引言

位涡是“位势涡度”的简称，是综合热力、动力的物理量，有湿位涡和干位涡，等熵位涡等形式。近年来位涡理论被广泛用于天气动力学研究，特别是中尺度暴雨、台风暴雨等研究中^[1-8]，在暴雨形成的物理机制以及暴雨强度和落区方面得到了一些有意义的结论。然而，应用湿位涡作青藏高原东侧突发性暴雨的研究不多见。本文对2004年6月29日、2004年8月10日发生在关中和陕北两次突发性大暴雨个例作湿位涡诊断分析，探讨湿位涡诊断在青藏高原东侧突发性暴雨预报中的应用前景。

1 雨情和灾情

2004年6月29日下午，陕西关中突降暴雨，西安市周至县九峰乡1小时降水量达到197 mm，长安站3小时降水量达到104 mm，局地还出现8~12级瞬时大风(以下简称关中暴雨)。由于暴雨来势猛，造成多处山体滑坡，大量民房进水，经济损失严重。

2004年8月10日，陕北安塞县突降暴雨，24小时降水量达到126 mm，1小时降水量达到90 mm(以下简称安塞暴雨)。暴雨造成山洪爆发，房倒屋塌，淹没农田，冲毁公路，直接经济损失高达856.3万元。

2 资料和方法

本文选用由MICAPS系统提供的常规观测资料，利用北京大学物理学院大气科学系开发的客观分析诊断图形系统计算湿位涡，作湿位涡诊断分析。

等压面湿位涡的表达式：在p坐标下忽略ω的水平变化有：

将其写成分量形式，有：

其中MPV₁为湿正压项，表示惯性稳定性(ξ_p+f)和对流稳定性的作用，在北半球大气对流不稳定时，MPV₁＜0；若大气对流稳定时，MPV₁＞0。MPV₂为湿斜压项，包含了湿斜压性(▽_pθ_se)和水平风垂直切变的贡献。在湿位涡守恒的制约下，θ_se面倾斜越大，气旋性涡度发展越剧烈^[9]。湿位涡的单位为PVU，1PVU=10^-6m²·K·kg^-1·s^-1。

3 环流形势和影响系统 3.1 关中暴雨

28日20时(北京时，下同)，对流层中上层我国35°N以南大部分地区为大陆高压控制，东亚为槽区，大陆高压和东亚大槽构成西高东低形势。亚洲对流层中上层西风带35~50°N为两槽一脊形势，新疆、东亚为槽区，贝加尔湖至河套为脊区。28日20时—29日20时，随着对流层中上层西风带新疆槽和槽前西南急流的东移发展，西南急流右侧(陕西关中)反气旋环流得到增强；配合850 hPa来自江苏的东南气流、来自中南半岛槽前西南气流、来自新疆脊前西北气流在关中生成“人”字形切变，700 hPa位于银川至兰州的低槽迅速东移到东黄河沿线至湖北十堰、和850 hPa“人”字形切变线形成前倾配置，地面图上东西两路冷空气的活动对陕西关中暖湿空气形成夹挤抬升，陕西关中形成有利于中尺度突发性暴雨发生发展的环流背景。

3.2 安塞暴雨

2004年8月9日08时，500 hPa、700 hPa亚洲中纬度为两脊一槽形势，新疆为一脊区，副热带高压和华北高脊在110~120°E形成同位相迭加，500 hPa从酒泉至青海中部形成一槽区；700 hPa银川、平凉、武都西侧形成一槽区，副热带高压西侧从云南、四川至平凉同时生成一支西南气流。9日20时，随着500 hPa高原槽的东移，从兰州、银川至临河生成一支10~12 m·s^-1西南气流，西南气流右侧(河套)反气旋辐散气流发展；700 hPa河套西部槽北段东移入河套，延安生成8 m·s^-1西南气流；地面图上，河套有倒槽发展，银川至兰州有冷锋东移。高低空影响系统的配合，加上地面冷锋北段的快速东移形成的触发作用，在安塞形成突发性大暴雨。

4 湿位涡分析 4.1 湿正压场与突发性暴雨的发展

关中暴雨发生期间，2004年6月29日20时在700 hPa等压面上，河南、湖北交界地带生成MPV₁≤-0.6 PVU对流不稳定中心，同时生成宽100 km左右、MPV₁≤-0.3 PVU对流不稳定舌、由河南和湖北交界地带伸向西安市区；同时在平凉附近生成尺度在300 km左右、MPV≥0.3 PVU对流稳定中心(图 1a)，和西风带冷空气的活动形成对应；超低空925 hPa西安市区及其东南部也生成MPV₁≤-0.6 PVU中尺度(200~300 km)对流不稳定中心(图略)。

安塞暴雨发生前，2004年8月9日20时在700 hPa等压面上，延安西南气流左侧切变辐合区(安塞及其临近上游)生成尺度在250 km左右、MPV₁≤-0.6 PVU对流不稳定中心；盐池至宁夏中卫同时生成尺度在300 km左右、MPV≥0.6 PVU对流稳定中心(图 1b)，与西风带冷空气的活动形成对应；超低空925 hPa安塞和延安之间同时也生成MPV₁≤-2.0 PVU、尺度在100 km左右对流不稳定中心(图略)。

暴雨区925 hPa、700 hPa中尺度对流不稳定中心的强烈发展，700 hPa暴雨区临近上游中尺度对流稳定中心的强烈发展，成为两次突发性暴雨的共有特征。与文献[5]给出西北涡暴雨700 hPa湿正压场特征、暴雨落区相比，两者形成很大差异。

从关中暴雨和安塞暴雨MPV₁时空演变(图略)可见：暴雨发生时(或临近暴雨发生)，暴雨区从925~500 hPa形成深厚的对流不稳定层，超低空925 hPa生成MPV₁≤-1.6 PVU强对流不稳定中心；400 hPa对流层高层同时生成MPV₁≥0对流稳定层。这种MPV₁正负区叠置的形势有利于低层低涡系统的发展^[5]；容易储存和释放不稳定能量，利于暴雨发生^[7]。

4.2 湿斜压场与突发性暴雨的发展 4.2.1 关中暴雨

29日08时，700 hPa等压面上，关中西部生成一低槽，由于槽后偏北风产生的强冷平流使大气湿斜压性增强，从民勤到川北生成MPV₂≤0湿斜压高值带，从民勤到兰州生成MPV₂≤-2.4 PVU的湿斜压中心(图略)。29日20时，伴随700 hPa关中西部槽的东移、槽后冷平流区东移、以及槽后偏北风增大，关中西部生成中尺度、MPV₂≤-0.4PVU湿斜压中心区，平凉附近生成MPV₂≤-2.0PVU湿斜压中心；关中西部槽的东移也伴随槽前西南气流和暖平流的发展，在河南和山西的交界地带生成MPV₂≥3.2PVU湿斜压中心；正负湿斜压中心之间形成冷暖平流的交汇地带，在湿斜压场表现为MPV₂等值线密集区(图 2a)；MPV₂等值线密集区和湿正压场中尺度强对流不稳定中心形成的耦合区，是突发性暴雨的发生发展区。这与文献[5]表述的湿斜压场和暴雨落区不同，而与文献[2]表述的湿斜压场和暴雨落区相似。

29日20时，700 hPa等压面上暴雨区MPV₂＞0，配合850~500hPa之间θ_sep＞0，700 hPa暴雨区形成有利于中尺度气旋快速且显著发展的条件^[9]；850 hPa等压面上暴雨区MPV₂＞0，配合925~700hPa之间θ_sep＞0，850hPa暴雨区也形成有利于中尺度气旋快速且显著发展的条件^[9]。

4.2.2 安塞暴雨

9日08时，700 hPa等压面上，和高原西风带低槽后由偏北风产生的冷平流相对应，从民勤、格尔木至西藏东部生成MPV₂≤0湿斜压高值带，民勤以北生成MPV₂≤-2.0PVU的湿斜压中心(图略)。9日20时，伴随高原西风带低槽北段移入河套，槽后西北风和东北风产生的冷平流使大气湿斜压增强，从河套北部、银川至格尔木生成MPV₂≤0湿斜压高值带和MPV₂≤-2.0PVU的湿斜压中心；西风带低槽北段移入河套也伴随槽前西南气流和暖平流的发展，大气湿斜压性增强，陕西中部、山西和河南交界地带生成MPV₂≥2.8 PVU湿斜压中心区；正负湿斜压中心之间形成冷暖平流的交汇地带，在湿斜压场表现为MPV₂等值线密集区(图 2b)；MPV₂等值线密集区和湿正压场中尺度强对流不稳定中心形成的耦合区，是突发性暴雨的发生发展区。这也与文献[5]表述的湿斜压场和暴雨落区不同，而与文献[2]表述的湿斜压场和暴雨落区相似。

9日20时，700hPa等压面上暴雨区MPV₂＞0，配合850~500hPa之间，700hPa暴雨区形成有利于中尺度气旋快速且显著发展的条件^[9]；850hPa等压面上暴雨区MPV₂＞0，配合925~700hPa之间＞0，850hPa暴雨区也形成有利于中尺度气旋快速且显著发展的条件^[9]。

4.3 湿位涡三维空间结构与突发性暴雨的发展 4.3.1 关中暴雨

对关中暴雨区(34°N)做湿位涡纬向垂直剖面图。从图 3可见，暴雨发生前(29日08时)，和对流层中低层高原槽耦合、在暴雨区(109°E)上游对流层中低层生成一湿位涡高值区，湿位涡高值区并呈“漏斗状”、随高度降低向东倾斜伸向对流层低层，有利于暴雨区上游对流层低层气旋性涡度的发展^[10]；从105~125°E近地层由于夜间辐射冷却或锋前阵雨生成一湿位涡高值层；由于高原槽前后冷暖平流的相互作用，同时在暴雨区上游对流层中低层形成一近于垂直的湿位涡等值线密集区；暴雨区上空对流层中低层形成一深厚的湿位涡负值层。根据Hoskins位涡理论，可以认为负的湿位涡代表不稳定的暖湿气流，暴雨区上空对流层中低层已形成深厚的不稳定的暖湿气流。29日20时，由于暴雨区以及东部边界层西南或东南气流的发展，湿位涡负值层向边界层发展，暴雨区对流层低层形成陡直的湿位涡等值线密集区；伴随高原槽的东移，暴雨区上游对流层中低层正湿位涡高值区东移，并向对流层低层发展，和边界层正湿位涡高值区打通，暴雨区对流层中层同时形成垂直的湿位涡等值线密集区。这一过程对应着关中突发性暴雨的发生发展。30日08时，随着对流层中低层正湿位涡区东移减弱，关中突发性暴雨结束。

4.3.2 安塞暴雨

对安塞暴雨区(37°N)做湿位涡纬向垂直剖面图。从图 4可见，暴雨发生前(9日08时)，暴雨区(109°E)及其上下游边界层湿位涡负值强烈发展，生成MPV≤-0.6PVU湿位涡区，湿位涡负值区并向上发展至对流层中层，根据Hoskins位涡理论，暴雨区已形成深厚的不稳定暖湿气流；暴雨区上游从对流层高层有湿位涡正值区向对流层低层伸展，和暴雨区上游生成的湿位涡负值中心区形成垂直叠置，有利于暴雨区上游对流层低层气旋性涡度的发展^[10]；正负湿位涡区之间在暴雨区上游对流层中低层形成陡直的湿位涡等值线密集区。从9日20时—10日08时，伴随对流层中低层正湿位涡的东移和发展、边界层负湿位涡的发展，暴雨区上空形成陡直的湿位涡等值线密集区，这一过程对应安塞突发性暴雨的发生发展。

通过上述分析发现，暴雨区深厚湿位涡负值层的形成，暴雨区上游有正湿位涡柱东移、在暴雨区形成陡直的湿位涡等值线密集区，是两次突发性暴雨的共有的特征。安塞暴雨湿位涡空间结构及其演变类似于文献[5]，而关中暴雨湿位涡空间结构及其演变属于另一类型。

4.4 扰动湿位涡与突发性暴雨的发展

我们把关中暴雨湿位涡瞬时值MPV与28日20时—30日08时湿位涡平均值(MPV)的差值定义为关中暴雨湿位涡扰动量(MPV)′，即(MPV)′=MPV-(MPV)；我们把安塞暴雨湿位涡瞬时值MPV与8日20时—10日08时湿位涡平均值(MPV)的差值定义为安塞暴雨湿位涡扰动量(MPV)′，即(MPV)′=MPV-(MPV)。

对关中暴雨区(109°E)做关中暴雨湿位涡平均值和湿位涡扰动量的经向垂直剖面图(图略)。关中暴雨湿位涡背景场：暴雨区30°N以南500hPa以下对流层低层形成深厚的MPV负值层，即形成深厚的不稳定暖湿气流层；暴雨区40°N以北850~700hPa也形成MPV负值层，500hPa以上对流层高层为MPV正值层；暴雨区北方700~500hPa形成和700hPa北方锋区耦合的MPV正值层。突发性暴雨的发生对应：28日20时、29日08时，暴雨区500hPa以下对流层低层MPV负值扰动两次获得发展，即不稳定暖湿气流两次获得向北发展；29日08时，暴雨区北方925~850hPa出现MPV负值扰动向南发展逼近暴雨区，暴雨区北方700~600hPa同时出现MPV正值扰动向南发展逼近暴雨区，对应暴雨区北方700hPa和高原槽相伴的锋生区东移南压逼近暴雨区。

对安塞暴雨区(109°E)做安塞暴雨湿位涡平均值和湿位涡扰动量的经向垂直剖面图(图略)。安塞暴雨湿位涡背景场：暴雨区500 hPa以下对流层低层形成宽广且深厚的MPV负值层，即形成深厚且宽广不稳定暖湿气流层；暴雨区500hPa以上对流层高层为MPV正值层。突发性暴雨的发生对应：9日08时、9日20时，暴雨区从850~400hPa出现深厚的MPV负值扰动，即不稳定暖湿气流两次获得发展；9日20时，暴雨区北方925~700hPa出现MPV负值扰动向南发展逼近暴雨区，暴雨区北方600~400hPa同时出现MPV正值扰动向南发展逼近暴雨区，对应700hPa和高原槽相伴的锋生区东移进入河套北部。

5 结论

(1) 700hPa等压面上MPV₁≤-0.3PVU、中尺度(100~300km)对流不稳定区的生成、伴随对流不稳定区临近上游MPV₁≥0.3PVU、中尺度(300km左右)对流稳定区的生成，形成有利于突发性暴雨发生的湿正压场特征。有利于突发性暴雨发生的700hPa湿斜压场特征为：伴随高原槽东移入河套(或关中)，槽后有MPV₂＜0湿斜压中心生成，槽前有MPV₂＞0湿斜压中心生成，正负湿斜压中心在暴雨区及其临近上游生成MPV₂等值线密集区。MPV₂等值线密集区和MPV₁≤-0.3PVU中尺度对流不稳定中心形成的耦合区，对应暴雨落区。湿正压场和湿斜压场的配合，同时在暴雨区对流层低层形成有利于中尺度气旋快速且显著发展的条件。

(2) 在湿位涡纬向剖面图上：关中暴雨发生前，暴雨区临近上游生成随高度向西倾斜、高低层正湿位涡区将要打通的湿位涡柱；安塞暴雨发生前，暴雨区临近上游对流层中高层有正湿位涡呈倾斜的漏斗状伸向对流层低层、和边界层发展的湿位涡负值区形成垂直叠置。暴雨区上空对流层中低层有深厚湿位涡负值层形成、伴随暴雨区上游对流层中低层有正湿位涡柱东移、在暴雨区形成陡直的湿位涡等值线密集区，对突发性暴雨的发生发展有指示意义。

(3) 扰动湿位涡分析表明，暴雨发生前，暴雨区上空出现深厚的MPV负值扰动。暴雨的发生对应：暴雨区北方925~700hPa有MPV负值扰动生成且逼近暴雨区，暴雨区北方700~400hPa同时有MPV正值扰动生成且逼近暴雨区。扰动湿位涡的三维空间结构及其演变也是青藏高原东侧突发性暴雨预报当中可利用的重要信息。