基于TRMM資料的高原渦與西南渦引發(fā)強(qiáng)降水的對比研究

蔣璐君 李國平 王興濤

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基于TRMM資料的高原渦與西南渦引發(fā)強(qiáng)降水的對比研究

蔣璐君1, 2李國平1王興濤3

1成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，成都610225;2江西省氣象科學(xué)研究所，南昌330046;3宜昌三峽機(jī)場，宜昌443007

利用TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）衛(wèi)星探測結(jié)果結(jié)合NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析資料，對2007年7月17日四川、重慶地區(qū)的一次西南渦強(qiáng)降水系統(tǒng)和2008年7月21日四川東部的東移高原渦強(qiáng)降水系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)特征、雨頂高度以及降水廓線特征進(jìn)行對比分析研究。結(jié)果表明：（1）兩次降水過程均是發(fā)生在西南—東北向的水汽輻合帶中，且降水云群均位于低渦的東南方。（2）兩次強(qiáng)降水在水平結(jié)構(gòu)上均表現(xiàn)為由一個(gè)主降水雨帶和多個(gè)零散降水云團(tuán)組成，高原渦強(qiáng)降水過程比西南渦強(qiáng)降水的降水強(qiáng)度和范圍都要大。降水雷達(dá)探測到的兩個(gè)中尺度降水系統(tǒng)均以降水范圍大、強(qiáng)度弱的層云降水為主，但對流性降水對總降水量的貢獻(xiàn)較大，其中西南渦降水中對流降水所占比例比高原渦的大，對總降水率的貢獻(xiàn)也大。（3）垂直結(jié)構(gòu)上：兩次強(qiáng)降水的雨頂高度均是隨地表雨強(qiáng)的增加而增加，且最大雨頂高度接近16 km，但西南渦強(qiáng)降水中的雨頂高度比高原渦更高，說明西南渦降水過程中對流旺盛程度強(qiáng)于高原渦。（4）兩次強(qiáng)降水中雨滴碰并增長過程以及凝結(jié)潛熱的釋放主要集中在8 km以下，但8 km以上西南渦降水變化大于高原渦，且前者在8～12 km高度層的降水量對總降水量貢獻(xiàn)百分比大于后者。

西南渦 高原渦 TRMM衛(wèi)星 降水結(jié)構(gòu)

1 引言

青藏高原低渦（簡稱高原渦）、西南低渦（簡稱西南渦）、高原切變線及高原低槽等均是在青藏高原熱力、動(dòng)力作用下產(chǎn)生的可造成災(zāi)害性天氣的高原低值系統(tǒng)，陶詩言（1980）指出低層切變線和高原及其鄰近地區(qū)的渦旋系統(tǒng)是中國夏季最重要的降水系統(tǒng)。西南低渦生成于青藏高原東南部，是對流層低層伴有氣旋性環(huán)流的一種低值渦旋系統(tǒng)，它的發(fā)展及其東移能給高原鄰近地區(qū)帶來強(qiáng)降水天氣（錢正安等，1990；喬全明和張雅高，1994；陳忠明等，2003）。高原低渦生成于青藏高原主體、是夏季高原500 hPa上的主要降水系統(tǒng)之一，在一定的環(huán)流形勢下能東移發(fā)展影響高原鄰近地區(qū)的降水（Tao and Ding，1981）。因此四川盆地受到西南低渦和東移高原低渦的影響，極易發(fā)生暴雨、大暴雨天氣。目前對西南低渦和高原低渦以及兩低渦系統(tǒng)相互作用已做了不少研究（Wang and Orlanski，1987；于波和林永輝，2008；宋雯雯等，2012）。Wang et al.（1993）通過研究青藏高原的中尺度渦旋系統(tǒng)表明發(fā)展成熟的西南低渦可以伸展到300 hPa，溫度廓線近濕絕熱，風(fēng)速很小，幾乎無風(fēng)切變。喬全明和張雅高（1994）指出盛夏時(shí)的高原低渦云型具有與熱帶氣旋非常類似的螺旋結(jié)構(gòu)。李國平和蔣靜（2000）利用相平面分析法，重點(diǎn)分析了一類具有間斷點(diǎn)的孤立波解的特征，從理論上論證了高原低渦具有與熱帶氣旋類似的渦眼和暖心結(jié)構(gòu)。盡管許多學(xué)者對西南低渦和高原低渦開展了大量研究，但是由于高原地形復(fù)雜導(dǎo)致觀測資料的缺乏，對高原低渦和西南低渦降水三維結(jié)構(gòu)以及降水時(shí)空分布特征的認(rèn)識(shí)還比較淺薄。

降水是水循環(huán)中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是大氣中最難探測的變量之一（Simpson et al., 1988）。隨著攜帶第一部主動(dòng)微波以及其他探測器的熱帶降雨測量衛(wèi)星（Tropical Rainfall Measuring Mission，簡稱TRMM）的發(fā)射成功，使氣象工作者能夠?qū)Ω咴捌渲苓叺貐^(qū)進(jìn)行高分辨率的降水內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀測，為分析高原及周邊降水的時(shí)空分布提供了新的途徑。近年來，TRMM衛(wèi)星資料也被廣泛用于熱帶、副熱帶的降水結(jié)構(gòu)特征分析（李銳等，2005；Yokoyama and Takayabu，2008；Toracinta et al., 2002）。傅云飛等（2003，2005，2012）利用TRMM資料研究了長江中下游兩個(gè)降水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、中國東南部副熱帶高壓下的熱對流降水結(jié)構(gòu)特征，還研究了亞洲夏季對流云和層云降水雨頂高度分布特征。李德俊等（2009，2010）利用TRMM資料對高原周邊降水結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析。袁鐵和郄秀書（2010）利用TRMM衛(wèi)星資料研究了華南颮線的閃電與降水結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

本文利用TRMM衛(wèi)星資料對2007年7月17日發(fā)生在四川、重慶地區(qū)（簡稱川渝地區(qū)）的西南渦降水和2008年7月21日發(fā)生在四川東部高原渦降水的降水分布特征、對流云降水和層云降水的比例及其所處狀態(tài)等降水結(jié)構(gòu)特征、對降水中的雨頂高度分布特征以及降水廓線變化特點(diǎn)進(jìn)行對比分析，從而找出兩類低渦的共同特征與差異，為以后的低渦強(qiáng)降水診斷分析提供一個(gè)新的參考標(biāo)準(zhǔn)。

2 觀測資料

TRMM衛(wèi)星搭載了五個(gè)探測器，分別是降水雷達(dá)PR（Precipitation Radar）/2A25、微波成像儀TMI（Microwave Imager）/1B11、可見光和紅外掃描儀VIRS（Visible and Scanner）/1B01、閃電成像儀LIS（Visible Infrared Scanner）、云和地球輻射系統(tǒng)CERES（Clouds and the Radiant Energy System），其中降水雷達(dá)、微波成像儀、可見光和紅外掃描儀是測量降水的主要儀器。PR/2A25產(chǎn)品提供了逐條軌道上的降水類型、降水率等信息，其水平分辨率為4.3 km，垂直分辨率為0.25 km，為分析降水三維結(jié)構(gòu)特征提供了有利條件。TMI/1B11產(chǎn)品提供了每個(gè)像素各個(gè)通道的水相和冰相粒子的微波輻射亮溫值。VIRS/1B01能提供五個(gè)通道的云頂輻射溫度（Kummerow et al., 1998）。TRMM衛(wèi)星發(fā)射的主要目的是測量熱帶、副熱帶地區(qū)降水和潛熱釋放的分布及其變化，利用衛(wèi)星資料來研究強(qiáng)降水結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)地基觀測的不足，是認(rèn)識(shí)強(qiáng)降水系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展規(guī)律的方法之一。由于TRMM衛(wèi)星運(yùn)行軌道與赤道平面成35°角，是一顆非太陽同步衛(wèi)星，每天不定點(diǎn)、不定時(shí)掃描38°S～38°N的范圍，要找到與TRMM資料時(shí)空匹配較好的的個(gè)例及天氣系統(tǒng)發(fā)展過程，存在一定的難度；且TRMM衛(wèi)星資料在高原及其周邊地區(qū)應(yīng)用的研究較少，至于更加全面的探測效果評估，還需要通過更多的觀測資料應(yīng)用加以驗(yàn)證。TRMM衛(wèi)星資料的研究已經(jīng)引起我國學(xué)者的重視，Zhou et al.（2008）利用遙感信息中心估算的降水資料、TRMM衛(wèi)星3B42產(chǎn)品、地面雨量計(jì)資料對比分析了東亞夏季風(fēng)區(qū)域降水特點(diǎn)，且利用模式的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差等指標(biāo)證實(shí)了TRMM衛(wèi)星資料和地面雨量計(jì)觀測資料相似度很高。Mao and Wu（2012）利用1998～2008年TRMM衛(wèi)星資料研究了我國乃至整個(gè)亞洲季風(fēng)區(qū)夏季降水的氣候變化特征，這對于TRMM衛(wèi)星資料的應(yīng)用具有極大的參考價(jià)值。本文所使用的TRMM資料是由美國宇航局地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心提供的RP探測結(jié)果處理和反演得到的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品2A25、1B11（第6版）。值得指出的是目前TRMM資料已更新到第7版本，2A25從第6版本數(shù)據(jù)到第7版本的主要變化是許多變量從以前的整型數(shù)變?yōu)楦↑c(diǎn)數(shù)，更多產(chǎn)品的區(qū)別請參見網(wǎng)站http://pps.gsfc.nasa.gov/Documents/formatChangesV7.pdf [2013-09-01]。

在2007年7月17日西南渦暴雨天氣過程中，TRMM衛(wèi)星捕獲到的時(shí)次是2007年7月17日08:34（記為A時(shí)刻；北京時(shí)，下同），軌道號(hào)為55083，正好對應(yīng)西南渦降水發(fā)展旺盛階段。在2008年7月21日高原渦區(qū)域性暴雨天氣過程中，TRMM衛(wèi)星捕獲到的時(shí)次是2008年7月21日08:23（記為 B時(shí)刻），軌道號(hào)是60850，恰好對應(yīng)高原渦降水發(fā)展旺盛階段。兩次過程降水雨量大，強(qiáng)降水范圍集中，區(qū)域強(qiáng)降水特征比較典型，因此本文選用這兩個(gè)時(shí)次的TRMM衛(wèi)星資料來對比分析這兩次低渦降水過程中的降水三維結(jié)構(gòu)特征、雨頂高度以及降水廓線等結(jié)構(gòu)特征，期望能為豐富我們對高原渦和西南渦降水結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)提供幫助。而研究兩渦降水云和降水結(jié)構(gòu)特征的異同，對于了解西南暴雨成因及發(fā)展演變具有重要意義。

3 天氣過程和環(huán)流形勢

本文分析的兩個(gè)例分別是2007年7月16～20日四川東部和重慶西部出現(xiàn)的一次持續(xù)性特大暴雨過程（簡稱西南渦降水）和2008年7月20～22日由高原低渦東移引發(fā)四川盆地自西向東出現(xiàn)的一次區(qū)域性暴雨過程（簡稱高原渦降水）。在西南渦降水過程中，17日08:00及之后一直維持在四川盆地上空，暴雨落區(qū)幾乎覆蓋了整個(gè)四川盆地，降水從盆地西部逐漸東移，17日02:00到18日02:00為最強(qiáng)降水時(shí)段。高原渦降水過程中，低渦于20日晚移出高原，21日東移進(jìn)四川盆地且移動(dòng)緩慢出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，四川大部分地區(qū)出現(xiàn)明顯降水；21日強(qiáng)降水中心位于盆地東部，58個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雨量在100～249.9 mm，95個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雨量在50～100 mm。

為了進(jìn)一步分析TRMM衛(wèi)星掃描到的兩次低渦降水過程發(fā)生時(shí)的環(huán)流形勢，我們利用NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析資料分別繪制了兩次降水過程700 hPa、500 hPa風(fēng)場、高度場和水汽通量圖，并疊加了TRMM/ PR探測的3.5 km高度的降水率水平分布（圖1、圖2）。圖中清楚表明高原渦和西南渦降水中的降水云群都位于低渦的東南方，高原渦中降水云團(tuán)略微偏南；強(qiáng)降水均發(fā)生在槽前強(qiáng)盛的偏南氣流中，從水汽通量圖中也可看出兩次暴雨均發(fā)生在西南—東北向的水汽輻合帶中，其帶來大量的水汽和能量，十分有利于形成強(qiáng)降水。從天氣動(dòng)力學(xué)理論上來分析，低渦的東南側(cè)常位于副熱帶高壓西緣的西南低空急流中，水汽輸送旺盛，水平輻合和上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)。又因風(fēng)速大，低渦南側(cè)的曲率渦度（/R，其中表示速度，R為曲率半徑）大，導(dǎo)致正渦度（氣旋式渦度）也大。則輻合氣流挾卷水汽旋轉(zhuǎn)上升，在高空遇冷凝結(jié)降落，因此在低渦的東南方易出現(xiàn)較強(qiáng)的降水。

圖1 2007年7月17日08:34（北京時(shí)，下同）TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）/ PR（Precipitation Radar）探測的（a）3.5 km高度上的降水率（單位：mm h?1）與當(dāng)時(shí)700 hPa風(fēng)場與高度場（單位：dagpm）疊加圖以及（b）水汽通量（單位：kg hPa?1 m?1 s?1）。（a）中陰影區(qū)表示地形高度超過3000 m，（b）中陰影區(qū)表示青藏高原地形

圖2 2008年7月21日08:23 TRMM/ PR探測的（a）3.5 km高度上的降水率（單位：mm h?1）與當(dāng)時(shí)500 hPa風(fēng)場與高度場（單位：dagpm）疊加圖以及（b）水汽通量（單位: kg hPa?1 m?1 s?1）。（b）中陰影區(qū)表示青藏高原地形

4 降水結(jié)構(gòu)分析

4.1 降水的水平結(jié)構(gòu)

以往研究表明（何文英和陳洪濱，2006；傅云飛等，2007；何會(huì)中等，2006）垂直極化微波輻射亮溫較低之處降雨云中冰水粒子含量多，對應(yīng)著較為強(qiáng)烈的降雨過程。考慮到TRMM/TMI提供的分辨率最高的是85 GHz亮溫圖像（游然等，2011），而川渝地區(qū)地形復(fù)雜，3.5 km高度以下地表對PR回波會(huì)造成干擾。因此圖3給出了西南渦降水（圖3a、c）和高原渦降水（圖3b、d）過程中TMI探測到的降水云系的85 GHz微波輻射亮溫以及TRMM/PR掃描到的3.5 km高度處的降水分布。從圖3a、b中可看出兩次降水過程中降水旺盛階段，微波亮溫均呈片狀分布，有大片區(qū)域的微波亮溫值都低于250 K，位于降水云系之上，呈東北—西南走向，說明兩次降水過程的降水云系中存在大量非均勻、非對稱但相對比較集中分布的冰水粒子從而導(dǎo)致對流活動(dòng)比較旺盛，也進(jìn)一步說明降水發(fā)生在強(qiáng)盛的西南氣流中。不同之處是西南渦降水中微波亮溫值低于225 K的區(qū)域比高原渦降水大且更集中，最低可達(dá)135 K，說明冰水粒子含量多的區(qū)域更大。

由于TMI掃描寬度為758.5 km，PR的軌道寬度為220 km，因此軌道寬度比PR的寬。對比A、B兩個(gè)時(shí)刻的微波輻射亮溫和降水率水平分布圖（圖3c、d）可知，兩次降水過程的亮溫與降水率分布無論在量值和走向趨勢上都有很好的對應(yīng)關(guān)系，亮溫偏低之處有強(qiáng)降水發(fā)生并且亮溫越低的區(qū)域降水越強(qiáng)，因?yàn)榻邓浦械谋Ｗ雍吭蕉啵⑸湫盘?hào)越強(qiáng)，微波亮溫越低，這與何會(huì)中等（2006）分析臺(tái)風(fēng)“鯨魚”時(shí)得出的微波亮溫與降水分布之間關(guān)系時(shí)的結(jié)論一致。從圖3c、d中還可看出這兩次降水過程的降水系統(tǒng)均是由一個(gè)主降水雨帶和多個(gè)零散降水云團(tuán)組成，降水范圍大且相對集中，主降水云團(tuán)上的最大降水率都超過了50 mm h?1，而高原渦降水中最大降水率超過了100 mm h?1，不同之處是高原渦降水的水平范圍比西南渦降水要大，A時(shí)刻主降水雨帶的南北范圍接近200 km，降水強(qiáng)度在10 mm h?1以上的強(qiáng)降水云團(tuán)水平范圍在10～30 km之間，而B時(shí)刻主降水雨帶的南北 范圍大約為270 km，降水強(qiáng)度在10 mm h?1以上的強(qiáng)降水云團(tuán)水平范圍在10～60 km之間。

圖3 （a、b）TRMM/TMI探測的85 GHz微波輻射亮溫（單位: K）以及（c、d）PR捕獲到的3.5 km高度處的地表降水率分布：（a、c）A時(shí)刻；（b、d）B時(shí)刻

對流系統(tǒng)通常伸展的很高，中尺度降水系統(tǒng)中層云降水和對流降水所占比例間接性地指示了潛熱釋放的垂直廓線，通常較低的對流云比例意味著冰粒子逐漸變?yōu)閷訝钤茀^(qū)（Houze, 1982, 1989）。利用TRMM/PR探測到的降水廓線資料，我們分析了西南渦和高原渦兩次強(qiáng)降水過程中降水旺盛期的對流云和層云降水的像素比例、總降水比例及其平均降水率，試圖進(jìn)一步揭示降水系統(tǒng)中降水性質(zhì)及其所處狀態(tài)（表1）。從表中可發(fā)現(xiàn)，無論是西南渦還是高原渦降水區(qū)域，均是層云降水所占比例比對流降水大，兩次強(qiáng)降水過程在發(fā)展旺盛階段均以降水范圍大、強(qiáng)度弱的層云降水為主，對流降水次之，但對流降水對總降水率的貢獻(xiàn)很大都達(dá)到了60％，接近40％層云降水貢獻(xiàn)于總降水，這不同于何會(huì)中等（2006）研究臺(tái)風(fēng)“鯨魚”時(shí)指出的層云降水貢獻(xiàn)率要高于對流降水。從兩次降水過程的平均降水率可發(fā)現(xiàn)，盡管對流降水占的面積小，但平均降水率遠(yuǎn)大于層云降水，對流降水的平均降水率在西南渦降水中是層云降水的6.7倍，在高原渦中是層云降水的5.3倍，可見高原及周邊地區(qū)的降水過程中對流性降水和層云降水的比例要明顯高于熱帶海洋地區(qū)（3.3倍）（Schumacher and Houza，2003）。這可能是因?yàn)楦咴邓到y(tǒng)比熱帶地區(qū)降水系統(tǒng)的強(qiáng)降水云團(tuán)中具有更強(qiáng)的上升氣流，對流活動(dòng)更旺盛，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的對流降水。不同之處是西南渦降水中對流降水所占比例比高原渦的大，對總降水率的貢獻(xiàn)也大，但平均降水率不及高原渦降水。

表1 TRMM/PR探測到的降水廓線資料計(jì)算的西南渦和高原渦中對流云和層云降水的像素和總降水比例及其平均降水率

4.2 降水的垂直結(jié)構(gòu)

TRMM衛(wèi)星搭載的測雨雷達(dá)（PR）探測到的降水率最高層的高度定義為降水高度，它能反映降水云團(tuán)在垂直方向上的發(fā)展變化程度。根據(jù)垂直V方法（Awaka et al., 1998）和水平H方法（Steiner et al., 1995），PR標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品2A25提供三種類型降水：對流降水、層云降水和其他類型降水。由于其他類型降水所占比例小，且雨頂高度變化范圍太小，僅有0.5 km的波動(dòng)，因此圖4僅給出近地面（3.5 km處）在不同地表雨強(qiáng)條件下西南渦和高原渦對流降水、層云降水以及總降水平均雨頂高度的變化。從圖4中可發(fā)現(xiàn)，無論是對流云降水、層云降水還是總降水，高原渦和西南渦引發(fā)強(qiáng)降水的平均雨頂高度均是隨著地面平均雨強(qiáng)的增加而增加，即地表雨強(qiáng)越大，雨頂高度越高，降水云中上升運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，僅在30 mm h?1到40 mm h?1范圍內(nèi)雨頂高度有小幅度下降。層云降水的雨頂高度和對流降水的雨頂高度存在一定的差異，兩渦中對流降水和總降水的雨頂高度范圍接近，差別不是很大，分布在5～16 km范圍內(nèi)。但在層云降水中，兩渦雨頂高度的范圍相差較大，西南渦強(qiáng)降水系統(tǒng)的雨頂高度約在8～12 km范圍內(nèi)，而高原渦強(qiáng)降水系統(tǒng)的雨頂高度分布在5～9 km，從圖中還可看出，三類降水中，高原渦強(qiáng)降水系統(tǒng)的雨頂高度都比西南渦偏低。究其原因，可能主要與地形有關(guān)，高原渦生成于青藏高原主體，而西南渦多形成于川西高原及四川盆地，則成熟期的西南渦正渦度柱可伸展到300 hPa，相對于高原渦是一個(gè)深厚系統(tǒng)（陳忠明等，2004），上升氣流強(qiáng)，正渦度柱伸展得比較高。值得提出的本文研究的兩個(gè)低渦降水系統(tǒng)中的對流降水的最大雨頂高度均比傅云飛等（2003, 2005）研究的熱對流降水、1998年7月20日（簡稱“98.7.20”）發(fā)生在武漢附近的中尺度強(qiáng)降水的最大雨頂高度更高。

圖4 不同地表雨強(qiáng)條件下西南渦降水和高原渦降水的雨頂高度分布：（a）對流降水；（b）層云降水；（c）總降水

圖5給出了PR探測范圍內(nèi)所有像素雨頂高度的水平分布，可以更直觀的分析所有像素的雨頂高度情況。從圖中可看出，西南渦降水的最大雨頂高度比高原渦降水的雨頂高度高，西南渦降水中絕大部分像素的雨頂高度分布在8～14 km范圍內(nèi)，高原渦降水中絕大部分像素雨頂高度則分布在8～12 km范圍內(nèi)，高原渦和西南渦系統(tǒng)邊緣降水的雨頂高度則多分布在4～8 km。無論是高原渦還是西南渦降水，兩個(gè)降水系統(tǒng)雨頂高度的大值區(qū)與降水的大值區(qū)對應(yīng)較好，通過分析雨頂高度在14 km以上的區(qū)域?qū)?yīng)著降水在50 mm h?1以上的大值區(qū)，說明此處水汽充沛、上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)從而導(dǎo)致對流旺 盛，云體被抬升的很高。但是降水大值區(qū)的雨頂高度不一定高，降水較弱的地區(qū)對應(yīng)著較低的雨頂高度。不同降水系統(tǒng)的雨頂高度分布有異同，同一降水系統(tǒng)所有像素的雨頂高度分布有差異。這與傅云飛等（2012）利用TRMM/PR資料分析中國東部大陸和東海的兩個(gè)降水系統(tǒng)雨頂高度平面分布的結(jié)果類似，即不同降水系統(tǒng)和同一降水系統(tǒng)的雨頂高度分布均存在差異。

圖5 TRMM/PR探測的西南渦降水（左列）和高原渦降水（右列）雨頂高度的水平分布：（a、b）總降水；（c、d）對流降水；（e、f）層云降水

進(jìn)一步比較兩低渦系統(tǒng)對流降水和層云降水雨頂高度平面分布特征（圖4c、d、e、f）可發(fā)現(xiàn)，無論是西南渦還是高原渦降水，對流降水的雨頂高度均比層云降水高，但西南渦中對流降水最大雨頂高度可達(dá)15.5 km，高原渦中對流降水最大雨頂高度略小為14.25 km，而兩低渦系統(tǒng)層云降水雨頂高度都低于14 km，仍是西南渦中層云降水中最大雨頂高度高于高原渦，說明西南渦降水過程中對流旺盛程度強(qiáng)于高原渦。

4.3 降雨率垂直廓線

降水廓線有助于了解降水云團(tuán)的動(dòng)力、熱力和微物理的垂直結(jié)構(gòu)特征。Liu and Fu（2001）通過對1998年的TRMM/PR資料主成分分析表明，給定降水類型和地表降水率，平均廓線能代表80％的典型降水廓線變化特點(diǎn)。圖6分別繪制了西南渦和高原渦降水在3.5 km高度處的對流降水（圖6a、c）和層云降水（圖6b、d）平均廓線分布，有利于對比分析兩次降水過程的降水強(qiáng)度隨高度的變化特點(diǎn)。

兩次降水過程的對流降水廓線在8 km以下隨高度降低而增加，中高層降雨率很低，表明強(qiáng)烈的雨滴碰并增長過程、降水釋放的潛熱主要集中在此高度以下，水汽輸送較強(qiáng)，云水含量最為集中，冰相粒子變化最為復(fù)雜；8 km高度以上，高原渦比西南渦降水廓線更陡峭，說明后者降水率的變化在同樣高度的情況下大于前者，因此釋放的潛熱也更多。從圖中還可看出，西南渦降水中對流云降水最大雨頂高度高于高原渦，且在高層還有可觀降水，可見西南渦降水系統(tǒng)中氣流上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)，將大量降水粒子抬至中高層形成尺度較大的固態(tài)降水粒子因而含有更多冰晶。兩次降水過程的層云降水廓線中，降水強(qiáng)度隨高度增加而減少，在5～6 km減小最多，表明水汽穩(wěn)定的凝結(jié)增長是層云降水的主要來源，差別不是很大，但仍可發(fā)現(xiàn)在8 km以上，高原渦降水隨高度增加迅速減小趨于零。從而表明西南渦較高原渦來說是一個(gè)相對深厚的系統(tǒng)，這一特征從4.1節(jié)揭示的西南渦降水中對流降水所占比例比高原渦大的結(jié)果也可以看出。

圖6 （a、c）西南渦和（b、d）高原渦中（a、b）對流降水以及（c、d）層云降水的平均廓線

圖7（a、c）西南渦和（b、d）高原渦中不同高度層的降水量在不同地表雨強(qiáng)條件下對總降水量貢獻(xiàn)的百分比變化：（a、b）對流降水；（c、d）層云降水

Fig.7 The change of different height level precipitation contribution to total precipitation in (a, c) SWV and (b, d) TPV under different surface rainfall intensity: (a, b) Convective precipitation; (c, d) stratiform precipitation

4.4 不同高度范圍降水量貢獻(xiàn)的百分比分布

通過對降水廓線的分析，將TRMM/PR探測的垂直方向上的降水率分為三個(gè)高度范圍，分別是：3.5～8 km、8～12 km、12 km以上，分別繪制了西南渦和高原渦中對流云降水和層云降水在不同地表雨強(qiáng)條件下三個(gè)高度層的降水量對總降水量 貢獻(xiàn)的百分比變化，以進(jìn)一步分析兩渦的異同點(diǎn)（圖7）。從圖中可發(fā)現(xiàn)，西南渦和高原渦降水中均是3.5～8 km高度層范圍降水量是地面降水的重要來源，含水量貢獻(xiàn)最大，且隨著降水強(qiáng)度的增加變化不是很大。8～12 km高度層降水量對總降水貢獻(xiàn)隨著地表雨強(qiáng)的增大呈減少趨勢，在50 mm h?1以上又變得很大，但是西南渦降水中在此高度層的降水量對總降水量的貢獻(xiàn)總體要比高原渦中大，最大貢獻(xiàn)可達(dá)18％，而高原渦最大達(dá)12％，這表明對流降水主要形成于中低層的大粒子碰并增長以及冰相粒子融化作用，且西南渦中降水云高度比高原渦中的高。12 km以上降水量在兩渦降水中對總降水量的貢獻(xiàn)百分比均很小，這與降水廓線分析一致。兩渦的層云降水中不同高度降水量對總降水量的貢獻(xiàn)也有類似對流降水的特征。以上分析可知，兩渦的降水強(qiáng)盛階段，中低層降水是柱降水的主要來源。這不同于何會(huì)中等（2006）分析冰雹降水過程時(shí)指出的對流云發(fā)展強(qiáng)盛階段，中高層降水量是地面降水的主要來源。

5 小結(jié)

本文利用TRMM衛(wèi)星和NCEP再分析資料，研究了2007年7月17日發(fā)生在川渝地區(qū)由西南渦引發(fā)的強(qiáng)降水和2008年7月21日發(fā)生在四川東部由高原渦東移引發(fā)的強(qiáng)降水過程，重點(diǎn)對比分析了兩個(gè)低渦降水系統(tǒng)的水平和垂直結(jié)構(gòu)特征，以及兩者在降水雨頂高度、降水廓線特征等方面的異同。得到以下結(jié)果：

（1）高原渦和西南渦強(qiáng)降水中的降水云群均位于低渦的東南方，并且強(qiáng)降水均發(fā)生在西南—東北向的水汽輻合帶中。

（2）就降水的水平結(jié)構(gòu)而言，兩次過程中降水系統(tǒng)均是由一個(gè)主降水雨帶和多個(gè)零散降水云團(tuán)組成，降水范圍大。高原渦降水旺盛階段的降水范圍比西南渦的大，且降水在10 mm h?1以上的強(qiáng)降水范圍為10～60 km，但西南渦降水中云水粒子含量多的區(qū)域更大，強(qiáng)降水的范圍也更大。PR探測到的兩次強(qiáng)降水過程均是以范圍大、強(qiáng)度弱的層云降水為主，幾乎占80％。但對流降水的平均降水率是層云降水的5陪以上，對總降水率的貢獻(xiàn)也較大。西南渦降水中，雖然平均降水率偏小，但對流降水所占比例比高原渦大，對總降水率的貢獻(xiàn)也較大。

（3）在降水的垂直結(jié)構(gòu)上，兩次降水過程中無論是對流降水、層云降水還是總降水，高原渦和西南渦降水旺盛階段的平均雨頂高度均隨地表雨強(qiáng)的增加而增大，且最大雨頂高度均接近16 km，高于一般的熱對流降水和中尺度強(qiáng)降水。雨頂高度的大值區(qū)與降水區(qū)域大值區(qū)對應(yīng)較好，西南渦強(qiáng)降水系統(tǒng)的雨頂高度比高原渦的更高。

（4）降水廓線表明：兩次降水過程中雨滴碰并增長過程、凝結(jié)潛熱的釋放以及冰相粒子復(fù)雜相變過程主要集中在8 km高度以下，且此高度以下的降水量是地面降水的重要來源。隨著高度和地表雨強(qiáng)的增加，降水量對總降水量的貢獻(xiàn)均呈減少的趨勢。但在8 km以上，西南渦中降水率的變 化在變化同樣高度的情況下大于高原渦，且前者在8～12 km高度層的降水量對總降水量貢獻(xiàn)百分比大于后者。這表明成熟階段的西南渦可發(fā)展為一個(gè)較為深厚的系統(tǒng)，而高原渦則是一個(gè)相對淺薄的系統(tǒng)。

（References：）

Awaka J, Iguchi T, Okamoto K. 1998. Early results on rain type classification by the tropical rainfall measuring mission (TRMM) precipitation radar [C]// Proceedings of the 8th URSI Commission F Open Symposium. Aveiro, Portugal, 134–146.

陳忠明, 徐茂良, 閔文彬, 等. 2003. 1998年夏季西南低渦活動(dòng)與長江上游暴雨 [J] 高原氣象, 22 (2): 162–167. Chen Zhongming, Xu Maoliang, Min Wenbin, et al. 2003. Relationship between abnormal activities of southwest vortex and heavy rain the upper reach of Yangtze River during summer of 1998 [J]. Plateau meteorology (in Chinese), 22 (2): 162–167.

陳忠明, 閔文彬, 繆強(qiáng), 等. 2004. 高原渦與西南渦耦合作用的個(gè)例診斷[J]. 高原氣象, 23 (1): 75–80. Chen Zhongming, Min Wenbin, Miao Qiang, et al. 2004. A case study on coupling interaction between plateau and southwest vortexes [J]. Plateau Meteorology (in Chinese), 23 (1): 75–80.

傅云飛, 宇如聰, 徐幼平, 等. 2003. TRMM測雨雷達(dá)和微波成像儀對兩個(gè)中尺度特大暴雨降水結(jié)構(gòu)的觀測分析研究 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 61 (4): 421–431. Fu Yunfei, Yu Rucong, Xu Youping, et al. 2003. Analysis on precipitation structures of two heavy rain cases by using TRMM PR and TMI [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 61 (4): 421–431.

傅云飛, 馮靜夷, 朱紅芳, 等. 2005. 西太平洋副熱帶高壓下熱對流降水結(jié)構(gòu)特征的個(gè)例分析 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 63 (5): 750–761. Fu Yunfei, Feng Jingyi, Zhu Hongfang, et al. 2005. Structures of a thermal convective precipitation system happened in controlling of the western subtropical pacific high [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 63 (5): 750–761.

傅云飛, 劉棟, 王雨, 等. 2007. 熱帶測雨衛(wèi)星綜合探測結(jié)果之“云娜”臺(tái)風(fēng)降水云與非降水云特征 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 65 (3): 316–327. Fu Yunfei, Liu Dong, Wang Yu, et al. 2007. Characteristics of precipitating and non-precipitating clouds in typhoon ranan as viewed by TRMM combined measurements [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 65 (3): 316–327.

傅云飛, 曹愛琴, 李天奕, 等. 2012. 星載測雨雷達(dá)探測的夏季亞洲對流與層云降水雨頂高度氣候特征 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 70 (3): 436–451. Fu Yunfei, Cao Aiqin, Li Tianyi, et al. 2012. Climatic characteristics of the storm top altitude for the convective and stratiform precipitation in summer Asia based on measurements of the TRMM precipitation on radar [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 70 (3): 436–451.

何會(huì)中, 程明虎, 周風(fēng)仙. 2006. 0302號(hào)（鯨魚）臺(tái)風(fēng)降水和水粒子空間分布的三維結(jié)構(gòu)特征 [J]. 大氣科學(xué), 30 (3): 491–503. He Huizhong, Cheng Minghu, Zhou Fengxian. 2006. SD structure of rain and cloud hydrometeors for typhoon Kujira [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 30 (3): 491–503.

何文英, 陳洪濱. 2006. TRMM衛(wèi)星對一次冰雹降水過程的觀測分析研究[J]. 氣象學(xué)報(bào), 64 (3): 364–375. He Wenying, Chen Hongbin. 2006. Analyses of evolutional characteritics of a hallstorm precipitation from TRMM observations [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 64 (3): 364–375.

Houze R A Jr. 1982. Cloud clusters and large-scale vertical motions in the tropics [J]. J. Meteor. Soc. Japan, 60 (1): 396–410.

Houze R A Jr. 1989. Observed structure of mesoscale convective systems and implications for large-scale heating [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 115 (487): 425–461.

Kummerow C, Bames W, Kozu T, et al. 1998. The tropical rainfall measuring mission (TRMM) sensor package [J]. J. Atmos. Oceanic Technol., 15 (3): 809–817.

李國平, 蔣靜. 2000. 一類奇異孤波解及其在高原低渦結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 58 (4): 447–455. Li Guoping, Jiang Jing. 2000. A type of singular solitary wave and its application of structure analysis of the Tibetan Plateau vortex. [J]. Acta Meteorologica Sinica, (in Chinese) 58 (4): 447–455.

李銳, 傅云飛, 趙萍. 2005. 熱帶測雨衛(wèi)星的測雨雷達(dá)對1997/1998 EI Ni?o 后期熱帶太平洋降水結(jié)構(gòu)的研究 [J]. 大氣科學(xué), 29 (2): 225–235. Li Rui, Fu Yunfei, Zhao Ping. 2005. Characteristics of rainfall structure over the tropical pacific during the later period of 1997/1998 EI Ni?o derived from TRMM PR observations [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 29 (2): 225–235.

李德俊, 李躍清, 柳草, 等. 2009. 利用TRMM衛(wèi)星資料對“07.7”川南特大暴雨的診斷研究 [J]. 暴雨災(zāi)害, 28 (3): 235–240. Li Dejun, Li Yueqing, Liu Cao, et al. 2009. Study on the “07.7” mesoscale torrential rain in South Sichuan based on TRMM observations [J]. Torrential Rain and Disasters (in Chinese), 28 (3): 235–240.

李德俊, 李躍清, 柳草, 等. 2010. 基于TRMM衛(wèi)星探測對宜賓夏季兩次暴雨過程的比較分析 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 68 (4): 559–568. Li Dejun, Li Yueqing, Liu Cao, et al. 2010. Comparative analysis between two summer heavy rain events in Yibin based on the TRMM data [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 68 (4): 559-568.

Liu G S, Fu Y F. 2001. The characteristics of tropical precipitation profiles as inferred from satellite radar measurements [J]. J. Meteor. Soc. Japan, 79 (1): 131–143.

Mao J Y, Wu G X. 2012. Diuranal variations of summer precipitation over the Asian monsoon region as revealed by TRMM satellite data [J]. Sci. China Earth Sci., 55 (4): 554–566.

錢正安, 顧弘道, 顏宏, 等. 1990. 四川“81.7”特大暴雨和西南渦的數(shù)值模擬 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 48 (4): 415–423. Qian Zheng’an, Gu Hongdao, Yan Hong, et al. 1990. Numerical simulations of extremely intense rainstorm and southwest vortex over Sichuan in July of 1981 [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 48 (4): 415–423.

喬全明, 張雅高. 1994. 青藏高原天氣學(xué)[M]. 北京: 氣象出版社, 156. Qiao Quanming, Zhang Yagao. 1994. Synoptic meteorology of the Tibetan Plateau (in Chinese) [M]. Beijing: China Meteorological Press, 156.

宋雯雯, 李國平, 唐錢奎. 2012. 加熱和水汽對兩例高原低渦影響的數(shù)值試驗(yàn) [J]. 大氣科學(xué), 36 (1): 117–129. Song Wenwen, Li Guoping, Tang Qiankui, 2012. Numerical simulation of the effect of heating and water vapor on two cases of plateau vortex [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 36 (1): 117–129.

Steiner M, Houze R A Jr, Yuter S E. 1995. Climatological characterization of three-dimensional storm structure from operational radar and rain gauge data [J]. J. Appl. Meteor., 34 (9): 1978–2007.

Simpson J, Adler R F, North G R. 1988. A proposed Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) satellite [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 69 (3): 278–295.

Schumacher C, Houza R A Jr. 2003. Stratiform rain in the tropics as seen by the TRMM precipitation radar [J]. J. Climate, 16 (11): 1739–1756.

陶詩言. 1980. 中國之暴雨[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 36. Tao Shiyan. 1980. The Torrential Rain in China (in Chinese) [M]. Beijing: Science Press, 36.

Toracinta E R, Cecll D J, Zipser E J, et al. 2002. Radar, passive microwave, and lightning characteristics of precipitating systems in the tropics [J]. Mon. Wea. Rev., 130 (4): 802–824.

Tao S Y, Ding Y H, 1981. Observational evidence of the influence of the Qinghai?Xizang (Tibet) Plateau on the occurrence of heavy rain and severe convection storms in China [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 62 (1): 23–30.

Wang B, Orlanski I. 1987. Study of a heavy rain vortex formed over the eastern flank of the Tibetan Plateau [J]. Mon. Wea. Rev., 115 (7): 1370–1393.

Wang W, Kuo Y, Thomas T W. 1993. A diabatically driven mesoscale vortex in the lee of the Tibetan Plateau [J]. Mon. Wea. Rev., 121 (9): 2542–2561.

于波, 林永輝. 2008. 引發(fā)川東暴雨的西南低渦演變特征個(gè)例分析[J]. 大氣科學(xué), 32 (1): 141–154. Yu Bo, Lin Yonghui. 2008. A case study of southwest vortex causing heavy rainfall in eastern Sichuan basin [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 32 (1): 141?154.

袁鐵, 郄秀書. 2010. 基于TRMM衛(wèi)星對一次華南颮線的閃電活動(dòng)及其降水結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究[J]. 大氣科學(xué), 34 (1): 58–70. Yuan Tie, Qie Xiushu. 2010. TRMM-based study of lightning activity and its relationship with precipitation structure of a squall line in South China [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 32 (1): 141– 154.

游然, 盧乃錳, 邱紅, 等. 2011. 用PR資料分析熱帶氣旋卡特里娜降水特征[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 22 (2): 203–213. You Ran, Lu Naimeng, Qiu Hong, et al. 2011. Precipitation characteristics in tropical cyclone Katrina using TRMM precipitation radar [J]. J. Appl. Meteor. Science (in Chinese), 22 (2): 203–213.

Yokoyama C, Takayabu Y N. 2008. A statistical study on rain characteristics of tropical cyclones using TRMM satellite data [J]. Mon. Wea. Rev., 136 (10): 3848–3862.

Zhou T J, Yu R C, Chen H M, et al. 2008. Summer precipitation frequency, intensity, and diurnal cycle over China: A comparison of satellite data and rain gauge observation [J]. J. Climate, 21 (16): 3997–4010.

蔣璐君, 李國平, 王興濤. 2015. 基于TRMM資料的高原渦與西南渦引發(fā)強(qiáng)降水的對比研究[J]. 大氣科學(xué), 39 (2): 249?259, doi:10.3878/j.issn. 1006-9895.1407.13260. Jiang Lujun, Li Guoping, Wang Xingtao. 2015. Comparative study based on TRMM data of the heavy rainfall caused by the Tibetan Plateau vortex and the southwest vortex [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 39 (2): 249?259.

Comparative Study Based on TRMM Data of the Heavy Rainfall Caused by the Tibetan Plateau Vortex and the Southwest Vortex

JIANG Lujun1, 2, LI Guoping1, and WANG Xingtao3

1,,610225;2,330046;2,443007

Acomparative study has been made on the three dimensional structures, distribution of the rain heights, and precipitation profiles of two precipitation systems generated by the southwest vortex (SWV) which occurred in Sichuan and Chongqing on July 17, 2007 and the Tibetan Plateau vortex (TPV) which occurred in the western part of Sichuan on July 21, 2008, respectively. The study is based on Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) data, combined with the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) reanalysis data. Results indicate that: (1) Both precipitation processes occurred in a southwest-northeast direction in the moisture convergence zone, and clouds were located in the southeast of the SWV. (2) Horizontally, the two precipitations processes consisted of a main precipitation rain band and several scattered precipitation clouds, and the rainfall intensity and scope of the TPV were much larger than those of the SWV. The common feature of these two mesoscale precipitation systems, detected by precipitation radar (PR), is that most of the precipitation was, which is characterized by a large scope and weak precipitation intensity. However, the contribution of convective rains to the total rainfall was much larger, and the ratio and contribution of convective precipitation to the total rainfall in the SWV was larger than it was in the TPV. (3) Vertically, the rain height in the two heavy precipitation systems increased with an increase in the surface precipitation rate, and the maximum rain height was close to 16 km. However, the rain height in the SWV was higher than that of the TPV, indicating weaker convective activity in the TPV. (4) The progress of collision and growth of raindrops and the latent heat release mainly occurred below a height of 8 km. But the change in the SWV precipitation was greater than that of TPV, and the SWV showed a greater total precipitation contribution than the TPV at a height layer of 8–12 km.

Southwest vortex, Tibetan Plateau vortex, TRMM satellite, Precipitation structure

1006-9895(2015)02-0249-11

P458

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1407.13260

2013-09-10；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期2014-07-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目91337215、41175045，國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2012CB417202，公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)GYHY201206042

蔣璐君，女，1989年出生，碩士，主要從事天氣動(dòng)力學(xué)研究. E-mail: jlj0628@163.com

李國平，E-mail:liguoping@cuit.edu.cn