利用位渦反演方法對一次臺風暴雨過程的成因分析

周偉燦 羅麗君

摘要 采用NCEP FNL的客觀分析資料、中國自動站與CMORPH的逐小時降水融合資料，對2015年8月23—24日發生在上海的一次強降水天氣過程進行了天氣學分析，并通過位渦反演方法對1515號臺風“天鵝”在本次降水過程的具體作用進行了定量診斷分析，以探討本次暴雨過程的發生機制。得出以下主要結論：1）位渦反演方法能夠較為準確地反映西風槽、臺風及副熱帶高壓等重要天氣系統的位置及強度，能夠較為有效地再現系統的演變過程;2）北方冷空氣與遠距離臺風外圍的東北氣流交匯是產生本次降水過程的主要原因;3）通過對比原始場與剔除臺風后的分析場，可以發現臺風“天鵝”本身的擾動對應的水汽通量占比53.3%，是本次降水過程的水汽輸入的主要貢獻來源;4）臺風“天鵝”對降水區域提供了一定的熱力條件，在扣除臺風后原分析場的大值區和暖濕舌消失，相應的鋒區也消失。

關鍵詞臺風暴雨;位渦反演;水汽貢獻

暴雨是影響我國的主要災害天氣，關于暴雨發生發展機理的研究一直是氣象工作者重要的研究課題（馬旭林等，2017;梅欽等，2018;王堅紅等，2019）。我國地處東亞季風帶，受季風環流影響，夏季風盛行期間暴雨頻發，其中長江流域和江淮流域是我國夏季暴雨的一個頻發帶（Matsumoto and Takahashi，1999）。大量研究（郭其蘊，1983;黃榮輝等，1998;高國棟等，2002;胡國權和丁一匯，2003;閔錦忠等，2018;李崇銀等，2019）對長江流域及江淮流域暴雨的水汽輸送進行了研究，指出這一區域內夏季暴雨與西南季風的水汽輸送密切相關，西太平洋副高西側與西南側轉向的西南氣流也是一個重要水汽輸送帶。此外，中高緯西風帶也起到重要的作用。整體來說長江流域的水汽輸送主要由西南氣流及偏西風支作為動力支持。臺風是造成中國夏季暴雨的另一重要天氣系統。程正泉等（2005）對近10 a中國臺風暴雨的研究進展進行了系統總結，從中低緯系統相互作用、地形強迫作用、中小尺度對流系統等幾個方面對臺風暴雨的影響做了歸納。其后又有諸多研究者針對臺風暴雨的發生機制對個例展開研究，周玲麗等（2009）對0505號臺風“海棠”在浙閩地區引發的暴雨過程進行了數值模擬試驗，認為“海棠”與東風急流的共同作用是本次暴雨過程產生的主要原因。Zhang et al.（2010）、劉峰等（2011）、Xie and Zhang（2012）也相繼對臺風“莫拉克”影響的暴雨過程進行了研究，劉峰（2011）從濕位渦場角度對暴雨過程進行診斷分析，發現可以通過結合對流不穩定區、強的能量鋒區以及上升運動，作為強降水發生的判據;Gao et al.（2009）發現垂直風切變、暖空氣對流以及地形等因素與“碧利斯”臺風所觸發的雨帶密切相關，汪亞萍等（2015）通過對水汽螺旋度、散度垂直通量等8個動力因子對“碧利斯”臺風進行了診斷分析，指出其中4個動力因子對于降水有較好的指示意義。這些對于不同臺風暴雨個例的研究能夠幫助學者從不同角度了解其發生發展的過程與觸發機制等。

Rossby（1940）和Ertel（1942）相繼提出了位渦的概念，指出位渦在絕熱、無摩擦的干空氣中具有守恒性和可逆性。根據這種特性可以對某些天氣現象的產生原因進行合理的推斷。20世紀80年代，Hoskins et al.（1985）首次對位渦進行了系統總結，認為可以利用等熵面圖幫助研究大氣動力學過程，假設給定位渦、平衡條件和邊界條件，即可推導出相應的風場和高度場。Haynes and Mclntyre（1987）討論了非絕熱、摩擦及其他情形下的位渦演變。位渦的守恒性質使得可以通過位渦擾動來確定非絕熱加熱等非守恒因子的影響程度。20世紀90年代，Joseph（1990）結合位渦的守恒性及可反演性，對淺水方程進行了反演試驗，提出在平衡模式下大尺度氣流同樣可適用位渦反演原理。隨后，Davis and Emanuel（1991）提出位渦擾動分離的反演方法，利用位渦的守恒性質可將非守恒過程的擾動物理量場從基本物理量場中分離出來，進而研究各個系統的影響。McIntyre and Norton（2000）進一步對不同約束條件下位渦反演的準確性做了敏感性測試。研究者們相繼從位渦的角度對不同的天氣系統進行了研究，如Thorpe（1990）利用位渦守恒特性對鋒生過程的機理進行了研究，Schubert and Alworth（1987）和Robinson（1989）分別利用位渦對熱帶氣旋和斜壓不穩定進行了動力學分析。可見，位渦反演是大氣科學研究的一種有效手段。同時，位渦反演理論在臺風領域的應用也有了一定的進展。Yang et al.（2008）和季亮等（2010）結合位渦反演和數值模擬方法，分別對兩個臺風個例之間的相互作用、以及中低緯度系統（高空槽，副熱帶高壓）與臺風之間的相互作用進行了研究。

2015年15號臺風“天鵝”給上海地區帶來了極端降水天氣，此次過程具有怎樣的發生發展機制？與以往發生在長江流域的暴雨過程相比較，此次過程是否也主要因為受夏季風盛行的影響而發生？臺風“天鵝”在此次暴雨的發生中有怎樣的貢獻？本文嘗試運用位渦反演方法對個例進行診斷，主要從臺風“天鵝”的貢獻切入，對本次暴雨過程的發生機制進行討論。

1 天氣過程分析

研究對象為2015年8月23—24日發生于上海的強降水過程，兩個主要降水時段分別是23日05—11時（北京時，下同）和24日06—09時，圖1給出了24日08時的500 hPa位勢高度場和地面降水分布情況，降水區主要分布在我國長江中下游地區，此時臺風“天鵝”處于與強降水區域（方框內紅色區域）相距約900 km的洋面上。從水汽通量分布情況（圖略）可以看出，降水時段內上海地區有強的水汽通量輻合，且能看出一條由1515號臺風的外圍環流引導的強水汽通道。

圖1 2015年8月24日08時500 hPa位勢高度場（粗實線，單位：gpm）和降水量（陰影，單位：mm）

Fig.1 Geopotential height （thick solid line，units：gpm） at 500 hPa and rainful （shaded，unit：mm） at 08：00 BST 24 August 2015

由環流形勢（圖2）可以看出，22日00時，我國東北地區上空存在低渦，而由其南側伸出的低槽控制我國東部地區，呈現東北西南走向;溫度槽落后于高度槽的配置也有利于槽的發展;同時，臺風“天鵝”位于臺灣南部洋面，而臺風“天鵝”北部延伸出一倒槽，其東側的東南氣流控制我國東南沿海地區;此外，還有臺風“艾莎妮”處于日本東南洋面。到23日00時，“天鵝”中西位置移動到臺灣東部洋面，臺風倒槽與高空槽結合于華中地區，倒槽東側偏南氣流與來自北方的東北氣流匯合。受臺風影響，中緯度低槽移動較弱。之后，值得關注的是，位于東北地區的冷渦控制向西南地區擴張，在24日08時在河套地區分裂初新的冷渦，并在之后向東南方向移動;同時，“天鵝”移動到東海東南部海域，且北側偏東風加強。因此，24日強降水的發生不僅受到臺風北側暖濕氣流的影響，同時北方冷空氣補充南下也是重要因素。來自洋面的暖濕氣團與北方冷空氣交匯于長江下游上海西部地區，導致本次暴雨發生于此。從分析可見，冷暖空氣交匯并產生相互作用，使得此區域內大氣層結出現不穩定并產生強上升運動，是23—24日上海大暴雨形成的重要動力因素。

2 分片位渦反演及診斷分析

將位渦場分解為平均態和總擾動位渦，再從總擾動位渦找出與1515號臺風“天鵝”相對應的擾動位渦片段，即可通過位渦反演方法反演出與臺風擾動位渦相對應的滿足非線性平衡方程的各物理量場，進而定量分析臺風在暴雨過程中的作用。

2.1 方法簡介

絕熱和無摩擦條件下，位渦是守恒且可反演的，通過位渦反演出來的高度場和風場是動力平衡的，根據這種穩定的平衡流的演變過程，可對天氣系統的演變進行有效的追蹤及預測。位渦反演更重要的一點是它能夠對與不同天氣系統和不同物理過程有關的擾動位渦進行分離后反演，這樣可以更加清楚地了解不同擾動位渦對天氣系統的作用，有助于認識降水天氣系統的發展機理。這里利用Davis and Emanuel（1991）提出的位渦反演方法，即以Charney（1955）等提出的非線性平衡方程作為平衡條件，形成閉合的方程組進行Ertel位渦反演。通過位渦反演方程組，可以求出特定位渦擾動對應的物理量場分布。

2.2 位渦反演方案

利用Davis and Emanuel（1991）提出的上述位渦反演方法，對1°×1°，6 h一次NCEP FNL資料展開研究討論。選取反演區域為水平范圍100°～170°E、0°～55°N，垂直范圍1 000～50 hPa間隔50 hPa 共20層。

選取時間平均作為基本態。由于此次暴雨過程強降水時段是2015年8月23—25日，本文選取8月20日08時—30日08時（對應一個天氣尺度過程）的NCEP FNL資料平均值作為基本態。用各時次的總瞬時位渦剔除平均場的位渦，即可得出各時次的擾動場位渦。

2.3 反演結果驗證

在利用位渦反演方法進行動力學分析前，需要對反演結果進行有效性驗證。下面以2015年8月23日08時為例，將NCEP FNL資料作為客觀分析場，與該時刻位渦反演的結果進行對比，用來檢驗反演結果的合理性。

圖3分別給出了23日08時500 hPa位勢高度客觀分析場與反演場。由圖中可以看到，平衡反演結果抓住了幾個主要的天氣系統：位于安徽南部至江西中部的西風槽，西北太平洋上空的副熱帶高壓，臺灣以東海域上空的臺風“天鵝”，以及硫磺列島海域上空的臺風“艾莎尼”。可見反演得到的高度場的分布形勢非常類似于客觀分析場。由于非線性平衡方程條件的約束，使得反演出的高度值出現輕微的系統性偏高，這種結果是可以接受的。另外反演的高度場更加平滑，這也是位渦反演不可避免的缺陷。同樣的，在不同時次不同高度上，反演出的結果與客觀分析場在整體形勢上也基本是吻合的，只是在數值上略有差異（圖略）。

整體來看，位渦反演得到的結果能夠較為準確地反應西風槽、臺風以及副高等重要系統的位置、強度、以及風向分布特征，因此利用分片位渦反演的方法定量分析臺風位渦擾動對暴雨過程的影響是可行的。

2.4 擾動位渦的劃分

根據前述方法，對位渦場進行分解，得到平均場及擾動位渦場后，可從整個擾動位渦場中分離出臺風“天鵝”擾動位渦區（TC）。為了更加清楚地展示擾動位渦區域分布，圖4給出了23日08時500 hPa高度上總擾動位渦分布以及臺風擾動位渦區域劃分。擾動位渦TC具有正位渦擾動，反演區域為以臺風中心為中心，3°為半徑的正方形。垂直方向上的反演層次為1 000 hPa到150 hPa。

2.5 臺風天鵝對水汽輸送的作用

在得到臺風“天鵝”相關聯的擾動位勢場、擾動風場和擾動溫度場后，從原始分析場中減去這部分擾動場，即可大致剔除臺風“天鵝”的擾動對于原始分析場的影響。通過分別診斷原始分析場、臺風“天鵝”、扣除臺風的分析場的水汽輸送情況，最終可定量分析臺風“天鵝”對暴雨過程水汽輸送的影響。

23日暴雨主要發生在上海東部地區。分析23日08時950 hPa原始分析場的水汽通量（圖5a）可見，東北向的低空水汽通量大值區由上海東部海面伸向長江口，與上海東部的暴雨區相對應;分析臺風“天鵝”貢獻的水汽通量（圖5c），發現在相應位置上存在相同方向的大值區;但在扣除臺風“天鵝”后（圖5e），該低空水汽通量大值區消失，且方向相反。這說明，23日08時臺風北側的偏東風氣流為降水區主要的水汽通道，來自溫暖洋面的水汽不斷通過臺風外圍環流向華東沿海地區輸送。

充足的水汽供應與水汽輻合是產生大暴雨必不可少的條件。分析23日08時950 hPa原始分析場的水汽通量散度（圖5b），可以發現在低空東北氣流引導下，在江蘇東南部及上海西部形成了水汽通量輻合;分析臺風“天鵝”貢獻的水汽通量散度（圖5d），發現在相應位置上存在相同方向的輻合中心;但在扣除臺風“天鵝”后（圖5f），該低空水汽通量輻合中心強度和范圍大為減小。這再次說明，臺風“天鵝”為23日05—11時上海東部暴雨過程提供了足夠的水汽條件和輻合條件。

到了24日08時，950 hPa水汽通量大值區仍在長江下游的上海中西部附近（圖6a）;分析臺風“天鵝”貢獻的水汽通量（圖6c），發現在相應位置上存在相同方向的大值區;但在扣除臺風“天鵝”后（圖6e），該低空水汽通量范圍縮小，且方向相反。這說明，24日08時該水汽通量大值區亦主要由臺風“天鵝”環流貢獻。

由24日08時950 hPa原始分析場的水汽通量散度（圖6b）可以看出，長江下游地區存在水汽輻合中心，相應的降水最強時段也出現在24日早晨到上午;臺風“天鵝”貢獻的水汽通量散度較大（圖6d），但在扣除臺風“天鵝”后（圖6f），該低空水汽通量輻合中心位置略為偏北。

選取119°～123°E、29°～34°N的矩形區域作為此次暴雨過程的邊界，分別計算在950 hPa高度上4條邊界的水汽進出代表該區域的水汽總量。計算23—24日原始分析場、臺風“天鵝”、扣除臺風的分析場產生的進出該矩形區域的水汽通量，用來定量判斷臺風“天鵝”對暴雨過程中水汽供應的作用（表1）。

從表1可以看出，23日08時—24日14時方形區域內進出的水汽總量均為正，說明這段時間內臺灣地區有充足的水汽輸入，有利于降水的產生。表中數據顯示，與臺風自身擾動對應的水汽通量數值較大，占總輸入水汽通量的53.3%，說明暴雨地區的水汽輸入主要與臺風“天鵝”有關，即臺風外圍環流的偏東風氣流為本次強降水區的主要水汽貢獻源。

2.6 臺風“天鵝”對熱力條件的作用

由8月23日08、23日20時、24日08時850 hPa假相當位溫（θse）場（圖7a、b、c）可以看出，在臺風“天鵝”從臺灣東部太平洋洋面上由偏北方向轉為東北方向移動的過程中，伴隨著臺風北側的偏東氣流不斷向華東沿海地區輸送暖濕空氣;緊鄰臺風北側的θse大值區附近，出現了明顯的暖濕舌，其頂部位于長江中下游上海地區;鋒區呈東北-西南走向位于江蘇東南部，為臺風從洋面帶來的暖濕氣團與南下的北方冷氣團交匯的過渡區，上海西部則為相對干冷區。主要的強降水時段內一直呈現此種熱力分布特征，對于上海地區的持續性大暴雨十分有利。

在臺風貢獻的θse場中（圖7d、e、f），發現臺風對上海地區的θse貢獻了2～3 ℃，同時對東北-西南向的θse梯度大值帶貢獻了約1 ℃的梯度值。

而在扣除臺風后的θse場中（圖7g、h、i），一方面，原分析場的θse大值區和暖濕舌消失，整個東南沿海被大陸干冷氣團控制。另一方面，由于扣除了臺風及其相應的海洋暖濕氣團，θse梯度大值帶（鋒區）消失，這不利于產生大暴雨過程。

3 結論和討論

采用NCEP FNL的水平分辨率1°×1°，垂直范圍1 000～50 hPa間隔50 hPa共20層的多要素逐6 h客觀分析資料，以及中國自動站與CMORPH的逐小時降水融合資料（0.1°×0.1°），對2015年8月23—24日發生于上海地區的一次強降水天氣過程進行了天氣學分析，并通過位渦反演方法對降水時段內正發展于臺灣東部洋面上的1515號臺風“天鵝”對本次降水過程的具體影響過程進行了定量診斷分析，得出如下結論：

1）北方南下的干冷氣團，與臺風“天鵝”北側的偏東風帶來的暖濕氣團在長江下游上海中西部地區交匯并相互作用，是本次強降水產生的主要原因。

2）位渦反演能夠較為準確地反映西風槽、臺風等重要天氣系統的位置及強度，可以利用位渦反演方法對臺風擾動位渦如何影響暴雨過程進行定量分析。在得到與臺風“天鵝”相關聯的各擾動場后，通過從原始場中剔除出“天鵝”的擾動場進行對比分析，發現主要降水時段內的水汽通量大值區主要由臺風“天鵝”貢獻。

3）選取強降水區域邊界，對區域內水汽總量進行定量統計，發現在剔除“天鵝”相關聯的擾動場后，降水區域內水汽量大幅減少，而與臺風自身擾動所對應的水汽通量數值較大，占總輸入水汽通量的53.3%，進一步說明臺風外圍環流對于本次降水過程貢獻了大量的水汽輸入。

4）同樣，在對比分析原始假相當位溫場與剔除臺風擾動的分析場后，發現臺風對上海地區的假相當位溫場貢獻了2～3 ℃，同時對東北-西南向的假相當位溫梯度大值帶貢獻了約1 ℃的梯度值。而在扣除臺風后的假相當位溫原分析場中的大值區和暖濕舌消失，整個東南沿海被大陸干冷氣團控制，假相當位溫梯度大值帶（鋒區）消失。說明臺風“天鵝”為本次強降水的發生提供了決定性的熱力條件。

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Analysis of the causes of a typhoon rainstorm process using the potential vortex inversion method

ZHOU Weican，LUO Lijun

Key Laboratory of Meteorological Disasters，Ministry of Educational/Joint International Research Laboratory of Climate and Environmental Change/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Based on the objective analysis data of NCEP FNL and theprecipitation data from Chinas automatic station and CMORPH，this paper carried out a synoptic background analysis of a heavy precipitation process in Shanghai from August 23 to 24，2015.A quantitative analysis of the specific impact of the 1515 typhoon known as “Typhoon Swan” on this precipitation process was conducted by means of the potential vorticity inversion method，so as to explore the mechanism of the rainstorm process，and the following main conclusions were drawn：1） The method of vorticity inversion is able to accurately reflect the characteristics of the westerly trough，typhoon and sub-tropical high pressure and other important weather systems，and can effectively reproduce the evolution of these systems;2）The main cause of this precipitation process was the intersection of north cold air and northeast air flow over the long-distance typhoon;3） By comparing the original field with the analysis field after removing the typhoon，it can be observed that the water vapor flux corresponding to the disturbance of Typhoon Swan accounts for 53.3%，which is the water vapor input of the precipitation;4） Typhoon Swan provided certain thermal conditions for the precipitation area.After the typhoon had been deducted，the large value area and warm wet tongue of the original analysis field disappeared，while the corresponding frontal area also disappeared.

typhoon rainstorm;vorticityinversion;water vapor contribution

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20180310001

（責任編輯：袁東敏）