川贵渝复杂地形下横槽诱发双涡贵州暴雨过程的数值模拟*

程晓龙 李跃清 衡志炜

1.中国气象局成都高原气象研究所，成都，610072

2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都，610072

1 引言

在青藏高原大地形背景下，中国西南高山、深谷、台地、盆地等绵延纵横，交错相间，起伏剧烈，如川西高原、川渝盆地（原四川盆地）、云贵高原等，是中国地形最复杂、最陡峭的区域，也是高影响天气系统和极端气象灾害的重灾区（徐裕华，1991）。其中，贵州省处于云贵高原，其气象灾害非常严重，尤其是夏季强降水天气引发的暴雨山洪及其泥石流等次生灾害，局地性、突发性强，过程剧烈，成因复杂，影响严重、广泛，常常给人民的生命财产造成重大损害（伍红雨，2007；程晓龙等，2014；池再香等，2010）。因此，贵州山地暴雨及其影响一直是气象研究、业务预报、灾害防御的一个重点和难点。

由于大、中、小地形的多尺度综合作用，西南地区是中国低涡等系统生成、活动的一个区域中心，如高原低涡（简称高原涡）、西南低涡（简称西南涡）、切变线等系统。其中，西南涡作为中国引发暴雨的重要灾害天气系统，是在青藏高原特殊地形与大气环流的相互作用下，形成于中国西南地区的一种α 中尺度气旋低压系统，其涡源地主要集中在四川的川西高原和川渝盆地，可分为3 类：生成在川西高原南部的九龙涡、川西高原中部的小金涡和川渝盆地的盆地涡。但是，西南涡发生发展、尤其是以不同路径东移后常给西南其他地区和下游广大地区带来严重的暴雨洪涝等灾害（卢敬华，1986；李国平，2002；李跃清等，2016）。前期研究指出：西南涡是对流层中低层的浅薄扰动，呈近圆形而非对称的中性气旋特征（卢敬华，1986），而发展强烈的西南涡则是一个十分深厚的系统，可伸展到100 hPa高度（陈忠明等，1998）。西南涡的温湿场和垂直流场在低涡区内分布不对称，呈现出显著的斜压性（韦统健，1988；韦统健等，1996）。进一步的研究得到，根据中心暖湿性质、垂直分布和动力结构等不同气候态可划分为4 类西南涡（Feng，et al，2016），其中存在一类深厚型的西南涡系统，表现出不同的动力、热力结构和演变特征以及异常机制和天气影响（Cheng，et al，2016；Feng，et al，2016；杨颖璨等，2018）。并且，西南涡的形成是青藏高原、横断山脉，以及四川盆地不同地形共同作用的结果（Wang，et al，2014），而潜热释放对西南涡的发展过程同样有重要作用（Kuo，et al，1988）。Fu 等（2015）提出了关于长生命史西南涡的一种演变机制。Cheng 等（2016）基于西南涡与高原涡耦合的低涡大暴雨分析，提出了深厚型低涡的横向耦合机制。另外，李国平等（1994）指出，位涡变率的变化趋势与低涡暴雨的发展趋势基本一致，负位涡预示着暴雨的增强，位涡转正预示暴雨的减弱过程。赵思雄等（2007）分析了2004 年9 月川渝低涡大暴雨天气，指出川东地区的特殊地形、500 hPa 高空小槽以及700、850 hPa 低层鞍型流场均是西南涡产生和维持的重要条件；这次西南涡暴雨过程有20 个雨团接连发生，中尺度系统是直接的影响系统。实际上，西南涡暴雨是中国一种非常复杂、富有特色的强降水现象（李跃清等，2016），其造成的暴雨强度、频次和范围仅次于台风及其残留低压（王作述等，1996）。

数值模拟是研究中小尺度天气系统及其影响的重要手段，应用中尺度天气模式研究西南涡及其暴雨已获得了不少有意义的成果。覃丽等（2007）利用MM5 模式模拟与诊断得到：2005 年4 月25 日的典型西南涡降雨过程，低涡南端高层高值干位涡的下传，引起低层气旋性涡度增加，低涡向南伸出一低槽发展成“北涡南槽”形式，低槽附近700 hPa MPV1＜0，MPV2＞0，低层强辐合，高层强辐散，整层都为上升运动。卢萍等（2014）基于AREM 模式对2010 年夏季重庆两场西南涡暴雨过程的数值模拟得到：涡度方程的辐合辐散项对低涡的发展加强起最重要的作用，而平流项和辐合辐散项的作用集中在大气中低层，垂直对流项和扭转项则在大气中高层更为明显，降水的强弱与涡度变率的大小及伸展高度相对应。陈鹏等（2014）利用WRF 模式模拟研究了2008 年6 月30 日至7 月1 日川东南的西南涡暴雨天气过程，表明西南涡首先出现在850 hPa，几小时后700 hPa 也出现低涡，850 hPa 低涡形成与西南低空急流有密切联系，干敏感试验验证了潜热释放对850 hPa 低涡的影响不明显，但会导致700 hPa 的气旋性切变与辐合从而形成低涡。高笃鸣等（2018）利用WRF 模式及WRFDA 同化系统，对比模拟分析了一次四川盆地奇异路径低涡耦合大暴雨过程，表明引入西南涡加密探空资料能够改善对降水和低涡的模拟；有利于初始风场产生气旋式扰动、增强高原涡和西南涡的强度，在初期就能模拟出与实况量级一致的降水；揭示了仅靠高层的高位涡不足以激发和维持700 hPa 的西南涡，需通过低层水平辐合引起正涡度增加并向上输送，由此促进西南涡的移动和发展，而初期降水的潜热释放也起重要作用。因此，开展西南涡及其暴雨过程的数值模拟研究对于其机理认识和业务预报都非常重要。

需要指出的是，贵州位于副热带东亚大陆季风区，属亚热带高原季风湿润气候。其地势西高东低，多高原山地，全省平均年降水量在1100—1300 mm，大多数降水集中在夏季，且夜间多发强降水，暴雨及其次生灾害非常突出。研究表明：在青藏高原大地形、局地特殊地形的作用下，上游东移和东南移的西南涡是影响夏季贵州暴雨的主要天气系统之一，但是，本地生成的低涡系统也是贵州暴雨的常见天气系统（程晓龙等，2014；杨群等，2016；李小兰等，2018）。虽然关于移动西南涡、本地贵州涡对于贵州暴雨天气的重要影响已有一些研究，并也涉及到西南涡东南移与本地低涡耦合对贵州暴雨天气的作用分析（程晓龙等，2014），但是，这些工作还需要进一步系统、深入，尤其是关于西南涡活动对云贵高原贵州降雨的直接和间接影响，东移西南涡与本地贵州涡的不同结构特征、影响过程和降雨演变，两类低涡在川渝盆地—云贵高原复杂下垫面与地形下，如何相互作用并引发严重暴雨天气及次生地质灾害的原因等还不是很清楚。因此，针对贵州省2014 年7 月15 至17 日由稳定横槽诱发的双低涡（西南涡之盆地涡和本地贵州涡）暴雨天气过程，进行了数值模拟和中尺度诊断，并细致分析了双低涡的演变过程及其暴雨影响，以揭示两个低涡发展和降雨演变过程中热力和动力因子的具体作用，由此进一步加深对复杂地形下低涡相互作用及其区域暴雨影响的认识。

2 模式和资料介绍

本研究应用新一代西南区域数值预报模式业务系统，该模式基于WRF v3.5.1 和ADAS 资料同化模块，基本涵盖整个中国大陆地区，模式的初始场和边界场均采用美国环境预报中心（NCEP）全球预报模式NCEP GFS 的0.5°×0.5°资料，模式水平分辨率为9 km，水平格点数630×400，垂直方向51 层，积分步长为45 s，积分时间72 h，每日00、06、12、18 时（世界时，下同）进行4 次预报，输出时间间隔为1 h。模式的参数化方案选取为：Thompson微物理方案，YSU 边界层方案，RRTM 长波辐射与短波辐射方案，Noah 陆面参数化方案，另外，系统关闭了积云对流参数化方案。同化资料包括常规地面、高空观测资料，飞机报、船舶与浮标观测资料，FY-2E 卫星观测资料和全国117 个S 波段雷达观测资料，以及每年6 月21 日—7 月31 日西南涡大气科学观测试验的时空加密资料（李跃清等，2010，2011，2012；衡志炜等，2018），并通过复杂云分析技术反演大气中的真实云分布。该模式2015 年通过中国气象局业务准入，实际预报表明：同化雷达和卫星资料进行复杂云分析对起报时刻复杂地形区域的云表征更加准确，很好地解决了模式起报时段云信息不准确的问题，模式对暖区暴雨、复杂地形暴雨具有较强的预报能力（屠妮妮等，2017；陈良吕等，2016），在西南区域灾害性天气业务预报中发挥着重要的作用。

本研究模拟时段为2014 年7 月15 日00 时至17 日00 时，主要应用上述西南区域数值模式系统的模拟输出要素场资料，以及欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-interim 0.75°×0.75°再分析资料（作为参照实况场），在模拟可靠的基础上，通过诊断研究、对比检验和物理分析，探讨了这次由稳定横槽诱发双低涡的贵州暴雨天气的形成过程、演变特征和异常机理。

3 环流背景与降雨过程

这次暴雨天气过程的500 hPa 形势场（图1）为：暴雨初期（图1a），中高纬度地区，巴尔喀什湖上空存在一低槽，贝加尔湖西南侧为一高压脊，中国东北部上空也是一低槽，欧亚大陆维持两槽一脊型环流分布；西南横槽出现阶段（图1b），整个中高纬度环流形势基本维持，两槽一脊系统逐步向东移动，同时，巴尔喀什湖低槽不断分裂出短波槽向下游中低纬度地区移动，到达中国西南地区，并在南下过程中，由于青藏高原东侧特殊地形的作用，在川渝盆地中部形成一横槽；盆地涡出现阶段（图1c），随着中高纬度系统的不断东移，位于川渝盆地的横槽逐渐加深，西南涡之盆地涡生成于横槽东侧的川、贵、渝交界区，贵州北部出现降雨；贵州涡出现阶段（图1d、e），川渝盆地上空横槽转竖南压，在这一过程中，由于中低层地气相互作用贵州西南部诱生出贵州涡，两低涡共同作用引起贵州南部降雨进一步增强。

图2 为2014 年7 月15 日00 时 至17 日00 时贵州实况降雨量与模拟降雨量分布。由此看到：7 月15 日00 时至17 日00 时（图2a），除东北部与东南部小范围区域未出现强降雨外，贵州省全境均有大雨或暴雨发生，暴雨区呈西南—东北向，共有26 个站降雨量超过100 mm，2 个站超过250 mm，其中贵州清镇48 h 观测降雨量为304 mm，灾情严重。区域数值模式（图2b）较好地再现了此次暴雨天气过程，尤其是位于贵州中部沿西南—东北向超过100 mm 雨量的位置和范围，实况最大降雨中心清镇的48 h 模拟降雨量虽然偏弱，但也超过了143 mm。在15 日00 时—16 日00 时 与16 日00 时至17 日00 时的两个降雨时段内（图2c、e），西南区域数值模式（图2d、f）均能模拟出贵州北部和南部西南—东北向暴雨区的范围与强度。并且，16 日00 时至17 日00 时为主要降水时段。其中，16 日00 时至16 日12 时，西南涡之盆地涡生成并活跃于重庆南部地区，低涡西南至东北象限内的贵州中部至湖南西北部地区出现强降雨带，累计降雨超过100 mm 的有7 个站，贵州中部贵阳站降雨达170.2 mm。16 日12 时至17 日00 时，本地贵州涡在贵州西南部出现、稳定少动，贵州西南部至东北部出现带状的强降雨区，雨量超过50 mm 的有5 个站，贵阳西南部安龙县累计降雨量为163.9 mm。对于两低涡活跃并造成极端降雨的16 日09 时至21 时，逐3 h 实况降雨与模拟降雨（图3）对比发现，16 日09 时至12 时3 h 降雨，整个雨带分布、强度模拟基本一致，贵州南部和其东北角及贵渝湘三省交界处的降雨模拟较好，但贵州东部出现一明显的东北—西南向虚假强降雨区，3 个中心分别位于贵州铜仁地区中部海拔2572 m 的梵净山以北、石仟县西南缘海拔1869 m的佛顶山以东和雷山县海拔2178 m 的雷公山以西，虚假强降雨中心与局地陡峭地形联系密切；16 日12 时至15 时3 h 降雨，整个雨带分布、强度模拟进一步变好，贵州南部和其东北角贵渝湘三省交界处的降雨模拟较好，虽然贵州东部东北—西南向的虚假强降雨区模拟有所改善，但佛顶山一带、雷公山以西云贵高原向湘桂丘陵过渡的斜坡面仍有虚假的强降雨中心；16 日15 时至18 时3 h 降雨，整个雨带分布、强度模拟较好，尤其是贵州南部和其东北角贵渝湘三省交界处的降雨反映更好，但云贵高原向广西丘陵过渡地带贵州安龙县到望谟县有虚假强降雨中心；16 日18 时至21 时3 h 降雨，整个雨带分布、强度模拟仍然较好，云贵高原向广西丘陵过渡地带的贵州望谟县以南河谷地区有虚假强降雨中心。总体而言，西南区域模式能模拟出双低涡活动在贵州西南部至东部的倾斜强降雨带，模拟雨区分布与实况较一致，但模拟降雨有些偏强，强降雨中心有一定偏差，特别是在贵州东部、南部地形变化剧烈区域，如贵州梵净山、佛顶山和雷公山，以及云贵高原向湘桂丘陵过渡地带的斜坡面等，这可能与局地复杂地形影响及其观测站稀疏有关。总之，对于这次低涡影响的强降雨过程，西南区域数值模式系统能够模拟出这次降雨的中小尺度基本特征，具有较满意的模拟能力。下面，应用该模式输出气象要素场对此次双低涡暴雨过程的影响系统和发生、发展机制进行分析研究。

图2 2014 年7 月15 日00 时至17 日00 时降雨量分布（单位：mm）（a、c、e.实况降雨量，b、d、f.模拟降雨量；a.15—17 日48 h 实况雨量，b.15—17 日48 h 模拟降雨量，c.15—16 日24 h 实况降雨量，d.15—16 日24 h 模拟降雨量，e.16—17 日24 h 实况降雨量，f.16—17 日24 h 模拟降雨量）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 ）

图3 2014 年7 月16 日09—21 时逐3 h 降雨量分布（单位：mm；a、c、e、g.实况降雨量，b、d、f、h.模拟降雨量；a、b.09—12 时，c、d.12—15 时，e、f.15—18 时，g、h.18—21 时）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）

续图3Fig.3 Continued

4 低涡演变与模拟

由于这次低涡活动的主要时段为2014 年7 月15 日18 时至17 日00 时，因此，下面着重分析低涡活动时段的有关气象要素变化特征。15 日18 时（图4b1），作为参照实况的ERA-interim 资料显示重庆西南部有一横槽，其南部西南气流贯穿云南、贵州、湖南三省，而模拟结果（图4a1）与实况相近，涡度大值中心位于横槽以南的西南急流区。16 日00 时（图4b2），贵州省与重庆市交界处（横槽内）出现闭合气旋式环流，川渝盆地初生盆地涡中心位于重庆东侧并呈东—西向分布，模拟结果（图4a2）与实况接近，但中心位置偏西1 个多经度，其西南至东南象限正涡度增强。16 日06 时（图4b3），盆地涡继续加强，影响范围扩大，低涡中心南移至贵州东北部，随着横槽尾部向南倾斜，低涡轴线逐渐转为西南—东北向，模拟结果（图4a3）的低涡位置和强度与实况一致，其东南部维持一狭长正涡度带，横槽尾部气流气旋式闭合。16 日12 时（图4b4），盆地涡位置向西南调整并有所增强，位于贵州北部，而模拟试验（图4a4）低涡南压，正涡度区也南移，但低涡中心偏东，维持在贵州东北部。16 日18 时（图4b5），盆地涡继续东南移，西南—东北向的轴线继续拉长，影响范围进一步扩大，但贵州涡还未出现，而模拟结果（图4a5）盆地涡西南方贵州涡已出现，两涡中心都对应强的正涡度，中心连线区域为正涡度带，东北部低涡更强。17 日00 时（图4b6）再分析资料场，出现东北（盆地涡）、西南（贵州涡）两个低涡中心，分别位于湖北的西南部与贵州的西南部，模式模拟（图4a6）的流场与参照实况分布相似。

图4 2014 年7 月15 日18 时至17 日00 时700 hPa（a1—a6）模拟流场与涡度（色阶，单位：10−5 s−1）和（b1—b6）ERA-interim 再分析资料流场（a1、b1.15 日18 时，a2、b2.16 日00 时，a3、b3.16 日06 时，a4、b4.16 日12 时，a5、b5.16 日18 时，a6、b6.17 日00 时）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）

续图4Fig.4 Continued

由以上分析可知，对于这次双低涡系统的演变过程，尤其是横槽中逐渐出现两个低涡中心的变化，虽然生成时间有6 h 的差异，但在整体及其大部分变化上模拟结果与参照实况都是非常一致的。

由于再分析资料时空分辨率相对较低，为了验证贵州涡的生成过程，将模拟700 hPa 流场与同时刻FY-2E 卫星TBB 场进行叠加，分析低涡附近的云图特征，由此间接验证贵州涡的生成过程。16 日11 时（图5a），盆地涡移至重庆东南部，低涡西南至东北象限内存在呈气旋式分布的TBB 低值区，盆地涡尾部下方的贵州西南部复杂地形区存在一显著的中尺度对流系统（MCS）。16 日13 时至17 时（图5b—d），盆地涡稳定少动，强度逐渐减弱，低涡中心周围的TBB 低值区强度和范围也有所减小，而位于贵州西南部呈椭圆状的中尺度对流系统逐渐转变为气旋式分布，该过程伴随着贵州涡的出现和加强。16 日19 时（图5e），盆地涡移出重庆，到达湖北并有所增强，低涡东南部再次出现中尺度对流单体，但强度较弱，而贵州涡则在原地稳定少动、持续发展，造成了贵州西南部的强降雨天气。

5 横槽诱生低涡过程

5.1 涡度方程诊断分析

为了研究盆地涡与贵州涡的涡度收支情况，下面基于涡度方程进行诊断分析。

其计算公式如下

式中，ζ为相对涡度，f为科里奥利力，u为纬向风，v为经向风，ω为垂直速度，方程（1）左端 ∂ζ/∂t为涡度的局地变化项，方程右端第一项−（u（∂ζ/∂x）+v（∂ζ/∂y））为相对涡度平流项，第二项−（u（∂f/∂x）+v（∂f/∂y））为地转涡度平流项，第一、二项合称涡度平流项A，第三项−ω（∂ζ/∂p）为相对涡度垂直输送项B，第四项（（∂ω/∂y）（∂u/∂p）−（∂ω/∂x）（∂v/∂p））为涡度倾侧项C，第五项−(f+ζ)（∂u/∂x+∂v/∂y）为散度项D，第六项为摩擦项R，以下讨论忽略摩擦项的影响。

由图4 可知，盆地涡发展最强时刻为7 月16 日12 时，以下主要分析涡度方程各项在盆地涡增强阶段的具体贡献。图6 表明：7 月16 日12 时（图6a），盆地涡处于重庆东南角（28.2°N，109.0°E），低涡以东平流输送项较明显，强度为15×10−10s−2，贵州境内有平流输送中心；垂直输送项（图6b）大值中心位于低涡西南侧，贡献较弱，贵州境内也有垂直输送项中心；但涡度方程的辐合辐散项（图6c）对低涡增强作用最大，强度超过40×10−10s−2，表明局地的辐合是低涡增强的关键因素，且贵州境内也有散度项大值中心；而倾侧项（图6d）对低涡涡度增长作用相对不大。可以看出：盆地涡位于重庆与贵州大娄山北端过渡区，区域环流与北低南高局地地形相互作用，其散度项的作用最显著，其次是平流项的作用，这很可能与川渝盆地与云贵高原交接处西南—东北走向的地形密切相关。

图6 模拟的2014 年7 月16 日12 时700 hPa 涡度收支各项分布（阴影区，单位：10−10 s−2）（a.平流项，b.垂直输送项，c.散度项，d.倾侧项；黑色圆点为盆地涡中心位置）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）

由图4 可知，贵州涡最强时刻为7 月16 日18 时，并位于贵州西南部，下面主要分析贵州涡周围的涡度收支状况。从7 月16 日18 时700 hPa 涡度方程收支分布（图7）可见，平流项（图7a）正值中心位于贵州涡东南侧，强度约为30×10−10s−2；垂直输送项（图7b）整个强度较弱，对低涡影响较小；散度项（图7c）与平流输送项（图7a）类似，对应有一正值中心，强度超过30×10−10s−2；倾侧项（图7d）与平流输送项（图7a）、散度项（图7c）类似，对应有一正值中心位于低涡正南方，强度为20×10−10s−2，小于平流输送项与散度项。可以看出：与盆地涡类似，贵州涡的发生、发展也是散度项对其增长贡献较大，而平流输送项也有重要作用。并且，随着横槽的不断南压、其东南侧偏南气流东北上，在贵州镇宁以南迎风坡南北向的河谷地形影响下，这种局地地形的特殊激发作用促进了横槽尾部新的低涡生成。

图7 模拟的2014 年7 月16 日18 时700 hPa 涡度收支各项分布（阴影区，单位：10−10 s−2）（a.平流项，b.垂直输送项，c.散度项，d.倾侧项；黑色五角星表示贵州涡中心，黑色圆点表示盆地涡中心）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 参数演变特征

由图2 可知：横槽诱生的双低涡与16 日00 时至17 日00 时的贵州暴雨天气密切相关。下面进一步通过计算Okubo-Weiss（简称OW）参数定量地表达横槽诱发盆地涡与贵州涡发生的旋转和变形作用（Okubo，1970；Weiss，1991；李山山等，2017）。具体计算公式如下

式中，ζ是相对涡度垂直分量，Sn是伸缩形变，Ss是切变形变，OW＞0 时有利于气旋性涡度发展，OW＜0有利于切变线维持。

图8 是横槽诱发双涡阶段模拟的逐3 小时OW 参数。由此可知，盆地涡产生前（图8a），贵渝交界处无显著的OW 参数正负值中心，贵州中北部有一孤立的正值中心，表明横槽南侧急流区内存在旋转性较强的风场。16 日00 时（图8b），随着横槽南侧西南风的侵入，贵州东北部（即横槽顶部）成为正OW 参数中心，对应贵渝交界处形成闭合的气旋性风场，盆地涡初生。16 日03—12 时（图8c—f），受副热带高压（副高）影响，横槽轴线虽向南倾斜，但其位置稳定少动，盆地涡中心周围逐渐出现较强的负OW 参数区，说明受挤压低涡四周风场以变形为主，有利于横槽切变线的维持，16 日12 时，贵州西南部（25.6°N，105.3°E）出现一较强的OW 参数负中心，在其北部伴随着一较弱的正中心。16 日15 时（图8g），盆地涡移至重庆东南部，其中心的OW 参数正值中心范围扩大，同时，贵州西南部（即横槽尾部）的一对OW 参数正、负中心东移至（26.5°N，105.8°E）附近，正OW 参数中心迅速增强，强度超过50×10−10s−2，对应贵州涡在正OW参数大值中心附近生成。16 日18 时（图8h），盆地涡继续移出湖南省，低涡中心维持较强的正OW 参数，而贵州涡在原地发展加强，低涡中心正OW 参数大值区逐渐增大。可以看出：在区域环流与局地地形的相互作用下，盆地涡是由横槽南侧的气旋式风场东扩至横槽顶部而形成，随后盆地涡附近负OW 参数发展使其稳定少动，直至副高东退，而贵州涡是在横槽尾部局地气旋式流场增强而形成的，并在原地稳定维持。

图8 模拟的2014 年7 月15 日21 时至16 日18 时700 hPa 逐3 h（a.15 日21 时，b.16 日00 时，c.16 日03 时，d.16 日06 时，e.16 日09 时，f.16 日12 时，g.16 日15 时，h.16 日18 时）Okubo-Weiss 参数（色阶，单位：10−10 s−2）分布（黑色圆点为盆地涡，黑色五角星为贵州涡）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）

续图8Fig.8 Continued

6 双涡发展的结构和条件及其影响

6.1 低涡的垂直速度分布

由图2—5 可知，低涡出现时段是暴雨发生的重要时段，为了揭示两低涡的生成及其对降雨影响，下面进一步分析模式输出的沿低涡中心附近垂直速度的分布。7 月16 日00 时（图9a），盆地涡初生，低涡中心（29°N，108.5°E）附近出现两个狭窄的上升运动区，强度较弱，降雨位于横槽南侧的急流区内，低涡中心附近无明显降雨。16 日03 时（图9b），盆地涡原地加强，横槽轴线向南倾斜，上一时刻西南侧的上升运动区变动至（28°N，107°E）附近，且其最大上升速度超过−12 Pa/s。16 日06 时（图9c），低涡闭合气旋式环流持续发展，影响范围扩大，中心两个上升运动区都有所加强，上升速度分别超过−14 和−10 Pa/s。16 日09 时（图9d），低涡中心发展并东北移动，轴线方向已呈西南—东北走向，靠西南侧（28°N，108°E）的垂直上升速度超过−22 Pa/s，并延伸至对流层顶，同时，（27°N，106°E）附近出现较弱的上升气流。16 日12 时（图9e），低涡中心靠东北侧（29°N，110°E）的上升速度增至−16 Pa/s，其影响区域也从对流层底延伸至对流层顶，低涡中心出现了强降雨。16 日15 时（图9f），盆地涡迅速减弱，其两个上升运动中心均降至−10 Pa/s以下，（26.5°N，106°E）附近维持着狭窄的上升运动区。16 日18 时（图9g），气旋式环流轴线继续南伸，盆地涡上升运动再次加强，（26°N，106°E）出现另一个低涡（贵州涡），垂直速度超过−22 Pa/s。16 日21 时（图9h）至17 日00 时（图9i），两涡中心上升运动基本维持，但逐步减弱，贵州涡中心垂直运动强度大于盆地涡。

图9 模拟的2014年7月16日00 时至17日00时沿两低涡中心垂直速度分布（单位：Pa/s）（a.16日00时，b.16日03时，c.16日06时，d.16日09时，e.16日12时，f.16日15时，g.16日18时，h.16日21时，i.17日00时）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 双涡热力因子及其降雨影响

由图6 可知，盆地涡最强时刻涡度方程的散度项对低涡贡献最大，表明低涡中心存在较强的气流辐合，而700 hPa 假相当位温的分布（图10a）也表明，7 月16 日12 时，云贵高原东部到川渝盆地东南角为一假相当位温大值带，盆地涡位于盆地东南角冷、暖气团交汇的暖中心内，冷、暖气团中心的假相当位温分别为338 和354 K。强烈的冷、暖气流在盆地涡中心附近相遇交汇，斜压性增强，造成低涡发展及其强降雨。16 日18 时（图10b），原东部假相当位温大值带减弱并南退，但贵州西南部仍维持大值区，贵州涡位于暖中心附近，没有冷平流侵入影响，涡度方程的散度项和平流输送对低涡发展贡献显著（图7），表明贵州涡及其降雨的激发机制更多来自于局地地形对区域环流的动力影响。因此，从以上分析可看到：川渝盆地东南边缘的盆地涡与云贵高原上的贵州涡的演变及其降雨的主要形成机制是有所不同的。

图10 模拟的2014 年7 月16 日12 时（a）与18 时（b）700 hPa 假相当位温（色阶，单位：K）分布（黑色圆点表示盆地涡，黑色五角星表示贵州涡）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 贵州涡形成及其对降雨的影响

由图7、10 可知，贵州西南部的贵州涡是在暖区内由于涡度收支的散度项与平流输送项共同影响而生成的，是一次暖区内的低涡暴雨天气。下面根据局地地形与低层风场的相互作用对其进行分析。图11a 为云贵高原及周边地区的海拔高度分布，贵州西部与云南北部一带为横断山脉的延伸区域，在贵州形成了大致西高东低分布的地形基本特征，并存在不少向东（东南、偏南）的迎风坡局地地形，在与低纬度偏南、偏东气流的相互作用下，极易产生气旋式低压扰动。因此，贵州涡的生成与这种特殊的地形影响密切相关。从贵州涡形成期间850 hPa 风场与经向风零线分布（图11b—e）可以看出，在贵州涡形成初期（图11b），盆地涡位于贵州东北部边缘与川渝盆地交接处，贵州中部以北主要受西北风影响，而以南均为一致的偏南（西南）气流控制，尤其是贵州西南部，低纬度气流只能沿区域地形从广西西北部进入贵州，经向风零线位于贵州中部一带，零线附近存在风向辐合，但强度较弱。随着盆地涡的发展加强和向东北移动（图11c、d），来自盆地涡西侧的偏东北气流进入到贵州西部并向东南转向移动，同时经向风零线南压至26°N 附近，沿地形进入贵州西部的偏南（西南）气流加强，并向北绕流与贵州西北部的偏北（东北）气流在贵州西部相遇，由此出现气旋式流场，形成贵州涡。7 月16 日18 时（图11e）贵州西部的北上西南气流与南下东北气流在本地强烈辐合，气旋式扰动增强，贵州涡也增强发展。由以上分析可知，沿贵州西部地形绕流的偏南（西南）暖湿气流通过涡度收支平流项为贵州涡提供了主要的正涡度场，而在贵州西部南、北两侧的偏南、偏北气流形成的交汇为贵州涡提供了强烈的辐合流场，在局地地形与区域环流的相互作用下，由于辐合流场、正涡度平流的共同影响，导致了贵州涡及其强降雨的发生和加强。

图11 （a）云贵高原及周边海拔高度（色阶，单位：m）和贵州涡出现位置（黑色五角星）以及（b—e）模拟的2014 年7 月16 日09—18 时（b.09 时，c.12 时，d.15 时，e.18 时）850 Pa 风场（矢量箭头，单位：m/s）和经向风零线（青色等值线）分布（绿色阴影表示海拔超过1500 m 的区域）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）

续图11Fig.11 Continued

7 结论与讨论

利用西南区域数值模式系统模拟分析了2014 年7 月15 至17 日川渝盆地—云贵高原一次横槽双涡过程引发的区域强降雨天气，由此解释了在复杂下垫面和地形条件下，盆地涡与贵州涡这两类低涡的物理特征、演变过程、主要成因和相互影响，以及伴随暴雨过程的发生、发展，指出正是在低涡的直接作用下，贵州南部形成了区域性暴雨天气过程。得到的主要结论如下：

（1）基于常规、天气雷达、风云卫星、加密探空等观测资料的同化模拟，西南区域数值预报模式系统较好地再现了此次贵州暴雨天气过程，基本能够揭示其中小尺度细致特征，尤其是降雨的落区与强度，模拟与参照实况有很好的一致性；且对于盆地涡的演变过程、贵州涡的生成发展也与再分析资料基本一致。但是，贵州梵净山、佛顶山、雷公山和云贵高原向湘桂丘陵过渡斜坡面等局地陡峭地形区的强降雨模拟还需进一步改进。

（2）盆地涡生成于贵州与重庆的交界处，低涡中心附近存在较强的垂直上升运动，随着盆地涡的东移，垂直上升运动逐渐加强并伸展到对流层顶。在副高稳定少动，横槽南压及其尾部流场南伸的条件下，贵州西南部（26°N，106°E）附近出现较强的上升气流和正涡度中心，并发展增强，最终形成贵州涡。盆地涡发展阶段，涡度方程的辐合辐散项贡献最大，其次是平流输送项；而贵州涡发生、发展时期，平流项和散度项具有同样重要的作用。

（3）盆地涡的出现与区域大气气旋式旋转程度形成与加强密切相关，由于横槽南侧的强气旋式风场即OW 参数正值中心移至槽线顶部附近诱发生成，副高的稳定维持导致盆地涡附近出现较强的负OW 参数区，有利于切变流场的增强维持，随着副高东退，盆地涡中心正OW 参数中心再次加强，低涡也逐渐东移。而贵州涡的出现也与区域大气气旋式旋转程度形成与加强紧密相关，因为贵州西南部正OW 参数中心的迅速增长及其气旋式流场的形成，诱发其生成并在原地发展增强。

（4）盆地涡演变过程中，低纬度暖湿气流、高纬度干冷气流在贵州东北部和川渝盆地东南角的交汇为盆地涡的发生、发展提供了有利的热力条件，并且，冷、暖气流的交汇及其暖湿气流上升引发了暴雨天气。而贵州涡生成于贵州西南部的暖区内，为暖性低涡系统，暖湿气流与本地局地中小尺度地形的相互作用引发了贵州涡及其暴雨天气。

（5）盆地涡在一定程度上为贵州涡的生成提供了有利的动力、热力环境场，随着盆地涡的发展东移，其西侧的偏东北气流进入贵州西部并转向东南，与来自低纬度沿地形绕流的偏南（西南）暖湿气流交汇，形成了局地强烈的气旋式辐合造成贵州涡暴雨过程。川渝盆地与云贵高原交界处北低南高的陡峭地形、贵州省西高东低的横断山脉延伸区复杂地形及其与低层气流的相互作用对这次盆地涡与贵州涡活动及其暴雨天气的形成有重要影响。最后要强调的是，通过高分辨率数值模式开展对低涡等灾害天气系统的模拟研究，有助于揭示其中小尺度基本结构特征、发生发展规律及其降雨演变成因，并可获得对局地陡峭地形与区域气流相互作用更深刻的认识，为多尺度复杂地形下的数值预报技术发展提供必要基础，同时，在提高数值模式分辨率的基础上，强化关于高原、高山、丘陵、盆地和平原及其之间过渡带地形剧烈变化区及其作用的模式系统描述能力，有利于增强其对中小尺度天气系统及其强降雨精细特征的模拟和预报水平。但是，以上只是一个初步的结果，关于青藏高原及其周边复杂地形与大气环流的多尺度相互作用，如何通过不同的动力、热力过程，激发不同低涡的发生、发展，以及低涡之间的直接与间接影响，并最终引发强降雨天气的具体细节及内在原因还需要基于高时空分辨率的资料，继续深入地开展动力分析和理论研究。