引發暴雨的低渦發生發展機制分析*

崔恒立，趙　宇，王東仙，諶　偉，王　培

(1.南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044；2.湖北省荊門市氣象局,湖北 荊門 448000；3.武漢中心氣象臺,湖北 武漢 430074)

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引發暴雨的低渦發生發展機制分析*

崔恒立1,2，趙宇1，王東仙2，諶偉3，王培2

(1.南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044；2.湖北省荊門市氣象局,湖北 荊門 448000；3.武漢中心氣象臺,湖北 武漢 430074)

摘要:應用位渦理論對2013年5月25-26日發生在我國中東部大范圍的低渦暴雨過程進行分析，結果表明：位渦的引進可以追蹤高層擾動，可以根據擾動位渦的變化來判斷系統的發展，這為分析高層擾動提供了方便；高層位渦異常使其下方的氣旋性渦度加強并向低層發展形成氣旋性渦柱，渦柱移動到西南渦上空時使其東移發展，當氣旋性環流作用到靜止鋒上鋒生形成江淮氣旋；西南渦發展與氣旋的生成加劇了低層輻合而產生強降雨，強降雨出現在低層擾動濕位渦負中心移動方的前側，負值越大降水越強，強降雨釋放凝結潛熱使位渦和氣旋性渦柱爆發性增長。

關鍵詞:低渦暴雨；位渦；擾動濕位渦；江淮氣旋

位渦是“位勢渦度(Potential Vorticity)”的簡寫，最早是在1940年由Rossby[1]提出。1942年Ertel[2]提出了廣義位渦的概念，它是絕對渦度矢量與位溫梯度矢量的點乘，因而是一個既包含動力因子又包含熱力因子的物理量，并推得在絕熱無摩擦的干空氣中具有嚴格的守恒性。20世紀80年代以來，關于位渦的理論和應用蓬勃發展。Hoskins[3]于1985年首次用位渦守恒性解釋了準平衡運動的動力學特征并提出了位渦思想(PV thinking)，指出在正位渦異常區內位渦比周圍高，即是一個渦度和靜力穩定度大值區，由于位渦具有守恒性，結果便出現圍繞正位渦異常的氣旋性環流。以相當位溫代替位溫則可得到濕位渦，吳國雄[4]證明在絕熱無摩擦的濕空氣中濕位渦守恒，于1995年提出傾斜渦度發展理論，指出大氣水平風的垂直切變的增加或水平濕斜壓的增加引起垂直渦度的增長，從而導致暴雨的發生，由于它考慮了水汽作用，所以能更合理地解釋暴雨發生發展的物理機制。為了更好地反映濕位渦與降水的對應關系，類似于相對渦度、牽連渦度的概念,王建中等[5]提出了相對濕位渦和牽連濕位渦的概念，牽連濕位渦即大氣靜止時的濕位渦，稱之為背景濕位渦，相對濕位渦是從濕位渦中減去大氣的背景位渦，因此相對濕位渦又稱為擾動濕位渦。近年來，很多氣象學者利用位渦或濕位渦對暴雨和其他天氣系統進行診斷[6-10]，取得了較為滿意的結果，壽紹文[11]在前人研究基礎上系統性的總結了位渦、位渦思想、位渦理論以及應用。

低空低渦是影響我國暴雨的一種重要天氣系統，尤其以西南渦影響最為頻繁，陶詩言[9]從天氣學角度概括地給出了低空低渦的定義。王從梅等[10]診斷分析了西北渦暴雨的濕位渦，指出中尺度暴雨的發生發展與濕位渦的時空演變有很好的對應關系；壽紹文[11]根據濕位渦理論分析了一次江淮梅雨鋒暴雨過程中對流層低層低渦發展的原因，指出具有較高濕位渦值的高層冷空氣沿等熵面快速南下的過程中絕對渦度增加導致了氣旋性渦度的發展加強。上述研究表明：對位渦的診斷分析有助于增進對暴雨與低渦的發生發展的了解和認識。

受西南渦影響，2013年5月我國中東部地區出現大范圍暴雨天氣，這次過程降雨強度大、范圍廣，日降雨量很多地方突破了歷史同期極值。本文對此次暴雨過程的位渦場進行診斷分析，來探討低渦的發生發展機制，分析位渦異常與暴雨落區的關系，為低渦暴雨預報提供參考。

1資料及方法

p坐標系下假定垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小得多，位渦pv、濕位渦mpv、擾動濕位渦(mpv)re和濕斜壓項mpv2的表達式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ζ為垂直渦度，f為科氏參數，其余為氣象常用符號，其單位均為PVU(1PVU=10-6m2·K·s-1·kg-1)。

本文采用NCEP/NCAR1°×1°時間間隔為6h的再分析資料、常規觀測6h及24h降水量資料，按式(1)～式(4)分別計算干位渦、擾動濕位渦和濕斜壓項，然后分別討論高層位渦異常與中低層低渦氣旋發生發展情況和擾動位渦與強降水的關系。

2暴雨過程分析

2.1降水情況分析

受西南低渦和江淮氣旋的共同影響，2013年5月25-26日重慶、湖北、河南、安徽、山東和江蘇出現了強降水。從日累計降雨量的空間分布情況來看，25日(圖1)，降水主要發生在湖北中部、陜西東南部和河南大部，強降雨中心位于河南中部，出現了超過100 mm的大暴雨，寶豐24 h降水達176 mm。26日(圖2)，強降水迅速向東北方向移動，降水強度也明顯加大，魯皖蘇三省交界地方出現了暴雨到大暴雨，大暴雨主要集中在山東和江蘇交界處，日最大降水量達204 mm，出現在日照。而后，隨著西南渦繼續東移入海，我國中東部的強降水過程減弱結束。

圖1　5月25日08時-26日08時累計降雨量(單位：mm)

圖2　5月26日08時-27日08時累計降雨量(單位：mm)

2.2環流形勢分析

此次降水過程中，500 hPa等壓面上(圖略)西西伯利亞附近有冷渦穩定維持，冷渦轉動帶動冷空氣在45°N附近堆積。中緯度高原槽東移逐漸加深，高緯冷空氣東移滲透到高原槽使其發展成低渦。在高原槽加強的過程中，西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)加強北進，副高外圍暖濕氣流源源不斷地進入山東、江蘇等地，為魯皖強降水提供了良好的水汽條件。低渦東移給我國江漢、江淮和黃淮地區帶來了大范圍的降水天氣，隨著低渦東移入海，中東部大范圍降水過程結束。

從NCEP資料各層流場分析發現，強降水過程有明顯的低渦活動。以850 hPa為例，25日西南渦主要位于川東-重慶附近，低渦環流不是十分清楚，至26日08時(圖3a)低渦明顯加強，氣旋性環流十分清楚，中心位于(33°N，112°E)。受500 hPa槽前西南氣流影響，西南渦迅速向東北方向移動，強度逐漸加強，27日02時(圖3b)西南渦東移到魯皖蘇地區，中心位于(35°N，117°E)。與西南渦對應地面有江淮氣旋生成發展，圖3c-3d為海平面氣壓場分布情況，26日02時在湖北中部形成氣旋(圖略)，中心氣壓值為998.0 hPa。08時(圖3c)，江淮氣旋明顯發展，中心氣壓降至994.5 hPa，隨后江淮氣旋向東北方向移動，27日02時中心位于(34°N，117°E)。從大暴雨中心的分布來看，大暴雨主要出現在低渦附近偏東的一側，江淮氣旋與西南渦上下耦合，但位置較西南渦略偏南。

3位渦診斷分析

以上分析發現本次強降水過程主要天氣系統為西南渦和江淮氣旋，那么低渦和氣旋是如何發展的，又是如何產生強降水的，下面將通過位渦理論給出解釋。

圖3　850 hPa流場(圖a、b，代表大暴雨中心)和海平面氣壓場(圖c、d，單位：hPa，間隔2.5 hPa)

3.1高層位渦擾動分析

很多氣象學者提出2 PVU位渦等值線通常代表來自低緯地區對流層的低位渦大氣與來自高緯地區對流層高層及平流層的高位渦大氣之間的邊界，可以作為大氣對流層頂[4]。從300 hPa位渦和急流的分布(圖4)看到，高位渦多集中45°N以北，在45°N附近出現了超過60 ms-1極鋒急流。這是因為平流層大氣層結穩定和科氏參數隨緯度增加而造成高緯高層大氣位渦較大，影響本次低渦發展的主要系統是30°～35°N的高原槽，在槽區出現了異常高位渦。25日08時(圖4a)，與低槽對應的高位渦出現在高原上，位渦前側高空急流發展不強范圍不大，高位渦下方(400 hPa)渦度中心最大為10×10-5s-1；20時(圖4b)，高原槽東移到四川盆地，與之相隨的高位渦也明顯東移，由于高原的地形作用，氣塊在背風坡被拉伸氣旋性渦度加大使得高原擾動發展加深，從位勢高度場上分析9560 gmp線開始南落，槽區振幅加大且中心出現明顯負變高，風場上(圖略)氣旋性曲率也有所加強。由于氣旋性渦度增加使得位渦增大，其中心值達3.2 PVU，在位渦異常區的下方氣旋性渦度也隨之增大中心強度超過12×10-5s-1，高位渦中心前側的高空急流也有所發展；至26日20時(圖4e)，高位渦向東北方向移動且逐漸加強，高位渦下方(400 hPa)氣旋性渦度明顯發展，高位渦中心與它下方的渦度中心近乎重合，此時低渦發展達到最強；27日08時(圖4f)，雖然高位渦強度沒發生變化，但高位渦中心超前于下方的渦度中心，低層低渦開始減弱。

由以上可以看出，高層的位渦擾動確實與高原槽的發展密切相關，兩者變化一致。高原槽越過高原后發展加深，位渦明顯加強，在位渦異常區的下方有強氣旋性渦度伴隨，前側有高空急流向東傳播。

3.2高層位渦擾動與低層低渦發展

為了說明高層位渦異常區下方氣旋性渦度生成的原因，下面將利用位渦思想來給出解釋。25日08時在青藏高原(95°E)上空300 hPa附近存在異常高位渦(圖5a)，有比較大的位溫梯度和垂直渦度與之對應，說明正位渦異常區是一個渦度和靜力穩定度大值區，這與Hoskins在1997年提出位渦反演時的觀點是一致的。由于下方等位溫線向正位渦異常中心收攏，從而使得下方相鄰等位溫線的距離拉大，靜力穩定度減小。由位渦守恒性，當靜力穩定度減小使得低層渦度增大，在其下方便出現了氣旋性垂直渦度。低層105°E處由于四川盆地的地形作用，在低層有西南渦生成，圖中有氣旋性渦柱與之對應；20時高層位渦東移越過高原并獲得發展，其下方的氣旋性渦度明顯加強。由于下方垂直渦度的增加，必然導致位渦增大，從而又使得更低層次的渦度發展，這必將延伸至低層，于是可以清晰的看到正渦柱向下延伸并隨高層位渦向東移動(圖5b)，向下發展的低渦與西南低渦上下打通，此時低渦前側上升運動發展，地面開始出現降水；降水釋放凝結潛熱加熱增加中層位溫梯度，26日08時(圖5c)在對流層中層(400和600 hPa)出現了異常高位渦，低層低渦獲得爆發性增長其中心值超過20×10-5s-1，由于氣旋性渦度增加低層800 hPa也出現了高值位渦。圖中存在兩條明顯正渦柱，后側渦柱是由于高層位渦異常使得下方氣旋性渦度增加，而前側渦柱是由于對流性降水凝結潛熱釋放位渦增大的結果，隨后兩條渦柱靠近合并。隨著位渦擾動和氣旋性渦柱向東北發展。圖5d~5f是沿位渦移動中心33°N做剖面，26日20時(圖5e)高位渦異常開始向上發展，其中心強度超過4.5 PVU，兩條渦柱合并成一條并延伸至地面呈現出類似正壓的結構，渦柱后側的冷空氣已明顯下沉至700 hPa，在渦柱里存在多個高位渦中心，此時低渦和降水發展至最強；而后由于高層下沉的干冷氣團侵入到低渦里面，低渦開始減弱，至27日08時(圖5f)渦度中心值減至14×10-5s-1，隨后由于低渦入海摩擦作用減小使得渦柱又重新發展，這在本文就不再闡述。

圖4　2013年5月25日08時至27日08時300 hPa位勢高度(灰色實線，間隔40 gmp)、高空急流(≥30 ms-1，黑色虛線，間隔為10 ms-1)、位渦(≥2PVU，陰影區，間隔為1.0 PVU)和400 hPa強氣旋性渦度(≥6×10-5s-1，紅色虛線，間隔1×10-5s-1)分布。

圖5　2013年5月25日08時至27日08時沿30°N(a、b、c圖) 和33°N(d、e、f圖) 診斷異常位渦(≥2 PVU，陰影區，間隔為0.5 PVU)、相當位溫(黑色實線，間隔5 K)、三維風場(矢量，單位ms-1)和強氣旋性渦度(≥6×10-5 s-1，紅色虛線，間隔1×10-5 s-1)垂直分布。

從以上分析可以得出，高層位渦異常使得異常區下方的氣旋性渦度增加，并向低層發展形成正渦柱，正渦柱疊加到西南渦上空時使得低空低渦東移發展，異常高位渦的移動和發展同低空低渦是一致的，正渦柱中心前側降水產生的凝結潛熱會使得位渦和氣旋性渦度爆發性增長，高層位渦異常與凝結潛熱共同作用最終形成垂直渦柱，低渦發展達到最強。

3.3位渦擾動與江淮氣旋發展

本次降水過程不僅有高原槽和西南渦的共同作用，同時還有江淮氣旋的影響。江淮氣旋與位渦擾動是否也存在著某種聯系呢？圖6給出過程期間300 hPa位渦、850 hPa相當位溫與溫度平流和地面氣旋的空間分布。25日08時(圖6a)高層的擾動位渦和低層溫度平流都不是很清楚直至越過高原后擾動位渦才發展起來，20時(圖6b)位渦中心強度加大，西南暖濕氣流與干冷空氣交匯于30°N形成東西向靜止鋒，此時擾動位渦與鋒區相隔很遠，地面還沒有氣旋發展；26日08時(圖6c)當高層位渦擾動移近鋒區時，由于位渦異常區的下方有氣旋性環流向下伸展，氣旋性環流與鋒區相互作用使得東西向鋒區轉為東北-西南向，氣旋性環流前側出現暖平流，后側出現冷平流，地面開始有鋒面氣旋生成；隨后高層位渦向東北方向移動且強度逐漸加強，使得下方氣旋性環流也明顯發展(圖略)，26日20時(圖6e)擾動位渦和鋒區的發展使得溫度平流相應也得到加強，尤其以暖平流發展最為明顯，其造成的低層減壓作用使得地面氣旋達到最強，此時位渦異常區仍落后于鋒面氣旋，但兩者之間距離已經相隔很近；27日08時(圖6f)，高層擾動位渦移動到鋒面前側，使得下方氣旋性環流作用到鋒面上而形成冷性渦旋，地面氣旋開始減弱。

分析得出：當高層位渦出現異常，其下方的氣旋性環流與西南低渦相疊加并向東移動，當移近低層鋒區上空時，鋒生作用使靜止鋒轉變為冷暖鋒，地面有江淮氣旋生成，隨著冷暖平流的加強氣旋獲得發展，而當高層位渦異常區超前于鋒面時，氣旋被冷氣團填塞便逐漸減弱。

圖6　25日08時至27日08時高層300 hPa位渦(≥2 PVU，陰影，間隔0.5 PVU)、850 hPa相當位溫(黑色實線，間隔5 K)及冷暖平流(長虛線，藍色為冷平流，紅色為暖平流，間隔0.5 ℃×10-4s)和江淮氣旋(黑色實心圓)的空間分布。

3.4低層擾動位渦與強降水的關系

由王建中等人分析可知，當低層有氣旋性渦度，且對流不穩定和高層有反氣旋性渦度且對流穩定的配置是有利于強對流發展的，這時上下的相對濕位渦都為負值；并且高低空風的垂直切變始終是為相對濕位渦提供負值，對強對流的發展起加強的作用[5]。

圖7給出了25日14時至26日20時850 hPa擾動濕位渦和后6 h降水的空間分布。25日14時在重慶和湖北中部有負的擾動濕位渦，其中心強度達-0.4 PVU，對應的在擾動位渦附近出現了6 h大于20 mm的降水(25日14時-25日20時)；隨后位于重慶南部的擾動位渦向南移動并逐步加強出現了-0.62 PVU的中心，降水強度達40 mm/6 h，位于湖北中部的擾動位渦向東北方向移動，范圍增大強降雨區也明顯向東發展；26日02時，降水潛熱釋放，使得低層氣旋性環流進一步發展，低層在對流不穩定區出現了較強的擾動位渦使得原本兩個孤立的中心連成一條帶，并獲得爆發性增長，雨區分布形狀同擾動位渦一樣也呈帶狀，雨帶中鑲嵌多個中尺度強降雨雨團，26日02時至08時6 h最大降水達72 mm，此時無論是擾動位渦還是降雨強度均達到最大；26日08時帶狀位渦斷裂，西南方擾動位渦由-1.2 PVU減弱至-0.8 PVU，東北方擾動位渦增強并繼續向東北方向移動，雨帶斷裂為兩個(西南方雨團減弱，東北方雨團強度不變但范圍擴大)；隨后西南強雨團減弱消失，東北方雨團隨著擾動位渦的東移發展于26日20時再次加強。

通過以上分析可以得出，低層擾動濕位渦對降水的發展確實具有指示意義，強降水出現在擾動位渦負值中心移動方的前側，擾動位渦越強降水越強。同時，研究發現在沿海一帶存在多個負值中心但未出現強降雨，這主要是因為在上述地區垂直上升運動沒有強雨團中心強，其負值主要由濕斜壓項MPV2來提供。另外，為了清晰地反映高層擾動位渦對降水的作用，計算了300 hPa擾動濕位渦的空間分布(圖略)，發現負值中心要明顯落后于850 hPa擾動濕位渦，呈現出傾斜結構，這就解釋了圖5中的降雨帶附近多是斜升氣流，也充分說明暴雨和強對流天氣的主要區別：強對流垂直運動發展旺盛，而暴雨相比強對流天氣垂直運動要弱，以斜升氣流為主。

4位渦擾動與低渦暴雨概念模型

圖7　強降水過程中擾動濕位渦(≤-0.2 PVU，黑色實線，間隔0.2 PVU)和后6 h降水(≥20 mm，陰影，間隔20 mm)空間分布

通過以上分析，可以總結出關于位渦擾動和低渦暴雨的概念模型(圖8)。當高層有異常高位渦擾動產生后，其下方便有氣旋性渦柱發展東移并向下延伸，當疊加到低層低渦上空時便會使低空低渦發展并向東移動，移到靜止鋒附近時鋒生產生鋒面氣旋，低層低渦或氣旋在對流不穩定區出現明顯的的負擾動位渦，加強了低層輻合和上升運動，不穩定能量釋放而形成暴雨，降水釋放潛熱又加強了低渦和高層擾動位渦下方的氣旋性渦柱，形成正反饋。如此循環加強，當高層位渦擾動和低層低渦相垂直時，低空低渦便不再發展。

圖8　位渦擾動與低渦暴雨關系示意圖

5結論

(1)引入位渦概念后，我們對高層擾動可以進行追蹤，高層擾動位渦越過高原后發展加強，這與擾動在位勢場表現一致。同時我們可以根據擾動位渦的變化來判斷系統的發展，這為分析高層擾動提供了方便。

(2)高層位渦擾動會使得擾動下方的氣旋性渦度加強并向低層發展，當疊加到低層低渦時會使得低渦東移發展而出現擾動，并與高層位渦擾動呈現出相似的發展趨勢。底層溫度場上原本存在的靜止鋒在氣旋性環流的作用下鋒生而形成鋒面氣旋，加劇了低層輻合，產生強降雨釋放凝結潛熱使得位渦和氣旋性渦柱爆發性增長。

(3)引進擾動濕位渦概念，便將位渦同降水聯系了起來。利用(濕)位渦分析此次暴雨過程后，發現強降水總是出現在低層擾動位渦負中心移動方的前側，擾動位渦負值越大降水越強。

就本文分析個例而言，位渦擾動在低渦暴雨預報方面有一定的參考意義，但總結的位渦擾動與低渦暴雨的概念模型應用仍然不夠，需要在后期進一步分析研究并加以完善。

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Mechanism of the Low Vortex’s Generation and Development Which Produces Heavy Rainfall

Cui Hengli1, 2, Zhao Yu1, Wang Dongxian2, Shen Wei3and Wang Pei2

(1.CollegeofAtmosphericScience,NanjingUniversityOfInformationScience&Tecnology,Nanjing210044,China; 2.JingmenMeteorologicalBureauinHubeiProvince,,Jingmen448000,China;3.WuhanCenterStationofMeteorology,Wuhan430074,China)

Abstract:Vortex rainstorm in the large range of middle east from May 25th, 2013 to May 26th is analyzed by using the potential vorticity method and the results shows that: the quotation of the potential vorticity can trace the disturbance in the upper troposphere, the development of the system can be judged by the changes of disturbance potential vorticity which provides convenience for analyzing the disturbance in the upper troposphere. The abnormality of the potential vorticity in the upper troposphere makes the cyclonic vorticity be stronger and develop to the cyclonic vorticity column which makes Southwest Vortex move east and develop when it moves to the zenith of the Southwest Vortex, the Jiang-Huai Cyclone develops when the cyclonic circulation adds into the Stationary Front.The development of the Southwest Vortex and the generation of the cyclone intensifies low level convergence which produces strong rainfall, the strong rainfall locates in the front side of the moving direction of the negative center of MPV in the low-level, and the larger the negative value, the stronger the rainfall is. The latent heat of condensation released from the strong rainfall makes the potential vorticity and the cyclonic vorticity column increasing explosively.

Key words:vortex rainstorm; potential vorticity; disturbance of moist potential vorticity; Jiang-Huai Cyclone

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.02.007

中圖分類號：X43; P426.62

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)02-0030-07

作者簡介：崔恒立(1985-)，男，湖北宜昌人，工程師，主要從事天氣預報工作.E-mail:cuihenrystyle@163.com通信作者：趙宇(1968-)，女，遼寧沈陽人，副教授，主要從事中小尺度動力學研究.E-mail:zy0817@126.com

基金項目：國家自然科學基金項目(41475090，41475038)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

*收稿日期：2015-11-04修回日期：2016-01-12

崔恒立，趙宇，王東仙，等. 引發暴雨的低渦發生發展機制分析[J].災害學, 2016,31(2):30-36.[ Cui Hengli,Zhao Yu,Wang Dongxian，et al. Mechanism of the Low Vortex’s Generation and Development Which Produces Heavy Rainfall[J].Journal of Catastrophology, 2016,31(2)：30-36.]