徐碧裕，葉朗明，胡麗華

（江門市氣象局，廣東江門　529030）

臺(tái)風(fēng)“彩虹”過程的濕位渦分析

徐碧裕，葉朗明，胡麗華

（江門市氣象局，廣東江門529030）

采用NCEPFNL 1°×1°再分析資料、國家氣候中心0.1°×0.1°降水融合資料以及地面觀測(cè)站逐時(shí)雨量數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)風(fēng)“彩虹”過程濕位渦進(jìn)行分析。結(jié)果表明：850 hPa上MPV1正負(fù)值交界的等值線密集區(qū)、925 hPa上MPV1負(fù)值區(qū)與強(qiáng)降水區(qū)域均有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；高層MPV1正值，低層負(fù)值，有利于能量下傳，增強(qiáng)了對(duì)流層低層的不穩(wěn)定度（即θe/p增加），導(dǎo)致不穩(wěn)定能量釋放；在臺(tái)風(fēng)中心附近有-θe/p≈0轉(zhuǎn)為<0，有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展；在低層MPV2正負(fù)值弱中心降雨均不明顯，反而在正負(fù)值交界等值線密集區(qū)的近負(fù)值區(qū)域一側(cè)降雨強(qiáng)度大，在一定程度上可根據(jù)MPV2的分布得出冷暖空氣的相互作用。

天氣學(xué)；濕位渦；臺(tái)風(fēng)“彩虹”；傾斜渦度發(fā)展理論

徐碧裕，葉朗明，胡麗華.臺(tái)風(fēng)“彩虹”過程的濕位渦分析［J］.廣東氣象，2016，38（4）：7-11.

臺(tái)風(fēng)暴雨常給沿海省市帶來災(zāi)害性破壞［1］，是天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的重點(diǎn)難點(diǎn)。1979年，Bennets等［2］首次提出濕位渦（MPV）概念，在水汽飽和的情況下，濕位渦在不計(jì)非絕熱加熱和摩擦作用時(shí)是守恒的。因濕位渦不僅表征了大氣動(dòng)力、熱力性質(zhì)，而且還考慮了水汽的作用，通過分析濕位渦，能更全面地診斷暴雨的發(fā)生發(fā)展過程。1995年，吳國雄等［3］從嚴(yán)格原始方程出發(fā)，提出傾斜渦度發(fā)展理論，指出在濕位渦守恒條件下，由于濕等熵面的傾斜，大氣水平風(fēng)垂直切變的增加或水平濕斜壓的增加都會(huì)引起垂直渦度的增長，從而導(dǎo)致暴雨的發(fā)生［4］。近年來，位渦理論及傾斜渦度發(fā)展理論逐漸應(yīng)用到臺(tái)風(fēng)暴雨、強(qiáng)對(duì)流的研究中，且得出了一些有意義的結(jié)果。沈曉玲［5］利用模式資料對(duì)臺(tái)風(fēng)“碧利斯”進(jìn)行濕位渦分析，得出低層等壓面上MPV1（MPV垂直分量，濕位渦正壓項(xiàng)）負(fù)值中心可指示強(qiáng)降水落區(qū)，且MPV1絕對(duì)值與降水強(qiáng)度成正相關(guān)；王淑靜等［6］對(duì)不同路徑、結(jié)構(gòu)不同的登陸臺(tái)風(fēng)的若干實(shí)例進(jìn)行暴雨落區(qū)的解釋，得出在臺(tái)風(fēng)倒槽頂部，暴雨落區(qū)與MPV1及MPV2（MPV水平分量，濕位渦斜壓項(xiàng)）的驟增有關(guān)；李英［7］根據(jù)濕位渦理論，對(duì)比分析2個(gè)臺(tái)風(fēng)的變性過程，表明臺(tái)風(fēng)的變性加強(qiáng)與高層正位渦擾動(dòng)下傳有關(guān)，MPV1增長會(huì)引起傾斜渦度發(fā)展；范可等［8］應(yīng)用濕位渦理論，分析了發(fā)生在東南亞夏季的2個(gè)強(qiáng)降水個(gè)例，認(rèn)為對(duì)流層高層MPV1正值區(qū)與低層MPV1負(fù)值區(qū)相互作用，容易貯存和釋放濕對(duì)流不穩(wěn)定能量，有利于強(qiáng)降水產(chǎn)生。

本研究采用NECP FNL 1°×1°逐6 h再分析資料，計(jì)算各層次濕位渦，試圖尋找暴雨落區(qū)與濕位渦在水平、垂直方向上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為今后對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨落區(qū)及強(qiáng)度預(yù)報(bào)提供參考。

1　臺(tái)風(fēng)“彩虹”概況

2015年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”于10月2日02：00（北京時(shí)，下同）在菲律賓馬尼拉以東洋面生成，隨后快速西北移，強(qiáng)度持續(xù)加強(qiáng)，20：00加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，3日14：00加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)，中心最大風(fēng)力33 m/s（12級(jí)），23：00加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)，中心最大風(fēng)力45 m/s（14級(jí)），并于10月4日14：00在湛江市坡頭區(qū)沿海地區(qū)登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)速50 m/s（15級(jí)），中心最低氣壓940 hPa，隨后繼續(xù)向西北方向移動(dòng)，穿過雷州半島，4日18：00前后從廉江市進(jìn)入廣西境內(nèi)，4日夜間減弱為熱帶風(fēng)暴，于5日在廣西境內(nèi)減弱為熱帶低壓（圖1a）。

受“彩虹”環(huán)流影響，3日夜間到7日早晨廣東省均出現(xiàn)明顯降水。降水主要出現(xiàn)在4日08：00—5日08：00，根據(jù)全省氣象站網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，粵西和珠江三角洲出現(xiàn)了暴雨到大暴雨局部特大暴雨降水（圖1b）。

圖1　2015年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”路徑圖（a）和3日08：00—7日08：00累計(jì)雨量（單位：mm）（b）

2　濕位渦分析

2.1濕位渦表達(dá)式及物理意義

吳國雄等［3］定義濕位渦為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量空氣塊的絕對(duì)渦度在相當(dāng)位溫梯度方向的投影與這一梯度絕對(duì)值的乘積，對(duì)于絕熱無摩擦的飽和濕空氣具有濕位渦守恒的特性，其單位為PVU，1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1。在P坐標(biāo)系中濕位渦守恒的表達(dá)式［3］為：

其垂直和水平分量分別為MPV1和MPV2：

其中MPV1為濕正壓項(xiàng)，是MPV垂直分量，表示慣性穩(wěn)定性與對(duì)流穩(wěn)定性的作用，因?yàn)榻^對(duì)渦度ζp+f是正值，所以當(dāng)大氣對(duì)流不穩(wěn)定時(shí)有，有利于暴雨的發(fā)生和發(fā)展；大氣對(duì)流穩(wěn)定時(shí)有為濕斜壓項(xiàng)，是MPV水平分量，包含了θe濕斜壓性和水平風(fēng)垂直切變的作用，標(biāo)志了大氣斜壓性的發(fā)展，是觸發(fā)暴雨的重要機(jī)制。在誘發(fā)傾斜渦度發(fā)展的過程中，風(fēng)的垂直切變、大氣垂直穩(wěn)定度和濕斜壓性的影響不是孤立的，在濕位渦守恒的制約下，不論大氣是濕對(duì)流穩(wěn)定還是濕對(duì)流不穩(wěn)定，由于θe面的傾斜，大氣水平風(fēng)垂直切變或濕斜壓性增加能夠?qū)е麓怪睖u度的顯著發(fā)展，并且濕等熵面θe傾斜越大，氣旋性渦度增大越強(qiáng)烈，這種渦度的增長稱為傾斜渦度發(fā)展［3］。

2.2等壓面上的濕正壓項(xiàng)MPV1演變特征

4日14：00—20：00 6 h累計(jì)雨量中，在廣東西南地區(qū)（109°E—114°E，20°N—24°N）均有50 mm以上暴雨降水，降水集中分布于兩廣交界及廣東西南部（圖略）；在恩平市錦江水庫站逐時(shí)雨量中，4日06：00后降水逐時(shí)上升，最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在16：00，達(dá)到34.3 mm/h，該站14：00—20：00 6 h累計(jì)雨量達(dá)122 mm（圖略）。

在4日08：00（圖2a）850 hPa上粵西沿海地區(qū)有MPV1大值中心，強(qiáng)度達(dá)到1.6 PVU以上，在其東北側(cè)陽江、江門沿海存在負(fù)值區(qū)域，正負(fù)值交界處等值線密集；4日14：00，該中心西北移動(dòng)，強(qiáng)度增強(qiáng)至1.8 PVU以上，在其中心以東及以南地區(qū)，均為MPV1負(fù)值控制，東北部出現(xiàn)強(qiáng)度為-0.9 PVU的MPV1負(fù)值中心（圖2b）；在4日08：00（對(duì)比圖2a-d），與高層850 hPa正值中心對(duì)應(yīng)的是，低層925 hPa下出現(xiàn)了負(fù)值中心，高層MPV1正值，低層MPV1負(fù)值，非常有利于深對(duì)流的發(fā)展，陽東區(qū)新洲鎮(zhèn)站4日08：00雨勢(shì)明顯增強(qiáng)，且出現(xiàn)次峰值（圖2f）；到4日20：00，正負(fù)值交界的等值線密集區(qū)集中在兩廣交界，同時(shí)在粵西沿海出現(xiàn)多個(gè)MPV1負(fù)值中心，強(qiáng)度均在-0.8 PVU以上（圖2e）。綜合上下層MPV1演變，降水落區(qū)集中在850 hPa MPV1正負(fù)值交界等值線密集區(qū)；低層925 hPa中的MPV1負(fù)值區(qū)均對(duì)應(yīng)著強(qiáng)降水區(qū)域。

2.3濕正壓項(xiàng)MPV1的垂直分布特征

在各個(gè)時(shí)次中，以臺(tái)風(fēng)中心所在緯度作剖面。3日20：00—4日02：00（圖3a、3b），在500 hPa以下18°N—22°N地區(qū)均維持MPV1負(fù)值，中層700～850 hPa及低層925 hPa存在負(fù)值中心，且強(qiáng)度加強(qiáng)，02：00中心強(qiáng)度分別為-1.5和-2.1 PVU，高層MPV1正值有下傳趨勢(shì)。到4日08：00（圖3c），高層MPV1正值中心明顯下壓，零線出現(xiàn)在850 hPa上，該層以上為正值、以下為負(fù)值，19°N—22°N區(qū)域的對(duì)流高度明顯降低。高層冷空氣以高值位渦柱的形式向下入侵，與低層負(fù)值MPV1相互作用，低層MPV1等值線明顯加密，從而增加了對(duì)流層低層不穩(wěn)定度（即增加），導(dǎo)致對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放，暴雨就產(chǎn)生在高低空正負(fù)濕位渦柱的下方。

圖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以及陽東區(qū)新洲鎮(zhèn)站逐時(shí)雨量（f）

圖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累計(jì)雨量（單位：mm）（d）

2.4垂直剖面上的θe特征

沿臺(tái)風(fēng)中心所在緯度作垂直剖面。4日02：00（圖4a），θe大值區(qū)集中在20°N附近，低層到高層中心值均為360 K以上，垂直方向上變化小；在中心區(qū)域兩側(cè)850 hPa層以下均為-θe/p <0，說明大氣低層處于對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)。在中心區(qū)域等熵面與等壓面垂直，由判據(jù)θe/p≈0可知對(duì)流層低層對(duì)流穩(wěn)定度很小；當(dāng)?shù)褥孛媾c等壓面近似平行時(shí)（θe/p值達(dá)到最大），濕位渦的正壓項(xiàng)MPV1是其主要部分［9］。隨著臺(tái)風(fēng)中心北移，中心北側(cè)20°N—23°N區(qū)域700 hPa層以下-θe/p≈0，轉(zhuǎn)為<0（圖4b）。由傾斜渦度發(fā)展理論［3］，為了保持濕位渦的守恒，低層對(duì)流穩(wěn)定度的減小會(huì)導(dǎo)致對(duì)流層低層氣旋性渦度的顯著增長（即在MPV1中，-θe/p的減小，會(huì)使得ζp+f的顯著增長），非常有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，有利于暴雨的產(chǎn)生，暴雨就產(chǎn)生在θe線陡峭密集區(qū)附近。

圖4　θe（陰影單位：K）及水平風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿，單位：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濕斜壓項(xiàng)MPV2與臺(tái)風(fēng)暴雨的關(guān)系

從計(jì)算結(jié)果可看出，MPV2比MPV1小一個(gè)量級(jí)。MPV2的分布特征也與MPV1有著明顯的不同，臺(tái)風(fēng)登陸前對(duì)流層低層并沒有明顯的MPV2閉合強(qiáng)中心與強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中心對(duì)應(yīng)（圖5）。

圖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累計(jì)雨量（單位：mm）（d）；6日02：00 925 hPa θe（陰影，單位：K）及風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿，單位：m/s）（e）分布

在臺(tái)風(fēng)影響前期，4日08：00（圖5a），粵西及兩廣交界為MPV2正值區(qū)，說明該地存在較強(qiáng)風(fēng)切變；4日20：00（圖5b），臺(tái)風(fēng)登陸上岸后，MPV2正值區(qū)收縮，中心強(qiáng)度加強(qiáng)，反映了低空暖濕氣流的加強(qiáng)，向高層輸送的過程；隨著臺(tái)風(fēng)的逐漸靠近，暖濕空氣輸送強(qiáng)勁，垂直風(fēng)切邊加大（u/p<0，v/p<0），同時(shí)西風(fēng)槽后的冷空氣與臺(tái)風(fēng)2個(gè)不同熱力性質(zhì)系統(tǒng)間的靠近使得粵西一帶等θe線密集，θe/y<0，θe/x>0并且|θe/y|>|θe/x|，θe/y占據(jù)主導(dǎo)地位，致使MPV2>0，粵西及珠三角以西有較強(qiáng)的正MPV2帶維持（圖5a）。在臺(tái)風(fēng)“彩虹”登陸地附近也開始出現(xiàn)負(fù)值中心（圖5b），強(qiáng)度在-0.3 PVU左右，意味著該區(qū)域內(nèi)暖濕氣流正在減弱，強(qiáng)降雨將發(fā)生。6日02：00 MPV2正負(fù)值中心的交界區(qū)處在粵西至兩廣地區(qū)（圖5c），鋒區(qū)呈南北向分布，正值中心強(qiáng)度0.08 PVU、負(fù)值中心強(qiáng)度-0.14 PVU，強(qiáng)度均偏弱；5日20：00—6日02：00 6 h累計(jì)降雨分布也呈現(xiàn)出南北向的帶狀分布（圖5d），對(duì)比MPV2值及降水分布，可知后期在MPV2正負(fù)值弱中心降雨均不明顯，反而在正負(fù)值交界等值線密集區(qū)的近負(fù)值區(qū)域一側(cè)降雨強(qiáng)度大。925 hPa上θe線（圖5e）受冷空氣影響，冷舌向南伸至北部灣，兩廣交界區(qū)正處在θe線鋒區(qū)前沿，西北風(fēng)與東南風(fēng)輻合，冷暖空氣交匯，雨帶與冷暖鋒區(qū)匹配［10］。

3　結(jié)論

1）通過MPV1分析得出，暴雨降水落區(qū)常出現(xiàn)在850 hPa MPV1正負(fù)值交界的等值線密集區(qū)，而925 hPa低層MPV1負(fù)值區(qū)均為強(qiáng)降水區(qū)域，根據(jù)925 hPa低層MPV1值可較好地判斷降水落區(qū)。

2）在MPV1垂直剖面上，高層冷空氣以高值位渦柱的形式向下入侵，與低層負(fù)值MPV1相互作用，使得低層負(fù)值MPV1等值線加密，從而增強(qiáng)了對(duì)流層低層不穩(wěn)定度（即θe/p增大），導(dǎo)致對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放。

3）隨著臺(tái)風(fēng)中心北移，θe線剖面上的陡峭密集區(qū)北側(cè)700 hPa層以下-θe/p≈0，轉(zhuǎn)為<0。在這個(gè)過程中，因MPV1為主要項(xiàng)，為保持濕位渦的守恒，700 hPa以下低層對(duì)流穩(wěn)定度的減?。?θe/p減?。?huì)導(dǎo)致對(duì)流層低層氣旋性渦度的顯著增長，從而有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。

4）在925 hPa低層MPV2正負(fù)值弱中心降雨均不明顯，但在正負(fù)值交界等值線密集區(qū)的近負(fù)值區(qū)域一側(cè)降雨強(qiáng)度卻很大，這在一定程度上看出冷暖空氣活動(dòng)。

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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，助理工程師，學(xué)士，現(xiàn)從事預(yù)報(bào)服務(wù)工作。E-mail：bixuejianke@yeah.net