引发暴雨的西南低涡特征分析.doc

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1、康岚，郝丽萍，牛俊丽引发暴雨的西南低涡特征分析高原气象，（）：引发暴雨的西南低涡特征分析康岚， 郝丽萍， 牛俊丽（四川省气象台，四川 成都）摘 要：利用 再分析资料、逐时卫星云图资料和自动站资料，分析了与 次暴雨过程密切相关的中尺度系统西南低涡。 结果表明，引发暴雨的西南低涡相对于环境场是湿涡，南边 界 是 主 要 水 汽输送方向。 在西南低涡形成阶段，整层均为正涡 度，一般维持深厚的上升气流，具有较为深厚的暖 心结构。 在其发展旺盛阶段，正涡度呈上升趋势，对流层中低层转为冷心结构，中高层则以暖心结构 为主。 当西南低涡在原地反复生消或长时间维续，高低层低涡中心位置趋于垂直且移速 缓 慢 时，

2、对 流 单体通常独立于上游斜压系统发展成中尺度对流辐合体或接近于中尺度对流辐合体的中尺度对流云团 系统；当低涡中心移动较快时，对流单体发展不旺盛，通常并入上游斜压云系且向东移。关键词：西南低涡；暴雨；中尺度对流辐合体文章编号：（）中图分类号：文献标识码：物理机制。 然 而，由 于 观 测 资 料 的 时 空 密 度 不 足，引言西南低 涡 是 一 个 具 有 明 显 地域特色的天气系 统，是指青 藏 高 原 特殊地 形与 大气环流相互作用 下，形成于我国西南地区（或）上具 有气旋环流的 中 尺 度 闭 合 低 压 系 统，尺 度 为。过去发生在四川盆地的许多重大 暴雨天气过程都与西南低涡的产生

3、和发展有着直接 的关 系，不 仅 如 此，其 发 展 东 移 还 会 影 响 到我国东部的长江流域，在一定天气条 件 下，西 南低 涡也会移动到华北、东 北、华 南 和 台 湾 海 峡， 导致大风暴雨天气的发生。 陶诗言等指出，西南 低涡是造成中国夏半年暴雨的主要原因之一。在我 国天气预报中，就其所引起的暴雨天气的强度、频 数 和 范 围 而 言，可以说仅次于 台 风及其残留低 压。长期以 来，气 象 学 者 对 西 南 低 涡 进 行 了 大 量的研究，获 得 了 一 些 研 究 成 果。 陈 忠 明 等研 究了西南低涡活动与暴雨的关系，认为西南低涡的 发生、发展导致了低涡东部气流辐合和非平

4、衡性增 强；成熟阶段的西南低涡在流场和高度场表现为贯 穿对流层的中尺度气旋和低压。 程麟生等指出， 高、低空气旋性涡度中心在四川盆地附近上空的叠 加和耦合是西南涡在成熟阶段强烈发展的一种主要对西南低涡的有些问题缺乏清楚的认识，因而很有必要做深入的研究。本文利用逐时卫星云图、自动 站资料和 再分析资料，围绕 次西南 低涡暴雨个例的不同强度、范围、持续时间及影响 系统，研究了不同西南低涡个例的共性特征及其存 在的差异，并将低涡特征和降水强弱演变趋势相联 系，以期为这类暴雨预报提供参考依据。个例简介年月日晚上日（简称“”过程）、日（简 称“”过 程）、 日 晚 上 日 （简称“”过程）、 日（简称“

5、”过程），四川盆地接连发生了次强降水天气过程，造成了比 较严重的洪涝灾害， 次过程概况如表 所示。 从 表中可以看出，这次过程虽然高空影响系统不同，但都与西南低涡的发生、发展密切相关，西南低涡是这几次过程中很重要的中尺度系统。就降水 特点而言，“”和“”过程属于 持 续 性 暴 雨 天 气过程，暴雨落区几乎覆盖了整个四川盆地，降水 过程都是从盆地西部开始，逐渐东移，最后停滞在 盆地 中 部 到 东 北 部 ， 主要 特点是降水时间长 ， 雨 量 大 ， 强 降 水 范 围 集 中 ， “”过程的总雨量比 收稿日期：；改回日期：基金项目： 系统引进与西南低涡研究项目；西南区域气象中心区域重大科研

6、业务项目“西南低涡诱发川渝暴雨天气机理分析研 究”；国家自然科学基金项目“云贵高原东段初夏暴雨的发展和维持”（）共同资助作者简介：康岚（），女，四川达州人，高工，主要从事天气预报及相关研究工作：表 个过程概况个例环流形势降水情况降水时间降水位置巴尔喀什湖低槽分裂小槽东移和高原波动结合，配合西南低涡产生降水 个市 个县降暴雨， 个县降大暴雨，最大累计雨量 由西到东，强降水集中在盆地中部到东北部“”过程江淮切变尾部和西南低涡叠加产生降水 个市 个县降暴雨， 个县降大暴雨，最大累计雨量 “”过程盆地南部 个市 个县降暴雨， 个县降大暴雨，最大累计雨量 由西到东，强降水集中在盆地中部到东北部“”过程

7、高原涡和西南涡耦合产生降水巴尔喀什湖低槽推动河套低槽东移，配合西南低涡产生降水 个市 个县降暴雨， 个县降大暴雨，最大累计雨量 由西到东，强降水集中在盆地西部“”过程“”过程的更大一些。“”过程属于移动性暴雨过程，暴 雨 落 区 虽然也 覆盖 了盆地的大部分地 方，但降 水 时 间 相 对 较 短，过 程 雨 量 相 对 较 弱。 “”过程则属于小范围的 强 降 水 天 气 过 程，强 降 水落区集中在盆地南部，降水强度大、范围小及时 间集中。向传播。“”过程，西南低涡也是先在对流层低层 产 生，然 后 中 心 向 上 传 播，由 于上有高原涡东移，与西南涡耦合，耦合 后 的低涡中心到达，各层

8、低涡中心近于垂直叠加，显得非常深厚，并且持续了相当长的时间，位置少动，内低涡中心在 个经纬距范 围内摆动。“”过程，西南低涡同样先在对流层 低层产生，然后中心向上传播，最高 到达 ，存在于对流层中低层，中心随高 度 略向北倾斜。低涡中心总体向东北方向移动，且移 动速度快，内移动了个经纬距。 次 过 程 中，西南低涡均是先在对流层 低 层生成，然后中心向上传播，但是中心 传播的高度、方向、速度，以及高低层中心的倾斜 度各不相同。仅西南低涡发展，低涡中心最高只伸 展到 ，但与高原涡耦合后，低涡中心可 以 伸展到。持续性暴雨过程具有低涡在原地 反复生消和低涡深厚、长时间维持的特点，小范围 强降水过程

9、具有各层低涡中心倾斜度小、移动速度 慢的特点，而移动性暴雨过程则表现为低涡中心移 速快。西南低涡特征分析西南低涡垂直分布特征由于这次过程都与西南低涡密切相关，那么每一次过程西南低涡首先在哪一层出现？持续时间和伸展情 况 如 何？ 下 面 根 据 资 料 每 一 层 的 流场图，列出了各时次低 涡 出 现的位置和层次 （表，以过程期间或首先出现闭合性 气旋环流为起始时刻，如果整层都没有闭合性气旋 环流，则不列出）。表 为 次 过 程 各 时 刻 各层次低涡中 心 的位 置。从表中可以看出，“”过 程 期 间 有 两 个 西 南低涡生 消，第 一 个 低 涡 生 成 于 月 日 ：， 维持到月 日

10、 ：；第 二 个 低 涡 生 成 于 月 日：，维持到 月 日 ：。 两个 低 涡 都 是 先在对流层低 层 产 生，然 后 中 心 向 上传播到，低涡中心随高度向北倾斜。 两 个低涡几乎是在相同的位置生消，而且伸展高度比 较低，只到达层。“”过程，西南低涡也 是先在对流层 低 层 产 生，然 后 中 心 向上传播到。从低涡中心位置演变可以看 出，低涡开始发展时，在以下层倾斜度很 小，低涡中心近于垂直叠加；以上层，低涡 中心明显向西倾斜。随着时间推移，高层低涡中心 和低层低涡中心位置趋于一致，中心逐渐向西南方西南低涡动力结构特征上述分析表明，不同的西南低涡其垂直分布特 征各不相同。下面以或开始

11、出现 闭合环流代表低涡生成阶段，以低涡伸展高度达到 最高代表低涡发展旺盛阶段进行分析。由于西南低涡水平尺度约为， 以 低涡中心个经纬距为西南低涡区域（以下分析 西南低涡范围 相 同），以区域范围内平均涡度、垂 直速度（图）来考察西南低涡的动力结构特征。 从 图中 可 以 看 出 ，次 过 程 涡 度 特 征 表 现 为 从 低 层 期康 岚等：引发暴雨的西南低涡特征分析表 次过程各时刻各层次低涡中心的位置层次日期（日时）个例“”过程：，“”过程：，“”过程：，“”过程：，注：数值为经度，纬度图 西南低涡生成阶段（、）、旺盛阶段（、）平均涡度（单位：）和垂直速度廓线（单位：）（），（）“”过程，

12、（），（）“”过程，（），（）“”过程，（），（）“”过程 （： ）（：）（，）（，）（），（），（），（），（），（），（），（）到高层整层均为正涡度，“”过 程 旺 盛 阶 段 和 生成阶段，平均涡度基本相同，其余过程都表现为旺 盛阶段，平均涡度明显上升。 垂直速度特征表现为 生成阶段，以上升气流为主，发展旺盛阶段中各过 程的表现并不一致，“”和“”过程表现为上升 和下沉气流并存，“”和“”过程则表现为上 升运动明显加强。从次过程对比来看，生成阶段 的动力特征比较一致，而旺盛阶段的特征出现了一 些差异，这可能是资料时间分辨率不够高，所选取 的时段不能完全代表低涡发展的同一阶段。“” 过程从

13、生成阶段到旺盛阶段，涡度和上升运动发展 最为明显，但对应的降水却相对弱一些。 其主要原 因是由于低涡移动速度较快，表明动力条件的强弱 并不是降水强弱的决定因素，低涡在相同的位置反 复发生或停滞时间长，有利于强降水的发生。图是次过程西南低涡生成阶段、发展旺盛阶段温度 平 均 距 平 图。 从 图 中 可 看 出，“”、“”两次持续性暴雨过程的西南涡生成阶段，温度的垂直结构比较类似，在以下，除“”过程低层比较浅薄的层次外，相对周围环境是正距平，具有深厚 的 暖 心 结 构；小 范 围 强 降 水 “”过 程和移动性“”过程则表现为以下层为 冷心结构，以上层以暖心结构为主，暖心厚度相对 要浅薄一些。

14、在低涡发展旺盛阶段，均表现为对流 层中低层为冷心结构，中高层以暖心结构为主，只 是冷心的厚度各不相同。 小范围强降水“”过程 冷心厚度 比 开 始 时 刻 浅 薄，其余均比开始时刻深 厚，尤 以 “”过 程 最 为 深 厚，几 乎 伸 展 到 ，且冷心最 强，与该时段以后 减 弱 的 降 水 相 联系。西南涡中高层的暖心结构可能是暴雨发生后，西南低涡湿热场特征下面以， 范围代表环境 温度场，分别作 每 次 过 程 西 南 低 涡 开 始 生 成 阶 段、 发展最旺盛阶段的温度平均与环境场差值沿高度变 化图进行分析。大尺度上升运动将对流降水释放的凝结潜热向上输送，有利于暖心结构的形成和维持，与东

15、北冷涡等 冷心结构系 统 有 明 显 不 同。 中 高 层 暖 心 结 构 遭 到破坏，从一个侧面反映了对流降水释放的凝结潜 期康岚等：引发暴雨的西南低涡特征分析图 次过程西南低涡两个阶段温度平均距平（）“”过程，（）“”过程，（）“”过程，（）“”过程 （），（），（），（）热减弱或是大尺度上升运动减弱，预示降水趋于减弱。由次过程西南涡生成阶段和发展旺盛阶段平 均相对湿度廓线图（图略）可看出，从低涡生成阶段 到发展旺盛阶段，以下层相对湿度基本维 持在以上，最高达到左右，在层 以上才逐渐 减 小。 由 于 气 团 的 相 对 湿 度 达 到 时就达到 了 饱 和 状 态，只 需 具 备 不 稳

16、 定 层 结 或 者触发机制就容易产生降水。西南涡深厚的湿层为 降水发生提供了良好的水汽条件。 另外，从每次过 程西南低涡开始生成阶段、发展旺盛阶段的平均相 对湿度和环境场相对湿度差值沿高度变化图（图略）可以看出，在 以下层， 次过程不同阶 段相对于环境场都是湿的，有些过程则整层相对环境 场都是 湿 的，差异大值区一般位于 之间，说明水汽的输送主要集中在对流层中层。西南低涡从生成到发展旺盛阶段始终保持着高 于环境场的相对湿度，同时又不断有降水产生。 那 么，一定有水汽不断向低涡内部汇集，提供降水所需的水汽。下面着重分析低涡各方向的水汽收支，确定低涡的主要水汽来源。总水汽收支公式为 ，其中： ，

17、（），、 分 别 代 表 西 边 界、东 边 界、南边界和北边界水汽收支情况。图是次过程西南低涡生成阶段各个边界水 汽输送情况。假定边界上格点的水汽通量合计值代 表各边界流入或流出值，从图 中可看出，低涡的 水汽主要从南界流入，东界流出，北界和西界既有 流入又有流出。水汽的流入、流出多数集中在 以下层，最大值一般出现在。“”持 续性暴雨过程和“”小范围强降水过程南界流入最大值可达，东界流出最 大 值 为 左 右，“”和“”过程水汽流入、流出值均比前两个过程小。从次过程西南低涡发展旺盛阶段各边界 水汽输送情况（图略）可以看出，水汽输送的基本特 征和生成阶段是一致的，“”、“”、“”过 程南边界

18、输 入、东 边界输出值比前一阶段明显减 少，而“”持续性暴雨过程则是输入、输出量明 显增加，数值和前两个过程生成阶段数值相近。 这 可能是高原涡和西南涡耦合个例与西南低涡发展个 例水汽输送的特征不同。虽然“”过程初始阶段 水汽输送不是特别旺盛，但其后水汽输送呈增加趋图 西南低涡生成阶段各个边界水汽收支其余说明同图 期康 岚等：引发暴雨的西南低涡特征分析图 两个代表站逐时雨量和 时间序列（）金家站，（）龙市站 （），（）势，是该暴雨过程得以持续的主要原因。 从 次过程东西、南北方向及总水汽收支图（图略）中可以看 出，南北方向主要是水汽收入，东西方向主要是水 汽输 出，只 是 在 近 地 层 有

19、少 量 的 水 汽 输 入，输 入、 输出的最大值大致位于 ，水汽净收入位于以下层，最大值基本出现在底层，以上 层呈递减趋势。西南低涡云系与降水特征从次过程自动站逐时降水量图（图略）中可以 看出，降水大多数先是从、个降雨点开始，之后 以滚雪球方式迅猛发展，达到暴雨过程。 图是暴雨中心两个代表站逐时雨量与代表站附近图 “”（上）和“”（下）过程逐时雨量（等值线间隔为，单位：）、（阴影区，单位：）和流线叠加（） 日：，（） 日：，（） 日：，（） 日：，（） 日：，（） 日：，（） 日：，（） 日： （：，：）， （，：） （） （）（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：

20、范围内平均 值时间序列图。从图中可看到，在暴雨中心逐时降水量可超过 ，在这期 间降雨强度有明显阵性变化，有时很强，有时又较 弱。在时 间 分 布 上，降 水 是 不 连 续 的，具 有 间 歇 性；在 空 间 分 布 上，降 水 雨 带 有 多 个 强 降 水 中 心， 时间和空间上具有明显的中尺度特征。从逐时雨量 和 的关系来看，逐时雨量波峰基本和 波 峰相对应，但 低 值 却 不 代 表 一 定 会 出 现 强 降 水。将 次过程自动站逐时雨量和低涡生成、持续 时间作比较：“”过程，低涡生 成 于 日 ：， 但在：四川盆地已经出现站以 上的降水，低涡于 日： 消亡，消亡后四川盆 地仍然有成

21、片 以上的降水并且维持了左右。“”过程，四川盆地日：开始出 现站 以上的降水，低涡生成时间落 后于强降水开始时间 ，降水在： 以后基本 结束，低涡维持到 日： 消亡。“”过程，站 以上降水出现时间比低涡出现时 间提前，日：以后，四川盆地降水以小 雨为主，基本没有 以上的降水，而 低 涡则维持 到 日 ：。 “”过 程，出 现 成 片 以上的降水时间较低涡出现时间提前 了大约，结束时间和低涡同步。上述分析表明，较强降水释放的凝结潜热有利 于西南低涡的形成，强降水结束时间和西南低涡消 亡时间并不一定同步。图 是 逐 时 雨 量、 与 流 线 叠 加 图。从图中可以看出，“”过 程 在 西 南 低

22、涡 生 成前（图），上游斜压系统云系前方有对流单 体在低涡 西 南 部 生 成，并 伴有小范围的对流性降 水，最强降水量达 以上，配合合适 的 环境场，两个对流单体在辐合、上升运动强的地方 合并发展； 日：（图），对流单体已发展成 比较 强 盛 的 中尺 度对流云团系统 （下 称 ）， 位于倒槽内，降水集中位于 低 值中心附近靠近梯度大的一侧；：， 已发 展达到中尺度对流辐合体 （下称 ）标准，形状 近似椭 圆， 中 心 值 ，最 强 逐 时 降 雨 量达 以上；：（图 ）， 范 围进一步扩 大， 发 展 达 到 最 强，中 心 附 近 仍 维持一片 以上的强降水区。日：（图）在西南低涡形成时

23、， 范围扩大，低于 的范围明显变窄，云团结构显 得 松 散 一 些，雨强 和云团强度均 呈 减弱趋势。“”、“”过程（图略）和“”过程比较一致，对流单体先在低涡西南侧生成、发展，云团在西南低涡生成前已经发展的比较强盛，均达到 生 成阶段的标准，在西南低涡形成时，雨强和云团强 度趋于减弱。“”（图 ）和“”过 程 在 云 团发展阶段略有差别，云团在西南低涡生成前仅仅 发展 成 了 ，然 后 并 入 主 体 云 系 且 向 东 移。 进 一步比较逐时卫星云图和低涡中心位置（表），可以看出，“”过 程 有 两 个 西 南 低涡在原地生消，位置 接 近 重 合，刚 好 和 两 个 的 生 消 相 对

24、应。“”和“”过程上下层低涡中 心 接 近 垂 直，西南 低 涡 移 动 缓 慢， 对流单体也发展成 。“”过程与其余 个过程有所不同，低涡只伸展到，中心位置移动较快，仅仅发展成了 块 状的 ，并入从上游移入盆地的斜压云系中，并 且随着系统云系东移而东移。 由此可见，不同空间 结构的西南 低 涡 可 产 生 像 罗 可 生提 到 的 形 状 近 似椭圆的对流云团和形状为带状或块状的对流云系 两种。结论通过从多个角度分析引发不同特点暴雨过程的 西南低涡特征，得到以下结论：（） 西南低涡首先在生成，然后中心向 上 传 播，中 心 传 播 的 高 度、方 向、速 度，以及高低层中心的倾斜度各不相同。

25、持续性暴雨过程具有低涡在原地反复生消和低涡深厚、长时间维 持的特点，小范围强降水过程具有各层低涡中心倾 斜度小、移动速度慢的特点，而移动性暴雨过程则 表现为低涡中心移速快。在西南低涡形成阶段，整层均为正涡度，（）一般维持深厚的上升气流，并且具有较为深厚的暖心结构。在其 发 展 旺 盛 阶 段，正 涡 度 呈 上 升 趋 势，对流层中低层转为冷心结构，中高层则以暖心结构为主。西南低涡的冷心过于深厚预示强降水趋于结 束。引发暴雨的西南低涡相对于环境场是湿（）涡，南边界是其主要水汽输送方向。 水汽输送值的大小及其变化趋势是判断暴雨持续时间和强度的关 键因素之一。对流单体通常在低涡西南侧生成、发展，（

26、）云团在低涡生成前已经发展的比较强盛。当西南低涡在原地反复生消或长时间维持，高低层低涡中心 期康 岚等：引发暴雨的西南低涡特征分析位置趋于垂直且移速缓慢时，对流单体通常独立于的分析 与 数 值 模 拟 高 原 气 象，（）： 陈忠明，徐茂良，闵文彬，等 年夏季西南低涡活动与长 江上游暴雨高原气象，（）： 陶诗言中国之暴雨北京：科学出版社，：王作述，汪迎辉，梁益国一次西南低涡暴雨的数值试验研究暴雨科学、业务试验和天气动力理论的研究北京：气 象出版社，：陈忠明，缪强，闵文彬一次强烈发展西南低涡的中尺度结构 分析应用气象学报，（）：程麟生，郭英华“”四川暴雨期西南涡生成和发展的涡 源诊断大气科学，（

27、）：乔枫雪，孙建华，赵思雄一次引发暴雨的东北低涡的涡度和 水汽收支分 析 气 候 与 环 境 研 究，（）：柳俊杰梅雨锋中的低涡结构及发展机制分析南 京：南 京信息工程大学，罗可生四盆地暴雨天气过程形成的物理机制分析 四 川 气象，：上游 斜 压 系 统 发 展 成 或 接 近 于 的。当低涡中心移动较快时，对流单体不会旺盛发展，通常并入上游斜压云系且向东移。参考文献 卢敬华西南低涡概论北京：气象出版社， 李国平青藏高原动力气象学（第二版）北京：气象出版 社，： 陈忠明，闵文彬，缪强，等高原涡与西南涡耦合作用的个例 诊断高原气象，（）： 邹波，陈忠明一次西南低涡发生发展的中尺度诊断 高 原气象，（）： 赵思雄，孙建华，陈红，等 年 月长江流域特大洪水期 间暴雨特征的分 析 研 究 气 候 与 环 境 研 究，（）： 陈忠明，闵 文 彬，崔 春 光西南低涡研究的 一 些 新 进 展 高原气象，（增刊）： 何光碧，陈静，李川，等低涡与急流对“”川东暴雨影响 ， ， （，）：， ：（） ， ， ， ， ，（） ， ， ， ：；