有限區(qū)域分解分析方法在2006年一次東北冷渦暴雨分析中的應(yīng)用

鄧滌菲，周玉淑，王東海

1中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029

2中國科學(xué)院研究生院，北京 100049

3中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081

有限區(qū)域分解分析方法在2006年一次東北冷渦暴雨分析中的應(yīng)用

鄧滌菲1，2，周玉淑1，王東海3

1中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029

2中國科學(xué)院研究生院，北京 100049

3中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081

2006年7月19—24日，東北地區(qū)出現(xiàn)一次明顯的冷渦發(fā)展導(dǎo)致強降水的過程.對這次東北冷渦過程的天氣形勢分析表明，該東北冷渦的維持和發(fā)展與冷渦東部阻塞高壓的建立與消亡有關(guān).本文根據(jù)500h Pa環(huán)流形勢演變特征，將東北冷渦發(fā)生發(fā)展過程分為4個階段，并借助調(diào)和－余弦譜展開方法，對東北冷渦各階段850h Pa水平風(fēng)和水汽通量進(jìn)行無輻散和無旋轉(zhuǎn)分量分解，分析各階段無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能和無輻散風(fēng)動能之間的能量轉(zhuǎn)化.研究結(jié)果表明，分解得到的無輻散風(fēng)及其水汽通量清楚地展現(xiàn)出了東北冷渦的大尺度環(huán)流和水汽輸送通道及水汽來源，而從無旋轉(zhuǎn)風(fēng)及其水汽通量上則可以直觀地看到冷渦低層的中小尺度風(fēng)場及水汽輻合輻散區(qū)，為分析東北冷渦內(nèi)部對流提供幫助.東北冷渦發(fā)展的不同階段其水汽來源有所不同，初始階段的水汽主要來自黃海和渤海地區(qū)，發(fā)展階段水汽主要來自日本海，而到成熟階段和減弱階段，水汽輸送通道被破壞，冷渦的水汽供應(yīng)大大減少，與同時期暴雨減弱一致.同時，無旋轉(zhuǎn)風(fēng)輻合強值區(qū)和無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量大值區(qū)的重合區(qū)域有利于強對流的發(fā)生發(fā)展，表現(xiàn)為重合區(qū)與TBB（Temperature of Black Body，黑體輻射溫度）強對流云帶的形狀和位置對應(yīng)良好，與降水落區(qū)也較為一致，可為預(yù)報東北冷渦引發(fā)的強降水落區(qū)這一預(yù)報難點問題提供參考.從動能轉(zhuǎn)化上看，無旋轉(zhuǎn)風(fēng)和無輻散風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化項能很好地反映東北冷渦整個生命史過程中各階段強度的變化特點，對冷渦強度預(yù)報具有一定的指示意義.

東北冷渦，風(fēng)場和水汽通量場分解，無輻散風(fēng)，無旋轉(zhuǎn)風(fēng)，動能轉(zhuǎn)換

1 引 言

東北冷渦是指在500h Pa高空圖上，連續(xù)3天以上在東北地區(qū)（38°N—54°N，115°E—135°E）至少有一條閉合等高線存在，并有明顯的冷槽或冷中心與其配合的低壓[1].東北冷渦系統(tǒng)對東北地區(qū)暴雨具有重要影響，常給東北及華北北部地區(qū)帶來暴雨或者雷陣雨[2].東北冷渦是東亞阻塞形勢下在東北地區(qū)形成的較為深厚的冷性低值系統(tǒng)，是東北地區(qū)階段性低溫、暴雨等災(zāi)害性天氣的重要影響系統(tǒng)[3].東北冷渦背景下相關(guān)聯(lián)的暴雨具有歷時短、強度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，對這類強對流性天氣發(fā)生的時間和落區(qū)的估計往往缺少可靠的依據(jù)，在業(yè)務(wù)預(yù)報中難度很大[4].為了解決這一問題，國內(nèi)很多氣象工作者對東北冷渦的天氣背景、降水特點等進(jìn)行了大量的研究，如孫力等[5－6]運用1998年6—8月松嫩流域95個測站的逐日降水資料和NCEP/NCAR逐日再分析資料對東北冷渦進(jìn)行診斷分析，認(rèn)為東亞阻高、西太平洋副高和東北冷渦在強度和位置上的最佳配置構(gòu)成了1998年松嫩流域持續(xù)性暴雨的大尺度環(huán)流背景，亞洲季風(fēng)系統(tǒng)（南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng)）的水汽輸送也是大范圍強降水頻繁出現(xiàn)的重要原因，并指出水汽來源及其輸送是影響東北冷渦降水強度的關(guān)鍵因素.楊紅梅等[7]指出東北冷渦中高低空急流的相對位置很大程度上決定了強天氣的發(fā)生位置.然而東北冷渦最引人關(guān)注的特點是其誘發(fā)中小尺度系統(tǒng)的突發(fā)性和反復(fù)性（連續(xù)幾天在一個地區(qū)附近產(chǎn)生短時暴雨等強對流天氣），在東北冷渦的形成、發(fā)展、持續(xù)、甚至消退期均有可能伴隨有暴雨、冰雹、雷暴，短時大風(fēng)，甚至龍卷等強對流天氣發(fā)生[8].白人海等[9]認(rèn)為冷渦所造成的天氣在其發(fā)展過程的各個階段有很大的差別，且冷渦各階段所表現(xiàn)的天氣現(xiàn)象也有相當(dāng)大的差異，天氣現(xiàn)象的這種差異使我們認(rèn)識到除要認(rèn)識東北冷渦過程中較大尺度的運動外，還必須了解其所包含的一些較小尺度天氣的作用.由于這些中尺度系統(tǒng)范圍小，突發(fā)性強，降水量大，造成其落區(qū)預(yù)報的高難度性是東北其他任何天氣系統(tǒng)不可比擬的[8].

近年來，隨著雷達(dá)、衛(wèi)星等高時空分辨率的非常規(guī)觀測資料逐漸進(jìn)入氣象研究領(lǐng)域，非常規(guī)觀測資料在東北冷渦及其暴雨的分析模擬中得到廣泛應(yīng)用[10－11].隨著觀測手段的提高和數(shù)值模式的發(fā)展，預(yù)報員可以得到比較滿意的東北冷渦天氣尺度環(huán)流形勢圖.盡管觀測資料和模式輸出數(shù)據(jù)得到極大豐富，但目前還缺乏一種簡便易行的從資料本身出發(fā)提取出東北冷渦內(nèi)部中尺度結(jié)構(gòu)信息的方法，導(dǎo)致我們對東北冷渦誘發(fā)中尺度系統(tǒng)的機制缺乏足夠認(rèn)識[9].本文利用有限區(qū)域風(fēng)場分解技術(shù)，對2006年7月19—24日（世界時，下同）的一次東北冷渦過程進(jìn)行分析，利用分解出的無旋轉(zhuǎn)風(fēng)和無輻散風(fēng)分量，從低層風(fēng)場輻合輻散、水汽輸送以及動能變化等方面提取出這次東北冷渦過程內(nèi)部的動熱力結(jié)構(gòu)特征，以求得到東北冷渦在不同階段的結(jié)構(gòu)差異，加強對東北冷渦的認(rèn)識，并為東北冷渦降水落區(qū)及強度預(yù)報提供參考.

2 資料和方法

本文在進(jìn)行大尺度環(huán)流和垂直剖面分析中所用資料包括一日4次的NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料、FY－2C衛(wèi)星的逐小時TBB資料和地面臺站的6小時累積降水資料，在較小范圍的風(fēng)場和水汽場分析時利用日本氣象廳區(qū)域譜模式（RSM）一日4次的再分析資料，該資料水平分辨率為20km，垂直方向為20層.

文章主要運用了Chen等[12]提出的有限區(qū)域調(diào)和－余弦風(fēng)場分解方法，該方法的主要思想是：根據(jù)Helmholtz原理，在引入流函數(shù)ψ和速度勢后，水平風(fēng)矢量可以分解為無輻散風(fēng)Δ和無旋轉(zhuǎn)風(fēng)分量，即：Vh＝VΔψ＋Vχ，其中，Vψ＝k× ψ是無輻散風(fēng)分量，Vχ＝是無旋轉(zhuǎn)風(fēng)分量，相應(yīng)的流函數(shù)ψ和速度勢需要滿足兩個Possion方程.對于有限區(qū)域，給定的邊界條件為

其中，s，n分別表示切向單位矢量和法向單位矢量.

求解流函數(shù)和速度勢就是在耦合的邊界條件（1）（2）下，解Possion方程組.對于這個解的求法，國內(nèi)外科學(xué)家們做過了很多的努力[13－18]，也得到了一些簡化的邊界條件.但這些方法都是為了求解兩個Possion方程而做出的單純的數(shù)學(xué)處理，有的物理意義不夠明確，有的計算精度不夠高.針對這些問題，Chen等[12]提出了調(diào)和－余弦譜展開方法，其思想是首先把整個區(qū)域分為內(nèi)部部分和外部部分，各個物理量也分成內(nèi)部變量和外部變量兩部分，其中內(nèi)部變量只由內(nèi)部區(qū)域來決定，解與邊界條件無關(guān)，表示的是有限區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)自身的生消發(fā)展；外部變量只和邊界有關(guān)，實質(zhì)是外部系統(tǒng)對有限區(qū)域內(nèi)的影響.這樣分解后既使得在耦合邊界條件下的Possion方程可解，并且計算精度較高、耗機時短，又使得分解有了明確的物理意義.關(guān)于該方法具體的計算步驟可參考文獻(xiàn)[12，19－20].這樣，利用得到的流函數(shù)ψ 和速度勢，可以求得無輻散風(fēng)分量Vψ和無旋轉(zhuǎn)風(fēng)分量Vχ.

水汽通量，又稱水汽輸送量，指單位時間內(nèi)流經(jīng)與速度矢正交的某一單位截面積的水汽質(zhì)量，它表示水汽輸送的強度和方向[21].在等壓坐標(biāo)中，水平風(fēng)速的水汽通量可以表示為其物理意義是水平風(fēng)對水汽的輸送.利用Vh＝Vψ＋Vχ可將水汽通量分解為：其右邊第1項是無輻散風(fēng)的水汽通量，表示無輻散風(fēng)對水汽的輸送，它可以反映出大范圍的水汽輸送通道（水汽來源）信息，同時由于Vψ?Vχ，所以無輻散風(fēng)水汽通量在量級上與水平風(fēng)水汽通量基本一致，即右式第2項是無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量，表示的是無旋轉(zhuǎn)風(fēng)對水汽的輸送，它反映的是局地水汽輻合輻散情況，由于Vψ?Vχ，故無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量在量級上遠(yuǎn)小于無輻散風(fēng)水汽通量，即通過以上對水汽通量的分解，就可以將在原水平風(fēng)速水汽通量中看不出的無旋轉(zhuǎn)風(fēng)對水汽的輻合輻散信息提取出來，同時，直接從分解后的無輻散風(fēng)和無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量中，可以很方便地分析出主要的水汽輸送通道信息和水汽輻合輻散效應(yīng).

在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步利用有限區(qū)域旋轉(zhuǎn)風(fēng)和輻散風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換來了解這次東北冷渦內(nèi)部的一些特點，主要的公式推導(dǎo)見文獻(xiàn)[22].單位質(zhì)量的總動能可以分解為

其中kψ，kχ，kcross分別是無輻散風(fēng)動能、無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能、無輻散風(fēng)與無旋轉(zhuǎn)風(fēng)的交叉項.

從無旋轉(zhuǎn)風(fēng)和無輻散風(fēng)方程的表達(dá)式[23－24]可知，各方程都有c（kχ，kψ）項，它們大小相等，符號相反，稱為無輻散風(fēng)動能和無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能的轉(zhuǎn)換項，可寫為

其中轉(zhuǎn)換項c（kχ，kψ）為四項之和，分別為c1，c2，c3，c4.當(dāng)c（kχ，kψ）＞0時，表明無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能kχ向無輻散風(fēng)動能kψ轉(zhuǎn)換，當(dāng)c（kχ，kψ）＜0時，表明無輻散風(fēng)動能kψ向無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能kχ轉(zhuǎn)換.

最后將各個量在東北冷渦所在區(qū)域（38°N—54°N，115°E—135°E）進(jìn)行區(qū)域平均，用大寫字母K 和C分別表示區(qū)域平均的動能和轉(zhuǎn)換項.

本文利用調(diào)和－余弦譜展開方法，對2006年7月19—24日的一次東北冷渦過程進(jìn)行風(fēng)場分解，利用分解得到的無輻散風(fēng)分量Vψ、無旋轉(zhuǎn)風(fēng)分量Vχ、無輻散風(fēng)水汽通量無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量以及無旋轉(zhuǎn)風(fēng)和無輻散風(fēng)動能轉(zhuǎn)換，從低層風(fēng)場、水汽輸送和各層大氣動能轉(zhuǎn)換方面對此次東北冷渦過程進(jìn)行分析，以期更加清楚地揭示東北冷渦內(nèi)部中尺度風(fēng)場、水汽場及動能轉(zhuǎn)換的特征.

3 東北冷渦天氣回顧及階段劃分

2006年7月19—24日，受東北冷渦系統(tǒng)影響，我國東北地區(qū)普降大雨甚至暴雨，6小時內(nèi)最大降水量超過60mm，暴雨洪澇造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，其中，僅黑龍江黑河市就有116萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積達(dá)18.2×104km2，直接經(jīng)濟(jì)損失211億元.

為對此次東北冷渦事件進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)其500h Pa環(huán)流形勢特征，參考鐘水新等[25]的研究結(jié)果，本文將此次東北冷渦事件劃分為4個階段：初始階段（2006年7月19日00UTC—21日00UTC），發(fā)展階段（7月21日00UTC—22日06UTC），成熟階段（7月22日06UTC—23日00UTC）和減弱階段（7月23日00UTC—24日00UTC），選取其中的7月20日06UTC、7月22日06UTC、7月22日18UTC、7月23日12UTC作為各階段的典型時刻對此次東北冷渦的發(fā)展演變進(jìn)行對比分析.

3.1 水平環(huán)流特征

圖1 冷渦各階段500h Pa環(huán)流形勢場（實線為位勢高度，單位：gpm；矢量為風(fēng)場，單位：m/s；陰影區(qū)為溫度小于264K，單位：K）（a）2006年7月20日06UTC，（b）7月22日06UTC，（c）7月22日18UTC，（d）7月23日12UTC.粗虛線AB表示東北冷渦500h Pa長軸方向.Fig.1 The distribution of the geopotential height（solid line，unit：gpm），wind field（vector arrow，unit：m/s）and the temperature（shaded，unit：K）on 500h Pa The thick dashed line AB shows the direction of vertical cross－section in Fig.3.（a）July 20th 06UTC，（b）July 22th 06UTC，（c）July 22th 18UTC，（d）July 23th 12UTC，2006.

初始階段：500h Pa天氣圖（圖1a）顯示，東亞中高緯度貝加爾湖以西地區(qū)為一高壓脊，而貝加爾湖以東為深厚的東亞大槽，東亞大槽向南延伸，在（120°E，45°N）附近形成一個西北—東南走向（圖中AB粗虛線）的閉合低壓中心，即東北冷渦，其最內(nèi)圈等值線為5640gpm.由溫度場分布可知，此時與東北冷渦配置的冷空氣并不強烈，中心最低溫度只有262K.另外，在東亞大槽東側(cè)，日本島以東洋面上還存在另一冷性低渦系統(tǒng)，從該冷性低渦與東北冷渦之間的風(fēng)場上可以分析出一反氣旋性環(huán)流位于鄂霍茨克海上空，此時該反氣旋性環(huán)流相對較弱，還沒有以阻塞高壓形式建立，大量高緯冷空氣（T＜258K）向南輸送到東北冷渦后并不能聚集停留.從同時刻的FY－2CTBB資料可以看到（圖2a），此時東北地區(qū)主要的降水云團(tuán)位于內(nèi)蒙古東北部、黑龍江和吉林西部地區(qū)，呈“人”字形分布，對流最強中心出現(xiàn)在黑龍江和吉林交界處，最低亮溫低于220K.

圖2 冷渦各階段850h Pa環(huán)流形勢場（實線為位勢高度，單位：gpm；矢量為風(fēng)場，單位：m/s；陰影區(qū)為TBB小于250K區(qū)域，單位：K）Fig.2 The distribution of the geopotential height（solid line，unit：gpm），wind field（vector arrow，unit：m/s）on 850h Pa and TBB（shaded，unit：K）

發(fā)展階段：如圖1b所示，隨著系統(tǒng)東移，原貝加爾湖以西的高壓脊已移至貝加爾湖上空，并在貝加爾湖北部形成阻塞高壓，而東北冷渦東移至（123°E，47°N）附近.此時，原鄂霍茨克海上空的弱反氣旋環(huán)流已經(jīng)發(fā)展成為一個范圍廣大、橫跨25個經(jīng)度的阻塞高壓，位勢高度最大值超過5700gpm.該阻塞高壓建立后，從北方高緯流入東北冷渦中的冷空氣不斷聚集停留，冷渦持續(xù)發(fā)展，位勢高度不斷降低，最內(nèi)圈等值線達(dá)到5500gpm，中心溫度低于258K.此時冷渦冷中心位置仍然落后位勢高度低值中心，這種配置非常有利于冷渦的繼續(xù)發(fā)展.對應(yīng)FY－2C TBB資料顯示（圖2b），此時東北地區(qū)強對流云團(tuán)主要位于內(nèi)蒙古東北部和黑龍江東部，呈帶狀分布，最強對流中心位于黑龍江中部地區(qū)，云頂亮溫最低達(dá)220K.

成熟階段：從圖1c中可以看到，原鄂霍茨克海上空阻塞高壓減弱消失，貝加爾湖北部阻塞高壓進(jìn)一步發(fā)展，位于東北冷渦北部，阻擋北方高緯冷空氣南下進(jìn)入東北冷渦，東北冷渦與其北部的冷槽已完全分離，轉(zhuǎn)為東西走向（AB粗虛線），溫度小于258K的冷中心與位勢高度低值中心完全重合，此時冷渦發(fā)展達(dá)最強，位勢高度最低值已低于5500gpm.從FY－2C的TBB資料上可以看到（圖2c），東北地區(qū)強對流云團(tuán)主要位于冷渦的東北邊沿，呈弧形分布.

減弱階段：500h Pa天氣圖顯示（圖1d），貝加爾湖阻塞高壓繼續(xù)發(fā)展東移，完全切斷了北方高緯冷空氣南下對東北冷渦的冷空氣供應(yīng)，東北冷渦轉(zhuǎn)為西南—東北走向（AB粗虛線），其最內(nèi)圈等值線升為5560gpm，溫度小于258K的冷中心范圍減小，東北冷渦減弱.對應(yīng)FY－2C的TBB資料上（圖2d），東北地區(qū)只在黑龍江東部有一強對流云團(tuán).

3.2 垂直環(huán)流特征

為了對東北冷渦各階段結(jié)構(gòu)特征有一個更加全面立體的認(rèn)識，我們沿著各階段東北冷渦的長軸方向（圖1中粗虛線AB）做垂直剖面（圖3），以期對東北冷渦各階段垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，由圖3可見：

在東北冷渦初始階段（圖3a），從渦度場上看，沿著AB剖面從低層到高層都是正渦度區(qū)，其中兩個大于1.25×10－4s－1的渦度大值區(qū)分別位于118°E的700h Pa以下低空和122°E的400h Pa以上高空.從散度場上看，700h Pa以下都有很強的水平風(fēng)場輻合，對流層中高層550h Pa以上有輻散氣流與之配合，低層輻合高層輻散的動力抽吸作用已經(jīng)形成，冷渦區(qū)幾乎都是一致的上升運動，這與圖2a中TBB上顯示東北地區(qū)“人”字形強對流區(qū)是相對應(yīng)的.

圖3 沿圖1和圖2中AB軸線的垂直剖面圖（等值線為渦度，單位：10－4s－1；陰影區(qū)為散度，單位：10－5s－1；流線為風(fēng)場，垂直速度×100m/s）Fig.3 The vertical cross－section of vorticity（solid line，unit：10－4s－1），wind field（stream line，unit：×100m/s）and divergence（shaded，unit：10－5s－1）along the AB line in Fig.1and Fig.2

圖3b顯示，至冷渦發(fā)展階段，東北冷渦渦度場結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大改變，主要存在兩個正渦度區(qū)，其中一個位于120°E至128°E之間，從200h Pa向下延伸至900h Pa，幾乎貫通了整個對流層，極大值位于400h Pa附近，達(dá)2.25×10－4s－1，另一個正渦度區(qū)在128°E與130°E之間，位于400h Pa以下，其極大值出現(xiàn)在850h Pa附近.散度場上，120°E—128°E不再是低層輻合高層輻散，取而代之的是貫通整個對流層、向上向西傾斜的西部風(fēng)場輻合區(qū)和東部風(fēng)場輻散區(qū)，對應(yīng)垂直環(huán)流從輻合區(qū)上升，在其東側(cè)輻散區(qū)下沉，形成垂直閉合環(huán)流圈，而128°E—130°E為典型的低層輻合和高層輻散結(jié)構(gòu)，氣流上升強烈.垂直剖面上兩個上升運動區(qū)分別對應(yīng)于TBB上（圖2b）位于內(nèi)蒙古東北部和黑龍江中部的兩個強對流云團(tuán).

在冷渦成熟階段（圖3c），整個對流層在渦度場上都為正渦度區(qū)，高層350h Pa存在兩個正渦度中心，分別位于122°E和128°E.散度場上，貫通整個對流層、向上向西傾斜的風(fēng)場輻合區(qū)和風(fēng)場輻散區(qū)交替分布，但輻合輻散強度較冷渦發(fā)展階段有所減弱，也沒有形成明顯的垂直閉合環(huán)流圈.

圖3d顯示，在冷渦減弱階段，雖然整個對流層還是正渦度區(qū)，但其渦旋強度較冷渦成熟階段明顯減弱，正渦度最大值從成熟階段的3×10－4s－1減弱為2.25×10－4s－1.散度場上，此時冷渦128°E以西地區(qū)低層輻合高層輻散的動力抽吸結(jié)構(gòu)不再存在，取而代之的是低層輻散高層輻合結(jié)構(gòu)，對應(yīng)垂直環(huán)流以下沉運動為主.而在132°E以東，650h Pa以下是正渦度區(qū)，對應(yīng)風(fēng)場輻散，650h Pa以上為負(fù)渦度區(qū)，對應(yīng)風(fēng)場輻合，強烈的上升運動在此發(fā)生，對應(yīng)黑龍江東部地區(qū)表現(xiàn)為強對流云區(qū)（圖2d）.

4 2006年東北冷渦個例中的風(fēng)場和水汽場特征

地面風(fēng)的輻合強弱對對流天氣的發(fā)生發(fā)展有重要指示作用[21]，而充沛的水汽供應(yīng)是區(qū)域性暴雨產(chǎn)生的必要條件，在強降水過程中需要有源源不斷的水汽供應(yīng)，而大氣水汽的絕大多數(shù)都位于對流層低層，因此低層水汽輸送對強對流具有重要作用[22].特別是對于中國東北地區(qū)，水汽并不十分充沛，而東北冷渦卻經(jīng)常引起暴雨、大暴雨等強降水過程，因此分析其水汽通道和水汽輻合對了解東北冷渦中的水汽條件具有重要作用.通過對垂直剖面的分析可知（圖3），冷渦低層輻合輻散變化非常強烈，同時為排除地形的影響，在本節(jié)中，我們運用有限區(qū)域的調(diào)和余弦算法，對低層850h Pa風(fēng)場和水汽場進(jìn)行分解，以期更加清楚地揭示東北冷渦水汽來源（圖4和圖5）及其內(nèi)部中小尺度風(fēng)場和水汽場特征（圖6和圖7）.

圖4 東北冷渦各階段850h Pa無輻散風(fēng)（矢量為無輻散風(fēng)，單位：m/s；等值線為位勢高度場，單位：gpm；陰影區(qū)表示無輻散風(fēng)速＞12m/s）Fig.4 The distribution of the nondivergent wind field（vector arrow，unit：m/s，the shaded areas show the speed of nondivergent wind＞12m/s）geopotential height（solid line，unit：gpm）on 850h Pa

圖5 東北冷渦各階段850h Pa無輻散風(fēng)水汽通量（陰影區(qū)表示無輻散風(fēng)水汽通量大于10g－1·s－1·h Pa－1·cm－1）Fig.5 The distribution of water vapor flux of nondivergent wind（vector arrow，unit：g－1·s－1·h Pa－1·cm－1，the shaded areas show the magnitude＞10g－1·s－1·h Pa－1·cm－1）on 850h Pa

圖6 東北冷渦各階段850h Pa無旋轉(zhuǎn)風(fēng)（矢量為無旋轉(zhuǎn)風(fēng)，單位：m/s；等值線為位勢高度場，單位：gpm；陰影區(qū)：散度，單位：10－4s－1，其中深陰影區(qū)表示散度≤－0.5×10－4s－1，淺陰影區(qū)散度≥0.5×10－4s－1）Fig.6The distribution of the irrotational wind field（vector arrow，unit：m/s），the divergence（shaded，unit：10－4s－1），geopotential height（solid line，unit：gpm）on 850h Pa

圖7 東北冷渦各階段850h Pa無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量（陰影區(qū)表示無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量大于4g－1·s－1·h Pa－1·cm－1）Fig.7 The distribution of water vapor flux of irrotational wind（vector arrow，unit：g－1·s－1·h Pa－1·cm－1，the shaded areas show the magnitude＞4g－1·s－1·h Pa－1·cm－1）on 850h Pa

4.1 無輻散風(fēng)分量和無輻散風(fēng)水汽通量

在東北冷渦初始階段，850h Pa無輻散風(fēng)上（圖4a），（120°E，46°N）處存在明顯的氣旋中心，對應(yīng)東北冷渦，而在（125°E，36°N）處黃海上空有一個弱的氣旋環(huán)流，無輻散風(fēng)對應(yīng)的兩個大風(fēng)區(qū)（圖4a陰影）一個環(huán)繞著東北冷渦，另一大風(fēng)中心位于黃海氣旋環(huán)流東南側(cè)，呈東西帶狀分布.對應(yīng)850h Pa無輻散風(fēng)水汽通量顯示（圖5a），無輻散風(fēng)水汽通量的大值區(qū)（＞10g－1·s－1·h Pa－1·cm－1）也主要有兩個區(qū)域，一個位于東北冷渦控制區(qū)，另一個位于黃海氣旋環(huán)流南側(cè)，黃海氣旋東側(cè)的南風(fēng)氣流將水汽大量輸送至東北地區(qū)，利于東北冷渦產(chǎn)生降水.由上可見，東北冷渦初始階段其水汽主要來自中國黃海、渤海地區(qū).

850h Pa無輻散風(fēng)顯示（圖4b），至冷渦發(fā)展階段，原黃海上空的氣旋環(huán)流逐漸被東北冷渦合并，使得整個東北冷渦氣旋性環(huán)流拉長呈西北—東南走向，大風(fēng)區(qū)主要分布在東北冷渦東部.從無輻散風(fēng)水汽通量圖上可以看到（圖5b），無輻散風(fēng)水汽通量大值區(qū)主要分布在東北冷渦東部和32°N以南地區(qū)，且東北冷渦水汽通量大值區(qū)南端與32°N以南水汽通量大值區(qū)相接，這使得南風(fēng)氣流能夠?qū)⑷毡竞５貐^(qū)水汽源源不斷地向北輸送到我國東北地區(qū)，其最大無輻散風(fēng)水汽通量大于20g－1·s－1·h Pa－1·cm－1.可見，和初始階段東北冷渦水汽主要來自中國黃海不同，發(fā)展階段東北冷渦水汽主要來自日本海地區(qū).

當(dāng)冷渦發(fā)展至成熟階段（圖4c），隨著東北冷渦的東移，東北冷渦環(huán)流在南北方向受到擠壓，其南側(cè)的朝鮮半島和日本海地區(qū)新生出兩個氣旋環(huán)流，無輻散風(fēng)大風(fēng)區(qū)轉(zhuǎn)至冷渦東北部.在相應(yīng)的無輻散風(fēng)水汽通量上（圖5c），盡管32°N以南與西風(fēng)大風(fēng)區(qū)對應(yīng)的無輻散風(fēng)水汽通量極大值從發(fā)展階段的28g－1·s－1·h Pa－1·cm－1增加到30g－1·s－1·h Pa－1·cm－1，但此時東北冷渦南側(cè)新生的兩個氣旋性環(huán)流破壞了冷渦東部的水汽通道，使得東北地區(qū)水汽供應(yīng)大大減少，無輻散風(fēng)水汽通量極大值減小為18g－1·s－1·h Pa－1·cm－1，對應(yīng) TBB強度減弱（圖2c）.

在冷渦減弱期，850h Pa無輻散風(fēng)場上（圖4d），東北冷渦轉(zhuǎn)為西南—東北向，無輻散風(fēng)強度明顯減弱.對應(yīng)無輻散風(fēng)水汽通量圖上（圖5d），隨著無輻散風(fēng)強度的減弱，無輻散風(fēng)水汽通量減小，極大值減小為10g－1·s－1·h Pa－1·cm－1，冷渦東部南風(fēng)氣流無法將日本海水汽輸送至東北地區(qū)（圖2d）.

4.2 無旋轉(zhuǎn)風(fēng)分量和無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量

通過以上對無輻散風(fēng)及無輻散風(fēng)水汽通量的分析，可以看到東北地區(qū)主要的大尺度風(fēng)場環(huán)流和水汽輸送通道，但對東北冷渦內(nèi)部中小尺度風(fēng)場和水汽的輻合不太清楚，而風(fēng)場輻合和水汽的輻合往往對暴雨等強對流天氣具有促發(fā)作用，因此，下面本文分析了此次東北冷渦個例中風(fēng)場和水汽的輻合情況（圖6和圖7），以期對東北冷渦預(yù)報中的降水落區(qū)這一難點問題有所幫助.

850h Pa無旋轉(zhuǎn)風(fēng)顯示（圖6a），在東北冷渦初始階段，除冷渦南側(cè)外，大量無旋轉(zhuǎn)風(fēng)從周圍向冷渦中心涌進(jìn)，結(jié)合散度場可以看到輻合強值區(qū)域呈“人”字分布，從東北冷渦中心分別向東南和西南方向延伸出兩條輻合帶，其中東南方向輻合帶強度最強，超過－1×10－4s－1，西南方向輻合帶相對較弱.由圖7a可見，無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量大值區(qū)集中在冷渦東北和北部，最大值超過8g－1·s－1·h Pa－1·cm－1，表明有大量無旋轉(zhuǎn)風(fēng)攜帶著水汽在該處輻合，而冷渦南側(cè)水汽通量相對較弱，都小于4g－1·s－1·h Pa－1·cm－1.可見，冷渦東北部（內(nèi)蒙古東北部、吉林及黑龍江西部）既是無旋轉(zhuǎn)風(fēng)輻合大值區(qū)又是無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量強值區(qū)，該處的低層動力促發(fā)機制和水汽輻合條件都滿足，利于強對流發(fā)生，這和圖2a中TBB降水云團(tuán)位于東北冷渦東北部是一致的.同時，由6小時累積降水圖可知（圖8a），此時東北地區(qū)降水最大的地區(qū)位于AB線的東側(cè)，在內(nèi)蒙古東北部與吉林、黑龍江的交界處，6小時降水超過40mm，這與無旋轉(zhuǎn)風(fēng)輻合大值區(qū)和無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量強值區(qū)相重疊的地區(qū)相對應(yīng).

至冷渦發(fā)展階段（圖6b），850h Pa大量無旋轉(zhuǎn)風(fēng)分量從東、西兩側(cè)向冷渦中心擠壓，輻合強值區(qū)沿冷渦中心軸線呈帶狀分布，輻合最強區(qū)位于黑龍江中部，散度小于－1×10－4s－1.而無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量顯示（圖7b），水汽通量大值區(qū)（大于4g－1·s－1·h Pa－1·cm－1）也主要出現(xiàn)在黑龍江省的中部到東北部，無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量最強中心位于黑龍江北部，超過6g－1·s－1·h Pa－1·cm－1.結(jié)合圖6b和圖7b可知，在黑龍江省北部至中部的帶狀區(qū)域內(nèi)既是無旋轉(zhuǎn)風(fēng)輻合大值區(qū)，同時也是無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量大值區(qū)，利于對流降水發(fā)生，這在FY－2C的TBB上得到證實（圖2b），東北冷渦強對流云團(tuán)主要位于內(nèi)蒙古的東北部和黑龍江中部到北部，呈帶狀分布.此時的6小時累積降水圖顯示（圖8b），東北地區(qū)降水基本位于AB線的東側(cè)，在黑龍江北部，6小時降水超過40mm，這也是無旋轉(zhuǎn)風(fēng)輻合大值區(qū)與無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量強值區(qū)重疊區(qū).

圖8 冷渦初始和發(fā)展階段6小時累積降水圖（單位：mm）Fig.8 The 6 haccumulated rainfall（unit：mm）

當(dāng)東北冷渦發(fā)展至成熟階段（圖6c），850h Pa無旋轉(zhuǎn)風(fēng)輻合強值區(qū)已從發(fā)展期的冷渦中心轉(zhuǎn)移至冷渦外圍，除西南側(cè)外，在冷渦外圍可以清楚地看到一圈無旋轉(zhuǎn)風(fēng)輻合大值區(qū).而從圖7c中可以看到，相對發(fā)展階段，此時東北冷渦無旋轉(zhuǎn)水汽通量大幅減弱，但黑龍江北側(cè)和東側(cè)無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量仍然超過4g－1·s－1·h Pa－1·cm－1.結(jié)合圖6c和圖7c分析結(jié)果可知，黑龍江省北側(cè)到東側(cè)的環(huán)狀區(qū)域內(nèi)利于對流降水發(fā)生.圖2c中FY－2C的TBB顯示，TBB小于250K的強對流區(qū)位于冷渦的東北邊沿，呈弧形分布，這與無旋轉(zhuǎn)風(fēng)輻合大值區(qū)與無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量強值區(qū)相重疊區(qū)是一致的.由于此時冷渦降水大部分已經(jīng)移出中國，我們所用的地面臺站降水資料在中國境外無觀測，故本文沒有給出東北冷渦成熟和減弱階段的地面降水圖.

由圖6d可見，在冷渦減弱階段，無旋轉(zhuǎn)風(fēng)強輻合帶轉(zhuǎn)移至東北冷渦東側(cè)，東北冷渦其他地區(qū)輻合弱.對應(yīng)無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量圖同樣顯示（圖7d），東北冷渦無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量大值區(qū)也主要集中在黑龍江東部，由此可知，東北冷渦中最有可能出現(xiàn)對流降水的區(qū)域是黑龍江東部，該地區(qū)低層風(fēng)場和水汽場都最有利于對流發(fā)生，該時刻FY－2CTBB同樣顯示（圖2d），強對流云團(tuán)在東北地區(qū)此時已移至黑龍江東部.

5 東北冷渦中無旋轉(zhuǎn)風(fēng)與無輻散風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換

從東北冷渦區(qū)域平均總動能K的分布可以看到（圖9a），總動能最大值出現(xiàn)在高層，且由高層到低層動能逐漸遞減，高層動能時間變化相對穩(wěn)定，而中低層動能變化特別明顯.具體來說，初始階段，500h Pa以上的總動能K沒有明顯的變化，而500h Pa以下中低層K隨時間迅速增加；至發(fā)展階段，整層大氣，特別是中低層大氣的總動能K增強迅速，75J/kg等值線從大氣高層向下延伸到800h Pa附近；而在冷渦成熟階段，各層K基本維持，無明顯變化；到冷渦消亡階段，高低空各層總動能K迅速減弱.

無輻散風(fēng)動能Kψ各階段（圖9b）的變化趨勢和量級大小與總動能K幾乎一致.而從無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能Kχ的分布（圖9c）可以看到，Kχ最大值出現(xiàn)在大氣的低層和高層，中層為Kχ的極小值，一直維持在2～3J/kg，這是因為東北冷渦系統(tǒng)對流深厚，低層有強輻合而高層有強輻散，無旋轉(zhuǎn)風(fēng)強烈.具體看，在冷渦初始階段，大氣低層和高層的Kχ都有增加趨勢；發(fā)展階段低層Kχ達(dá)到冷渦整個生命史最大值，為16J/kg；冷渦成熟階段各層Kχ變化不明顯；冷渦消亡階段高低層Kχ減弱明顯.

圖9 東北冷渦各階段區(qū)域（38°N —54°N，115°E—135°E）平均總動能K （a），無輻散風(fēng)動能Kψ （b），無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能Kχ（c）（unit：J/kg，各階段用粗虛線隔開，從左至右分別為初始、發(fā)展、成熟和減弱階段，下同）Fig.9 Area－averaged total kinetic energy K （a），nondivergent wind kinetic energy Kψ（b），irrotational wind kinetic energy Kχ（c）（unit：J/kg，different stages have been separated by thick dashed line，the same below）

從無輻散風(fēng)轉(zhuǎn)換項C（Kχ，Kψ）的時間變化圖（圖10）可以看到，東北冷渦高層和低層的動能轉(zhuǎn)換最為明顯，而中層較弱.在冷渦初始階段，500h Pa以上C（Kχ，Kψ）基本為負(fù)值，說明東北冷渦500h Pa以上主要存在無輻散風(fēng)動能Kψ向無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能Kχ的轉(zhuǎn)換，使得高層的輻散加強；初始階段500h Pa以下C（Kχ，Kψ）為正值，并隨時間增加而增加，說明500h Pa以下有無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能Kχ向無輻散風(fēng)動能Kψ的轉(zhuǎn)換，結(jié)合圖9c可知，此時冷渦低層無旋轉(zhuǎn)風(fēng)Kχ也是增加的，說明有較強的其他形式能量補充東北冷渦，如有效位能等；到冷渦發(fā)展階段，從低層到高層基本上都為C（Kχ，Kψ）正值區(qū)，特別是高層和低層大氣，轉(zhuǎn)換項C（Kχ，Kψ）達(dá)到了冷渦整個生命史中的最大值，分別為0.055W/m2和0.025W/m2，說明此時Kχ向Kψ轉(zhuǎn)換強烈，使無輻散風(fēng)動能Kψ增加明顯，而圖9c說明此時高層和低層的Kχ也達(dá)到了冷渦生命史中的最大值，表明這段時間有很強的其他形式的能量補充支持Kχ的加強；在冷渦的成熟階段，從高層到低層C（Kχ，Kψ）的分布基本為“＋”“－”“＋”，說明在低層和高層以Kχ向Kψ轉(zhuǎn)換為主，但強度比冷渦發(fā)展階段要弱，而在中層大氣則以Kψ向Kχ轉(zhuǎn)換為主，對應(yīng)圖9c中Kχ略有增加；至冷渦消亡階段，原中層C（Kχ，Kψ）負(fù)值區(qū)進(jìn)一步向高層和低層擴展，使得中高層出現(xiàn)Kψ向Kχ轉(zhuǎn)換，結(jié)合圖3d中的散度場可知，冷渦減弱階段低層輻合高層輻散的動力抽吸結(jié)構(gòu)不再存在，取而代之的是低層輻散高層輻合結(jié)構(gòu)，對應(yīng)垂直環(huán)流以下沉運動為主.此時中高層出現(xiàn)Kψ向Kχ轉(zhuǎn)換，使得高層大氣無輻散風(fēng)動能向輻合的無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能轉(zhuǎn)換，氣流輻合增加，有利于下沉運動發(fā)生，同時無輻散風(fēng)也急劇減小，利于東北冷渦減弱.

圖10 東北冷渦各階段區(qū)域（38°N—54°N，115°E—135°E）平均無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能的轉(zhuǎn)換項C（Kχ，Kψ）（單位：W/m2）Fig.10 Area－averaged conversion between nondivergent wind kinetic energy and irrotational wind kinetic energy C（Kχ，Kψ）（unit：W/m2）

將東北冷渦Kψ和Kχ轉(zhuǎn)換與西南低渦[26]以及華南渦旋[27]進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，各種渦旋在能量轉(zhuǎn)換方面有相似之處也有不同之處，相似之處在于在各種低渦的形成過程中，在大氣低層都可以發(fā)現(xiàn)由位能和其他形式的能量釋放造成的Kχ增加，其中一部分Kχ加強了大氣低層氣流輻合，另一部分Kχ則加強了低層的Kψ，使氣旋性環(huán)流形成；而在高層大氣都有Kψ向Kχ的轉(zhuǎn)換，使得高空輻散場加強.不同之處在于各種低渦Kψ和Kχ轉(zhuǎn)換強度和維持時間各不相同，轉(zhuǎn)換項在它們的各發(fā)展演化階段也存在差異，需要在后續(xù)研究中進(jìn)一步細(xì)致對比分析.

6 結(jié) 論

根據(jù)500h Pa環(huán)流特征，本文將2006年7月19—24日的東北冷渦過程劃分為初始、發(fā)展、成熟和減弱共4個階段，并結(jié)合有限區(qū)域風(fēng)場分解技術(shù)（調(diào)和－余弦譜展開方法），對東北冷渦各階段低層風(fēng)場結(jié)構(gòu)、水汽輸送以及能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：

（1）東北冷渦東部阻塞高壓的建立與消亡對東北冷渦的維持發(fā)展具有重要作用.當(dāng)阻塞高壓建立時，受阻塞高壓阻擋，北方高緯冷空氣南下在東北冷渦內(nèi)部聚集，利于冷渦發(fā)展維持；反之，當(dāng)東部阻塞高壓消亡時，北方高緯南下冷空氣無法在東北冷渦內(nèi)部聚集，東北冷渦趨于減弱消散.

（2）無輻散風(fēng)及其水汽通量能清楚地展現(xiàn)東北冷渦水汽輸送通道分布，初始階段東北冷渦水汽主要來自中國黃海及渤海地區(qū)，而發(fā)展、成熟及消亡階段其水汽主要來自日本海地區(qū).

（3）無旋轉(zhuǎn)風(fēng)及其水汽通量可以直觀地顯示冷渦內(nèi)部中小尺度風(fēng)場和水汽場的輻合輻散效應(yīng)，這些特征在原風(fēng)場和原水汽通量場中無法看出.無旋轉(zhuǎn)風(fēng)輻合強值區(qū)和無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量大值區(qū)的重合區(qū)域有利于強對流發(fā)生發(fā)展，它與TBB強對流云帶及6小時累積降水大值區(qū)的位置和形狀都對應(yīng)良好.將無旋轉(zhuǎn)風(fēng)和無旋轉(zhuǎn)風(fēng)水汽通量結(jié)合可找出最有利于降水產(chǎn)生的區(qū)域，為降水落區(qū)預(yù)報提供參考.

（4）動能轉(zhuǎn)化項C（Kχ，Kψ）能很好地反映東北冷渦整個生命史中強度的變化特點.初始階段，冷渦高層大氣為C（Kχ，Kψ）負(fù)值區(qū)，對應(yīng)冷渦內(nèi)的無旋轉(zhuǎn)風(fēng)輻散氣流增強，利于冷渦發(fā)展；發(fā)展階段，冷渦高層和低層C（Kχ，Kψ）達(dá)到冷渦整個生命史中的最大值，此時無輻散風(fēng)動能和無旋轉(zhuǎn)風(fēng)動能也增加最為明顯；成熟階段，高層和低層動能轉(zhuǎn)換項C（Kχ，Kψ）明顯減弱，對應(yīng)冷渦強度維持；消亡階段，中高層再次出現(xiàn)負(fù)的C（Kχ，Kψ），使得高層大氣無旋轉(zhuǎn)風(fēng)氣流輻合有所增加，利于下沉運動發(fā)生，同時無輻散風(fēng)急劇減小，對應(yīng)東北冷渦減弱.

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The application of wind and water－vapor flux partitioning technique to the structure of a northeast vortex in 2006

DENG Di－Fei1，2，ZHOU Yu－Shu1，WANG Dong－Hai3
1 Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing100029，China
2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China
3 State Key Laboratory of Severe Weather，Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing100081，China

A northeast vortex event happened during 19thto 24thJuly 2006in northeast China；the event resulted in heavy rainfall in that area.From the weather situation of the northeast vortex，the maintenance and development of the vortex had strong connection with the buildup and breakdown of blocking high in the east.In the article，the northeast vortex event has beendivided into four stages，resorting to the method of harmonic－cosine spectrum expansion，the horizontal wind and water vapor flux have been decomposed into two parts，the results indicate that，on one hand，from the nondivergent wind and its water vapor flux，the large scale circulation and vapor transportation passage have been exhibited intuitively，which can distinguish the source of water obviously，on the other hand，from the irrotational wind component and its corresponding water vapor flux，the convergence and divergence of meso－scale wind and water vapor can be seen directly，moreover，the overlap areas of convergence of strong irrotational wind and the large value of its water vapor flux correspond well to the strong convective cloud and the rainfall areas，therefore，it can be a useful help for the operational precipitation prediction of northeast vortex.From the kinetic energy of nondivergent wind and irrotational wind，the conversion term can well depict the trend of strength during the life cycle of northeast vortex.

Northeast vortex，Wind and water vapor flux partitioning，Nondivergent wind component，Irrotational wind component，Kinetic energy conversion

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.006

P433

2011－09－06，2012－04－04收修定稿

國家自然科學(xué)基金項目（41075044，41075079，40633016）資助.

鄧滌菲，女，1984年10月生，在讀博士研究生，主要從事中小尺度動力診斷及數(shù)值模擬研究.E－mail：ddfttkl＠gmail.com

鄧滌菲，周玉淑，王東海.有限區(qū)域分解分析方法在2006年一次東北冷渦暴雨分析中的應(yīng)用.地球物理學(xué)報，2012，55（6）：1852－1866，

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.006.

Deng D F，Zhou Y S，Wang D H.The application of wind and water－vapor flux partitioning technique to the structure of a northeast vortex in 2006.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（6）：1852－1866，doi：10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.006.

（本文編輯 何 燕）