梁釗明 王東海

中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京100081

1 引言

東北冷渦是大尺度環(huán)流在我國東北地區(qū)獨特地形和地理位置下產生的高空冷性渦旋，它集中發(fā)生在夏季，具有移動緩慢和持續(xù)性等活動特征和較長的生命史，是影響我國東北地區(qū)的主要天氣系統(tǒng)之一（鄭秀雅等，1992；孫力等，1994；孫力，1997；王東海等，2007；Hu et al., 2010）。東北冷渦常給東北地區(qū)夏季帶來低溫多雨的天氣，甚至洪澇災害（張慶云等，2001；孫力等，2002；Zhao and Sun，2007；胡開喜等，2011），如1991年6月11日東北短時大暴雨、2005年6月10日沙蘭鎮(zhèn)暴雨、2000年7月11日東北特大暴雨和1998年6～8月切斷低壓與東北低渦頻繁發(fā)生引發(fā)松花江、嫩江百年不遇的洪災。當對流層低層有加熱時，東北冷渦控制下的大氣容易發(fā)生很強的對流不穩(wěn)定，從而觸發(fā)局地的強對流天氣，其中以局地冰雹、暴雨居多，區(qū)域性暴雨較少，而當東北冷渦與臺風和氣旋等系統(tǒng)相互作用時則可以產生大范圍的暴雨甚至特大暴雨（鄭秀雅等，1992），如2005年東北地區(qū)受臺風麥莎和冷渦系統(tǒng)的共同作用，使東北地區(qū)夏季降水偏多，在50年統(tǒng)計中居歷史第四位（王東海等，2007）。

東北冷渦與臺風相互作用一般表現(xiàn)為臺風與冷渦遠距離相互作用和臺風北上變性并入冷渦兩種形式。叢春華等（2011）對近幾十年臺風遠距離暴雨的研究進展總結時指出臺風與東北冷渦遠距離相互作用是臺風遠距離暴雨發(fā)生的主要形式之一。丁一匯等（1980）在研究 1980年代以前的華北暴雨中指出，華北大部分的強暴雨常常出現(xiàn)在兩個以上的天氣系統(tǒng)相互作用或相互疊加的情況下，高空冷渦與臺風遠距離相互作用就是其中的一種主要形式。孫建華等（2005）對 1990～1999年華北夏季暴雨的統(tǒng)計分析也顯示臺風與東北冷渦是造成華北夏季暴雨天氣的主要影響系統(tǒng)。在其研究的31個暴雨個例中，有10個個例屬于東北冷渦（低槽）與臺風相互作用。此類遠距離暴雨，臺風一般在南?；蛭魈窖笈_灣附近地區(qū)，也有在廣東、廣西登陸后西行的，臺風的作用是其東側東南低空急流為東北冷渦提供水汽輸送。東北冷渦位于華北或東北，槽線一般在 110°～120°E。副熱帶高壓一般西伸偏北，暴雨區(qū)位于東北冷渦和副高之間。臺風變性并入東北冷渦也會造成大范圍的強降雨天氣，如2004年7月5～10日臺風“蒲公英”減弱后轉變?yōu)闇貛庑⑷霒|北冷渦的過程中造成大慶、齊齊哈爾東部、綏化地區(qū)及哈爾濱東部普降大雨。閆敏慧等（2005）對這次過程的分析發(fā)現(xiàn)區(qū)域性大雨出現(xiàn)在臺風“蒲公英”減弱后生成的溫帶氣旋并入東北冷渦的初期，并指出這次區(qū)域性強降水的發(fā)生有兩方面的原因：一方面是由于東北冷渦改變了臺風外圍環(huán)境流場方向，臺風減弱后的溫帶氣旋北部的暖鋒云系順著高空冷渦的引導氣流移入東北地區(qū)；另一方面臺風的并入使得原本干冷的東北冷渦變得水汽充沛，從而加大降水量級。至于臺風能否與冷渦合并，則取決于副高的位置。與臺風和東北冷渦遠距離間接作用（如遠距離的水汽輸送等）不同，臺風變性并入東北冷渦的過程是直接的相互作用，在該過程中它們的熱動力結構會發(fā)生顯著的變化。然而，目前關于臺風變性并入東北冷渦過程的研究很少，并且局限于天氣學的特征分析，該類過程中的熱動力結構變化及其中的物理機制尚不清晰。

本文選取2004年7月3～6日臺風“蒲公英”北上減弱轉為溫帶氣旋并入東北冷渦的一次過程，利用美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）再分析資料（Kalnay et al.，1996）對臺風變性并入東北冷渦過程中的熱動力結構進行分析，并通過動力診斷的方法初步探討其中的物理機制。

2 天氣過程概況

2004年6月23日，熱帶風暴“蒲公英”生成于菲律賓以東海洋，隨后西行加強為臺風，穿過臺灣后減弱為熱帶風暴，并于 7月 3日登陸浙江省，之后受環(huán)境場影響轉向北偏東方向移動（高珊等，2005；齊琳琳等，2006）。圖 1顯示了“蒲公英”轉向北偏東方向后的500 hPa等壓面上的位勢高度、溫度距平和風矢量分布。在“蒲公英”向北偏東移動的同時，東北地區(qū)為一冷渦所控制，即東北冷渦。冷渦的500 hPa環(huán)流中心位于東北地區(qū)附近，穩(wěn)定少動，東北—西南向槽線由冷渦環(huán)流中心向南延伸并以逆時針方向由西向東擺動?！捌压ⅰ毕虮币苿釉?日12時（協(xié)調世界時，簡稱UTC，下同）先與冷渦南側的西風帶小槽合并（圖略），之后繼續(xù)北移。期間，其西側不斷受到偏西北風帶來的冷空氣侵襲，而其東側則為較暖的偏西南風，造成“蒲公英”附近的溫度梯度方向從偏南北向轉為偏西北—東南向（圖1a）。4日18時“蒲公英”減弱為低氣壓，其500 hPa的環(huán)流中心與暖中心出現(xiàn)明顯分離，同時，環(huán)流中心出現(xiàn)強假相當位溫梯度，即斜壓性明顯，表明了“蒲公英”開始變性為溫帶氣旋（圖 1b）。在東北冷渦環(huán)流引導下氣旋移入東北地區(qū)與冷渦槽逐漸合并，氣旋環(huán)流中心附近的溫度轉為偏冷（圖 1c）。在并入過程中，氣旋的500 hPa環(huán)流中心強度出現(xiàn)加強，其位勢高度值由4日18時的5660 gpm降低到5日06時的5620 gpm（圖1b和1c）。此后，氣旋在東北地區(qū)緩慢北移，強度維持。受其環(huán)流及其帶來的溫度平流影響，東北冷渦強度減弱，氣溫有所提升，并從5日12時開始出現(xiàn)明顯北撤（圖1d）。

圖1 2004年7月500 hPa的環(huán)流形勢：（a）7月3日18時；（b）7月4日18時；（c）7月5日06時；（d）7月6日06時。填色（單位：K）：溫度距平，距平參照值為（15°～60°N，85°～145°E）區(qū)域的平均值（下同）；黑色等值線（單位：gpm）：位勢高度；紅色等值線（單位：K）：假相當位溫；風矢量（長劃、短劃和三角旗分別代表4、2和20 m s-1）分布；AB（藍色）和CD（綠色）直線分別表征東北冷渦中心與臺風（或氣旋）中心連線和東北冷渦槽底與臺風（或氣旋）中心的連線，黃色虛線表征東北冷渦的槽線Fig. 1 Distributions of temperature anomalies (shaded, K, the anomalies are calculated by subtracting the averaged values over the region (15°–60°N,85°–145°E)), geopotential heights (black contours, gpm), pseudo-equivalent potential temperatures (red contours, K), and wind vectors (a long stroke, a short stroke, and a triangular flag denote 4, 2, and 20 m s-1, respectively)at 500 hPa at (a)1800 UTC 3, (b)1800 UTC 4, (c)0600 UTC 5, and (d)0600 UTC 6 July 2004, line AB crosses the centers of Northeast cold vortex and cyclone, line CD crosses the trough tip and the cyclone center, and the dashed line represents the trough axis of the Northeast cold vortex

圖2 （a1–a3）2004年7月4日06時、5日06時和6日06時前24小時累積降水分布（填色，單位：mm）；（b1–b3）2004年7月3日12時、4日12時和5日12時850 hPa的水汽通量（填色，單位：m kg kg-1 s-1）、上升運動（等值線，單位：－1 Pa s-1）、風矢量的分布（長劃、短劃和三角旗分別代表4、2和20 m s-1）。虛線為800米海拔高度線，空心和實心三角形分別標記了3日12時（a1和b1）、4日12時（a2和 b2）和5日12時（a3和 b3）850 hPa東北冷渦槽和臺風（或氣旋）中心的位置Fig. 2 (a1–a3)24-hour cumulative observed precipitations during 0600 UTC 3–0600 UTC 4, 0600 UTC 4–0600 UTC 5 and 0600 UTC 5–0600 UTC 6 July 2004 (shaded, mm); (b1–b3)distributions of water vapor fluxes (shaded, m kg kg-1 s-1), upward velocities (contours, units: －1 Pa s-1), and wind vectors (a long stroke, a short stroke, and a triangular flag denote 4, 2, and 20 m s-1 respectively)at 850 hPa at 1200 UTC 3, 1200 UTC 4, and 1200 UTC 5 July 2004.Dashedlines denote the height of 800 m above the sea level, the white and black triangles represent the locations of the Northeast cold vortextrough and the cyclone center at 850 hPa at 1200 UTC 3, 1200 UTC 4, and 1200 UTC 5 July 2004, respectively

從降水分布來看（圖 2a），在“蒲公英”并入東北冷渦前，東北大興安嶺東南端出現(xiàn)局地暴雨（圖2a1），其他地區(qū)沒有出現(xiàn)明顯的降水。在“蒲公英”變性為溫帶氣旋并入東北冷渦的過程中，大興安嶺東南端的降水出現(xiàn)加強并擴大（圖2a2），同時，東北地區(qū)從東部到北部和南部地區(qū)依序地出現(xiàn)了大范圍的強降水（圖2a3）。從低層的上升運動、水汽通量和風矢量分布來看（圖2b），并入過程前，對應東北冷渦槽的低空渦旋東側氣流攜帶水汽沿地形抬升促進了大興安嶺東南端暴雨的形成（圖2a1和 2b1）。并入過程中，“蒲公英”北側的偏東氣流與對應東北冷渦槽的低空渦旋東北側偏東氣流共同作用攜帶水汽沿大興安嶺抬升促進了大興安嶺東南端降水的加強和擴大，同時，“蒲公英”東北側氣流攜帶豐富水汽在東北東側山地抬升促進了東北東側強降水的形成（圖 2a2和 2b2）。此后，東北地區(qū)的北部和南部出現(xiàn)的大范圍降水分布變化與“蒲公英”變性并入東北冷渦槽后的溫帶氣旋環(huán)流導致的上升運動和水汽輸送變化非常一致（圖2a3和2b3）?？梢?，“蒲公英”（下文簡稱為臺風）變性為溫帶氣旋并入東北冷渦的過程對這次降水分布的變化有著重要的影響。

3 熱動力結構的變化特征

圖3為沿東北冷渦和臺風（或氣旋）中心連線（圖 1中的 AB線）的溫度距平和位勢高度距平的垂直剖面演變。在臺風并入東北冷渦之前（圖3a），臺風和東北冷渦基本維持著各自獨特的結構特征：臺風高空出現(xiàn)明顯的暖心結構，暖中心在400 hPa附近，對應暖中心的是低層低壓和高層高壓的配置，其中高層高壓由高空暖心直接導致（根據(jù)大氣狀態(tài)方程關系），而低層低壓則與高層高壓形成的高空輻散對低層空氣抽吸有關；東北冷渦表現(xiàn)出明顯的高空冷渦特性，即高空冷心和高空低壓中心配置，低壓中心位于200～300 hPa之間。當臺風變性為溫帶氣旋并入東北冷渦，其暖心結構逐漸消亡（圖 3b–d），移入東北冷渦后轉為整層偏冷，低層出現(xiàn)冷中心（圖 3d）。暖心結構的消亡導致高層輻散和低層輻合明顯減弱，低層低壓中心隨之消失（圖 3b–d）。低層低壓和高層高壓分布逐漸轉為整層偏低壓分布，其中低壓中心先出現(xiàn)在中層（400～500 hPa），并且低壓呈現(xiàn)為與高空冷渦傾斜連接的分布形態(tài)（圖3c），之后低壓中心出現(xiàn)在高層（200～300 hPa），低壓呈現(xiàn)為垂直的分布形態(tài)（圖 3d）。這表明了并入東北冷渦的過程中溫帶氣旋的強度得到維持，有利于期間東北地區(qū)大范圍強降水的發(fā)生。與此同時，隨著氣旋并入東北冷渦，冷渦的中低層溫度明顯增加，相應地，冷渦中低層的低壓強度出現(xiàn)減弱，即冷低壓的特征減弱，同時，東北冷渦出現(xiàn)北撤（圖 3d）。下面結合上述的臺風（或氣旋）和東北冷渦的熱動力結構變化特征對其變化的原因進行診斷分析。

圖3 2004年沿圖1的AB剖面的溫度距平（填色，單位：K）和位勢高度距平（等值線，單位：gpm）分布：（a）7月3日18時；（b）4日18時；（c）5日06時；（d）6日06時。網(wǎng)格陰影區(qū)為地形；白色和黑色三角形分別標記了500 hPa東北冷渦中心和臺風（或氣旋）中心的位置；垂直坐標為對數(shù)氣壓（下文的垂直剖面圖皆同）Fig. 3 Vertical cross sections of temperature anomalies (shaded, K)and geopotential height anomalies (contours, gpm)along line AB in Fig. 1: (a)1800 UTC 3 July 2004; (b)1800 UTC 4 July 2004; (c)0600 UTC 5 July 2004; (d)0600 UTC 6 July 2004. The grid-shaded areas represent topography; the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa；the coordinate represents log-pressure (same for the other vertical cross section figures)

4 熱力結構變化的診斷分析

本節(jié)首先對臺風并入東北冷渦過程的熱力結構變化進行診斷分析。圖4為300（圖4a1–a3）和500 hPa（圖 4b1–b3）的溫度平流、位勢高度和風矢量分布以及沿東北冷渦和臺風（或氣旋）中心連線剖面的溫度平流和法向水平風速分布（圖 4c1–c3）。一方面，在臺風移近東北冷渦的過程中，中層（500 hPa）東北冷渦槽底的偏西風攜帶冷空氣從臺風的西南側中低層（400 hPa以下）侵入臺風（圖4b1和4c1）。而在臺風變性為溫帶氣旋并入東北冷渦過程中，高層（300 hPa）和中層東北冷渦槽底偏西風攜帶冷空氣從氣旋南側整層侵入氣旋（圖4a2、4b2和4c2）。另一方面，臺風北移并入東北冷渦的整個過程中從偏暖地區(qū)移至偏冷地區(qū)對臺風產生了相對的冷平流（s0T·＜c ? ，c為臺風的移動速度，sT?為溫度的水平梯度）。在東北冷渦冷空氣持續(xù)入侵臺風以及臺風北移造成相對冷平流的共同影響下，臺風暖中心逐漸減弱（圖3b和3c）。此外，高層冷渦槽前偏西南風和臺風高層北側偏東風帶來了明顯的暖平流，暖平流呈現(xiàn)為從臺風高層北側向高空冷渦槽前傾斜分布，這造成了臺風高層暖區(qū)向高空冷渦傾斜（圖4）。臺風變性并入東北冷渦后，整層轉為偏冷，低層形成冷中心，溫度平流明顯減弱，同時，受變性后的氣旋中低層北側東風帶來明顯的暖平流影響，東北冷渦中低層出現(xiàn)增溫，冷渦中低層冷心特征減弱（圖4a3、4b3和4c3）。

5 動力結構變化的診斷分析

圖4 2004年7月（a1，b1，c1）4日18時，（a2，b2，c2）5日06時和（a3，b3，c3）6日00時（a1–a3）300 hPa和（b1–b3）500 hPa的溫度平流（填色，單位：10-3 K s-1）、位勢高度（等值線，單位：gpm）和風矢量（長劃、短劃和三角旗分別代表4、2和20 m s-1）分布和沿圖1的AB剖面的溫度平流（填色，單位：10-3 K s-1）和（c1–c3）法向水平風速（等值線，向里為正，向外為負，單位：m s-1）分布。網(wǎng)格陰影區(qū)為地形，白色和黑色三角形分別標記了500 hPa東北冷渦中心和臺風（或氣旋）中心的位置Fig. 4 Distributions of temperature advections (shaded, 10-3 K s-1), geopotential heights (contours, gpm), and wind vectors (a long stroke, a short stroke, and a triangular flag denote 4, 2, and 20 m s-1, respectively)at (a1–a3)300 hPa and (b1–b3)500 hPa and (c1–c3)vertical cross sections of temperature advections(shaded, 10-3 K s-1)and normal wind speeds (contours, the positive and negative contours represent winds inward and outward, m s-1)along line AB in Fig.1 at(a1, b1, c1)1800 UTC 4, (a2, b2, c2)0600 UTC 5, and (a3, b3, c3)0000 UTC 6 July 2004. The grid-shaded areas represent topography, the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa

上節(jié)分析了臺風并入東北冷渦過程的熱力結構變化的原因，本節(jié)將對動力結構變化進行診斷分析。由于相對垂直渦度從環(huán)流的角度表征了高低壓的強度，因此，通過診斷垂直渦度及其傾向的強迫項的變化可以分析臺風并入東北冷渦過程中其動力結構（壓力結構）變化的原因。根據(jù)吳國雄和劉還珠（1999）推導的全型垂直渦度方程，在非絕熱無摩擦的氣壓坐標系下，以臺風（或氣旋）為參考系的局地垂直渦度傾向方程可以表述為

其中，ζz和f為相對垂直渦度（下文簡稱為垂直渦度）和地轉渦度，V和ω為水平風速和氣壓坐標系的垂直速度，c為臺風（或氣旋）的移動速度，α、(θse)z和ζs為比容、假相當位溫的垂直梯度和水平渦度，ξs=αζs，水平梯度算子?s=i? /?x+j? /?y ，散度 ? ·V ≈?s·V。公式（1）右側最后兩項涉及到時間微分，限于資料的時間分辨率，這兩項較難精確計算，因此，將通過間接分析反映它們對垂直渦度傾向的影響，其中最后一項為斜壓項，在偏正壓大氣狀態(tài)下其貢獻可忽略。圖5為臺風（或氣旋）中心區(qū)域（4°×4°）平均的垂直渦度及其傾向的主要強迫項（除了層結項和斜壓項）的高度—時間演變分布，其中地轉渦度平流項較這些項小一個量級，是次要貢獻項，因此，不對其分布演變進行分析。從圖5可以看出，臺風（或氣旋）的垂直渦度的分布演變可以大致分為三個階段：臺風變性并入東北冷渦前（4日18時前），強垂直渦度區(qū)集中在中低層（8×10-5s-1的區(qū)域在400 hPa以下），在4日 06時附近強垂直渦度向高空擴展；臺風變性并入東北冷渦時（4日18時至5日12時），整層垂直渦度先迅速明顯減弱，隨后中低層垂直渦度有所加強；臺風變性并入東北冷渦后（5日12時后），中低層垂直渦度有所維持，高層垂直渦度明顯加強，整層表現(xiàn)為較強的垂直渦度（基本大于8×10-5s-1）。該垂直渦度的演變與第3節(jié)分析得到的臺風（或氣旋）的動力結構特征變化一致。據(jù)此，下面分臺風變性并入東北冷渦前、中和后三個時段，診斷圖 5中的主要強迫項以及層結項和斜壓項及其對應的物理過程了解臺風并入東北冷渦整個過程中其動力結構變化的原因。

5.1 臺風變性并入東北冷渦前

圖5 （a，b）臺風（或氣旋）中心區(qū)域（4°×4°）平均的垂直渦度（填色，單位：10-5 s-1）及垂直渦度傾向的強迫項 [（a）黑色和白色等值線分別為平流項（va）和垂直輸送項（vv）；（b）黑色和白色等值線分別為散度項（div）和相對平流項（rva）；單位：10-9 s-2）]的時間—高度剖面Fig. 5 Time-height cross sections of (a, b)area (4°×4°)mean vertical vorticity (shaded, unit: 10-5 s-1)and the forcing terms of vertical vorticity tendency (in(a), black and white contours represent advection term (va)and vertical transportation term (vv), respectively; in (b), black and white contours represent divergence term (div)and relative advection term (rva), respectively; units: 10-9 s-2)near the center of cyclone

上面分析顯示臺風并入東北冷渦前其中低層維持強垂直渦度，這有利于并入東北冷渦前臺風不致于消亡。分析顯示，臺風高空暖心形成的高壓輻散（圖3a）對低層的抽吸和臺風北側氣流與西風帶氣流匯合（圖 1b）造成臺風低空維持強輻合運動（圖 5b、圖 6a、b），從而促進了其低層強垂直渦度的形成。臺風低層輻合高空輻散導致的上升運動把低層強垂直渦度不斷往高空輸送，同時，西風小槽底急流北側（ ζz≈-?u / ? y＞ 0 ）的正垂直渦度向下傳送至臺風低層北側（移動下游側），這促進了臺風中低層垂直渦度的加強（圖5a、圖6c、d）。臺風北移與該西風小槽合并（即相對平流項）也有利于低層垂直渦度的發(fā)展（圖 5b、圖 6c、d）。臺風北側高層（400～200 hPa）偏東氣流帶來的明顯正垂直渦度平流（圖5a、圖6e、f）、中層（700～400 hPa）正垂直渦度的上傳（圖5a、圖6c、d）和低層輻合往高空擴展（圖5b、圖6a、b）則促進了強垂直渦度往高空擴展。此外，在臺風并入東北冷渦前，其環(huán)流中心與暖心基本重疊，即維持著偏正壓的大氣狀態(tài)，臺風中心表現(xiàn)為較均勻的假相當位溫分布（如圖 1a），因此，可以推斷層結項和斜壓項貢獻不大?？梢?，臺風并入東北冷渦前其中低層強度的維持主要歸因于其本身的作用，西風小槽與其合并則起到了一定的促進作用。

5.2 臺風變性并入東北冷渦時

上面分析顯示臺風變性并入東北冷渦時其整層的垂直渦度先出現(xiàn)迅速的減弱，隨后其中低層垂直渦度出現(xiàn)加強。從圖7也可以看出，在臺風減弱為熱低壓并開始變性為溫帶氣旋進入東北冷渦時，氣旋環(huán)流離開對應偏暖中心區(qū)（圖1b）的正垂直渦度高值中心區(qū)，其垂直渦度明顯減弱（圖 7a）。此后，氣旋進入冷渦過程中其北側偏暖氣流與冷渦南側偏冷氣流持續(xù)交匯，氣旋位于假相當位溫梯度高值區(qū)，其垂直渦度出現(xiàn)顯著的增長（圖 7b–d）。分析顯示相對平流項和散度項對臺風變性并入東北冷渦時其整層垂直渦度先迅速減弱有著重要的貢獻（圖 5b）。在臺風變性為溫帶氣旋移入東北冷渦時，冷渦槽底持續(xù)的強冷平流作用（圖 4b1、c1）使得氣旋環(huán)流與偏暖中心區(qū)分離（圖 1b），而偏暖中心區(qū)是垂直渦度發(fā)展的有利區(qū)域（高空暖心形成高壓輻散對低層抽吸造成輻合運動是垂直渦度發(fā)展的可能機制），它對應了的垂直渦度的高值中心區(qū)（圖1b和圖7a，），即臺風并入東北冷渦時與垂直渦度高值中心區(qū)分離。另外，臺風變性并入東北冷渦過程中不斷向急流入口區(qū)右側（急流流向為向前，下文同）靠近（圖略），急流右側為反氣旋切變，同時，急流入口區(qū)右側為輻散場，而絕對渦度為正（ ζa=ζz+f＞0），使得高空散度項有利于負垂直渦度傾向（圖 5b）。這些因素造成臺風并入東北冷渦時整層垂直渦度先發(fā)生迅速減弱。下面分析氣旋整層垂直渦度出現(xiàn)減弱后中低層垂直渦度逐漸加強的原因。分析結果顯示，低層輻合和由其造成的上升運動對正垂直渦度往上輸送對氣旋中低層垂直渦度的加強起到一定的作用（圖5和圖8a1、a2），但是，由于氣旋與偏暖中心區(qū)分離，其低層輻合隨時間明顯減弱，輻合上升的減弱導致正垂直渦度上傳也隨之減少（圖8a1、a2）。考慮到這段時間氣旋環(huán)流位于假相當位溫梯度高值區(qū)（圖7a–d），即大氣斜壓性明顯，下面將討論斜壓效應對氣旋中低層垂直渦度顯著增長的可能作用機制。從假相當位溫、風矢量和垂直渦度分布的配置變化（圖8b1、b2）來看，氣旋中低層垂直渦度發(fā)生顯著增長期間，氣旋中心附近的假相當位溫等值線從垂直走向轉為向西傾斜（垂直剖面左側為西，右側為東），同時，氣旋東側低層（800 hPa以下）的假相當位溫等值線轉為偏水平走向（圖8b2）。氣旋東側氣流沿著假相當位溫等值線先水平向西移動，然后在氣旋中心發(fā)生傾斜上升（圖8b2）。假相當位溫等值線在氣旋中心向西傾斜和在其東側轉為偏水平分布主要由東北冷渦冷空氣不斷侵入氣旋中低層附近并形成冷空氣堆造成（圖 8c1、c2）。根據(jù)吳國雄等（1999）提出的傾斜渦度發(fā)展理論，氣塊沿著位溫等值線從水平運動到傾斜上升可以導致垂直渦度的爆發(fā)性增長，該理論結合了層結效應se()zθ、風垂直切變sξ和斜壓性sse()θ?的影響。對于本個例，氣旋的垂直渦度顯著增長區(qū)（400～800 hPa）基本沒有出現(xiàn)強的垂直風切變（圖8b1、b2），即水平渦度不大?；诖?，為簡化分析，假設水平渦度s0=ζ。同時，假相當位溫在干絕熱和濕絕熱過程中是守恒的，對于干空氣和濕空氣，假相當位溫分別趨于干位溫和濕位溫。因此，干空氣或濕空氣的位渦可以表示為其中P和(θse)n為位渦和假相當位溫梯度，ξn為比絕對渦度ξa= αζa沿假相當位溫梯度方向的分量，ξz=α( ζz+f)為比垂直渦度，φ為比垂直渦度與假相當位溫梯度的夾角。圖 9a為本個例垂直渦度傾斜發(fā)展的示意圖。位于M點的空氣塊沿著假相當位溫等值線作偏水平運動，具有假相當位溫梯度和比垂直渦度它們的夾角為φ，該空氣1塊沿著假相當位溫等值線傾斜上升到達N點后，假相當位溫梯度、比垂直渦度和它們的夾角分別變?yōu)楹挺?。在絕熱（干絕熱或濕絕熱）無摩2擦的條件下，空氣塊從M點傾斜上升到N點滿足位渦守恒，則有由于夾角φ2明顯大于φ1，因此，當空氣塊傾斜上升路徑的假相當位溫梯度沒有顯著差異時（即比垂直渦度ξ會顯著增加z基于比容α為常數(shù)和傾斜上升過程中地轉渦度f基本不變的條件下，垂直渦度ζz會出現(xiàn)明顯增長。

圖6 沿圖1的AB剖面的（a–f）垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）、（c–f）法向水平風速（黑色等值線，單位：m s-1）、（a，b）散度（等值線，單位：10-3 s-1）、（c，d）正垂直渦度的垂直輸送（白色等值線為0.5×10-9 s-2）、垂直運動矢量（黑色和白色矢量分別為下沉和上升運動，長劃、短劃和三角旗分別代表0.4、0.2和2 Pa s-1）和（e，f）垂直渦度平流（白色等值線，實線和虛線分別為正值和負值，間隔為2×10-9 s-2）的分布（a：3日18時；b和f：4日06時；c：3日12時；d和e：4日00時）。網(wǎng)格陰影區(qū)為地形，白色和黑色三角形分別標記了500 hPa東北冷渦中心和臺風（或氣旋）中心的位置Fig. 6 Vertical cross sections of (a–f)vertical vorticities (shaded, 10-3 s-1), (c–f)normal wind speeds (black contours, m s-1), (a, b)divergences (contours,10-3 s-1), (c, d)vertical transportations of positive vorticity (white contours of 0.5×10-9 s-2), vertical motion vectors (black and white vectors represent downward and upward motion, a long stroke, a short stroke, and a triangular flag denote 4, 2, and 20 Pa s-1, respectively), and (e, f)vertical vorticity advections(solid and dashed white contours with 2×10-9 s-2 interval represent positive and negative values, respectively)along line AB in Fig. 1 (a: 1800 UTC 3; b and f:0600 UTC 4; c: 1200 UTC 3; d and e: 0000 UTC 4 July). The grid-shaded areas represent topography, the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa

圖7 2004年7月4日18時至5日12時間隔6小時（a–d）500 hPa的垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）和假相當位溫（等值線，單位：K）分布，白色三角形標記了500 hPa臺風（或氣旋）中心的位置Fig.7 (a–d)Distributions of vertical vorticities (shaded, 10-3 s-1)and pseudo-equivalent potential temperatures (contours, K)at 500 hPa during 1800 UTC 4–1200 UTC 5 July 2004 at 6-h interval, the white triangle represents the location of cyclone center at 500 hPa

第3節(jié)分析顯示在臺風變性并入東北冷渦過程中氣旋中層低壓呈現(xiàn)為與高空冷渦傾斜連接的分布形態(tài)，沿東北冷渦中心和氣旋中心連線剖面的垂直渦度分布（如圖10a、b）也顯示臺風變性并入東北冷渦過程中其中層正垂直渦度區(qū)與高空冷渦的正垂直渦度區(qū)傾斜相連。上面分析顯示臺風變性并入東北冷渦過程中不斷靠近高空冷渦外圍急流的反氣旋側，氣旋直接往高空發(fā)展受到抑制，而該分布形態(tài)有利于氣旋向高空冷渦傾斜發(fā)展。下面分析該分布形態(tài)形成的可能原因。對垂直渦度傾向的強迫項（除了層結項和斜壓項）的貢獻分析結果顯示，散度項是主要的貢獻項，而平流項也有較為明顯的正貢獻，它們對垂直渦度正傾向貢獻的分布均基本位于高空冷渦外圍急流軸的左側（圖10a–d）。其中急流入口區(qū)左側容易形成輻合運動（如對于偏經(jīng)向急流入口區(qū)，＞ 根據(jù)動量方程，緯向風擾動 u ′ ≈ ( 1/f )(dv / dt)0，急流入口區(qū)左側發(fā)生輻合運動），有利于正垂直渦度傾向（散度項），而急流軸左側為氣旋切變，受急流附近氣流輸送，可以形成較為明顯的正垂直渦度平流（平流項）。此外，根據(jù)式（1），垂直風切變和斜壓性的共同作用是垂直渦度傾向的強迫項之一，具體表達為

圖8 2004年7月（a1，b1，c1）4日18時和（a2，b2，c2）5日12時沿圖1的（a1，a2）AB剖面的垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）、散度（黑色等值線，單位：10-3 s-1）、正垂直渦度的垂直輸送（白色等值線為0.5×10-9 s-2）和垂直運動矢量（黑色和白色矢量分別為下沉和上升運動，長劃、短劃和三角旗分別代表0.4、0.2和2 Pa s-1）分布和沿圖1的（b1，b2）CD剖面的垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）、（b1，b2，c1，c2）假相當位溫（等值線，單位：K），（b1，b2）風矢量（矢量為沿剖面的垂直速度 w ×1 0 0與水平風速的合成，長劃、短劃和三角旗分別代表4、2和20 m s-1）和（c1，c2）溫度距平（填色，單位：K）分布。網(wǎng)格陰影區(qū)為地形，黑色三角形標記了500 hPa臺風（或氣旋）中心的位置Fig. 8 Vertical cross sections of vertical vorticities (shaded, 10-3 s-1), divergences (black contours, 10-3 s-1), vertical transportations of positive vorticity(white contours of 0.5×10-9 s-2)and vertical motion vectors (black and white vectors represent downward and upward motion, a long stroke, a short stroke,and a triangular flag denote 4, 2, and 20 Pa s-1,respectively)along line AB in Fig. 1 (a1 and a2)and vertical cross sections of vertical vorticities(b1 and b2,shaded, 10-3 s-1), pseudo-equivalent potential temperatures (b1, b2, c1 and c2, contours, K), wind vectors (b1 and b2, the vectors denote the combination of with w×1 0 0 along the vertical cross section, a long stroke, a short stroke, and a triangular flag denote 4, 2, and 20 m s-1, respectively)and temperature advections (c1 and c2, shaded, K)along line CD in Fig. 1 at (a1, b1, c1)1800 UTC 4 and (a2, b2, c2)1200 UTC 5 July 2004. The grid-shaded areas represent topography, the black triangle represents the location of cyclone center at 500 hPa

其中sseθ?、se()zθ（不為零）和ssα=ξζ分別為假相當位溫的水平、垂直梯度和比水平渦度。式（2）表明，在高空穩(wěn)定層結下（ (θse)z＞ 0 ），垂直渦度的隨體變化dζz/ dt與斜壓性和假相當位溫共同作用的隨體變化 d (ξs·?sθse)/dt相反，即ξs·?sθse負異常會導致垂直渦度ζz正異常的產生。從圖1b、圖4a1–c1和圖7等顯示的東北冷渦和氣旋高低空的位勢高度場、風場和假相當位溫分布可得圖 9b顯示的氣旋靠近東北冷渦時水平渦度和假相當位溫水平梯度的特征分布。當氣旋逐漸靠近東北冷渦時，高空冷渦東南側的偏西南急流和氣旋高層西北側的偏東北氣流形成的明顯垂直風切變產生了顯著的偏西向水平渦度 ζs≈(- ?v / ? z,? u / ? z)。同時，氣旋北側的偏暖東風和東北冷渦東南側偏冷西風相遇在氣旋和冷渦之間形成了偏東向的假相當位溫水平梯度?sθse。偏西向的水平渦度ζs和偏東向的假相當位溫水平梯度?sθse導致ξs·?sθse＜0，即出現(xiàn)ξs·?sθse負異常，這將促進垂直渦度ζz正異常的產生，即垂直渦度加強。從沿東北冷渦與氣旋中心連線垂直剖面的ζs·?sθse和垂直渦度分布（圖10e、f）可以看出，對于 (θse)z≠0的區(qū)域，ζs·?sθse的負中心區(qū)（即ξs·?sθse的負中心區(qū)）與氣旋北側向高空冷渦傾斜延伸的正垂直渦度區(qū)分布非常一致，并且基本位于急流軸的左側。從上述分析可見，高空冷渦外圍急流軸左側是垂直渦度發(fā)展的有利區(qū)域，而急流軸（圖 10中的虛線）的傾斜使得正垂直渦度區(qū)隨之發(fā)生傾斜，從而連通了高空冷渦和氣旋中層的正垂直渦度區(qū)。其中高空冷渦外圍急流軸發(fā)生傾斜與臺風環(huán)流的向上發(fā)展和變性后氣旋向冷渦移近有關：臺風變性并入東北冷渦前，高空冷渦外圍急流位于臺風環(huán)流之上，臺風往高空發(fā)展導致氣旋環(huán)流隨之往高空擴展（圖6e、f），使得高空急流近臺風環(huán)流一側被削弱，急流軸發(fā)生傾斜；隨著臺風變性并入東北冷渦，氣旋環(huán)流不斷移至高空冷渦外圍急流之下并逐漸削弱高空急流近氣旋環(huán)流一側，有利于急流軸維持傾斜（見圖10e、f中氣旋環(huán)流和急流軸的變化）?？梢姡_風變性并入東北冷渦過程中其環(huán)流的移動使得高空冷渦外圍急流軸維持傾斜，傾斜的急流軸左側的熱動力分布特征有利于垂直渦度的發(fā)展，從而促進了氣旋向高空冷渦傾斜發(fā)展。

圖9 （a）垂直渦度傾斜發(fā)展 [參考了吳國雄和劉還珠（1999）的圖 2]和（b）氣旋靠近東北冷渦時水平渦度與假相當位溫水平梯度的特征分布示意圖Fig. 9 Schematic diagrams for (a)the slantwise development of vertical vorticity [Fig.2 in Wu and Liu (1999)is referred to]and (b)the characteristic spatial distribution between horizontal vorticity and horizontal gradient of pseudo-equivalent potential temperature when the cyclone approached the Northeast cold vortex

5.3 臺風變性并入東北冷渦后

圖10 2004年7月（a，c，e）4日18時和（b，d，f）5日00時沿圖1的AB剖面的（a–f）垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）、（a–f）法向水平風速（黑色等值線，向里為正，向外為負，m s-1）、垂直渦度傾向方程的（a，b）散度項（白色等值線，單位：10-9 s-2）和（c，d）平流項（白色等值線，單位：10-9 s-2）以及（e，f）ssseθ·?ζ（白色等值線，單位：10-7 K m-1 s-1）的分布。粗虛線為高空急流軸，網(wǎng)格陰影區(qū)為地形，白色和黑色三角形分別標記了500 hPa東北冷渦中心和臺風（或氣旋）中心的位置Fig. 10 Vertical cross sections of vertical vorticities (a–f, shaded, 10-3 s-1), normal wind speeds (a–f, black contours, the positive and negative contours represent winds inward and outward, m s-1), divergence term (a and b, white contours, 10-9 s-2)and advection term (c and d, white contours, 10-9 s-2)of vertical vorticity tendency, andssseθ·?ζ (e and f, white contours, 10-7 K m-1 s-1)alongline AB in Fig. 1 at (a, c, e)1800 UTC 4 and (b, d, f)0000 UTC 5 July 2004.The thick dashed lines denote the upper-level jet axes, the grid-shaded areas represent topography, the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa

上面熱動力結構和垂直渦度分布均顯示臺風變性并入東北冷渦后氣旋由中低層向高層發(fā)展，低壓中心位于高層300～200 hPa之間（圖3c、d、圖5）。從垂直渦度傾向的診斷來看，高層（300 hPa以上）大氣基本為正壓狀態(tài)，并且其層結沒有明顯變化（圖略），據(jù)此，可以推斷層結項和斜壓項對高層垂直渦度的發(fā)展貢獻不大，而從其他強迫項的貢獻大小和分布來看，該時段氣旋向高層發(fā)展主要與高層正垂直渦度平流有關（圖5a）。從250 hPa的垂直渦度和急流分布演變（圖 11）可以看出，在 5日06時～6日00時期間，東北冷渦高空槽底的正垂直渦度高值區(qū)不斷向氣旋高空平流，即存在明顯的正垂直渦度平流，這非常有利于氣旋向高空發(fā)展。其中正垂直渦度高值區(qū)的形成與東北冷渦槽底向東移的高空急流（J5和J5-6）有關（ζz≈-? u / ? y ＞ 0 ）。從沿東北冷渦和氣旋中心連線剖面的垂直渦度、法向水平速度和垂直渦度平流的分布（圖12）也可以看出，5日06時和12時氣旋高空出現(xiàn)明顯的正垂直渦度平流，該正垂直渦度平流基本由高空冷渦外圍氣流輸送造成，受此影響，氣旋中層的正垂直渦度高值區(qū)（大于8×10-5s-1的區(qū)域）迅速向高空擴展（圖12a和12b）。5日18時～6日00時，氣旋的正垂直渦度高值區(qū)擴展至高層200 hPa（圖12c、d）。在該時段，氣旋由正垂直渦度高值區(qū)的正前方移至其北側（圖 11c、d），其高空的氣旋環(huán)流不斷從正垂直渦度高值區(qū)輸送正垂直渦度至其偏北側（圖 12c、d），使得氣旋高層強度維持。隨著氣旋環(huán)流向高層發(fā)展，東北冷渦中心東南側的高空急流被削弱，即東北冷渦中心外圍環(huán)流減弱，東北冷渦中心和其東南側高空急流發(fā)生北撤（圖 11c、d；圖12c、d）。可見，氣旋并入東北冷渦后，高空冷渦外圍的正垂直渦度平流使得氣旋迅速向高空發(fā)展，發(fā)展后的氣旋環(huán)流削弱了東北冷渦環(huán)流，造成其發(fā)生北撤。

圖11 2004年7月5日06時～6日00時間隔6小時（a–d）250 hPa的垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）和水平風速（等值線，單位：m s-1）分布。J4、J5和J6為高空急流標記，J2-3和J5-6表征兩處高空急流的合并，白色和黑色三角形分別標記了500 hPa東北冷渦中心和臺風（或氣旋）中心的位置Fig. 11 (a–d)Distributions of vertical vorticities (shaded, 10-3 s-1)and horizontal wind speeds (contours, m s-1)at 250 hPa during 0600 UTC 5–0000 UTC 6 July 2004 at 6-h interval. J4, J5, and J6 represent upper-level jets, J2-3 and J5-6 represent the combinations of two upper-level jets, the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa

6 結論

東北冷渦是影響我國東北地區(qū)夏季暴雨的主要天氣系統(tǒng)之一，當臺風與東北冷渦相互作用時則可以造成大范圍的暴雨。臺風遠距離間接輸送水汽至東北冷渦和臺風北上變性并入東北冷渦是造成大范圍暴雨的兩種主要形式。其中臺風北上變性并入東北冷渦過程對雙方的熱動力結構產生的變化更大，但由于相關的研究很少，并且局限于天氣學分析，臺風變性并入東北冷渦過程中的熱動力結構變化特征及其物理機制尚不清晰。因此，本文利用NCEP再分析資料對一次臺風變性并入東北冷渦過程中的熱動力結構變化特征進行分析，并通過動力診斷分析初步探討其中的物理機制，分析結果顯示：

圖12 （a–d）2004年7月5日06時～6日00時間隔6小時沿圖1的AB剖面的垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）、法向水平風速（黑色等值線，向里為正，向外為負，單位：m s-1）和垂直渦度平流（白色等值線，單位：10-9 s-2）分布。J5、J2-3和J5-6對應了圖11中的高空急流，網(wǎng)格陰影區(qū)為地形，白色和黑色三角形分別標記了500 hPa東北冷渦中心和臺風（或氣旋）中心的位置Fig. 12 (a–d)Vertical cross sections of vertical vorticities (shaded, 10-3 s-1), normal wind speeds (black contours, the positive and negative contours represent winds inward and outward, m s-1)and vertical vorticity advections (white contours, 10-9 s-2)along line AB in Fig. 1 during 0600 UTC 5-0000 UTC 6 July 2004 at 6-h interval. J5, J2-3 and J5-6 are the same upper-level jets indicated in Fig. 11, the grid-shaded areas represent topography, the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa

（1）在臺風移近和變性并入東北冷渦的過程中，高空冷渦槽前和臺風（或氣旋）高層北側的高空暖平流造成臺風高空暖區(qū)向高空冷渦槽前傾斜。東北冷渦槽底冷空氣從中低層到整層對臺風的不斷侵入以及臺風移動產生的相對冷平流使得臺風的暖心結構逐漸消亡，其低層低壓輻合和高層高壓輻散的動力結構隨之消失。

（2）在臺風變性并入東北冷渦的過程中，一方面，氣旋位于高空冷渦外圍急流的反氣旋切變側，不利于其直接向高空發(fā)展。另一方面，高空冷渦外圍急流軸左側（急流流向為向前）的熱動力分布特征有利于垂直渦度的發(fā)展，而變性后的氣旋環(huán)流向東北冷渦的移近有利于高空冷渦外圍急流軸維持傾斜，從而造成氣旋向高空冷渦傾斜發(fā)展。

（3）在臺風變性并入東北冷渦過程中，冷渦冷空氣侵入氣旋低層附近形成冷中心，假相當位溫等值線隨之發(fā)生傾斜。氣旋東側氣流沿著假相當位溫等值線傾斜上升導致氣旋中層垂直渦度顯著增長（根據(jù)傾斜渦度發(fā)展理論）。

（4）在臺風變性為溫帶氣旋并入東北冷渦后，高空冷渦槽底的正垂直渦度平流促進氣旋直接往高空發(fā)展，而高空冷渦槽底向東移的急流有利于高空平流的正垂直渦度的不斷形成。氣旋環(huán)流向高空發(fā)展導致東北冷渦高層環(huán)流減弱，高空冷渦中心出現(xiàn)北撤。

上述分析結果揭示了東北冷渦作為典型的高空冷渦，其外圍高空急流對臺風并入東北冷渦過程中的發(fā)展具有重要的影響，這可能是該類天氣過程的重要特點，未來將繼續(xù)分析該類天氣過程的個例，并與臺風變性并入西風槽過程的特點進行對比，總結其共性特征。

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