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2. 气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 江苏 南京 210044;
3. 中国民用航空飞行学院空中交通管理学院, 四川 广汉 618300
在引发高原及其以东夏季降水的高原天气系统中, 青藏高原切变线(下称高原切变线或切变线)、高原低涡(简称高原涡)扮演着十分重要的角色。高原涡(李国平, 2016a)是一种产生于青藏高原主体边界层中, 水平尺度400~500 km的α中尺度低压涡旋, 主要活动在500 hPa等压面上; 而高原切变线(彭广等, 2006-2016)指生成于高原地区, 500 hPa等压面上水平风向或风速的不连续线, 是风向或风速发生急剧改变而呈气旋式旋转的狭长气流带, 长度大于5个经/纬距。Zhang et al(2016)运用ERA-Interim资料研究了高原横切变的气候特征及其与夏季高原强降水的关系。Lin(2015)运用ERA-Interim资料对1979 2013年高原涡进行客观识别并统计其气候特征。高原涡与高原切变线之间具有密切联系, 两者的协同作用是西南地区强降水天气的一种基本形式(林厚博等, 2016), 预报员常将其简称为低涡切变(线)。高原涡与高原切变线既是独立的天气系统, 又是相互影响、相互作用、相伴相随的系统(何光碧等, 2009)。郁淑华(2000)和杨克明等(2001)分析了1998年引发长江流域最大洪水的13次强降水天气过程的影响系统表明, 生成于青藏高原东部并在四川盆地发展东移的高原涡以及其相伴的高原切变线是该年特大暴雨产生的主要原因。叶笃正等(1979)指出, 高原主体上低涡活动最频繁地区与高原准定常的横切变线位置基本重合。高原切变线活动比高原涡活动要活跃, 高原涡在高原上多沿切变线而东移(青藏高原气象科学研究拉萨会战组, 1981), 低涡移出通常呈现低涡、切变线伴随东移的形态(李国平, 2007)。高原涡在东移中加深与500 hPa切变环境场变宽有密切联系(Yu et al, 2014)。Chen et al(2003)对东移气旋涡旋动力学发展机理的研究表明, 正涡度场切变基流与低涡的相互作用以及涡流与低涡的合并, 是东移低涡强度得以维持和发展的一个直接原因, 而切变线恰恰提供了有利的正涡度环境场条件(Chen et al, 2003; 李山山等, 2017a)。高原涡形成的动力条件常与高原切变线有关, 高原切变线附近的气旋式涡度场有利于低涡生成, 水平辐合场亦有利于水汽汇聚以及高原低涡进一步发展(李国平等, 2016b; 李山山等, 2017b)。
尽管高原切变线与高原涡之间关系的初步研究已取得一些有意义的结果, 但高原涡、切变线作为青藏高原特色天气系统, 有其特殊性和相当难度, 目前研究还多着重于单一系统的研究, 要么以高原涡为主, 要么以高原切变线为主, 另一方面仅作为背景或陪衬, 相互关系与相互作用机理的研究亟待加强(姚秀萍等, 2014)。本文拟用客观识别方法对2005-2016年高原涡、高原切变线进行客观识别, 并对两者伴随出现的情况进行统计分析, 揭示两者伴随发生的天气事实, 为深入开展高原涡与高原切变线相互作用的研究提供参考依据。
2 资料选取与方法介绍 2.1 资料选取采用2005-2016年NCEP/CFSR高分辨率再分析资料对高原涡、高原切变线进行客观识别, 资料的水平分辨率为0.5°×0.5°, 时间间隔为每6 h一次[00 : 00(世界时, 下同), 06 : 00, 12 : 00和18 : 00], 范围为21°N 46°N、72°E 109°E。
文中所涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1552号的中国地图制作, 地图无修改。
2.2 方法介绍 2.2.1 高原涡客观识别方法根据高原涡人工识别的标准: 500 hPa等压面上, 高原地区形成闭合等高线的低压, 或有3个站点风向呈气旋性的低涡环流, 结合计算机几何学知识, 定义了高原涡的客观识别标准(张博等, 2017): (1)低涡中心条件: 500 hPa等压面上, 低涡中心强度应小于587 dagpm, 且低涡范围内气流应具有气旋性特征。(2)尺度条件:低涡中心的水平尺度约为400 km, 低涡中心值应低于400 km内所有格点的值, 若400 km内同时出现多个低值, 则以最低值作为低涡中心。(3)维持时间条件:高原涡的维持时间应在2个时次(12 h)以上。(4)区域条件:低涡生成时中心位置应在高原主体区域内28°N 38°N, 85°E 105°E。
2.2.2 高原切变线客观识别方法高原切变线通常指500 hPa等压面上3站以上风向对吹的辐合线, 长度大于5个经/纬距, 地面24 h变温、变压很小。以下给出了客观识别高原切变线标准: (1)切变线风场条件:切变线可视为由若干连续的切变点组成。通过风分解法, 可归纳出具有辐合特征的切变点有6种类型: 3类横切变点和3类竖切变点(图 1)。(2)尺度条件:高原横(竖)切变线上连续的横(竖)切变点长度须达到5个经、纬距。(3)范围条件:高原切变线中点应位于高原主体区域28°N 38°N, 85°E 105°E内。(4)风场强度条件:目前关于高原切变线上风场的强度没有明确的标准, 根据《青藏高原低涡、切变线年鉴》中统计的切变线风场情况、风廓线雷达探测切变线周围风场的变化(杨成芳等, 2012)以及多个切变线个例(何光碧等, 2014; 李山山, 2017a; 师锐等, 2011; 罗雄, 2018), 设定了客观识别切变线风速的强度标准, 切变线上的切变点须一半以上满足强度条件。高原横切变线强度标准:两侧风速之和大于7 m·s-1; 横切变点南北两侧一个纬距范围内经向风速之差大于6 m·s-1, 或两侧经向风反向时, 两侧经向风速之差大于4 m·s-1。高原竖切变线强度标准:切变点两侧风速之和大于5 m·s-1; 切变点东、西两侧一个经距范围内纬向风之差大于4 m·s-1, 或两侧纬向风反向时, 两侧纬向风速之差大于2 m·s-1。
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图 1 高原切变线横(上)竖(下)切变点类型 Figure 1 The transverse (up) and vertical (down) shear point type of the Qinghai-Tibetan Plateau shear line |
高原涡与高原切变线经常相伴或相继出现(何光碧等, 2009), 可称之为伴随现象。高原涡及高原切变线均为α中尺度天气系统, 高原低涡为水平尺度500 km左右的近圆形系统, 高原切变线为带状天气系统, 根据切变线与经线的夹角划分为高原横切变线和竖切变线。通过翻阅《青藏高原低涡、切变线年鉴》, 低涡中心向外数百千米有时上千千米均存在降水, 高原切变线两侧300 km内也常出现降水, 因此, 高原涡、高原切变线对周围天气的影响范围要远大于自身水平尺度。本文为统计高原涡与高原切变线相互影响的特征, 设定24 h内, 高原涡中心位置与高原切变线的最短直线距离小于1 000 km, 作为高原涡与高原切变线相伴出现的条件。根据高原涡与高原切变线生成时间的先后顺序将两者分为以下3种情况:高原涡与高原切变线同时生成、高原涡先于高原切变线生成、高原切变线先于高原涡生成。
3 高原涡与高原切变线伴随出现特征 3.1 客观识别的高原涡与高原切变线基于以上客观识别方法, 对2005-2016年高原涡、高原切变线进行了客观识别。高原涡年均生成45个, 高原切变线年均生成48条。从图 2中可以看出, 高原涡与高原切变线均存在较大的年变化特征, 但两者的年变化趋势基本一致; 2009年高原涡、高原切变线生成数量均最少, 分别为29个、31条; 2008年高原涡生成数量最多, 为70个, 该年高原切变线生成数量也较多(57条); 2005年高原切变线生成数量最多, 为65条, 该年高原涡数量也较多(54个)。除2014年高原涡数量明显低于高原切变线数量以外, 其余各年二者的生成数量相差不大, 尤其2007, 2009, 2010和2011年二者生成数量较为接近。
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图 2 2005-2016年高原涡、高原切变线逐年生成数量 Figure 2 Qinghai-Tibetan Plateau vortex and Qinghai-Tibetan Plateau shear line generation frequency from 2005 to 2016 year by year |
高原涡、高原切变线伴随出现时, 定义有高原切变线伴随的高原涡称为伴随性高原涡, 有高原涡伴随的高原切变线称为伴随性高原切变线。伴随性高原涡、高原切变线往往是一对一出现, 偶尔也会有一对多出现的情况。由于逐年伴随性高原涡、高原切变线数量相差不大, 且两者均相伴出现, 将每年伴随性高原涡与伴随性高原切变线的平均值作为该年的伴随高原涡、高原切变线数量。2005-2016年, 伴随性高原涡、高原切变线年均14.3次, 由图 3看出, 2006年和2008年高原涡、高原切变线伴随的比例较高, 分别为46.5 %和48.1 %。近12年来, 伴随性高原涡占高原涡总数的31.5 %, 伴随性高原切变线占高原切变线总数的29.6 %。
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图 3 2005-2016年高原涡、高原切变线伴随出现数量及伴随率 Figure 3 The concurrent number and concurrent rate of Qinghai-Tibetan Plateau vortex and Qinghai-Tibetan Plateau shear line from 2005 to 2016 |
根据再分析资料时间分辨率较高的特点, 对2005-2016年高原涡、高原切变线伴随生成的先后顺序进行统计, 得出高原涡与高原切变线同时生成、高原涡先于高原切变线生成、高原切变线先于高原涡生成三种情况(表 1)。
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表 1 伴随出现的高原涡、高原切变线生成先后顺序 Table 1 Generation order of concurrent Qinghai-Tibetan Plateau vortex and concurrent Qinghai-Tibetan Plateau shear line |
由表 1看出, 高原切变线、高原涡同时生成的占伴随高原涡、高原切变线数量的17.3 %, 高原切变线先于高原涡生成的占伴随高原涡、高原切变线数量的55.9 %, 高原涡先于高原切变线生成的占伴随高原涡、高原切变线数量的26.8 %。除2010年外, 其余各年高原切变线先生成的数量均多于高原涡先生成数量, 其中, 2007, 2012, 2014和2016年, 高原切变线先于高原涡生成数量是高原涡先于高原切变线生成数量的3倍以上。由统计结果(表 1)可见, 在高原涡、高原切变线相伴出现的情形中有高原涡先于高原切变线生成的情况, 但生成数量仅为高原切变线先于高原涡生成数量的一半左右, 故当高原涡、高原切变线的生成条件均具备时, 高原切变线通常先于高原涡的生成, 即“先线后涡”出现的比例更多。
2005-2016年高原切变线先于高原涡生成的伴随性高原涡数量占高原涡总数的18.2 %, 而高原涡先于高原切变线生成的伴随性高原切变线仅占高原切变线总数的8.3 %。可见高原涡、高原切变线两者的生成并无直接必然关系。但当两者具备生成的初始条件时, 高原切变线先于高原涡生成的情况更多。
3.4 伴随出现的高原涡、高原切变线的生成位置根据伴随出现高原涡、高原切变线生成顺序的三种分类, 下面对两者生成源地进行统计分析。
高原涡、高原切变线同时生成的现象在整个高原范围内均可出现, 两者源地均存在多发区。从图 4可以看出, 高原涡多发区位于西藏那曲和35°N 37°N, 85°E 88°E附近; 高原切变线多发区位于西藏昌都和35°N, 86°E 91°E附近。两者的多发区均位于32°N 37°N范围内, 并且高原涡的两个多发区均位于高原切变线两个多发区的西侧。马林等(2003)研究高原东部牧区30年春季发生的成灾性降雪过程时指出, 高原切变线西部范围为上升运动且存在发展的气旋性涡旋, 本文统计的高原涡、高原切变线同时生成的多发区的配置关系与该结论基本吻合。
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图 4 高原涡、高原切变线同时刻生成源地分布 Figure 4 The source of the simultaneous generation of Qinghai-Tibetan Plateau vortex and Qinghai-Tibetan Plateau shear line |
图 5为高原切变线先于高原涡生成的情况, 两者的生成数量明显增多, 在整个高原范围内均可生成。高原涡生成的多发区位于四川石梁、西藏巴青、西藏南部地区和30°N 36°N, 87°E 90°E附近; 高原切变线的多发区较为集中, 主要位于青海玉树和34°N 36°N, 85°E 91°E附近。而伴随性高原涡多发区范围较大, 高原涡一般分布在高原切变线多发区的东西两侧, 以及高原切变线南侧29°N附近。
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图 5 高原切变线先于高原涡生成时两者的生成源地 Figure 5 The source of Qinghai-Tibetan Plateau shear line generated before Qinghai-Tibetan Plateau vortex |
高原涡先于高原切变线生成的数量明显低于高原切变线先于高原涡的数量。从图 6可以看出, 高原涡先于高原切变线生成时, 高原涡生成源地较为集中, 多发区位于33°N, 92°E 97°E范围内, 高原切变线多发区位于35°N 39°N, 86°E 93°E和四川广元至甘肃天水一带。
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图 6 高原涡先于高原切变线生成时两者的生成源地 Figure 6 The source of Qinghai-Tibetan Plateau vortex generated before Qinghai-Tibetan Plateau shear line |
为分析高原涡与高原切变线伴随与非伴随情况下的差异, 统计了2005-2016年高原涡、高原切变线并发与非并发情况的维持时间(图 7)。由图 7看出, 伴随与非伴随高原涡维持时间主要集中在12 h, 均占六成左右; 维持18 h的高原涡均占18 %, 而随着维持时间的增长, 高原涡比例逐渐减少。对比可知, 非伴随性高原涡与伴随性高原涡的维持时间基本一致, 可认为无论高原切变线是否伴随高原涡发生, 高原涡维持时间基本保持不变。
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图 7 高原涡维持时间占比图 Figure 7 The maintain time probability distribution of Qinghai-Tibetan Plateau vortex |
从图 8中可以看出, 非伴随性高原切变线维持时间主要集中在6 h, 占83.3 %; 维持时间在12 h的高原切变线为12.4 %; 维持时间大于12 h的非伴随性高原切变线极少。伴随高原切变线的维持时间仍以6 h为主, 与非伴随性高原切变线相比比例有所下降, 占71.3 %; 维持时间在12 h的高原切变线略有增加, 占18.7 %; 维持时间大于等于18 h的伴随性高原切变线仍然较少, 但比例明显增多。对比可知, 绝大多数高原切变线维持时间为6 h。高原涡伴随高原切变线发生时, 对高原切变线维持时间的延长有一定促进作用。
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图 8 高原切变线维持时间占比图 Figure 8 The maintain time probability distribution of Qinghai-Tibetan Plateau shear line |
(1) 近12年高原涡年均生成45个, 高原切变线年均生成48条。高原涡与高原切变线均存在较大的年变化特征, 除2014年高原涡数量明显低于高原切变线数量以外, 其余年份两者数量的年变化趋势基本一致, 伴随性高原涡占高原涡总数的31.5 %, 伴随性高原切变线占高原切变线总数的29.6 %。
(2) 通过对比伴随与非伴随高原涡、高原切变线的生命史可知, 无论是否有高原切变线伴随, 高原涡维持时间基本保持不变, 而高原涡有利于高原切变线维持时间的延长。统计伴随性高原涡、高原切变线生成的先后顺序得出两者同时刻生成的情况较少, 仅占伴随高原涡、高原切变线平均数量的17.3 %。高原切变线先于高原涡生成的占伴随高原涡、高原切变线平均数量的55.9 %, 高原切变线的出现可为高原涡的生成创造有利条件。
(3) 伴随出现的高原涡、高原切变线的生成源地覆盖整个高原。高原涡先于高原切变线生成时, 两者多发区距离较远; 两者同时生成时, 高原涡多发区位于高原切变线多发区的西侧; 高原切变线先于高原涡生成时, 高原涡多发区一般位于高原切变线多发区的东西两侧。
通过计算机客观识别技术统计研究了近12年高原低涡、高原切变线的伴随特征。下一步工作将对本文得出的结论进行机理方面的探讨, 如屠妮妮等(2010)曾运用涡度收支方程分析了两次高原切变线诱发高原涡个例时指出, 垂直输送项和水平辐合辐散项是高原涡生成、发展的主要原因, 高原切变线附近的垂直输送项和水平辐合辐散项都是正涡度贡献项。另外, 垂直输送项强弱与强上升运动有关, 上升运动强弱又与对流层高低空风场辐合有关, 则高原切变线上风向的辐合是生成低涡的重要因素, 这可能是高原切变线更有利先于高原涡生成的主要原因。另一方面, 由于受限于观测资料, 目前气象学者对于这两类天气系统的时间尺度仍然没有统一明确的定义, 本文的客观识别方法对高原涡、高原切变线时间尺度的设定也有所不同, 因此对于这两类天气系统时间尺度的问题, 今后仍需进一步探究。本文初步提出的切变线风速强度标准还需要根据高原切变线的最新观测事实、科学认知以及更多样本通过统计分析方法加以改进。此外, 统计高原涡、高原切变线相伴出现的顺序时, 使用的资料时间分辨率为6 h一次, 因此无法统计出同时次(6 h)内出现的两类天气系统发生的先后顺序, 有待今后采用更为精确和长时段(如30年)的资料深入验证。另外, 计算机客观识别天气系统技术尚存在一定局限性, 不能综合考虑大气环流形势等全局因素, 但因其具有识别效率高, 识别结果不受人工识别的主观差异影响等优点, 相信今后包括客观识别在内的人工智能(AI)技术能够在大气科学研究与气象业务中发挥更大作用。
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Zhang B, Li G P. 2017. An objective identification of the Tibetan Plateau vortex based on climate forecast system reanalysis data[J]. Journal of Lanzhou University (Natural Sciences), 53(1): 106–111.
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2. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing 210044, Jiangsu, China;
3. College of Air Traffic Management, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618300, Sichuan, China