東北冷渦背景下中尺度低渦的演變成因及其對(duì)MCS的影響分析

喬娜，錢鵬，周勍，張晨昕，吳昕悅

（江蘇省鎮(zhèn)江市氣象局，鎮(zhèn)江 212000）

引言

暴雨是中國(guó)主要的災(zāi)害性天氣之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始關(guān)注引發(fā)強(qiáng)降水的中小尺度系統(tǒng)。研究表明，中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)在同一個(gè)地區(qū)重復(fù)出現(xiàn)往往是產(chǎn)生持續(xù)性暴雨的直接原因(諶偉等，2017)，MCS的發(fā)生發(fā)展不僅受到天氣尺度系統(tǒng)的影響，同時(shí)受到中尺度系統(tǒng)的制約(Orlanski，1975；貝耐芳等，2002)，因此在研究強(qiáng)對(duì)流的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)不同系統(tǒng)之間相互影響的分析十分必要。

東北冷渦是指我國(guó)東北地區(qū)具有一定強(qiáng)度，能維持一段時(shí)間，且有深厚冷空氣的高空冷性的氣旋性渦旋。氣象研究中常用的定義為500 hPa 天氣圖上，115°—45°E、35°—60°N 范圍內(nèi)，具有一定強(qiáng)度(至少有一根閉合等高線)，能維持3 d 或以上，且有冷中心或者冷槽配合的高空氣旋性渦旋(鄭秀雅，1992；Zhao et al.，2007；Fu and Sun，2012)。東北冷渦的發(fā)生、發(fā)展、滯留、衰亡過(guò)程均對(duì)大氣環(huán)流起著至關(guān)重要的作用，在其演變過(guò)程中，它與高空急流、鋒面等系統(tǒng)相配合形成溫壓不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為強(qiáng)對(duì)流發(fā)生提供良好的環(huán)境場(chǎng)，并且它經(jīng)常與中尺度系統(tǒng)相互作用，為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展提供有利的環(huán)流背景(白人海等，1998；孫力等，2000；張立祥等，2008，2009；王宇欣等，2014)。大尺度流場(chǎng)為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供了有利的環(huán)流背景，而中尺度系統(tǒng)同樣也是影響強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵，研究表明，中尺度低渦的活動(dòng)會(huì)直接影響強(qiáng)對(duì)流的演變及發(fā)展，進(jìn)而引發(fā)暴雨的出現(xiàn)(東高紅等，2013；何光碧等，2014；高守亭等，2019)。程麟生等(2001)利用MM5 模式對(duì)“98.7”特大暴雨過(guò)程進(jìn)行模擬指出，低層環(huán)境場(chǎng)中存在一個(gè)明顯的中尺度低渦，低渦區(qū)域強(qiáng)烈的輻合作用是這次大暴雨出現(xiàn)的主要原因。不少學(xué)者指出對(duì)流層中低層正垂直渦度擾動(dòng)有利于中尺度低渦的生成，而低渦輻合作用又為對(duì)流增強(qiáng)提供了有利的環(huán)境場(chǎng)，進(jìn)而引發(fā)暴雨出現(xiàn)(徐亞梅等，2002；王智等，2003；孫建華等，2004；王芬等，2015)。張慶紅等(2000)對(duì)一次MCS 過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬指出，當(dāng)中尺度對(duì)流發(fā)生時(shí)，潛熱釋放會(huì)引發(fā)中尺度低壓出現(xiàn)，該低壓會(huì)直接影響低空急流的強(qiáng)度，進(jìn)而影響對(duì)流的發(fā)展。王海東等(2008)指出低渦東移會(huì)引發(fā)大暴雨的生成。

以上研究成果表明，關(guān)于東北冷渦和中尺度低渦分別從環(huán)流場(chǎng)上影響強(qiáng)對(duì)流的分析較多，但是對(duì)于不同系統(tǒng)相互作用及其如何影響強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展的研究較少，因此本文利用WRF數(shù)值模式對(duì)東北冷渦背景下的一次中尺度低渦伴隨MCS 的過(guò)程進(jìn)行模擬分析與診斷，深入了解東北冷渦影響下中尺度低渦發(fā)生發(fā)展的原因及其對(duì)MCS的物理影響機(jī)制，以期提高低渦影響下強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

1 資料和方法

1.1 選取資料

使用的資料包括：美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的FNL (Final Operational Global Analysis)全球分析資料，時(shí)間間隔為每6 h 一次，空間分辨率為1°×1°，屬于GRIB2 碼全球資料；全國(guó)常規(guī)地面觀測(cè)和探空資料；SWAN系統(tǒng)處理后的多普勒雷達(dá)資料，包括濱州、滄州等11 個(gè)雷達(dá)站的觀測(cè)資料，時(shí)間間隔為每6 min一次，空間分辨率為0.01°×0.01°；中尺度數(shù)值模式WRFV3.6(ARW)輸出的高分辨率模擬資料。

1.2 模式方案設(shè)計(jì)

本文采用非靜力中尺度數(shù)值模式WRFV3.6 進(jìn)行數(shù)值模擬研究。模擬時(shí)間從2015年8月3日00時(shí)—3日18時(shí)(世界時(shí)，下同)共18 h，初始場(chǎng)及側(cè)邊界場(chǎng)采用NCEP 1°×1°逐6 h的FNL全球分析資料。模擬采用三重雙向嵌套，中心經(jīng)緯度為(117.037°E、36.316°N)，三層嵌套網(wǎng)格數(shù)分別是349×349，454×496，598×595，水平分辨率分別是18.0 km、6.0 km、2.0 km，垂直方向共分為35 層，第一、二層每1 h 輸出一次模擬結(jié)果，第三層每10 min 輸出一次模擬結(jié)果。采用的參數(shù)化方案包括：Thompson aerosol-aware 微物理方案(胡向軍等，2008)，RRTM 長(zhǎng)波輻射方案(Mlawer et al.，1997)，Dud?hia 短波輻射方案(Lacis，1974)，K-F 積云對(duì)流方案(第三層不使用) (Kain et al.，1990，1993)，Monin-Obukhov近地面層方案(章國(guó)材，2004)，YSU 邊界層方案(Hong et al.，2006)，Noah 陸面過(guò)程方案(趙向軍，2017)等，文中主要分析第三區(qū)域D03的模擬結(jié)果。

2 天氣過(guò)程實(shí)況

2.1 環(huán)流背景

從天氣形勢(shì)來(lái)看，2015 年8 月3 日06 時(shí)(世界時(shí)，下同) (圖1a)，500 hPa 呈現(xiàn)兩脊一槽的形勢(shì)，高壓脊分別位于貝加爾湖和鄂霍次克海西部，槽線位于內(nèi)蒙古高原-黃土高原-四川盆地一帶。東北冷渦位于黑龍江以西，中心在(120°E、53°N)附近，閉合環(huán)流尺度達(dá)1 500 km 以上，強(qiáng)度在556 dagpm 以下，是深厚的冷性低壓系統(tǒng)。低緯西北太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)脊線西伸至110°E 附近并穩(wěn)定維持，副高西北側(cè)的西南暖濕氣流為強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生提供良好水汽條件。200 hPa 高空急流位于東北冷渦中心位置以南，中心最大風(fēng)速達(dá)50 m·s-1以上，強(qiáng)度較強(qiáng)。中尺度低渦和對(duì)流發(fā)生在500 hPa 東北冷渦槽前的偏西氣流中，200 hPa高空急流入口區(qū)右側(cè)，高層對(duì)應(yīng)強(qiáng)輻散區(qū)。850 hPa(圖1c)由于對(duì)流區(qū)和高空急流右后方強(qiáng)烈的輻散加強(qiáng)低空急流左前方輻合，從而導(dǎo)致中尺度低渦(400 km)生成，隨后10 時(shí)(圖略)低渦輻合作用進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)流單體組織成帶狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)。

12 時(shí)(圖1b)，500 hPa 東北冷渦緩慢東移，中心位置向東偏移，槽線移至東北平原—華北平原一帶，200 hPa 高空急流中心也略微東移，強(qiáng)度有小幅度減弱，中尺度低渦和MCS 仍位于東北冷渦槽前、高空急流的右后方。850 hPa 低空急流向東北方向移動(dòng)(圖1d)，風(fēng)速增強(qiáng)，低渦中心略微東北移，伴隨143 dagpm等高線范圍的擴(kuò)大而強(qiáng)度增加，高度延伸至800 hPa，MCS處于低空急流與中尺度低渦之間輻合區(qū)內(nèi)。

圖1 2015年8月3日06時(shí)(a)、12時(shí)(b)的200 hPa全風(fēng)速場(chǎng)(陰影,單位:m·s-1)和500 hPa高度場(chǎng)(黑色實(shí)線,單位:dagpm)、溫度場(chǎng)(紅色實(shí)線,單位:℃)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向標(biāo),單位:m·s-1)與06時(shí)(c)、12時(shí)(d)的850 hPa全風(fēng)速場(chǎng)(陰影,單位:m·s-1)、高度場(chǎng)(藍(lán)色實(shí)線,單位:dagpm)和流場(chǎng)(黑色流線,單位:m·s-1)(紅色三角表示強(qiáng)對(duì)流區(qū),棕色實(shí)線表示500 hPa槽線)Fig.1 Wind speed field(shadow,unit:m·s-1)at 200 hPa and geopotential height field(black solid line,unit:dagpm),temperature field(red solid line,unit:℃)and wind field(wind vane,unit:m·s-1)at 500 hPa at(a)06∶00 UTC and(b)12∶00 UTC on 3August 2015,and wind speed field(shadow,unit:m·s-1),geopotential height field(blue solid line,unit:dagpm)and flow field(black line,unit:m·s-1)at 850 hPa at(c)06∶00 UTC and(d)12∶00 UTC on 3 August 2015(The red triangle represents severe convection zone and the solid brown line represents the trough-line at 500 hPa).

2.2 中尺度低渦和MCS實(shí)況分析

低渦是低壓在流場(chǎng)上的表現(xiàn)，雷達(dá)回波分布可以體現(xiàn)MCS的演變特征。通過(guò)上節(jié)分析可知，東北冷渦為中尺度低渦和對(duì)流的發(fā)生提供了良好的天氣尺度環(huán)流背景，同時(shí)中尺度低渦為MCS的組織生成有重要貢獻(xiàn)。由圖2 可知，06 時(shí)(圖2a)東北冷渦與高低空急流等系統(tǒng)共同作用使得對(duì)流單體在山東西部、河南北部生成，同時(shí)由于對(duì)流區(qū)上方對(duì)應(yīng)假相當(dāng)位溫的密集帶，鋒生使得對(duì)流單體快速組織發(fā)展；高空急流右后方的輻散加強(qiáng)了低空急流左前方氣流的輻合，同時(shí)對(duì)流區(qū)輻合作用推進(jìn)了偏北風(fēng)與西南風(fēng)交匯，進(jìn)而導(dǎo)致低層中尺度低渦在此處生成。12時(shí)(圖2b)中尺度低渦范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度增加，它與低空急流間的切變輻合加強(qiáng)，風(fēng)場(chǎng)的輻合作用使得散亂的對(duì)流單體組織成帶狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)，即MCS生成發(fā)展。

圖2 2015年8月3日06時(shí)(a)、12時(shí)(b)的850 hPa實(shí)況雷達(dá)回波反射率(陰影,單位:dBz)、流場(chǎng)(黑色流線,單位:m·s-1)和假相當(dāng)位溫分布(紅色實(shí)線,單位:K,黑色實(shí)心點(diǎn)代表滄州站)Fig.2 Observed radar reflectivity(shadow,unit:dBz),flow field(black line,unit:m·s-1)and distribution of pseudo-potential temperature(red solid line,unit:K)at 850 hPa at(a)06∶00 UTC and(b)12∶00 UTC on 3August 2015(The black solid point represents Cangzhou station).

由于14 時(shí)左右為中尺度低渦和MCS 發(fā)展強(qiáng)盛的階段，因此圖3 給出了該時(shí)刻滄州站上空的雷達(dá)探測(cè)資料，由徑向風(fēng)速(圖3a)可以看出，山東西北部存在完整的中尺度低渦形態(tài)，此時(shí)低渦正強(qiáng)盛發(fā)展。同時(shí)，由滄州站上空雷達(dá)反射率(圖3b)可見，緊鄰低渦東南部的帶狀對(duì)流系統(tǒng)清晰，可見低渦與MCS的發(fā)展存在密切聯(lián)系。

圖3 2015年8月3日14時(shí)滄州站仰角1.5°的徑向風(fēng)(a,單位:m·s-1,黃圈表示中尺度低渦)和仰角0.5°的雷達(dá)反射率(b,單位:dBz)Fig.3 (a)Radial wind(unit:m·s-1)at elevation angle 1.5°and(b)radar reflectance(unit:dBz)at elevation angle 0.5°from Cangzhou station at 14∶00 UTC 3 August 2015(The yellow circle represents the mesoscale vortex).

總體而言，東北冷渦等天氣尺度系統(tǒng)為中尺度低渦和強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供了有利的環(huán)流背景，同時(shí)中尺度低渦的發(fā)展又是促進(jìn)MCS生成的重要因素，因此此次過(guò)程中尺度低渦的演變成因和它對(duì)MCS 發(fā)展的影響將是本文討論的主要問(wèn)題。

3 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

圖4 為本次模擬得到的環(huán)流場(chǎng)，從中可見，06 時(shí)(圖4a、c)500 hPa呈現(xiàn)兩脊一槽形態(tài)，東北冷渦位于黑龍江西部，低緯副高脊線明顯西伸，200 hPa高空急流位于東北冷渦南部，850 hPa存在明顯的低空急流，高低層系統(tǒng)共同作用促使對(duì)流和中尺度低渦生成，與實(shí)況類似。12 時(shí)(圖4b、d) 各層系統(tǒng)東移，強(qiáng)度增加，MCS 處于低空急流和中尺度低渦之間的切變輻合區(qū)內(nèi)，與實(shí)況一致。

圖4 2015年8月3日06時(shí)(a)、12時(shí)(b)模擬的200 hPa全風(fēng)速場(chǎng)(陰影,單位:m·s-1)和500 hPa高度場(chǎng)(黑色實(shí)線,單位:dagpm)、溫度場(chǎng)(紅色實(shí)線,單位:℃)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向標(biāo),單位:m·s-1)與06時(shí)(c)、12時(shí)(d)模擬的850 hPa全風(fēng)速場(chǎng)(陰影,單位:m·s-1)、高度場(chǎng)(藍(lán)色實(shí)線,單位:dagpm)和流場(chǎng)(黑色流線,單位:m·s-1)Fig.4 Simulated wind speed field(shadow,unit:m·s-1)at 200 hPa and geopotential height field(black solid line,unit:dagpm),temperature field(red solid line,unit:℃)and wind field(wind vane,unit:m·s-1)at 500 hPa at(a)06∶00 UTC and(b)12∶00 UTC on 3 August 2015,and simulated wind speed field(shadow,unit:m·s-1),geopotential height field(blue solid line,unit:dagpm)and flow field(black line,unit:m·s-1)at 850 hPa at(c)06∶00 UTC and(d)12∶00 UTC on 3August 2015.

通過(guò)模擬的中尺度低渦(圖5)可以看出：一個(gè)中尺度低渦于06 時(shí)(圖5a)在113°E、38°N 附近生成，此處正是對(duì)流發(fā)生區(qū)域，隨后低渦中心東移，強(qiáng)度增加，范圍擴(kuò)大；12 時(shí)(圖5b)低渦范圍擴(kuò)大到400 km，散亂的對(duì)流單體已組織成東北-西南向的帶狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)；14 時(shí)(圖5c)低渦和MCS 向東北方向移動(dòng)，強(qiáng)度和范圍不斷增加；15時(shí)30分(圖5d)低渦繼續(xù)向東北方向移動(dòng)，并逐漸減弱消失，MCS 也逐漸東移減弱。通過(guò)與實(shí)況(圖2、3)對(duì)比可知，本次模擬較好地再現(xiàn)了中尺度低渦發(fā)生的位置、時(shí)間和演變過(guò)程，以及它與強(qiáng)對(duì)流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以利用本次模擬結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的中尺度分析。

圖5 2015年8月3日06時(shí)(a)、12時(shí)(b)、14時(shí)(c)、15時(shí)30分(d)的850 hPa模擬雷達(dá)回波反射率(陰影,單位:dBz)和流場(chǎng)(黑色流線,單位:m·s-1,紫色實(shí)心圓代表滄州站)Fig.5 Simulated radar reflectivity(shadow,unit:dBz)and flow field(black line,unit:m·s-1)at 850 hPa at(a)06∶00 UTC,(b)12∶00 UTC,(c)14∶00 UTC,and(d)15∶30 UTC on 3 August 2015(The purple solid point represents Cangzhou station).

4 中尺度低渦和MCS的渦度與能量分析

由上述分析可知，在東北冷渦的背景下，中尺度低渦的發(fā)生發(fā)展和MCS的演變關(guān)系密切，因此下面將從渦度方程出發(fā)探究中尺度低渦發(fā)生發(fā)展的原因，并利用能量轉(zhuǎn)換方程分析低渦是如何影響MCS發(fā)展的。

4.1 中尺度低渦渦度收支分析

為了研究中尺度低渦的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，下面利用渦度方程(式(1))對(duì)低渦區(qū)域進(jìn)行渦度收支分析。p 坐標(biāo)系下的渦度方程(不考慮摩擦項(xiàng))(朱乾根等，2007)

其中，A為相對(duì)渦度的局地變化項(xiàng)，B為水平平流項(xiàng)，C為垂直輸送項(xiàng)，D為水平散度項(xiàng)，E為傾側(cè)項(xiàng)，u、v為水平風(fēng)速，ω為垂直速度，ζ為相對(duì)渦度，f為地轉(zhuǎn)渦度，β=

4.1.1 局地相對(duì)渦度變化

為了更好的觀察中尺度低渦發(fā)生發(fā)展過(guò)程中垂直方向上渦度的變化，選取低渦初生到消亡階段每半小時(shí)進(jìn)行時(shí)間平均，低渦區(qū)域5°×4°的范圍進(jìn)行區(qū)域平均，進(jìn)而對(duì)相對(duì)渦度進(jìn)行計(jì)算分析。從圖6可見，在中尺度低渦演變過(guò)程中，500 hPa以下始終以正渦度為主，最大正渦度集中在700—800 hPa，500 hPa 以上以負(fù)渦度為主；低渦最高延伸至800 hPa，06—15時(shí)低渦不斷加強(qiáng)，800 hPa以下相對(duì)渦度不斷增大，850 hPa相對(duì)渦度最大增至8×10-5s-1以上，可以推測(cè)在此期間有中層正渦度持續(xù)的垂直下傳；15 時(shí)之后，低渦開始減弱，800 hPa以下相對(duì)渦度有所減小，850 hPa相對(duì)渦度減小明顯。

圖6 區(qū)域(5°×4°)時(shí)間(每0.5 h)平均的中尺度低渦相對(duì)渦度的垂直廓線(單位:10-5s-1)(不同顏色的線條表示不同時(shí)次,橫虛線表示850 hPa高度,橫實(shí)線表示950 hPa高度)Fig.6 The vertical profile of relative vorticity of the mesoscale vortex with region(5°×4°)and time(0.5 h)mean(unit:10-5 s-1)(Different color lines indicate different times,and the horizontal dotted line represents 850 hPa,and the horizontal solid line represents 950 hPa).

4.1.2 渦度方程各項(xiàng)貢獻(xiàn)

為了探究在中尺度低渦發(fā)生發(fā)展過(guò)程中渦度變化的機(jī)制，根據(jù)渦度方程，分別選取了中尺度低渦發(fā)生(06 時(shí))、強(qiáng)盛(14 時(shí)30 分)、減弱(15 時(shí))階段的三個(gè)時(shí)次，計(jì)算垂直速度、散度和渦度方程中各項(xiàng)的變化來(lái)分析渦度變化的原因。

在中尺度低渦形成時(shí)的8月3日06時(shí)，由圖7a可知，低渦區(qū)域整層的垂直速度為正值，最大值在600 hPa附近，600 hPa以下為水平輻合，600 hPa以上為水平輻散，850 hPa的垂直渦度為3×10-5s-1；由圖7d可知，低渦區(qū)域中低層正的垂直渦度主要受到垂直輸送項(xiàng)和水平散度項(xiàng)的影響，其中700 hPa 以下以水平散度項(xiàng)的正貢獻(xiàn)為主，700—500 hPa 以垂直輸送項(xiàng)的正貢獻(xiàn)為主，中高層負(fù)的垂直渦度主要受到水平平流項(xiàng)和傾側(cè)項(xiàng)影響。結(jié)合圖7a、d可知，低層水平輻合引起垂直渦度的增加，垂直速度的峰值和垂直輸送項(xiàng)的峰值均集中在600 hPa 附近，這表明低層由于水平散度的輻合作用增加的正渦度，將通過(guò)垂直平流向上輸送，從而有利于增強(qiáng)氣旋性渦度的局地變化。

在中尺度低渦強(qiáng)盛時(shí)的8月3日14時(shí)30分，由圖7b 可知，低渦區(qū)域整層的垂直速度為正值，峰值有所增加，且位于300 hPa 附近，300 hPa 以下為弱輻合，300 hPa 以上為強(qiáng)輻散，這可能與200 hPa 高空急流的東移增強(qiáng)有關(guān)，850 hPa 的垂直渦度增大至8×10-5s-1；由圖7e可知，低渦區(qū)域中低層正渦度主要受到垂直輸送項(xiàng)和水平散度項(xiàng)的積極作用，其中800 hPa 以下以水平散度項(xiàng)的積極作用為主，且強(qiáng)度比06 時(shí)有所增加，800—400 hPa以垂直輸送項(xiàng)的積極作用為主，高層負(fù)的垂直渦度主要受到傾側(cè)項(xiàng)影響。結(jié)合圖7b、e 可知，低層水平散度項(xiàng)的正作用加強(qiáng)，使得低層低渦區(qū)域有正的相對(duì)渦度局地變化，正渦度加大，由于800 hPa以上垂直速度和垂直輸送項(xiàng)均為正值且有所加強(qiáng)，因此將低層正渦度不斷向中高層輸送，使得800—400 hPa相對(duì)渦度局地變化加強(qiáng)，氣旋性渦度增加。

在中尺度低渦減弱時(shí)的8月3日15時(shí)，由圖7c可知，低渦區(qū)域的上升運(yùn)動(dòng)有所減弱，峰值仍位于300 hPa附近，300 hPa 以下有弱輻合，300 hPa 以上有弱輻散，這與200 hPa 高空急流的減弱相關(guān)聯(lián)，850 hPa 的垂直渦度減小至6×10-5s-1；由圖7f 可知，800 hPa 以下水平散度項(xiàng)的正值減小，800—400 hPa 垂直輸送項(xiàng)的正值減小，850 hPa以下垂直輸送項(xiàng)變?yōu)樨?fù)值，中高層負(fù)垂直渦度仍主要受到傾側(cè)項(xiàng)作用。結(jié)合圖7c、f 可知，800 hPa以下水平散度項(xiàng)的正貢獻(xiàn)減小，垂直輸送項(xiàng)變?yōu)樨?fù)貢獻(xiàn)，相對(duì)渦度的局地變化由正值變?yōu)樨?fù)值，使得低層氣旋性渦度開始減弱，并且中高層垂直運(yùn)動(dòng)和垂直輸送項(xiàng)有所減弱，中尺度低渦開始減弱。

圖7 2015年8月3日06時(shí)(a)、14時(shí)30分(b)、15時(shí)(c)的中尺度低渦區(qū)域平均(5°×4°)和時(shí)間平均(每0.5 h)的垂直速度(W,單位:10-2m·s-1)、渦度(Vor,單位:10-5s-1)和散度(Div,單位:10-5s-1)的垂直廓線和06時(shí)(d)、14時(shí)30分(e)、15時(shí)(f)的渦度方程各項(xiàng)(單位:10-9s-2)的垂直廓線(A為相對(duì)渦度的局地變化項(xiàng),B為水平平流項(xiàng),C為垂直輸送項(xiàng),D為水平散度項(xiàng),E為傾側(cè)項(xiàng))Fig.7 Vertical profiles on the mesoscale vortex region(5°×4°)and time(0.5 h)mean of vertical velocity(W,unit:10-2 m·s-1),vertical vorticity(Vor,unit:10-5 s-1)and divergence(Div,unit:10-5 s-1)at(a)06∶00 UTC,(b)14∶30 UTC,and(c)15∶00 UTC on 3 August 2015,and vertical profiles of terms of the vorticity equation(unit:10-9 s-2)at(d)06∶00 UTC,(e)14∶30 UTC,and(f)15∶00 UTC on 3 August 2015(A represents local variation term of relative vorticity,and B represents horizontal advection term,and Crepresents vertical transport term,and D represents horizontal divergence term,and E represents heeling term).

4.1.3 渦度方程各項(xiàng)變化分析

為進(jìn)一步探究渦度方程各項(xiàng)變化，作各項(xiàng)的時(shí)間-高度剖面如圖8。06—15時(shí)為中尺度低渦發(fā)生發(fā)展的階段，水平散度項(xiàng)和垂直輸送項(xiàng)正貢獻(xiàn)最大，水平平流項(xiàng)和傾側(cè)項(xiàng)負(fù)貢獻(xiàn)最大，800 hPa以下水平散度項(xiàng)正貢獻(xiàn)更明顯，即輻合作用強(qiáng)，水平平流項(xiàng)負(fù)貢獻(xiàn)更明顯，800—400 hPa 垂直輸送項(xiàng)正貢獻(xiàn)更明顯，即向上輸送強(qiáng)，傾側(cè)項(xiàng)負(fù)貢獻(xiàn)更明顯。水平散度項(xiàng)在800 hPa以下對(duì)局地渦度變化有明顯的積極作用，強(qiáng)輻合引起正的渦度收支，使得低層氣旋性渦度增大，中層有較弱的消極作用，引起負(fù)的渦度收支，使得中層反氣旋性渦度略微增大，這種低層氣旋性渦度，中層反氣旋性渦度的配置有利于渦旋和上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。垂直輸送項(xiàng)在800—400 hPa 始終表現(xiàn)為很強(qiáng)的積極作用，使得局地相對(duì)渦度穩(wěn)健增長(zhǎng)，并將低層正渦度向上輸送，有利于渦旋的發(fā)展。水平平流項(xiàng)在800 hPa以下對(duì)局地相對(duì)渦度為明顯的負(fù)貢獻(xiàn)，有正渦度向周圍流失，800 hPa以上存在正貢獻(xiàn)，周圍有正渦度向渦旋中心輸送，這種渦度平流下負(fù)上正的垂直分布形態(tài)，有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，從而進(jìn)一步加強(qiáng)低層輻合。傾側(cè)項(xiàng)在800—400 hPa表現(xiàn)為負(fù)貢獻(xiàn)，多有垂直渦度向水平渦度的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生負(fù)渦度收支，不利于氣旋性渦旋向上伸展。

圖8 中尺度低渦區(qū)域平均(5°×4°)和時(shí)間平均(0.5 h)的渦度方程各項(xiàng)中水平平流項(xiàng)(a)、垂直輸送項(xiàng)(b)、水平散度項(xiàng)(c)、傾側(cè)項(xiàng)(d)和相對(duì)渦度的局地變化項(xiàng)(e)的時(shí)間-高度剖面圖(單位:10-9s-2)Fig.8 Time-height cross-sections for(a)horizontal advection term,(b)vertical transport term,(c)horizontal divergence term,(d)heeling term and(e)local variation term of relative vorticity(unit:10-9 s-2)of the vorticity equation on the average mesoscale vortex.

15 時(shí)之后中尺度低渦開始減弱，800 hPa 以下水平散度項(xiàng)逐漸減弱，由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，垂直輸送項(xiàng)負(fù)值區(qū)有所伸展，水平平流項(xiàng)仍為負(fù)值，使得相對(duì)渦度的局地變化由正值變?yōu)樨?fù)值，正的渦度收支有所減弱，負(fù)的渦度收支逐漸出現(xiàn)，從而引起低層的氣旋性渦度環(huán)流減弱；800—400 hPa垂直輸送項(xiàng)有所減弱，使得正的渦度收支減弱，傾側(cè)項(xiàng)有所減弱，但仍表現(xiàn)為負(fù)值，引起局地相對(duì)渦度負(fù)變化。

綜合上述分析，中尺度低渦形成和發(fā)展時(shí)期，低層的水平輻合和低層向高層正渦度的垂直輸送，使得正的垂直渦度增加，氣旋性環(huán)流加強(qiáng)，低渦發(fā)展；中尺度低渦減弱時(shí)期，低層輻合減弱、垂直輸送變?yōu)樨?fù)值、垂直輸送項(xiàng)有所減小，使得正渦度制造減弱，負(fù)渦度制造增加，氣旋性環(huán)流減弱，低渦消亡。

4.2 強(qiáng)對(duì)流帶能量收支分析

上面利用渦度方程分析了中尺度低渦發(fā)生發(fā)展的原因，而伴隨著低渦的演變，MCS生成并發(fā)展，那么中尺度低渦是如何影響強(qiáng)對(duì)流的，下面將利用Jiang等(1995)的能量收支方法，詳細(xì)探討強(qiáng)對(duì)流帶與中尺度低渦間的能量轉(zhuǎn)換。

將相關(guān)變量分為緯向平均場(chǎng)和擾動(dòng)場(chǎng)，進(jìn)而將大氣動(dòng)能和有效位能分成緯向平均部分和擾動(dòng)部分來(lái)進(jìn)行研究，其中有效位能可用來(lái)衡量在絕熱過(guò)程中位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的最大量。本節(jié)主要分析式(2)和(3)中涉及的三種轉(zhuǎn)化過(guò)程和一種生成過(guò)程，其中忽略S(KE)的作用，相應(yīng)轉(zhuǎn)化過(guò)程和生成過(guò)程的計(jì)算方法如式(4)—(8)所示。

式(2)和(3)分別表示擾動(dòng)動(dòng)能和擾動(dòng)有效位能隨時(shí)間的變化，其中AE表示擾動(dòng)有效位能，AZ表示緯向平均有效位能，KE表示擾動(dòng)動(dòng)能，KZ表示緯向平均動(dòng)能，G(AE)表示擾動(dòng)有效位能在非絕熱加熱過(guò)程中的生成率，S(KE)表示非保守外力對(duì)能量的變化率。C(X→Y)表示能量從X 形式轉(zhuǎn)化到Y(jié) 形式。在以上方程中，方括號(hào)表示物理量的緯向平均，物理量右上角的撇號(hào)表示相對(duì)于該平均值的偏差，其中u'、v'、w'分別表示x、y、z方向上的擾動(dòng)速度，θ'表示擾動(dòng)位溫，H'表示絕熱加熱率的擾動(dòng)。

圖9是根據(jù)上式計(jì)算出的模式第三層D03(111°—123°E、31°—41°N)區(qū)域時(shí)間平均的各種能量轉(zhuǎn)換隨時(shí)間的變化，具體算法如下：計(jì)算各變量緯向平均值、擾動(dòng)值和擾動(dòng)乘積的緯向平均值等；依據(jù)式(4)—(8)計(jì)算各轉(zhuǎn)換項(xiàng)；計(jì)算各轉(zhuǎn)換項(xiàng)的垂直積分；計(jì)算各轉(zhuǎn)換項(xiàng)垂直積分后的區(qū)域時(shí)間平均；進(jìn)而分析擾動(dòng)動(dòng)能和擾動(dòng)有效位能的變化。其中由于中尺度低渦范圍很大，基本覆蓋D03區(qū)域，因此緯向平均能量可以代表中尺度低渦的能量，而擾動(dòng)能量可以表示強(qiáng)對(duì)流的能量。由圖可知，06—12時(shí)，擾動(dòng)有效位能的生成項(xiàng)G(AE)和緯向平均有效位能向擾動(dòng)有效位能的轉(zhuǎn)化項(xiàng)C(AZ→AE)均為正值，且G(AE)在10時(shí)達(dá)到最大，最大值為20×10-4W，C(AZ→AE)在12時(shí)達(dá)到最大，最大值約為34×10-4W，擾動(dòng)有效位能向擾動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化項(xiàng)C(AE→KE)較小，說(shuō)明在此期間強(qiáng)對(duì)流獲得并積累了較高的擾動(dòng)有效位能，而非絕熱加熱項(xiàng)和緯向平均有效位能向擾動(dòng)有效位能的轉(zhuǎn)化項(xiàng)均是擾動(dòng)有效位能增加的主要來(lái)源。同時(shí)緯向平均動(dòng)能向擾動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化項(xiàng)C(KZ→KE)也為正值，且不斷增長(zhǎng)，說(shuō)明此段時(shí)間中尺度低渦不斷向強(qiáng)對(duì)流區(qū)域輸送動(dòng)能，以助其發(fā)生發(fā)展。12—15時(shí)，擾動(dòng)有效位能的生成項(xiàng)G(AE)和緯向平均有效位能向擾動(dòng)有效位能的轉(zhuǎn)化項(xiàng)C(AZ→AE)呈下降趨勢(shì)，緯向平均動(dòng)能向擾動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化項(xiàng)C(KZ→KE)也開始減弱，但仍表現(xiàn)為正值，同時(shí)，擾動(dòng)有效位能向擾動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化項(xiàng)C(AE→KE)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，說(shuō)明在此期間，擾動(dòng)有效位能轉(zhuǎn)化為擾動(dòng)動(dòng)能明顯，擾動(dòng)動(dòng)能的增加促進(jìn)MCS加強(qiáng)。15時(shí)之后中尺度低渦和強(qiáng)對(duì)流帶開始減弱，不做具體分析。整個(gè)過(guò)程中尺度低渦和MCS之間的主要能量轉(zhuǎn)化如圖10所示，這樣的能量轉(zhuǎn)化有利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展增強(qiáng)。

圖9 D03區(qū)域時(shí)間平均(每1 h)的垂直積分的不同形式能量轉(zhuǎn)化隨時(shí)間的變化(單位:10-4W)(黑色實(shí)線表示C(AE→KE),紅色長(zhǎng)虛線表示C(AZ→AE),深紫色短虛線表示C(KZ→KE),青色點(diǎn)劃線表示G(AE))Fig.9 The energy transformation chart of vertical integral different forms of D03 region and time(1 h)mean over time(unit:10-4W),and the solid black line represents C(AE→KE),and the long dashed red line represents C(AZ→AE),and the short dashed dark purple line represents C(KZ→KE),and the dotted blue line represents G(AE)

圖10 能量轉(zhuǎn)化示意圖Fig.10 Diagram of energy transformation.

依據(jù)上述分析，進(jìn)一步分析風(fēng)場(chǎng)對(duì)于強(qiáng)對(duì)流帶的影響。圖11 給出了D03 區(qū)域時(shí)間平均的垂直積分的緯向平均風(fēng)場(chǎng)和擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間的變化，緯向平均風(fēng)場(chǎng)代表中尺度低渦，擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)代表強(qiáng)對(duì)流。分析可知，11時(shí)之前，緯向平均風(fēng)場(chǎng)主要以西風(fēng)為主，伴有較弱的南風(fēng)，垂直上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，且不斷加大，擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)主要以西風(fēng)為主，伴有較弱的北風(fēng)分量，存在一定的下沉運(yùn)動(dòng)，由此可知，中尺度低渦輸送的南方暖空氣與對(duì)流區(qū)域的北方冷空氣交匯，產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而促進(jìn)能量轉(zhuǎn)化，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生。11—15 時(shí)，緯向平均風(fēng)場(chǎng)西風(fēng)減弱，南風(fēng)加強(qiáng)，12時(shí)之后主要以西南風(fēng)為主，垂直運(yùn)動(dòng)減弱，但仍為正值，擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)西風(fēng)先增強(qiáng)后減弱，北風(fēng)擾動(dòng)逐漸變?yōu)槟巷L(fēng)擾動(dòng)，14 時(shí)之后主要以西南風(fēng)為主，下沉運(yùn)動(dòng)減弱，出現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)，由此可知，由于中尺度低渦帶來(lái)的強(qiáng)烈西南風(fēng)作用，使得強(qiáng)對(duì)流帶處的北風(fēng)逐漸消失，隨后主要受到西南氣流的控制，水汽條件較好，且擾動(dòng)下沉轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而促進(jìn)強(qiáng)對(duì)流發(fā)展。

圖11 D03區(qū)域時(shí)間平均(每1 h)的垂直積分的緯向平均風(fēng)場(chǎng)(a,單位:m·s-1)和擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)(b,單位:10-2m·s-1)隨時(shí)間的變化Fig.11 Vertical integral charts of(a)zonal mean wind field(unit:m·s-1)and(b)disturbed wind field(unit:10-2 m·s-1)of D03 region and time(1 h)mean over time.

5 結(jié)論

由于中尺度低渦和MCS常引發(fā)暴雨等災(zāi)害，本文對(duì)2015年8月3日東北冷渦背景下的一次中尺度低渦伴隨MCS過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，研究了中尺度低渦演變成因和它對(duì)強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展的影響，得到以下結(jié)論：

(1)此次過(guò)程發(fā)生于200 hPa高空急流右后方輻散區(qū)，500 hPa 東北冷渦南側(cè)，槽前偏西氣流中，850 hPa低空急流西北側(cè)，高低層系統(tǒng)相配合為中尺度低渦和強(qiáng)對(duì)流的生成提供了有利的環(huán)流背景，同時(shí)，中尺度低渦的輻合作用促使散亂的對(duì)流單體組織成帶狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)，即低渦的生成有利于MCS的組織形成。

(2)利用渦度方程分析中尺度低渦發(fā)生發(fā)展的原因，低層正渦度的變化主要受到水平散度項(xiàng)和垂直輸送項(xiàng)的影響，其中水平散度項(xiàng)作用更明顯，而中層正渦度的變化主要受到垂直輸送項(xiàng)的影響，高層負(fù)渦度的變化主要受到水平平流項(xiàng)和傾側(cè)項(xiàng)的影響，其中傾側(cè)項(xiàng)作用更顯著。中尺度低渦形成和發(fā)展時(shí)期，低層的水平輻合和低層向上正渦度的垂直輸送，使得正渦度增加，低渦發(fā)展；中尺度低渦減弱時(shí)期，低層輻合減弱、垂直輸送變?yōu)樨?fù)值，使得正渦度制造減弱，負(fù)渦度制造增加，低渦消亡。

(3)利用能量收支方程分析中尺度低渦和MCS之間的能量轉(zhuǎn)換，緯向平均場(chǎng)代表中尺度低渦，擾動(dòng)場(chǎng)代表強(qiáng)對(duì)流，可知在MCS 發(fā)展過(guò)程中，潛熱釋放作用和緯向平均有效位能向擾動(dòng)有效位能的轉(zhuǎn)化是擾動(dòng)有效位能增加的主要來(lái)源，而風(fēng)場(chǎng)變化所引起的垂直上升下沉運(yùn)動(dòng)是擾動(dòng)有效位能轉(zhuǎn)化為擾動(dòng)動(dòng)能的主要機(jī)制，擾動(dòng)動(dòng)能增加，強(qiáng)對(duì)流發(fā)展。中尺度低渦不僅為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展提供能量，低渦附近風(fēng)場(chǎng)的變化也是影響強(qiáng)對(duì)流演變的重要原因。