高原涡、西南涡研究的新进展及有关科学问题

李国平

（成都信息工程学院大气科学学院，四川 成都 610225）

1 高原天气研究概况

夏半年青藏高原位于副热带高压带中，100 hPa高空盛行强大而稳定的南亚高压（也称青藏高压），它是比北美落基山上空的高压更为强大的全球大气活动中心之一。在青藏高原中部500 hPa 层，夏季常出现高原低涡和东西向的高原切变线，则高原上空呈现“上高下低”的气压场配置。受高原主体和四周局地山系的地形强迫作用，低层的西风气流在高原西坡出现分支，从南北两侧绕流，在高原东坡汇合。因而在青藏高原南（北）侧形成常定的正（负）涡度带，有利于在高原北侧产生南疆和河西高压（或称兰州高压），在高原东坡产生西南低涡，从而形成了极具高原特色的天气系统[1]。青藏高原天气系统包括：高原低涡（主要位于500 hPa 高原主体，简称高原涡）、西南低涡（主要位于700 hPa 高原东坡，简称西南涡）、柴达木盆地低涡、高原切变线、高原低槽（主要指南支槽，或称印缅槽、季风槽）、高原MCS 和南亚高压（青藏高压）。

对高原天气系统的研究始于20世纪40年代[2]，研究成果在1960年形成高原气象学的开篇之作《西藏高原气象学》[3]。1975—1978年开展的高原气象全国协作研究和1979年开展的第一次青藏高原气象科学实验（QXPMEX）对高原天气系统进行了会战式的集中研究，研究成果总结、升华为高原气象学的奠基之作《青藏高原气象学》[4]。在第一次青藏高原气象科学试验的基础上，20世纪80年代我国学者对高原天气问题开展了持续性研究[5-16]。在1998年进行的第二次青藏高原大气科学试验（TIPEX）、1993—1999年进行的中日亚洲季风机制合作研究以及2006—2009年中日气象灾害高原研究项目（JICA/Tibet）中，也有高原天气的研究内容。

进入21世纪后的近10 a 来，高原天气研究的主要系统有：高原低涡、西南低涡、高原切变线、高原MCS 和南亚高压，前4 类合称高原低值系统。分析所用资料主要有：天气图（历史、MICAPS）、卫星遥感资料（云、水汽、TBB、OLR、TRMM 等）、再分析、中尺度模式输出（MM5、WRF 等）、加密探空、多普勒雷达、GPS/MET、廓线、边界层资料等。研究方法基本为：天气学、诊断计算、气候统计、流体力学模拟、数值模拟试验、动力学理论分析。作为高原气象学研究的重要基础和活跃领域，近年来高原天气研究方法逐步向综合性、集成式方向发展，研究的主要（热点）问题有：高原及临近地区的暴雨研究，高原低值系统（切变线、高原低涡、西南低涡）活动，高原低值系统与川渝、长江流域、黄淮流域和华南前汛期暴雨的关系，高原地形、热源、陆面物理过程、土壤湿度和积雪冻土变化对高原天气系统、大气环流的影响等。以2000—2012年国家自然科学基金资助项目为例，据不完全统计以高原天气系统为题的共有15 项，其中高原低涡研究6 项，西南低涡研究5 项，高原低涡、西南低涡研究2 项，高原低涡、切变线研究1 项，南亚高亚研究1 项。研究内容涉及高原天气系统的动力学机制、结构与演变、模拟、分析方法、对暴雨的影响以及气候学特征等。

2 高原两涡的研究

高原低涡、西南低涡（简称高原两涡）是高原天气的代表性系统，对其形成、结构、演变与发展及其造成的天气灾害等问题的认识，一直为气象研究人员和天气预报员所关注，并在第一次青藏高原气象科学试验和第二次青藏高原大气科学试验前后取得了不少重要成果，尤其是近10 a 来关于高原低涡、西南低涡的研究更趋细致和深入[17-24]。

青藏高原低涡是指夏半年发生在青藏高原主体上的一种α 中尺度低压涡旋，它主要活动在500 hPa 等压面上，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。高原低涡多出现在高原主体的30°～35°N 和87°E 以西范围内，而消失于高原东半部下坡处。依据低涡生命史的长短可将其分为发展型和不发展型低涡，生命史在36 h 以上的为发展型（移出型）低涡，否则为不发展型（源地型）低涡。由于青藏高原地区的大气行星边界层厚度可达2 250 m，而青藏高原本身的平均海拔高度为4 000 m，则高原大气边界层厚度位于600～400 hPa，因此高原低涡是一种典型的边界层低涡，高原热源和大气边界层对这类低涡的发生、发展有重要作用。高原低涡是高原夏季主要的降水系统之一，西部初生的高原低涡多为暖性结构，垂直厚度浅薄，涡区整层为上升气流，在350～400 hPa 最强。低层辐合，高层辐散，无辐散层在400 hPa 附近。源地生消的高原低涡主要影响高原西部、中部的降水。在有利的天气形势配合下，个别高原低涡能够向东运动而移出高原，往往引发我国东部一次大范围暴雨、雷暴等灾害性天气[2]，以及突发性强降水诱发的次生灾害，如城市内涝、山洪以及滑坡、泥石流等地质灾害。因此，高原低涡的研究对深入认识这类高原天气系统，提升高原及其东侧地区灾害性天气的分析预报水平具有重要的科学意义和业务应用价值。

西南低涡是青藏高原东侧背风坡地形、加热与大气环流相互作用下，在我国西南地区100°～108°E，26°～33°N 范围内形成的具有气旋式环流的α 中尺度闭合低压涡旋系统。它是青藏高原大地形和川西高原中尺度地形共同影响下的产物，一般出现在700～850 hPa 等压面上，尤以700 hPa 等压面最为清楚。其水平尺度约300～500 km，生成初期多为浅薄系统和暖性结构，生命史一般不超过48 h。西南低涡降水具有明显的中尺度特征，其持续时间约4～5 h。西南低涡主要集中发生在以川西高原（九龙、小金、康定、德钦、巴塘）和川渝盆地为中心的两个区域内，又有“九龙涡”和“盆地涡”之分。其移动路径主要有三条：偏东路径（沿长江流域、黄淮流域东移入海）、东南路径（经贵州、湖南、江西、福建出海，有时会影响到广西、广东）、东北路径（经陕西南部、华北、山东出海，有时可进入东北地区），这3 条路径中又以偏东路径为主。西南低涡在全年各月均有出现，以4—9月居多（其中尤以5—7月为最），是夏半年造成我国西南地区重大降水过程的主要影响系统。在有利的大尺度环流形势配合下，一部分西南低涡会强烈发展、东移或与其它天气系统（如高原涡、南支槽、低空急流、梅雨锋、台风等）发生相互作用，演变为时间尺度可达6～7 d 的长生命史天气系统，能够给下游大范围地区造成（持续性）强降水、强对流等气象灾害及次生灾害（如山洪、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害以及城市内涝等灾害）。已有分析研究表明，西南低涡发展东移，往往引发下游地区大范围（如长江流域、黄河流域、淮河流域、华北、东北、华南和陕南等地）的暴雨、雷暴等高影响天气。在我国许多重大暴雨洪涝灾害的影响系统中，西南低涡都扮演了非常重要的角色。因此，西南低涡被认为是我国最强烈的暴雨系统之一，就它所造成的暴雨天气的强度、频数和范围而言，可以说其重要性是仅次于台风及残余低压而位居第二的暴雨系统。所以，对西南低涡的发生发展及其造成的洪涝灾害等一直是气象科技工作者和天气预报员分析研究的重要课题，也是在日常业务工作中对提高气象防灾减灾能力有迫切需求的一个基础性科技问题。

西南低涡的研究历史悠久，至今已有60 a。根据不完全文献检索，最早见诸文献报道研究西南低涡（时称西南低气压）是顾震潮先生[2]。随后顾震潮、叶笃正、杨鉴初、罗四维、王彬华等气象学家在20世纪50年代中期开始较多地关注西藏高原影响下的西南低涡。由于第一次青藏高原气象科学试验（QXPMEX）和第二次青藏高原大气科学试验（TIPEX）的推动，以及四川盆地“81·7”特大暴雨造成的严重灾情引起全球关注下，国内外气象工作者对以西南低涡为代表的高原低值天气系统做了较多研究分析，特别是前两次高原试验以及“81·7”四川特大暴雨发生后阶段性、集中式研究[25-31]，取得了较多重要成果，加深了对高原天气系统的科学认识。

关于西南涡的成因，至今尚无定论，大致分为3类：其一归因为地形，例如高原大地形影响下的背风气旋、尾流涡或南支涡[26、32、33]；其二归因加热，如高原加热作用、热成风适应的结果[29、34]；其三归因为倾斜地形上的加热，如倾斜涡度发展及斜坡加热强迫的作用[35]。

3 高原低涡研究进展

高原低涡作为青藏高原独特的天气系统，同时又是一种能带来灾害性天气的中尺度系统，对它的研究日益受到气象工作者们的重视。目前，国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划（973 计划）、财政部、科技部公益性行业（气象）科研专项等资助的研究项目中都有对高原低涡的专题研究。尤其是在科技部科技基础性工作专项资助下，中国气象局成都高原气象研究所编辑、出版了《青藏高原低涡、切变线年鉴》（1998—2010），为高原低值系统的规范化研究创造了良好的资料基础。近年来高原低涡研究的特点有：分析中使用了卫星遥感等新的观测资料（TBB、水汽图像、TRMM、GPS-PWV 等）；利用一些新型物理量进行诊断分析（湿螺旋度、非地转湿Q矢量、湿涡度矢量、对流涡度矢量等）；采用了高分辨率的中尺度数值模式（MM5、WRF 等）；从波动、群发性和低频振荡（10～30 d 振荡）等一些新视角，以及一些新观点（气候变化下的天气系统与影响过程）开展研究，深化了对高原低涡的认识，所研究个例的资料和方法也更加丰富。主要研究领域涉及高原低涡的观测事实统计（涡源、结构与性质、日变化、移动路径、天气影响等），进一步开展了天气诊断计算、数值模拟与试验（地形、感热、潜热、水汽）、动力学分析（奇异孤波解、边界层涡旋解、涡旋Rossby—惯性重力混合波），更加关注高原低涡的东移演变以及触发灾害性天气的机理问题。因此，高原低涡研究现状可概括为：对高原低涡的研究从方法上讲以天气统计分析和数值模式试验为主，多侧重于低涡过程的个例分析，研究方案主要是高原低涡过程和结构的天气学分析、生成和移动特征的气候统计，低涡形成和发展过程中能量构成及转换、动力学量、水汽量的诊断计算，高原热力和动力作用对低涡结构特征及发展过程影响的数值模拟试验等。

尤其是在夏季青藏高原低涡结构的动力学研究方面[36]，应用卫星云图资料分析了夏季青藏高原低涡发展过程及其结构演变，揭示出高原低涡结构特征的若干观测事实。在此基础上借鉴研究类热带气旋低涡（TCLV，Tropical Cyclone-Like Vortices）的方法，将暖性青藏高原低涡视为受加热和摩擦强迫作用，且满足热成风平衡的轴对称涡旋系统，通过求解柱坐标系简化的涡旋模式，得出边界层动力作用下低涡的流函数解，重点讨论了地面热源强迫和边界层动力“抽吸泵”对高原低涡流场结构的作用。研究认为，由于边界层加热和摩擦的共同作用，高原低涡的温度场呈暖心结构。热源强迫的边界层低涡的散度场存在一个动力变性高度，该高度的位置与边界层顶高度有关。通过边界层动力抽吸作用，当边界层顶有气旋性涡度时，能引起边界层低涡的水平辐合运动和随高度增强的上升运动，并可加强低涡的切向流场；如果低涡的中心区域为“内冷外热”型加热分布，则热源强迫的低涡中心区域下层为辐散气流和随时间减弱的切向流场，上层为辐合气流和随时间增强的切向流场，并伴有下沉运动，从而有利于形成涡眼（或空心）结构（图1），在卫星云图上表现为低涡中心为少云（或无云）区，即这类高原低涡具有与台风类似的眼结构，因而可视为类热带气旋涡旋的新例证。另外，通过高原低涡的简化模型对低涡所含的波动进行了分析和讨论，结果表明：高原低涡中既含有涡旋Rossby 波，又含有惯性重力波，即低涡波动呈现涡旋Rossby—惯性重力混合波特征。

图1 TCLV 类型的高原低涡流场结构的垂直剖面示意图

4 西南低涡研究进展

近30 a，国内外学者从天气学、动力学和数值模拟3个主要方面对西南低涡开展了大量研究。在西南低涡天气事实统计（涡源、成因、性质、移动路径、天气影响等）、影响因子研究（地形、感热、潜热、边界层、水汽）、结构与环流背景场分析、诊断计算（非热成风涡度、重力波指数、GPS/西南涡试验）、数值模拟、动力学机制（倾斜涡度发展，非平衡动力强迫）、时空分布的气候特征与天气影响的变化等方面取得了重要进展。

关于西南低涡的形成与发展及其造成的洪涝灾害等问题一直是气象学家和预报员分析研究的重要课题。近年来，在西南低涡活动的观测事实与统计特征、台风对西南低涡的作用，影响长江上游（川渝）、中游（湖北）以及南方（湖南、广东、广西）暴雨的西南低涡特征，汛期西南低涡移向频数的年际变化与降水的关系，大尺度环流背景下西南低涡发展的物理过程及其对暴雨发生的作用，凝结潜热与地表热通量对西南低涡暴雨的影响，青藏高原对流系统东移对夏季西南低涡形成的作用，高原低涡诱发西南低涡特大暴雨成因，以及东移西南低涡空间结构的气候学特征等方面开展了较之高原低涡更多的研究。此外，对于冷空气对西南低涡特大暴雨的触发作用，以及低温雨雪冰冻灾害期间冬季青藏高原低值系统的持续活跃现象亦有相关分析工作。

值得一提的是，2010—2011年6—7月，中国气象局成都高原气象研究所牵头组织开展了40 d 左右的西南涡外场观测试验。作为第三次青藏高原大气科学试验的预试验，西南涡外场观测试验是在现有业务观测网基础上，在关键地区增布移动观测装备，同时提高整个观测网络的观测频次，获取高时空分辨率探测资料，这对于揭示西南涡的结构特征及其演变机理，促进西南涡的精细化研究及预报技术的发展非常必要，意义重大。据悉，在国家973 计划项目、公益性行业（气象）科研重大项目等资助下，今后几年还将连续开展该项试验。

5 高原天气有待深入研究的科学问题

以上简要回顾了高原天气研究的历史，尤其是对进入21世纪后的近10 a，青藏高原天气研究领域中有关高原低涡、西南低涡的若干重要进展作了简要综述，初步总结了相关研究涉及的重要问题及取得的主要成果，在此基础上提出了当前高原天气研究存在的主要科学问题和需要加强的若干方向：

（1）高原典型天气数据集的创建。涉及高原天气系统定义及统计标准的规范、统一，高原低涡、切变线和西南低涡年鉴的连续、及时出版，常规资料和高原试验资料质量控制与开放共享，高原天气系统自动识别技术探索，以及高原天气系统活动指数的创建。

（2）高原低值系统形成的动力学机制、结构特征、影响因子及作用（感热、潜热及加热廓线）。例如：地面感热对高原低涡生成的作用究竟如何？对低涡形成是促进还是抑制？白天加热与夜间加热对低涡生成作用的差异，加热中心与低涡中心的配置对低涡生成的影响。

（3）多尺度相互作用下的高原低值系统及其东移演变机理，移出高原的大尺度条件与影响因子（地形、加热、边界层、水汽）及其在不同阶段的作用。例如：西南低涡与暴雨、正涡度区、水汽与潜热的关系到底如何（学者与预报员的观点经常不同）？是低涡催生前方正涡度区还是正涡度区引导低涡的移动？是“涡生雨”还是“雨生涡”？是低涡降水形成强潜热区还是水汽辐合引起的潜热加热引导低涡的移动？如何更好地刻画高原低值系统的精细结构及其演变？怎样发展改进高原天气分析预报方法与业务系统？

（4）关于西南低涡的成因，已有不少不同的观点，如背风气旋、尾流涡、南支涡、西南风动量输送、热成涡、倾斜涡度发展及斜坡加热强迫等。因此，西南低涡的生成机制，西南低涡及其暴雨的中尺度结构与演变规律等机理问题需要新认识和再认识。例如：是哪些因子控制西南低涡的形成、维持、移动和发展？什么条件下西南低涡容易引发暴雨？移出型与源地型、暴雨型与少雨型的西南低涡有何异同？西南低涡及其物理量场分布与雨区有怎样的配置关系？西南低涡与中尺度对流系统（包括高原移出的MCC、MCS）有何联系？CloudSat、CALIPSO、IASI、AIRS 等新型卫星云资料在高原天气分析可以发挥什么作用？如何从理论上解释高原两涡的结构特征？中尺度模式如何成功模拟高原涡旋、高原切变线？从而实现高原天气系统的业务数值预报。

（5）高原低涡与西南低涡的耦合加强作用，高原切变线与高原低涡的关系（切变线对低涡的诱发、涡导效应）。

（6）高原低值系统与低空急流、季风槽（南支槽）、江淮气旋、梅雨锋（东亚梅雨）、热带气旋（台风）的相互作用。

（7）高原低值系统与高原波动（中尺度惯性重力波、涡旋波、准静止行星波）的关系，触发高原下游强天气的方式（直接引发，间接影响）与机理（波能频散，上下游效应）。

（8）高原低涡活动（频数、群发性，移动路径）与高原季节内振荡（双周振荡、低频振荡）的关联。

（9）南亚高压对高原天气的影响以及与青藏高压的关系。

（10）在全球变暖、青藏高原也发生明显气候变化的背景下，高原天气系统活动有无变异？这种变化趋势对我国天气、气候以及极端事件（暴雨、干旱、冰雪）有何影响？高原天气系统空间分布的气候特征和长期变化趋势（年际变化，年代际变化）以及由此对我国天气、气候格局的可能影响。

最后需要指出的是，由于青藏高原天气问题的复杂性，与高原气象学其它分支研究领域（如观测试验、数值模拟、气候变化分析）相比，高原天气研究队伍还比较薄弱、也不够稳定，持续性研究及其成果也不算多。因此，青藏高原天气研究一直是高原气象研究的一个具有重要科学意义与业务应用价值而又急需加强的研究领域。随着气象探测技术的发展和第三次高原大气科学试验的启动，高原观测资料会不断增多，有可能揭示出新的高原大气现象，提出新的高原天气问题，这些都会促使高原天气的理论研究与业务应用不断产生压力和动力，挑战与机遇并存。我们完全有理由相信，以新一轮高原大规模大气科学试验、公益性行业（气象）科研专项的重大项目以及国家自然科学基金委有关重大计划的实施为契机，青藏高原天气学的研究今后必将成为我国及全球气象研究的热点，青藏高原对我国灾害性天气影响的机理和预测理论的研究将持续、深入进行。这对于攻克灾害性天气形成机理、预报技术等方面的难点和重点问题，发展高原对我国灾害性天气影响的理论，提高我国暴雨、洪涝、干旱等灾害性天气的预报预测水平的科技支撑能力具有重要意义。

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