2000年以来西南低涡的研究进展

刘海文 毛江南 杨朝虹

摘要 西南低涡是形成于我国青藏高原东南侧的一种α中尺度涡旋，是导致中国夏半年暴雨的主要天气系统之一。文中简要回顾了2000年以来有关西南低涡的最新研究成果，主要包括西南低涡的人工智能识别、西南低涡频数的长期变化及其气候学特征、西南低涡的集合预报、双核西南低涡的首次发现等。在此基础上，归纳出该研究领域需要深入探讨的若干问题，包括西南低涡频数变化的外强迫因素，青藏高原特殊地形导致的地形Rossby波、重力波与西南低涡之间的相互关系，双核西南低涡的形成机制以及双核西南低涡与经典西南低涡形成机制的差异等。

关键词西南低涡;双核西南低涡;青藏高原;回顾与展望

西南低涡（西南涡）产生于我国西南地区，在造成中国夏半年暴雨的主要天气系统中（陶诗言，1980），其重要性位居第二（王作述等，1996）。由于在西南低涡的东侧，可生成暖锋式或静止锋式切变线（林元弼等，1988），如果这些中尺度切变线和低涡得以继续维持，可形成中尺度对流群或中尺度雨带（陶诗言，1980）。因此，西南低涡是影响我国夏半年降水天气过程的一个相当重要的影响系统，西南低涡暴雨也是中国暴雨中非常复杂、富有特色的暴雨现象（李跃清和徐祥德，2016）。

关于西南低涡研究进展的回顾文献比较多。比如：陈忠明等（2004）、刘红武和李国平（2008）、李国平和陈佳（2018）、何光碧（2012）以及李跃清和徐祥德（2016）都对西南低涡的阶段性研究成果做了较为详细的总结和回顾，这为系统学习西南低涡和了解西南低涡的概况都起到了非常重要的作用。

本文重点对2000年以来关于西南低涡的最新研究成果进行简要回顾，并就一些亟待解决的科学问题进行简单讨论和探讨。

1 西南低涡的识别

西南低涡的识别方法上大致可以分成人工识别、机器智能识别以及智能识别加人工识别这3大类。从气象要素识别西南低涡方面来讲，有基于700 hPa位势高度识别（王静等，2019），也有基于风场来对西南低涡进行识别（王金虎等，2015）。近些年来，中国气象局成都高原气象研究所和中国气象学会高原气象学委员会，出版了一系列西南低涡年鉴书籍（中国气象局成都高原气象研究所和中国气象学会高原气象学委员会，2016，2017），这些基础性工作，为系统地开展西南低涡的研究，奠定了良好的基础。

近些年来，由于高时空分辨率再分析资料的使用以及智能计算的兴起，利用计算机技术来识别西南低涡成为可能。比如，王静等（2019）利用GRAPES-MESO的格点资料，使用逐步订正识别方法，建立了识别西南低涡的算法，提高了西南低涡识别的效率。高正旭等（2009）利用客观分析得到的统计结果，阐述了西南低涡的气候特征。这些识别西南低涡的客观识别方法，为开展西南低涡的气候学研究及其长期变化成为可能。

2 西南低涡的统计及其长期变化研究

随着再分析资料年限的增加，使用再分析资料对西南低涡进行統计研究成为可能。高正旭等（2009）利用客观分析统计的结果，认为使用再分析资料分析出的西南低涡的气候态特征和实际观测事实相符。这为利用再分析资料来识别、分析和研究西南低涡提供了科学依据。目前，利用观测或再分析资料，对西南低涡进行了大量的统计工作（陈启智等，2007;Fu et al.，2014，2015;翟丹华等，2014;Feng et al.，2016;叶瑶和李国平，2016;李黎等，2017;范娇和陈科艺，2019）。Fu et al.（2014）使用0.5°×0.5°高空间分辨率资料，统计了2000—2013年夏季578例西南低涡，发现夏季西南低涡在02—08时（北京时）出现的次数最多。随后，Zhang et al.（2019）又基于上述14 a的10个典型西南低涡个例分析后发现，西南低涡的形成原因有显著的不均匀性。统计结果表明，西南低涡的出现频数具有明显的季节变化。陈忠明和闵文彬（2000）指出，秋、冬季西南低涡出现最少，夏季出现最多，一般在7月。陈启智等（2007）研究发现春、夏两季西南低涡出现的频数比较多，而秋、冬两季比较少，这与陈忠明和闵文彬（2000）的研究结果一致。但是谌贵珣和何光碧（2008）统计认为，冬季西南低涡频数最多，春、秋季次之，夏季最少。Zhong et al.（2014）也得到了类似的结论，发现西南低涡主要发生在春、冬两季，占总数的69.5%，最大频数出现在3月，最小频数出现在8月。显然，这些统计结果和陈忠明和闵文彬（2000）以及陈启智等（2007）统计的结果有所不同，这可能与统计时所选的时间序列长度以及西南低涡的识别方法不同有关。统计研究表明，不同涡源的西南低涡出现的时段也不同。九龙涡多发时段在春季与夏季，盆地涡多发时段在冬季与春初，小金涡多发时段在冬末与春季（罗清等，2018）。罗清等（2018）利用2012—2016年Micaps天气图资料和《西南低涡年鉴》，对西南低涡及来自不同源地的西南涡的变化特征及其对降水的影响进行了统计研究，认为：起源于九龙的西南低涡出现次数最多，起源于盆地的西南低涡次之，起源于小金的西南低涡最少;同时表明，在2012—2016年期间，西南低涡的生成频数有明显的季节变化，春季是西南低涡生成最多的季节。同样，李超等（2015）则对起源于四川盆地的西南低涡进行了统计分析，认为盆地涡其初生位置主要位于盆地的西南部和东北部，四川盆地西南低涡夏季出现最多，冬季出现最少，四川盆地西南低涡具有明显的日变化，西南型盆地涡在3—10月夜晚发生概率均大于白天，而东北型盆地涡只在5—9月期间夜晚发生概率大于白天，其他月份低涡夜发性不明显。梁红丽等（2012）将影响云南天气气候的西南低涡进行统计后发现，影响云南的西南低涡初生涡源区主要集中在九龙和四川盆地;从移动路径上而言，东南路径最多，西南和偏南路径次之，而且影响云南的西南低涡具有明显的日变化特征。

从年际、年代际时间尺度来看，李黎等（2017）利用1979—2013年一日4次的ERA-Interim再分析资料，研究了春季西南低涡的长期变化。结果表明，在1979—2013年期间，共出现了262次西南低涡，春季西南低涡平均每年出现7.5次，并且春季西南低涡出现次数具有明显的下降趋势，春季西南低涡具有显著的年际和年代际变化特征。叶瑶和李国平（2016）统计了61 a夏半年西南低涡发生次数的年际变化，分析了西南低涡年际时间尺度的大气环流特征和角动量特征，认为大量正角动量输入青藏高原东侧西南低涡关键区时，有利于西南低涡生成和频发。Feng et al.（2016）则从影响重庆暴雨的角度，将西南低涡划分为偏东路径型、东北路径型和停滞少动型三种类型，并对西南低涡产生的暴雨进行了研究，认为虽然西南低涡移动路径不同，但是西南低涡在结构上具有一些相似的特征。

根据西南低涡的性质和移动速度，可以将西南低涡分为不同类别。陈忠明和闵文彬（2000）将西南低涡分为移动类和少动类两类。潘旸等（2011）同样将西南低涡分为移出型低涡和停滞型低涡两类。潘旸等（2011）对1991—2004年夏季（6—8月）西南四川盆地的低涡活动进行统计分类，比较分析了移出型和停滞型两类西南低涡生成初期的合成环流场，总结出影响低涡东移的三维流场的气候学特征。刘红武等（2016）使用10 a的资料，统计分析了影响湖南天气和气候的东移西南低涡的三维环流特征，并进一步对水汽来源进行了分析。陈启智等（2007）根据西南低涡的移动情况分为3类：基本不动类、迅速消散类和移动类，且移动类西南低涡的移动路径以偏东和东北路径为主。王金虎等（2015）研究发现，夏季向正东方向移动的低涡个数没有年代际变化，但是向东北和东南方向移动的移出型低涡个数呈增加趋势。西南低涡在不同季节移出源地的概率有所不同。研究发现，西南低涡在夏季移出源地的概率高，而在冬季比较低（谌贵珣和何光碧，2008;Fu et al.，2014;Zhong et al.，2014）。

3 西南低涡与其他系统的相互作用

刘晓冉等（2020）对一次引发特大暴雨的西南低涡和高原低涡耦合贯通加强过程进行了研究，认为高原低涡和西南低涡耦合贯通后，改变了涡度的垂直特征;东移的高原低涡与西南低涡耦合后，可以导致强降水的发生（Cheng et al.，2016）。

为了研究西南低涡和高原低涡之间的相互关系，Chen et al.（2019）定义了一个反映西南低涡和高原低涡相互作用的指数，并用于诊断降水区。西南低涡不仅和高原低涡耦合，而且还能与高空西风槽耦合。比如，李强等（2013）就发现，发生于2009年8月2—5日川渝地区出现的暴雨过程，就是东移的高空槽耦合了位于川渝地区的西南低涡，导致此次强降水过程。此外，台风通过远距离作用，对西南低涡系统动力结构的维持也起到积极作用（李强等，2013）。周春花和张驹（2020）研究认为，南海的热带气旋和西太平洋上的热带气旋对西南低涡的发展和维持有远距离的加强作用。汤欢等（2020）研究表明，在高原中尺度对流系统与西南低涡耦合阶段，两者的上升运动区相叠加，低层的正位涡、正涡度、以及辐合均显著加强。

4 西南低涡的集合预报

随着集合预报的发展，对西南低涡的集合预报也陆续发表了一些文章，比如：Li et al.（2014）使用区域的集合预报系统，研究了导致西南低涡东移和发展的动力学、热力学特征。图1给出的是11个集合成员的每3 h一次的西南低涡路径预报与观测的西南低涡路径。Liu et al.（2019）使用TIGGE资料，对2013年7月18日的一次高原低涡与西南低涡耦合过程中的高原低涡可预报性进行了研究，结果表明，从预报初始时刻开始，四川盆地上空48 h的位势高度，可作为随后90～108 h高原低涡的前兆信号（图2）。

5 西南低涡的形成机制

近30 a以来，关于西南低涡的形成机制几乎没有什么重大突破。青藏高原和其东麓形成的独特地形是形成背风坡低值涡旋西南低涡的重要原因之一（何光碧，2012）。西南低涡的形成还与盆地、河谷以及气流分层有关（朱禾等，2002）。叶瑶和李国平（2016）研究认为，西南低涡多发年，低层流场在西南低涡关键区表现为西南风旺盛且辐合异常强，气旋性切变加大，低纬季风环流增强，导致大量正角动量输送至关键区，有利于西南低涡生成。西南低涡的形成与水汽输送也有关。

6 西南低涡双核结构的发现

过去由于受资料分辨率的限制，一般认为西南低涡是一个單一的α中尺度涡旋（陶诗言，1980;卢敬华，1986;高守亭等，2003）。随着再分析资料的空间分辨率提高，Zhou et al.（2017）通过个例研究，首次发现了一个西南低涡中包含有两个更小尺度涡旋的现象，即西南低涡具有两个核的现象。

图3清楚地反映了一个低涡逐步演变成两个低涡中心的奇特现象。由图3可见，两个低涡中心被3 080 gpm所包围，两个低涡中心共存于一个大的西南低涡中。为了对该类西南低涡开展系统的研究，吴珍珍等（2018）将这类低涡简称为双核西南低涡，并给出了定义：1）在欧亚天气图上，中国西南地区为一西南低涡，但在小范围的区域天气图上，这个西南低涡则表现为由两个更小尺度的气旋性涡旋所构成;2）两个小尺度的气旋性涡旋必须是从先于它们出现的同一个中尺度西南低涡中产生;3）两个小尺度的气旋性低涡的中心位置都必须位于我国西南地区（100°～108°E，26°～33°N）。凡是满足上述3个条件的西南低涡则可视为双核西南低涡。结合西南低涡的定义（卢敬华，1986），上述关于双核西南低涡具有一定的科学性和代表性。

图4给出了双核西南低涡从产生、演变、发展和加强的过程（吴珍珍，2018），可见，2011年8月4日00时，在四川附近出现了一个西南低涡，这个西南低涡在2011年8月4日12时，出现了双核现象。随后吴珍珍等（2018）通过简单的人工普查，进一步发现双核西南低涡绝非个例。吴珍珍（2018）和Zhou et al.（2017）对双核西南低涡的研究，均发现双核西南低涡中的两个核都具有暖湿特征，而且也属于浅薄的系统，即在700 hPa上最明显，具有西南低涡的一般特征。吴珍珍等（2018）研究发现，2011年8月4日00时—5日00时存在的双核西南低涡，两个核均位于四川省境内，其中一个“核”处于巴中，另一个“核”处于凉山附近，且这两个核被3 084 gpm等位势线所包围，共存于一个较大尺度的西南低涡中。吴珍珍等（2018）发现的西南低涡的两个“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。通过对双核西南低涡进行数值模拟研究表明，青藏高原和云贵高原的大地形以及大气的潜热释放对双核西南低涡的形成和发展有重要作用。双核西南低涡的位置和移动方向受高原大地形的影响，大气的潜热释放对双核西南低涡的生成和维持起着主要作用（吴珍珍等，2018）。

7 新的研究方向展望

本文主要对2000年以来关于西南低涡有一定特色或代表性的研究成果进行了较为系统的回顾和展望。虽然关于西南低涡的研究已经做了大量的研究，但是未来关于西南低涡的研究，以下几个方面仍值得关注：

1）人工智能或者机器识别技术已能对西南低涡进行较好的识别，但是，西南低涡长期统计的结果仍存有不一致甚至矛盾的现象。这需要从源头上对西南低涡的统计进行仔细的校验和检查，并对西南低涡的统计标准进行统一和规范。此外，从天气学、气候学角度对西南低涡生成频数的年际，年代际变化的外强迫因子研究仍不够充分。

2）使用台站以及高时空分辨率的再分析资料、卫星资料、雷达资料等多源数据，从天气动力学角度，开展西南低涡的形成、发展、移动、消失等各个阶段的中尺度细微结构特征进行研究。

3）高原东部特殊的地形所形成的地形Rossby波以及重力波等波动与背风坡气旋（西南低涡）是否有关系，如果有关系的话，它们背后的物理机制是什么？

4）双核西南低涡究竟是如何形成的？其形成的主要机制是什么，它和经典的西南低涡的形成机制异同点是什么？

5）西南低涡以及双核西南低涡的可预报性研究。

6）东移的西南低涡以及东移的双核西南低涡，其对下游地区的天气、气候的影响有何异同？以及西南低涡导致的次生灾害，比如西南低涡导致的四川省境内的山体滑坡，泥石流等预报模型的建立，對于防灾减灾工作将会起到非常重要的作用。

综上所述，西南低涡的研究和台风研究相比，无论是研究深度还是研究广度，均有很大的差距。由于西南低涡一年四季均可出现，且其出现频数远远大于热带气旋和台风的频数，因此，关于西南低涡的研究，仍然是任重而道远。

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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

（責任编辑：张福颖）