研究背景

短时极端降水的发生与对流活动和中小尺度过程关系密切，有些极强的小时降水与在超级单体或中尺度对流系统（MCS）中产生的γ-中尺度（2–20 km）涡旋相伴随。以往聚焦短时极端降水与γ-中尺度涡旋关系的研究主要强调涡旋的动力作用促进极端强降水的产生，然而，涡旋的形成也可能是极端降水的结果，极端降水的出现究竟是导致涡旋产生的原因还是涡旋形成后产生的结果呢？两者之间的因果关系尚不明确。

针对以上问题，本研究利用逐分钟降水观测、逐6分钟双偏振多普勒雷达观测等分钟-公里尺度分辨率的观测数据集，采用线性最小二乘导数法（Linear Least Square Derivative，LLSD）对γ-中尺度涡旋进行识别追踪，分析2017年5月15日发生在珠江三角洲地区一次暴雨事件（地面气象站录得小时降水量最大值为100.1 mm ，在5小时内共有26个地面站录得大于60 mm h^-1的降水率），从观测的角度讨论此次事件中极端小时降水（EXHP，>60 mm h^-1）与γ-中尺度涡旋的关系。

过程分析

图1 （a）2017年5月15日17时-16日07时累积降水空间分布，图中黑色方框为本次降水过程的关键区域（22.5-23.75°N，112.5-114.5°E）。（b）柱形图表示关键区平均的降水量，五条折线表示21-02时关键区域内每小时降水量最大的自动站逐小时降水变化。

本次过程发生在低空切变线影响的天气背景下，边界层内强西南气流朝着珠三角地区输送暖湿空气，并与切变线北侧东北风形成强烈辐合，珠三角地区近地面空气CIN小、LCL和LFC低，为湿对流触发和发展提供了有利的环境动、热力条件，虽然CAPE不大，但是中低层接近饱和、暖云层深厚有利于发生活跃的暖雨过程，产生强降水。临近涡旋出现的时刻，0–1 km 垂直风切变的值与美国统计研究结果平均值相当，而0–3 km 风暴相对螺旋度相比较弱。

在地面自动站记录到EXHP产生最多的一个小时（00—01时），0.5°仰角雷达径向速度图上观察到弓状回波前缘出现一个γ-中尺度涡旋，存在明显的正负速度对，为气旋式旋转（图3）。通过LLSD方法，客观地识别出了涡旋的时间、中心位置、直径和强度。

图2 2017年5月15日23时48分至16日00时48分（a-l） 0.5°仰角雷达基本反射率（单位：dBZ，填色）。“X”分别表示在（a, b）2300-0000 LST和（c-l）0000-0100 LST小时降水 > 60 mm 的自动站。（e-l）中蓝色圆圈表示识别出的涡旋的位置和水平直径。

涡旋形成和加强
涡旋最初在0012 LST降雨率超过100 mm h^-1的区域内形成，并一直维持在该区域内直到0030 LST。在这段时间里，涡旋加强并达到强度峰值。随后，极端降雨率>100 mm h^-1的降水区域缩小，并向东南方向较快地移动，而涡旋几乎没有移动。当涡旋在0042 LST离开极端降水区域时，涡旋强度从2.64 ×10^-3s^-1显著减弱至1.22 ×10^-3s^-1（图3）。

图3 2017年5月15日2348 LST至16日0054 LST（a-l）0.5°仰角雷达径向速度（填色，单位：m s^-1），“X”表示00–01时降水超过60 mm的自动站位置，红色圆圈表示涡旋的位置，蓝色和粉色实线分别表示QPE逐6分钟降水率为60 mm h^-1、100 mm h^-1的等值线。

此次降水过程出现的涡旋持续了54分钟，在它的生命周期中几乎很少移动。涡旋最大直径8.9 km，平均直径6.1 km；最大方位切变为3.09×10-3s-1，平均值为1.90×10-3s-1。同样采用LLSD算法，Tang等（2020）统计分析江淮地区γ-中尺度涡旋（不考虑降水）持续时间、直径、强度平均值分别为26.3 min，8.1 km, 2.3×10-3s-1；Davis and Parker（2014）研究美国龙卷型涡旋采用的阈值为6×10-3s-1，综上，我们认为此次过程出现的涡旋强度较弱。

此外，我们还将距涡旋中心最近的三个地面自动站每6分钟的降雨量与涡旋方位角切变进行了比较。自动站的6分钟累积降雨分别在0006 LST（G1956）和0018 LST（G1915、G1982）达到峰值，而后在0030 LST出现LLSD切变强度峰值（图4）。以上结果表明，强的凝结潜热释放增强低层辐合，很可能对较弱涡旋的形成和加强有重要贡献。而由于在0012至0036 LST期间，涡旋与极端降水区域重合，因此无法排除旋转可能增强降水的非线性动力作用。

图4 2017年5月16日00–01时逐6分钟自动气象站降水和LLSD方位角切变时间演变。

为了获得涡旋的产生伴随强凝结潜热释放的更多证据，根据Yu等（2022）的双偏振雷达观测结果，产生此次短时极端降水的对流体具有中等对流强度，液水含量高，液水路径大约是冰水路径的5—7倍（图5），Kdp在0℃层以下迅速增加（图6），说明云内暖雨过程活跃，产生的凝结潜热释放强，很可能对产生涡旋有重要贡献。

这些结果进一步说明了短时极端降水中的凝结潜热释放有助于增强低层辐合从而产生垂直涡度。因此，短时极端降水过程中凝结潜热通过拉伸项对涡旋的形成和加强发挥作用。

然而，仅用观测结果很难量化潜热释放及其对涡旋形成的贡献。此外，与天气尺度切变线有关的行星边界层中的环境辐合也可能通过拉伸项对涡旋的产生发挥贡献。

本研究利用分钟-次千米尺度观测数据分析了珠江三角洲地区一次伴随γ-中尺度涡旋的极端降水过程的特征及演变过程，提供了两者之间更为精细的时空演变过程，这些结果增加了我们对东亚季风区有关极端降水形成的认识。

图5 2017年5月16日00–01时EPF逐6分钟 （a）冰水路径和（b）液态水路径（圆点，不同颜色表示时间），黑色实线表示2016–2017年4–9月共9292个EPF的概率密度分布。

图6 2017年5月16日00–01时k_dpVP95（橙色实线）。灰色线表示Yu 等（2022）所有EPF的k_dp VP95平均值和第25至75百分位范围的值。

原创:张秋阳，罗亚丽 ,局校天气雷达联合实验室