吳志彥，閔錦忠，趙海軍

(1. 威海市氣象局，山東 威海 264200； 2. 南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044； 3. 臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004)

冷渦背景下一次強對流過程的衛(wèi)星水汽圖像特征

吳志彥1，閔錦忠2，趙海軍3

(1. 威海市氣象局，山東 威海 264200； 2. 南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044； 3. 臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004)

將衛(wèi)星水汽圖像與高層動力場進行疊合分析，可為強對流天氣監(jiān)測預(yù)報提供有價值的信息。將衛(wèi)星水汽圖像和大氣動力場相結(jié)合，對山東省一次冷渦背景下連續(xù)強對流過程的環(huán)境特征進行分析。結(jié)果表明，冷渦云系具有非對稱結(jié)構(gòu)特征；冷渦東南側(cè)的暖濕對流與渦后動力干帶入侵時爆發(fā)的暗區(qū)新生對流，這兩個階段的熱、動力不穩(wěn)定增長機制有所不同。與高位渦、急流相伴的水汽暗帶是對流層上部的動力活躍區(qū)。當(dāng)渦后具有高位渦特征的動力干帶入侵時，高層動力活躍區(qū)疊加于低層暖濕平流區(qū)上空，促使對流爆發(fā)。衛(wèi)星水汽圖像體現(xiàn)了冷渦發(fā)展不同階段高空動力強迫的差異。水汽圖像上動力干帶色調(diào)變暗，干濕邊界銳化的特征，與高層位渦和高空急流增強有關(guān)。通過衛(wèi)星水汽圖像上連續(xù)時次的干濕對比，可以跟蹤識別這些高層特征，進而判斷高層動力特征的演變，為深厚濕對流環(huán)境條件的診斷提供依據(jù)。

衛(wèi)星水汽圖像； 位渦； 冷渦； 強對流

引言

冷渦是造成山東省強對流天氣的主要影響系統(tǒng)之一[1]。在冷渦發(fā)展的不同階段及不同部位，均可有對流發(fā)生。在冷渦云系附近或后部都有可能不同程度地出現(xiàn)對流云的發(fā)展，尤其是冷渦區(qū)后部的晴空區(qū)，常有高空冷平流和低空暖平流疊加，加上地面白天輻射增溫，形成不穩(wěn)定層結(jié)，有利于對流的發(fā)展[2-3]。對流天氣的形成取決于不穩(wěn)定層結(jié)、水汽條件和抬升觸發(fā)等環(huán)境條件。只有在對環(huán)境條件充分掌握的基礎(chǔ)上，才有可能依據(jù)雷達圖像上強對流風(fēng)暴的特征做出迅速、準確預(yù)警[4]。衛(wèi)星云圖是大氣動、熱力三維結(jié)構(gòu)的綜合反映。與其他類型的遙感資料相比，氣象衛(wèi)星資料可以更有效地揭示天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和消亡過程，為天氣預(yù)報，特別是短時臨近預(yù)報提供客觀依據(jù)[5]。因此對衛(wèi)星云圖所反映的環(huán)境場特征進行解譯，對冷渦背景下強對流天氣的預(yù)報預(yù)警具有指示意義。

衛(wèi)星資料具有高時空分辨率的特點，云的結(jié)構(gòu)形式、范圍大小、邊界形狀、色調(diào)、暗影和紋理等特點提供了豐富的分析內(nèi)容[6]。中心波長為6.7 μm的通道是水汽強吸收帶，由于水汽起了大氣運動被動示蹤物的作用，故衛(wèi)星水汽通道圖像反映了對流層中上部的動力特征。單通道水汽圖像是監(jiān)視對流云初生的重要工具[7]，在氣象研究、天氣分析和預(yù)報等許多方面有很大的應(yīng)用潛力[8]。在水汽圖像上表現(xiàn)為濕邊界的高層濕度水平分布的不連續(xù)，有利于對流發(fā)展[9-10]。衛(wèi)星水汽圖像是診斷和預(yù)報高層環(huán)流的有力工具，在強對流環(huán)境條件的診斷方面具有重要作用[11]。將衛(wèi)星水汽圖像與位勢渦度場和常規(guī)動力場聯(lián)合使用，正成為解譯衛(wèi)星云圖的重要方法之一[12]。20世紀80年代，Hoskins et al.[13]對等熵位渦的應(yīng)用作出了系統(tǒng)闡述。目前，位渦理論已成為天氣動力學(xué)領(lǐng)域中的一個重要研究方法[14]。將通過診斷分析得到的動力場和水汽圖像上觀測到的動力場進行對比，為強對流天氣的預(yù)報提供了另一種途徑[15]。夏季，冷渦活動頻繁，在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為活躍的渦旋狀云系。對冷渦不同發(fā)展階段的水汽圖像和動力特征的對比分析表明，干侵入暗區(qū)與對流層高層的下沉運動區(qū)、高位渦區(qū)以及干冷區(qū)相對應(yīng)，是激發(fā)冷渦發(fā)生、發(fā)展的動力條件之一[16]。高位渦區(qū)與干侵入?yún)^(qū)相對應(yīng)，干侵入實際上就是高位渦的侵入和下傳，對預(yù)報冷渦的發(fā)展演變具有重要指示意義[3]。

2016年6月13—14日，受冷渦影響，山東省出現(xiàn)了一次罕見的強對流天氣，魯西北、魯中和魯南大部地區(qū)出現(xiàn)暴雨，多站出現(xiàn)了雷雨大風(fēng)、冰雹等天氣。本文采用FY-2F衛(wèi)星資料、常規(guī)觀測資料及ERA-Interim再分析資料對此次過程進行綜合分析，以期揭示冷渦背景下衛(wèi)星水汽圖像所體現(xiàn)的天氣尺度環(huán)境特征，為山東省此類過程的云圖解譯和監(jiān)測預(yù)警提供有益的參考。

圖1 2016年6月14日08時500 hPa形勢場(單位：dagpm)Fig.1 Geopotential height of 500 hPa at 08:00 BST 14 Jun. 2016 (unit: dagpm)

1 資料描述和天氣實況

國家衛(wèi)星氣象中心數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)提供了FY-2F衛(wèi)星的多通道圖像和水汽通道亮溫數(shù)據(jù)。在采用常規(guī)觀測資料的同時，本文還采用歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)提供的ERA-Interim每日4次再分析資料，水平分辨率為0.125°×0.125°，包含位勢高度、溫度、位渦、風(fēng)、相對渦度等要素。

造成該次強對流過程的高空主要影響系統(tǒng)為冷渦和低槽。從2016年6月14日08時(北京時，下同)的500 hPa形勢(圖1)可見，冷渦在東北北部和華北至內(nèi)蒙一帶各存在一個閉合的低值系統(tǒng)，華北附近冷渦的南側(cè)多短波槽活動，槽前等高線呈疏散形勢。副熱帶高壓主要控制西太平洋、南海地區(qū)；在其北側(cè)，華南至江淮地區(qū)有弱短波槽活動。低空和地面形勢(圖略)表明，低空急流、切變線和地面氣旋的存在均有利于對流天氣的發(fā)生。

此次對流過程具有多種災(zāi)害性天氣并發(fā)的特點。從過程雨量(圖2)來看，強降水主要出現(xiàn)在魯西北、魯中的西部和魯西南地區(qū)；最大降水量出現(xiàn)在平陰，為142.4 mm。降水呈明顯的階段性分布特征，幾個代表站點的逐時雨量時間序列(圖3)表明，強降水集中時段分別出現(xiàn)在13日、14日的傍晚至夜間，最大雨強出現(xiàn)在汶上，達72.8 mm·h-1。伴隨強降水的發(fā)生，魯西北、魯中和魯南均有冰雹和雷雨大風(fēng)天氣出現(xiàn)；閃電監(jiān)測顯示，13—14日連續(xù)兩天出現(xiàn)大范圍閃電現(xiàn)象，在魯西北和魯中地區(qū)最為集中。

圖2 2016年6月13日08時—15日08時山東省累積降水量(單位：mm)分布Fig.2 Cumulative precipitation (unit: mm) of Shandong Province from 08:00 BST 13 to 08:00 BST 15 Jun. 2016

圖3 2016年6月13—15日強降水區(qū)多站逐時降水序列(單位：mm)Fig.3 Temporal variation of 1 h precipitation of stations in the concerning area from 13 to 15 Jun. 2016 (unit: mm)

依據(jù)上述災(zāi)害性天氣的階段性特征，將本次強對流過程分為階段Ⅰ(13日下午—夜間)和階段Ⅱ(14日下午—夜間)，利用衛(wèi)星水汽圖像分析對比在冷渦發(fā)展的不同時期，兩個階段對流天氣熱力、動力條件的異同。

2 衛(wèi)星圖像特征

衛(wèi)星云圖具有較大的空間覆蓋和較好的時間連續(xù)性，是強對流天氣監(jiān)測的有力工具。借助FY-2F衛(wèi)星的水汽和可見光通道圖像進行對比分析，可揭示對流發(fā)展不同階段的大氣熱、動力特征。圖4給出了FY-2F衛(wèi)星13日14時—14日20時的水汽通道圖像，以及兩個階段對流初始時段(13日14時和14日14時)的可見光通道圖像；圖5給出了13日14時和14日14時垂直速度沿117°E的經(jīng)向剖面。

由圖4a可見，在對流階段Ⅰ發(fā)生前的13日14時，冷渦中心位于105°E附近的貝加爾湖以南地區(qū)，此時冷渦云系表現(xiàn)為明顯的非對稱結(jié)構(gòu)，位于其東南側(cè)的內(nèi)蒙中部和華北一帶云團色調(diào)白亮。在33°N附近為一條略呈反氣旋性彎曲的急流云帶，處于急流北側(cè)和冷渦南側(cè)的河南北部至山東西部一帶呈現(xiàn)暗黑的色調(diào)。同一時刻沿117°E垂直速度的經(jīng)向剖面(圖5a)顯示，急流云帶北側(cè)32～36°N附近的水汽暗區(qū)與對流層850～200 hPa一致的下沉運動相對應(yīng)；36°N以北有較深厚的上升運動發(fā)展，對應(yīng)水汽圖像上山東—河北交界處正在東移發(fā)展的濕上升區(qū)。同時刻可見光云圖(圖4e)上，冷渦東南側(cè)的華北地區(qū)有對流云團活躍發(fā)展；而河南北部至山東西部受高空下沉氣流控制，在可見光圖像上表現(xiàn)為少云、無云區(qū)。

對流階段Ⅰ發(fā)生的13日20時(圖4b)，伴隨冷渦云系東移南下，山西、河北至山東一帶為大片白亮的高云，表明這一區(qū)域?qū)α鲗又猩喜坑袕娏业臐裆仙\動。云團上風(fēng)一側(cè)較為整齊，邊界清晰，下風(fēng)一側(cè)是向東伸出的羽狀卷云，清楚地揭示了高空氣流走向。受其影響，13日夜間，山東省中西部地區(qū)出現(xiàn)一次強對流天氣。從水汽圖像上還可以看出，渦旋云系的西側(cè)有一條水汽暗帶，自冷渦中心西側(cè)向南形成干縫，氣旋式卷入渦旋中心。

14日14時(圖4c)，冷渦主體向東南移動，中心位于華北上空，形成完整的渦旋云系；此時渦旋南側(cè)的干縫較階段Ⅰ(圖4a)色調(diào)更暗，范圍更寬，形成干螺旋帶卷入渦旋中心，山東省正位于這條干螺旋帶上。同時刻垂直速度沿117°E的剖面顯示，36～37°N附近的對流層上部為下沉運動，而對流層中下部為上升運動。可見光云圖(圖4f)顯示，與干螺旋帶對應(yīng)的山東中西部地區(qū)出現(xiàn)了波狀層積云，也表明了該處低層不穩(wěn)定、高層穩(wěn)定的大氣環(huán)境，對流層上部的下沉抑制有利于對流前的能量貯存。

圖4 2016年6月13日14時(a)、13日20時(b)、14日14時(c)和14日20時(d)FY-2F衛(wèi)星水汽圖像，以及2016年6月13日14時(e)和14日14時(f)可見光圖像Fig.4 FY-2F water vapor (WV) channel image at 14:00(a) and 20:00(b) BST Jun. 13, 14:00(c) and 20:00 (d) BST Jun. 14, and VIS channel image at 14:00(e) BST Jun. 13 and 14:00(f) BST Jun. 14, 2016

伴隨冷渦東移，在對流階段Ⅱ(14日20時，圖4d)，冷渦南側(cè)干螺旋帶上的暗區(qū)新生對流迅速爆發(fā)。云團結(jié)構(gòu)密實且面積顯著增大，覆蓋了山東大部地區(qū)，云團上風(fēng)一側(cè)邊界整齊，下風(fēng)一側(cè)呈纖維羽狀，白亮的云團和水汽暗帶之間形成顯著的色調(diào)對比。在高空氣流的引導(dǎo)下，對流云團向下游移動發(fā)展，山東省在14日傍晚—夜間再次出現(xiàn)強對流天氣。

水汽圖像上連續(xù)變化的干濕特征，是大氣熱力、動力條件變化的綜合反映。為了進一步對比分析對流兩個階段的動力、熱力特征，圖6給出了強對流區(qū)代表格點(36.5°N，117.5°E)溫度平流、渦度平流的時間-高度剖面。

層結(jié)不穩(wěn)定的增長機制包括：低層暖濕平流造成的增溫增濕，或者對流層中上層干冷平流造成降溫變干[15]。從圖6a可以看出，在13日下午—夜間的對流階段Ⅰ，對流區(qū)上空的850～300 hPa為一致的暖平流控制，在水汽圖像上表現(xiàn)為冷渦東南側(cè)的對流云系，其熱力不穩(wěn)定的發(fā)展機制是低層暖濕平流造成的增溫增濕。隨著冷渦系統(tǒng)向東南移動，對流區(qū)上空轉(zhuǎn)為干螺旋帶控制，剖面分析顯示在對流階段Ⅱ，400～700 hPa為冷平流控制，而700 hPa以下仍有暖平流維持，從而造成了“上干冷、下暖濕”的熱力不穩(wěn)定層結(jié)?？梢婋A段Ⅱ的熱力不穩(wěn)定發(fā)展，不僅包含低層暖濕平流造成增溫和增濕，也包含高層干冷空氣入侵所形成的高層降溫變干。

渦度平流的時間剖面(圖6b)顯示，在對流階段Ⅰ，高低空均為較弱的負渦度平流，差動渦度平流不強；在對流階段Ⅱ伴隨干螺旋帶形成，高層正渦度平流顯著增大，在對流區(qū)上空形成渦度平流隨高度增大的動力結(jié)構(gòu)。依據(jù)準地轉(zhuǎn)ω方程，上升運動與差動渦度平流成正比，對流階段Ⅱ高層顯著增強的正渦度平流有利于對流區(qū)上升運動的維持。

圖5 垂直速度(單位：10-3 hPa·s-1)沿117°E的緯度-高度剖面圖(a.2016年6月13日14時，b.2016年6月14日14時)Fig.5 Longitude-height section of vertical velocity (unit: 10-3 hPa·s-1 ) along 117°E at 14:00 BST Jun. 13(a), and 14:00 BST Jun. 14(b), 2016

圖6 2016年6月13—15日過(36.5°N，117.5°E)溫度平流(a，單位：10-5 K·s-1)和相對渦度平流(b，單位：10-9 s-2)時間-高度剖面Fig.6 Time-height cross section of temperature advection (a,unit: 10-5 K·s-1) and relative vorticity advection (b, unit: 10-9 s-2) at 36.5°N,117.5°E from 13 to 15 Jun. 2016

以上分析表明，衛(wèi)星水汽圖像體現(xiàn)了對流過程兩個階段不同的熱、動力特征：對流階段Ⅰ發(fā)生在冷渦東南象限中，不伴隨干螺旋帶影響，高低層溫度、渦度差動平流均不強；在對流階段Ⅱ，隨著干螺旋帶入侵，高低層溫度、渦度差動平流顯著增強。在兩次對流爆發(fā)前，對流區(qū)都處于水汽圖像上的暗區(qū)或暗帶上，對流層上部的下沉抑制有利于對流前的能量貯存。

3 衛(wèi)星水汽圖像和動力場的疊合分析

水汽圖像應(yīng)用于天氣系統(tǒng)診斷分析的基礎(chǔ)是干區(qū)、濕區(qū)及它們的邊界[17]。在極鋒鋒區(qū)上，位勢渦度場和衛(wèi)星水汽圖像有緊密的關(guān)聯(lián)[18]。衛(wèi)星水汽圖像和位勢渦度場相結(jié)合，使得對中緯度天氣尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的判斷更加直觀便捷。圖7給出了2016年13日20時—15日02時對流發(fā)生關(guān)鍵時次的FY-2F衛(wèi)星水汽亮溫及其與相關(guān)動力場的疊加。

圖7 FY-2F衛(wèi)星水汽亮溫(單位：K)與500 hPa位勢高度(a1、b1、c1，單位：dagpm，間隔為4 dagpm，588 dagpm加粗顯示)、300 hPa急流(a2、b2、c2，>30 m·s-1，間隔為4 m·s-1)、300 hPa位渦(a3、b3、c3，>1 PVU，間隔為1 PVU)疊加Fig.7 Water vapor imagery superimposed with geopotential height(unit: dagpm, 4 dagpm intervals) at 500 hPa (a1, b1, c1), upper level jet at 300 hPa (a2, b2, c2, isotachs with 4 m·s-1 intervals, only >30 m·s-1), and potential vorticity (unit: PVU, 1 PVU intervals, only >1 PVU) at 300 hPa (a3, b3, c3)

14日02時(對流階段Ⅰ)，500 hPa冷渦云系呈逗點狀，槽前的等高線呈疏散結(jié)構(gòu)(圖7a1)。冷渦南側(cè)存在一支自西北伸向華北、近乎西北—東南走向的急流帶，中心風(fēng)速大于45 m·s-1。急流軸與水汽圖像上干濕區(qū)之間的邊界近乎重合，暗狹縫位于急流左側(cè)，走向與急流近乎一致(圖7a2)。疊加的300 hPa位渦(圖7a3)表明，暗狹縫具有高位渦的特征，此時渦旋的西側(cè)和南側(cè)各存在一個高位渦中心，急流帶與強位渦梯度區(qū)相對應(yīng)。衛(wèi)星水汽圖像上這種與位渦異常、急流相對應(yīng)的暗區(qū)是活躍的動力干帶[11,19]，是對流層上部的動力活躍區(qū)。此時在冷渦東南方向的暗狹縫的前側(cè)(東側(cè))，由于前期低層增溫增濕造成的熱力不穩(wěn)定(圖6a)，逗點云系尾部的對流云團強烈發(fā)展。

14日14時，冷渦東移南壓至華北上空并出現(xiàn)干螺旋帶結(jié)構(gòu)(圖7b1)，其東側(cè)和南側(cè)對流明顯減弱。疊加的300 hPa位渦(圖7b3)顯示，卷入冷渦中心的高位渦帶邊緣位渦梯度顯著增強，水汽暗區(qū)南側(cè)的干濕邊界更加清晰。位于暗區(qū)邊界上的急流也顯著增強(圖7b2)，中心風(fēng)速達47 m·s-1，范圍更廣，其前側(cè)向東伸展至山東省上空，急流軸的走向也從西北—東南向轉(zhuǎn)變?yōu)榻鯑|西向。此時山東中西部地區(qū)位于具有高位渦特征的干螺旋帶上，對流層上部為下沉運動(圖5b)。而水汽暗區(qū)所代表的高層干冷空氣入侵，在對流區(qū)再次造成 “上干冷、下暖濕”的位勢不穩(wěn)定層結(jié)(圖6a)，有利于深對流單體的迅速生長[16]；高空急流的加強也有利于對流區(qū)垂直風(fēng)切變的增強。

14日20時(對流階段Ⅱ)，渦旋南側(cè)干螺旋帶上爆發(fā)的強對流云團正在影響山東省中西部地區(qū)(圖7c1)。水汽暗帶較14時顯著收窄，與其周圍白亮水汽羽形成更明顯的色調(diào)對比，邊界更加清晰；伴隨高位渦帶邊緣梯度增大(圖7c3)，高空急流加強并向南發(fā)展(圖7c2)，中心風(fēng)速在55 m·s-1以上。高空強風(fēng)為傾斜對流提供了強垂直風(fēng)切變，有利于急流軸附近對流單體的發(fā)展[20]。影響山東省的對流云團位于高空急流出口區(qū)的左側(cè)，與急流相關(guān)的高層輻散強迫和高空強風(fēng)有利于對流云團發(fā)展和維持。

分別取對流過程兩個階段的典型時次，過強降水中心作緯向剖面(圖8)，可見在對流階段Ⅰ(圖8a)，高層并未出現(xiàn)明顯的位渦擾動，對流層渦度擾動不強；而在對流階段Ⅱ(圖8b)，位渦擾動明顯增強，高層高位渦下傳，在400 hPa附近出現(xiàn)2 PVU以上的高位渦區(qū)；與之相伴的正渦度也下伸加強，中心渦度值顯著增大；對流區(qū)及其上游的對流層為整層的正渦度區(qū)，最大正渦度出現(xiàn)在300 hPa附近，達到22×10-5s-1?？梢娫趯α麟A段Ⅱ，不僅對流在冷渦南側(cè)的水汽暗帶上爆發(fā)，且伴隨高位渦帶和高空急流加強，高位渦向下傳播，在對流層中部形成高位渦擾動和正渦度柱，與位渦異常相關(guān)的旋轉(zhuǎn)增強有利于對流發(fā)展。

圖8 13日20時(a)、14日20時(b)過36.5°N的位渦(填色區(qū)，單位：PVU)和相對渦度(等值線，單位：10-5 s-1)剖面Fig.8 Longitude-height cross-section of potential vorticity (shaded area >2 PVU) overlaid with relative vorticity (contours, unit: 10-5 s-1, 2×10-5 s-1 intervals) along 36.5°N at 20:00 BST Jun. 13(a), and 20:00 BST Jun. 14(b)， 2016

綜合以上分析表明，水汽圖像體現(xiàn)了冷渦發(fā)展不同階段高空動力強迫的差異。對流階段Ⅰ，高層并未出現(xiàn)干螺旋帶和高位渦入侵，高空急流不強，對流天氣由冷渦東南側(cè)的暖濕對流造成。對流階段Ⅱ，高位渦水汽暗帶入侵對流區(qū)上空，伴隨干濕邊界銳化，高位渦帶邊緣位渦梯度增強，高空急流顯著加強；高層高位渦向下伸展，與之相伴的氣旋性渦度顯著增強，高層天氣尺度強迫特征明顯。在中緯度地區(qū)，當(dāng)動力干帶入侵暖濕不穩(wěn)定環(huán)境時，這種高層強迫有利于對流系統(tǒng)的發(fā)展和加強。

4 結(jié)論和討論

采用FY-2F衛(wèi)星云圖、常規(guī)觀測資料及ERA-Interim再分析資料，將水汽圖像上的干濕特征和大氣動力場相結(jié)合，對山東省2016年6月中旬冷渦背景下一次強對流過程的環(huán)境特征進行了解譯分析。主要結(jié)論如下：

1)冷渦云系具有非對稱結(jié)構(gòu)特征，在冷渦發(fā)展的不同階段、不同部位，對流發(fā)生的熱、動力不穩(wěn)定增長機制有所不同。伴隨冷渦東移發(fā)展，當(dāng)具有高位渦特征的動力干帶入侵，高空急流增強；高層高位渦和正渦度向下傳播，造成高低層溫度、渦度差動平流顯著增強。高層強迫在對流發(fā)展方面具有重要作用，當(dāng)高層動力活躍區(qū)疊加于低層暖濕平流區(qū)上空，促使對流爆發(fā)。

2)衛(wèi)星水汽圖像體現(xiàn)了冷渦發(fā)展不同階段高空動力強迫的差異。在不伴隨渦后動力干帶入侵時，冷渦東南象限的高低層溫度、渦度差動平流相對不強，在水汽圖像上主要表現(xiàn)為渦旋云系東南側(cè)活躍的濕上升區(qū)。當(dāng)冷渦后部具有高位渦特征的動力干帶入侵時，水汽圖像上暗帶色調(diào)變暗、干濕邊界銳化，高低層的共同強迫使干螺旋帶上爆發(fā)暗區(qū)新生對流并迅速發(fā)展。在對流爆發(fā)前，水汽暗帶上對流層上部的下沉抑制有利于對流前的能量貯存。

3)基于衛(wèi)星水汽圖像上的典型流型，可診斷天氣尺度環(huán)境。水汽圖像上與高位渦、急流相伴的暗帶是對流層上部的動力活躍區(qū)。水汽暗區(qū)色調(diào)變暗，干濕邊界銳化的特征，與高層位渦加強、高位渦帶邊緣位渦梯度增大和高空急流增強有關(guān)。通過衛(wèi)星水汽圖像上連續(xù)時次的干濕對比，可以跟蹤和識別這些高層熱、動力特征的演變，為冷渦對流不同階段的云圖監(jiān)測提供依據(jù)。

本文基于衛(wèi)星水汽圖像和高層動力場，診斷分析了此次冷渦對流環(huán)境相關(guān)的大尺度熱、動力結(jié)構(gòu)。有關(guān)研究[11]指出，深厚濕對流的發(fā)展和維持是低層條件和高層動力強迫共同決定的。對于強對流落區(qū)的判斷，需要將低層環(huán)境和高層強迫進行聯(lián)合分析。另外，高層正位渦異常與對流層頂折疊緊密相關(guān)，它們在高低層動力耦合、急流增強以及強天氣發(fā)生發(fā)展方面扮演重要角色[21]。不同程度的對流層頂折疊與對流發(fā)展強度的關(guān)聯(lián)，也有待更多的個例研究充實。

[1]曹鋼鋒，張善君，朱官忠，等.山東天氣分析與預(yù)報[M].北京：氣象出版社，1988：122.

[2] 斯公望.暴雨和強對流環(huán)流系統(tǒng)[M].北京：氣象出版社，1988：350.

[3] 劉英，王東海，張中鋒，等.東北冷渦的結(jié)構(gòu)及其演變特征的個例綜合分析[J].氣象學(xué)報，2012，70(3):354-370.

[4] 俞小鼎，王迎春，陳明軒，等.新一代天氣雷達與強對流天氣預(yù)警[J].高原氣象，2005，24(3):456-464.

[5] 盧乃錳，鄭偉，王新，等.氣象衛(wèi)星及其產(chǎn)品在天氣氣候分析和環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用概述[J].海洋氣象學(xué)報，2017，37(1):20-30.

[6] 陳渭民.衛(wèi)星氣象學(xué)[M]. 北京:氣象出版社，2003：216-217.

[7] 陳渭民，何永健，邱新法，等.衛(wèi)星云圖觀測原理和分析預(yù)報[M]. 北京:氣象出版社，2015：327-331.

[8] Weldon R B, Holmes S J. Water vapor imagery: Interpretation and application to weather analysis and forecasting[M].Washington D. C.：National Evironmental Satellite, Data and Informations Service, 1991.

[9] Krentnert T,Zwat-Meise V.Initiation of convective cells in relation to water vapor boundaries in satellite images[J].Atmos Res,2003(67/68):353-366.

[10]Ghosh A, Loharb D, Dasc J. Initiation of nor’wester in relation to mid-upper and low level water vapor patterns on METEOSAT-5 images[J].Atmos Res,2008,87(2),116-135.

[11]Georgiev C G, Santuerette P, Maynard K. Weather analysis and forecasting, second edition: Applying satellite water vapor imagery and potential vorticity analysis[M].Burlington: Elsvier Academic Press, 2016:194-222.

[12]蔣建瑩，汪悅國.衛(wèi)星水汽圖像上兩次暴雨過程的干、濕特征對比分析[J].氣象，2014，40(6):706-714.

[13]Hoskins B J, McIntyre M E, Robertson A W. On the use and significance of isentropic potential vorticity maps [J].Quart J Roy Meteor Soc,1985,111(470):877-946.

[14]壽紹文.位渦理論及其應(yīng)用[J].氣象，2010，36(3)：9-18.

[15]孫繼松，戴建華，何立富，等.強對流天氣預(yù)報的基本原理與技術(shù)方法[M].北京：氣象出版社，2013：29-205.

[16]吳迪，姚秀萍，壽紹文.干侵入對一次東北冷渦過程的作用分析[J].高原氣象，2010，29(5):1208-1217.

[17]楊軍.氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用(下)[M].北京：氣象出版社，2012：525-540.

[18]Mansfield D A. The use of potential vorticity as an operational forecast tool[J]. Meteor Appl,1996,3(3)：195-210.

[19]許健民，方宗義.《衛(wèi)星水汽圖像和位勢渦度場在天氣分析和預(yù)報中的應(yīng)用》導(dǎo)讀[J].氣象，2008，34(5)：3-8.

[20]章國材.強對流天氣分析與預(yù)報[M].北京：氣象出版社，2011：21-35.

Characteristicsofacoldvortexrelatedsevereconvectiononsatellitewatervaporimagery

WU Zhiyan1, MIN Jinzhong2，ZHAO Haijun3

(1.WeihaiMeteorologicalBureau,Weihai264200,China; 2.NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China; 3.LinyiMeteorologicalBureau,Linyi276004,China)

Water vapor imageries superimposed with upper-level dynamical fields can potentially provide valuable information for operational forecasting. A joint interpretation of a cold vortex related severe convection in Shandong Province is conducted by employing water vapor imagery and upper-level dynamic fields. Results reveal that the cloud system of the cold vortex exhibited asymmetric structure. Mechanism of instability growth varied between the warm and moist convection in the southeast and the convection out broke in the dynamic dry band at the rear of the vortex. As the dynamic dry band at the rear of the cold vortex overrunning the warm and moist area at the lower levels of the troposphere, deep convection was induced. Water vapor imageries closely mirror the upper-level synoptic-scale forcing during different developing stages of the cold vortex. The pronounced darkening of the dynamic dry band combined with sharpening of the dark/light boundary is associated with the strengthening of high potential vorticity and the upper-level jet. Monitoring a sequence of water vapor imageries helps in identifying and following the upper-level dynamic forcing, and provides valuable information of upper-level dynamic fields in diagnosing deep convection environment.

satellite water vapor imagery; potential vorticity; cold vortex; severe convection

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.03.007.(in Chinese)

2017-07-04；

：2017-07-31

國家自然科學(xué)基金項目(41175092)；山東省氣象局青年科研基金項目(2016SDQN17)；威海市科學(xué)技術(shù)發(fā)展計劃項目(2014GNS014)

吳志彥(1983—)，女，碩士，工程師，主要從事海氣相互作用和災(zāi)害性天氣氣候研究，wuzhy@live.cn。

閔錦忠(1965—)，男，博士，教授，研究方向為中小尺度數(shù)值模擬與資料同化和氣候預(yù)測，minjz@nuist.edu.cn。

P405

： A

： 2096-3599(2017)03-0054-08

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.03.007

吳志彥，閔錦忠，趙海軍. 冷渦背景下一次強對流過程的衛(wèi)星水汽圖像特征[J]. 海洋氣象學(xué)報，2017,37(3)：54-61.

Wu Zhiyan, Min Jinzhong， Zhao Haijun. Characteristics of a cold vortex related severe convection on satellite water vapor imagery[J].Journal of Marine Meteorology,2017,37(3):54-61.