劉海文 毛江南 楊朝虹



摘要 西南低渦是形成于我國青藏高原東南側的一種α中尺度渦旋,是導致中國夏半年暴雨的主要天氣系統之一。文中簡要回顧了2000年以來有關西南低渦的最新研究成果,主要包括西南低渦的人工智能識別、西南低渦頻數的長期變化及其氣候學特征、西南低渦的集合預報、雙核西南低渦的首次發現等。在此基礎上,歸納出該研究領域需要深入探討的若干問題,包括西南低渦頻數變化的外強迫因素,青藏高原特殊地形導致的地形Rossby波、重力波與西南低渦之間的相互關系,雙核西南低渦的形成機制以及雙核西南低渦與經典西南低渦形成機制的差異等。
關鍵詞西南低渦;雙核西南低渦;青藏高原;回顧與展望
西南低渦(西南渦)產生于我國西南地區,在造成中國夏半年暴雨的主要天氣系統中(陶詩言,1980),其重要性位居第二(王作述等,1996)。由于在西南低渦的東側,可生成暖鋒式或靜止鋒式切變線(林元弼等,1988),如果這些中尺度切變線和低渦得以繼續維持,可形成中尺度對流群或中尺度雨帶(陶詩言,1980)。因此,西南低渦是影響我國夏半年降水天氣過程的一個相當重要的影響系統,西南低渦暴雨也是中國暴雨中非常復雜、富有特色的暴雨現象(李躍清和徐祥德,2016)。
關于西南低渦研究進展的回顧文獻比較多。比如:陳忠明等(2004)、劉紅武和李國平(2008)、李國平和陳佳(2018)、何光碧(2012)以及李躍清和徐祥德(2016)都對西南低渦的階段性研究成果做了較為詳細的總結和回顧,這為系統學習西南低渦和了解西南低渦的概況都起到了非常重要的作用。
本文重點對2000年以來關于西南低渦的最新研究成果進行簡要回顧,并就一些亟待解決的科學問題進行簡單討論和探討。
1 西南低渦的識別
西南低渦的識別方法上大致可以分成人工識別、機器智能識別以及智能識別加人工識別這3大類。從氣象要素識別西南低渦方面來講,有基于700 hPa位勢高度識別(王靜等,2019),也有基于風場來對西南低渦進行識別(王金虎等,2015)。近些年來,中國氣象局成都高原氣象研究所和中國氣象學會高原氣象學委員會,出版了一系列西南低渦年鑒書籍(中國氣象局成都高原氣象研究所和中國氣象學會高原氣象學委員會,2016,2017),這些基礎性工作,為系統地開展西南低渦的研究,奠定了良好的基礎。
近些年來,由于高時空分辨率再分析資料的使用以及智能計算的興起,利用計算機技術來識別西南低渦成為可能。比如,王靜等(2019)利用GRAPES-MESO的格點資料,使用逐步訂正識別方法,建立了識別西南低渦的算法,提高了西南低渦識別的效率。高正旭等(2009)利用客觀分析得到的統計結果,闡述了西南低渦的氣候特征。這些識別西南低渦的客觀識別方法,為開展西南低渦的氣候學研究及其長期變化成為可能。
2 西南低渦的統計及其長期變化研究
隨著再分析資料年限的增加,使用再分析資料對西南低渦進行統計研究成為可能。高正旭等(2009)利用客觀分析統計的結果,認為使用再分析資料分析出的西南低渦的氣候態特征和實際觀測事實相符。這為利用再分析資料來識別、分析和研究西南低渦提供了科學依據。目前,利用觀測或再分析資料,對西南低渦進行了大量的統計工作(陳啟智等,2007;Fu et al.,2014,2015;翟丹華等,2014;Feng et al.,2016;葉瑤和李國平,2016;李黎等,2017;范嬌和陳科藝,2019)。Fu et al.(2014)使用0.5°×0.5°高空間分辨率資料,統計了2000—2013年夏季578例西南低渦,發現夏季西南低渦在02—08時(北京時)出現的次數最多。隨后,Zhang et al.(2019)又基于上述14 a的10個典型西南低渦個例分析后發現,西南低渦的形成原因有顯著的不均勻性。統計結果表明,西南低渦的出現頻數具有明顯的季節變化。陳忠明和閔文彬(2000)指出,秋、冬季西南低渦出現最少,夏季出現最多,一般在7月。陳啟智等(2007)研究發現春、夏兩季西南低渦出現的頻數比較多,而秋、冬兩季比較少,這與陳忠明和閔文彬(2000)的研究結果一致。但是諶貴珣和何光碧(2008)統計認為,冬季西南低渦頻數最多,春、秋季次之,夏季最少。Zhong et al.(2014)也得到了類似的結論,發現西南低渦主要發生在春、冬兩季,占總數的69.5%,最大頻數出現在3月,最小頻數出現在8月。顯然,這些統計結果和陳忠明和閔文彬(2000)以及陳啟智等(2007)統計的結果有所不同,這可能與統計時所選的時間序列長度以及西南低渦的識別方法不同有關。統計研究表明,不同渦源的西南低渦出現的時段也不同。九龍渦多發時段在春季與夏季,盆地渦多發時段在冬季與春初,小金渦多發時段在冬末與春季(羅清等,2018)。羅清等(2018)利用2012—2016年Micaps天氣圖資料和《西南低渦年鑒》,對西南低渦及來自不同源地的西南渦的變化特征及其對降水的影響進行了統計研究,認為:起源于九龍的西南低渦出現次數最多,起源于盆地的西南低渦次之,起源于小金的西南低渦最少;同時表明,在2012—2016年期間,西南低渦的生成頻數有明顯的季節變化,春季是西南低渦生成最多的季節。同樣,李超等(2015)則對起源于四川盆地的西南低渦進行了統計分析,認為盆地渦其初生位置主要位于盆地的西南部和東北部,四川盆地西南低渦夏季出現最多,冬季出現最少,四川盆地西南低渦具有明顯的日變化,西南型盆地渦在3—10月夜晚發生概率均大于白天,而東北型盆地渦只在5—9月期間夜晚發生概率大于白天,其他月份低渦夜發性不明顯。梁紅麗等(2012)將影響云南天氣氣候的西南低渦進行統計后發現,影響云南的西南低渦初生渦源區主要集中在九龍和四川盆地;從移動路徑上而言,東南路徑最多,西南和偏南路徑次之,而且影響云南的西南低渦具有明顯的日變化特征。
從年際、年代際時間尺度來看,李黎等(2017)利用1979—2013年一日4次的ERA-Interim再分析資料,研究了春季西南低渦的長期變化。結果表明,在1979—2013年期間,共出現了262次西南低渦,春季西南低渦平均每年出現7.5次,并且春季西南低渦出現次數具有明顯的下降趨勢,春季西南低渦具有顯著的年際和年代際變化特征。葉瑤和李國平(2016)統計了61 a夏半年西南低渦發生次數的年際變化,分析了西南低渦年際時間尺度的大氣環流特征和角動量特征,認為大量正角動量輸入青藏高原東側西南低渦關鍵區時,有利于西南低渦生成和頻發。Feng et al.(2016)則從影響重慶暴雨的角度,將西南低渦劃分為偏東路徑型、東北路徑型和停滯少動型三種類型,并對西南低渦產生的暴雨進行了研究,認為雖然西南低渦移動路徑不同,但是西南低渦在結構上具有一些相似的特征。
根據西南低渦的性質和移動速度,可以將西南低渦分為不同類別。陳忠明和閔文彬(2000)將西南低渦分為移動類和少動類兩類。潘旸等(2011)同樣將西南低渦分為移出型低渦和停滯型低渦兩類。潘旸等(2011)對1991—2004年夏季(6—8月)西南四川盆地的低渦活動進行統計分類,比較分析了移出型和停滯型兩類西南低渦生成初期的合成環流場,總結出影響低渦東移的三維流場的氣候學特征。劉紅武等(2016)使用10 a的資料,統計分析了影響湖南天氣和氣候的東移西南低渦的三維環流特征,并進一步對水汽來源進行了分析。陳啟智等(2007)根據西南低渦的移動情況分為3類:基本不動類、迅速消散類和移動類,且移動類西南低渦的移動路徑以偏東和東北路徑為主。王金虎等(2015)研究發現,夏季向正東方向移動的低渦個數沒有年代際變化,但是向東北和東南方向移動的移出型低渦個數呈增加趨勢。西南低渦在不同季節移出源地的概率有所不同。研究發現,西南低渦在夏季移出源地的概率高,而在冬季比較低(諶貴珣和何光碧,2008;Fu et al.,2014;Zhong et al.,2014)。
3 西南低渦與其他系統的相互作用
劉曉冉等(2020)對一次引發特大暴雨的西南低渦和高原低渦耦合貫通加強過程進行了研究,認為高原低渦和西南低渦耦合貫通后,改變了渦度的垂直特征;東移的高原低渦與西南低渦耦合后,可以導致強降水的發生(Cheng et al.,2016)。
為了研究西南低渦和高原低渦之間的相互關系,Chen et al.(2019)定義了一個反映西南低渦和高原低渦相互作用的指數,并用于診斷降水區。西南低渦不僅和高原低渦耦合,而且還能與高空西風槽耦合。比如,李強等(2013)就發現,發生于2009年8月2—5日川渝地區出現的暴雨過程,就是東移的高空槽耦合了位于川渝地區的西南低渦,導致此次強降水過程。此外,臺風通過遠距離作用,對西南低渦系統動力結構的維持也起到積極作用(李強等,2013)。周春花和張駒(2020)研究認為,南海的熱帶氣旋和西太平洋上的熱帶氣旋對西南低渦的發展和維持有遠距離的加強作用。湯歡等(2020)研究表明,在高原中尺度對流系統與西南低渦耦合階段,兩者的上升運動區相疊加,低層的正位渦、正渦度、以及輻合均顯著加強。
4 西南低渦的集合預報
隨著集合預報的發展,對西南低渦的集合預報也陸續發表了一些文章,比如:Li et al.(2014)使用區域的集合預報系統,研究了導致西南低渦東移和發展的動力學、熱力學特征。圖1給出的是11個集合成員的每3 h一次的西南低渦路徑預報與觀測的西南低渦路徑。Liu et al.(2019)使用TIGGE資料,對2013年7月18日的一次高原低渦與西南低渦耦合過程中的高原低渦可預報性進行了研究,結果表明,從預報初始時刻開始,四川盆地上空48 h的位勢高度,可作為隨后90~108 h高原低渦的前兆信號(圖2)。
5 西南低渦的形成機制
近30 a以來,關于西南低渦的形成機制幾乎沒有什么重大突破。青藏高原和其東麓形成的獨特地形是形成背風坡低值渦旋西南低渦的重要原因之一(何光碧,2012)。西南低渦的形成還與盆地、河谷以及氣流分層有關(朱禾等,2002)。葉瑤和李國平(2016)研究認為,西南低渦多發年,低層流場在西南低渦關鍵區表現為西南風旺盛且輻合異常強,氣旋性切變加大,低緯季風環流增強,導致大量正角動量輸送至關鍵區,有利于西南低渦生成。西南低渦的形成與水汽輸送也有關。
6 西南低渦雙核結構的發現
過去由于受資料分辨率的限制,一般認為西南低渦是一個單一的α中尺度渦旋(陶詩言,1980;盧敬華,1986;高守亭等,2003)。隨著再分析資料的空間分辨率提高,Zhou et al.(2017)通過個例研究,首次發現了一個西南低渦中包含有兩個更小尺度渦旋的現象,即西南低渦具有兩個核的現象。
圖3清楚地反映了一個低渦逐步演變成兩個低渦中心的奇特現象。由圖3可見,兩個低渦中心被3 080 gpm所包圍,兩個低渦中心共存于一個大的西南低渦中。為了對該類西南低渦開展系統的研究,吳珍珍等(2018)將這類低渦簡稱為雙核西南低渦,并給出了定義:1)在歐亞天氣圖上,中國西南地區為一西南低渦,但在小范圍的區域天氣圖上,這個西南低渦則表現為由兩個更小尺度的氣旋性渦旋所構成;2)兩個小尺度的氣旋性渦旋必須是從先于它們出現的同一個中尺度西南低渦中產生;3)兩個小尺度的氣旋性低渦的中心位置都必須位于我國西南地區(100°~108°E,26°~33°N)。凡是滿足上述3個條件的西南低渦則可視為雙核西南低渦。結合西南低渦的定義(盧敬華,1986),上述關于雙核西南低渦具有一定的科學性和代表性。
圖4給出了雙核西南低渦從產生、演變、發展和加強的過程(吳珍珍,2018),可見,2011年8月4日00時,在四川附近出現了一個西南低渦,這個西南低渦在2011年8月4日12時,出現了雙核現象。隨后吳珍珍等(2018)通過簡單的人工普查,進一步發現雙核西南低渦絕非個例。吳珍珍(2018)和Zhou et al.(2017)對雙核西南低渦的研究,均發現雙核西南低渦中的兩個核都具有暖濕特征,而且也屬于淺薄的系統,即在700 hPa上最明顯,具有西南低渦的一般特征。吳珍珍等(2018)研究發現,2011年8月4日00時—5日00時存在的雙核西南低渦,兩個核均位于四川省境內,其中一個“核”處于巴中,另一個“核”處于涼山附近,且這兩個核被3 084 gpm等位勢線所包圍,共存于一個較大尺度的西南低渦中。吳珍珍等(2018)發現的西南低渦的兩個“核”的偏北的“核”的地理位置要比Zhou et al.(2017)中偏北的“核”位置偏南。通過對雙核西南低渦進行數值模擬研究表明,青藏高原和云貴高原的大地形以及大氣的潛熱釋放對雙核西南低渦的形成和發展有重要作用。雙核西南低渦的位置和移動方向受高原大地形的影響,大氣的潛熱釋放對雙核西南低渦的生成和維持起著主要作用(吳珍珍等,2018)。
7 新的研究方向展望
本文主要對2000年以來關于西南低渦有一定特色或代表性的研究成果進行了較為系統的回顧和展望。雖然關于西南低渦的研究已經做了大量的研究,但是未來關于西南低渦的研究,以下幾個方面仍值得關注:
1)人工智能或者機器識別技術已能對西南低渦進行較好的識別,但是,西南低渦長期統計的結果仍存有不一致甚至矛盾的現象。這需要從源頭上對西南低渦的統計進行仔細的校驗和檢查,并對西南低渦的統計標準進行統一和規范。此外,從天氣學、氣候學角度對西南低渦生成頻數的年際,年代際變化的外強迫因子研究仍不夠充分。
2)使用臺站以及高時空分辨率的再分析資料、衛星資料、雷達資料等多源數據,從天氣動力學角度,開展西南低渦的形成、發展、移動、消失等各個階段的中尺度細微結構特征進行研究。
3)高原東部特殊的地形所形成的地形Rossby波以及重力波等波動與背風坡氣旋(西南低渦)是否有關系,如果有關系的話,它們背后的物理機制是什么?
4)雙核西南低渦究竟是如何形成的?其形成的主要機制是什么,它和經典的西南低渦的形成機制異同點是什么?
5)西南低渦以及雙核西南低渦的可預報性研究。
6)東移的西南低渦以及東移的雙核西南低渦,其對下游地區的天氣、氣候的影響有何異同?以及西南低渦導致的次生災害,比如西南低渦導致的四川省境內的山體滑坡,泥石流等預報模型的建立,對于防災減災工作將會起到非常重要的作用。
綜上所述,西南低渦的研究和臺風研究相比,無論是研究深度還是研究廣度,均有很大的差距。由于西南低渦一年四季均可出現,且其出現頻數遠遠大于熱帶氣旋和臺風的頻數,因此,關于西南低渦的研究,仍然是任重而道遠。
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Research progresses of the southwest vortex since 2000
LIU Haiwen,MAO Jiangnan,YANG Zhaohong
Department of Aviation Meteorology,College of Air Traffic Management,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China
The southwest vortex is a meso-α-scale vortex formed on the southeast side of the Qinghai-Tibet Plateau in China.It is one of the main weather systems that cause heavy rainfall in summer half year in China.This paper briefly reviews the latest research results of the southwest vortex since 2000,mainly including the artificial intelligence recognition of the southwest vortex,the long-term variation and climatological characteristics of the frequency of the southwest vortex,the ensemble forecast of the southwest vortex,and the first discovery of the binary southwest vortex.On this basis,some issues that need to be further discussed in this research field are summarized,including the external forcing factors related to the frequency variation of the southwest vortex,the relationship between the topographic Rossby wave,gravity wave and the southwest vortex caused by the special topography of the Qinghai-Tibet Plateau,the formation mechanism of the binary southwest vortex,and the difference of formation mechanism between of the binary southwest vortex and the classic southwest vortex.
southwest vortex;binary southwest vortex;Qinghai-Tibet Plateau;review and outlook
doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201215012
(責任編輯:張福穎)