广西位于我国华南西部地区，季风气候特征显著，雨量充沛，年降水量峰值集中出现在前汛期（4—6月）和后汛期（7—9月），其中前汛期降水主要受冷空气以及夏季风影响（何立富等，2016；陈丽娟等，2019；覃皓等，2022；覃皓等，2023），降雨量达到全年的50%左右。前汛期强降水事件往往导致广西地区洪涝事件频发，致灾伤财，因而广西前汛期强降水的成因分析一直是研究热点。在此期间，冷暖空气在滇黔桂一带交汇形成低涡环流或切变线以及青藏高原复杂地形与大气环流相互作用形成的西南涡，是造成广西区域性暴雨的重要影响系统之一（何编等，2012；卢萍等，2014；毛程燕等，2022）。刘国忠等（2007）对影响华南地区的西南低涡以及致洪低涡活动进行了统计研究，指出存在川西南、川西及川西北、川中东及重庆、川黔渝交界4个低涡生成源地。黄明策等（2010）利用多种观测及再分析资料研究广西一次低涡切变特大暴雨过程，发现造成特大暴雨的MCS（Mesoscale Convective Systems）云团沿切变线东移或沿低涡南侧偏南气流移动，强降水出现在冷云区内或TBB（Blackbody Brightness Temperature）梯度最大处。傅慎明等（2010）利用2008年我国南方暴雨野外科学试验的加密资料以及风云2C卫星等多源资料对广西前汛期致洪暴雨进行了研究，发现对流和降水主要发生在低涡的中部及其东南方，与锋前暖区暴雨存在明显差异，并给出了此类低涡切变型暴雨的概念模型。可见，前人关于华南低涡暴雨的研究已取得一定成果。

对于低涡的形成及发展机制，西南和华南地区低涡系统与中高纬地区（如东北、华北冷涡等）存在一定差异。西南和华南地区低涡多位于对流层低层，由于受下垫面地形影响，未必都出现闭合中心，其水平特征尺度一般为200~500 km（高守亭，1987；傅慎明等，2010）。何光碧等（2014）认为高原涡与西南涡耦合是低涡系统维持的重要机制之一，中层正涡度平流和低层辐合上升促进了低涡发展。基于中尺度暴雨模式的诊断也表明涡度辐合、辐散项对西南低涡的发展加强起着最主要的作用（卢萍等，2014）。崔恒立等（2016）从位涡角度追踪高层扰动，发现高层位涡扰动会使得扰动下方的气旋性涡度加强并向低层发展，进而与低层低涡叠加使其东移发展。邓承之等（2021）从压能场与涡度场的非平衡关系出发，利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式研究指出负值非平衡动力强迫通过激发低空辐合，促进了西南低涡的波动性发展，其中位势高度的拉普拉斯项是主要的贡献来源。杨秀梅等（2023）则通过湿位涡和视水汽汇诊断指出，正湿位涡下传使中低层干冷空气侵入和垂直涡度增大，同时配合降水导致的凝结潜热释放，两者共同作用有利于低涡发展维持。

综上，低涡系统在广西或华南地区前汛期暴雨过程中扮演了重要角色。然而，不同源地的低涡系统活动存在一定差异，发展维持机制也不尽相同。因此，一些与以往源地、路径差异明显的低涡系统演变机制仍值得挖掘，进而服务于低涡暴雨的分析和预报。2022年6月10—11日，受低涡影响广西出现了一次区域性暴雨过程，多个市县出现洪涝灾害，房屋损毁、农作物受灾。此次过程低涡系统形成于广西西北部（桂西北）一带，并在源地维持近36 h后才逐渐减弱东移。此类低涡源地偏南，以往研究关注较少，大多作为天气背景而加以分析。因此，本文选取此次过程进行诊断分析，以期加深对此类造成广西区域性暴雨低涡的理解与认识。

使用广西壮族自治区常规地面自动气象站（经质控后有效站点包括93个国家站，2 931个区域站）观测数据，风云2G卫星的TBB数据（分辨率0.1°×0.1°）以及欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）ERA5逐小时再分析数据（分辨率0.25°×0.25°），变量包括位势高度、温度、比湿、水平风场等（Hersbach et al.，2020）。高时空分辨率的ERA5再分析数据能较好反映极端降水事件中的物理过程，并且在表征中国地区的日变化过程方面表现良好（Du and Chen，2019；Chen et al.，2021）。文中时间均采用北京时，所用数据时间段均为2022年6月10日08：00―11日08：00。

通过忽略摩擦作用的涡度方程诊断低涡垂直相对涡度变化的各影响因素（卢萍等，2014；邓承之等，2021）：

式中：u（m·s^-1）为纬向水平风速；v（m·s^-1）为经向水平风速；ω（Pa·s^-1）为P坐标垂直速度；ζ（s^-1）为垂直涡度；f（s^-1）为科氏参数。方程（1）左侧为涡度趋势项，右侧第一至第五项分别为涡度平流项、地转涡度项、垂直输送项、倾侧项及水平散度项。

为定量分析各因素对风场日变化的贡献，利用Du等（2014）给出的水平动量收支方程进行诊断：

式中：u_g，v_g（m·s^-1）分别为地转纬向风速和地转经向风速。方程（2）和（3）左侧项分别为纬向风和经向风的趋势项，右边第一至第三项分别为平流项、科氏力项及残差项。其中残差项包含摩擦、垂直输送及其余影响。

计算大气视水汽汇Q2，表征单位时间内单位质量水汽凝结释放潜热引起的大气加热率，其表达式如下：

式中：q（g·kg^-1）为比湿；L（J·kg^-1）为相变潜热；V（m·s^-1）为水平风矢量。

2022年6月10—11日，受低涡影响广西出现暴雨到大暴雨、局部特大暴雨天气（图1）。过程累积雨量大，降雨范围广，13市39县（区）115乡镇（占全区总乡镇数9.2%）过程累计（10日08：00—11日08：00）雨量达100.0 mm以上，北海市合浦星岛湖洪潮江水库国家气象观测站雨量最大（303.6 mm）。过程伴有明显的对流性质，473乡镇（占37.8%）观测到20.0 mm·h^-1以上的短时强降水，最大雨强为北海市涠洲岛盛塘气象观测站（108.7 mm·h^-1）。

过程期间200 hPa形势少变，南亚高压脊稳定控制青藏高原南麓，脊线位于26°N附近，广西位于南亚高压东部脊的扇形辐散分流区（图略），有利于低层辐合抬升，促进强降水发展。2022年6月10日08：00―11日08：00，中层500 hPa上副热带高压（简称“副高”）588 dagpm线逐渐由120°E以东西伸至115°E附近。在副高阻挡下，云贵高原东侧低槽东移缓慢（图略），为槽前广西一带提供天气尺度抬升背景。850 hPa上低涡生成于桂西北后稳定少动，环流清晰，其东、西侧分别存在暖、冷式切变（图2），是此次过程最直接的影响系统，因此研究中主要关注低涡背景下的中尺度对流系统演变。

与以往影响华南的低涡（刘国忠等，2007；刘祥等，2017）相比，此次过程低涡源地明显偏南，直接在广西境内生成发展，给预报带来一定挑战。图2为2022年6月10—11日TBB、850 hPa位势高度和风场分布。可见，6月10日08：00―12：00，低涡生成并维持在桂西北一带，低涡西侧为东北风与偏西风的冷式切变线，东侧为西南风转偏东风的暖式切变线。该阶段桂南一带存在边界层急流，使得暖式切变线南侧不断有对流云系发展合并。对流云系呈西南—东北向，TBB达-72 ℃的面积超过46 000 km²，最强中心达-82 ℃，造成桂中至桂南地区多站3 h累计雨量达100.0 mm以上。相较而言，冷式切变线附近对流活动较弱，TBB达-72 ℃的面积仅5 200 km²，桂西北一带3 h累计雨量最多不超过70.0 mm。10日13：00―20：00，暖式切变线南侧南风急流逐渐减弱，对流系统组织性逐渐变差，在随低涡东移过程中分裂为多个γ中尺度系统，造成桂东20.0~70.0 mm的3 h累计雨量后移出广西。由于冷空气增强南压，冷式切变线以北偏北风增强，偏北冷空气与偏西暖湿气流在冷式切变线以南的桂西南一带辐合，对流系统不断发展并东移，其间对流系统强度最大达-87 ℃，TBB达-72 ℃的面积超过88 000 km²，造成桂西南多站3 h累计雨量达90.0 mm以上。10日21：00―11日08：00低涡稍有东移，中心维持在（107°E—108°E，23.5°N—25.0°N）附近，低涡东南侧低空急流发展，沿海一带对流云团触发并逐渐增强。其中，11日05：00沿海对流系统达到全盛期，出现大面积（接近8 000 km²）TBB小于-87 ℃区，造成北海市涠洲岛盛塘气象观测站108.7 mm·h^-1的极端强降水。此类出现在切变线南侧暖区中的华南沿海强降水与夜间双低空急流活动密切相关（Du and Chen，2018；Du and Chen，2019），边界层急流出口区辐合与天气尺度急流入口区辐散耦合促进了上升运动发展。低涡西侧冷空气南下强度减弱，冷式切变线附近辐合随之减弱，对流系统逐渐消亡。

总体而言，对流云团及降水落区主要分布在低涡东侧及南侧，其发生发展与冷空气活动及低空急流演变密切相关。低涡在桂西南生成后稳定少动，其中心在24 h内仅移动了1个经度左右，为区域性暴雨提供了稳定的背景强迫场，造成全区分散多个暴雨中心（图1），与以往移动型低涡暴雨落区有一定差异，后者雨带常向着低涡移动路径延伸（刘国忠等，2007；卢萍等，2014）。

考察强降水期间低涡影响下的水汽及热力条件。过程期间西南季风强盛，从孟加拉湾—中南半岛—北部湾一带存在强水汽输送带，持续向华南沿海一带输送水汽（图略）。由过程平均的1 000~700 hPa垂直积分水汽通量分布[图3（a）]可见，西南水汽在低涡吸引下被源源不断卷入广西一带，由广西沿海向内陆伸出一支高水汽通量带并通向低涡中心附近。水汽通量高值区位于低涡东侧及南侧，其值为200~400 kg·m^-1·s^-1。在水汽不断补充下，受低涡控制下的广西地区低层850 hPa比湿维持在14~15 g·kg^-1，有利于强降水发展和持续（苗青等，2021；沈晓玲等，2022）。

低涡环流同样促进了低层暖平流区在广西维持。过程期间，850 hPa上云贵高原东侧至滇桂交界一带维持高温高湿，低涡环流南侧的西南风推动暖湿空气向强降水区扩展，低涡东侧及南侧暖平流强度为1×10^-5~5×10^-5 K·s^-1。在暖平流作用下滇桂交界一带向广西伸展出假相当位温（θ_se）大于352 K的高温舌[图3（b）]，其分布与图3（a）中高湿区大致重合，低层高温高湿有利于大气不稳定能量积聚，为对流系统以及强降水提供有利的发展维持环境（兰明才等，2022；覃皓，2023；褚颖佳等，2023）。

由前文分析可知，过程期间低涡的稳定维持为广西区域强降水的发生发展提供了有利条件，以下通过涡度方程从动力角度对低涡的发展及维持机制进行诊断。此次过程低涡最强中心位于850 hPa附近（图略），图4为850 hPa上过程平均的涡度方程各贡献项分布，可以看到低涡的发展维持主要受涡度平流项[图4（a）]和水平散度项[图4（d）]影响，而垂直输送项[图4（b）]、倾侧项[图4（c）]及地转涡度项（图略）贡献微弱。从过程平均来看，涡度平流项主要为负贡献，造成低涡中心附近涡度流失，其值约为-1×10^-8 s^-1。在涡度源方面，水平散度项为明显正贡献，其值超过2.4×10^-8 s^-1。由于低涡环流中心附近的绝对涡度为正（即f+ξ>0），因而水平散度项的正贡献主要通过水平环流的辐合作用产生，即∂u∂x+∂v∂y<0，从而使-（f+ξ)(∂u∂x+∂v∂y)>0。

给出低涡中心附近（107.0°E—108.0°E，23.5°N—25.0°N平均，下同）涡度方程各贡献项的时间序列进行诊断。原始场[图5（a）]，涡度趋势项显示局地涡度在6月10日08：00之后逐渐发展，11日00：00左右达到全盛期。其中，局地涡度随时间的变化主要由水平散度项贡献，与图4结论相符。具体而言，由沿850 hPa低涡中心的垂直剖面[图6（a）]可见，10日12：00低涡处于发展阶段，24.5°N附近925~500 hPa存在随高度向北倾斜的正涡度柱，强度为3×10^-4 s^-1。正涡度柱低层南北两侧分别由暖、冷空气控制，此时辐合作用较弱，低涡中心附近则近似为中性层结。随后低涡北侧冷空气南下加强，冷暖空气在低涡中心24.5°N附近辐合增强，对峙形成θ_se锋区[图6（b）]，对应此时水平散度项达到峰值。低涡正涡度柱随之发展增强，逐渐由倾斜状转为铅直，正涡度柱水平范围收缩，整层涡度增强，由近地面层向高层伸展超过400 hPa，中心涡度值超过4×10^-4 s^-1。11日08：00，冷空气势力逐渐减弱，向南渗透至接近23.0°N，冷空气伸展高度由接近700 hPa减小至不超过850 hPa。此时低涡中心附近低层冷暖空气辐合减弱，暖空气在冷空气之上爬升。低涡强度也明显减弱，正涡度柱结构逐渐松散，强度不超过2×10^-4 s^-1[图6（c）]。此外，涡度平流项为局地涡度汇，垂直输送项和倾侧项在低涡维持期间分别为负贡献和正贡献，但影响相对较小。

进一步将原始场分为地转风分量[图5（b）]与非地转风分量[图5（c）]，可以看到地转风分量在整个过程中使局地涡度不断减小，而非地转风分量则使局地涡度不断增加。这一特征与齐铎等（2023）研究2020年“6·26”冕宁致灾暴雨时发现相似，即四川盆地低涡的发展与非地转风分量的时间演变密切相关。通过对比可以发现，本研究过程中非地转风分量主导了局地涡度的变化，其中非地转风分量的水平散度项贡献较大，是造成低涡发展维持的主要原因，而非地转风分量的涡度平流项消耗了部分局地涡度。非地转风分量与原始场的水平散度项时间演变具有相似特征，10日16：00—11日00：00维持较大强度，平均约1.28×10^-8 s^-1，而在其余时段贡献较小，强度在0.50×10^-8 s^-1以下。

以上分析表明，非地转风分量的水平散度项变化对低涡发展维持具有重要贡献，并且存在一定的日变化特征。因此，参考Dong等（2021）以及智协飞等（2022）的方法，以各时刻风场和日平均风场的差表征非地转风的日变化，对非地转风场的演变进行分析。

图7为10日11：00—11日02：00的850 hPa绝对涡度、非地转风场及其水平散度的分布，可以看到低涡中心偏北一侧（106.5°E—108.5°E，25.0°N—26.0°N，红实线框）非地转风场随时间变化具有明显的顺时针旋转特征。10日11：00，低涡附近非地转风指向北，低涡中心附近为弱的偏南非地转风辐合，强度不超过-9×10^-5 s^-1。随后非地转风矢量顺时针旋转，10日14：00—17：00低涡偏北侧非地转风逐渐转为偏北风，与低涡中心附近的偏南非地转风辐合明显增强，强度达-15×10^-5 s^-1。此后20：00—23：00，非地转风继续旋转，维持与南侧偏南非地转风在低涡中心附近的辐合形势，对应于该阶段非地转风分量水平散度项对局地涡度的显著贡献。11日02：00之后，低涡北侧由于非地转风又旋转为偏南风，低涡中心附近非地转风辐合转为辐散，使得非地转风分量的水平散度项贡献明显减弱。

上述非地转风旋转特征与Blackadar（1957）提出的惯性振荡理论相似，该理论认为日间大气边界层湍流混合引起的摩擦效应及夜间摩擦效应减弱是导致边界层风场日变化的原因。在该机制下，地转偏向力、气压梯度力和摩擦力间的平衡被改变进而导致非地转风场在科氏力作用下进行顺时针旋转（Xue et al.，2018；Pan and Chen，2019）。为进一步验证惯性振荡机制是造成本次过程中非地转风旋转的主要机制，利用方程（2）、（3）对关键区内（106.5°E—108.5°E，25.0°N—26.0°N）水平动量的收支进行诊断。

图8为低涡北侧850 hPa水平动量方程各项的时间演变。可以看到经向风存在明显的日变化特征[图8（a）]，10日10：00—18：00为负趋势，对应于该阶段北风分量不断增大，而10日18：00—11日02：00转为正趋势，对应于南风分量增大，正负趋势的最大振幅接近4×10^-4 m·s^-2。同时可以明显看到，整个过程中科氏力项为趋势变化的主要贡献项，其演变主导了经向风趋势发展，极大值时刻均大致与趋势项对应。科氏力项在10日11：00—21：00均维持明显的负贡献，最大振幅超过-5×10^-4 m·s^-2，表明在科氏力作用下北风分量不断增大，对应该阶段非地转风由偏南风旋转为偏北风，促进低涡中心辐合从而使得低涡发展维持。此外，整个阶段平流项和残差项基本为正贡献，但相对较弱。对比可见，纬向风的变化也存在相似特征[图8（b）]，整个过程中趋势项的变化由科氏力项主导。科氏力项10日08：00—11日00：00均维持明显的负贡献，表明在科氏力作用下东风分量不断增大，该阶段非地转风由偏西风旋转为偏东风。

综上可知，惯性振荡是造成本次过程中非地转风旋转的主要机制。已有研究表明，在惯性振荡机制下低空急流常呈现日间减弱而夜间增强的日变化特征，进而调控了局地强降水的演变，如华北平原（Pan and Chen，2019）、华南沿海（Huang et al.，2022）以及我国中东部（Zeng et al.，2019）等地区。与之不同的是，本研究发现受惯性振荡影响下的非地转风日变化可以通过促进低涡系统的发展和维持，间接影响广西地区强降水的发生发展。值得一提的是，由于本次过程低涡稳定少动，惯性振荡机制对低涡维持起到的作用才得以清晰体现。然而当低涡移动较快时，不同物理过程的参与将使情况变得复杂，需要通过尺度分离等方法进行讨论。此外，目前广西还少有对此类准静止低涡维持机制的讨论，预报工作中容易低估低涡的维持时间。此次过程中欧洲中心模式预报显示低涡环流减弱较快，进而导致整体降水强度预报偏弱（图略）。上述分析结论有助于提高对此类低涡暴雨的主观预报及客观模式订正能力。

以上主要从动力角度讨论了低涡的发展维持机制，而在热力方面，非绝热加热的作用对于低涡演变同样具有重要贡献（邓承之等，2021；孔期等，2022）。由图2可知，在低涡发展维持过程中伴有明显降水，因而与水汽相变相关的较强潜热加热作用不可忽视。以下通过方程（4）计算视水汽汇（Q₂）讨论凝结潜热加热对低涡的影响，图9为低涡中心附近Q₂、垂直涡度和垂直速度的时间-高度剖面。可以看到，10日14：00—11日02：00，随着低涡发展，上升运动不断向高层发展，垂直运动带来的水汽相变使得Q₂也不断增大，凝结潜热加热较强层次主要位于800~450 hPa，强度最大高度在600 hPa附近，达9×10^-3 J·kg^-1·s^-1，对流层中层附近的潜热加热有利于对流层低层涡度的快速增强。由低层垂直涡度的演变可见，随着中层潜热加热的增强，10日20：00开始低层垂直涡度出现10×10^-5 s^-1的强中心，对应此时低涡发展强盛。在此之前的10日15：00—17：00，低层垂直涡度也出现强中心，而此时中层潜热加热相对较弱，在强度演变上也滞后于低层涡度发展，表明该阶段低涡的发展维持更可能与之前讨论的动力作用相关。

本文分析了2022年6月10—11日引发广西区域性暴雨的低涡系统维持及发展机制。

低涡生成于桂西北后稳定少动，环流清晰，为区域性暴雨的发生发展提供了动力条件。低涡环流东侧及南侧的偏南暖湿输送一方面通过不断的水汽补充促进强降水发展和持续，另一方面维持了低层高温高湿状态，有利于大气不稳定能量积聚，为对流系统以及强降水提供有利的发展环境。对流云团及降水落区主要分布在低涡东侧及南侧。

涡度方程诊断表明，低涡的发展维持主要受涡度平流项和水平散度项影响，垂直输送项和倾侧项影响相对较小。低涡发展初期其中心南北两侧分别由暖、冷空气控制。随着北侧冷空气南下加强，冷暖空气在低涡中心附近辐合增强，低涡正涡度柱随之发展增强，形态逐渐由倾斜状转为铅直并向高层伸展。当冷空气势力减弱，低涡中心附近低层冷暖空气辐合随之减弱，低涡强度也明显减弱，正涡度柱结构逐渐松散。

将原始场分为地转风分量与非地转风分量后发现，地转风分量在整个过程中使局地涡度不断减小，而非地转风分量的水平辐合作用是造成低涡发展维持的主要原因。其物理过程主要是在惯性振荡机制的影响下，低涡中心偏北一侧非地转风场随时间变化具有明显的顺时针旋转特征，非地转风旋转为偏北风时与低涡中心附近的偏南非地转风辐合，使得低涡发展维持。

在热力作用方面，低涡发展维持过程中伴有明显降水，与之相关的凝结潜热加热主要位于800~450 hPa，对流层中层附近的潜热加热正反馈促进了低层850 hPa低涡的发展维持。

本文利用涡度方程讨论了低涡发展维持机制，并从非地转风变化的角度对可能原因进行解释。然而除惯性振荡机制外，倾斜地形的斜压热力作用（Holton，1967）也被认为是造成非地转风旋转的原因之一，已有研究（Zhang and Sun，2017；Pan and Chen，2019）指出该机制在太行山东侧华北平原以及青藏高原东麓夜雨过程中扮演了重要角色。广西位于云贵高原与东南沿海的丘陵过渡带，桂北地区山岭连绵，地形复杂，因而倾斜地形的热力差异作用与惯性振荡机制的相对贡献值得进一步探讨。