1 引言

中国是一个频受气象灾害侵袭的国家，无论是急性灾害还是慢性灾害，大多都与青藏高原的动力和热力作用有关(徐祥德等，2015)。陶诗言(1980)、Tao等(1981)对中国暴雨的分布特性研究指出，中国的暴雨主要由台风、锋面和从青藏高原东移过来的气旋性涡旋引起。作为天气系统的扰动源，青藏高原对中国东部大范围的暴雨、雷暴等恶劣天气具有重要影响。中国东部大范围暴雨、雷暴、冰雹等灾害性天气过程，其初始扰动常可以追溯到青藏高原。例如，对1991年江淮流域、1998年长江流域出现的持续性特大暴雨的相关研究表明，造成这些暴雨的某些涡旋系统，其胚胎都可以追踪到青藏高原上空(项续康等，1995；师春香等，2000；卓嘎等，2002)。同时，青藏高原由于其自身独特的热力、动力作用，在夏季是强对流性天气系统的活跃区(林志强，2015; 卢志贤等，2016)，局地对流活动非常频繁，高原上空每十万平方千米就有20—50个发展很充分的积雨云(Flohn，1968)。由于上述原因，青藏高原上的对流性天气系统引起人们的广泛关注。

尽管气象学家很早就对高原对流系统给予了充分的重视，但由于青藏高原地理气候环境极其恶劣，常规气象观测资料非常匮乏，而高原对流系统具有空间尺度小、生命史短的特点，这给相关研究带来很大困难，使得对高原对流系统的认识不够系统，存在片面性。近年来，随着卫星气象的不断发展，卫星监测资料极大地弥补了常规观测资料时、空监测不足的缺陷，为研究高原对流系统这种中、小尺度系统提供了更多可能(Maddox，1980)。

利用卫星观测资料，中国气象科学家很早就对西南至长江流域的中尺度对流系统进行了综合研究(方宗义，1985；李玉兰等，1989)。江吉喜等(2002)对高原对流系统的统计分析表明，高原上空对流系统以95°E附近经线为界分为东南部和西南部两个高频率区，且西南部高频区高原对流系统活动更为频繁。能够东移出高原进而影响长江流域降水的高原对流系统较少，且这些对流系统主要来自青藏高原东南部(95°E以东，33°N以南)。但是，尽管只有少数高原对流系统能够东移或传播出高原并进一步发展，它们却常常造成长江中下游地区发生暴雨等重大灾害天气。卓嘎等(2002)通过对1998年6—7月青藏高原上空对流云团的研究发现，青藏高原对流系统随时间表现出从高原向长江中下游特大暴雨区东移的趋势，高原云系移到长江流域的时期与长江暴雨期基本吻合。而单寅等(2003)统计研究了青藏高原地区中尺度对流系统初生阶段的特点，指出初生阶段高原对流系统形状多为带状、逗点状以及其他不规则形状，午后的对流系统数目是上午前期的2倍以上。过仲阳等(2003, 2004)、方兆宝等(2004)采用卫星红外影像和计算机自动识别与跟踪技术，运用面向时空数据挖掘的相关分析法、关联规则及决策树法，求解了对流系统东移传播出高原与其周边环境物理场的关系。利用卫星观测和数值模式，田珊儒等(2015)、许威杰等(2017)则对青藏高原对流系统与高原涡的相互关系进行了模拟研究，结果表明，高原低涡通过加强偏北、偏南气流形成的辐合带，可以触发高原东部对流系统的生成。同时，高原对流系统降水产生的凝结潜热释放也加强了高原低涡的强度，这表明高原低涡和对流系统存在一种正反馈机制。Yasunari等(2006)基于个例分析指出，东移高原对流系统还可通过触发西南低涡生成来影响下游地区的降水过程。

利用长时间的ISCCP卫星资料，Li等(2008)对源于青藏高原的对流系统的源地分布、移动路径、活动区域、生命史、对流发展强度以及降水强度的时、空分布特征进行了较系统的统计分析，该研究对于全面系统认识青藏高原对流系统的移动发展具有重要意义。利用1996—2010年GMS-5、FY-2C及FY-2E卫星观测资料，付炜等(2013)则对青藏高原与东亚地区暖季中尺度对流系统的统计特征进行了对比分析。针对青藏高原卷云多发的特点，Hu等(2016)给出一个新的高原对流系统定义，它剔除了卷云和卷层云的影响，有效改进了卫星对高原对流系统的判识，并对高原对流系统数目、动热力结构和降水的季节变化特征进行了对比分析，发现高原对流系统在各个季节都存在，但夏季高原对流系统数目最多且最强。Hu等(2017)对夏季高原对流系统的进一步分析发现，夏季高原对流系统存在高原中部和高原东部两个频发中心。和高原中部相比，高原东部生成的对流系统更多，但这些对流系统只有20%—30%生成于青藏高原切变线、低涡、低压等天气系统，其余大多为局地生成、发展的中尺度对流系统，面积较小，但水汽更加丰富，更容易产生降水。

上述研究对认识高原对流系统具有重要意义，但由于资料缺乏等原因，已有研究中关于高原对流系统在高原区内部时的不同移动规律缺乏了解，无法回答哪些高原对流系统能够移出高原？移出高原的对流系统在什么情况下向东移？在什么情况下向南移？本研究以卫星观测资料为切入点，拟解决这些关键科学问题。

2 资料和方法

所用资料包括：(1)1998—2004年7个夏季(6—8月)共21个月的ISCCP对流路径集资料，该资料提供了对流系统的位置、大小、形状、平均亮温、最低亮温、平均光学厚度等40多个参数信息，时间分辨率为3 h；(2)3B42降水资料是TRMM卫星与其他卫星和地面观测联合反演的一种降水产品(Huffman, et al, 2007)，它提供全球中低纬度地区格点降水资料。该产品综合利用TRMM/TMI、SSM/I、AMSR-E、AMSU-B微波降水资料，联合全球降水气候计划(GPCP)的红外降水估值，融合了地面的雨量计观测资料。可见，3B42最大限度地利用了已有的观测资料，提供了每个标准观测时次(如00：00, 03：00, 06：00, …，21：00 UTC)每个网格降水的最优估值。由于3B42具有准确性高、分布面广、时空分辨率较高(0.25° × 0.25°)等特点，使其在天气、气候诊断分析中得到广泛应用(Adler, et al, 2000; Gu, et al, 2004)；(3)美国NCEP/NCAR提供的一天4次的再分析资料，空间分辨率为1° × 1°。

首先，利用Hu等(2016)对高原对流系统的定义：起源于[25° —40° N，75° —105° E]且海拔高于3000 m的青藏高原地区，云顶温度低于245 K的面积不小于25434 km²，持续时间超过3 h，同时其平均光学厚度不小于23，或云顶温度低于220 K的比例不小于17%。根据这个定义，从1998—2004年夏季ISCCP对流路径集资料中提取出1020个高原对流系统路径。同时，按照青藏高原对流系统的移动特征，将青藏高原对流系统分为3类(Li, et al，2008)，其中未移出高原的对流系统有448个(43.9%)，向东移出高原的206个(20.2%)，而向南移出高原的有366个(35.9%)。

其次，利用ISCCP中对流系统的时间、位置及大小信息，定位找出每个对流系统对应的3B42降水及NCEP/NCAR环境场资料(对没有再分析资料的时刻做缺测处理)，分析东移、南移和未移出高原对流系统的降水特征，分析其动力和热力气象背景场的差异，从而为高原对流系统能否移出高原、如何移出高原提供可能的预报指标。

3 青藏高原对流系统的生成源地及移动路径

图 1为东移出高原(a)、南移出高原(b)及未移出高原(c)的对流系统的生成源地分布。由图可见，与江吉喜等(2002)、Li等(2008)研究结果一样，夏季青藏高原上空存在两个明显的对流系统高发中心，这种双中心的分布形势与青藏高原上垂直切变线的活动分布关系密切(高由禧等，1984)。两个高发中心均位于35°N以南的高原中东部地区，一个位于95°E以东，另一个位于95°E以西，且95°E以东的高发中心明显强于以西的高发中心。从地形上看，95°E以东高原对流系统高发中心与夏季风沿横断山峡谷北涌辐合有关，而西部高发中心则与孟加拉湾季风、阿拉伯海至印度的季风爬上高原，以及该区域地表湖泊众多、地热丰富有关。同时，由于95°E以东青藏高原南坡较95°E以西高原南坡更为平缓，南方暖湿气流更容易爬坡输送至高原地区，造成东部高发中心强于西部高发中心。从图 1还可看出，东移、南移和未移出高原对流系统的生成源地大体一致，两个高原对流系统高产中心位置也非常一致，这表明，东移、南移和未移出高原对流系统的生成源地没有本质区别，均主要生成于青藏高原中东部，高原对流系统的移动发展与生成源地没有直接关系，主要决定于对流系统的气象背景场。

图 2为夏季移出高原的对流系统的移动轨迹。由图可知，东移出高原的对流系统其影响范围包括青藏高原下游的中国中东部大部分地区，主要是中国的长江流域，也可影响到东海黄海海域、朝鲜半岛以及日本的南部地区；南移出高原的对流系统其影响范围主要是中国云贵高原地区、中南半岛地区及孟加拉湾海域。移出高原之后对流系统一般都得到发展，对高原下游地区降水造成重要影响(Li, et al, 2008; Hu, et al, 2016)。另外，从图 2中还可以看到，在东海洋面以东和以南的广大西北太平洋海域上，基本没有高原对流系统的移动轨迹分布，该区域恰好对应了夏季西北太平洋副热带高压的平均活动位置和控制范围。这表明高原对流系统的移动分布规律与大尺度天气系统的影响密不可分。同时，地形对高原对流系统移动的作用也是不可忽略的，尤其是对于南移出高原的路径分布而言。从图 2中可以看到，青藏高原东段的南移高原对流系统路径分布密度明显高于高原西段，只有小部分高原对流系统可以翻越喜马拉雅山脉向南移动，这表明喜马拉雅山脉的阻挡作用显著。

4 青藏高原对流系统的水平特征

研究的关注点是高原对流系统能够移出高原的气象背景场差异，因此，以下工作都针对各类高原对流系统在青藏高原上空时(海拔3000 m以上)的动、热力结构特征。首先，对东移出高原(图 3)、南移出高原(图 4)和未移出高原(图 5)对流系统在高原上空时的高空200 hPa散度场、低空500 hPa风场及相对湿度、地面降水率的水平分布情况进行对比分析。

由图 3a可以看到，东移出高原对流系统高空200 hPa散度场上存在一个明显的辐散中心，中心最大值超过10×10^-6 s^-1，且该辐散中心与高原对流系统中心非常吻合(高空相对湿度中心也和高原对流系统中心一致，图略)，这表明NCEP/NCAR再分析资料对高原对流系统具有很高的描述能力，可用于对流系统动热力特征的分析。500 hPa相对湿度和风场显示东移出高原的对流系统西南气流强盛(图 3b)，存在一西南水汽输送带，它将南方的暖湿气流输送至高原地区，形成一相对湿度大值中心(76%)，利于对流系统发生发展。而由东移对流系统的地面降水分布可以看到(图 3c)，对流系统周边地面降水呈明显的西南—东北带状分布，这与500 hPa的水汽输送形势是一致的。高原对流系统存在降水大值中心(1 mm/h)，但该降水中心并不位于对流系统正中心，而是位于对流系统的东部，即高原对流系统的降水呈现出明显的非对称分布特征。

图 4a显示，与东移出高原对流系统一样，南移出高原对流系统高空200 hPa同样存在辐散中心，中心最大值为6.5×10^-6 s^-1，比东移出高原对流系统明显小。与向东移出高原对流系统相比，南移出高原对流系统的500 hPa水平风场明显弱(图 4b)，没有明显的西南水汽输送带，但对流系统西北部的西风偏北气流较强(高空尤其强烈，见图 6和7)，利于高原对流向南移出高原。南移出高原对流系统低空500 hPa也存在相对湿度大值中心，中心最大值为76%，与东移出高原对流系统一致。南移出高原对流系统的地面降水呈东西带状分布(图 4c)，锋面特征更加明显，且降水更强，中心最大值达到1.3 mm/h，位于高原对流系统东部，同样存在明显的非对称特征。

由图 5可以看到，与东移出高原及南移出高原对流系统一致，未移出高原的对流系统高空200 hPa散度也存在辐散中心，中心最大值为6.5×10^-6 s^-1，与南移出高原的对流系统强度相当，比东移出高原的对流系统弱。未移出高原的对流系统低空500 hPa西南气流较东移出高原对流系统弱，但较南移出高原对流系统强，相对湿度大值中心为76%，但范围更小。其地面降水中心也位于对流系统东部，中心最大值为0.9 mm/h，在各类高原对流系统中最弱。

综合东移、南移和未移出高原对流系统的动热力特征可知，夏季高原对流系统在高原上空200 hPa都存在辐散中心，且东移出高原对流系统的散度最大；高原对流系统低空500 hPa都存在相对湿度大值中心；东移出高原的对流系统西南气流明显，未移出高原的对流系统西南气流相对较弱，而南移出高原对流系统的西风偏北气流最强；高原对流系统的降水分布和低空气流分布关系密切，降水最大中心都位于低空气流的下风方向，其中南移出高原的对流系统降水最强，东移出高原的系统其次，而未移出高原的最弱。

5 青藏高原对流系统的垂直特征

为进一步考察东移、南移和未移出高原对流系统的气象背景场差异，挑选出NCEP/NCAR再分析资料中西风(U)、南风(V)、垂直速度(ω)和相对湿度(RH)4个描述高原对流系统动力和水汽背景场的参数，分析各类高原对流系统中心各参数在高原区内部时的垂直分布情况(图 6)。

由图 6可以看到，东移、南移和未移出高原对流系统各参数高、低层的大小趋势基本相同。图 6a、b中各类高原对流系统的U、V廓线显示，东移出高原对流系统位于强盛的西风气流控制下，这非常有利于对流系统向东移出高原，同时，东移对流系统200 hPa以下都为南风气流，不利于对流系统向南移动；而南移出高原对流系统西风气流最弱，但其北风气流最强，这种风场配置有利于对流系统向南移出高原；未移出高原的对流系统既没有足够强的北风气流，西风也不够强，不利于对流系统移出高原。图 6c中高原对流系统的垂直速度廓线表明，东移和南移出高原对流系统强度比未移出高原的对流系统上升运动更强，尤其是东移出高原对流系统，其垂直上升运动明显强于其他两类。而从各类高原对流系统的相对湿度廓线可以看到(图 6d)，除南移出高原对流系统的550—400 hPa外，可以移出高原较未移出高原的对流系统相对湿度要高许多。

为进一步了解各类高原对流系统在高原内部时各自的发展演变规律，将移出(未移出)高原对流系统在高原上空的时间都平均分为9个时段，并求取各类高原对流系统在各时段的平均动、热力场，绘制出各动、热力参数的时间-高度分布，以考察对流系统在高原内部时的动态发展特征(图 7)。

由图 7可知，从高原对流系统生成到移出高原前一刻，东移和南移出高原对流系统各阶段的U、V、ω和RH都明显区别于未移出高原的对流系统。可以移出高原的对流系统其垂直上升运动更强，水汽条件更加充足，且随着时间的发展，可以移出高原的对流系统上升运动逐渐增强，水汽越来越充足，利于系统维持或加强，当对流系统位于强的西风气流控制之下时，容易东移出高原，而当对流系统在北风气流之下时，则容易从高原南部移出高原。相反，未移出高原的对流系统上升运动和水汽条件都较差，且随着时间的推移，其上升运动和水汽条件越来越弱，不利于对流系统维持和发展，系统逐渐消亡。

6 小结与讨论

利用1998—2004年6—8月共21个月的ISCCP对流路径集资料，对夏季青藏高原对流系统进行了分类对比分析，研究了各类高原对流系统动、热力结构和降水的差异，探讨了高原对流系统移出高原的气象背景场。研究结果表明：

夏季青藏高原对流系统主要生成于青藏高原中东部，存在两个高发中心，一个位于95°E以东，一个位于95°E以西，且东部高发中心强于西部高发中心。按照高原对流系统的移动路径，高原对流系统可划分为未移出高原(43.9%)、向南移出高原(35.9%)和向东移出高原(20.2%)3类。

高原对流系统是一个组织性良好的对流系统，其高空存在明显的辐散中心，而低空辐合明显，存在西南水汽输送带。高原对流系统的降水分布和低空气流分布关系密切，呈现明显的非对称分布，降水最大中心位于对流系统东部。

夏季高原对流系统的移动发展和源地无直接关系，主要决定于气象背景场。当生成的高原对流系统上升运动强烈，水汽条件优越时，其强度不断增加，利于对流系统维持发展，这类高原对流系统处于强西风气流控制下时容易向东移出高原，而处于较强偏北风气流控制之下时则容易向南移出高原；相反，当生成的高原对流系统上升运动弱，水汽条件不理想时，其强度不断减弱，不利于对流系统维持发展，其在高原内部就逐渐消亡，未能移出高原。高原对流系统的这些特征为预测预报夏季高原对流的发展和移动提供了重要的参考依据。

对夏季青藏高原对流系统的分类及判别做了一些分析研究，并对各类高原对流系统的水平和垂直特征做了对比分析，得到一些有意义的结论，但高原对流系统在向东和向南移动过程中的发展变化机制、高原感热和潜热各自的作用以及对流系统移出高原后其不同的发展演变特征等，这些都需要在以后的工作中进一步研究。