周偉燦 羅麗君

摘要 采用NCEP FNL的客觀分析資料、中國(guó)自動(dòng)站與CMORPH的逐小時(shí)降水融合資料，對(duì)2015年8月23—24日發(fā)生在上海的一次強(qiáng)降水天氣過(guò)程進(jìn)行了天氣學(xué)分析，并通過(guò)位渦反演方法對(duì)1515號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鵝”在本次降水過(guò)程的具體作用進(jìn)行了定量診斷分析，以探討本次暴雨過(guò)程的發(fā)生機(jī)制。得出以下主要結(jié)論：1）位渦反演方法能夠較為準(zhǔn)確地反映西風(fēng)槽、臺(tái)風(fēng)及副熱帶高壓等重要天氣系統(tǒng)的位置及強(qiáng)度，能夠較為有效地再現(xiàn)系統(tǒng)的演變過(guò)程;2）北方冷空氣與遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)外圍的東北氣流交匯是產(chǎn)生本次降水過(guò)程的主要原因;3）通過(guò)對(duì)比原始場(chǎng)與剔除臺(tái)風(fēng)后的分析場(chǎng)，可以發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)“天鵝”本身的擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的水汽通量占比53.3%，是本次降水過(guò)程的水汽輸入的主要貢獻(xiàn)來(lái)源;4）臺(tái)風(fēng)“天鵝”對(duì)降水區(qū)域提供了一定的熱力條件，在扣除臺(tái)風(fēng)后原分析場(chǎng)的大值區(qū)和暖濕舌消失，相應(yīng)的鋒區(qū)也消失。

關(guān)鍵詞臺(tái)風(fēng)暴雨;位渦反演;水汽貢獻(xiàn)

暴雨是影響我國(guó)的主要災(zāi)害天氣，關(guān)于暴雨發(fā)生發(fā)展機(jī)理的研究一直是氣象工作者重要的研究課題（馬旭林等，2017;梅欽等，2018;王堅(jiān)紅等，2019）。我國(guó)地處東亞季風(fēng)帶，受季風(fēng)環(huán)流影響，夏季風(fēng)盛行期間暴雨頻發(fā)，其中長(zhǎng)江流域和江淮流域是我國(guó)夏季暴雨的一個(gè)頻發(fā)帶（Matsumoto and Takahashi，1999）。大量研究（郭其蘊(yùn)，1983;黃榮輝等，1998;高國(guó)棟等，2002;胡國(guó)權(quán)和丁一匯，2003;閔錦忠等，2018;李崇銀等，2019）對(duì)長(zhǎng)江流域及江淮流域暴雨的水汽輸送進(jìn)行了研究，指出這一區(qū)域內(nèi)夏季暴雨與西南季風(fēng)的水汽輸送密切相關(guān)，西太平洋副高西側(cè)與西南側(cè)轉(zhuǎn)向的西南氣流也是一個(gè)重要水汽輸送帶。此外，中高緯西風(fēng)帶也起到重要的作用。整體來(lái)說(shuō)長(zhǎng)江流域的水汽輸送主要由西南氣流及偏西風(fēng)支作為動(dòng)力支持。臺(tái)風(fēng)是造成中國(guó)夏季暴雨的另一重要天氣系統(tǒng)。程正泉等（2005）對(duì)近10 a中國(guó)臺(tái)風(fēng)暴雨的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，從中低緯系統(tǒng)相互作用、地形強(qiáng)迫作用、中小尺度對(duì)流系統(tǒng)等幾個(gè)方面對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨的影響做了歸納。其后又有諸多研究者針對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨的發(fā)生機(jī)制對(duì)個(gè)例展開(kāi)研究，周玲麗等（2009）對(duì)0505號(hào)臺(tái)風(fēng)“海棠”在浙閩地區(qū)引發(fā)的暴雨過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)，認(rèn)為“海棠”與東風(fēng)急流的共同作用是本次暴雨過(guò)程產(chǎn)生的主要原因。Zhang et al.（2010）、劉峰等（2011）、Xie and Zhang（2012）也相繼對(duì)臺(tái)風(fēng)“莫拉克”影響的暴雨過(guò)程進(jìn)行了研究，劉峰（2011）從濕位渦場(chǎng)角度對(duì)暴雨過(guò)程進(jìn)行診斷分析，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)結(jié)合對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)、強(qiáng)的能量鋒區(qū)以及上升運(yùn)動(dòng)，作為強(qiáng)降水發(fā)生的判據(jù);Gao et al.（2009）發(fā)現(xiàn)垂直風(fēng)切變、暖空氣對(duì)流以及地形等因素與“碧利斯”臺(tái)風(fēng)所觸發(fā)的雨帶密切相關(guān)，汪亞萍等（2015）通過(guò)對(duì)水汽螺旋度、散度垂直通量等8個(gè)動(dòng)力因子對(duì)“碧利斯”臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了診斷分析，指出其中4個(gè)動(dòng)力因子對(duì)于降水有較好的指示意義。這些對(duì)于不同臺(tái)風(fēng)暴雨個(gè)例的研究能夠幫助學(xué)者從不同角度了解其發(fā)生發(fā)展的過(guò)程與觸發(fā)機(jī)制等。

Rossby（1940）和Ertel（1942）相繼提出了位渦的概念，指出位渦在絕熱、無(wú)摩擦的干空氣中具有守恒性和可逆性。根據(jù)這種特性可以對(duì)某些天氣現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進(jìn)行合理的推斷。20世紀(jì)80年代，Hoskins et al.（1985）首次對(duì)位渦進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，認(rèn)為可以利用等熵面圖幫助研究大氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程，假設(shè)給定位渦、平衡條件和邊界條件，即可推導(dǎo)出相應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)和高度場(chǎng)。Haynes and Mclntyre（1987）討論了非絕熱、摩擦及其他情形下的位渦演變。位渦的守恒性質(zhì)使得可以通過(guò)位渦擾動(dòng)來(lái)確定非絕熱加熱等非守恒因子的影響程度。20世紀(jì)90年代，Joseph（1990）結(jié)合位渦的守恒性及可反演性，對(duì)淺水方程進(jìn)行了反演試驗(yàn)，提出在平衡模式下大尺度氣流同樣可適用位渦反演原理。隨后，Davis and Emanuel（1991）提出位渦擾動(dòng)分離的反演方法，利用位渦的守恒性質(zhì)可將非守恒過(guò)程的擾動(dòng)物理量場(chǎng)從基本物理量場(chǎng)中分離出來(lái)，進(jìn)而研究各個(gè)系統(tǒng)的影響。McIntyre and Norton（2000）進(jìn)一步對(duì)不同約束條件下位渦反演的準(zhǔn)確性做了敏感性測(cè)試。研究者們相繼從位渦的角度對(duì)不同的天氣系統(tǒng)進(jìn)行了研究，如Thorpe（1990）利用位渦守恒特性對(duì)鋒生過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行了研究，Schubert and Alworth（1987）和Robinson（1989）分別利用位渦對(duì)熱帶氣旋和斜壓不穩(wěn)定進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。可見(jiàn)，位渦反演是大氣科學(xué)研究的一種有效手段。同時(shí)，位渦反演理論在臺(tái)風(fēng)領(lǐng)域的應(yīng)用也有了一定的進(jìn)展。Yang et al.（2008）和季亮等（2010）結(jié)合位渦反演和數(shù)值模擬方法，分別對(duì)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例之間的相互作用、以及中低緯度系統(tǒng)（高空槽，副熱帶高壓）與臺(tái)風(fēng)之間的相互作用進(jìn)行了研究。

2015年15號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鵝”給上海地區(qū)帶來(lái)了極端降水天氣，此次過(guò)程具有怎樣的發(fā)生發(fā)展機(jī)制？與以往發(fā)生在長(zhǎng)江流域的暴雨過(guò)程相比較，此次過(guò)程是否也主要因?yàn)槭芟募撅L(fēng)盛行的影響而發(fā)生？臺(tái)風(fēng)“天鵝”在此次暴雨的發(fā)生中有怎樣的貢獻(xiàn)？本文嘗試運(yùn)用位渦反演方法對(duì)個(gè)例進(jìn)行診斷，主要從臺(tái)風(fēng)“天鵝”的貢獻(xiàn)切入，對(duì)本次暴雨過(guò)程的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行討論。

1 天氣過(guò)程分析

研究對(duì)象為2015年8月23—24日發(fā)生于上海的強(qiáng)降水過(guò)程，兩個(gè)主要降水時(shí)段分別是23日05—11時(shí)（北京時(shí)，下同）和24日06—09時(shí)，圖1給出了24日08時(shí)的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和地面降水分布情況，降水區(qū)主要分布在我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，此時(shí)臺(tái)風(fēng)“天鵝”處于與強(qiáng)降水區(qū)域（方框內(nèi)紅色區(qū)域）相距約900 km的洋面上。從水汽通量分布情況（圖略）可以看出，降水時(shí)段內(nèi)上海地區(qū)有強(qiáng)的水汽通量輻合，且能看出一條由1515號(hào)臺(tái)風(fēng)的外圍環(huán)流引導(dǎo)的強(qiáng)水汽通道。

圖1 2015年8月24日08時(shí)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（粗實(shí)線，單位：gpm）和降水量（陰影，單位：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

由環(huán)流形勢(shì)（圖2）可以看出，22日00時(shí)，我國(guó)東北地區(qū)上空存在低渦，而由其南側(cè)伸出的低槽控制我國(guó)東部地區(qū)，呈現(xiàn)東北西南走向;溫度槽落后于高度槽的配置也有利于槽的發(fā)展;同時(shí)，臺(tái)風(fēng)“天鵝”位于臺(tái)灣南部洋面，而臺(tái)風(fēng)“天鵝”北部延伸出一倒槽，其東側(cè)的東南氣流控制我國(guó)東南沿海地區(qū);此外，還有臺(tái)風(fēng)“艾莎妮”處于日本東南洋面。到23日00時(shí)，“天鵝”中西位置移動(dòng)到臺(tái)灣東部洋面，臺(tái)風(fēng)倒槽與高空槽結(jié)合于華中地區(qū)，倒槽東側(cè)偏南氣流與來(lái)自北方的東北氣流匯合。受臺(tái)風(fēng)影響，中緯度低槽移動(dòng)較弱。之后，值得關(guān)注的是，位于東北地區(qū)的冷渦控制向西南地區(qū)擴(kuò)張，在24日08時(shí)在河套地區(qū)分裂初新的冷渦，并在之后向東南方向移動(dòng);同時(shí)，“天鵝”移動(dòng)到東海東南部海域，且北側(cè)偏東風(fēng)加強(qiáng)。因此，24日強(qiáng)降水的發(fā)生不僅受到臺(tái)風(fēng)北側(cè)暖濕氣流的影響，同時(shí)北方冷空氣補(bǔ)充南下也是重要因素。來(lái)自洋面的暖濕氣團(tuán)與北方冷空氣交匯于長(zhǎng)江下游上海西部地區(qū)，導(dǎo)致本次暴雨發(fā)生于此。從分析可見(jiàn)，冷暖空氣交匯并產(chǎn)生相互作用，使得此區(qū)域內(nèi)大氣層結(jié)出現(xiàn)不穩(wěn)定并產(chǎn)生強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，是23—24日上海大暴雨形成的重要?jiǎng)恿σ蛩亍?/p>

2 分片位渦反演及診斷分析

將位渦場(chǎng)分解為平均態(tài)和總擾動(dòng)位渦，再?gòu)目倲_動(dòng)位渦找出與1515號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鵝”相對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)位渦片段，即可通過(guò)位渦反演方法反演出與臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)位渦相對(duì)應(yīng)的滿足非線性平衡方程的各物理量場(chǎng)，進(jìn)而定量分析臺(tái)風(fēng)在暴雨過(guò)程中的作用。

2.1 方法簡(jiǎn)介

絕熱和無(wú)摩擦條件下，位渦是守恒且可反演的，通過(guò)位渦反演出來(lái)的高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)是動(dòng)力平衡的，根據(jù)這種穩(wěn)定的平衡流的演變過(guò)程，可對(duì)天氣系統(tǒng)的演變進(jìn)行有效的追蹤及預(yù)測(cè)。位渦反演更重要的一點(diǎn)是它能夠?qū)εc不同天氣系統(tǒng)和不同物理過(guò)程有關(guān)的擾動(dòng)位渦進(jìn)行分離后反演，這樣可以更加清楚地了解不同擾動(dòng)位渦對(duì)天氣系統(tǒng)的作用，有助于認(rèn)識(shí)降水天氣系統(tǒng)的發(fā)展機(jī)理。這里利用Davis and Emanuel（1991）提出的位渦反演方法，即以Charney（1955）等提出的非線性平衡方程作為平衡條件，形成閉合的方程組進(jìn)行Ertel位渦反演。通過(guò)位渦反演方程組，可以求出特定位渦擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的物理量場(chǎng)分布。

2.2 位渦反演方案

利用Davis and Emanuel（1991）提出的上述位渦反演方法，對(duì)1°×1°，6 h一次NCEP FNL資料展開(kāi)研究討論。選取反演區(qū)域?yàn)樗椒秶?00°～170°E、0°～55°N，垂直范圍1 000～50 hPa間隔50 hPa 共20層。

選取時(shí)間平均作為基本態(tài)。由于此次暴雨過(guò)程強(qiáng)降水時(shí)段是2015年8月23—25日，本文選取8月20日08時(shí)—30日08時(shí)（對(duì)應(yīng)一個(gè)天氣尺度過(guò)程）的NCEP FNL資料平均值作為基本態(tài)。用各時(shí)次的總瞬時(shí)位渦剔除平均場(chǎng)的位渦，即可得出各時(shí)次的擾動(dòng)場(chǎng)位渦。

2.3 反演結(jié)果驗(yàn)證

在利用位渦反演方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析前，需要對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行有效性驗(yàn)證。下面以2015年8月23日08時(shí)為例，將NCEP FNL資料作為客觀分析場(chǎng)，與該時(shí)刻位渦反演的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，用來(lái)檢驗(yàn)反演結(jié)果的合理性。

圖3分別給出了23日08時(shí)500 hPa位勢(shì)高度客觀分析場(chǎng)與反演場(chǎng)。由圖中可以看到，平衡反演結(jié)果抓住了幾個(gè)主要的天氣系統(tǒng)：位于安徽南部至江西中部的西風(fēng)槽，西北太平洋上空的副熱帶高壓，臺(tái)灣以東海域上空的臺(tái)風(fēng)“天鵝”，以及硫磺列島海域上空的臺(tái)風(fēng)“艾莎尼”?？梢?jiàn)反演得到的高度場(chǎng)的分布形勢(shì)非常類似于客觀分析場(chǎng)。由于非線性平衡方程條件的約束，使得反演出的高度值出現(xiàn)輕微的系統(tǒng)性偏高，這種結(jié)果是可以接受的。另外反演的高度場(chǎng)更加平滑，這也是位渦反演不可避免的缺陷。同樣的，在不同時(shí)次不同高度上，反演出的結(jié)果與客觀分析場(chǎng)在整體形勢(shì)上也基本是吻合的，只是在數(shù)值上略有差異（圖略）。

整體來(lái)看，位渦反演得到的結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)西風(fēng)槽、臺(tái)風(fēng)以及副高等重要系統(tǒng)的位置、強(qiáng)度、以及風(fēng)向分布特征，因此利用分片位渦反演的方法定量分析臺(tái)風(fēng)位渦擾動(dòng)對(duì)暴雨過(guò)程的影響是可行的。

2.4 擾動(dòng)位渦的劃分

根據(jù)前述方法，對(duì)位渦場(chǎng)進(jìn)行分解，得到平均場(chǎng)及擾動(dòng)位渦場(chǎng)后，可從整個(gè)擾動(dòng)位渦場(chǎng)中分離出臺(tái)風(fēng)“天鵝”擾動(dòng)位渦區(qū)（TC）。為了更加清楚地展示擾動(dòng)位渦區(qū)域分布，圖4給出了23日08時(shí)500 hPa高度上總擾動(dòng)位渦分布以及臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)位渦區(qū)域劃分。擾動(dòng)位渦TC具有正位渦擾動(dòng)，反演區(qū)域?yàn)橐耘_(tái)風(fēng)中心為中心，3°為半徑的正方形。垂直方向上的反演層次為1 000 hPa到150 hPa。

2.5 臺(tái)風(fēng)天鵝對(duì)水汽輸送的作用

在得到臺(tái)風(fēng)“天鵝”相關(guān)聯(lián)的擾動(dòng)位勢(shì)場(chǎng)、擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)和擾動(dòng)溫度場(chǎng)后，從原始分析場(chǎng)中減去這部分?jǐn)_動(dòng)場(chǎng)，即可大致剔除臺(tái)風(fēng)“天鵝”的擾動(dòng)對(duì)于原始分析場(chǎng)的影響。通過(guò)分別診斷原始分析場(chǎng)、臺(tái)風(fēng)“天鵝”、扣除臺(tái)風(fēng)的分析場(chǎng)的水汽輸送情況，最終可定量分析臺(tái)風(fēng)“天鵝”對(duì)暴雨過(guò)程水汽輸送的影響。

23日暴雨主要發(fā)生在上海東部地區(qū)。分析23日08時(shí)950 hPa原始分析場(chǎng)的水汽通量（圖5a）可見(jiàn)，東北向的低空水汽通量大值區(qū)由上海東部海面伸向長(zhǎng)江口，與上海東部的暴雨區(qū)相對(duì)應(yīng);分析臺(tái)風(fēng)“天鵝”貢獻(xiàn)的水汽通量（圖5c），發(fā)現(xiàn)在相應(yīng)位置上存在相同方向的大值區(qū);但在扣除臺(tái)風(fēng)“天鵝”后（圖5e），該低空水汽通量大值區(qū)消失，且方向相反。這說(shuō)明，23日08時(shí)臺(tái)風(fēng)北側(cè)的偏東風(fēng)氣流為降水區(qū)主要的水汽通道，來(lái)自溫暖洋面的水汽不斷通過(guò)臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流向華東沿海地區(qū)輸送。

充足的水汽供應(yīng)與水汽輻合是產(chǎn)生大暴雨必不可少的條件。分析23日08時(shí)950 hPa原始分析場(chǎng)的水汽通量散度（圖5b），可以發(fā)現(xiàn)在低空東北氣流引導(dǎo)下，在江蘇東南部及上海西部形成了水汽通量輻合;分析臺(tái)風(fēng)“天鵝”貢獻(xiàn)的水汽通量散度（圖5d），發(fā)現(xiàn)在相應(yīng)位置上存在相同方向的輻合中心;但在扣除臺(tái)風(fēng)“天鵝”后（圖5f），該低空水汽通量輻合中心強(qiáng)度和范圍大為減小。這再次說(shuō)明，臺(tái)風(fēng)“天鵝”為23日05—11時(shí)上海東部暴雨過(guò)程提供了足夠的水汽條件和輻合條件。

到了24日08時(shí)，950 hPa水汽通量大值區(qū)仍在長(zhǎng)江下游的上海中西部附近（圖6a）;分析臺(tái)風(fēng)“天鵝”貢獻(xiàn)的水汽通量（圖6c），發(fā)現(xiàn)在相應(yīng)位置上存在相同方向的大值區(qū);但在扣除臺(tái)風(fēng)“天鵝”后（圖6e），該低空水汽通量范圍縮小，且方向相反。這說(shuō)明，24日08時(shí)該水汽通量大值區(qū)亦主要由臺(tái)風(fēng)“天鵝”環(huán)流貢獻(xiàn)。

由24日08時(shí)950 hPa原始分析場(chǎng)的水汽通量散度（圖6b）可以看出，長(zhǎng)江下游地區(qū)存在水汽輻合中心，相應(yīng)的降水最強(qiáng)時(shí)段也出現(xiàn)在24日早晨到上午;臺(tái)風(fēng)“天鵝”貢獻(xiàn)的水汽通量散度較大（圖6d），但在扣除臺(tái)風(fēng)“天鵝”后（圖6f），該低空水汽通量輻合中心位置略為偏北。

選取119°～123°E、29°～34°N的矩形區(qū)域作為此次暴雨過(guò)程的邊界，分別計(jì)算在950 hPa高度上4條邊界的水汽進(jìn)出代表該區(qū)域的水汽總量。計(jì)算23—24日原始分析場(chǎng)、臺(tái)風(fēng)“天鵝”、扣除臺(tái)風(fēng)的分析場(chǎng)產(chǎn)生的進(jìn)出該矩形區(qū)域的水汽通量，用來(lái)定量判斷臺(tái)風(fēng)“天鵝”對(duì)暴雨過(guò)程中水汽供應(yīng)的作用（表1）。

從表1可以看出，23日08時(shí)—24日14時(shí)方形區(qū)域內(nèi)進(jìn)出的水汽總量均為正，說(shuō)明這段時(shí)間內(nèi)臺(tái)灣地區(qū)有充足的水汽輸入，有利于降水的產(chǎn)生。表中數(shù)據(jù)顯示，與臺(tái)風(fēng)自身擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的水汽通量數(shù)值較大，占總輸入水汽通量的53.3%，說(shuō)明暴雨地區(qū)的水汽輸入主要與臺(tái)風(fēng)“天鵝”有關(guān)，即臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流的偏東風(fēng)氣流為本次強(qiáng)降水區(qū)的主要水汽貢獻(xiàn)源。

2.6 臺(tái)風(fēng)“天鵝”對(duì)熱力條件的作用

由8月23日08、23日20時(shí)、24日08時(shí)850 hPa假相當(dāng)位溫（θse）場(chǎng)（圖7a、b、c）可以看出，在臺(tái)風(fēng)“天鵝”從臺(tái)灣東部太平洋洋面上由偏北方向轉(zhuǎn)為東北方向移動(dòng)的過(guò)程中，伴隨著臺(tái)風(fēng)北側(cè)的偏東氣流不斷向華東沿海地區(qū)輸送暖濕空氣;緊鄰臺(tái)風(fēng)北側(cè)的θse大值區(qū)附近，出現(xiàn)了明顯的暖濕舌，其頂部位于長(zhǎng)江中下游上海地區(qū);鋒區(qū)呈東北-西南走向位于江蘇東南部，為臺(tái)風(fēng)從洋面帶來(lái)的暖濕氣團(tuán)與南下的北方冷氣團(tuán)交匯的過(guò)渡區(qū)，上海西部則為相對(duì)干冷區(qū)。主要的強(qiáng)降水時(shí)段內(nèi)一直呈現(xiàn)此種熱力分布特征，對(duì)于上海地區(qū)的持續(xù)性大暴雨十分有利。

在臺(tái)風(fēng)貢獻(xiàn)的θse場(chǎng)中（圖7d、e、f），發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)對(duì)上海地區(qū)的θse貢獻(xiàn)了2～3 ℃，同時(shí)對(duì)東北-西南向的θse梯度大值帶貢獻(xiàn)了約1 ℃的梯度值。

而在扣除臺(tái)風(fēng)后的θse場(chǎng)中（圖7g、h、i），一方面，原分析場(chǎng)的θse大值區(qū)和暖濕舌消失，整個(gè)東南沿海被大陸干冷氣團(tuán)控制。另一方面，由于扣除了臺(tái)風(fēng)及其相應(yīng)的海洋暖濕氣團(tuán)，θse梯度大值帶（鋒區(qū)）消失，這不利于產(chǎn)生大暴雨過(guò)程。

3 結(jié)論和討論

采用NCEP FNL的水平分辨率1°×1°，垂直范圍1 000～50 hPa間隔50 hPa共20層的多要素逐6 h客觀分析資料，以及中國(guó)自動(dòng)站與CMORPH的逐小時(shí)降水融合資料（0.1°×0.1°），對(duì)2015年8月23—24日發(fā)生于上海地區(qū)的一次強(qiáng)降水天氣過(guò)程進(jìn)行了天氣學(xué)分析，并通過(guò)位渦反演方法對(duì)降水時(shí)段內(nèi)正發(fā)展于臺(tái)灣東部洋面上的1515號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鵝”對(duì)本次降水過(guò)程的具體影響過(guò)程進(jìn)行了定量診斷分析，得出如下結(jié)論：

1）北方南下的干冷氣團(tuán)，與臺(tái)風(fēng)“天鵝”北側(cè)的偏東風(fēng)帶來(lái)的暖濕氣團(tuán)在長(zhǎng)江下游上海中西部地區(qū)交匯并相互作用，是本次強(qiáng)降水產(chǎn)生的主要原因。

2）位渦反演能夠較為準(zhǔn)確地反映西風(fēng)槽、臺(tái)風(fēng)等重要天氣系統(tǒng)的位置及強(qiáng)度，可以利用位渦反演方法對(duì)臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)位渦如何影響暴雨過(guò)程進(jìn)行定量分析。在得到與臺(tái)風(fēng)“天鵝”相關(guān)聯(lián)的各擾動(dòng)場(chǎng)后，通過(guò)從原始場(chǎng)中剔除出“天鵝”的擾動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)主要降水時(shí)段內(nèi)的水汽通量大值區(qū)主要由臺(tái)風(fēng)“天鵝”貢獻(xiàn)。

3）選取強(qiáng)降水區(qū)域邊界，對(duì)區(qū)域內(nèi)水汽總量進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在剔除“天鵝”相關(guān)聯(lián)的擾動(dòng)場(chǎng)后，降水區(qū)域內(nèi)水汽量大幅減少，而與臺(tái)風(fēng)自身擾動(dòng)所對(duì)應(yīng)的水汽通量數(shù)值較大，占總輸入水汽通量的53.3%，進(jìn)一步說(shuō)明臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流對(duì)于本次降水過(guò)程貢獻(xiàn)了大量的水汽輸入。

4）同樣，在對(duì)比分析原始假相當(dāng)位溫場(chǎng)與剔除臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)的分析場(chǎng)后，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)對(duì)上海地區(qū)的假相當(dāng)位溫場(chǎng)貢獻(xiàn)了2～3 ℃，同時(shí)對(duì)東北-西南向的假相當(dāng)位溫梯度大值帶貢獻(xiàn)了約1 ℃的梯度值。而在扣除臺(tái)風(fēng)后的假相當(dāng)位溫原分析場(chǎng)中的大值區(qū)和暖濕舌消失，整個(gè)東南沿海被大陸干冷氣團(tuán)控制，假相當(dāng)位溫梯度大值帶（鋒區(qū)）消失。說(shuō)明臺(tái)風(fēng)“天鵝”為本次強(qiáng)降水的發(fā)生提供了決定性的熱力條件。

參考文獻(xiàn)（References）

Charney J，1955.The use of the primitive equations of motion in numerical prediction[J].Tellus，7（1）：22-26.doi：10.1111/j.2153-3490.1955.tb01138.x.

程正泉，陳聯(lián)壽，徐祥德，等，2005.近10年中國(guó)臺(tái)風(fēng)暴雨研究進(jìn)展[J].氣象（12）：3-9. Cheng Z Q，Chen L S，Xu X D，et al.，2005.Research progress on typhoon heavy rainfall in China for last ten years[J].Meteor Mon（12）：3-9.

Davis C A，Emanuel K A，1991.Potential vorticity diagnostics of cyclogenesis[J].Mon Wea Rev，119（8）：1929-1953.doi：10.1175/1520-0493（1991）119<1929：pvdoc>2.0.co;2.

Joseph E，1990.Some aspects of potential vorticity inversion[J].J Atmos Sci，47（10）：1269-1275.doi：10.1175/1520-0469（1990）047<1269：saopvi>2.0.co;2.

ErtelH，1942.Einneuerhydrodynamischerwirbelsatz[J].Meteorol Zeitschrift，59：271-281.

高國(guó)棟，陸渝蓉，翟盤茂，等，2002.長(zhǎng)江流域大氣水汽輸送特征及其對(duì)旱澇形成的影響[C]//中國(guó)科協(xié)2002年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.成都：150-151.Gao G D，Lu Y R，Zhai P M，et al.Characteristics of atmospheric water vapor transport and its influence on drought and flood formation in the Yangtze River Basin[C]//Proceedings of the 2002 Annual Meeting of the Chinese Association for Science and Technology.Chengdu：150-151.（in Chinese）.

Gao S Z，Meng Z Y，Zhang F Q，et al.，2009.Observational analysis of heavy rainfall mechanisms associated with severe tropical storm bilis （2006） after its landfall[J].Mon Weather Rev，137（6）：1881-1897.doi：10.1175/2008mwr2669.1.

郭其蘊(yùn)，1983.東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)及其變化的分析[J].地理學(xué)報(bào)，38（3）：207-217. Guo Q Y，1983.The summer monsoom intensity index in east Asia and its variation[J].Acta Geogr Sin，38（3）：207-217.（in Chinese）.

Haynes P H，McIntyre M E，1987.On the evolution of vorticity and potential vorticity in the presence of diabatic heating and frictional or other forces[J].J Atmos Sci，44（5）：828-841.doi：10.1175/1520-0469（1987）044<0828：oteova>2.0.co;2.

Hoskins B J，McIntyre M E，Robertson A W，1985.On the use and significance of isentropic potential vorticity maps[J].Quart J Roy Meteor Soc，111（470）：877-946.doi：10.1002/qj.49711147002.

胡國(guó)權(quán)，丁一匯，2003.1991年江淮暴雨時(shí)期的能量和水汽循環(huán)研究[J].氣象學(xué)報(bào)，61（2）：146-163. Hu G Q，Ding Y H，2003.A study on the energy and water cycles over Changjiang-Huaihe river basins during the 1991 heavy rain periods[J].Acta Meteorol Sin，61（2）：146-163.doi：10.3321/j.issn：0577-6619.2003.02.002.（in Chinese）.

黃榮輝，張振洲，黃剛，等，1998.夏季東亞季風(fēng)區(qū)水汽輸送特征及其與南亞季風(fēng)區(qū)水汽輸送的差別[J].大氣科學(xué)，22（4）：460-469. Huang R H，Zhang Z Z，Huang G，et al.，1998.Characteristics of the water vapor transport in East Asian monsoon region and its difference from that in south Asian monsoon region in summer[J].Sci Atmos Sin，22（4）：460-469.（in Chinese）.

季亮，費(fèi)建芳，黃小剛，2010.副熱帶高壓對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)影響的數(shù)值模擬研究[J].氣象學(xué)報(bào)，68（1）：39-47. Ji L，F(xiàn)ei J F，Huang X G，2010.Numerical simulations of the effect of the subtropical high on landfalling tropical cyclones[J].Acta Meteorol Sin，68（1）：39-47.（in Chinese）.

李崇銀，楊輝，趙晶晶，2019.大氣環(huán)流系統(tǒng)組合性異常與極端天氣氣候事件發(fā)生[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，42（3）：321-333. Li C Y，Yang H，Zhao J J，2019.Combinational anomalies of atmospheric circulation system and occurrences of extreme weather/climate events[J].Trans Atmos Sci，42（3）：321-333.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20190302001.（in Chinese）.

劉峰，丁治英，梁艷，等，2011.“莫拉克”臺(tái)風(fēng)暴雨過(guò)程中濕位渦場(chǎng)的演變特征[J].暴雨災(zāi)害，30（2）：161-166. Liu F，Ding Z Y，Liang Y，et al.，2011.Evolution characteristics of moist potential vorticity in the rainstorm caused by “morakot” typhoon[J].Torrential Rain Disasters，30（2）：161-166.doi：10.3969/j.issn.1004-9045.2011.02.009.（in Chinese）.

Matsumoto J，Takahashi K，1999.Regional differences of daily rainfall characteristics in East Asian summer monsoon season[J].Geogr Rev Jpn，Ser B，72（2）：193-201.doi：10.4157/grj1984b.72.193.

McIntyre M E，Norton W A，2000.Potential vorticity inversion on a hemisphere[J].J Atmos Sci，57（9）：1214-1235.doi：10.1175/1520-0469（2000）057<1214：pvioah>2.0.co;2.

梅欽，智協(xié)飛，王佳，2018.WRF模式不同云參數(shù)化方案的暴雨預(yù)報(bào)能力檢驗(yàn)及集成試驗(yàn)[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，41（6）：731-742. Mei Q，Zhi X F，Wang J，2018.Verification and consensus experiments of rainstorm forecasting using different cloud parameterization schemes in WRF model[J].Trans Atmos Sci，41（6）：731-742.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20180306002.（in Chinese）.

馬旭林，和杰，周勃旸，等，2017.非高斯分布觀測(cè)誤差資料的變分質(zhì)量控制對(duì)暴雨預(yù)報(bào)的影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，40（2）：170-180. Ma X L，He J，Zhou B Y，et al.，2017.Effect of variational quality control of Non-Gaussian distribution observation error on heavy rainfall prediction[J].Trans Atmos Sci，40（2）：170-180.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150911001.（in Chinese）.

閔錦忠，賈瑞怡，王晨玨，2018.蘇北一次強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴過(guò)程的診斷分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，41（4）：463-474. Min J Z，Jia R Y，Wang C J，2018.Diagnostic analysis on a heavy precipitation supercell storm process in northern Jiangsu[J].Trans Atmos Sci，41（4）：463-474.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160311001.（in Chinese）.

Rossby C G，1940.Planetary flow patterns in the atmosphere[J].Quart J Roy Meteor Soc，66：68-87.

Robinson W A，1989.On the structure of potential vorticity in baroclinic instability[J].Tellus A，41A（4）：275-284.doi：10.1111/j.1600-0870.1989.tb00382.x.

Thorpe A J，1990.Frontogenesis at the boundary between air-masses of different potential vorticity[J].Quart J Roy Meteor Soc，116（493）：561-572.doi：10.1002/qj.49711649303.

王堅(jiān)紅，曲梓祎，李洪利，等，2019.中國(guó)東南沿海冬季漸近線型鋒生輻合線及其強(qiáng)降水的發(fā)展機(jī)制[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，42（6）：902-915. Wang J H，Qu Z Y，Li H L，et al.，2019.Thermodynamic mechanism of asymptotic frontogenesis convergence line and its heavy rainfall in southeast Coast of China in winter[J].Trans Atmos Sci，42（6）：902-915.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20181006003.（in Chinese）.

汪亞萍，崔曉鵬，冉令坤，等，2015.動(dòng)力因子對(duì)2006“碧利斯”臺(tái)風(fēng)暴雨的診斷分析[J].大氣科學(xué)，39（4）：747-756. Wang Y P，Cui X P，Ran L K，et al.，2015.Diagnosis of dynamical parameters in torrential rain associated with typhoon “bilis” in 2006[J].Chin J Atmos Sci，39（4）：747-756.doi：10.3878/j.issn.1006-9895.1411.14184.（in Chinese）.

Schubert W H，Alworth B T，1987.Evolution of potential vorticity in tropical cyclones[J].Quart J Roy Meteor Soc，113（475）：147-162.doi：10.1002/qj.49711347509.

Xie B G，Zhang F Q，2012.Impacts of typhoon track and island topography on the heavy rainfalls in Taiwan associated with morakot （2009）[J].Mon Weather Rev，140（10）：3379-3394.doi：10.1175/mwr-d-11-00240.1.

Yang C C，Wu C C，Chou K H，et al.，2008.Binary interaction between typhoons Fengshen （2002） and fungwong （2002） based on the potential vorticity diagnosis[J].Mon Weather Rev，136（12）：4593-4611.doi：10.1175/2008mwr2496.1.

Zhang F Q，Weng Y H，Kuo Y H，et al.，2010.Predicting typhoon morakots catastrophic rainfall with a convection-permitting mesoscale ensemble system[J].Weather Forecast，25（6）：1816-1825.doi：10.1175/2010waf2222414.1.

周玲麗，翟國(guó)慶，王東法，等，2009.0505號(hào)“海棠”臺(tái)風(fēng)暴雨數(shù)值模擬試驗(yàn)和分析[J].大氣科學(xué)，33（3）：489-500. Zhou L L，Zhai G Q，Wang D F，et al.，2009.Numerical simulation and analysis of typhoon Haitang（0505）heavy rainfall[J].Chin J Atmos Sci，33（3）：489-500.（in Chinese）.

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(zé)任編輯：袁東敏）