高原渦、西南渦研究的新進展及有關(guān)科學問題

李國平

（成都信息工程學院大氣科學學院，四川 成都 610225）

1 高原天氣研究概況

夏半年青藏高原位于副熱帶高壓帶中，100 hPa高空盛行強大而穩(wěn)定的南亞高壓（也稱青藏高壓），它是比北美落基山上空的高壓更為強大的全球大氣活動中心之一。在青藏高原中部500 hPa 層，夏季常出現(xiàn)高原低渦和東西向的高原切變線，則高原上空呈現(xiàn)“上高下低”的氣壓場配置。受高原主體和四周局地山系的地形強迫作用，低層的西風氣流在高原西坡出現(xiàn)分支，從南北兩側(cè)繞流，在高原東坡匯合。因而在青藏高原南（北）側(cè)形成常定的正（負）渦度帶，有利于在高原北側(cè)產(chǎn)生南疆和河西高壓（或稱蘭州高壓），在高原東坡產(chǎn)生西南低渦，從而形成了極具高原特色的天氣系統(tǒng)[1]。青藏高原天氣系統(tǒng)包括：高原低渦（主要位于500 hPa 高原主體，簡稱高原渦）、西南低渦（主要位于700 hPa 高原東坡，簡稱西南渦）、柴達木盆地低渦、高原切變線、高原低槽（主要指南支槽，或稱印緬槽、季風槽）、高原MCS 和南亞高壓（青藏高壓）。

對高原天氣系統(tǒng)的研究始于20世紀40年代[2]，研究成果在1960年形成高原氣象學的開篇之作《西藏高原氣象學》[3]。1975—1978年開展的高原氣象全國協(xié)作研究和1979年開展的第一次青藏高原氣象科學實驗（QXPMEX）對高原天氣系統(tǒng)進行了會戰(zhàn)式的集中研究，研究成果總結(jié)、升華為高原氣象學的奠基之作《青藏高原氣象學》[4]。在第一次青藏高原氣象科學試驗的基礎(chǔ)上，20世紀80年代我國學者對高原天氣問題開展了持續(xù)性研究[5-16]。在1998年進行的第二次青藏高原大氣科學試驗（TIPEX）、1993—1999年進行的中日亞洲季風機制合作研究以及2006—2009年中日氣象災(zāi)害高原研究項目（JICA/Tibet）中，也有高原天氣的研究內(nèi)容。

進入21世紀后的近10 a 來，高原天氣研究的主要系統(tǒng)有：高原低渦、西南低渦、高原切變線、高原MCS 和南亞高壓，前4 類合稱高原低值系統(tǒng)。分析所用資料主要有：天氣圖（歷史、MICAPS）、衛(wèi)星遙感資料（云、水汽、TBB、OLR、TRMM 等）、再分析、中尺度模式輸出（MM5、WRF 等）、加密探空、多普勒雷達、GPS/MET、廓線、邊界層資料等。研究方法基本為：天氣學、診斷計算、氣候統(tǒng)計、流體力學模擬、數(shù)值模擬試驗、動力學理論分析。作為高原氣象學研究的重要基礎(chǔ)和活躍領(lǐng)域，近年來高原天氣研究方法逐步向綜合性、集成式方向發(fā)展，研究的主要（熱點）問題有：高原及臨近地區(qū)的暴雨研究，高原低值系統(tǒng)（切變線、高原低渦、西南低渦）活動，高原低值系統(tǒng)與川渝、長江流域、黃淮流域和華南前汛期暴雨的關(guān)系，高原地形、熱源、陸面物理過程、土壤濕度和積雪凍土變化對高原天氣系統(tǒng)、大氣環(huán)流的影響等。以2000—2012年國家自然科學基金資助項目為例，據(jù)不完全統(tǒng)計以高原天氣系統(tǒng)為題的共有15 項，其中高原低渦研究6 項，西南低渦研究5 項，高原低渦、西南低渦研究2 項，高原低渦、切變線研究1 項，南亞高亞研究1 項。研究內(nèi)容涉及高原天氣系統(tǒng)的動力學機制、結(jié)構(gòu)與演變、模擬、分析方法、對暴雨的影響以及氣候?qū)W特征等。

2 高原兩渦的研究

高原低渦、西南低渦（簡稱高原兩渦）是高原天氣的代表性系統(tǒng)，對其形成、結(jié)構(gòu)、演變與發(fā)展及其造成的天氣災(zāi)害等問題的認識，一直為氣象研究人員和天氣預(yù)報員所關(guān)注，并在第一次青藏高原氣象科學試驗和第二次青藏高原大氣科學試驗前后取得了不少重要成果，尤其是近10 a 來關(guān)于高原低渦、西南低渦的研究更趨細致和深入[17-24]。

青藏高原低渦是指夏半年發(fā)生在青藏高原主體上的一種α 中尺度低壓渦旋，它主要活動在500 hPa 等壓面上，平均水平尺度400～500 km，垂直厚度一般在400 hPa 以下，生命期1～3 d。高原低渦多出現(xiàn)在高原主體的30°～35°N 和87°E 以西范圍內(nèi)，而消失于高原東半部下坡處。依據(jù)低渦生命史的長短可將其分為發(fā)展型和不發(fā)展型低渦，生命史在36 h 以上的為發(fā)展型（移出型）低渦，否則為不發(fā)展型（源地型）低渦。由于青藏高原地區(qū)的大氣行星邊界層厚度可達2 250 m，而青藏高原本身的平均海拔高度為4 000 m，則高原大氣邊界層厚度位于600～400 hPa，因此高原低渦是一種典型的邊界層低渦，高原熱源和大氣邊界層對這類低渦的發(fā)生、發(fā)展有重要作用。高原低渦是高原夏季主要的降水系統(tǒng)之一，西部初生的高原低渦多為暖性結(jié)構(gòu)，垂直厚度淺薄，渦區(qū)整層為上升氣流，在350～400 hPa 最強。低層輻合，高層輻散，無輻散層在400 hPa 附近。源地生消的高原低渦主要影響高原西部、中部的降水。在有利的天氣形勢配合下，個別高原低渦能夠向東運動而移出高原，往往引發(fā)我國東部一次大范圍暴雨、雷暴等災(zāi)害性天氣[2]，以及突發(fā)性強降水誘發(fā)的次生災(zāi)害，如城市內(nèi)澇、山洪以及滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。因此，高原低渦的研究對深入認識這類高原天氣系統(tǒng)，提升高原及其東側(cè)地區(qū)災(zāi)害性天氣的分析預(yù)報水平具有重要的科學意義和業(yè)務(wù)應(yīng)用價值。

西南低渦是青藏高原東側(cè)背風坡地形、加熱與大氣環(huán)流相互作用下，在我國西南地區(qū)100°～108°E，26°～33°N 范圍內(nèi)形成的具有氣旋式環(huán)流的α 中尺度閉合低壓渦旋系統(tǒng)。它是青藏高原大地形和川西高原中尺度地形共同影響下的產(chǎn)物，一般出現(xiàn)在700～850 hPa 等壓面上，尤以700 hPa 等壓面最為清楚。其水平尺度約300～500 km，生成初期多為淺薄系統(tǒng)和暖性結(jié)構(gòu)，生命史一般不超過48 h。西南低渦降水具有明顯的中尺度特征，其持續(xù)時間約4～5 h。西南低渦主要集中發(fā)生在以川西高原（九龍、小金、康定、德欽、巴塘）和川渝盆地為中心的兩個區(qū)域內(nèi)，又有“九龍渦”和“盆地渦”之分。其移動路徑主要有三條：偏東路徑（沿長江流域、黃淮流域東移入海）、東南路徑（經(jīng)貴州、湖南、江西、福建出海，有時會影響到廣西、廣東）、東北路徑（經(jīng)陜西南部、華北、山東出海，有時可進入東北地區(qū)），這3 條路徑中又以偏東路徑為主。西南低渦在全年各月均有出現(xiàn)，以4—9月居多（其中尤以5—7月為最），是夏半年造成我國西南地區(qū)重大降水過程的主要影響系統(tǒng)。在有利的大尺度環(huán)流形勢配合下，一部分西南低渦會強烈發(fā)展、東移或與其它天氣系統(tǒng)（如高原渦、南支槽、低空急流、梅雨鋒、臺風等）發(fā)生相互作用，演變?yōu)闀r間尺度可達6～7 d 的長生命史天氣系統(tǒng)，能夠給下游大范圍地區(qū)造成（持續(xù)性）強降水、強對流等氣象災(zāi)害及次生災(zāi)害（如山洪、崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害以及城市內(nèi)澇等災(zāi)害）。已有分析研究表明，西南低渦發(fā)展東移，往往引發(fā)下游地區(qū)大范圍（如長江流域、黃河流域、淮河流域、華北、東北、華南和陜南等地）的暴雨、雷暴等高影響天氣。在我國許多重大暴雨洪澇災(zāi)害的影響系統(tǒng)中，西南低渦都扮演了非常重要的角色。因此，西南低渦被認為是我國最強烈的暴雨系統(tǒng)之一，就它所造成的暴雨天氣的強度、頻數(shù)和范圍而言，可以說其重要性是僅次于臺風及殘余低壓而位居第二的暴雨系統(tǒng)。所以，對西南低渦的發(fā)生發(fā)展及其造成的洪澇災(zāi)害等一直是氣象科技工作者和天氣預(yù)報員分析研究的重要課題，也是在日常業(yè)務(wù)工作中對提高氣象防災(zāi)減災(zāi)能力有迫切需求的一個基礎(chǔ)性科技問題。

西南低渦的研究歷史悠久，至今已有60 a。根據(jù)不完全文獻檢索，最早見諸文獻報道研究西南低渦（時稱西南低氣壓）是顧震潮先生[2]。隨后顧震潮、葉篤正、楊鑒初、羅四維、王彬華等氣象學家在20世紀50年代中期開始較多地關(guān)注西藏高原影響下的西南低渦。由于第一次青藏高原氣象科學試驗（QXPMEX）和第二次青藏高原大氣科學試驗（TIPEX）的推動，以及四川盆地“81·7”特大暴雨造成的嚴重災(zāi)情引起全球關(guān)注下，國內(nèi)外氣象工作者對以西南低渦為代表的高原低值天氣系統(tǒng)做了較多研究分析，特別是前兩次高原試驗以及“81·7”四川特大暴雨發(fā)生后階段性、集中式研究[25-31]，取得了較多重要成果，加深了對高原天氣系統(tǒng)的科學認識。

關(guān)于西南渦的成因，至今尚無定論，大致分為3類：其一歸因為地形，例如高原大地形影響下的背風氣旋、尾流渦或南支渦[26、32、33]；其二歸因加熱，如高原加熱作用、熱成風適應(yīng)的結(jié)果[29、34]；其三歸因為傾斜地形上的加熱，如傾斜渦度發(fā)展及斜坡加熱強迫的作用[35]。

3 高原低渦研究進展

高原低渦作為青藏高原獨特的天氣系統(tǒng)，同時又是一種能帶來災(zāi)害性天氣的中尺度系統(tǒng)，對它的研究日益受到氣象工作者們的重視。目前，國家自然科學基金、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973 計劃）、財政部、科技部公益性行業(yè)（氣象）科研專項等資助的研究項目中都有對高原低渦的專題研究。尤其是在科技部科技基礎(chǔ)性工作專項資助下，中國氣象局成都高原氣象研究所編輯、出版了《青藏高原低渦、切變線年鑒》（1998—2010），為高原低值系統(tǒng)的規(guī)范化研究創(chuàng)造了良好的資料基礎(chǔ)。近年來高原低渦研究的特點有：分析中使用了衛(wèi)星遙感等新的觀測資料（TBB、水汽圖像、TRMM、GPS-PWV 等）；利用一些新型物理量進行診斷分析（濕螺旋度、非地轉(zhuǎn)濕Q矢量、濕渦度矢量、對流渦度矢量等）；采用了高分辨率的中尺度數(shù)值模式（MM5、WRF 等）；從波動、群發(fā)性和低頻振蕩（10～30 d 振蕩）等一些新視角，以及一些新觀點（氣候變化下的天氣系統(tǒng)與影響過程）開展研究，深化了對高原低渦的認識，所研究個例的資料和方法也更加豐富。主要研究領(lǐng)域涉及高原低渦的觀測事實統(tǒng)計（渦源、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、日變化、移動路徑、天氣影響等），進一步開展了天氣診斷計算、數(shù)值模擬與試驗（地形、感熱、潛熱、水汽）、動力學分析（奇異孤波解、邊界層渦旋解、渦旋Rossby—慣性重力混合波），更加關(guān)注高原低渦的東移演變以及觸發(fā)災(zāi)害性天氣的機理問題。因此，高原低渦研究現(xiàn)狀可概括為：對高原低渦的研究從方法上講以天氣統(tǒng)計分析和數(shù)值模式試驗為主，多側(cè)重于低渦過程的個例分析，研究方案主要是高原低渦過程和結(jié)構(gòu)的天氣學分析、生成和移動特征的氣候統(tǒng)計，低渦形成和發(fā)展過程中能量構(gòu)成及轉(zhuǎn)換、動力學量、水汽量的診斷計算，高原熱力和動力作用對低渦結(jié)構(gòu)特征及發(fā)展過程影響的數(shù)值模擬試驗等。

尤其是在夏季青藏高原低渦結(jié)構(gòu)的動力學研究方面[36]，應(yīng)用衛(wèi)星云圖資料分析了夏季青藏高原低渦發(fā)展過程及其結(jié)構(gòu)演變，揭示出高原低渦結(jié)構(gòu)特征的若干觀測事實。在此基礎(chǔ)上借鑒研究類熱帶氣旋低渦（TCLV，Tropical Cyclone-Like Vortices）的方法，將暖性青藏高原低渦視為受加熱和摩擦強迫作用，且滿足熱成風平衡的軸對稱渦旋系統(tǒng)，通過求解柱坐標系簡化的渦旋模式，得出邊界層動力作用下低渦的流函數(shù)解，重點討論了地面熱源強迫和邊界層動力“抽吸泵”對高原低渦流場結(jié)構(gòu)的作用。研究認為，由于邊界層加熱和摩擦的共同作用，高原低渦的溫度場呈暖心結(jié)構(gòu)。熱源強迫的邊界層低渦的散度場存在一個動力變性高度，該高度的位置與邊界層頂高度有關(guān)。通過邊界層動力抽吸作用，當邊界層頂有氣旋性渦度時，能引起邊界層低渦的水平輻合運動和隨高度增強的上升運動，并可加強低渦的切向流場；如果低渦的中心區(qū)域為“內(nèi)冷外熱”型加熱分布，則熱源強迫的低渦中心區(qū)域下層為輻散氣流和隨時間減弱的切向流場，上層為輻合氣流和隨時間增強的切向流場，并伴有下沉運動，從而有利于形成渦眼（或空心）結(jié)構(gòu)（圖1），在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為低渦中心為少云（或無云）區(qū)，即這類高原低渦具有與臺風類似的眼結(jié)構(gòu)，因而可視為類熱帶氣旋渦旋的新例證。另外，通過高原低渦的簡化模型對低渦所含的波動進行了分析和討論，結(jié)果表明：高原低渦中既含有渦旋Rossby 波，又含有慣性重力波，即低渦波動呈現(xiàn)渦旋Rossby—慣性重力混合波特征。

圖1 TCLV 類型的高原低渦流場結(jié)構(gòu)的垂直剖面示意圖

4 西南低渦研究進展

近30 a，國內(nèi)外學者從天氣學、動力學和數(shù)值模擬3個主要方面對西南低渦開展了大量研究。在西南低渦天氣事實統(tǒng)計（渦源、成因、性質(zhì)、移動路徑、天氣影響等）、影響因子研究（地形、感熱、潛熱、邊界層、水汽）、結(jié)構(gòu)與環(huán)流背景場分析、診斷計算（非熱成風渦度、重力波指數(shù)、GPS/西南渦試驗）、數(shù)值模擬、動力學機制（傾斜渦度發(fā)展，非平衡動力強迫）、時空分布的氣候特征與天氣影響的變化等方面取得了重要進展。

關(guān)于西南低渦的形成與發(fā)展及其造成的洪澇災(zāi)害等問題一直是氣象學家和預(yù)報員分析研究的重要課題。近年來，在西南低渦活動的觀測事實與統(tǒng)計特征、臺風對西南低渦的作用，影響長江上游（川渝）、中游（湖北）以及南方（湖南、廣東、廣西）暴雨的西南低渦特征，汛期西南低渦移向頻數(shù)的年際變化與降水的關(guān)系，大尺度環(huán)流背景下西南低渦發(fā)展的物理過程及其對暴雨發(fā)生的作用，凝結(jié)潛熱與地表熱通量對西南低渦暴雨的影響，青藏高原對流系統(tǒng)東移對夏季西南低渦形成的作用，高原低渦誘發(fā)西南低渦特大暴雨成因，以及東移西南低渦空間結(jié)構(gòu)的氣候?qū)W特征等方面開展了較之高原低渦更多的研究。此外，對于冷空氣對西南低渦特大暴雨的觸發(fā)作用，以及低溫雨雪冰凍災(zāi)害期間冬季青藏高原低值系統(tǒng)的持續(xù)活躍現(xiàn)象亦有相關(guān)分析工作。

值得一提的是，2010—2011年6—7月，中國氣象局成都高原氣象研究所牽頭組織開展了40 d 左右的西南渦外場觀測試驗。作為第三次青藏高原大氣科學試驗的預(yù)試驗，西南渦外場觀測試驗是在現(xiàn)有業(yè)務(wù)觀測網(wǎng)基礎(chǔ)上，在關(guān)鍵地區(qū)增布移動觀測裝備，同時提高整個觀測網(wǎng)絡(luò)的觀測頻次，獲取高時空分辨率探測資料，這對于揭示西南渦的結(jié)構(gòu)特征及其演變機理，促進西南渦的精細化研究及預(yù)報技術(shù)的發(fā)展非常必要，意義重大。據(jù)悉，在國家973 計劃項目、公益性行業(yè)（氣象）科研重大項目等資助下，今后幾年還將連續(xù)開展該項試驗。

5 高原天氣有待深入研究的科學問題

以上簡要回顧了高原天氣研究的歷史，尤其是對進入21世紀后的近10 a，青藏高原天氣研究領(lǐng)域中有關(guān)高原低渦、西南低渦的若干重要進展作了簡要綜述，初步總結(jié)了相關(guān)研究涉及的重要問題及取得的主要成果，在此基礎(chǔ)上提出了當前高原天氣研究存在的主要科學問題和需要加強的若干方向：

（1）高原典型天氣數(shù)據(jù)集的創(chuàng)建。涉及高原天氣系統(tǒng)定義及統(tǒng)計標準的規(guī)范、統(tǒng)一，高原低渦、切變線和西南低渦年鑒的連續(xù)、及時出版，常規(guī)資料和高原試驗資料質(zhì)量控制與開放共享，高原天氣系統(tǒng)自動識別技術(shù)探索，以及高原天氣系統(tǒng)活動指數(shù)的創(chuàng)建。

（2）高原低值系統(tǒng)形成的動力學機制、結(jié)構(gòu)特征、影響因子及作用（感熱、潛熱及加熱廓線）。例如：地面感熱對高原低渦生成的作用究竟如何？對低渦形成是促進還是抑制？白天加熱與夜間加熱對低渦生成作用的差異，加熱中心與低渦中心的配置對低渦生成的影響。

（3）多尺度相互作用下的高原低值系統(tǒng)及其東移演變機理，移出高原的大尺度條件與影響因子（地形、加熱、邊界層、水汽）及其在不同階段的作用。例如：西南低渦與暴雨、正渦度區(qū)、水汽與潛熱的關(guān)系到底如何（學者與預(yù)報員的觀點經(jīng)常不同）？是低渦催生前方正渦度區(qū)還是正渦度區(qū)引導低渦的移動？是“渦生雨”還是“雨生渦”？是低渦降水形成強潛熱區(qū)還是水汽輻合引起的潛熱加熱引導低渦的移動？如何更好地刻畫高原低值系統(tǒng)的精細結(jié)構(gòu)及其演變？怎樣發(fā)展改進高原天氣分析預(yù)報方法與業(yè)務(wù)系統(tǒng)？

（4）關(guān)于西南低渦的成因，已有不少不同的觀點，如背風氣旋、尾流渦、南支渦、西南風動量輸送、熱成渦、傾斜渦度發(fā)展及斜坡加熱強迫等。因此，西南低渦的生成機制，西南低渦及其暴雨的中尺度結(jié)構(gòu)與演變規(guī)律等機理問題需要新認識和再認識。例如：是哪些因子控制西南低渦的形成、維持、移動和發(fā)展？什么條件下西南低渦容易引發(fā)暴雨？移出型與源地型、暴雨型與少雨型的西南低渦有何異同？西南低渦及其物理量場分布與雨區(qū)有怎樣的配置關(guān)系？西南低渦與中尺度對流系統(tǒng)（包括高原移出的MCC、MCS）有何聯(lián)系？CloudSat、CALIPSO、IASI、AIRS 等新型衛(wèi)星云資料在高原天氣分析可以發(fā)揮什么作用？如何從理論上解釋高原兩渦的結(jié)構(gòu)特征？中尺度模式如何成功模擬高原渦旋、高原切變線？從而實現(xiàn)高原天氣系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報。

（5）高原低渦與西南低渦的耦合加強作用，高原切變線與高原低渦的關(guān)系（切變線對低渦的誘發(fā)、渦導效應(yīng)）。

（6）高原低值系統(tǒng)與低空急流、季風槽（南支槽）、江淮氣旋、梅雨鋒（東亞梅雨）、熱帶氣旋（臺風）的相互作用。

（7）高原低值系統(tǒng)與高原波動（中尺度慣性重力波、渦旋波、準靜止行星波）的關(guān)系，觸發(fā)高原下游強天氣的方式（直接引發(fā)，間接影響）與機理（波能頻散，上下游效應(yīng)）。

（8）高原低渦活動（頻數(shù)、群發(fā)性，移動路徑）與高原季節(jié)內(nèi)振蕩（雙周振蕩、低頻振蕩）的關(guān)聯(lián)。

（9）南亞高壓對高原天氣的影響以及與青藏高壓的關(guān)系。

（10）在全球變暖、青藏高原也發(fā)生明顯氣候變化的背景下，高原天氣系統(tǒng)活動有無變異？這種變化趨勢對我國天氣、氣候以及極端事件（暴雨、干旱、冰雪）有何影響？高原天氣系統(tǒng)空間分布的氣候特征和長期變化趨勢（年際變化，年代際變化）以及由此對我國天氣、氣候格局的可能影響。

最后需要指出的是，由于青藏高原天氣問題的復雜性，與高原氣象學其它分支研究領(lǐng)域（如觀測試驗、數(shù)值模擬、氣候變化分析）相比，高原天氣研究隊伍還比較薄弱、也不夠穩(wěn)定，持續(xù)性研究及其成果也不算多。因此，青藏高原天氣研究一直是高原氣象研究的一個具有重要科學意義與業(yè)務(wù)應(yīng)用價值而又急需加強的研究領(lǐng)域。隨著氣象探測技術(shù)的發(fā)展和第三次高原大氣科學試驗的啟動，高原觀測資料會不斷增多，有可能揭示出新的高原大氣現(xiàn)象，提出新的高原天氣問題，這些都會促使高原天氣的理論研究與業(yè)務(wù)應(yīng)用不斷產(chǎn)生壓力和動力，挑戰(zhàn)與機遇并存。我們完全有理由相信，以新一輪高原大規(guī)模大氣科學試驗、公益性行業(yè)（氣象）科研專項的重大項目以及國家自然科學基金委有關(guān)重大計劃的實施為契機，青藏高原天氣學的研究今后必將成為我國及全球氣象研究的熱點，青藏高原對我國災(zāi)害性天氣影響的機理和預(yù)測理論的研究將持續(xù)、深入進行。這對于攻克災(zāi)害性天氣形成機理、預(yù)報技術(shù)等方面的難點和重點問題，發(fā)展高原對我國災(zāi)害性天氣影響的理論，提高我國暴雨、洪澇、干旱等災(zāi)害性天氣的預(yù)報預(yù)測水平的科技支撐能力具有重要意義。

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