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  暴雨灾害   2020, Vol. 40 Issue (6): 577-588.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2021.06.002

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2021.06.002

资助项目

国家自然科学基金项目(91937301)

第一作者

郁淑华,主要从事高原及其邻近地区灾害性天气的天气动力学研究。E-mail: scshuhuayu@163.com.

文章历史

收稿日期:2019-02-10
定稿日期:2020-10-10
2012—2017年不同涡源西南低涡多发的影响因素分析
郁淑华1,2 , 高文良1,2,3 , 彭骏1,2     
1. 中国气象局成都高原气象研究所, 成都 610072;
2. 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 成都 610072;
3. 雅安市气象局, 雅安 625000
摘要:利用NCEP/FNL 1°×1°再分析资料、地面观测资料、高空探测资料和西南低涡年鉴,通过分析2012—2017年不同涡源西南低涡的活动情况,对九龙涡、盆地涡、小金涡生成时间最多月份的各低涡生成前与生成时的风场、其它物理特性合成场进行合成分析与对比分析,得出了环境风场、冷暖空气与锋生作用对九龙涡、盆地涡与小金涡生成的影响。结果表明:(1)3—6月是西南涡生成与移出涡源的多发时段,西南涡中以九龙涡为主,盆地涡次之,小金涡易移出涡源。(2)九龙涡、小金涡的生成与偏南气流流入各自涡区的开口地形有关,但小金涡流入的气流比九龙涡强,盆地涡生成与切变线有关。(3)九龙涡、小金涡的生成还受高原背风坡地面加热与西南气流影响,与暖平流区内有正的非热成风涡度有关,但九龙涡所处的暖平流区范围比小金涡的大,强度远不如小金涡,盆地涡的生成与涡区内有斜压性增强有关。(4)九龙涡、小金涡、盆地涡的生成与各自涡区内锋生强度增强有关,但各自影响锋生作用的因素不同,小金涡的生成主要受非绝热变化过程影响的锋生作用,九龙涡的生成受非绝热变化过程影响为主,以及水平、垂直运动共同影响的锋生作用,盆地涡的生成受垂直运动影响为主,以及非绝热变化过程共同影响的锋生作用。
关键词西南涡    九龙涡    小金涡    盆地涡    涡源    合成分析    锋生作用    
Analysis of influencing factors on frequent occurrence of Southwest China Vortexes with different vortex sources from 2012 to 2017
YU Shuhua1,2 , GAO Wenliang1,2,3 , PENG Jun1,2     
1. Institute of Plateau Meteorology, CMA, Chengdu 610072;
2. Heavy rain and Drought-Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072;
3. Ya'an Meteorogical Service, Ya'an 625000
Abstract: Based on NCEP/FNL, surface observation and upper-air sounding data, and entries of the Southwest China Vortexes(SCVs) Yearbook, we analyzed the activities of Southwest China Vortexes with different vortex sources from 2012 to 2017. Composite and comparative analyses are conducted to the respective wind and other composite physical fields for the characteristics of Jiulong vortex, basin vortex and Xiaojin vortex prior and during the generation phase in the most frequent occurrence time of the year. The effects of background wind, cold and warm air flows, and frontogenesis on the generation of Jiulong vortex, basin vortex and Xiaojin vortex are then obtained. Results are as follows. (1) The main generation and moving period of SCV is from March to June. Jiulong vortex has the main role in SCV, followed by basin vortex. Xiaojing vortex is the least but has the biggest chance to move out of the source. (2) The formation of the Jiulong Vortex and the Xiaojin Vortex is related to the open shape topography of the southwest airflow flowing into their respective vortexes and the wind in Xiaojing vortex is stronger. The formation of the basin vortexes is related to the shear line. (3) The formation of Jiulong vortex and Xiaojin vortex is also related to the positive non-thermal wind vorticity in the warm advection area due to the influence of surface heating and southwest airflow on the leeward slope of the Plateau. However, the warm advection area of Jiulong vortex is larger than that of Xiaojin vortex, and its intensity is much lower than that of Xiaojin vortex. The formation of basin vortex is related to the stronger baroclinic effect of the cold air. (4) The formation of Jiulong vortex, Xiaojin vortex and basin vortex is all related to the enhancement of frontogenesis intensity of the respective vortex sources. But the factors influencing frontogenesis are different. The generation of Xiaojin vortex is mainly affected by the non-adiabatic pro?cess, and the formation of Jiulong vortex is mainly affected by the non-adiabatic change process, together with the horizontal and vertical motion of the airflow. The basin vortex generation is mainly affected by the vertical motion and the non-adiabatic also has some impact on it.
Key words: southwest China vortex    Jiulong vortex    Xiaojin vortex    basin vortex    vortex sources    composite analysis    frontogenesis effect    
引言

西南低涡(以下简称西南涡)是在青藏高原特殊地形影响下,在一定的环流形势下产生的,它在影响降水的天气系统中,占有重要的地位。四川“81.7”、河南“75.8”等特大暴雨中,西南涡是主要的影响天气系统之一(卢敬华,1986陈忠明等,2003孙婕和李国平,2013)。

西南涡的研究,一直受到气象工作者的重视(陶诗言,1980韦统键和薛建军,1996陈忠明等,1998李跃清和黄仪方,1994赵平和孙淑清,1991朱禾等,2002黄福均和肖洪郁,1989高守亭,1987陈忠明,1990李国平等,1991吴国雄和刘还珠,1999Chang et al., 2000Wang and Gao, 2003)。近十多年来,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)从位涡方程出发导出描述三维涡度强度变化方程,分析大气层结及其变化等对三维涡度强度变化的影响。姜勇强等(2004)分析表明,冷空气活动和干湿对比明显的能量锋系统对西南涡也有明显的影响。陈丽芳等(2004)数值模拟发现,锋面最强位置与低涡最强位置在纬向上是接近一致的,低涡加强发展时锋生东传明显。何光碧等(2005)数值模拟表明,西南低空急流在暴雨出现前建立,四川暴雨和四川盆地涡(以下简称盆地涡)同时出现。周国兵和沈桐立(2006)的研究表明,“桑达”台风西侧吹入内陆的东北气流在西南涡的东南侧出现气流辐合并使得水汽迅速聚积,从而触发了在西南涡附近的特大暴雨天气过程。陈栋等(2007)指出,在“鞍”型大尺度环流背景下利于西南涡发展。蒋璐君等(2015)利用TRMM资料分析低涡降水指出,西南涡降水中对流降水所占比例比高原涡的大,西南涡降水过程中对流旺盛程度强于高原涡。

一些研究(马振锋和汪之义,1993陈忠明和闵文彬,1999陈启智等,2007)指出西南涡活动的一些基本事实、活动特征与成因。李超等(2015)首次揭示了西南涡三个主要涡源的相互联系,指出上游九龙、小金涡对于下游盆地涡有重要的影响。慕丹和李跃清(2018)指出了西南涡之九龙涡与川西高原南侧地形密切联系。Yu等(2016)也指出了高原低涡与西南涡共同活动的基本事实与活动特征。但这些研究对不同涡源的西南涡还缺少研究,不同涡源西南涡的活动情况如何、各自形成原因有何异同还不清楚,值得进一步探讨。这些对于进一步认识西南涡形成的机理、指导西南涡的预报和减少其造成的灾害具有十分重要的意义。为此,本文利用多种资料,分析2012—2017年不同涡源西南涡的活动情况、环境风场、冷暖空气、锋生的作用,试图揭示不同涡源西南涡多发成因方面的一些认识。

1 研究方法及选例

在分析2012—2017年不同涡源西南涡活动情况的基础上,对不同涡源生成最多月份的西南涡生成时的合成风场、锋生、锋消等物理特性合成场与生成前进行比较分析研究。

1.1 合成分析方法及选例

西南涡指700 hPa等压面上生成于青藏高原背风坡(99°—109°E、26°—33°N),连续出现2次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。根据低涡生成区域,西南涡又分为九龙涡、盆地涡和小金涡(中国气象局成都高原气象研究所和中国气象学会高原气象学委员会,2013)。图 1给出九龙涡、盆地涡、小金涡的生成区域及其海拔高度,由图 1可以看出,九龙涡、小金涡分别生成在青藏高原的东南侧、东侧,盆地涡主要生成在四川盆地上空。西南涡移出是指九龙涡、盆地涡、小金涡移出其生成的区域。

图 1 九龙涡、盆地涡、小金涡的涡源区域与海拔高度(1、2、3分别示为九龙涡、盆地涡、小金涡的涡源区域,阴影区为海拔高度,单位: m) Fig. 1 The elevation and vortex source region of Jiulong vortex, basin vortex and Xiaojing vortex (The number 1, 2, 3 indicate the Jiulong vortex, basin vortex, and Xiaojin vortex respectively. Boxs indicate vortex source region).

由于不同涡源西南涡生成的区域不大,因此对同一涡源西南涡的各物理量场的合成,是对某一时刻某种物理场作算术平均。当选取某涡源西南涡合成分析个例时为消除日变化的影响,选取以在2012—2017年中某涡源西南涡生成的最多月份内,以某年的最多个例中挑选出出现最多时次的个例,九龙涡选取的是2012年6月的20时(北京时,下同),盆地涡选取的是2012年3月的08时,小金涡选取的是2013年3月的20时。

依据合成分析个例的选取原则,选取的不同涡源西南涡的合成分析个例见表 1

表 1 各涡源西南涡合成个例生成时实况与NCEP/FNL的中心位置及强度 Table 1 The center position and intensity reflected by NCEP/FNL and observational data in the composite cases of the SCV generation phase with different vortex sources.
1.2 锋生诊断

锋生、锋消函数(刘健文等,2011)为

$ \begin{array}{l} F = - \frac{{\partial {\theta _{se}}}}{{\partial x}}\frac{{\partial u}}{{\partial x}} - \frac{{\partial w}}{{\partial x}}\frac{{\partial {\theta _{se}}}}{{\partial z}} + \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{F_1}\;\;\;\;\;\;\;\;{F_2}\;\;\;\;\;\;\;\;{F_3} \end{array} $ (1)

其中F可分解成三级部分,即与水平运动有关的水平运动项-F1;与垂直运动有关的垂直运动项-F2;与非绝热变化有关的的非绝热项F3。正值表示锋生,负值表示锋消。锋生消单位简写为FU,单位为10-10 m-1·K·s-1

$ \frac{\partial Q}{\partial x}=\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial \theta_{s e}}{\partial t}\right)+u \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial \theta}{\partial x}\right)+w \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial \theta_{s e}}{\partial z}\right)+\frac{\partial \theta_{s e}}{\partial x} \frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial w}{\partial x} \frac{\partial \theta_{s e}}{\partial z} $ (2)
2 资料及可行性分析 2.1 资料

本文所用的资料包括: (1) 2012—2017年每日08时、20时的700 hPa高空探测资料、地面观测资料;(2) 时间分辨率为6 h,水平分辨率为1° × 1°的NCEP/FNL 2012—2016年3、6月资料;(3) 中国气象局成都高原气象研究所、中国气象学会高原气象学委员会编著出版的现有的西南低涡年鉴2012—2017年册。

2.2 NCEP/FNL的可信性分析

虽然NCEP再分析资料已在西南涡研究中得到了广泛应用(周国兵等,2006黄楚惠等,2011),为慎重起见,首先比较九龙涡、盆地涡、小金涡的各合成个例生成时次的常规气象观测资料的700 hPa形势场(简称实况)及NCEP/FNL得到的700 hPa形势场。以位势高度代表低涡中心强、弱。表 1给出九龙涡、盆地涡、小金涡的各合成个例生成时次的实况与NCEP/FNL分析的低涡中心位置及强度。由表 1所见,NCEP/FNL分析的低涡位置、强度与实况比较接近,东西最大偏差在1.5个经度内,南北最大偏差在2.4个纬度内,低涡中心强度最大偏差不超过2 dagpm。由此可见,NCEP/FNL提供的格点分析资料是可信的,NCEP/FNL能较好地反映九龙涡、盆地涡、小金涡的各合成个例生成。

2.3 个例的降水情况

西南涡编号是以“D”字母开头,按年份的后二位数与当年低涡顺序二位数组成(中国气象局成都高原气象研究所和中国气象学会高原气象学委员会,2013)。为了解三个源地西南低涡多发的活动与降水的联系,现将不同涡源西南涡合成分析个例的过程雨量分布情况与雨量中心强度、位置列于表 2。由表 2可以看出,大部分个例能造成跨省的中雨以上降水,其中暴雨过程4次,3次中心雨量在100 mm以上,过程雨量100 mm以上的都是九龙涡造成的,分别是D12066西南涡过程(四川犍为1 d雨量为117 mm)、D12063西南涡过程(湖南慈利2 d雨量为243.3 mm)、D12062西南涡过程(广西昭平4 d雨量为441.3 mm)。3月份的8次过程中,中雨以上过程占63%,我国西南地区3月份中雨过程是不多见的(徐裕华,1991)。这些合成分析个例的过程,影响区域跨3个省份的占93%,跨5个省份的占三分之二强,其中有一次降水影响区域跨12个省份。说明虽然盆地涡、小金涡的多发月份在3月份,九龙涡的多发月份在6月份,都不在主汛期内,但九龙涡、盆地涡、小金涡对我国西南部、中部降水影响很大。

表 2 各涡源西南涡合成分析个例的雨区范围与极值分布 Table 2 The rainfall distribution region and extremum of composite SCV cases for different vortex sources.
3 九龙涡、盆地涡、小金涡的活动情况

图 2给出了2012—2017年西南涡与九龙涡、盆地涡、小金涡生成及其移出的各月次数。从图 2a看出,3—6月是西南涡的多发时段,3—6月每月的总次数都在54次以上,平均每年每月有9次以上;同时3—6月也是西南涡移出涡源的多发时段,3—6月各月移出涡源总次数在19次以上,平均每年每月有3次以上。从图 2b看出,九龙涡的各月生成次数变化曲线与西南涡(图 2a)相似,6月生成次数最多,6月之前呈上升趋势,6月之后呈下降趋势,反映了九龙涡在西南涡生成中占有最重要的位置。这与陈启智等(2007)提出的的结果一致。罗清等(2018)也指出,西南涡生成最多的是春季,其中九龙涡生成最多的季节是夏季,盆地涡生成最多的是冬季,其次是春季;小金涡生成最多的是春季。从图 2c看出,盆地涡3月生成次数最多,3月之后缓慢下降,但是6月份生成次数仍有19次之多,说明3—6月是西南涡多发时段,主要是由九龙涡其次是盆地涡造成的。这与卢敬华(1986)指出的结果相一致。从图 2d看出,小金涡虽然各月生成次数比九龙涡、盆地涡少很多,但它移出涡源的几率最高,3月、8月生成的小金涡,都能移出其涡源区,因此小金涡的活动不容忽视。另外,6月份是九龙涡的多发月份,其中,2012年6月最多,共12次;3月份是盆地涡、小金涡的多发月份,其中,2012年3月盆地涡最多,共7次;2013年3月小金涡最多,共4次。这也为选择不同涡源西南涡合成分析个例提供了佐证。

图 2 2012—2017年西南低涡(a)、九龙涡(b)、盆地涡(c)与小金涡(d)生成(实心圆)及其移出(空心圆)涡源的各月次数 Fig. 2 The generation (solid circle) and departure source region (opening circle) occurrence time in months of (a)Southwest vortex, (b) Jinlong vortex, (c) basin vortex, and (d) Xiaojing vortex.
4 环境风场

卢敬华(1986)指出青藏高原东侧的摩擦作用和四川盆地的特殊障碍作用,对该地气旋性环流的形成占有相当重要的地位。高守亭(1987)指出四川盆地及其周围地形是西南涡形成的一个直接动力原因。其中的西南涡是九龙涡、盆地涡、小金涡的统称。下面对九龙涡、盆地涡、小金涡这些不同涡源生成期间700 hPa合成风场、南风增量场、涡度场进行比较分析,加以探讨在高原地形作用下,环境风场对不同涡源西南涡影响有何差异。

4.1 偏南气流对九龙涡的影响

图 34给出了九龙涡、盆地涡、小金涡生成时、生成前12 h、生成前24 h的700 hPa合成风场、700 hPa合成南风24 h增量分布。从九龙涡生成时与生成前12 h、24 h的700 hPa合成风场(图 3abc)比较看出,青藏高原以南的天气系统,从九龙涡生成前24 h无低槽,以西风气流为主(图 3c),生成前12 h有浅槽(图 3b),到生成时的低槽(图 3a),使孟加拉湾(以下简称孟湾)流入九龙涡区的气流,在九龙涡生成前24 h、12 h无,到生成时流入九龙涡区,且气流一直增强。从九龙涡生成时与生成前12 h、24 h的700 hPa合成24 h南风增量(4a、b、c)也可以看出,由于涡区及涡区西南部以南都是偏南风(图 3abc),因此图 4abc的南风增量正值是反映南风的增强量。由图 4abc可以看出,九龙涡生成前24 h到生成时,涡区及涡区西南部以南都存在正值区即南风增强区,且逐步扩大、加强。这一增强的西南气流从四川南部开口地形(101°—104°E、26°— 29°N,图 1)进入九龙涡区,受此涡区地形影响,在九龙涡区形成明显的气旋曲度(由于6个个例合成的原因,未出现闭合低压环流)。由图 3abc还可以看出,生成时九龙涡区内的气旋曲度(图 3a)比生成前12 h、24 h的明显(3b、c),反映九龙涡生成时九龙涡区曲率涡度正值比之前加大,与此同时,九龙涡生成时气旋性涡度由生成前12 h的3.009×10-5 s-1增加到3.859×10-5 s-1 (表 3)。由此可以看出6月份九龙涡多发是与高原以南700 hPa低槽南伸、孟湾西南气流加强、从高原东南侧开口地形流入,使气旋性涡度增加有关的。

图 3 九龙涡、盆地涡、小金涡生成时(a、d、g)、生成前12 h (b、e、h)、生成前24 h (c、f、i) 700 hPa合成风场(单位: m·s-1) (彩色阴影区代表海拔高度≥3 km区域,框线示为涡源区域) Fig. 3 The composite wind field (unit: m·s-1) in (a, d, g) generation phase, (b, e, h) 12 h prior the generation phase, and (c, f, i) 24 h prior the generation phase on 700 hPa of the Jiulong vortex, basion vortex, and Xiaojin vortex, respectively (The color shadowed area is the area with altitude more than 3 km. Boxs indicate vortex source region).

图 4 九龙涡、盆地涡、小金涡生成时(a、d、g)、生成前12 h(b、e、h)、生成前24 h(c、f、i)700 hPa合成南风分量24 h增量(等值线,单位: m·s-1, 框线和彩色阴影区说明同图 3) Fig. 4 The 24 h south wind increment field (contour lines, unit: m·s-1) in (a, d, g) generation phase, (b, e, h) 12 h before the generation phase, and (c, f, i) 24 h before the generation phase of the Jiulong vortex, basion vortex, and Xiaojin vortex, respectively (The box line and color shadowed area is same as Fig. 3).

表 3 不同涡源西南涡各时次涡区内合成涡度(单位: 10-5 s-1) Table 3 The composite vorticity of different vortex sources of SCV in different times (unit: 10-5 s-1).
4.2 北支、南支气流交汇对盆地涡的影响

从盆地涡生成时与生成前12 h、24 h的700 hPa合成风场(图 3def)比较看出,盆地涡生成前24 h、12 h以及生成时,高原南部以及北部,以西风气流为主,高原以东-盆地涡处于北、南两支气流的汇合处,反映了西风气流经过高原大地形分支、绕流明显。受北支偏东北气流与南支偏西南气流的交汇影响,盆地涡生成前24 h在30.5°N,104°—106°E有弱切变(图 3f);生成前12 h由于入流盆地涡区的东北气流加强,比入流的西南气流的加强明显,此弱切变南压并加强,位置位于29.5°N,106°—108°E(图 3e);生成时切变线长度大于5个经/纬距,切变线上有圆性气旋性闭合环流,并伴有低压中心,盆地涡生成(图 3d)。另外,从盆地涡生成时与生成前12 h、24 h的700 hPa合成南风24 h增量(图 4def)比较可以看出,盆地涡生成前24 h、12 h以及生成时涡区内横切变线以北的南风增量分别为-9 m·s-1、-5 m·s-1、-3 m·s-1,涡区内横切变线以南的南风增量分别为负值、3 m·s-1、2 m·s-1,相应在盆地涡区内横切变线附近(29°—31°N)的最大合成涡度、平均合成涡度在盆地涡生成时分别为6.025×10-5 s-1、2.824 ×10-5 s-1,生成前12 h分别为4.295 ×10-5 s-1、2.555 ×10-5 s-1,生成前24 h分别为3.899 ×10-5 s-1、2.029×10-5 s-1(表 3),盆地涡生成时最大合成涡度、平均合成涡度比生成前12 h、24 h明显增加,尤其是最大合成涡度。说明盆地涡生成前24 h到生成时涡区内横切变线北、南两侧风加强,使横切变线加强而产生辐合作用,这种辐合作用产生涡度倾向,从而导致盆地涡生成。由此不难看出,3月份盆地涡多发,是与西风气流经过高原大地形分支,绕流后,在盆地涡区内形成切变线,并且切变线北、南两侧风加强密切相关的。

4.3 北伸的偏南气流对小金涡的影响

图 3为九龙涡、盆地涡、小金涡生成时与生成前12 h、24 h的700 hPa合成风场,从小金涡(图 3 ghi) 的合成风场可以看出,小金涡生成前24 h孟湾以北90°E有一低槽(图 3i),生成前12 h此低槽东移到93.5°E,南伸到21°N (图 3h),生成时此低槽继续加强南伸(图 3g)。从小金涡生成时与生成前12 h、24 h的700 hPa合成南风增量(图 4ghi)也可以看出进入四川南部的偏南气流强度比九龙涡的大。由于涡区东部及其以东、以南都是偏南风,涡区西部都是偏西风(图 3 ghi),因此那里的南风增量正值是反映南风增强量。由图 4ghi可以看出,小金涡生成前24 h到生成时,涡区东部及其以东、以南,存在较强正值带区,小金涡区东南部有明显的南风增强区,这一增强的偏南气流进入小金涡区东南部开口地形(102°—104°E、30.5°— 32.5°N,图 1)后,受此涡区地形影响,在小金涡区形成明显的气旋曲度,生成时小金涡区内的气旋曲度(图 3g),比生成前12 h、24 h的明显(图 3hi),反映了小金涡生成时涡区曲率涡度正值比之前加大。与此同时,小金涡生成时涡区最大涡度、平均涡度生成时分别为2.46×10-5 s-1、0.362×10-5 s-1,生成前12 h分别为2.452 × 10-5 s-1、0.109 × 10-5 s-1,生成前24 h分别为1.924×10-5 s-1、-0.344×10-5 s-1 (表 3),小金涡生成时气旋性涡度比生成前12 h、24 h增加。不难看出3月份小金涡多发,是与700 hPa高原以南的低槽比九龙涡的偏东、南伸,流入四川南部的偏南气流比九龙涡的强且偏北有关。

由以上分析看出,不同涡源西南涡多发的环境风场是不同的。九龙涡、小金涡多发,与偏南气流流入各自涡区南部的开口地形有关,不同的是在高原以南的低槽,小金涡的比九龙涡的偏东且更南伸,南部的气流比九龙涡的强,盆地涡多发与西风气流经高原绕流后,北、南两支气流在四川盆地汇合形成的切变线有关。还可看出,盆地涡的强度比九龙涡强,小金涡是西南涡中最弱的一类,这可能是与气流经高原地形绕流后汇合的辐合作用产生涡度倾向而产生的低涡,比气流流入开口地形后受地形影响使曲率涡度加大,而形成高原东侧、东南侧中尺度气旋性环流的影响更大有关。

5 冷暖空气与锋生作用

西南涡多发的成因比较复杂,有诸多因素参与作用。高守亭和周玉淑(2019)指出,在锋面附近,由于锋面上风的垂直切变很大,加之锋面抬升使垂直运动增强,也极易形成中尺度对流涡,是具有高惯性稳定性的中尺度气旋性涡旋系统,西南涡就是其中之一。反映了锋面是与中尺度涡旋相联系的。锋的特征可以在对流层各层出现,一般把在对流层低层具有明显锋特征的锋称为“低层锋”,强温度梯度集中的狭长区域为锋面(寿绍文等,2009)。对九龙涡、小金涡、盆地涡而言,由于九龙涡、小金涡、盆地涡分别处在青藏高原东南侧、东侧、高原东部周边,高原受地表影响温度高,在受东北方向冷空气侵入影响的情况下,会在高原边缘或高原附近区形成温度梯度集中带,可视为700 hPa高原边缘或高原附近存在锋面,一般锋面两侧分别存在直接环流、间接环流(柳俊杰等,2003),因此在九龙涡、小金涡、盆地涡的锋面西(东)侧存在直接环流(间接环流),暖区的直接环流可将700 hPa以上的高位涡下传至此锋面附近,吴国雄和刘还珠(1999)指出高位涡下传,会引起低层垂直涡度发展,从而加强低涡。所以,高位涡下传会造成700 hPa原有的气旋弯曲(九龙涡、小金涡)或切变线低涡(盆地涡)正位涡异常,使气旋弯曲或切变线低涡的等压面向下弯曲,位势高度降低,可诱生一个气旋性环流,使在原有的气旋弯曲处或切变线处叠加一个气旋性环流,起到加强在原有的气旋弯曲或切变线低涡的气旋性涡度的作用。朱乾根等(1981)指出,锋生作用加强处,经过一段时间后低层流场就会发生变化,风的气旋性切变也将明显起作用加强。因此,锋生是与气旋性涡度增强相联系的。下面对九龙涡、盆地涡、小金涡生成期间,700 hPa合成温度、温度平流与水平运动、垂直运动、非绝热加热引起的锋生作用进行比较分析,以探讨冷暖空气与锋生作用对不同涡源的西南涡多发的影响。

5.1 对九龙涡的影响

图 5给出了九龙涡、盆地涡、小金涡生成时、生成前12 h、生成前24 h的700 hPa合成温度、温度平流、垂直速度分布。从图 5abc比较可以看出,九龙涡生成前24 h,有来自东北方的冷空气入侵涡区东北部(11℃),涡区西南部有≥13℃的暖区(图 5c),这一暖区呈西北-东南向,与海拔高度分布较一致,此处地形高度接近700 hPa,反映了这一暖区主要是由高原东南侧地面加热造成的,由于此时涡区大部分区域为偏东南风(图 3c),造成了此时涡区大部分区域为冷平流(图 5c);生成前12 h,来自东北方的冷空气从涡区东北部深入到了涡区西南部,涡区内大部分区域温度≤11℃ (图 5b),由于涡区大部分区域为偏东南风(图 3b),造成了涡区大部分区域为暖平流区(<0.5×10-5 K·s-1图 5b);生成时的九龙涡区东部温度≤11℃,涡区内西北向东南大部为温度≥13℃的暖区(图 5a),此时涡区东部为偏东风,涡区西南部为偏西南风(图 3a),造成了涡区东部、西南部为冷平流区,涡区西北、东南部为暖平流区,最大值为0.869×10-5 K·s-1,涡区内明显的气旋曲度处在暖平流区内、且暖平流在增强。相应生成时九龙涡区内上升运动速度(-0.528 Pa·s-1)比生成前12 h (-0.362 Pa·s-1)、24 h(-0.467 Pa·s-1)增强,这一上升运动增强可能是由于九龙涡生成前12 h到生成时在涡区西北、东南部暖平流分布不均匀引起的,上升运动增强利于低涡生成。根据非绝热、有摩擦情况下的热成风适应原理,暖平流分布不均匀之处,热成风平衡被破坏,产生正的非热成风涡度,在热成风适应过程中将产生上升运动、利于低涡生成(李国平等,1991)。说明地形高度接近700 hPa的九龙涡涡区的暖平流分布不均匀是利于九龙涡生成的。

图 5 九龙涡、盆地涡、小金涡生成时(a、d、g)、生成前12 h (b、e、h)、生成前24 h (c、f、i) 700 hPa合成温度(红色虚线,单位: ℃)、温度平流(绿色等值线,单位: 10-5 K·s-1)、垂直速度(蓝色等值线,单位: Pa·s-1,框线和彩色阴影区说明同图 3) Fig. 5 The composite temperature field (red dotted line, unit: ℃) on 700 hPa, the temperature advection (green contour, unit: 10-5 K·S-1) on 700 hPa, and the vertical wind speed (blue contour line, unit: Pa·s-1) on 700 hPa in (a, d, g) generation phase, (b, e, h) 12 h prior the generation phase, and (c, f, i) 24 h prior the generation phase to Jiulong vortex, basion vortex, and Xiaojin vortex, respectively (The box line and color shadowed area is same as in Fig. 3).

由温度场分析可以看出,九龙涡生成时从高原东南侧经云南北部到高原南侧的等温线(图 5a)比生成前12 h(图 5b)明显加密,反映了九龙涡生成时从高原东南侧经云南北部到高原南侧有锋面存在。图 6给出了九龙涡涡区内生成前12 h、生成时的700 hPa锋生函数值及生成时各分量水平运动项、垂直运动项、非绝热项分布。从图 6可以看出,生成前12 h涡区内锋生、锋消值的F分布,涡区内绝大部分区域为负值,即锋消区占绝大部分,最大锋消值在涡区东北部,为-12.684 FU。只有涡区西南、西北、中部有锋生区(图 6a)。生成时涡区内锋生区比生成前12 h明显扩大,集中分布在二个成片的区域(图 6b),一个位于涡区东北、东、东南、南部成片的区域(简称: 涡区东部锋生区),另一个位于涡区西北、北部成片的区域(简称: 涡区北部锋生区)。这二个成片的锋生区与九龙涡生成时的明显气旋曲度处(图 3a)相吻合,并在北、南部分别伴有13.441 FU、3.737 FU中心,F值比前12 h明显增加,涡区北部锋生强度很强。反映了锋生是利于九龙涡生成的。还可看出,涡区东部锋生区主要是由垂直运动、水平运动与非绝热变化过程共同影响造成的(图 6dce),涡区北部锋生区主要是由非绝热变化过程影响造成的(图 6e),此锋生区地形高度最接近700 hPa。说明九龙涡生成是以非绝热变化过程对锋生的正贡献为主,也与垂直运动、水平运动对锋生的正贡献加入密切相关。

图 6 九龙涡涡区内700 hPa锋生函数值及各分量分布(单位: 10-10 m-·1K·s-1):生成前12 h F值(a);生成时F值(b);生成时F1值(c);生成时F2值(d);生成时F3值(e) Fig. 6 The distribution fields of frontogenesis function and its components on 700 hPa of Jiulong vortex zone (unit: 10-10 m-·1K·s-1) (a) 12 h prior the generation of F, (b) on generation time of F, (c) on generation time of F1, (d) on generation time of F2, and (e) on generation time of F3.
5.2 对盆地涡的影响

从盆地涡生成时与生成前12、24 h涡区内700 hPa合成温度、温度平流场(图 5def)的比较可以看出,盆地涡生成前24 h (图 5f),有来自北方的冷空气入侵涡区北部(-5 ℃),冷温度槽伸到了涡区西南部,由于此时涡区北半部与南半部分别为偏东风与偏西南风(图 3f),造成了此时涡区北半部与南半部分别为暖平流与冷平流;之后,随着盆地涡区以北冷温度槽东移,南方暖空气北进势力加强,生成前12 h入侵涡区北部的冷空气稍有北推(图 5e),由于此时涡区北半部与南半部分别为东北风与西南风(图 3e),且加强,尤其是南半部,造成了此时涡区暖平流范围扩大,涡区中西部为暖、冷平流相间区;盆地涡生成时(图 5d),又有北方冷温度波动东传经向叠加在涡区北部的冷温度槽上,入侵涡区的冷空气(-5 ℃)比盆地涡生成前12 h明显南伸,造成了此时涡区南半部的冷平流区扩大,盆地涡在切变线上涡区中西部的冷平流(-6~-9×10-5 K·s-1)区内生成,即存在受冷平流影响,斜压性增强利于低涡生成的条件(郁淑华,2018)。反映了盆地涡生成时冷空气入侵涡区的情况及温度平流的分布与九龙涡是不同的,受北方冷空气影响,斜压性增强是利于盆地涡生成的。

由温度场分析看出,盆地涡生成时(图 5d)与生成前12 h (图 5e)从四川盆地内的长江附近到高原东南侧有等温线密集带,盆地涡生成时此等温线密集带比生成前12 h偏南,反映盆地涡生成时从四川盆地内的长江附近到高原东南侧有锋面存在。图 7给出了盆地涡涡区内生成前12 h、生成时700 hPa锋生函数值及生成时各分量的水平运动项、垂直运动项、非绝热项分布。从盆地涡生成时、生成前12 h涡区内700 hPa锋生、锋消分布看出,生成前12 h涡区内锋生、锋消值F分布(图 7a),涡区内绝大部分区域为负值,即锋消区占绝大部分,最大锋消值在涡区西部,为-19.56 FU;锋生区主要分布在涡区西南部、西北部。生成前12 h涡区内锋消区域占涡区面积67%,比九龙涡的(77%)稍小些,但负值强度比九龙涡的强,即锋消强度比九龙涡的强。生成时涡区内锋生区比生成前12 h扩大(图 7b),涡区内锋生区域比锋消区域大。F正值区主要分布在涡区内28°N以南区域与涡区中部、东、东北部成片区域(图 7b),对照盆地涡生成时的流场图(图 3d)不难看出,盆地涡所处的横切变线及其以南有大片F正值区,盆地涡中心处在F正值区内,伴有5.17 FU中心,F值比前12 h增加6.71 FU,反映了锋生是利于盆地涡生成的。还可看出,涡区内28°N以南区域的锋生区主要是由非绝热变化项F3影响造成的(图 7e),涡区中部、东、东北部成片的锋生区主要是由垂直运动项F2影响造成的(图 7d),盆地涡中心区锋生大值主要也是由垂直运动项F2影响造成的(图 7d),水平运动项F1起锋消作用(图 7c)。说明盆地涡生成是由垂直运动比非绝热变化过程影响更大的两者对锋生的正贡献密切相关的。这与九龙涡生成是由非绝热变化过程对锋生的正贡献为主是有区别的。

图 7图 6, 涡源为盆地涡 Fig. 7 Same as fig. 6 but for Basin Vortex.
5.3 对小金涡的影响

从小金涡生成时、生成前12、24 h涡区内700 hPa合成温度、温度平流场(图 5ghi)比较看出,小金涡生成前24 h(图 5i),有来自东北方的冷空气入侵涡区东南部(3 ℃),涡区大部有≥9 ℃的暖区,这一暖区呈西—东向,与海拔高度分布较一致,此处地形高度接近700 hPa,反映了这一暖区主要是由高原东侧地面加热造成的,暖中心在涡区中部,由于此时涡区东部与西部分别为偏东南风与偏西南风(图 3i),造成了涡区中部有小区域为暖平流,大部分区域为冷平流;之后冷温度槽略微西伸,生成前12 h小金涡区东部有温度≤1℃区域(图 5h),由于此时涡区内为偏南风(图 3h),造成了涡区内大部分区域为暖平流(<1.6×10-5 K·s-1);小金涡生成时(图 4g),冷温度槽继续西南伸,由于我国南方暖空气势力稳定,和高原背风坡地面加热作用,使涡区东部出现明显的温度梯度,又由于此时涡区东、西部,分别为偏东南风、偏西风(图 3g),造成了涡区北、南、东南部均为暖平流,最大值为6.308×10-5 K·s-1,暖平流加强,其余区域为冷平流,涡区内明显的气旋曲度处在涡区东南部的暖平流区内,且暖平流在增强,由于在涡区东南部暖平流分布不均匀,类同九龙涡,产生正的非热成风涡度,在热成风适应过程中将产生上升运动,相应地生成时小金涡区内上升运动速度(图 5g,-0.781 Pa·s-1)比生成前12 h(图 5h,-0.205 Pa·s-1)增强,利于小金涡生成。说明小金涡涡区的温度平流分布是利于小金涡生成,小金涡生成有与九龙涡类同之处,但涡区东南部的暖平流区没有九龙涡大,暖平流强度比九龙涡强,即造成小金涡涡区内产生正的非热成风涡度区范围比九龙涡的小。

由温度场分析看出,小金涡生成时从高原东侧、东南侧经云南北界到高原南侧等温线(图 5g)比生成前12 h(图 5h)明显加密,反映小金涡生成时从高原东侧、东南侧经云南北界到高原南侧有锋面存在。图 8给出了小金涡涡区内生成前12 h、生成时700 hPa锋生函数值及生成时各分量的水平运动项、垂直运动项、非绝热项分布。从小金涡生成时、生成前12 h涡区内700 hPa锋生、锋消分布看出,生成前12 h (图 8a),涡区内大部分区域为负值,即锋消区占大部分,最大锋消值在涡区东南部,为-8.672 FU。只有涡区西北部、中部有锋生区。生成时(图 8b),涡区内锋生区比生成前12 h扩大,涡区内锋生区比锋消区大。小金涡生成时的明显气旋曲度处(图 3g)有9.536 FU中心,F值比前12 h增加10.364 FU,反映了锋生是利于小金涡生成的,但锋生区域比九龙涡小,强度比九龙涡强。还可看出,这一锋生中心区主要是由非绝热变化过程影响造成的(图 8e),水平运动影响锋消明显(图 8c),垂直运动对锋消稍有影响(图 8d)。说明小金涡生成是与非绝热变化过程对锋生的正贡献密切相关的。

图 8图 6, 涡源为小金涡 Fig. 8 Same as Fig. 6 but for Xiaojing vortex.

从以上分析可以看出,不同涡源西南涡的多发受冷暖空气影响、锋生作用是不同的。九龙涡、小金涡是受到高原东南侧地面加热与西南气流影响,在不断加强的暖区、暖平流区内受正的非热成风涡度的影响上升运动增强而生成的,所不同的是九龙涡所处的暖平流区、上升运动范围比小金涡的大,但强度远不如小金涡的强;盆地涡是在冷空气影响较大、700—500 hPa有干冷空气侵入涡区、且斜压增强的情况下生成的。九龙涡、小金涡与盆地涡的生成都与锋生作用加强有关,但受到锋生作用的影响是不同的,小金涡生成是受非绝热变化过程影响的锋生作用;九龙涡生成是受非绝热变化过程影响为主,与垂直、水平运动共同影响的锋生作用,盆地涡生成是受垂直运动、非绝热变化过程共同影响的锋生作用。其中,小金涡生成时锋生强度最强,盆地涡次之,九龙涡最弱;但低涡所处的锋生区域却是九龙涡最大,盆地涡次之,小金涡最小。

6 结论

本文利用多种资料,在分析2012—2017年不同涡源西南涡的活动情况基础上,对各种不同涡源西南涡生成时与生成前的风场、其它物理特性场进行合成分析与对比分析,探讨了环境风场、冷暖空气与锋生作用对不同涡源西南涡生成的影响,得到了以下几点结论:

(1) 3—6月是西南涡的多发时段,也是西南涡移出涡源的多发时段。西南涡中以九龙涡为主,其次是盆地涡。小金涡出现次数最少,但移出涡源的几率最高。

(2) 不同涡源西南涡的生成都与环境风场有关。九龙涡、小金涡的生成与偏南气流流入各自涡区南部的开口地形有关,但小金涡流入四川南部的气流比九龙涡的强。盆地涡的生成与北、南两支气流在四川盆地汇合形成的切变线有关。

(3) 不同涡源西南涡的生成还与冷暖空气的影响有关。九龙涡、小金涡是受高原东南侧地面加热与西南气流影响,在正在加强的暖区、暖平流区内受正的非热成风涡度的影响生成的,但是小金涡涡区东南部的暖平流区没有九龙涡大,但强度比九龙涡强。盆地涡是受冷空气影响,700—500 hPa有干冷空气侵入涡区,在斜压增强情况下生成的。

(4) 不同涡源西南涡的生成还与等温线密集带的锋生作用密切相关,都在锋生作用加强情况下生成。不同的是,小金涡生成是受非绝热变化过程影响的锋生作用,九龙涡生成是受非绝热变化过程影响的锋生作用为主,与水平、垂直运动共同影响的锋生作用,盆地涡生成是受垂直运动比非绝热变化过程影响更大的两者共同影响的锋生作用。

参考文献
陈栋, 李跃清, 黄荣辉. 2007. 在"鞍"型大尺度环流背景下西南低涡发展的物理过程分析及其对川东暴雨发生的作用[J]. 大气科学, 31(3): 185-201.
陈丽芳, 高坤, 徐亚梅. 2004. 梅雨锋演变与低涡发展的联系[J]. 浙江大学学报(理学版), 31(1): 103-109. DOI:10.3321/j.issn:1008-9497.2004.01.023
陈启智, 黄奕武, 王其伟, 等. 2007. 1990—2004年西南低涡活动的统计研究[J]. 南京大学学报(自然科学版), 43(6): 633-642. DOI:10.3321/j.issn:0469-5097.2007.06.008
陈忠明. 1990. 西南低涡发生发展的一种动力机制[J]. 四川气象, 10(4): 1-9.
陈忠明, 缪强, 闵文彬. 1998. 一次强烈发展西南低涡的中尺度结构分析[J]. 应用气象学报, 9(3): 273-282.
陈忠明, 闵文彬. 1999. 西南低涡活动的统计研究M]. 第二次青藏高原大气科学试验理论研究进展(二). 北京: 气象出版社: 368-378
陈忠明, 徐茂良, 闵文彬, 等. 2003. 1998年夏季西南低涡活动与长江上游暴雨[J]. 高原气象, 22(2): 162-167. DOI:10.3321/j.issn:1000-0534.2003.02.010
陈忠明, 闵文彬, 崔春光. 2007. 暴雨中尺度涡旋系统发生发展的诊断[J]. 暴雨灾害, 26(1): 29-34. DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2007.01.005
高守亭. 1987. 流场配置及地形对西南低涡形成的动力作用[J]. 大气科学, 11(3): 263-271. DOI:10.3878/j.issn.1006-9895.1987.03.05
高守亭, 周玉淑. 2019. 近年来中尺度涡动力学研究进展[J]. 暴雨灾害, 38(5): 431-439. DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2019.05.005
何光碧, 陈静, 李川, 等. 2005. 低涡与急流对"04.9" 川东暴雨影响的分析与数值模拟[J]. 高原气象, 24(6): 1012-1023. DOI:10.3321/j.issn:1000-0534.2005.06.023
黄福均, 肖洪郁. 1989. 西南低涡暴雨的中尺度特征[J]. 气象, 15(8): 3-9.
黄楚惠, 李国平, 牛金龙, 等. 2011. 一次高原低涡东移引发四川盆地强降水的湿螺旋度分析[J]. 高原气象, 30(6): 1427-1434.
中国气象局成都高原气象研究所, 中国气象学会高原气象学委员会编. 2013. 2012西南低涡年鉴[M]. 北京: 科学出版社, 1-352.
中国气象局成都高原气象研究所, 中国气象学会高原气象学委员会编. 2015. 2013西南低涡年鉴[M]. 北京: 科学出版社, 1-226.
蒋璐君, 李国平, 王兴涛. 2015. 基于TRMM资料的高原涡与西南涡引发强降水的对比研究[J]. 大气科学, 39(2): 249-259.
姜勇强, 张维桓, 周祖刚, 等. 2004. 2000年7月西南低涡暴雨的分析和数值模拟[J]. 高原气象, 23(1): 55-61. DOI:10.3321/j.issn:1000-0534.2004.01.008
李超, 李跃清, 蒋兴文. 2015. 四川盆地低涡的月际变化及其日降水分布统计特征[J]. 大气科学, 39(6): 1191-1203.
李国平, 万军, 卢敬华. 1991. 暖性西南低涡形成的一种机制[J]. 应用气象学报, 2(1): 91-99.
李跃清, 黄仪方. 1994. 西南低涡暴雨的边界层诊断分析[J]. 四川气象, 13(3): 21-25.
刘健文, 郭虎, 李耀东. 2011. 天气分析预报物理量计算基础[M]. 北京: 气象出版社, 1-253.
柳俊杰, 丁一汇, 何金海. 2003. 一次典型梅雨锋锋面结构分析[J]. 气象学报, 61(3): 291-301.
罗清, 郁淑华, 罗磊, 等. 2018. 不同涡源西南涡的若干统计特征分析[J]. 高原山地气象研究, 38(4): 8-15. DOI:10.3969/j.issn.1674-2184.2018.04.002
卢敬华. 1986. 西南低涡概论[M]. 北京: 气象出版社, 1-276.
慕丹, 李跃清. 2018. 基于ERA-interim再分析资料的近30年九龙低涡气候特征[J]. 气象学报, 76(1): 15-31.
马振锋, 汪之义. 1993. 西南低涡活动的若干统计分析[J]. 四川气象, 13(2): 11-15.
寿绍文, 励申申, 寿亦萱, 等. 2009. 中尺度大气动力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 204-244.
孙婕, 李国平. 2013. 西南低涡东移引发重庆暴雨的综合诊断[J]. 高原山地气象研究, 33(2): 10-17.
陶诗言. 1980. 中国之暴雨[M]. 北京: 科学出版社, 196-199.
吴国雄, 刘还珠. 1999. 全型垂直涡度倾向方程和倾斜涡度发展[J]. 气象学报, 57(1): 1-15. DOI:10.3969/j.issn.1001-7313.1999.01.001
韦统键, 薛建军. 1996. 影响江淮地区的西南涡中尺度结构特征[J]. 高原气象, 15(4): 456-463. DOI:10.3321/j.issn:1000-0534.1996.04.001
郁淑华, 高文良. 2018. 冷空气对夏季高原涡移出高原后长久与短期活动影响的对比分析[J]. 大气科学, 42(6): 1297-1326.
赵平, 孙淑清. 1991. 一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断Ⅰ: 地形动力作用和潜热作用对西南低涡影响的数值试验对比分析[J]. 大气科学, 15(6): 46-52.
周国兵, 沈桐立, 韩余. 2006. 台风对西南低涡影响的数值模拟与诊断个例分析[J]. 气象科学, 26(6): 620-626. DOI:10.3969/j.issn.1009-0827.2006.06.005
朱禾, 邓北胜, 吴洪. 2002. 湿位涡守恒条件下西南低涡的发展[J]. 气象学报, 60(3): 343-351. DOI:10.3321/j.issn:0577-6619.2002.03.010
朱乾根, 林锦瑞, 寿绍文. 1981. 天气学原理和方法[M]. 北京: 气象出版社, 48-76.
吴国雄, 刘还珠. 1999. 全型垂直涡度倾向方程和倾斜涡度发展[J]. 气象学报, 57(1): 1-15. DOI:10.3969/j.issn.1001-7313.1999.01.001
徐裕华. 1991. 西南气候[M]. 北京: 气象出版社, 81-191.
Chang C P, Yi L, Chen G T J. 2000. A numerical simulation of vortex development during the 1992 East Asian summer monsoon onset using Navy's regional model[J]. Mon Wea Rev, 128(6): 1604-1631.
Wang Z, Gao K. 2003. Sensitivity Experiments of an Eastward-Moving Southwest Vortex to Initial Perturbations[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 20(4): 638-649. DOI:10.1007/BF02915507
Yu Shuhua, Gao Wenliang, Xiao Dixiang, et al. 2016. Observational facts regarding the joint activities of the Southwest vortex and plateau vortex after its departure from the Tibetan Plateau[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 33(1): 34-46.