引言

西北太平洋是热带气旋活动频繁的地区，登陆的台风往往伴随大风、暴雨、巨浪灾害，对社会造成巨大影响。除了台风本体，登陆台风带来的不稳定能量、充沛水汽及热力条件，与中纬度系统发生相互作用，往往使得台风影响范围和时间进一步扩大。在长江中下游地区，此类非台风直接影响的暴雨大部分产生于中尺度系统，中尺度对流系统(MCS)是其直接制造者(陶诗言等，1980；孙淑清和杜长萱，1996；高守亭等，2003)。在MCS的生命过程中，往往存在各类中尺度涡旋，其与MCS的发展与后期新对流的生成均有重要关系。对线状的MCS，在其前部及尾端均可有中尺度涡旋存在：前端的涡旋主要与冷池或后部下沉气流造成的水平涡度倾斜有关(Trapp and Weisman, 2003; Atkins and St. Laurent, 2009)；尾端的涡旋则主要由系统的上升支引起的水平涡度倾斜造成，一般只出现在低层(Davis and Weisman, 1994; Cram et al, 2002)。还有一种常常与热带或海上对流相联系的对流尺度涡旋，称为“涡旋热塔”(vortical hot tower, VHT)，主要特征表现为垂直方向上与深对流相联系的塔状涡度大值区及暖中心，其生命史在1 h左右，而当多个VHT在一定条件下合并、轴对称发展后，更大尺度的涡旋将由此生成，在非绝热过程的共同作用下，最终发展形成气旋(Hendricks et al, 2004; Montgomery et al, 2006)。另外也有一类中尺度涡旋，其原本尺度即较大，往往存在于一些成熟发展的MCS的中低层，表现为有组织的气旋性涡旋，其水平尺度一般为20~200 km，维持时间为几小时到几天，称为中尺度对流涡旋(mesoscale convective vortex, MCV)(Leary and Rappaport, 1987; Smull and Houze, 1985; Johnson et al, 1989; Menard and Fritsch, 1989)。MCV的生成得益于MCS层状云降水区的非绝热加热及上升气流(Gamache and Houze, 1982; Zhang and Fritsch, 1987; Davis and Galarneau, 2009)，为一个相对稳定及平衡的系统，持续时间往往长于其生成的对流系统，并常为此后新对流的形成提供有利的环境及触发条件(Fritsch et al, 1994; Trier and Davis, 2002)。在一些情况下，位于对流中下层的MCV能够发展及地，这样深厚的MCV对于强降水的形成甚至海上热带气旋的触发都有重要作用(Galarneau et al, 2009; Rotunno and Emanuel, 1987)。

近年来，国内学者也对中尺度涡旋进行了一些研究。沈杭锋等(2013)利用再分析资料，将长江下游的中尺度按生成高度分为边界层中尺度涡旋、对流层低层中尺度涡旋和对流层低层-边界层中尺度涡旋三类，其中边界层中尺度扰动涡旋(PMDV)与暴雨有密切关系。公颖等(2005)利用MM5对一次梅雨暴雨进行模拟，分析了高低层流型的演变及相互作用对中尺度涡旋的影响。朱爱军和潘益农(2007)对夏季一次降水过程的数值模拟，利用涡度收支分析了不同尺度系统对MCV移动与发展的影响。Lai et al(2011)对影响台湾地区的一次中尺度涡旋过程进行研究，分析了MCV引发的低层辐合及深对流对新系统的生成影响。然而，有关中尺度涡旋理论在实际过程中的验证，特别是在我国特有天气气候特征下的涡旋发生发展机制仍有待加强。本文对一次台风影响背景下的局地中尺度暴雨过程进行模拟，分析过程中尺度涡旋的发展演变特征，研究其与暴雨系统组织形态、对流发展及传播的关系，以期加强对此类天气过程的理解。

1 暴雨过程概况

2013年10月7日夜间至8日早晨，上海地区发生罕见特大暴雨，7日20时至8日14时，上海11个标准测站18 h平均雨量156.0 mm，打破1961年以来全市平均日降水量历史纪录，其中松江工业园站7日08时至8日08时雨量最大，达319.5 mm。此次暴雨过程产生于台风影响天气背景下：2013年23号台风菲特(Fitow)，于当地时间10月7日01时在福建省福鼎市登陆，7日08时在福建北部减弱为热带低压，停止编报，其残余环流逐渐演变为一个西南—东北走向倒槽，倒槽顶部伸向长江三角地区；2013年24号台风丹娜丝(Danas)，10月8日08时位于上海以东约540 km洋面上，中心风力42 m·s^-1(14级)，10月7日夜间到8日上午，在“丹娜丝”从东海北上经过上海同纬度地区期间，上海地区发生特大暴雨。从过程天气形势上看，10月8日08时，500 hPa高度上海处于高空槽底部，风力较弱；700 hPa高度上，上海位于大陆高压东侧、“菲特”倒槽顶部与“丹娜丝”之间，由南京、上海、杭州三站的700 hPa探空风场可分析出闭合气旋性环流(图 1中字母“C”所示)，暗示有中尺度涡旋的存在，但由于探空站点分布距离较远，闭合环流尺度较大，并不符合一般中尺度涡旋的标准(图 1蓝色站点)；低层850 hPa高度以下，上海地区处于一支较强的东北急流控制下，为当地从海上带来充沛的水汽输送。从上海松江自动站的1 h雨量、瞬时温度及极大风场演变图上可见(图 2)，10月7日19时之前，松江站的小时雨强基本在5 mm以下，主要的强降水时段开始于19时之后，而在瞬时风场上，19时正对应地面风向由偏东转向东北的时刻；8日04时之后，降水进一步增强，05—08时小时雨强均在20 mm以上，此时对应地面极大风速从9.3 m·s^-1上升至13.1 m·s^-1。可见，此次降水过程主要在倒槽顶部的辐合以及中低层海上源源不断的水汽输送条件下产生，过程斜压性较弱，局地性环流特征较强，预报难度大。

2 中尺度涡旋特征

为进一步分析此次降水的中尺度天气特征，利用美国国家环境中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)0.5°再分析资料及上海多普勒雷达观测资料分析过程的风场特点。图 3为2013年10月8日02—14时700和850 hPa的NCEP再分析风场及相对涡度演变，由图可见，700 hPa上闭合式气旋环流生成于8日02时以后，08时其中心位于浙江北部，此处涡度约为9×10^-5 s^-1，环流东西方向尺度约为3~4个纬距，为α中尺度涡旋，之后涡旋向东北方向移动，到8日14时涡旋中心位于江苏南通附近，范围及强度均已减弱；而在850 hPa高度上，8日08时之前没有明显的闭合式气旋环流，杭州湾一带的风场仅表现为由“丹娜丝”向西侧伸展的一个倒槽，在倒槽顶部上海西南部地区存在涡度中心，强度约为12×10^-5 s^-1，位置位于700 hPa涡度中心的东侧，之后倒槽向东移动，到8日14时，上海以东洋面上形成一个闭合式气旋环流(图 3f虚线框所示)，但强度偏弱，环流中心的涡度在6×10^-5 s^-1以下，环流尺度也远小于08时700 hPa的涡旋，为β中尺度涡旋。

然而，从上海南汇多普勒雷达的精细观测上则显示略为不同的现象(图 4)。0.5°仰角雷达反射率演变可见，过程的降水回波可分为两部分：一是位于上海西北侧的大片回波，8日03时以前主要位于上海西部地区，移动缓慢，04时之后东移发展，影响上海大部地区；另一部分是位于上海西南侧杭州湾附近的西北—东南走向的带状回波，呈螺旋状发展，并向东北方向移动，04时以后逐渐靠近上海，其北段位于松江、金山一带回波强烈发展，是造成松江站强降水的主体(图 4e)。从0.5°仰角雷达基本径向速度演变可见，过程的径向速度也可大致分为两部分：一是图 4b中蓝色箭头表示的偏北风分量，主要位于杭州湾以北的上海及其西北侧地区，06:04之前，其速度负值中心位于上海北部，强度约为10 m·s^-1，到08:04，风力迅速增强，中心强度达18 m·s^-1以上(图 4f)；另一部分由图 4b中红色箭头表示，位于杭州湾及其南部地区，8日07时以前，其相对于雷达的径向速度为较弱的负速度，结合当地回波的演变趋势，可以判断此处为基本垂直于雷达径向的偏东南风。到08:04(图 4f)，上海地区偏北风增强的同时，杭州湾地区靠近雷达的径向风负值区也同时增强，与上海西南侧远离雷达的径向风正值区形成正负径向速度对(图 4f中“+”“-”符号所示)，正负中心相距约100 km，中心径向速度约为10 m·s^-1，表示局地涡旋式环流明显增强。

由以上两部分分析可见，对于此次降水过程及与之联系的中尺度系统，常规高空观测及再分析资料只能反映其大致所处天气背景，难以表现其真实结构特点，而非常规的精细观测的观测密度、覆盖范围等条件有限，要全面理解系统的结构、分析涡旋演变过程，则需要借助高分辨率的数值模拟工具。

3 数值模拟诊断分析 3.1 模式设计

本文使用美国大气研究所(NCAR)的中尺度模式WRF对此次过程进行模拟。模式采用双层嵌套网格，外层网格水平分辨率9 km，内层3 km，格点数550×550×35，初始积分时刻7日08时(北京时，下同)，积分36 h至8日20时结束(图 5)。采用Lin微物理方案，YSU边界层参数化，RRTM长波和Dudhia短波辐射方案。外层网格初始场及边界条件采用NCEP业务全球模式0.5°再分析资料插值获得。

3.2 降水模拟结果

图 6为模拟的过程24 h累计降水与观测对比。对此次长三角地区的暴雨过程模拟作出了较好反应，其大暴雨范围(≥100 mm)覆盖江苏南部、上海及浙江北部，实况观测大暴雨范围同样位于苏南、上海及浙北地区，两者基本一致，仅对于浙江东部杭州湾以南地区的暴雨模式预报偏弱。从逐3 h的模拟雷达组合反射率演变看(图 7)，自8日02时开始，位于上海西侧的降水回波开始东移，在上海地区发展增强，05—08时移速减缓，于此处产生持续降水，是此次过程上海强降水的主体，也与实况雷达观测一致。

3.3 中尺度涡旋生成发展

强降水发生之前，7日14时模式低层925 hPa上海及杭州湾地区处于台风菲特倒槽顶部的偏东气流控制下，江苏地区则是受高压前部的东北气流影响为主，两者交汇于长三角地区，此时降水主要分布在江苏中南部，沿低层东北气流的走向，呈东北—西南向的带状分布；8日05时，“丹娜丝”北上至上海同纬度附近，其中心距陆地约5个经度以内，陆地高压也进一步南下，上海地区位于高低压系统之间，低层风向转向东北，风力增强，925 hPa上处于一支东北急流区控制下(图 8)，此时“菲特”残余环流进一步减弱东移，东北气流侵入浙江杭州湾以南地区，而上海及浙江东部沿海仍为较强的偏东风，与西侧的东北气流形成明显辐合，在杭州湾西南部地区，风向的辐合最为明显，局地风场可见气旋式闭合分布。

从低层垂直涡度及水平风场的演变上来看，对8日05—12时杭州湾地区的模拟结果表现为一个较显著的β中尺度涡旋发展增强的过程(图 9和图 10)。8日05时850 hPa高度上，大于20×10^-5 s^-1的显著涡度主要位于上海东南部及杭州湾西南侧两个地区，在其对应的水平风场上，上海东南部主要以偏东风为主，当地显著涡度主要由东中气旋性的风向切变及较强的南北风速切变产生；而杭州湾西南侧的涡度区对应水平风速相对较小，平均在10 m·s^-1以下，相反存在较明显的东南风—东北风气旋性风向切变，涡度中心强度与上海东南部地区相当，在30×10^-5 s^-1左右。8日06—08时，该两处仍维持上述特征，其中上海东南部的局地涡度有所增强，中心达40×10^-5 s^-1以上，但强涡度中心的维持时间较短，往往在1 h内减弱，随后又在附近重新组织发展(图 9c~9e)；此时杭州湾西南侧的涡度强度变化较小，而水平风向变化更为显著，8日06时杭州湾以南850 hPa已可见气旋式闭合的涡旋风场，涡旋中心与当地涡度中心位置一致(图 9b)，06—09时，涡旋中心继续维持并缓慢东移发展(图 9c~9e)，到8日10时，杭州湾以南地区风场的气旋式闭合特征更为显著，其南北尺度达约2个纬距，涡度中心也同时增强增大，成为主要的涡度显著区(图 9f)，并在此后的3 h继续维持发展，到8日12时，大于30×10^-5 s^-1的显著涡度区位于杭州湾东南侧，呈团状分布，中心强度40×10^-5 s^-1以上，涡度中心与涡旋中心基本重合，形成一个有显著涡度中心对应的β中尺度涡旋(图 9h)。此时，原本位于上海东南部的涡度相应减弱，只表现为由杭州湾地区涡度中心向东北侧一端的突起。

同样925 hPa高度上，涡度与风场的演变总体与850 hPa高度类似，但在部分强度及发展时间上存在差别。在8日05时，对于上海东南部及杭州湾西南侧的涡度分布，925 hPa上杭州湾附近的涡度明显强于上海地区，由图 10a可见，与850 hPa(图 9a)相比，925 hPa上由于东北风南下更快，杭州湾西侧风力更强，而东侧为偏东气流，在杭州湾南侧风场已呈现出一些闭合的涡旋特征；8日07时，杭州湾地区局地涡度中心略为东移，强度变化不大，而上海南部涡度有所增强(图 10b)，但与850 hPa(图 9c)同样位置涡度相比，中心强度仍然偏弱约10×10^-5 s^-1；到8日09时，925 hPa上杭州湾南侧地区已形成较明显的气旋式闭合涡旋风场，对应有一个呈团状的β中尺度涡度中心(图 10c)，相比850 hPa上同样特征的形成(图 9f)时间上提前约1 h。

为了解涡度发展中整层大气环境特点，分别沿图 10a中A、B做垂直剖面分析。由图 11和图 12可见，对于杭州湾及上海两地，大气低层西部为相当位温340 K以下的相对干冷空气，而东部为高相当位温的海上暖湿气流，700 hPa以下西部为位势稳定大气，东部为位势不稳定大气，700 hPa及以上则均以位势稳定层结为主。对于杭州湾附近地区，大于30×10^-5 s^-1的涡度主要在相当位温锋区东侧的位势不稳定大气中向上发展，8日10时之前，其发展高度较低，主要在700 hPa高度以下，涡度中心靠近地面，强度上也没有明显的增强(图 11a~11c)，8日10时以后，500~700 hPa附近大气逐渐转为近中性层结，表明正处于降水过程中，涡度也在垂直方向上伸展加强，形成从大气低层向中层的显著涡度柱(图 11d)。而对于上海地区，涡度虽然也主要在相当位温锋区东侧发展，但与杭州湾地区相比，其近地面低层涡度较弱，强度40×10^-5 s^-1以上的最大涡度中心位于870 hPa附近(图 12)。垂直方向上，涡度能够向上伸展到较高高度，但维持时间不长，如8日08时，20×10^-5 s^-1的涡度柱最高到达约500 hPa，但到09时即减弱下降。

相当位温数值的大小代表大气静力能量的大小；相当位温随高度降低的气层称为潜在不稳定(potential instability, 也称对流性为或位势不稳定)的气层。比较图 11和图 12相当位温锋区东侧的大气层结条件发现，强涡度区以东的大气中低层为位势不稳定层结，其中，杭州湾地区(剖面基线A)东侧均为较显著的位势不稳定大气，地面相当位温在350 K左右，不稳定层厚度较厚，相当位温递减率大于0.002 K·m^-1的不稳定区域从近地面一直伸展到800 hPa附近(图 11a和11b中紫线所示)；相比而言，上海地区(剖面基线B)的不稳定层的厚度较薄，地面相当位温在348 K左右，8日06—07时，除了近地面区域外，主要的不稳定层位于涡度中心以东的900 hPa以上到770 hPa之间，并且此后逐渐减弱，到8日09时，主要位于870~770 hPa附近(图 12中紫线所示)。

4 中涡旋发生发展机制 4.1 涡度方程诊断

进一步，为探讨垂直涡度的局地变化及维持机理，通过对垂直涡度方程各项计算进行诊断分析，采用忽略摩擦和次网格过程的垂直涡度方程：

$ \begin{array}{c} \frac{{\partial \zeta }}{{\partial t}} = - (u\frac{{\partial \zeta }}{{\partial x}} + v\frac{{\partial \zeta }}{{\partial y}}) - w\frac{{\partial \zeta }}{{\partial z}} - v\frac{{\partial f}}{{\partial y}} - \\ \left({\zeta + f} \right)(\frac{{\partial u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial y}}) + \frac{1}{{{\rho ^2}}}(\frac{{\partial \rho }}{{\partial x}}\frac{{\partial p}}{{\partial y}} - \\ \frac{{\partial \rho }}{{\partial y}}\frac{{\partial p}}{{\partial x}}) - (\frac{{\partial w}}{{\partial x}}\frac{{\partial v}}{{\partial z}} - \frac{{\partial w}}{{\partial y}}\frac{{\partial u}}{{\partial z}}) \end{array} $

方程中各项因子为：

(1) 相对涡度水平平流项：

$ HADV = - (u\frac{{\partial \zeta }}{{\partial x}} + v\frac{{\partial \zeta }}{{\partial y}}) $

(2) 相对涡度垂直平流项：

$ VADV = - w\frac{{\partial \zeta }}{{\partial z}} $

(3) 行星涡度平流项：

$ FADV = - v\frac{{\partial f}}{{\partial y}} $

(4) 相对涡度散度制造项：

$ ZDIV = - \left({\zeta + f} \right)(\frac{{\partial u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial y}}) $

(5) 倾斜项：

$ TILT = - (\frac{{\partial w}}{{\partial x}}\frac{{\partial v}}{{\partial z}} - \frac{{\partial w}}{{\partial y}}\frac{{\partial u}}{{\partial z}}) $

(6) 斜压力管项(本例中作用较小，文中不予分析)：

$ BARO = \frac{1}{{{\rho ^2}}}(\frac{{\partial \rho }}{{\partial x}}\frac{{\partial p}}{{\partial y}} - \frac{{\partial \rho }}{{\partial y}}\frac{{\partial p}}{{\partial x}}) $

为探讨杭州湾地区涡度场从初始时一个局地近底层的涡度中心到后期发展成为伴有显著闭合式环流的β中尺度系统的涡度发展机制，以图 10c中红框内区域平均涡度收支为分析对象诊断方程各项，图 13为8日04—11时的结果。8日04时，涡旋处于生成阶段，主要局地涡度正倾向位于700 hPa以下(对应模式层高度约第10层)，其中散度制造项、垂直平流项为正贡献，而水平平流项及倾斜项为负贡献，其中散度制造项量级最大，峰值位于约925 hPa，说明低层涡度生成主要依赖风场辐合，而垂直平流项为正贡献(图 13a)。到8日06时，涡度进一步发展，局地涡度生消更替显著，此时850 hPa高度已出现闭合风场(图 9b)，在涡度收支上，700 hPa以下仍为正涡度倾向，此时主要的正贡献项为散度制造项和倾斜项，850 hPa以下垂直平流项为负贡献，表示此时垂直上升运动进一步发展，将低层涡度往高层输送，而低层的倾斜项通过将水平涡度向垂直涡度转化补偿了涡度的向上输送，加上散度制造项的贡献使得此处涡度总体收支仍然为正倾向(图 13b)。8日10时，涡度中心尺度增大，成熟的涡旋环流开始形成，此时的涡度收支上，低层仍为正涡度倾向，散度制造项和倾斜项是主要的贡献项。与前期不同的是，在700 hPa层附近，涡度收支的正倾向加强，主要的贡献项为垂直运动相关的垂直平流项，在700 hPa以下，垂直平流项的贡献为负，并且强度基本与倾斜项的正值抵消，而在700 hPa附近，水平平流项、散度制造项和倾斜项的作用较小，此时垂直平流的输送起到主要作用，使涡度在低层以上有较明显增强(图 13d)。8日11时，涡旋发展到成熟阶段，其垂直及水平尺度均得到加强，而此时的涡度总体收支较前期明显减弱，除低层850~925 hPa附近为正倾向，其他高度基本以负倾向为主，但可以看到，此时垂直平流项在中层的作用进一步加大，是维持中层涡度强度的主要原因，其量级甚至与低层的散度制造项贡献相当，最强达1.5×10^-8 s^-2，但由于倾斜项的作用，其正贡献被基本抵消(图 13e)。

图 14为区域涡度收支各项的时间变化，总的来看，从7日20时至8日14时期间，涡度在中低层发展增强，当地涡度倾向保持为正值，并且正值中心有向高处发展的趋势，特别是在8日00—10时时段内(图 14e)。从各项的分布来看：时段内区域水平平流项总体为负，说明有正涡度向涡旋区外输出；中层以下的垂直平流项和倾斜项对涡度收支的贡献往往是相反的(与上文对图 13的描述一致)，特别是在8日05—12时，倾斜项在低层为显著的正贡献因子，同样位置的垂直平流项则为负贡献，在倾斜项正值区的上部，则为垂直平流项的正值区，两者正负中心基本相互对应。垂直平流项的正值区随时间逐步抬高，说明前期有较弱的正涡度向上输送，而在8日12时整层涡度发展最强时，中涡旋发展成熟，从850~500 hPa以上均为显著的垂直平流项正倾向区，有正涡度向对流层中上层输送，而倾斜项则为负倾向(图 14b，14d)；与垂直平流项和倾斜项不同，散度制造项在低层的倾向一直为正，主要在850 hPa以下区域，是局地涡度发展的主要贡献因子。8日07时之后，低层散度制造项进一步增强，与上文3.3节中描述的β中尺度涡旋增强发展过程一致(图 14c)。散度制造项和局地涡度的叠加演变图上也显示，低层散度制造项的作用与局地涡度的发展有很好的相关性：8日06时850 hPa高度上，对应上海、杭州湾的两个涡度中心，此处散度制造项的水平分布上也存在两个辐合中心；到8日09时，杭州湾涡度中心为类似带状分布，分离的涡度中心已不明显，而散度制造项的正值区呈类似团状，中心位于带状涡度区的西南部；随后涡度确实在该正值中心附近发展增强，8日10时也成为类似团状的涡旋系统(图 15)。

4.2 对流潜热释放正反馈

已有研究发现，与中尺度对流系统(MCS)相关的中尺度涡旋往往在MCS的层云降水区内发生，其中层为气旋性旋转，高层为反气旋，且常为暖心结构，然而同时也有研究表明，深对流以及其伴随的潜热释放对于中尺度涡旋的形成和发展起有重要作用(Verlinde and Cotton, 1990; Trier et al, 1997；Zhang and Fristch, 1987；Menard and Fristch, 1989；陈永林等，2016；吴涛等，2017)。在本次过程中，涡旋的发展正发生在对流回波剧烈发展的阶段，且强降水集中在涡旋东北象限中，很明显两者间有很大联系，根据上文涡度收支的分析，在8日04时涡旋生成阶段，涡旋主要在低层发展，主要的贡献项为绝对涡度的辐合，低层的湿度锋区与涡旋形成很好的对应；而在06时及07时涡旋成熟阶段，在大气600 hPa以下形成连续涡柱，主要贡献项为与对流相关的垂直平流项及倾斜项。为进一步研究涡旋发展，在前述模拟试验(本节中称HTON试验)的基础上，采用ndown方法，当9 km网格模拟进行至8日02时，关闭内层3 km网格潜热释放(本节中称HTOFF试验)并开始模拟，对比两个试验低层925 hPa涡度可见(图 16)，关闭潜热释放后，由于缺少大气加热，长三角地区的涡度随时间不断减弱，到8日06时，HTOFF试验中在华东中部一带虽然仍维持一条西南—东北走向正涡度带，但与HTON试验相比，除了在强度上明显偏弱，两者在涡度带的移动上也明显不同：HTON试验中，位于苏南地区的西南—东北走向的涡度带在8日02时之后基本稳定少动，而新的涡度在上海和杭州湾地区形成，并逐渐向东移动发展，06时成为主要的涡度区，而苏南地区的涡度相应减弱(图 16a)；而在HTOFF试验中，位于苏南地区的涡度带则基本沿着本层水平风场向下游偏西方向移动，移速较快，到06时已移至皖南至江苏丹阳一带，结构相对松散，强度减弱，上海、杭州湾地区无新生涡度发展(图 16b)，因而也未产生明显降水(图略)。

在HTON试验中，杭州湾西侧的涡度区维持时间较长，并且东侧有新生涡度发展，散度制造项和倾斜项为低层该区域中涡度倾向的主要贡献项(图 13)，从850 hPa散度制造项和倾斜项的水平分布上可见，散度制造项在区域都以正贡献为主，使局地涡度增长(图 17a)；而相对于垂直速度大值中心，倾斜项基本呈现正负值对称的分布，其中正值区量级与此处局地涡度总收支基本相当，可见由局地对流产生的垂直速度的水平分布不均及水平风的垂直切变造成了上升运动附近涡度倾向的正负对称分布，局地涡度的增消造成了涡旋中心在水平面上的移动，从时间上看，即造成涡旋向偏东方向移动发展(图 17b)。

进一步，在垂直方向上对HTON试验及HTOFF试验区域平均涡度收支分布进行对比(图 18)可见：8日03时(模式开始积分1 h后)，HTON试验及HTOFF试验中区域的低层850 hPa以下，都存在较明显的正的涡度倾向，散度制造项有明显的正贡献作用。两个试验该时次在涡度收支上最明显的差异体现在垂直平流项以及倾斜项的分布上：HTON试验中，垂直平流项在500~850 hPa的中低层为明显的正贡献，表示此处有垂直上升运动将低层涡度往高层输送，也即存在对流潜热释放过程。在其下方850 hPa以下为散度制造项的正贡献区，倾斜项的贡献在500 hPa以下与垂直平流项基本呈反相分布。而在HTOFF试验中，较显著的垂直平流项主要位于850 hPa以下，且在近地面的低层为负贡献，仅在850 hPa高度附近有一些正贡献，其余各项的贡献也都集中在700 hPa以下，难以对大气中层产生影响；到8日05时，HTON试验中850 hPa以下的正涡度倾向进一步增强，特别是散度制造项相比03时更为增强，而其上方仍为显著的垂直平流项正贡献(其中心位于850 hPa附近，相比03时有所降低，但强度增强)，同时，700 hPa附近的涡度倾向也较03时有所增强。而在HTOFF试验中，中低层的涡度倾向相比03时明显减弱，虽然850 hPa以下散度制造项仍有较弱的正贡献，但受垂直平流项、特别是倾斜项在925 hPa以下低层的负贡献影响，当地涡度迅速减弱消散。

由此可见，水汽潜热的释放确实对于上海地区此次过程有着重要影响：一方面，潜热释放带来的加热使得气柱拉长，低层气压降低，高层气压升高，从而使得低层辐合高层辐散，低层辐合的增强又带来局地正涡度的增强。另一方面，潜热加热通过对中层大气加热改变局地层结不稳定度，使得垂直上升运动能够发展到更高的高度，也有利于涡度向上发展以及低层的辐合增强：由HTON与HTOFF试验区域平均的垂直速度与涡度倾向方程散度制造项的时间演变(图 19)可见，在HTON试验中，当低层由较强的散度制造项贡献时，其上方均有较强的上升运动中心与其对应(图 19a中：8日01—05时，8日09—12时)；而在HTOFF试验中，低层散度制造项的贡献随时间不断减弱，上升运动发展高度也明显低于HTON试验，8日05时以后中低层基本为下沉运动，散度制造项作用明显减小，局地涡度难以发展(图 19b)。

5 结论

通过对上海地区一次双台风环境影响的局地暴雨过程进行数值模拟及诊断分析，探讨此次强降水过程大气中层以下的涡旋特征及发展特点，主要结论如下。

(1) 此次暴雨过程受台风菲特倒槽、台风丹娜丝外围环流以及大陆高压前部东北气流的综合影响，在对流发展的强盛阶段低层伴有中尺度低涡环流生成，在雷达低仰角的反射率图上，杭州湾附近有较强的螺旋状旋转发展回波，径向速度图上可见相距约100 km的正负速度中心。

(2) 对过程进行数值模拟分析发现，位于杭州湾和上海附近的涡度随着“菲特”倒槽东移、“丹娜丝”北上靠近、中低层风场加强而发展；涡度主要在位势不稳定大气中发展，先期杭州湾附近涡度发展集中于850 hPa以下到近地面的低层，而上海地区的涡度高度相对较高，中心不及地，后期杭州湾附近涡度进一步发展，其水平及垂直尺度均同时增强，强涡度柱从近地面一直伸展到对流层中层附近，风场上对应形成具有闭合式气旋环流的占据对流层下半部的深厚涡旋，而上海附近涡度相应减弱。

(3) 在涡旋形成发展过程中，局地涡度收支方程中的各项在不同高度、不同时间作用各不相同。中低层的散度制造项往往为涡度发展的正贡献项，水平平流项为相对较弱的负贡献项，垂直平流项/倾斜项间的作用往往相反。散度制造项的作用是造成中低层局地涡度增长的主要因子，其发展增强过程与中尺度涡旋的发展过程在时间和空间上均非常一致，是涡度的主要来源。垂直平流项在前期作用较弱，而随着涡旋发展，中层以上的涡度收支正倾向增强，在涡旋发展至成熟阶段时，垂直平流项通过将对流层中下层的涡度向上输送使涡度向上发展，在中上层对涡度收支的贡献起主要作用。倾斜项在低层涡度生成初期作用不大，但在之后通过影响局地涡度的移动变化，对涡旋有部分贡献。

(4) 对流潜热释放对于涡旋的发展有着重要影响，一方面通过增强大气低层的辐合，维持并增强散度项对局地涡度增长的贡献；另一方面又通过对低层以上的加热改变大气不稳定度，使对流发展更高，有利于对流项对低层涡度的向上输送，同时对流产生的抽吸作用又可以进一步增强低层辐合。此外，对比试验的结果显示，潜热释放也可影响到系统的移动发展方向，当关闭潜热效应后，局地涡度不能向东发展增强，而只能顺着平流方向向西减弱消散。