梁釗明 王東海

中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

1 引言

東北冷渦是大尺度環(huán)流在我國(guó)東北地區(qū)獨(dú)特地形和地理位置下產(chǎn)生的高空冷性渦旋，它集中發(fā)生在夏季，具有移動(dòng)緩慢和持續(xù)性等活動(dòng)特征和較長(zhǎng)的生命史，是影響我國(guó)東北地區(qū)的主要天氣系統(tǒng)之一（鄭秀雅等，1992；孫力等，1994；孫力，1997；王東海等，2007；Hu et al., 2010）。東北冷渦常給東北地區(qū)夏季帶來(lái)低溫多雨的天氣，甚至洪澇災(zāi)害（張慶云等，2001；孫力等，2002；Zhao and Sun，2007；胡開(kāi)喜等，2011），如1991年6月11日東北短時(shí)大暴雨、2005年6月10日沙蘭鎮(zhèn)暴雨、2000年7月11日東北特大暴雨和1998年6～8月切斷低壓與東北低渦頻繁發(fā)生引發(fā)松花江、嫩江百年不遇的洪災(zāi)。當(dāng)對(duì)流層低層有加熱時(shí)，東北冷渦控制下的大氣容易發(fā)生很強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定，從而觸發(fā)局地的強(qiáng)對(duì)流天氣，其中以局地冰雹、暴雨居多，區(qū)域性暴雨較少，而當(dāng)東北冷渦與臺(tái)風(fēng)和氣旋等系統(tǒng)相互作用時(shí)則可以產(chǎn)生大范圍的暴雨甚至特大暴雨（鄭秀雅等，1992），如2005年?yáng)|北地區(qū)受臺(tái)風(fēng)麥莎和冷渦系統(tǒng)的共同作用，使東北地區(qū)夏季降水偏多，在50年統(tǒng)計(jì)中居歷史第四位（王東海等，2007）。

東北冷渦與臺(tái)風(fēng)相互作用一般表現(xiàn)為臺(tái)風(fēng)與冷渦遠(yuǎn)距離相互作用和臺(tái)風(fēng)北上變性并入冷渦兩種形式。叢春華等（2011）對(duì)近幾十年臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的研究進(jìn)展總結(jié)時(shí)指出臺(tái)風(fēng)與東北冷渦遠(yuǎn)距離相互作用是臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)生的主要形式之一。丁一匯等（1980）在研究 1980年代以前的華北暴雨中指出，華北大部分的強(qiáng)暴雨常常出現(xiàn)在兩個(gè)以上的天氣系統(tǒng)相互作用或相互疊加的情況下，高空冷渦與臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離相互作用就是其中的一種主要形式。孫建華等（2005）對(duì) 1990～1999年華北夏季暴雨的統(tǒng)計(jì)分析也顯示臺(tái)風(fēng)與東北冷渦是造成華北夏季暴雨天氣的主要影響系統(tǒng)。在其研究的31個(gè)暴雨個(gè)例中，有10個(gè)個(gè)例屬于東北冷渦（低槽）與臺(tái)風(fēng)相互作用。此類遠(yuǎn)距離暴雨，臺(tái)風(fēng)一般在南?；蛭魈窖笈_(tái)灣附近地區(qū)，也有在廣東、廣西登陸后西行的，臺(tái)風(fēng)的作用是其東側(cè)東南低空急流為東北冷渦提供水汽輸送。東北冷渦位于華北或東北，槽線一般在 110°～120°E。副熱帶高壓一般西伸偏北，暴雨區(qū)位于東北冷渦和副高之間。臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦也會(huì)造成大范圍的強(qiáng)降雨天氣，如2004年7月5～10日臺(tái)風(fēng)“蒲公英”減弱后轉(zhuǎn)變?yōu)闇貛庑⑷霒|北冷渦的過(guò)程中造成大慶、齊齊哈爾東部、綏化地區(qū)及哈爾濱東部普降大雨。閆敏慧等（2005）對(duì)這次過(guò)程的分析發(fā)現(xiàn)區(qū)域性大雨出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)“蒲公英”減弱后生成的溫帶氣旋并入東北冷渦的初期，并指出這次區(qū)域性強(qiáng)降水的發(fā)生有兩方面的原因：一方面是由于東北冷渦改變了臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)境流場(chǎng)方向，臺(tái)風(fēng)減弱后的溫帶氣旋北部的暖鋒云系順著高空冷渦的引導(dǎo)氣流移入東北地區(qū)；另一方面臺(tái)風(fēng)的并入使得原本干冷的東北冷渦變得水汽充沛，從而加大降水量級(jí)。至于臺(tái)風(fēng)能否與冷渦合并，則取決于副高的位置。與臺(tái)風(fēng)和東北冷渦遠(yuǎn)距離間接作用（如遠(yuǎn)距離的水汽輸送等）不同，臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦的過(guò)程是直接的相互作用，在該過(guò)程中它們的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著的變化。然而，目前關(guān)于臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦過(guò)程的研究很少，并且局限于天氣學(xué)的特征分析，該類過(guò)程中的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化及其中的物理機(jī)制尚不清晰。

本文選取2004年7月3～6日臺(tái)風(fēng)“蒲公英”北上減弱轉(zhuǎn)為溫帶氣旋并入東北冷渦的一次過(guò)程，利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）再分析資料（Kalnay et al.，1996）對(duì)臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦過(guò)程中的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并通過(guò)動(dòng)力診斷的方法初步探討其中的物理機(jī)制。

2 天氣過(guò)程概況

2004年6月23日，熱帶風(fēng)暴“蒲公英”生成于菲律賓以東海洋，隨后西行加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，穿過(guò)臺(tái)灣后減弱為熱帶風(fēng)暴，并于 7月 3日登陸浙江省，之后受環(huán)境場(chǎng)影響轉(zhuǎn)向北偏東方向移動(dòng)（高珊等，2005；齊琳琳等，2006）。圖 1顯示了“蒲公英”轉(zhuǎn)向北偏東方向后的500 hPa等壓面上的位勢(shì)高度、溫度距平和風(fēng)矢量分布。在“蒲公英”向北偏東移動(dòng)的同時(shí)，東北地區(qū)為一冷渦所控制，即東北冷渦。冷渦的500 hPa環(huán)流中心位于東北地區(qū)附近，穩(wěn)定少動(dòng)，東北—西南向槽線由冷渦環(huán)流中心向南延伸并以逆時(shí)針?lè)较蛴晌飨驏|擺動(dòng)。“蒲公英”向北移動(dòng)在3日12時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，簡(jiǎn)稱UTC，下同）先與冷渦南側(cè)的西風(fēng)帶小槽合并（圖略），之后繼續(xù)北移。期間，其西側(cè)不斷受到偏西北風(fēng)帶來(lái)的冷空氣侵襲，而其東側(cè)則為較暖的偏西南風(fēng)，造成“蒲公英”附近的溫度梯度方向從偏南北向轉(zhuǎn)為偏西北—東南向（圖1a）。4日18時(shí)“蒲公英”減弱為低氣壓，其500 hPa的環(huán)流中心與暖中心出現(xiàn)明顯分離，同時(shí)，環(huán)流中心出現(xiàn)強(qiáng)假相當(dāng)位溫梯度，即斜壓性明顯，表明了“蒲公英”開(kāi)始變性為溫帶氣旋（圖 1b）。在東北冷渦環(huán)流引導(dǎo)下氣旋移入東北地區(qū)與冷渦槽逐漸合并，氣旋環(huán)流中心附近的溫度轉(zhuǎn)為偏冷（圖 1c）。在并入過(guò)程中，氣旋的500 hPa環(huán)流中心強(qiáng)度出現(xiàn)加強(qiáng)，其位勢(shì)高度值由4日18時(shí)的5660 gpm降低到5日06時(shí)的5620 gpm（圖1b和1c）。此后，氣旋在東北地區(qū)緩慢北移，強(qiáng)度維持。受其環(huán)流及其帶來(lái)的溫度平流影響，東北冷渦強(qiáng)度減弱，氣溫有所提升，并從5日12時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)明顯北撤（圖1d）。

圖1 2004年7月500 hPa的環(huán)流形勢(shì)：（a）7月3日18時(shí)；（b）7月4日18時(shí)；（c）7月5日06時(shí)；（d）7月6日06時(shí)。填色（單位：K）：溫度距平，距平參照值為（15°～60°N，85°～145°E）區(qū)域的平均值（下同）；黑色等值線（單位：gpm）：位勢(shì)高度；紅色等值線（單位：K）：假相當(dāng)位溫；風(fēng)矢量（長(zhǎng)劃、短劃和三角旗分別代表4、2和20 m s-1）分布；AB（藍(lán)色）和CD（綠色）直線分別表征東北冷渦中心與臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心連線和東北冷渦槽底與臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心的連線，黃色虛線表征東北冷渦的槽線Fig. 1 Distributions of temperature anomalies (shaded, K, the anomalies are calculated by subtracting the averaged values over the region (15°–60°N,85°–145°E)), geopotential heights (black contours, gpm), pseudo-equivalent potential temperatures (red contours, K), and wind vectors (a long stroke, a short stroke, and a triangular flag denote 4, 2, and 20 m s-1, respectively)at 500 hPa at (a)1800 UTC 3, (b)1800 UTC 4, (c)0600 UTC 5, and (d)0600 UTC 6 July 2004, line AB crosses the centers of Northeast cold vortex and cyclone, line CD crosses the trough tip and the cyclone center, and the dashed line represents the trough axis of the Northeast cold vortex

圖2 （a1–a3）2004年7月4日06時(shí)、5日06時(shí)和6日06時(shí)前24小時(shí)累積降水分布（填色，單位：mm）；（b1–b3）2004年7月3日12時(shí)、4日12時(shí)和5日12時(shí)850 hPa的水汽通量（填色，單位：m kg kg-1 s-1）、上升運(yùn)動(dòng)（等值線，單位：－1 Pa s-1）、風(fēng)矢量的分布（長(zhǎng)劃、短劃和三角旗分別代表4、2和20 m s-1）。虛線為800米海拔高度線，空心和實(shí)心三角形分別標(biāo)記了3日12時(shí)（a1和b1）、4日12時(shí)（a2和 b2）和5日12時(shí)（a3和 b3）850 hPa東北冷渦槽和臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心的位置Fig. 2 (a1–a3)24-hour cumulative observed precipitations during 0600 UTC 3–0600 UTC 4, 0600 UTC 4–0600 UTC 5 and 0600 UTC 5–0600 UTC 6 July 2004 (shaded, mm); (b1–b3)distributions of water vapor fluxes (shaded, m kg kg-1 s-1), upward velocities (contours, units: －1 Pa s-1), and wind vectors (a long stroke, a short stroke, and a triangular flag denote 4, 2, and 20 m s-1 respectively)at 850 hPa at 1200 UTC 3, 1200 UTC 4, and 1200 UTC 5 July 2004.Dashedlines denote the height of 800 m above the sea level, the white and black triangles represent the locations of the Northeast cold vortextrough and the cyclone center at 850 hPa at 1200 UTC 3, 1200 UTC 4, and 1200 UTC 5 July 2004, respectively

從降水分布來(lái)看（圖 2a），在“蒲公英”并入東北冷渦前，東北大興安嶺東南端出現(xiàn)局地暴雨（圖2a1），其他地區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的降水。在“蒲公英”變性為溫帶氣旋并入東北冷渦的過(guò)程中，大興安嶺東南端的降水出現(xiàn)加強(qiáng)并擴(kuò)大（圖2a2），同時(shí)，東北地區(qū)從東部到北部和南部地區(qū)依序地出現(xiàn)了大范圍的強(qiáng)降水（圖2a3）。從低層的上升運(yùn)動(dòng)、水汽通量和風(fēng)矢量分布來(lái)看（圖2b），并入過(guò)程前，對(duì)應(yīng)東北冷渦槽的低空渦旋東側(cè)氣流攜帶水汽沿地形抬升促進(jìn)了大興安嶺東南端暴雨的形成（圖2a1和 2b1）。并入過(guò)程中，“蒲公英”北側(cè)的偏東氣流與對(duì)應(yīng)東北冷渦槽的低空渦旋東北側(cè)偏東氣流共同作用攜帶水汽沿大興安嶺抬升促進(jìn)了大興安嶺東南端降水的加強(qiáng)和擴(kuò)大，同時(shí)，“蒲公英”東北側(cè)氣流攜帶豐富水汽在東北東側(cè)山地抬升促進(jìn)了東北東側(cè)強(qiáng)降水的形成（圖 2a2和 2b2）。此后，東北地區(qū)的北部和南部出現(xiàn)的大范圍降水分布變化與“蒲公英”變性并入東北冷渦槽后的溫帶氣旋環(huán)流導(dǎo)致的上升運(yùn)動(dòng)和水汽輸送變化非常一致（圖2a3和2b3）?？梢?jiàn)，“蒲公英”（下文簡(jiǎn)稱為臺(tái)風(fēng)）變性為溫帶氣旋并入東北冷渦的過(guò)程對(duì)這次降水分布的變化有著重要的影響。

3 熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)的變化特征

圖3為沿東北冷渦和臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心連線（圖 1中的 AB線）的溫度距平和位勢(shì)高度距平的垂直剖面演變。在臺(tái)風(fēng)并入東北冷渦之前（圖3a），臺(tái)風(fēng)和東北冷渦基本維持著各自獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征：臺(tái)風(fēng)高空出現(xiàn)明顯的暖心結(jié)構(gòu)，暖中心在400 hPa附近，對(duì)應(yīng)暖中心的是低層低壓和高層高壓的配置，其中高層高壓由高空暖心直接導(dǎo)致（根據(jù)大氣狀態(tài)方程關(guān)系），而低層低壓則與高層高壓形成的高空輻散對(duì)低層空氣抽吸有關(guān)；東北冷渦表現(xiàn)出明顯的高空冷渦特性，即高空冷心和高空低壓中心配置，低壓中心位于200～300 hPa之間。當(dāng)臺(tái)風(fēng)變性為溫帶氣旋并入東北冷渦，其暖心結(jié)構(gòu)逐漸消亡（圖 3b–d），移入東北冷渦后轉(zhuǎn)為整層偏冷，低層出現(xiàn)冷中心（圖 3d）。暖心結(jié)構(gòu)的消亡導(dǎo)致高層輻散和低層輻合明顯減弱，低層低壓中心隨之消失（圖 3b–d）。低層低壓和高層高壓分布逐漸轉(zhuǎn)為整層偏低壓分布，其中低壓中心先出現(xiàn)在中層（400～500 hPa），并且低壓呈現(xiàn)為與高空冷渦傾斜連接的分布形態(tài)（圖3c），之后低壓中心出現(xiàn)在高層（200～300 hPa），低壓呈現(xiàn)為垂直的分布形態(tài)（圖 3d）。這表明了并入東北冷渦的過(guò)程中溫帶氣旋的強(qiáng)度得到維持，有利于期間東北地區(qū)大范圍強(qiáng)降水的發(fā)生。與此同時(shí)，隨著氣旋并入東北冷渦，冷渦的中低層溫度明顯增加，相應(yīng)地，冷渦中低層的低壓強(qiáng)度出現(xiàn)減弱，即冷低壓的特征減弱，同時(shí)，東北冷渦出現(xiàn)北撤（圖 3d）。下面結(jié)合上述的臺(tái)風(fēng)（或氣旋）和東北冷渦的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化特征對(duì)其變化的原因進(jìn)行診斷分析。

圖3 2004年沿圖1的AB剖面的溫度距平（填色，單位：K）和位勢(shì)高度距平（等值線，單位：gpm）分布：（a）7月3日18時(shí)；（b）4日18時(shí)；（c）5日06時(shí)；（d）6日06時(shí)。網(wǎng)格陰影區(qū)為地形；白色和黑色三角形分別標(biāo)記了500 hPa東北冷渦中心和臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心的位置；垂直坐標(biāo)為對(duì)數(shù)氣壓（下文的垂直剖面圖皆同）Fig. 3 Vertical cross sections of temperature anomalies (shaded, K)and geopotential height anomalies (contours, gpm)along line AB in Fig. 1: (a)1800 UTC 3 July 2004; (b)1800 UTC 4 July 2004; (c)0600 UTC 5 July 2004; (d)0600 UTC 6 July 2004. The grid-shaded areas represent topography; the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa；the coordinate represents log-pressure (same for the other vertical cross section figures)

4 熱力結(jié)構(gòu)變化的診斷分析

本節(jié)首先對(duì)臺(tái)風(fēng)并入東北冷渦過(guò)程的熱力結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行診斷分析。圖4為300（圖4a1–a3）和500 hPa（圖 4b1–b3）的溫度平流、位勢(shì)高度和風(fēng)矢量分布以及沿東北冷渦和臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心連線剖面的溫度平流和法向水平風(fēng)速分布（圖 4c1–c3）。一方面，在臺(tái)風(fēng)移近東北冷渦的過(guò)程中，中層（500 hPa）東北冷渦槽底的偏西風(fēng)攜帶冷空氣從臺(tái)風(fēng)的西南側(cè)中低層（400 hPa以下）侵入臺(tái)風(fēng)（圖4b1和4c1）。而在臺(tái)風(fēng)變性為溫帶氣旋并入東北冷渦過(guò)程中，高層（300 hPa）和中層?xùn)|北冷渦槽底偏西風(fēng)攜帶冷空氣從氣旋南側(cè)整層侵入氣旋（圖4a2、4b2和4c2）。另一方面，臺(tái)風(fēng)北移并入東北冷渦的整個(gè)過(guò)程中從偏暖地區(qū)移至偏冷地區(qū)對(duì)臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生了相對(duì)的冷平流（s0T·＜c ? ，c為臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度，sT?為溫度的水平梯度）。在東北冷渦冷空氣持續(xù)入侵臺(tái)風(fēng)以及臺(tái)風(fēng)北移造成相對(duì)冷平流的共同影響下，臺(tái)風(fēng)暖中心逐漸減弱（圖3b和3c）。此外，高層冷渦槽前偏西南風(fēng)和臺(tái)風(fēng)高層北側(cè)偏東風(fēng)帶來(lái)了明顯的暖平流，暖平流呈現(xiàn)為從臺(tái)風(fēng)高層北側(cè)向高空冷渦槽前傾斜分布，這造成了臺(tái)風(fēng)高層暖區(qū)向高空冷渦傾斜（圖4）。臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦后，整層轉(zhuǎn)為偏冷，低層形成冷中心，溫度平流明顯減弱，同時(shí)，受變性后的氣旋中低層北側(cè)東風(fēng)帶來(lái)明顯的暖平流影響，東北冷渦中低層出現(xiàn)增溫，冷渦中低層冷心特征減弱（圖4a3、4b3和4c3）。

5 動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化的診斷分析

圖4 2004年7月（a1，b1，c1）4日18時(shí)，（a2，b2，c2）5日06時(shí)和（a3，b3，c3）6日00時(shí)（a1–a3）300 hPa和（b1–b3）500 hPa的溫度平流（填色，單位：10-3 K s-1）、位勢(shì)高度（等值線，單位：gpm）和風(fēng)矢量（長(zhǎng)劃、短劃和三角旗分別代表4、2和20 m s-1）分布和沿圖1的AB剖面的溫度平流（填色，單位：10-3 K s-1）和（c1–c3）法向水平風(fēng)速（等值線，向里為正，向外為負(fù)，單位：m s-1）分布。網(wǎng)格陰影區(qū)為地形，白色和黑色三角形分別標(biāo)記了500 hPa東北冷渦中心和臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心的位置Fig. 4 Distributions of temperature advections (shaded, 10-3 K s-1), geopotential heights (contours, gpm), and wind vectors (a long stroke, a short stroke, and a triangular flag denote 4, 2, and 20 m s-1, respectively)at (a1–a3)300 hPa and (b1–b3)500 hPa and (c1–c3)vertical cross sections of temperature advections(shaded, 10-3 K s-1)and normal wind speeds (contours, the positive and negative contours represent winds inward and outward, m s-1)along line AB in Fig.1 at(a1, b1, c1)1800 UTC 4, (a2, b2, c2)0600 UTC 5, and (a3, b3, c3)0000 UTC 6 July 2004. The grid-shaded areas represent topography, the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa

上節(jié)分析了臺(tái)風(fēng)并入東北冷渦過(guò)程的熱力結(jié)構(gòu)變化的原因，本節(jié)將對(duì)動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行診斷分析。由于相對(duì)垂直渦度從環(huán)流的角度表征了高低壓的強(qiáng)度，因此，通過(guò)診斷垂直渦度及其傾向的強(qiáng)迫項(xiàng)的變化可以分析臺(tái)風(fēng)并入東北冷渦過(guò)程中其動(dòng)力結(jié)構(gòu)（壓力結(jié)構(gòu)）變化的原因。根據(jù)吳國(guó)雄和劉還珠（1999）推導(dǎo)的全型垂直渦度方程，在非絕熱無(wú)摩擦的氣壓坐標(biāo)系下，以臺(tái)風(fēng)（或氣旋）為參考系的局地垂直渦度傾向方程可以表述為

其中，ζz和f為相對(duì)垂直渦度（下文簡(jiǎn)稱為垂直渦度）和地轉(zhuǎn)渦度，V和ω為水平風(fēng)速和氣壓坐標(biāo)系的垂直速度，c為臺(tái)風(fēng)（或氣旋）的移動(dòng)速度，α、(θse)z和ζs為比容、假相當(dāng)位溫的垂直梯度和水平渦度，ξs=αζs，水平梯度算子?s=i? /?x+j? /?y ，散度 ? ·V ≈?s·V。公式（1）右側(cè)最后兩項(xiàng)涉及到時(shí)間微分，限于資料的時(shí)間分辨率，這兩項(xiàng)較難精確計(jì)算，因此，將通過(guò)間接分析反映它們對(duì)垂直渦度傾向的影響，其中最后一項(xiàng)為斜壓項(xiàng)，在偏正壓大氣狀態(tài)下其貢獻(xiàn)可忽略。圖5為臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心區(qū)域（4°×4°）平均的垂直渦度及其傾向的主要強(qiáng)迫項(xiàng)（除了層結(jié)項(xiàng)和斜壓項(xiàng)）的高度—時(shí)間演變分布，其中地轉(zhuǎn)渦度平流項(xiàng)較這些項(xiàng)小一個(gè)量級(jí)，是次要貢獻(xiàn)項(xiàng)，因此，不對(duì)其分布演變進(jìn)行分析。從圖5可以看出，臺(tái)風(fēng)（或氣旋）的垂直渦度的分布演變可以大致分為三個(gè)階段：臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦前（4日18時(shí)前），強(qiáng)垂直渦度區(qū)集中在中低層（8×10-5s-1的區(qū)域在400 hPa以下），在4日 06時(shí)附近強(qiáng)垂直渦度向高空擴(kuò)展；臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦時(shí)（4日18時(shí)至5日12時(shí)），整層垂直渦度先迅速明顯減弱，隨后中低層垂直渦度有所加強(qiáng)；臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦后（5日12時(shí)后），中低層垂直渦度有所維持，高層垂直渦度明顯加強(qiáng)，整層表現(xiàn)為較強(qiáng)的垂直渦度（基本大于8×10-5s-1）。該垂直渦度的演變與第3節(jié)分析得到的臺(tái)風(fēng)（或氣旋）的動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征變化一致。據(jù)此，下面分臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦前、中和后三個(gè)時(shí)段，診斷圖 5中的主要強(qiáng)迫項(xiàng)以及層結(jié)項(xiàng)和斜壓項(xiàng)及其對(duì)應(yīng)的物理過(guò)程了解臺(tái)風(fēng)并入東北冷渦整個(gè)過(guò)程中其動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化的原因。

5.1 臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦前

圖5 （a，b）臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心區(qū)域（4°×4°）平均的垂直渦度（填色，單位：10-5 s-1）及垂直渦度傾向的強(qiáng)迫項(xiàng) [（a）黑色和白色等值線分別為平流項(xiàng)（va）和垂直輸送項(xiàng)（vv）；（b）黑色和白色等值線分別為散度項(xiàng)（div）和相對(duì)平流項(xiàng)（rva）；單位：10-9 s-2）]的時(shí)間—高度剖面Fig. 5 Time-height cross sections of (a, b)area (4°×4°)mean vertical vorticity (shaded, unit: 10-5 s-1)and the forcing terms of vertical vorticity tendency (in(a), black and white contours represent advection term (va)and vertical transportation term (vv), respectively; in (b), black and white contours represent divergence term (div)and relative advection term (rva), respectively; units: 10-9 s-2)near the center of cyclone

上面分析顯示臺(tái)風(fēng)并入東北冷渦前其中低層維持強(qiáng)垂直渦度，這有利于并入東北冷渦前臺(tái)風(fēng)不致于消亡。分析顯示，臺(tái)風(fēng)高空暖心形成的高壓輻散（圖3a）對(duì)低層的抽吸和臺(tái)風(fēng)北側(cè)氣流與西風(fēng)帶氣流匯合（圖 1b）造成臺(tái)風(fēng)低空維持強(qiáng)輻合運(yùn)動(dòng)（圖 5b、圖 6a、b），從而促進(jìn)了其低層強(qiáng)垂直渦度的形成。臺(tái)風(fēng)低層輻合高空輻散導(dǎo)致的上升運(yùn)動(dòng)把低層強(qiáng)垂直渦度不斷往高空輸送，同時(shí)，西風(fēng)小槽底急流北側(cè)（ ζz≈-?u / ? y＞ 0 ）的正垂直渦度向下傳送至臺(tái)風(fēng)低層北側(cè)（移動(dòng)下游側(cè)），這促進(jìn)了臺(tái)風(fēng)中低層垂直渦度的加強(qiáng)（圖5a、圖6c、d）。臺(tái)風(fēng)北移與該西風(fēng)小槽合并（即相對(duì)平流項(xiàng)）也有利于低層垂直渦度的發(fā)展（圖 5b、圖 6c、d）。臺(tái)風(fēng)北側(cè)高層（400～200 hPa）偏東氣流帶來(lái)的明顯正垂直渦度平流（圖5a、圖6e、f）、中層（700～400 hPa）正垂直渦度的上傳（圖5a、圖6c、d）和低層輻合往高空擴(kuò)展（圖5b、圖6a、b）則促進(jìn)了強(qiáng)垂直渦度往高空擴(kuò)展。此外，在臺(tái)風(fēng)并入東北冷渦前，其環(huán)流中心與暖心基本重疊，即維持著偏正壓的大氣狀態(tài)，臺(tái)風(fēng)中心表現(xiàn)為較均勻的假相當(dāng)位溫分布（如圖 1a），因此，可以推斷層結(jié)項(xiàng)和斜壓項(xiàng)貢獻(xiàn)不大?？梢?jiàn)，臺(tái)風(fēng)并入東北冷渦前其中低層強(qiáng)度的維持主要?dú)w因于其本身的作用，西風(fēng)小槽與其合并則起到了一定的促進(jìn)作用。

5.2 臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦時(shí)

上面分析顯示臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦時(shí)其整層的垂直渦度先出現(xiàn)迅速的減弱，隨后其中低層垂直渦度出現(xiàn)加強(qiáng)。從圖7也可以看出，在臺(tái)風(fēng)減弱為熱低壓并開(kāi)始變性為溫帶氣旋進(jìn)入東北冷渦時(shí)，氣旋環(huán)流離開(kāi)對(duì)應(yīng)偏暖中心區(qū)（圖1b）的正垂直渦度高值中心區(qū)，其垂直渦度明顯減弱（圖 7a）。此后，氣旋進(jìn)入冷渦過(guò)程中其北側(cè)偏暖氣流與冷渦南側(cè)偏冷氣流持續(xù)交匯，氣旋位于假相當(dāng)位溫梯度高值區(qū)，其垂直渦度出現(xiàn)顯著的增長(zhǎng)（圖 7b–d）。分析顯示相對(duì)平流項(xiàng)和散度項(xiàng)對(duì)臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦時(shí)其整層垂直渦度先迅速減弱有著重要的貢獻(xiàn)（圖 5b）。在臺(tái)風(fēng)變性為溫帶氣旋移入東北冷渦時(shí)，冷渦槽底持續(xù)的強(qiáng)冷平流作用（圖 4b1、c1）使得氣旋環(huán)流與偏暖中心區(qū)分離（圖 1b），而偏暖中心區(qū)是垂直渦度發(fā)展的有利區(qū)域（高空暖心形成高壓輻散對(duì)低層抽吸造成輻合運(yùn)動(dòng)是垂直渦度發(fā)展的可能機(jī)制），它對(duì)應(yīng)了的垂直渦度的高值中心區(qū)（圖1b和圖7a，），即臺(tái)風(fēng)并入東北冷渦時(shí)與垂直渦度高值中心區(qū)分離。另外，臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦過(guò)程中不斷向急流入口區(qū)右側(cè)（急流流向?yàn)橄蚯?，下文同）靠近（圖略），急流右側(cè)為反氣旋切變，同時(shí)，急流入口區(qū)右側(cè)為輻散場(chǎng)，而絕對(duì)渦度為正（ ζa=ζz+f＞0），使得高空散度項(xiàng)有利于負(fù)垂直渦度傾向（圖 5b）。這些因素造成臺(tái)風(fēng)并入東北冷渦時(shí)整層垂直渦度先發(fā)生迅速減弱。下面分析氣旋整層垂直渦度出現(xiàn)減弱后中低層垂直渦度逐漸加強(qiáng)的原因。分析結(jié)果顯示，低層輻合和由其造成的上升運(yùn)動(dòng)對(duì)正垂直渦度往上輸送對(duì)氣旋中低層垂直渦度的加強(qiáng)起到一定的作用（圖5和圖8a1、a2），但是，由于氣旋與偏暖中心區(qū)分離，其低層輻合隨時(shí)間明顯減弱，輻合上升的減弱導(dǎo)致正垂直渦度上傳也隨之減少（圖8a1、a2）?？紤]到這段時(shí)間氣旋環(huán)流位于假相當(dāng)位溫梯度高值區(qū)（圖7a–d），即大氣斜壓性明顯，下面將討論斜壓效應(yīng)對(duì)氣旋中低層垂直渦度顯著增長(zhǎng)的可能作用機(jī)制。從假相當(dāng)位溫、風(fēng)矢量和垂直渦度分布的配置變化（圖8b1、b2）來(lái)看，氣旋中低層垂直渦度發(fā)生顯著增長(zhǎng)期間，氣旋中心附近的假相當(dāng)位溫等值線從垂直走向轉(zhuǎn)為向西傾斜（垂直剖面左側(cè)為西，右側(cè)為東），同時(shí)，氣旋東側(cè)低層（800 hPa以下）的假相當(dāng)位溫等值線轉(zhuǎn)為偏水平走向（圖8b2）。氣旋東側(cè)氣流沿著假相當(dāng)位溫等值線先水平向西移動(dòng)，然后在氣旋中心發(fā)生傾斜上升（圖8b2）。假相當(dāng)位溫等值線在氣旋中心向西傾斜和在其東側(cè)轉(zhuǎn)為偏水平分布主要由東北冷渦冷空氣不斷侵入氣旋中低層附近并形成冷空氣堆造成（圖 8c1、c2）。根據(jù)吳國(guó)雄等（1999）提出的傾斜渦度發(fā)展理論，氣塊沿著位溫等值線從水平運(yùn)動(dòng)到傾斜上升可以導(dǎo)致垂直渦度的爆發(fā)性增長(zhǎng)，該理論結(jié)合了層結(jié)效應(yīng)se()zθ、風(fēng)垂直切變sξ和斜壓性sse()θ?的影響。對(duì)于本個(gè)例，氣旋的垂直渦度顯著增長(zhǎng)區(qū)（400～800 hPa）基本沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)的垂直風(fēng)切變（圖8b1、b2），即水平渦度不大。基于此，為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)水平渦度s0=ζ。同時(shí)，假相當(dāng)位溫在干絕熱和濕絕熱過(guò)程中是守恒的，對(duì)于干空氣和濕空氣，假相當(dāng)位溫分別趨于干位溫和濕位溫。因此，干空氣或濕空氣的位渦可以表示為其中P和(θse)n為位渦和假相當(dāng)位溫梯度，ξn為比絕對(duì)渦度ξa= αζa沿假相當(dāng)位溫梯度方向的分量，ξz=α( ζz+f)為比垂直渦度，φ為比垂直渦度與假相當(dāng)位溫梯度的夾角。圖 9a為本個(gè)例垂直渦度傾斜發(fā)展的示意圖。位于M點(diǎn)的空氣塊沿著假相當(dāng)位溫等值線作偏水平運(yùn)動(dòng)，具有假相當(dāng)位溫梯度和比垂直渦度它們的夾角為φ，該空氣1塊沿著假相當(dāng)位溫等值線傾斜上升到達(dá)N點(diǎn)后，假相當(dāng)位溫梯度、比垂直渦度和它們的夾角分別變?yōu)楹挺?。在絕熱（干絕熱或濕絕熱）無(wú)摩2擦的條件下，空氣塊從M點(diǎn)傾斜上升到N點(diǎn)滿足位渦守恒，則有由于夾角φ2明顯大于φ1，因此，當(dāng)空氣塊傾斜上升路徑的假相當(dāng)位溫梯度沒(méi)有顯著差異時(shí)（即比垂直渦度ξ會(huì)顯著增加z基于比容α為常數(shù)和傾斜上升過(guò)程中地轉(zhuǎn)渦度f(wàn)基本不變的條件下，垂直渦度ζz會(huì)出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。

圖6 沿圖1的AB剖面的（a–f）垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）、（c–f）法向水平風(fēng)速（黑色等值線，單位：m s-1）、（a，b）散度（等值線，單位：10-3 s-1）、（c，d）正垂直渦度的垂直輸送（白色等值線為0.5×10-9 s-2）、垂直運(yùn)動(dòng)矢量（黑色和白色矢量分別為下沉和上升運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)劃、短劃和三角旗分別代表0.4、0.2和2 Pa s-1）和（e，f）垂直渦度平流（白色等值線，實(shí)線和虛線分別為正值和負(fù)值，間隔為2×10-9 s-2）的分布（a：3日18時(shí)；b和f：4日06時(shí)；c：3日12時(shí)；d和e：4日00時(shí)）。網(wǎng)格陰影區(qū)為地形，白色和黑色三角形分別標(biāo)記了500 hPa東北冷渦中心和臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心的位置Fig. 6 Vertical cross sections of (a–f)vertical vorticities (shaded, 10-3 s-1), (c–f)normal wind speeds (black contours, m s-1), (a, b)divergences (contours,10-3 s-1), (c, d)vertical transportations of positive vorticity (white contours of 0.5×10-9 s-2), vertical motion vectors (black and white vectors represent downward and upward motion, a long stroke, a short stroke, and a triangular flag denote 4, 2, and 20 Pa s-1, respectively), and (e, f)vertical vorticity advections(solid and dashed white contours with 2×10-9 s-2 interval represent positive and negative values, respectively)along line AB in Fig. 1 (a: 1800 UTC 3; b and f:0600 UTC 4; c: 1200 UTC 3; d and e: 0000 UTC 4 July). The grid-shaded areas represent topography, the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa

圖7 2004年7月4日18時(shí)至5日12時(shí)間隔6小時(shí)（a–d）500 hPa的垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）和假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）分布，白色三角形標(biāo)記了500 hPa臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心的位置Fig.7 (a–d)Distributions of vertical vorticities (shaded, 10-3 s-1)and pseudo-equivalent potential temperatures (contours, K)at 500 hPa during 1800 UTC 4–1200 UTC 5 July 2004 at 6-h interval, the white triangle represents the location of cyclone center at 500 hPa

第3節(jié)分析顯示在臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦過(guò)程中氣旋中層低壓呈現(xiàn)為與高空冷渦傾斜連接的分布形態(tài)，沿東北冷渦中心和氣旋中心連線剖面的垂直渦度分布（如圖10a、b）也顯示臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦過(guò)程中其中層正垂直渦度區(qū)與高空冷渦的正垂直渦度區(qū)傾斜相連。上面分析顯示臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦過(guò)程中不斷靠近高空冷渦外圍急流的反氣旋側(cè)，氣旋直接往高空發(fā)展受到抑制，而該分布形態(tài)有利于氣旋向高空冷渦傾斜發(fā)展。下面分析該分布形態(tài)形成的可能原因。對(duì)垂直渦度傾向的強(qiáng)迫項(xiàng)（除了層結(jié)項(xiàng)和斜壓項(xiàng)）的貢獻(xiàn)分析結(jié)果顯示，散度項(xiàng)是主要的貢獻(xiàn)項(xiàng)，而平流項(xiàng)也有較為明顯的正貢獻(xiàn)，它們對(duì)垂直渦度正傾向貢獻(xiàn)的分布均基本位于高空冷渦外圍急流軸的左側(cè)（圖10a–d）。其中急流入口區(qū)左側(cè)容易形成輻合運(yùn)動(dòng)（如對(duì)于偏經(jīng)向急流入口區(qū)，＞ 根據(jù)動(dòng)量方程，緯向風(fēng)擾動(dòng) u ′ ≈ ( 1/f )(dv / dt)0，急流入口區(qū)左側(cè)發(fā)生輻合運(yùn)動(dòng)），有利于正垂直渦度傾向（散度項(xiàng)），而急流軸左側(cè)為氣旋切變，受急流附近氣流輸送，可以形成較為明顯的正垂直渦度平流（平流項(xiàng)）。此外，根據(jù)式（1），垂直風(fēng)切變和斜壓性的共同作用是垂直渦度傾向的強(qiáng)迫項(xiàng)之一，具體表達(dá)為

圖8 2004年7月（a1，b1，c1）4日18時(shí)和（a2，b2，c2）5日12時(shí)沿圖1的（a1，a2）AB剖面的垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）、散度（黑色等值線，單位：10-3 s-1）、正垂直渦度的垂直輸送（白色等值線為0.5×10-9 s-2）和垂直運(yùn)動(dòng)矢量（黑色和白色矢量分別為下沉和上升運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)劃、短劃和三角旗分別代表0.4、0.2和2 Pa s-1）分布和沿圖1的（b1，b2）CD剖面的垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）、（b1，b2，c1，c2）假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K），（b1，b2）風(fēng)矢量（矢量為沿剖面的垂直速度 w ×1 0 0與水平風(fēng)速的合成，長(zhǎng)劃、短劃和三角旗分別代表4、2和20 m s-1）和（c1，c2）溫度距平（填色，單位：K）分布。網(wǎng)格陰影區(qū)為地形，黑色三角形標(biāo)記了500 hPa臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心的位置Fig. 8 Vertical cross sections of vertical vorticities (shaded, 10-3 s-1), divergences (black contours, 10-3 s-1), vertical transportations of positive vorticity(white contours of 0.5×10-9 s-2)and vertical motion vectors (black and white vectors represent downward and upward motion, a long stroke, a short stroke,and a triangular flag denote 4, 2, and 20 Pa s-1,respectively)along line AB in Fig. 1 (a1 and a2)and vertical cross sections of vertical vorticities(b1 and b2,shaded, 10-3 s-1), pseudo-equivalent potential temperatures (b1, b2, c1 and c2, contours, K), wind vectors (b1 and b2, the vectors denote the combination of with w×1 0 0 along the vertical cross section, a long stroke, a short stroke, and a triangular flag denote 4, 2, and 20 m s-1, respectively)and temperature advections (c1 and c2, shaded, K)along line CD in Fig. 1 at (a1, b1, c1)1800 UTC 4 and (a2, b2, c2)1200 UTC 5 July 2004. The grid-shaded areas represent topography, the black triangle represents the location of cyclone center at 500 hPa

其中sseθ?、se()zθ（不為零）和ssα=ξζ分別為假相當(dāng)位溫的水平、垂直梯度和比水平渦度。式（2）表明，在高空穩(wěn)定層結(jié)下（ (θse)z＞ 0 ），垂直渦度的隨體變化dζz/ dt與斜壓性和假相當(dāng)位溫共同作用的隨體變化 d (ξs·?sθse)/dt相反，即ξs·?sθse負(fù)異常會(huì)導(dǎo)致垂直渦度ζz正異常的產(chǎn)生。從圖1b、圖4a1–c1和圖7等顯示的東北冷渦和氣旋高低空的位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和假相當(dāng)位溫分布可得圖 9b顯示的氣旋靠近東北冷渦時(shí)水平渦度和假相當(dāng)位溫水平梯度的特征分布。當(dāng)氣旋逐漸靠近東北冷渦時(shí)，高空冷渦東南側(cè)的偏西南急流和氣旋高層西北側(cè)的偏東北氣流形成的明顯垂直風(fēng)切變產(chǎn)生了顯著的偏西向水平渦度 ζs≈(- ?v / ? z,? u / ? z)。同時(shí)，氣旋北側(cè)的偏暖東風(fēng)和東北冷渦東南側(cè)偏冷西風(fēng)相遇在氣旋和冷渦之間形成了偏東向的假相當(dāng)位溫水平梯度?sθse。偏西向的水平渦度ζs和偏東向的假相當(dāng)位溫水平梯度?sθse導(dǎo)致ξs·?sθse＜0，即出現(xiàn)ξs·?sθse負(fù)異常，這將促進(jìn)垂直渦度ζz正異常的產(chǎn)生，即垂直渦度加強(qiáng)。從沿東北冷渦與氣旋中心連線垂直剖面的ζs·?sθse和垂直渦度分布（圖10e、f）可以看出，對(duì)于 (θse)z≠0的區(qū)域，ζs·?sθse的負(fù)中心區(qū)（即ξs·?sθse的負(fù)中心區(qū)）與氣旋北側(cè)向高空冷渦傾斜延伸的正垂直渦度區(qū)分布非常一致，并且基本位于急流軸的左側(cè)。從上述分析可見(jiàn)，高空冷渦外圍急流軸左側(cè)是垂直渦度發(fā)展的有利區(qū)域，而急流軸（圖 10中的虛線）的傾斜使得正垂直渦度區(qū)隨之發(fā)生傾斜，從而連通了高空冷渦和氣旋中層的正垂直渦度區(qū)。其中高空冷渦外圍急流軸發(fā)生傾斜與臺(tái)風(fēng)環(huán)流的向上發(fā)展和變性后氣旋向冷渦移近有關(guān)：臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦前，高空冷渦外圍急流位于臺(tái)風(fēng)環(huán)流之上，臺(tái)風(fēng)往高空發(fā)展導(dǎo)致氣旋環(huán)流隨之往高空擴(kuò)展（圖6e、f），使得高空急流近臺(tái)風(fēng)環(huán)流一側(cè)被削弱，急流軸發(fā)生傾斜；隨著臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦，氣旋環(huán)流不斷移至高空冷渦外圍急流之下并逐漸削弱高空急流近氣旋環(huán)流一側(cè)，有利于急流軸維持傾斜（見(jiàn)圖10e、f中氣旋環(huán)流和急流軸的變化）?？梢?jiàn)，臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦過(guò)程中其環(huán)流的移動(dòng)使得高空冷渦外圍急流軸維持傾斜，傾斜的急流軸左側(cè)的熱動(dòng)力分布特征有利于垂直渦度的發(fā)展，從而促進(jìn)了氣旋向高空冷渦傾斜發(fā)展。

圖9 （a）垂直渦度傾斜發(fā)展 [參考了吳國(guó)雄和劉還珠（1999）的圖 2]和（b）氣旋靠近東北冷渦時(shí)水平渦度與假相當(dāng)位溫水平梯度的特征分布示意圖Fig. 9 Schematic diagrams for (a)the slantwise development of vertical vorticity [Fig.2 in Wu and Liu (1999)is referred to]and (b)the characteristic spatial distribution between horizontal vorticity and horizontal gradient of pseudo-equivalent potential temperature when the cyclone approached the Northeast cold vortex

5.3 臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦后

圖10 2004年7月（a，c，e）4日18時(shí)和（b，d，f）5日00時(shí)沿圖1的AB剖面的（a–f）垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）、（a–f）法向水平風(fēng)速（黑色等值線，向里為正，向外為負(fù)，m s-1）、垂直渦度傾向方程的（a，b）散度項(xiàng)（白色等值線，單位：10-9 s-2）和（c，d）平流項(xiàng)（白色等值線，單位：10-9 s-2）以及（e，f）ssseθ·?ζ（白色等值線，單位：10-7 K m-1 s-1）的分布。粗虛線為高空急流軸，網(wǎng)格陰影區(qū)為地形，白色和黑色三角形分別標(biāo)記了500 hPa東北冷渦中心和臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心的位置Fig. 10 Vertical cross sections of vertical vorticities (a–f, shaded, 10-3 s-1), normal wind speeds (a–f, black contours, the positive and negative contours represent winds inward and outward, m s-1), divergence term (a and b, white contours, 10-9 s-2)and advection term (c and d, white contours, 10-9 s-2)of vertical vorticity tendency, andssseθ·?ζ (e and f, white contours, 10-7 K m-1 s-1)alongline AB in Fig. 1 at (a, c, e)1800 UTC 4 and (b, d, f)0000 UTC 5 July 2004.The thick dashed lines denote the upper-level jet axes, the grid-shaded areas represent topography, the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa

上面熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)和垂直渦度分布均顯示臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦后氣旋由中低層向高層發(fā)展，低壓中心位于高層300～200 hPa之間（圖3c、d、圖5）。從垂直渦度傾向的診斷來(lái)看，高層（300 hPa以上）大氣基本為正壓狀態(tài)，并且其層結(jié)沒(méi)有明顯變化（圖略），據(jù)此，可以推斷層結(jié)項(xiàng)和斜壓項(xiàng)對(duì)高層垂直渦度的發(fā)展貢獻(xiàn)不大，而從其他強(qiáng)迫項(xiàng)的貢獻(xiàn)大小和分布來(lái)看，該時(shí)段氣旋向高層發(fā)展主要與高層正垂直渦度平流有關(guān)（圖5a）。從250 hPa的垂直渦度和急流分布演變（圖 11）可以看出，在 5日06時(shí)～6日00時(shí)期間，東北冷渦高空槽底的正垂直渦度高值區(qū)不斷向氣旋高空平流，即存在明顯的正垂直渦度平流，這非常有利于氣旋向高空發(fā)展。其中正垂直渦度高值區(qū)的形成與東北冷渦槽底向東移的高空急流（J5和J5-6）有關(guān)（ζz≈-? u / ? y ＞ 0 ）。從沿東北冷渦和氣旋中心連線剖面的垂直渦度、法向水平速度和垂直渦度平流的分布（圖12）也可以看出，5日06時(shí)和12時(shí)氣旋高空出現(xiàn)明顯的正垂直渦度平流，該正垂直渦度平流基本由高空冷渦外圍氣流輸送造成，受此影響，氣旋中層的正垂直渦度高值區(qū)（大于8×10-5s-1的區(qū)域）迅速向高空擴(kuò)展（圖12a和12b）。5日18時(shí)～6日00時(shí)，氣旋的正垂直渦度高值區(qū)擴(kuò)展至高層200 hPa（圖12c、d）。在該時(shí)段，氣旋由正垂直渦度高值區(qū)的正前方移至其北側(cè)（圖 11c、d），其高空的氣旋環(huán)流不斷從正垂直渦度高值區(qū)輸送正垂直渦度至其偏北側(cè)（圖 12c、d），使得氣旋高層強(qiáng)度維持。隨著氣旋環(huán)流向高層發(fā)展，東北冷渦中心東南側(cè)的高空急流被削弱，即東北冷渦中心外圍環(huán)流減弱，東北冷渦中心和其東南側(cè)高空急流發(fā)生北撤（圖 11c、d；圖12c、d）?？梢?jiàn)，氣旋并入東北冷渦后，高空冷渦外圍的正垂直渦度平流使得氣旋迅速向高空發(fā)展，發(fā)展后的氣旋環(huán)流削弱了東北冷渦環(huán)流，造成其發(fā)生北撤。

圖11 2004年7月5日06時(shí)～6日00時(shí)間隔6小時(shí)（a–d）250 hPa的垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）和水平風(fēng)速（等值線，單位：m s-1）分布。J4、J5和J6為高空急流標(biāo)記，J2-3和J5-6表征兩處高空急流的合并，白色和黑色三角形分別標(biāo)記了500 hPa東北冷渦中心和臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心的位置Fig. 11 (a–d)Distributions of vertical vorticities (shaded, 10-3 s-1)and horizontal wind speeds (contours, m s-1)at 250 hPa during 0600 UTC 5–0000 UTC 6 July 2004 at 6-h interval. J4, J5, and J6 represent upper-level jets, J2-3 and J5-6 represent the combinations of two upper-level jets, the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa

6 結(jié)論

東北冷渦是影響我國(guó)東北地區(qū)夏季暴雨的主要天氣系統(tǒng)之一，當(dāng)臺(tái)風(fēng)與東北冷渦相互作用時(shí)則可以造成大范圍的暴雨。臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離間接輸送水汽至東北冷渦和臺(tái)風(fēng)北上變性并入東北冷渦是造成大范圍暴雨的兩種主要形式。其中臺(tái)風(fēng)北上變性并入東北冷渦過(guò)程對(duì)雙方的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變化更大，但由于相關(guān)的研究很少，并且局限于天氣學(xué)分析，臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦過(guò)程中的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化特征及其物理機(jī)制尚不清晰。因此，本文利用NCEP再分析資料對(duì)一次臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦過(guò)程中的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化特征進(jìn)行分析，并通過(guò)動(dòng)力診斷分析初步探討其中的物理機(jī)制，分析結(jié)果顯示：

圖12 （a–d）2004年7月5日06時(shí)～6日00時(shí)間隔6小時(shí)沿圖1的AB剖面的垂直渦度（填色，單位：10-3 s-1）、法向水平風(fēng)速（黑色等值線，向里為正，向外為負(fù)，單位：m s-1）和垂直渦度平流（白色等值線，單位：10-9 s-2）分布。J5、J2-3和J5-6對(duì)應(yīng)了圖11中的高空急流，網(wǎng)格陰影區(qū)為地形，白色和黑色三角形分別標(biāo)記了500 hPa東北冷渦中心和臺(tái)風(fēng)（或氣旋）中心的位置Fig. 12 (a–d)Vertical cross sections of vertical vorticities (shaded, 10-3 s-1), normal wind speeds (black contours, the positive and negative contours represent winds inward and outward, m s-1)and vertical vorticity advections (white contours, 10-9 s-2)along line AB in Fig. 1 during 0600 UTC 5-0000 UTC 6 July 2004 at 6-h interval. J5, J2-3 and J5-6 are the same upper-level jets indicated in Fig. 11, the grid-shaded areas represent topography, the white and black triangles represent the locations of the centers of Northeast cold vortex and cyclone at 500 hPa

（1）在臺(tái)風(fēng)移近和變性并入東北冷渦的過(guò)程中，高空冷渦槽前和臺(tái)風(fēng)（或氣旋）高層北側(cè)的高空暖平流造成臺(tái)風(fēng)高空暖區(qū)向高空冷渦槽前傾斜。東北冷渦槽底冷空氣從中低層到整層對(duì)臺(tái)風(fēng)的不斷侵入以及臺(tái)風(fēng)移動(dòng)產(chǎn)生的相對(duì)冷平流使得臺(tái)風(fēng)的暖心結(jié)構(gòu)逐漸消亡，其低層低壓輻合和高層高壓輻散的動(dòng)力結(jié)構(gòu)隨之消失。

（2）在臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦的過(guò)程中，一方面，氣旋位于高空冷渦外圍急流的反氣旋切變側(cè)，不利于其直接向高空發(fā)展。另一方面，高空冷渦外圍急流軸左側(cè)（急流流向?yàn)橄蚯埃┑臒釀?dòng)力分布特征有利于垂直渦度的發(fā)展，而變性后的氣旋環(huán)流向東北冷渦的移近有利于高空冷渦外圍急流軸維持傾斜，從而造成氣旋向高空冷渦傾斜發(fā)展。

（3）在臺(tái)風(fēng)變性并入東北冷渦過(guò)程中，冷渦冷空氣侵入氣旋低層附近形成冷中心，假相當(dāng)位溫等值線隨之發(fā)生傾斜。氣旋東側(cè)氣流沿著假相當(dāng)位溫等值線傾斜上升導(dǎo)致氣旋中層垂直渦度顯著增長(zhǎng)（根據(jù)傾斜渦度發(fā)展理論）。

（4）在臺(tái)風(fēng)變性為溫帶氣旋并入東北冷渦后，高空冷渦槽底的正垂直渦度平流促進(jìn)氣旋直接往高空發(fā)展，而高空冷渦槽底向東移的急流有利于高空平流的正垂直渦度的不斷形成。氣旋環(huán)流向高空發(fā)展導(dǎo)致東北冷渦高層環(huán)流減弱，高空冷渦中心出現(xiàn)北撤。

上述分析結(jié)果揭示了東北冷渦作為典型的高空冷渦，其外圍高空急流對(duì)臺(tái)風(fēng)并入東北冷渦過(guò)程中的發(fā)展具有重要的影響，這可能是該類天氣過(guò)程的重要特點(diǎn)，未來(lái)將繼續(xù)分析該類天氣過(guò)程的個(gè)例，并與臺(tái)風(fēng)變性并入西風(fēng)槽過(guò)程的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)其共性特征。

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