氣流輻合對高原低渦切變的影響

沈 雨 , 周筠珺 , 李國平

（1. 成都信息工程大學大氣科學學院, 成都 610225；2. 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210044；3. 湖北省十堰市氣象局，十堰 442000）

引言

青藏高原是世界上海拔最高、地形最為復雜的高原，被稱為“世界屋脊”。青藏高原有著它獨特的環(huán)流形勢與天氣條件，正是這種獨特的地理條件誘發(fā)了高原低渦以及高原切變線的生成。高原低渦以及切變線都是相伴或者相繼出現(xiàn)的，它們的發(fā)生、發(fā)展、東移都對青藏高原周邊及其下游東部地區(qū)的災害性天氣有著重要影響[1-6]。

高原切變線是指高原中東部風向或風速的不連續(xù)線，是風向或風速發(fā)生急劇改變而呈氣旋式旋轉(zhuǎn)的狹長氣流帶[7]。高原低渦是指在500 hPa 等壓面上高原地區(qū)形成閉合等高線的低壓或有3個站點風向呈氣旋式的低渦環(huán)流，水平尺度一般為500 km[8]。在對高原天氣系統(tǒng)的研究中，高原低渦與切變線常常是聯(lián)系在一起的，被當作一個整體來看待，研究者們也習慣將這樣的低值系統(tǒng)稱為“低渦切變”。高原低渦與切變線這兩種天氣系統(tǒng)的發(fā)生都伴隨有明顯的輻合現(xiàn)象。何光碧等[9]在對兩次青藏高原低渦東移進行診斷分析后，提出正渦度變率主要受輻合與輻散流場的影響，散度場對低渦的持續(xù)發(fā)展也有著很大的作用。屠妮妮等[10]通過分析個例，指出水平的輻合輻散在高原低渦的生成階段起了主要作用。李國平等[11]在對近30年夏季青藏高原低渦的氣候特征進行分析后，指出在高原低渦的高發(fā)年，低層大氣環(huán)流場表現(xiàn)出較強的水平輻合。羅雄等[12]的研究表明高原切變線上的輻合帶先于渦度帶減弱是切變線減弱的信號。何光碧和師銳[13]的研究也指出500 hPa 切變線之上為氣流的輻合運動。

綜上所述，高原低渦與切變線是青藏高原獨有的特殊天氣系統(tǒng)，既相互獨立，又相互作用，對我國青藏高原以及下游東部地區(qū)所發(fā)生的災害性天氣有著重要影響。但兩者之間如何作用的理論分歧較大[4-5]，物理機理仍不清楚[14]。但可以確定的是，氣流輻合在其過程中起了十分重要的作用。因此，進一步加強對高原低渦、高原切變線的研究是十分必要的。本文擬對青藏高原上一次切變線誘發(fā)低渦的天氣個例進行診斷分析，著重探討氣流輻合在高原低渦切變過程中所發(fā)揮的作用，希望能夠加深對高原低渦切變作用的認識，進而提升西南地區(qū)災害性天氣預報水平。

1 資料與方法

1.1 資料選取

選用時間分辨率為6 h、空間分辨率為1°×1°的ECMWF 再分析資料，對2015年6月12～15日（世界時，下同）青藏高原上的一次切變線誘發(fā)低渦的天氣個例進行診斷分析。從500 hPa 環(huán)流形勢（圖1）來看，歐亞大陸呈“兩槽一脊”的分布特征；烏拉爾山東側(cè)的淺槽逐漸加深發(fā)展并且東移，貝加爾湖地區(qū)也有一正在衰減的淺槽，中西伯利亞地區(qū)的脊隨著時間發(fā)展增強（圖1a）；青海地區(qū)有一淺脊，與風場上的反氣旋環(huán)流相對應，其西側(cè)的西南風與高原北部的東風在34°N 形成高原橫切變線（圖1b）；隨著青藏高原上槽的生成發(fā)展，青藏高原大部分地區(qū)都變?yōu)榱溯^強的西南風，切變線逐漸減弱消失，高原西北部有明顯的氣旋式環(huán)流，高原低渦逐漸生成（圖1c）；高原南部的西南氣流進一步發(fā)展東移，高原低渦也進一步的發(fā)展東移，在到達青藏高原中部時達到最強（圖1d）。為了研究的方便，將整個低渦切變過程分為3個階段：6月12日18 時～13日18 時為切變線生成階段（圖1a）；6月13日18 時～14日12 時為高原切變線減弱與低渦生成階段（圖1b 與圖1c）；6月14日12 時～15日06 時為高原低渦進一步東移發(fā)展階段（圖1d）。

1.2 研究方法

根據(jù)Dunkerton[15]和Tory[16]研究熱帶氣旋的成果，熱帶氣旋總是生成在一個正渦度區(qū)域，并且這個區(qū)域的氣流活動以旋轉(zhuǎn)為主，幾乎沒有變形。而高原低渦、西南低渦與熱帶氣旋有不少相似之處[17]，因此，在研究高原低渦切變時可以利用熱帶氣旋的研究成果。本文使用Okubo-Weiss（以下簡稱OW）參數(shù)來定量描述高原低渦切變過程中氣流的旋轉(zhuǎn)、切變形變與拉伸形變。該參數(shù)的計算公式如下：

2 低渦切變過程的診斷分析

2.1 低渦切變過程的Okubo-Weiss 參數(shù)特征

圖2 為2015年6月12～15日低渦切變線過程的500 hPa 相對渦度場和風場，而圖3 為此次低渦切變線過程的OW 參數(shù)演變特征。由圖可知，2015年6月12日18 時高原相對渦度正值區(qū)呈東西向的帶狀分布，并且有兩個大值中心區(qū)，分別位于西藏東部和青海南部（圖2a）；西藏中部地區(qū)的OW 參數(shù)為負值，其中心值超過了-10-8s-2，是高原切變線生成的區(qū)域（圖3a），這與李山山等[18]得出的結(jié)論一致；高原東部有一較強的低渦發(fā)展東移，低渦中心的OW 值超過了-10-8s-2，說明低渦將進一步的發(fā)展東移（圖3a）。6月13日18 時，相對渦度正值區(qū)同樣呈東西向的帶狀分布，高原東部的低渦減弱（圖2b）；高原中部的切變線已經(jīng)形成，高原切變線附近的OW 值很小，負值中心僅僅存在于切變線西側(cè)很小的區(qū)域，說明切變線附近氣流的拉伸活動和旋轉(zhuǎn)活動均減弱，切變線可能無法繼續(xù)維持（圖3b）。6月14日12 時，高原中部的切變線完全消失，原位置出現(xiàn)相對渦度大值區(qū)，其中心強度超過了10-4s-2（圖2c），與OW 大值中心區(qū)有著很好的對應關(guān)系（圖3c）；此時的低渦已經(jīng)完全成形，OW大值中心區(qū)氣流輻合現(xiàn)象明顯，有利于氣旋型渦旋的進一步發(fā)展，但在低渦北部，OW 仍存在負值中心，說明在低渦形成之后仍存在切變運動的氣流（圖3c）。6月15日06 時，相對渦度的兩個大值中心區(qū)分別位于高原中部和東部，低渦移動至西藏北部，強度達到最大（圖2d）；此時OW 仍存在大值中心，但中心極值明顯減小，且在周圍出現(xiàn)了兩個負大值區(qū)，說明低渦附近的部分氣流旋轉(zhuǎn)運動開始減弱，變形活動逐漸增強，低渦發(fā)展的勢頭減小但仍在繼續(xù)發(fā)展（圖3d）。從上述分析中發(fā)現(xiàn)，OW 正值強度與高原低渦強度呈正相關(guān)，OW 正值越大，低渦活動就越強，可以應用OW參數(shù)來診斷低渦未來的發(fā)展情況。

圖2 2015年6月12～15日500 hPa 相對渦度（填色，單位：10-5s-2）和風場（箭頭，單位：m·s-1）空間分布（a. 切變線生成前（12日18 時），b. 切變線階段（13日18 時），c. 切變線減弱且低渦生成階段（14日12 時），d. 低渦發(fā)展增強階段（15日06 時））

圖3 同圖2，但為OW 參數(shù)（填色，單位：10-9s-2）和風場（箭頭，單位：m·s-1）

綜上所述，可利用OW 參數(shù)對高原上氣流的切變活動、拉伸活動進行定量研究，并借此來判斷切變線的可能生成區(qū)域以及低渦生成之后的發(fā)展情況。當OW 值為負值時，氣流以變形為主，OW 負值帶可以很好地指示高原切變線的可能生成區(qū)；當OW 值近似為0 時，切變線變得不穩(wěn)定，趨于消失；OW 值為正值時，氣流以旋轉(zhuǎn)為主， OW 正值強度越大，低渦在之后進一步的發(fā)展程度也越強，用OW 正值可以指示高原低渦的后續(xù)發(fā)展情況。同時，也應當注意到氣流的輻合強度與OW 負值中心相關(guān)性不大，但是與OW 正值中心有著很好的對應關(guān)系，這表明氣流輻合在此次“低渦切變”過程中切變線生成階段發(fā)揮的作用不大，但在低渦生成以及低渦進一步發(fā)展過程中發(fā)揮了重要作用。

2.2 低渦切變過程氣流的變形作用

在高原低渦切變過程中，氣流往往做變形（拉伸和切變）或者旋轉(zhuǎn)運動。顯然，氣流做變形運動時更有利于切變線的生成和維持。在不同的低渦切變過程中，拉伸與切變作用也不盡相同。有的過程氣流以拉伸為主，有的過程則以切變?yōu)橹?，也有拉伸作用與切變作用相當?shù)臅r候。

(4)海南省經(jīng)濟發(fā)展和碳排放的效率分析。經(jīng)濟發(fā)展效率落后：近四年來，海南省碳排放的總效率在0.58～0.70之間，表明海南省經(jīng)濟發(fā)展近四年來全部處于DEA無效的狀態(tài)；規(guī)模效率落后：海南省規(guī)模效率值在0.58～0.70之間，表明海南省通過增加投入，提高規(guī)模效率，而且提升經(jīng)濟發(fā)展效率空間巨大；碳排放效率領(lǐng)先：海南省純技術(shù)效率值均等于1，碳排放的改進比率為0，表明海南省通過在全國碳市場啟動后，積極參與華南地區(qū)碳交易，提升碳排放效率和純技術(shù)效率的空間不大，即全國碳市場啟動后廣東省和海南省進行碳交易的空間不大。

本節(jié)通過拉伸與切變的變形項進一步分析氣流的旋轉(zhuǎn)與變形作用，發(fā)現(xiàn)氣流在此次切變線階段以拉伸變形為主，幾乎沒有切變變形（圖4）。在切變線生成階段（6月12日18 時），切變線生成位置有較強的拉伸形變（圖4a），有利于切變線的形成。在切變線發(fā)展到最強階段（6月13日18 時），拉伸大值中心也達到最強，中心強度超過了7 ×10-5s-2（圖4b）。在切變線減弱階段（6月14日00 時），拉伸大值區(qū)的面積雖然沒有減少，但是其中心強度已經(jīng)明顯減小，高原切變線進一步減弱（圖4c）。

圖4 2015年6月12～15日500 hPa 高原切變線上拉伸（a～c. 填色，單位：10-5s-2）、切變（d～f. 填色，單位：10-5s-2）和風場（箭頭，單位：m·s-1）空間分布（a、d. 切變線生成前（12日18 時），b、e. 切變線階段（13日18 時），c、f. 切變線減弱且低渦生成階段（14日00 時））

3 輻合影響低渦切變過程的動力學機制

根據(jù)劉式適等[19]等的研究，水平風場除了具有旋轉(zhuǎn)和膨脹的性質(zhì)之外，也具有變形的特點，其特點分別對應氣流運動的渦度、散度和總變形，并且這三者之間是互相關(guān)聯(lián)的。本節(jié)將由拉伸變形和切變變形方程推導出的總變形方程及渦度方程，對此次青藏高原上切變線減弱、高原低渦生成并發(fā)展增強的天氣過程進行診斷分析，重點分析散度項在方程中的貢獻，并以此來探討氣流輻合在低渦切變過程中所發(fā)揮的作用。

3.1 根據(jù)總變形方程對切變線階段的分析

定義總變形公式為：

式中：D為總變形項，E為拉伸變形項，F(xiàn)為切邊變形項，E、F表達式同1.2 節(jié)。

忽略摩擦作用的自由大氣水平運動方程組：

式中：? 為重力位勢，f為科里奧利力參數(shù)。

其中， σ為散度項，下同。

再將公式（3）對y求導且公式（4）對x求導，并將兩者的結(jié)果相加可得自由大氣水平切變方程：

最后把公式（6）乘以（F/D）且公式（5）乘以（E/D），并將所得的結(jié)果相加，即可得到自由大氣水平運動的總變形方程：

式中：方程左端為總變形局地變化項；方程右端1 式為總變形的平流項，2 式為總變形的散度項，3 式為β效應項，4 式為總變形的水平位勢梯度項。由于高原低渦與切變線均為 α中尺度系統(tǒng)，所以在具體討論時可以忽略 β效應項的影響[20]。而總變形平流項主要作用于系統(tǒng)的內(nèi)部，對系統(tǒng)外并沒有顯著的影響，因此在討論中也不考慮總變形平流項的影響。

通過對比散度項與拉伸變形項的表達式，不難看出，散度項與拉伸變形項中存在 ?v/?y項的符號相反。冉令坤等[21]在對臺風莫拉克渦度的擬能分析中指出，當該項為正并且隨著時間逐漸增大時，氣流散度也隨著時間增大，氣流拉伸變形則隨著時間減小。高原切變線上不但有氣流拉伸變形，而且也有氣流切變變形。由圖4 可知，拉伸變形和切變變形的值既可以是正數(shù)，也可以是負數(shù)。這就意味著拉伸形變和切變形變的數(shù)值大小并不能完全地體現(xiàn)變形程度的強弱。而總變形項是這兩項的平方和再開方，其數(shù)值大小可以很好地反映氣流具體的變形程度。

圖5、圖6 和圖7 分別給出了此次低渦切變過程中總變形局地變化項、散度項和水平位勢梯度項的演變特征。如圖所示，總變形局地變化項大值區(qū)的位置以及其移動方向與高原切變線的位置以及移動有著很好的對應關(guān)系，這也與高守亭等[22]對華北暴雨的診斷分析所得出的結(jié)論一致。6月13日00 時，高原大部分地區(qū)的散度都很?。▓D略）。此時，高原中部總形變局地變化項的值有正有負，負值區(qū)主要集中在高原中西部且面積很小，正值區(qū)則呈帶狀分布且等值線十分密集，大值中心區(qū)的強度超過了4×10-9s-2，說明氣流在這個位置所做的變形運動的強度將進一步地增加，有利于高原切變線的生成。水平位勢梯度項的大值中心區(qū)（圖7a）與變形場大值中心區(qū)幾乎一致，這表明此時水平位勢梯度項對總變形的影響最大，散度項幾乎沒有影響。6月13日12 時，已有較弱的高原切變線生成。此時，總變形局地變化項的大值區(qū)東移至西藏與青海的交界處（圖5b），有利于該地氣流變形運動的繼續(xù)增強；散度的中心強度增加至-4×10-5s-2以上，散度項（圖6b）中水平位勢梯度的強度減小，但總變形局地變化項仍為正，有利于變形的發(fā)生；水平位勢梯度項與散度項的作用相當。6月13日18 時，總變形大值區(qū)增強并且略微東移，高原切變線已經(jīng)完全生成；散度的中心強度進一步增強至-6×10-5s-2，散度項也隨之增至最強（圖6c）；散度項中心大值區(qū)域與高原切變線的位置幾乎一致，散度項對總變形的影響最大，高原切變線將進一步的增強。6月14日06 時（圖5d），總變形局地變化項的大值中心隨著高原切變線進一步東移，并且開始減弱；散度中心強度降至-2×10-5s-2以下，散度項對總變形局地變化項幾乎沒有影響；水平位勢梯度項對總局地變化項的影響最大。

圖5 2015年6月12～14日500 hPa 切變線階段總變形局地變化項的演變特征（a. 12日18 時，b. 13日12 時，c. 13日18 時，d. 14日06 時，單位：10-9s-2）

圖6 同圖5，但為散度項

圖7 2015年6月14～15日500 hPa 切變線階段水平位勢梯度項的演變特征（a. 14日12 時，b. 14日18 時， c. 15日06 時，單位：10-9s-2）

綜上所述，總變形局地變化項的正大值區(qū)對高原切變線的生成區(qū)域以及移動趨勢有著很好的指示作用。散度項由零轉(zhuǎn)正，在切變線的生成階段以及增強階段起了決定性的作用，很好地對應了負散度中心強度的增加，這也意味著氣流輻合的增強是高原切變線生成及增強的重要條件。

3.2 根據(jù)渦度方程對低渦階段的分析

將公式（4）對x求導且公式（6）對y求導，并將所得結(jié)果相減可得自由大氣水平渦度方程：

式中：方程左端為渦度局地變化項，右端1 式為渦度水平平流項，2 式為 β效應項，3 式為散度項。根據(jù)何光碧等[9]對高原低渦東移的研究結(jié)果，基于渦度方程對氣旋性渦旋過程進行診斷分析是合理的。與總變形方程相同，在下文分析中忽略渦度水平平流項以及β效應項的影響。

如圖6 所示，散度項的大值中心能夠很好地指示高原低渦的生成區(qū)域以及其移動的方向。6月14日12 時，散度項正大值區(qū)分布在高原低渦生成區(qū)以及生成區(qū)的前方，有利于高原低渦進一步的東移發(fā)展。此時的高原低渦剛剛成形，散度是影響散度項大小的重要因素。6月14日18 時，散度項正大值區(qū)隨著高原低渦一并東移，散度項大值區(qū)中心強度也有了明顯的提升，這表明低渦將繼續(xù)發(fā)展東移；散度中心強度提升至-6×10-5s-2，而在經(jīng)歷了一段時間發(fā)展過后的渦度強度也有了顯著的提升，強度數(shù)值遠遠高于散度；此時渦度對散度項的影響最強。6月15日06 時，散度強度降至-4×10-5s-2，低渦中心與散度項大值區(qū)移至西藏與青海的交界處，散度項大值區(qū)的強度減弱。而氣旋的渦度在此之前一直都呈現(xiàn)上升的趨勢，說明散度的減弱遏制了散度項進一步增大的趨勢，也抑制了低渦的東移發(fā)展。

綜上所述，水平渦度方程的散度項能夠很好地指示高原低渦的生成位置以及生成后的移動路徑。由自由大氣水平渦度方程可知，在高原低渦形成初期，散度項的強度主要受散度影響，這意味著氣流輻合在低渦形成中期起了很大的作用。在高原低渦形成后，隨著渦度的進一步增加，渦度對散度項的貢獻比散度更大。高原低渦在移動過程中，散度項受氣流輻合減弱的影響比起生成時有了明顯的下降，這表示氣流輻合的減弱會影響高原低渦的進一步東移發(fā)展。

4 結(jié)論與討論

本文選用ERA-interim 再分析資料，通過計算OW參數(shù)，診斷分析了青藏高原上一次切變線誘發(fā)低渦生成的天氣過程，得到如下主要結(jié)論：

（1）當OW 值為負值時，氣流以變形為主，OW 負值帶可以很好地指示高原切變線的可能生成區(qū)；OW值趨于0 時，切變線變得不穩(wěn)定并逐漸減弱；當OW值為正值時，氣流以旋轉(zhuǎn)為主，OW 的正值越大，低渦發(fā)展程度也越強，OW 正值大小可以指示高原低渦的強度，氣流輻合區(qū)域與OW 大正值區(qū)有很好的對應關(guān)系。

（2）此次天氣過程切變線以拉伸變形為主。切變線生成階段，切變線生成位置氣流存在較強的拉伸變形作用；切變線成熟階段，切變線附近的氣流拉伸變形運動達到最強；切變線減弱階段，氣流拉伸變形運動減弱。

（3）總變形局地變化項的大正值區(qū)對高原切變線的生成區(qū)域以及移動趨勢有著很好的指示作用。散度項由零轉(zhuǎn)正，在切變線的生成階段以及增強階段起了決定性的作用，說明氣流輻合的增強是高原切變線生成及增強的重要條件。水平渦度方程的散度項能夠很好地指示高原低渦的生成位置以及生成后的移動路徑，氣流輻合在高原低渦形成的初期起主要作用，輻合強度的減弱會抑制高原低渦進一步的東移發(fā)展。本文主要研究了高原上一次切變線減弱、高原低渦生成的天氣過程，并重點分析了氣流輻合在其中的作用。但需要注意的是，在討論動力學機制時采用的動力學方程組均只考慮了氣流的水平運動，而事實上氣流的垂直運動也對低渦切變過程有著很重要的影響，將在后續(xù)的研究中進行有針對性的探討。