能量位渦

能量位渦與大氣的渦度和大氣的位勢相關的物理量。在天氣學中常用位渦守恆的理論來解釋低壓（槽）上山時減弱、下山時加強的現象。

基本介紹

• 中文名：能量位渦
• 外文名：Energy vortex
• 描述：與大氣的渦度和位勢相關的物理量
• 套用：天氣預報
• 學科：物理

概念

乾能量位渦與濕能量位渦可以較好地預示雷雨大風天氣，高空乾能量位渦的增強與向下發展使對流層中下層不穩定能量增大，有利於雷雨大風天氣發生；低層濕能量位渦的不穩定能量高值區與斜壓系統耦合時預示該區域將有雷雨大風發生。

大暴雨能量位渦和相當能量位渦診斷分析

1990年7月5日至6日，處於西太平洋副熱帶高壓西北側的甘肅東南部、陝西西北部出現了一次大暴雨過程，造成了嚴重的山洪災害，人民生命財產受到損失。研究在天氣形勢分析基礎上，著重利用能量位渦相當能量位渦，並結合水汽通量散度和能量場對過程進行診斷。

通過診斷和探討過程發生機制，進一步驗證討論了能量位渦和相當能量位渦對暴雨實時診斷預報的有效性和實用性。

雨情和天氣形勢分析

本次大暴雨有兩段雨峰，大致出現時間分別是：5日白天、5日後半夜至6日上午。相比之下，後一段暴雨在強度和範圍上都大於前者(圖1)。兩段暴雨的最強中心都在陝西略陽，5日07時(北京時，下同)至6日09時，略陽雨量為179mm。

圖1 雨量圖

從天氣圖分析得：此次大暴雨是在月初的大型青藏高壓崩潰，西太平洋副熱帶高壓經過兩次西伸北跳，東亞副熱帶環流由西高東低型轉為西低東高型的大形勢調整下產生的。4日08時500hPa中緯度氣流平直。5日08時500hPa(圖2)西風帶中有低槽發展，位於哈密、托托河一線，西太平洋副熱帶高壓西伸北抬，高原及其東部為寬廣的西南氣流，不斷向暴雨區輸送豐沛的水汽和能量，並引導中低雲系及暴雨雲團沿副高邊緣北上。70OhPa武都與漢中之間的切變觸發高能輻合區發展，第一段暴雨產生。

5日20時，副高穩定少動，西南氣流直伸河套。西風槽隨新疆脊發展而加深東移，地面冷鋒在銀川、西寧、若爾蓋一線，逼近高能區。同時，700hPa高原東側建立氣旋性彎曲，並與500hPa的西南氣流在暴雨發生地上空交疊，在冷鋒東移中高能區再次觸發，第二段暴雨開始。6日08時500hPa青藏高壓發展，西風槽東移至105°E附近，20時冷鋒減弱出陝西，過程結束。

圖2 1990年7月5日08時500hPa高空圖

能量位渦是大氣水平動力穩定度與垂直能量穩定度的相關，只是在氣旋與高能區的疊置區域才是能量位渦大值區。它的這些性質使能量位渦能夠反映出暴雨系統的次天氣尺度特徵。能量位渦與相當能量位渦的差別僅在於前者，與實際水汽無關，而後者卻直接依賴於實際水汽的分布。

能量位渦和相當能量位渦診斷分析

（1）能量位渦分析

從4個時次500hPa能量位渦圖看，4日20時在西安、平涼、漢中範圍內有一中心為3.5(單位：10^-7K/hPa·s)的能量位渦正值區。5日08時，該正值區明顯擴大，中心強度達5.1(圖3)。暖濕切變在該區內水汽強烈輻合(圖4)，第一段暴雨開始。另外，對應西風帶中的冷槽在酒泉以西出現一正值帶。至5日20時該正值帶與西風槽同步發展東移，中心強度為18.0。6日08時，南北兩塊能量渦度正值帶合併，沿河套成一長帶狀，中心強度增至2.60。第二段暴雨區發生在此正值帶與水汽匯疊置區域南側。

圖3 1990年7月5日08時500hPa能量位渦分布圖

上述分析表明，此次暴雨中的兩段雨峰是由兩種不同尺度不同性質的天氣系統造成的。能量位渦場直觀地表示出了大尺度西風槽和中尺度切變線特徵及其對暴雨分段產生的作用。顯然，暴雨的發生髮展過程也就是能量位渦的發展過程。

（2）相當能量位渦分析

由於實際大氣不可能是飽和的，特別是在上乾下濕的層結狀況下。因水汽隨高度急劇減小使得該項負值越大，故當暴雨發生髮展時相當能量位渦反為負值。

圖4 1990年7月15日08時500hPa水汽通最散度

從四個時次500hPa的相當能量位渦場看：4日20時，相當能量位渦有一負值區，範圍較大，中心在西安與略陽之間，強度為-2.2(單位：10^-7K/hPa·s)，此負值區正好與5日白天的第一段暴雨對應。但當暴雨開始時此負值帶卻明顯減弱南退，暴雨區上空變為正值區。同樣，在第二段暴雨前，在暴雨發生地也有相當能量位渦的負中心，強度增至-9.5，當日後半夜第二段暴雨開始，其雨區與該負值帶走向一致。

上述事實說明，暴雨區與相當能量位渦負中心相對應，且這種對應關係總是超前於暴雨，當暴雨發生時負中心減弱或消失。相當能量位渦實質上反映的是暴雨前期能量的積累狀況；能量位渦則表示一旦空氣近飽和時可能釋放的能量，在暴雨過程中才有較強的反映。上述兩種位渦相差的事實正在於它們反映的是暴雨不同時段的物理過程。另外，60OhPa和400hPa的能量位渦，相當能量位渦的演變情況與50OhPa相似。

（3）水汽源、水汽匯及能量鋒

在對700hPa至300hPa五層四時次的水汽通量散度場的分析中發現:對流層中層的水汽匯對暴雨的產生起著重要作用。本次過程西南氣流強，水汽豐沛深厚，但500hPa水汽匯與暴雨對應最好，其低層水汽匯強中心偏北，高層水汽匯較弱。5日20時水汽源在暴雨區上空的出現，是兩段雨峰沒有連在一起的原因之一。

分析總溫度平流，此次過程的能量由兩支偏南氣流從高原和西太平洋向暴雨區輸送。在總溫度場上值得一提的是，5日20時當第一段暴雨已經結束，第二段暴雨尚未開始之際，在略陽北側的能量場中心出現一個72℃的小閉合中心，較5日08時升高11℃。這為強冷鋒過境時再度在原地產生更大的暴雨提供了必要的能量條件。而該區域能量的這種局地性急劇增加，除受上述兩條途徑的輸送之外，中低空兩支偏南氣流在空間交置而造成的次天氣尺度蓄能機制，對此起了相當重要的作用。

研究結論

（1）本次過程有兩段雨峰，分別由暖濕切變和西風槽兩種不同尺度不同性質的系統觸發西太平洋副熱帶高壓西北側的高能區而致。

（2）暴雨發生在能量位渦正值區與水汽匯的疊置區，暴雨的發生髮展與能量位渦的發生髮展一致。相當能量位渦負中心與未來暴雨區對應，且其變化總是超前於暴雨，對暴雨的強度、落區及移向具有較好的指示性。

（3）對流層中層和低層的水汽條件對暴雨的產生具有同等重要的作用。暖濕切變的觸發沒有使繼續輸送積累的能量結構徹底破壞。相反加上次天氣尺度的蓄能作用，使能量迅速增加，為冷鋒過境時再次產生更大的暴雨提供了重要的能量條件。

（4）能量位渦是綜合了能量、動力與潛熱多方作用的新物理量;相當能量位渦還反映了實際水汽的作用。二者能夠簡單有效地表示暴雨過程的天氣尺度和中尺度的一些特徵，對暴雨實時診斷預報具有實用意義。

能量結構分析在雷雨大風天氣診斷中的套用

雷雨大風是災害性強對流天氣之一，20世紀90年代始，國外許多學者開始關注雷暴大風天氣並已取得很多研究成果。國內專家也對其進行長期研究，利用多種資料對廣東省強對流天氣的背景和演變進行了分析和總結，認為中層的乾急流以及較大的垂直風切變可能是強風暴系統發展和維持的主要因素；通過對湖北2003—2009年雷暴大風的雷達回波特徵分析，發現單體型雷暴大風天氣提前預警難度較大，但對弓狀型和颮線型雷暴大風大多可以提前30min作出預警。位渦是近代天氣動力學的重要概念之一，對位渦理論的研究被廣泛套用於天氣預報和研究中。通過對一次爆發性氣旋的發展與濕位渦關係的研究，發現濕斜壓項負值區的上下貫通與氣旋發展有明顯的關係；套用濕位渦理論對山東一次春季暴雨分析發現，高層高值濕位渦下傳有利於位勢不穩定能量的釋放；安潔和通過對濕位渦的正壓項(MPV1)和斜壓項(MPV2)的分析發現，MPV1比MPV2大一個量級，MPV1是主要項；討論與天氣系統發生和發展有關的非均勻飽和濕位渦理論，揭示了不同尺度之間天氣系統的轉換機制及其套用；運用濕位渦理論對3次暴雨診斷分析，認為暴雨的發展與濕位渦有很好的聯繫；利用濕Q矢量、螺旋度和濕位渦對颱風“韋帕”強降水過程進行診斷分析，認為濕位渦比其他兩個量預報效果更好。

大氣可以看作是包含各種能量相互作用的系統，對於大氣中各種能量的演變規律，可以從能量天氣學的觀點進行分析。提出用不穩定能量理論分析和預報夏季強風暴的方法，找出其發生前期的一些重要條件；提出垂直能量螺旋度指數的概念，綜合反映氣塊在螺旋上升過程中釋放不穩定能量的能力，並成功診斷和預報前槽型雷暴大風。強天氣對應著高能區，但是能量積累到一定程度後是否能釋放，又與環流背景的動力配置有關係，所以利用能量天氣學觀點進行診斷，除了熱力因素之外，必須綜合考慮動力及水汽分布等因素。因此本文提出新的能量位渦概念，綜合考慮大氣動力、熱力以及水汽的因素，並以2007年7月27日湖北強雷雨大風天氣為例進行診斷，以期為此類天氣的預報預警提供參考依據。

能量位渦的物理意義及分析

乾能量位渦是絕對渦度與乾靜力總溫度的垂直梯度的乘積，是動力特徵與能量場的綜合反映。由於乾能量位渦中沒有水汽因子的作用，所以動力場與能量高值區共同作用的乾能量位渦大值區，可以反映出風場的尺度特徵。強對流天氣的大氣能量是不斷積累的，也是不穩定能量爆發的過程。由位渦守恆性可知乾能量位渦守恆，且能量穩定度減小時，渦度就會加大，即能量釋放過程中，風速增大。

天氣形勢

2007年7月27日晚湖北發生罕見大風雷暴天氣，湖北省西北、西南、東南部出現雷陣雨，鄂東南、鄂西南還出現了18～22m/s的雷雨大風，造成湖北境內武漢、荊州、鹹寧等11個縣市區受災，截至28日20時統計，造成全省37.45萬人受災，因災死亡10人，受傷323人。

27日08時(北京時，下同)500hPa副熱帶高壓主體位於華東沿海，脊線位於27°N附近，脊線穿過湖北東南部，湖北西側有兩支低槽，北支槽位於陝西中部，槽後有冷空氣，冷空氣中心溫度達-8℃，南支槽位於西川西部，湖北全境處於副熱帶高壓邊緣反氣旋曲率的西南氣流中。低層850hPa副熱帶高壓脊線位於28.5°N附近，脊線偏北，湖北受西風帶槽前西南氣流與副熱帶高壓西脊點以南的偏南氣流共同影響。20時500hPa副高脊線北抬，湖北西側低槽加深，槽前輻合線加厚。850hPa上副熱帶高壓略有減弱，副熱帶高壓西脊點東移，此時湖北主要受槽前西南氣流影響。

地面西南低壓生成，湖北處於地面低壓中心外圍，有較強的輻合上升，為強對流天氣提供了較有利的觸發機制。在中低層切變背景下，發展的對流性天氣是雷雨大風較常見的一種形式。整層大氣環流適合對流天氣的發生髮展。對流層中高層有弱冷空氣影響，分析114°E、31°N處的溫度平流廓線發現，500hPa和200hPa有冷平流，高層弱冷空氣向南擴散與低層強西南暖濕氣流的匯合對此次雷雨大風天氣有重要促進作用。

乾能量位渦分析

（1）500hPa乾能量位渦診斷分析

圖5為7月27日08:00、14:00和20:00的500hPa上乾能量位渦分布。08:00(圖5a)，副高脊線位置以北乾能量位渦較高，中心強度達0.22m·℃·hPa^-1·s^-3，而副高脊線位置以東，則是乾能量位渦的低值區，形成東低西高的乾能量位渦形勢，由西向東形成正的乾能量位渦平流；在湖北中西部存在乾能量位渦等值線密集區，即存在強幹能量位渦梯度；高值中心相對周圍而言為正能量位渦異常，由位渦守恆知道，渦度增大，能量穩定度減小；上述分析都表明，此時大氣中已有相當強的不穩定能量。14:00時(圖5b)，乾能量位渦的高值區北移，湖北西北部乾能量位渦中心值加大，乾能量位渦的強梯度區擴大，基本覆蓋湖北省，此時的乾能量位渦從強度和範圍上都有所增大。20:00時(圖5c)，乾能量位渦中心繼續向北移動，湖北地區乾能量位渦數值減小，梯度減弱。這與大風天氣的發生相對應，大風天氣的爆發釋放了大氣中的能量，使乾能量位渦強度和梯度都減弱。乾能量位渦在高層可以綜合反映大氣的動力場與能量場，大值區對應此處有強的不穩定能量聚集，強梯度說明能量不穩定性強，兩者同時存在，意味強不穩定天氣的出現。此外，還可發現，乾能量位渦先增大後減小是強對流天氣發生的一個主要特徵，原因是因為強對流天氣發生必然釋放高能量，導致乾能量位渦減小。

圖5

（2）乾能量位渦垂直剖面診斷分析

為了更好地描述高空乾能量位渦在雷雨大風天氣中的作用，在本次雷雨大風天氣區沿114°E做乾能量位渦的經向垂直剖面(圖6)。08:00時(圖6a)，大風區(圖中矩形部分)對流層頂有乾能量位渦高值，中心達到0.15m·℃·hPa^-1·s^-3，大風區北側(33°N)500hPa以上有柱狀乾能量位渦高值區，且高能區位置相對較低。14:00時(圖6b)，大風區上空乾能量位渦高值區向下發展，高值區已發展到500hPa以下，且與北側的乾能量位渦高值區疊在一起，其強度加大，範圍變廣，乾能量位渦高值繼續向下發展。20:00時(圖6c)，乾能量位渦大值區已處於650hPa，大風天氣已發生。由渦度守恆性質可知，渦度增大則大氣氣旋性增強，由於乾能量位渦既可以表征大氣動力特徵，又可以表征能量場特徵，使對流層中層能量不斷增強，因此乾能量位渦在中高層的增強和其向對流層中下層發展有利於雷雨大風的發生和發展。

圖6

低層濕能量位渦分析

考慮低層大氣中水汽充足，對低層大氣則用濕能量位渦進行分析。濕能量位渦分為濕正壓項和濕斜壓項。圖7為湖北地區975hPa高度濕能量位渦的正壓項；圖8為湖北地區975hPa高度濕能量位渦的斜壓項。27日14:00(圖7a)，湖北中部低空有強能量不穩定區，中心值達-70m·℃·hPa^-1·s^-3，濕不穩定能量聚積，形成了對流不穩定。而此時的濕斜壓項(圖8a)顯示，湖北中北部有弱的正濕斜壓區，中心數值略大於0，斜壓性比正壓性較小，但仍不可忽略，強的能量不穩定與斜壓系統的耦合區正是27日晚強雷雨大風的發生區域。20:00時(圖7b)，湖北中部正壓項減小，強對流不穩定中心向湖北西南角移動，不穩定能量開始釋放，所以能量不穩定度減小，由於濕位渦守恆，能量穩定度減小，渦度增大，氣旋性增強必定產生強垂直風切變，此時的濕斜壓項中心值已達-20m·℃·hPa^-1·s^-3(圖8b)，分析發現其主要受垂直風切變影響。在低層用濕能量位渦概念進行診斷分析發現，當強的能量不穩定與濕斜壓系統耦合時，有利於雷雨大風天氣的爆發，且耦合區即是大風爆發區。

圖7

圖8

研究結論

（1）提出的乾能量位渦在高空可以較好地預示雷雨大風發生的位置，乾能量位渦大值區即是能量及動力不穩定區域，有利於大風天氣的發生；乾能量位渦的先增大後減小的發展趨勢則是能量不斷積累與釋放的過程，在實際運用中可以對雷雨大風提前做出判斷。

（2）乾能量位渦的垂直結構對於雷雨大風天氣有很好的指示作用，高空高值區的增強及向下發展預示大風天氣的爆發，即高空強能量下傳，使對流層中低層能量加大，強對流天氣發生。3)低層濕能量位渦對於雷雨大風的物理意義明確，當濕能量不穩定值與濕斜壓項耦合時，有利於雷雨大風天氣的發生髮展，耦合區即是雷雨大風發生髮展的區域。