西南渦研究和觀測(cè)試驗(yàn)回顧及進(jìn)展

李躍清徐祥德

（1 中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072；2 中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

西南渦研究和觀測(cè)試驗(yàn)回顧及進(jìn)展

李躍清1徐祥德2

（1 中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072；2 中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

西南渦是我國(guó)最主要的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)之一，對(duì)西南渦及其影響的研究和預(yù)報(bào)，一直是天氣學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從西南渦研究和觀測(cè)試驗(yàn)的回顧及10年來(lái)的進(jìn)展兩個(gè)方面，系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于西南渦系統(tǒng)及其降水影響的主要成果；重點(diǎn)討論了西南渦研究與應(yīng)用存在的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、中尺度特征、演變機(jī)理、天氣影響和預(yù)報(bào)技術(shù)等主要問(wèn)題；并且，強(qiáng)調(diào)了深入開(kāi)展西南渦中尺度分析研究，尤其是其觀測(cè)布局試驗(yàn)的重要性；最后，指出了基于與西南渦結(jié)構(gòu)、演變和影響尺度匹配的觀測(cè)系統(tǒng)、多源數(shù)據(jù)、分析技術(shù)和研究理論，加強(qiáng)西南渦及其影響的中尺度氣象學(xué)觀測(cè)、試驗(yàn)、理論和應(yīng)用的綜合研究是其未來(lái)的重要發(fā)展方向。

西南渦，科學(xué)研究，觀測(cè)試驗(yàn)，發(fā)展方向

0　引言

西南低渦（簡(jiǎn)稱西南渦）是影響我國(guó)夏半年降水天氣過(guò)程的一個(gè)相當(dāng)重要的影響系統(tǒng)，西南渦暴雨也是中國(guó)暴雨中非常復(fù)雜、富有特色的暴雨現(xiàn)象。

研究表明，青藏高原不僅是大地形和抬高熱源，對(duì)我國(guó)、亞洲、北半球乃至全球的天氣、氣候變化都有著極其重要的影響[1-4]，而且其東側(cè)陡峭復(fù)雜地形的作用，使該區(qū)域成為我國(guó)中小尺度天氣系統(tǒng)異?；钴S并東移影響的一個(gè)中心[5-8]。而西南渦作為其中一個(gè)非常重要的高原災(zāi)害天氣系統(tǒng)，是在青藏高原復(fù)雜地形與大氣環(huán)流相互作用下，發(fā)生于我國(guó)西南地區(qū)（26°—33°N，100°—108°E）700或850hPa等壓面的中尺度氣旋式閉合低壓系統(tǒng)[5]，它的發(fā)生、發(fā)展及其移動(dòng)往往引起下游我國(guó)廣大地區(qū)異常強(qiáng)降水過(guò)程，并帶來(lái)嚴(yán)重的暴雨洪澇災(zāi)害[5]。因此，對(duì)于災(zāi)害性天氣系統(tǒng)西南渦活動(dòng)及其影響的研究和預(yù)報(bào)，一直是我國(guó)災(zāi)害天氣領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文在西南渦及其影響認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，從西南渦研究和觀測(cè)試驗(yàn)的回顧、近10年來(lái)的進(jìn)展兩個(gè)方面，全面系統(tǒng)總結(jié)了西南渦及其影響研究的基本狀況，分析了其存在的主要問(wèn)題，并指出了其未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向，以進(jìn)一步提升我國(guó)西南渦系統(tǒng)及其天氣影響的理論水平與業(yè)務(wù)技術(shù)。

1　回顧及進(jìn)展

長(zhǎng)期以來(lái)，通過(guò)觀測(cè)分析、診斷研究、數(shù)值模擬，以及科學(xué)試驗(yàn)等方法，對(duì)西南渦已開(kāi)展了不少卓有成效的分析研究，取得了一些重要的進(jìn)展，尤其是在關(guān)于西南渦的熱力與動(dòng)力結(jié)構(gòu)、天氣與氣候特征、發(fā)生發(fā)展與形成機(jī)理、西南渦的影響與預(yù)報(bào)、西南渦觀測(cè)試驗(yàn)等方面都有新的認(rèn)識(shí)[5,9-13]。下文，首先對(duì)21世紀(jì)之前西南渦研究和觀測(cè)試驗(yàn)成果做一重點(diǎn)回顧，然后總結(jié)21世紀(jì)近10年來(lái)西南渦研究和觀測(cè)試驗(yàn)的主要進(jìn)展。

1.1前期研究回顧

在西南渦活動(dòng)與結(jié)構(gòu)方面，認(rèn)識(shí)到西南渦全年各月都會(huì)出現(xiàn)，以4—9月居多，形成于700hPa（或850hPa），水平尺度約300～500km，為α中尺度渦旋，生成初期是一個(gè)淺薄系統(tǒng)，生命史一般低于48h，但少數(shù)發(fā)展東移后可達(dá)7d。主要集中出現(xiàn)在九龍、巴塘、德欽、康定、昌都一帶（28°—34°N，97°—102°E），通常稱為“九龍渦”，其次為四川盆地，又稱為“盆地渦”。其移動(dòng)路徑主要有偏東、東南和東北路徑三個(gè)方向，其中偏東移動(dòng)是主要路徑[5-6,14]。陶詩(shī)言等[14]通過(guò)大量個(gè)例分析得到，西南渦在垂直方向上較淺薄，形成初期700hPa出現(xiàn)氣旋環(huán)流，而500hPa、300hPa常為高壓區(qū)或高壓脊。并發(fā)現(xiàn)“雅布”—九龍地區(qū)、黑河地區(qū)和四川盆地是西南渦三個(gè)最易發(fā)生的源區(qū)。盧敬華[5]考慮了高原渦后進(jìn)一步指出：西南渦源地主要集中于兩個(gè)地區(qū)：一是九龍、巴塘、康定、德欽一帶，二是四川盆地，并較系統(tǒng)地分析總結(jié)了西南渦形成、發(fā)展和移動(dòng)等主要特征。解明恩等[15]的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，700hPa 西南渦在邊界層內(nèi)具有較復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)氣旋式環(huán)流的局部存在反氣旋式環(huán)流，形成了上升與下沉運(yùn)動(dòng)的交替出現(xiàn)。陳忠明等[16]通過(guò)中尺度濾波得到，強(qiáng)烈發(fā)展的西南渦是一個(gè)十分深厚的系統(tǒng)，可伸展到100hPa，同時(shí)也是一個(gè)非對(duì)稱的中尺度系統(tǒng)。彭新東等[17]通過(guò)對(duì)高原東側(cè)低渦的分析認(rèn)為，西南渦具有暖濕的中心結(jié)構(gòu)。韋統(tǒng)健等[18]通過(guò)對(duì)3次西南渦過(guò)程的合成分析指出，西南渦的溫濕場(chǎng)和垂直流場(chǎng)在低渦區(qū)呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱分布，低渦是一個(gè)顯著的斜壓系統(tǒng)。

在西南渦演變與機(jī)制方面，王賽西[19]發(fā)現(xiàn)角動(dòng)量輸送變化是造成低渦逐月出現(xiàn)頻率不同的不可忽視的動(dòng)力因素，角動(dòng)量平流正值區(qū)與低渦出現(xiàn)源地有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。劉富明等[20]指出，西南渦與高原渦處于非耦合時(shí)，將抑制背風(fēng)坡系統(tǒng)發(fā)展，當(dāng)處于耦合時(shí)，會(huì)激發(fā)背風(fēng)坡系統(tǒng)發(fā)展。西南渦上空有高原渦活動(dòng)，有利于西南渦的發(fā)展加強(qiáng)，提出了西南渦與高原渦垂直耦合作用的觀點(diǎn)。高守亭[21]認(rèn)為西南渦的形成與盆地、河谷和氣流分層有關(guān)。大氣低、高層氣流形成的穩(wěn)定分層流與地形的相互作用最有利于渦旋擾動(dòng)的形成，從環(huán)流與地形的相互作用解釋西南渦活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。吳國(guó)雄等[22]提出了西南渦形成的傾斜渦度發(fā)展（SVD）機(jī)制，指出由于地形作用引起等熵面傾斜是SVD發(fā)生的重要條件，西南季風(fēng)氣流北上與高原地形相互作用形成較強(qiáng)的南風(fēng)垂直切變，兩者結(jié)合導(dǎo)致SVD發(fā)生，垂直渦度快速增長(zhǎng)。李國(guó)平[23]指出，地面感熱加熱與暖平流通過(guò)產(chǎn)生正值非熱成風(fēng)渦度，對(duì)暖性西南渦形成起著重要作用。

在西南渦數(shù)值模擬方面，鄭慶林等[24]的數(shù)值模擬表明，青藏高原地形作用是西南渦發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力因子。Kuo等[25]通過(guò)數(shù)值模擬指出，1981年7月中旬，四川大范圍的大暴雨和特大暴雨天氣，青藏高原邊側(cè)西南渦是造成其嚴(yán)重暴雨洪澇災(zāi)害的重要天氣系統(tǒng)。楊洋等[26]的數(shù)值模擬得到，冷空氣的補(bǔ)充是西南渦發(fā)生發(fā)展的重要條件。趙平等[27]基于數(shù)值模擬指出，地形動(dòng)力作用對(duì)高原南側(cè)的西南氣流有著明顯的阻擋作用，并決定著西南渦的形成，潛熱通過(guò)加強(qiáng)西南渦上空高層輻散和低層輻合使低渦發(fā)展。彭新東等[28]指出，青藏高原地形對(duì)于西南渦在四川盆地700hPa的維持非常必要。王革麗等[29]的敏感性數(shù)值試驗(yàn)得到，西南渦降水對(duì)于青藏高原及周邊地區(qū)的植被覆蓋和土壤濕度非常敏感。

在西南渦天氣影響方面，竺可楨早在1916年就注意到了西南渦活動(dòng)與中國(guó)夏半年降水的密切關(guān)系。陶詩(shī)言等[14]、盧敬華[5]指出，發(fā)展東移的西南渦能引發(fā)我國(guó)長(zhǎng)江流域、淮河流域、華北、東北、華南等下游廣大地區(qū)的暴雨等災(zāi)害性天氣。陶詩(shī)言等[30]分析了1991和1998年長(zhǎng)江流域的持續(xù)性大暴雨洪水災(zāi)害，衛(wèi)星資料表明，造成異常暴雨的一些渦旋系統(tǒng)，其胚胎可以追溯到高原上空的對(duì)流云團(tuán)。李國(guó)平等[31]指出，西南渦暴雨的發(fā)展趨勢(shì)與濕位渦變率的演變趨勢(shì)基本一致，負(fù)的濕位渦對(duì)應(yīng)暴雨的發(fā)展，濕位渦由負(fù)轉(zhuǎn)正預(yù)示暴雨的減弱和結(jié)束，有一定指示意義。陳忠明等[32]的合成分析表明，中尺度西南渦先于暴雨出現(xiàn)，暴雨未來(lái)發(fā)生在低渦東部的偏南暖濕氣流中，低層的非平衡強(qiáng)迫作用對(duì)于暴雨具有指示意義。李躍清等[33]通過(guò)西南渦暴雨的合成分析得到，與青藏高原地形相關(guān)的邊界層風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)力作用是西南渦暴雨產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。王作述等[34]分析指出，西南渦造成的暴雨天氣強(qiáng)度、頻數(shù)和范圍僅次于臺(tái)風(fēng)，是我國(guó)位居第二的暴雨天氣系統(tǒng)。圖1是2012年7月8—15日一次西南渦東移影響過(guò)程，造成了四川、重慶、貴州、云南、甘肅、寧夏、陜西、河南、安徽、湖北、湖南、江西、山西、山東、江蘇和浙江等地暴雨洪澇災(zāi)害天氣。

圖1　2012年7月8—15日西南渦東移影響暴雨天氣過(guò)程［35］（點(diǎn)折線與數(shù)字代表西南渦移動(dòng)路徑與日期；著色區(qū)與數(shù)字代表強(qiáng)降水區(qū)與最大降水量，單位：mm）Fig. 1 The torrential rain process caused by Southwest China vortex moving eastward， during the days from 8 to 15 July， 2012［35］. （solid lines and numbers： the moving path and date respectively； color areas and numbers： the precipitation area and maximum precipitation， respectively，unit： mm）

在西南渦觀測(cè)試驗(yàn)方面，實(shí)際上，21世紀(jì)之前的這一階段，針對(duì)高原天氣系統(tǒng)西南渦的觀測(cè)試驗(yàn)可以說(shuō)還是空白[13]。雖然，也開(kāi)展了不少有影響的青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)，如1979年我國(guó)第一次青藏高原氣象科學(xué)實(shí)驗(yàn)，1998年我國(guó)第二次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)等，但并不是具體針對(duì)西南渦的專項(xiàng)觀測(cè)試驗(yàn)。

由上可以看到，這一階段西南渦的研究絕大多數(shù)僅是針對(duì)某次典型個(gè)例的分析，共性認(rèn)識(shí)薄弱；基本觀測(cè)資料稀少、時(shí)空分辨率很低，主要是大尺度天氣分析；雖然通過(guò)各種插值方法得到較高密度數(shù)據(jù)，但西南渦活動(dòng)的高原—盆地區(qū)域復(fù)合地形，陡峭復(fù)雜，其具體結(jié)果存在可靠性問(wèn)題；并且，數(shù)值模式自身性能和高原山地的特殊性，也限制了其研究的深度。

1.2近10年來(lái)進(jìn)展

進(jìn)入21世紀(jì)，由于大氣探測(cè)技術(shù)、綜合觀測(cè)系統(tǒng)的逐步發(fā)展，多種雷達(dá)、衛(wèi)星等特殊探測(cè)資料的積累豐富，國(guó)際再分析資料的不斷完善，在西南渦研究進(jìn)一步深入的基礎(chǔ)上，實(shí)施了西南渦專項(xiàng)大氣觀測(cè)試驗(yàn)[36-38]及其分析應(yīng)用是這一階段的主要特點(diǎn)。10年來(lái)，在西南渦的觀測(cè)數(shù)據(jù)、科學(xué)研究和預(yù)測(cè)技術(shù)等方面取得了一些新的重要成果。

在西南渦活動(dòng)與結(jié)構(gòu)方面，中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所[35,39]第一次編著出版了我國(guó)西南低渦年鑒系列，逐步改變了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)薄弱、定義不統(tǒng)一、個(gè)例差異等有關(guān)問(wèn)題，對(duì)于推動(dòng)西南渦研究和實(shí)際應(yīng)用有顯著意義。陳忠明等[40]利用1983—1992年逐日資料統(tǒng)計(jì)分析得到，九龍地區(qū)、四川盆地和小金一帶是西南渦的三個(gè)生成集中區(qū)；移動(dòng)類西南渦僅占低渦總數(shù)的20.5%，且主要取偏東路徑（70.7%）。鄒波等[41]指出，西南渦的邊界層結(jié)構(gòu)及其演變非常復(fù)雜，在邊界層內(nèi)，低渦表現(xiàn)出非連續(xù)特征。王曉芳等[42]分析了影響2005年6月25日長(zhǎng)江流域暴雨過(guò)程的西南渦結(jié)構(gòu)特征及其移動(dòng)發(fā)展機(jī)制，進(jìn)一步得到西南渦是一個(gè)顯著不對(duì)稱的斜壓系統(tǒng)。

在西南渦演變與機(jī)制方面，高守亭等[43]通過(guò)轉(zhuǎn)槽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)青藏高原對(duì)切變線上低渦及氣旋波的發(fā)展起著重要的驅(qū)動(dòng)作用。王曉芳等[42]得到西南渦發(fā)展過(guò)程始終伴隨強(qiáng)盛的西南低空急流；高層正渦度平流和低層暖平流的共同作用，是西南渦移動(dòng)過(guò)程中周圍大氣維持較大非熱成風(fēng)渦度，從而造成其上空強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)的重要原因。朱禾等[44]通過(guò)個(gè)例分析指出，地形與環(huán)流的恰當(dāng)配置與耦合作用，即低層強(qiáng)風(fēng)帶造成的氣旋性切變和低空氣流受地形抬升作用可能是西南渦生成的主要因素。并且，充沛的水汽與不穩(wěn)定能量是西南渦發(fā)展的有利熱力條件，青藏高壓變動(dòng)相伴的中上層環(huán)流形勢(shì)的調(diào)整與西南渦對(duì)流和降水發(fā)展相聯(lián)系。鄒波等[41]指出，大氣低層的非平衡動(dòng)力強(qiáng)迫通過(guò)激發(fā)氣流輻合和正渦度增長(zhǎng)，由此促進(jìn)西南渦的發(fā)展，且對(duì)流層中層的正渦度平流強(qiáng)迫加劇了低渦的發(fā)展。陳忠明等[45]通過(guò)個(gè)例分析進(jìn)一步指出，高原渦與西南渦相互作用的差異性，兩者不同的位置配置，可以抑制西南渦的發(fā)展，也可以導(dǎo)致西南渦的強(qiáng)烈發(fā)展。

在西南渦數(shù)值模擬方面，何光碧等[46]指出西南低空急流建立于暴雨出現(xiàn)之前，暴雨和盆地渦同時(shí)出現(xiàn)，而暴雨、低空急流和盆地渦幾乎同時(shí)減弱。盧萍等[47]對(duì)3次西南渦影響的華南持續(xù)性暴雨過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并由此診斷分析了其動(dòng)力、熱力演變特征，指出降水過(guò)程強(qiáng)弱與西南渦的伸展高度、渦度、散度等動(dòng)力特征強(qiáng)度變化一致，散度適度超前；渦度變率能很好地反映低渦的發(fā)展強(qiáng)度及伸展高度，一定程度上客觀地反映出西南渦的發(fā)生發(fā)展演變史。但是，由于西南地區(qū)復(fù)雜地形和數(shù)值模式自身問(wèn)題[48]，數(shù)值模擬研究有一定局限性。

在西南渦天氣影響方面，何光碧等[46]指出，發(fā)生于盆地的西南渦出現(xiàn)在低空急流左側(cè)，川東強(qiáng)降水發(fā)生在高空急流的南面、低渦東南側(cè)與西南低空急流大風(fēng)出口區(qū)之間。李躍清[49]指出，高原渦和西南渦等低值系統(tǒng)的異?；钴S是1998年長(zhǎng)江上游暴雨天氣的主要影響系統(tǒng)。實(shí)際上，1998年夏季西南渦活動(dòng)頻繁，且發(fā)展和東移的低渦高達(dá)70%以上，近90%的西南渦活動(dòng)帶來(lái)了長(zhǎng)江上游的區(qū)域性暴雨過(guò)程[50]。李德俊等[51]得到，由西南渦和非西南渦（南海西行臺(tái)風(fēng)）產(chǎn)生的四川南部暴雨天氣，其降水云團(tuán)結(jié)構(gòu)和風(fēng)廓線變化表現(xiàn)出差異性。西南渦暴雨比南海西行臺(tái)風(fēng)暴雨的降水云團(tuán)更大，云頂高度更高，并存在低層輻合高層輻散的典型垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)，降水云團(tuán)活動(dòng)垂直方向是連續(xù)的，對(duì)應(yīng)的降水也是連續(xù)性的，而南海西行臺(tái)風(fēng)暴雨則是時(shí)斷時(shí)續(xù)的。Chen等[52]分析了一次西南渦東移過(guò)程及其引發(fā)的華南暴雨天氣，發(fā)現(xiàn)暴雨影響系統(tǒng)西南渦始終處于較大相對(duì)螺旋度的大氣環(huán)境中，風(fēng)場(chǎng)不斷將正渦度向其輸送，以維持其發(fā)展。西南渦前（后）部暖（冷）平流明顯，這是推動(dòng)其移動(dòng)的重要熱力因子。暴雨區(qū)不斷的水汽輸送輻合，低渦擾動(dòng)誘生的MCSs不斷生成移動(dòng)發(fā)展，造成了持續(xù)性暴雨天氣。并且，綜合考慮低渦動(dòng)力及水汽作用的濕螺旋散度對(duì)降水落區(qū)有很好的指示意義。

在西南渦觀測(cè)試驗(yàn)方面，基于依靠與西南渦結(jié)構(gòu)、演變和影響尺度匹配的觀測(cè)系統(tǒng)、綜合資料、分析技術(shù)和研究理論這一認(rèn)識(shí)，2010 年夏季，中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所發(fā)起了我國(guó)第一次西南渦加密觀測(cè)大氣科學(xué)試驗(yàn)，在西南渦主要活動(dòng)區(qū)與影響區(qū)，完成了6月21日—7月31日的高時(shí)空分辨率的外場(chǎng)綜合氣象觀測(cè)，獲得了連續(xù)加密的大氣地面、高空、雷達(dá)、邊界層、地基GPS水汽和風(fēng)廓線觀測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)西南渦發(fā)生、發(fā)展和東移及其影響的“過(guò)程觀測(cè)”，建立了西南渦加密觀測(cè)數(shù)據(jù)集，并開(kāi)展了分析研究和實(shí)際應(yīng)用，在災(zāi)害天氣的分析預(yù)報(bào)中發(fā)揮重要作用[36]。之后，每年常態(tài)化的西南渦加密觀測(cè)大氣科學(xué)試驗(yàn)，空間加密九龍、名山、金川和劍閣4個(gè)探空站，時(shí)間觀測(cè)每日4次，甘孜、紅原、西昌、宜賓、達(dá)縣、溫江和巴塘7個(gè)業(yè)務(wù)探空站時(shí)間加密到每日4次（圖2）。加密觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)資料進(jìn)入氣象業(yè)務(wù)平臺(tái)實(shí)時(shí)應(yīng)用，為天氣預(yù)報(bào)員及時(shí)、準(zhǔn)確和精細(xì)地分析預(yù)報(bào)低渦、切變線和低壓槽等天氣系統(tǒng)變化及其影響起到顯著作用（圖3）。并且，加密觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同化到成都區(qū)域氣象中心的數(shù)值模式，改進(jìn)了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)水平。同化了西南渦加密觀測(cè)資料的降水預(yù)報(bào)TS評(píng)分明顯提高，并隨降水量級(jí)的增大，提高越明顯[37-38]。同時(shí)，也推進(jìn)了對(duì)西南渦及其影響演變特征的分析研究。

圖2 西南渦加密觀測(cè)大氣科學(xué)試驗(yàn)高空觀測(cè)網(wǎng)（藍(lán)色矩形：4個(gè)空間加密探空站；紫色圓點(diǎn)：7個(gè)業(yè)務(wù)探空站）、西南渦活動(dòng)主要源地（A：九龍一帶，B：四川盆地，C：小金一帶）與主要路徑（箭頭：偏東路徑、東北路徑和東南路徑）、西南地形分布（著色區(qū)：地形高度，單位：m）Fig. 2 The radiosonde network of intensive observation scientific experiments of Southwest China vortex （blue rectangles： the four space intensive observing stations；purple solid rounds： the seven operational observing stations）， the activity sources （A： Jiulong area； B： Sichuan basin； C： Xiaojin area） and the moving paths （arrows：eastward path， northeastward path and southeastward path） of Southwest China vortex and the terrain distribution in Southwest China （shaded areas： terrain heights， unit： m）

圖3是2013年6月29日—7月2日四川盆地東部發(fā)生的一次特大暴雨天氣過(guò)程，共有39個(gè)站點(diǎn)降雨量超過(guò)100mm，遂寧、南充、綿陽(yáng)和德陽(yáng)等地均超過(guò)200mm，遂寧72h累計(jì)降雨量達(dá)到519.5mm，創(chuàng)歷史極值。而6月30日14時(shí)（北京時(shí)，下同）西南渦與高原渦合并加強(qiáng)，是暴雨最為集中的時(shí)段。30日08時(shí)西南渦已位于四川盆地眉山地區(qū)，在常規(guī)觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合西南渦科學(xué)試驗(yàn)4個(gè)空間加密觀測(cè)站資料（圖3a）能夠清楚揭示出西南渦系統(tǒng)，但是，僅僅依靠常規(guī)觀測(cè)資料（圖3b）就不能揭示出其閉合的低壓中心，難以反映西南渦的存在與活動(dòng)。尤其是，30日14時(shí)西南渦與北部的高原渦相遇合并成為一個(gè)強(qiáng)烈發(fā)展的低渦時(shí)（圖3c），基于西南渦加密觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)的觀測(cè)資料，有效反映了其耦合過(guò)程和合并渦特征，然而，這個(gè)時(shí)刻卻沒(méi)有常規(guī)的探空觀測(cè)業(yè)務(wù)，表明了西南渦加密觀測(cè)試驗(yàn)的重要性。

同時(shí)，這一階段研編了西南渦及其影響的基礎(chǔ)年鑒，基于西南渦加密觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了西南渦及其降水的“過(guò)程觀測(cè)”，由此推動(dòng)了其綜合觀測(cè)、科學(xué)研究和業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)的發(fā)展，意義重大。并且，應(yīng)用雷達(dá)、衛(wèi)星等新資料，分析了西南渦及其降水的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理過(guò)程，提出了一些新的演變機(jī)制。但是，這些工作只是一個(gè)好的起步，其系統(tǒng)性、深入性和應(yīng)用性有待繼續(xù)加強(qiáng)。

圖3　2013年6月30日700hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）、溫度（著色區(qū)，單位：℃）和風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)矢，單位：m/s）：（a）30日08時(shí)西南渦與高原渦耦合前，常規(guī)探空觀測(cè)加上西南渦加密探空觀測(cè)；（b）30日08時(shí)西南渦與高原渦耦合前，僅有常規(guī)探空觀測(cè)；（c）30日14時(shí)西南渦與高原渦耦合時(shí)，常規(guī)探空觀測(cè)加上西南渦加密探空觀測(cè)Fig. 3 The 700hPa geopotential height （contours， unit： gpm），temperature （shaded area， unit： ℃） and wind （vectors， unit：m/s） on 30 June， 2013. （a）Before the coupling of Southwest China vortex and Tibetan Plateau vortex at 08 in Beijing time with the conventional plus intensive observing data； （b）Before the coupling of Southwest China vortex and Tibetan Plateau vortex at 08 in Beijing time with the conventional observing data only； （c）When the coupling of Southwest China vortex and Tibetan Plateau vortex at 14 in Beijing time with the conventional plus intensive observing data

2　存在問(wèn)題

從以上西南渦研究及觀測(cè)試驗(yàn)的回顧與進(jìn)展可知，關(guān)于西南渦的定義與性質(zhì)、渦源與移動(dòng)、熱力與動(dòng)力結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展與形成機(jī)理、與其他系統(tǒng)的相互作用，以及西南渦的影響與預(yù)報(bào)等已取得了不少重要的成果[5,9-13]。但是，由于青藏高原及周邊地區(qū)氣象觀測(cè)布局和能力的限制，在數(shù)量與質(zhì)量上，都缺乏與西南渦活動(dòng)及其影響匹配的基礎(chǔ)資料，關(guān)于其渦源路徑、時(shí)空結(jié)構(gòu)和移動(dòng)特征等一些基本事實(shí)都不是很清楚[5,10]，嚴(yán)重制約了對(duì)西南渦的深入研究，以及西南渦影響的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。目前，西南渦研究及觀測(cè)試驗(yàn)主要存在以下問(wèn)題：

1）西南渦及其演變的有效觀測(cè)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于青藏高原及周邊地區(qū)現(xiàn)有觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)稀疏，觀測(cè)技術(shù)有限，資料的代表性較差，數(shù)據(jù)的分辨率不夠，時(shí)空插值的可靠性不高，難以捕捉西南渦等中小尺度天氣系統(tǒng)的基本特征和異常演變，也造成其資料收集與個(gè)例統(tǒng)計(jì)等基礎(chǔ)工作非常薄弱，分析使用的個(gè)例事件，定義標(biāo)準(zhǔn)不同，西南渦及其影響的完整“過(guò)程觀測(cè)”數(shù)據(jù)少，且數(shù)值模式初值不能準(zhǔn)確描述西南渦的初始狀態(tài)，其數(shù)值預(yù)報(bào)具有較大難度。

2）西南渦及其演變的中尺度結(jié)構(gòu)特征與規(guī)律。由于缺乏與西南渦天氣系統(tǒng)相匹配的中尺度時(shí)空分辨率的基本觀測(cè)資料，僅基于西南渦的不同典型過(guò)程及其不同類型和不同階段的個(gè)例分析，難以真正揭示西南渦的整體結(jié)構(gòu)及其演變特征，并認(rèn)識(shí)西南渦的內(nèi)部物理圖像。因而，對(duì)于西南渦及其演變過(guò)程的中尺度結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)還不夠完整、系統(tǒng)，對(duì)于大氣動(dòng)力、熱力作用對(duì)西南渦演變過(guò)程的具體作用和綜合影響也不是十分清楚，

3）西南渦發(fā)生發(fā)展與移動(dòng)過(guò)程及其機(jī)理。西南渦是青藏高原特殊地形與大氣環(huán)流相互作用的產(chǎn)物，作為一個(gè)中尺度系統(tǒng)，其發(fā)生發(fā)展與東移等變化具有突發(fā)性、劇烈性和復(fù)雜性，對(duì)于其異常變化的基本特征及其物理機(jī)制一直是研究的重點(diǎn)。但是，西南渦源地的選擇性，西南渦的生成、生成后的消失與東移原因，其異常發(fā)展機(jī)理等科學(xué)問(wèn)題，由于高分辨率觀測(cè)資料和數(shù)值模式技術(shù)等的限制，一方面，西南渦大氣動(dòng)力學(xué)研究，由于基于簡(jiǎn)化和近似，與實(shí)際大氣有一定偏差，需要觀測(cè)的檢驗(yàn)和修正；另一方面，西南渦數(shù)值模擬研究，由于高原東側(cè)西南地區(qū)地形陡峭復(fù)雜[53]，其結(jié)果的普遍性和真實(shí)性也需要觀測(cè)證實(shí)。關(guān)于西南渦生成、消失、移動(dòng)，以及與高原渦系統(tǒng)耦合作用等演變過(guò)程及其物理成因一直是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)（圖4）。

圖4　高原天氣系統(tǒng)西南渦（紅色）與高原渦（黑色）活動(dòng)（箭頭）及其相互作用示意圖Fig. 4 The sketch map of activities （arrows） and interactions between the Plateau weather systems Southwest China vortex （red-ring） and the Tibetan Plateau vortex （black-ring）

4）西南渦暴雨天氣及其變化過(guò)程。西南渦作為中尺度低壓系統(tǒng)，一般與降水天氣密切聯(lián)系，其強(qiáng)烈發(fā)展將帶來(lái)暴雨等災(zāi)害天氣過(guò)程。并且，其降水的時(shí)空分布與云系、雨團(tuán)演變等具有顯著的區(qū)域特點(diǎn)。但是，由于觀測(cè)站網(wǎng)分布和探測(cè)技術(shù)有限，缺乏與西南渦降水天氣尺度相當(dāng)?shù)挠^測(cè)與分析，對(duì)于西南渦強(qiáng)降水的范圍、強(qiáng)度和持續(xù)等特征認(rèn)識(shí)不夠，對(duì)于西南渦強(qiáng)降水天氣及其演變的中小尺度特征了解還不是很清楚，包括對(duì)西南渦系統(tǒng)的云雨、水汽、擾動(dòng)等熱力、動(dòng)力及其微物理特征了解很少，沒(méi)有建立西南渦誘發(fā)暴雨災(zāi)害天氣的多尺度概念模型。

5）西南渦系統(tǒng)及其降水的可預(yù)報(bào)性與預(yù)報(bào)技術(shù)。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)資料不夠豐富的原因及其西南復(fù)雜山地的特殊困難，既影響了關(guān)于西南渦活動(dòng)規(guī)律與變化機(jī)理的認(rèn)識(shí)，又制約了西南渦及其天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，如青藏高原與周邊地區(qū)觀測(cè)資料的嚴(yán)重匱乏，數(shù)值模式不能準(zhǔn)確描述西南渦的初始狀態(tài)，尤其是其劇烈、突發(fā)變化和奇異、持續(xù)活動(dòng)，給西南渦系統(tǒng)及其天氣影響的預(yù)報(bào)帶來(lái)很大困難。而且，基于天氣圖的一些統(tǒng)計(jì)、動(dòng)力預(yù)報(bào)技術(shù)，基于數(shù)值模式的一些擴(kuò)展預(yù)報(bào)技術(shù)，都存在時(shí)空分辨率精細(xì)化程度不夠的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，往往難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)西南渦活動(dòng)及其天氣影響。目前，關(guān)于西南渦的可預(yù)報(bào)性，包括生成與消失、移動(dòng)與停滯、增強(qiáng)與減弱、群發(fā)與突發(fā)等變化，以及降水天氣的預(yù)報(bào)，包括強(qiáng)度、時(shí)段、落區(qū)和演變等都缺乏有效的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。

3　未來(lái)方向

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，高原氣象學(xué)進(jìn)入了涉及大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈相互作用的新階段，開(kāi)展青藏高原影響災(zāi)害天氣的系統(tǒng)化、精細(xì)化和協(xié)同化的觀測(cè)、試驗(yàn)、研究和應(yīng)用是未來(lái)的一個(gè)重要方向。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，大氣科學(xué)的發(fā)展，其觀測(cè)試驗(yàn)研究，如觀測(cè)布局、科學(xué)試驗(yàn)等相對(duì)落后于其理論分析，其科學(xué)理論與工程技術(shù)非常薄弱[54]，西南渦研究也是如此[13]。因此，協(xié)調(diào)開(kāi)展西南渦及其影響的觀測(cè)、試驗(yàn)、理論和應(yīng)用的綜合研究非常必要。

在大氣科學(xué)高原氣象學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，基于與西南渦結(jié)構(gòu)、演變和影響尺度匹配的觀測(cè)系統(tǒng)、多源數(shù)據(jù)，結(jié)合關(guān)鍵區(qū)域、關(guān)鍵時(shí)段的觀測(cè)試驗(yàn)，依靠觀測(cè)分析、診斷研究和數(shù)值模擬的精細(xì)化分析研究，發(fā)展西南渦系統(tǒng)及其影響的基礎(chǔ)理論和預(yù)測(cè)技術(shù)，是其未來(lái)最主要的發(fā)展趨勢(shì)。其中，有以下幾個(gè)基本方向：

1）推進(jìn)西南渦活動(dòng)的基礎(chǔ)觀測(cè)和科學(xué)試驗(yàn)。加強(qiáng)西南渦的基礎(chǔ)性工作，一是建設(shè)西南渦生成源地、移動(dòng)路徑和影響范圍的氣象綜合觀測(cè)系統(tǒng)，這是長(zhǎng)期的任務(wù)；二是在現(xiàn)有業(yè)務(wù)觀測(cè)站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性的布局開(kāi)展西南渦專項(xiàng)加密觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)，獲取有效反映其狀況與變化的觀測(cè)數(shù)據(jù)，提升基礎(chǔ)資料的數(shù)量和質(zhì)量，加強(qiáng)西南渦活動(dòng)氣候特征和基本結(jié)構(gòu)分析，推進(jìn)西南渦研究與業(yè)務(wù)發(fā)展，為揭示西南渦活動(dòng)及其影響的物理機(jī)制，提高其預(yù)測(cè)技術(shù)水平奠定基礎(chǔ)。

2）加強(qiáng)西南渦系統(tǒng)的精細(xì)分析和深入研究?；诩用苡^測(cè)與科學(xué)試驗(yàn)，應(yīng)用獲取的中尺度觀測(cè)資料和捕捉的西南渦“過(guò)程觀測(cè)”資料，建立西南渦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。通過(guò)中尺度觀測(cè)分析、動(dòng)力診斷和數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究西南渦及其演變的中尺度結(jié)構(gòu)特征，深入分析西南渦的動(dòng)力、熱力過(guò)程和發(fā)生發(fā)展與東移的物理機(jī)制。加強(qiáng)西南渦大氣動(dòng)力學(xué)研究與實(shí)際觀測(cè)的結(jié)合，建立更普遍、更精確的基礎(chǔ)理論，提升對(duì)西南渦的定量認(rèn)識(shí)及其成果業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3）開(kāi)展西南渦暴雨及其變化的綜合研究。在加密觀測(cè)、科學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用雷達(dá)、衛(wèi)星和探空等多種資料，通過(guò)觀測(cè)分析、診斷研究，進(jìn)一步研究西南渦暴雨天氣及其變化的降水結(jié)構(gòu)、云團(tuán)特征及其物理過(guò)程，認(rèn)識(shí)西南渦暴雨的內(nèi)在結(jié)構(gòu)與基本特征，建立西南渦誘發(fā)暴雨災(zāi)害天氣的多尺度概念模型。

4）發(fā)展西南渦及其影響的預(yù)報(bào)新技術(shù)。在多源數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)西南渦系統(tǒng)及其降水天氣特點(diǎn)，研發(fā)基于觀測(cè)、診斷和理論的西南渦預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)是應(yīng)用加密觀測(cè)高分辨率資料和中尺度數(shù)值模式，開(kāi)展西南渦及其暴雨可預(yù)報(bào)性的敏感性研究，結(jié)合新型觀測(cè)資料加強(qiáng)西南渦及其影響的數(shù)值模擬，發(fā)展基于多源資料同化的西南渦降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)新技術(shù)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文從西南渦研究和觀測(cè)試驗(yàn)的發(fā)展歷程，全面、系統(tǒng)地回顧了21世紀(jì)以前的主要成果和21世紀(jì)之后近10年來(lái)的基本進(jìn)展，重點(diǎn)分析了存在的主要問(wèn)題，指出了未來(lái)發(fā)展的基本方向。

需要指出的是，目前對(duì)于西南渦及其影響的認(rèn)識(shí)還非常薄弱，主要是缺乏西南渦變化及其影響的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括西南渦形成、維持、發(fā)展和移動(dòng)及其影響等基本變化信息，特別是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率的持續(xù)、系統(tǒng)觀測(cè)，制約了對(duì)西南渦基本結(jié)構(gòu)、變化過(guò)程和影響機(jī)理的基礎(chǔ)分析、理論研究與業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。追根溯源，今后應(yīng)該以西南渦及其影響的綜合觀測(cè)與科學(xué)試驗(yàn)為起點(diǎn)，開(kāi)展進(jìn)一步的深入研究，由此發(fā)展我國(guó)西南渦系統(tǒng)及其天氣影響的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，這才是正確高效之路。

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A Review of the Research and Observing Experiment on Southwest China Vortex

Li Yueqing1, Xu Xiangde2
（1 Institute of Plateau Meteorology， CMA， Chengdu/Heavy Rain and Drought-Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province， Chengdu 610072 2 Chinese Academy of Meteorological Sciences， Beijing 100081）

The Southwest China vortex is one of the most important severe weather systems in China. The research and forecasting of Southwest China vortex and its influences on weather are always the key and difficult points in weather science. This paper systematically summarizes major advances in both aspects of researching and observing experiments about the Southwest China vortex and precipitation in recent ten years, and focuses on the main problems, such as basic data, mesoscale feature, evolution mechanism， weather influence and prediction technology. Furthermore， we emphasize the importance to carry out the mesoscale research of Southwest China vortex, specially on the observing-layout experiments. Finally, we point out that it is an important development direction in the future to strengthen the comprehensive research on mesoscale meteorology, including the observing system, multi-source data, analytical technique and theory research that match with the scales of Southwest China vortex.

Southwest China vortex， scientific research， observing experiment， development direction

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.018

2015年9月6日；

2015年12月12日

李躍清（1960—），Email: yueqingli@163.com

資助信息： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41275051，91337215）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB417202）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201406001，GYHY201006053）