移动型与源地生消型西南涡的气候特征

宋 娜 , 冯鑫媛

（成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室，成都 610225）

引言

西南涡是青藏高原东侧特殊地形与大气环流相互作用下在我国西南地区形成的具有气旋式环流的α中尺度涡旋，一般出现在对流层中低层700hPa与850hPa，水平直径约为300～500km。就西南涡发生的频数、造成的灾害影响程度以及所波及的范围而言，西南涡是我国仅次于台风及其残余低压，重要性排名第二的灾害性天气系统[1]，许多我国历史上罕见的特大洪涝灾害都与西南涡的活动密切相关。部分西南涡在有利的大气环流形势的配合下移出源地，向东北、南和偏东方向移动，偏东方向移动的西南涡多数沿长江流域东移入海，东北方向移动西南涡则主要经由陕西省、河南省向华北地区移动，东南方向移动的西南涡向贵州、江西和福建方向移动[2]。因此西南涡不仅是西南地区的主要影响天气系统，还会对长江中下游、华北、华东地区的天气造成影响。研究西南涡相关科学问题有利于了解西南涡发生发展的规律，进而提高西南涡源地及其下游地区灾害性天气的预警预报水平。

20世纪40年代前后气象学家们就开始了对西南涡的研究。陈忠明等[3]利用1983～1992年10年的逐日资料统计了西南涡的活动特征，提出西南涡具有明显的年变化和季节变化，西南涡主要在夏季生成，春秋次之，冬季最少，夜间生成个数多于日间，西南涡主要有九龙、四川盆地和小金三个集中源地。谌贵珣等[4]使用了2000～2007年08时、20时的观测数据分析了西南涡活动的统计事实，显示西南涡冬季生成个数最多，夏季最少，主要源地为九龙以及四川盆地。Feng等[5]使用1979～2010年CFSR再分析资料对西南涡进行统计分析发现，西南涡生成的高峰期为5月，主要源地为九龙与四川盆地。由于研究时段、西南涡定义、使用数据的差异，导致各研究结果有所不同。

目前对于西南涡的研究主要集中在时空分布特征方面，或根据西南涡的降水情况将西南涡分为降水型和无明显降水型两类分别进行气候特征统计。然而，源地生消型西南涡和移动型西南涡的时空分布以及降水等特征方面可能存在较大差异。个例分析表明，移出源地的西南涡的强度较大，生命史长，容易造成暴雨等灾害性天气[6−7]。同时它们影响范围广，不仅对源地的降水天气，也会对源区下游地区造成严重影响，往往引发下游地区（江淮流域、华北、东北地区）大范围的暴雨等灾害天气[6,8−9]。例如1998年6～8月的长江流域特大暴雨事件就与移动型西南涡活动密切相关[10]。因此，将西南涡分为源地生消型和移动型，建立两类西南涡数据库，分别进行气候特征的统计分析，这一基础性工作有利于进一步研究移动型西南涡与源地生消型西南涡在形成、结构特征、发展移动机制、与其他天气系统的相互作用等方面的差异。

本文利用2010～2019年10年的ERA5再分析数据和TMPA V7的降水数据，对两类西南涡的年、季、月、日变化，涡源分布，生命史，移动特征与降水特征进行统计分析，从而得到近10年来两类西南涡的活动规律，为后续对两类西南涡的进一步研究提供科学支撑。

1 资料与方法

1.1 数据

本文选取了2010～2019年世界时00时、03时、06时、09时、12时、15时、18时、21时700hPa ERA5再分析数据的位势高度场和相对涡度场，空间分辨率为0.25°×0.25°；同一时段的TMPA V7逐3h平均降水率数据。

ERA5全球再分析资料是ECMWF推出在ERAinterim的基础上打造的最新一代再分析资料，相较于其前身ERA-interim，ERA5时空分辨率实现了大幅提升，ERA5提供从地表开始降至0.01hPa共137层的逐小时数据，且由于将更多的历史观测数据，尤其是卫星数据应用到其先进的数据同化和模式系统中，可以更精确的描述大气状态[11]。Bao等[12-13]指出再分析资料由于同化了大量卫星资料，在缺乏观测的高原地区较为准确，在高原区域的研究中起到了重要作用。近年来，已经有部分基于ERA5的西南涡研究取得了成果[14]。

TMPA V7降水数据是结合多源卫星观测数据和站点观测数据而反演得到的逐3h降水数据，该数据起始于1998年1月，覆盖了50°N～50°S的区域，空间分 辨 率0.25°×0.25°[15]。韩 林 君 等[16]选 取 了2008～2009年33个引起降水的西南涡对TMPA V7降水数据进行了质量检验，将其数据与MICAPS站点降水数据进行相关系数的计算，结果显示，TMPA V7降水数据与观测数据的相关性较高，说明其可靠性较好。多项研究[17−18]也证实了TMPA多卫星降水数据在青藏高原及四川盆地具有较好的可用性。

1.2 方法

西南涡定义标准：（1）700hPa位势高度场上有闭合等高线的低压；（2）初生时次低压中心位于26°～33°N、100°～108°E；（3）700hPa相对涡度场上有正涡度中心，低压中心与正涡度中心相距不超过2个经/纬距；（4）700hPa位势高度场上闭合低压的水平尺度至少为2个经/纬距；（5）能够维持6h及以上时间。

根据西南涡的移动特征将西南涡分为两类，西南涡中心如果不能移出源地（26°～33°N、100°～108°E），就称其为源地生消型西南涡；如果西南涡中心可以移出源地，则称为移动型西南涡。

按照上述西南涡定义标准，使用2010～2019年ERA5 700hPa的位势高度和相对涡度场进行西南涡普查，统计了西南涡所有时次的中心位置、生命史等。然后，使用TMPA V7逐3h降水率数据，统计每个时次以西南涡中心300km内的涡区平均3h降水率为西南涡影响的降水。将本文普查结果与《西南低涡年鉴》(2012～2016)进行了对比，结果表明与年鉴结果基本一致。2012～2016年西南涡年鉴共统计出476例西南涡，而本文同一时期普查出475例西南涡，二者的年际变化趋势一致。

2 两类西南涡的空间分布特征

西南涡初生时（第一个时次）低压中心的位置为涡源，如图1所示，红框内是初生西南涡的普查区域。本文统计了2010～2019年两类西南涡涡源的空间分布。图2a为2010～2019年西南涡涡源的空间分布。如图所示，西南涡涡源主要集中分布在两个区域，四川盆地和青藏高原东南边缘九龙地区，两个高频区分别在30°～32°N、104°～106°E和27°～28°N、100°～102°E。

图1 西南涡源地及周围地形（红色虚线框为初生西南涡普查区域）

相比而言，移动型西南涡与源地生消型西南涡涡源的空间分布存在明显差异（图2b～c）。源地生消型西南涡依然存在两个主要源地，即九龙和四川盆地，其中九龙源地的初生涡明显多于四川盆地源地。移动型西南涡的主要源地分布则相反，主要生成于四川盆地，九龙地区仅有零星初生涡。也就是说，西南涡两个主要源地生成的西南涡存在差异。九龙源地生成的西南涡多为源地生消型，大部分在源地附近消亡，移动距离和生命史也较短（见下文）。而移动型西南涡更易生成于四川盆地。

图2 2010～2019年西南涡涡源分布（a. 所有西南涡，b. 源地生消型西南涡，c. 移动型西南涡；彩色线条表示海拔高度，单位：m）

3 两类西南涡的时间变化特征

3.1 年际变化

在2010～2019年期间，共有885个西南涡，年均89例。近10年西南涡个例数存在年际变化（图3a），2011年西南涡最少（68例），2012年最多（118例）。2010和2011年西南涡生成频次较少，年均72例。2012年以后西南涡生成频次年际变化幅度较小，年均89例。2010～2019年近10年的西南涡以源地生消型为主，占西南涡总数的77.4%，移动型西南涡占22.6%。源地生消型西南涡年均69例，生成频次的最大、最小值所在年份以及变化趋势与前文所述一致。而移动型西南涡年均20例，2012年最多（25例），2015年最少（12例）。两种类型西南涡占当年西南涡总数的百分比也存在年际差异（图3b）。2010～2011年移动型西南涡所占比例最多，约为30%，其中2015年移动型西南涡所占比例最低，仅为12.6%，而其余7年的移动型西南涡占比均在21%左右。叶瑶等[15]指出西南涡明显的年际变化可能与低层环流的年际变化有关，源地低层西南风强，偏南风旺盛，角动量输送增加，导致西南涡多发。也有研究指出移动型西南涡所占百分比的年际变化则可能与副热带高压的位置的变化有关[8]。

图3 2010～2019年西南涡生成频次年际变化（a）和移动型西南涡个例数占西南涡总数的百分比（b）

3.2 季节变化和月变化

图4a为西南涡生成频次的季节变化，可以看出西南涡生成频次的季节特征明显，春夏季多、秋冬季少。其中春季最多，平均每年31个；夏季次之，平均每年24个；秋冬季最少，平均每年分别为18.4和15.1个。相比而言，移动型西南涡生成频次的季节差异大，集中出现在春、夏季，生成频次约是秋、冬季的3倍。而源地生消型的季节差异相对较小，除春季最多之外，其他三个季节差异较小。此外，在春、夏季，不仅西南涡生成频次最多，而且移动型西南涡所占比例也最大，均达到27%。秋冬季节西南涡的生成频次降低的同时移动型西南涡生成的比例也随之减少，仅为13.5%。

图4 2010～2019年各季西南涡个例数（a）和移动型西南涡个例数占总数的百分比（b）

2010～2019年期间，西南涡的生成具有显著的月变化，5、6月最多，平均有122个，12月最少（41个）。6～12月西南涡生成频次总体呈递减趋势，9月有所增加，之后继续递减，到次年2月逐渐增多。两类西南涡的月变化趋势与此相同，但移动型西南涡变化幅度更大（图5）。移动型西南涡6月生成个数最多（40个），12月最少（4个）。源地生消型西南涡5月生成最多（92个），12月最少（37个）。

图5 2010～2019年西南涡个例数的月变化

3.3 日变化

将首次识别出西南涡的时次作为其生成时次。由图6a初生西南涡生成频次的日变化看到，初生涡夜间多、白天少，主要集中在20时～次日02时。其中初生涡20时（北京时间，下同）最多（183个），14时最少（42个），14～20时又逐渐增加。两类初生涡的日变化趋势较为一致，均为夜间多于白天。但是，根据图6b可知，移动型西南涡的生成频次占比在08时与11时达到最大值29.5%，20时为最小值18.5%，虽然日间西南涡的生成频次减少，但其中强度较大生命史较长的移动型西南涡占比增大。西南涡的日变化特征与四川地区多发夜雨的降水特征一致[19]。西南涡夜发性可能与源地地面热源的日变化和高原东部重力波的夜发性有关[20−21]。将最后识别到西南涡的时次作为其消亡时次进行统计。如图7所示，在08时消亡的西南涡个例数明显高于其他时次，日间11时～夜间02时，西南涡的消亡个数没有明显的变化趋势，02～08时，西南涡的消亡个数逐渐增多，至08时达到最多。但移动型西南涡消亡时次的日变化较小，西南涡消亡时次的日变化多是由源地生消型西南涡引起。

图6 2010～2019年西南涡生成频次的日变化（a）和移动型西南涡生成频次日变化占总数的百分比（b）

图7 2010～2019年西南涡消亡时次的日变化

将移动型西南涡第一次出现在图1所示源区以外的时次作为西南涡的移出时次，如图8所示，西南涡的移出时次高峰为北京时间11时，11～20时移出个例数逐渐递减，23时又有一个西南涡移出的次高峰，23时～次日05时递减。总的来说，日间移动型西南涡的移出个数略大于夜间。

图8 2010～2019年移动型西南涡移出时次的日变化

3.4 生命史

大多数西南涡的生命史都较短，平均20.9h，中位数15.0h。其中，移动型与源地生消型西南涡的平均生命史分别为39.6h与15.4h，中位数分别为31.5h与12.0h。在2010～2019年普查出的885例西南涡中，生命史≤24h的西南涡有681例，约占西南涡总数的77%。生命史为9h的西南涡最多，占18.0%。生命史＞24h的西南涡仅占27.8%，生命史＞48h的西南涡有70个占7.9%，生命史＞72h的西南涡仅有23个，占2.6%（图9a）。短生命史的西南涡以源地生消型为主，超过80%的源地生消型西南涡的生命史不超过18h。随着生命史的增加，移动型西南涡的占比明显增大，生命史＞72h的西南涡均为移动型西南涡（图9b）。

图9 2010～2019年西南涡生命史分布（a）和移动型西南涡占全部西南涡生命史分布的百分比（b）

4 移动型西南涡的移动特征

4.1 移动路径与移动方向

将移动型西南涡的移动路径按移动方向分为六类，分别为偏西路径、偏南路径、东南路径、偏东路径、东北路径、偏北路径。表1为各季节移动型西南涡移动路径分布，由表1可知，移动型西南涡的移动路径以偏东路径为主，占全部移动型西南涡的71.8%，其次为东南路径和东北路径，分别占9%和11.6%，还有少数偏南、偏西和偏北路径，分别占比为4.5%、1.5%、1.5%。东北路径与东南路径的移动型西南涡均主要发生在春季、夏季和冬季。偏南路径移动型西南涡主要集中发生在夏季。偏西与偏北路径移动型西南涡发生频次较少，仅各出现3例。

移动路径由图10所示，各季节的移动型西南涡移动方向以偏东路径为主，与表1的结论相一致。春夏季的西南涡移动路径较长，移动距离最长主要为偏东路径和东北路径的西南涡，有较多的偏东路径西南涡东移入海。秋季移动型西南涡的移动距离较春夏季偏短，移动路径较长的还是偏东路径与东北路径的移动型西南涡。冬季移动型西南涡移动路径最短，多数在内陆地区消亡。各季节偏东路径的西南涡多数沿长江流域东移入海，东北路径西南涡则主要经由陕西省、河南省向华北、东北地区移动。此外，移动型西南涡的移动过程中不是始终沿同一方向，在其移动过程中存在停滞、转向等现象。移动型西南涡的移动路径受到许多因素影响，如500hPa引导气流、与其他系统的相互作用、高空急流的走向和自身结构特征等[22−25]，因此对于影响移动型西南涡生成的因素还需进一步研究。

图10 2010～2019年各个季节移动型西南涡的移动路径（ a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季；紫色为偏北路径，绿色为东北路径，蓝色为偏东路径，红色为东南路径，橙色为偏南路径，黄色为偏西路径）

表1 2010～2019年不同移动路径的移动型西南涡频次的季节变化

4.2 移动速度

如图11所示，移动型西南涡个例平均移速的最大值为199.1km/h，最小值为15.4km/h，平均值为47.6km/h，平均移速在30.0～35.0km/h的西南涡占比最大，约为14%。移动型西南涡的平均移速主要分布在15.0～70.0km/h，占全部西南涡的91%。此外，还有9%的移动型西南涡平均移速＞70.0km/h。

图11 2010～2019年移动型西南涡移速的频率分布

移动型西南涡的移速有明显的季节变化，冬季移速最快，其次为春季和秋季，夏季最慢。图12为移动型西南涡平均移速的月变化，可见移动型西南涡的平均移速在1月份达到最大值，1～8月逐渐递减，8月平均移速达到最小值，8～11月平均移速逐渐增大。

图12 2010～2019年移动型西南涡平均移速的月变化

5 两类西南涡的降水特征

西南涡是影响我国降水的重要天气系统之一，因此西南涡的降水特征是西南涡研究中的重要内容。在2010～2019年期间的885例西南涡中，859例西南涡有明显降水。由于使用卫星降水分析产品而不是地面台站降水量观测，因此本文根据西南涡的降水量频数分布使用百分位法[26]对西南涡的降水强度进行划分。将2010～2019年所有西南涡个例的平均3h降水 量 按 照 升 序 排 列，得 到X1,X2, ···,Xm, ···,Xn,某 个≤Xm的概率:

式中m为Xm的序号，该公式估计的百分位值不用对序列分布进行任何假设[26]。

使用百分位法结合西南涡个例的降水特征划分各降水强度等级：选取涡区平均3h降水率＞0.0001mm/h的西南涡个例，弱降水Pm＜P30%；一般降水P30%＜Pm＜P60%；强 降 水P60%＜Pm＜P95%；极 端 降 水Pm＜P95%（Pm表示一个西南涡个例的平均3h降水率，P30%表示西南涡涡区平均3h降水率第30个百分位所对应的降水率）。

两类西南涡的降水特征有显著差异，移动型西南涡的降水强度明显大于源地生消型（表2）。对于源地生消型西南涡，弱降水、一般降水和强降水个例均约占33.3%，其中弱降水个例最多（表3）。60%的移动型西南涡降水为强降水和极端降水，弱降水和无明显降水仅分别占11.5%和1.5%（表4）。移动型西南涡极端降水出现的频次远大于源地生消型西南涡，移动型西南涡降水中极端降水占9.5%，源地生消型西南涡降水中极端降水仅占3.5%。

表2 两类西南涡的平均3h最大降水量（mm）

表3 源地生消型西南涡降水的季节变化（占此类西南涡总数百分比%）

表4 移动型西南涡降水的季节变化（占此类西南涡总数百分比%）

西南涡降水存在明显的季节变化。冬季源地生消型西南涡以无明显降水和弱降水为主，春季和秋季多为弱降水和一般降水，夏季主要为强降水，极端降水也多出现在夏季。移动型西南涡春、夏、秋季均以强降水为主，冬季以一般降水和弱降水为主。两类西南涡涡区平均3h降水率的季节变化趋势较一致，夏季涡区平均3h降水率最大，其次为春季和秋季，冬季最低。但各个季节移动型西南涡的降水强度均明显大于源地生消型西南涡，尤其在西南涡降水强度较小的春、秋、冬季最为明显。

6 结论

使用ERA5再分析资料与TMPA V7降水资料统计分析了2010～2019年移动型和源地生消型两类西南涡的时空分布特征、移动特征和降水特征，得出以下结论：

（1）西南涡涡源主要集中在两个区域：一是27°～28°N、100°～102°E，在此区域生成的西南涡大多为源地生消型西南涡，移动距离较小，生命史较短；二是30°～32°N、104°～106°E，在此区域生成的西南涡生命史较长且移出源地的个数较多，移动型西南涡多在此区域生成。

（2）2010～2019年共有885个西南涡，其中源地生消型西南涡年均生成69例，移动型西南涡年均生成20例。两类西南涡生成个数的年际变化存在一定的差异。西南涡的生成个数春季最多，夏季次之，秋冬季最少。移动型西南涡夏半年明显高于冬半年。春夏季移动型西南涡占西南涡总数的比重最大，达到27%，秋冬季节降至13.5%。源地生消型西南涡的生成频次在5、6月份最多，在12月份最少。西南涡生成时间主要集中在20时～次日02时。两类初生涡的日变化趋势较为一致，均为夜间多于白天。但日间强度较大生命史较长的移动型西南涡占比较大。西南涡生成的日变化特征也与四川地区多发夜雨的降水特征一致。其显著的日变化可能与源地地面热源的日变化和高原东部重力波的夜发性有关。

（3）西南涡生命史大多较短，平均20.9h，中位数15.0h。其中，移动型与源地生消型西南涡的平均生命史分别为39.6h、15.4h，中位数分别为31.5h、12.0h。生命史≤24h的西南涡约占总数的77.0%。源地生消型西南涡生命史大多＜24h，生命史＞24h的西南涡中移动型西南涡的占54.1%，生命史＞72h的均为移动型西南涡。

（4）2010～2019年西南涡的移出率约为22.6%。其中以偏东路径的移动型西南涡为主占全部移动型西南涡的71.8%，其次为东南路径和东北路径的移动型西南涡分别占9%和11.6%。偏东路径的移动型西南涡主要沿长江流域东移，东北路径西南涡则主要经由陕西省、河南省向华北、东北地区移动。春夏季的移动性西南涡移动路径较长，部分偏东路径的移动型西南涡可东移至海上。秋冬秋季移动型西南涡的移动距离较短，大多数在内陆地区消亡。移动型西南涡冬季移速最大，夏季移速最小。

（5）根据西南涡的降水特征将西其划分为无明显降水、弱降水、一般降水、强降水和极端降水。源地生消型西南涡降水以弱降水为主，移动型西南涡降水则以强降水为主。移动型西南涡降水中极端降水占9.5%，而源地生消型西南涡降水中极端降水仅占3.5%。移动型西南涡的整体降水强度大于源地生消型西南涡，尤其在西南涡降水强度较小的春、秋、冬季最为明显。