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  暴雨灾害   2019, Vol. 38 Issue (5): 464-471.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2019.05.008

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2019.05.008

资助项目

国家重点研发计划项目(2018YFC1507200);国家自然科学基金(41675057,41665005,41765003)

第一作者

李国平, 主要从事高原山地气象学、天气动力学研究工作。E-mail:liguoping@cuit.edu.cn.

文章历史

收稿日期:2019-07-31
定稿日期:2019-08-31
高原低涡、切变线暴雨研究新进展
李国平1,2 , 张万诚3     
1. 成都信息工程大学大气科学学院, 成都 610225;
2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估省部共建协同创新中心, 南京 210044;
3. 云南省气象科学研究所, 昆明 650034
摘要:在引发中国东部夏季降水的天气系统中,高原低值系统扮演着十分重要的角色,其中高原低涡与高原切变线对强降水的协同作用是高原天气影响的一种常见样式,预报员将其称为低涡切变暴雨。本文回顾了高原低涡、切变线及其暴雨的研究历史和当前研究所取得的最新成果,重点探讨了人工智能应用、诊断计算、动力理论以及数值模式等多方法研究高原切变线与高原低涡的关系、相互作用过程以及诱发暴雨机理等科学问题,并基于低涡、切变线暴雨的最新研究成果和相关理论方法、技术手段的发展应用趋势,提出这一研究领域值得关注的一些新方向。由于目前对这两类几何形状迥异但物理属性相近的高原低值天气系统关系的认知仍存较大分歧,两者相互作用进而引发高影响天气过程的物理机理尚不十分清楚,高原低涡、切变线气候学统计结果的差异还相当明显。因此,对这一研究领域的深入探索与交叉拓展,不仅对推动青藏高原天气、气候影响的理论发展有重要科学意义,对高原及下游灾害性天气、气候业务能力的提升亦有较大应用推广价值。
关键词高原低涡    高原切变线    暴雨    智能识别    涡生指数    Okubo-Weiss参数    切变波动    模拟实验    
Recent advances in the research of heavy rain associated with vortices and shear lines come from the Tibetan Plateau
LI Guoping1,2 , ZHANG Wanchen3     
1. School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225;
2. Ministry of Education&Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science&Technology, Nanjing 210044;
3. Meteorological Institute of Yunnan, Kunming 650034
Abstract: The low weather system over the Tibetan Plateau (TP) plays a very important role in the heavy rainfall of the eastern China in summer, the symbiosis between the Tibetan Plateau vortex (TPV) and the Tibetan Plateau shear line (TPSL) is one common phenomena, it is called as vortex-shear rainstorm by forecaster. We review the research history and new progresses of the TPVs and TPSLs induced heavy rainfall, mainly discuss some scientific problems such as artificial-intelligence applications, synoptic diagnostic calculation, dynamic theory and numerical model in the study of relationship between TPSL and TPV, interaction process and mechanism induced heavy rain. According to the latest research achievement of and the new trends of related theoretical method and technical tool in the study of vortex-shear rainstorm, we propose several notable new research directions in the field of this study. At present, there are still great divergences in the understanding of the relationship between these two types of low systems with different geometrical shapes but similar physical attributes. The physical mechanism of their interaction leading to high-impact weather processes is not very clear, and the differences between climatological statistical results of TPVs and TPSLs are quite obvious. Therefore, the in-depth exploration and cross-development of this research field not only has important scientific significance for promoting the theoretical development of weather and climate impacts on the TP, but also has higher values of application and generalization for improving the operational ability of disaster weather and climate in the plateau and downstream areas.
Key words: Tibetan Plateau vortex    Tibetan Plateau shear line    heavy rain    intelligent recognition    vortex generation index    Okubo-Weiss parameter    shear wave    simulation experiment    
引言

青藏高原平均海拔高度在4 000 m以上,是全球海拔最高、地形最复杂的高大地形,被称为“世界屋脊”、“地球第三极”。它具有独特的环流和天气、气候特征,是我国一些重要天气系统的生成源地。青藏高原低涡、切变线就是在高原地形作用下形成的两类常见高原天气系统。

青藏高原低涡(简称高原低涡或高原涡)是一种产生于青藏高原主体边界层中,水平尺度为400~500 km的α中尺度低压涡旋系统。它主要活动于500 hPa等压面,常在青藏高原中西部生成,然后沿高原切变线或辐合带东移发展,生命期1~3 d,一般在高原的东部背风坡减弱消失。它是特定季节(5~9月)和有利环流背景下,在高原下垫面热力、动力共同作用下形成的特色天气系统,不仅是高原地区夏季重要的降水系统,而且在有利的环流形势和高原加热作用配合下,少数高原低涡还能移出高原而发展加强,导致高原下游我国中东部地区大范围的暴雨、雷暴等灾害性天气过程并可引发城市内涝、山洪、崩塌、滑坡和泥石流等次生灾害。

切变线(预报员有时不严格地将其简称为切变)定义为等压面上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。高原切变线(有时简称切变线)指青藏高原地区500 hPa等压面上,温度梯度小、三个测站风向对吹的风场辐合线或两个测站风向对吹且长度大于5个经(纬)距的风场辐合线,其地面24 h变温、变压很小。根据高原切变线形态又可以分为横切变线和竖切变线。横切变线是500 hPa等压面上生成于28°—35°N之间,东西跨越5个经度以上,同纬圈夹角小于45°,有风对吹或有明显气旋式切变的风向不连续线。目前高原切变线的研究多为横切变线,竖切变线多归并到高原低槽的研究中。高原切变线西段常位于青藏高原主体上空,从地面到400 hPa等压面上均存在,常伴随气流的水平辐合和垂直上升运动,高原夏季强降雨、冬季暴风雪都与高原切变线活动密切相关。在有利的环流形势下,高原切变线的东移发展以及与诸如高原低涡、西南低涡等其他天气系统的相互作用,往往对高原及下游地区天气格局产生重要影响,是造成我国东部夏季暴雨的一类最常见的天气系统。

1998年,长江流域发生了自1954年以来的最大洪水,对形成该年长江上游8次洪峰的13次强降雨天气过程的影响系统分析表明:生成于青藏高原东部并在四川盆地发展东移的高原低涡以及与其相连的切变线是该年特大暴雨产生的主要天气系统(郁淑华,2000杨克明和毕宝贵,2001)。由此可见,在引发中国东部夏季降水的高原低值天气系统中,高原低涡、高原切变线均扮演着十分重要的角色。高原低涡和高原切变线既是相互独立的系统,又存在相互影响和相伴相随过程,高原低涡与高原切变线的协同作用是西南地区强降水天气的一种基本样式,天气预报员常将其简称为“低涡切变(线)”,高原及高原下游地区的强降水通常是高原低涡与高原切变线共同作用的结果。因此高原低涡、高原切变线的联合研究对深入认识这两类高原天气系统,提升高原及其东侧地区灾害性天气的分析预报水平具有重要的科学意义和业务应用价值。

叶笃正等(1979)青藏高原气象科学研究拉萨会战组(1981)对夏半年青藏高原500 hPa低涡、切变线进行了开创性研究,罗四维(1992)对包括高原低涡、切变线在内的青藏高原及其邻近地区几类天气系统的研究进行了阶段性归纳、总结。何光碧等(2009)梳理了夏季青藏高原低涡、切变线这一并存现象的多年观测事实,郁淑华等(2013)通过统计分析、何光碧等(2014)以个例分析对高原切变线活动特征及其对中国降水的影响展开了研究。叶笃正等(1979)早就指出,高原主体上低涡活动最频繁地区与夏季高原准定常的横切变线位置基本重合。青藏高原气象科学研究拉萨会战组(1981)指出高原切变线活动比高原低涡活动更活跃,高原低涡在高原上多沿切变线而东移,低涡移出通常呈现低涡、切变线伴随东移的形态,约有2/3的高原低涡是在切变流场中随切变流场的活动移出高原。屠妮妮等(2010)个例分析也指出部分高原低涡的发生可能是高原切变线诱发的结果。郁淑华等(2013)对观测事实的统计分析表明:绝大多数年份每年有1~ 3次移出高原的横切变线,可影响到中国西南部、中部产生暴雨以上的降水,有的可影响到华东、华南及华北产生暴雨或大暴雨。在高原低涡、切变线的数值研究方面,彭新东等(1992, 1994)对高原东侧低涡切变线发展个例进行过天气诊断分析和中尺度模式数值实验。Gao (2000)高守亭和周玉淑(2001)研究了切变线上涡旋的不稳定发展,李子良和万军(1995)利用孤立波理论研究了准地转动量近似下风速切变线上的波动,并推测了切变波与高原低涡的可能联系。应用非线性波动分析方法得出的孤立波解和涡旋波解已成功地在理论上与高原低涡建立起联系(Li et al., 1996; Chen and Li, 2014)。刘建勇等(2012)将梅雨期暴雨分为外强迫型、自组织型和非组织化局地型3种类型,并认为其中的自组织型中,暴雨对流系统具有较长生命周期,并以合并增长、上下游发展和新生中尺度涡旋等形式而传播、发展,是在切变线、水汽辐合带和低空急流等弱环境强迫下形成的一类暴雨。孙建华等(2015年)的数值模拟结果表明在川西高原地形阻挡影响下,偏东气流被迫抬升,配合中低层低涡发展形成的辐合上升形成有利于对流系统发生和维持的环境条件。近年来越来越多的学者开始应用再分析资料对高原低涡、高原切变线进行客观识别研究(林志强等,2013Lin,2015Zhang et al., 2016张博和李国平,2017)。因此,随着高原大气科学试验的常态化和全球气候变化背景下日益增长的防灾减灾需求,对能够引发暴雨的高原灾害性天气系统的研究由冷转热,高原低涡、切变线及其暴雨的研究已进入新阶段。

1 高原切变线及高原低涡统计研究的最新进展 1.1 高原切变线的客观识别与时空分布的统计分析

刘自牧和李国平(2019)利用计算机客观识别技术,稳定地识别出高原切变线并归纳出其气候特征为:高原切变线年均生成49.4条,其中东部型切变线年均38条,是高原切变线的基本型;高原切变线维持时间多为6 h;客观识别东部型切变线的高发区位于西藏边坝、丁青和青海玉树、石梁一带。散度、涡度和总变形这三个物理量强度与高原切变线的位置和生成时间联系较为紧密。冬季切变线主要以变形风为主,夏季切变线主要以旋转风和辐合风为主。但客观识别结果与《青藏高原低涡切变线年鉴》在切变线数量上尚存一定差异,总吻合率为50.5%。

作为目前为数不多的高原切变线客观识别研究,该工作初步建立的客观识别方法可以高效、定量地识别高原切变线,在一定程度上避免了人工识别带来的主观偏差,减轻了识别的工作量,为统计分析高原切变线提供了一种新的技术手段,可较为高效地识别切变线、建立切变线数据库,为进一步开展高原切变线的天气、气候研究提供了新途径和便利条件。

1.2 高原低涡与高原切变线伴随出现的统计特征

刘自牧等(2018)利用2005—2016年NCEP/CFSR高分辨率再分析资料,采用客观识别方法,统计分析了高原低涡、高原切变线伴随发生的数量、两者生成的先后顺序和源地等特征。得出高原低涡年平均生成45个,高原切变线年均生成48条,30%左右的高原低涡与高原切变线伴随出现。两者伴随出现时,高原切变线往往先于高原涡生成;若高原低涡伴随高原切变线出现时,高原切变线的维持时间则较长;但无论是否有高原切变线伴随,高原低涡的维持时间基本保持不变。

过去对高原低涡、高原切变线的统计工作是分开进行的,本研究对高原低涡与高原切变线两者伴随出现的情况进行统计分析,揭示两者伴随发生的一些基本事实,对开展高原低涡与高原切变线的联合研究及相互作用研究具有重要参考。

2 高原切变线暴雨诊断研究的最新进展 2.1 高原切变线降水的湿Q矢量诊断

夏季是高原切变线的高发期,再加上高原南部充足的水汽供应,容易造成高原以及周边地区出现由高原切变线诱发的强降水及洪涝灾害。利用NCEP1°×1°再分析资料和中国自动气象站与CMORPH融合的逐时降水资料,采用非地转湿Q矢量和水汽通量散度,对2013年7月28—29日一次高原东部切变线引起的强降水进行的诊断分析表明(图 1),强辐合带伴随切变线沿变形场的拉伸轴分布,切变线位于垂直上升区和下沉区之间,500 hPa非地转湿Q矢量与未来6 h的累积降水中心有很好的对应关系(李山山和李国平,2017a)。

图 1 2013年7月28日20:00高原东部500 hPa切变线(红色双实线)附近的相对湿度(彩色区,单位:%)分布(李山山和李国平,2017a) Fig. 1 The relative humidity (color area, Unit: %) near the 500 hPa shear line (the red double solid line) in the east of plateau at 20:00 on 28 July 2013. (Li and Li, 2017a)

该结果提示非地转湿Q矢量散度分布呈明显的波动形式,波幅最强处位于高原切变线附近。水汽辐合带基本与切变线重合。风场的分布对水汽的辐合作用尤为重要,低层水汽通量散度的辐合带基本能够反映未来6 h强降水的分布,降水的大值中心大致位于水汽通量散度辐合区的大值中心内。低层水汽辐合带的出现略滞后于湿Q矢量辐合带,当两者重叠时,则最有可能成为强降水的落区。因此综合考虑非地转湿Q矢量散度场与水汽通量散度场的配置才能更好确定未来降水强度和落区。

2.2 应用涡生参数对高原切变线的诊断

涡生参数是研究风暴倾斜涡旋时提出的一个概念(Rasmussen and Blanchard, 1998),现在多利用涡生参数对龙卷和超级单体等强烈发展的小尺度天气系统进行诊断分析。涡生参数表示为

$ VGP = {\rm{ }}\left[ {S{{(CAPE)}^{\frac{1}{2}}}} \right] $ (1)

式中S代表平均切变,CAPE表示对流有效位能。当涡旋的平均切变正比于水平涡度矢量时,$CAP{E^{\frac{1}{2}}}$正比于垂直速度。分析表明:若垂直上升气流大致具有与涡旋同样的水平尺度时,涡生参数则正比于水平涡度向垂直涡度的转化率(Rasmussen,2003)。这说明低层的水平切变,尤其是与CAPE对应的水平涡度分量对于强对流运动的产生有重要贡献。

根据上述动力学观点,我们利用涡生参数表示大气中水平涡度向垂直涡度转化的特性,使用NASA MERRA 0.625°×0.5°逐3 h再分析资料诊断计算了2016年6月29—30日一次高原切变线降水过程(陈佳和李国平,2018)。结果显示:广义位温等值线梯度大值区与水汽聚集区相匹配,切变线降水的发生、发展与广义湿位涡的分布及演变有较好对应,低层大气广义湿位涡的正异常大值与降水发生有一定关联。广义湿位涡正负异常值之间的零线可较好表征高原切变线的位置。广义湿位涡中心强度对切变线生成与发展有指示意义。涡生参数可作为高原切变线的一个动力性指标,其正值大小可作为高原切变线生成和加强的一个明显前兆信号。广义湿位涡与涡生参数在诊断上的优势互补,可有效提升对高原切变线活动及降水的表征能力。

2.3 东移高原切变线的扰动动能特征

相较于常规的热力、动力诊断,能量诊断更有利于从本质上理解天气系统演变与造成灾害的原因。罗潇和李国平(2019a)采用动能梯度的定义和扰动动能方程,对2014年8月25—27日初生于青海省东南部之后东移到四川省中部产生天气影响过程的高原切变线进行的能量诊断分析表明(图 2):在高原切变线发生发展时,切变线的位置和强的地转偏差及动能梯度大值区相对应,动能梯度模值的水平、垂直分布和相应的散度分布一致。扰动动能大值区的分布和切变线的走向一致,在切变线发展初期,扰动动能明显增大,斜压转换项和扰动位势平流项是扰动动能收支的主导;在切变线成熟阶段,扰动有效位能向扰动动能的转换达最大,斜压转换项是高原切变线发展过程中能量转换的重要途径,这也有利于切变线上垂直上升运动加强。扰动动能趋势项可以较好预示切变线的发展态势,扰动非地转位势通量及其散度对高原切变线的生消及移动具有较好的指示意义。扰动动能可以反映切变线的基本结构特征,而动能梯度有助于从能量变化视角来理解高原切变线的发展演变。

图 2 空间尺度分离概念示意图(罗潇和李国平,2019a) Fig. 2 The schematic graph of the decomposition of spatial scale. (Luo and Li, 2019a)
2.4 动能空间尺度分解与高原切变线分析应用

强降水过程中,与强降水有关的扰动气流和大尺度背景场发生相互作用,低层能量从背景场向扰动场转换,即能量发生降尺度级串输送,从而有利于与降水相关的扰动场的发展和维持。

应用NCEP FNL1°×1°全球分析资料和动能的空间尺度分解方法,我们对2014年8月25—27日的一次高原切变线过程进行了能量诊断(罗潇和李国平,2019b)。结果表明:低层扰动动能的增幅与高原切变线的发生发展密切相关。在切变线的生成阶段至成熟阶段,扰动动能增加为切变线的发生发展提供了能量保障;平均动能变化大致与扰动动能呈相反趋势,在切变线生成阶段和发展阶段,中低层平均动能随时间减小,在影响动能变化的各因子中,斜压转换项贡献最大;在切变线生成阶段,低层平均动能与扰动动能间的转换对扰动动能贡献明显。背景场和扰动场的相互作用使得扰动动能增大而平均动能减小,形成动能的降尺度级串,有利于中尺度高原切变线生成。

3 高原切变线与高原低涡关系理论研究的最新进展 3.1 高原切变线上的波动及其与低涡的联系

利用Z坐标系下考虑地形的正压模式方程组和小参数近似法,对包含地形坡度的切变波和涡旋波及其关系进行了理论探讨(杜梅等,2018)。得出切变线上的波动包括切变波、惯性波和重力外波,属于双向传播的频散波。考虑地形坡度时,波动不稳定条件与波数有关,地形坡度对波动不稳定贡献的大小取决于基本气流的纬向分布状况。涡旋波不稳定是切变波不稳定的一种特殊形式,即切变线上的波动可通过不稳定发展而形成低涡。理论分析与个例应用表明水平尺度较长的横切变线在一定条件下可诱发低涡生成并东移,从而有利于在高原下游触发低涡暴雨等极端天气事件。

这项工作从当前不多见的动力学视角从理论上分析了地形南北坡度对切变线上波动的影响以及高原切变线与高原低涡之间的可能联系,探讨了高原横切变线上的波动及其不稳定条件,有助于深化对于“低涡切变”这一常见高原天气系统组合形式的机理认识。

3.2 高原低涡演变为高原切变线的机理分析

Dunkerton等(2009)Tory等(2013)研究发现,热带气旋总是生成在一个低变形而强旋转的正涡度区域中。借鉴热带气旋的研究成果,本研究利用Okubo-Weiss参数(以下简称OW参数,其值用Vow表示)来定量表达气流旋转和变形的相对大小。该参数的计算公式如下

$ {V_{ow}} = {\zeta ^2} - (D_s^2 + D_t^2) $ (2)
$ \zeta = {\rm{ }}\frac{{\partial v}}{{\partial x}} - \frac{{\partial u}}{{\partial y}} $ (3)
$ {D_t} = \frac{{\partial u}}{{\partial x}} - \frac{{\partial v}}{{\partial y}} $ (4)
$ {D_s} = \frac{{\partial v}}{{\partial x}} + \frac{{\partial u}}{{\partial y}} $ (5)

其中,ζ为相对涡度(矢量)的垂直分量(简称涡度),Dt为伸缩变形(简称伸缩),Ds为切变变形(简称切变)。李山山和李国平(2017b)对一次东移高原低涡减弱、高原切变线生成并在有利的环流背景下东南移进而引发川渝强降水的高原切变线生成机制及演变过程进行了分析。引入描写热带气旋的OW参数来定量表达低涡、切变气流中旋转和变形的相对大小,确定高原切变线的潜在生成区域和发展状况。得出在高原切变线生成阶段,500 hPa等压面上Vow值由正转负,Vow负值带可以很好地指示高原切变线的潜在生成区域。Vow负值强度与高原切变线强度有很好的相关性。高原切变线上以Vow负值中心为主,但也会存在正值中心,说明在切变线上也会有气旋性涡度。进一步通过涡度方程和总变形方程探究了高原低涡减弱、高原切变线生成的动力机制。高原低涡的减弱、消失主要缘于散度项,由强气旋性涡度的高原低涡逐渐演变为强辐合性的高原切变线。总变形方程中的扭转项对高原切变线的生成贡献最大,其次为水平气压梯度项,散度项的贡献最小。

本工作通过对一次不常见的高原低涡减弱、高原切变线生成的天气系统演变过程与机理探讨,对丰富高原低涡与高原切变线之间相互作用以及高原切变线生成机理的认识有积极意义。

3.3 高原切变线及其水汽辐合对高原低涡的诱发作用

杜梅等(2019)基于运动方程组及散度方程,对高原横切变线上扰动稳定性问题以及切变线诱发高原低涡的动力学机制进行了理论分析并用ERA-interim再分析资料对理论结果进行验证。得出高原横切变线是高原低涡产生的重要背景场,切变线以南的水汽输送与辐合对低涡的诱发作用是大气处于不平衡状态而引起散度场调整的结果,辐合增强区有利于高原低涡生成,低涡中心对应非平衡正值中心,低涡外围为非平衡项负值区。非平衡项负值大值与水汽辐合带的重叠区对降水落区有较好指示意义。当高原南部的西南风带向东或东北方向移动或当低涡下游出现非平衡项负值中心时,低涡亦同向移动。若高原出现气旋式环流并且环流中心与非平衡项正值中心对应时,有利于低涡生成;当低涡中心与非平衡项正值中心对应且正值中心数值不断增大时,低涡将发展加强。

图 3 高原横切变线诱发高原低涡的概念模型图(杜梅等,2019)(a)切变线阶段; (b)切变线、低涡、水汽耦合关系(灰色圆圈是低涡易产生的位置), 虚线为切变线; (c)低涡生成前,“+”代表非平衡项正值,“-”代表非平衡项负值“, H”代表小高压; 箭头代表风向,南侧曲线代表南支槽, 北侧曲线代表北支槽脊 Fig. 3 The schematic graph of the vortex induced by shear line (a) the stage of shear line; (b) the coupling relationship of shear line, low vortex and water vapor (the gray circle is where the low vortex is easy to form), the dashed line is shear line; (c) before the stage of vortex, + represents unbalanced positive area, - represents unbalanced negative area, "H" represents the high pressure. The arrow represents the wind direction, the south curve represents the south branch, and the north curve represents the north branch and ridge (Du et al., 2019)

本研究基于理论模型揭示出高原横切变线以及伴随切变线的水汽输送与辐合对于诱发高原低涡的重要作用,初步提出了高原切变线影响高原低涡生成与移动的一种动力学机制,分析方法及结论有助于细化高原切变线作为背景场对高原低涡生成、移动具有重要影响的认识,更加全面地理解高原切变线与高原低涡两者的关系及相互作用。

4 高原切变线数值研究的最新进展 4.1 高原切变线的数值模拟与阶段性结构特征

罗雄和李国平(2018a)对2014年6月29日—7月1日的一次高原横切变线过程进行了数值模拟并分析了其演变过程中降水、热力、水汽和动力的结构特征。在高原切变线活动期间,不同阶段结构特征存在明显差异。切变线附近通常对应TBB < -20 ℃的云区;随着切变线的发展,TBB值降低,在云区内有多个TBB < -60 ℃的对流活动中心,对应主要降水期;在切变线减弱阶段,TBB值升高,降水趋于结束。虽然不像锋面那样具有显著的南北温度梯度,高原切变线仍存在“南暖北冷”的热力结构,在切变线发展维持阶段呈现高层稳定、低层不稳定。高原切变线也是水汽的聚集带,水汽通量散度的转变对高原切变线的发展具有一定指示。气旋式切变有利于高原切变线上正涡度的维持,散度场上的低层辐合、高层辐散的结构特征有利于切变线上垂直上升运动的发展,高原切变线上的辐合带先于正涡度带开始减弱、消失是高原切变线减弱的一种特征信号。

4.2 高空急流对高原切变线影响的数值试验与动力诊断

罗雄和李国平(2018b)通过一次高原切变线过程的数值模拟实验并结合ω方程的诊断计算得出,急流增强会使高原切变线上的风切变增大,切变线变长,同时高空急流强度的增强也有利于高原切变线上水汽的辐合。高空急流可通过影响高层辐散、低层辐合的散度场垂直配置,对高原切变线上的正涡度柱与辐合上升运动产生作用(图 4)。温度平流的拉普拉斯项对高原切变线上的垂直上升运动起主导作用,低层暖平流有利于切变线上产生上升运动。高空急流强度的变化对差动涡度平流项的影响要大于温度平流拉普拉斯项,高空急流强度的增强会放大差动涡度平流项和温度平流项的正贡献,从而更加有利于上升运动及高原切变线的维持。

图 4 高空急流强度对高原切变线影响机理示意图(改编自罗雄和李国平,2018b) Fig. 4 The schematic diagram of the impact of the upper-level jet stream intensity on the plateau shear line (modified from Luo and Li, 2018b)
4.3 云微物理参数化方案对高原切变线暴雨数值模拟的影响

利用中尺度数值模式WRF v3.8.1中的16种云微物理参数化方案,对2014年8月26—27日(北京时)川渝地区的一次高原切变线主导下的暴雨过程进行了数值模拟对比实验(顾小祥和李国平,2019)。结果表明(图 5):WRF模式能够较好模拟本次切变线强降水过程,总体来说NSSL 2-moment方案的模拟效果最好。但不同云微物理方案对于不同量级降水的模拟各有优势,NSSL 2-moment方案对大雨及暴雨的模拟效果最好。在主要降水区,各方案模拟的逐小时降水量的峰值均滞后于实况并且突发性更强,NSSL 2-moment with CCN方案在此区域模拟的累计降水量与实况最为接近。云中水成物含量的模拟结果显示,模拟降水较多的方案中其雪粒子含量也较多,而雪粒子不仅在其凝结过程中的潜热释放有利于对流活动发展,并且亦可以通过融化过程促进降水。而对于暖云降水部分,能够到达地面的雨水粒子含量的模拟在各方案中并无明显差异。

图 5 2014年8月26日06时—27日06时(107°—109°E、30.2°—31.2°N)区域平均的实况与模拟的逐小时降水量(a)及累计降水量(b, 单位:mm)(顾小祥和李国平,2019) Fig. 5 Time series of observed precipitation averaged over the region(107°-109°E, 30.2°-31.2°N) and those simulated with different cloud microphysics schemes from 06:00 BT on 26 to 06:00 BT on 27 (unit:mm, Gu and Li, 2019).

目前,对川渝地区暴雨的云微物理参数化方案的对比研究还不多见,专门针对高原切变线的相关研究更少。因此,本研究对高原切变线影响下发生在川渝地区的暴雨过程进行云微物理方案的对比实验,探讨不同方案对于模拟结果的影响,这对以后模拟研究或业务预报此类暴雨时选用合适的云微物理方案有一定参考价值。

5 存在的问题与未来探究的方向 5.1 存在的主要问题

高原切变线与高原低涡都是高原及周边地区重要的灾害天气系统,两者往往伴随出现并且协同产生重要天气影响,但两者间关系的理论观点分歧较大,一种观点认为高原切变线可以激发或诱发高原低涡(先线后涡),而另一种观点却认为高原低涡是高原切变线形成的基础(先涡后线),并且两者相互作用机理尚不清楚,进一步加强高原低涡与高原切变线之间相互作用的研究十分重要(李国平等,2017李国平和陈佳,2018)。目前,高原低涡、切变线的研究还多侧重于单一系统的研究,要么以高原低涡为主,要么以高原切变线为主,并且相对而言高原低涡的研究更多一些,两者的联合研究(即“低涡切变”及其暴雨)与相互关系的探讨亟待加强(姚秀萍等,2014)。

高原切变线与高原低涡虽然同属高原中尺度低值天气系统,但两者的几何形状迥异,对暴雨天气的作用也不尽相同,两者的联合研究尤其是相互作用的研究在理论观点、诊断技术、综合方法等方面都将面临新的挑战。

5.2 未来探究的方向

(1) 在高原切变线、高原低涡的统计研究方面,高分辨率再分析资料在高原地区的刻画能力及可靠性评估(尤其是在高原西部、大气低层以及对于中小尺度系统)是一个值得重视的问题。客观识别标准(判据及阈值)也还需要根据大样本的统计结果加以优化。如何做到人机有效结合,主客观方法优势互补,从单一资料到多源资料(包括引入新一代卫星资料、高原加密试验资料乃至高分辨率数值模式产品),单一高度层次到多层次,单一要素到多要素,单一识别方法到多方法组合,应是人工智能技术(AI)在高原天气系统识别领域应用的更高追求。

(2) 高原切变线与高原低涡的伴随性及先后关系以及切变线的垂直伸展范围等问题需要进一步明确或厘清。由于高原切变线、高原低涡多活动于高原及地形复杂地区,加强多尺度地形对天气影响系统及暴雨的强迫与协同作用显得尤为重要。高原切变线与平原切变线(如江淮切变线)以及相应暴雨特征的对比分析也是很有意义的工作。

(3) 虽然一些新的物理诊断量(如广义湿位涡、涡生指数、OW参数、形变量)开始在高原低涡、切变线及其暴雨的研究中得到初步应用,但结合多种动力、热力和水汽因子进行组合诊断,高原地面感热通量、潜热通量和降水过程中释放的凝结潜热对于高原切变线的影响,以及高、低空急流耦合对高原切变线的作用等问题,都值得在今后研究中关注。

(4) 理论上讨论切变线风场时目前仅考虑了纬向风的切变,对经向风的辐合尚未考虑,并且理论应用于天气实践检验的个例还不多。此外,切变波与涡旋波之间如何相互作用与相互转换,高原切变线、切变线上波动、高原低涡之间联系链条的完整建立等问题的解决,有待今后研究中通过理论完善、数值实验及更多应用检验等多路径不断向前推进。

(5) 在讨论水汽输送对低涡生成及移动的作用时,动力学方程组中直接考虑水汽因子尚存困难,影响低涡移速的内外因条件的讨论还不够深入。分析水汽辐合对低涡生成、移动的作用时,尚缺少与无水汽辐合条件下高原横切变线情况的对比,这些不足都有待发展完善。

(6) 通过中尺度数值模拟实验研究高原切变线及其暴雨是一种行之有效的技术手段,争取在高原及周边地区成功实现更高分辨率(如1 km)的数值模拟,无疑对揭示高原切变线、高原低涡这类中尺度天气系统更为精细的结构特征是值得期待的。

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