受东亚夏季风的季节性向北推进影响，华北暴雨主要出现在7月下旬至8月上旬(俗称“七下八上”)。暴雨的产生是多尺度系统相互作用的结果，既受大尺度环流系统配置调整的影响，又是中尺度系统热动力作用的结果，大暴雨的发生、发展与低空流场的辐合、垂直运动的急速发展有关，并常伴有气旋性垂直涡度的急剧增大(陶诗言，1980)。低涡是引发华北暴雨的主要天气系统之一，历史上造成重大自然灾害的“63.8”华北特大暴雨(游景炎，1965)、“7.21”北京特大暴雨(孙建华等，2013)均与低涡系统的发展和移动有关。因而研究低涡及气旋的发展机制是研究暴雨的重要内容(丁一汇等，1993；Chen, et al，2003; 梁丰等, 2006, 2007；Li, et al, 2016；王丛梅等，2006)。以往研究结果表明，大尺度斜压系统发展、对流稳定度的变化、风垂直切变增大或水平湿斜压增大、凝结潜热加热等动力学、热力学过程是低涡(地面气旋)发展的重要驱动因素。早在20世纪40年代，Rossby(1940)就提出了位涡的概念，Ertel(1942)又把位涡扩展到了广义位涡，指出绝热、无摩擦的干空气中位涡具有守恒性，系统地概述了位涡在诊断大气运动中的应用，强调了高层位涡扰动对中低层涡旋发展的影响。Hoskins等(1985)提出在绝热无摩擦条件下，位涡不但具有守恒性，还具有一个重要的特性就是可反演性，即给定位涡分布和边界条件，可以反演出同一时刻的温度、风、位势高度等物理量。吴国雄等(1995)、Wu等(1998)提出倾斜涡度发展(SVD)理论，证明了基于位涡和湿位涡守恒的条件下，拉格朗日质点沿等熵面下滑时垂直涡度的发展，并且指出湿位涡是研究暴雨发生、发展的重要手段。寿绍文(2010)也曾全面地对位涡理论的要点发展和应用进行总结和阐述。此外，考虑凝结潜热的加热作用在高、低空流场、垂直速度、位势高度上有重要的影响，尤其重要的是对流层中上层潜热的作用有利于低压中气旋式涡度的发展(孙淑清等，1986；张杰英等，1987)。郑永骏等(2013)研究结果表明，低涡的垂直涡度发展可分为由非绝热加热、位涡水平分量(PV2)和静力稳定度(θ_z)变化引起的3个部分，并指出：在大多数情形下, 非绝热加热对垂直涡度发展起主导作用，其次是位涡水平分量(PV2)变化的作用。综上所述，从斜压系统发展、位涡(湿位涡)理论以及非绝热加热几个方面去理解低层气旋式涡度是如何发展的就变得非常重要。

2016年7月19—21日，华北地区出现了较大范围的大暴雨，部分地区出现特大暴雨，造成重大人员伤亡和财产损失。这次天气过程与以西南低涡为中心的低压带中黄淮地区新生的低值系统(低涡和地面气旋)有关，该新生低值系统在东移北上过程中强烈发展、并在华北地区长时间缓慢移动造成了此次大暴雨过程。那么, 该低涡系统在其移动发展过程中, 其动力学结构特征发生了哪些变化？它的异常发展和哪些动力学条件有关？这是理解本次大暴雨过程中首要解决的科学问题。

华北地区2016年7月18—21日出现区域性大暴雨，部分地区特大暴雨，位于太行山前的河南安阳、河北石家庄等地局地过程雨量更是超过700 mm。北京地区18日17时(世界时，下同)至21日00时过程平均降雨达到212.6 mm，降水总量有3站超过400 mm，20个国家级气象站中有9个24 h降雨量突破历史极值(图 1a₁、a₂)。本次暴雨天气过程造成重大人员伤亡和财产损失，仅河北省就因灾死亡130人、失踪110人，直接经济损失达163.68亿元。

(b1、b2. 19日00时，c1、c2. 20日01时，d1、d2. 20日13时) 图 1 华北(a1)及北京地区(a2)2016年7月19日01时至21日08时降水量分布(单位：mm)，北京地区3个阶段降水雷达回波组合反射率因子(b1—d1，dBz)和反射率因子垂直剖面(b2—d2，dBz)特征 (b1-b2. 00:00 UTC 19 July, c1-c2. 01:00 UTC 20 July, d1-d2. 13:00 UTC 20 July) Figure 1 Precipitation (unit: mm) over North China (a1) and Beijing (a2) at 01:00 UTC 19 July to 08:00 UTC 21 July 2016, composite reflectivity (b1-d1, dBz) and vertical reflectivity profiles (b2-d2, dBz) of the SA radar in the three stages of the precipitation event

图选项

对北京地区来说，这次过程有如下特点：(1)降水持续时间长。这次降雨过程从18日17时开始至21日00时结束, 持续时间超过55 h。(2)强降水范围广，降水总量大。全市有362个自动站总降水量超过100 mm，最大降雨出现在门头沟东山村453.7 mm。(3)强降水期间降雨较为平缓, 对流(雷电现象)活动相对较弱。

从雷达回波的演变发展来看，北京地区降雨过程有明显的阶段特征。可分为3个阶段:(1)槽前降雨阶段(图 1b₁、b₂):该阶段(18日17—19日14时)北京地区出现中到大雨，主要表现为高空槽前局地对流强降水; (2)低涡外围螺旋雨带持续性降水(图 1c₁、c₂):该阶段是降雨的主要时段(19日15时至20日12时), 北京多站次出现大暴雨, 雨势相对平缓, 对流相对较弱; (3)低涡中心附近窄带弱对流降水(图 1d₁、d₂):这一阶段是北京地区降水的结束阶段。

7月19日00时, 500 hPa高度上在蒙古高原中部出现闭合小低涡，低涡南侧为从云南经四川盆地、陕西至华北西部的低压槽系统(图 2a₁)。20日00时华北中部上空形成了加深发展的大范围闭合低涡(5760 gpm)，副热带高压(副高)由海上西伸至中国华东—华南沿海，低涡系统受到东侧副高的阻挡在华北上空停滞(图 2a₂)。低层(850 hPa上)，18日12时分别在川、陕交界及湘、鄂、赣交界有南北向和东西向两条切变线，相应的在切变线附近及偏南急流的顶端产生南北向和东西向两条雨带(图 2b₁)。19日00时川、陕交界的切变线向东北方向倾斜，东部的东西向切变线也随西南急流向北推进而北抬，两条切变线逐渐成“人”字形，同时在切变线附近出现了西南、东南、东北3支气流的加强(图 2b₂)。19日夜间涡旋系统快速发展，20日00时已在华北上空形成闭合完整的低涡环流及大范围的涡旋雨带，并且维持时间长达24 h，北京地区的暴雨主要降雨时段就出现在低涡显著发展增强、维持阶段(图 2b₃、b₄)。

(19日00时(a1)、20日00时(a2)500 hPa位势高度(等值线, gpm)、正涡度(色阶, 单位:10-5 s-1)；18日12时(b1)、19日00时(b2)、20日00时(b3)、20日12时(b4)850 hPa风场(风矢)、过去12 h降水量(色阶, 单位：mm)) 图 2 高、低空系统形势及降水落区演 (geopotential height (contour, unit: gpm) and positive vorticity (shaded, unit: 10-5 s-1) at 500 hPa at 00:00 UTC 19 July (a1), 00:00 UTC 20 July (a2); 850 hPa wind (barb arrow) and accumulative precipitation in the past 12 hrs (unit: mm) (shaded) at 12:00 UTC 18 July (b1), 00:00 UTC, 19 July (b2), 00:00 UTC 20 July (b3), 12:00 UTC 20 July (b4)) Figure 2 Synoptic systems and precipitation distributions

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上述分析表明，华北地区本次大范围暴雨天气过程与低涡系统的形成、移动并强烈发展过程有关，因此，对于该低涡系统结构发展演变及其发展加强的机制研究是这次极端暴雨过程的关键科学问题。

19日00时，850 hPa低涡在四川东部和重庆交界处略有东移并逐渐减弱，19日12时在河南西北部形成新的闭合低涡并迅速发展加强，19日18时进入河北南部，位势高度不断降低，20日00时最低达1345 gpm，随后沿太行山山前向北缓慢移动至河北北部减弱(图 3a)；对应于850 hPa的新生低涡，地面气旋中心(图 3b)经河南西部和北部、河北南部向北推至京津交界一带，移动过程中气旋中心气压也在不断降低，20日00时气旋中心位于河北南部时，最低海平面气压达到991 hPa(表 1)，即20日00时850 hPa与地面的系统同步加强至最强状态。

(D表示低值中心位置，路径时段为7月19日00时至21日00时, 6 h间隔) 图 3 (a) 850 hPa低涡中心移动路径和19日00时位势高度场(单位：gpm)，(b)地面气旋中心路径和20日00时海平面气压场(单位：hPa) ("D" is the position of low value center at different times during 00:00 UTC 19 to 00:00 UTC 21 July 2016 at 6 h intervals) Figure 3 (a) The track of the vorticity or low pressure center and geopotential height (unit: gpm) at 850 hPa at 00:00 UTC 19 July, (b) the track of low sea surface pressure center and sea level pressure (unit: hPa) at 00:00 UTC 20 July

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分析区域(20°—45°N，100°—120°E)各层最大涡度随时间的演变发现(图 4)：各层最大正涡度中心从19日06时后显著发展，高层200 hPa的涡度值与低空850 hPa的涡度值两者增强最为显著，而500和700 hPa的涡度强度变化幅度相对较小。从发展演变时间来看，200 hPa的涡度开始明显增强的时间较早(19日00时)，此后，850—500 hPa的涡度值才开始出现增大，并且850 hPa涡度值增长幅度最为明显。因此，200 hPa的高空低压槽系统事实上是先于中下层低涡系统发展的，并且对于850 hPa的低值系统影响更为显著，从这个角度说低层低涡的发展存在高层异常指示信号。

图 4 18日00时至21日00时各标准等压面层(200、500、700、850 hPa)最大正涡度(单位: 10-5 s-1)随时间变化曲线 Figure 4 Maximum vorticity (unit: 10-5 s-1) changes at normal isobaric levels (200, 500, 700 and 850 hPa) from 00:00 UTC 18 July to 00:00 UTC 21 July

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低涡系统在移动过程中，不仅强度发生了显著变化，而且垂直结构特征也发生了明显变化。从19日00时低涡开始发展时刻追踪低涡的垂直结构演变(图 5)可见：19日00时开始，600 hPa以下及300 hPa高度上均有正涡度的增强发展，中心位置分别位于114°—115°E及105°—110°E上空，西侧系统略强，涡柱覆盖范围较广。随后，两个涡度系统逐渐合并，并且高空300 hPa的正涡度中心强度明显增强并逐渐向东移动，20日白天东移至113°—114°E，而低层最大正涡度中心不断加强，并稳定在114°—115°E少动，高低空正涡度柱逐渐垂直，演变成一个近似直立的涡柱，涡柱水平范围逐渐收缩，整层涡度强度增强。

(a. 19日00时沿34°N，b. 19日12时沿35°N，c. 20日00时沿37°N，d. 20日06时沿38°N) 图 5 沿涡旋中心的正涡度(单位: 10-5 s-1)垂直分布 (a. 00:00 UTC 19 July along 34°N, b. 12:00 UTC 19 July along 35°N, c. 00:00 UTC 20 July along 37°N, d. 06:00 UTC 20 July 20 along 38°N) Figure 5 Vertical distributions of the positive vorticity (unit: 10-5 s-1) across the center of the vortex

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前面分析表明，对流层上层高空槽系统先于中下层低涡系统发展，并逐渐与低层气旋耦合发展为近似垂直的深厚低涡系统。因此，有必要首先对200 hPa的高空槽系统发展演变机制进行分析。18—20日45°—50°N(新疆北部)200 hPa有冷空气东移，其低温中心(-56℃)范围于18—19日明显扩大，(38°—45°N，100°—105°E)区域存在明显的冷平流，19—20日200 hPa高空槽在110°E附近明显加深发展并切断出低涡系统且维持超过24 h(图 6)。由冷、暖平流的垂直分布(图 7a)可以看出，19日00时该高空槽前、后的冷、暖平流在300—200 hPa达到最强，也就是说强烈发展的斜压动力学过程是对流层上层高空槽早期加深发展的主要动力机制。随着高空槽的加深发展，20日02时, 槽区附近出现了正涡度大值区，并且槽前出现正涡度平流的大值中心(4×10^-9 s^-2)，与此时的对流层低层850 hPa低涡环流中心几乎重叠(图 7b)。

(a. 18日12时，b. 19日00时，c. 19日12时) 图 6 200 hPa风场(矢线)和温度场(虚线, 单位：℃) (a. 12:00 UTC 18 July 18, b. 00:00 UTC 19 July, c. 12:00 UTC 19 July) Figure 6 Wind (vectors) and temperature (dash lines, unit: ℃) at 200 hPa

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图 7 (a) 19日00时冷暖平流沿38°N的垂直分布, (b)19日18时200 hPa涡度(等值线, 单位：10-5 s-1)、正涡度平流(阴影, 单位:10-10 s-2)和850 hPa低涡环流(矢线) Figure 7 (a) Vertical distributions of cold and warm advection at 00:00 UTC 19 July, (b) vorticity (contours, unit: 10-5 s-1), positive vorticity advection (shading, unit: 10-10 s-2) at 200 hPa and low vortex circulation (vectors) at 850 hPa at 18 UTC 19 July

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对流层上层高空槽在后期向南强烈发展无法完全利用斜压动力学过程来解释。高空槽后40°N以南是一个非常强的暖中心(图 6中的暖中心)，并且该暖中心伴随着高空槽的加强而加强(由18日20时的-46℃升温至19日20时的-44℃)，并未因西北气流引导的强冷平流而减弱，相反，在高空槽南端逐渐演变为一个较为深厚的“暖槽”。这是如何造成的？从对流层顶的气压分布(图略)可以看到，43°N附近纬向区域是平流层与对流层顶的“折叠区”，45°N以北地区的对流层顶约在180—200 hPa，42°N以南对流层顶约在100 hPa，对流层上层“暖槽”的出现是否与较高纬度平流层的暖气团向南侵入对流层有关？150 hPa的风场和温度场的配置(图 8)证实了这种猜测，19—20日，该高空槽系统加强和发展的同时，高纬度平流层的暖舌逐渐向南伸展，暖气团穿过“折叠区”在陕西和山西上空的对流层上层形成一个异常暖中心。

(a. 19日12时，b. 20日06时) 图 8 150 hPa水平风场(矢线)与温度场(单位:℃)分布 (a. 12:00 UTC 19 July, b. 06:00 UTC 20 July) Figure 8 Wind vectors and temperature (unit: ℃) distribution at 150 hPa

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初始阶段(7月18日)，四川东部西南低涡的形成可能与500 hPa低槽的发展以及200 hPa的南亚高压东侧高空辐散有关，此时高位涡区位于40°N以北，地面气旋的中心气压变化不大(图略)；随着对流层高层低槽加深并向南伸展，高纬度平流层高位涡沿等熵面向南、向低层运动。由图 9可见，19日06—12时，200 hPa高度层上位涡≥1 PVU的区域向南、向下发展比较缓慢(对应图中红色实线，6 h向南推进约1个纬距，向下推进约15 hPa)；随后，出现快速向下、向南发展过程：19日12—18时，位涡≥1 PVU的最低高度由480 hPa向下迅速延伸到650 hPa，19日18时—20日00时，位涡≥1 PVU的区域由32°N推进到29°N。这一加速过程发生在位涡柱开始上下贯通时(19日18时)及随后6 h，对应地，20日00时低层800—700 hPa的位涡加大到2 PVU，此时，850 hPa低涡与地面气旋对应的位势高度和气压达到最低值(表 1、图 4)。在位涡柱开始上下贯通时(19日18时)低层位涡区的前侧垂直上升运动显著增强，后侧为下沉运动区，这与Santurette等(2005)的概念模型是一致的。

(a. 19日06时, b. 19日12时, c. 19日18时, d. 20日00时；a1—d1. 200 hPa位涡(填色, 单位：PVU=10-6 m2·K·s-1·kg-1)、风场(矢线)和850 hPa位势高度(等值线, gpm)；a2—d2.沿高低空系统中心的位涡(填色, 单位：PVU)、位温(细实线, K)、垂直速度(粗虚线为＜0，代表上升运动；粗实线＞0，代表下沉运动, Pa/s)剖面, 剖面位置在左图中用黑色实线标示) 图 9 高空位涡(PV)与低层涡旋的发展 (a. 06:00 UTC 19 July, b. 12:00 UTC 19 July, c.18:00 UTC 10 July1, d. 00:00 UTC 20 July; a1-d1. geopotential vorticity (shading, unit: PVU=10-6 m2·K·s-1·kg-1), wind vectors at 200 hPa and geopotential height (contours, gpm) at 850 hPa; a2-d2. vertical distributions of PV (shading, unit: PVU), θ (solid contours, K) and vertical velocity (Pa/s, thick lines indicate descending motion and dotted lines indicate ascending motion); the cross section is displayed along the dark solid lines shown in right panels; Red lines indicate positions (latitudes or levels) of the isogram (PV≥1 PVU)) Figure 9 PV in the upper level and development of low level vorticity

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上述低层低涡新生、发展和移动，以及涡柱由倾斜结构演变为近乎直立结构的变化等一系列特征，利用等熵位涡的思想可以得到解释(寿绍文，2010)：当高纬度对流层上部的位涡异常区向南发展过程中，逐渐与位于低空低值区北侧的锋区(对应19日06时(图 9a)850 hPa气旋北侧的等高线密集区)叠加，诱生出一个气旋性环流并向下伸展(19日06时，新生气旋的中心位于河南西部，参见图 3)。气旋性环流与中低层锋区的共同作用造成气旋东南侧的暖平流迅速增强，这一过程可以从19日12时850 hPa温度场与风场的分布(图 10a₁)以及500 hPa气旋前侧暖脊迅速发展得到印证(图 10b₁)。强烈发展的暖平流不仅造成低空气旋性环流本身的快速发展(对应于19日06—12时850 hPa涡度强度快速增强，图 4), 而且可能造成暖平流顶端诱发新生气旋性环流——从现象上表现为气旋向东北偏北方向“移动”(图 3，本质上是气旋的发展传播过程)；这一动力学过程反过来又使高层的气旋性环流加强，造成300—200 hPa高度上涡柱在东移过程中不断增强(图 5)，形成正反馈过程。这一正反馈过程一直延续至高低层异常区的轴线在同一垂直线上，即由倾斜涡柱演变为垂直涡柱。

(a1、b1. 19日12时, a2、b2. 20日00时) 图 10 850(a)和500 (b)hPa的风场(矢线)和温度场(等值线，℃)配置 Figure 10 Wind vectors and temperature (contaurs, ℃) on 850 hPa (a) and 500 hPa (b) at 12:00 UTC 19 July (a1, b1) and 00:00 UTC 20 July (a2, b2)

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从不同时期低涡系统的温度场分布可以看到(图 10)，对流层低层始终表现为明显的斜压涡特征：北侧和西侧的冷空气对应东北风、北风，低涡东部为深厚的暖湿空气对应低空西南风和东南风急流的强烈发展；而在低涡发展的盛期，500 hPa逐渐演变为近似暖心结构，斜压特征明显减弱。对流层中层为什么出现这种热力学结构的演变？

从前面的分析可以看到，伴随低涡系统的东移北上过程中，华北地区出现了大范围暴雨甚至极端特大暴雨，强降水必然产生强烈的潜热释放。过去的研究已经表明，这种强烈的非绝热加热作用有利于气旋式涡度的发展(孙淑清等，1986；张杰英等，1987)，而且在大多数情形下, 它对垂直涡度发展的贡献甚至比位涡水平分量(PV2)更大，起着主导作用(郑永骏等，2013)。从温度场的角度来看，实际降水强度的不均匀性将改变对流层中层的温度分布状况，由于潜热释放造成的升温作用主要发生在对流层中层，最终造成对流层低层与中层气温分布出现不同的演变趋势。

这次暴雨天气过程，既包含大尺度降水过程，也包含中尺度对流降水。利用实际观测资料完全区分两者造成的潜热其估算是比较困难的。在此分别利用大尺度垂直运动、地面降水观测资料估算大尺度凝结潜热和对流潜热的分布。

(1)

式(1)为大尺度垂直运动释放的凝结潜热量(换算成以℃/h为单位的加热率需要计算H_s=H_cs/c_p×3600)，其中，q_s为饱和比湿(单位：kg/kg)，ω为垂直速度(单位：Pa/s)(大尺度凝结潜热加热计算需要满足条件)。

(2)

式(2)为地面降水估算的凝结潜热量(换算成以℃/h为单位的加热率需要计算H_c=H_cc/c_p×3600)，其中，R为降水量(单位：mm)，L=2.5×10⁶ m²/s², g为重力加速度；p_B、p_T为云底、云顶气压(单位：Pa), 由探空确定。

为了便于比较，分别对饱和大气厚度层内的大尺度凝结潜热(H_cs)、对流凝结潜热求云体厚度层的平均值, 由式(1)可知，其分布特征与大尺度垂直运动分布是一致的；计算对流潜热(H_cc)时, 用某一时刻前6 h的地面加密降雨量资料计算出的平均降水量，其分布特征显然与地面降水分布完全一致。云体内平均加热估算结果表明，潜热释放对大气的加热效应是非常显著的(图 11)，其中，19日20时，由地面降水资料估算的潜热加热率中心最大值约为大尺度的2倍(大尺度潜热加热率约3.5 ℃/h，对流潜热加热率约7 ℃/h), 这与梅雨锋上对流降水与大尺度降水的潜热估算对比的结果类似(岳彩军等，2002)，表明这一阶段的降水过程存在较为强烈的对流活动；20日08时之后，地面降水资料估算的潜热加热率中心与大尺度中心在落区分布上较为一致，在数值大小上接近(08时两者中心量值为5.5—6 ℃/h)，表明这一阶段的降水主要以大尺度降水为主。

(a1. 19日12时Hs, a2. 20日00时Hs, b1. 19日06—12时平均Hc, b2. 19日18时—20日00时平均Hc; 单位: ℃/h) 图 11 大尺度潜热加热率Hs(a1, a2)和对流潜热加热率Hc的分布(b1, b2) (a1. Hs at 12:00 UTC 19 July, a2. Hs at 00:00 UTC 20 July, b1. Hc corresponding to averaged rainfall from 06:00 to 12:00 UTC 19 July, b2. Hc corresponding to rainfall from 18:00 UTC 19 July to 00:00 UTC 20 July; unit: ℃/h) Figure 11 Distributions of large scale latent heating rate Hs (a1, a2) and convective latent heating rate Hc (b1, b2)

图选项

19日12时，在河北的西南部至河南北部、河南南部存在潜热中心，由于存在强烈的对流活动，地面降水资料估算的潜热中心与大尺度潜热中心并不完全重合，前者局地性更强。总体而言，凝结潜热分布与500 hPa温度脊(图 10b₁)具有很好的对应关系，从各层的大尺度潜热分布可以看到(图略)，最大的潜热释放层次位于700—500 hPa，这表明，伴随强降水过程的开始，对流层中层暖平流的进一步增强可能与潜热加热过程有关，造成对流层低层气旋涡度在该期间的快速增强(图 4)。而随着降水向北推进，20日00时潜热中心位于河北省的东南部，对应大尺度凝结潜热的加热效率为5.5 ℃/h, 由地面降水估算的凝结潜热达到6 ℃/h以上，19日夜间这一阶段，850 hPa低涡及地面气旋逐渐达到最强。

上述分析表明，中低层低涡系统快速发展过程不仅与高低空系统构成的耦合作用有关，同时强降水造成的潜热反馈过程也起到了非常重要的作用，这也是对流层中上层低涡系统热力结构发生改变的主要原因。

对2016年7月20日华北特大暴雨过程中低涡发展演变机制分析表明：

(1) 这次区域性暴雨天气过程与黄淮西部深厚低涡系统的形成、移动并强烈发展过程有直接关系。850 hPa低涡及地面气旋东移北上，在移动过程中高空涡度与地面气旋逐渐加强，涡度的空间结构从倾斜涡柱逐渐发展成近乎直立的深厚低涡系统，这一过程与华北暴雨、局地特大暴雨的进程一致。

(2) 高空200—300 hPa低槽的斜压发展过程先于低层低涡系统发展，是引导低层系统新生并向东北方向移动和强烈发展的重要机制之一。该高空槽发展的开始阶段与其本身冷暖平流造成的斜压发展过程对应；而后，随着高纬度平流层高位涡沿等熵面向南运动，造成对流层上层涡度增强，形成正位涡异常区。高层位涡异常向南发展过程中与对流层中低层锋区叠加构成的耦合系统，不仅造成低空低涡(气旋)新生、发展和移动，而且是造成倾斜涡柱演变为直立涡柱的重要动力学原因。

(3) 随着低层低涡系统加强，极大地加强了天气尺度垂直上升运动(19日12时河北西南部诊断出的最大上升速度超过8 Pa/s)，并且触发对流，强降水形成的大量凝结潜热加热(约7 ℃/h)，进一步强化了对流层中层的暖平流，造成19日夜间低层低涡出现快速增强。虽然20日00时以后，对流强度显著减弱，但加深的低涡系统继续维持了大范围强降水过程的持续。分析表明强降水与深厚低涡发展的正反馈过程是这次华北暴雨得以长时间维持的重要机制之一。与此同时，由于潜热释放造成的升温作用主要发生在对流层中层(700—500 hPa)，最终造成对流层中层与低层气温分布出现不同的演变趋势：500 hPa高度上的低涡系统由北侧、西侧为冷平流，东侧为暖湿平流构成的“斜压性涡旋”逐渐演变为具有近似暖心结构的系统，在对流层低层，低涡后侧的冷平流和前侧的暖平流同时增强，斜压性不断增强。

总之，华北地区这次强降水过程中低涡系统的演变，不仅与高低空系统构成的耦合作用有关，同时强降水造成的潜热反馈过程也起到了非常重要的作用，这也是对流层中上层低涡系统热力结构发生改变的主要机制。