东北冷涡背景下中尺度低涡的演变成因及其对MCS的影响分析

乔娜，钱鹏，周勍，张晨昕，吴昕悦

（江苏省镇江市气象局，镇江 212000）

引言

暴雨是中国主要的灾害性天气之一，国内外学者早在20世纪80年代就已经开始关注引发强降水的中小尺度系统。研究表明，中尺度对流系统(MCS)在同一个地区重复出现往往是产生持续性暴雨的直接原因(谌伟等，2017)，MCS的发生发展不仅受到天气尺度系统的影响，同时受到中尺度系统的制约(Orlanski，1975；贝耐芳等，2002)，因此在研究强对流的同时，加强对不同系统之间相互影响的分析十分必要。

东北冷涡是指我国东北地区具有一定强度，能维持一段时间，且有深厚冷空气的高空冷性的气旋性涡旋。气象研究中常用的定义为500 hPa 天气图上，115°—45°E、35°—60°N 范围内，具有一定强度(至少有一根闭合等高线)，能维持3 d 或以上，且有冷中心或者冷槽配合的高空气旋性涡旋(郑秀雅，1992；Zhao et al.，2007；Fu and Sun，2012)。东北冷涡的发生、发展、滞留、衰亡过程均对大气环流起着至关重要的作用，在其演变过程中，它与高空急流、锋面等系统相配合形成温压不对称结构，进而为强对流发生提供良好的环境场，并且它经常与中尺度系统相互作用，为强对流的发展提供有利的环流背景(白人海等，1998；孙力等，2000；张立祥等，2008，2009；王宇欣等，2014)。大尺度流场为强对流的发生提供了有利的环流背景，而中尺度系统同样也是影响强对流发生发展的关键，研究表明，中尺度低涡的活动会直接影响强对流的演变及发展，进而引发暴雨的出现(东高红等，2013；何光碧等，2014；高守亭等，2019)。程麟生等(2001)利用MM5 模式对“98.7”特大暴雨过程进行模拟指出，低层环境场中存在一个明显的中尺度低涡，低涡区域强烈的辐合作用是这次大暴雨出现的主要原因。不少学者指出对流层中低层正垂直涡度扰动有利于中尺度低涡的生成，而低涡辐合作用又为对流增强提供了有利的环境场，进而引发暴雨出现(徐亚梅等，2002；王智等，2003；孙建华等，2004；王芬等，2015)。张庆红等(2000)对一次MCS 过程进行数值模拟指出，当中尺度对流发生时，潜热释放会引发中尺度低压出现，该低压会直接影响低空急流的强度，进而影响对流的发展。王海东等(2008)指出低涡东移会引发大暴雨的生成。

以上研究成果表明，关于东北冷涡和中尺度低涡分别从环流场上影响强对流的分析较多，但是对于不同系统相互作用及其如何影响强对流发生发展的研究较少，因此本文利用WRF数值模式对东北冷涡背景下的一次中尺度低涡伴随MCS 的过程进行模拟分析与诊断，深入了解东北冷涡影响下中尺度低涡发生发展的原因及其对MCS的物理影响机制，以期提高低涡影响下强对流预报的准确率。

1 资料和方法

1.1 选取资料

使用的资料包括：美国国家大气研究中心(NCAR)和美国国家环境预报中心(NCEP)提供的FNL (Final Operational Global Analysis)全球分析资料，时间间隔为每6 h 一次，空间分辨率为1°×1°，属于GRIB2 码全球资料；全国常规地面观测和探空资料；SWAN系统处理后的多普勒雷达资料，包括滨州、沧州等11 个雷达站的观测资料，时间间隔为每6 min一次，空间分辨率为0.01°×0.01°；中尺度数值模式WRFV3.6(ARW)输出的高分辨率模拟资料。

1.2 模式方案设计

本文采用非静力中尺度数值模式WRFV3.6 进行数值模拟研究。模拟时间从2015年8月3日00时—3日18时(世界时，下同)共18 h，初始场及侧边界场采用NCEP 1°×1°逐6 h的FNL全球分析资料。模拟采用三重双向嵌套，中心经纬度为(117.037°E、36.316°N)，三层嵌套网格数分别是349×349，454×496，598×595，水平分辨率分别是18.0 km、6.0 km、2.0 km，垂直方向共分为35 层，第一、二层每1 h 输出一次模拟结果，第三层每10 min 输出一次模拟结果。采用的参数化方案包括：Thompson aerosol-aware 微物理方案(胡向军等，2008)，RRTM 长波辐射方案(Mlawer et al.，1997)，Dud⁃hia 短波辐射方案(Lacis，1974)，K-F 积云对流方案(第三层不使用) (Kain et al.，1990，1993)，Monin-Obukhov近地面层方案(章国材，2004)，YSU 边界层方案(Hong et al.，2006)，Noah 陆面过程方案(赵向军，2017)等，文中主要分析第三区域D03的模拟结果。

2 天气过程实况

2.1 环流背景

从天气形势来看，2015 年8 月3 日06 时(世界时，下同) (图1a)，500 hPa 呈现两脊一槽的形势，高压脊分别位于贝加尔湖和鄂霍次克海西部，槽线位于内蒙古高原-黄土高原-四川盆地一带。东北冷涡位于黑龙江以西，中心在(120°E、53°N)附近，闭合环流尺度达1 500 km 以上，强度在556 dagpm 以下，是深厚的冷性低压系统。低纬西北太平洋副热带高压(以下简称副高)脊线西伸至110°E 附近并稳定维持，副高西北侧的西南暖湿气流为强对流天气发生提供良好水汽条件。200 hPa 高空急流位于东北冷涡中心位置以南，中心最大风速达50 m·s-1以上，强度较强。中尺度低涡和对流发生在500 hPa 东北冷涡槽前的偏西气流中，200 hPa高空急流入口区右侧，高层对应强辐散区。850 hPa(图1c)由于对流区和高空急流右后方强烈的辐散加强低空急流左前方辐合，从而导致中尺度低涡(400 km)生成，随后10 时(图略)低涡辐合作用进一步促进对流单体组织成带状中尺度对流系统(MCS)。

12 时(图1b)，500 hPa 东北冷涡缓慢东移，中心位置向东偏移，槽线移至东北平原—华北平原一带，200 hPa 高空急流中心也略微东移，强度有小幅度减弱，中尺度低涡和MCS 仍位于东北冷涡槽前、高空急流的右后方。850 hPa 低空急流向东北方向移动(图1d)，风速增强，低涡中心略微东北移，伴随143 dagpm等高线范围的扩大而强度增加，高度延伸至800 hPa，MCS处于低空急流与中尺度低涡之间辐合区内。

图1 2015年8月3日06时(a)、12时(b)的200 hPa全风速场(阴影,单位:m·s-1)和500 hPa高度场(黑色实线,单位:dagpm)、温度场(红色实线,单位:℃)和风场(风向标,单位:m·s-1)与06时(c)、12时(d)的850 hPa全风速场(阴影,单位:m·s-1)、高度场(蓝色实线,单位:dagpm)和流场(黑色流线,单位:m·s-1)(红色三角表示强对流区,棕色实线表示500 hPa槽线)Fig.1 Wind speed field(shadow,unit:m·s-1)at 200 hPa and geopotential height field(black solid line,unit:dagpm),temperature field(red solid line,unit:℃)and wind field(wind vane,unit:m·s-1)at 500 hPa at(a)06∶00 UTC and(b)12∶00 UTC on 3August 2015,and wind speed field(shadow,unit:m·s-1),geopotential height field(blue solid line,unit:dagpm)and flow field(black line,unit:m·s-1)at 850 hPa at(c)06∶00 UTC and(d)12∶00 UTC on 3 August 2015(The red triangle represents severe convection zone and the solid brown line represents the trough-line at 500 hPa).

2.2 中尺度低涡和MCS实况分析

低涡是低压在流场上的表现，雷达回波分布可以体现MCS的演变特征。通过上节分析可知，东北冷涡为中尺度低涡和对流的发生提供了良好的天气尺度环流背景，同时中尺度低涡为MCS的组织生成有重要贡献。由图2 可知，06 时(图2a)东北冷涡与高低空急流等系统共同作用使得对流单体在山东西部、河南北部生成，同时由于对流区上方对应假相当位温的密集带，锋生使得对流单体快速组织发展；高空急流右后方的辐散加强了低空急流左前方气流的辐合，同时对流区辐合作用推进了偏北风与西南风交汇，进而导致低层中尺度低涡在此处生成。12时(图2b)中尺度低涡范围扩大，强度增加，它与低空急流间的切变辐合加强，风场的辐合作用使得散乱的对流单体组织成带状中尺度对流系统，即MCS生成发展。

图2 2015年8月3日06时(a)、12时(b)的850 hPa实况雷达回波反射率(阴影,单位:dBz)、流场(黑色流线,单位:m·s-1)和假相当位温分布(红色实线,单位:K,黑色实心点代表沧州站)Fig.2 Observed radar reflectivity(shadow,unit:dBz),flow field(black line,unit:m·s-1)and distribution of pseudo-potential temperature(red solid line,unit:K)at 850 hPa at(a)06∶00 UTC and(b)12∶00 UTC on 3August 2015(The black solid point represents Cangzhou station).

由于14 时左右为中尺度低涡和MCS 发展强盛的阶段，因此图3 给出了该时刻沧州站上空的雷达探测资料，由径向风速(图3a)可以看出，山东西北部存在完整的中尺度低涡形态，此时低涡正强盛发展。同时，由沧州站上空雷达反射率(图3b)可见，紧邻低涡东南部的带状对流系统清晰，可见低涡与MCS的发展存在密切联系。

图3 2015年8月3日14时沧州站仰角1.5°的径向风(a,单位:m·s-1,黄圈表示中尺度低涡)和仰角0.5°的雷达反射率(b,单位:dBz)Fig.3 (a)Radial wind(unit:m·s-1)at elevation angle 1.5°and(b)radar reflectance(unit:dBz)at elevation angle 0.5°from Cangzhou station at 14∶00 UTC 3 August 2015(The yellow circle represents the mesoscale vortex).

总体而言，东北冷涡等天气尺度系统为中尺度低涡和强对流的发生提供了有利的环流背景，同时中尺度低涡的发展又是促进MCS生成的重要因素，因此此次过程中尺度低涡的演变成因和它对MCS 发展的影响将是本文讨论的主要问题。

3 模拟结果检验

图4 为本次模拟得到的环流场，从中可见，06 时(图4a、c)500 hPa呈现两脊一槽形态，东北冷涡位于黑龙江西部，低纬副高脊线明显西伸，200 hPa高空急流位于东北冷涡南部，850 hPa存在明显的低空急流，高低层系统共同作用促使对流和中尺度低涡生成，与实况类似。12 时(图4b、d) 各层系统东移，强度增加，MCS 处于低空急流和中尺度低涡之间的切变辐合区内，与实况一致。

图4 2015年8月3日06时(a)、12时(b)模拟的200 hPa全风速场(阴影,单位:m·s-1)和500 hPa高度场(黑色实线,单位:dagpm)、温度场(红色实线,单位:℃)和风场(风向标,单位:m·s-1)与06时(c)、12时(d)模拟的850 hPa全风速场(阴影,单位:m·s-1)、高度场(蓝色实线,单位:dagpm)和流场(黑色流线,单位:m·s-1)Fig.4 Simulated wind speed field(shadow,unit:m·s-1)at 200 hPa and geopotential height field(black solid line,unit:dagpm),temperature field(red solid line,unit:℃)and wind field(wind vane,unit:m·s-1)at 500 hPa at(a)06∶00 UTC and(b)12∶00 UTC on 3 August 2015,and simulated wind speed field(shadow,unit:m·s-1),geopotential height field(blue solid line,unit:dagpm)and flow field(black line,unit:m·s-1)at 850 hPa at(c)06∶00 UTC and(d)12∶00 UTC on 3August 2015.

通过模拟的中尺度低涡(图5)可以看出：一个中尺度低涡于06 时(图5a)在113°E、38°N 附近生成，此处正是对流发生区域，随后低涡中心东移，强度增加，范围扩大；12 时(图5b)低涡范围扩大到400 km，散乱的对流单体已组织成东北-西南向的带状中尺度对流系统(MCS)；14 时(图5c)低涡和MCS 向东北方向移动，强度和范围不断增加；15时30分(图5d)低涡继续向东北方向移动，并逐渐减弱消失，MCS 也逐渐东移减弱。通过与实况(图2、3)对比可知，本次模拟较好地再现了中尺度低涡发生的位置、时间和演变过程，以及它与强对流的对应关系，因此可以利用本次模拟结果进行进一步的中尺度分析。

图5 2015年8月3日06时(a)、12时(b)、14时(c)、15时30分(d)的850 hPa模拟雷达回波反射率(阴影,单位:dBz)和流场(黑色流线,单位:m·s-1,紫色实心圆代表沧州站)Fig.5 Simulated radar reflectivity(shadow,unit:dBz)and flow field(black line,unit:m·s-1)at 850 hPa at(a)06∶00 UTC,(b)12∶00 UTC,(c)14∶00 UTC,and(d)15∶30 UTC on 3 August 2015(The purple solid point represents Cangzhou station).

4 中尺度低涡和MCS的涡度与能量分析

由上述分析可知，在东北冷涡的背景下，中尺度低涡的发生发展和MCS的演变关系密切，因此下面将从涡度方程出发探究中尺度低涡发生发展的原因，并利用能量转换方程分析低涡是如何影响MCS发展的。

4.1 中尺度低涡涡度收支分析

为了研究中尺度低涡的发生发展机制，下面利用涡度方程(式(1))对低涡区域进行涡度收支分析。p 坐标系下的涡度方程(不考虑摩擦项)(朱乾根等，2007)

其中，A为相对涡度的局地变化项，B为水平平流项，C为垂直输送项，D为水平散度项，E为倾侧项，u、v为水平风速，ω为垂直速度，ζ为相对涡度，f为地转涡度，β=

4.1.1 局地相对涡度变化

为了更好的观察中尺度低涡发生发展过程中垂直方向上涡度的变化，选取低涡初生到消亡阶段每半小时进行时间平均，低涡区域5°×4°的范围进行区域平均，进而对相对涡度进行计算分析。从图6可见，在中尺度低涡演变过程中，500 hPa以下始终以正涡度为主，最大正涡度集中在700—800 hPa，500 hPa 以上以负涡度为主；低涡最高延伸至800 hPa，06—15时低涡不断加强，800 hPa以下相对涡度不断增大，850 hPa相对涡度最大增至8×10-5s-1以上，可以推测在此期间有中层正涡度持续的垂直下传；15 时之后，低涡开始减弱，800 hPa以下相对涡度有所减小，850 hPa相对涡度减小明显。

图6 区域(5°×4°)时间(每0.5 h)平均的中尺度低涡相对涡度的垂直廓线(单位:10-5s-1)(不同颜色的线条表示不同时次,横虚线表示850 hPa高度,横实线表示950 hPa高度)Fig.6 The vertical profile of relative vorticity of the mesoscale vortex with region(5°×4°)and time(0.5 h)mean(unit:10-5 s-1)(Different color lines indicate different times,and the horizontal dotted line represents 850 hPa,and the horizontal solid line represents 950 hPa).

4.1.2 涡度方程各项贡献

为了探究在中尺度低涡发生发展过程中涡度变化的机制，根据涡度方程，分别选取了中尺度低涡发生(06 时)、强盛(14 时30 分)、减弱(15 时)阶段的三个时次，计算垂直速度、散度和涡度方程中各项的变化来分析涡度变化的原因。

在中尺度低涡形成时的8月3日06时，由图7a可知，低涡区域整层的垂直速度为正值，最大值在600 hPa附近，600 hPa以下为水平辐合，600 hPa以上为水平辐散，850 hPa的垂直涡度为3×10-5s-1；由图7d可知，低涡区域中低层正的垂直涡度主要受到垂直输送项和水平散度项的影响，其中700 hPa 以下以水平散度项的正贡献为主，700—500 hPa 以垂直输送项的正贡献为主，中高层负的垂直涡度主要受到水平平流项和倾侧项影响。结合图7a、d可知，低层水平辐合引起垂直涡度的增加，垂直速度的峰值和垂直输送项的峰值均集中在600 hPa 附近，这表明低层由于水平散度的辐合作用增加的正涡度，将通过垂直平流向上输送，从而有利于增强气旋性涡度的局地变化。

在中尺度低涡强盛时的8月3日14时30分，由图7b 可知，低涡区域整层的垂直速度为正值，峰值有所增加，且位于300 hPa 附近，300 hPa 以下为弱辐合，300 hPa 以上为强辐散，这可能与200 hPa 高空急流的东移增强有关，850 hPa 的垂直涡度增大至8×10-5s-1；由图7e可知，低涡区域中低层正涡度主要受到垂直输送项和水平散度项的积极作用，其中800 hPa 以下以水平散度项的积极作用为主，且强度比06 时有所增加，800—400 hPa以垂直输送项的积极作用为主，高层负的垂直涡度主要受到倾侧项影响。结合图7b、e 可知，低层水平散度项的正作用加强，使得低层低涡区域有正的相对涡度局地变化，正涡度加大，由于800 hPa以上垂直速度和垂直输送项均为正值且有所加强，因此将低层正涡度不断向中高层输送，使得800—400 hPa相对涡度局地变化加强，气旋性涡度增加。

在中尺度低涡减弱时的8月3日15时，由图7c可知，低涡区域的上升运动有所减弱，峰值仍位于300 hPa附近，300 hPa 以下有弱辐合，300 hPa 以上有弱辐散，这与200 hPa 高空急流的减弱相关联，850 hPa 的垂直涡度减小至6×10-5s-1；由图7f 可知，800 hPa 以下水平散度项的正值减小，800—400 hPa 垂直输送项的正值减小，850 hPa以下垂直输送项变为负值，中高层负垂直涡度仍主要受到倾侧项作用。结合图7c、f 可知，800 hPa以下水平散度项的正贡献减小，垂直输送项变为负贡献，相对涡度的局地变化由正值变为负值，使得低层气旋性涡度开始减弱，并且中高层垂直运动和垂直输送项有所减弱，中尺度低涡开始减弱。

图7 2015年8月3日06时(a)、14时30分(b)、15时(c)的中尺度低涡区域平均(5°×4°)和时间平均(每0.5 h)的垂直速度(W,单位:10-2m·s-1)、涡度(Vor,单位:10-5s-1)和散度(Div,单位:10-5s-1)的垂直廓线和06时(d)、14时30分(e)、15时(f)的涡度方程各项(单位:10-9s-2)的垂直廓线(A为相对涡度的局地变化项,B为水平平流项,C为垂直输送项,D为水平散度项,E为倾侧项)Fig.7 Vertical profiles on the mesoscale vortex region(5°×4°)and time(0.5 h)mean of vertical velocity(W,unit:10-2 m·s-1),vertical vorticity(Vor,unit:10-5 s-1)and divergence(Div,unit:10-5 s-1)at(a)06∶00 UTC,(b)14∶30 UTC,and(c)15∶00 UTC on 3 August 2015,and vertical profiles of terms of the vorticity equation(unit:10-9 s-2)at(d)06∶00 UTC,(e)14∶30 UTC,and(f)15∶00 UTC on 3 August 2015(A represents local variation term of relative vorticity,and B represents horizontal advection term,and Crepresents vertical transport term,and D represents horizontal divergence term,and E represents heeling term).

4.1.3 涡度方程各项变化分析

为进一步探究涡度方程各项变化，作各项的时间-高度剖面如图8。06—15时为中尺度低涡发生发展的阶段，水平散度项和垂直输送项正贡献最大，水平平流项和倾侧项负贡献最大，800 hPa以下水平散度项正贡献更明显，即辐合作用强，水平平流项负贡献更明显，800—400 hPa 垂直输送项正贡献更明显，即向上输送强，倾侧项负贡献更明显。水平散度项在800 hPa以下对局地涡度变化有明显的积极作用，强辐合引起正的涡度收支，使得低层气旋性涡度增大，中层有较弱的消极作用，引起负的涡度收支，使得中层反气旋性涡度略微增大，这种低层气旋性涡度，中层反气旋性涡度的配置有利于涡旋和上升运动的发展。垂直输送项在800—400 hPa 始终表现为很强的积极作用，使得局地相对涡度稳健增长，并将低层正涡度向上输送，有利于涡旋的发展。水平平流项在800 hPa以下对局地相对涡度为明显的负贡献，有正涡度向周围流失，800 hPa以上存在正贡献，周围有正涡度向涡旋中心输送，这种涡度平流下负上正的垂直分布形态，有利于上升运动的发展，从而进一步加强低层辐合。倾侧项在800—400 hPa表现为负贡献，多有垂直涡度向水平涡度的转换，产生负涡度收支，不利于气旋性涡旋向上伸展。

图8 中尺度低涡区域平均(5°×4°)和时间平均(0.5 h)的涡度方程各项中水平平流项(a)、垂直输送项(b)、水平散度项(c)、倾侧项(d)和相对涡度的局地变化项(e)的时间-高度剖面图(单位:10-9s-2)Fig.8 Time-height cross-sections for(a)horizontal advection term,(b)vertical transport term,(c)horizontal divergence term,(d)heeling term and(e)local variation term of relative vorticity(unit:10-9 s-2)of the vorticity equation on the average mesoscale vortex.

15 时之后中尺度低涡开始减弱，800 hPa 以下水平散度项逐渐减弱，由正值转为负值，垂直输送项负值区有所伸展，水平平流项仍为负值，使得相对涡度的局地变化由正值变为负值，正的涡度收支有所减弱，负的涡度收支逐渐出现，从而引起低层的气旋性涡度环流减弱；800—400 hPa垂直输送项有所减弱，使得正的涡度收支减弱，倾侧项有所减弱，但仍表现为负值，引起局地相对涡度负变化。

综合上述分析，中尺度低涡形成和发展时期，低层的水平辐合和低层向高层正涡度的垂直输送，使得正的垂直涡度增加，气旋性环流加强，低涡发展；中尺度低涡减弱时期，低层辐合减弱、垂直输送变为负值、垂直输送项有所减小，使得正涡度制造减弱，负涡度制造增加，气旋性环流减弱，低涡消亡。

4.2 强对流带能量收支分析

上面利用涡度方程分析了中尺度低涡发生发展的原因，而伴随着低涡的演变，MCS生成并发展，那么中尺度低涡是如何影响强对流的，下面将利用Jiang等(1995)的能量收支方法，详细探讨强对流带与中尺度低涡间的能量转换。

将相关变量分为纬向平均场和扰动场，进而将大气动能和有效位能分成纬向平均部分和扰动部分来进行研究，其中有效位能可用来衡量在绝热过程中位能转化为动能的最大量。本节主要分析式(2)和(3)中涉及的三种转化过程和一种生成过程，其中忽略S(KE)的作用，相应转化过程和生成过程的计算方法如式(4)—(8)所示。

式(2)和(3)分别表示扰动动能和扰动有效位能随时间的变化，其中AE表示扰动有效位能，AZ表示纬向平均有效位能，KE表示扰动动能，KZ表示纬向平均动能，G(AE)表示扰动有效位能在非绝热加热过程中的生成率，S(KE)表示非保守外力对能量的变化率。C(X→Y)表示能量从X 形式转化到Y 形式。在以上方程中，方括号表示物理量的纬向平均，物理量右上角的撇号表示相对于该平均值的偏差，其中u'、v'、w'分别表示x、y、z方向上的扰动速度，θ'表示扰动位温，H'表示绝热加热率的扰动。

图9是根据上式计算出的模式第三层D03(111°—123°E、31°—41°N)区域时间平均的各种能量转换随时间的变化，具体算法如下：计算各变量纬向平均值、扰动值和扰动乘积的纬向平均值等；依据式(4)—(8)计算各转换项；计算各转换项的垂直积分；计算各转换项垂直积分后的区域时间平均；进而分析扰动动能和扰动有效位能的变化。其中由于中尺度低涡范围很大，基本覆盖D03区域，因此纬向平均能量可以代表中尺度低涡的能量，而扰动能量可以表示强对流的能量。由图可知，06—12时，扰动有效位能的生成项G(AE)和纬向平均有效位能向扰动有效位能的转化项C(AZ→AE)均为正值，且G(AE)在10时达到最大，最大值为20×10-4W，C(AZ→AE)在12时达到最大，最大值约为34×10-4W，扰动有效位能向扰动动能的转化项C(AE→KE)较小，说明在此期间强对流获得并积累了较高的扰动有效位能，而非绝热加热项和纬向平均有效位能向扰动有效位能的转化项均是扰动有效位能增加的主要来源。同时纬向平均动能向扰动动能的转化项C(KZ→KE)也为正值，且不断增长，说明此段时间中尺度低涡不断向强对流区域输送动能，以助其发生发展。12—15时，扰动有效位能的生成项G(AE)和纬向平均有效位能向扰动有效位能的转化项C(AZ→AE)呈下降趋势，纬向平均动能向扰动动能的转化项C(KZ→KE)也开始减弱，但仍表现为正值，同时，扰动有效位能向扰动动能的转化项C(AE→KE)呈现出明显的上升趋势，说明在此期间，扰动有效位能转化为扰动动能明显，扰动动能的增加促进MCS加强。15时之后中尺度低涡和强对流带开始减弱，不做具体分析。整个过程中尺度低涡和MCS之间的主要能量转化如图10所示，这样的能量转化有利于中尺度对流系统的发展增强。

图9 D03区域时间平均(每1 h)的垂直积分的不同形式能量转化随时间的变化(单位:10-4W)(黑色实线表示C(AE→KE),红色长虚线表示C(AZ→AE),深紫色短虚线表示C(KZ→KE),青色点划线表示G(AE))Fig.9 The energy transformation chart of vertical integral different forms of D03 region and time(1 h)mean over time(unit:10-4W),and the solid black line represents C(AE→KE),and the long dashed red line represents C(AZ→AE),and the short dashed dark purple line represents C(KZ→KE),and the dotted blue line represents G(AE)

图10 能量转化示意图Fig.10 Diagram of energy transformation.

依据上述分析，进一步分析风场对于强对流带的影响。图11 给出了D03 区域时间平均的垂直积分的纬向平均风场和扰动风场随时间的变化，纬向平均风场代表中尺度低涡，扰动风场代表强对流。分析可知，11时之前，纬向平均风场主要以西风为主，伴有较弱的南风，垂直上升运动较强，且不断加大，扰动风场主要以西风为主，伴有较弱的北风分量，存在一定的下沉运动，由此可知，中尺度低涡输送的南方暖空气与对流区域的北方冷空气交汇，产生垂直运动，进而促进能量转化，强对流发生。11—15 时，纬向平均风场西风减弱，南风加强，12时之后主要以西南风为主，垂直运动减弱，但仍为正值，扰动风场西风先增强后减弱，北风扰动逐渐变为南风扰动，14 时之后主要以西南风为主，下沉运动减弱，出现上升运动，由此可知，由于中尺度低涡带来的强烈西南风作用，使得强对流带处的北风逐渐消失，随后主要受到西南气流的控制，水汽条件较好，且扰动下沉转为上升运动，进而促进强对流发展。

图11 D03区域时间平均(每1 h)的垂直积分的纬向平均风场(a,单位:m·s-1)和扰动风场(b,单位:10-2m·s-1)随时间的变化Fig.11 Vertical integral charts of(a)zonal mean wind field(unit:m·s-1)and(b)disturbed wind field(unit:10-2 m·s-1)of D03 region and time(1 h)mean over time.

5 结论

由于中尺度低涡和MCS常引发暴雨等灾害，本文对2015年8月3日东北冷涡背景下的一次中尺度低涡伴随MCS过程进行数值模拟与分析，研究了中尺度低涡演变成因和它对强对流发生发展的影响，得到以下结论：

(1)此次过程发生于200 hPa高空急流右后方辐散区，500 hPa 东北冷涡南侧，槽前偏西气流中，850 hPa低空急流西北侧，高低层系统相配合为中尺度低涡和强对流的生成提供了有利的环流背景，同时，中尺度低涡的辐合作用促使散乱的对流单体组织成带状中尺度对流系统，即低涡的生成有利于MCS的组织形成。

(2)利用涡度方程分析中尺度低涡发生发展的原因，低层正涡度的变化主要受到水平散度项和垂直输送项的影响，其中水平散度项作用更明显，而中层正涡度的变化主要受到垂直输送项的影响，高层负涡度的变化主要受到水平平流项和倾侧项的影响，其中倾侧项作用更显著。中尺度低涡形成和发展时期，低层的水平辐合和低层向上正涡度的垂直输送，使得正涡度增加，低涡发展；中尺度低涡减弱时期，低层辐合减弱、垂直输送变为负值，使得正涡度制造减弱，负涡度制造增加，低涡消亡。

(3)利用能量收支方程分析中尺度低涡和MCS之间的能量转换，纬向平均场代表中尺度低涡，扰动场代表强对流，可知在MCS 发展过程中，潜热释放作用和纬向平均有效位能向扰动有效位能的转化是扰动有效位能增加的主要来源，而风场变化所引起的垂直上升下沉运动是扰动有效位能转化为扰动动能的主要机制，扰动动能增加，强对流发展。中尺度低涡不仅为强对流的发展提供能量，低涡附近风场的变化也是影响强对流演变的重要原因。