青藏高原天氣動力學研究的新進展

李國平

（1 成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225； 2 氣象災害預報預警與評估省部共建協同創新中心，南京信息工程大學，南京 210044）

0 引言

青藏高原，平均海拔超過4 km，被稱為地球“第三極”，是世界上海拔最高、地形最復雜的高原。其面積超過250萬 km，約占我國陸地面積的 1/4，是中緯度或北半球面積最大的高原。這里是全球氣候變化最為敏感的地區之一，覆蓋著近10萬 km的冰川，是地球上除南極和北極以外冰雪儲量最大的地區，也是長江、黃河、恒河、湄公河等亞洲10多條大江大河的發源地，有“亞洲水塔”的美譽。

夏季的青藏高原是一個強大的熱源，作為一個高聳入對流層中部大氣的動力、熱力和水汽擾動源，對東亞大氣環流、災害性天氣氣候事件乃至全球氣候變化都有重大影響。青藏高原是大氣對流活動和災害性天氣系統的多發區，影響長江流域暴雨過程的中尺度對流系統（MCS）的源地，是中國長江流域及東亞季風、東亞梅雨水汽輸送的“轉運站”，是中低緯季風能量與水份循環的“活躍區”，是大氣波動、低頻振蕩的活躍區和重要源地之一，高原夏季還存在臭氧低谷中心。

天氣學上，青藏高原在夏季是北半球同緯度地區氣壓系統出現最頻繁的地區，其天氣系統的多樣性堪比低緯熱帶地區。這些極具高原特色的天氣系統主要有青藏高壓、高原低槽、高原切變線、高原低渦（簡稱高原渦）、西南低渦（簡稱西南渦）、西北低渦（簡稱西北渦）以及高原MCS等。

在第一次青藏高原氣象科學實驗（QXPMEX）和第二次青藏高原大氣科學試驗（TIPEX）的基礎上，以第三次青藏高原大氣科學試驗（TIPEX-III）為抓手，在財政部、科技部公益性行業（氣象）經費項目、國家自然科學基金委重大計劃、國家重點研發計劃重點專項等的支持推動下，高原大氣科學已成為備受關注的熱門研究領域，在高原大氣觀測、高原地氣相互作用、高原氣候變化、高原大氣物理、高原大氣數值模擬、高原天氣氣候效應等方面取得了顯著進展。由于青藏高原天氣、大氣動力學問題的復雜性，與高原氣象學上述分支研究領域相比，由高原天氣學、大氣動力學交叉而形成的高原天氣動力學研究隊伍還不夠穩定、興旺，持續性研究及其標志性成果還不算多。由于地形復雜，涉及的問題很多，而觀測資料缺乏，再分析資料和數值模式在高原的應用都有一些困難，因此現在的研究工作尚存較大局限性，還需要進行更多深入研究，可以說青藏高原天氣動力學研究一直是高原大氣科學的一個具有重要科學意義與業務應用價值但又迫切需要關注、加強的基礎性領域。即使在與高原天氣動力學密切相關的高原天氣學研究中，也主要集中在個例研究、診斷計算與數值試驗、加熱作用、地形效應以及近年來十分活躍的高原天氣系統的客觀識別與氣候統計。

下面本文對近10年以來高原天氣動力學研究領域取得的一些研究成果進行梳理，以期更清醒地認識該領域研究的現狀與面臨的問題，不忘初心地積極思考、主動開創高原天氣動力學研究的未來。

1 高原低渦

高原渦是青藏高原主體獨特的一種α中尺度天氣（次天氣尺度）系統。（1）從大氣非線性波動的視角，高原渦可視為一種非線性慣性重力內波，其中具有渦眼（衛星云圖上的空心特征）、暖心結構的TCLV（Tropical Cyclone-like Vortices，類熱帶氣旋低渦）型高原渦（圖1）在理論上可用非線性慣性重力內波的奇異孤立波解加以解釋。（2）從流體力學邊界層渦旋的流場解視角，又可考慮高原渦這類低渦為受非絕熱加熱和摩擦強迫并滿足熱成風平衡的軸對稱渦旋系統，采用Boussinesq近似 ，通過求解柱坐標系中渦旋模式的初值問題以分析熱源強迫對低渦流場結構的影響，得出地面感熱中心與低渦中心配置一致時，地面感熱加熱才會有利于低渦生成發展，反之感熱加熱對低渦發展起抑制作用，這一結果有助于彌合以前感熱加熱是否有利于高原渦的分歧。此外，還可以從理論上證明高原深厚邊界層所產生的強動力抽吸泵對高原渦形成的重要作用。（3）從滿足Rossby 位渦守恒的渦旋波動視角，發現在高原渦這種渦度、散度共存的中尺度系統中, 具有渦旋Rossby-慣性重力混合波動的特征，即低渦內部是渦旋Rossby波主導，而外圍則由慣性重力波掌控，從而有助于在理論上認識衛星云圖上高原渦外圍云系的螺旋結構。

圖1 TCLV 型高原低渦流場垂直剖面結構示意圖（ZT為動力變性高度）[63] Fig. 1 Schematic diagram of vertical profile structure of TCLV Tibetan Plateau vortex (ZT is a dynamic denaturation height) [63]

2 高原切變線

猶如赤道輻合帶（ITCZ）對于熱帶天氣系統的孕育作用，高原切變線是高原天氣系統的“溫床”（圖2），其中高原橫切變線是高原切變線的常態，指高原上緯向風的南北切變而形成一條近于緯向的切變線，按其水平尺度可視為α中尺度或次天氣尺度系統。基于

z

坐標系下考慮地形的正壓模式方程組，利用小參數法求得其一級近似解，據此可對包含地形坡度與不考慮地形坡度的切變波和渦旋波及其關系進行動力學理論分析，得出切變線上的波動包括切變波、慣性波和重力外波，屬于雙向傳播的頻散波。考慮地形坡度時，波動不穩定條件與波數有關，地形坡度對波動不穩定貢獻大小取決于基本氣流的緯向分布狀況。在不考慮地形坡度時，基流存在南北切變且波長較長時，易出現切變波不穩定。渦旋波不穩定是切變波不穩定的一種特殊形式，即切變線上的波動可通過不穩定發展而形成低渦。這從理論上證明水平尺度較長的高原橫切變線在一定條件下可誘發高原渦生成及東移，從而在高原主體及下游地區形成低渦暴雨等極端天氣事件。

圖2 赤道輻合帶及高原橫切變線兩側風場對比 （a）赤道輻合帶；（b）赤道輻合帶上的風速切變模式；（c）高原橫切變線兩側風場；（d）高原切變線兩側風場分解[72] Fig. 2 Comparison of wind field on both sides of equatorial convergence zone and Tibetan Plateau shear line (a) equatorial convergence zone; (b) wind speed shear mode on ITCZ; (c) plateau shear line on both sides of the wind field; (d) decomposition of wind field on both sides of Tibetan Plateau shear line[72]

3 西南低渦

西南渦作為青藏高原周邊天氣影響力最大、在中國排名僅次于臺風（TC）的暴雨天氣系統。針對西南渦及其暴雨的中尺度分析技術方法匱乏的現實，引入對流渦度矢量、濕渦度矢量、濕螺旋度、水汽散度垂直通量等新型診斷物理量，并發展出二階濕位渦、散度演化等診斷分析物理量。應用表明二階濕位渦對降水落區有一定的指示作用，當濕位渦梯度增大到一定程度時，二階濕位渦的水平分布與降水落區分布有較好對應關系。條件對稱不穩定可能是西南渦強降水發展增強的一種機制。

把AIRS/Aqua、TRMM衛星資料用于西南渦及其降水研究，證明主要監測大氣成分的衛星AIRS資料也能很好地用于西南渦及其暴雨的研究，可有效彌補高原大氣垂直觀測資料缺乏的短板。強降水發生于西南渦的發展階段，且最大降水發生后云中水含量明顯增加。AIRS向外長波輻射（OLR）低值區與西南渦有很好對應關系，AIRS云頂亮溫資料（TBB）亦能有效反映出西南渦的發展演變，當西南渦發展旺盛時TBB出現明顯低值區。在西南渦強盛階段，溫度廓線顯示存在明顯逆溫層，水汽垂直分布亦出現逆濕現象。而西南渦強盛階段的水汽含量明顯小于初生階段，水汽散度垂直通量能較好解釋水汽廓線發生如此變化的原因[74]。

渦度收支方程診斷表明，散度項的配置與平流項基本相反，散度項對低層西南低渦的發展和維持起主導作用，扭轉項對西南渦的形成也有重要貢獻，平流項和摩擦耗散項是西南渦渦度消耗的主要項，不利于西南渦的生成發展。渦動動能收支方程診斷進一步表明，西南渦發展維持的渦動動能主要源于水平通量散度項和渦動動能制造項，摩擦耗散項和垂直通量散度項是其主要消耗項。西南渦的初生和成熟階段都維持對流層低層輻合與正渦度、高位渦中心相耦合的動力結構，并有強烈上升運動，同時存在相當位溫的“暖心”結構和相對濕度的“濕心”結構。在西南渦發展成熟階段，正渦度柱可發展至對流層高層300 hPa。垂直方向上，西南渦首先在低層 850 hPa 形成，爾后向上發展在 700 hPa 出現閉合低渦并趨于成熟。低空水汽通量散度對降水帶的強度和移動都具有較好指示意義。而位渦收支診斷分析表明，非絕熱作用項的垂直結構與垂直通量散度項相反，潛熱釋放造成的非絕熱作用項有利于低層位渦增長而抑制高層位渦增長，對西南渦的生成發展有重要作用。

4 高原低渦與西南低渦的耦合

在高原渦、西南渦形成階段，位渦中心都位于高度場、風場低渦中心的西側。高原渦在東移到高原東部的過程中強度加強；進入四川盆地繼續東移的過程中開始出現強度減弱。當高原渦與西南渦實現垂直耦合后，高原渦的強度再次加強。高原渦與西南渦處于非耦合狀態時，高原渦東側的下沉氣流將抑制盆地西南渦的發展。而當高原渦東移出高原與盆地西南渦垂直耦合后可激發西南渦加強，高原渦與西南渦垂直合并為一個深厚強渦。兩渦相互作用過程中，暴雨中心對應穩定的上升氣流，上升氣流的右側出現明顯的下沉氣流，從而構成次級垂直環流圈，完成高、低空的水汽和能量交換。位渦垂直剖面不僅清晰地反映高原渦與西南渦相互作用過程以及兩渦的移動，還可以指示低渦中心強度的變化。等熵位渦水平面上能較好地反映高原渦、西南渦的移動及演變情況，對強降水中心也有預示作用，可在水平方向表征兩渦相互作用過程[76]。

兩渦耦合開始階段，高原渦和西南渦都比較淺薄；耦合貫通強盛階段，高層的高原渦和低層的西南渦分別向上和向下擴展貫通；耦合結束階段，高原渦和西南渦垂直方向萎縮減弱。西南渦和高原渦耦合區上方在不同階段均維持正渦度柱，呈現低空輻合和高空輻散的特征，并伴有強烈上升運動。垂直運動在耦合開始階段最強，正渦度柱在耦合強盛階段顯著增強，高原渦和西南渦耦合貫通后，改變了渦度的垂直分布特征。西南渦發展維持的渦動動能主要源于水平通量散度項和渦動動能制造項，摩擦耗散項和垂直通量散度項是其主要消耗項。高原渦發展維持的渦動動能主要源于垂直通量散度項和區域平均動能與渦動動能之間的轉換項，渦動動能制造項出現負值是其渦動動能減弱的主要原因。兩渦耦合期間強烈垂直上升運動將西南渦的渦動動能向高原渦輸送，即西南渦對高原渦的發展維持有重要動力作用。

5 高原切變線與高原低渦的關系

基于大氣運動方程組及散度方程，對高原橫切變線上擾動穩定性問題以及切變線誘發高原渦的動力學機制進行了理論分析并用ERA-Interim再分析資料對其進行驗證。得出高原橫切變線是高原低渦產生的重要背景場，切變線以南的水汽輸送與輻合對于低渦的誘發作用是大氣處于不平衡狀態而引起散度場調整的結果，輻合增強區有利于高原渦生成，低渦中心對應非平衡正值中心，低渦外圍為非平衡項負值區。非平衡項負值大值與水汽輻合帶的重疊區對降水落區有較好指示意義。當高原南部的西南風帶向東或東北方向移動或當低渦下游出現非平衡項負值中心時，低渦亦同向移動。若高原出現氣旋式環流并且環流中心與非平衡項正值中心對應時，有利于低渦生成。當低渦中心與非平衡項正值中心對應且正值中心數值不斷增大時，低渦趨于發展加強。

通過渦度方程和總變形方程的聯合分析，初步揭示出高原渦減弱而高原切變線生成的動力機制。高原渦的減弱主要受散度項的影響，系統演變特征是由呈現強氣旋性渦度的高原渦演變為呈現強輻合的高原切變線。在高原渦較強時，正渦度局地變化項呈緯向帶狀分布。當高原渦減弱消失時，正渦度局地變化項呈現東北—西南向的帶狀分布。高原切變線的生成階段，總變形局地變化項在切變線的生成位置上為正值，總變形扭轉項對切變線生成的作用最強，其次為水平氣壓梯度項，散度項的貢獻最弱。高原渦受拉伸變形作用減弱消失，而正是由于這種拉伸變形作用有助于高原切變線的生成。當高原切變線上以拉伸變形為主時，不利于其上高原渦的發展，切變線可能是影響低渦發展的背景流場。

6 低頻振蕩對高原低渦的調制

利用 NCEP/DOE 再分析資料、NOAA 向外長波輻射資料、澳大利亞氣象局實時熱帶大氣次季節振蕩 MJO指數和中國氣象局成都高原氣象研究所高原低渦年鑒統計數據，應用合成分析方法初步探討了MJO對高原渦發生的調制作用。結果表明：1）MJO 對高原渦的發生調制作用顯著，MJO 活躍期生成的高原渦數約為MJO 不活躍期的3倍；2）強（弱）MJO 背景下，青藏高原上被低頻低壓氣旋（高壓反氣旋）控制，高原上空的大氣環流條件和水汽條件有利于（不利于）高原渦的生成；3）強（弱）MJO 背景下，高原東部盛行南（北）風，西部盛行北（南）風，高原北部盛行東（西）風，南部盛行西（東）風，低層渦度為正（負），有利于（不利于）高原低層氣旋環流的形成，從而有利于（不利于）高原渦的形成；4）強（弱）MJO 背景下有較強的動能制造，高原上大氣低頻動能較高（低），低頻渦動動能也隨之偏高（低），能夠（不能）為高原渦的生成提供充足的旋轉動能，有利于（不利于）高原渦的形成。MJO在向東傳播的過程中，MJO對流中心東移，熱帶地區大氣垂直環流結構隨之改變。由于中低緯大氣環流的相互作用，中低緯間的大氣斜壓性、大氣有效位能以及渦動有效位能分布狀況也隨之改變，這使得青藏高原及周邊大氣環流結構發生變化，水汽輸送因此產生明顯差異，高原上的大氣潛熱分布隨之發生變化，有利于和不利于高原渦生成的條件交替出現，從而造成不同位相高原渦發生頻數的顯著差異。

利用500 hPa天氣圖、多種再分析資料和衛星反演的亮溫資料，研究了1998年5—9月高原渦與10～30 d次季節振蕩的關系。研究揭示出活躍期與非活躍期的高原渦存在顯著差異。該年暖季高原渦有9個活躍期，高原渦的群發與氣旋式環流聯系的500 hPa渦度場的次季節振蕩有關。相較于30～60 d次季節振蕩（MJO），夏季高原渦的群發現象更明顯受10～30 d振蕩（準兩周振蕩，QBWO）的調制，所有高原渦的活躍期都位于10～30 d振蕩的正位相。該結果顯現出10～30 d準兩周振蕩對高原渦群發性的重要調制作用，即10～30 d振蕩通過提供有利于（不利于）氣旋式（反氣旋式）環境流場直接調制著高原渦的活動。大氣低頻振蕩分析表明：10～30 d尺度上，在來自印度季風區低層暖對流引起的對流不穩定配合下，西風槽擾動可激發高原渦活動。來自高原西南邊界的水汽輸送是對流能量匯聚的一個重要影響因子。這一研究結果使我們認識到10～30 d次季節振蕩的預測將有助于提升高原渦及其影響高原下游地區的中期（延伸期）天氣預報、短期氣候預測能力。

7 高原大地形對大氣長波的激發與調制

青藏高原大地形有利于大氣 Rossby波的形成，高原動力、熱力作用引起的Rossby波能量頻散所產生的上游效應是引發我國（持續性）災害天氣發生、發展的重要因素之一，且波動能量傳播速度隨坡度的增大而增大。高原地形的南北坡度對波動相速度的影響相反，且在一定坡度值下波動可呈現準定常狀態，甚至向西移動。高原大地形引起的西風繞流作用強于爬流抬升作用，即高原地形坡度的作用總體上使得高原西側（上游）以輻散下沉運動為主，東側（下游）為輻合上升運動，且垂直運動隨地形坡度的增大而增強，這就使得原本背風坡下沉氣流控制的高原東側“死水區”反而成為我國對流活動的高發區。當地形坡度在一定范圍內增大時，大氣Rossby波的振幅增強、波數減少、波長加長，使波動向低頻方向演化，最終促使地形 Rossby 波演化為高原準定常行星波。因此，高原對大氣波動不僅起激發作用，還有調制作用。高原南坡和北坡都能激發出大氣Rossby波，但南坡激發的波動無論在強度、范圍更有利于波動向低頻方向發展。高原地形坡度對我國東部地區降水的增幅、加時作用明顯，有利于短時暴雨演變為持續性暴雨，并且降水中心也隨著高原地形坡度的增大而增強并逐漸向東、向北移動。

8 結論

以上本文系統性梳理了近10年來以高原渦、高原切變線和西南渦這些青藏高原及周邊地區基本天氣系統為代表的青藏高原天氣動力學研究的若干重要問題及取得的主要成果，從中也可以看出在當前為數很少的青藏高原天氣動力學研究工作中，參研的人數較少，研究的深度、廣度不夠，呈現方式多為理論公式的簡單釋用，研究成果出現碎片化，缺乏理論的預見性和系統性。如對高原地形和加熱作用的考慮也較為粗糙，導致高原獨特作用對我國災害性天氣和氣候的影響機理以及數值模式中如何更好地考慮高原地-氣物理過程等重要問題，都非常缺乏動力學理論方面的有力支撐。應該看到，動力學理論研究既然是用數理方法來研究大氣問題，就不能不受到數學、物理學本身發展水平的限制，也將隨著數學、物理學的發展而前進。由于支配大氣運動的數學方程組如此復雜、包含的物理過程如此繁多（特別是在青藏高原這樣高大地形、復雜下墊面的地區），我們常常面對這樣的困境：為了求得方程組的解析解，所作的簡化（近似）偏離實際，而合乎實際的方程組卻難以求得解析解，從而制約動力學理論研究的應用和深入。這就要求在動力學研究中靈活采用其他研究方法特別是數值模式、衛星遙感等方法作為有益助力。此外，注意引進其他學科可學、可用的新理論、新技術，應用新的資料、新的信息技術手段（如可視化、虛擬現實、智能識別、機器學習和深度學習等），實現抽象物理概念與復雜物理模型的可視化，非線性物理過程與非線性偏微方程組的仿真求解，極端天氣關鍵特征與數值模式最優解的篩選識別，這對于向青藏高原天氣動力學研究的深度和廣度進軍十分必要。

隨著大氣探測技術的發展，高原觀測資料的增多，會揭露出新的高原大氣現象，提出新的問題，這些都對高原天氣動力學理論研究不斷產生壓力和動力，促進經典問題的再研究、再認識，經典理論的復活，開啟新問題的理論思考與解答。例1，西南渦的形成機理一直是西南低渦研究的難題，眾說紛紜，至今尚無定論。經典天氣學理論認為，青藏高原東南側的偏南氣流輸送暖空氣造成升溫降壓，同時在高原側向摩擦作用下產生氣旋性切變的偏南氣流，與高原東北緣反氣旋切變的偏北氣流形成輻合，從而生成西南渦。而西南渦成因的動力學理論觀點目前大致有三類：其一歸因為地形，如基于北美落基山脈的經典地形理論給出的背風氣旋（滿足Taylor-Proudman定理的Sullivan 渦解）、尾流渦，或南支渦、高原大地形繞流形成的南支氣旋性氣流及橫斷山脈的阻擋加強效應；其二歸因為加熱，如高原近地層超干絕熱導致的條件不穩定、熱成風適應、熱力適應；其三歸因為地形與加熱的共同作用，如斜坡地形上加熱強迫作用產生的傾斜渦度發展。近年來又提出水汽作用說（雨生渦）、波動說（切變線波動、非線性慣性重力內波）、位渦不穩定（高層位渦下傳）、對稱不穩定引發的中尺度對流渦（MCV）發展、高原渦的垂直或水平耦合的激發作用，以及西風南支繞流和季風環流帶來的水汽、角動量輸送的誘發作用等新觀點。例2，四川盆地西南渦持續性暴雨天氣過程中，雖然西南渦本身不屬于MCS，但在西南渦發展過程中，MCS 有利于激發上升氣流，中低層的上升氣流和正渦度配合利于熱量和水汽垂直輸送，高層的輻散進一步促使 MCS 的發展，MCS 對西南渦的移動也有一定引導作用。有無 MCS 伴隨發展，西南渦中對流活動對熱量和水汽的輸送能力迥異。這說明按水平尺度，西南渦可歸入MCS，但西南渦本身一般并不當作MCS來研究（雖然西南渦降水具有明顯對流性）。然而西南渦內已初步證實存在MCS，這就促使我們必須考慮西南渦與MCS的相互作用問題。此外，高原天氣系統之間的相互作用、異常發展的長生命史中尺度低渦以及高原天氣系統生成、東移與發展機理等問題也值得進一步研究。

因此，在以上綜述與思考的基礎上提出當前高原天氣動力學研究存在的主要問題和需要加強的若干方向：

1）高原天氣系統數據集的創建。涉及高原天氣系統定義及統計標準的規范、統一，高原渦、高原切變線和西南渦年鑒的連續、及時出版，并逐步由圖表集向量化數據集發展。常規資料和高原試驗資料質量控制與開放共享，高原天氣系統智能識別技術探索，以及可用于氣候研究的高原天氣系統活動指數的創建。

2）高原天氣系統共性與差異化研究。如高原渦與西南渦、西北渦的異同，不同源地高原渦、西南渦的異同。

3）高原天氣系統形成機理、結構特征、影響因子及強迫作用的細化和深化研究。西南渦的分類研究及其不同類型西南渦形成機理的再研究。高原天氣系統的理論歸因研究與甚高分辨模擬（如西南渦整體的大渦模擬）。除地形之外，高原特殊的陸-氣過程可能對高原及周邊天氣系統亦有重要影響；除下墊面的影響之外，高層系統對低層系統的誘發作用也不可忽視，如高原渦多為自下向上而發展，但在有利環流條件下也可能自上向下而形成。

4）高原低值系統之間的相互作用。如高原渦與西南渦、西南渦與西南渦的雙渦甚至多渦效應，高原切變線與高原渦、西南渦的因果關系，高原MCS與高原渦、西南渦的相互作用。

5）高原天氣系統東移發展條件的理論化和系統化研究。多級階梯地形、多尺度天氣系統背景下的高原低值系統東移條件與演變機理。高原低值系統與高原大氣波動的聯系，觸發高原下游強天氣的影響方式與影響機理。高原低值系統與下游天氣系統（如低空急流、南支槽、江淮切變線、江淮氣旋、梅雨鋒、熱帶氣旋以及西北太平洋副熱帶高壓）的相互作用。次季節振蕩（高原準兩周振蕩QBWO、熱帶MJO）對高原低值系統活動的影響。研究方式也應由個例分析、診斷計算為主，更多地轉為合成分析、集成研究和概念模型提煉。

6）高原高值與低值系統之間的相互作用。南亞高壓（青藏高壓）對高原渦在內的低層低值系統和高原及周邊天氣的影響。

7）高原天氣系統的氣候變化機理研究。在全球變暖、青藏高原也發生明顯氣候變化的背景下，高原天氣系統活動的變異特征與物理機理，以及這種變異對我國極端天氣氣候事件（如暴雨、干旱、高溫、冰雪、霧霾）和未來天氣、氣候格局的可能影響。