Diagnostic Analysis of Potential Vorticity and Vertical Motion in a Torrential Rainfall Event Associated with Dry Intrusion in the Summer of 2020
-
摘要: 2020年夏季我国长江流域频繁的暴雨事件与中、高纬度高位势涡度（简称位涡）南侵过程有关。基于观测和ERA5再分析资料，本文利用位涡诊断、垂直速度分解以及后向轨迹追踪模拟的方法对7月上旬一次暴雨过程进行了动力学归因研究。结果表明：中、高纬度高位涡的侵入往往伴随干侵入的发生，高位涡南侵与高层槽、脊系统振幅增大及其辐合/辐散过程对位涡的平流有关。动力上，高位涡侵入和低空位涡增强会导致等熵面的倾斜发展，反映在等熵面位移造成的垂直速度分量变化上；高空偏北风沿等熵面的下滑导致下沉垂直运动分量发展，进而形成干侵入过程；相反，偏南风沿等熵面的上升运动会向高层持续输送水汽，水汽抬升凝结导致与非绝热加热相关的垂直速度分量发展，进一步导致抬升运动加强，触发对流起始。对流发生后，强降水引起对流层中、低层的潜热释放，因其垂直分布在低空随高度增加而制造位涡，增强的低涡通过影响等熵面结构和垂直运动促进降水进一步增强，位涡、强降水以及与三个垂直速度分量之间的正反馈机制是长江流域暴雨维持和发展的重要原因。Abstract: In the summer of 2020, frequent rainstorm events hit the Yangtze River Basin (YRB) in China. These rainstorms were closely related to the southward intrusion of high-value potential vorticity (PV) at the mid-to-high latitudes. Based on observational data and ERA5 reanalysis data, the dynamic mechanism of a rainstorm process in early July 2020 was investigated through PV diagnosis, vertical velocity decomposition, and backward trajectory tracking simulation. The results show that the southward PV intrusion, which was often coupled with dry intrusion processes, was related to the amplification of trough and ridge systems, as well as the PV advection caused by their convergence/divergence processes in the upper troposphere. Dynamically, the high-value PV intrusion in the upper troposphere and the PV development in the lower level jointly resulted in the tilting of isentropic surfaces, which was reflected in the change of vertical velocity component caused by the displacement of isentropic surfaces. The development of the vertical velocity component in relation to descending motion was attributed to the upper-level northerlies gliding along the isentropic surfaces, leading to a dry intrusion process. On the other hand, the southerlies continued to move along the sloping isentropic surfaces, persistently transporting water vapor upward. In such a manner, the condensation process accompanying the water vapor uplift further led to the development of the vertical velocity component related to non-diabatic heating, thereby reinforcing the vertical motion and triggering convection. After the onset of the convective motion, strong rainfall caused significant latent heat release in the middle and lower troposphere, which led to PV due to its vertical distribution that increased with height in the lower level. The enhanced vortices further promoted rainfall development by affecting the isentropic surface structure and vertical motion. It is the positive feedback mechanism among the PV, strong rainfall, and the three vertical motion components that maintained and promoted the rainstorm over the YRB.
-
Key words:
- potential vorticity /
- rainstorm /
- dry intrusion /
- vertical motion /
- backward trajectory tracking
-
图 1 2020年夏季(6—8月)相对于气候态的降水异常百分比(阴影，单位：%)和降水异常标准差(等值线，单位：mm)分布
打点表示达到暴雨量级(>50 mm)的降水过程频次超过5天的区域。绿色和红色阴影分别表示气候平均(1980—2020年)的夏季(6—8月)500 hPa等压面以及相应的2020年夏季500 hPa等压面的西北太平洋副热带高压覆盖区域，以各自对应的500 hPa等压面上588 dagpm等值线(以绿色和红色虚线表示)划分其具体位置。红色方框表示长江中下游关键区(102~120 °E，27~35 °N)。蓝色曲线分别表示黄河和长江。
图 2 2020年夏季长江中下游关键区区域平均逐日降水量（黑色曲线，单位：mm）以及气候态区域平均逐日降水量（粗紫色曲线，单位：mm）的时间序列(a)，与气候态相比的正（负）降水异常用蓝色（红色）表示; 2020年夏季沿着102~120 °E平均的高空350 K等熵位涡(红色阴影，单位：PVU)以及降水分布(蓝色阴影，单位：mm)的时间-纬度剖面(b); (c)同(b)，但为700 hPa径向风分量(阴影，单位：m·s−1)以及500 hPa垂直速度(等值线，单位：Pa·s−1)
(b)中黑色粗实线表示0.5 PVU的位涡。(b)和(c)中红色虚线表示雨带中心的南北位置随时间的演变。
图 3 2020年7月1日(a)、3日(b)、5日(c)、7日(d)、9日(e)以及11日(f)的高空350 K的等熵位涡(红色阴影，单位：PVU)，等熵风矢量(矢量，单位：m·s−1)，以及逐日降水场(蓝色阴影，单位：mm) 分布
灰色阴影表示大于3 000 m的地形。蓝色曲线分别表示黄河和长江。
图 4 2020年7月3日(a)、5日(b)、7日(c)、以及9日(d)700 hPa假相当位温场(黑色等值线，单位：K)，相对湿度(紫色等值线，单位：%)，水汽通量(矢量，单位：10−3 kg·m−1·Pa−1·s−1)，以及整层积分(300~1 000 hPa)的水汽通量散度(阴影，单位：10−3 kg·m−2·s−1) 的分布
灰色阴影表示地形大于3 000 m高度的青藏高原地区。蓝色曲线分别表示黄河和长江。
图 5 2020年7月7日与7月3日对流层内(200~1000 hPa)平均的垂直速度(阴影填色，单位：Pa·s−1)，500~1000 hPa的温度(阴影网格，单位：K)以及比湿(等值线，单位：g·kg−1) 的差值场
灰色阴影表示大于3 000 m的地形。蓝色曲线分别表示黄河和长江。
图 6 2020年7月1日—7月7日期间沿109~115 °E平均的位涡倾向(阴影，单位：10−5 PVU·s−1)的高度-纬度剖面(a)；(b)、(c) 和(d)同(a)，但分别为位涡的水平平流贡献，水平向非绝热加热过程的贡献以及垂直向非绝热加热过程的贡献(阴影，单位：10−5 PVU·s−1)
(b)中黑色等值线表示位涡的垂直平流贡献(单位：10−5 PVU·s−1)，(c)和(d)中红色等值线表示非绝热加热(单位：10−4 K·s−1)的分布。灰色阴影表示地形。
图 7 2020年7月4日(a)和7月6日(b)350 K等熵面的辐散风分量对位涡的平流(阴影，单位：PVU·s−1)和相应的辐散风场(矢量，单位：m·s−1)的分布
黑色虚线表示350 K等熵面位涡的分布(单位：PVU)。灰色阴影表示大于3000 m的地形。蓝色曲线分别表示黄河和长江。
图 8 2020年7月1日(a)，7日(b)，和11日(c)沿114~120 °E平均的位涡(红色阴影，对应左侧色标，单位：PVU)，位温(绿色虚线，单位：K)以及环流场(矢量，经向速度单位：m·s−1，垂直速度单位：−50 Pa·s−1)的高度-纬度剖面；2020年7月7日相应的温度平流(阴影，对应右侧色标，单位：10−4 K·s−1)和比湿场(等值线，单位：g·kg−1)的高度-纬度剖面(d)
灰色阴影表示地形。
图 9 2020年7月1日(a1)、7日(a2)、和11日(a3)沿114~120 °E平均的环流场(矢量，经向速度单位：m·s−1，垂直速度单位：−50 Pa·s−1)以及垂直速度分量ωID阴影，单位：Pa·s−1)的高度-纬度剖面；b1~b3同a1~a3，但为垂直速度分量ωIG的分布，绿色等值线表示位温；c1~c3同a1~a3，但为垂直速度分量ωQ的分布
灰色阴影表示地形。
-
[1] TAO S Y, CHEN L. A review of recent research on East Asian summer monsoon in China[M]. London: Oxford University Press, 1987. [2] LAU K M, YANG G J, SHEN S H. Seasonal and intraseasonal climatology of summer monsoon rainfall over East Asia[J]. Mon Wea Rev, 1988, 116(1): 18-37. [3] 何金海, 丁一汇, 陈隆勋. 亚洲季风研究的新进展[M]. 北京: 气象出版社, 1996. [4] MAO J, WU G. Intraseasonal variations of the Yangtze rainfall and its related atmospheric circulation features during the 1991 summer[J]. Climate Dyn, 2006, 27: 815-830. [5] 罗亚丽. 极端天气和气候事件的变化[J]. 气候变化研究进展, 2012, 8(2): 90-98. [6] 赵宗慈, 罗勇, 黄建斌. 极端天气与气候事件受到全球变暖影响吗?[J]. 气候变化研究进展, 2014, 10(5): 388-390. [7] LIU B, YAN Y, ZHU C, et al. Record-breaking Meiyu rainfall around the Yangtze River in 2020 regulated by the subseasonal phase transition of the North Atlantic oscillation[J]. Geophysical Research Letters, 2020, 47(22): e2020GL090342. [8] 杨梦兮, 刘梅, 柯丹, 等. 2020年江淮地区梅雨异常的成因分析[J]. 暴雨灾害, 2020, 39(6): 555-563. [9] 赵娴婷, 闵爱荣, 廖移山, 等. 2020年4-10月我国主要暴雨天气过程简述[J]. 暴雨灾害, 2021, 40(6): 675-686. [10] 赵俊虎, 张涵, 熊开国, 等. 2020年江淮流域超强梅雨年际异常的驱动因子分析[J]. 大气科学, 2021, 45(6): 1 433-1 450. [11] CAI Y, CHEN Z, DU Y. The role of Indian Ocean warming on extreme rainfall in central China during early summer 2020: without significant El Niño influence[J]. Climate Dyn, 2022, 59(3-4): 951. [12] 张顺利, 陶诗言, 张庆云, 等. 长江中下游致洪暴雨的多尺度条件[J]. 科学通报, 2002, 47: 467-467. [13] SCREEN J A, SIMMONDS I. Amplified mid-latitude planetary waves favour particular regional weather extremes[J]. Nature Climate Change, 2014, 4: 704-709. [14] 丁一汇. 论河南"75.8"特大暴雨的研究: 回顾与评述[J]. 气象学报, 2015, 73(3): 411-424. [15] 姚秀萍, 吴国雄, 赵兵科, 等. 与梅雨锋上低涡降水相伴的干侵入研究[J]. 中国科学, 2007, 37(3): 417-428. [16] BROWNING K A, GOLDING B W. Mesoscale aspect of a dry intrusion within a vigorous cyclone[J]. Quart J Roy Meteor Soc, 1995, 121 (523): 463-493. [17] MCCALLUM E, CLARK G V. Use of satellite imagery in a marked cyclogenesis on 12 November 1991[J]. Weather, 1992, 46: 241-246. [18] 黄伟, 陶祖钰. 1991年梅雨期中冷空气活动的个例分析[J]. 大气科学, 1995, 19(3): 375-379. [19] 陶诗言. 中国之暴雨[M]. 北京: 科学出版社, 1980: 1-225. [20] 刘芸芸, 丁一汇. 2020年超强梅雨特征及其成因分析[J]. 气象, 2020, 46(11): 1393-1404. [21] 王永光, 娄德君, 刘芸芸. 2020年长江中下游梅汛期降水异常特征及其成因分析[J]. 暴雨灾害, 2020, 39(6): 549-554. [22] 高琦, 姚秀萍. 2020年长江中下游梅汛期干冷空气演变特征及其作用分析[J]. 暴雨灾害, 2021, 40(4): 342-351. [23] HOSKINS B J, MCINTYRE M E, ROBERTSON A W. On the use and significance of isentropic potential vorticity maps[J]. Quart J Roy Meteor Soc, 1985, 111(470): 877-946. [24] 杨贵名, 毛冬艳, 姚秀萍. 梅雨期一次黄淮气旋发展的干侵入特征分析[J]. 热带气象学报, 2006, 22(2): 176-183. [25] 陈碧莹, 闵锦忠. 华北"7·19"暴雨中低涡系统演变及多尺度相互作用机制研究[J]. 热带气象学报, 2020, 36(1): 85-96. [26] 祝传栋, 陈正洪, 李亚飞, 等. 平流层高位涡侵入对河南" 21·7"极端暴雨的影响[J]. 气象与环境科学, 2022, 45(2): 27-37. [27] 白涛, 李崇银, 王铁, 等. 干侵入对陕西"2008.07. 21"暴雨过程的影响分析[J]. 高原气象, 2013, 32(2): 345-356. [28] TANG C, WU X, ZHANG G, et al. Potential vorticity analysis of quasi-biweekly rainfall events over the Yangtze Basin in summer 2014[J]. Atmospheric and Oceanic Science Letters, 2021, 14(6): 20-27. [29] 徐海明, 何金海, 周兵". 倾斜"高空急流轴在大暴雨过程中的作用[J]. 南京气象学院学报, 2001, 24(2): 155-161. [30] 刘会荣, 李崇银. 干侵入对济南"7.18"暴雨的作用[J]. 大气科学, 2010, 34(2): 374-386. [31] WU G X, MA T T, LIU Y M, et al. PV-Q perspective of cyclogenesis and vertical velocity development downstream of the Tibetan Plateau[J]. J Geophy Res, 2020, 125(16): e2019JD030912. [32] ZHANG G, MAO J, LIU Y, et al. PV perspective of Impacts on downstream extreme rainfall event of a Tibetan Plateau Vortex Collaborating with a Southwest China Vortex[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2021, 38(11): 1 835-1 851. [33] HOSKINS B J, PEDDER M, JONES D W. The omega equation and potential vorticity[J]. Quart J Roy Meteor Soc, 2003, 129(595): 3 277-3 303. [34] 吴佳, 高学杰. 一套格点化的中国区域逐日观测资料及与其它资料的对比[J]. 地球物理学报, 2013, 56(4): 1 102-1 111. [35] STEIN A F, DRAXLER R R, ROLPH G D, et al. NOAA's HYSPLIT Atmospheric Transport and Dispersion Modeling System[J]. Bull Amer Meteor Soc, 2015, 96(12): 2 059-2 077. [36] ERTEL H. Ein neuer hydrodynamischer wirbelsatz[J]. Meteor Z, 1942, 59: 277-281. [37] HOSKINS B J. A potential vorticity view of synoptic development[J]. Meteor Appl, 1997, 4: 325-334. [38] ZHANG G, MAO J, WU G, et al. Impact of potential vorticity anomalies around the eastern Tibetan Plateau on quasi-biweekly oscillations of summer rainfall within and south of the Yangtze Basin in 2016[J]. Climate Dyn, 2021, 56(3-4): 813-835. [39] BOSART L F, MOORE B J, CORDEIRA J M, et al. Interactions of North Pacific tropical, midlatitude, and polar disturbances resulting in linked extreme weather events over North America in october 2007[J]. Mon Wea Rev, 2017, 145(4): 1 245-1 273. [40] DAVIS, C A, EMANUEL K A. Potential vorticity diagnostics of cyclogenesis[J]. Mon Wea Rev, 1991, 119(8): 1 929-1 953. -
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 55
- HTML全文浏览量: 31
- PDF下载量: 29
- 被引次数: 0
粤公网安备 4401069904700003号