引言

冷涡是造成山东省强对流天气的主要影响系统之一^[1]。在冷涡发展的不同阶段及不同部位，均可有对流发生。在冷涡云系附近或后部都有可能不同程度地出现对流云的发展，尤其是冷涡区后部的晴空区，常有高空冷平流和低空暖平流叠加，加上地面白天辐射增温，形成不稳定层结，有利于对流的发展^[2-3]。对流天气的形成取决于不稳定层结、水汽条件和抬升触发等环境条件。只有在对环境条件充分掌握的基础上，才有可能依据雷达图像上强对流风暴的特征做出迅速、准确预警^[4]。卫星云图是大气动、热力三维结构的综合反映。与其他类型的遥感资料相比，气象卫星资料可以更有效地揭示天气系统发生、发展和消亡过程，为天气预报，特别是短时临近预报提供客观依据^[5]。因此对卫星云图所反映的环境场特征进行解译，对冷涡背景下强对流天气的预报预警具有指示意义。

卫星资料具有高时空分辨率的特点，云的结构形式、范围大小、边界形状、色调、暗影和纹理等特点提供了丰富的分析内容^[6]。中心波长为6.7 μm的通道是水汽强吸收带，由于水汽起了大气运动被动示踪物的作用，故卫星水汽通道图像反映了对流层中上部的动力特征。单通道水汽图像是监视对流云初生的重要工具^[7]，在气象研究、天气分析和预报等许多方面有很大的应用潜力^[8]。在水汽图像上表现为湿边界的高层湿度水平分布的不连续，有利于对流发展^[9-10]。卫星水汽图像是诊断和预报高层环流的有力工具，在强对流环境条件的诊断方面具有重要作用^[11]。将卫星水汽图像与位势涡度场和常规动力场联合使用，正成为解译卫星云图的重要方法之一^[12]。20世纪80年代，Hoskins et al.^[13]对等熵位涡的应用作出了系统阐述。目前，位涡理论已成为天气动力学领域中的一个重要研究方法^[14]。将通过诊断分析得到的动力场和水汽图像上观测到的动力场进行对比，为强对流天气的预报提供了另一种途径^[15]。夏季，冷涡活动频繁，在卫星云图上表现为活跃的涡旋状云系。对冷涡不同发展阶段的水汽图像和动力特征的对比分析表明，干侵入暗区与对流层高层的下沉运动区、高位涡区以及干冷区相对应，是激发冷涡发生、发展的动力条件之一^[16]。高位涡区与干侵入区相对应，干侵入实际上就是高位涡的侵入和下传，对预报冷涡的发展演变具有重要指示意义^[3]。

2016年6月13—14日，受冷涡影响，山东省出现了一次罕见的强对流天气，鲁西北、鲁中和鲁南大部地区出现暴雨，多站出现了雷雨大风、冰雹等天气。本文采用FY-2F卫星资料、常规观测资料及ERA-Interim再分析资料对此次过程进行综合分析，以期揭示冷涡背景下卫星水汽图像所体现的天气尺度环境特征，为山东省此类过程的云图解译和监测预警提供有益的参考。

1 资料描述和天气实况

国家卫星气象中心数据服务网提供了FY-2F卫星的多通道图像和水汽通道亮温数据。在采用常规观测资料的同时，本文还采用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-Interim每日4次再分析资料，水平分辨率为0.125°×0.125°，包含位势高度、温度、位涡、风、相对涡度等要素。

造成该次强对流过程的高空主要影响系统为冷涡和低槽。从2016年6月14日08时(北京时，下同)的500 hPa形势(图 1)可见，冷涡在东北北部和华北至内蒙一带各存在一个闭合的低值系统，华北附近冷涡的南侧多短波槽活动，槽前等高线呈疏散形势。副热带高压主要控制西太平洋、南海地区；在其北侧，华南至江淮地区有弱短波槽活动。低空和地面形势(图略)表明，低空急流、切变线和地面气旋的存在均有利于对流天气的发生。

此次对流过程具有多种灾害性天气并发的特点。从过程雨量(图 2)来看，强降水主要出现在鲁西北、鲁中的西部和鲁西南地区；最大降水量出现在平阴，为142.4 mm。降水呈明显的阶段性分布特征，几个代表站点的逐时雨量时间序列(图 3)表明，强降水集中时段分别出现在13日、14日的傍晚至夜间，最大雨强出现在汶上，达72.8 mm ·h^-1。伴随强降水的发生，鲁西北、鲁中和鲁南均有冰雹和雷雨大风天气出现；闪电监测显示，13—14日连续两天出现大范围闪电现象，在鲁西北和鲁中地区最为集中。

依据上述灾害性天气的阶段性特征，将本次强对流过程分为阶段Ⅰ(13日下午—夜间)和阶段Ⅱ(14日下午—夜间)，利用卫星水汽图像分析对比在冷涡发展的不同时期，两个阶段对流天气热力、动力条件的异同。

2 卫星图像特征

卫星云图具有较大的空间覆盖和较好的时间连续性，是强对流天气监测的有力工具。借助FY-2F卫星的水汽和可见光通道图像进行对比分析，可揭示对流发展不同阶段的大气热、动力特征。图 4给出了FY-2F卫星13日14时—14日20时的水汽通道图像，以及两个阶段对流初始时段(13日14时和14日14时)的可见光通道图像；图 5给出了13日14时和14日14时垂直速度沿117°E的经向剖面。

由图 4a可见，在对流阶段Ⅰ发生前的13日14时，冷涡中心位于105°E附近的贝加尔湖以南地区，此时冷涡云系表现为明显的非对称结构，位于其东南侧的内蒙中部和华北一带云团色调白亮。在33°N附近为一条略呈反气旋性弯曲的急流云带，处于急流北侧和冷涡南侧的河南北部至山东西部一带呈现暗黑的色调。同一时刻沿117°E垂直速度的经向剖面(图 5a)显示，急流云带北侧32~36°N附近的水汽暗区与对流层850~200 hPa一致的下沉运动相对应；36°N以北有较深厚的上升运动发展，对应水汽图像上山东—河北交界处正在东移发展的湿上升区。同时刻可见光云图(图 4e)上，冷涡东南侧的华北地区有对流云团活跃发展；而河南北部至山东西部受高空下沉气流控制，在可见光图像上表现为少云、无云区。

对流阶段Ⅰ发生的13日20时(图 4b)，伴随冷涡云系东移南下，山西、河北至山东一带为大片白亮的高云，表明这一区域对流层中上部有强烈的湿上升运动。云团上风一侧较为整齐，边界清晰，下风一侧是向东伸出的羽状卷云，清楚地揭示了高空气流走向。受其影响，13日夜间，山东省中西部地区出现一次强对流天气。从水汽图像上还可以看出，涡旋云系的西侧有一条水汽暗带，自冷涡中心西侧向南形成干缝，气旋式卷入涡旋中心。

14日14时(图 4c)，冷涡主体向东南移动，中心位于华北上空，形成完整的涡旋云系；此时涡旋南侧的干缝较阶段Ⅰ(图 4a)色调更暗，范围更宽，形成干螺旋带卷入涡旋中心，山东省正位于这条干螺旋带上。同时刻垂直速度沿117°E的剖面显示，36~37°N附近的对流层上部为下沉运动，而对流层中下部为上升运动。可见光云图(图 4f)显示，与干螺旋带对应的山东中西部地区出现了波状层积云，也表明了该处低层不稳定、高层稳定的大气环境，对流层上部的下沉抑制有利于对流前的能量贮存。

伴随冷涡东移，在对流阶段Ⅱ(14日20时，图 4d)，冷涡南侧干螺旋带上的暗区新生对流迅速爆发。云团结构密实且面积显著增大，覆盖了山东大部地区，云团上风一侧边界整齐，下风一侧呈纤维羽状，白亮的云团和水汽暗带之间形成显著的色调对比。在高空气流的引导下，对流云团向下游移动发展，山东省在14日傍晚—夜间再次出现强对流天气。

水汽图像上连续变化的干湿特征，是大气热力、动力条件变化的综合反映。为了进一步对比分析对流两个阶段的动力、热力特征，图 6给出了强对流区代表格点(36.5°N，117.5°E)温度平流、涡度平流的时间-高度剖面。

层结不稳定的增长机制包括：低层暖湿平流造成的增温增湿，或者对流层中上层干冷平流造成降温变干^[15]。从图 6a可以看出，在13日下午—夜间的对流阶段Ⅰ，对流区上空的850~300 hPa为一致的暖平流控制，在水汽图像上表现为冷涡东南侧的对流云系，其热力不稳定的发展机制是低层暖湿平流造成的增温增湿。随着冷涡系统向东南移动，对流区上空转为干螺旋带控制，剖面分析显示在对流阶段Ⅱ，400~700 hPa为冷平流控制，而700 hPa以下仍有暖平流维持，从而造成了“上干冷、下暖湿”的热力不稳定层结。可见阶段Ⅱ的热力不稳定发展，不仅包含低层暖湿平流造成增温和增湿，也包含高层干冷空气入侵所形成的高层降温变干。

涡度平流的时间剖面(图 6b)显示，在对流阶段Ⅰ，高低空均为较弱的负涡度平流，差动涡度平流不强；在对流阶段Ⅱ伴随干螺旋带形成，高层正涡度平流显著增大，在对流区上空形成涡度平流随高度增大的动力结构。依据准地转ω方程，上升运动与差动涡度平流成正比，对流阶段Ⅱ高层显著增强的正涡度平流有利于对流区上升运动的维持。

以上分析表明，卫星水汽图像体现了对流过程两个阶段不同的热、动力特征：对流阶段Ⅰ发生在冷涡东南象限中，不伴随干螺旋带影响，高低层温度、涡度差动平流均不强；在对流阶段Ⅱ，随着干螺旋带入侵，高低层温度、涡度差动平流显著增强。在两次对流爆发前，对流区都处于水汽图像上的暗区或暗带上，对流层上部的下沉抑制有利于对流前的能量贮存。

3 卫星水汽图像和动力场的叠合分析

水汽图像应用于天气系统诊断分析的基础是干区、湿区及它们的边界^[17]。在极锋锋区上，位势涡度场和卫星水汽图像有紧密的关联^[18]。卫星水汽图像和位势涡度场相结合，使得对中纬度天气尺度系统发生发展的判断更加直观便捷。图 7给出了2016年13日20时—15日02时对流发生关键时次的FY-2F卫星水汽亮温及其与相关动力场的叠加。

14日02时(对流阶段Ⅰ)，500 hPa冷涡云系呈逗点状，槽前的等高线呈疏散结构(图 7a₁)。冷涡南侧存在一支自西北伸向华北、近乎西北—东南走向的急流带，中心风速大于45 m ·s^-1。急流轴与水汽图像上干湿区之间的边界近乎重合，暗狭缝位于急流左侧，走向与急流近乎一致(图 7a₂)。叠加的300 hPa位涡(图 7a₃)表明，暗狭缝具有高位涡的特征，此时涡旋的西侧和南侧各存在一个高位涡中心，急流带与强位涡梯度区相对应。卫星水汽图像上这种与位涡异常、急流相对应的暗区是活跃的动力干带^{[11, 19]}，是对流层上部的动力活跃区。此时在冷涡东南方向的暗狭缝的前侧(东侧)，由于前期低层增温增湿造成的热力不稳定(图 6a)，逗点云系尾部的对流云团强烈发展。

14日14时，冷涡东移南压至华北上空并出现干螺旋带结构(图 7b₁)，其东侧和南侧对流明显减弱。叠加的300 hPa位涡(图 7b₃)显示，卷入冷涡中心的高位涡带边缘位涡梯度显著增强，水汽暗区南侧的干湿边界更加清晰。位于暗区边界上的急流也显著增强(图 7b₂)，中心风速达47 m ·s^-1，范围更广，其前侧向东伸展至山东省上空，急流轴的走向也从西北—东南向转变为近乎东西向。此时山东中西部地区位于具有高位涡特征的干螺旋带上，对流层上部为下沉运动(图 5b)。而水汽暗区所代表的高层干冷空气入侵，在对流区再次造成“上干冷、下暖湿”的位势不稳定层结(图 6a)，有利于深对流单体的迅速生长^[16]；高空急流的加强也有利于对流区垂直风切变的增强。

14日20时(对流阶段Ⅱ)，涡旋南侧干螺旋带上爆发的强对流云团正在影响山东省中西部地区(图 7c₁)。水汽暗带较14时显著收窄，与其周围白亮水汽羽形成更明显的色调对比，边界更加清晰；伴随高位涡带边缘梯度增大(图 7c₃)，高空急流加强并向南发展(图 7c₂)，中心风速在55 m ·s^-1以上。高空强风为倾斜对流提供了强垂直风切变，有利于急流轴附近对流单体的发展^[20]。影响山东省的对流云团位于高空急流出口区的左侧，与急流相关的高层辐散强迫和高空强风有利于对流云团发展和维持。

分别取对流过程两个阶段的典型时次，过强降水中心作纬向剖面(图 8)，可见在对流阶段Ⅰ(图 8a)，高层并未出现明显的位涡扰动，对流层涡度扰动不强；而在对流阶段Ⅱ(图 8b)，位涡扰动明显增强，高层高位涡下传，在400 hPa附近出现2 PVU以上的高位涡区；与之相伴的正涡度也下伸加强，中心涡度值显著增大；对流区及其上游的对流层为整层的正涡度区，最大正涡度出现在300 hPa附近，达到22×10^-5 s^-1。可见在对流阶段Ⅱ，不仅对流在冷涡南侧的水汽暗带上爆发，且伴随高位涡带和高空急流加强，高位涡向下传播，在对流层中部形成高位涡扰动和正涡度柱，与位涡异常相关的旋转增强有利于对流发展。

综合以上分析表明，水汽图像体现了冷涡发展不同阶段高空动力强迫的差异。对流阶段Ⅰ，高层并未出现干螺旋带和高位涡入侵，高空急流不强，对流天气由冷涡东南侧的暖湿对流造成。对流阶段Ⅱ，高位涡水汽暗带入侵对流区上空，伴随干湿边界锐化，高位涡带边缘位涡梯度增强，高空急流显著加强；高层高位涡向下伸展，与之相伴的气旋性涡度显著增强，高层天气尺度强迫特征明显。在中纬度地区，当动力干带入侵暖湿不稳定环境时，这种高层强迫有利于对流系统的发展和加强。

4 结论和讨论

采用FY-2F卫星云图、常规观测资料及ERA-Interim再分析资料，将水汽图像上的干湿特征和大气动力场相结合，对山东省2016年6月中旬冷涡背景下一次强对流过程的环境特征进行了解译分析。主要结论如下：

1) 冷涡云系具有非对称结构特征，在冷涡发展的不同阶段、不同部位，对流发生的热、动力不稳定增长机制有所不同。伴随冷涡东移发展，当具有高位涡特征的动力干带入侵，高空急流增强；高层高位涡和正涡度向下传播，造成高低层温度、涡度差动平流显著增强。高层强迫在对流发展方面具有重要作用，当高层动力活跃区叠加于低层暖湿平流区上空，促使对流爆发。

2) 卫星水汽图像体现了冷涡发展不同阶段高空动力强迫的差异。在不伴随涡后动力干带入侵时，冷涡东南象限的高低层温度、涡度差动平流相对不强，在水汽图像上主要表现为涡旋云系东南侧活跃的湿上升区。当冷涡后部具有高位涡特征的动力干带入侵时，水汽图像上暗带色调变暗、干湿边界锐化，高低层的共同强迫使干螺旋带上爆发暗区新生对流并迅速发展。在对流爆发前，水汽暗带上对流层上部的下沉抑制有利于对流前的能量贮存。

3) 基于卫星水汽图像上的典型流型，可诊断天气尺度环境。水汽图像上与高位涡、急流相伴的暗带是对流层上部的动力活跃区。水汽暗区色调变暗，干湿边界锐化的特征，与高层位涡加强、高位涡带边缘位涡梯度增大和高空急流增强有关。通过卫星水汽图像上连续时次的干湿对比，可以跟踪和识别这些高层热、动力特征的演变，为冷涡对流不同阶段的云图监测提供依据。

本文基于卫星水汽图像和高层动力场，诊断分析了此次冷涡对流环境相关的大尺度热、动力结构。有关研究^[11]指出，深厚湿对流的发展和维持是低层条件和高层动力强迫共同决定的。对于强对流落区的判断，需要将低层环境和高层强迫进行联合分析。另外，高层正位涡异常与对流层顶折叠紧密相关，它们在高低层动力耦合、急流增强以及强天气发生发展方面扮演重要角色^[21]。不同程度的对流层顶折叠与对流发展强度的关联，也有待更多的个例研究充实。