移動型與源地生消型西南渦的氣候特征

宋 娜 , 馮鑫媛

（成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，成都 610225）

引言

西南渦是青藏高原東側(cè)特殊地形與大氣環(huán)流相互作用下在我國西南地區(qū)形成的具有氣旋式環(huán)流的α中尺度渦旋，一般出現(xiàn)在對流層中低層700hPa與850hPa，水平直徑約為300～500km。就西南渦發(fā)生的頻數(shù)、造成的災(zāi)害影響程度以及所波及的范圍而言，西南渦是我國僅次于臺風(fēng)及其殘余低壓，重要性排名第二的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)[1]，許多我國歷史上罕見的特大洪澇災(zāi)害都與西南渦的活動密切相關(guān)。部分西南渦在有利的大氣環(huán)流形勢的配合下移出源地，向東北、南和偏東方向移動，偏東方向移動的西南渦多數(shù)沿長江流域東移入海，東北方向移動西南渦則主要經(jīng)由陜西省、河南省向華北地區(qū)移動，東南方向移動的西南渦向貴州、江西和福建方向移動[2]。因此西南渦不僅是西南地區(qū)的主要影響天氣系統(tǒng)，還會對長江中下游、華北、華東地區(qū)的天氣造成影響。研究西南渦相關(guān)科學(xué)問題有利于了解西南渦發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，進而提高西南渦源地及其下游地區(qū)災(zāi)害性天氣的預(yù)警預(yù)報水平。

20世紀(jì)40年代前后氣象學(xué)家們就開始了對西南渦的研究。陳忠明等[3]利用1983～1992年10年的逐日資料統(tǒng)計了西南渦的活動特征，提出西南渦具有明顯的年變化和季節(jié)變化，西南渦主要在夏季生成，春秋次之，冬季最少，夜間生成個數(shù)多于日間，西南渦主要有九龍、四川盆地和小金三個集中源地。諶貴珣等[4]使用了2000～2007年08時、20時的觀測數(shù)據(jù)分析了西南渦活動的統(tǒng)計事實，顯示西南渦冬季生成個數(shù)最多，夏季最少，主要源地為九龍以及四川盆地。Feng等[5]使用1979～2010年CFSR再分析資料對西南渦進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，西南渦生成的高峰期為5月，主要源地為九龍與四川盆地。由于研究時段、西南渦定義、使用數(shù)據(jù)的差異，導(dǎo)致各研究結(jié)果有所不同。

目前對于西南渦的研究主要集中在時空分布特征方面，或根據(jù)西南渦的降水情況將西南渦分為降水型和無明顯降水型兩類分別進行氣候特征統(tǒng)計。然而，源地生消型西南渦和移動型西南渦的時空分布以及降水等特征方面可能存在較大差異。個例分析表明，移出源地的西南渦的強度較大，生命史長，容易造成暴雨等災(zāi)害性天氣[6?7]。同時它們影響范圍廣，不僅對源地的降水天氣，也會對源區(qū)下游地區(qū)造成嚴(yán)重影響，往往引發(fā)下游地區(qū)（江淮流域、華北、東北地區(qū)）大范圍的暴雨等災(zāi)害天氣[6,8?9]。例如1998年6～8月的長江流域特大暴雨事件就與移動型西南渦活動密切相關(guān)[10]。因此，將西南渦分為源地生消型和移動型，建立兩類西南渦數(shù)據(jù)庫，分別進行氣候特征的統(tǒng)計分析，這一基礎(chǔ)性工作有利于進一步研究移動型西南渦與源地生消型西南渦在形成、結(jié)構(gòu)特征、發(fā)展移動機制、與其他天氣系統(tǒng)的相互作用等方面的差異。

本文利用2010～2019年10年的ERA5再分析數(shù)據(jù)和TMPA V7的降水?dāng)?shù)據(jù)，對兩類西南渦的年、季、月、日變化，渦源分布，生命史，移動特征與降水特征進行統(tǒng)計分析，從而得到近10年來兩類西南渦的活動規(guī)律，為后續(xù)對兩類西南渦的進一步研究提供科學(xué)支撐。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文選取了2010～2019年世界時00時、03時、06時、09時、12時、15時、18時、21時700hPa ERA5再分析數(shù)據(jù)的位勢高度場和相對渦度場，空間分辨率為0.25°×0.25°；同一時段的TMPA V7逐3h平均降水率數(shù)據(jù)。

ERA5全球再分析資料是ECMWF推出在ERAinterim的基礎(chǔ)上打造的最新一代再分析資料，相較于其前身ERA-interim，ERA5時空分辨率實現(xiàn)了大幅提升，ERA5提供從地表開始降至0.01hPa共137層的逐小時數(shù)據(jù)，且由于將更多的歷史觀測數(shù)據(jù)，尤其是衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用到其先進的數(shù)據(jù)同化和模式系統(tǒng)中，可以更精確的描述大氣狀態(tài)[11]。Bao等[12-13]指出再分析資料由于同化了大量衛(wèi)星資料，在缺乏觀測的高原地區(qū)較為準(zhǔn)確，在高原區(qū)域的研究中起到了重要作用。近年來，已經(jīng)有部分基于ERA5的西南渦研究取得了成果[14]。

TMPA V7降水?dāng)?shù)據(jù)是結(jié)合多源衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)和站點觀測數(shù)據(jù)而反演得到的逐3h降水?dāng)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)起始于1998年1月，覆蓋了50°N～50°S的區(qū)域，空間分 辨 率0.25°×0.25°[15]。韓 林 君 等[16]選 取 了2008～2009年33個引起降水的西南渦對TMPA V7降水?dāng)?shù)據(jù)進行了質(zhì)量檢驗，將其數(shù)據(jù)與MICAPS站點降水?dāng)?shù)據(jù)進行相關(guān)系數(shù)的計算，結(jié)果顯示，TMPA V7降水?dāng)?shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性較高，說明其可靠性較好。多項研究[17?18]也證實了TMPA多衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在青藏高原及四川盆地具有較好的可用性。

1.2 方法

西南渦定義標(biāo)準(zhǔn)：（1）700hPa位勢高度場上有閉合等高線的低壓；（2）初生時次低壓中心位于26°～33°N、100°～108°E；（3）700hPa相對渦度場上有正渦度中心，低壓中心與正渦度中心相距不超過2個經(jīng)/緯距；（4）700hPa位勢高度場上閉合低壓的水平尺度至少為2個經(jīng)/緯距；（5）能夠維持6h及以上時間。

根據(jù)西南渦的移動特征將西南渦分為兩類，西南渦中心如果不能移出源地（26°～33°N、100°～108°E），就稱其為源地生消型西南渦；如果西南渦中心可以移出源地，則稱為移動型西南渦。

按照上述西南渦定義標(biāo)準(zhǔn)，使用2010～2019年ERA5 700hPa的位勢高度和相對渦度場進行西南渦普查，統(tǒng)計了西南渦所有時次的中心位置、生命史等。然后，使用TMPA V7逐3h降水率數(shù)據(jù)，統(tǒng)計每個時次以西南渦中心300km內(nèi)的渦區(qū)平均3h降水率為西南渦影響的降水。將本文普查結(jié)果與《西南低渦年鑒》(2012～2016)進行了對比，結(jié)果表明與年鑒結(jié)果基本一致。2012～2016年西南渦年鑒共統(tǒng)計出476例西南渦，而本文同一時期普查出475例西南渦，二者的年際變化趨勢一致。

2 兩類西南渦的空間分布特征

西南渦初生時（第一個時次）低壓中心的位置為渦源，如圖1所示，紅框內(nèi)是初生西南渦的普查區(qū)域。本文統(tǒng)計了2010～2019年兩類西南渦渦源的空間分布。圖2a為2010～2019年西南渦渦源的空間分布。如圖所示，西南渦渦源主要集中分布在兩個區(qū)域，四川盆地和青藏高原東南邊緣九龍地區(qū)，兩個高頻區(qū)分別在30°～32°N、104°～106°E和27°～28°N、100°～102°E。

圖1 西南渦源地及周圍地形（紅色虛線框為初生西南渦普查區(qū)域）

相比而言，移動型西南渦與源地生消型西南渦渦源的空間分布存在明顯差異（圖2b～c）。源地生消型西南渦依然存在兩個主要源地，即九龍和四川盆地，其中九龍源地的初生渦明顯多于四川盆地源地。移動型西南渦的主要源地分布則相反，主要生成于四川盆地，九龍地區(qū)僅有零星初生渦。也就是說，西南渦兩個主要源地生成的西南渦存在差異。九龍源地生成的西南渦多為源地生消型，大部分在源地附近消亡，移動距離和生命史也較短（見下文）。而移動型西南渦更易生成于四川盆地。

圖2 2010～2019年西南渦渦源分布（a. 所有西南渦，b. 源地生消型西南渦，c. 移動型西南渦；彩色線條表示海拔高度，單位：m）

3 兩類西南渦的時間變化特征

3.1 年際變化

在2010～2019年期間，共有885個西南渦，年均89例。近10年西南渦個例數(shù)存在年際變化（圖3a），2011年西南渦最少（68例），2012年最多（118例）。2010和2011年西南渦生成頻次較少，年均72例。2012年以后西南渦生成頻次年際變化幅度較小，年均89例。2010～2019年近10年的西南渦以源地生消型為主，占西南渦總數(shù)的77.4%，移動型西南渦占22.6%。源地生消型西南渦年均69例，生成頻次的最大、最小值所在年份以及變化趨勢與前文所述一致。而移動型西南渦年均20例，2012年最多（25例），2015年最少（12例）。兩種類型西南渦占當(dāng)年西南渦總數(shù)的百分比也存在年際差異（圖3b）。2010～2011年移動型西南渦所占比例最多，約為30%，其中2015年移動型西南渦所占比例最低，僅為12.6%，而其余7年的移動型西南渦占比均在21%左右。葉瑤等[15]指出西南渦明顯的年際變化可能與低層環(huán)流的年際變化有關(guān)，源地低層西南風(fēng)強，偏南風(fēng)旺盛，角動量輸送增加，導(dǎo)致西南渦多發(fā)。也有研究指出移動型西南渦所占百分比的年際變化則可能與副熱帶高壓的位置的變化有關(guān)[8]。

圖3 2010～2019年西南渦生成頻次年際變化（a）和移動型西南渦個例數(shù)占西南渦總數(shù)的百分比（b）

3.2 季節(jié)變化和月變化

圖4a為西南渦生成頻次的季節(jié)變化，可以看出西南渦生成頻次的季節(jié)特征明顯，春夏季多、秋冬季少。其中春季最多，平均每年31個；夏季次之，平均每年24個；秋冬季最少，平均每年分別為18.4和15.1個。相比而言，移動型西南渦生成頻次的季節(jié)差異大，集中出現(xiàn)在春、夏季，生成頻次約是秋、冬季的3倍。而源地生消型的季節(jié)差異相對較小，除春季最多之外，其他三個季節(jié)差異較小。此外，在春、夏季，不僅西南渦生成頻次最多，而且移動型西南渦所占比例也最大，均達到27%。秋冬季節(jié)西南渦的生成頻次降低的同時移動型西南渦生成的比例也隨之減少，僅為13.5%。

圖4 2010～2019年各季西南渦個例數(shù)（a）和移動型西南渦個例數(shù)占總數(shù)的百分比（b）

2010～2019年期間，西南渦的生成具有顯著的月變化，5、6月最多，平均有122個，12月最少（41個）。6～12月西南渦生成頻次總體呈遞減趨勢，9月有所增加，之后繼續(xù)遞減，到次年2月逐漸增多。兩類西南渦的月變化趨勢與此相同，但移動型西南渦變化幅度更大（圖5）。移動型西南渦6月生成個數(shù)最多（40個），12月最少（4個）。源地生消型西南渦5月生成最多（92個），12月最少（37個）。

圖5 2010～2019年西南渦個例數(shù)的月變化

3.3 日變化

將首次識別出西南渦的時次作為其生成時次。由圖6a初生西南渦生成頻次的日變化看到，初生渦夜間多、白天少，主要集中在20時～次日02時。其中初生渦20時（北京時間，下同）最多（183個），14時最少（42個），14～20時又逐漸增加。兩類初生渦的日變化趨勢較為一致，均為夜間多于白天。但是，根據(jù)圖6b可知，移動型西南渦的生成頻次占比在08時與11時達到最大值29.5%，20時為最小值18.5%，雖然日間西南渦的生成頻次減少，但其中強度較大生命史較長的移動型西南渦占比增大。西南渦的日變化特征與四川地區(qū)多發(fā)夜雨的降水特征一致[19]。西南渦夜發(fā)性可能與源地地面熱源的日變化和高原東部重力波的夜發(fā)性有關(guān)[20?21]。將最后識別到西南渦的時次作為其消亡時次進行統(tǒng)計。如圖7所示，在08時消亡的西南渦個例數(shù)明顯高于其他時次，日間11時～夜間02時，西南渦的消亡個數(shù)沒有明顯的變化趨勢，02～08時，西南渦的消亡個數(shù)逐漸增多，至08時達到最多。但移動型西南渦消亡時次的日變化較小，西南渦消亡時次的日變化多是由源地生消型西南渦引起。

圖6 2010～2019年西南渦生成頻次的日變化（a）和移動型西南渦生成頻次日變化占總數(shù)的百分比（b）

圖7 2010～2019年西南渦消亡時次的日變化

將移動型西南渦第一次出現(xiàn)在圖1所示源區(qū)以外的時次作為西南渦的移出時次，如圖8所示，西南渦的移出時次高峰為北京時間11時，11～20時移出個例數(shù)逐漸遞減，23時又有一個西南渦移出的次高峰，23時～次日05時遞減。總的來說，日間移動型西南渦的移出個數(shù)略大于夜間。

圖8 2010～2019年移動型西南渦移出時次的日變化

3.4 生命史

大多數(shù)西南渦的生命史都較短，平均20.9h，中位數(shù)15.0h。其中，移動型與源地生消型西南渦的平均生命史分別為39.6h與15.4h，中位數(shù)分別為31.5h與12.0h。在2010～2019年普查出的885例西南渦中，生命史≤24h的西南渦有681例，約占西南渦總數(shù)的77%。生命史為9h的西南渦最多，占18.0%。生命史＞24h的西南渦僅占27.8%，生命史＞48h的西南渦有70個占7.9%，生命史＞72h的西南渦僅有23個，占2.6%（圖9a）。短生命史的西南渦以源地生消型為主，超過80%的源地生消型西南渦的生命史不超過18h。隨著生命史的增加，移動型西南渦的占比明顯增大，生命史＞72h的西南渦均為移動型西南渦（圖9b）。

圖9 2010～2019年西南渦生命史分布（a）和移動型西南渦占全部西南渦生命史分布的百分比（b）

4 移動型西南渦的移動特征

4.1 移動路徑與移動方向

將移動型西南渦的移動路徑按移動方向分為六類，分別為偏西路徑、偏南路徑、東南路徑、偏東路徑、東北路徑、偏北路徑。表1為各季節(jié)移動型西南渦移動路徑分布，由表1可知，移動型西南渦的移動路徑以偏東路徑為主，占全部移動型西南渦的71.8%，其次為東南路徑和東北路徑，分別占9%和11.6%，還有少數(shù)偏南、偏西和偏北路徑，分別占比為4.5%、1.5%、1.5%。東北路徑與東南路徑的移動型西南渦均主要發(fā)生在春季、夏季和冬季。偏南路徑移動型西南渦主要集中發(fā)生在夏季。偏西與偏北路徑移動型西南渦發(fā)生頻次較少，僅各出現(xiàn)3例。

移動路徑由圖10所示，各季節(jié)的移動型西南渦移動方向以偏東路徑為主，與表1的結(jié)論相一致。春夏季的西南渦移動路徑較長，移動距離最長主要為偏東路徑和東北路徑的西南渦，有較多的偏東路徑西南渦東移入海。秋季移動型西南渦的移動距離較春夏季偏短，移動路徑較長的還是偏東路徑與東北路徑的移動型西南渦。冬季移動型西南渦移動路徑最短，多數(shù)在內(nèi)陸地區(qū)消亡。各季節(jié)偏東路徑的西南渦多數(shù)沿長江流域東移入海，東北路徑西南渦則主要經(jīng)由陜西省、河南省向華北、東北地區(qū)移動。此外，移動型西南渦的移動過程中不是始終沿同一方向，在其移動過程中存在停滯、轉(zhuǎn)向等現(xiàn)象。移動型西南渦的移動路徑受到許多因素影響，如500hPa引導(dǎo)氣流、與其他系統(tǒng)的相互作用、高空急流的走向和自身結(jié)構(gòu)特征等[22?25]，因此對于影響移動型西南渦生成的因素還需進一步研究。

圖10 2010～2019年各個季節(jié)移動型西南渦的移動路徑（ a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季；紫色為偏北路徑，綠色為東北路徑，藍色為偏東路徑，紅色為東南路徑，橙色為偏南路徑，黃色為偏西路徑）

表1 2010～2019年不同移動路徑的移動型西南渦頻次的季節(jié)變化

4.2 移動速度

如圖11所示，移動型西南渦個例平均移速的最大值為199.1km/h，最小值為15.4km/h，平均值為47.6km/h，平均移速在30.0～35.0km/h的西南渦占比最大，約為14%。移動型西南渦的平均移速主要分布在15.0～70.0km/h，占全部西南渦的91%。此外，還有9%的移動型西南渦平均移速＞70.0km/h。

圖11 2010～2019年移動型西南渦移速的頻率分布

移動型西南渦的移速有明顯的季節(jié)變化，冬季移速最快，其次為春季和秋季，夏季最慢。圖12為移動型西南渦平均移速的月變化，可見移動型西南渦的平均移速在1月份達到最大值，1～8月逐漸遞減，8月平均移速達到最小值，8～11月平均移速逐漸增大。

圖12 2010～2019年移動型西南渦平均移速的月變化

5 兩類西南渦的降水特征

西南渦是影響我國降水的重要天氣系統(tǒng)之一，因此西南渦的降水特征是西南渦研究中的重要內(nèi)容。在2010～2019年期間的885例西南渦中，859例西南渦有明顯降水。由于使用衛(wèi)星降水分析產(chǎn)品而不是地面臺站降水量觀測，因此本文根據(jù)西南渦的降水量頻數(shù)分布使用百分位法[26]對西南渦的降水強度進行劃分。將2010～2019年所有西南渦個例的平均3h降水 量 按 照 升 序 排 列，得 到X1,X2, ···,Xm, ···,Xn,某 個≤Xm的概率:

式中m為Xm的序號，該公式估計的百分位值不用對序列分布進行任何假設(shè)[26]。

使用百分位法結(jié)合西南渦個例的降水特征劃分各降水強度等級：選取渦區(qū)平均3h降水率＞0.0001mm/h的西南渦個例，弱降水Pm＜P30%；一般降水P30%＜Pm＜P60%；強 降 水P60%＜Pm＜P95%；極 端 降 水Pm＜P95%（Pm表示一個西南渦個例的平均3h降水率，P30%表示西南渦渦區(qū)平均3h降水率第30個百分位所對應(yīng)的降水率）。

兩類西南渦的降水特征有顯著差異，移動型西南渦的降水強度明顯大于源地生消型（表2）。對于源地生消型西南渦，弱降水、一般降水和強降水個例均約占33.3%，其中弱降水個例最多（表3）。60%的移動型西南渦降水為強降水和極端降水，弱降水和無明顯降水僅分別占11.5%和1.5%（表4）。移動型西南渦極端降水出現(xiàn)的頻次遠大于源地生消型西南渦，移動型西南渦降水中極端降水占9.5%，源地生消型西南渦降水中極端降水僅占3.5%。

表2 兩類西南渦的平均3h最大降水量（mm）

表3 源地生消型西南渦降水的季節(jié)變化（占此類西南渦總數(shù)百分比%）

表4 移動型西南渦降水的季節(jié)變化（占此類西南渦總數(shù)百分比%）

西南渦降水存在明顯的季節(jié)變化。冬季源地生消型西南渦以無明顯降水和弱降水為主，春季和秋季多為弱降水和一般降水，夏季主要為強降水，極端降水也多出現(xiàn)在夏季。移動型西南渦春、夏、秋季均以強降水為主，冬季以一般降水和弱降水為主。兩類西南渦渦區(qū)平均3h降水率的季節(jié)變化趨勢較一致，夏季渦區(qū)平均3h降水率最大，其次為春季和秋季，冬季最低。但各個季節(jié)移動型西南渦的降水強度均明顯大于源地生消型西南渦，尤其在西南渦降水強度較小的春、秋、冬季最為明顯。

6 結(jié)論

使用ERA5再分析資料與TMPA V7降水資料統(tǒng)計分析了2010～2019年移動型和源地生消型兩類西南渦的時空分布特征、移動特征和降水特征，得出以下結(jié)論：

（1）西南渦渦源主要集中在兩個區(qū)域：一是27°～28°N、100°～102°E，在此區(qū)域生成的西南渦大多為源地生消型西南渦，移動距離較小，生命史較短；二是30°～32°N、104°～106°E，在此區(qū)域生成的西南渦生命史較長且移出源地的個數(shù)較多，移動型西南渦多在此區(qū)域生成。

（2）2010～2019年共有885個西南渦，其中源地生消型西南渦年均生成69例，移動型西南渦年均生成20例。兩類西南渦生成個數(shù)的年際變化存在一定的差異。西南渦的生成個數(shù)春季最多，夏季次之，秋冬季最少。移動型西南渦夏半年明顯高于冬半年。春夏季移動型西南渦占西南渦總數(shù)的比重最大，達到27%，秋冬季節(jié)降至13.5%。源地生消型西南渦的生成頻次在5、6月份最多，在12月份最少。西南渦生成時間主要集中在20時～次日02時。兩類初生渦的日變化趨勢較為一致，均為夜間多于白天。但日間強度較大生命史較長的移動型西南渦占比較大。西南渦生成的日變化特征也與四川地區(qū)多發(fā)夜雨的降水特征一致。其顯著的日變化可能與源地地面熱源的日變化和高原東部重力波的夜發(fā)性有關(guān)。

（3）西南渦生命史大多較短，平均20.9h，中位數(shù)15.0h。其中，移動型與源地生消型西南渦的平均生命史分別為39.6h、15.4h，中位數(shù)分別為31.5h、12.0h。生命史≤24h的西南渦約占總數(shù)的77.0%。源地生消型西南渦生命史大多＜24h，生命史＞24h的西南渦中移動型西南渦的占54.1%，生命史＞72h的均為移動型西南渦。

（4）2010～2019年西南渦的移出率約為22.6%。其中以偏東路徑的移動型西南渦為主占全部移動型西南渦的71.8%，其次為東南路徑和東北路徑的移動型西南渦分別占9%和11.6%。偏東路徑的移動型西南渦主要沿長江流域東移，東北路徑西南渦則主要經(jīng)由陜西省、河南省向華北、東北地區(qū)移動。春夏季的移動性西南渦移動路徑較長，部分偏東路徑的移動型西南渦可東移至海上。秋冬秋季移動型西南渦的移動距離較短，大多數(shù)在內(nèi)陸地區(qū)消亡。移動型西南渦冬季移速最大，夏季移速最小。

（5）根據(jù)西南渦的降水特征將西其劃分為無明顯降水、弱降水、一般降水、強降水和極端降水。源地生消型西南渦降水以弱降水為主，移動型西南渦降水則以強降水為主。移動型西南渦降水中極端降水占9.5%，而源地生消型西南渦降水中極端降水僅占3.5%。移動型西南渦的整體降水強度大于源地生消型西南渦，尤其在西南渦降水強度較小的春、秋、冬季最為明顯。