引言

台风是夏季影响我国的主要天气系统之一。由于台风对人类生产、生活的重大影响以及它的难预报性，多年来已有很多学者对台风进行过研究^[1-9]。已有的研究结果表明^[7-9]，登陆北上的台风携带大量的热带扰动动量和暖湿气流进入中纬度地区，若与高低空急流、西风槽、冷空气等中纬度天气系统发生相互作用，能够使得西风带系统获得大量斜压能量，促使中纬度斜压系统强烈发展。而台风外围环流或台风倒槽与西风带系统的结合，则往往能产生远距离暴雨，此类暴雨通常比台风本身的降水要大得多。以往对台风进行研究的方法很多，由于台风的主要灾害是暴雨，而且台风在我国登陆时通常已经到达较高纬度，因而通过位涡对台风暴雨进行分析是可行的。这是因为位涡是一个综合反映大气热力学和动力学的物理量，并且在绝热、无粘条件下的斜压大气中，位涡沿气块轨迹具有守恒性^[10]。位涡理论近年来在暴雨的分析中得到广泛应用并取得较好效果^[9-11]。

河南是受台风影响较为严重的内陆省份之一，历史上著名的63.8、75.8、82.8、96.8等台风暴雨过程均对河南产生了深重影响。2005年7月登陆北上的台风海棠也是对河南造成重大影响的台风之一，其中既有台风环流直接造成的强降水，也有台风倒槽与西风带斜压系统相结合所产生的远距离暴雨，本文侧重从位涡的角度对“海棠”所造成的河南暴雨过程进行分析，进而探讨此次暴雨产生的物理机制。

1 “海棠”及其在河南所形成暴雨过程概况

0505号台风海棠于2005年7月12日在西北太平洋上生成，18日中午在我国台湾省宜兰县登陆，19日傍晚在福建连江再次登陆。二次登陆后，迅速减弱成为热带风暴和热带低压，低压中心经过福建、江西，最后进入湖南。20日下午台风倒槽云系开始影响到河南省(图略)。

台风海棠影响河南所产生的暴雨过程，按照暴雨落区可分为三个阶段，分别是7月20日20时—21日20时、21日20时—22日20时和22日20时—23日20时，其中21日20时—22日20时为区域性大暴雨，并有4个站24小时降水量突破其历史极值。如图 1所示，第一个阶段暴雨主要产生在河南省的淮南地区，而第二个阶段暴雨落区为河南省西北部及洛阳到郑州一带，第三阶段暴雨区移至河南省东北部。

对于这三个暴雨阶段的天气学分析(图略)表明，第一个阶段是由于北上的台风与其东北侧的副热带高压之间的东南急流造成的，其间并无冷空气的参与，台风低压与西风带系统没有产生相互作用。而第二和第三个阶段则是由于台风登陆进入江西、湖南等地后折向西南方向，其北侧的倒槽延伸至黄河中下游，并与西风带冷空气相互作用而产生的远距离暴雨。

2 资料及计算方法

采用NCEP/NCAR所提供的逐日00、06、12、18四个时次(世界时)的格点分析资料，格距为1°×1°，垂直方向为1000~10hPa共26个层次。

在绝热、无粘条件下的斜压大气中，位涡沿气块轨迹守恒^[10]。在p坐标系下，忽略ω的水平变化，位涡PV的表达式为：

(1)

PV可分为两个部分，

PV1为与静力稳定度有关的正压项；PV2为与风速垂直切变和位温水平梯度有关的斜压项。位涡单位采用PVU，1PVU=10^-6m^-2·s^-1·K·kg。位涡是综合反映大气动力学和热力学的物理量, 它把大气中两种不稳定机制有机地结合在一起^[9]。

位涡分析有多种方法，最常用的方法之一是等熵位涡(IPV)分析法，即在等位温面(即等熵面)上分析等位涡线。利用等熵位涡来研究天气系统的演变的优点之一是能够跟踪观察天气系统发生、发展过程中气块的涡旋行为。在绝热、无摩擦条件下，运动大气的位涡具有守恒性。因此可以根据位涡异常区(即位涡高值区或低值区)的变化来追踪大气扰动的演变情况^[10]。等熵位涡采用如下公式在指定的等熵面上进行计算：

(2)

文中将采用公式(1)、(2)对位涡和等熵位涡进行计算。

3 等熵位涡分析 3.1 第一阶段降水

分析位于对流层中层500hPa附近的θ=330K等熵面上的位涡和温度分布及其演变特征可知，在19日08时(图略)台风中心位于台湾海峡，与台风环流相对应的是高位涡中心和暖中心，其中心位涡强度超过了2.2PVU。台风登陆以后，随着其西北行，强度逐渐减弱，与其中心相对应的位涡强度也逐渐减小，台风倒槽云系于20日下午开始影响河南省南部地区。图 2a给出的是21日02时330K等熵位涡及温度分布，位涡强度≥1PVU的区域基本对应着台风低压环流，从福建、江西经湖北伸至河南省的东南部，而位涡强度≥0.8PVU的区域范围更广，覆盖了河南省的东部及东南部地区，对比图 1a可知，此区域基本上与20日20时—21日20时的强降雨区相吻合，尤其是大雨和暴雨区与此区域中IPV≥1PVU的区域相对应。这说明，台风低压环流中的高位涡对于暴雨的产生具有重要作用。

另外，从图 2a还可以看到，在105°E以东，由于副热带系统的北进，高位涡区的北界逐渐向北推移，在120~125°E附近到达最北端。而与北方(中高纬)冷空气相对应的高位涡区在105°E以西位于35°N以北地区，100~105°E之间有高位涡带南伸，表明此处有冷空气向南扩展。而温度场的分布表明，在河套以西有一相应的温度槽存在，图中位涡以及温度分布显然表明，台风低压所对应的高位涡区与中高纬度高位涡区之间存在有位涡低值带，而且直到21日20时，此位涡低值带仍然存在(图略)，说明这期间中高纬冷空气并未作用于台风低压环流，对于第一个暴雨阶段的产生没有贡献。

3.2 第二阶段暴雨

位涡分布演变特征表明，上文所提到的位于100~105°E之间的高位涡舌随时间逐渐东移，在东移的过程中，其南段由于受暖气团的阻挡移速较慢，而北段移速较快并最终与南段发生断裂。北段在东移的过程中，由于受暖气团的作用，其南端也逐渐向北收缩，由35°N以南逐渐北抬至35°N附近，并于21日夜间开始与台风低压所对应的高位涡区相结合。图 2b表明，在22日14时，与冷空气所对应的高位涡舌中0.8PVU等值线南端已位于陕西中部到山西南部，并在河南省的西北部地区与台风低压环流中的0.8PVU等值线相连结，与之相应的冷温槽也从山西北部伸至河南省西北部。对照图 1b可知，大暴雨区同样位于河南省的西北部地区，表明冷空气的楔入确实使得台风低压的降水强度增加。此种形势一直持续到22日20时(图 2c)，位涡及温度演变特征显示，冷空气的影响在22日白天更为明显，12小时降水量(图略)也表明22日白天的降水量比21日夜间更大，21日夜间只有一个站降水量超过100mm，而22日白天降水量超过100mm的共有三个站，并且有一个站在200mm以上。

3.3 第三阶段暴雨

从22日夜间开始，强降雨区逐渐向东北方向移动，高位涡舌在与台风低压高位涡区相连结后继续向东北方向移动。图 2d显示，23日08时，从山西东南部向东南方向延至河南东部、安徽北部为一0.8PVU的位涡高值区，而此时冷温槽位于渤海湾到山东西北部一带，对比逐时雨量可知，23日05时之前河南省东北部仍维持较强降水，说明冷空气在23日凌晨仍对暴雨的形成产生作用，之后逐渐东移。

综合以上讨论可知，对等熵位涡以及温度的分析验证了对三个暴雨阶段的天气学分析，在后两个暴雨阶段中，冷空气的侵入对暴雨起到了增幅作用。它的物理机制可理解为，代表台风北侧倒槽中的高位涡暖湿气流向北输送，代表高层冷空气的高位涡气流扰动沿着中纬度西风带向东传播，二者在河南省的西北部交汇，形成斜压锋区，产生湿斜压不稳定，触发了不稳定能量的释放，使得暴雨增幅。

4 雨区发展的剖面图分析 4.1 位涡与位温剖面图分析

19日08时，在台风海棠登陆之前，与台风相对应的是一高位涡“柱”，图 3a为沿120°E所做的位涡与位温剖面图，由于低层摩擦较小且发展较为旺盛，此位涡柱基本呈上下竖直状态，从近地面一直延伸到200hPa附近，最强中心位于450hPa高度，强度超过了2.6PVU。随着台风登陆之后，台风强度逐渐减弱。在暴雨第一阶段产生前后(21日02时)，沿暴雨区中心附近115°E作一垂直剖面(图 3b)，从图中可以看到，在26°N，400hPa附近仍有对应着台风低压的高位涡中心，而在其北侧，32°N则有一台风外围的高位涡区，此高位涡区是在台风东北侧发展起来并在东南急流的作用下向北输送。剖面图同时表明，此高位涡区与台风中心的高位涡区相连，与冷空气没有关系。

另外，图 3a与图 3b中的等位温线表明，在台风登陆之前，台风中心从高层到低层均呈暖心结构。登陆之后，由于降水蒸发的冷却作用，台风中心在低层呈现冷心结构，而在600hPa以上为弱的暖心结构。

在第二个阶段，考察其位涡及位温的垂直结构，在22日02时沿暴雨中心所在的经度113.5°E作垂直剖面(图 3c)，可以看到，在台风低压的北侧，从39°N的400hPa高度处有一向下向南倾斜伸展的带状高位涡区，此高位涡区即表明了冷空气的活动，其南端与台风环流高位涡区在35°N的700hPa高度附近交汇，此区域即为大暴雨的发生区。说明弱冷空气在中低层的入侵，有利于加强台风内部暖湿气流的抬升，对强降雨产生增幅作用。

随着冷空气进一步向东北方向移动，22日夜间在河南、河北、山东三省交界处又形成了第三个阶段的暴雨。如图 3d所示为22日20时沿暴雨中心所在经度115°E附近所作的剖面图，从图示可知，此时高位涡冷空气与台风高位涡区的交汇点位于36°N，高度在500hPa之间，比第二阶段暴雨期间高位涡交汇点高度略高，并形成一个较为独立的高位涡区，其中心强度超过1.1PVU。此区域所在纬度恰好是暴雨发生区。位涡的发展演变也表明，在暴雨的发展过程中，此高位涡区有明显的向下传播。

4.2 位涡与急流的关系

图 4所示为三个暴雨阶段中沿暴雨区中心所在经度作的位涡与纬向风及位温的垂直剖面图。从图 4a可以看到，在21日02时，台风中心的北侧33°N附近，在600~800hPa之间和900hPa附近分别有15m·s^-1的东风急流，其中600~800hPa之间的东风急流轴位于700hPa附近，中心最大风速达17m·s^-1。在东风急流的南侧分别对应着位涡高值中心，暴雨就产生在东风急流轴的南侧。而在图 4b(22日02时)和图 4c(22日20时)中中低空的东风急流已不存在。

在图 4a中200hPa的高空西风急流位于50°N以北，而在图 4b和图 4c中西风急流有明显的南移。已有的研究表明，平流层大气的层结稳定度比对流层大好几倍，是一个高位涡“库”，在高空急流附近，对流层顶发生断裂，其南北的层结稳定度陡变，而且其南北侧的涡度也有很大的差别，因而，在高空急流附近有非常大的经向位涡梯度。只要出现大振幅的波动和经向气流，就可以把高纬度地区具有高位涡的平流层气团远远地输送到中低纬地区的对流层中。图 4b和图 4c中西风急流的明显南移更有利于高位涡的向南输送。

5 结语

通过对2005年台风海棠在河南所造成的暴雨过程的三个阶段中位涡和等熵位涡的分析，可以得出以下结论：

(1) 海棠在河南所造成的三场暴雨，分别是由东南急流和台风内部的高位涡(第一阶段)以及冷空气从高纬度对流层顶输送高位涡与台风北侧的高位涡气流相结合(第二、三阶段)而产生的。

(2) 台风在登陆之前呈现为一较为完整的高位涡柱，且从上至下均为暖心结构。登陆之后，由于地面摩擦及降水的蒸发作用，位涡柱结构变得不规整，且在低层呈冷心结构。

(3) 弱冷空气在中低层入侵有利于台风内部暖湿气流的抬升，对降水产生增幅作用。

(4) 高空西风急流南移过程中，从高层及高纬度地区向低层和低纬度输送高位涡对暴雨的加强具有重要的作用。