河南省两场初雪的q矢量诊断分析

1 河南省两场初雪的Q矢量诊断分析 匡晓燕 1 王蕊 2 宋清芝 2 (1. 南京气象学院大气科学系江苏 南京 2100442.河南省气象台 河南 郑州 450003) 摘 要 2 0 0 3 年 1 1 月 8 - 9 日河南省发生了近 1 0 年来入冬最强的初雪过程这是 1 0 年来唯一一次初雪即达到 暴雪的过程利用 Q 矢量方法和常规观测资料将 2 0 0 3 年 1 1月 8 - 9 日和 2 0 0 0 年 1 1月 7 - 8 日过程中的 Q 矢量和水汽条件进行对比分析结果表明Q矢量散度场水汽通量散度和 Q矢量湿锋生函数与河南省暴 雪预报有较好的对应关系对河南省的降雪预报有指示作用 关键词Q 矢量散度场 Q 矢量湿锋生函数 水汽通量散度 暴雪 1 引言 2 0 0 3 年 1 1 月 8 - 9 日河南省发生了入冬以来的第一场寒潮暴雪天气过程这次过程也 是近 1 0 年来最强的一次初雪过程 其中西部和西北部地区达到暴雪 信阳地区为中到大雨 除濮阳地区外省内其余地区为大雪过程从 8 日开始到 1 7 时除信阳外全省均转为降雪9 日 0 8 时到 2 0 时 1 2 小时降雪量达 5 m m 的站有 3 1 个 普查 1 0 年来出现在 1 1 月上旬的初雪过 程仅有的另一次出现在 2 0 0 0 年 1 1 月 7 - 8 日但过程降水范围和量级均小北部大雪西 部仅下小雪 近年来Q 矢量方法被作为一种诊断工具用于短期天气预报业务这种方法不仅避免 了传统方程右边涡度平流和温度平流作用的两项互相抵消问题而且又避免了 S u t c l i f f e 方法中略去地转变形项作用的不足且物理意义清楚计算简便适用于整个对流层利用 Q 矢量方法诊断大气垂直运动的方向和强度可用于分析地转风场中的锋生和锋消作用该 方法对于实时天气诊断分析和预报有重要意义 本文利用常规资料 计算了两次初雪过程的 Q 矢量物理量场探讨 2 0 0 3年初雪过程中暴雪的成因和 Q 矢量物理量在暴雪预报中的作用 以利于做好暴雪预报 2 环流形势和主要影响系统 2 . 1 2 0 0 3年 1 1月 8 9日过程环流形势和主要影响系统 2 0 0 3 年 1 1 月 7日 5 0 0 h P a 高度场上太梅尔半岛和鄂霍次克海分别为一低压中心 从贝加尔湖到咸里海东侧为一东西向的横槽 黄河中下游受平直的西风环流控制 印度半岛 到孟加拉湾附近有一低槽在加深东移8 日环流形势开始反位相调整新疆西部有弱脊生 成 9 日 新疆高压脊发展加强 贝湖横槽转竖引导冷空气南下 同时南支槽加深东移到 1 0 5 E 附近河南省西南气流加强 7 0 0 h P a图上8日 2 0时四川西部有低压环流前部有东西向的切变线伸到陕南9 日 0 8 时低压东移到陕南地区切变线继续东伸位于西安郑州到济南一线8 5 0 h P a 的 2 切变线偏南在 3 0 N 以南9 日河南省的大到暴雪出现在 7 0 0 h P a 切变线以南8 5 0 h P a 切 变线以北的区域, 1 0 日过程结束 2 . 2 2 0 0 0年 1 1月 7 8日过程环流形势和主要影响系统 2 0 0 0 年 1 1 月 5 日 5 0 0 h P a 高度场上贝加尔湖地区有 5 2 0 位势什米的低压中心6 日 青藏高原东部有小槽分裂并沿中纬度的平直西风东移7 日低槽加深东移到 1 0 5 E 位置 偏西中低层 7 0 0 h P a 和 8 5 0 h P a 无明显的辐合系统7 日夜里河南省西部地区普降小雪 北部大雪 2 . 3 环流形势和主要影响系统的不同 两次过程中均发生了强寒潮过程不同之处是 2 0 0 3 年过程中的寒潮天气在降雪出现 之前即前期冷空气已下来而 2 0 0 0 年过程中寒潮天气出现在降雪之后冷空气下来降雪 过程结束且 2 0 0 3 年的暴雪发生在 5 0 0 h P a横槽转竖的过程中南支槽有一个加深的过程 而 2 0 0 0 年初雪过程中低涡位置相对与 2 0 0 3的低涡位置偏东偏南 冷空气势力太强 而南支 槽偏南因此2 0 0 3年初雪过程中水汽条件好降水范围大时间长产生了大范围的大到 暴雪过程 3 Q 矢量场的诊断分析 我们计算了两次初雪过程的 Q 矢量物理量场 诊断分析暴雪的形成机制和 Q 矢量物理 量在暴雪预报中着眼点 3 1 Q矢量的计算方法 跟据文献 Q 矢量和 Q 矢量诊断物理量场由以下式得出 其中sin2=ff 为地转参数为地球自转角速度其值等于 7 . 2 9 2 1 0 - 5 s - 1 x H f v y H f u gg = = 8.9 , 8.9 = px V Q g x + = pyx v pxx u gg + = pyy v pxy u gg = py V Q g y 3 Q 矢量散度用式计算 y Q x Q QD + = Q 矢量湿锋生函数用式计算 y Q x QQF se y se xse + = 3 . 2 Q矢量诊断场分析 3 . 2 . 1 两次过程中湿 Q 矢量散度场分析 采用低层 7 0 0 h P a 非地转湿 Q 矢量由于低层非地转湿 Q 矢量辐合区通常是上升运动 激发区 非地转湿 Q 矢量散度表示的是产生垂直运动的强迫机制的强弱 Q * 5 m m 站 1 2小时雪量 m m 0 8 日 0 8 时 黄河以南 - 2 0 黄河以南 1 8 雨加雪 1 2 0 8 日 2 0 时 无 西部 8 雪 7 0 9 日 0 8 时 全省 - 8 0 全省 3 1 雪 1 2 雨 2 2 0 9 日 2 0 时 信阳地区 - 1 3 信阳北部 0 雪 0 . 4 3 . 2 . 1 . 2 2 0 0 0 年初雪过程湿 Q 矢量散度场 在 2 0 0 0 年 1 1 月 7 8 日的暴雪过程中湿 Q 矢量散度场图上 0 7 日 0 8 时西南部处 于辐合区其他地区均为辐散区到 0 7 日 2 0 时河南全省基本转为辐合辐合中心值- 6 4 1 0 - 1 7 h P a - 1 s - 3 0 8 日 0 8 时只有北部辐合省内其它地区已转为辐散此次过程的降雪时间在 7 日 2 0 时到 8 日 0 8 时与此对应 1 2 小时降雪区域如图 2 . b 图 2 a 0 0- 1 1 - 7日 2 0时湿 Q矢量散度场 图 2 b 0 0 - 1 1 - 7日 2 0 - 8日 0 8时 1 2小时雨量 3 . 2 . 1 . 3 两场初雪过程 7 0 0 h P a Q 矢量散度场总结 由以上分析可以看出在 0 3 年过程中 7 0 0 h P a Q 矢量散度场上表现出两次辐合加强的 过程对应到天气图上5 0 0 h P a 上 8 日 0 8 时和 9 日 0 8 时是两个南支槽过的过程7 0 0 h P a 上表现为切变线 8 日 0 8 时切变线偏西偏南 9 日 0 8 时切变线在河南省 本次过程中 7 0 0 h P a Q 矢量散度场上清楚低表现出了两次辐合过程且与 8 日和 9 日 0 8 2 0 时两个时段的降雪 相对应 而 2 0 0 0 年只有 7 日 2 0 时一个时段的辐合 降水过程中的动力条件小 降水时间短 因此降水量较小 两次过程中 Q 矢量散度场较好的反应出降水过程中的中低层的辐合区 辐 合区的大小和强弱也可作为降水预报的参考 3 . 2 . 2 Q 矢量湿锋生函数 Q 矢量湿锋生函数是反映锋区加强或减弱的物理量与假相当位温梯度项地转运动 的水平切变及南北汇合项有关当 se Q 0 时气团锋生当 se Q 时气团锋消 计算两次过程中的 Q 矢量湿锋生函数用 5 0 0 h P a 7 0 0 h P a和 8 5 0 h P a的中低层平均 Q 5 矢量湿锋生函数对两次过程进行诊断下面分析其与降雪的关系 3 . 2 . 2 . 1 2 0 0 3 年初雪过程中低层 Q 矢量湿锋生函数 分析发现 2 0 0 3 年 1 1 月 8 - 9 日过程中中低层Q 矢量湿锋生函数图上有两次锋生过程 8 日 0 8 时河南省全省温度水平梯度较大除南部外的其它地区全部均为正值即锋生区域 尤其是北部和西北部地区中心值在 2 0 1 0 - 1 6 K h P a - 1 s - 3以上 8 日 2 0 时锋生强度有所 减弱全省均在 3 - - 1 0 1 0 - 1 6 K h P a - 1 s - 3之间 9 日 0 8 时北部又有强烈的锋生中心值为 1 9 1 0 - 1 6 K h P a - 1 s - 3 见图 3 a由天气图上可分析出地面又有冷空气补充与东移的南支槽 交汇造成 9 日白天全省的强降雪而北中部的强锋生梯度带也与暴雪的落区对应9 日 2 0 时锋生区在黄河以南且强度减弱过程结束这两次锋生过程也与 8 日和 9 日 0 8 2 0 时 1 2 小时的两个降水阶段对应 图 3 a 0 3- 1 1 - 9日 0 8时 Q矢量湿锋生函数 图 3 b 0 0 - 1 1 - 7日 2 0时 Q矢量湿锋生函数 3 . 2 . 2 . 2 2 0 0 0 年初雪过程中低层 Q 矢量湿锋生函数 Q 矢量湿锋生函数图上6 日 2 0 时到 7 日 0 8 时河南省北部是锋生区域中心值在 1 0 1 0 - 1 6 K h P a - 1 s - 3以上 7 日 2 0 时如图 3 . a河南省北部东部为正值即处于锋生区 域中心值为 1 3 1 0 - 1 6 K h P a - 1 s - 3 8 日 0 8 时全省基本锋消 3 . 2 . 2 . 3 两场初雪中低层 Q 矢量湿锋生函数总结 综合两个过程中 Q 矢量湿锋生函数反映出的锋生和锋消情况来看锋生过程基本未 来 1 2 小时的降水相对应且 0 3 年暴雪中的锋生强度大于 0 0 年强锋生区也与暴雪区相对 应 3 . 2 . 3 两次过程水汽条件分析 产生暴雪的充要条件之一是要有充沛的水汽供给和水汽辐合将两次过程中 1 0 0 0 - - 6 0 0 h P a 各层的水汽通量散度平均后分析两次过程的水汽输送情况 3 . 2 . 3 . 1 2 0 0 3 年过程中水汽条件分析 2 0 0 3 年 1 1 月 8 日 0 8 时2 0 时和 9 日 0 8 时水汽通量散度图上河南省的水汽通量散 6 度有一个逐渐加大过程8日 0 8时辐合区在河南省西南部在江西有一个- 1 4 1 0 - 8 g c m - 2 h P a - 1 s - 1的负值中心 到 2 0 时辐合区扩大到河南 图 4 a 0 3- 1 1 - 9日 0 8时低层水汽通量散度 图 4 b 0 0 - 1 1 - 7日 2 0时低层水汽通量散度 省南部和东部这时从水汽通量散度图上看有两条水汽通道一条从孟加拉湾经云南江 西 湖北到河南省 另一条水汽通道从东海 黄海经江苏 安徽到河南省 到 9 日 0 8 时 见 图 4 a 河南全省均在辐合区里 辐合值达到最大 全省大都在- 4 - 6 1 0 - 8 g c m - 2 h P a - 1 s - 1 之间其中西南部最大值是- 7 1 0 - 8 g c m - 2 h P a - 1 s - 1 这时安徽江苏湖南和