致洪暴雨過程中尺度渦旋的結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)平衡特征分析

譚偉才 鐘瑋 陸漢城 李啟華

摘要 利用2008年6月廣西致洪暴雨過程高分辨率數(shù)值模式資料，分析引起暴雨的中尺度渦旋在移動和持續(xù)性發(fā)展過程中其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變以及系統(tǒng)的動力學(xué)特征。研究結(jié)果表明，中尺度渦旋是導(dǎo)致此次廣西暴雨的主要系統(tǒng)，其發(fā)展移動過程中伴隨有強烈上升運動的深厚濕對流，并在中高層持續(xù)形成明顯的暖心結(jié)構(gòu)。此次渦旋系統(tǒng)移動過程可分為渦旋南移和渦旋東移兩個階段，由于受到環(huán)境場的影響，渦旋中心區(qū)域動量、熱量和水汽的再分配為其持續(xù)性發(fā)展提供有利條件。同時診斷分析表明，渦旋內(nèi)部存在具有繼發(fā)特征的長時間維持的組織化深厚濕對流系統(tǒng)，以強非地轉(zhuǎn)分量為特征的超地轉(zhuǎn)流，并表現(xiàn)出渦散運動共存且同量級的特征，具有典型的準(zhǔn)平衡特征。

關(guān)鍵詞暴雨；中尺度渦旋；結(jié)構(gòu)特征；準(zhǔn)平衡特征

觀測資料和數(shù)值研究表明，特大暴雨常常與中尺度渦旋的生成和強烈發(fā)展有關(guān)（James and Johnson，2010a；周玉淑和李柏，2010；Friedrich et al.，2015；Fu et al.，2015；廖文超等，2016；錢卓蕾和郭品文，2016）。因此，研究這類中尺度渦旋的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特征，是加深對中尺度渦旋與暴雨觸發(fā)和維持原因的認識、提高暴雨預(yù)報準(zhǔn)確率的有效途徑。

隨著取得了觀測手段的改進，以及數(shù)值模式的不斷完善，國內(nèi)外氣象學(xué)者在中尺度渦旋的結(jié)構(gòu)和強度發(fā)展方面取得了新的進展。傅慎明等（2012）利用風(fēng)云-2E準(zhǔn)靜止衛(wèi)星所提供的云頂亮溫TBB（Temperature of Black Body）資料對比研究了梅雨期兩類東移中尺度渦旋，結(jié)果表明：兩類渦旋均位于對流層低層，且生命史中均有較強的冷暖空氣交綏。張敬萍等（2015）利用CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）再分析資料，統(tǒng)計了西南渦和大別山低渦的發(fā)生頻數(shù)、移動路徑、三維結(jié)構(gòu)等的氣候特征，結(jié)果表明：絕大多數(shù)的兩類低渦維持時間少于 12 h，均為對流層中低層的低壓系統(tǒng)。與降水凝結(jié)潛熱密切相關(guān)的熱力強迫使得低渦擁有更長的生命史長度，更大的水平半徑和更大的渦旋生命史內(nèi)降水量。James and Johnson（2010b）統(tǒng)計2002—2005年5—8月俄克拉荷馬州的中尺度對流渦旋的生命史、半徑、強度等發(fā)現(xiàn)，其生命史似乎與其強度無關(guān)。Morales et al.（2015）分析一次引起極端降水過程的中尺度渦旋的發(fā)展過程表明，渦旋的發(fā)展加強是通過潛熱加熱作用造成的，地形的動力作用影響較小。低層云水粒子的高效凝結(jié)使得在垂直方向上形成強烈梯度，從而有利于近地面附近的正位渦擾動急劇發(fā)展。Fu et al.（2016）研究長江流域上空一個引起致洪暴雨的具有長生命史的中尺度渦旋的演變過程表明，渦旋的三維幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)與渦旋的發(fā)展、系統(tǒng)內(nèi)部的對流過程以及降水密切相關(guān)，渦旋系統(tǒng)的水平尺度增大有利于其維持和發(fā)展。當(dāng)渦旋水平方向趨于東西向分布時，系統(tǒng)內(nèi)對流過程和降水加強。上述表明，以往研究往往傾向于從整體上分析中尺度渦旋系統(tǒng)的性質(zhì)，分析的空間尺度一般較大，而針對渦旋系統(tǒng)中心區(qū)域200 km范圍內(nèi)的精細化結(jié)構(gòu)分析及其系統(tǒng)內(nèi)動力和熱力因子的配置對渦旋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響的工作卻較少見。

此外，基于中尺度渦旋整體特征及其形成的天氣學(xué)背景分析基礎(chǔ)上的動力學(xué)分析，通常認為這類能夠穩(wěn)定維持較長時間的中α尺度的渦旋性系統(tǒng)，可用平衡模式來追蹤其演變過程。但Wang and Zhang（2003）、Zhang and Chanh（2006）均提出在中尺度運動分析中，針對具有較長生命史過程的強烈對流系統(tǒng)運動，存在區(qū)別于經(jīng)典平衡和非平衡理論，既考慮了渦旋在中尺度運動中的控制作用，同時又考慮了強烈的輻合輻散和大振幅垂直運動，稱為中尺度準(zhǔn)平衡理論或中間平衡（高守亭和周菲凡，2006）。基于準(zhǔn)平衡理論，Wang and Zhang（2003）在位渦反演的基礎(chǔ)上，加入計算垂直運動和速度勢方程，建立了準(zhǔn)平衡流分析的PVω反演方法。鐘瑋等（2009）、葛晶晶等（2011）基于PVω反演方法，分別反演計算了臺風(fēng)和暴雨中尺度渦旋的三維準(zhǔn)平衡流，分析得到了準(zhǔn)平衡流場的主要特征。本文在分析長生命史發(fā)展的中尺度渦旋具有強非地轉(zhuǎn)運動的基礎(chǔ)上，探究渦旋系統(tǒng)實際流場的準(zhǔn)平衡特征。

本文選取2008年6月一次由中尺度渦旋引起致洪暴雨過程的典型個例，對此次過程進行天氣分析和數(shù)值模擬，并運用高分辨率數(shù)值模擬結(jié)果細致刻畫系統(tǒng)內(nèi)部中尺度結(jié)構(gòu)，分析系統(tǒng)內(nèi)動力和熱力因子的配置及其在外部強迫作用下對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和強度變化的影響，分析渦旋系統(tǒng)三維流場的準(zhǔn)平衡特征。

1 暴雨過程系統(tǒng)分析

1.1 過程簡介

2008年6月11日12時至13日00時（世界時，下同），廣西遭受了特大暴雨襲擊。此次降水過程覆蓋了廣西絕大部分地區(qū)，其中廣西東北部降水最強，降水極值中心位于桂林附近，累積降水量超過400 mm。降水過程始于11日16時，降水過程的最強時段為11日18時—12日18時，13日00時以后降水過程基本結(jié)束。

本文使用6 h一次，水平分辨率為0.5°×0.5°的CFSR再分析資料（下載地址：http：//rda.ucar.edu/datasets/ds093.0）分析此次廣西致洪暴雨過程的大尺度環(huán)流形勢和中尺度渦旋系統(tǒng)移動及發(fā)展過程。CFSR資料是由美國環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）于2010年發(fā)布的覆蓋全球的高分辨率再分析資料，其水平分辨率約38 km，相比于其他全球再分析資料（如NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ERA40、JRA25），CFSR的空間分辨率有了很大的提高，此外CFSR再分析資料因其更高的空間分辨率及同化新技術(shù)的引進，可以大大改善和提升再分析資料質(zhì)量，目前很多國家和地區(qū)都在使用該資料從事相關(guān)科學(xué)研究，并取得了不少新的研究成果（張元春等，2013；Murakami，2014）。本文分析的實況降水資料來源于全國自動雨量站逐時雨量資料。

天氣尺度形勢分析表明（圖略），高空兩槽一脊的環(huán)流形勢、深厚南支槽、低空穩(wěn)定維持的中尺度渦旋以及低空急流帶來的西南暖濕氣流輸送，是此次廣西致洪暴雨發(fā)生的背景條件。

1.2 中尺度渦旋系統(tǒng)

為了進一步分析此次暴雨過程中，中尺度渦旋系統(tǒng)的作用及天氣學(xué)特征，本節(jié)利用CSFR資料和全國自動雨量站逐時雨量資料分析各個典型時次中尺度渦旋與降水雨團的移動發(fā)展過程。

分析不同高度上的形勢場可知（圖略），中尺度渦旋在700 hPa上表現(xiàn)最為清晰，水平范圍約為600～900 km，屬于中α尺度系統(tǒng)。將700 hPa每12 h形勢場與對應(yīng)時間段內(nèi)6 h累積降水量分布（圖1）對照分析可以看出，11日12時，在云南和貴州兩省交界處開始形成閉合渦旋中心，水平形態(tài)呈橢圓狀，東西橫向水平覆蓋約800 km，南北約200 km，渦旋東南側(cè)存在零星分布的降水區(qū)。到12日00時，渦旋東南側(cè)存在明顯低空急流，對南壓的渦旋系統(tǒng)形成阻擋，渦旋系統(tǒng)移速減緩并出現(xiàn)緩慢東移的趨勢。降水區(qū)呈明顯帶狀分布，主要位于渦旋系統(tǒng)的東部。至12日12時，渦旋系統(tǒng)的外圍閉合等值線向東北方向伸展，東移速度加快，中心區(qū)域出現(xiàn)強降水中心，6 h最大累積降水量均超過140 mm。13日00時，渦旋移至廣西東北角，即將移出廣西，主體區(qū)域內(nèi)閉合等值線間隔擴大，氣壓梯度明顯減小，整體渦旋結(jié)構(gòu)趨于松散，渦旋強度有所減弱，系統(tǒng)內(nèi)雨區(qū)也逐漸零散，主要位于渦旋東南側(cè)。

由上文分析可知，持續(xù)性發(fā)展并維持的中尺度渦旋系統(tǒng)是導(dǎo)致此次廣西暴雨的主要系統(tǒng)，最強降水中心基本位于渦旋系統(tǒng)東側(cè)或東南側(cè)400 km以內(nèi)，渦旋的移動和發(fā)展與暴雨中心的移動以及雨量的變化相一致。因此，分析此次持續(xù)性暴雨過程的形成機制首先需要對這一類中尺度渦旋的結(jié)構(gòu)特征及其對暴雨形成、維持的影響進行研究。結(jié)合中尺度渦旋系統(tǒng)本身的特征以及華南地區(qū)高大地形的影響，本文將700 hPa位勢高度最低點所在位置定義為渦旋中心，以此中心點800 km×600 km的長方形范圍定義為中尺度渦旋主體區(qū)域。

2 模擬結(jié)果

本文運用WRF（V3.4）模式（Weather Research and Forecast Model）對此次過程進行數(shù)值模擬。模擬采用互反饋三重嵌套網(wǎng)格方案，格點數(shù)分別為303×265、412×340、628×433，模式水平分辨率分別為18 km、6 km、2 km。垂直方向分45層，層頂氣壓為50 hPa。初值選用時間間隔為6 h，分辨率為1°×1°的 NCEP 資料，積分時間均為2008年6月11日06時到13日06時，共48 h。具體參數(shù)設(shè)置見表1。

為了將模擬得到的渦旋移動和強度變化特征與實況進行對比，本文給出了2008年6月11日12時—13日00時700 hPa上模擬和CFSR資料中尺度渦旋中心位置每6 h移動路徑（圖2a），以及渦旋主體區(qū)域內(nèi)的中心最低位勢高度、最大切向風(fēng)速和平均渦度（圖2b，2c，2d）隨時間的演變。由渦旋中心移動路徑（圖2a）可以看出，其移動過程分為兩個階段：第一階段為11日12時—12日12時，渦旋中心路徑以東行南壓為主，沿高原地形南移，移速較慢，可定義為渦旋南移階段；第二階段為12日12時之后，渦旋移動路徑出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，隨后主要沿著西南低空急流軸向東北向移動，且移速較快，到13日00時移出廣西，可定義為渦旋東移階段。對比顯示，模擬結(jié)果很好地再現(xiàn)了系統(tǒng)中心移動方向、移動速度以及路徑轉(zhuǎn)折的時刻和位置，與實況資料基本一致。

從渦旋中心位勢高度隨時間變化（圖2b）可以看出，模擬結(jié)果與觀測量值均隨時間單調(diào)遞減且具有同步的變化趨勢。從渦旋主體區(qū)域內(nèi)模擬最大切向速度（圖2c）及渦旋中心60 km×60 km正方形區(qū)域的平均渦度的時間變化來看（圖2d），觀測和模擬結(jié)果不僅變化趨勢基本一致，量值也相差不大。以上表明模擬結(jié)果能夠很好地再現(xiàn)與渦旋系統(tǒng)強度相關(guān)的物理量變化情況。對應(yīng)前文觀測資料分析，給出了此次暴雨過程逐12小時的700 hPa形勢場和降水分布的模擬結(jié)果（圖1b，1d，1f，1h）。比較兩者可知，模擬結(jié)果很好地再現(xiàn)了700 hPa各時刻中尺度渦旋中心位置分布、氣旋性環(huán)流和閉合等值線的覆蓋范圍、中尺度渦旋沿高原南壓下滑與低空急流交匯并隨之東移的相互作用過程，以及渦旋主體區(qū)域內(nèi)（粗黑色虛線框表示）帶狀降水區(qū)的分布及其極值中心出現(xiàn)的時間和區(qū)域。

3 渦旋系統(tǒng)的中尺度結(jié)構(gòu)特征

為了進一步分析這類中α尺度渦旋系統(tǒng)內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu)及其演變特征，選取其移動過程中的三個典型時刻（即分別為渦旋南移階段的11日18時、路徑轉(zhuǎn)折時刻12日12時、渦旋東移階段的13日00時）來分析渦旋主體區(qū)域的三維動力和熱力結(jié)構(gòu)分布及變化。

3.1 動力結(jié)構(gòu)

由三個典型時刻不同高度上的雷達反射率因子、位勢高度、風(fēng)矢分布可以看出，中尺度渦旋在700 hPa（圖3a，3d，3g）上表現(xiàn)為典型的氣旋性環(huán)流特征；存在分布相對集中的雷達反射率高值區(qū)，表征這些地區(qū)存在旺盛的對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展。在500 hPa高度（圖略）上，等值線整體呈凹槽狀分布；雷達反射率高值區(qū)的覆蓋范圍增大，其中渦旋中心附近的雷達反射率高值區(qū)域的位置基本與低層強對流區(qū)一致。到200 hPa高度（圖略），系統(tǒng)中心轉(zhuǎn)變成弱高壓，但風(fēng)場旋轉(zhuǎn)特征很弱，以輻散出流為主，雷達反射率也較弱。由以上分析可知，這類渦旋系統(tǒng)的氣旋性環(huán)流在垂直方向上伸展不高，在對流層中低層呈現(xiàn)典型的氣旋性環(huán)流特征，中層退化為深槽結(jié)構(gòu)，高層為弱高壓中心或高壓脊。從渦旋中心區(qū)域的垂直剖面（圖3b，3e，3h，3c，3f，3i）可以看出，三個典型時刻近地層和對流層高層均表現(xiàn)為以渦旋原點為中心的整層輻合和輻散，渦旋中心均存在明顯上升運動和較為深厚的強對流系統(tǒng)，沿半徑向外存在有間隔分布的強對流系統(tǒng)。從渦散運動分布可以看出，與強對流系統(tǒng)相對應(yīng)的位置均有強烈發(fā)展的正渦度柱和輻合輻散運動，兩者的量級均達到10-3 s-1，且發(fā)展越旺盛的對流系統(tǒng)其渦度柱強度越大、垂直伸展越高，低層輻合、中高層輻散的垂直配置越明顯。

在渦旋發(fā)展的不同階段，其內(nèi)部動力結(jié)構(gòu)存在較大差異。在11日18時，渦旋的水平結(jié)構(gòu)較為均勻，在對流層中低層（圖3a），強對流帶由中心呈螺旋狀順時針向外延伸。而從其中心區(qū)域動力因子的垂直分布來看（圖3b，3c），渦旋兩側(cè)存在三個水平范圍在幾十公里，最強回波超過40 dBz的中Υ尺度強對流單體（圖3b中S1，S2和S3）。12日12時渦旋主體區(qū)域內(nèi)西北和東南象限風(fēng)速明顯增強，形成一條明顯的東北—西南向的切變線，強對流帶受其影響轉(zhuǎn)變?yōu)檠厍凶兙€的帶狀分布結(jié)構(gòu)；到13日00時，區(qū)域內(nèi)強回波帶結(jié)構(gòu)松散，明顯偏向近急流側(cè)（圖3g）。從垂直結(jié)構(gòu)可以看出，12日12時渦旋中心近地面層產(chǎn)生強度超過4.5×10-3 s-1的強渦度中心以及超過6 m/s的上升運動中心（圖3f），為渦旋中心處垂直伸展超過200 hPa的深厚濕對流單體的形成提供了極為有利的觸發(fā)條件。到13日00時，強對流區(qū)明顯集中在渦旋近急流側(cè)（即渦旋東側(cè)，下同）（圖3h），且越靠近急流，對流發(fā)展組織化結(jié)構(gòu)越好；西側(cè)雖然仍然存在近地層正渦度擾動（如圖3i半徑-25 km處），但無法形成組織化的深厚濕對流，這與渦旋內(nèi)部熱力因子的配置有關(guān)（見下節(jié)）。

3.2 熱力結(jié)構(gòu)

分析渦旋內(nèi)部的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)特征可知，在700 hPa上（圖4a，4d，4g），渦旋主體區(qū)域內(nèi)水平位溫分布不均勻，表明其處于冷暖系統(tǒng)的交匯區(qū)域。從系統(tǒng)中心區(qū)域的垂直結(jié)構(gòu)可以看出（圖4b、4e、4h），渦旋中心200 hPa以下均存在顯著的正溫度擾動（即渦旋中心區(qū)域溫度減去渦旋主體區(qū)域各層平均溫度后得到的偏差），其中心位于中高層（500～400 hPa）。結(jié)合溫度擾動與潛熱加熱的分布可以看出，在渦旋中心中層（700～400 hPa），潛熱加熱中心與溫度擾動中心具有較好的一致性，表明渦旋中心中層的溫度擾動主要是由潛熱釋放造成的。此外結(jié)合比濕和風(fēng)矢分布可知，低層強烈輻合造成的暖濕氣流垂直向上輸送使得渦旋中心的濕度條件非常深厚。

在渦旋發(fā)展的不同階段，其熱力結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出不同特征。11日18時，渦旋主體區(qū)域相對濕度分布較均勻，渦旋中心區(qū)域兩側(cè)溫濕分布也較對稱。12日12時（圖4e，4f），主體區(qū)域內(nèi)相對濕度呈東北—西南向帶狀分布，中心區(qū)域近急流側(cè)的溫度擾動、濕度在中高層顯著增強，在低層顯著減弱，并在近地面附近出現(xiàn)顯著干冷區(qū)。到13日00時（圖4h，4i），相對濕度主要分布在渦旋主體區(qū)域東側(cè)，中心區(qū)域近急流側(cè)中高層溫度擾動明顯減弱，低層則顯著增強，而其西側(cè)則明顯變干變冷。同時，注意到在渦旋近急流側(cè)50～100 km處的對流層中層（600 hPa附近）存在一支明顯的干冷空氣入侵，在中低層形成強烈的相當(dāng)位溫梯度，具有較強的對流不穩(wěn)定能量。結(jié)合渦旋系統(tǒng)的動力結(jié)構(gòu)（圖3h）可知，此時刻近急流側(cè)垂直運動較強，西側(cè)則很弱。這也是上節(jié)動力結(jié)構(gòu)分析中，渦旋中心西側(cè)-25 km處雖然存在近地層正渦度擾動，但卻無法形成組織化的深厚濕對流的原因。

4 中尺度渦旋準(zhǔn)平衡特征分析

鐘瑋等（2009）在對熱帶氣旋動力學(xué)特征進行分析時提出，準(zhǔn)平衡流場的主要特征為：1）具有大振幅且長時間維持的垂直環(huán)流；2）很強的輻合輻散運動和超梯度流；3）渦散運動共存且具有同等重要的作用。因此，本節(jié)將從持續(xù)對流發(fā)展、非地轉(zhuǎn)風(fēng)場診斷和渦、散度發(fā)展三個方面分析中尺度渦旋系統(tǒng)的三維流場結(jié)構(gòu)。

4.1 持續(xù)對流發(fā)展

分析渦旋系統(tǒng)內(nèi)部的垂直環(huán)流演變情況（圖5）可知，對流最活躍的三個時刻分別為11日17時、12日07時和12日17時，雷達反射率因子的分布與垂直速度分布大致相對應(yīng)，且高回波區(qū)維持的時間超過6h，說明強烈的垂直上升運動將低層的水汽和熱量向高層輸送，有利于濕對流活動的發(fā)展和維持。此外，從渦旋發(fā)展不同階段來看，渦旋位于云貴高原地區(qū)時，對流發(fā)展相對獨立，中心區(qū)域兩次對流活躍期存在達到3 h的明顯時間間隔；而隨著渦旋南移并逐漸靠近低空急流，大量的暖濕氣流輸送和正渦度擾動使得中心區(qū)域強對流接連繼發(fā)，兩次對流活躍期基本相連，從而形成具有組織化結(jié)構(gòu)的長生命史深厚濕對流。

4.2 非地轉(zhuǎn)風(fēng)場診斷

在自由大氣中，平衡系統(tǒng)的弱輻散特性決定其水平風(fēng)場以旋轉(zhuǎn)分量為主，非地轉(zhuǎn)風(fēng)很小，一般非地轉(zhuǎn)風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的比值平均為20%左右，實際風(fēng)偏離地轉(zhuǎn)風(fēng)的角度平均約為15°（朱乾根等，2007）。由中尺度渦旋內(nèi)部的地轉(zhuǎn)風(fēng)場和非地轉(zhuǎn)風(fēng)場的分布可知，11日18時700 hPa（圖6a），渦旋中心附近及其東南側(cè)的實際風(fēng)場和地轉(zhuǎn)風(fēng)場差異較大，超地轉(zhuǎn)風(fēng)明顯；而500 hPa（圖6b），在渦旋中心附近地轉(zhuǎn)風(fēng)速、非地轉(zhuǎn)風(fēng)速較大，渦旋外圍則較?。坏?00 hPa高度（圖6c），渦旋中心地轉(zhuǎn)風(fēng)速、非地轉(zhuǎn)風(fēng)速較小，外圍則較大，兩者方向基本相反。12日12時以后，各高度層上非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量均強于同時刻的地轉(zhuǎn)風(fēng)分量（圖6d—6i），其中在渦旋中心及其東南側(cè)急流處的對流層中低層，非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量強于地轉(zhuǎn)風(fēng)分量，表明位勢運動占優(yōu)勢；而在高層，整個系統(tǒng)內(nèi)實際風(fēng)以及非地轉(zhuǎn)分量均明顯大于地轉(zhuǎn)風(fēng)分量，且兩者在大小和方向上都比地轉(zhuǎn)風(fēng)分量更加一致，表明渦旋高層以超地轉(zhuǎn)風(fēng)為主，位勢運動占優(yōu)。由此可見，在渦旋發(fā)展過程中，系統(tǒng)各高度層上均存在很強的非地轉(zhuǎn)風(fēng)，說明系統(tǒng)本身具有很強超地轉(zhuǎn)流，從而導(dǎo)致強位勢運動的產(chǎn)生。

4.3 渦、散度發(fā)展

進一步分析渦旋中心區(qū)域不同高度上的渦度、散度量值及兩者絕對值的比值（即渦散比）隨時間演變情況可知，在850 hPa高度上（圖7a），渦度和散度的量級均為10-4～10-3 s-1，其中渦度均為正值，散度均為負值，表明中低層風(fēng)場始終維持強烈的輻合氣流；同時渦散度均隨時間呈基本同相振蕩變化。渦散比的量級為100，即渦散比值均在1附近，表明渦旋低層的渦度和散度強度相當(dāng)，渦旋運動和位勢運動同等重要。在對流層中層（圖7b），渦度和散度顯著減弱，渦散比值顯著增大。但渦散比量級除了在11日22時達到101量級外，其余時刻均在100，這表明渦度和散度基本上仍處于相同量級。在200 hPa上（圖7c），散度均轉(zhuǎn)變成正值且大部分在量值上超過渦度，兩者具有顯著的同相變化特征，同時渦散比值均位于1值附近，表明在渦旋高層位勢運動更為明顯。由此可見，在渦旋發(fā)展過程中，系統(tǒng)各個高度層上渦度、散度兩者基本上都是同量級的，同時具有強位勢和強旋轉(zhuǎn)運動共存的特征。

綜上所述，影響此次廣西致洪暴雨過程的中尺度渦旋系統(tǒng)在其生命史發(fā)展過程中存在具有繼發(fā)特征的長時間維持的組織化深厚濕對流系統(tǒng)，以強非地轉(zhuǎn)分量為特征的超地轉(zhuǎn)流和強烈的輻合輻散運動，并在不同高度層上均表現(xiàn)出渦散運動共存且同量級的特征，且在渦旋低層和高層，兩者具有顯著的同相變化特征。因此，中尺度渦旋系統(tǒng)具有典型的準(zhǔn)平衡特征。

5 結(jié)論與討論

本文利用2008年6月11—13日廣西致洪暴雨過程高分辨率模式資料，結(jié)合全國自動雨量站逐時雨量資料，分析了中尺度渦旋移動發(fā)展過程及其與暴雨的關(guān)系，并著重探究了中尺度渦旋系統(tǒng)內(nèi)部的動、熱力結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)平衡特征，得到結(jié)論如下。

1）中尺度渦旋是導(dǎo)致此次廣西暴雨的主要系統(tǒng)，各時刻降水雨帶中心基本位于渦旋的東側(cè)或東南側(cè)400 km以內(nèi)，雨帶的移動和雨強的變化與渦旋的移動和發(fā)展相一致。渦旋系統(tǒng)移動過程可分為渦旋南移階段和渦旋東移階段。

2）這類渦旋系統(tǒng)在700 hPa上渦旋性環(huán)流結(jié)構(gòu)最為明顯，其中心具有強烈的上升運動，并發(fā)展成組織化的深厚對流系統(tǒng)，在渦旋發(fā)展最強盛時，其垂直尺度可貫穿整個對流層，并伴隨有達到同量級的強旋轉(zhuǎn)和強位勢運動。沿系統(tǒng)半徑向外存在間隔分布的強對流系統(tǒng)，且發(fā)展越旺盛的對流系統(tǒng)渦度柱強度越大、垂直伸展越高，低層輻合、中高層輻散的垂直配置越明顯。渦旋中心中高層始終存在明顯的暖心結(jié)構(gòu)，潛熱加熱對暖心結(jié)構(gòu)的形成具有重要作用，且渦旋發(fā)展越強，暖心結(jié)構(gòu)越強烈。低層強烈輻合造成的暖濕氣流垂直向上輸送使得渦旋中心的濕度條件非常深厚。

3）渦旋系統(tǒng)移動發(fā)展過程中受到環(huán)境場的影響，造成渦旋中心區(qū)域動量、熱量和水汽的再分配：在渦旋南移階段，渦旋中心及兩側(cè)存在多個強對流系統(tǒng)，與其伴隨形成的潛熱加熱使得渦旋兩側(cè)加熱較均勻。隨著渦旋南壓并靠近低空急流，渦旋中心正渦度擾動在低空急流左側(cè)的正渦度切變耦合作用下增幅，在近地面層產(chǎn)生非常強烈的渦度中心和上升運動中心，使得深厚濕對流達到最強，降水也達到最大。在渦旋東移階段，低空急流影響加強，渦旋兩側(cè)動、熱力因子呈顯著地非對稱分布，近急流側(cè)仍然較暖較濕，對流不穩(wěn)定能量較強，并伴隨有較強的對流活動，而西側(cè)顯著變干變冷，幾乎無對流活動。降水顯著減弱，且主要集中于近急流側(cè)。

4）根據(jù)中尺度渦旋強非地轉(zhuǎn)運動的特征，從持續(xù)對流發(fā)展、非地轉(zhuǎn)風(fēng)場和渦、散度發(fā)展三個方面分析中尺度渦旋系統(tǒng)的流場結(jié)構(gòu)表明，在其生命史發(fā)展過程中，渦旋內(nèi)部存在具有繼發(fā)特征的長時間維持的組織化深厚濕對流系統(tǒng)，以強非地轉(zhuǎn)分量為特征的超地轉(zhuǎn)流和強烈的輻合輻散運動，并在渦旋系統(tǒng)不同高度層上均表現(xiàn)出渦散運動共存且同量級的特征，具有典型的準(zhǔn)平衡特征。

本文基于高分辨率數(shù)值模擬對具有長生命史維持的中尺度渦旋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力特征進行了分析，后續(xù)將對其持續(xù)性發(fā)展的物理機制進行詳細診斷分析。

參考文獻（References）

Friedrich K，Kalina E A，Aikins J，et al.，2015.Precipitation and cloud structures of intense rain during the 2013 great Colorado flood[J].J Hydrometeorol，17（1）：2752.

Fu S M，Li W L，Sun J H，et al.，2015.Universal evolution mechanisms and energy conversion characteristics of longlived mesoscale vortices over the Sichuan Basin[J].Atmospheric Science Letters，16（2）：127134.

Fu S M，Li W L，Ling J，2016.On the evolution of a longlived mesoscale vortex over the Yangtze River Basin：Geometric features and interactions among systems of different scales[J].J Geophys Res，120（23）：1188911917.

傅慎明，于翡，王東海，等，2012.2010年梅雨期兩類東移中尺度渦旋的對比研究[J].中國科學(xué)D輯：地球科學(xué)，42（8）：12821300. Fu S M，Yu F，Wang D H，et al.，2012.A comparison of two kinds of eastwardmoving mesoscale vortices during the meiyu period of 2010[J].Science China：Earth Sciences，42（8）：12821300.（in Chinese）.

高守亭，周菲凡，2006.基于螺旋度的中尺度平衡方程及非平衡流診斷方法[J].大氣科學(xué)，30（5）：854862. Gao S T，Zhou F F，2006.Mesoscale balance equation and the diagnostic method of unbalanced flow based on helicity[J].Chin J Atmos Sci，30（5）：854862（in Chinese）.

葛晶晶，鐘瑋，陸漢城，2011.致洪暴雨過程中尺度渦旋的渦散作用及準(zhǔn)平衡流診斷分析[J].氣象學(xué)報，69（2）：277288. Ge J J，Zhong W，Lu H C，2011.A diagnostic analysis of vorticitydivergence effects and the quasibalanced flow in a mesoscale vortex during the process of flashfloodproducing rainstorm[J].Acta Meteorologica Sinica，69（2）：277288（in Chinese）.

James E P，Johnson R H，2010a.Patterns of precipitation and mesolow evolution in midlatitude mesoscale convective vortices[J].Mon Wea Rev，138：935957.

James E P，Johnson R H，2010b.A climatology of midlatitude mesoscale convective vortices in the rapid update cycle[J].Mon Wea Rev，138：19401956.

廖文超，劉海文，朱玉祥，等，2016.2013年7.18四川暴雨分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報，39（5）：702711. Liao W C，Liu H W，Zhu Y X，et al.，2016.Analysis of heavy rainfall over Sichuan during 1718 July 2013[J].Trans Atmos Sci，39（5）：702711.（in Chinese）.

Morales A，Schumacher R S，Kreidenweis S M，2015.Mesoscale vortex development during extreme precipitation：Colorado，September 2013[J].Mon Wea Rev，143（12）：49434962.

Murakami H，2014.Tropical cyclones in reanalysis data sets[J].Geophys Res Lett，41（3）：19.

錢卓蕾，郭品文，2016.2013年浙江兩次汛期暴雨過程對比分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報，39（2）：253259. Qian Z L，Guo P W，2016.Comparative analysis of two torrential rainstorms that occurred in Zhejiang in 2013[J].Trans Atmos Sci，39（2）：253259（in Chinese）.

Wang X B，Zhang D L，2003.Potential vorticity diagnosis of a simulated hurricane.Part Ⅰ：Formulation and quasibalanced flow[J].J Atmos Sci，60：15931607.

Zhang D L，Chanh Q K，2006.Potential vorticity diagnosis of a simulated hurricane.Part Ⅱ：Quasibalanced contribution to forecd secondary[J].J Atmos Sci，63：28982914.

張敬萍，傅慎明，孫建華，等，2015.夏季長江流域兩類中尺度渦旋的統(tǒng)計與合成研究[J].氣候與環(huán)境研究，20（3）：319336. Zhang J P，F(xiàn)u S M，Sun J H，et al.，2015.A statistical and compositional study on the two types of mesoscale vortices over the Yangtze River Basin[J].Climatic Environ Res，20 （3）：319336.（in Chinese）.

張元春，孫建華，徐廣闊，等，2013.江淮流域兩次中尺度對流渦旋的結(jié)構(gòu)特征研究[J].氣候與環(huán)境研究，18 （3）：271287. Zhang Y C，Sun J H，Xu G k，et al.，2013.Analysis on the structure of two mesoscale convective vortices over YangtzeHuaihe River basin[J].Climatic Environ Res，18（3）：271287.（in Chinese）.

鐘瑋，張大林，陸漢城，等，2009.準(zhǔn)平衡和非平衡流對臺風(fēng)百合（2001）內(nèi)中尺度深厚濕對流的影響[J].大氣科學(xué)，33（4）：751759. Zhong W，Zhang D L，Lu H C，et al.，2009.The contribution of quasibalanced and unbalanced vertical circulation to mesoscale deep moist convections in typhoon Nari（2001）[J].Chin J Atmos Sci，33（4）：751759.（in Chinese）.

周玉淑，李柏，2010.2003年7月8—9日江淮流域暴雨過程中渦旋的結(jié)構(gòu)特征分析[J].大氣科學(xué)，34（3）：629639. Zhou Y S，Li B，2010.Structural analyses of vortex causing torrential rain over the ChangjiangHuaihe River basin during 8 and 9 July 2003[J].Chin J Atmos Sci，34（3）：629639.（in Chinese）.

朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等，2007.天氣學(xué)原理和方法[M].北京：氣象出版社：649. Zhu Q G，Lin J R，Shou S W，et al.，2007.The principle and method of weather[M].Beijing：China Meteorological Press：649.（in Chinese）.

By means of synoptic analysis，it is found that the mesoscale vortex was the main system leading to the rainstorm in Guangxi.The core of the rain band at different times mainly lied in the eastern part of the vortex within the range of 400 km，and the track and intensity of the rain band coincided with those of the vortex.The structure of the mesoscale vortex was especially distinct on 700 hPa，with the horizontal size ranging from 600 to 900 km.In addition，its move path could be divided into two stages：the southward moving stage and the eastward shifting stage.

Using the highresolution model output data to analyze the inner subtle dynamic and thermodynamic structures of the mesoscale vortex，it is shown that strong ascending motion existed in the vortex center，which was quite beneficial to the formation of organized deep and moist convection systems.When the vortex reached its intensity peak，the vertical size of these convection systems could run through the entire troposphere，with the rotational motion and potential motion reaching the same magnitude.During the vortexs development process，the release of latent heat showed that there was an obvious warm core at the middle and high levels of the vortex center，and the stronger the vortex grew，the more distinct it became.Meanwhile，upward vertical transportation of warm wet flow，which was caused by strong convergence at low levels，signified that the vortex center attained high humidity.Influenced by the environment in the vortexs movement and development process，the redistribution of momentum，heat and moisture in the vortex center area took place as follows：（1）As the vortex moved southward along the YunnanGuizhouPlateau，its central pressure decreased and a uniform horizontal circulation was formed，with multiple strong convective systems evolving at the vortex center and on both sides.（2）As the vortex moved southward and approached the lowlevel jet（LLJ），the coupling effects of positive vorticity disturbance in the vortex center and positive vorticity shear on the left of the LLJ caused the vorticity to strengthen greatly，thus generating the maximum of vorticity and upward motion near the ground layer，which caused the moist convection and rainfall to both become the strongest in the vortexs center.（3）During the vortexs eastward movement stage，the influence of the LLJ became more important.In the eastern side of the vortex，the air was warm and wet，and possessed more convective instability energy，while stronger vertical movement and convective activity also appeared.Meanwhile，in the west，the air became significantly colder and drier，with almost no vertical movement or convective activity.Analysis of the threedimensional flow field structure of the mesoscale vortex indicates that there were typical quasibalanced dynamical features present in the mesoscale vortex，which could be described in detail by successively occurring longlived organized deep moist convection systems，strong supergeostrophic flow with a large ageostrophic component，as well as intensive divergence which coexisted and had the same magnitude as the strong rotation during its lifetime.

rainstorm；mesoscale vortex；structural features；quasibalanced feature

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160424002

（責(zé)任編輯：劉菲）