2000年以來(lái)西南低渦的研究進(jìn)展

劉海文 毛江南 楊朝虹

摘要 西南低渦是形成于我國(guó)青藏高原東南側(cè)的一種α中尺度渦旋，是導(dǎo)致中國(guó)夏半年暴雨的主要天氣系統(tǒng)之一。文中簡(jiǎn)要回顧了2000年以來(lái)有關(guān)西南低渦的最新研究成果，主要包括西南低渦的人工智能識(shí)別、西南低渦頻數(shù)的長(zhǎng)期變化及其氣候?qū)W特征、西南低渦的集合預(yù)報(bào)、雙核西南低渦的首次發(fā)現(xiàn)等。在此基礎(chǔ)上，歸納出該研究領(lǐng)域需要深入探討的若干問(wèn)題，包括西南低渦頻數(shù)變化的外強(qiáng)迫因素，青藏高原特殊地形導(dǎo)致的地形Rossby波、重力波與西南低渦之間的相互關(guān)系，雙核西南低渦的形成機(jī)制以及雙核西南低渦與經(jīng)典西南低渦形成機(jī)制的差異等。

關(guān)鍵詞西南低渦;雙核西南低渦;青藏高原;回顧與展望

西南低渦（西南渦）產(chǎn)生于我國(guó)西南地區(qū)，在造成中國(guó)夏半年暴雨的主要天氣系統(tǒng)中（陶詩(shī)言，1980），其重要性位居第二（王作述等，1996）。由于在西南低渦的東側(cè)，可生成暖鋒式或靜止鋒式切變線（林元弼等，1988），如果這些中尺度切變線和低渦得以繼續(xù)維持，可形成中尺度對(duì)流群或中尺度雨帶（陶詩(shī)言，1980）。因此，西南低渦是影響我國(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)，西南低渦暴雨也是中國(guó)暴雨中非常復(fù)雜、富有特色的暴雨現(xiàn)象（李躍清和徐祥德，2016）。

關(guān)于西南低渦研究進(jìn)展的回顧文獻(xiàn)比較多。比如：陳忠明等（2004）、劉紅武和李國(guó)平（2008）、李國(guó)平和陳佳（2018）、何光碧（2012）以及李躍清和徐祥德（2016）都對(duì)西南低渦的階段性研究成果做了較為詳細(xì)的總結(jié)和回顧，這為系統(tǒng)學(xué)習(xí)西南低渦和了解西南低渦的概況都起到了非常重要的作用。

本文重點(diǎn)對(duì)2000年以來(lái)關(guān)于西南低渦的最新研究成果進(jìn)行簡(jiǎn)要回顧，并就一些亟待解決的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單討論和探討。

1 西南低渦的識(shí)別

西南低渦的識(shí)別方法上大致可以分成人工識(shí)別、機(jī)器智能識(shí)別以及智能識(shí)別加人工識(shí)別這3大類。從氣象要素識(shí)別西南低渦方面來(lái)講，有基于700 hPa位勢(shì)高度識(shí)別（王靜等，2019），也有基于風(fēng)場(chǎng)來(lái)對(duì)西南低渦進(jìn)行識(shí)別（王金虎等，2015）。近些年來(lái)，中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所和中國(guó)氣象學(xué)會(huì)高原氣象學(xué)委員會(huì)，出版了一系列西南低渦年鑒書(shū)籍（中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所和中國(guó)氣象學(xué)會(huì)高原氣象學(xué)委員會(huì)，2016，2017），這些基礎(chǔ)性工作，為系統(tǒng)地開(kāi)展西南低渦的研究，奠定了良好的基礎(chǔ)。

近些年來(lái)，由于高時(shí)空分辨率再分析資料的使用以及智能計(jì)算的興起，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)識(shí)別西南低渦成為可能。比如，王靜等（2019）利用GRAPES-MESO的格點(diǎn)資料，使用逐步訂正識(shí)別方法，建立了識(shí)別西南低渦的算法，提高了西南低渦識(shí)別的效率。高正旭等（2009）利用客觀分析得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，闡述了西南低渦的氣候特征。這些識(shí)別西南低渦的客觀識(shí)別方法，為開(kāi)展西南低渦的氣候?qū)W研究及其長(zhǎng)期變化成為可能。

2 西南低渦的統(tǒng)計(jì)及其長(zhǎng)期變化研究

隨著再分析資料年限的增加，使用再分析資料對(duì)西南低渦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究成為可能。高正旭等（2009）利用客觀分析統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，認(rèn)為使用再分析資料分析出的西南低渦的氣候態(tài)特征和實(shí)際觀測(cè)事實(shí)相符。這為利用再分析資料來(lái)識(shí)別、分析和研究西南低渦提供了科學(xué)依據(jù)。目前，利用觀測(cè)或再分析資料，對(duì)西南低渦進(jìn)行了大量的統(tǒng)計(jì)工作（陳啟智等，2007;Fu et al.，2014，2015;翟丹華等，2014;Feng et al.，2016;葉瑤和李國(guó)平，2016;李黎等，2017;范嬌和陳科藝，2019）。Fu et al.（2014）使用0.5°×0.5°高空間分辨率資料，統(tǒng)計(jì)了2000—2013年夏季578例西南低渦，發(fā)現(xiàn)夏季西南低渦在02—08時(shí)（北京時(shí)）出現(xiàn)的次數(shù)最多。隨后，Zhang et al.（2019）又基于上述14 a的10個(gè)典型西南低渦個(gè)例分析后發(fā)現(xiàn)，西南低渦的形成原因有顯著的不均勻性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，西南低渦的出現(xiàn)頻數(shù)具有明顯的季節(jié)變化。陳忠明和閔文彬（2000）指出，秋、冬季西南低渦出現(xiàn)最少，夏季出現(xiàn)最多，一般在7月。陳啟智等（2007）研究發(fā)現(xiàn)春、夏兩季西南低渦出現(xiàn)的頻數(shù)比較多，而秋、冬兩季比較少，這與陳忠明和閔文彬（2000）的研究結(jié)果一致。但是諶貴珣和何光碧（2008）統(tǒng)計(jì)認(rèn)為，冬季西南低渦頻數(shù)最多，春、秋季次之，夏季最少。Zhong et al.（2014）也得到了類似的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)西南低渦主要發(fā)生在春、冬兩季，占總數(shù)的69.5%，最大頻數(shù)出現(xiàn)在3月，最小頻數(shù)出現(xiàn)在8月。顯然，這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果和陳忠明和閔文彬（2000）以及陳啟智等（2007）統(tǒng)計(jì)的結(jié)果有所不同，這可能與統(tǒng)計(jì)時(shí)所選的時(shí)間序列長(zhǎng)度以及西南低渦的識(shí)別方法不同有關(guān)。統(tǒng)計(jì)研究表明，不同渦源的西南低渦出現(xiàn)的時(shí)段也不同。九龍渦多發(fā)時(shí)段在春季與夏季，盆地渦多發(fā)時(shí)段在冬季與春初，小金渦多發(fā)時(shí)段在冬末與春季（羅清等，2018）。羅清等（2018）利用2012—2016年Micaps天氣圖資料和《西南低渦年鑒》，對(duì)西南低渦及來(lái)自不同源地的西南渦的變化特征及其對(duì)降水的影響進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，認(rèn)為：起源于九龍的西南低渦出現(xiàn)次數(shù)最多，起源于盆地的西南低渦次之，起源于小金的西南低渦最少;同時(shí)表明，在2012—2016年期間，西南低渦的生成頻數(shù)有明顯的季節(jié)變化，春季是西南低渦生成最多的季節(jié)。同樣，李超等（2015）則對(duì)起源于四川盆地的西南低渦進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為盆地渦其初生位置主要位于盆地的西南部和東北部，四川盆地西南低渦夏季出現(xiàn)最多，冬季出現(xiàn)最少，四川盆地西南低渦具有明顯的日變化，西南型盆地渦在3—10月夜晚發(fā)生概率均大于白天，而東北型盆地渦只在5—9月期間夜晚發(fā)生概率大于白天，其他月份低渦夜發(fā)性不明顯。梁紅麗等（2012）將影響云南天氣氣候的西南低渦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，影響云南的西南低渦初生渦源區(qū)主要集中在九龍和四川盆地;從移動(dòng)路徑上而言，東南路徑最多，西南和偏南路徑次之，而且影響云南的西南低渦具有明顯的日變化特征。

從年際、年代際時(shí)間尺度來(lái)看，李黎等（2017）利用1979—2013年一日4次的ERA-Interim再分析資料，研究了春季西南低渦的長(zhǎng)期變化。結(jié)果表明，在1979—2013年期間，共出現(xiàn)了262次西南低渦，春季西南低渦平均每年出現(xiàn)7.5次，并且春季西南低渦出現(xiàn)次數(shù)具有明顯的下降趨勢(shì)，春季西南低渦具有顯著的年際和年代際變化特征。葉瑤和李國(guó)平（2016）統(tǒng)計(jì)了61 a夏半年西南低渦發(fā)生次數(shù)的年際變化，分析了西南低渦年際時(shí)間尺度的大氣環(huán)流特征和角動(dòng)量特征，認(rèn)為大量正角動(dòng)量輸入青藏高原東側(cè)西南低渦關(guān)鍵區(qū)時(shí)，有利于西南低渦生成和頻發(fā)。Feng et al.（2016）則從影響重慶暴雨的角度，將西南低渦劃分為偏東路徑型、東北路徑型和停滯少動(dòng)型三種類型，并對(duì)西南低渦產(chǎn)生的暴雨進(jìn)行了研究，認(rèn)為雖然西南低渦移動(dòng)路徑不同，但是西南低渦在結(jié)構(gòu)上具有一些相似的特征。

根據(jù)西南低渦的性質(zhì)和移動(dòng)速度，可以將西南低渦分為不同類別。陳忠明和閔文彬（2000）將西南低渦分為移動(dòng)類和少動(dòng)類兩類。潘旸等（2011）同樣將西南低渦分為移出型低渦和停滯型低渦兩類。潘旸等（2011）對(duì)1991—2004年夏季（6—8月）西南四川盆地的低渦活動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，比較分析了移出型和停滯型兩類西南低渦生成初期的合成環(huán)流場(chǎng)，總結(jié)出影響低渦東移的三維流場(chǎng)的氣候?qū)W特征。劉紅武等（2016）使用10 a的資料，統(tǒng)計(jì)分析了影響湖南天氣和氣候的東移西南低渦的三維環(huán)流特征，并進(jìn)一步對(duì)水汽來(lái)源進(jìn)行了分析。陳啟智等（2007）根據(jù)西南低渦的移動(dòng)情況分為3類：基本不動(dòng)類、迅速消散類和移動(dòng)類，且移動(dòng)類西南低渦的移動(dòng)路徑以偏東和東北路徑為主。王金虎等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，夏季向正東方向移動(dòng)的低渦個(gè)數(shù)沒(méi)有年代際變化，但是向東北和東南方向移動(dòng)的移出型低渦個(gè)數(shù)呈增加趨勢(shì)。西南低渦在不同季節(jié)移出源地的概率有所不同。研究發(fā)現(xiàn)，西南低渦在夏季移出源地的概率高，而在冬季比較低（諶貴珣和何光碧，2008;Fu et al.，2014;Zhong et al.，2014）。

3 西南低渦與其他系統(tǒng)的相互作用

劉曉冉等（2020）對(duì)一次引發(fā)特大暴雨的西南低渦和高原低渦耦合貫通加強(qiáng)過(guò)程進(jìn)行了研究，認(rèn)為高原低渦和西南低渦耦合貫通后，改變了渦度的垂直特征;東移的高原低渦與西南低渦耦合后，可以導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生（Cheng et al.，2016）。

為了研究西南低渦和高原低渦之間的相互關(guān)系，Chen et al.（2019）定義了一個(gè)反映西南低渦和高原低渦相互作用的指數(shù)，并用于診斷降水區(qū)。西南低渦不僅和高原低渦耦合，而且還能與高空西風(fēng)槽耦合。比如，李強(qiáng)等（2013）就發(fā)現(xiàn)，發(fā)生于2009年8月2—5日川渝地區(qū)出現(xiàn)的暴雨過(guò)程，就是東移的高空槽耦合了位于川渝地區(qū)的西南低渦，導(dǎo)致此次強(qiáng)降水過(guò)程。此外，臺(tái)風(fēng)通過(guò)遠(yuǎn)距離作用，對(duì)西南低渦系統(tǒng)動(dòng)力結(jié)構(gòu)的維持也起到積極作用（李強(qiáng)等，2013）。周春花和張駒（2020）研究認(rèn)為，南海的熱帶氣旋和西太平洋上的熱帶氣旋對(duì)西南低渦的發(fā)展和維持有遠(yuǎn)距離的加強(qiáng)作用。湯歡等（2020）研究表明，在高原中尺度對(duì)流系統(tǒng)與西南低渦耦合階段，兩者的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)相疊加，低層的正位渦、正渦度、以及輻合均顯著加強(qiáng)。

4 西南低渦的集合預(yù)報(bào)

隨著集合預(yù)報(bào)的發(fā)展，對(duì)西南低渦的集合預(yù)報(bào)也陸續(xù)發(fā)表了一些文章，比如：Li et al.（2014）使用區(qū)域的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，研究了導(dǎo)致西南低渦東移和發(fā)展的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)特征。圖1給出的是11個(gè)集合成員的每3 h一次的西南低渦路徑預(yù)報(bào)與觀測(cè)的西南低渦路徑。Liu et al.（2019）使用TIGGE資料，對(duì)2013年7月18日的一次高原低渦與西南低渦耦合過(guò)程中的高原低渦可預(yù)報(bào)性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，從預(yù)報(bào)初始時(shí)刻開(kāi)始，四川盆地上空48 h的位勢(shì)高度，可作為隨后90～108 h高原低渦的前兆信號(hào)（圖2）。

5 西南低渦的形成機(jī)制

近30 a以來(lái)，關(guān)于西南低渦的形成機(jī)制幾乎沒(méi)有什么重大突破。青藏高原和其東麓形成的獨(dú)特地形是形成背風(fēng)坡低值渦旋西南低渦的重要原因之一（何光碧，2012）。西南低渦的形成還與盆地、河谷以及氣流分層有關(guān)（朱禾等，2002）。葉瑤和李國(guó)平（2016）研究認(rèn)為，西南低渦多發(fā)年，低層流場(chǎng)在西南低渦關(guān)鍵區(qū)表現(xiàn)為西南風(fēng)旺盛且輻合異常強(qiáng)，氣旋性切變加大，低緯季風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)，導(dǎo)致大量正角動(dòng)量輸送至關(guān)鍵區(qū)，有利于西南低渦生成。西南低渦的形成與水汽輸送也有關(guān)。

6 西南低渦雙核結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

過(guò)去由于受資料分辨率的限制，一般認(rèn)為西南低渦是一個(gè)單一的α中尺度渦旋（陶詩(shī)言，1980;盧敬華，1986;高守亭等，2003）。隨著再分析資料的空間分辨率提高，Zhou et al.（2017）通過(guò)個(gè)例研究，首次發(fā)現(xiàn)了一個(gè)西南低渦中包含有兩個(gè)更小尺度渦旋的現(xiàn)象，即西南低渦具有兩個(gè)核的現(xiàn)象。

圖3清楚地反映了一個(gè)低渦逐步演變成兩個(gè)低渦中心的奇特現(xiàn)象。由圖3可見(jiàn)，兩個(gè)低渦中心被3 080 gpm所包圍，兩個(gè)低渦中心共存于一個(gè)大的西南低渦中。為了對(duì)該類西南低渦開(kāi)展系統(tǒng)的研究，吳珍珍等（2018）將這類低渦簡(jiǎn)稱為雙核西南低渦，并給出了定義：1）在歐亞天氣圖上，中國(guó)西南地區(qū)為一西南低渦，但在小范圍的區(qū)域天氣圖上，這個(gè)西南低渦則表現(xiàn)為由兩個(gè)更小尺度的氣旋性渦旋所構(gòu)成;2）兩個(gè)小尺度的氣旋性渦旋必須是從先于它們出現(xiàn)的同一個(gè)中尺度西南低渦中產(chǎn)生;3）兩個(gè)小尺度的氣旋性低渦的中心位置都必須位于我國(guó)西南地區(qū)（100°～108°E，26°～33°N）。凡是滿足上述3個(gè)條件的西南低渦則可視為雙核西南低渦。結(jié)合西南低渦的定義（盧敬華，1986），上述關(guān)于雙核西南低渦具有一定的科學(xué)性和代表性。

圖4給出了雙核西南低渦從產(chǎn)生、演變、發(fā)展和加強(qiáng)的過(guò)程（吳珍珍，2018），可見(jiàn)，2011年8月4日00時(shí)，在四川附近出現(xiàn)了一個(gè)西南低渦，這個(gè)西南低渦在2011年8月4日12時(shí)，出現(xiàn)了雙核現(xiàn)象。隨后吳珍珍等（2018）通過(guò)簡(jiǎn)單的人工普查，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)雙核西南低渦絕非個(gè)例。吳珍珍（2018）和Zhou et al.（2017）對(duì)雙核西南低渦的研究，均發(fā)現(xiàn)雙核西南低渦中的兩個(gè)核都具有暖濕特征，而且也屬于淺薄的系統(tǒng)，即在700 hPa上最明顯，具有西南低渦的一般特征。吳珍珍等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，2011年8月4日00時(shí)—5日00時(shí)存在的雙核西南低渦，兩個(gè)核均位于四川省境內(nèi)，其中一個(gè)“核”處于巴中，另一個(gè)“核”處于涼山附近，且這兩個(gè)核被3 084 gpm等位勢(shì)線所包圍，共存于一個(gè)較大尺度的西南低渦中。吳珍珍等（2018）發(fā)現(xiàn)的西南低渦的兩個(gè)“核”的偏北的“核”的地理位置要比Zhou et al.（2017）中偏北的“核”位置偏南。通過(guò)對(duì)雙核西南低渦進(jìn)行數(shù)值模擬研究表明，青藏高原和云貴高原的大地形以及大氣的潛熱釋放對(duì)雙核西南低渦的形成和發(fā)展有重要作用。雙核西南低渦的位置和移動(dòng)方向受高原大地形的影響，大氣的潛熱釋放對(duì)雙核西南低渦的生成和維持起著主要作用（吳珍珍等，2018）。

7 新的研究方向展望

本文主要對(duì)2000年以來(lái)關(guān)于西南低渦有一定特色或代表性的研究成果進(jìn)行了較為系統(tǒng)的回顧和展望。雖然關(guān)于西南低渦的研究已經(jīng)做了大量的研究，但是未來(lái)關(guān)于西南低渦的研究，以下幾個(gè)方面仍值得關(guān)注：

1）人工智能或者機(jī)器識(shí)別技術(shù)已能對(duì)西南低渦進(jìn)行較好的識(shí)別，但是，西南低渦長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)的結(jié)果仍存有不一致甚至矛盾的現(xiàn)象。這需要從源頭上對(duì)西南低渦的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行仔細(xì)的校驗(yàn)和檢查，并對(duì)西南低渦的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一和規(guī)范。此外，從天氣學(xué)、氣候?qū)W角度對(duì)西南低渦生成頻數(shù)的年際，年代際變化的外強(qiáng)迫因子研究仍不夠充分。

2）使用臺(tái)站以及高時(shí)空分辨率的再分析資料、衛(wèi)星資料、雷達(dá)資料等多源數(shù)據(jù)，從天氣動(dòng)力學(xué)角度，開(kāi)展西南低渦的形成、發(fā)展、移動(dòng)、消失等各個(gè)階段的中尺度細(xì)微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究。

3）高原東部特殊的地形所形成的地形Rossby波以及重力波等波動(dòng)與背風(fēng)坡氣旋（西南低渦）是否有關(guān)系，如果有關(guān)系的話，它們背后的物理機(jī)制是什么？

4）雙核西南低渦究竟是如何形成的？其形成的主要機(jī)制是什么，它和經(jīng)典的西南低渦的形成機(jī)制異同點(diǎn)是什么？

5）西南低渦以及雙核西南低渦的可預(yù)報(bào)性研究。

6）東移的西南低渦以及東移的雙核西南低渦，其對(duì)下游地區(qū)的天氣、氣候的影響有何異同？以及西南低渦導(dǎo)致的次生災(zāi)害，比如西南低渦導(dǎo)致的四川省境內(nèi)的山體滑坡，泥石流等預(yù)報(bào)模型的建立，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)工作將會(huì)起到非常重要的作用。

綜上所述，西南低渦的研究和臺(tái)風(fēng)研究相比，無(wú)論是研究深度還是研究廣度，均有很大的差距。由于西南低渦一年四季均可出現(xiàn)，且其出現(xiàn)頻數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱帶氣旋和臺(tái)風(fēng)的頻數(shù)，因此，關(guān)于西南低渦的研究，仍然是任重而道遠(yuǎn)。

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Research progresses of the southwest vortex since 2000

LIU Haiwen，MAO Jiangnan，YANG Zhaohong

Department of Aviation Meteorology，College of Air Traffic Management，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

The southwest vortex is a meso-α-scale vortex formed on the southeast side of the Qinghai-Tibet Plateau in China.It is one of the main weather systems that cause heavy rainfall in summer half year in China.This paper briefly reviews the latest research results of the southwest vortex since 2000，mainly including the artificial intelligence recognition of the southwest vortex，the long-term variation and climatological characteristics of the frequency of the southwest vortex，the ensemble forecast of the southwest vortex，and the first discovery of the binary southwest vortex.On this basis，some issues that need to be further discussed in this research field are summarized，including the external forcing factors related to the frequency variation of the southwest vortex，the relationship between the topographic Rossby wave，gravity wave and the southwest vortex caused by the special topography of the Qinghai-Tibet Plateau，the formation mechanism of the binary southwest vortex，and the difference of formation mechanism between of the binary southwest vortex and the classic southwest vortex.

southwest vortex;binary southwest vortex;Qinghai-Tibet Plateau;review and outlook

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201215012

（責(zé)任編輯：張福穎）