• CN 62-1175/P
  • ISSN 1006-7639
  • 双月刊
  • 中国科技核心期刊
  • 中国学术期刊综合评价数据库统计源期刊
  • 中文科技期刊数据库收录期刊

干旱气象, 2024, 42(6): 910-921 DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639-2024-06-0910

论文

青藏高原暖季移出型低涡发生规律及典型个例发展机制的差异分析

燕若彤,1, 邓凤东1, 许东蓓,2, 麦哲宁3

1.陕西省大气探测技术保障中心,陕西 西安 710014

2.成都信息工程大学大气科学学院,高原大气与环境四川省重点实验室,四川 成都 610225

3.广东省佛冈县气象局,广东 佛冈 511699

Analysis of the occurrence rules of the moving-out vortex over the Qinghai-Xizang Plateau and the differences in the development mechanism of typical cases in warm seasons

YAN Ruotong,1, DENG Fengdong1, XU Dongbei,2, MAI Zhening3

1. Shaanxi Provincial Atmospheric Detection Technical Support Center, Xi’an 710014, China

2. College of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610225, China

3. Fogang County Meteorological Bureau of Guangdong Province, Fogang 511699, Guangdong, China

通讯作者: 许东蓓(1968—),女,教授,主要从事天气动力学及灾害性天气形成机制研究。E-mail:xdb@cuit.edu.cn

责任编辑: 黄小燕;校对:王涓力

收稿日期: 2024-02-27   修回日期: 2024-04-23  

基金资助: 国家自然基金联合基金重点支持项目(U2242202)
陕西省大气探测技术保障中心“揭榜挂帅”项目(2023S-1)

Received: 2024-02-27   Revised: 2024-04-23  

作者简介 About authors

燕若彤(1998—),女,助理工程师,主要从事雷达气象观测与应用和灾害性天气形成机制研究。E-mail:yanrt199804@163.com

摘要

移出高原低涡多引发青藏高原下游地区大范围的暴雨等灾害性天气,针对移出型低涡在移出高原后为何发展或减弱的问题,基于1990—2019年暖季(5—9月)高原低涡数据库、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)ERA5再分析资料和热带测雨TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星反演的3B42降水资料,采用气象统计分析、天气学分析和诊断分析等方法,针对移出型高原低涡的发生规律、环流特征及移出发展型和移出减弱型两类低涡典型个例发展机制的异同进行了探讨。结果表明:近30 a来移出型高原低涡频数呈现弱增多趋势,平均每年有6.5次,其中5月移出型低涡最多。根据初生位置分为西部涡、中部涡和东部涡,西部涡的主要源地集中在狮泉河和改则北部,中部涡主要在申扎北部及沱沱河一带,东部涡源地为杂多与曲麻莱一带,其中东部涡最多且移动路径以偏东为主。200 hPa南亚高压范围较大、强度较强,加强了高层的水平辐散及垂直上升运动;500 hPa西太平洋副热带高压较弱,对低涡移动的阻挡作用减弱,均是促使低涡发展东移的原因。移出型高原低涡分为发展和减弱两种类型。对比分析发现,在低涡东移过程中,移出发展型低涡冷暖平流交汇清晰、锋生作用增强,位涡在水平方向上呈西南—东北带状分布,有东传现象,垂直方向上高空正位涡下传明显;移出减弱型低涡多维持暖心结构,移出高原后低涡逐渐脱离位涡大值区,高空正位涡下传趋于不明显。移出发展型低涡降水出现在低涡中心及其南侧,降水强度较强、范围较大;移出减弱型低涡降水强度较弱、范围较小。

关键词: 移出型高原低涡; 气候特征; 环流特征; 发展机制

Abstract

Moving out of the Qinghai-Xizang Plateau vortex (QXPV) often causes a wide range of disastrous weather such as heavy rain in the lower reaches of the Qinghai-Xizang Plateau. Aiming at the question of why the moving-out QXPV (MQXPV) develops or weakens after moving out of the Qinghai-Xizang Plateau, based on the QXPV database in warm seasons (from May to September) during 1990-2019, the ERA5 reanalysis data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) and the 3B42 precipitation data retrieved from the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) satellite, this paper discusses the occurrence rules, circulation characteristics, the differences and similarities of the development mechanisms of the two typical cases of the moving out type and the weakening type by using meteorological statistical analysis, synoptic analysis and diagnostic analysis methods. The results show that in the past 30 years, the frequency of the MQXPV showed a weak increasing trend, with an average of 6.5 times per year, and in May it was the largest. It can be divided into the western vortex, the central vortex and the eastern vortex according to the birth location, the western vortex was mainly concentrated in Shiquan River and the north of Gerze, the central vortex was mainly concentrated in the north of Shenzha and the Tuotuo River, and the eastern vortex was mainly located in Zadoi and Qumalai, among them the eastern vortex occurred most and the moving path was mainly eastward. The 200 hPa south Asian high had a large range and strong intensity, which strengthened the horizontal divergence in the upper layer and vertical ascending motion. The 500 hPa western Pacific subtropical high was weaker, and its blocking effect on the movement of the QXPV was weakened, which resulted in the eastward movement of the QXPV. The MQXPV includes two types: developing and weakening. The comparative analysis shows that during the eastward movement of the QXPV, for the developing vortex, the convergence of cold and warm advection was clear and the frontogenesis enhanced gradually, and the potential vorticity presented a zonal distribution from southwest to northeast in the horizontal direction, with an eastward transmission phenomenon, and in the vertical direction, the upper positive potential vorticity passed down obviously. For the weakening vortex, it maintained a warm heart structure, after moving out of the Qinghai-Xizang Plateau, the weakening vortex gradually separated from the large value region of the potential vorticity, and the upper positive potential vorticity passing downward tended to be less obvious. The precipitation caused by the developing vortex appeared in the center and south side of the vortex, the precipitation intensity was stronger and the range was larger, while the intensity was weaker and the range was smaller of the precipitation caused by the weakening vortex.

Keywords: moving-out Qinghai-Xizang Plateau vortex; climatic characteristics; circulation characteristics; development mechanism

PDF (27992KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

燕若彤, 邓凤东, 许东蓓, 麦哲宁. 青藏高原暖季移出型低涡发生规律及典型个例发展机制的差异分析[J]. 干旱气象, 2024, 42(6): 910-921 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639-2024-06-0910

YAN Ruotong, DENG Fengdong, XU Dongbei, MAI Zhening. Analysis of the occurrence rules of the moving-out vortex over the Qinghai-Xizang Plateau and the differences in the development mechanism of typical cases in warm seasons[J]. Arid Meteorology, 2024, 42(6): 910-921 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639-2024-06-0910

0 引言

青藏高原地形复杂,昼夜温差大,平均海拔在4 000 m以上,被誉为“世界屋脊”(张镱锂等,2021),其上空会产生一些独特的天气系统,例如高原切变线、高原低涡等。高原低涡常指暖季(5—9月)出现于青藏高原地区400 hPa以下的α中尺度气旋性低压,其特征是尺度小、厚度薄及生命史短(徐祥德和陈联寿,2006;李博等,2023)。以往研究基于500 hPa天气图资料指出,高原低涡大多集中在30°N—35°N、95°E以西的范围内,低涡的4个源地分别为申扎—改则之间、那曲东北部、德格东北部和松潘附近(钱正安等,1984;罗四维和王玉佩,1984;王鑫等,2009;李江萍等,2012)。随着观测资料精度与密度增大,基于再分析资料对高原低涡气候特征开展的研究发现低涡频数年际变化特征明显,且呈现增多趋势,其中7月高原低涡出现频数最多(李国平等,2014;Feng et al.,2014)。

部分低涡移出青藏高原主体会引发青藏高原下游地区大范围的暴雨或雷暴等灾害性天气(叶笃正和高由禧,1979;张顺利等,2001;杨克明等,2001;黄楚惠等,2015)。移出型高原低涡(Moving-out Qinghai-Xizang Plateau Vortex,MQXPV)多分为东移、东北移和东南移3类,以东移为主,暖季移出型高原低涡的涡源主要在曲麻莱和德格附近,且各路径移出型低涡与相应地区的降雨相关性较好(郁淑华和高文良,2006;师锐和何光碧,2018;郁淑华和高文良,2019)。对高原低涡的热动力特征研究表明,对流层中层副热带高压、对流层高层南亚高压和气流辐合对高原低涡的移动具有一定的引导作用(高文良和郁淑华,2007;郁淑华等,2008;郁淑华和高文良,2018;沈雨等,2022)。冷空气多影响高原北部低压的发展,干冷空气侵入中低层与暖湿气流交汇形成锋生,高空位涡下传与锋生东传有利于低涡发展和向北移出高原,西南涡的耦合对于高原低涡的长时间发展甚至东移入海有较大的影响(Takahashi,2003;陈丽芳等,2004;王伏村等,2014;肖玉华等,2018)。低涡移出高原后,其凝结潜热的释放和良好的水汽条件使得下游地区降水量急剧增加(赵玉春和王叶红,2010;宋雯雯等,2012;田珊儒等,2015)。上述研究加深了我们对于移出型高原低涡的认识,但针对移出发展型和移出减弱型两类低涡发展机制的异同点研究较少。因此,本文首先基于1990—2019年暖季高原低涡数据库,应用气象统计分析方法,探讨移出型高原低涡的气候特征。其次利用天气学分析和诊断分析等方法,综合分析移出型高原低涡的多发年和少发年的环流背景特征,并针对移出发展型和移出减弱型两类低涡,从热动力条件等方面初探其维持机制的异同点。

1 资料与方法

1.1 资料

利用1990—2019年暖季(5—9月)高原低涡客观识别数据库中高原低涡源地及移动轨迹,对移出型高原低涡的时间分布、移动路径、涡源、强度及持续时间等特征进行探讨。该数据库是麦哲宁等(2024)利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)发布的ERA5逐小时再分析资料(空间分辨率为0.25°×0.25°)对高原天气系统进行客观识别所得的30 a(1990—2019年)高原低涡数据库,该资料与2017年《青藏高原低涡切变线年鉴》(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,2019)中的低涡总体数量及移出变化趋势较为一致,典型的长生命史低涡多数也能得到识别,故该数据库具备一定的参考价值与实际意义。

利用欧洲中期天气预报中心ERA5逐小时再分析资料(空间分辨率为0.25°×0.25°)中各层等压面上的气象要素对移出型高原低涡的维持机制进行分析;利用热带测雨TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星反演的3B42降水资料(空间分辨率为0.25°×0.25°,时间分辨率为3 h)对移出型高原低涡的降水进行分析(Huffman et al., 2007)。

1.2 方法

对高原低涡的移出判定基于黄楚惠等(2015)对于移出定义的补充:(1)高原低涡移出高原是指低涡中心移到100°E以东(在101°E—103°E生成的低涡移出110°E记为移出低涡);(2)根据移出型高原低涡的初生位置可将其分为高原西、中、东部涡。移动路径的分类基于师锐和何光碧(2018)根据追踪高原低涡移出高原后的活动路径情况,将其分为3类:(1)东北向:高原低涡相对于涡源位置,移动终点明显比起点偏北,终点和起点南北间相差3个纬距或以上,东北移动经过山西到达河北一带,有些甚至移动至东北地区;(2)偏东向:终点和起点基本在一个纬度,南北间相差2个纬距以内;(3)东南向:终点明显比起点偏南,终点和起点南北间相差3个纬距或以上,东南移动至云南、贵州一带。其中异常路径(南移或北移)占移出型高原低涡的比例较小,因此不做分析。

2 移出型高原低涡的主要特征

2.1 时间分布特征

1990—2019年暖季(5—9月)移出型低涡频数为194次,即每年平均有6.5次高原低涡东移出高原并持续发展,有弱增多趋势,标准差为2.03。其中1997年移出型高原低涡频数最多,1996年和2004年移出型高原低涡仅3次[图1(a)]。暖季移出型高原低涡频数4~7 a的振荡周期在1994—2008年有较大的谱值,但没有通过95%的置信水平[图1(b)]。

图1

图1   1990—2019年暖季(5—9月)移出型高原低涡(MQXPV)频数标准化距平的年际变化(a、c、e、g、i、k)及移出型高原低涡频数的小波功率谱分布(b、d、f、h、j、l)

(a、b)5—9月,(c、d)5月,(e、f)6月,(g、h)7月,(i、j)8月,(k、l)9月

(黑实线包围区域表示通过95%的置信水平)

Fig.1   The inter-annual variation of the standardized anomaly of the frequency of the moving-out Qinghai-Xizang Plateau vortex (MQXPV) (a, c, e, g, i, k) and the wavelet power spectrum distribution of the frequency of the MQXPV (b, d, f, h, j, l) in warm seasons from 1990 to 2019

(a, b) from May to September, (c, d) May, (e, f) June, (g, h) July, (i, j) August, (k, l) September

(The areas enclosed by black solid lines indicate the values passing the 95% confidence level)


5月移出型低涡频数为54次,占移出型高原低涡总数的27.8%,整体呈增加趋势[图1(c)],该月移出型高原低涡频数的2 a振荡周期在1999—2009年呈现较大的谱值,4 a振荡周期在1990—1995年有较大的谱值,且通过95%的置信水平[图1(d)];6月移出型低涡频次和5月相当,占比27.3%,该月移出型高原低涡频数的2 a振荡周期在1995—2008年呈现较大的谱值,5~7 a振荡周期在1998—2003年呈现较大的谱值[图1(e)(f)];7月移出型低涡次数为35次,占比18.0%,整体呈减少趋势,7月移出型低涡频数的5~7 a振荡周期自1990年起有较大的谱值[图1(g)(h)];8月和9月移出型低涡频数分别占18.6%和8.2%,整体呈现增加趋势[图1(i)(k)];8月移出型低涡频数的3 a振荡周期在1995—2000年、2005—2010年呈现较大的谱值,6 a振荡周期在2010—2017年有较大的谱值[图1(j)];9月移出型低涡频数的2 a振荡周期在1991—1995年、2015—2019年呈现较大的谱值,6 a振荡周期在1995—2015年有较大的谱值[图1(l)]。

2.2 移动路径特征

移出型高原低涡以偏东路径为主,偏东路径次数为126次,占移出型高原低涡频数的64.9%,而东北路径和东南路径频数分别占移出型高原低涡的18.6%和16.5%(图略),这与诸多研究结果基本一致(郁淑华和高文良,2006;王鑫等,2009;黄楚惠等,2015)。

东北路径的移出型高原低涡频数呈增加趋势,气候倾向率为每10 a增加0.24次;偏东路径频数呈减少趋势,其中1993年频数最多为8次;东南路径频数同样呈减少趋势,但变幅较偏东路径大,多数年份没有东南路径移出型低涡发生(图略)。

2.3 涡源特征

1990—2019年暖季移出型高原低涡主要集中在32°N—36°N,其中东部涡有102次,占比52.8%,其次为中部涡和西部涡,占比分别为24.6%和22.6%。西部涡的主要源地集中在狮泉河和改则北部,中部涡主要集中在申扎北部及沱沱河一带,东部涡的主要源地为杂多与曲麻莱一带,其次为石渠和德格附近[图2(a)]。王鑫等(2009)基于普查500 hPa天气图发现移出型高原低涡源地偏东,而基于NCEP再分析资料统计发现移出型高原低涡源地中西部涡的占比有所增高(黄楚惠等,2015)。本文分析表明移出型高原低涡的东部涡占比最多,而西部涡占比增多,和东部涡基本持平,主要是由于使用了空间分辨率较高的再分析资料,使得高原西部的低涡得以识别,因此得出以上结论。

图2

图2   1990—2019年暖季(5—9月)移出型高原低涡的源地分布

(a)5—9月,(b)5月,(c)6月,(d)7月,(e)8月,(f)9月

(绿色实线为青藏高原边界线,下同)

Fig.2   The source distribution of the MQXPV in warm seasons from 1990 to 2019

(a) from May to September, (b) May, (c) June, (d) July, (e) August, (f) September

(The green solid line is the boundary line of the Qinghai-Xizang Plateau, the same as below)


5月移出型低涡的西部涡次数与东部涡基本持平,源地多集中在改则以北及沱沱河和曲麻莱一带[图2(b)];6月移出型低涡主要分布在改则北部地区和曲麻莱附近[图2(c)];7月移出型低涡源地主要在申扎和石渠—德格北部[图2(d)];8月和9月移出型低涡源地较分散[图2(e)(f)]。东北路径移出型低涡多为西部涡与东部涡,偏东路径和东南路径移出型低涡以东部涡为主(图略)。

2.4 强度与持续时间

移出型高原低涡中心的平均位势高度值为579 dagpm,多数位势高度值集中在575~584 dagpm,占移出型高原低涡的85.1%。移出型高原低涡的生命史多为12~72 h,占移出型高原低涡的91.7%,多数移出型低涡在生成后24 h内消亡,持续时间在96 h以上的低涡仅占4.6%,移出型低涡最长生命史达171 h(图略)。移出型高原低涡多在白天生成,白天与夜间生成的移出型低涡分别占57.2%和42.8%。

3 移出型高原低涡多发年及少发年环流特征对比

对1990—2019年暖季移出型高原低涡发生频数做标准化处理,采用高于或低于1个标准差来定义多发年或少发年(李国平等,2014)。移出型高原低涡多发年为1997、1998、2001、2002、2008、2009年,少发年为1994、1996、2014年。使用合成分析法,对多发年和少发年的200 hPa及500 hPa环流特征进行分析,差值均为“多发年减少发年”。

青藏高原北部200 hPa为位势高度差值场正中心[图3(a)],中心值为2 dagpm,青藏高原西部伊朗高原上空为负中心,中心值为-3 dagpm,200 hPa流场显示青藏高原上空为反气旋性环流[图3(b)],说明多发年的南亚高压强度明显强于少发年。欧亚大陆500 hPa位势高度差值场呈“两低夹一高”型,新疆北部、西伯利亚为大范围的正中心,我国东北部至鄂霍次克海为负中心[图3(c)];青藏高原北部为反气旋性环流,伊朗高压上空为气旋性环流,说明多发年青藏高原北部脊范围更加宽广、强度更加强盛;我国东南部的气旋性环流更强,即多发年的西太平洋副热带高压较少发年强度偏弱、位置偏东,对低涡东移的阻挡作用减弱;高层的水平辐散加强及垂直上升运动剧烈发展,有利于低层减压、低层水平辐合运动增强,促使低涡东移出高原并发展[图3(d)]。

图3

图3   1990—2019年暖季200 hPa(a、b)、500 hPa(c、d)移出型高原低涡多发年与少发年的位势高度差值场(a、c)、流场差值场(b、d)

Fig.3   The potential height difference field (a, c) and flow field difference field (b, d) between the more and less years of the MQXPV at 200 hPa (a, b) and 500 hPa (c, d) in warm seasons from 1990 to 2019


4 移出发展型与移出减弱型低涡特征对比

4.1 个例选择及降水实况

王鑫等(2009)将持续36 h以上的高原低涡称为发展低涡过程,反之则称为不发展过程。选取移出高原后,生命史较长且引发江淮强降水的移出发展型低涡个例:2017年7月7日15:00(世界时,下同)生成于高原东部(中心位于94°E、32.5°N),8日03:00移出高原,随后进入江淮流域发展为完整的江淮气旋,且引发江淮强降水,9日06:00在山东西南部消亡,28 h内低涡移动15个经距以上,生命史持续39 h。移出减弱型低涡个例的选取与移出发展型低涡个例的气候背景相似且低涡源地相近:2013年7月20日18:00生成于96.43°E、32.97°N的低涡,之后不断东移,于21日03:00移出高原,21日12:00消亡。在低涡发展的19 h内,低涡移动仅8.8个纬距,移速较移出发展型高原低涡缓慢。

图4为移出发展型和移出减弱型低涡的移动路径及降水分布。可以看出,移出发展型低涡的降水主要在其中心及南侧,移至江淮流域时降水大值区主要出现在低涡南侧,降水范围大、强度达到大暴雨标准[图4(a)]。而移出减弱型低涡初生阶段有少量降水出现,在发展阶段低涡降水主要出现在低涡中心附近及其北侧,移出高原后低涡沿途降水增多,高原东部及甘肃南部降水量较多,降水大值区主要落在甘肃南部天水和庆阳一带,降水范围较移出发展型低涡小[图4(b)]。

图4

图4   移出发展型(a)和移出减弱型(b)低涡的移动路径(黑色虚线)及降水分布(填色,单位:mm)

(黑色圆点表示高原低涡位置,下同)

Fig.4   The movement path (black dashed line) and precipitation distribution (the color shaded, Unit: mm) of the development MQXPV (a) and weakening MQXPV (b)

(The black dots indicate the location of the Qinghai-Xizang Plateau vortex, the same as below)


4.2 动力特征

移出发展型低涡500 hPa正涡度中心随着低涡的发展逐渐东移,初生阶段最大值超过8×10-5s-1[图5(a)]。8日03:00涡度强度明显增强,最大值为12×10-5 s-1[图5(b)];8日15:00低涡移出高原时,正涡度中心出现于600~400 hPa,最大值超过16×10-5s-1,正涡度向上伸展至200 hPa左右,中心强度逐渐增强[图5(c)]。低涡及其东侧为大范围的上升运动和正涡度区,上升运动有利于地面减压,从而使辐合进一步增强,最终导致气旋性涡度增大,有利于低涡发展和东移(燕若彤等,2023)(图略)。9日03:00 500 hPa涡度最大值超过28×10-5s-1[图5(d)]。移出减弱型低涡在初生阶段其东侧的低层辐合区及高层辐散区的强度较强,500 hPa涡度最大值超过16×10-5s-1[图6(a)],在移动发展过程中,正涡度向上伸展至300 hPa左右,其东侧正涡度区域和强度较小[图6(b)(c)(d)]。600~500 hPa辐合区强度增强,高层辐散区由200 hPa下传至500 hPa,辐散大值区出现在400 hPa附近(图略),此后200 hPa上空出现弱辐合区。上升运动在低涡移动发展阶段强度较强、范围较大,与移出发展型低涡移至江淮流域低层出现下沉运动区,而上空仍为大范围的上升运动区不同。

图5

图5   2017年7月7日15:00(a)及8日03:00(b)、15:00(c)与9日03:00(d)涡度沿移出发展型低涡中心纬度(a:32.50°N;b:32.25°N;c:32.25°N;d:35.00°N)的经度-高度剖面(单位:10-5s-1

(灰色填色表示地形,下同)

Fig.5   The longitude-height sections of vorticity along the latitude (a, 32.50°N; b, 32.25°N; c, 32.25°N; d, 35.00°N) of the center of the development MQXPV at 15:00 on 7 July (a), 03:00 on 8 July (b), 15:00 on 8 July (c), 03:00 on 9 July (d) 2017 (Unit: 10-5s-1

(The gray shaded represents the terrain, the same as below)


图6

图6   2013年7月20日18:00(a)及21日00:00(b)、06:00(c)、12:00(d)涡度沿移出减弱型低涡中心纬度(a:33.00°N;b:33.00°N;c:33.50°N;d:34.75°N)的经度-高度剖面(单位:10-5s-1

Fig.6   The longitude-height sections of vorticity along the latitude (a, 33.00°N; b, 33.00°N; c, 33.50°N; d, 34.75°N) of the center of the weakening MQXPV at 18:00 on 20 July (a), 00:00 on 21 July (b), 06:00 on 21 July (c), 12:00 on 21 July (d) 2013 (Unit: 10-5s-1


4.3 斜压锋生特征

移出发展型低涡初生阶段500~200 hPa为大范围的暖平流控制,可见初生低涡为暖性低涡[图7(a)];在其东移发展阶段,低涡上空和东侧的暖平流强度增强,最大值超过2×10-4 K·s-1,有明显的暖心结构[图7(b)]。此后西北侧有冷平流侵入,其强度超过-1.5×10-4 K·s-1,冷暖平流交汇清晰,加强了上升运动和对流不稳定,使得低涡的斜压性增强,在500 hPa自西向东有一条显著的锋生带,锋区最大值超过11×10-9 K·m-1·s-1[图7(c)(d)]。而移出减弱型低涡在发展过程中多维持暖心结构,前部的暖平流厚度和强度增强[图8(a)(b)];300 hPa以下侵入低涡的冷平流强度较弱,500 hPa最强锋生出现在低涡即将移出高原时;随后侵入低涡的冷平流和中低层的锋生大值区范围及强度迅速减弱[图8(c)(d)]。

图7

图7   2017年7月7日15:00(a)及8日03:00(b)、15:00(c)与9日03:00(d)锋生函数(填色,单位:10-9 K·m-1·s-1)和温度平流(等值线,单位:10-4 K·s-1)沿移出发展型低涡中心纬度(a:32.50°N;b:32.25°N;c:32.25°N;d:35.00°N)的经度-高度剖面

Fig.7   The longitude-height sections of frontogenesis function (the color shaded, Unit: 10-9 K·m-1·s-1) and temperature advection (isolines, Unit: 10-4 K·s-1) along the latitude (a, 32.50°N; b, 32.25°N; c, 32.25°N; d, 35.00°N) of the center of the development MQXPV at 15:00 on 7 July (a), 03:00 on 8 July (b), 15:00 on 8 July (c), 03:00 on 9 July (d) 2017


图8

图8   2013年7月20日18:00(a)及21日00:00(b)、06:00(c)、12:00(d)锋生函数(填色,单位:10-9 K·m-1·s-1)和温度平流(等值线,单位:10-4 K·s-1)沿移出减弱型低涡中心纬度(a:33.00°N;b:33.00°N;c:33.50°N;d:34.75°N)的经度-高度剖面

Fig.8   The longitude-height sections of frontogenesis function (the color shaded, Unit: 10-9 K·m-1·s-1) and temperature advection (isolines, Unit: 10-4 K·s-1) along the latitude (a, 33.00°N; b, 33.00°N; c, 33.50°N; d, 34.75°N) of the center of the weakening MQXPV at 18:00 on 20 July (a), 00:00 on 21 July (b), 06:00 on 21 July (c), 12:00 on 21 July (d) 2013


4.4 位涡特征

移出发展型低涡在东移发展过程中,涡区内及低涡西部500 hPa位涡强度较强,且位涡大值中心不断东扩,500 hPa位涡最大强度超过3.52 PVU(1 PVU=10-6 K·m2·s-1·kg-1),呈西南—东北带状分布(图9)。低涡后部的冷空气使得对流不稳定性增强,有利于200 hPa高空高位涡下传,其下传至600~400 hPa,增强了低涡的强度及其斜压性,潜热释放有利于低涡的维持,且位涡的东传可以较好反映低涡演变与移动发展过程(图10)。移出减弱型低涡移出后位涡大值中心位于低涡北部,引导低涡向北移动后迅速减弱消亡,低涡后部高空高位涡下传不明显,500 hPa位涡最大强度超过2.28 PVU(图略)。由此可以看出,高空高位涡的下传会引起对流层中低层垂直涡度的发展,对于增强低层低涡强度和引导低涡移向有重要的指示意义,这也与吴国雄和刘还珠(1999)、Wang和Zhang(2003)、郁淑华等(2022)研究结论一致。

图9

图9   2017年7月7日15:00(a)及8日03:00(b)、15:00(c)与9日03:00(d)移出发展型低涡活动过程中500 hPa位涡(填色,单位:PVU,1 PVU=10-6 K·m2·s-1·kg-1)、风场(风矢量,单位:m·s-1)空间分布

Fig.9   The spatial distribution of potential vorticity (the color shaded, Unit: PVU, 1 PVU=10-6 K·m2·s-1·kg-1) and wind field (wind vectors,Unit:m·s-1) at 500 hPa during the development MQXPV activity process at 15:00 on 7 July (a), 03:00 on 8 July (b), 15:00 on 8 July (c), 03:00 on 9 July (d) 2017


图10

图10   2017年7月7日15:00(a)及8日03:00(b)、15:00(c)与9日03:00(d)位涡沿移出发展型低涡中心纬度(a:32.50°N;b:32.25°N;c:32.25°N;d:35.00°N)的经度-高度剖面(单位:PVU,1 PVU=10-6 K·m2·s-1·kg-1

Fig.10   The longitude-height sections of potential vorticity along the latitude (a, 32.50°N; b, 32.25°N; c, 32.25°N; d, 35.00°N) of the center of the development MQXPV at 15:00 on 7 July (a), 03:00 on 8 July (b), 15:00 on 8 July (c), 03:00 on 9 July (d) 2017 (Unit: PVU, 1 PVU=10-6 K·m2·s-1·kg-1


5 结论

本文利用1990—2019年暖季(5—9月)高原低涡数据库、ERA5再分析资料和热带测雨TRMM卫星反演的3B42降水资料,对移出型高原低涡的时空分布进行了分析,并探讨移出型高原低涡的环流特征及两类移出型高原低涡过程的发展机制,得出以下主要结论。

(1)近30 a移出型高原低涡频数呈弱增多趋势,平均每年有6.5次低涡移出高原并持续发展,具有明显的年际变化特征,4~7 a的振荡周期在1994—2008年有较大的谱值。5月、8月和9月移出型低涡呈增加趋势,6月和7月移出型低涡呈减少趋势,其中移出型低涡高发月份是5月和6月。

(2)移出型高原低涡的源地主要集中于32°N—36°N,在狮泉河、改则北部、沱沱河北部及曲麻莱一带居多,大部分为东部涡。移出高原并发展的低涡路径主要为偏东路径,东北路径移出型低涡多为西部涡和东部涡,偏东路径和东南路径则以东部涡为主。移出型低涡位势高度多集中在575~584 dagpm。多数移出型低涡在生成后12~24 h内消亡,持续时间96 h以上的低涡仅占4.6%,生命史最长为171 h。

(3)移出型高原低涡多发年200 hPa南亚高压强度明显强于少发年,高层的水平辐散加强及垂直上升运动发展强烈,有利于低层减压和水平辐合运动增强。多发年500 hPa西太平洋副热带高压较少发年弱,对低涡东移的阻挡作用减弱,为低层高原低涡的生成和发展移出提供有利的背景条件。

(4)移出发展型低涡维持时间较长,造成的降水强度和范围更大,降水多出现在低涡中心附近及其南侧。低涡在东移过程中正涡度中心强度逐渐增强,冷平流侵入低涡有利于生成影响低涡移动的系统,随着低涡西部冷平流发展,锋生作用逐渐增强。高原低涡对应正位涡中心,在其移出高原后水平方向上的位涡呈西南—东北带状分布,有东传现象;在垂直方向上高空正位涡下传明显。移出减弱型低涡降水区域多出现在低涡中心附近及其北侧,降水范围和强度较小。在发展过程中东侧正涡度区域和强度较小,后部侵入低涡的冷平流强度和范围较弱,低涡在发展过程中多维持暖心结构,移出高原后低涡逐渐脱离位涡大值区,高空正位涡下传趋于不明显。

参考文献

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.

[本文引用: 1]

高文良, 郁淑华, 2007.

高原低涡东移出高原的平均环流场分析

[J]. 高原气象, 26(1): 206-212.

[本文引用: 1]

利用美国国家环境预测中心(NCEP)再分析资料,挑选出1998-2004年夏季高原涡移出高原多、少的年、月对它们的环流场进行对比分析。对比分析指出,6~8月是高原涡最易移出的月;当500hPa孟湾季风槽偏北,或西太副高明显西伸,高原东部有切变线活动;当200hPa南亚高压东伸明显,高原东部为南亚高压脊前西北气流控制时,有利于高原涡东移出高原。为高原低涡暴雨预报的气候背景提供了科学依据。

黄楚惠, 李国平, 牛金龙, , 2015.

近30年夏季移出型高原低涡的气候特征及其对我国降雨的影响

[J]. 热带气象学报, 31(6): 827-838.

[本文引用: 4]

李博, 李跃清, 陈永仁, 2023.

近十年高原低涡与中亚低涡研究进展

[J]. 高原山地气象研究, 43(1): 17-25.

[本文引用: 1]

李国平, 赵福虎, 黄楚惠, , 2014.

基于NCEP资料的近30年夏季青藏高原低涡的气候特征

[J]. 大气科学, 38(4): 756-769.

[本文引用: 2]

李江萍, 王式功, 孙国武, 2012.

高原低涡研究的回顾与展望

[J]. 兰州大学学报:自然科学版, 48(4): 53-60.

[本文引用: 1]

罗四维, 王玉佩, 1984.

1979年5—8月青藏高原地区天气系统的统计分析

[C]// 青藏高原气象科学实验文集编辑组. 青藏高原气象科学试验文集(一). 北京: 科学出版社: 269-278.

[本文引用: 1]

麦哲宁, 许东蓓, 孙继松, , 2024.

基于ERA-5高分辨率资料的高原低涡客观识别方法研究

[J]. 大气科学, 48(5):1991-2 003

[本文引用: 1]

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, 2019. 青藏高原低涡切变线年鉴:2017[M]. 北京: 科学出版社.

[本文引用: 1]

钱正安, 单扶民, 吕君宁, , 1984.

1979年夏季青藏高原低涡的统计分析及低涡产生的气候因子探讨

[C]// 青藏高原气象科学实验文集编辑组. 青藏高原气象科学试验文集(二). 北京: 科学出版社: 182-194.

[本文引用: 1]

沈雨, 周筠珺, 李国平, 2022.

气流辐合对高原低涡切变的影响

[J]. 高原山地气象研究, 42(4): 33-41.

[本文引用: 1]

师锐, 何光碧, 2018.

移出高原后长生命史高原低涡在不同移动路径下的大尺度环流特征及差异

[J]. 气象, 44(2): 213-221.

[本文引用: 2]

宋雯雯, 李国平, 唐钱奎, 2012.

加热和水汽对两例高原低涡影响的数值试验

[J]. 大气科学, 36(1): 117-129.

[本文引用: 1]

田珊儒, 段安民, 王子谦, , 2015.

地面加热与高原低涡和对流系统相互作用的一次个例研究

[J]. 大气科学, 39(1): 125-136.

[本文引用: 1]

王伏村, 付双喜, 张德玉, , 2014.

一次引发河西走廊大暴雨的高原低涡的机制分析

[J]. 气象, 40(4): 412-423.

[本文引用: 1]

王鑫, 李跃清, 郁淑华, , 2009.

青藏高原低涡活动的统计研究

[J]. 高原气象, 28(1): 64-71.

[本文引用: 4]

利用1980-2004年5~9月逐日08时、 20时(北京时, 下同)两个时次的500 hPa天气图资料, 统计分析了夏季青藏高原低涡(简称高原低涡)的活动特征。结果表明: 夏季高原低涡的发生频次具有明显的年代际、 年际和季节内变化特征, 20世纪90年代以后低涡出现频次较之80年代有下降趋势, 7月份是夏季高原低涡的活跃期; 青藏高原上产生低涡的四个源地分别为: 申扎-改则之间、 那曲东北部地区、 德格东北部和松潘附近; 移出青藏高原的高原低涡在青藏高原上主要有四个涡源: 那曲东北部、 曲麻莱地区、 德格附近和玛沁附近, 也存在季节内变化, 与青藏高原上产生低涡的涡源不同; 部分高原低涡形成后, 能在高原上生存36 h以上并发展东移, 移动路径主要有东北、 东南和向东三条, 其中向东北移动的低涡数量最多; 而低涡移出青藏高原后的路径与在高原上的移动路径并不相同, 移出高原后的低涡多数是向东移动的, 其次才向东北、 东南移动; 高原低涡移出高原时主要有两条路径: 一条为东北路径, 主要移向河西、 宁夏和黄土高原一带; 另一条是东南路径, 主要移向四川盆地附近, 其中, 移向黄土高原的低涡最多; 移出低涡也表现出一定的年际变化和季节内变化特征; 高原低涡移出青藏高原后, 多数在12 h内减弱消亡, 有些可持续60 h, 极少数能存活100 h以上, 最长可达192 h, 不仅影响我国东部广大地区的降水, 甚至可能影响朝鲜半岛和日本; 高原低涡在青藏高原上初生时, 暖性涡比斜压涡多近两倍, 而移出青藏高原后12 h内的低涡性质却发生了很大改变, 以斜压涡居多; 与60、 70年代相比, 80年代中期以后高原低涡的发生源地、 移动路径和性质等特征都有所改变。

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): 2-16.

[本文引用: 1]

肖玉华, 郁淑华, 高文良, , 2018.

一例伴随西南涡的入海高原涡持续活动成因分析

[J]. 高原气象, 37(6):1616-1 627

[本文引用: 1]

徐祥德, 陈联寿, 2006.

青藏高原大气科学试验研究进展

[J]. 应用气象学报, 17(6): 756-772.

[本文引用: 1]

燕若彤, 许东蓓, 孙继松, , 2023.

一次高原涡东移引发江淮强降水的动热力机制分析

[J]. 高原气象, 42(3): 701-710.

DOI      [本文引用: 1]

杨克明, 毕宝贵, 李月安, , 2001.

1998年长江上游致洪暴雨的分析研究

[J]. 气象, 27(8): 9-14.

[本文引用: 1]

叶笃正, 高由禧, 1979. 青藏高原气象学[M]. 北京: 科学出版社.

[本文引用: 1]

郁淑华, 高文良, 2006.

高原低涡移出高原的观测事实分析

[J]. 气象学报, 64(3): 392-399.

[本文引用: 2]

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):1297-1 326

[本文引用: 1]

郁淑华, 高文良, 2019.

移出与未移出青藏高原的高原低涡涡源区域的地面加热特征分析

[J]. 高原气象, 38(2): 299-313.

DOI      [本文引用: 1]

利用1998-2016年NCEP/DOE逐日的日平均地面感热通量和地面潜热通量、MICAPS历史天气图资料、青藏高原低涡切变线年鉴,对高原低涡涡源区与高原地面加热特征进行统计分析,对比研究了移出青藏高原的高原涡(移出涡)、未移出青藏高原的高原涡(未移出涡)的涡源与高原地面加热的季节变化特征,及移出涡、未移出涡涡源区的地面加热特征及高原地面加热与低涡生成的相关性。结果表明,高原涡、未移出涡、移出涡的涡源分布季节变化特征相似,由冬到春到夏,初生区域逐渐扩大,由夏到秋到冬正好相反,不同的是移出涡涡源区明显比高原涡、未移出涡小,初生中心位置的季节变化也不同;高原地面感热、地面潜热、地面热源分布的季节变化特征相似,由冬到春到夏经历了明显增强的过程,由夏到秋到冬经历了减弱的过程,不同的是热源的快速增强、减弱程度及其发生季节差异大,地面潜热由春到夏增强特别明显,这与移出涡生成个数的明显增加相一致;未移出涡、移出涡春、夏、秋季主要涡源区所处的地面热源值域不同,移出涡夏季的值比未移出涡高,移出涡生成对高原区域地面热源依赖要比未移出涡强一些;夏季移出涡、未移出涡的涡源区都处在与高原地面热源正相关区内,它们与地面潜热的显著正相关区比高原地面感热的大,尤其是移出涡,高原地面潜热在高原涡生成中有重要作用,对移出涡生成影响更大。

郁淑华, 高文良, 彭骏, 2022.

准平直长路径与多折向路径东移高原涡的环境场特征

[J]. 气象学报, 80(6): 864-877.

[本文引用: 1]

郁淑华, 高文良, 肖玉华, 2008.

冷空气对两例高原低涡移出高原影响的分析

[J]. 高原气象, 27(1): 96-103.

[本文引用: 1]

利用NCEP再分析资料对2002年8月12~20日托勒涡及2003年7月12~14日诺木洪涡两例高原低涡在冷空气影响下移出高原的斜压性和温度平流进行诊断分析, 结果表明:(1)受切变线影响的托勒低涡移出高原时主要受东北方冷空气不断伸入涡区的影响, 西风槽前的诺木洪低涡主要受西北方冷空气伸入涡区的影响。(2)高原低涡是在600 hPa以上涡柱内斜压性较强、500 hPa涡区内斜压性加强情况下移出高原的。不同的是:托勒低涡移出高原, 涡柱内对流层中上层斜压性、500 hPa涡区内斜压性都比诺木洪低涡弱; 托勒低涡涡柱内北冷南暖现象比诺木洪低涡强。(3)高原低涡是在低涡区内大部分受冷平流控制, 涡区西部冷平流比东部强时移出高原的; 低涡西部的冷平流加强将会使低涡发展加强, 在高原以东持续。不同的是:受切变线影响的托勒低涡移出高原时低涡西部冷平流区强度比受西风槽前诺木洪低涡弱; 而托勒低涡区冷平流区比诺木洪低涡移出高原时大。

张顺利, 陶诗言, 张庆云, , 2001.

1998年夏季中国暴雨洪涝灾害的气象水文特征

[J]. 应用气象学报, 12(4): 442-457.

[本文引用: 1]

张镱锂, 李炳元, 刘林山, , 2021.

再论青藏高原范围

[J]. 地理研究, 40(6):1543-1 553

[本文引用: 1]

赵玉春, 王叶红, 2010.

高原涡诱生西南涡特大暴雨成因的个例研究

[J]. 高原气象, 29(4): 819-831.

[本文引用: 1]

利用多途径探测与再分析资料, 通过诊断分析、 数值模拟和敏感性试验, 对2008年7月20~21日一次高原涡东移诱生西南涡并引发川中特大暴雨的天气过程进行了初步分析, 探讨了西南涡特大暴雨发生的中尺度环境场特征, 特殊地形和非绝热物理过程在高原涡东移诱生西南涡特大暴雨中的作用。结果表明, 高原涡形成后沿高原东北侧下滑, 在四川盆地诱生出西南涡, 川中特大暴雨在西南涡形成过程中由强中尺度对流系统(MCSs)的活动造成。高原涡东移诱生的低层偏东气流在川西高原东侧地形的动力强迫抬升作用下, 释放对流有效位能激发出MCSs产生强降水, 降水凝结潜热加热反馈驱动西南涡快速发展。地形的动力作用仅能形成浅薄的西南涡, 降水凝结潜热的加入才能使西南涡充分发展。高原涡的发展主要受地面热通量影响, 它的发展与否在很大程度上决定西南涡能否形成。盆地周边高大山脉对西南涡的位置分别有不同程度的影响, 而盆地周边高大山脉上叠加的中小尺度地形对西南涡和暴雨带的整体位置影响不大, 在一定程度上影响暴雨的落区。

FENG X Y, LIU C H, RASMUSSEN R, et al, 2014.

A 10-yr climatology of Tibetan Plateau vortices with NCEP climate forecast system reanalysis

[J]. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 53(1): 34-46.

[本文引用: 1]

HUFFMAN G, BOLVIN D, NELKIN E, et al, 2007.

The TRMM multisatellite precipitation analysis (TMPA):Quasi-Global, multiyear, combined-sensor precipitation estimates at fine scales

[J]. Journal of Hydrometeorology, 8(1): 38-55.

[本文引用: 1]

TAKAHASHI H, 2003.

Observational study on the initial formation process of the Mei-yu frontal disturbance in the eastern foot of the Tibetan Plateau in middle-late June 1992

[J]. Journal of the Meteorological Society of Japan Ser II, 81(6):1303-1 327

[本文引用: 1]

WANG X B, ZHANG D L, 2003.

Potential vorticity diagnosis of a simulated hurricane.Part I:Formulation and quasi-balanced flow

[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 60(13): 1 593-1 607

[本文引用: 1]

/