利用位涡反演方法对一次台风暴雨过程的成因分析
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2015年15号台风“天鹅”给上海地区带来了极 端降水天气，此次过程具有怎样的发生发展机制？ 与以往发生在长江流域的暴雨过程相比较，此次过 程是否也主要因为受夏季风盛行的影响而发生？台 风“天鹅”在此次暴雨的发生中有怎样的贡献？本 文尝试运用位涡反演方法对个例进行诊断,主要从 台风“天鹅”的贡献切入,对本次暴雨过程的发生机 制进行讨论。
大龟科学学报 论著
2021年 第44卷 第3期：441-450 http ：// dqkxxb. cnjournalc. org
利用位涡反演方法对一次台风暴雨过程的成因分析
周伟灿!，罗丽君
南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京210044 * 联系人,E-mail: zhwnim@ . 2018-03-10 收稿,2018-05-15 接受
值区和暖湿舌消失，相应的锋区也消失+
关键词 台风暴雨; 位涡反演； 水汽贡献
暴雨是影响我国的主要灾害天气,关于暴雨发 生发展机理的研究一直是气象工作者重要的研究课 题（马旭林等,2017 ；梅钦等,2018；王坚红等, 2019）。我国地处东亚季风带,受季风环流影响,夏 季风盛行期间暴雨频发,其中长江流域和江淮流域 是我国夏季暴雨的一个频发带% Matsumoto and Ta kahashi, 1999 ）+大量研究％郭其蕴,1983 ；黄荣辉 等,1998 '高国栋等,2002 ；胡国权和丁一汇,2003 ；闵 锦忠等,2018 ；李崇银等,2019）对长江流域及江淮 流域暴雨的水汽输送进行了研究,指出这一区域内 夏季暴雨与西南季风的水汽输送密切相关,西太平 洋副高西侧与西南侧转向的西南气流也是一个重要 水汽输送带+此外，中高纬西风带也起到重要的作 用+整体来说长江流域的水汽输送主要由西南气流 及偏西风支作为动力支持+台风是造成中国夏季暴 雨的另一重要天气系统+程正泉等% 2005 ）对近10 a中国台风暴雨的研究进展进行了系统总结,从中 低纬系统相互作用、地形强迫作用、中小尺度对流系
摘要 采用NCEP FNL的客观分析资料、中国自动站与CMORPH的逐小时降水融合 资料，对2015年8月23—24日发生在上海的一次强降水天气过程进行了天气学分析, 并通过位涡反演方法对1515号台风“天鹅”在本次降水过程的具体作用进行了定量诊 断分析，以探讨本次暴雨过程的发生机制+得出以下主要结论：1）位涡反演方法能够
统等几个方面对台风暴雨的影响做了归纳+其后又 有诸多研究者针对台风暴雨的发生机制对个例展开 研究，周玲丽等%2009）对0505号台风“海棠”在浙 闽地区引发的暴雨过程进行了数值模拟试验,认为 “海棠”与东风急流的共同作用是本次暴雨过程产 生的主要原因+ Zhang et a> % 2010 ））刘峰等 % 2011 ）、Xie and Zhang % 2012）也相继对台风“莫拉 克”影响的暴雨过程进行了研究,刘峰% 2011）从湿 位涡场角度对暴雨过程进行诊断分析,发现可以通 过结合对流不稳定区、强的能量锋区以及上升运动, 作为强降水发生的判据；Gao et al.%2009）发现垂直 风切变、暖空气对流以及地形等因素与“碧利斯”台 风所触发的雨带密切相关,汪亚萍等% 2015）通过对 水汽螺旋度、散度垂直通量等8个动力因子对“碧 利斯”台风进行了诊断分析,指出其中4个动力因 子对于降水有较好的指示意义+这些对于不同台风 暴雨个例的研究能够帮助学者从不同角度了解其发 生发展的过程与触发机制等+
引用格式：周伟灿，罗丽君,2021 .利用位涡反演方法对一次台风暴雨过程的成因分析:J].大气科学学报,44 (3) ：441 -450. Zhou W C ,Luo L J, 2021. Analysis of Ue cause- of a typhoon rainstorm proces- using Ue poUn/al vobex inversion method [ J $. TranAtmoc Scl,44% 3) ：441-450.dol： 10. 13878/ki.dqkxxb.20180310001. % O Chinese).
利用 Davisand Emanuel% 1991 ） 提出的上述位涡 反演方法，对1。41。,6 h 一次NCEP FNL资料展开研 究讨论+选取反演区域为水平范围100°-170 OE）0°~ 55ON,垂直范围1 000〜50 hPa间隔50 hPa共20层+
选取时间平均作为基本态。由于此次暴雨过程 强降水时段是2015年8月23—25日,本文选取8 月20日08时一30日08时%对应一个天气尺度过 程）的NCEPFNL资料平均值作为基本态+用各时 次的总瞬时位涡剔除平均场的位涡,即可得出各时 次的扰动场位涡。 2.3反演结果验证
40° N
i30°N
20° N
10°N 90° E
105° E
120°E
135°E
经度
150°E
165°E
图2 2015年8月22日00时(a)、23日00时(b )、24日08时(c) 500 hPa高度场(黑实线,单位:
gpm)、温度场(红实线,单位:C )以及风场(风标，单位:m/s)分布
Fig.2 Geopotential height (black line,unit：gpm) ,temperature field (red line,unit：C ) and wind field
500 hPa and rainfut % shaded, unit： mm) at 08: 00 BST 24 Augus 2015
由环流形势％图2）可以看出,22日00时,我国 东北地区上空存在低涡,而由其南侧伸出的低槽控 制我国东部地区,呈现东北西南走向；温度槽落后于 高度槽的配置也有利于槽的发展;同时,台风“天 鹅”位于台湾南部洋面,而台风“天鹅”北部延伸出 一倒槽,其东侧的东南气流控制我国东南沿海地区; 此外,还有台风“艾莎妮”处于日本东南洋面。到23 日00时，“天鹅”中西位置移动到台湾东部洋面，台 风倒槽与高空槽结合于华中地区,倒槽东侧偏南气 流与来自北方的东北气流汇合。受台风影响，中纬 度低槽移动较弱。之后,值得关注的是,位于东北地 区的冷涡控制向西南地区扩张,在24日08时在河 套地区分裂初新的冷涡,并在之后向东南方向移动; 同时，“天鹅”移动到东海东南部海域,且北侧偏东 风加强。因此,24日强降水的发生不仅受到台风北 侧暖湿气流的影响，同时北方冷空气补充南下也是 重要因素。来自洋面的暖湿气团与北方冷空气交汇 于长江下游上海西部地区,导致本次暴雨发生于此。 从分析可见,冷暖空气交汇并产生相互作用,使得此 区域内大气层结出现不稳定并产生强上升运动,是 23—24日上海大暴雨形成的重要动力因素。
较为准确地反映西风槽、台风及副热带高压等重要天气系统的位置及强度，能够较为有 效地再现系统的演变过程；2）北方冷空气与远距离台风外围的东北气流交汇是产生本 次降水过程的主要原因；3）通过对比原始场与剔除台风后的分析场,可以发现台风“天
鹅”本身的扰动对应的水汽通量占比53.3 %,是本次降水过程的水汽输入的主要贡献 来源；4）台风“天鹅”对降水区域提供了一定的热力条件,在扣除台风后原分析场的大
1天气过程分析
研究对象为2015年8月23—24日发生于上海 的强降水过程,两个主要降水时段分别是23日 05 —11时％北京时,下同）和24日06—09时,图1 给出了 24日08时的500 hPa位势高度场和地面降 水分布情况,降水区主要分布在我国长江中下游地
区,此时台风“天鹅”处于与强降水区域%方框内红 色区域）相距约900 km的洋面上。从水汽通量分 布情况%图略）可以看出,降水时段内上海地区有强 的水汽通量辐合,且能看出一条由1515号台风的外 围环流引导的强水汽通道。
(crow,unit：m/s) at 500 hPa at ( a) 00: 00 BST 22 August 2015 , ( b) 00: 00 BST 23 August
2015 ,( c) 08:00 BST 24 August 2015
2分片位涡反演及诊断分析
将位涡场分解为平均态和总扰动位涡 ,再从总 扰动位涡找出与1515号台风“天鹅”相对应的扰动 位涡片段,即可通过位涡反演方法反演出与台风扰
大龟科学学报 2021 年 5 月 第 44 卷 第 3 期
Rossby % 1940）和E+el % 1942 &相继提出了位涡的 概念，指出位涡在绝热、无摩擦的干空气中具有守恒 性和可逆性。根据这种特性可以对某些天气现象的 产生原因进行合理的推断。20世纪80年代,Hoskins et alR 1985）首次对位涡进行了系统总结，认为可以利 用等熵面图帮助研究大气动力学过程，假设给定位 涡、平衡条件和边界条件,即可推导出相应的风场和 高度场 + Haynes and McIntyre % 1987）讨论了 非绝热、 摩擦及其他情形下的位涡演变。位涡的守恒性质使 得可以通过位涡扰动来确定非绝热加热等非守恒因 子的影响程度+ 20世纪90年代,Joseph % 1990）结合 位涡的守恒性及可反演性,对浅水方程进行了反演试 验,提出在平衡模式下大尺度气流同样可适用位涡反 演原理+随后,Davie and Emanuel% 1991）提出位涡扰 动分离的反演方法，利用位涡的守恒性质可将非守恒 过程的扰动物理量场从基本物理量场中分离出来,进 而研究各个系统的影响。McIntyre and Norton % 2000） 进一步对不同约束条件下位涡反演的准确性做了敏 感性测试+研究者们相继从位涡的角度对不同的天 气系统进行了研究，如Thorpe% 1990）利用位涡守恒特 性对锋生过程的机理进行了研究,Schubert and Alwo+h % 1987）和Robinson % 1989）分别利用位涡对热 带气旋和斜压不稳定进行了动力学分析。可见，位涡 反演是大气科学研究的一种有效手段。同时,位涡反 演理论在台风领域的应用也有了一定的进展。Yang et alR2008）和季亮等%2010）结合位涡反演和数值模 拟方法，分别对两个台风个例之间的相互作用、以及 中低纬度系统%高空槽,副热带高压）与台风之间的 相互作用进行了研究。
动位涡相对应的满足非线性平衡方程的各物理量 场,进而定量分析台风在暴雨过程中的作用。 2.1方法简介
绝热和无摩擦条件下，位涡是守恒且可反演的, 通过位涡反演出来的高度场和风场是动力平衡的，根
443
大龟科学学报 2021 年 5 月 第 44 卷 第 3 期
据这种稳定的平衡流的演变过程，可对天气系统的演 变进行有效的追踪及预测。位涡反演更重要的一点 是它能够对与不同天气系统和不同物理过程有关的 扰动位涡进行分离后反演，这样可以更加清楚地了解 不同扰动位涡对天气系统的作用，有助于认识降水天 气系统的发展机理+这里利用Davir and Emanuk % 1991）提出的位涡反演方法,即以Charney % 1955）等 提出的非线性平衡方程作为平衡条件,形成闭合的方 程组进行Ebel位涡反演+通过位涡反演方程组,可 以求出特定位涡扰动对应的物理量场分布。 2.2位涡反演方案
442
周伟灿，等：利用位涡反演方法对一次台风暴雨过程的成因分析 50° N
40° N
®30°N
20° N
10°N 90° E
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120°E135°E经度150°E165°E
论著
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经度
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35°N
I 30° N
25° N
20° N
110°E 115°E 120° E 125°E
经度
130°E 135°E
0.5 5 5 10 20 25 30 40 图1 2015年8月24日08时500 hPa位势高度场％粗实
线，单位:gpm)和降水量％阴影，单位:mm) Fig.1 Geopotentiai height % Wick solid line, units: gpm) at
大龟科学学报 论著
2021年 第44卷 第3期：441-450 http ：// dqkxxb. cnjournalc. org
利用位涡反演方法对一次台风暴雨过程的成因分析
周伟灿!，罗丽君
南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京210044 * 联系人,E-mail: zhwnim@ . 2018-03-10 收稿,2018-05-15 接受
值区和暖湿舌消失，相应的锋区也消失+
关键词 台风暴雨; 位涡反演； 水汽贡献
暴雨是影响我国的主要灾害天气,关于暴雨发 生发展机理的研究一直是气象工作者重要的研究课 题（马旭林等,2017 ；梅钦等,2018；王坚红等, 2019）。我国地处东亚季风带,受季风环流影响,夏 季风盛行期间暴雨频发,其中长江流域和江淮流域 是我国夏季暴雨的一个频发带% Matsumoto and Ta kahashi, 1999 ）+大量研究％郭其蕴,1983 ；黄荣辉 等,1998 '高国栋等,2002 ；胡国权和丁一汇,2003 ；闵 锦忠等,2018 ；李崇银等,2019）对长江流域及江淮 流域暴雨的水汽输送进行了研究,指出这一区域内 夏季暴雨与西南季风的水汽输送密切相关,西太平 洋副高西侧与西南侧转向的西南气流也是一个重要 水汽输送带+此外，中高纬西风带也起到重要的作 用+整体来说长江流域的水汽输送主要由西南气流 及偏西风支作为动力支持+台风是造成中国夏季暴 雨的另一重要天气系统+程正泉等% 2005 ）对近10 a中国台风暴雨的研究进展进行了系统总结,从中 低纬系统相互作用、地形强迫作用、中小尺度对流系
摘要 采用NCEP FNL的客观分析资料、中国自动站与CMORPH的逐小时降水融合 资料，对2015年8月23—24日发生在上海的一次强降水天气过程进行了天气学分析, 并通过位涡反演方法对1515号台风“天鹅”在本次降水过程的具体作用进行了定量诊 断分析，以探讨本次暴雨过程的发生机制+得出以下主要结论：1）位涡反演方法能够
统等几个方面对台风暴雨的影响做了归纳+其后又 有诸多研究者针对台风暴雨的发生机制对个例展开 研究，周玲丽等%2009）对0505号台风“海棠”在浙 闽地区引发的暴雨过程进行了数值模拟试验,认为 “海棠”与东风急流的共同作用是本次暴雨过程产 生的主要原因+ Zhang et a> % 2010 ））刘峰等 % 2011 ）、Xie and Zhang % 2012）也相继对台风“莫拉 克”影响的暴雨过程进行了研究,刘峰% 2011）从湿 位涡场角度对暴雨过程进行诊断分析,发现可以通 过结合对流不稳定区、强的能量锋区以及上升运动, 作为强降水发生的判据；Gao et al.%2009）发现垂直 风切变、暖空气对流以及地形等因素与“碧利斯”台 风所触发的雨带密切相关,汪亚萍等% 2015）通过对 水汽螺旋度、散度垂直通量等8个动力因子对“碧 利斯”台风进行了诊断分析,指出其中4个动力因 子对于降水有较好的指示意义+这些对于不同台风 暴雨个例的研究能够帮助学者从不同角度了解其发 生发展的过程与触发机制等+
引用格式：周伟灿，罗丽君,2021 .利用位涡反演方法对一次台风暴雨过程的成因分析:J].大气科学学报,44 (3) ：441 -450. Zhou W C ,Luo L J, 2021. Analysis of Ue cause- of a typhoon rainstorm proces- using Ue poUn/al vobex inversion method [ J $. TranAtmoc Scl,44% 3) ：441-450.dol： 10. 13878/ki.dqkxxb.20180310001. % O Chinese).
利用 Davisand Emanuel% 1991 ） 提出的上述位涡 反演方法，对1。41。,6 h 一次NCEP FNL资料展开研 究讨论+选取反演区域为水平范围100°-170 OE）0°~ 55ON,垂直范围1 000〜50 hPa间隔50 hPa共20层+
选取时间平均作为基本态。由于此次暴雨过程 强降水时段是2015年8月23—25日,本文选取8 月20日08时一30日08时%对应一个天气尺度过 程）的NCEPFNL资料平均值作为基本态+用各时 次的总瞬时位涡剔除平均场的位涡,即可得出各时 次的扰动场位涡。 2.3反演结果验证
40° N
i30°N
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10°N 90° E
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120°E
135°E
经度
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图2 2015年8月22日00时(a)、23日00时(b )、24日08时(c) 500 hPa高度场(黑实线,单位:
gpm)、温度场(红实线,单位:C )以及风场(风标，单位:m/s)分布
Fig.2 Geopotential height (black line,unit：gpm) ,temperature field (red line,unit：C ) and wind field
500 hPa and rainfut % shaded, unit： mm) at 08: 00 BST 24 Augus 2015
由环流形势％图2）可以看出,22日00时,我国 东北地区上空存在低涡,而由其南侧伸出的低槽控 制我国东部地区,呈现东北西南走向；温度槽落后于 高度槽的配置也有利于槽的发展;同时,台风“天 鹅”位于台湾南部洋面,而台风“天鹅”北部延伸出 一倒槽,其东侧的东南气流控制我国东南沿海地区; 此外,还有台风“艾莎妮”处于日本东南洋面。到23 日00时，“天鹅”中西位置移动到台湾东部洋面，台 风倒槽与高空槽结合于华中地区,倒槽东侧偏南气 流与来自北方的东北气流汇合。受台风影响，中纬 度低槽移动较弱。之后,值得关注的是,位于东北地 区的冷涡控制向西南地区扩张,在24日08时在河 套地区分裂初新的冷涡,并在之后向东南方向移动; 同时，“天鹅”移动到东海东南部海域,且北侧偏东 风加强。因此,24日强降水的发生不仅受到台风北 侧暖湿气流的影响，同时北方冷空气补充南下也是 重要因素。来自洋面的暖湿气团与北方冷空气交汇 于长江下游上海西部地区,导致本次暴雨发生于此。 从分析可见,冷暖空气交汇并产生相互作用,使得此 区域内大气层结出现不稳定并产生强上升运动,是 23—24日上海大暴雨形成的重要动力因素。
较为准确地反映西风槽、台风及副热带高压等重要天气系统的位置及强度，能够较为有 效地再现系统的演变过程；2）北方冷空气与远距离台风外围的东北气流交汇是产生本 次降水过程的主要原因；3）通过对比原始场与剔除台风后的分析场,可以发现台风“天
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1天气过程分析
研究对象为2015年8月23—24日发生于上海 的强降水过程,两个主要降水时段分别是23日 05 —11时％北京时,下同）和24日06—09时,图1 给出了 24日08时的500 hPa位势高度场和地面降 水分布情况,降水区主要分布在我国长江中下游地
区,此时台风“天鹅”处于与强降水区域%方框内红 色区域）相距约900 km的洋面上。从水汽通量分 布情况%图略）可以看出,降水时段内上海地区有强 的水汽通量辐合,且能看出一条由1515号台风的外 围环流引导的强水汽通道。
(crow,unit：m/s) at 500 hPa at ( a) 00: 00 BST 22 August 2015 , ( b) 00: 00 BST 23 August
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2分片位涡反演及诊断分析
将位涡场分解为平均态和总扰动位涡 ,再从总 扰动位涡找出与1515号台风“天鹅”相对应的扰动 位涡片段,即可通过位涡反演方法反演出与台风扰
大龟科学学报 2021 年 5 月 第 44 卷 第 3 期
Rossby % 1940）和E+el % 1942 &相继提出了位涡的 概念，指出位涡在绝热、无摩擦的干空气中具有守恒 性和可逆性。根据这种特性可以对某些天气现象的 产生原因进行合理的推断。20世纪80年代,Hoskins et alR 1985）首次对位涡进行了系统总结，认为可以利 用等熵面图帮助研究大气动力学过程，假设给定位 涡、平衡条件和边界条件,即可推导出相应的风场和 高度场 + Haynes and McIntyre % 1987）讨论了 非绝热、 摩擦及其他情形下的位涡演变。位涡的守恒性质使 得可以通过位涡扰动来确定非绝热加热等非守恒因 子的影响程度+ 20世纪90年代,Joseph % 1990）结合 位涡的守恒性及可反演性,对浅水方程进行了反演试 验,提出在平衡模式下大尺度气流同样可适用位涡反 演原理+随后,Davie and Emanuel% 1991）提出位涡扰 动分离的反演方法，利用位涡的守恒性质可将非守恒 过程的扰动物理量场从基本物理量场中分离出来,进 而研究各个系统的影响。McIntyre and Norton % 2000） 进一步对不同约束条件下位涡反演的准确性做了敏 感性测试+研究者们相继从位涡的角度对不同的天 气系统进行了研究，如Thorpe% 1990）利用位涡守恒特 性对锋生过程的机理进行了研究,Schubert and Alwo+h % 1987）和Robinson % 1989）分别利用位涡对热 带气旋和斜压不稳定进行了动力学分析。可见，位涡 反演是大气科学研究的一种有效手段。同时,位涡反 演理论在台风领域的应用也有了一定的进展。Yang et alR2008）和季亮等%2010）结合位涡反演和数值模 拟方法，分别对两个台风个例之间的相互作用、以及 中低纬度系统%高空槽,副热带高压）与台风之间的 相互作用进行了研究。
动位涡相对应的满足非线性平衡方程的各物理量 场,进而定量分析台风在暴雨过程中的作用。 2.1方法简介
绝热和无摩擦条件下，位涡是守恒且可反演的, 通过位涡反演出来的高度场和风场是动力平衡的，根
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大龟科学学报 2021 年 5 月 第 44 卷 第 3 期
据这种稳定的平衡流的演变过程，可对天气系统的演 变进行有效的追踪及预测。位涡反演更重要的一点 是它能够对与不同天气系统和不同物理过程有关的 扰动位涡进行分离后反演，这样可以更加清楚地了解 不同扰动位涡对天气系统的作用，有助于认识降水天 气系统的发展机理+这里利用Davir and Emanuk % 1991）提出的位涡反演方法,即以Charney % 1955）等 提出的非线性平衡方程作为平衡条件,形成闭合的方 程组进行Ebel位涡反演+通过位涡反演方程组,可 以求出特定位涡扰动对应的物理量场分布。 2.2位涡反演方案
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周伟灿，等：利用位涡反演方法对一次台风暴雨过程的成因分析 50° N
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论著
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150°E
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130°E 135°E
0.5 5 5 10 20 25 30 40 图1 2015年8月24日08时500 hPa位势高度场％粗实
线，单位:gpm)和降水量％阴影，单位:mm) Fig.1 Geopotentiai height % Wick solid line, units: gpm) at