度

    20时700百帕水汽通量散度辐合大值区和300百帕水汽通量散度辐散大值区均位于辽宁北部地区（图略），由此可以判断20时强降水主要集中在辽宁北部地区。但根据雷达显示（图略），20时在东部山区仍有降水发生。分析900百帕的水汽通量散度（图13），发现在此高度上水汽通量散度辐合十分明显。由此判断，东部山区的强降水主要集中在3000米以下的高度范围内。

    图13 30日20时950百帕水汽通量散度图

    4.2.3垂直累积水汽通量散度

    将950百帕至300百帕的水汽通量散度作垂直积分，得到累积水汽通量散度，即空气柱水汽得失情况。数值越大，则从外部得到水汽越多。最终水汽走向大部分以降水形式结束。以30日20时刻为例（图14），累积水汽通量散度大值区有两个，最大的位于辽宁北部，其次位于辽宁东部山区，基本与强降水落区一致。而数值大小也与降水强度成正比关系。

    图14 30日20时垂直累积水汽通量散度图

    4.3 湿位涡分布特征

    湿位涡综合反映了某高度动力、热力特征，是同时表征高度场、温度场、湿度场分布特征的重要综合指标。30日14时（图15），在750百帕等压面上，湿位涡大值区的分布形状与700百帕的水汽通量散度大值区分布形状比较接近，均呈开口向东的“V”字形，预示14时及以后数小时内，在辽宁西北部和南部、东南部的温度场、高度场、湿度场在对流层中低层有利于出现降水。而到了30日20时（图16），湿位涡大值区集中在辽宁北部地区，预示20时及以后数小时内，辽宁北部地区的温度场、高度场、湿度场在对流层中低层有利于出现降水。将两个时段综合起来，湿位涡大值区与实际强降水发生区比较一致。

    图15 30日14时750百帕湿位涡图 图16 30日20时750百帕湿位涡图

    4.4 CAPE

    对流有效位能是发生强对流天气的重要指标之一，而一次较大范围的强降水过程，除了层状云降水外，大尺度强斜升运动区中的中β尺度对流云团降水对总降水量的贡献十分重要。中β尺度对流云团的生成、发展伴随大量不稳定能量释放，而CAPE则可以很好的表征强对流发展的潜势。30日14时，CAPE大值区位于辽宁地区西部和北部（图17），由于存在大尺度环境提供的动力触发机制，较易出现CAPE转化为抬升动能的情况，形成中β对流云团，因此14时及以后数小时辽宁西部和北部易出现连续性降水和间歇性强降水。30日20时后，CAPE大值区仅存在于辽宁北部地区（图18），辽宁中南部CAPE值始终较小，因此无法生成对流云团，也无法出现间歇性强降水，最终此地区降水仅达到小雨或中雨量级，与辽宁西部、北部降水量相差一个量级。

    图17 30日14时CAPE图 图18 30日20时CAPE图

    5 结论

    （1）虽然是同一天气系统影响，但不同地区由于垂直运动与水汽输送情况不同，降水量也会产生很大差异。强降水区域需满足强上升运动区域与强水汽输送区域在空间和时间上重合。

    （2）各层水汽通量散度分布情况与降水量在空间和降水强度上存在强相关。

    （3）可利用对流层中下层湿位涡大值区追踪暴雨落区。

    （4）由于中尺度对流云团产生的间歇性强降水在大范围降水的总降水量中贡献巨大，CAPE大值区的分布对于强降水落区的判断具有重要指示意义。

    参考文献

    [1] 朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等. 天气学原理与方法[M]. 北京：气象出版社，2000：649.

    [2] 宋新辉，鄢志宇. 一次东北冷涡暴雨过程数值模拟分析[J]. 气象与环境学报，2004，20（1）：23-24.

    [3] 毕宝贵， 鲍媛媛， 李泽椿.“02 . 6” 陕南大暴雨的结构及成因分析[J]. 高原气象， 2006 ，25（1） ： 34-44 .

    [4] 毛冬艳， 乔林，陈涛， 等. 2004 年7 月10 日北京暴雨的中尺度分析[J ]. 气象， 2005 ，31（5） ：42-46.

    [5] 赵玉春， 王仁乔. 一次致洪暴雨的中尺度分析[J]. 气象科技2005 ，33 （3） ：245-249.

    [6] 刘健文，郭虎，李耀东，等. 天气分析预报物理量计算基础[M]. 北京：气象出版社， 2005 ：64-65 .

    [7] 赵桂香，程麟生，常素萍. 山西中部一次罕见暴雨的中尺度特征分析[J]. 气象科技， 2007 ，35 （4） ： 519-523 .

    [8] 郭虎，季崇萍，张琳娜， 等. 北京2004 年7 月10 日局地暴雨过程中的波动分析[J] . 大气科学， 2006 ， 30 （4） ：703-711.

    [9] Pedlosky J . Geophsical Fluid Dynamics. Oxford ： Oxford Press ， 1979. 31.

    作者简介：王昌双（1983—）， 男， 吉林磐石人，工程师，主要从事预报工作

    1

    将950百帕至300百帕的水汽通量散度作垂直积分，得到累积水汽通量散度，即空气柱水汽得失情况。数值越大，则从外部得到水汽越多。最终水汽走向大部分以降水形式结束。以30日20时刻为例（图14），累积水汽通量散度大值区有两个，最大的位于辽宁北部，其次位于辽宁东部山区，基本与强降水落区一致。而数值大小也与降水强度成正比关系。

    图14 30日20时垂直累积水汽通量散度图

    4.3 湿位涡分布特征

    湿位涡综合反映了某高度动力、热力特征，是同时表征高度场、温度场、湿度场分布特征的重要综合指标。30日14时（图15），在750百帕等压面上，湿位涡大值区的分布形状与700百帕的水汽通量散度大值区分布形状比较接近，均呈开口向东的“V”字形，预示14时及以后数小时内，在辽宁西北部和南部、东南部的温度场、高度场、湿度场在对流层中低层有利于出现降水。而到了30日20时（图16），湿位涡大值区集中在辽宁北部地区，预示20时及以后数小时内，辽宁北部地区的温度场、高度场、湿度场在对流层中低层有利于出现降水。将两个时段综合起来，湿位涡大值区与实际强降水发生区比较一致。

    图15 30日14时750百帕湿位涡图 图16 30日20时750百帕湿位涡图

    4.4 CAPE

    对流有效位能是发生强对流天气的重要指标之一，而一次较大范围的强降水过程，除了层状云降水外，大尺度强斜升运动区中的中β尺度对流云团降水对总降水量的贡献十分重要。中β尺度对流云团的生成、发展伴随大量不稳定能量释放，而CAPE则可以很好的表征强对流发展的潜势。30日14时，CAPE大值区位于辽宁地区西部和北部（图17），由于存在大尺度环境提供的动力触发机制，较易出现CAPE转化为抬升动能的情况，形成中β对流云团，因此14时及以后数小时辽宁西部和北部易出现连续性降水和间歇性强降水。30日20时后，CAPE大值区仅存在于辽宁北部地区（图18），辽宁中南部CAPE值始终较小，因此无法生成对流云团，也无法出现间歇性强降水，最终此地区降水仅达到小雨或中雨量级，与辽宁西部、北部降水量相差一个量级。

    图17 30日14时CAPE图 图18 30日20时CAPE图

    5 结论

    （1）虽然是同一天气系统影响，但不同地区由于垂直运动与水汽输送情况不同，降水量也会产生很大差异。强降水区域需满足强上升运动区域与强水汽输送区域在空间和时间上重合。

    （2）各层水汽通量散度分布情况与降水量在空间和降水强度上存在强相关。

    （3）可利用对流层中下层湿位涡大值区追踪暴雨落区。

    （4）由于中尺度对流云团产生的间歇性强降水在大范围降水的总降水量中贡献巨大，CAPE大值区的分布对于强降水落区的判断具有重要指示意义。

    参考文献

    [1] 朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等. 天气学原理与方法[M]. 北京：气象出版社，2000：649.

    [2] 宋新辉，鄢志宇. 一次东北冷涡暴雨过程数值模拟分析[J]. 气象与环境学报，2004，20（1）：23-24.

    [3] 毕宝贵， 鲍媛媛， 李泽椿.“02 . 6” 陕南大暴雨的结构及成因分析[J]. 高原气象， 2006 ，25（1） ： 34-44 .

    [4] 毛冬艳， 乔林，陈涛， 等. 2004 年7 月10 日北京暴雨的中尺度分析[J ]. 气象， 2005 ，31（5） ：42-46.

    [5] 赵玉春， 王仁乔. 一次致洪暴雨的中尺度分析[J]. 气象科技2005 ，33 （3） ：245-249.

    [6] 刘健文，郭虎，李耀东，等. 天气分析预报物理量计算基础[M]. 北京：气象出版社， 2005 ：64-65 .

    [7] 赵桂香，程麟生，常素萍. 山西中部一次罕见暴雨的中尺度特征分析[J]. 气象科技， 2007 ，35 （4） ： 519-523 .

    [8] 郭虎，季崇萍，张琳娜， 等. 北京2004 年7 月10 日局地暴雨过程中的波动分析[J] . 大气科学， 2006 ， 30 （4） ：703-711.

    [9] Pedlosky J . Geophsical Fluid Dynamics. Oxford ： Oxford Press ， 1979. 31.

    作者简介：王昌双（1983—）， 男， 吉林磐石人，工程师，主要从事预报工作

    1

    将950百帕至300百帕的水汽通量散度作垂直积分，得到累积水汽通量散度，即空气柱水汽得失情况。数值越大，则从外部得到水汽越多。最终水汽走向大部分以降水形式结束。以30日20时刻为例（图14），累积水汽通量散度大值区有两个，最大的位于辽宁北部，其次位于辽宁东部山区，基本与强降水落区一致。而数值大小也与降水强度成正比关系。

    图14 30日20时垂直累积水汽通量散度图

    4.3 湿位涡分布特征

    湿位涡综合反映了某高度动力、热力特征，是同时表征高度场、温度场、湿度场分布特征的重要综合指标。30日14时（图15），在750百帕等压面上，湿位涡大值区的分布形状与700百帕的水汽通量散度大值区分布形状比较接近，均呈开口向东的“V”字形，预示14时及以后数小时内，在辽宁西北部和南部、东南部的温度场、高度场、湿度场在对流层中低层有利于出现降水。而到了30日20时（图16），湿位涡大值区集中在辽宁北部地区，预示20时及以后数小时内，辽宁北部地区的温度场、高度场、湿度场在对流层中低层有利于出现降水。将两个时段综合起来，湿位涡大值区与实际强降水发生区比较一致。

    图15 30日14时750百帕湿位涡图 图16 30日20时750百帕湿位涡图

    4.4 CAPE

    对流有效位能是发生强对流天气的重要指标之一，而一次较大范围的强降水过程，除了层状云降水外，大尺度强斜升运动区中的中β尺度对流云团降水对总降水量的贡献十分重要。中β尺度对流云团的生成、发展伴随大量不稳定能量释放，而CAPE则可以很好的表征强对流发展的潜势。30日14时，CAPE大值区位于辽宁地区西部和北部（图17），由于存在大尺度环境提供的动力触发机制，较易出现CAPE转化为抬升动能的情况，形成中β对流云团，因此14时及以后数小时辽宁西部和北部易出现连续性降水和间歇性强降水。30日20时后，CAPE大值区仅存在于辽宁北部地区（图18），辽宁中南部CAPE值始终较小，因此无法生成对流云团，也无法出现间歇性强降水，最终此地区降水仅达到小雨或中雨量级，与辽宁西部、北部降水量相差一个量级。

    图17 30日14时CAPE图 图18 30日20时CAPE图

    5 结论

    （1）虽然是同一天气系统影响，但不同地区由于垂直运动与水汽输送情况不同，降水量也会产生很大差异。强降水区域需满足强上升运动区域与强水汽输送区域在空间和时间上重合。

    （2）各层水汽通量散度分布情况与降水量在空间和降水强度上存在强相关。

    （3）可利用对流层中下层湿位涡大值区追踪暴雨落区。

    （4）由于中尺度对流云团产生的间歇性强降水在大范围降水的总降水量中贡献巨大，CAPE大值区的分布对于强降水落区的判断具有重要指示意义。

    参考文献

    [1] 朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等. 天气学原理与方法[M]. 北京：气象出版社，2000：649.

    [2] 宋新辉，鄢志宇. 一次东北冷涡暴雨过程数值模拟分析[J]. 气象与环境学报，2004，20（1）：23-24.

    [3] 毕宝贵， 鲍媛媛， 李泽椿.“02 . 6” 陕南大暴雨的结构及成因分析[J]. 高原气象， 2006 ，25（1） ： 34-44 .

    [4] 毛冬艳， 乔林，陈涛， 等. 2004 年7 月10 日北京暴雨的中尺度分析[J ]. 气象， 2005 ，31（5） ：42-46.

    [5] 赵玉春， 王仁乔. 一次致洪暴雨的中尺度分析[J]. 气象科技2005 ，33 （3） ：245-249.

    [6] 刘健文，郭虎，李耀东，等. 天气分析预报物理量计算基础[M]. 北京：气象出版社， 2005 ：64-65 .

    [7] 赵桂香，程麟生，常素萍. 山西中部一次罕见暴雨的中尺度特征分析[J]. 气象科技， 2007 ，35 （4） ： 519-523 .

    [8] 郭虎，季崇萍，张琳娜， 等. 北京2004 年7 月10 日局地暴雨过程中的波动分析[J] . 大气科学， 2006 ， 30 （4） ：703-711.

    [9] Pedlosky J . Geophsical Fluid Dynamics. Oxford ： Oxford Press ， 1979. 31.

    作者简介：王昌双（1983—）， 男， 吉林磐石人，工程师，主要从事预报工作

    1