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  高原气象  2017, Vol. 36 Issue (6): 1512-1520  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00016
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李黎, 刘海文, 吕世华. 2017. 春季西南低涡年际和年代际变化特征分析[J]. 高原气象, 36(6): 1512-1520. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00016
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Li Li, Liu Haiwen, Lü Shihua. 2017. Interannual and Interdecadal Variations Analysis of the Spring Southwest Vortex[J]. Plateau Meteorology, 36(6): 1512-1520. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00016.
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资助项目

国家自然科学基金重点项目(91337215,41475051);四川省科技计划应用基础项目(2015JY0109);中国民航大学科研启动基金(2016QD05X);中国气象局预报预测核心业务发展专项(CMAHX20160405)

作者简介

李黎(1992), 女, 辽宁营口人, 硕士研究生, 主要从事陆面过程研究.E-mail:627432550@qq.com

文章历史

收稿日期: 2016-06-03
定稿日期: 2017-02-09
春季西南低涡年际和年代际变化特征分析
李黎1, 刘海文2,3, 吕世华1     
1. 成都信息工程大学大气科学学院, 四川 成都 610225;
2. 中国民航大学空中交通管理学院航空气象系, 天津 300300;
3. 重庆市气象科学研究所, 重庆 401147
摘要: 利用1979-2013年春季一日四次的ERA-Interim再分析资料,使用趋势分析和合成分析等方法,对35年来春季(3-5月)西南低涡进行了统计分析。结果表明,1979-2013年春季西南低涡共出现262次,平均每年7.5次,其出现次数具有明显的下降趋势,并且具有显著的年际和年代际变化特征。年际时间尺度上,在春季西南低涡偏多年,影响西南低涡出现次数多寡的大气环流易在青藏高原(下称高原)南北部形成"北低南高"以及在贝加尔湖和日本海附近形成"东高西低"型的位势高度,而这样型态的位势高度分布,非常有利于高原南部的异常西风气流和高原东部的异常南风气流在高原东部四川盆地附近形成气旋性环流;在年代际时间尺度上,贝加尔湖附近位势高度出现正的年代际差值和乌拉尔山附近位势高度出现负的年代际差值,非常不利于北边的冷空气侵入我国四川附近,加之高原附近正的位势高度差值中心的存在,也不利于西南低涡出现次数的偏多,这两者是导致春季西南低涡在1989年发生年代际减少的重要原因。
关键词: 西南低涡    合成分析    趋势分析    年际变化    年代际变化    
1 引言

西南低涡是在青藏高原(下称高原)、横断山脉和四川盆地等特殊地形的影响下, 产生于我国西南地区一种对流层低层的中尺度涡旋系统, 其多见于700 hPa或850 hPa上, 水平特征尺度一般为300~500 km, 它也是在我国大陆直接生成的最强烈的暴雨系统(卢敬华, 1986; 马振峰, 1993)。西南低涡不仅影响我国西南地区, 还会影响到我国高原东部的广阔地区, 是我国主要的灾害性天气系统(中国气象局成都高原气象研究所, 2013), 所以国内外有很多关于西南低涡的研究。丁治英等(1991)分析了在1981—1987年4—7月发展东移和不发展东移的八个西南低涡个例, 研究出了移动涡与不动涡的区别; 陈忠明等(1998)通过诊断分析1989年7月8—10日发生于四川盆地东部的西南低涡, 揭示了在成熟时期的西南低涡三维结构; 陈启智等(2007)统计研究了1990—2004年的西南低涡, 得出了西南低涡月季和季节的变化规律; 何光碧等(2008)观测分析了2000—2007年西南低涡的活动, 揭示了包括西南低涡的主要活动区域、移动路径和统计特征在内的年、月、季、日变化特征; 高正旭等(2009)通过西南低涡与降水的分析得出了西南低涡与湖北降水的关系; 王华荣等(2012)分析了发生在四川盆地的西南低涡暴雨云团生消过程, 得出了西南低涡对流云团及其降水的一些特征; 刘红武等(2008)从天气学、动力学、数值模拟这三个方面对20世纪70年代后期有关西南低涡的研究进行了分类, 简要总结了与各项研究有关的主要问题和重要结果; 江玉华等(2012)对2007—2010年6次西南涡暴雨过程进行合成分析发现, 西南涡热力结构在200 hPa存在明显增暖现象, 对流层中层则由暖转冷; 李超等(2015)统计分析了1983—2012年发生在四川盆地的低涡天气过程及其降水特征, 发现盆地涡根据初生位置可以分为西南型和东北型, 西南型次数多于东北型, 并且两者日变化特征及日降水分布不同; 叶瑶等(2016)统计了1954—2014年间夏半年西南低涡发生次数的年际变化, 发现西南低涡多发年与少发年低层流场在西南低涡关键区的差别, 并且发现除地形和加热作用外, 西风带以及季风环流带来的水汽和角动量输送也是影响西南低涡发生的重要因子; 李跃清等(2016)从西南涡研究的回顾及10年来的进展两个方面, 系统总结了西南涡系统的主要研究成果, 指出加强西南涡及其影响的中尺度气象学观测、试验、理论和应用的综合研究是其未来的重要发展方向。

这些研究表明, 西南低涡对我国的天气气候有重要影响。而上述研究, 尽管也有对西南低涡的长期变化特征进行研究, 但是从年际时间尺度和年代际时间尺度, 使用较高分辨率的ERA—Interim再分析资料对春季西南低涡的研究则相对较少。本文拟用较高分辨率的ERA—Interim再分析资料, 从年际和年代际时间尺度来分析春季西南低涡出现次数的多寡, 无疑对深化西南低涡长期变化特征的认识具有非常重要的意义。

2 资料选取及方法介绍

所用资料为1979—2013年春季(3—5月)一日4次ERA-interim的500 hPa和700 hPa的位势高度场和风场再分析资料, 水平分辨率为0.75°×0.75°。这些资料被广泛地应用于西南低涡的研究(王金虎, 2015; 李超, 2015)。参照卢敬华(1986)关于西南低涡的判定标准, 即在700 hPa等压面上, 在100°E—108°E, 26°N—33°N范围内, 至少有一条闭合等高线的气旋环流为西南低涡, 并对在00:00(北京时, 下同), 06:00, 12:00和18:00这4个时次持续存在的西南低涡进行了统计, 按照这个标准, 1979 —2013年间春季西南低涡共262次, 平均每年出现7.5次。

所用的统计方法主要有滑动平均法、线性倾向估计法以及差值t检验法等(魏凤英, 2007)。

3 春季西南低涡的长期变化特征

为了分析西南低涡的长期变化特征, 图 1给出了1979—2013年春季西南低涡发生次数的标准化序列及其7年滑动平均序列。从图 1可以看出, 30多年来, 春季西南低涡具有明显的年际和年代际以及趋势变化特征。进一步统计西南低涡的年际变化规律, 发现1980, 1982和1984年出现次数最多, 分别为11次, 而2004年则最少, 仅出现4次。从7年滑动平均的序列来看, 在1989年以前, 春季西南低涡为偏多期, 而1989年以后处于偏少期, 说明春季西南低涡在1989年发生了明显的年代际变化, 由以前的偏多转为偏少。春季西南低涡出现次数的趋势变化表明, 30多年来春季西南低涡出现次数存在显著的下降趋势, 和时间系数的相关系数为-0.652, 通过了0.001的显著性水平检验。

图 1 1979—2013年春季西南低涡出现次数的标准化时间序列及其7年滑动平均序列 Figure 1 Standardization time series of spring southwest vortex occurrences and its seven years moving average during 1979—2013
4 影响春季西南低涡出现次数多寡的大气环流特征

为了分析影响春季西南低涡出现多寡的大气环流特征, 将春季西南低涡出现次数的标准化值大于1 (或小于-1)的年份(图 1)作为春季西南低涡出现偏多年和偏少年来进行划分。由图 1可知, 30多年来共有6年为春季西南低涡出现的偏多年, 即: 1979, 1980, 1982, 1984, 1987和1988年; 有5年为春季西南低涡出现的偏少年, 即: 2000, 2004, 2008, 2009和2011年。

西南低涡作为比较浅薄的系统, 一般在对流层中下层表现的最为明显(卢敬华, 1986)。由春季西南低涡出现次数偏多年和偏少年700 hPa和500 hPa风场的距平合成图(图 2)可知, 在700 hPa, 欧亚大陆中高纬贝加尔湖地区为一异常的气旋环流, 而乌拉尔山以东则为异常的反气旋环流; 在孟加拉湾北部至高原南部上空也为异常的反气旋环流, 该反气旋环流经过高原南端和来自中高纬的异常偏北气流在四川盆地附近形成气旋式辐合, 非常有利于西南低涡的形成, 因此, 西南低涡出现的次数比较多; 相反, 在春季西南低涡偏少年, 在中高纬乌拉尔山以东, 表现为一异常的气旋环流, 从高原北部至贝加尔湖附近为异常的反气旋环流, 孟加拉湾北部受异常的气旋环流控制, 异常东风气流偏强, 四川盆地附近受中国北部偏北气流的影响, 不易形成气旋性环流, 因此, 西南低涡则出现的次数偏少。

图 2 春季西南低涡偏多年(a、c)及偏少年(b、d)的700 hPa(a、b)及500 hPa(c、d)平均风场的距平合成分布(单位: m·s-1) 阴影表示通过了0.1显著性检验的区域, 矩形框表示青藏高原及四川盆地 Figure 2 The differences of the mean departure fields of the wind between the years of high (a、c) and low (b、d) frequency of the spring southwest vortex on 700 hPa (a、b) and 500 hPa (c、d). Unit: m·s-1. The shaded part is the area that past the significance test at 0.1, the rectangular boxes represent Qinghai-Tibetan Plateau and Sichuan Basin

与对流层低层环流系统相对应, 在西南低涡出现偏多年中的对流层中层500 hPa平均风场[图 2(c)]可见, 贝加尔湖附近的异常气旋环流、乌拉尔山附近的异常反气旋环流仍然存在, 和700 hPa相比, 从巴尔喀什湖以东至我国华北地区(80°E—120°E, 35°N —42.5°N)的异常西风气流明显偏强, 并且其距平值通过了0.1的显著性水平检验。在中低纬度, 来自海上的异常偏南气流和高纬的异常偏北气流在四川盆地附近形成一个异常的气旋环流, 也非常有利于西南低涡的出现; 而在西南低涡偏少年[图 2(d)], 乌拉尔山西南侧受异常气旋环流影响, 贝加尔湖西侧则被异常反气旋环流控制, 使得四川盆地东侧异常东北气流偏强, 即气旋性切变弱, 不利于西南低涡次数的偏多。

对于大尺度环流来讲, 高度场和风场一般都表现为准地转关系。图 3为春季西南低涡出现次数偏多年和偏少年700 hPa和500 hPa位势高度差值场。在700 hPa位势高度[图 3(a)]上, 欧亚中高纬乌拉尔山位势高度表现为正的差值, 而贝加尔湖至高原北部位势高度表现为负的差值, 在阿拉伯海、孟加拉湾、南海以及东海东部, 都表现为正的差值, 即在高原附近表现为“北负南正”的位势高度差值分布, 根据准地转风关系, 这样的位势高度差值场分布, 有利于高原南部异常西风气流的维持; 同时, 贝加尔湖西部和东海东部附近形成一个“东高西低”的差值场分布, 也有利于高原东部四川盆地附近异常偏南风气流的形成, 在两者的共同作用下, 有利于西南低涡的形成。

图 3 春季西南低涡偏多年与偏少年的位势高度平均值在700 hPa(a)和500 hPa(b)的差值场(单位: dagpm) 阴影表示通过了0.1显著性检验的区域, 矩形框表示青藏高原及四川盆地 Figure 3 The difference fields of geopotential height between the years of high and low frequency of the spring southwest vortex on 700 hPa (a) and 500 hPa (b). Unit: dagpm. The shaded part is the area that past the significance test at 0.1, the rectangular boxes represent Qinghai-Tibetan Plateau and Sichuan Basin

500 hPa[图 3(b)]的环流特征和700 hPa较为相似。在欧亚中高纬乌拉尔山附近正的位势高度差值仍然存在, 高原南北的位势高度差“北低南高”的特征没有改变, 不仅有利于在高原南部形成异常西风气流, 也有利于高原东侧四川盆地附近形成西风槽。

为了更加清楚地揭示出影响春季西南低涡多寡的大气环流差别, 图 4分别将春季西南低涡的最多年(1980, 1982和1984年)的风场、位势高度场的平均值与最少年(2004年)的平均值作出差值来进行分析比较。图 4(a)最大的特征是在阿拉伯海和孟加拉湾附近有一个反气旋性差值流场, 该西风气流和来自于贝加尔湖、乌拉尔山的偏北风气流相聚集, 然后一路东行, 在高原东部四川盆地附近形成绕流, 而地形绕流是形成西南低涡的一个重要原因(濮梅娟等, 1989; 郑庆林等, 1997; 刘晓冉等, 2014; 卢萍等, 2014)。和700 hPa环流相对应, 在500 hPa上空, 阿拉伯海和孟加拉湾附近的反气旋性差值环流中心位置偏北偏西, 而且空间范围要比700 hPa的范围小; 在高原北部河西走廊附近有一个差值气旋中心, 该气旋环流的南部和来自于阿拉伯海和孟加拉湾附近的西风气流在高原东部和四川盆地附近形成一个西风槽, 这也进一步表明, 作为浅薄系统的西南低涡, 在500 hPa上空常表现为一西风槽(卢敬华等, 1993)。

图 4 春季西南低涡最多年与最少年平均风场(a、b, 单位: m·s-1)及位势高度场(c、d, 单位: dagpm)在700 hPa(a、c)和500 hPa(b、d)的差值分布 矩形框表示青藏高原及四川盆地 Figure 4 The difference fields of the wind (a, b, unit: m·s-1) and the geopotential height field (c, d, unit: dagpm) between the lowest and highest frequency years of the spring southwest vortex on 700 hPa (a, c) and 500 hPa(b, d). The rectangular boxes represent Qinghai-Tibetan Plateau and Sichuan Basin

在700 hPa位势高度差值图上[图 4(c)]。大致沿18°N线, 在高原附近表现为“北负南正”的差值分布。根据准地转风关系, 该“北负南正”的位势高度差值分布, 非常有利于高原南部西风气流的维持; 同时, 贝加尔湖西部和大兴安岭附近形成一个“东高西低”的差值场分布, 也有利于高原东部四川盆地附近偏南风气流的形成, 该南风和来自于高原南部的西风, 非常有利于西南低涡的形成。尽管500 hPa[图 4(d)]位势高度差值中心和700 hPa有所不同, 但是高原南北的位势高度差“北低南高”的特征并没有改变, 而高原南部“北低南高”的位势高度差值分布, 则有利于在高原南部形成西风气流, 也有利于高原东侧四川盆地附近形成西风槽。

综上所述, 无论从西南低涡异常偏多(少)年(图 2, 图 3)还是极端偏多(少)年份(图 4)的大气环流结果来看, 在对流层中低层, 在高原南北部形成的“北低南高”以及贝加尔湖和日本海附近形成的“东高西低”的位势高度差值分布, 非常有利于来自高原南部的异常西风气流和高原东部盆地附近的异常偏南风气流在高原东部盆地附近形成气旋性环流, 而该气旋性环流, 则非常有利于西南低涡的形成和维持。

5 影响西南低涡次数发生年代际变化的大气环流特征

图 1清楚地表明, 春季西南低涡次数在1989年发生了明显的年代际变化, 因此, 以1989年为界, 将1979—1989年划分为西南低涡出现次数偏多期, 1990—2013年为西南低涡出现次数偏少期, 来进一步分析影响春季西南低涡出现次数发生年代际变化的原因。由1979—1989年春季西南低涡在700 hPa的平均风场距平分布可见, 无论在年代际时间尺度还是年际时间尺度上, 影响西南低涡出现次数多寡的大气环流特征比较相似。在1979—1989年[图 5(a)], 欧亚大陆中高纬乌拉尔山地区为异常的反气旋环流, 贝加尔湖地区为异常的气旋环流; 在孟加拉湾西北部上空为异常的反气旋环流, 经过高原后, 和来自中高纬度的异常偏北气流在四川盆地附近形成气旋性辐合, 有利于西南低涡的形成, 因此1979—1989年为西南低涡偏多期; 而在西南低涡出现次数偏少阶段(1990—2013年)[图 5(b)], 乌拉尔山地区则为异常的气旋环流, 从贝加尔湖西部为异常反气旋环流, 孟加拉湾北部受异常的气旋环流影响, 异常东风偏强, 盆地附近受异常偏北气流的影响, 不易形成气旋性环流, 因此西南低涡处于偏少期。

图 5 春季西南低涡偏多阶段(1979—1989年, a、c)和偏少阶段(1990—2013年, b、d)在700 hPa(a、b)和500 hPa(c、d)的平均风场距平分布(单位: m·s-1) 阴影表示通过0.1显著性检验的区域, 矩形框表示青藏高原及四川盆地 Figure 5 The differences of the mean departure fields of the wind between the stage of low(1990—2013, a, c) and high (1979—2013, b, d) frequency of the spring southwest vortex on 700 hPa(a, b) and 500 hPa(c, d). Unit: m·s-1. The shaded part is the area that past the significance test at 0.1, the rectangular boxes represent Qinghai-Tibetan Plateau and Sichuan Basin

在年代际时间尺度上, 影响西南低涡出现多寡的500 hPa环流形势和年际尺度上环流特征也比较相似。在西南低涡偏多阶段[图 5(c)], 中高纬贝加尔湖地区的异常气旋环流和乌拉尔山附近的异常反气旋环流仍然存在; 在中低纬度, 高原南侧的异常偏南气流和来自高纬的异常偏北气流在四川盆地附近形成气旋式辐合, 有利于西南低涡的出现; 而在1990—2013年[图 5(d)], 乌拉尔山西南侧受异常的气旋环流影响, 高原北部至贝加尔湖附近则被异常的反气旋环流控制, 使得四川盆地附近异常东北气流偏强, 不易形成气旋性环流, 因此, 西南低涡处于偏少期。

由春季西南低涡偏少阶段(1990—2013年)和偏多阶段(1979—1989年)在700 hPa的位势高度差值场[图 6(a)]可知, 乌拉尔山位势高度表现为负的差值, 而贝加尔湖附近及高原东南部地区则表现为正的差值, 这三个地区的位势高度差都通过了0.1的显著性水平检验。表明乌拉尔山负的位势高度差值和贝加尔湖附近正的位势高度差值, 不利于北边的冷空气南下, 加之在高原附近正的差值的存在, 也不利于高原东部地区气旋性环流的形成, 这两者的共同作用不利于西南低涡的形成, 因此, 春季西南低涡在1989年由偏多期转为偏少期。

图 6 春季西南低涡偏少阶段(1990—2013年)和偏多阶段(1979—1989年)在700 hPa(a)和500 hPa(b)的位势高度差值场(单位: dagpm) 阴影表示通过0.1显著性检验的区域, 矩形框表示青藏高原及四川盆地 Figure 6 The difference fields of geopotential height between the stage of low(1990—2013) and high (1979—1989) frequency of the spring southwest vortex on 700 hPa (a) and 500 hPa (b). Units: dagpm. The shaded part is the area that past the significance test at 0.1, the rectangular boxes represent Qinghai-Tibetan Plateau and Sichuan Basin

在年代际差值图上, 500 hPa的年代际变化特征[图 6(b)]和700 hPa相比, 乌拉尔山附近的负的差值仍然存在, 而从贝加尔湖到高原地区为一个范围较大的正差值中心, 这一正的差值中心, 显然不利于西南低涡出现次数偏多, 因此春季西南低涡出现次数发生了年代际减少。

6 结论与讨论

利用ERA-Interim再分析资料, 使用统计分析等方法, 对1979—2013年春季西南低涡进行了统计和分析, 并从年际和年代际时间尺度两方面, 研究了西南低涡出现次数偏多和偏少的原因, 得到以下结论:

(1) 在1979—2013年的春季, 共统计出西南低涡262例, 平均每年7.5例, 35年来, 春季西南低涡出现次数下降趋势非常明显, 在年际时间尺度上, 1980, 1982和1984年出现次数最多, 分别为11次, 而2004年则最少, 仅出现4次, 具有明显的年际变化特征。

(2) 春季西南低涡出现的次数在1989年发生了显著的年代际变化, 即:以1989年为界, 春季西南低涡由偏多期转变为偏少期, 存在明显的年代际变化特征。

(3) 无论从春季西南低涡异常偏多年还是极端偏多年份的大气环流分布来看, 在对流层中低层, 高原南北部形成的“北低南高”以及贝加尔湖和日本海附近形成的“东高西低”位势高度差值分布, 有利于来自高原南部的异常西风气流和高原东部盆地附近的异常南风气流在高原东部盆地附近形成气旋环流, 而该气旋环流, 则有利于春季西南低涡的形成和维持。

(4) 贝加尔湖附近正的位势高度差值和乌拉尔山附近负的位势高度差值不利于北边的冷空气侵入我国四川附近, 加之高原附近的正位势高度差值中心, 也不利于春季西南低涡出现次数偏多。

本文揭示了近35年来春季西南低涡的基本气候事实以及影响春季西南低涡出现次数偏多和偏少的年际和年代际变化的环流特征。但是由于统计西南低涡的客观方法的限制, 只统计了春季出现的西南低涡, 其他季节以及不同低涡分型也值得进一步的进行分类统计。同时, 除大气环流场对春季西南低涡出现次数的影响外, 外强迫因子, 如地面感热、潜热等对春季西南低涡出现次数的影响, 也需要后期更深入地探讨。

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Interannual and Interdecadal Variations Analysis of the Spring Southwest Vortex
LI Li1 , LIU Haiwen2,3 , LÜ Shihua1     
1. College of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, Sichuan, China;
2. University of China Civil Aviation air Traffic Management Institute of Aviation Dept, Tianjin 300300, China;
3. Chongqing Institute of Meteorological Sciences, Chongqing 401147, China
Abstract: Based on the four times a day ERA-Interim reanalysis data provided by ECMWF in the spring (March to May) of 1979-2013, the long-term trends, interannual variability and interdecadal variability of the number of spring southwest vortex are analyzed by using the methods of synthetic analysis, trend analysis and others. The result shows that the spring southwest vortex appeared 262 times in total and the annual average is 7.5 in 1979-2013. The number of the spring southwest vortex decline significantly in the 35 years, and the correlation coefficient with time is -0.652, which past the significance level of 0.001. There are also obvious interannual and interdecadal variations characteristics of the spring southwest vortex. The years with more spring southwest vortex are 1979, 1980, 1982, 1984, 1987 and 1988. The years with less spring southwest vortex are 2000, 2004, 2008, 2009 and 2011. The number of the spring southwest vortex appears as interdecadal significant mutation in 1989, shifts from more to less. The characteristics of atmospheric circulation which have effect on the number of spring southwest vortex are similar in both interannual scales and interdecadal scales. On the interannual scale, no matter the atmospheric circulation of the years of more (or less) spring southwest vortex or the most (or the least) year of it, in the lower troposphere, the geopotential height difference value distribution which is low in the northern Qinghai-Tibetan Plateau but high in the southern plateau and which is low in Lake Baikal but high in the sea of Japan are conducive to form the west wind difference value in the southern plateau and the south wind difference value in the eastern plateau. They are in favor of the formation of the cyclonic circulation near the Sichuan basin, and this cyclonic circulation can promote the generation and maintenance of the spring southwest vortex. On the decadal scale, because the positive geopotential height decadal difference value near Lake Baikal and negative geopotential height decadal difference value near the Ural Mountains can against the north cold air invading Sichuan province in China, combined with the positive geopotential height difference center near the Qinghai-Tibetan Plateau, which is unfavorable to the occurrences of spring southwest vortex, the two are the important reasons of the decadal reduction of the spring southwest vortex in 1989.
Key Words: The southwest vortex    synthetic analysis    trend analysis    interannual variation    interdecadal variation