西南涡是在青藏高原及其东侧四川盆地的特殊地形作用下, 并配合一定的环流条件产生的。它是发生在我国西南地区700 hPa等压面上具有气旋性环流和闭合等高线的低涡, 尺度为300~500 km的中尺度系统。西南涡全年都会出现, 源地集中在以川西高原(九龙、小金、康定、德钦和巴塘)和川渝盆地为中心的两个区域内(李国平, 2013)

对西南涡的统计分析, 是一项非常有必要和有意义的基础性工作。Feng et al(2016)统计了1979—2009年各季节西南涡频数的变化, 发现2005—2009年夏季西南涡出现次数呈增加趋势。马振峰(1993)和陈忠明等(2000)研究表明, 西南涡夏季出现频数最多, 一般在7月, 秋、冬季最少。且西南涡夏季最易移出源地, 移出路径包括偏东、东北和东南方向, 并以偏东和东北路径为主。当低涡向东北方向移动时, 给黄河下游地区带来大范围降水; 当低涡向偏东方向移动时, 长江中、下游地区会出现大面积雨区; 当低涡向东南方向移动时, 会造成云、桂等省份的强降水及华南阴雨(卢敬华, 1986)。

西南涡是中国重要的降水天气系统, 其造成的暴雨天气影响仅次于台风(王作述等, 1996), 由其引发的降水区域包括川渝及下游地区。钱正安等(1990)对四川“81·7”特大暴雨进行模拟, 指出凝结潜热的释放和高原地形的阻挡对西南涡及其暴雨有着重要作用。赵平等(1991)通过对数值试验结果做诊断分析发现, 潜热加热的增加能促进涡度增强, 但对西南涡的产生没有影响。王革丽等(1997)和段海霞等(2008)研究表明, 西南涡降水对地表热通量比较敏感, 且地表热通量能较大的促进低涡暴雨区上空的对流活动, 凝结潜热加热使产生暴雨的低涡发展深厚。刘晓冉等(2014)通过对一次东移西南涡过程进行位涡诊断分析, 认为潜热的非绝热加热作用有助于大气低层位涡增长和阻碍高层位涡增长。陈鹏等(2015)研究认为, 降水所引起的凝结潜热的释放使对流活动中心的上升运动增强, 随着潜热的增多, 增强非绝热加热作用, 最终引起低涡中心周围的正涡度增强和局地位涡增强, 使气旋性低涡逐渐形成。高正旭等(2009)统计了近60年的西南涡个例, 发现当低涡出现频数较高时, 西风气流偏南的现象显著, 低涡生成频数较低时, 西风气流偏北现象较为显著。叶瑶等(2016)认为, 西南涡的多发年与极端气候事件有较好的对应关系, 且有利于降水, 关键区的角动量输送是生成西南涡的必要条件之一。Chen et al (2004)分析了一次西南涡东移过程及其引发的华南暴雨天气, 此次过程由西南涡引发, 西南涡始终处于较大相对螺旋度的大气环境中, 风场不断输送正涡度平流。西南涡前(后)部暖(冷)平流明显, 从而推动西南涡移动。陈忠明等(2004)也指出, 大尺度环流场的散度以及由边界层摩擦产生的次级环流所造成的积云对流释放潜热是西南涡发展的重要因子。顾清源等(2008)对一次川南大暴雨个例做了分析与研究, 发现在暴雨过程中, 西南涡北部存在一个深厚且向西倾斜的β尺度涡旋系统, 其内部具有高低层辐合辐散的垂直结构, 并且暴雨中心靠近低涡中心。姚秀萍等(2007)用位涡分析干侵入对低涡暴雨的作用, 表明干侵入对低涡降水起重要的增幅作用。王中等(2008)认为垂直螺旋度大值中心的位置和强弱变化与低涡及强降雨的位置和强度有很好的对应关系。陈贵川等(2013)认为地面冷空气侵入西南涡, 在重庆西部附近形成“s”型冷锋, 极端强降水发生在其北侧。屠妮妮等(2012)通过WRF模式模拟, 认为增加模式北边界温度会使西南涡位置偏南, 降水落区也偏南。杨帅等(2006)认为在西南涡斜压性未建立之前, 雨区可位于低层西南风急流左侧的任何位置, 当低涡的斜压性加大, 出现暖空气时, 暴雨区出现在急流的左前方。

目前关于西南涡的研究, 还有以下几点需要深入思考: (1)关于西南涡的定义, 包括地理范围、位势高度场、风场等, 缺少一致的基本标准(慕丹等, 2017)。(2)在西南涡与降水关系的研究中, 产生降水的低涡发展情况, 以及移动路径、影响范围、持续时间、降水变化与低涡强弱的关系等方面研究较少, 而这些对降水业务预报具有重要指示意义(慕丹等, 2017)。(3)西南涡引发的降水可能会出现在西南涡的任何部位, 而对降水出现在除东部外的西南涡研究较少。鉴于此, 本文利用NCEP Climate Forecast System(CFS)再分析资料与TRMM多卫星降水分析产品TMPA(TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis), 对2004—2017年夏半年西南涡, 按其最大降水量与西南涡低压中心的相对位置进行分类, 分析频数最多的四类西南涡降水特征, 包括暴雨范围、降水强度等。随后, 对四类西南涡代表个例的环流、水汽特征以及降水形成机制进行分析, 以期找出对西南涡降水有重要指示意义的因素。

取《2012西南低涡年鉴》(李跃清, 2013)中对西南涡的定义, 作为本文对西南涡普查的标准。低涡年鉴中对西南涡的定义为: 700 hPa等压面上生成于青藏高原背风坡(99°E—109°E, 26°N—33°N), 连续出现2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。随机选取一例西南涡时次(2012年8月20日20:00, 北京时, 下同), 将700 hPa该时次高空资料, 与CFS资料中该时次的位势高度与风场进行比较, 发现环流形势较为一致(图略)。随后, 将普查出的2012年西南涡个例与年鉴中的个例做比较, 在21例西南涡过程中, 仅有一例不在低涡年鉴中, 原因可能为, 该西南涡持续时间已达12 h, 但恰好在观测时间只出现一回, 故没有出现在年鉴中。

选取99°E—110°E, 26°N—36°N为西南涡降水的研究区域, 对应于四川盆地及其周边地区。对西南涡降水方位的分类按最大降水相对西南涡的位置进行分类。以低压中心为中心区, 周围4个象限依次为西北、东北、东南及西南, 若4个轴线中的一条穿过最大降水区, 则降水方位为北、东、南、西。如果3/4以上的最大降水区或暴雨区位于两根到三根等高线之内(视等高线疏密程度而定, 等高线间隔2 gpm), 为西南涡中部降水。四川省规定183个县级气象站中, 若有大于等于15个县站的降水量达到暴雨级别, 则为区域性暴雨(王春学等, 2017)。由此, 规定所选范围内的289个测站中, 若有大于等于23个测站降水量达到暴雨级别, 则为西南涡区域性暴雨。

选取2004—2017年TMPA V7每3 h平均降水率资料, 空间分辨率为0.25°×0.25°。考虑到西南涡生命史较短、移动性强的特性, 在对西南涡降水方位进行分类时, 按6 h降水量进行分类。另外, 本文利用2008—2009年MICAPS 6 h降水量资料验证TMPA V7降水资料的可靠性。文中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GS(2016)2884号的中国地图制作, 底图无修改。

对TMPA V7降水量资料进行质量检验。选取2008—2009年33个引起降水的西南涡时次, 在这些时次TMPA V7降水资料中, 找出研究范围内站点位置的6 h降水量(TMPA V7降水资料中, 该时次与前一个相邻时次的降水量相加再乘以3)。将其降水量与MICAPS 6 h站点降水量做相关系数的计算(TMPA V7资料6 h降水量与MICAPS 6 h降水量最小有1.5 h的时间差, 如与2008年6月8日08:00的MICAPS 6 h降水量进行比对的为TMPA V7资料6月8日06:30的前6 h降水量)。结果显示, 33个时次中, 有5个时次相关系数达0.8以上, 4个时次达0.7以上, 8个时次相关系数0.6以上, 相关系数最高为0.89。说明TMPA V7资料可靠性较好。计算相关系数r的公式如下:

式中: X代表MICAPS降水资料; Y代表TMPA V7降水资料; N代表MICAPS降水资料的站点数。

采用CFS再分析资料, 包括时间跨度为1979—2010年的NCEP Climate Forecast System Reanalysis (CFSR)与2011年至今的NCEP Climate Forecast System Version 2 (CFSv2)(NCEP在2011年将CFS升级到第二版, 创建CFSv2的模式与CFSR相同)。所用要素包括位势高度、水平风矢、垂直速度、温度、比湿以及相对湿度。二者空间分辨率为0.5°×0.5°、时间分辨率1 h, 可以与所用TMPA V7降水资料时间达到最大限度吻合, 6 h降水量与高度场资料时差0.5 h。为验证CFS资料的可靠性, 在降水研究区域内, 对2011年5月, 每6 h、空间分辨率0.5°×0.5°的ECMWF ERA-interim资料(被认为是ECMWF ERA-40资料的升级)与CFSv2 700 hPa高度场资料, 做相关系数的计算, 二者平均相关系数为0.90; 2005年5月ERA-interim资料与CFSR高度场资料的平均相关系数为0.85, 说明第二版的再分析资料可靠性更高。

西南涡降水对四川盆地及其周边地区天气有着重要作用, 通过对各降水方位出现的频数、暴雨范围、降水强度的分析, 有助于对西南涡降水天气的预报, 从而减少西南涡带来的损失。

利用CFS高度场资料与TRMM卫星降水资料, 对2004—2017年夏半年, 西南涡降水方位进行分类与统计, 时间间隔为3 h。

从2004—2017年夏半年(5—10月)中共找出429个西南涡个例, 其年际变化如图 1(a)所示, 2004—2017年夏半年西南涡出现频数逐年递增, 在2011年CFSR资料与CFSv2资料交接处, 频数有所减少。Feng et al(2016)统计了1979—2009年各季节西南涡频数的变化, 发现2005—2009年夏季(6、7和8月)西南涡频数呈增加趋势。又因为秋、冬季西南涡频数最少, 故2005—2009年夏半年频数变化趋势与Feng et al(2016)研究结果较为一致。将429个西南涡降水最大的时次分为西北、北、东北、东、东南、南、西南、西、中部降水, 以及无降水、两个及以上方位有降水和双涡的类型(双涡为四川盆地附近700 hPa上出现两个低压中心), 其次数分别为2, 14, 121, 77, 58, 26, 14, 9, 31, 27, 18和32次(表 1), 降水方位为西南涡东北侧的频数远高于其他方位, 其次为降水在东部、东南部、中部与双涡的类型。对以上出现频数最多的4个方位进行年际变化分析, 发现造成西南涡频数增加的主要原因为, 在东北及东部降水的西南涡频数增加[图 1(b)]。

图 1(Fig. 1)

图 1 2004—2017年夏半年西南涡年际变化特征 Fig. 1 Interannual variability of Southwest Vortex in summer half year 2004—2017

表 1(Table 1)

表 1 2004—2017年夏半年各类型西南涡的出现次数 Table 1 The number of the maximum precipitation in Southwest Vortex different directions from May to October in 2004—2017 类型 次数/次 西北降水 2 北部降水 14 东北降水 121 东部降水 75 东南降水 60 南部降水 26 西南降水 14 西部降水 9 中部降水 33 无降水 25 两个及以上方位有降水 18 双涡 32 双涡为四川盆地附近700 hPa上空出现两个低压中心

表 1 2004—2017年夏半年各类型西南涡的出现次数 Table 1 The number of the maximum precipitation in Southwest Vortex different directions from May to October in 2004—2017

取4个频数最多的方位进行暴雨范围与降水强度分析。次数最多的4个方位分别为降水在东北、东、东南、中部的类型。全国1965个气象站共有289个测站在降水研究范围内。暴雨范围由研究区域内暴雨的站点数表示, 降水强度为各时次最大降雨量。对暴雨范围计算方法如下:将降水数据空间精度插值到0.1°×0.1°, 从中找出降水达到暴雨级别的格点, 然后在达到暴雨级别的格点中找到与MICAPS站点经纬度相同的点, 最后统计西南涡暴雨范围、降水强度及极端情况的降水特征。

从四类西南涡的暴雨范围、降水强度以及极端情况降水特征(表 2)可知, 西南涡东北部降水型暴雨以上的平均站数为5.5个, 6 h平均最大降水量为60.1 mm, 达到所规定的区域性暴雨时次有2个; 西南涡东部降水型暴雨以上平均站数为6.3个, 6 h平均最大降水量为67.0 mm, 有2次达到区域性暴雨; 西南涡东南部降水型暴雨以上的平均站数为6.6个, 6 h平均最大降水量为78.5 mm; 中部降水的类型平均暴雨站数为12.3个, 平均6 h最大降水量为80.0 mm, 有4次暴雨范围达到区域性暴雨。可见, 从西南涡引起的暴雨范围和强度来说, 中部降水的西南涡暴雨范围最大, 降水强度最强, 其次是降水在东南部的西南涡。同时, 可以发现在夏半年, 以上四类西南涡平均最大雨量均达到大暴雨的级别, 故西南涡对四川盆地及其周边地区天气有着重要作用。

表 2(Table 2)

表 2 在西南涡东北、东、东南、中部降水的特征 Table 2 Characteristics of precipitation in northeast, east, southeast and central parts of Southwest Vortex 统计类别 东北部 东部 东南部 中部 暴雨以上平均站数/个 5.5 6.3 6.6 12.3 6 h平均最大降水量/mm 60.1 67 78.5 80 达到区域性暴雨次数 2 2 0 4 最大6 h降水量/mm 140.8 201.1 275.1 158.5 最大6 h降水量对应时间 2011-07-06T12:00 2007-07-03T06:00 2007-07-17T12:00 2011-09-07T09:00 最多暴雨以上站数/个 30 24 21 35 最多暴雨以上站数对应时间 2013-07-22T09:00 2015-07-22T15:00 2010-07-09T09:00 2011-09-07T09:00

表 2 在西南涡东北、东、东南、中部降水的特征 Table 2 Characteristics of precipitation in northeast, east, southeast and central parts of Southwest Vortex

分析四类西南涡降水的极端情况。结果如表 2, 降水在西南涡东北部的类型中, 2011年7月6日12:00 6 h降水量最大, 为140.8 mm, 达到特大暴雨级别, 2013年7月22日09:00暴雨范围最大, 30个站出现了暴雨以上的降水, 达到所规定的西南涡区域性降水级别; 东部降水的类型中, 最大暴雨范围为24个站, 2007年7月3日06:00 6 h降水量最大, 为201.1 mm; 东南部降水的类型中, 最大暴雨范围为21个站, 2007年7月17日12:00 6 h降水量最大, 为275.1 mm; 中部降水类型中, 最大暴雨范围为35个站, 2011年9月7日09:00 6 h降水量最大, 为158.5 mm。以上极端情况6 h降雨量均大于等于120 mm, 达到特大暴雨级别, 会对降水区域的农作物、基础设施等带来不可估量的损失。

通过对2004—2017年夏半年西南涡及其降水方位进行统计, 发现降水频繁出现在西南涡东北部、东部、东南部、中部, 有些西南涡在两个及以上方位有降水, 或者无降水。对以上4个主要方位的西南涡进行年际变化分析, 发现东北降水型及东部降水型西南涡频数的增加, 导致夏半年西南涡总频数增加。分析4个频数最多的西南涡的降水范围与强度, 发现, 四类西南涡平均最大雨量均达到大暴雨的级别, 最大6 h降水量达275.1 mm, 远远超过120 mm的特大暴雨标准。其中, 西南涡中部降水型暴雨范围最广, 平均暴雨范围达12.3个站, 且降水强度最强, 6 h平均最大降水量达80 mm; 其次为东南降水型、东部降水型与东北降水型。

从以上分析可以得出, 东北、东部、东南与中部降水的类型, 在西南涡降水总频数(除无降水类型)中占比达71.4%, 对西南涡产生的降水天气有着重要影响。由此, 选取以上4个方位6 h降水量最多的时次, 分析它们的环流特征, 时次分别为2011年7月6日12:00、2007年7月3日06:00、2007年7月17日12:00和2011年9月7日09:00, 对应为东北、东部、东南与中部降水的类型。

从4个时次700 hPa高度场与6 h雨量(图 2)可知, 2011年7月6日12:00降水发生在西南涡东北侧[图 2(a)], 6 h最大降水量为140.8 mm, 大于规定的特大暴雨降水量120 mm。此时, 四川盆地位于500 hPa高空槽前[图 3(a)], 槽前正涡度平流使地面气旋发展, 地面辐合上升增强。西南涡向上延伸至500 hPa, 在槽前形成一低压中心。如图 3(a)分析其700 hPa风场, 强盛的西南急流向北行至四川盆地北部大巴山及秦岭时, 强烈的暖湿气流在31°N, 106°E附近抬升, 与北方冷空气相遇, 冷暖气流呈对峙状态, 潜热释放, 低压加强, 形成西南涡, 西南涡上升气流高度达对流层层顶。继续向北行至秦岭的低空急流受山体阻挡, 气流在32.5°N, 107.5°E附近强迫抬升, 且与北方冷空气相遇, 使降水发生在西南涡东北侧。

图 2(Fig. 2)

图 2 南涡700 hPa高度场(等值线, 单位: dagpm)及6 h雨量(阴影区, 单位: mm)分布 Fig. 2 700 hPa geopotential height (contour, unit: dagpm) and 6 hours precipitation (the shaded, unit: mm) in Southwest Vortices

图 3(Fig. 3)

图 3 四类西南涡700 hPa风场(矢量, 单位: m·s-1)与500 hPa高度场(等值线, 单位: dagpm) Fig. 3 700 hPa wind field (vector, unit: m·s-1) and 500 hPa geopotential height (contour, unit: dagpm) of four Southwest Vortex types

2007年7月3日06:00最大降水发生在西南涡东侧[图 2(b)], 6 h最大降水量201.1 mm。500 hPa四川盆地西侧位于一小槽槽前, 为盆地提供暖湿气流[图 3(b)], 分析该时刻700 hPa风场, 发现700 hPa该时刻有强盛的西南急流, 急流在盆地西南侧转向, 形成气旋性涡旋。850 hPa上[图 4(b)], 西南低空急流越过大巴山, 与盆地外侧的秦岭相遇, 气流沿盆地外围向西运动, 遇到高原后, 进而向南进入盆地, 势能转化为动能, 气流加速。加强的向南气流在盆地西南角强迫抬升, 形成降水。向南气流东侧的气流较弱, 在盆地西南角北侧抬升, 造成西南涡东北也有降水产生。

图 4(Fig. 4)

图 4 四类西南涡850 hPa风场(箭头, 单位: m·s-1)、水汽通量散度(阴影区, 单位: ×10-8g·hPa-1·s-1·cm-2)及降水区域(红色方框) Fig. 4 850 hPa wind field (vector, unit: m·s-1), vapor flux divergence (the shaded, unit: ×10-8g·hPa-1·s-1·cm-2) and precipitation area (red box) of four kinds of Southwest Vortex

2007年7月17日12:00降水发生在西南涡东南侧[图 2(c)], 6 h最大降水量275.1 mm。分析其500 hPa环流形势, 盆地上空为一深槽[图 3(c)], 盆地西北角有一较大的低压中心, 在盆地南侧的槽上(27°N, 106°E)有一较小的低压中心。该时刻, 700 hPa西南气流较为强盛[图 3(c)]。850 hPa风场[图 4(c)]上有强烈的西南低空急流, 低空急流与盆地北部大巴山、秦岭相遇, 气流转向西。然后, 遇到高原转向南, 在盆地内形成气旋式环流。降水区域位于最强上升气流以北, 700 hPa西南涡东南侧。

分析2011年9月7日09:00降水在西南涡中部类型[图 2(d)], 该时刻6 h最大降水量158.5 mm。500 hPa盆地上空环流较为平直, 西风带上小槽位于盆地东北部。分析700 hPa风矢量图[图 3(d)]发现, 强烈的西南暖湿气流在大巴山(32°N, 108°E附近)强迫抬升后遇大范围干冷北风气流, 在盆地内形成环形流场, 潜热不断释放, 低压不断加强, 最终上升气流一直延伸至200 hPa, 引起位势不稳定的释放, 在西南涡中部形成降水。

对风场上各类西南涡环流特征的差异进行总结。西南涡东北降水型与中部降水型700 hPa风场相似, 冷暖气流均在盆地北部相遇。中部降水型相较于东北部降水型, 北方冷空气入侵范围较广, 西南暖湿气流更为强盛, 两支气流在盆地内形成环型的流场。而在东北部降水型中, 冷暖气流在盆地北部形成对峙状态。西南涡东部降水与东南部降水型850 hPa风场相似, 对流层中低层均无冷空气入侵, 西南气流遇到盆地北部山脉时转向。西南涡东部降水型中, 西南气流偏东, 西南气流翻跃大巴山后, 遇到秦岭, 气流进而向西运动。而在东南部降水型中, 西南气流遇大巴山时, 向西绕流。

造成西南涡降水方位不同的原因, 除与环流形势、风场的不同有关, 也与其水汽积聚的位置有关。由此, 对以上4种类型西南涡的850 hPa水汽通量散度进行分析。水汽通量散度计算公式▽·F如下:

式中: q为比湿; V为风速大小; u为纬向速度; v为经向速度。

降水在西南涡东北侧的情况中[图 4(a)], 盆地南侧围绕盆地边缘, 有一较弱水汽辐合区, 大量水汽在盆地西北侧积聚, 对应为700 hPa西南涡位置, 降水位于最大水汽辐合区附近。降水位于西南涡东侧[图 4(b)], 盆地西侧的向南气流与盆地西南侧地形相遇后, 在盆地西南角形成一较强水汽辐合区, 与西南涡位置相对应, 降水位于水汽辐合区东侧。在西南涡东南降水型中[图 4(c)], 对流层中低层无北方冷空气入侵, 西南低空急流在地形的影响下, 形成围绕盆地的水汽辐合带。在对流层中层小低压的配合下, 降水在盆地东南侧的水汽辐合区形成。在西南涡中部降水型中, 盆地西北侧有较强的冷空气入侵[图 4(d)], 使盆地西北侧水汽辐合带断裂。700 hPa西南气流与大巴山相遇处, 形成水汽辐合区, 降水位于包括水汽辐合区在内的大范围区域。

在以上四种类型中, 均可以观察到围绕盆地的水汽辐合带, 证明地形对水汽积聚的重要作用。除东南侧降水的类型外, 西南涡700 hPa低压中心位置上, 850 hPa均有水汽辐合区, 证明西南涡生成区伴随低层大量水汽的积聚, 而最大降水区通常位于水汽辐合区附近。在西南涡东南侧降水型中, 低空急流与盆地北侧地形相互作用, 易形成低压中心位于盆地中心的西南涡, 水汽辐合区围绕盆地边缘, 在其南侧的小低压作用下, 易形成位于西南涡东南侧的降水区。

穿过四类西南涡降水最大值区域做相对湿度、风场经向剖面图, 从而对引起降水的西南涡结构有进一步了解。

西南涡东北降水型[图 5(a)]的冷暖气流在盆地内呈对峙状态, 触发位势不稳定, 产生强烈上升气流。在气旋式上升气流南侧, 西南气流延伸至对流层中高层, 而在上升气流北侧, 中高层风速很小, 造成气旋式上升气流后部, 出现偏离上升气流的向北及下沉气流。下沉气流使750 hPa、32.5°N附近有高层冷空气入侵, 潜热释放, 降水加强。下沉气流与冷空气相遇处较高的相对湿度, 印证了高层冷空气入侵对低层降水的加强作用。上升气流、下沉气流与地面冷空气构成一垂直环流圈, 环流圈所在位置对应于西南涡降水区域。

图 5(Fig. 5)

图 5 沿各类西南涡最大降水区风场[矢量(经向风速与垂直风速的合成, 垂直风速×10), 单位: m·s-1]及≥90%相对湿度(阴影区)的垂直剖面 加粗箭头为经向环流圈 Fig. 5 Vertical profiles of wind field [vector (synthesis of meridional wind and vertical wind, vertical wind speed×10), unit: m·s-1] and the regions of relative humidity more than 90% (the shaded) along the maximum precipitation area of different Southwest Vortex. Bold arrow denotes meridional circulation circle

在西南涡东部降水型中[图 5(b)], 强烈的西南气流遇秦岭后向西绕流, 并从盆地西侧进入盆地, 势能转化为动能, 向南气流在盆地内加强, 并在盆地南部边缘强迫抬升, 触发强烈上升运动, 上升气流后部有一脱离气旋式环流的偏北气流, 偏北气流潜热释放, 形成降水。由此, 在西南涡上升气流、偏北气流构成的环流圈下方形成降水。

西南涡东南降水型[图 5(c)], 沿106°E穿过降水最大值中心做垂直剖面图, 发现在31°N盆地低层有较弱的上升气流, 上升气流随高度升高向南直到26°N左右, 且速度随高度增大, 高度达对流层层顶200 hPa左右, 较强的上升气流位置与500 hPa较小的低压中心位置相对应。由此, 可以得出, 低空急流遇到盆地北部大巴山时, 在盆地内31°N以南的低层有较弱的抬升, 盆地南边(约27°N, 106°E)对流层中层有一低压中心, 造成低压中心位置700 hPa以上为较强的上升气流, 地形强迫产生的较弱上升气流与500 hPa低压中心产生的较强的上升气流叠加, 造成此次降水, 降水区域位于最强上升气流以北。同时, 此次过程对流层中低层无冷空气入侵, 低空急流与盆地北部大巴山相遇, 在31°N附近产生较弱的上升运动, 使550 hPa有较弱的辐散, 进而形成一支向南的辐散气流, 辐散气流下方有强迫抬升的西南低空气流, 故在强迫抬升的气流上方形成降水。在500 hPa小低压产生的上升气流北部, 有一支下沉气流。携带高层干冷空气的下沉气流与低层暖湿空气相遇, 使降水加强, 进而造成最大降水区位于整个降水区南部, 降水区域对应于所示垂直环流圈位置。

西南涡中部降水型中[图 5(d)], 暖湿气流在盆地北侧与干冷气流相遇, 暖湿气流抬升。500 hPa、32.5°N及其下方为冷平流(图略), 上升气流与冷空气相遇, 气流向北辐散, 潜热释放, 气流下沉, 形成降水。上升气流、向北气流与下沉气流共同构成一垂直环流圈, 降水区域对应于垂直环流圈位置。

对各类西南涡降水形成机制的分析, 发现西南涡降水与其临近地区显著的垂直环流圈有密切关系, 该次级环流圈通常由西南涡附近的上升气流及其北侧的下沉气流构成, 环流圈位置与各类西南涡降水区对应。另外, 在西南涡东部与东南部降水的类型中, 均无北方冷空气入侵, 较有冷空气入侵的情况(西南涡东南部与中部降水类型), 降水位置偏南。这一结论与屠妮妮等(2012)的研究结果相似, 认为增加模式北边界温度会使西南涡位置偏南, 降水落区也偏南。

(1) 通过对2004—2017年夏半年西南涡及其降水方位进行统计, 发现降水频繁出现在西南涡东北部、东部、东南部、中部, 有些西南涡在两个及以上方位有降水, 或者无降水。分析四类频数较多的西南涡降水范围与强度, 发现四类西南涡平均最大6 h雨量均达到大暴雨的级别。其中, 西南涡中部降水型暴雨范围最广, 平均暴雨范围达12.3个站, 且降水强度最强, 6 h平均最大降水量达80 mm; 其次为东南降水型、东部降水型与东北降水型。

(2) 分析总结各类西南涡环流的特征。西南气流对4类西南涡的形成均起到不可或缺的作用。在4类西南涡中, 东北降水型与中部降水型流场相似, 冷暖气流在盆地北部交汇。不同的是, 中部降水型冷空气入侵范围较广, 西南气流更为强盛, 两支气流在盆地内形成环型的流场。而东北部降水型中, 两支气流形成对峙状态。东部降水型与东南部降水型风场相似, 对流层中低层均无冷空气入侵, 西南气流到达盆地北部山脉时转向西。不同的是, 西南涡东部降水型中, 西南气流偏东, 遇秦岭后向西绕流, 进入盆地后加强。而在东南部降水型中, 西南气流遇大巴山向西绕流, 使盆地东部气流较弱。

(3) 在以上四种类型中, 均可以观测到围绕盆地的水汽辐合带, 证明地形对水汽积聚的重要作用。西南涡低层有充沛的水汽积聚, 降水区通常位于水汽辐合区附近。对大气垂直运动的分析发现, 在西南涡临近地区, 都对应有显著的垂直环流圈, 该环流圈通常由西南涡附近的上升气流及其北侧的下沉气流构成, 而降水区通常与环流圈位置相对应。通过对比4类西南涡的降水特征, 发现在无冷空气入侵的情况下, 西南涡降水位置较偏南。