98.6连续暴雨的对称不稳定研究
毛连海1 ， 张 瑛1 ， 刘志雄2 ， 郭达烽1
（1.江西省环境预报中心，江西 南昌 330046；2.湖南省娄底市气象台,湖南 娄底 417000)
摘 要：通过分析98.6连续暴雨过程的扰动风场与降水强度之间的关系,以及扰动风场与非线性和线性对称不稳定之间的关系，进而研究非线性和线性对称不稳定与降水强度和位置之间的关系，认为在日常降水预报中应注意扰动风场的变化以及非线性和线性对称不稳定。
关键词：扰动风场 对称不稳定 降水强度 降水位置
中图分类号：P458.1＋21.1 文献标识码：A 文章编号：1007－9033(2003)01－0011－05
1 资料和方法
通过对1998年6月11日00时～23日00时这段连续暴雨过程的实况资料(地面资料6 h 1次，探空资料12 h 1次)进行客观分析，插值到以30°N、115°E为中心，水平方向上格数为61×61，格距为60 km的正方形网格域上，对u分量求纬向扰动u＊。针对这段时间降水纬度位置相对稳定的特点，我们选取116°E～120°E这段资料相对准确的区域场，对u＊作区域的纬向平均u＊，以代表区域平均的扰动状况，并求得23°N～36.5°N所有常规层次中u＊的最强值中的最大者um＊。um＊>10 m/s则可满足非线性(即亚临界)对称不稳定[1]，um＊愈大愈不稳定。对降水求12 h的累加值R12，并在116°E～120°E、25°N～32°N区域内求得降水量极大值R12m,以代表该区域的最大降水强度。通过对降水强度和扰动风场强度随时间变化的分析,研究扰动风场强度与降水强度之间的关系,进而研究非线性对称不稳定与降水之间的关系。通过统计高低层扰动场的位置和降水区的范围,以确定降水位置与高低空扰动场配置位置之间的关系。
利用公式可计算出S的值。式中ξa是绝对涡度，Ri是里查逊数,f为地转参数，S为对称不稳定（即指线性）判据[2]。当S<0时为线性对称不稳定,S=0时为中性，S>0时为线性对称稳定。求得S后可在116°E～120°E对S作区域平均S，以代表区域平均的不稳定状况，并求得23°N～36.5°N所有层次中S的极小值中的最小者Sm，进而研究扰动风场、非线性对称不稳定与对称不稳定之间的关系，研究非线性对称不稳定、线性对称不稳定和降水强度之间的关系。
2 降水过程分析
通过对1998年6月11日00时～6月23日00时的累积降水量(图略)分析，可以看出，降水量>400 mm的降水区主要有2个：东部降水量>400 mm的范围为116°E～120°E、26°N～29°N，中心在28°N、118.5°E,中心降水量在700 mm以上。西部降水量>400 mm的范围为109.5°E～111°E、24.5°N～25.5°N,中心在25°N、101.5°E，中心降水量在400 mm以上。针对包含东部降水区的116°E～120°E、25°N～32°N的12 h降水量进行统计分析，可以发现11日00时该区域内降水微弱；11日12时，该区域内出现>25 mm的降水中心，中心位于26°N、117.5°E，降水量达41.4 mm；12日00时，中心在30.5°N、117°E，中心值111.2 mm（图略）；12日12时，降水发生南北向的摆动，使得116°E以东、27°N以北的江淮流域广大地区降水量达25 mm以上，最强中心位于118°E、29.5°N，降水量达54.5 mm。其后，降水中心的纬度基本上稳定在27°N～29.5°N。其中只有16日00时该区域内降水微弱，中心偏北，位于30.5°N、118.5°E,降水量15.2 mm。由上面分析可见，该时段降水基本位于长江以南一个相对稳定的纬带上。
我们可将降水粗分为3大段：（1） 11日00时～16日00时；(2) 16日00时～21日00时；(3) 21日00时～23日00时。第1、2大段中又可以分别细分为若干小段。第1大段可分为4小段：(1) 11日00时～12日12时；(2) 12日12时～13日12时；(3) 13日12时～15日00时；（4） 15日00时～16日00时。第2大段可分为2小段：（1） 16日00时～17日12时；(2) 17日12时～21日00时。
3 扰动风场和降水强度的关系
由图1可知，三大段降水的降水量最大值与该段扰动风场的最大值在时间上有较好的对应关系（即13日12时，19日00时和21日00时），而且这些时次扰动风场满足非线性对称不稳定条件。又由图1可知，（1）
11日12时～12日00时，扰动风场由4.5 m/s增加到10.7 m/s，对应降水量由41.4 mm增加到111.2 mm；（2） 20日00时～20日12时扰动风场由6.3 m/s增加到10.6 m/s,对应21日00时到21日12时降水量由42.1 mm增加到117 mm。（3） 12日12时～13日00时扰动风场由11.8 m/s增加到17.2 m/s,对应降水量由54.5 mm增加到125.2 mm；(4) 14日12时～15日12时扰动风场由5.5 m/s增加到9.1 m/s,对应15日00时～15日12时降水量由36.1 mm增加到71.5 mm；(5) 17日00时～17日12时扰动风场由7 m/s增加到10.8 m/s,对应17日00时～19日12时降水量由39.5 mm增加到82.5 mm。可见降水的加强与扰动风场的加强关系密切。
为了更好的反映降水趋势和扰动风场之间的关系，我们对扰动风场和降水作了时间3点平滑(图2)。由图2可见，虽然时间3点平滑对极值有一定的削弱作用，但两者之间的关系反映的更为明显。从形态上看扰动风场时间3点平滑曲线与降水量时间3点平滑曲线形态极为相似，扰动风场的峰值和谷值有时与降水的峰值和谷值同时出现，有时超前于降水的峰值和谷值。其中同时出现的时次有：13日00时和19日00时的峰值。超前出现的时次有：14日12时、16日12时和20日00时的谷值；15日12时和21日12时出现的峰值。从13日00时、19日00时和21日12时3个满足非线性对称不稳定的峰值看，它们都对应着降水的极大值。
由上面分析可知：扰动风场的增长与降水的增长关系密切，扰动风场的增长有时有超前于降水增长的情况，满足非线性对称不稳定的扰动风场的峰值与降水的峰值有较好的对应关系，可能非线性对称不稳定的出现对降水的增强有一定的触发作用。
4 扰动风场与非线性和线性对称不稳定之间的关系
由图3可见，扰动风场和Sm之间基本呈反位相关系。尤其是在：（1） 12日12时～13日00时，扰动风场由11.8 m/s增加到17.2 m/s,同时Sm由0.32减小到－0.39；（2） 14日12时～15
日00时，扰动风场由5.5 m/s增加到9.1 m/s,对应15日00时～15日12时的Sm由－0.15减小到－0.48；（3） 17日00时～17日12时，扰动风场由7 m/s增加到10.8 m/s,同时Sm由0.04减小到－0.35；（4） 20日00时～20日12时，扰动风场由6.3 m/s增加到10.6 m/s,对应20日12时～21日00时的Sm由0.37减小到－0.14；（5）21日00时～21日12时，扰动风场由9.7 m/s增加到13.9 m/s,对应21日12时～22日12时的Sm由0.27减小到－0.08。对于第1、3、4、5种情况，同时或其后有线性对称不稳定条件由不满足到满足;对于第2种情况，已满足对称不稳定条件，扰动风场随时间的增加，促进了线性对称不稳定的加强。由上面的分析可见，扰动风场的加强与线性对称不稳定的发生和加强关系密切。当扰动风场较大时，线性对称稳定的大气可能在同时或其后变得不稳定。
为了更好地反映两者之间的关系，我们对扰动风场和Sm作了时间3点平滑(图4)。由图4可见，扰动风场时间3点平滑曲线与Sm时间3点平滑曲线反位相形态更为明显。扰动风场的增强对应着Sm的减小，扰动风场的减弱对应着Sm增大。在大多数情况下，扰动风场达到极大值（极小值）的时间同时或稍微超前于Sm达到极小值（极大值）的时间，仅在19日00时出现了滞后现象。从扰动增长触发时间上看，扰动增长触发时间与Sm开始减小的时间同时或较Sm开始减小的时间早。因此，扰动风场的强弱变化与对称不稳定关系密切，扰动风场随时间的增强对对称不稳定有一定的加强作用。
5 对称不稳定和降水强度之间的关系
我们将对Sm(对称不稳定判据最小值)的分析与上面对图1上的扰动风场的分析在时间上对应起来(图5)，可以发现：（1） 11日12时～12日00时，Sm由0.08增加到0.29；（2） 20日00时～20日12时，Sm由－0.02增加到0.37；(3) 12日12时～13日00时，Sm由0.32减小到－0.39；(4) 14日12时～15日12时，Sm由－0.15减小到－0.48；（5） 17日00时～17日12时，Sm由0.03减小到－0.35。由此可见，对于第1、2种情况，即（1）中11日12时～12日00时的扰动风场和Sm，对应降水量由41.4 mm增加到111.2 mm；（2）中20日00时～20日12时的扰动风场和Sm，对应21日00时到21日12时降水量由42.1 mm增加到117 mm。这是明显的非线性对称不稳定，而线性对称稳定。这正好对应着第1和第3大段降水的前期。第3、5种情况，即（3）中12日12时～13日00时的扰动风场和Sm，对应降水量由54.5 mm增加到125.2 mm；（5）中17日00时～17日12时的扰动风场和Sm，对应17日00时～19日12时，降水量由39.5 mm增加到82.5 mm。这是线性对称不稳定，但同时也满足非线性对称不稳定条件。这正好对应着第1、第2大段各自的第2小段的降水增长部分。第4种情况，即（4）中14日12时～15日12时的扰动风场和Sm，对应15日00时～15日12时降水量由36.1 mm增加到71.5 mm。这是明显的线性对称不稳定，但非线性对称不稳定判据还未达到。这正好对应着第一大段最后一小段的降水增长部分。
由上面分析可见，无论是满足线性对称不稳定、非线性对称不稳定还是两者都满足，降水量的增幅都能接近1倍或1倍以上。非线性对称不稳定在降水的起始阶段作用较大；在降水的中间阶段，非线性对称不稳定和对称不稳定同时存在，共同对降水起作用；在降水末期的降水增长阶段，线性对称不稳定作用明显。因而非线性对称不稳定和线性对称不稳定与降水的增强关系密切，非线性对称不稳定是通常的线性对称不稳定判据的一个很好的补充。
6 扰动风场、对称不稳定和降水位置之间的配置关系
由表1可以看出，降水区基本位于高层扰动极大值和低层扰动极大值所在的纬度之间。仅在12日00时例外，但在高层400 hPa、32°N内,有1个次强的极大值中心，降水发生在该中心与低层扰动极大值所在的纬度之间。这是由于此时高层扰动场开始北跳所致。12日00时后，降水中心的纬度位置也较稳定，中心纬度在12 h的变动，基本上在1个纬距之内（仅19日00时变动达1.5个纬距）。
表1 高低层扰动风场极大值的纬度和降水纬带
高层扰动极大值的南侧，有反气旋式涡度；低层扰动极大值的北侧，有气旋式涡度。这样的配置有利于上升运动。高层扰动的加强，更有利于上升运动。也许这是暴雨加强的原因之一。通过对表1的计算，我们得到高层扰动极大值的平均位置在31.7°N,低层扰动极大值的平均位置在24.5°N,降水区的南界平均位置为26.5°N,降水区的北界平均位置为29.3°N，强降水中心平均纬度为28.1°N。这一时段的连续暴雨基本落在高层扰动极大值平均位置和低层扰动极大值平均位置之间，降水中心全部位于高层扰动极大值平均位置和低层扰动极大值平均位置之间。
7 结语
(1) 扰动风场的增长与降水的增长关系密切，扰动风场的增长有超前或同时于降水增长的情况。扰动风场的强弱变化与线性对称不稳定关系密切，扰动风场随时间的增强对线性对称不稳定有一定的加强作用，而线性对称不稳定与降水的增强关系密切。因此，在日常天气预报中应注意扰动风场的变化。
(2) 满足非线性对称不稳定的扰动风场的峰值和位置与降水的峰值和位置有较好的对应关系，可能非线性对称不稳定的出现对降水的增强有一定的触发作用，非线性对称不稳定是通常的线性对称不稳定判据的一个很好的补充,在预报中应同时注意非线性和线性对称不稳定。
参考文献
1 陆维松.亚临界正压对称不稳定的研究[J].气象学报，2001，59（6）:641～651.
2 刘子臣，张健宏，梁生俊.中尺度对称不稳定的诊断应用[J].南京气象学院学报,1997，20(3)：400～404.
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收稿日期：2002年12月16日
第一作者简介：毛连海(1968－)，男，工程师，硕士研究生，主要从事天气预报工作.
