利用位涡反演方法对一次台风暴雨过程的成因分析

周伟灿 罗丽君

摘要 采用NCEP FNL的客观分析资料、中国自动站与CMORPH的逐小时降水融合资料，对2015年8月23—24日发生在上海的一次强降水天气过程进行了天气学分析，并通过位涡反演方法对1515号台风“天鹅”在本次降水过程的具体作用进行了定量诊断分析，以探讨本次暴雨过程的发生机制。得出以下主要结论：1）位涡反演方法能够较为准确地反映西风槽、台风及副热带高压等重要天气系统的位置及强度，能够较为有效地再现系统的演变过程;2）北方冷空气与远距离台风外围的东北气流交汇是产生本次降水过程的主要原因;3）通过对比原始场与剔除台风后的分析场，可以发现台风“天鹅”本身的扰动对应的水汽通量占比53.3%，是本次降水过程的水汽输入的主要贡献来源;4）台风“天鹅”对降水区域提供了一定的热力条件，在扣除台风后原分析场的大值区和暖湿舌消失，相应的锋区也消失。

关键词台风暴雨;位涡反演;水汽贡献

暴雨是影响我国的主要灾害天气，关于暴雨发生发展机理的研究一直是气象工作者重要的研究课题（马旭林等，2017;梅钦等，2018;王坚红等，2019）。我国地处东亚季风带，受季风环流影响，夏季风盛行期间暴雨频发，其中长江流域和江淮流域是我国夏季暴雨的一个频发带（Matsumoto and Takahashi，1999）。大量研究（郭其蕴，1983;黄荣辉等，1998;高国栋等，2002;胡国权和丁一汇，2003;闵锦忠等，2018;李崇银等，2019）对长江流域及江淮流域暴雨的水汽输送进行了研究，指出这一区域内夏季暴雨与西南季风的水汽输送密切相关，西太平洋副高西侧与西南侧转向的西南气流也是一个重要水汽输送带。此外，中高纬西风带也起到重要的作用。整体来说长江流域的水汽输送主要由西南气流及偏西风支作为动力支持。台风是造成中国夏季暴雨的另一重要天气系统。程正泉等（2005）对近10 a中国台风暴雨的研究进展进行了系统总结，从中低纬系统相互作用、地形强迫作用、中小尺度对流系统等几个方面对台风暴雨的影响做了归纳。其后又有诸多研究者针对台风暴雨的发生机制对个例展开研究，周玲丽等（2009）对0505号台风“海棠”在浙闽地区引发的暴雨过程进行了数值模拟试验，认为“海棠”与东风急流的共同作用是本次暴雨过程产生的主要原因。Zhang et al.（2010）、刘峰等（2011）、Xie and Zhang（2012）也相继对台风“莫拉克”影响的暴雨过程进行了研究，刘峰（2011）从湿位涡场角度对暴雨过程进行诊断分析，发现可以通过结合对流不稳定区、强的能量锋区以及上升运动，作为强降水发生的判据;Gao et al.（2009）发现垂直风切变、暖空气对流以及地形等因素与“碧利斯”台风所触发的雨带密切相关，汪亚萍等（2015）通过对水汽螺旋度、散度垂直通量等8个动力因子对“碧利斯”台风进行了诊断分析，指出其中4个动力因子对于降水有较好的指示意义。这些对于不同台风暴雨个例的研究能够帮助学者从不同角度了解其发生发展的过程与触发机制等。

Rossby（1940）和Ertel（1942）相继提出了位涡的概念，指出位涡在绝热、无摩擦的干空气中具有守恒性和可逆性。根据这种特性可以对某些天气现象的产生原因进行合理的推断。20世纪80年代，Hoskins et al.（1985）首次对位涡进行了系统总结，认为可以利用等熵面图帮助研究大气动力学过程，假设给定位涡、平衡条件和边界条件，即可推导出相应的风场和高度场。Haynes and Mclntyre（1987）讨论了非绝热、摩擦及其他情形下的位涡演变。位涡的守恒性质使得可以通過位涡扰动来确定非绝热加热等非守恒因子的影响程度。20世纪90年代，Joseph（1990）结合位涡的守恒性及可反演性，对浅水方程进行了反演试验，提出在平衡模式下大尺度气流同样可适用位涡反演原理。随后，Davis and Emanuel（1991）提出位涡扰动分离的反演方法，利用位涡的守恒性质可将非守恒过程的扰动物理量场从基本物理量场中分离出来，进而研究各个系统的影响。McIntyre and Norton（2000）进一步对不同约束条件下位涡反演的准确性做了敏感性测试。研究者们相继从位涡的角度对不同的天气系统进行了研究，如Thorpe（1990）利用位涡守恒特性对锋生过程的机理进行了研究，Schubert and Alworth（1987）和Robinson（1989）分别利用位涡对热带气旋和斜压不稳定进行了动力学分析。可见，位涡反演是大气科学研究的一种有效手段。同时，位涡反演理论在台风领域的应用也有了一定的进展。Yang et al.（2008）和季亮等（2010）结合位涡反演和数值模拟方法，分别对两个台风个例之间的相互作用、以及中低纬度系统（高空槽，副热带高压）与台风之间的相互作用进行了研究。

2015年15号台风“天鹅”给上海地区带来了极端降水天气，此次过程具有怎样的发生发展机制？与以往发生在长江流域的暴雨过程相比较，此次过程是否也主要因为受夏季风盛行的影响而发生？台风“天鹅”在此次暴雨的发生中有怎样的贡献？本文尝试运用位涡反演方法对个例进行诊断，主要从台风“天鹅”的贡献切入，对本次暴雨过程的发生机制进行讨论。

1 天气过程分析

研究对象为2015年8月23—24日发生于上海的强降水过程，两个主要降水时段分别是23日05—11时（北京时，下同）和24日06—09时，图1给出了24日08时的500 hPa位势高度场和地面降水分布情况，降水区主要分布在我国长江中下游地区，此时台风“天鹅”处于与强降水区域（方框内红色区域）相距约900 km的洋面上。从水汽通量分布情况（图略）可以看出，降水时段内上海地区有强的水汽通量辐合，且能看出一条由1515号台风的外围环流引导的强水汽通道。

图1 2015年8月24日08时500 hPa位势高度场（粗实线，单位：gpm）和降水量（阴影，单位：mm）

Fig.1 Geopotential height （thick solid line，units：gpm） at 500 hPa and rainful （shaded，unit：mm） at 08：00 BST 24 August 2015

由环流形势（图2）可以看出，22日00时，我国东北地区上空存在低涡，而由其南侧伸出的低槽控制我国东部地区，呈现东北西南走向;温度槽落后于高度槽的配置也有利于槽的发展;同时，台风“天鹅”位于台湾南部洋面，而台风“天鹅”北部延伸出一倒槽，其东侧的东南气流控制我国东南沿海地区;此外，还有台风“艾莎妮”处于日本东南洋面。到23日00时，“天鹅”中西位置移动到台湾东部洋面，台风倒槽与高空槽结合于华中地区，倒槽东侧偏南气流与来自北方的东北气流汇合。受台风影响，中纬度低槽移动较弱。之后，值得关注的是，位于东北地区的冷涡控制向西南地区扩张，在24日08时在河套地区分裂初新的冷涡，并在之后向东南方向移动;同时，“天鹅”移动到东海东南部海域，且北侧偏东风加强。因此，24日强降水的发生不仅受到台风北侧暖湿气流的影响，同时北方冷空气补充南下也是重要因素。来自洋面的暖湿气团与北方冷空气交汇于长江下游上海西部地区，导致本次暴雨发生于此。从分析可见，冷暖空气交汇并产生相互作用，使得此区域内大气层结出现不稳定并产生强上升运动，是23—24日上海大暴雨形成的重要动力因素。

2 分片位涡反演及诊断分析

将位涡场分解为平均态和总扰动位涡，再从总扰动位涡找出与1515号台风“天鹅”相对应的扰动位涡片段，即可通过位涡反演方法反演出与台风扰动位涡相对应的满足非线性平衡方程的各物理量场，进而定量分析台风在暴雨过程中的作用。

2.1 方法简介

绝热和无摩擦条件下，位涡是守恒且可反演的，通过位涡反演出来的高度场和风场是动力平衡的，根据这种稳定的平衡流的演变过程，可对天气系统的演变进行有效的追踪及预测。位涡反演更重要的一点是它能够对与不同天气系统和不同物理过程有关的扰动位涡进行分离后反演，这样可以更加清楚地了解不同扰动位涡对天气系统的作用，有助于认识降水天气系统的发展机理。这里利用Davis and Emanuel（1991）提出的位涡反演方法，即以Charney（1955）等提出的非线性平衡方程作为平衡条件，形成闭合的方程组进行Ertel位涡反演。通过位涡反演方程组，可以求出特定位涡扰动对应的物理量场分布。

2.2 位涡反演方案

利用Davis and Emanuel（1991）提出的上述位涡反演方法，对1°×1°，6 h一次NCEP FNL资料展开研究讨论。选取反演区域为水平范围100°～170°E、0°～55°N，垂直范围1 000～50 hPa间隔50 hPa 共20层。

选取时间平均作为基本态。由于此次暴雨过程强降水时段是2015年8月23—25日，本文选取8月20日08时—30日08时（对应一个天气尺度过程）的NCEP FNL资料平均值作为基本态。用各时次的总瞬时位涡剔除平均场的位涡，即可得出各时次的扰动场位涡。

2.3 反演结果验证

在利用位涡反演方法进行动力学分析前，需要对反演结果进行有效性验证。下面以2015年8月23日08时为例，将NCEP FNL资料作为客观分析场，与该时刻位涡反演的结果进行对比，用来检验反演结果的合理性。

图3分别给出了23日08时500 hPa位势高度客观分析场与反演场。由图中可以看到，平衡反演结果抓住了几个主要的天气系统：位于安徽南部至江西中部的西风槽，西北太平洋上空的副热带高压，台湾以东海域上空的台风“天鹅”，以及硫磺列岛海域上空的台风“艾莎尼”。可见反演得到的高度场的分布形势非常类似于客观分析场。由于非线性平衡方程条件的约束，使得反演出的高度值出现轻微的系统性偏高，这种结果是可以接受的。另外反演的高度场更加平滑，这也是位涡反演不可避免的缺陷。同样的，在不同时次不同高度上，反演出的结果与客观分析场在整体形势上也基本是吻合的，只是在数值上略有差异（图略）。

整体来看，位涡反演得到的结果能够较为准确地反应西风槽、台风以及副高等重要系统的位置、强度、以及风向分布特征，因此利用分片位涡反演的方法定量分析台风位涡扰动对暴雨过程的影响是可行的。

2.4 扰动位涡的划分

根据前述方法，对位涡场进行分解，得到平均场及扰动位涡场后，可从整个扰动位涡场中分离出台风“天鹅”扰动位涡区（TC）。为了更加清楚地展示扰动位涡区域分布，图4给出了23日08时500 hPa高度上总扰动位涡分布以及台风扰动位涡区域划分。扰动位涡TC具有正位涡扰动，反演区域为以台风中心为中心，3°为半径的正方形。垂直方向上的反演层次为1 000 hPa到150 hPa。

2.5 臺风天鹅对水汽输送的作用

在得到台风“天鹅”相关联的扰动位势场、扰动风场和扰动温度场后，从原始分析场中减去这部分扰动场，即可大致剔除台风“天鹅”的扰动对于原始分析场的影响。通过分别诊断原始分析场、台风“天鹅”、扣除台风的分析场的水汽输送情况，最终可定量分析台风“天鹅”对暴雨过程水汽输送的影响。

23日暴雨主要发生在上海东部地区。分析23日08时950 hPa原始分析场的水汽通量（图5a）可见，东北向的低空水汽通量大值区由上海东部海面伸向长江口，与上海东部的暴雨区相对应;分析台风“天鹅”贡献的水汽通量（图5c），发现在相应位置上存在相同方向的大值区;但在扣除台风“天鹅”后（图5e），该低空水汽通量大值区消失，且方向相反。这说明，23日08时台风北侧的偏东风气流为降水区主要的水汽通道，来自温暖洋面的水汽不断通过台风外围环流向华东沿海地区输送。

充足的水汽供应与水汽辐合是产生大暴雨必不可少的条件。分析23日08时950 hPa原始分析场的水汽通量散度（图5b），可以发现在低空东北气流引导下，在江苏东南部及上海西部形成了水汽通量辐合;分析台风“天鹅”贡献的水汽通量散度（图5d），发现在相应位置上存在相同方向的辐合中心;但在扣除台风“天鹅”后（图5f），该低空水汽通量辐合中心强度和范围大为减小。这再次说明，台风“天鹅”为23日05—11时上海东部暴雨过程提供了足够的水汽条件和辐合条件。

到了24日08时，950 hPa水汽通量大值区仍在长江下游的上海中西部附近（图6a）;分析台风“天鹅”贡献的水汽通量（图6c），发现在相应位置上存在相同方向的大值区;但在扣除台风“天鹅”后（图6e），该低空水汽通量范围缩小，且方向相反。这说明，24日08时该水汽通量大值区亦主要由台风“天鹅”环流贡献。

由24日08时950 hPa原始分析场的水汽通量散度（图6b）可以看出，长江下游地区存在水汽辐合中心，相应的降水最强时段也出现在24日早晨到上午;台风“天鹅”贡献的水汽通量散度较大（图6d），但在扣除台风“天鹅”后（图6f），该低空水汽通量辐合中心位置略为偏北。

选取119°～123°E、29°～34°N的矩形区域作为此次暴雨过程的边界，分别计算在950 hPa高度上4条边界的水汽进出代表该区域的水汽总量。计算23—24日原始分析场、台风“天鹅”、扣除台风的分析场产生的进出该矩形区域的水汽通量，用来定量判断台风“天鹅”对暴雨过程中水汽供应的作用（表1）。

从表1可以看出，23日08时—24日14时方形区域内进出的水汽总量均为正，说明这段时间内台湾地区有充足的水汽输入，有利于降水的产生。表中数据显示，与台风自身扰动对应的水汽通量数值较大，占总输入水汽通量的53.3%，说明暴雨地区的水汽输入主要与台风“天鹅”有关，即台风外围环流的偏东风气流为本次强降水区的主要水汽贡献源。

2.6 台风“天鹅”对热力条件的作用

由8月23日08、23日20时、24日08时850 hPa假相当位温（θse）场（图7a、b、c）可以看出，在台风“天鹅”从台湾东部太平洋洋面上由偏北方向转为东北方向移动的过程中，伴随着台风北侧的偏东气流不断向华东沿海地区输送暖湿空气;紧邻台风北侧的θse大值区附近，出现了明显的暖湿舌，其顶部位于长江中下游上海地区;锋区呈东北-西南走向位于江苏东南部，为台风从洋面带来的暖湿气团与南下的北方冷气团交汇的过渡区，上海西部则为相对干冷区。主要的强降水时段内一直呈现此种热力分布特征，对于上海地区的持续性大暴雨十分有利。

在台风贡献的θse场中（图7d、e、f），发现台风对上海地区的θse贡献了2～3 ℃，同时对东北-西南向的θse梯度大值带贡献了约1 ℃的梯度值。

而在扣除台风后的θse场中（图7g、h、i），一方面，原分析场的θse大值区和暖湿舌消失，整个东南沿海被大陆干冷气团控制。另一方面，由于扣除了臺风及其相应的海洋暖湿气团，θse梯度大值带（锋区）消失，这不利于产生大暴雨过程。

3 结论和讨论

采用NCEP FNL的水平分辨率1°×1°，垂直范围1 000～50 hPa间隔50 hPa共20层的多要素逐6 h客观分析资料，以及中国自动站与CMORPH的逐小时降水融合资料（0.1°×0.1°），对2015年8月23—24日发生于上海地区的一次强降水天气过程进行了天气学分析，并通过位涡反演方法对降水时段内正发展于台湾东部洋面上的1515号台风“天鹅”对本次降水过程的具体影响过程进行了定量诊断分析，得出如下结论：

1）北方南下的干冷气团，与台风“天鹅”北侧的偏东风带来的暖湿气团在长江下游上海中西部地区交汇并相互作用，是本次强降水产生的主要原因。

2）位涡反演能够较为准确地反映西风槽、台风等重要天气系统的位置及强度，可以利用位涡反演方法对台风扰动位涡如何影响暴雨过程进行定量分析。在得到与台风“天鹅”相关联的各扰动场后，通过从原始场中剔除出“天鹅”的扰动场进行对比分析，发现主要降水时段内的水汽通量大值区主要由台风“天鹅”贡献。

3）选取强降水区域边界，对区域内水汽总量进行定量统计，发现在剔除“天鹅”相关联的扰动场后，降水区域内水汽量大幅减少，而与台风自身扰动所对应的水汽通量数值较大，占总输入水汽通量的53.3%，进一步说明台风外围环流对于本次降水过程贡献了大量的水汽输入。

4）同样，在对比分析原始假相当位温场与剔除台风扰动的分析场后，发现台风对上海地区的假相当位温场贡献了2～3 ℃，同时对东北-西南向的假相当位温梯度大值带贡献了约1 ℃的梯度值。而在扣除台风后的假相当位温原分析场中的大值区和暖湿舌消失，整个东南沿海被大陆干冷气团控制，假相当位温梯度大值带（锋区）消失。说明台风“天鹅”为本次强降水的发生提供了决定性的热力条件。

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Analysis of the causes of a typhoon rainstorm process using the potential vortex inversion method

ZHOU Weican，LUO Lijun

Key Laboratory of Meteorological Disasters，Ministry of Educational/Joint International Research Laboratory of Climate and Environmental Change/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Based on the objective analysis data of NCEP FNL and theprecipitation data from Chinas automatic station and CMORPH，this paper carried out a synoptic background analysis of a heavy precipitation process in Shanghai from August 23 to 24，2015.A quantitative analysis of the specific impact of the 1515 typhoon known as “Typhoon Swan” on this precipitation process was conducted by means of the potential vorticity inversion method，so as to explore the mechanism of the rainstorm process，and the following main conclusions were drawn：1） The method of vorticity inversion is able to accurately reflect the characteristics of the westerly trough，typhoon and sub-tropical high pressure and other important weather systems，and can effectively reproduce the evolution of these systems;2）The main cause of this precipitation process was the intersection of north cold air and northeast air flow over the long-distance typhoon;3） By comparing the original field with the analysis field after removing the typhoon，it can be observed that the water vapor flux corresponding to the disturbance of Typhoon Swan accounts for 53.3%，which is the water vapor input of the precipitation;4） Typhoon Swan provided certain thermal conditions for the precipitation area.After the typhoon had been deducted，the large value area and warm wet tongue of the original analysis field disappeared，while the corresponding frontal area also disappeared.

typhoon rainstorm;vorticityinversion;water vapor contribution

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20180310001

（責任编辑：袁东敏）