台风“彩虹”过程的湿位涡分析

徐碧裕，叶朗明，胡丽华

（江门市气象局，广东江门　529030）

台风“彩虹”过程的湿位涡分析

徐碧裕，叶朗明，胡丽华

（江门市气象局，广东江门529030）

采用NCEPFNL 1°×1°再分析资料、国家气候中心0.1°×0.1°降水融合资料以及地面观测站逐时雨量数据对台风“彩虹”过程湿位涡进行分析。结果表明：850 hPa上MPV1正负值交界的等值线密集区、925 hPa上MPV1负值区与强降水区域均有很好的对应关系；高层MPV1正值，低层负值，有利于能量下传，增强了对流层低层的不稳定度（即θe/p增加），导致不稳定能量释放；在台风中心附近有-θe/p≈0转为<0，有利于上升运动的发展；在低层MPV2正负值弱中心降雨均不明显，反而在正负值交界等值线密集区的近负值区域一侧降雨强度大，在一定程度上可根据MPV2的分布得出冷暖空气的相互作用。

天气学；湿位涡；台风“彩虹”；倾斜涡度发展理论

徐碧裕，叶朗明，胡丽华.台风“彩虹”过程的湿位涡分析［J］.广东气象，2016，38（4）：7-11.

台风暴雨常给沿海省市带来灾害性破坏［1］，是天气预报业务中的重点难点。1979年，Bennets等［2］首次提出湿位涡（MPV）概念，在水汽饱和的情况下，湿位涡在不计非绝热加热和摩擦作用时是守恒的。因湿位涡不仅表征了大气动力、热力性质，而且还考虑了水汽的作用，通过分析湿位涡，能更全面地诊断暴雨的发生发展过程。1995年，吴国雄等［3］从严格原始方程出发，提出倾斜涡度发展理论，指出在湿位涡守恒条件下，由于湿等熵面的倾斜，大气水平风垂直切变的增加或水平湿斜压的增加都会引起垂直涡度的增长，从而导致暴雨的发生［4］。近年来，位涡理论及倾斜涡度发展理论逐渐应用到台风暴雨、强对流的研究中，且得出了一些有意义的结果。沈晓玲［5］利用模式资料对台风“碧利斯”进行湿位涡分析，得出低层等压面上MPV1（MPV垂直分量，湿位涡正压项）负值中心可指示强降水落区，且MPV1绝对值与降水强度成正相关；王淑静等［6］对不同路径、结构不同的登陆台风的若干实例进行暴雨落区的解释，得出在台风倒槽顶部，暴雨落区与MPV1及MPV2（MPV水平分量，湿位涡斜压项）的骤增有关；李英［7］根据湿位涡理论，对比分析2个台风的变性过程，表明台风的变性加强与高层正位涡扰动下传有关，MPV1增长会引起倾斜涡度发展；范可等［8］应用湿位涡理论，分析了发生在东南亚夏季的2个强降水个例，认为对流层高层MPV1正值区与低层MPV1负值区相互作用，容易贮存和释放湿对流不稳定能量，有利于强降水产生。

本研究采用NECP FNL 1°×1°逐6 h再分析资料，计算各层次湿位涡，试图寻找暴雨落区与湿位涡在水平、垂直方向上的对应关系，为今后对台风暴雨落区及强度预报提供参考。

1　台风“彩虹”概况

2015年第22号台风“彩虹”于10月2日02：00（北京时，下同）在菲律宾马尼拉以东洋面生成，随后快速西北移，强度持续加强，20：00加强为强热带风暴，3日14：00加强为台风级，中心最大风力33 m/s（12级），23：00加强为强台风级，中心最大风力45 m/s（14级），并于10月4日14：00在湛江市坡头区沿海地区登陆，登陆时中心附近最大风速50 m/s（15级），中心最低气压940 hPa，随后继续向西北方向移动，穿过雷州半岛，4日18：00前后从廉江市进入广西境内，4日夜间减弱为热带风暴，于5日在广西境内减弱为热带低压（图1a）。

受“彩虹”环流影响，3日夜间到7日早晨广东省均出现明显降水。降水主要出现在4日08：00—5日08：00，根据全省气象站网统计，粤西和珠江三角洲出现了暴雨到大暴雨局部特大暴雨降水（图1b）。

图1　2015年第22号台风“彩虹”路径图（a）和3日08：00—7日08：00累计雨量（单位：mm）（b）

2　湿位涡分析

2.1湿位涡表达式及物理意义

吴国雄等［3］定义湿位涡为：单位质量空气块的绝对涡度在相当位温梯度方向的投影与这一梯度绝对值的乘积，对于绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性，其单位为PVU，1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1。在P坐标系中湿位涡守恒的表达式［3］为：

其垂直和水平分量分别为MPV1和MPV2：

其中MPV1为湿正压项，是MPV垂直分量，表示惯性稳定性与对流稳定性的作用，因为绝对涡度ζp+f是正值，所以当大气对流不稳定时有，有利于暴雨的发生和发展；大气对流稳定时有为湿斜压项，是MPV水平分量，包含了θe湿斜压性和水平风垂直切变的作用，标志了大气斜压性的发展，是触发暴雨的重要机制。在诱发倾斜涡度发展的过程中，风的垂直切变、大气垂直稳定度和湿斜压性的影响不是孤立的，在湿位涡守恒的制约下，不论大气是湿对流稳定还是湿对流不稳定，由于θe面的倾斜，大气水平风垂直切变或湿斜压性增加能够导致垂直涡度的显著发展，并且湿等熵面θe倾斜越大，气旋性涡度增大越强烈，这种涡度的增长称为倾斜涡度发展［3］。

2.2等压面上的湿正压项MPV1演变特征

4日14：00—20：00 6 h累计雨量中，在广东西南地区（109°E—114°E，20°N—24°N）均有50 mm以上暴雨降水，降水集中分布于两广交界及广东西南部（图略）；在恩平市锦江水库站逐时雨量中，4日06：00后降水逐时上升，最大小时雨强出现在16：00，达到34.3 mm/h，该站14：00—20：00 6 h累计雨量达122 mm（图略）。

在4日08：00（图2a）850 hPa上粤西沿海地区有MPV1大值中心，强度达到1.6 PVU以上，在其东北侧阳江、江门沿海存在负值区域，正负值交界处等值线密集；4日14：00，该中心西北移动，强度增强至1.8 PVU以上，在其中心以东及以南地区，均为MPV1负值控制，东北部出现强度为-0.9 PVU的MPV1负值中心（图2b）；在4日08：00（对比图2a-d），与高层850 hPa正值中心对应的是，低层925 hPa下出现了负值中心，高层MPV1正值，低层MPV1负值，非常有利于深对流的发展，阳东区新洲镇站4日08：00雨势明显增强，且出现次峰值（图2f）；到4日20：00，正负值交界的等值线密集区集中在两广交界，同时在粤西沿海出现多个MPV1负值中心，强度均在-0.8 PVU以上（图2e）。综合上下层MPV1演变，降水落区集中在850 hPa MPV1正负值交界等值线密集区；低层925 hPa中的MPV1负值区均对应着强降水区域。

2.3湿正压项MPV1的垂直分布特征

在各个时次中，以台风中心所在纬度作剖面。3日20：00—4日02：00（图3a、3b），在500 hPa以下18°N—22°N地区均维持MPV1负值，中层700～850 hPa及低层925 hPa存在负值中心，且强度加强，02：00中心强度分别为-1.5和-2.1 PVU，高层MPV1正值有下传趋势。到4日08：00（图3c），高层MPV1正值中心明显下压，零线出现在850 hPa上，该层以上为正值、以下为负值，19°N—22°N区域的对流高度明显降低。高层冷空气以高值位涡柱的形式向下入侵，与低层负值MPV1相互作用，低层MPV1等值线明显加密，从而增加了对流层低层不稳定度（即增加），导致对流不稳定能量释放，暴雨就产生在高低空正负湿位涡柱的下方。

图2　4日08：00（a）、4日14：00（b）850 hPa MPV1；4日08：00（c）、4日14：00（d）、4日20：00（e）925 hPa MPV1以及阳东区新洲镇站逐时雨量（f）

图3　3日20：00 MPV1沿1135E剖面（a）；4日02：00 MPV1沿1123E剖面（b）；4日08：00 MPV1沿1116E剖面（c）；4日02：00—08：00 6 h累计雨量（单位：mm）（d）

2.4垂直剖面上的θe特征

沿台风中心所在纬度作垂直剖面。4日02：00（图4a），θe大值区集中在20°N附近，低层到高层中心值均为360 K以上，垂直方向上变化小；在中心区域两侧850 hPa层以下均为-θe/p <0，说明大气低层处于对流不稳定状态。在中心区域等熵面与等压面垂直，由判据θe/p≈0可知对流层低层对流稳定度很小；当等熵面与等压面近似平行时（θe/p值达到最大），湿位涡的正压项MPV1是其主要部分［9］。随着台风中心北移，中心北侧20°N—23°N区域700 hPa层以下-θe/p≈0，转为<0（图4b）。由倾斜涡度发展理论［3］，为了保持湿位涡的守恒，低层对流稳定度的减小会导致对流层低层气旋性涡度的显著增长（即在MPV1中，-θe/p的减小，会使得ζp+f的显著增长），非常有利于上升运动的发展，有利于暴雨的产生，暴雨就产生在θe线陡峭密集区附近。

图4　θe（阴影单位：K）及水平风场（风向杆，单位：m/s）在垂直方向的分布a.4日02：00沿112.3°E剖面；b：4日08：00沿111.6°E剖面

2.5湿斜压项MPV2与台风暴雨的关系

从计算结果可看出，MPV2比MPV1小一个量级。MPV2的分布特征也与MPV1有着明显的不同，台风登陆前对流层低层并没有明显的MPV2闭合强中心与强台风中心对应（图5）。

图54日08：00（a）、4日20：00（b）和6日02：00（c）925 hPa MPV2；5日20：00—6日02：00 6 h累计雨量（单位：mm）（d）；6日02：00 925 hPa θe（阴影，单位：K）及风场（风向杆，单位：m/s）（e）分布

在台风影响前期，4日08：00（图5a），粤西及两广交界为MPV2正值区，说明该地存在较强风切变；4日20：00（图5b），台风登陆上岸后，MPV2正值区收缩，中心强度加强，反映了低空暖湿气流的加强，向高层输送的过程；随着台风的逐渐靠近，暖湿空气输送强劲，垂直风切边加大（u/p<0，v/p<0），同时西风槽后的冷空气与台风2个不同热力性质系统间的靠近使得粤西一带等θe线密集，θe/y<0，θe/x>0并且|θe/y|>|θe/x|，θe/y占据主导地位，致使MPV2>0，粤西及珠三角以西有较强的正MPV2带维持（图5a）。在台风“彩虹”登陆地附近也开始出现负值中心（图5b），强度在-0.3 PVU左右，意味着该区域内暖湿气流正在减弱，强降雨将发生。6日02：00 MPV2正负值中心的交界区处在粤西至两广地区（图5c），锋区呈南北向分布，正值中心强度0.08 PVU、负值中心强度-0.14 PVU，强度均偏弱；5日20：00—6日02：00 6 h累计降雨分布也呈现出南北向的带状分布（图5d），对比MPV2值及降水分布，可知后期在MPV2正负值弱中心降雨均不明显，反而在正负值交界等值线密集区的近负值区域一侧降雨强度大。925 hPa上θe线（图5e）受冷空气影响，冷舌向南伸至北部湾，两广交界区正处在θe线锋区前沿，西北风与东南风辐合，冷暖空气交汇，雨带与冷暖锋区匹配［10］。

3　结论

1）通过MPV1分析得出，暴雨降水落区常出现在850 hPa MPV1正负值交界的等值线密集区，而925 hPa低层MPV1负值区均为强降水区域，根据925 hPa低层MPV1值可较好地判断降水落区。

2）在MPV1垂直剖面上，高层冷空气以高值位涡柱的形式向下入侵，与低层负值MPV1相互作用，使得低层负值MPV1等值线加密，从而增强了对流层低层不稳定度（即θe/p增大），导致对流不稳定能量释放。

3）随着台风中心北移，θe线剖面上的陡峭密集区北侧700 hPa层以下-θe/p≈0，转为<0。在这个过程中，因MPV1为主要项，为保持湿位涡的守恒，700 hPa以下低层对流稳定度的减小（-θe/p减小）会导致对流层低层气旋性涡度的显著增长，从而有利于上升运动的发展。

4）在925 hPa低层MPV2正负值弱中心降雨均不明显，但在正负值交界等值线密集区的近负值区域一侧降雨强度却很大，这在一定程度上看出冷暖空气活动。

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Analysis of Moist Potential Vorticity During the Process of Typhoon Mujigea

XU Bi-yu，YE Lang-ming，HU Li-hua
（Meteorological Bureau of Jiangmen City，Jiangmen 529030）

Using the FNL 1°×1°reanalysis of NCEP，0.1°×0.1°rainfall integrated data from the National Climate Center and hourly rainfall data from surface observation stations，we studied the process of moist potential vorticity（MPV）during the visit by Typhoon Mujigea.The result is shown as follows.Good corresponding links are found between an 850-hPa area where dense positive and negative MPV1 contours meet and a 925-hPa area of negative MPV1 contours and the area of intense rain.MPV1 is positive at the upper level but negative at the low level，favoring the downward transport of energy and enhancing the instability of the lower troposphere（i.e.θe/p increases）to result in the release of instability energy.Around the center of Murigea，-θe/p≈0 transformed into-θe/p<0，favoring the development of ascending motion.At the low level，rain was insignificant at the centers of positive and negative MPV2 but very intense on the side of a negative area where dense contours of positive and negative MPV2 met.To some extent，the interaction between cold and warm air can be known from the distribution of MPV2.

synoptics；moist potential vorticity；typhoon Mujigea；development of inclined vorticity

P458

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.002

2015-11-05

徐碧裕（1992年生），男，助理工程师，学士，现从事预报服务工作。E-mail：bixuejianke@yeah.net