2018, Vol. 37
2. 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 四川 成都 610072;
3. 雅安市气象局, 四川 雅安 625000
青藏高原低涡(下称高原涡)、西南涡是在高原独特复杂地形的动力、热力作用下生成的。高原低涡是发生在高原主体, 主要活动于500 hPa等压面上。叶笃正等(1979)指出高原低涡的水平尺度约500 km, 垂直厚度2~3 km。西南涡是发生在高原东南侧、中国西南部。卢敬华(1986)指出西南低涡是一个尺度为300~500 km浅薄的中尺度系统, 主要反映在700 hPa等压面上。
高原涡、西南涡的研究, 一直受到国内外气象工作者的重视(钱正安等, 1984; 罗四维, 1992; 陈联寿等, 2000; Wang, 1987; Chang et al, 2000; 高守亭, 1987; 陈忠明, 1990; 李国平等, 1991; Wang et al, 2003)。特别是近10多年来, 在高原涡研究方面, 更加关注东移出高原的高原涡的研究及东移机理方面的研究。李国平等(2011)指出, 高原低涡既含有涡旋Rossby波又含有惯性重力外波的结构特征。何光碧等(2009)指出冷暖空气交汇导致辐合流场的维持和加强是低涡得以维持和加强的重要因素。宋敏红等(2002)发现高原中东部气柱平均厚度可指示高原涡的移动。郁淑华等(2008)指出高原涡处在斜压不稳定增强情况下会移出高原。宋雯雯等(2012)指出凝结潜热、水汽对低涡的维持以及结构特征演变起关键作用。Takahash(2003)指出冷空气直接影响高原北部低压的发展。在西南涡的研究方面, 更加关注西南涡的动力学研究与数值模拟研究。陈忠明等(2007)导出描述三维涡度强度变化方程, 分析了大气层结及其变化等对三维涡度强度变化的影响。陈丽芳等(2004)数值模拟发现, 低涡加强发展时锋生东传明显。周国兵等(2006)的研究表明, “桑达”台风东北气流吹入到西南涡的东南侧, 从而触发了形成特大暴雨的天气过程。陈栋等(2007)指出在“鞍"型大尺度环流背景下利于西南涡发展。也有一些研究指出了高原涡、西南涡各自活动的基本事实与活动特征(郁淑华等, 2006; 王鑫等, 2009; 陈忠明等, 1999; 陈启智等, 2007)。
目前, 对于高原涡、西南涡的研究大多是针对某一种低涡的研究, 相关研究也揭示了高原涡与西南涡的耦合作用(孙婕等, 2013; 陈贝等, 2015; 陈忠明等, 2004; 刘新超等, 2014)。近年来还有不少对西南涡引发暴雨的研究(翟丹华等, 2014; 胡祖恒等, 2014; 卢萍等, 2014; 邱静雅等, 2015; 郝丽萍, 2016), 但还缺乏高原涡对西南涡其他影响的一些认识, 特别是高原涡诱发西南涡伴行的环境场与成因方面的研究较少。加强高原涡诱发西南涡的研究, 对于进一步丰富高原涡与西南涡间相互作用的认识, 指导高原涡、西南涡的预报和减少其造成的灾害都具有十分重要的意义。
为此, 在分析高原涡诱发西南涡结伴而行观测事实的基础上, 通过分析一例高原涡诱发西南涡的环境场和物理量场, 以揭示高原涡诱发西南涡的环境场特征及其可能的成因。
2 资料和方法 2.1 资料近年来, NCEP/NCAR再分析资料已经在高原上广泛使用(朱丽华等, 2011; 华维等, 2012; 李国平等, 2014; 周长艳等, 2015), 在高原涡的个例诊断分析和数值模拟中也已成功运用(黄楚惠等, 2009; 宋雯雯等, 2012)。
所用的资料是历史天气图与高原涡切变线年鉴(李跃清等, 2010), 时间为1998-2013年; 美国NCEP/NCAR提供的2007年每日02 : 00(北京时, 下同), 08 : 00, 14 : 00和20 : 00的1°×1°再分析资料。
2.2 方法在分析1998-2013年持续高原涡(Yu et al, 2014)与西南涡共同的活动过程中, 深入分析了持续高原涡诱发西南涡结伴而行的过程, 选出持续高原涡诱发西南涡的两涡伴行时间长的过程, 进行天气诊断分析。
持续高原涡是指500 hPa等压面上反映的生成于高原, 后移出高原在高原以外区域活动2天以上的有闭合等高线的低压或有三个站风向呈气旋式环流的低涡(Yu et al, 2014)。
西南涡是指700 hPa等压面上生成于高原背风坡(99°E-109°E, 26°N-33°N), 连续出现两次有闭合等高线的低压或有3个站风向呈气旋式环流的低涡。根据低涡生成区域, 西南涡可以分为九龙涡、四川盆地涡(简称盆地涡)和小金涡。九龙涡是指在九龙附近生成的闭合低压或低涡, 生成范围在99°E-104°E, 26°N-30.5°N。小金涡是指在小金附近生成的闭合低压或低涡, 生成范围在99°E-104°E, 30.5°N-33°N。盆地涡是指在四川盆地生成的闭合低压或低涡, 生成范围在104°E-109°E, 26°N-33°N (中国气象局成都高原气象研究所等, 2013)。
高原涡环流中心区即高原涡涡区是指高原涡中心, 半径为3个经/纬距的区域。高原涡环流区是指组成高原涡的气流区域。西南涡涡区是指西南涡中心, 半径为2个经/纬距的区域。高原低涡编号是以‘C’字母开头, 按年份的后两位数与当年低涡顺序两位数组成(李跃清等, 2010)。
3 持续高原涡诱发西南涡结伴而行的观测事实高原涡与西南涡的耦合作用己受到重视, 高原涡与西南涡究竟还有什么样的相互作用形式值得探讨。郁淑华等(2017)指出1998-2015年持续高原涡与西南涡共同活动过程的共有26次, 其中这两涡移向较一致的过程占多数(64 %), 共有16次。经过对这16次两涡移向较一致过程的进一步分析发现, 多数(11次)是受高原涡环流影响产生的西南涡, 即在组成高原涡环流的气流下空产生西南涡。盆地涡(100 %)、九龙涡(80 %)是在高原涡环流南部、东南部下空产生的; 小金涡是在高原涡环流北部东北气流下空产生的。这与陈忠明等(2004)指出的高原涡移动到西南涡上空, 造成高原涡与西南涡上下位置相近的两涡耦合的情况是不同的。因此将这种受高原涡环流影响产生的西南涡称之为高原涡诱发西南涡。通过这11次持续高原涡诱发西南涡伴行的过程(表 1)看出, 持续高原涡主要是诱发九龙涡、盆地涡; 高原涡诱发西南涡结伴而行的移向多为向东或东北移; 绝大多数高原涡移出高原后持续活动时与西南涡伴行。
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表 1 持续高原涡诱发西南涡伴行的过程 Table 1 The sustained departure Qinghai-Tibetan Plateau Vortex (SDPV) processes of accompanying with Southwest Vortex (SWV) to move together |
陈启智等(2007)在对1990-2004年西南涡活动的统计研究中指出, 大多数西南涡的维持时间较短, 生命史在1天以内, 有2例生命史达到6~7天。陈忠明等(2003)在分析1998年夏季西南涡活动与长江上游暴雨关系中指出1998年夏季西南涡最长活动时间有6.5天, 1998年夏季长江中上游降水异常偏多与西南涡活动密切相关。
高原涡与西南涡共同活动对中国降水影响大(Yu et al, 2016), 尤其是活动期长的。由表 1看出两涡伴行最长时间达144 h, 因此, 选取诱发西南涡且伴行时间最长的C0726高原涡为例进行环境场分析, C0726高原涡(生成在沱沱河附近)诱发的西南涡个例(李跃清等, 2010)过程起止时间是2007年6月6日20 : 00至13日20 : 00。
图 1给出了C0726高原涡诱发西南涡的天气图上与NCEP再分析资料反映的高原涡、西南涡路径图, 其中红色大实心圆圈、大空心圆圈分别表示天气图上高原低涡在08 : 00和20 : 00的位置; 红色小的实心圆圈、空心圆圈分别表示NCEP再分析资料反映的高原低涡在08 : 00和20 : 00的位置; 黑色大实心三角形、大空心三角形分别表示天气图上西南涡在08 : 00和20 : 00的位置; 黑色小的实心三角形、空心三角形分别表示NCEP再分析资料反映的西南涡在08 : 00和20 : 00的位置; 红色实线、虚线分别为天气图上、NCEP资料的高原低涡位置连线; 黑色实线、虚线分别为天气图上、NCEP资料的西南涡位置连线; 08 : 00低涡位置上方标注的数字为日期; 阴影区表示海拔大于3 000 m的区域。由图 1看出NCEP再分析资料反映的高原涡、西南涡路径趋向, 分别与天气图反映的一致, C0726高原涡及其伴行的西南涡大多数时次位置偏差在167 km内。C0726高原涡在高原上最大位置偏差为356 km, C0726高原涡在高原外最大位置偏差与西南涡的为278 km。可见NCEP再分析资料适用于对这例高原涡与西南涡活动的分析。
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图 1 2007年6月6日20 : 00至13日20 : 00 C0726高原涡与伴行的西南涡在天气图上与NCEP再分析资料反映的路径 Figure 1 The moving tracks of the SDPV C0726 and its accompanying SWV represented by weather graph and NCEP data from 20 : 00 on 6 to 20 : 00 on 13 June 2007 |
高原涡、西南涡能持续活动, 离不开有利的环境场条件。下面以NCEP再分析资料的500和700 hPa高度、温度、风场, 分析环境场特征, 主要分析高原涡诱发西南涡时与两涡伴行强盛时的特征。
4.1 500 hPa高度场及温度场C0726高原涡诱发西南涡之前, 500 hPa上, 2007年6月6日20 : 00[图 2(a)]在40°N以北东亚为二槽一脊(新疆到蒙古为前倾高压脊, 其两侧为低槽)形势下, 西太平洋副热带高压(简称西太副高)脊线偏南(15°N)、586 dagpm线西伸到了93°E, 在新疆到蒙古的前倾高压脊与西太副高间的切变流场中形成C0726高原涡(红色实心圆, 下同); 40°N以北的二槽一脊形势持续到8日02 : 00(图略), 其间蒙古高压加强、向东西扩, 南压到内蒙古, C0726高原涡在此高压底部缓慢东移。
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图 2 2007年6月C0726高原涡与伴行的西南涡过程500 hPa高度场(蓝色等值线, 单位: dagpm)、温度场(红色等值虚线, 单位: dagpm)及风速大于20 m·s-1的风场(彩色区, 单位: m·s-1) 红色圆点表示C0726高原涡, 红色三角形表示西南涡。 Figure 2 The 500 hPa height fields (blue contour lines, unit: dagpm) and temperture fields (red dashed contour lines, unit: dagpm) and the areas of wind speed more than 20 m·s-1 (color area, unit: m·s-1) of departure Plateau Vortex accompanying with induced Southwest Vortex on June 2007.The red closed circle represents the Plateau Vortex and the red triangle reprents the Southwest Vortex |
C0726高原涡诱发西南涡生成时, 6月8日08 : 00, 在40 °N以北东亚转为两脊两槽[巴尔喀什湖(简称巴湖)以西、内蒙古分别为高压脊, 其以东分别为低槽], 经向度减弱情况下, 内蒙古高压加强, 副高脊线稳定加强、588 dagpm线西伸到了87°E, C0726高原涡仍处在内蒙古高压与西太副高间切变流场中东移, 将移出高原, 此时C0726高原涡东北部受冷空气影响明显, 有-10 ℃冷舌侵入低涡, 四川盆地(简称盆地)大部分区域上空已受C0726高原涡环流控制, 在C0726高原涡区的东南部-西南气流下空, 盆地内700 hPa上生成低涡[图 2(b), 红色三角形, 下同]。这与卢敬华(1986)指出的西南低涡生成与500 hPa高空槽具有极其密切的联系的结论相似, 反映了高空低值系统对低层低涡有诱发作用。
C0726高原涡诱发西南涡后, 6月8日14 : 00至9日20 : 00此切变流场稳定, 稍有东南移。10日02 : 00 500 hPa上, 40°N以北东亚转为为两槽两脊[巴湖东部、贝加尔湖(简称贝湖)东部分别为高压脊, 其以西分别为低槽]形势, 强西风(≥28 m·s-1)已靠近高原北部; 之后, 40°N以北东亚环流趋于平直, C0726高原涡处于中纬度槽中, 此西南涡处在C0726高原涡环流的东南部-偏西气流下空, 强度变化不大; 10日20 : 00青海中部有低涡新生, 使中纬度槽区变宽, 并与40°N以北的低槽成同经向叠加, C0726高原涡处在中纬度槽前部, 西南涡仍处在C0726高原涡环流的东南部-偏西气流下空; 此环境场持续到12日02 : 00, 其间, 11日02 : 00, C0726高原涡北部有-12 ℃冷舌侵入, C0726高原涡加强, 西南涡一度加强[图 2(c), 两涡加强时]。12日08 : 00, 40°N以北东亚环流转为二槽一脊形势(贝湖为高压脊, 其两侧为低槽), C0726高原涡处在北脊南槽的南槽中, 以后, C0726高原涡随此南槽缓慢东移, 有些加强, 由于西太副高西伸, 槽前西西南气流加强, 西南涡处在C0726高原涡环流的南部-西西南气流下空, 强度为307 dagpm[图 2(d), 两涡持续时], 持续到12日20 : 00。13日02 : 00, 西太副高再度西伸稍有北抬, 此槽槽前的西南气流加强, C0726高原涡加强, 西南涡处在C0726高原涡环流的南部-西南气流下空加强, 强度再加强为305 dagpm[图 2(e), 西南涡将入海时]。之后, C0726高原涡仍处在此南槽中, 西南涡仍处在C0726高原涡环流的南部-西南气流下空, 稍有减弱; 13日14 : 00两涡入海一度加强; 13日20 : 00西太副高加强稍有北抬, C0726高原涡在东北槽底-西北气流与西南气流交汇处减弱, 将消失在切变线中, 西南涡东移与东海低压合并[图 2(f), 两涡将消失时]。
综合以上可以看出, 与C0726高原涡伴行的西南涡, 是在500 hPa上在40°N以北东亚为两脊两槽形势下, 即经向度不大的形势下, 在内蒙古高压与西太副高间切变流场中的高原涡区的东南部下空生成的; 在500 hPa上西风锋区已靠近高原北部, 东亚环流趋于平直, 西太副高西伸, 槽前西西南气流加强, 高原涡在北脊南槽中加强时, 西南涡处在高原涡区的东南部-偏西气流下空持续; 在此南槽槽前西南气流加强, 高原涡加强时, 西南涡处在高原涡区南部的西南气流下空, 达最强。反映了西南涡活动与高原涡活动密切相关。
4.2 700 hPa高度场及流场C0726高原涡诱发西南涡之前, 700 hPa上, 蒙古东部为高压, 黑龙江东部有一低压, 西太副高脊线在15°N, 西伸到了108°E, 盆地处在蒙古高压与西太副高之间的切变流场中, 在6月6日20 : 00至7日08 : 00四川西北部有一切变线, 后因孟加拉湾(简称孟湾)西南气流流入四川, 四川西北部切变线西退, 7日20 : 00盆地内气流气旋性弯曲加大[图 3(a)], 8日02 : 00在盆地中北部形成一切变线。
6月8日08 : 00[图 3(b)], 蒙古高压稍有南移, 其高压环流底部的东南风气流影响到了甘肃南部, 西太副高西伸到了98°E, 孟湾西南气流加强, 影响到了盆地东部, 盆地处在这两支气流构成的切变流场中形成西南涡。
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图 3 2007年6月C0726高原涡与伴行的西南涡过程700 hPa高度场(蓝色等值线, 单位: dagpm)及风场(矢量, 单位: m·s-1) 红色三角表示西南涡 Figure 3 The 700 hPa height fields (blue contour lines, unit: dagpm) and wind fields (vector, unit: m ·s-1) of departure Plateau Vortex accompanying with induced Southwest Vortex on June 2007.The red triangle represents the Southwest Vortex |
以后, 蒙古高压东南移到内蒙古, 随着此高压东南移及西太副高稳定, 切变流场东移加强, 此西南涡加强[图 3(c)]。后来, 内蒙古东南移的高压向横向发展, 西太副高稳定, 6月11日14 : 00长江中下游形成切变线, 此西南涡处在长江切变线东段, 强度少变, 持续到12日20 : 00[图 3(d)]。由于西太副高与其以北的高压合并, 使西太副高外围西南气流加强、北扩, 此切变线加强、东段北抬, 13日02 : 00处在此切变线东段的西南涡东北移, 加强将移入黄海[图 3(e)]。之后, 此西南涡随切变线活动, 在13日20 : 00移入黄海低压区域[图 3(f)]。
由以上分析可知, 西南涡是在700 hPa上西太副高西伸明显, 副高脊前西南气流与蒙古高压底部东南气流构成的切变流场中产生的, 在此切变流场加强时加强, 在长江切变线东段中持续; 在切变线南侧西南气流加强, 切变线加强情况下, 西南涡达最强。
5 高原涡诱发西南涡结伴而行的成因分析 5.1 500 hPa涡度场及垂直运动场C0726高原涡的500 hPa涡度场、垂直运动场上, 在C0726高原涡形成时, 新疆南部到高原北部有大片横向分布的正涡度区, 这是新疆到蒙古的前倾高压脊与西太副高间切变流场的反映, C0726涡区有8×10-5 s-1的正涡度中心, C0726高原涡处在上升运动中, 涡区东部伴有-0.3~-0.2 Pa·s-1的上升运动区(图略)。以后, C0726高原涡在这一切变流场伴有的横向分布正涡度区缓慢东移加强, 并伴有弱的上升运动(-0.2~-0.1 Pa·s-1), 6月7日20 : 00[图 4(a), 西南涡形成前12 h], 此切变流场伴有大片横向分布的正涡度区达最强, 正涡度中心区为14×10-5~15×10-5 s-1, 与C0726高原涡重合; 上升运动强度也加强, C0726涡区有-0.7~-0.6 Pa·s-1的中心区。8日08 : 00[图 4(b)], C0726高原涡仍处在此大片横向分布的正涡度区内, 正涡度区比12 h前扩大, 正涡度中心区强度为8×10-5~9×10-5 s-1, 四川盆地大部区域由负涡度区转为2×10-5~6×10-5 s-1正涡度区控制; 在C0726高原涡东南部上升运动仍有-0.8 Pa·s-1中心区, 西南涡就是在C0726高原涡东南部的四川盆地正涡度中心区、上升运动中心区下空产生的。这可能是在西南涡形成前12 h, 其上空处在500 hPa大片正涡度、上升运动区内, 中心在C0726涡区内加强, C0726高原涡环流伴随的正涡度、上升运动快速加强, 意味着该区域气旋性环流将大发展, 果然12 h后, 在C0726高原涡东南部下空生成西南涡。
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图 4 2007年6月C0726高原涡与伴行的西南涡过程500 hPa涡度场(等值线, 单位: ×10-5 s-1)及垂直运动速度(彩色区, 单位: Pa·s-1)的分布 红色圆点和红色三角分别为高原低涡和西南涡, 红色粗虚线为3 000 m等海拔线 Figure 4 The distribution of 500 hPa vorticity (contour, unit: ×10-5s-1) and vertical motion speed (color area, unit: Pa·s-1) of departure Plateau Vortex accompanying with induced Southwest Vortex on June 2007.The red dotter denote the Palteau Vortes and the red triangle denote the Southwest Vortex, the red thick dashed line is the 3 000 m altitude sign |
以后, 由于切变流场向中纬度槽演变, 这一切变流场的横向正涡度区逐渐演变成西北-东南向, 11日02 : 00, C0726高原涡处在西北-东南向正涡度区内加强, 西南涡在C0726高原涡环流东南部, 伴有强的正涡度(中心区为12×10-5~13×10-5 s-1)、较强的上升运动区(中心区为-1.4~-1.0 Pa·s-1)下空加强[图 4(c)], 之后24 h内两涡东移缓慢。12日08 : 00至13日20 : 00, 与两涡相伴的正涡度区演变成西-东向, 这是由北脊南槽中的南槽向切变线演变造成的。其中, 12日14 : 00[图 4(d)], 西南涡在C0726高原涡东南部伴有较强的正涡度区(4×10-5~6×10-5 s-1)和弱的上升运动区(> -0.2 Pa·s-1)的下空; 13日02 : 00, 西南涡在C0726高原涡南部伴有较强的正涡度区(6×10-5~7×10-5 s-1)和较强的上升运动区(-0.8~-0.6 Pa·s-1)的下空[图 4(e)]。13日20 : 00, 西南涡仍在C0726高原涡南部, 在正涡度区(4×10-5~6×10-5 s-1)和上升运动区(> -0.3 Pa·s-1)有减弱的下空[图 4(f)]活动。综合上述结果可以看出, 对流层中层大尺度环境场提供了支撑高原涡活动得以持续的大片正涡度区, 及高原涡环流东南部-西南涡上空伴随的正涡度区、上升运动。西南涡是较强的正涡度中心区、上升运动中心区下空形成, 在正涡度、上升运动加强, 为强的正涡度、上升运动区下空西南涡加强, 在较强的正涡度、弱的上升运动区下空西南涡持续。
5.2 700 hPa涡度场及垂直运动场与C0726高原涡伴行的西南涡的700 hPa涡度场及垂直运动场上, 2007年6月7日20 : 00[图 5(a)], 华东、华南到我国西南部有大片西-东向正涡度区, 这是700 hPa内蒙古高压与西太副高间切变流场的反映; 此时盆地中部有2×10-5~3×10-5 s-1正涡度中心区、-0.6~-0.5 Pa·s-1的上升运动中心区, 这是盆地内气流气旋性弯曲造成的。以后这一西-东向正涡度区, 位置少变, 盆地内正涡度、上升运动加强。8日08 : 00[图 5(b)], 在这一西-东向大片正涡度区加强中形成西南涡, 此时西南涡伴有较强的正涡度中心区(8×10-5~9×10-5 s-1)、强的上升运动中心区(-1.4~-1.0 Pa·s-1)。
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图 5 2007年6月C0726高原涡与伴行的西南涡过程700 hPa涡度场(等值线, 单位: ×10-5 s-1)、垂直运动速度(彩色区, 单位: Pa·s-1)的分布 红色三角为西南涡, 阴影部分为海拔大于3 000 m区域 Figure 5 The distribution of 500 hPa vorticity (contour, unit: ×10-5 s-1) and vertical motion speed (color area, unit: Pa·s-1) of departure Plateau Vortex accompanying with induced Southwest Vortex on June 2007.The red triangle represents the Southwest Vortex, the shaded is the terrain more than 3 000 meters |
6月8日08 : 00以后, 这一西-东向正涡度区与我国西北部的正涡度区打通, 逐渐演变成一西北-东南向正涡度区, 并且范围扩大, 11日02 : 00, 西南涡处在大片西北-东南向正涡度区内加强时, 它伴有的正涡度、上升运动中心区增强, 分别为10×10-5~11×10-5 s-1, -1.9~-1.5 Pa·s-1[图 5(c)]。11日02 : 00后, 西南涡所处的≥2×10-5 s-1正涡度区演变成西-东向带状分布, 反映西南涡己处在切变线中, 12日14 : 00西南涡伴有较强的正涡度(6×10-5~7×10-5 s-1)、上升运动(-0.7~-0.6 Pa·s-1)中心区[图 5(d)]。12日14 : 00后, 这一西-东向带状分布的正涡度区有些北移, 西南涡处在这一带状分布的正涡度区内, 13日02 : 00, 这一带状分布的正涡度区内的正涡度中心区有些增强(8×10-5~9×10-5 s-1)[图 5(e)]。以后, 这一西-东向带状分布的正涡度区演变成东北-西南向, 13日20 : 00, 西南涡并入黄海低压时, 它在此东北-西南向正涡度区内, 伴有较强的正涡度(6×10-5~7×10-5 s-1)、上升运动(-0.6~-0.5 Pa·s-1)中心区[图 5(f)]。综上可知, 对流层低层切变流场提供了西南涡形成、加强、持续的大片正涡度、上升运动区。西南涡是在切变流场伴有的大片较强正涡度、强的上升运动区内形成, 在此大片正涡度、上升运动区加强, 为强的正涡度、上升运动区、且范围扩大时, 西南涡加强; 在切变线伴有的带状较强正涡度、上升运动区内持续的。
5.3 高原涡、西南涡涡区的涡度、涡度平流及垂直运动演变分析为分析C0726高原涡、西南涡的涡度变化情况, 图 6给出了2007年6月6日20 : 00至13日20 : 00 C0726高原涡区、西南涡区的平均涡度演变。在图 6中, 对西南涡形成之前, 西南涡区的平均涡度值的计算区域是以西南涡形成时(8日08 : 00)西南涡区域计算的。由图 6看出, 两涡涡区平均涡度的曲线在8日02 : 00相交, 即在C0726高原涡诱发西南涡之前, C0726涡区平均涡度值由2.5×10-5 s-1以上, 减少到1.6×10-5 s-1, 西南涡未来形成区域的平均涡度值在逐渐增加, 由-0.335×10-5 s-1, 增加到2.0×10-5 s-1。反映了高原涡移近西南涡将形成的区域会使西南涡区域内涡度增加。西南涡形成时(8日08 : 00), C0726高原涡区东部己移出高原, C0726高原涡区平均涡度增加, 为2.1×10-5 s-1, 西南涡区平均涡度再增加, 为2.7×10-5 s-1; 8日14 : 00, C0726高原涡移出高原时, 西南涡涡区平均涡度值达4.483×10-5 s-1, C0726高原涡的涡度值只有2.7×10-5 s-1。反映了高原涡东部移出高原, 会使西南涡区平均气旋性涡度增加, 形成西南涡, 高原涡一移出高原, 西南涡区的涡度增加明显。高原涡移出高原之后(8日20 : 00至13日20 : 00), 两涡涡区平均涡度的曲线变化大体相似, 反映了两涡伴行时它们的涡度变化具有相似的特征, 高原涡涡区平均涡度增强、西南涡的也增强。由上看出, 西南涡是在高原涡区东部移出高原时, 高原涡的正涡度叠置在下空的正涡度上, 使上、下层正涡度贯通而形成的, 高原涡正涡度增强、西南涡的也增强, 这与青藏高原气象科学研究拉萨会战组(1981)指出高、低层有正涡度叠置, 致使西南涡发展的观点相一致。说明西南涡在高原涡环流的下空活动是利于西南涡形成、加强、维持较强正涡度的条件。
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图 6 2007年6月6日20 : 00至13日20 : 00 C0726高原涡及其伴行的西南涡的涡区平均涡度变化 ▲为西南涡的位置 Figure 6 The area average vorticity changes of SDPV C0726 and its accomanying SWV from 20 : 00 on 6 to 20 : 00 on 13 June 2007.▲ is the sign of SWV |
为进一步分析C0726高原涡对西南涡的诱发作用, 图 7给出了2007年6月6日20 : 00至9日08 : 00西南涡区平均涡度及垂直运动速度的垂直剖面随时间的演变。在图 7中对西南涡形成之前, 西南涡区的平均涡度、垂直运动速度的计算区域同图 6。由图 7看出, 在西南涡形成之前(6日20 : 00至8日02 : 00), 西南涡区700 hPa以下平均涡度值都比700 hPa的小[图 7(a)]、上升运动都比700 hPa的弱[ < -2.0×10-1 Pa·s-1, 图 7(b)], 说明西南涡的形成并不是由大气边界层内气旋性涡度向上发展形成的。在7日20 : 00至9日02 : 00, 随着C0726高原涡逐渐东移, 正涡度中心由500 hPa下传到800 hPa, 上升运动中心由400 hPa下传到800 hPa。其中, 7日20 : 00, 未来西南涡区500 hPa上空有3.43×10-5 s-1正涡度中心、400 hPa上空有-3.6×10-1 Pa·s-1上升运动中心; 8日02 : 00, C0726高原涡移到高原东部边缘, 600 hPa和700 hPa正涡度增加, 分别有3.28×10-5 s-1和2.0×10-5 s-1, 600 hPa和700 hPa上升运动加强分别为-4.4×10-1 Pa·s-1和-3.4×10-1 Pa·s-1 (700 hPa加强了近一倍); 8日08 : 00, C0726高原涡东部己移出高原, 西南涡区600 hPa和700 hPa正涡度又分别增加, 为4.25×10-5 s-1和2.7×10-5 s-1, 600 hPa和700 hPa上升运动又分别加强, 为-5.7×10-1 Pa·s-1和-3.8×10-1 Pa·s-1, 西南涡形成, 此时800 hPa涡度仅为0.18×10-5 s-1, 上升运动速度仅为-1.0×10-1 Pa·s-1; 到8日14 : 00, C0726涡中心移出高原时, 西南涡区600 hPa和700 hPa正涡度分别增加, 特别是700 hPa正涡度猛增到4.48×10-5 s-1; 500, 600和700 hPa上升运动分别减弱, 中心在700和800 hPa上升运动稍有加强, 8日20 : 00西南涡区700 hPa涡度为3.77×10-5 s-1, 上升运动速度为-3.6×10-1 Pa·s-1, 800 hPa涡度为4.87×10-5 s-1, 上升运动速度加强近一倍, 为-2.8×10-1 Pa·s-1。可以看出, 高原涡在接近移出高原与移出高原时有正涡度、上升运动下传, 这可能是高原涡移出高原下坡后低涡环流有所加强, 气层有所伸长造成的(青藏高原气象科学研究拉萨会战组, 1981), 从而使高原涡环流所伴的正涡度下传与对流层低层盆地内气流的气旋性弯曲叠合, 使盆地内气旋性涡度加强, 形成西南涡。
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图 7 2007年6月6日20 : 00至9日20 : 00西南涡(红色三角形)涡区平均涡度(a, 单位: ×10-5 s-1)及垂直运动速度(b, 单位: ×10-1 Pa·s-1)的时间-垂直剖面 红色三角形为西南涡 Figure 7 SWV (red closed triangle) time-vertical section for the area average vorticity(a, unit: ×10-5 s-1) and average vertical motion velocity (b, unit: ×10-1 Pa·s-1) from 20 : 00 on 6 to 20 : 00 on 9 June 2007. The red triangle represents the Southwest vortex |
涡度平流是影响对流层中低层天气系统发展的主要因子, 由对西南涡区的平均涡度平流垂直剖面随时间的演变(图 8)可看出, 西南涡形成前6 h(6月8日02 : 00), 未来西南涡区上空500 hPa有0.27×10-9 s-2, 这一正涡度平流, 不仅会使未来西南涡区上空500 hPa正涡度增加(图 6), 也会因准地转方程中ω∝-F:
| $ F = {f_0}\frac{\partial }{{\partial p}}{\rm{ }}[\overrightarrow {{V_g}} \cdot\nabla ({\zeta _g} + f)] + {\nabla ^2}\left[ {\overrightarrow {{V_g}} \cdot\nabla \left({ - \frac{{\partial \phi }}{{\partial p}}} \right)} \right], $ | (1) |
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图 8 2007年6月6日20 : 00至13日20 : 00西南涡(红色三角形)涡区平均涡度平流(单位: ×10-9 s-2)时间-垂直剖面 红色三角形为西南涡 Figure 8 SWV (red closed triangle) time-vertical section for area average vorticity advection (unit: ×10-9 s-2) from 20 : 00 on 6 to 20 : 00 on 13 June 2007.The red triangle represents the Southwest Vortex |
式中:
由图 7还可以看出, 以西南涡区域气柱内涡度、上升运动反映的西南涡垂直动力结构特征, 在高原涡诱发西南涡前12 h、诱发西南涡时和诱发西南涡后12 h是有明显不同的, 主要表现在西南涡涡区气柱内正涡度、上升运动的中心区位置与强度。诱发西南涡之前正涡度、上升运动中心区在500~400 hPa、强度分别为3.43×10-5 s-1、-3.6×10-1 Pa·s-1。诱发时正涡度、上升运动中心区位置下降在600 hPa、强度加强分别为4.25×10-5 s-1、-5.7×10-1 Pa·s-1。诱发之后正涡度中心区位置还有下降, 下降到800 hPa, 强度稍有加强, 为4.87×10-5 s-1, 上升运动中心区位置仍在600 hPa, 中心强度有些减弱, 为-4.3×10-1 Pa·s-1。还有对≥2.0×10-5 s-1涡度值、≤-3.5×10-1 Pa·s-1上升运动速度的伸展范围分析看出, 诱发前分别为600~430 hPa和450~400 hPa, 诱发时伸展范围明显扩大, 为700~320 hPa、诱发后伸展范围有些缩小, 分别为950~600 hPa和770~380 hPa。
综合上述, 高原涡移近西南涡形成区域使未来西南涡区域内涡度增加。高原涡移出高原其伴随的正涡度向下伸, 与对流层低层盆地内气流的气旋性弯曲叠合, 可诱发西南涡产生; 500 hPa正涡度平流对下层的强迫上升运动也是诱发西南涡产生的又一个原因。西南涡在高原涡涡区或高原涡环流的下空活动时持续, 西南涡区的正涡度平流、西南涡区上空正涡度平流随高度增加的强迫上升作用是高原涡与西南涡持续伴行的主要成因。高原涡环流诱发西南涡前、后, 西南涡的结构特征是明显不同的。
6 结论与讨论根据1998-2013年历史天气图分析, 得出了持续高原涡诱发西南涡结伴而行的观测事实。通过对高原涡诱发西南涡伴行的最长生命史个例的代表个例进行了环境场分析, 得出了高原涡诱发、伴行西南涡时的环境场特征与成因, 主要结论如下:
(1) 在持续高原涡与西南涡共同活动过程中, 高原涡与西南涡移向较一致的多数是由持续高原涡与其诱发的西南涡共同活动过程造成的, 移向多为向东或东北移。
(2) 持续高原涡诱发的西南涡是在500 hPa上切变流场中的高原涡区东南部的西南气流下空, 700 hPa上切变流场中生成的; 在500 hPa上西风锋区已靠近高原, 东亚环流趋于平直, 高原涡在北脊南槽中加强时, 西南涡处在高原涡环流的东南部-偏西气流下空, 700 hPa上切变线中持续; 在500 hPa上槽前西南气流加强, 高原涡加强时, 西南涡处在高原涡区南部的西南气流下空, 西南涡将移入海时, 达到最强。反映了西南涡活动与高原涡密切相关。
(3) 西南涡是在切变流场提供的大片正涡度、上升运动区内, 在500 hPa正涡度区、较强的上升运动区的下空形成的; 在西南涡上空有强的正涡度、较强的上升运动区, 与其所处的正涡度、上升运动中心区增强情况下西南涡加强、持续。说明对流层低、中层大尺度环境场为西南涡形成、加强、持续提供了重要条件。
(4) 高原涡对西南涡的诱发作用是由高原涡移出高原, 其伴随的正涡度向下伸, 与对流层低层盆地内气流的气旋性弯曲所伴的正涡度叠合, 从而使盆地内气旋性涡度加强而诱发西南涡生成的。西南涡区上空500 hPa正涡度平流对下层的强迫上升运动也是诱发西南涡产生的又一个重要原因。
(5) 高原涡与西南涡能较长时间伴行是与高原涡区、西南涡区的正涡度平流及高原涡区、西南涡区上空正涡度平流随高度增加的强迫上升作用密切相关的。高原涡环流诱发西南涡前、后, 西南涡的结构特征是明显不同的。
通过对流层中、低层涡度场、垂直运动场、涡度平流场分析, 说明了对流层低、中层大尺度环境场为西南涡形成、加强、持续提供了重要物理条件。通过对西南涡区平均涡度、垂直运动速度、涡度平流的垂直剖面随时间演变分析, 主要探讨了对流层中、低层涡度叠置、涡度平流与垂直速度变化关系以及高原涡环流诱发西南涡前、后的西南涡的结构特征, 得出了高原涡环流诱发西南涡的两个重要因素, 及高原涡与西南涡伴行的原因。位涡、水汽和非绝热加热等对高原涡诱发西南涡及两涡伴行活动的影响还有待深入研究。
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2. The Plateau and Sichuan Basin Storm Rain and Dry Damage Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072, Sichuan, China;
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