一次西南渦暴雨的位渦分析

崔恒立 王東仙 吳夢雯 牛奔

（1 荊門市氣象局，荊門 448000；2 中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081；3 武漢中心氣象臺,武漢 430074）

0 引言

西南低渦（簡稱西南渦）是出現(xiàn)在我國青藏高原東南側(cè)川西地區(qū)700 hPa（或850 hPa）等壓面上的一種α中尺度氣旋系統(tǒng)，水平尺度為3～5個經(jīng)距，多為暖性結(jié)構(gòu)，生命史一般低于48 h[1-2]，個別可達(dá)5 d以上，它是特殊地形與環(huán)流相互作用的產(chǎn)物[3]。最早對于西南渦的研究可以追朔到20世紀(jì)40年代前后[3]，其渦源大多在九龍區(qū)，其次是四川盆地[3-5]，多數(shù)西南渦在源地生消，少數(shù)東移發(fā)展，其移動主要跟冷空氣、風(fēng)場和物理量場的分布有關(guān)，大都沿著正渦度中心、輻合中心和冷暖平流中心移動[6-8]，凝結(jié)潛熱釋放，低空急流形成與維持以及高層位渦擾動都有利于西南渦的發(fā)展[9-10]。西南渦是影響我國降水的重要天氣系統(tǒng)，其產(chǎn)生暴雨天氣的能力僅次于臺風(fēng)[11]，能夠引起長江中下游等地大范圍的暴雨天氣[12]，當(dāng)與高原渦、熱帶氣旋等系統(tǒng)作用時能產(chǎn)生更強(qiáng)的降水[13-14]。近年來，通過位渦分析研究西南渦的成果越來越多。

位渦的概念最早是在1940年由Rossby提出的[15]，1942年Ertel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(diǎn)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(yán)格的守恒性[16]，Hoskins于1985年提出了位渦思想，在正位渦異常區(qū)內(nèi)位渦比周圍高，結(jié)果便出現(xiàn)圍繞正位渦異常的氣旋性環(huán)流[17]。國內(nèi)也有氣象學(xué)者系統(tǒng)性地總結(jié)了位渦、位渦思想、位渦理論以及應(yīng)用[18]。近些年，位渦被廣泛應(yīng)用到暴雨研究中，低渦暴雨的發(fā)生發(fā)展與濕位渦的時空演變有很好的對應(yīng)關(guān)系[19]，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(dǎo)致了氣旋性渦度的發(fā)展加強(qiáng)[20]，位渦的發(fā)展和暴雨的發(fā)展是一致的[21]，位渦場比渦度場更加能表現(xiàn)暴雨的移動和強(qiáng)度[22-23]。上述研究表明，對位渦的分析有助于增進(jìn)對暴雨與低渦的發(fā)生發(fā)展的了解和認(rèn)識。

2013年5月25—26日，受西南渦影響，我國中東部出現(xiàn)了大范圍的暴雨。由于西南渦初期發(fā)展受多個因素影響，數(shù)值天氣預(yù)報并未做出非常準(zhǔn)確的預(yù)報，造成過程初期預(yù)報出現(xiàn)了偏差。本文從位渦及位渦思想出發(fā)，試著揭示初期西南渦、強(qiáng)降雨與位渦的關(guān)系。

1 資料與方法

位渦在無粘絕熱的斜壓大氣中沿氣塊軌跡守恒，所以位渦可以作為跟蹤氣塊移動的物理量。而考慮水汽作用的濕位渦更好地表征了大氣動力、熱力性質(zhì)，擾動濕位渦是從濕位渦中減去大氣靜止時的背景位渦，能更合理的解釋暴雨發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制。P坐標(biāo)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）、濕位渦正壓項(xiàng)（mpv1），濕位渦斜壓項(xiàng)（mpv2）和擾動濕位渦（mpvre）的表達(dá)式為：

本文采用空間分辨率為1°×1°及時間間隔為6 h的FNL再分析資料、常規(guī)觀測6 h和24 h降水量資料，按公式（1）～（5）分別計(jì)算位渦、濕位渦、濕正壓項(xiàng)、濕斜壓項(xiàng)和擾動濕位渦，然后分別討論高層位渦異常與中低層低渦氣旋發(fā)生發(fā)展情況和擾動位渦與強(qiáng)降水的關(guān)系。

2 暴雨過程分析

受西南渦影響，2013年5月25—26日重慶、湖北、河南、安徽、山東和江蘇出現(xiàn)了強(qiáng)降水。從日累計(jì)降雨量的空間分布情況來看，25日（圖1a）降水主要發(fā)生在湖北中部、陜西東南部和河南大部，強(qiáng)降雨中心位于河南中部，出現(xiàn)了超過100 mm的大暴雨。26日（圖1b），強(qiáng)降水迅速向東北方向移動，降水強(qiáng)度也明顯加大，魯皖蘇三省交界地方出現(xiàn)了暴雨到大暴雨，大暴雨主要集中在山東和江蘇交界處。而后，隨著西南渦繼續(xù)東移入海，我國中東部的強(qiáng)降水過程減弱結(jié)束。

圖1 2013年5月25日08時—26日08時累計(jì)降雨量（a）以及26日08時—27日08時累計(jì)降雨量（b）（單位：mm）Fig. 1 (a) cumulative precipitation from 08 BT 25 May to 08 BT 26 May(b) cumulative precipitation from 08 BT 26 May to 08 BT 27 May (unit∶ mm)

為了研究此次西南渦暴雨過程中強(qiáng)降水與位渦的關(guān)系，有必要研究強(qiáng)降水中心的位置移動情況。圖2列出了6 h強(qiáng)降水中心的位置演變，25日20時至26日02時強(qiáng)的降水中心主要位于河南西部和湖北西南部，強(qiáng)降水中心范圍不大，強(qiáng)度也不強(qiáng)；隨著西南渦發(fā)展，強(qiáng)降水中心也迅速向東北方向移動，范圍也逐步擴(kuò)大，26日08—14時強(qiáng)降水的范圍達(dá)到了最大，6 h降雨量最大超過了60 mm，隨后強(qiáng)降水中心進(jìn)一步東移，但強(qiáng)度明顯減弱。分析發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水發(fā)生前對于西南渦的預(yù)報出現(xiàn)了偏差，而在西南渦明顯發(fā)展后預(yù)報與實(shí)況較為一致，因此本文重點(diǎn)研究西南渦發(fā)展前期。

3 環(huán)流形勢分析

此次降水過程中，高緯西西伯利亞地區(qū)有冷渦穩(wěn)定維持，冷渦不停的轉(zhuǎn)動帶動冷空氣在45°N附近堆積。中緯度高原槽在東移的過程中逐漸加深，高緯的冷空氣滲透到高原槽使其明顯加強(qiáng)，發(fā)展成低渦，低渦在東移的過程中給我國江漢、江淮和黃淮地區(qū)帶來了大范圍的降水天氣。

25日20時500 hPa（圖3a），西西伯利亞地區(qū)有冷渦維持，冷渦轉(zhuǎn)動帶動冷空氣南下，鋒區(qū)穩(wěn)定維持在45°N，高原槽東移到陜南—貴州西部，受其影響，陜南、湖北中部和河南大部出現(xiàn)了強(qiáng)降水。隨著鋒區(qū)附近堆積的冷空氣滲透到高原槽里，高原槽在東移的過程中明顯加深加強(qiáng)發(fā)展成低渦，雨帶也迅速東移到魯皖蘇地區(qū)。在高原槽加強(qiáng)的過程中，西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）加強(qiáng)北進(jìn)，副高外圍暖濕氣流源源不斷地進(jìn)入山東、江蘇等地，為魯皖強(qiáng)降水提供了良好的水汽條件。隨著低渦東移入海，中東部大范圍的降水過程基本結(jié)束。

從NCEP資料分析的各層流場可以發(fā)現(xiàn)，這次強(qiáng)降水過程在低層有低渦活動。以850 hPa為例，25日西南渦主要位于川東、重慶附近，低渦環(huán)流并不是十分清楚，至26日08時（圖3b）低渦明顯加強(qiáng)，氣旋性環(huán)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(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，27日02時（圖略）西南渦東移到魯皖蘇地區(qū)，中心位于（35°N，117°E）。從大暴雨中心的分布來看，大暴雨主要出現(xiàn)在低渦附近偏東的一側(cè)。綜上所述，在高原槽東移加深的過程中，中低層有西南渦發(fā)生發(fā)展，西南渦與副高外圍的西南暖濕氣流共同作用，導(dǎo)致了這次暴雨的發(fā)生。

圖3 2013年5月25日20時500 hPa位勢高度場與風(fēng)場（a）和26日08時850 hpa流場（b）（·代表大暴雨中心）Fig. 3 The potential hight and wind field at 500 hPa at 20 BT 25 May 2013 (a) and the streamline field at 850 hPa at 08 BT 26 May (b) 2013（· represents high rainfall center）

4 位渦診斷分析

4.1 位渦擾動與低渦發(fā)展的關(guān)系

在對流層的大氣位渦值一般都較低，高位渦大氣主要來自高緯地區(qū)對流層高層及平流層，很多學(xué)者將2 PVU作為對流層頂?shù)倪吔缇€，也用它來表征對流層大氣位渦的異常。從300 hPa位渦和急流的分布看到，高位渦多集中在45°N以北，這是因?yàn)槠搅鲗哟髿鈱咏Y(jié)穩(wěn)定和科氏參數(shù)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(fā)展的主要系統(tǒng)是30°—35°N的高原槽，在槽區(qū)出現(xiàn)了異常高位渦。25日08時（圖略），與低槽對應(yīng)的高位渦出現(xiàn)在高原上，位渦前側(cè)高空急流發(fā)展不強(qiáng)、范圍不大；20時（圖4a），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(fēng)坡被拉伸，氣旋性渦度加大使得高原擾動發(fā)展加深。由于氣旋性渦度增加使得位渦增大，到了26日08時（圖4b）其中心值達(dá)3.2 PVU，在位渦異常區(qū)的下方氣旋性渦度也隨之增大，中心強(qiáng)度超過12×10-5s-1。

圖4 2013年5月25日20時（a）和26日08時（b）300 hPa位勢高度（灰色實(shí)線）、高空急流（≥30 m·s-1，黑色虛線）、位渦（≥2 PVU，陰影區(qū)）和400 hPa強(qiáng)氣旋性渦度（≥6×10-5 s-1，紅色虛線）分布Fig. 4 The geopotential height (grey solid line ), upper layer jet (≥30 m·s-1, black dotted line ), potential vorticity(≥2 PVU, shadow area) at 300 hPa and strong cyclonic vorticity at 400 hPa(≥6×10-5 s-1, red dotted line ) at 20 BT 25 May (a) and 08 BT 26 May (b) 2013

為了說明高層位渦異常區(qū)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20時在青藏高原（100°E）上空300 hPa附近存在異常高位渦（圖5a），與之對應(yīng)有比較大的位溫梯度和垂直渦度，說明正位渦異常區(qū)是一個渦度和靜力穩(wěn)定度大值區(qū)，這與Hoskins在1997年提出位渦反演時的觀點(diǎn)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，其下方大氣的靜力穩(wěn)定度減小。由位渦守恒性，當(dāng)靜力穩(wěn)定度減小使得低層渦度增大，在其下方便出現(xiàn)了氣旋性垂直渦度。由于下方垂直渦度的增加，必然導(dǎo)致位渦增大，從而又使得更低層次的渦度發(fā)展，于是清晰看到正渦柱向下延伸并隨高層位渦向東移動，向下發(fā)展的低渦進(jìn)一步加強(qiáng)了西南渦，此時低渦前側(cè)上升運(yùn)動發(fā)展，地面開始出現(xiàn)降水，降水釋放凝結(jié)潛熱加熱增加中層位溫梯度，26日08時（圖5b）在對流層中層（400和600 hPa）也出現(xiàn)了異常高位渦，低層低渦獲得爆發(fā)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(xiàn)了高值位渦。由此可見，高原槽附近高層位渦的異常，加強(qiáng)了低層西南渦的發(fā)展。

圖5 2013年5月25日20時（a）和26日08時（b）位渦（≥2 PVU，陰影區(qū)）、相當(dāng)位溫（黑色實(shí)線）、三維風(fēng)場（矢量）和強(qiáng)氣旋性渦度（≥6×10-5 s-1，紅色虛線）沿30°N垂直分布Fig. 5 The vertical distribution of diagnosis in abnormal potential vorticity(≥2 PVU, shadow area ), equivalent potential temperature (black dotted line), 3-D wind field(vector) and strong cyclonic vorticity(≥6×10-5 s-1, red dotted line ) along 30°N at 20 BT 25 May (a) and 08 BT 26 May (b) 2013

4.2 位渦與強(qiáng)降水的關(guān)系

4.2.1 濕位渦正壓項(xiàng)與強(qiáng)降水的關(guān)系

由公式可知，濕位渦的正壓項(xiàng)主要反映了絕對渦度和對流不穩(wěn)定度的大小。沿著暴雨中心34°N作MPV1的緯向剖面，25日20時—26日02時強(qiáng)降水區(qū)（111°—116°E）低層MPV1為負(fù)值區(qū)，中上層為正值區(qū)（圖6a和6b），說明在低層為對流不穩(wěn)定區(qū)，而在中上層為對流穩(wěn)定區(qū)，此時出現(xiàn)的降水為對流性降水。后期隨著高原槽和低渦系統(tǒng)東移，由于槽后冷空氣有較大的對流穩(wěn)定度，26日08—14時冷空氣以高M(jìn)PV1的形式向低層入侵，并呈現(xiàn)出傾斜的結(jié)構(gòu)（圖6c和6d），此時的降水為低渦系統(tǒng)產(chǎn)生的穩(wěn)定性降水。值得注意的是，高值位渦柱向低層入侵的時候，邊界層的濕正壓項(xiàng)異常增加，這主要是由于氣旋性輻合的增強(qiáng)導(dǎo)致絕對渦度增大的結(jié)果，而對流穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)是次要的。

4.2.2 濕位渦斜壓項(xiàng)與強(qiáng)降水的關(guān)系

圖6 2013年5月25日20時（a）、26日02時（b）、26日08時（c）和26日14時（d）沿34°N濕位渦正壓項(xiàng)垂直剖面圖（單位：PVU）Fig. 6 The vertical cross-section of MPV1 along 34°N at 20 BT 25 May (a), 02 BT 26 May (b), 08 BT 26 May and 14 BT 26 May 2013 (unit∶ PVU)

圖7 2013年5月25日20時（a）、26日02時（b）、26日08時（c）和26日14時（d）沿34°N濕位渦斜壓項(xiàng)垂直剖面圖（單位：PVU）Fig. 7 The vertical cross-section of MPV2 along 34°N at 20 BT 25 May (a), 02 BT 26 May (b), 08 BT 26 May and 14 BT 26 May 2013 (unit∶ PVU)

由定義可知，濕斜壓項(xiàng)的大小主要決定于水平風(fēng)的垂直切變和相當(dāng)位溫的水平梯度，負(fù)值越大其斜壓性越強(qiáng)。從沿34°N的濕位渦斜壓項(xiàng)的緯向剖面圖上看到，25日20時—26日02時（圖7a和7b），強(qiáng)降水區(qū)上空200 hPa以上的負(fù)值中心逐漸加強(qiáng)，其最小值低于－1.0 PVU，而在400 hPa附近也出現(xiàn)了－0.6 PVU中心，這主要是因?yàn)榈蛯訌?qiáng)盛的西南氣流伸展到400 hPa，而高層為西北氣流，水平風(fēng)垂直切變大，斜壓性強(qiáng)，降水也多為對流性。26日08—14時（圖7c和7d），高層負(fù)值繼續(xù)減小，在低層850 hPa附近出現(xiàn)了強(qiáng)的負(fù)值中心，這主要是由于槽后冷空氣加強(qiáng)，使得位溫水平梯度加大，斜壓性增強(qiáng)，降水也明顯加強(qiáng)。

4.2.3 擾動濕位渦與強(qiáng)降水的關(guān)系

圖8 給出了25日20時—26日08時850 hPa擾動濕位渦和后6 h降水的空間分布。25日20時（圖8a）位于重慶南部的擾動濕位渦移動加強(qiáng)，其中心強(qiáng)度達(dá)－0.62 PVU，其后6 h降水強(qiáng)度達(dá)40 mm；26日02時（圖8b），低層氣旋性環(huán)流進(jìn)一步發(fā)展，在對流不穩(wěn)定區(qū)出現(xiàn)了較強(qiáng)的擾動位渦，使得原本兩個孤立的中心連成一條帶，雨區(qū)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(qiáng)降雨雨團(tuán)，隨后6 h最大降水達(dá)72 mm，此時無論是擾動位渦還是降雨強(qiáng)度均達(dá)到最大；26日08時（圖8c）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(qiáng)并繼續(xù)向東北方向移動，雨帶斷裂為兩個，西南方雨團(tuán)減弱，東北方雨團(tuán)強(qiáng)度不變但范圍擴(kuò)大；隨后西南強(qiáng)雨團(tuán)減弱消失，東北方雨團(tuán)隨著擾動位渦的東移發(fā)展而進(jìn)一步增強(qiáng)。由此可見，低層擾動濕位渦對降水的發(fā)展確實(shí)具有指示意義，強(qiáng)降水出現(xiàn)在擾動位渦負(fù)值中心的前側(cè)，擾動位渦越強(qiáng)降水越強(qiáng)。

5 結(jié)論與討論

圖8 2013年5月25日20時（a）、26日02時（b）和26日08時（c）強(qiáng)降水過程中擾動濕位渦（≤－0.2 PVU，黑色實(shí)線）和后6 h降水（≥20 mm，陰影）空間分布Fig. 8 The spatial distribution of disturbance of moist potential vorticity in heavy rainfall (≤－0.2 PVU ,black dotted line)and the last 6 hour rainfall (≥20 mm, shadow area ) at 20 BT 25 May (a), 02 BT 26 May (b) and 08 BT 26 May 2013

對發(fā)生在2013年5月25—26日我國中東部大范圍的西南渦暴雨過程，本文利用NCEP再分析資料對西南渦發(fā)展前期進(jìn)行了位渦分析，主要結(jié)論如下：

1）西南渦的發(fā)展與高層位渦的異常有關(guān)，在高原槽附近的異常強(qiáng)位渦，有較大位溫梯度和垂直渦度，垂直渦度向下發(fā)展使得低層的氣旋性環(huán)流加強(qiáng)，從而增強(qiáng)了西南渦的發(fā)展，這對于西南渦發(fā)展前期的預(yù)報有很好的指導(dǎo)意義。

2）西南渦發(fā)展前期，在對流不穩(wěn)定區(qū)出現(xiàn)了對流性降水，利用濕位渦可以很好的揭示。在強(qiáng)降雨上空，濕位渦正壓子項(xiàng)自低層至高層呈現(xiàn)出“負(fù)—正”的分布特征，濕位渦斜壓子項(xiàng)在中層有強(qiáng)負(fù)值中心，反映出低層強(qiáng)對流不穩(wěn)定和中層垂直風(fēng)切變對于對流性降水的促進(jìn)作用。

3）西南渦發(fā)展階段，伴隨冷空氣的加入，濕位渦正壓子項(xiàng)正值中心表現(xiàn)出傾斜漏斗狀向低層入侵，斜壓子項(xiàng)在低層出現(xiàn)了強(qiáng)負(fù)值中心，反映出斜壓性在強(qiáng)降水發(fā)生時所起的重要作用。強(qiáng)降水中心與低層擾動濕位渦負(fù)值有較好的對應(yīng)關(guān)系，這對于強(qiáng)降雨落區(qū)的預(yù)報提供了一種參考。

本文給出了西南渦及其降水與位渦的關(guān)系，這為研究西南渦提供了一種新的思路。目前，西南渦主要是根據(jù)風(fēng)場和溫度場的演變來預(yù)報，未來可以嘗試通過分析高層位渦擾動、濕位渦子項(xiàng)的變化來預(yù)報西南渦和降水，但值得注意的是高層位渦異常、擾動濕位渦加強(qiáng)是否與強(qiáng)降水發(fā)展存在反饋關(guān)系，這些仍需要進(jìn)行深入分析。