system: [SYSTEM]

user: 4. 干湿位涡变化特征 4.1. 等熵位涡分布特征 田秀霞等 [ 14 ] 、吴蓁等 [ 15 ] 采取等熵位涡方法研究了西南涡暴雨、台风暴雨过程中的位涡与雨带的对应关系指出等熵位涡的大值带与降水区对应较好，异常中心的出现具有指示效果。因此，根据文献 [ 16 ] 提供的等熵位涡计算方法，分别计算了代表大气高低层的335 K和310 K两个等熵面。有研究指出 [ 16 ] - [ 18 ] 台风的移动与等熵位涡的变化有着密切的关系，位涡值的分布一般是高层大于低层，高纬度大于低纬度，位涡中心对应气旋中心。但对于台风系统来说，高层位涡大于低层位涡，台风中心的位涡值大于外围气流的位涡值。当台风强度为强台风时，气流辐合中心和台风中心重合，台风中心位于等熵位涡中心的右下侧，当台风强度逐渐减弱后，气旋中心与等熵位涡高值中心重合，而位于气流辐合中心的右上侧。19日08时，气流辐合区中心位涡值达到4.0 PVU，未来6 h大暴雨中心位于桂南地区流线辐合的区域(图3(a))；20时，随着台风离开广西，位涡中心值骤降到2.0 PVU，台风强度减弱为9级，6 h暴雨中心位于广西中西部地区，等熵位涡大值中心的右侧(图3(b))；20日02时，台风强度为热带风暴，中心值继续下降降到1.6 PVU，暴雨中心位于位涡中心右侧的广西西部(图3(c))；20日08时，台风停编位后，位涡中心也由原来的单位涡中心分裂成南北相向的双位涡中心，气流辐合中心与位涡中心不一致，此时未来6 h降雨量已经明显减小(图3(d))。355 K等压面情况与310 K基本一致，只是高层等熵位涡中心值大于低层(图4)。 以上分析表明：台风中心位涡值为最大，当台风强度减弱位涡中心值也减弱，高层位涡值大于低层位涡值。当台风强度为强台风时，气流辐合中心和台风中心重合，台风中心位于等熵位涡中心的右下侧，未来6 h大暴雨中心位于气流辐合区。当台风强度减弱为热带风暴，台风中心与等熵位涡高值中心重合，而位于气流辐合中心的右上侧，6 h大暴雨中心位于位涡右侧。说明台风强度对于未来6 h大暴雨中心存在影响。 4.2. 湿位涡分布特征 根据文献 [ 19 ] 得知湿位涡(MPV)概念引进了大气中两种不稳定机制，即将对流不稳定和湿斜压性对称不稳定联系在一起，并提供了不稳定判别机制，分析湿位涡这一综合物理量分布特征及其对暴雨的指示性。 由湿位涡的定义可知，MPV = MPV 1 + MPV 2 。其中，MPV 1 是正压项，MPV 1 > 0，表示大气对流稳定，MPV 1 < 0，表示大气对流不稳定，MPV 2 是斜压项，与风的垂直切变和相当位温的水平梯度相关，表征了大气斜压性的发展 [ 19 ] ，负值绝对值越大，大气的斜压性越强，利于降水的产生，所以需关注MPV 1 < 0的区域以及MPV 2 < 0的区域。从湿位涡分布(图5(a))可见，当台风以强台风强度登陆时，MPV 1 的一个负值中心位于广西北海市，同时广东沿岸存在一个较小的负值中心，MPV 1 最大值区域沿东北西南走向呈对称“蝶形”分布，台风中心位于MPV 1 正负值密集交界处，未来6 h暴雨中心大都位于MPV 1 > 0且MPV 2 < 0处，MPV 2 负值的出现表示大气斜压性增强，有利于降水的增幅 [ 4 ] 。19日20时，台风强度减弱，广西沿海地区MPV 1 < 0的绝对值减弱，说明沿海地区对流不稳定减弱，预示着未来6 h的累计降雨量减小；随着台风向西北移动，广西大部地区受正压项的负值区域控制，暴雨中心向北扩展，未来6 h暴雨中心大部分位于MPV 1 < 0，MPV 2 > 0的区域，说明对流不稳定的作用强于大气的斜压性起主导作用(图5(b))。20日02时，台风中心离开广西进入云南境内，台风强度继续减弱，暴雨中心位于广西西部，绝大部分暴雨中心位于MPV 1 < 0且MPV 2 < 0的区域，有利于降水的增幅(图5(c))。台风停编后未来6 h的降雨量明显减弱降为大雨级别，对流不稳定区移出广西地区，该区域降水即将宣告结束(图5(d))。 图3. 310K等熵面上的位涡(黑色实线，单位：PVU (10 −6 m −2 ∙K∙kg −1 ∙s −1 ))、流场(绿色矢线)分布与未来6 h累计实况降水(彩色阴影，降水量大于12 mm， 为台风中心所在位置)。(a) 19日08时，(b) 19日20时，(c) 20日02时，(d) 20日08时 图4. 335 K等熵面上的位涡(黑色实线，单位：PVU (10 −6 m −2 ∙K∙kg −1 ∙s −1 ))、流场(绿色矢线)分布与未来6 h累计实况降水(彩色阴影，降水量大于12 mm， 为台风中心所在位置)。(a) 19日08时，(b) 19日20时，(c) 20日02时，(d) 20日08时 图5. 850 hPa湿位涡(等值线为MPV 1 、阴影为MPV 2 ，单位：1PVU = 10 −6 m 2 ∙s −1 ∙K∙kg −1 ∙s −1 ， 为台风中心所在位置)。(a) 19日08时，(b) 19日20时，(c) 20日02时，(d) 20日08时) 以上分析表明，此次台风暴雨发生的机制是前期广西高温天气储备了一定不稳定能量，受台风低气压及其外围的东南暖湿气流作用，不稳定能量得以释放。暴雨中心有的出现在MPV 1 < 0且MPV 2 < 0区域，有的出现在MPV 1 < 0且MPV 2 > 0区域，更有暴雨中心出现在MPV 1 > 0，MPV 2 < 0的区域。说明正压项的负值区对强雨带的落区和移动有指示作用，但并不是所有满足MPV 1 < 0的区域一定会产生强降水，MPV 2 < 0的区域也存在，(图5(c))中结果与刘峰等人指出的MPV 1 < 0和MPV 2 < 0的叠加更易产生强降水以及MPV 2 出现负值区，大气斜压性增强，有利于气旋性涡度的发展，大气辐合上升运动加强，使降水增幅的结论相一致 [ 4 ] 。强降雨的产生必须满足充分的水汽供应，加之强烈的上升运动，不稳定能量的存储和释放并持续较长的时间。 在分析了湿位涡水平分布的基础上，下面研究湿位涡垂直分布与暴雨落区的指示意义。由图6给出了MPV 1 沿23˚N的垂直剖面图可知19日08时(图6(a))，台风登陆广西境内后，1000~900 hPa为“−”值区，900~750 hPa为“+”值区，750 hPa~600 hPa为负值区，以上为正值区。从高层到低层呈“+−+−”的形势分布，正值中心1.0 PVU位于450 hPa，负值中心−0.8 PVU位于650 hPa为对流不稳定区，这种高低空的正负中心的叠加对位势不稳定能量的存储和释放十分有利，为台风暴雨的发展提供了有利条件，暴雨中心出现在这种高低位涡配置下。19日20时台风西行强度减弱为热带风暴，台风中心随着高低空MPV 1 的大值中心整体向西移，原来对流层低层的负值区转为正值区，范围延伸到900 hPa和之前的正值区域连贯打通，对流高度降低，为对流稳定区，与1000 hPa~900 hPa依旧为MPV 1 < 0的区域相互作用，有利于暴雨的产生。暴雨中心位于对流层低层“正负”配置下，这与李生艳等 [ 20 ] 的研究结果一致(图6(b))。当台风强度为热带风暴继续西行时高低层的大值位涡中心也相应移动(图6(c))，对流稳定区维持在850 hPa存在能量不稳定扰动，整体向西倾斜，暴雨中心位于台风中心的右侧。台风减弱为热低压并停止编号之后，700 hPa以下为MPV 1 的负值区控制，其上为正值区，在高低空正负值叠加的区域出现了小到大雨(图6(d))。分析表明：台风移动路径和MPV 1 高低空正负值中心移动相一致，湿位涡正压项对流层低层空正负中心的配置是有利于暴雨发生的形势，但并不是这种配置就一定会产生暴雨中心。 由于MPV 2 的量级比MPV 1 小一个量级，MPV分布与MPV 1 分布类似，但是由于MPV 2 反应的是大气斜压性，其负值的绝对值越大，表明大气的斜压性也就越强，在暴雨发展过程中，低空倾斜涡度发展十分活跃 [ 19 ] 。19日08时，由于受地形的影响，低层的斜压项呈西北东南走向，900 hPa以下MPV 2 > 0，900~800 hPa其值小于0，暴雨中心位于MPV 2 “上负下正”的形势下(图7(a))。19号20时，原来正值中心转为负值中心，负值中心转为正值中心，暴雨中心转变为位于MPV 2 “上正下负”的配置下，降水强度减弱(图7(b))。20日02时，MPV 2 的正值伸展到750 hPa，其上为MPV 2 负值所控制，6 h暴雨中心相对前6 h暴雨中心强度增大，说明对流层下层MPV 2 “上负下正”有利于暴雨的增幅(图7(c))。台风减弱为热带低压停编后，整个广西对流层中高层出现了大片的MPV 2 负值区，广西中西部低层MPV 2 出现了正值区域，降雨减小趋于结束(图7(d))。