中亞低渦研究若干進展及問題

楊蓮梅，張云惠，秦賀

（新疆氣象臺，新疆烏魯木齊 830002）

中亞低渦研究若干進展及問題

楊蓮梅，張云惠，秦賀

（新疆氣象臺，新疆烏魯木齊 830002）

中亞低渦是造成新疆暴雨、短時強降水、冰雹、持續低溫的重要影響系統之一。本文從中亞低渦定義、時空分布特征、生命史、活動規律及其對新疆極端天氣的影響，以及低渦環流配置、相應水汽輸送、三維動熱力結構、長維持的物理成因等方面進行了總結，并提出了中亞低渦研究待解決的問題：中亞低渦背景下中尺度結構特征和演變規律、強對流天氣物理模型和中尺度分析診斷量，中亞低渦造成強對流天氣的關鍵影響因子和預報預警指標。這些問題的研究對推進中亞天氣學、短期短時天氣預報技術的發展，增強防災減災能力具有重要意義。

中亞低渦；活動規律；環流配置；能量傳播；中尺度系統

新疆位于中國西北部，面積約1.66×106km2，占中國國土面積的1/6。氣候不受季風系統的直接影響，與中亞五國同屬典型的大陸性干旱、半干旱氣候。里海以東—新疆常出現與烏拉爾脊聯系的天氣尺度冷性渦旋系統，新疆氣象工作者稱之為中亞低渦[1-2]。中亞低渦可造成新疆暴雨（雪）、強對流、低溫和干旱等，甚至對我國東部地區天氣氣候也有重要影響，如2008年1月中亞低渦維持20多天，至少有4次冷空氣從中亞低渦分裂東移，是我國南方罕見低溫雨雪冰凍災害形成過程中的一個關鍵系統[3-7]。

中亞低渦是造成新疆暴雨、短時強降水、冰雹、持續低溫的重要影響系統之一[1，2，8-15]。江遠安等指出[16]中亞低渦是新疆西南部強降水天氣過程的最主要影響系統，1970—1999年新疆西南部116次強降水天氣過程，中亞低渦造成的占61%，2次最強的暴雨過程均是由中亞低渦造成的，另外，72%的中強降水過程也是由中亞低渦引發的。由于對新疆地區極端天氣氣候問題關注和研究不夠，對中亞低渦系統的認識和關注就更少。新疆氣象工作者近幾年進行國家自然科學基金項目《中亞低渦中期過程的動力學機制及其對新疆極端天氣的影響》的研究，進一步改進了中亞低渦定義，并用近40a逐日資料分析了低渦時空分布、生命史特征，深入研究了其長時間維持的物理機制、與高中低緯環流系統的配置和相應的水汽輸送特征。本文對中亞低渦若干研究進展進行總結，并對今后需要開展的研究工作進行討論。

1 中亞低渦定義、時空分布、生命史、分類及對新疆天氣的影響

《新疆降水概論》定義中亞低渦為500hPa高度場上低值中心位于60°～90°E，40°～60°N范圍內出現兩條以上等高線，時間維持48h以上的低壓環流系統。多年預報實踐發現上述低渦范圍偏北，60°N包含了許多西西伯利亞低渦，而40°N又會漏掉能影響新疆尤其是南疆的一些低渦系統，同時又由于中亞特殊的地形，經常出現一條閉合等高線或閉合氣旋式風場的系統造成南疆地區強對流天氣。因此我們在已有成果的基礎上修訂了中亞低渦的定義，并根據低渦的結構特點將其分為兩類[17]，深厚型中亞低渦：（1）500hPa高度場低壓中心位置位于60°～90°E，35°～55°N，低壓中心至少能分析出2條以上閉合等值線（80gpm），并且有冷中心或明顯冷槽配合的低壓環流系統；（2）低渦在上述區域內維持2d以上。此類低渦多存在于700～200hPa，因此定義為深厚型中亞低渦，此類低渦更接近于東北冷渦特征。新疆氣象工作者常稱的中亞低渦實際上是這一類型的中亞低渦。

在日常預報業務中，在中亞還存在許多風場閉合的氣旋性環流，多存在于700～500hPa，對南疆天氣有重要影響。秦賀等研究[18]將它定義為“塔什干低渦”，但通過1971—2010年逐日高度場和風場資料分析發現此類低渦發生區域遠不止塔什干區域，在帕米爾高原和南疆盆地也多有發生。因此稱其為淺薄型中亞低渦。淺薄型中亞低渦定義為：（1）500hPa風場出現閉合的氣旋性環流，其中心位于65°～90° E，35°～42.5°N范圍內，并且有冷中心或明顯冷槽配合的低壓環流系統；（2）低渦在上述區域內維持2d以上，此類低渦多存在于700～500hPa，更接近于西南渦特征。

深厚型中亞低渦空間分布存在兩個高頻次活動區域[17-18]（圖1），分別位于哈薩克丘陵地區和薩彥嶺一帶，以及咸海東部地區和塔什干地區。淺薄型中亞低渦活動有兩個高頻區，分別位于帕米爾高原的西側和南側。

深厚型中亞低渦活動具有明顯的月際變化[17]，7月出現最多，平均達1.08次/月，其次為6月和8月，分別為0.98和0.83次/月，最少為4月僅0.25次/月，3月和9月分別為0.70和0.75次/月，其它月為0.43～0.55次/月。夏季（6—8月）活動頻次最高，達2.88次/季，其次是秋季（9—11月）達1.85次/季，春季（3—5月）達1.5次/季，冬季最少為1.4次/季，年平均出現7.63次。中亞低渦維持時間的長短及其發展對天氣演變有重要影響，平均每次低渦成熟期維持時間為3.83d，加上其形成和消亡過程，中亞低渦生命史在4d以上；低渦成熟期維持時間2～3d的占56%，持續時間4～5d的占27.5%，持續時間5d以上的占16.5%。1971—2010年低渦活動頻次呈顯著增加趨勢，線性趨勢率為0.7次/10a。中亞低渦對新疆天氣的影響可分為兩類，一類造成新疆明顯降水天氣過程，稱之為“濕渦”；一類則造成大風降溫和長時間低溫天氣，降水較弱，有時對新疆天氣沒有明顯影響，稱之為“干渦”。根據新疆氣象業務對降水過程強弱及降水量級的規定，定義24h新疆區域至少有6站以上降水量達中量為濕渦，否則為干渦。濕渦約占40%，干渦占60%。中亞低渦系統在夏季造成降水過程比例較高可達57%，秋、春、冬季濕渦分別占23%、18%和2%。

淺薄型中亞低渦活動出現最多為5月[18]，平均達0.98次/月，其次為4、6、9和10月，約為0.63～0.68次/月，最少為3、7、8和12月約為0.3次/月，其它月為0.5～0.6次/月。春季（6—8月）活動頻次最高達1.98次/季，其次是秋季（9—11月）達1.8次/季，冬季（3—5月）達1.475次/季，夏季最少達1.25次/季，年平均出現6.5次。此類低渦成熟期維持時間平均為3.1d，其中2～4d占86.5%左右，4d以上僅為13.5%。1971—2010年淺薄型低渦活動頻次無顯著年代際變化趨勢。濕渦約為23.3%，干渦為76.7%，此類低渦主要造成南疆區域暴雨、短時強降水和冰雹天氣。淺薄型低渦的時間、空間分布及其造成的降水過程與深厚型低渦差異很大。

2 中亞低渦造成強降水天氣的環流配置、水汽特征及中小尺度系統

圖1 1971—2010年深厚型（a）和淺薄型（b）中亞低渦活動空間分布（實線）及其定義范圍（虛線）

一般夏季中亞低渦造成暴雨過程的環流配置具有一些共同的特征[19-22]，主要表現為：（1）南亞高壓呈現2個反氣旋中心，一個位于伊朗高原上空，另一個位于青藏高原上空，兩脊之間副熱帶大槽向南發展，副熱帶西風急流從中亞向新疆呈西南—東北向伸展，氣旋性風切變在急流北側發展，形成了暴雨產生的有利大尺度環流背景。（2）中高緯地區烏拉爾脊發展，新疆東部脊或貝加爾湖脊維持，深厚的中亞冷低渦向東、東南方向移動，這種兩脊—槽的環流配置利于暴雨產生（圖2～圖4）。圖2～圖4為中亞低渦暴雨三種環流配置[20]。（3）在700hPa均出現一支由甘肅河西走廊向新疆伸展的強低空偏東急流（LLEJ），在暴雨發生期間其一直存在，并與其它路徑氣流產生強輻合，隨著暴雨的結束該LLEJ消失，每次過程LLEJ伸展位置和強度均有顯著不同，也表明LLEJ在新疆暴雨過程中扮演了非常重要的角色；當然，每次過程高、中、低層環流系統的位置、強度、伸展方向和配置有較大差異，所以暴雨落區也存在很大差異。

中亞低渦造成暴雨的水汽輸送路徑一般有三類[19-22]（圖5），第一類水汽輸送主要有3條路徑，分別為西風氣流、來自青藏高原的南風氣流和LLEJ的偏東氣流，它們輻合造成暴雨，一般西邊界水汽輸送量最大，但南邊界和東邊界也有豐富的水汽輸入，這是由700hPa貝加爾湖脊發展、對流層中亞低渦強烈發展東移和500hPa新疆脊逐漸東移配置所造成的；第二類水汽輸送有西方、東方、南方和北方4條路徑，LLEJ引導的偏東方向的水汽有一部分來自于孟加拉灣，4支水汽輸送在東—西和南—北向強輻合引發暴雨，南方路徑水汽輸送量接近西風路徑，青藏高原上空有豐富的水汽向新疆輸送；第三類水汽輸送主要為西方和東方路徑，東—西向水汽輸送在新疆北部地區強烈輻合，且東方路徑水汽輸送量大于西方路徑，LLEJ引導的偏東水汽輸送前期來自于貝加爾湖，中后期孟加拉灣、南海和熱帶西太平洋水汽向北輸送匯聚于甘肅東部，部分水汽在LLEJ引導下與來自貝加爾湖水汽匯合繼續向新疆輸送，對流層中亞低渦的東移、西太平洋副熱帶高壓北伸與貝加爾湖脊疊加和西伸配置所造成了這種異常水汽輸送（圖5），此類情況概率最小，屬極端事件。第一類、第二類情況較多。

圖2 2007年7月8日700hPa風場、500hPa位勢高度場和溫度場、200hPa風場

圖3 2007年7月16日700hPa風場、500hPa位勢高度場和溫度場、200hPa風場

圖4 2007年7月28日700hPa風場、500hPa位勢高度場和溫度場、200hPa風場

圖5 中亞低渦暴雨地面至300hPa垂直積分的三類水汽通量矢量

一些研究分析了中亞低渦造成暴雨的中小尺度特征[15，19，22]，指出冷渦中心附近為少云區域，冷渦南側有夾雜對流云泡的大范圍云帶（圖6），中—α、β、γ尺度對流云團是暴雨的直接影響系統，強對流發生在暖區一側，暴雨落區位于TBB最大梯度區并與云跡風的高層輻散相對應，TBB最低可達-30～-45℃，新疆暴雨對流云團TBB比東部地區最低-70～-80℃弱的多。雷達回波分析表明強降水均由混合性降水回波造成，大片回波強度為30～40dBz，其中都有中小尺度對流回波的發展，但移動路徑和強回波中心位置有所不同，回波強度達35～50dBz，垂直液態水含量（VIL）可達20kg·m-2，回波頂高可達8km，回波強度和VIL遠小于我國東部區域暴雨情況。

3 中亞低渦三維動、熱力結構

由于中亞低渦是存在于對流層的深厚天氣尺度系統，低渦不同發展階段位勢高度距平均表現為中高層強（圖7），向高層和低層延伸減弱的相當正壓結構，300hPa以下為冷性、以上為暖性，穩定維持期低渦強度最強、最冷，400～200hPa位勢高度距平達-160gpm，500～400hPa溫度距平為-4℃，300hPa以下溫度槽基本與高度槽重合，表明低渦持續活動期間比較穩定。過低渦中心渦度經/緯向垂直剖面表明（圖8），發展期低渦范圍及其東側對流層均為正渦度，最大正渦度位于400～250hPa的低渦中心西側，對應低渦中心西側對流層為輻散上升運動區，東側對流層700hPa以下低層為輻散上升運動區，700～300hPa為輻合下沉區；穩定維持期低渦范圍對流層仍為一致正渦度分布，強度變化不大，只是低渦中心與正渦度最大中心重合，低渦東側-新疆200hPa以下轉為弱的負渦度，對應低渦前部700～ 400hPa為輻合區，400hPa以上為強輻散區，則對流層表現為一致上升運動區，最大上升運動位于400～300hPa，與新疆西部局地暴雨對應；減弱期低渦范圍正渦度明顯減弱，但最大正渦度中心明顯上升至350～150hPa，且位于低渦西側，低渦中心西側500hPa以下為弱輻散區，以上為強輻合區，表現為一致強下沉運動，最大下沉運動位于500hPa以下，低渦中心東側-新疆400hPa以下為弱輻合區，以上為強輻散區，則對流層為一致強上升運動，最大上升運動位于400～250hPa，與新疆大范圍暴雨發生對應。

4 中亞低渦形成、維持的物理機制

圖6 2010年9月17日紅外云圖對流云團演變

圖7 過中亞低渦中心位勢高度距平場（陰影，單位：gpm）和溫度距平場（等值線，單位：°C）的經/緯向垂直剖面

圖8 過中亞低渦中心渦度的經/緯向垂直剖面

研究指出[23-24]低渦各個時期對流層低層擾動動能（KE）較小，對流層中層KE與高層相當且遠大于低層，發展期和成熟期KE約為減弱期的2倍。發展期中、高層低渦活動增強，成熟期高層低渦有所增強，而中、低層低渦活動減弱，減弱期低渦在中、高層明顯減弱，而在低層有所增強，這與低渦先在中高層發展，然后隨時間向上和向下傳遞發展的動力結構是一致的，KE和很好地反映不同高度低渦強度變化和發展階段。

在低渦的發展和強盛期[23]，200hPa東北大西洋上空為波源區，源自東北大西洋上空出現向東南至地中海和向東至東歐的兩支波作用通量矢量分布，地中海上空西風急流的增強是由東北大西洋上空向該地區Rossby波能量頻散所致，東北大西洋上空向東至貝加爾湖地區交替出現波作用通量輻合（淺陰影）和輻散（深陰影），表明能量“堆積”使系統發展維持，得到補充并進一步向下游頻散，烏拉爾山高度正異常區西側為波作用通量輻合，東側為輻散，成為能量向東南和東傳播的“中繼站”，且正異常比東北大西洋強，其波作用通量顯著散度說明存在其他強迫機制使該正異常加強，該區域能量向中亞地區波矢量幾乎與亞洲副熱帶急流中心等風速線（圖9a）垂直，最后波通量止于亞洲副熱帶急流主體南側，成為波能量堆積區，在中亞地區波作用通量強烈輻合，Rossby波能量被阻截，有利于中亞低渦的發展和維持，這個能量的傳輸過程是中亞低渦發展維持和亞洲副熱帶急流主體偏南的原因。同時，烏拉爾山區域能量繼續向東頻散是貝加爾湖脊維持的原因之一。在減弱期，Rossby波能量從東北大西洋正異常中心向東南方向頻散，在地中海東部地區進入亞洲副熱帶西風急流，然后沿急流向東繼續頻散能量使得中亞低渦維持，這階段東歐不再存在向中亞地區的能量頻散，與此相伴隨北美急流減弱，亞洲急流入口處急流增強。500hPa波能量頻散特征與高層基本一致，不同的是高度正負異常強度和能量頻散大小比200hPa弱，這從另一個方面表明環流異常中心的形成和維持可能較大程度取決于副熱帶急流的波動。

5 討論

中亞低渦是大尺度環流在中亞地區特定條件下的產物，雖然我們已經開展了一些研究，認識了其時空分布、生命史及其分類，給出了大尺度和天氣尺度系統配置，但是對中小尺度研究和分析很薄弱，利用衛星和雷達資料的分析也限于少量的個例分析，更沒有進行過加密觀測試驗，尤其對淺薄型中亞低渦的研究相對更少。

圖9 19967月10日（a）、15日（b）200hPa位勢高度場距平（等值線，單位：gpm）和對應的波作用通量（箭頭，單位：m2·s-2）

已經完成的國家自然基金面上項目《中亞低渦中期過程的動力學機制及其對新疆極端天氣的影響》，給出了中亞低渦的客觀定義，分析了中亞低渦的活動規律、三維動熱力結構及其與高緯、副熱帶系統的典型配置模態，揭示了中亞低渦形成、維持的物理機制及造成強降水天氣相配合的水汽結構。但我們對深厚型和淺薄型中亞低渦背景下中尺度系統的形成機制以及中尺度系統發生、發展和演變規律缺乏足夠的認識，使得預報員缺乏相應的中尺度診斷分析技術，造成中亞低渦產生的對流天氣事件預報能力很低，是新疆強對流天氣預報預警水平進步的一個瓶頸。

我國各區域都有大家耳熟能詳的重要天氣系統為抓手開展一系列研究，如100°E以東的東亞區域有東亞季風系統，東北地區有東北冷渦，西南地區有西南渦等，而對于中亞干旱區（包括新疆）重要的影響系統—中亞低渦大家關注和認識很不夠。隨著國家絲綢之路經濟帶戰略的提出，目前氣象防災減災服務不能適應“絲綢之路核心區”建設需求，以中亞低渦為抓手或切入點開展相關的短時臨近、短期天氣、中期天氣等預報預測技術研究，對中亞天氣學發展、中亞干旱區中尺度系統和新疆強對流預報技術發展具有重要的理論意義和實際應用價值。

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Some advances and Problems of middle-Asia Vortex

YANG Lianmei，ZHANG Yunhui，QIN he

（Xinjiang meteorological Observation，Urumqi 830002,China）

Middle-Asia vortex（MAV）is an important influencing system which causes rainstorm, short-time heavy precipitation,hail and persistent low temperature events.The main study results on middle-Asia vortex（MAV）are summarized in the last 50 years,which include MAV definition, time-space distribution,life cycle,activity regular pattern,influences on weather in Xinjiang, circulation configure,water vapor transportation,three-dimension dynamic and thermodynamic structure and physics causes of MAV.Some problems remaining to be resolved are pointed out as follows:the structure and developing regular pattern of meso-scale system underground MAV, physics models and meso-scale analysis diagnose physical quantity of strong convective weather,key influence factors and warning-forecasting index of strong convective weather causing by MAV. To solve the above-mentioned problems,it is very important for improving synoptic meteorology and short-term short-time forecast technology in Middle-Asia areas and enhancing the capability of disaster prevention and reduction.

Middle-Asia vortex;activity regular pattern;circulation configure;energy propagation;meso-scale systems

P458

A

1002-0799（2015）05-0001-08

楊蓮梅，張云惠，秦賀.中亞低渦研究若干進展及問題[J].沙漠與綠洲氣象,2015,9（5）：1-8.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.05.001

2015-04-23

科技部公益性行業科研專項（GYHY201506009）和國家自然科學基金（41565003）資助。

楊蓮梅（1969-），女，研究員，主要從事災害性天氣研究。E-mail：yanglm@idm.cn