引发暴雨的低涡发生发展机制分析*

崔恒立，赵　宇，王东仙，谌　伟，王　培

(1.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044；2.湖北省荆门市气象局,湖北 荆门 448000；3.武汉中心气象台,湖北 武汉 430074)



引发暴雨的低涡发生发展机制分析*

崔恒立1,2，赵宇1，王东仙2，谌伟3，王培2

(1.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044；2.湖北省荆门市气象局,湖北 荆门 448000；3.武汉中心气象台,湖北 武汉 430074)

摘要:应用位涡理论对2013年5月25-26日发生在我国中东部大范围的低涡暴雨过程进行分析，结果表明：位涡的引进可以追踪高层扰动，可以根据扰动位涡的变化来判断系统的发展，这为分析高层扰动提供了方便；高层位涡异常使其下方的气旋性涡度加强并向低层发展形成气旋性涡柱，涡柱移动到西南涡上空时使其东移发展，当气旋性环流作用到静止锋上锋生形成江淮气旋；西南涡发展与气旋的生成加剧了低层辐合而产生强降雨，强降雨出现在低层扰动湿位涡负中心移动方的前侧，负值越大降水越强，强降雨释放凝结潜热使位涡和气旋性涡柱爆发性增长。

关键词:低涡暴雨；位涡；扰动湿位涡；江淮气旋

位涡是“位势涡度(Potential Vorticity)”的简写，最早是在1940年由Rossby[1]提出。1942年Ertel[2]提出了广义位涡的概念，它是绝对涡度矢量与位温梯度矢量的点乘，因而是一个既包含动力因子又包含热力因子的物理量，并推得在绝热无摩擦的干空气中具有严格的守恒性。20世纪80年代以来，关于位涡的理论和应用蓬勃发展。Hoskins[3]于1985年首次用位涡守恒性解释了准平衡运动的动力学特征并提出了位涡思想(PV thinking)，指出在正位涡异常区内位涡比周围高，即是一个涡度和静力稳定度大值区，由于位涡具有守恒性，结果便出现围绕正位涡异常的气旋性环流。以相当位温代替位温则可得到湿位涡，吴国雄[4]证明在绝热无摩擦的湿空气中湿位涡守恒，于1995年提出倾斜涡度发展理论，指出大气水平风的垂直切变的增加或水平湿斜压的增加引起垂直涡度的增长，从而导致暴雨的发生，由于它考虑了水汽作用，所以能更合理地解释暴雨发生发展的物理机制。为了更好地反映湿位涡与降水的对应关系，类似于相对涡度、牵连涡度的概念,王建中等[5]提出了相对湿位涡和牵连湿位涡的概念，牵连湿位涡即大气静止时的湿位涡，称之为背景湿位涡，相对湿位涡是从湿位涡中减去大气的背景位涡，因此相对湿位涡又称为扰动湿位涡。近年来，很多气象学者利用位涡或湿位涡对暴雨和其他天气系统进行诊断[6-10]，取得了较为满意的结果，寿绍文[11]在前人研究基础上系统性的总结了位涡、位涡思想、位涡理论以及应用。

低空低涡是影响我国暴雨的一种重要天气系统，尤其以西南涡影响最为频繁，陶诗言[9]从天气学角度概括地给出了低空低涡的定义。王从梅等[10]诊断分析了西北涡暴雨的湿位涡，指出中尺度暴雨的发生发展与湿位涡的时空演变有很好的对应关系；寿绍文[11]根据湿位涡理论分析了一次江淮梅雨锋暴雨过程中对流层低层低涡发展的原因，指出具有较高湿位涡值的高层冷空气沿等熵面快速南下的过程中绝对涡度增加导致了气旋性涡度的发展加强。上述研究表明：对位涡的诊断分析有助于增进对暴雨与低涡的发生发展的了解和认识。

受西南涡影响，2013年5月我国中东部地区出现大范围暴雨天气，这次过程降雨强度大、范围广，日降雨量很多地方突破了历史同期极值。本文对此次暴雨过程的位涡场进行诊断分析，来探讨低涡的发生发展机制，分析位涡异常与暴雨落区的关系，为低涡暴雨预报提供参考。

1资料及方法

p坐标系下假定垂直速度的水平变化比水平速度的垂直切变小得多，位涡pv、湿位涡mpv、扰动湿位涡(mpv)re和湿斜压项mpv2的表达式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ζ为垂直涡度，f为科氏参数，其余为气象常用符号，其单位均为PVU(1PVU=10-6m2·K·s-1·kg-1)。

本文采用NCEP/NCAR1°×1°时间间隔为6h的再分析资料、常规观测6h及24h降水量资料，按式(1)～式(4)分别计算干位涡、扰动湿位涡和湿斜压项，然后分别讨论高层位涡异常与中低层低涡气旋发生发展情况和扰动位涡与强降水的关系。

2暴雨过程分析

2.1降水情况分析

受西南低涡和江淮气旋的共同影响，2013年5月25-26日重庆、湖北、河南、安徽、山东和江苏出现了强降水。从日累计降雨量的空间分布情况来看，25日(图1)，降水主要发生在湖北中部、陕西东南部和河南大部，强降雨中心位于河南中部，出现了超过100 mm的大暴雨，宝丰24 h降水达176 mm。26日(图2)，强降水迅速向东北方向移动，降水强度也明显加大，鲁皖苏三省交界地方出现了暴雨到大暴雨，大暴雨主要集中在山东和江苏交界处，日最大降水量达204 mm，出现在日照。而后，随着西南涡继续东移入海，我国中东部的强降水过程减弱结束。

图1　5月25日08时-26日08时累计降雨量(单位：mm)

图2　5月26日08时-27日08时累计降雨量(单位：mm)

2.2环流形势分析

此次降水过程中，500 hPa等压面上(图略)西西伯利亚附近有冷涡稳定维持，冷涡转动带动冷空气在45°N附近堆积。中纬度高原槽东移逐渐加深，高纬冷空气东移渗透到高原槽使其发展成低涡。在高原槽加强的过程中，西太平洋副热带高压(以下简称“副高”)加强北进，副高外围暖湿气流源源不断地进入山东、江苏等地，为鲁皖强降水提供了良好的水汽条件。低涡东移给我国江汉、江淮和黄淮地区带来了大范围的降水天气，随着低涡东移入海，中东部大范围降水过程结束。

从NCEP资料各层流场分析发现，强降水过程有明显的低涡活动。以850 hPa为例，25日西南涡主要位于川东-重庆附近，低涡环流不是十分清楚，至26日08时(图3a)低涡明显加强，气旋性环流十分清楚，中心位于(33°N，112°E)。受500 hPa槽前西南气流影响，西南涡迅速向东北方向移动，强度逐渐加强，27日02时(图3b)西南涡东移到鲁皖苏地区，中心位于(35°N，117°E)。与西南涡对应地面有江淮气旋生成发展，图3c-3d为海平面气压场分布情况，26日02时在湖北中部形成气旋(图略)，中心气压值为998.0 hPa。08时(图3c)，江淮气旋明显发展，中心气压降至994.5 hPa，随后江淮气旋向东北方向移动，27日02时中心位于(34°N，117°E)。从大暴雨中心的分布来看，大暴雨主要出现在低涡附近偏东的一侧，江淮气旋与西南涡上下耦合，但位置较西南涡略偏南。

3位涡诊断分析

以上分析发现本次强降水过程主要天气系统为西南涡和江淮气旋，那么低涡和气旋是如何发展的，又是如何产生强降水的，下面将通过位涡理论给出解释。

图3　850 hPa流场(图a、b，代表大暴雨中心)和海平面气压场(图c、d，单位：hPa，间隔2.5 hPa)

3.1高层位涡扰动分析

很多气象学者提出2 PVU位涡等值线通常代表来自低纬地区对流层的低位涡大气与来自高纬地区对流层高层及平流层的高位涡大气之间的边界，可以作为大气对流层顶[4]。从300 hPa位涡和急流的分布(图4)看到，高位涡多集中45°N以北，在45°N附近出现了超过60 ms-1极锋急流。这是因为平流层大气层结稳定和科氏参数随纬度增加而造成高纬高层大气位涡较大，影响本次低涡发展的主要系统是30°～35°N的高原槽，在槽区出现了异常高位涡。25日08时(图4a)，与低槽对应的高位涡出现在高原上，位涡前侧高空急流发展不强范围不大，高位涡下方(400 hPa)涡度中心最大为10×10-5s-1；20时(图4b)，高原槽东移到四川盆地，与之相随的高位涡也明显东移，由于高原的地形作用，气块在背风坡被拉伸气旋性涡度加大使得高原扰动发展加深，从位势高度场上分析9560 gmp线开始南落，槽区振幅加大且中心出现明显负变高，风场上(图略)气旋性曲率也有所加强。由于气旋性涡度增加使得位涡增大，其中心值达3.2 PVU，在位涡异常区的下方气旋性涡度也随之增大中心强度超过12×10-5s-1，高位涡中心前侧的高空急流也有所发展；至26日20时(图4e)，高位涡向东北方向移动且逐渐加强，高位涡下方(400 hPa)气旋性涡度明显发展，高位涡中心与它下方的涡度中心近乎重合，此时低涡发展达到最强；27日08时(图4f)，虽然高位涡强度没发生变化，但高位涡中心超前于下方的涡度中心，低层低涡开始减弱。

由以上可以看出，高层的位涡扰动确实与高原槽的发展密切相关，两者变化一致。高原槽越过高原后发展加深，位涡明显加强，在位涡异常区的下方有强气旋性涡度伴随，前侧有高空急流向东传播。

3.2高层位涡扰动与低层低涡发展

为了说明高层位涡异常区下方气旋性涡度生成的原因，下面将利用位涡思想来给出解释。25日08时在青藏高原(95°E)上空300 hPa附近存在异常高位涡(图5a)，有比较大的位温梯度和垂直涡度与之对应，说明正位涡异常区是一个涡度和静力稳定度大值区，这与Hoskins在1997年提出位涡反演时的观点是一致的。由于下方等位温线向正位涡异常中心收拢，从而使得下方相邻等位温线的距离拉大，静力稳定度减小。由位涡守恒性，当静力稳定度减小使得低层涡度增大，在其下方便出现了气旋性垂直涡度。低层105°E处由于四川盆地的地形作用，在低层有西南涡生成，图中有气旋性涡柱与之对应；20时高层位涡东移越过高原并获得发展，其下方的气旋性涡度明显加强。由于下方垂直涡度的增加，必然导致位涡增大，从而又使得更低层次的涡度发展，这必将延伸至低层，于是可以清晰的看到正涡柱向下延伸并随高层位涡向东移动(图5b)，向下发展的低涡与西南低涡上下打通，此时低涡前侧上升运动发展，地面开始出现降水；降水释放凝结潜热加热增加中层位温梯度，26日08时(图5c)在对流层中层(400和600 hPa)出现了异常高位涡，低层低涡获得爆发性增长其中心值超过20×10-5s-1，由于气旋性涡度增加低层800 hPa也出现了高值位涡。图中存在两条明显正涡柱，后侧涡柱是由于高层位涡异常使得下方气旋性涡度增加，而前侧涡柱是由于对流性降水凝结潜热释放位涡增大的结果，随后两条涡柱靠近合并。随着位涡扰动和气旋性涡柱向东北发展。图5d~5f是沿位涡移动中心33°N做剖面，26日20时(图5e)高位涡异常开始向上发展，其中心强度超过4.5 PVU，两条涡柱合并成一条并延伸至地面呈现出类似正压的结构，涡柱后侧的冷空气已明显下沉至700 hPa，在涡柱里存在多个高位涡中心，此时低涡和降水发展至最强；而后由于高层下沉的干冷气团侵入到低涡里面，低涡开始减弱，至27日08时(图5f)涡度中心值减至14×10-5s-1，随后由于低涡入海摩擦作用减小使得涡柱又重新发展，这在本文就不再阐述。

图4　2013年5月25日08时至27日08时300 hPa位势高度(灰色实线，间隔40 gmp)、高空急流(≥30 ms-1，黑色虚线，间隔为10 ms-1)、位涡(≥2PVU，阴影区，间隔为1.0 PVU)和400 hPa强气旋性涡度(≥6×10-5s-1，红色虚线，间隔1×10-5s-1)分布。

图5　2013年5月25日08时至27日08时沿30°N(a、b、c图) 和33°N(d、e、f图) 诊断异常位涡(≥2 PVU，阴影区，间隔为0.5 PVU)、相当位温(黑色实线，间隔5 K)、三维风场(矢量，单位ms-1)和强气旋性涡度(≥6×10-5 s-1，红色虚线，间隔1×10-5 s-1)垂直分布。

从以上分析可以得出，高层位涡异常使得异常区下方的气旋性涡度增加，并向低层发展形成正涡柱，正涡柱叠加到西南涡上空时使得低空低涡东移发展，异常高位涡的移动和发展同低空低涡是一致的，正涡柱中心前侧降水产生的凝结潜热会使得位涡和气旋性涡度爆发性增长，高层位涡异常与凝结潜热共同作用最终形成垂直涡柱，低涡发展达到最强。

3.3位涡扰动与江淮气旋发展

本次降水过程不仅有高原槽和西南涡的共同作用，同时还有江淮气旋的影响。江淮气旋与位涡扰动是否也存在着某种联系呢？图6给出过程期间300 hPa位涡、850 hPa相当位温与温度平流和地面气旋的空间分布。25日08时(图6a)高层的扰动位涡和低层温度平流都不是很清楚直至越过高原后扰动位涡才发展起来，20时(图6b)位涡中心强度加大，西南暖湿气流与干冷空气交汇于30°N形成东西向静止锋，此时扰动位涡与锋区相隔很远，地面还没有气旋发展；26日08时(图6c)当高层位涡扰动移近锋区时，由于位涡异常区的下方有气旋性环流向下伸展，气旋性环流与锋区相互作用使得东西向锋区转为东北-西南向，气旋性环流前侧出现暖平流，后侧出现冷平流，地面开始有锋面气旋生成；随后高层位涡向东北方向移动且强度逐渐加强，使得下方气旋性环流也明显发展(图略)，26日20时(图6e)扰动位涡和锋区的发展使得温度平流相应也得到加强，尤其以暖平流发展最为明显，其造成的低层减压作用使得地面气旋达到最强，此时位涡异常区仍落后于锋面气旋，但两者之间距离已经相隔很近；27日08时(图6f)，高层扰动位涡移动到锋面前侧，使得下方气旋性环流作用到锋面上而形成冷性涡旋，地面气旋开始减弱。

分析得出：当高层位涡出现异常，其下方的气旋性环流与西南低涡相叠加并向东移动，当移近低层锋区上空时，锋生作用使静止锋转变为冷暖锋，地面有江淮气旋生成，随着冷暖平流的加强气旋获得发展，而当高层位涡异常区超前于锋面时，气旋被冷气团填塞便逐渐减弱。

图6　25日08时至27日08时高层300 hPa位涡(≥2 PVU，阴影，间隔0.5 PVU)、850 hPa相当位温(黑色实线，间隔5 K)及冷暖平流(长虚线，蓝色为冷平流，红色为暖平流，间隔0.5 ℃×10-4s)和江淮气旋(黑色实心圆)的空间分布。

3.4低层扰动位涡与强降水的关系

由王建中等人分析可知，当低层有气旋性涡度，且对流不稳定和高层有反气旋性涡度且对流稳定的配置是有利于强对流发展的，这时上下的相对湿位涡都为负值；并且高低空风的垂直切变始终是为相对湿位涡提供负值，对强对流的发展起加强的作用[5]。

图7给出了25日14时至26日20时850 hPa扰动湿位涡和后6 h降水的空间分布。25日14时在重庆和湖北中部有负的扰动湿位涡，其中心强度达-0.4 PVU，对应的在扰动位涡附近出现了6 h大于20 mm的降水(25日14时-25日20时)；随后位于重庆南部的扰动位涡向南移动并逐步加强出现了-0.62 PVU的中心，降水强度达40 mm/6 h，位于湖北中部的扰动位涡向东北方向移动，范围增大强降雨区也明显向东发展；26日02时，降水潜热释放，使得低层气旋性环流进一步发展，低层在对流不稳定区出现了较强的扰动位涡使得原本两个孤立的中心连成一条带，并获得爆发性增长，雨区分布形状同扰动位涡一样也呈带状，雨带中镶嵌多个中尺度强降雨雨团，26日02时至08时6 h最大降水达72 mm，此时无论是扰动位涡还是降雨强度均达到最大；26日08时带状位涡断裂，西南方扰动位涡由-1.2 PVU减弱至-0.8 PVU，东北方扰动位涡增强并继续向东北方向移动，雨带断裂为两个(西南方雨团减弱，东北方雨团强度不变但范围扩大)；随后西南强雨团减弱消失，东北方雨团随着扰动位涡的东移发展于26日20时再次加强。

通过以上分析可以得出，低层扰动湿位涡对降水的发展确实具有指示意义，强降水出现在扰动位涡负值中心移动方的前侧，扰动位涡越强降水越强。同时，研究发现在沿海一带存在多个负值中心但未出现强降雨，这主要是因为在上述地区垂直上升运动没有强雨团中心强，其负值主要由湿斜压项MPV2来提供。另外，为了清晰地反映高层扰动位涡对降水的作用，计算了300 hPa扰动湿位涡的空间分布(图略)，发现负值中心要明显落后于850 hPa扰动湿位涡，呈现出倾斜结构，这就解释了图5中的降雨带附近多是斜升气流，也充分说明暴雨和强对流天气的主要区别：强对流垂直运动发展旺盛，而暴雨相比强对流天气垂直运动要弱，以斜升气流为主。

4位涡扰动与低涡暴雨概念模型

图7　强降水过程中扰动湿位涡(≤-0.2 PVU，黑色实线，间隔0.2 PVU)和后6 h降水(≥20 mm，阴影，间隔20 mm)空间分布

通过以上分析，可以总结出关于位涡扰动和低涡暴雨的概念模型(图8)。当高层有异常高位涡扰动产生后，其下方便有气旋性涡柱发展东移并向下延伸，当叠加到低层低涡上空时便会使低空低涡发展并向东移动，移到静止锋附近时锋生产生锋面气旋，低层低涡或气旋在对流不稳定区出现明显的的负扰动位涡，加强了低层辐合和上升运动，不稳定能量释放而形成暴雨，降水释放潜热又加强了低涡和高层扰动位涡下方的气旋性涡柱，形成正反馈。如此循环加强，当高层位涡扰动和低层低涡相垂直时，低空低涡便不再发展。

图8　位涡扰动与低涡暴雨关系示意图

5结论

(1)引入位涡概念后，我们对高层扰动可以进行追踪，高层扰动位涡越过高原后发展加强，这与扰动在位势场表现一致。同时我们可以根据扰动位涡的变化来判断系统的发展，这为分析高层扰动提供了方便。

(2)高层位涡扰动会使得扰动下方的气旋性涡度加强并向低层发展，当叠加到低层低涡时会使得低涡东移发展而出现扰动，并与高层位涡扰动呈现出相似的发展趋势。底层温度场上原本存在的静止锋在气旋性环流的作用下锋生而形成锋面气旋，加剧了低层辐合，产生强降雨释放凝结潜热使得位涡和气旋性涡柱爆发性增长。

(3)引进扰动湿位涡概念，便将位涡同降水联系了起来。利用(湿)位涡分析此次暴雨过程后，发现强降水总是出现在低层扰动位涡负中心移动方的前侧，扰动位涡负值越大降水越强。

就本文分析个例而言，位涡扰动在低涡暴雨预报方面有一定的参考意义，但总结的位涡扰动与低涡暴雨的概念模型应用仍然不够，需要在后期进一步分析研究并加以完善。

参考文献：

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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

中图分类号：X43; P426.62

文献标志码：A

文章编号：1000-811X(2016)02-0030-07

作者简介：崔恒立(1985-)，男，湖北宜昌人，工程师，主要从事天气预报工作.E-mail:cuihenrystyle@163.com通信作者：赵宇(1968-)，女，辽宁沈阳人，副教授，主要从事中小尺度动力学研究.E-mail:zy0817@126.com

基金项目：国家自然科学基金项目(41475090，41475038)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

*收稿日期：2015-11-04修回日期：2016-01-12

崔恒立，赵宇，王东仙，等. 引发暴雨的低涡发生发展机制分析[J].灾害学, 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.]