摘要：2012年和2013年夏季有兩個高原低渦向東北方向移出青藏高原，隨后在西北地區(qū)引發(fā)暴雨天氣，其中2013年的高原低渦移動路徑更加偏東，其暴雨強度更強、落區(qū)偏東且范圍更廣?；贓RA-Interim再分析資料和臺站降水資料，對比分析兩次高原低渦移動過程中的大尺度環(huán)流以及低渦對強降水的影響，并結(jié)合濕位渦進行診斷分析。結(jié)果表明：500 hPa河套高壓脊與200 hPa西風(fēng)急流對高原低渦的移動存在顯著影響，兩者位置及強度的差異是造成兩次高原低渦移出位置不同的主要原因。低渦高（低）層輻散（輻合）結(jié)構(gòu)有利于垂直運動的發(fā)展，為暴雨提供了有利的動力條件。低渦的低層輻合有利于水汽向暴雨區(qū)輸送。正壓濕位渦診斷結(jié)果表明2013年低渦過程暴雨區(qū)有更強的不穩(wěn)定條件；斜壓濕位渦診斷表明2013年低渦過程有來自西太平洋的暖濕氣流向暴雨中心輸送。

關(guān)鍵詞：東北移高原低渦；移動路徑；大尺度環(huán)流；強降水；濕位渦

中圖分類號：P458.1+21"" 文獻標(biāo)志號：A""" DOI：10.12406/byzh.2022-014

Comparative analysis of two heavy precipitation events in Northwest China induced by northeastward Tibetan Plateau vortices

QING Yiyu1， HUANG Yujing1， SUN Fang1， ZHOU Shunwu1， MA Shujun2

（1. College of Atmospheric Sciences， Nanjing University of Information Science amp; Technology， Nanjing 210044;2. Lhasa Municipal Meteorological Bureau of Tibet Autonomous Region， Lhasa 850011）

Abstract： In the summer of 2012 and 2013， two northeastward-moving Tibetan Plateau vortices （referred to as TPV） moved out of the Tibet- an Plateau （referred to as plateau）， and then caused heavy rain in the northwest region. In 2013， The moving path of TPV was more eastward， and the heavy rain intensity was stronger， and the falling area was eastward and wider. Based on the ERA-Interim reanalysis data and the sta- tional precipitation data， the large-scale circulation and the influence of TPVs on the heavy precipitation were compared and analyzed dur- ing the movement of the two TPVs. The wet potential vortex is used to diagnose the two rainstorms. The results show that the Hetao high pres- sure ridge at 500 hPa and the westerly jet at 200 hPa have a" significant impact on the movement of TPVs. The configuration of divergence （convergence） in the upper （lower） layer of the lower vortex benefits to a stronger upward movement， which provides powerful dynamic condi- tions for the rainstorms. The convergence of the vortex in the lower level is conducive to the transport of water vapor to the rainstorm area. The diagnostic results of barotropic wet potential vortex （MPV1） indicate that the rainstorm area in 2013 has stronger unstable conditions; the diagnosis of baroclinic wet potential vortex （MPV2） indicates that warm and humid air from the western Pacific is transported to the center of rainstorm in 2013.

Key words： northeastward Tibetan Plateau vortices; moving tracks; large-scale circulation; heavy precipitation; moist potential vorticity

引言

高原低渦（以下簡稱低渦）是出現(xiàn)在青藏高原（以下簡稱高原）的一種α中尺度低壓渦旋系統(tǒng)，主要存在于500 hPa等壓面上，生命期在1～3 d，是高原夏季特有的天氣系統(tǒng)（葉篤正和高由禧，1979；郁淑華，2008）。低渦不僅是高原的主要降水系統(tǒng)，在有利環(huán)流背景下，少數(shù)低渦會移出高原主體，并在高原下游地區(qū)引發(fā)大范圍的強降水，甚至出現(xiàn)大范圍的暴雨天氣，從而造成嚴(yán)重氣象災(zāi)害（郁淑華等，2015；李國平和張萬誠，2019）。

統(tǒng)計分析的結(jié)果表明，低渦移出高原后的移動路徑主要以東移路徑為主，其次為東北移和東南移（李國平，2002；王鑫等，2008，2009；Lin，2015）。針對東移低渦的研究已取得了諸多成果。劉富明和洑梅娟（1986）指出東移的低渦在其東部都具有高層輻散、低層輻合，并伴有上升運動調(diào)整兩層質(zhì)量的特性。郁淑華和高文良（2016）認(rèn)為低渦東移出高原主要是受西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)與副熱帶天氣系統(tǒng)的相互作用以及對流層中層與上層的天氣系統(tǒng)相互作用的影響。Li 等（2019）發(fā)現(xiàn)低渦的輻合環(huán)流和西風(fēng)急流的輻散氣流有利于低渦東移發(fā)展。何光碧等（2014）證實低渦使降水區(qū)處于輻合上升環(huán)流控制，為暴雨提供有利的動力和熱力條件。濕位渦（MPV）作為一個能同時表征大氣動力、熱力和水汽性質(zhì)的綜合物理量，近年來被廣泛應(yīng)用于暴雨等強對流診斷分析（壽紹文等，2001；高守亭等，2002）。黃楚惠和李國平（2007）分析了一次東移低渦強降水，指出濕位渦對降水落區(qū)具有指示性。

目前對于東移低渦移動機制及其對我國東部地區(qū)強降水影響的研究成果相當(dāng)豐富。東北移低渦數(shù)量僅次于東移低渦，在移出低渦中約占30%，低渦生命史通常較短（王鑫等，2009；Lin et al.，2020），然而關(guān)于東北移低渦對我國西北地區(qū)降水影響的認(rèn)識還不足。西北地區(qū)是典型的干旱/半干旱地區(qū)，年均降水量約為300 mm，且主要集中在夏季（商沙沙等，2018）。低渦作為夏季活躍的降水系統(tǒng)，極易產(chǎn)生暴雨天氣，移入西北地區(qū)往往會引發(fā)山洪、泥石流等次生災(zāi)害（黃玉霞等，2019）。因此，研究東北移低渦活動特征及其對西北地區(qū)強降水的觸發(fā)作用尤為重要。

2012年6月5日00時（世界時，下同）和2013年7月21日12時有兩次低渦向東北方向移出高原后進入西北地區(qū)，由于前一個低渦是從高原北側(cè)移出，后一個低渦是從高原東側(cè)移出，路徑相對偏東，分別引起河套地區(qū)（李文莉等，2013；孔祥偉等，2015）和陜甘寧地區(qū)出現(xiàn)暴雨天氣（趙強等，2017）。針對這兩次極端暴雨個例雖已有診斷分析，強調(diào)了低渦對暴雨的直接影響，但未對比分析這兩次低渦移動路徑及低渦對暴雨影響的差異。為了研究兩次暴雨過程的降水強度、落區(qū)與低渦之間的關(guān)系，本文將首先分析大尺度環(huán)流條件對兩次低渦移動路徑的影響，探討低渦不同路徑對暴雨落區(qū)的影響，然后通過濕位渦診斷，定量對比濕位渦各分量對暴雨的貢獻。

1資料和方法

依據(jù)中國氣象局成都高原氣象研究所編撰的《青藏高原低渦切變線年鑒》的低渦記錄，并通過再分析資料識別后選取2012年6月3—5日低渦過程（簡稱“6·03”過程）和2013年7月19—22日低渦過程（簡稱“7·19”過程）。這兩次低渦都屬于東北移低渦，并且引發(fā)西北地區(qū)出現(xiàn)極端暴雨。使用ERA-Interim數(shù)據(jù)集" （時間間隔為6 h，空間分辨率為0.5°×0.5°）進行大尺度環(huán)流分析及濕位渦計算。利用中國自動站與 CMORPH 1°×1°逐小時融合降水資料以及中國氣象局國家氣象信息中心2944個站點逐日降水觀測資料，分析降水量及降水落區(qū)。

濕位渦是一個能同時反映大氣熱力和動力性質(zhì)的物理量。在p坐標(biāo)系下，濕位渦（FMPV）表達式為（吳國雄等，1995）。

上式中右端第一項為正壓濕位渦（MPV1），反映了對流穩(wěn)定度的作用；第二項為斜壓濕位渦（MPV2），可作為暖濕空氣的示蹤。濕位渦單位為 PVU，1 PVU=10-6 m2 K s-1 kg-1（""" ···）。

2高原低渦移動過程和降水概況

圖1給出了兩次低渦的移動路徑及低渦過程總降水量。兩次低渦未移出高原時，受限于水汽條件，在高原產(chǎn)生降水較弱。當(dāng)?shù)蜏u移出高原后，在低渦附近出現(xiàn)了強降水?！?·03”過程的低渦于2012年6月3日06時生成于西藏西北部，4日18時低渦從高原北側(cè)移出后進入河西走廊地區(qū)，于5日12時消亡于內(nèi)蒙古西部，歷時60 h （圖1a）?！?·03”過程的強降水出現(xiàn)在5日，集中在酒泉地區(qū)，該日有31個站出現(xiàn)中-大雨，其中2個站出現(xiàn)暴雨（肅北站24 h降水量達93.8 mm，玉門站達79.5 mm）?？梢姟?.03”過程低渦路徑相對偏西，且從降水落區(qū)主要位于低渦附近。

“7·19”過程的低渦于2013年7月19日18時生成于西藏西部，21日06時低渦從高原東側(cè)移出后進入黃土高原，于22日00時消亡于內(nèi)蒙古中部，歷時54 h （圖1b）。21日甘肅東部、漢中、陜北南部到關(guān)中北部出現(xiàn)強降水，其中97個站出現(xiàn)中—大雨，17個站出現(xiàn)暴雨，6個站出現(xiàn)大暴雨，為歷史罕見。如靈臺站的24 h 降雨量達184.6 mm，富縣站達151.9 mm，均打破有記錄以來日降水量極值?！?·19”過程中低渦移動無明顯北折，路徑偏東，暴雨強度更強，范圍更大且降水落區(qū)位于低渦東側(cè)。

3與低渦移動相關(guān)環(huán)流背景

3.1500 hPa環(huán)流場

以上分析可知，兩次低渦移出高原后的移動路徑差異明顯，圖2給出了兩次低渦即將移出高原時（低渦最后一次處于高原）的500 hPa環(huán)流場。2012年6月4日18時500 hPa亞洲中高緯為兩槽一脊的環(huán)流型（圖2a），河套地區(qū)出現(xiàn)明顯的高壓脊。受到此高壓脊的阻擋，低渦沿脊西側(cè)偏南風(fēng)向北進入河西走廊。2013年7月21日06時500 hPa亞洲中高緯上空呈緯向環(huán)流型（圖2b），河套地區(qū)以南為弱高壓脊，低渦移出高原時受高壓脊阻擋作用弱，同時由于西太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）西伸至110°E，不利于低渦東移，低渦向東北移入黃土高原，東北移低渦路徑偏東。

3.2200 hPa環(huán)流場

南亞高壓常作為對流層上層長期存在的強大背景場，制約著中低層不同尺度的環(huán)流（朱福康，1980）。2012年6月4日18時南亞高壓中心位于高原南側(cè)25°N 附近（圖3a），河套地區(qū)位于南亞高壓北側(cè)西風(fēng)急流的入口區(qū)南側(cè)，高空輻散有利于河套地區(qū)出現(xiàn)上升運動，有利于低渦向河套地區(qū)移動。2013年7月21日06時南亞高壓中心明顯北抬至30°N附近（圖3b），西風(fēng)急流位于高原北部，呈狹長的東西帶狀分布，陜北位于急流入口區(qū)右側(cè)，為正渦度平流及高空輻散區(qū)，受高空偏西風(fēng)的影響，低渦移向偏東。

綜上可知，500 hPa河套高壓脊與200 hPa西風(fēng)急流的位置和強弱對低渦移向有顯著的影響?！?·03”過程由于河套高壓脊偏強且急流經(jīng)向度更大，低渦移向偏北；“7·19”過程由于河套高壓脊經(jīng)向度較弱，阻擋作用不明顯，同時西風(fēng)急流偏北偏強，低渦路徑偏東。

4兩次高原低渦強降水過程的動力和熱力條件

4.1高原低渦對強降水的動力作用

低渦是引發(fā)暴雨的直接影響系統(tǒng)，為了分析低渦對強降水的動力作用，圖4給出了兩次強降水中心的相對渦度和散度的高度-時間剖面圖。由圖可見，“6·03”過程強降水開始于6月5日00時（圖4a），“7·""""" 19”過程強降水開始時刻為7月21日12時（圖4b）。強降水發(fā)生前，對流層以負(fù)渦度（陰影區(qū)）為主；強降水開始后暴雨區(qū)上空對流層中層正渦度開始出現(xiàn)。在“6·03”過程的強降水期間，整層正渦度不斷增大，最大正渦度達到8×105 s-1以上。“7·19”過程的強降水時段400 hPa以下高度為正渦度控制，雖然其正渦度高度較低，但低層正渦度出現(xiàn)時間較強降水至少提前6 h 。從散度（等值線）分布來看，兩次強降水開始前后均維持高層輻散和低層輻合，高低空配置有利于強降水的出現(xiàn)和維持?！?·03”過程高低空配置持續(xù)時間短，而“7·19”過程這種配置持續(xù)時間長且強度更強，上升運動更明顯、更持久，導(dǎo)致“7·19”過程的總降水量明顯大于“6·03”過程的總降水量。

4.2高原低渦強降水的水汽條件

水汽通量散度能夠反映水汽的集中情況，圖5給出了兩次強降水時的整層水汽通量及其散度的分布?！?·03”過程強降水區(qū)主要位于低渦附近，水汽主要來自西風(fēng)輸送（圖5a），而西風(fēng)輸送的水汽量級較小，導(dǎo)致降水區(qū)水汽輻合較弱，因此降水持續(xù)時間較短，且降水量較小?！?·19”過程強降水區(qū)位于低渦南側(cè)，降水區(qū)除了有西風(fēng)輸送外，還有來自副高外圍的南風(fēng)水汽輸送，水汽輻合區(qū)呈東北—西南向帶狀分布（圖5b），南方的暖濕氣流向降水區(qū)輸送了充沛水汽，導(dǎo)致降水量較大。

以上分析發(fā)現(xiàn)，“6·03”過程降水區(qū)水汽來源單一，以西風(fēng)輸送為主，水汽輸送量級偏??；“7·19”過程降水區(qū)有多條水汽來源，特別是受副熱帶高壓影響，南風(fēng)向降水區(qū)輸送了充沛的水汽。

4.3濕位渦分析

為進一步分析兩次低渦對暴雨的影響，圖6給出了暴雨中心的MPVl和MPV2的經(jīng)度-高度剖面。由圖6a、c 可知，暴雨區(qū)及其東側(cè)在500 hPa以下均為MPVl的負(fù)值區(qū)（圖中的陰影區(qū)），即為對流不穩(wěn)定區(qū)，其中“7·19”過程暴雨區(qū)上空的MPV1負(fù)值達到-4×10-1 PVU，而“6·03”過程暴雨區(qū)上空的MPV1負(fù)值僅為-0.5×10-1 PVU 。因此“7·19”過程暴雨區(qū)存在更強的不穩(wěn)定條件；受地形抬升影響，兩次強降水中心也存在明顯的上升運動（圖中的矢量箭頭）。

再對比分析兩次暴雨中心的 MPV2分布，“6·03”過程暴雨區(qū)上空為MPV2的正值，但僅為1.5×10-1 PVU" """ （圖6b），而“7·19”過程在暴雨區(qū)及其東部上空MPV2的正值區(qū)，達到4×10-1 PVU（圖6d），表明水汽輸送充沛，與圖5的結(jié)論一致?！?·03”過程主要是西風(fēng)水汽輸送，“7·19”過程還存在著副熱帶高壓的水汽輸送。

5結(jié)論與討論

本文選取兩個東北移低渦引發(fā)強降水典型個例，分析和比較了兩次低渦移動路徑以及低渦對暴雨影響及其差異，采用濕位渦診斷方法對低渦暴雨進行診斷分析。主要結(jié)論如下：

（1）低渦移動受500 hPa引導(dǎo)氣流和200 hPa急流共同影響?！?·03”（“7·19”）過程低渦移出高原后受到河套高壓脊（弱高壓脊）阻擋而向東北（偏東）移動；高空急流經(jīng)向度大（?。?，河套（陜甘寧）地區(qū)處于急流入口區(qū)右側(cè)，高空輻散和上升運動有利于低渦向北（東）方向移動。

（2）低渦附近出現(xiàn)強降水時，強降水區(qū)域高（低）層輻散（輻合）的配置結(jié)構(gòu)有利于垂直運動，為降水提供更強上升運動?！?·19”過程高低空配置更明顯，持續(xù)時間更長，使得降水強度更強，落區(qū)更廣。

（3）“6·03”過程水汽主要來源于低渦西側(cè)的偏西風(fēng)輸送，水汽輻合較弱，導(dǎo)致降水量較小?！?·19”過程水汽不僅有低渦輻合，還有來源于副高的外部水汽輸送，水汽輻合區(qū)呈帶狀分布，輻合較強，導(dǎo)致降水量較大。

（4）濕位渦對高原低渦引發(fā)的暴雨有良好的診斷效果。正壓濕位渦（MPV1）的負(fù)值區(qū)和斜壓濕位渦（MPV2）的正值區(qū)均出現(xiàn)在兩次暴雨中心上空。但“6·03”過程的MPV1正值和MPV2負(fù)值的絕對值均小于“7·19”過程。說明“7·19”過程暴雨區(qū)具有更強的不穩(wěn)定條件和更充沛的水汽輸送。

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（責(zé)任編輯鄧雯）