Plateau Meteorology

Plateau Meteorology >

2022 , Vol. 41 >Issue 3: 646 - 654

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00012

Characteristic Analysis of Northwest Vortex Causing Torrential Rains in Northern Shaanxi

  • Yirong JIANG ,
  • Xiaoli LI ,
  • Huimin LIU ,
  • Keran HOU
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  • Yulin Meteorological Bureau，Yulin 719000，Shaanxi，China

Received date: 2020-12-17

  Revised date: 2021-02-28

  Online published: 2022-06-20

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Yirong JIANG , Xiaoli LI , Huimin LIU , Keran HOU . Characteristic Analysis of Northwest Vortex Causing Torrential Rains in Northern Shaanxi[J]. Plateau Meteorology, 2022 , 41(3) : 646 -654 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00012

1 引言

西北涡（Northwest Vortex）是生成于青藏高原北部和东北部的低空低涡， 主要涡源在柴达木盆地和青甘川三省交界处（丁治英和吕君宁， 1993）。受青藏高原强大的热力和动力作用， 高原及周边地区低压系统活动频繁， 有高原上的高原涡， 高原东侧四川盆地上空的西南涡， 再就是柴达木盆地的西北涡。针对高原涡（李江萍等， 2012； 陈贝和高文良， 2015； 肖递祥等， 2016； 关良和李栋梁， 2019； 何光碧等， 2019； 马婷等， 2020）和西南涡（卢萍等， 2014； 翟丹华等， 2014； 李国平和陈佳， 2018； 程晓龙等， 2019； 韩林君和白爱娟， 2019； 李强等， 2020）的生成源地、 时空分布、 活动规律、 结构特征、 东移环境以及数值模拟和预报试验等方面已有相当丰富的研究成果， 而与前两者相比， 对西北涡的研究相对较少（贺勤等， 1998； 荣涛， 2004）， 事实上西北涡生成和移动可影响黄河中下游地区， 其东移过程中可造成所经地区暴雨天气， 有时可达特大暴雨程度， 是西北和华北地区的主要灾害性天气系统之一（王丛梅和丁治英， 2006）。陕北地处黄河中游， 近几年有多次极端暴雨都是由西北涡引起， 如2017年“7·26”子洲绥德暴雨， 造成重大经济损失， 因此对引起暴雨的西北涡特征分析具有重要的意义和必要性。
目前国内对西北涡的研究多着眼于一次暴雨过程的诊断分析， 如王丛梅等（2005）通过对发生在华北南部的一次西北涡大暴雨过程的湿位涡诊断讨论了冷空气在西北涡暴雨过程中的活动特征及其对暴雨形成的作用； 武麦凤等（2013）对西北涡与登录台风相互作用的暴雨个例进行了分析讨论； 李明等（2016）也对一次出现在青藏高原东侧的暴雨过程进行分析， 探讨了西北涡和登录台风对此次暴雨形成的相互作用； 侯书勋等（2018）分析一次西北涡造成的华北北部暴雨发现西北涡在东移的过程中强度有两次增强， 正对应两个强降水中心； 陆倩等（2016）对承德市一次西北涡暴雨个例进行了分析； 彭力等（2020）对西北涡作用下陕西一次强降水过程成因进行分析， 发现西北涡东移北上是引发陕北系统性强降水的主要原因之一。还有李江萍等（2019）对1980 -2010年夏季西北涡和东移西北涡频数的时空分布特征进行了连续的长时间序列分析， 但目前对于西北涡空间结构特征以及大气动力和热力作用在西北涡发展过程中所扮演的角色与影响的认识还不够。西北涡是引起陕西北部夏季降水的主要灾害性天气系统之一， 在其影响下常常出现洪涝灾害， 为防灾减灾增加难度， 本文对2010 -2019年陕北地区西北涡暴雨的时空分布以及西北涡的大尺度环境特征进行统计及合成分析， 为提高低涡类暴雨预报水平提供理论参考， 对该地区暴雨、 洪涝等灾害性天气的防灾减灾提供科学支撑。

2 资料来源和方法介绍

暴雨个例的选取采用2010 -2019年陕北地区榆林市和延安市共25个县级国家气象站日降水量数据进行统计分析， 规定当25个站中有两个或以上站点均出现日降雨量［20:00（北京时， 下同）至次日20:00］等于或大于50.0 mm降雨， 为一次暴雨个例。
西北涡个例采用MICAPS实况天气图和NCEP FNL 1°×1°全球逐6 h再分析资料进行分析选取。受青藏高原东侧复杂地形和资料的限制， 目前对于西北涡的定义仍然存在差异（王丛梅和丁治英， 2006； 李江萍等， 2019）， 本文根据西北涡在陕北地区的表现特征： 在柴达木盆地到青海湖一带（34°N -38°N， 95°E -105°E）700 hPa天气图上分析出至少一条闭合等高线（每隔1 dagpm画一条等位势线）， 风场具有明显气旋性环流特征， 东移后造成陕北暴雨的小低压系统作为本文遴选西北涡的标准。
本文涉及的地图是基于陕西测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为陕S（2018）006号的陕西省地图和国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）4344号的中国主要河流、 湖泊分布图制作， 底图无修改。

3 引起陕北暴雨的西北涡时空分布特征

统计2010 -2019年陕北暴雨个例共41次， 从月际分布来看（表1）， 均发生在夏半年6 -10月， 其中6月和10月只出现过一次， 7月最多， 8月次之。由西北涡引起的陕北暴雨共15次， 占总次数的1/3以上， 基本都发生在7月和8月， 分别为8次和6次， 9月仅发生过1次。
表1 2010 -2019年陕北暴雨个例逐月分布

Table 1 Monthly distribution of torrential rains in northern Shaanxi from 2010 to 2019

气象要素 5月 6月 7月 8月 9月 10月 总计
暴雨/次 0 1 22 14 3 1 41
西北涡暴雨/次 0 0 8 6 1 0 15
从各气象站暴雨日数的空间分布来看［图1（a）］， 榆林市东南部至延安大部暴雨发生日数比西部明显偏多， 大值中心位于延安中部， 西北涡暴雨日数分布［图1（b）］总体与暴雨日数分布相同， 都是榆林东南部至延安大部比其西北部多， 但不同的是大值中心位于榆林市东南部的佳县等地， 10天的暴雨日有6天是由西北涡引起， 相较于延安中部13天暴雨日只有5天是由西北涡引起， 可见榆林市东南部暴雨多由西北涡引起， 而延安暴雨较少由西北涡引起。西北涡暴雨总雨量［图1（c）］与西北涡暴雨日数分布一致， 暴雨出现日数的大值区也是总雨量的大值区， 累计降雨量达500 mm以上。
图1 2010 -2019年陕北各气象站暴雨日数 （a， 单位： d）、 西北涡暴雨日数 （b， 单位： d）和西北涡暴雨总雨量 （c， 单位： mm） 分布

Fig.1 Days of torrential rain （a， unit： d）， days of torrential rain caused by Northwest vortex （b， unit： d） and precipitation of torrential rain caused by Northwest vortex （c， unit： mm） in northern Shaanxi from 2010 to 2019

分析15次西北涡暴雨个例发现（表2）， 出现6站以上暴雨的有8次， 出现最大日雨量大于81 mm的有11次， 说明西北涡暴雨具有影响范围广、 累计雨量大的特点。降水主要开始于后半夜， 结束于白天， 暗示了西北涡一般在夜间发展加强。15次个例中有5次较强过程都伴有南海或东南沿海登录台风的远距离影响， 武麦凤等（2013）和李明等（2016）的研究结果都表明， 台风通过参与低空急流的形成， 将其外围的水汽和能量向北方暴雨区输送， 是暴雨过程的水汽输送者和能量的提供者。范娇和陈科艺（2019）通过有无台风影响下的西南涡特征统计分析发现移动型西南涡受台风影响时产生的降水强度比无台风时更大， 西北涡是否也有类似特征， 还有待进一步研究。
表2 2010 -2019年陕北西北涡暴雨个例

Table 2 Torrential rain cases caused by Northwest vortex in northern Shaanxi from 2010 to 2019

出现日期 （年-月-日） 暴雨 站数/个 最大 日降雨量/mm 主要降水时段 其他影响系统
2010-07-23 7 131.3 23日上午和24日凌晨 500 hPa两高之间低压、 西南低空急流、 台风“灿都”
2010-08-18 4 83.8 18日凌晨至傍晚 500 hPa西风槽、 副高外围西南气流、 西南低空急流
2010-08-21 8 81.7 21日凌晨至上午 500 hPa两高之间西风槽、 西南低空急流
2011-08-20 3 64.2 20日清晨至21日凌晨 500 hPa两高合并北侧纬向气流、 低层偏东风
2012-07-28 3 63.8 28日凌晨 500 hPa高空槽、 西南低空急流
2013-07-04 4 81.6 3日夜间至4日凌晨 500 hPa东北冷涡后部西风槽、 850 hPa低涡
2013-07-25 6 140.5 25日清晨至下午 500 hPa副高外围西南气流、 南海热带气旋
2014-09-11 6 84.3 10日夜间至11日下午 500 hPa副高北侧纬向气流、 850 hPa低涡、 偏东风急流
2016-07-08 8 117.0 8日凌晨至9日中午 500 hPa低压、 850 hPa低涡、 低层偏东气流、 台风“尼伯特”
2017-07-26 7 206.6 26日凌晨至清晨 500 hPa副高外围西南气流、 西南低空急流、 台风“桑卡”“洛克”
2017-08-22 4 105.4 22日凌晨至下午 500 hPa副高西北侧西南气流、 西南低空急流、 台风“天鸽”
2018-07-16 2 58.2 15日夜间和16日傍晚 500 hPa副高外围西南气流、 西南低空急流
2018-08-31 2 73.2 30日夜间 500 hPa副高外围西南气流、 南海热带气旋
2019-07-22 8 100.3 21日夜间至22日清晨 500 hPa西风槽、 850 hPa低涡、 西南低空急流
2019-08-03 7 81.1 3日清晨至傍晚 500 hPa低压、 西南低空急流、 850 hPa低涡、 台风“韦帕”

4 西北涡东移路径

统计引起陕北暴雨的西北涡源地和移动路径发现（图2）， 西北涡的源地多集中在青海西部以及青海、 甘肃和四川三省的交界处（34°N -38°N， 95°E -105°E）， 生成后向东北或是东南方向移出源地， 一般东移36~48 h后造成陕北地区产生明显降水， 继而减弱成切变线后消失， 极少数会继续东移或东南移影响华北等下游地区。
图2 引起陕北暴雨的西北涡移动路径

黑点表示移动位置， 每个黑点之间时间间隔为12 h， 数字所在位置表示西北涡生成源地

Fig.2 Northwest vortex tracks.Black dots are the moving positions with 12 hours intervals， the dots marked by numbers represent the sources of Northwest vortex

5 环流场特征

分析陕北西北涡暴雨的环流形势发现， 200 hPa高空急流［图3（a）］位于新疆-内蒙古东部一带（37°N -45°N， 80°E -120°E）， 急流轴位于43°N附近， 风速最大值可达36 m·s-1， 陕北地区位于这支高空急流的右侧， 高空主要为强辐散区， 其辐散作用有利于中低层辐合和上升运动的加强； 500 hPa［图3（b）］高空槽位于河套西部， 槽中和槽前有明显正涡度， 陕北大部处于高空槽前的西南气流中， 西太平洋副热带高压（简称副高）588 dagpm线西脊点和北脊点分别位于（30°N， 114°E）和（35°N， 121°E）附近， 陕北位于副高脊线西北侧7~8个纬距附近， 刘慧敏（2008）和蒋伊蓉等（2018）研究表明， 副高西北侧与西风槽前形成的暖湿气流向北输送， 是陕北产生暴雨的一个有利条件； 700 hPa［图3（c）］西北涡中心位于陕西和内蒙古交界处， 并有310 dagpm的闭合线， 陕北大部位于西北涡东南象限的西南气流中。850 hPa［图3（d）］与700 hPa低涡位置对应有气旋中心， 陕北大部盛行偏东偏南气流。结合图1可知， 西北涡暴雨区主要位于700 hPa西北涡中心的东南一侧切变线以南区域， 这可能是因为这里对应200 hPa为强辐散区， 500 hPa是西风槽前和副高外围西南气流交汇地， 700 hPa和850 hPa是偏南偏东气流， 具有较强的抬升和充沛的水汽供应。
图3 2010 -2019年陕北西北涡暴雨的200 hPa急流（风羽和实线， 单位： m·s-1）和散度（阴影， 单位： ×10-5 s-1）（a）， 500 hPa位势高度（实线， 单位： dagpm）、 风场（风羽， 单位： m·s-1）和涡度（阴影， 单位： ×10-5 s-1）（b）， 以及700 hPa （c）和850 hPa （d）位势高度（实线， 单位： dagpm）、 风场（风羽， 单位： m·s-1）和假相当位温（虚线， 单位： K）

（b）中单实线为500 hPa高空槽线； （c）中双实线为700 hPa切变线

Fig.3 200 hPa upper-level jet （barb and solid line， unit： m·s-1） and divergence （shaded， unit： ×10-5 s-1） （a）， 500 hPa geopotential height （solid line， unit： dagpm）， wind field （barb， unit： m·s-1） and vorticity （shaded， unit： ×10-5 s-1） （b）， 700 hPa （c） and 850 hPa （d） geopotential height （solid line， unit： dagpm）， wind field （barb， unit： m·s-1） and pseudo-equivalent potential temperature （dotted line， unit： K） during torrential rains caused by Northwest vortex in northern Shaanxi from 2010 to 2019.Single solid line is 500 hPa trough in （b） and double solid line is 700 hPa shear line in （c）

由表2可知， 15个西北涡暴雨个例中有9次伴有西南低空急流， 还有3次伴有偏东风急流， 由于合成风速比实际风速小， 700 hPa［图3（c）］和850 hPa［图3（d）］合成风速都没有达到低空急流标准， 但可以看出暴雨期间整体盛行偏南偏东气流， 为陕北西北涡暴雨提供了低层水汽输送。

6 西北涡结构特征

由上述分析可知， 西北涡中心位于（37°N -39°N， 109°E -110°E）附近， 为进一步探究西北涡垂直结构特征， 重点对发生暴雨的西北涡的动力、 热力机制进行研究和分析。

6.1　散度场和涡度场特征

从沿38°N散度场、 涡度场剖面图［图4（a）］可以看出， 陕西北部（108°E -112°E范围内， 下同）散度场上500 hPa以上主要以辐散为主， 其中心位于111°E， 200 hPa附近， 最大值为2×10-5 s-1； 涡度场500 hPa以上主要为负涡度， 中心与散度场基本重合， 最大值为-4×10-5 s-1。散度场在中低层主要以辐合为主， 强辐合区在700 hPa以下， 最大值达 -3×10-5 s-1， 中心仍在111°E附近； 涡度场在中低层均为正涡度， 即以气旋性旋转为主， 正值区可伸展至500 hPa， 其正值中心也较高， 超过700 hPa， 最大值达6×10-5 s-1以上， 但其中心在辐合中心偏西侧， 这一方面表明， 西北涡在中低层以气旋性辐合为主， 即中层（700 hPa）主要为气旋性旋转， 低层（800 hPa以下）则以辐合为主； 另一方面， 正涡度中心代表西北涡中心所在位置， 说明强辐合中心位于西北涡中心的东侧。从垂直速度［图4（a）］可以看出， 西北涡高层辐散、 低层辐合造成的抽吸作用使得陕北地区（109°E -111°E）的上升运动显著， 强上升中心从近地面可以伸展至接近400 hPa， 最大值达-6 Pa·s-1。结合流线和相对湿度剖面图［图4（b）］可知， 上升气流将近地面水汽向高层输送， 使得整层大气湿度接近饱和， 且由于上升气流随高度向东倾斜， 高层湿区也向东倾斜， 这与越到高层风向以偏西风为主有关。
图4 2010 -2019年陕北西北涡暴雨沿38°N的散度（实线， 单位： ×10-5 s-1）、 涡度（虚线， 单位： ×10-5 s-1）和垂直速度（阴影， 单位： Pa·s-1）（a）， 以及相对湿度（实线， 单位： %）和流场（流线， v单位： m·s-1， w单位： ×10-2 m·s-1）（b）的垂直剖面

图（b）中黑色粗箭头表示垂直环流

Fig.4 Vertical cross sections of divergence （solid line， unit： ×10-5 s-1）， vorticity（dotted line， unit： ×10-5 s-1） and vertical velocity （shaded， unit： Pa·s-1） （a） and relative humidity （solid line， unit： %） and flow field （streamline， v-unit： m·s-1， w-unit： ×10-2 m·s-1） （b） along 38°N during torrential rains caused by Northwest vortex in northern Shaanxi from 2010 to 2019.Black arrow indicates vertical circulation in （b）

上述分析表明， 引发陕北暴雨的西北涡具有显著的高层辐散、 低层辐合特征。200 hPa以辐散为主， 700 hPa主要为气旋性旋转， 800 hPa及以下则主要为辐合。高低空系统耦合使得陕北上空上升运动显著， 且强辐合上升区与图1（c）暴雨中心所在位置一致。

6.2　假相当位温和锋生场特征

假相当位温和湿位涡都反映了大气的温湿状况， 利用其水平和垂直分布， 可以分析大气中的能量分布和垂直不稳定状况。从700 hPa［图3（c）］和850 hPa［图3（d）］假相当位温场可以看出， 陕北地区位于假相当位温自西南地区向东北方向伸展的高值区内， 与其相邻的内蒙古自治区、 宁夏和山西则较低， 假相当位温呈“Ω”型分布， 表明陕北处于“高能舌”中， 有利于东西两侧的干冷空气向陕北地区夹挤使这一地区的暖湿空气抬升， 从而有利于暴雨天气的产生。再分析沿38°N假相当位温剖面［图5（a）］， 陕北地区不仅近地面至300 hPa上假相当位温均高于其东西两侧， 而且近地面至600 hPa假相当位温随高度降低， 对应湿位涡负值区， 中心达 -0.6 PVU， 说明陕北上空存在显著对流性不稳定层结。
图5 2010 -2019年陕北西北涡暴雨沿38°N的假相当位温（实线， 单位： K）和湿位涡（虚线， 单位： PVU）（a）以及锋生函数（单位： ×10-10 K·m-1·s-1）（b）的垂直剖面

Fig.5 Vertical cross sections of pseudo-equivalent potential temperature （solid line， unit： K）， wet potential vorticity （dotted line， unit： PVU） （a） and frontgenesis function （unit： ×10-10 K·m-1·s-1） （b） along 38°N during torrential rains caused by Northwest vortex in northern Shaanxi from 2010 to 2019

冷暖空气的交汇区易形成锋区， 锋区斜压性大， 有利于垂直环流的发展和能量交换， 锋面附近常有比较剧烈的天气变化和气压系统的发生发展（窦慧敏等， 2020）。采用朱乾根等（2007）定义的锋生函数计算公式， 考虑假相当位温 θ s e在干、 湿绝热过程中的保守性（王建捷和陶诗言， 2002； 盛裴轩等， 2003）， 因此用 θ s e替换原公式中的 θ， 以分析西北涡中锋生场特征， 锋生函数 F计算公式如下：
F = - 1 | ∇ θ s e | ∂ θ s e ∂ x 2 ∂ u ∂ x + ∂ θ s e ∂ y 2 ∂ v ∂ y + ∂ θ s e ∂ x ∂ θ s e ∂ y ∂ v ∂ x + ∂ u ∂ y
式中： θ s e为假相当位温； ∇表示变量的梯度； u为纬向风速； v为经向风速。
分析沿38°N锋生函数剖面［图5（b）］可以看出， 陕北上空均为正值， 900 hPa、 700 hPa以及300 hPa上分别有一高值锋生中心， 最大值达9×10-10 K·m-1·s-1， 计算结果表明锋生函数中的散度项起主要作用， 即高空急流下的强辐散， 引起空气质量调整， 低层辐合， 加上对流不稳定层结， 促使锋生， 中低层的反环流［图4（b）］将暖干平流带向锋区， 有利于锋区加强， 从而促进了暴雨的产生。

7 西北涡水汽特征

暴雨的产生离不开充沛的水汽输送（邱贵强等， 2018； 张桂莲等， 2020）， 下面将重点分析陕北西北涡暴雨过程中水汽场特征。从比湿和水汽通量散度分布（图6）可以看出， 陕北地区在700 hPa和850 hPa比湿场上均位于由南向北伸展的“湿舌”内， 比湿分别达到8 g·kg-1和10 g·kg-1以上， 水汽通量散度则显示陕北为水汽辐合区， 尤其是榆林东南部至延安中北部， 且850 hPa辐合比700 hPa更显著， 这说明有充分的水汽输送至陕北通过辐合上升至高空。水汽通量及水汽通量矢量场（图7）表明陕北地区700 hPa水汽主要源于孟加拉湾， 经过云贵高原转向西南地区后向北输送至陕北， 850 hPa除了上述水汽通道外， 还有一条来自西太平洋的水汽通道， 经过东南地区向西北输送至陕北与上一支汇合， 水汽输送大值区位于西北涡的东南部， 即榆林东南部至延安中北部， 与暴雨区分布一致， 说明较高的比湿及充沛的水汽输送为西北涡暴雨的产生提供了又一必要的有利条件。
图6 2010 -2019年陕北西北涡暴雨700 hPa（a）和850 hPa（b）比湿（实线， 单位： g·kg-1）和水汽通量散度（阴影， 单位： ×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1）分布

Fig.6 700 hPa （a） and 850 hPa （b） specific hunidity （solid line， unit： g·kg-1） and moisture flux divergence （the shaded， unit： ×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1） during torrential rains caused by Northwest vortex in northern Shaanxi from 2010 to 2019

图7 2010 -2019年陕北西北涡暴雨700 hPa（a）和850 hPa（b）水汽通量（阴影和矢量， 单位： ×10-8 g·cm-1·hPa-1·s-1）分布

Fig.7 The distribution of 700 hPa （a） and 850 hPa （b） moisture flux （shaded and vector， unit： ×10-8 g·cm-1·hPa-1·s-1） during torrential rains caused by Northwest vortex in northern Shaanxi from 2010 to 2019

8 结论与讨论

通过2010 -2019年陕西北部15次西北涡暴雨个例进行统计和合成分析， 得出以下主要结论：
（1） 西北涡引起的陕北暴雨占总暴雨个例的1/3以上， 基本都发生在7月和8月， 榆林市东南部由西北涡引起的暴雨日数明显多于其他地区。西北涡多于青海西部生成， 一般东移36~48 h后可影响到陕北地区， 造成该地暴雨天气。高空急流、 500 hPa高空槽、 西太平洋副热带高压、 700 hPa西北涡和低层偏南偏东气流是造成陕北西北涡暴雨的主要天气系统。
（2） 陕北西北涡暴雨具有显著的高层辐散、 低层辐合特征。陕北上空200 hPa以辐散为主， 700 hPa附近主要为气旋性旋转， 800 hPa及以下以辐合为主， 这样高层辐散抽吸使得位于700 hPa正涡度中心东南侧和850 hPa辐合中心上空的上升运动更显著， 强上升运动中心位置就是暴雨中心所在位置， 对陕北暴雨预报具有指示意义。
（3） 西北涡暴雨过程中， 陕北主要位于假相当位温的高能舌中， 同时东西两侧有干冷空气夹挤， 使这一地区暖湿空气抬升， 垂直方向上有显著的对流性不稳定层结和锋生， 有利于激发暴雨天气过程。
（4） 西北涡东南侧充沛的水汽输送和强水汽辐合是陕北产生暴雨又一必要的有利条件。低层水汽主要由偏南气流携带孟加拉湾水汽和偏东气流携带西太平洋水汽向暴雨区输送， 并在这一地区形成水汽辐合中心。
本文基于陕北15次西北涡暴雨个例分析， 揭示了该地区此类暴雨的时空分布及西北涡的大尺度环境场特征， 而登陆台风对此类暴雨的远距离影响， 以及陕北黄土高原中部特殊地形对西北涡移动、 发展以及暴雨落区的影响， 都有待更深入的研究。

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