川貴渝復雜地形下橫槽誘發(fā)雙渦貴州暴雨過程的數(shù)值模擬*

程曉龍 李躍清 衡志煒

1.中國氣象局成都高原氣象研究所，成都，610072

2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都，610072

1 引言

在青藏高原大地形背景下，中國西南高山、深谷、臺地、盆地等綿延縱橫，交錯相間，起伏劇烈，如川西高原、川渝盆地（原四川盆地）、云貴高原等，是中國地形最復雜、最陡峭的區(qū)域，也是高影響天氣系統(tǒng)和極端氣象災害的重災區(qū)（徐裕華，1991）。其中，貴州省處于云貴高原，其氣象災害非常嚴重，尤其是夏季強降水天氣引發(fā)的暴雨山洪及其泥石流等次生災害，局地性、突發(fā)性強，過程劇烈，成因復雜，影響嚴重、廣泛，常常給人民的生命財產(chǎn)造成重大損害（伍紅雨，2007；程曉龍等，2014；池再香等，2010）。因此，貴州山地暴雨及其影響一直是氣象研究、業(yè)務預報、災害防御的一個重點和難點。

由于大、中、小地形的多尺度綜合作用，西南地區(qū)是中國低渦等系統(tǒng)生成、活動的一個區(qū)域中心，如高原低渦（簡稱高原渦）、西南低渦（簡稱西南渦）、切變線等系統(tǒng)。其中，西南渦作為中國引發(fā)暴雨的重要災害天氣系統(tǒng)，是在青藏高原特殊地形與大氣環(huán)流的相互作用下，形成于中國西南地區(qū)的一種α 中尺度氣旋低壓系統(tǒng)，其渦源地主要集中在四川的川西高原和川渝盆地，可分為3 類：生成在川西高原南部的九龍渦、川西高原中部的小金渦和川渝盆地的盆地渦。但是，西南渦發(fā)生發(fā)展、尤其是以不同路徑東移后常給西南其他地區(qū)和下游廣大地區(qū)帶來嚴重的暴雨洪澇等災害（盧敬華，1986；李國平，2002；李躍清等，2016）。前期研究指出：西南渦是對流層中低層的淺薄擾動，呈近圓形而非對稱的中性氣旋特征（盧敬華，1986），而發(fā)展強烈的西南渦則是一個十分深厚的系統(tǒng)，可伸展到100 hPa高度（陳忠明等，1998）。西南渦的溫濕場和垂直流場在低渦區(qū)內(nèi)分布不對稱，呈現(xiàn)出顯著的斜壓性（韋統(tǒng)健，1988；韋統(tǒng)健等，1996）。進一步的研究得到，根據(jù)中心暖濕性質(zhì)、垂直分布和動力結(jié)構(gòu)等不同氣候態(tài)可劃分為4 類西南渦（Feng，et al，2016），其中存在一類深厚型的西南渦系統(tǒng)，表現(xiàn)出不同的動力、熱力結(jié)構(gòu)和演變特征以及異常機制和天氣影響（Cheng，et al，2016；Feng，et al，2016；楊穎璨等，2018）。并且，西南渦的形成是青藏高原、橫斷山脈，以及四川盆地不同地形共同作用的結(jié)果（Wang，et al，2014），而潛熱釋放對西南渦的發(fā)展過程同樣有重要作用（Kuo，et al，1988）。Fu 等（2015）提出了關于長生命史西南渦的一種演變機制。Cheng 等（2016）基于西南渦與高原渦耦合的低渦大暴雨分析，提出了深厚型低渦的橫向耦合機制。另外，李國平等（1994）指出，位渦變率的變化趨勢與低渦暴雨的發(fā)展趨勢基本一致，負位渦預示著暴雨的增強，位渦轉(zhuǎn)正預示暴雨的減弱過程。趙思雄等（2007）分析了2004 年9 月川渝低渦大暴雨天氣，指出川東地區(qū)的特殊地形、500 hPa 高空小槽以及700、850 hPa 低層鞍型流場均是西南渦產(chǎn)生和維持的重要條件；這次西南渦暴雨過程有20 個雨團接連發(fā)生，中尺度系統(tǒng)是直接的影響系統(tǒng)。實際上，西南渦暴雨是中國一種非常復雜、富有特色的強降水現(xiàn)象（李躍清等，2016），其造成的暴雨強度、頻次和范圍僅次于臺風及其殘留低壓（王作述等，1996）。

數(shù)值模擬是研究中小尺度天氣系統(tǒng)及其影響的重要手段，應用中尺度天氣模式研究西南渦及其暴雨已獲得了不少有意義的成果。覃麗等（2007）利用MM5 模式模擬與診斷得到：2005 年4 月25 日的典型西南渦降雨過程，低渦南端高層高值干位渦的下傳，引起低層氣旋性渦度增加，低渦向南伸出一低槽發(fā)展成“北渦南槽”形式，低槽附近700 hPa MPV1＜0，MPV2＞0，低層強輻合，高層強輻散，整層都為上升運動。盧萍等（2014）基于AREM 模式對2010 年夏季重慶兩場西南渦暴雨過程的數(shù)值模擬得到：渦度方程的輻合輻散項對低渦的發(fā)展加強起最重要的作用，而平流項和輻合輻散項的作用集中在大氣中低層，垂直對流項和扭轉(zhuǎn)項則在大氣中高層更為明顯，降水的強弱與渦度變率的大小及伸展高度相對應。陳鵬等（2014）利用WRF 模式模擬研究了2008 年6 月30 日至7 月1 日川東南的西南渦暴雨天氣過程，表明西南渦首先出現(xiàn)在850 hPa，幾小時后700 hPa 也出現(xiàn)低渦，850 hPa 低渦形成與西南低空急流有密切聯(lián)系，干敏感試驗驗證了潛熱釋放對850 hPa 低渦的影響不明顯，但會導致700 hPa 的氣旋性切變與輻合從而形成低渦。高篤鳴等（2018）利用WRF 模式及WRFDA 同化系統(tǒng)，對比模擬分析了一次四川盆地奇異路徑低渦耦合大暴雨過程，表明引入西南渦加密探空資料能夠改善對降水和低渦的模擬；有利于初始風場產(chǎn)生氣旋式擾動、增強高原渦和西南渦的強度，在初期就能模擬出與實況量級一致的降水；揭示了僅靠高層的高位渦不足以激發(fā)和維持700 hPa 的西南渦，需通過低層水平輻合引起正渦度增加并向上輸送，由此促進西南渦的移動和發(fā)展，而初期降水的潛熱釋放也起重要作用。因此，開展西南渦及其暴雨過程的數(shù)值模擬研究對于其機理認識和業(yè)務預報都非常重要。

需要指出的是，貴州位于副熱帶東亞大陸季風區(qū)，屬亞熱帶高原季風濕潤氣候。其地勢西高東低，多高原山地，全省平均年降水量在1100—1300 mm，大多數(shù)降水集中在夏季，且夜間多發(fā)強降水，暴雨及其次生災害非常突出。研究表明：在青藏高原大地形、局地特殊地形的作用下，上游東移和東南移的西南渦是影響夏季貴州暴雨的主要天氣系統(tǒng)之一，但是，本地生成的低渦系統(tǒng)也是貴州暴雨的常見天氣系統(tǒng)（程曉龍等，2014；楊群等，2016；李小蘭等，2018）。雖然關于移動西南渦、本地貴州渦對于貴州暴雨天氣的重要影響已有一些研究，并也涉及到西南渦東南移與本地低渦耦合對貴州暴雨天氣的作用分析（程曉龍等，2014），但是，這些工作還需要進一步系統(tǒng)、深入，尤其是關于西南渦活動對云貴高原貴州降雨的直接和間接影響，東移西南渦與本地貴州渦的不同結(jié)構(gòu)特征、影響過程和降雨演變，兩類低渦在川渝盆地—云貴高原復雜下墊面與地形下，如何相互作用并引發(fā)嚴重暴雨天氣及次生地質(zhì)災害的原因等還不是很清楚。因此，針對貴州省2014 年7 月15 至17 日由穩(wěn)定橫槽誘發(fā)的雙低渦（西南渦之盆地渦和本地貴州渦）暴雨天氣過程，進行了數(shù)值模擬和中尺度診斷，并細致分析了雙低渦的演變過程及其暴雨影響，以揭示兩個低渦發(fā)展和降雨演變過程中熱力和動力因子的具體作用，由此進一步加深對復雜地形下低渦相互作用及其區(qū)域暴雨影響的認識。

2 模式和資料介紹

本研究應用新一代西南區(qū)域數(shù)值預報模式業(yè)務系統(tǒng)，該模式基于WRF v3.5.1 和ADAS 資料同化模塊，基本涵蓋整個中國大陸地區(qū)，模式的初始場和邊界場均采用美國環(huán)境預報中心（NCEP）全球預報模式NCEP GFS 的0.5°×0.5°資料，模式水平分辨率為9 km，水平格點數(shù)630×400，垂直方向51 層，積分步長為45 s，積分時間72 h，每日00、06、12、18 時（世界時，下同）進行4 次預報，輸出時間間隔為1 h。模式的參數(shù)化方案選取為：Thompson微物理方案，YSU 邊界層方案，RRTM 長波輻射與短波輻射方案，Noah 陸面參數(shù)化方案，另外，系統(tǒng)關閉了積云對流參數(shù)化方案。同化資料包括常規(guī)地面、高空觀測資料，飛機報、船舶與浮標觀測資料，F(xiàn)Y-2E 衛(wèi)星觀測資料和全國117 個S 波段雷達觀測資料，以及每年6 月21 日—7 月31 日西南渦大氣科學觀測試驗的時空加密資料（李躍清等，2010，2011，2012；衡志煒等，2018），并通過復雜云分析技術反演大氣中的真實云分布。該模式2015 年通過中國氣象局業(yè)務準入，實際預報表明：同化雷達和衛(wèi)星資料進行復雜云分析對起報時刻復雜地形區(qū)域的云表征更加準確，很好地解決了模式起報時段云信息不準確的問題，模式對暖區(qū)暴雨、復雜地形暴雨具有較強的預報能力（屠妮妮等，2017；陳良呂等，2016），在西南區(qū)域災害性天氣業(yè)務預報中發(fā)揮著重要的作用。

本研究模擬時段為2014 年7 月15 日00 時至17 日00 時，主要應用上述西南區(qū)域數(shù)值模式系統(tǒng)的模擬輸出要素場資料，以及歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA-interim 0.75°×0.75°再分析資料（作為參照實況場），在模擬可靠的基礎上，通過診斷研究、對比檢驗和物理分析，探討了這次由穩(wěn)定橫槽誘發(fā)雙低渦的貴州暴雨天氣的形成過程、演變特征和異常機理。

3 環(huán)流背景與降雨過程

這次暴雨天氣過程的500 hPa 形勢場（圖1）為：暴雨初期（圖1a），中高緯度地區(qū)，巴爾喀什湖上空存在一低槽，貝加爾湖西南側(cè)為一高壓脊，中國東北部上空也是一低槽，歐亞大陸維持兩槽一脊型環(huán)流分布；西南橫槽出現(xiàn)階段（圖1b），整個中高緯度環(huán)流形勢基本維持，兩槽一脊系統(tǒng)逐步向東移動，同時，巴爾喀什湖低槽不斷分裂出短波槽向下游中低緯度地區(qū)移動，到達中國西南地區(qū)，并在南下過程中，由于青藏高原東側(cè)特殊地形的作用，在川渝盆地中部形成一橫槽；盆地渦出現(xiàn)階段（圖1c），隨著中高緯度系統(tǒng)的不斷東移，位于川渝盆地的橫槽逐漸加深，西南渦之盆地渦生成于橫槽東側(cè)的川、貴、渝交界區(qū)，貴州北部出現(xiàn)降雨；貴州渦出現(xiàn)階段（圖1d、e），川渝盆地上空橫槽轉(zhuǎn)豎南壓，在這一過程中，由于中低層地氣相互作用貴州西南部誘生出貴州渦，兩低渦共同作用引起貴州南部降雨進一步增強。

圖2 為2014 年7 月15 日00 時 至17 日00 時貴州實況降雨量與模擬降雨量分布。由此看到：7 月15 日00 時至17 日00 時（圖2a），除東北部與東南部小范圍區(qū)域未出現(xiàn)強降雨外，貴州省全境均有大雨或暴雨發(fā)生，暴雨區(qū)呈西南—東北向，共有26 個站降雨量超過100 mm，2 個站超過250 mm，其中貴州清鎮(zhèn)48 h 觀測降雨量為304 mm，災情嚴重。區(qū)域數(shù)值模式（圖2b）較好地再現(xiàn)了此次暴雨天氣過程，尤其是位于貴州中部沿西南—東北向超過100 mm 雨量的位置和范圍，實況最大降雨中心清鎮(zhèn)的48 h 模擬降雨量雖然偏弱，但也超過了143 mm。在15 日00 時—16 日00 時 與16 日00 時至17 日00 時的兩個降雨時段內(nèi)（圖2c、e），西南區(qū)域數(shù)值模式（圖2d、f）均能模擬出貴州北部和南部西南—東北向暴雨區(qū)的范圍與強度。并且，16 日00 時至17 日00 時為主要降水時段。其中，16 日00 時至16 日12 時，西南渦之盆地渦生成并活躍于重慶南部地區(qū)，低渦西南至東北象限內(nèi)的貴州中部至湖南西北部地區(qū)出現(xiàn)強降雨帶，累計降雨超過100 mm 的有7 個站，貴州中部貴陽站降雨達170.2 mm。16 日12 時至17 日00 時，本地貴州渦在貴州西南部出現(xiàn)、穩(wěn)定少動，貴州西南部至東北部出現(xiàn)帶狀的強降雨區(qū)，雨量超過50 mm 的有5 個站，貴陽西南部安龍縣累計降雨量為163.9 mm。對于兩低渦活躍并造成極端降雨的16 日09 時至21 時，逐3 h 實況降雨與模擬降雨（圖3）對比發(fā)現(xiàn)，16 日09 時至12 時3 h 降雨，整個雨帶分布、強度模擬基本一致，貴州南部和其東北角及貴渝湘三省交界處的降雨模擬較好，但貴州東部出現(xiàn)一明顯的東北—西南向虛假強降雨區(qū)，3 個中心分別位于貴州銅仁地區(qū)中部海拔2572 m 的梵凈山以北、石仟縣西南緣海拔1869 m的佛頂山以東和雷山縣海拔2178 m 的雷公山以西，虛假強降雨中心與局地陡峭地形聯(lián)系密切；16 日12 時至15 時3 h 降雨，整個雨帶分布、強度模擬進一步變好，貴州南部和其東北角貴渝湘三省交界處的降雨模擬較好，雖然貴州東部東北—西南向的虛假強降雨區(qū)模擬有所改善，但佛頂山一帶、雷公山以西云貴高原向湘桂丘陵過渡的斜坡面仍有虛假的強降雨中心；16 日15 時至18 時3 h 降雨，整個雨帶分布、強度模擬較好，尤其是貴州南部和其東北角貴渝湘三省交界處的降雨反映更好，但云貴高原向廣西丘陵過渡地帶貴州安龍縣到望謨縣有虛假強降雨中心；16 日18 時至21 時3 h 降雨，整個雨帶分布、強度模擬仍然較好，云貴高原向廣西丘陵過渡地帶的貴州望謨縣以南河谷地區(qū)有虛假強降雨中心?？傮w而言，西南區(qū)域模式能模擬出雙低渦活動在貴州西南部至東部的傾斜強降雨帶，模擬雨區(qū)分布與實況較一致，但模擬降雨有些偏強，強降雨中心有一定偏差，特別是在貴州東部、南部地形變化劇烈區(qū)域，如貴州梵凈山、佛頂山和雷公山，以及云貴高原向湘桂丘陵過渡地帶的斜坡面等，這可能與局地復雜地形影響及其觀測站稀疏有關?？傊瑢τ谶@次低渦影響的強降雨過程，西南區(qū)域數(shù)值模式系統(tǒng)能夠模擬出這次降雨的中小尺度基本特征，具有較滿意的模擬能力。下面，應用該模式輸出氣象要素場對此次雙低渦暴雨過程的影響系統(tǒng)和發(fā)生、發(fā)展機制進行分析研究。

圖2 2014 年7 月15 日00 時至17 日00 時降雨量分布（單位：mm）（a、c、e.實況降雨量，b、d、f.模擬降雨量；a.15—17 日48 h 實況雨量，b.15—17 日48 h 模擬降雨量，c.15—16 日24 h 實況降雨量，d.15—16 日24 h 模擬降雨量，e.16—17 日24 h 實況降雨量，f.16—17 日24 h 模擬降雨量）Fig.2 Distribution of precipitation（unit：mm）from 00：00 UTC 15 July to 00：00 UTC 17 July 2014（a，c，e.observations of accumulative precipitation，b，d，f.simulated precipitation；a.observed 48 h accumulative precipitation from 00：00 UTC 15 July to 00：00 UTC 17 July，b.simulated 48 h accumulative precipitation from 00：00 UTC 15 July to 00：00 UTC 17 July，c.observed 24 h accumulative precipitation from 00：00 UTC 15 July to 00：00 UTC 16 July，d.simulated 24 h accumulative precipitation from 00：00 UTC 15 July to 00：00 UTC 16 July，e.observed 24 h accumulative precipitation from 00:00 UTC 16 July to 00：00 UTC 17 July，f.simulated 24 h accumulative precipitation from 00：00 UTC 16 July to 00：00 UTC 17 July ）

圖3 2014 年7 月16 日09—21 時逐3 h 降雨量分布（單位：mm；a、c、e、g.實況降雨量，b、d、f、h.模擬降雨量；a、b.09—12 時，c、d.12—15 時，e、f.15—18 時，g、h.18—21 時）Fig.3 Distribution of three-hourly accumulated precipitation（unit：mm）from 09：00 UTC to 21：00 UTC 16 July in 2014（a，c，e，g.observations of accumulative precipitation，b，d，f，h.simulated precipitation；a，b.09：00—12：00 UTC，c，d.12：00—15：00 UTC，e，f.15：00—18：00 UTC，g，h.18：00—21：00 UTC）

續(xù)圖3Fig.3 Continued

4 低渦演變與模擬

由于這次低渦活動的主要時段為2014 年7 月15 日18 時至17 日00 時，因此，下面著重分析低渦活動時段的有關氣象要素變化特征。15 日18 時（圖4b1），作為參照實況的ERA-interim 資料顯示重慶西南部有一橫槽，其南部西南氣流貫穿云南、貴州、湖南三省，而模擬結(jié)果（圖4a1）與實況相近，渦度大值中心位于橫槽以南的西南急流區(qū)。16 日00 時（圖4b2），貴州省與重慶市交界處（橫槽內(nèi)）出現(xiàn)閉合氣旋式環(huán)流，川渝盆地初生盆地渦中心位于重慶東側(cè)并呈東—西向分布，模擬結(jié)果（圖4a2）與實況接近，但中心位置偏西1 個多經(jīng)度，其西南至東南象限正渦度增強。16 日06 時（圖4b3），盆地渦繼續(xù)加強，影響范圍擴大，低渦中心南移至貴州東北部，隨著橫槽尾部向南傾斜，低渦軸線逐漸轉(zhuǎn)為西南—東北向，模擬結(jié)果（圖4a3）的低渦位置和強度與實況一致，其東南部維持一狹長正渦度帶，橫槽尾部氣流氣旋式閉合。16 日12 時（圖4b4），盆地渦位置向西南調(diào)整并有所增強，位于貴州北部，而模擬試驗（圖4a4）低渦南壓，正渦度區(qū)也南移，但低渦中心偏東，維持在貴州東北部。16 日18 時（圖4b5），盆地渦繼續(xù)東南移，西南—東北向的軸線繼續(xù)拉長，影響范圍進一步擴大，但貴州渦還未出現(xiàn)，而模擬結(jié)果（圖4a5）盆地渦西南方貴州渦已出現(xiàn)，兩渦中心都對應強的正渦度，中心連線區(qū)域為正渦度帶，東北部低渦更強。17 日00 時（圖4b6）再分析資料場，出現(xiàn)東北（盆地渦）、西南（貴州渦）兩個低渦中心，分別位于湖北的西南部與貴州的西南部，模式模擬（圖4a6）的流場與參照實況分布相似。

圖4 2014 年7 月15 日18 時至17 日00 時700 hPa（a1—a6）模擬流場與渦度（色階，單位：10?5 s?1）和（b1—b6）ERA-interim 再分析資料流場（a1、b1.15 日18 時，a2、b2.16 日00 時，a3、b3.16 日06 時，a4、b4.16 日12 時，a5、b5.16 日18 時，a6、b6.17 日00 時）Fig.4 Simulated stream field（a1—a6）and vorticity（shaded，unit：10?5 s?1）and stream field（b1—b6）from ERA-interim reanalysis data at 700 hPa from 18：00 UTC 15 July to 00：00 UTC 17 July 2014（a1，b1.18：00 UTC on 15，a2，b2.00：00 UTC on 16，a3，b3.06：00 UTC on 16，a4，b4.12：00 UTC on 16，a5，b5.18：00 UTC on 16，a6，b6.00：00 UTC on 17）

續(xù)圖4Fig.4 Continued

由以上分析可知，對于這次雙低渦系統(tǒng)的演變過程，尤其是橫槽中逐漸出現(xiàn)兩個低渦中心的變化，雖然生成時間有6 h 的差異，但在整體及其大部分變化上模擬結(jié)果與參照實況都是非常一致的。

由于再分析資料時空分辨率相對較低，為了驗證貴州渦的生成過程，將模擬700 hPa 流場與同時刻FY-2E 衛(wèi)星TBB 場進行疊加，分析低渦附近的云圖特征，由此間接驗證貴州渦的生成過程。16 日11 時（圖5a），盆地渦移至重慶東南部，低渦西南至東北象限內(nèi)存在呈氣旋式分布的TBB 低值區(qū)，盆地渦尾部下方的貴州西南部復雜地形區(qū)存在一顯著的中尺度對流系統(tǒng)（MCS）。16 日13 時至17 時（圖5b—d），盆地渦穩(wěn)定少動，強度逐漸減弱，低渦中心周圍的TBB 低值區(qū)強度和范圍也有所減小，而位于貴州西南部呈橢圓狀的中尺度對流系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅庑椒植?，該過程伴隨著貴州渦的出現(xiàn)和加強。16 日19 時（圖5e），盆地渦移出重慶，到達湖北并有所增強，低渦東南部再次出現(xiàn)中尺度對流單體，但強度較弱，而貴州渦則在原地穩(wěn)定少動、持續(xù)發(fā)展，造成了貴州西南部的強降雨天氣。

5 橫槽誘生低渦過程

5.1 渦度方程診斷分析

為了研究盆地渦與貴州渦的渦度收支情況，下面基于渦度方程進行診斷分析。

其計算公式如下

式中，ζ為相對渦度，f為科里奧利力，u為緯向風，v為經(jīng)向風，ω為垂直速度，方程（1）左端 ?ζ/?t為渦度的局地變化項，方程右端第一項?（u（?ζ/?x）+v（?ζ/?y））為相對渦度平流項，第二項?（u（?f/?x）+v（?f/?y））為地轉(zhuǎn)渦度平流項，第一、二項合稱渦度平流項A，第三項?ω（?ζ/?p）為相對渦度垂直輸送項B，第四項（（?ω/?y）（?u/?p）?（?ω/?x）（?v/?p））為渦度傾側(cè)項C，第五項?(f+ζ)（?u/?x+?v/?y）為散度項D，第六項為摩擦項R，以下討論忽略摩擦項的影響。

由圖4 可知，盆地渦發(fā)展最強時刻為7 月16 日12 時，以下主要分析渦度方程各項在盆地渦增強階段的具體貢獻。圖6 表明：7 月16 日12 時（圖6a），盆地渦處于重慶東南角（28.2°N，109.0°E），低渦以東平流輸送項較明顯，強度為15×10?10s?2，貴州境內(nèi)有平流輸送中心；垂直輸送項（圖6b）大值中心位于低渦西南側(cè)，貢獻較弱，貴州境內(nèi)也有垂直輸送項中心；但渦度方程的輻合輻散項（圖6c）對低渦增強作用最大，強度超過40×10?10s?2，表明局地的輻合是低渦增強的關鍵因素，且貴州境內(nèi)也有散度項大值中心；而傾側(cè)項（圖6d）對低渦渦度增長作用相對不大。可以看出：盆地渦位于重慶與貴州大婁山北端過渡區(qū)，區(qū)域環(huán)流與北低南高局地地形相互作用，其散度項的作用最顯著，其次是平流項的作用，這很可能與川渝盆地與云貴高原交接處西南—東北走向的地形密切相關。

圖6 模擬的2014 年7 月16 日12 時700 hPa 渦度收支各項分布（陰影區(qū)，單位：10?10 s?2）（a.平流項，b.垂直輸送項，c.散度項，d.傾側(cè)項；黑色圓點為盆地渦中心位置）Fig.6 Simulated 700 hPa vorticity budget（shaded，unit：10?10 s?2）at 12：00 UTC 16 July 2014（a.advection transport term，b.vertical transport term，c.divergence term，d.twisting term；the black dot represents the center of Basin Vortex）

由圖4 可知，貴州渦最強時刻為7 月16 日18 時，并位于貴州西南部，下面主要分析貴州渦周圍的渦度收支狀況。從7 月16 日18 時700 hPa 渦度方程收支分布（圖7）可見，平流項（圖7a）正值中心位于貴州渦東南側(cè)，強度約為30×10?10s?2；垂直輸送項（圖7b）整個強度較弱，對低渦影響較??；散度項（圖7c）與平流輸送項（圖7a）類似，對應有一正值中心，強度超過30×10?10s?2；傾側(cè)項（圖7d）與平流輸送項（圖7a）、散度項（圖7c）類似，對應有一正值中心位于低渦正南方，強度為20×10?10s?2，小于平流輸送項與散度項?？梢钥闯觯号c盆地渦類似，貴州渦的發(fā)生、發(fā)展也是散度項對其增長貢獻較大，而平流輸送項也有重要作用。并且，隨著橫槽的不斷南壓、其東南側(cè)偏南氣流東北上，在貴州鎮(zhèn)寧以南迎風坡南北向的河谷地形影響下，這種局地地形的特殊激發(fā)作用促進了橫槽尾部新的低渦生成。

圖7 模擬的2014 年7 月16 日18 時700 hPa 渦度收支各項分布（陰影區(qū)，單位：10?10 s?2）（a.平流項，b.垂直輸送項，c.散度項，d.傾側(cè)項；黑色五角星表示貴州渦中心，黑色圓點表示盆地渦中心）Fig.7 Simulated 700 hPa vorticity budget（shaded，unit：10?10 s?2）at 18：00 UTC 16 July 2014（a.advection transport term，b.vertical transport term，c.divergence term，d.twisting term；the black five-pointed star represents the center of Guizhou Vortex and the black dot represents the center of Basin Vortex）

5.2 Okubo-Weiss 參數(shù)演變特征

由圖2 可知：橫槽誘生的雙低渦與16 日00 時至17 日00 時的貴州暴雨天氣密切相關。下面進一步通過計算Okubo-Weiss（簡稱OW）參數(shù)定量地表達橫槽誘發(fā)盆地渦與貴州渦發(fā)生的旋轉(zhuǎn)和變形作用（Okubo，1970；Weiss，1991；李山山等，2017）。具體計算公式如下

式中，ζ是相對渦度垂直分量，Sn是伸縮形變，Ss是切變形變，OW＞0 時有利于氣旋性渦度發(fā)展，OW＜0有利于切變線維持。

圖8 是橫槽誘發(fā)雙渦階段模擬的逐3 小時OW 參數(shù)。由此可知，盆地渦產(chǎn)生前（圖8a），貴渝交界處無顯著的OW 參數(shù)正負值中心，貴州中北部有一孤立的正值中心，表明橫槽南側(cè)急流區(qū)內(nèi)存在旋轉(zhuǎn)性較強的風場。16 日00 時（圖8b），隨著橫槽南側(cè)西南風的侵入，貴州東北部（即橫槽頂部）成為正OW 參數(shù)中心，對應貴渝交界處形成閉合的氣旋性風場，盆地渦初生。16 日03—12 時（圖8c—f），受副熱帶高壓（副高）影響，橫槽軸線雖向南傾斜，但其位置穩(wěn)定少動，盆地渦中心周圍逐漸出現(xiàn)較強的負OW 參數(shù)區(qū)，說明受擠壓低渦四周風場以變形為主，有利于橫槽切變線的維持，16 日12 時，貴州西南部（25.6°N，105.3°E）出現(xiàn)一較強的OW 參數(shù)負中心，在其北部伴隨著一較弱的正中心。16 日15 時（圖8g），盆地渦移至重慶東南部，其中心的OW 參數(shù)正值中心范圍擴大，同時，貴州西南部（即橫槽尾部）的一對OW 參數(shù)正、負中心東移至（26.5°N，105.8°E）附近，正OW 參數(shù)中心迅速增強，強度超過50×10?10s?2，對應貴州渦在正OW參數(shù)大值中心附近生成。16 日18 時（圖8h），盆地渦繼續(xù)移出湖南省，低渦中心維持較強的正OW 參數(shù)，而貴州渦在原地發(fā)展加強，低渦中心正OW 參數(shù)大值區(qū)逐漸增大?？梢钥闯觯涸趨^(qū)域環(huán)流與局地地形的相互作用下，盆地渦是由橫槽南側(cè)的氣旋式風場東擴至橫槽頂部而形成，隨后盆地渦附近負OW 參數(shù)發(fā)展使其穩(wěn)定少動，直至副高東退，而貴州渦是在橫槽尾部局地氣旋式流場增強而形成的，并在原地穩(wěn)定維持。

圖8 模擬的2014 年7 月15 日21 時至16 日18 時700 hPa 逐3 h（a.15 日21 時，b.16 日00 時，c.16 日03 時，d.16 日06 時，e.16 日09 時，f.16 日12 時，g.16 日15 時，h.16 日18 時）Okubo-Weiss 參數(shù)（色階，單位：10?10 s?2）分布（黑色圓點為盆地渦，黑色五角星為貴州渦）Fig.8 Simulated evolution of Okubo-Weiss parameter（shaded，unit：10?10 s?2）at 700 hPa every 3 h from 21：00 UTC 15 July to 18：00 UTC 16 July 2014（a.21：00UTC on 15，b.00：00 UTC on 16，c.03：00 UTC on 16，d.06：00UTC on 16，e.09：00UTC on 16，f.12：00 UTC on 16，g.15：00 UTC on 16，h.18：00 UTC on 16；the black dot represents Basin Vortex andthe black five-pointed star represents Guizhou Vortex）

續(xù)圖8Fig.8 Continued

6 雙渦發(fā)展的結(jié)構(gòu)和條件及其影響

6.1 低渦的垂直速度分布

由圖2—5 可知，低渦出現(xiàn)時段是暴雨發(fā)生的重要時段，為了揭示兩低渦的生成及其對降雨影響，下面進一步分析模式輸出的沿低渦中心附近垂直速度的分布。7 月16 日00 時（圖9a），盆地渦初生，低渦中心（29°N，108.5°E）附近出現(xiàn)兩個狹窄的上升運動區(qū)，強度較弱，降雨位于橫槽南側(cè)的急流區(qū)內(nèi)，低渦中心附近無明顯降雨。16 日03 時（圖9b），盆地渦原地加強，橫槽軸線向南傾斜，上一時刻西南側(cè)的上升運動區(qū)變動至（28°N，107°E）附近，且其最大上升速度超過?12 Pa/s。16 日06 時（圖9c），低渦閉合氣旋式環(huán)流持續(xù)發(fā)展，影響范圍擴大，中心兩個上升運動區(qū)都有所加強，上升速度分別超過?14 和?10 Pa/s。16 日09 時（圖9d），低渦中心發(fā)展并東北移動，軸線方向已呈西南—東北走向，靠西南側(cè)（28°N，108°E）的垂直上升速度超過?22 Pa/s，并延伸至對流層頂，同時，（27°N，106°E）附近出現(xiàn)較弱的上升氣流。16 日12 時（圖9e），低渦中心靠東北側(cè)（29°N，110°E）的上升速度增至?16 Pa/s，其影響區(qū)域也從對流層底延伸至對流層頂，低渦中心出現(xiàn)了強降雨。16 日15 時（圖9f），盆地渦迅速減弱，其兩個上升運動中心均降至?10 Pa/s以下，（26.5°N，106°E）附近維持著狹窄的上升運動區(qū)。16 日18 時（圖9g），氣旋式環(huán)流軸線繼續(xù)南伸，盆地渦上升運動再次加強，（26°N，106°E）出現(xiàn)另一個低渦（貴州渦），垂直速度超過?22 Pa/s。16 日21 時（圖9h）至17 日00 時（圖9i），兩渦中心上升運動基本維持，但逐步減弱，貴州渦中心垂直運動強度大于盆地渦。

圖9 模擬的2014年7月16日00 時至17日00時沿兩低渦中心垂直速度分布（單位：Pa/s）（a.16日00時，b.16日03時，c.16日06時，d.16日09時，e.16日12時，f.16日15時，g.16日18時，h.16日21時，i.17日00時）Fig.9 Simulated vertical velocity（unit：Pa/s）along the vortices'center from 00：00 UTC 16 July to 00：00 UTC 17 July 2014（a.00：00 UTC on 16，b.03：00 UTC on 16，c.06：00 UTC on 16，d.09：00 UTC on 16，e.12：00 UTC on 16，f.15：00 UTC on 16，g.18：00 UTC on 16，h.21：00 UTC on 16，i.00：00 UTC on 17）

6.2 雙渦熱力因子及其降雨影響

由圖6 可知，盆地渦最強時刻渦度方程的散度項對低渦貢獻最大，表明低渦中心存在較強的氣流輻合，而700 hPa 假相當位溫的分布（圖10a）也表明，7 月16 日12 時，云貴高原東部到川渝盆地東南角為一假相當位溫大值帶，盆地渦位于盆地東南角冷、暖氣團交匯的暖中心內(nèi)，冷、暖氣團中心的假相當位溫分別為338 和354 K。強烈的冷、暖氣流在盆地渦中心附近相遇交匯，斜壓性增強，造成低渦發(fā)展及其強降雨。16 日18 時（圖10b），原東部假相當位溫大值帶減弱并南退，但貴州西南部仍維持大值區(qū)，貴州渦位于暖中心附近，沒有冷平流侵入影響，渦度方程的散度項和平流輸送對低渦發(fā)展貢獻顯著（圖7），表明貴州渦及其降雨的激發(fā)機制更多來自于局地地形對區(qū)域環(huán)流的動力影響。因此，從以上分析可看到：川渝盆地東南邊緣的盆地渦與云貴高原上的貴州渦的演變及其降雨的主要形成機制是有所不同的。

圖10 模擬的2014 年7 月16 日12 時（a）與18 時（b）700 hPa 假相當位溫（色階，單位：K）分布（黑色圓點表示盆地渦，黑色五角星表示貴州渦）Fig.10 Simulated 700 hPa pseudo-equivalent potential temperature（shaded，unit：K）at 12:00 UTC（a）and 18:00 UTC（b）16 July 2014（The black dot represents Basin Vortex and the black five-pointed star represents Guizhou Vortex）

6.3 貴州渦形成及其對降雨的影響

由圖7、10 可知，貴州西南部的貴州渦是在暖區(qū)內(nèi)由于渦度收支的散度項與平流輸送項共同影響而生成的，是一次暖區(qū)內(nèi)的低渦暴雨天氣。下面根據(jù)局地地形與低層風場的相互作用對其進行分析。圖11a 為云貴高原及周邊地區(qū)的海拔高度分布，貴州西部與云南北部一帶為橫斷山脈的延伸區(qū)域，在貴州形成了大致西高東低分布的地形基本特征，并存在不少向東（東南、偏南）的迎風坡局地地形，在與低緯度偏南、偏東氣流的相互作用下，極易產(chǎn)生氣旋式低壓擾動。因此，貴州渦的生成與這種特殊的地形影響密切相關。從貴州渦形成期間850 hPa 風場與經(jīng)向風零線分布（圖11b—e）可以看出，在貴州渦形成初期（圖11b），盆地渦位于貴州東北部邊緣與川渝盆地交接處，貴州中部以北主要受西北風影響，而以南均為一致的偏南（西南）氣流控制，尤其是貴州西南部，低緯度氣流只能沿區(qū)域地形從廣西西北部進入貴州，經(jīng)向風零線位于貴州中部一帶，零線附近存在風向輻合，但強度較弱。隨著盆地渦的發(fā)展加強和向東北移動（圖11c、d），來自盆地渦西側(cè)的偏東北氣流進入到貴州西部并向東南轉(zhuǎn)向移動，同時經(jīng)向風零線南壓至26°N 附近，沿地形進入貴州西部的偏南（西南）氣流加強，并向北繞流與貴州西北部的偏北（東北）氣流在貴州西部相遇，由此出現(xiàn)氣旋式流場，形成貴州渦。7 月16 日18 時（圖11e）貴州西部的北上西南氣流與南下東北氣流在本地強烈輻合，氣旋式擾動增強，貴州渦也增強發(fā)展。由以上分析可知，沿貴州西部地形繞流的偏南（西南）暖濕氣流通過渦度收支平流項為貴州渦提供了主要的正渦度場，而在貴州西部南、北兩側(cè)的偏南、偏北氣流形成的交匯為貴州渦提供了強烈的輻合流場，在局地地形與區(qū)域環(huán)流的相互作用下，由于輻合流場、正渦度平流的共同影響，導致了貴州渦及其強降雨的發(fā)生和加強。

圖11 （a）云貴高原及周邊海拔高度（色階，單位：m）和貴州渦出現(xiàn)位置（黑色五角星）以及（b—e）模擬的2014 年7 月16 日09—18 時（b.09 時，c.12 時，d.15 時，e.18 時）850 Pa 風場（矢量箭頭，單位：m/s）和經(jīng)向風零線（青色等值線）分布（綠色陰影表示海拔超過1500 m 的區(qū)域）Fig.11 （a）Topography of Yunnan-Guizhou Plateau and area nearby Guizhou（shaded，unit：m）and the original position of Guizhou Vortex（the black five-pointed star），and（b—e）the simulated 850 hPa wind field（vectors，unit:m/s）and the zero line of meridional wind（cyan contour）from 09：00 UTC to 18：00 UTC（b.09：00 UTC，c.12：00 UTC，d.15：00 UTC，e.18：00 UTC）16 July 2014（the green shaded area represents topography above 1500 m altitude）

續(xù)圖11Fig.11 Continued

7 結(jié)論與討論

利用西南區(qū)域數(shù)值模式系統(tǒng)模擬分析了2014 年7 月15 至17 日川渝盆地—云貴高原一次橫槽雙渦過程引發(fā)的區(qū)域強降雨天氣，由此解釋了在復雜下墊面和地形條件下，盆地渦與貴州渦這兩類低渦的物理特征、演變過程、主要成因和相互影響，以及伴隨暴雨過程的發(fā)生、發(fā)展，指出正是在低渦的直接作用下，貴州南部形成了區(qū)域性暴雨天氣過程。得到的主要結(jié)論如下：

（1）基于常規(guī)、天氣雷達、風云衛(wèi)星、加密探空等觀測資料的同化模擬，西南區(qū)域數(shù)值預報模式系統(tǒng)較好地再現(xiàn)了此次貴州暴雨天氣過程，基本能夠揭示其中小尺度細致特征，尤其是降雨的落區(qū)與強度，模擬與參照實況有很好的一致性；且對于盆地渦的演變過程、貴州渦的生成發(fā)展也與再分析資料基本一致。但是，貴州梵凈山、佛頂山、雷公山和云貴高原向湘桂丘陵過渡斜坡面等局地陡峭地形區(qū)的強降雨模擬還需進一步改進。

（2）盆地渦生成于貴州與重慶的交界處，低渦中心附近存在較強的垂直上升運動，隨著盆地渦的東移，垂直上升運動逐漸加強并伸展到對流層頂。在副高穩(wěn)定少動，橫槽南壓及其尾部流場南伸的條件下，貴州西南部（26°N，106°E）附近出現(xiàn)較強的上升氣流和正渦度中心，并發(fā)展增強，最終形成貴州渦。盆地渦發(fā)展階段，渦度方程的輻合輻散項貢獻最大，其次是平流輸送項；而貴州渦發(fā)生、發(fā)展時期，平流項和散度項具有同樣重要的作用。

（3）盆地渦的出現(xiàn)與區(qū)域大氣氣旋式旋轉(zhuǎn)程度形成與加強密切相關，由于橫槽南側(cè)的強氣旋式風場即OW 參數(shù)正值中心移至槽線頂部附近誘發(fā)生成，副高的穩(wěn)定維持導致盆地渦附近出現(xiàn)較強的負OW 參數(shù)區(qū)，有利于切變流場的增強維持，隨著副高東退，盆地渦中心正OW 參數(shù)中心再次加強，低渦也逐漸東移。而貴州渦的出現(xiàn)也與區(qū)域大氣氣旋式旋轉(zhuǎn)程度形成與加強緊密相關，因為貴州西南部正OW 參數(shù)中心的迅速增長及其氣旋式流場的形成，誘發(fā)其生成并在原地發(fā)展增強。

（4）盆地渦演變過程中，低緯度暖濕氣流、高緯度干冷氣流在貴州東北部和川渝盆地東南角的交匯為盆地渦的發(fā)生、發(fā)展提供了有利的熱力條件，并且，冷、暖氣流的交匯及其暖濕氣流上升引發(fā)了暴雨天氣。而貴州渦生成于貴州西南部的暖區(qū)內(nèi)，為暖性低渦系統(tǒng)，暖濕氣流與本地局地中小尺度地形的相互作用引發(fā)了貴州渦及其暴雨天氣。

（5）盆地渦在一定程度上為貴州渦的生成提供了有利的動力、熱力環(huán)境場，隨著盆地渦的發(fā)展東移，其西側(cè)的偏東北氣流進入貴州西部并轉(zhuǎn)向東南，與來自低緯度沿地形繞流的偏南（西南）暖濕氣流交匯，形成了局地強烈的氣旋式輻合造成貴州渦暴雨過程。川渝盆地與云貴高原交界處北低南高的陡峭地形、貴州省西高東低的橫斷山脈延伸區(qū)復雜地形及其與低層氣流的相互作用對這次盆地渦與貴州渦活動及其暴雨天氣的形成有重要影響。最后要強調(diào)的是，通過高分辨率數(shù)值模式開展對低渦等災害天氣系統(tǒng)的模擬研究，有助于揭示其中小尺度基本結(jié)構(gòu)特征、發(fā)生發(fā)展規(guī)律及其降雨演變成因，并可獲得對局地陡峭地形與區(qū)域氣流相互作用更深刻的認識，為多尺度復雜地形下的數(shù)值預報技術發(fā)展提供必要基礎，同時，在提高數(shù)值模式分辨率的基礎上，強化關于高原、高山、丘陵、盆地和平原及其之間過渡帶地形劇烈變化區(qū)及其作用的模式系統(tǒng)描述能力，有利于增強其對中小尺度天氣系統(tǒng)及其強降雨精細特征的模擬和預報水平。但是，以上只是一個初步的結(jié)果，關于青藏高原及其周邊復雜地形與大氣環(huán)流的多尺度相互作用，如何通過不同的動力、熱力過程，激發(fā)不同低渦的發(fā)生、發(fā)展，以及低渦之間的直接與間接影響，并最終引發(fā)強降雨天氣的具體細節(jié)及內(nèi)在原因還需要基于高時空分辨率的資料，繼續(xù)深入地開展動力分析和理論研究。