影响夏季青藏高原横切变线演变的动力和热力作用分析

高媛 姚秀萍 李山山 王晓芳

1 中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室，武汉430205

2 中国气象局成都高原气象研究所高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都610072

3 中国气象局气象干部培训学院，北京100081

1 引言

青藏高原（以下简称高原）是我国东部灾害性天气的上游关键区（徐祥德, 2009; 师锐和何光碧,2011），在其特殊的地形条件下形成了特有的高原切变线系统（何光碧和师锐, 2014; 姚秀萍等, 2014;李山山和李国平, 2017a; 杜梅等, 2020）。准东西向的高原切变线称为高原横切变线，指出现在高原上空500 hPa 等压面上，三站风向对吹或两站风向对吹且长度大于5 个经距的风场辐合线，主要活动在高原中东部、30°N～35°N 之间，一般呈准静止状态（青藏高原气象科学研究拉萨会战组, 1981; 中国气象局成都高原气象研究所和中国气象局成都高原气象委员会, 2011）。夏半年半数以上的高原横切变线可引发高原暴雨，1/3 以上高原暴雨过程的影响系统为高原横切变线（Zhang et al., 2016; 赵大军和姚秀萍, 2018）。高原横切变线对高原及其下游天气影响深远，加强其相关研究具有重要的实际意义和理论意义。

高原切变线的形成和维持与周边系统及大尺度环流有关，500 hPa 上主要的影响系统有伊朗高压、西太平洋副热带高压、印度季风低压等（彭新东和程鳞生, 1994; 唐洪, 2002; 师锐和何光碧, 2011），200 hPa 主要的影响系统是南亚高压和高空急流（罗雄和李国平, 2018）。动力诊断表明，500 hPa辐合、200 hPa 辐散及宽广的上升运动是高原切变线产生和维持的重要机制（郁淑华, 1994），散度场结构及其演变与高原切变线的生成紧密相关，低层散度负变率带、涡度中心带的出现对预测高原切变线生成具有指示意义（张小玲和程麟生, 2000a,2000b）。边界层非均匀的非绝热加热是很多中尺度过程的触发机制（尹道声, 1979），高原作为天气尺度加热源，其上空非绝热加热对高原切变线形成与维持的影响一直备受气象学者关注（青藏高原气象科学研究拉萨会战组, 1981）。尹道声（1979）认为局地锋生是高原切变线产生的原因，而锋生锋消与高原热源变化密切相关，当有降水发生，热源抬升至中层，锋面也向上发展，切变线随之加强。陶诗言等（1984）通过模拟高原地形及热源强度探究高原热力作用对高原切变线形成的影响，结果表明加入高原热力作用后高原切变线形成发展加速，强度增强。彭新东和程鳞生（1994）通过中尺度数值模拟表明，凝结潜热释放对低涡切变系统的强度和结构具有决定性影响。Guan et al.（2018）研究认为，地表热量水平平流可影响低层高原切变线的运动，而热量垂直输送则影响高原切变线的强度。

20 世纪40 年代，Ertel 提出了位涡（PV）概念，定义为绝对涡度与位温梯度的点乘积。位涡可同时描述大气的动力和热力特征，广泛应用于各种天 气 过 程 的 诊 断 分 析 中（Hoskins et al., 1985;Hoskins, 1997; 寿绍文, 2010）。由于在非绝热过程中，位涡不再守恒，故位涡异常可用来研究高原低涡生成和发展过程中高原地表感热及凝结潜热释放对 其 演 变 的 作 用（Li et al., 2011, 2014, 2018a,2018b; 郑永骏等, 2013; Wu et al., 2018; Zhang et al.,2019; 马婷等, 2020）。罗雄和李国平（2018）利用WRF 模式对一次高原切变线过程进行模拟分析，结果表明，对流层低层中，高原切变线附近正涡度中心与高位涡中心相吻合。

目前，气象学者对高原切变线的动力、热力结构已有了较为详尽的认识，对其演变机制也通过数值模拟（彭新东和程鳞生, 1994; 罗雄和李国平,2018）和多种诊断分析方法展开了深入研究（郁淑华和骆红, 1993; 郁淑华, 1994; 张小玲和程麟生,2000a, 2000b；屠妮妮和何光碧, 2010; 李山山和李国平, 2017b）。然而，虽然关于高原切变线生成及移动机制的研究开展较多，对于动力及热力作用的影响有了较为普遍的认识，但不同个例或者同一个例不同阶段，动力和热力作用有何区别，分别如何影响高原切变线演变，依旧没有很好解答。以往关于高原切变线演变机制的研究多针对某一个例，或不同类别的两个个例对比，其研究结论不尽相同，对高原切变线演变机制的认识难免有一定局限性。此外，从位涡角度开展非绝热加热对高原切变线演变影响的研究工作相对较少。

基于此，本研究选用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium—Range Weather Forecasts，简称ECMWF）提供的的ERA－5 再分析资料，在计算机客观识别高原横切变线的基础上，筛选出14 个位置相同、生命史相当且带来暴雨的高原横切变线个例，采用合成分析方法，以相对涡度垂直分量（以下简称涡度，用 ζ表示）表征合成高原横切变线（以下简称切变线）强度，通过诊断分析，揭示动力和热力强迫对切变线强度演变的作用，以期完善对切变线演变过程的认识、对高原灾害性天气系统发生发展机理的认知。

2 资料与方法

2.1 数据

鉴于欧洲中期天气预报中心（简称ECMWF）提供的ERA-5 再分析资料具有较高的时空分辨率，本研究选用ERA-5 再分析资料开展研究。具体为：1981～2019 年6～8 月，每日24 个时次，水平分辨率1°×1°，垂直方向30 层等压面常规资料。 在个例选取时，使用了中国气象局地面气象站基本气象要素日值数据集（简称V3.0）中的北京时间每日20～08 时及08～20 时的12 小时累积降水资料，时间长度为1981～2019 年6～8 月；时间分辨率为逐日。

2.2 切变线客观识别方法与个例选取

本文采用马嘉理和姚秀萍（2015）、Zhang et al.（2016）和张硕等（2019）提出的客观识别技术，对1981～2019 年这39 年6～8 月期间的高原横切变线进行判识。客观识别技术以纬向风的经向切变、相对涡度和纬向零风速线作为三个参数，将500 hPa上同时满足公式（1）且东西跨度超过5 个经距的切变线确定为高原横切变线。

其中，u为纬向风速，ζ=∂v/∂x−∂u/∂y为相对涡度，x为东西向坐标，y为南北向坐标。

在计算机客观识别所得结果基础上，结合V3.0 数据集中的降水资料，选取用于合成分析的高原横切变线个例。选用的个例需满足如下三个条件（张硕等, 2019）：

（1）位置条件：该高原横切变线位于高原主体（32°～35°N，70°～105°E）范围内。

（2）风场条件：该高原横切变线北侧为偏东风，南侧为西风，处于气旋性环流中。

（3）降水条件：该高原横切变线附近至少5个站点出现暴雨记录（24 h 累计降水量 ≥ 25 mm）。

考虑到高原横切变线的日变化特征，要求所选个例生命期起止时间相同；考虑到合成分析采用静态合成，要求所选个例在生命史各个阶段稳定少动。综合以上条件，尽可能保证样本容量，最终筛选出本研究所用的14 个高原横切变线个例（表1）。所选取的个例生命史均为38 小时，生成于当地时间17 时，消亡于第三日当地时间06 时。本文定义高原横切变线生成首日为D1，下文中将时间统一表示为DNNNLT，其中D 为Day 的缩写，LT 为Local Time 的缩写，LT=UTC+6 h，N 代表任意数字。DNNNLT 表示第N 天，当地时间NN 时刻。例如，D117LT，表示高原横切变线生成首日当地时间17 时。将各时次、14 个个例的物理量进行算术平均，便得到后续研究所需的合成资料。下文中将合成高原横切变线简称为切变线。

表1 用于合成分析的高原横切变线个例生成时间及过程降水情况Table1 Generation time and precipitation of each case of the TSL used for the composite analysis

2.3 非绝热加热的计算

大气非绝热加热由感热加热、潜热加热和辐射加热三部分组成。本文采用倒算法计算大气视热源Q1和大气视水汽汇Q2（Yanai et al., 1992; Li et al.,2014, 2018a, 2018b），其表达式为

利用大气视热源计算大气非绝热加热率Q：

对大气视热源Q1和视水汽汇Q2垂直积分可得到整层大气非绝热加热和视水汽汇：

大气视热源Q1表示单位时间内单位质量大气的非绝热加热程度；视水汽汇Q2表示单位时间内单位质量水汽凝结释放潜热（蒸发冷却）引起的大气增温（降温）；Q为非绝热加热率；Cp=1004.8416 J kg−1K−1，为定压比热；L为凝结潜热，q为比湿；T为开氏温度；v为水平风矢量； ω为p坐标系下垂直速度；κ≈0.2875；p0=1000 hPa；pt为大气层顶气压，取100 hPa；ps为地面气压。

3 夏季青藏高原横切变线的演变过程

本文以特征高度500 hPa 切变线附近相对涡度垂直分量ζ（下简称涡度）来表征切变线的强度。从图1 可以看到，在切变线38 小时的生命史中，500 hPa 切变线强度存在明显的日变化特征，经历了增强（D117LT～D123LT）、减弱（D123LT～D213LT）、增强（D213LT～D222LT）和减弱消亡（D222LT～D36LT）四个变化阶段。D117LT～D123LT 期间切变线发展，进入生命史的强盛时段，ζ逐渐增大，于D123LT 达到第一个峰值，同时也是整个生命期最大值，5.0×10−5s−1。D123LT～D213LT 期间切变线强度减弱，ζ逐渐减小，于D213LT 达到生命期内的最小值，2.6×10−5s−1。此后切变线再次发展，进入次强盛时段，ζ增大，于D222LT 达到第二个峰值，4.2×10−5s−1。D222LT后切变线附近风场改变，ζ骤然减小，到D36LT时后，切变线消亡。与涡度的变化相对应，500 hPa切变线附近位涡的变化也存在明显的日变化特征，经历了两次增强和两次减弱过程。虽然位涡的峰值和谷值均滞后于涡度变化3～4 h，但其变化规律与涡度变化规律相似，在D117LT～D23LT 和D215LT～D33LT 期间逐渐增大，在D23LT～D215LT 逐渐减小。位涡第一次峰值比第二次峰值数值大，因此位涡变化可反映切变线演变过程。

图1 合成高原横切变线附近（32°～35°N，83°～90°E）区域平均500 hPa 相对涡度（ζ，单位： 10−5 s−1）和位涡（PV，单位：PVU，1 PVU= 10−6 m2 s−1 K kg−1）的时间演变。LT：当地时间（LT=UTC+6 h）；D1：切变线生命史第一天，D2：切变线生命史第二天，D3：切变线生命史第三天；A、B、C、D、E 分别代表切变线生命史的五个时刻，下同Fig.1 Time series of the area-averaged (32°–35°N, 83°–90°E) relative vorticity (ζ, units: 10−5 s−1) and potential vorticity (PV, units: PVU, 1PVU=10−6 m2 s−1 K kg−1 at 500 hPa. LT: local time (LT=UTC+6 h). D1: the first day of the TPTSL lifetime; D2: the second day of the TPTSL lifetime; D3:the third day of the TPTSL lifetime. A, B, C, D, and E represent the five moments of the lifetime of the composited Tibetan Plateau transverse shear line (TPTSL) respectively, the same below

根据涡度变化，选择D117LT（时刻A）、D123LT（时刻B）、D213LT（时刻C）、D222LT（时刻D）和D36LT（时刻E）为切变线演变过程中的五个特征时刻，分别称为初生时刻、强盛时刻、减弱时刻、次强盛时刻和消亡时刻，对应切变线生命史分为增强阶段，减弱阶段，次增强阶段和消亡阶段四个阶段。从切变线的空间结构图（图2）可以看到，500 hPa 切变线是东、西风之间的不连续线，呈东西走向。切变线在其演变各阶段均位于高原中部（32°～35°N，80°～100°E）范围内。初生时刻（时刻A）切变线位于83°～99°E，东西跨距最短，约14 个经距；强盛时刻（时刻B）切变线东西跨距最长，超过20 个经距，但其西段发生断裂，这可能是再分析资料水平分辨率较高，计算机客观识别时个别点不满足客观判据造成的。减弱时刻（时刻C）和消亡时刻（时刻E）切变线东段发生了断裂。切变线在演变过程中稳定少动，从初生到消亡仅南北移动2 个纬度，发展过程中（增强阶段和次增强阶段）切变线南移，减弱和消亡阶段切变线北抬。而从过切变线中部的垂直剖面图上可以看到（图2b），强盛和次强盛时刻切变线北倾最为明显，在垂直方向上可伸展到420 hPa，垂直厚度达到2 km。初生时刻切变线在垂直方向略微北倾，伸展高度最低，只有490 hPa。

图2 五个时刻合成高原横切变线的空间结构演变：（a）500 hPa（灰色边界线为海拔 3000 m 以上高原边界）；（b）沿90°E 垂直剖面（灰色部分为地形）Fig.2 Spatial evolution of the TPTSL at five moments (A, B, C, D, and E respectively) at (a) 500 hPa (the solid gray line represents the Tibetan Plateau) and (b) the vertical cross-section along 90°E (the shaded gray area represents the Tibetan Plateau)

综合以上分析，切变线演变过程中其强度和空间结构存在明显的日变化特征。切变线在当地时间午后到夜间在垂直方向伸展、发展南移，凌晨到中午垂直伸展高度降低、北抬、强度减弱。

4 夏季青藏高原横切变线演变过程的诊断分析

4.1 高原横切变线的环流特征

从切变线演变各阶段的高低空天气形势图（图3）中可以看到，500 hPa 中高纬呈现两槽一脊的环流形势，脊位于105°E 附近，呈东北—西南走向。槽分别位于乌拉尔山和125°E 附近。中纬为平直的西风气流，风速较大。切变线处于西太平洋副热带高压和伊朗高压之间的鞍形场中、580 dagpm 低值中心和272 K 温度高值中心内。值得注意的是，切变线强盛时刻（图3b）伊朗高压控制范围最广，西太平洋副热带高压东退至150°E 以东，两高之间的鞍形场范围最大；切变线附近584 dagpm 等值线较其他时刻更平直。消亡时刻（图3d），切变线附近高度场和温度场的闭合低值中心消失。200 hPa上（图3e–h），切变线始终处于南亚高压的北部边缘，与1250 dagpm 闭合等值线基本重合。切变线以北为西风急流带，切变线位于急流入口区南侧。初生时刻西风急流最强，范围最广，最大风速在40 m s−1以上，其入口区南侧的辐散区可能是切变线生成的重要影响因素。在切变线演变过程中，比湿大值区主要位于高原南部，切变线处于比湿大值中心以北的梯度大值区内。强盛时刻，6×10−3g g−1以上比湿大值区的范围最广，切变线处于其北部边缘，偏南风将大量水汽向切变线附近输送。消亡时刻切变线附近6×10−3g g−1以上比湿大值区消失。

图3 合成高原横切变线（a–d）500 hPa 的高度场（黑色等值线，等值线间隔4 dagpm）、温度场（红色等值线，等值线间隔4 K）、比湿（阴影部分，单位：10−3 g g−1）和风场（风向杆，一长风杆代表1.34 m s−1）及（e−h）200 hPa 的高度场（黑色等值线，等值线间隔10 dagpm）和纬向风（红色等值线， 等值线间隔10 m s−1）的分布，阴影部分表示陆地。蓝色粗实线为对应时刻500 hPa 合成高原横切变线。（a，e）时刻A（D117LT）;（b，f）时刻B（D123LT）;（c，g）时刻C（D213LT）;（d，h）时刻E（D36LT）Fig.3 (a–d) Composites of heights (black contour, the contour interval is 4 dagpm), temperature (red contour, the contour interval is 4 K), specific humidity (shaded, units: 10−3 g g−1), and winds (vector, units: m s−1) at 500 hPa. (e–h) Composites of heights (black contour, the contour interval is 10 dagpm) and zonal winds (red contour, the contour interval is 10 m s−1) at 200 hPa, the shaded region represents the land. The bold blue line represents the TPTSL. (a, e) at Time A (D117LT); (b, f) at Time B (D123LT); (c, g) at Time C (D213LT); (d, h) at Time E (D36LT)

综合以上分析，500 hPa 切变线生成于伊朗高压和西太平洋副热带高压两高之间的鞍形场中，处于580 dagpm 闭合低值中心和272 K 高温中心内，比湿大值区的北侧；200 hPa 南亚高压北部边缘、西风急流南侧。

4.2 影响切变线强度演变的动力作用

本节利用涡度方程探究大气动力强迫对切变线强度演变的影响。涡度方程表达式如下：

公式（7）左端为涡度局地变化项，右端依次为涡度平流项、β效应项、涡度垂直输送项、涡度倾侧项和辐合辐散项。

从500 hPa 涡度方程诊断结果看（图4），涡度局地变化项在D113LT～D123LT 和D213LT～D222LT 之间为正值，且在每日19 时达到日峰值。辐合辐散项与局地变化项量级相当、变化趋势一致，在切变线生命史中始终为正值，促进切变线附近涡度增大。涡度倾侧项与涡度局地变化项演变趋势较相似，但比局地变化项提前3 h 达到峰值，这与切变线附近风场分布有关。切变线上空400 hPa 以偏西风为主（图略）， 而500 hPa 切变线北侧为偏东风，南侧为偏西风，故400～500 hPa 间切变线上空水平涡度指向北。在切变线初生时刻，切变线附近的垂直运动分布不均匀，切变线北侧上升运动较强（图5a），故水平涡管北段被抬升倾斜，垂直相对涡度增大。而切变线强盛时刻，切变线处于均匀的−0.1 Pa s−1上升区内，涡度倾侧项的影响减小。β效应项与局地变化项变化一致，但数值较小、变化较为平缓，这是由切变线两侧的风场分布决定的。涡度平流项和垂直输送项则与局地变化项演变趋势相反，这是因为切变线发展时，涡度大值中心位于500 hPa 切变线附近，涡度平流和垂直输送必然使得切变线附近涡度减小。

图4 合成高原横切变线附近（32°～35°N，83°～90°E）区域平均500 hPa 涡度诊断方程各项的时间演变（涡度局地变化项和辐合辐散项的单位：10−10 s−2，其余项单位：10−11s−2）Fig.4 Time series of the area-averaged (32°–35°N, 83°–90°E) vorticity budget around the TPTSL (unit of the tendency and divergence terms: 10−10 s−2,others: 10−11 s−2)

诊断结果表明，切变线附近散度对切变线强度演变起到至关重要的作用。从散度和垂直速度水平分布图上看（图5），四个时次500 hPa 切变线始终处于辐合区中，辐合大值中心与涡度大值中心重合。切变线初生时刻辐合区范围最大（图5a），消亡时刻范围最小（图5d）。200 hPa 上切变线处于辐散区内，辐散中心在切变线的东段，这可能与西风急流的位置有关。从切变线附近散度的高度—时间演变图（图6）上可以看到，500～400 hPa 之间切变线附近的散度存在明显的日变化，每日11～23 时期间辐合作用增强，对应上升运动强；而03～06 时期间辐合作用减弱，对应上升运动也较弱。400～350 hPa 之间辐合辐散作用较弱，300 hPa附近辐合辐散作用交替出现。250 hPa 以上的高层大气始终表现为辐散作用，辐散中心在200 hPa 左右。低层辐合大值中心和高层辐散中心的出现较500 hPa 涡度大值中心提前，对涡度变化有一定的指示意义。切变线生成前，500 hPa 辐合作用最强，可达到−1.8×10−5s−1以上，350 hPa 以上辐散作用最强、辐散层最厚；上升运动达到−0.21 Pa s−1，这可能是3 h 后切变线生成的一个重要原因。D117LT～D122LT 期间，低层辐合作用依然较强，促进切变线发展，但随着切变线发展，涡度平流和垂直输送及水平涡管倾斜等作用增强，对涡度增长的抑制作用逐渐增大，到D123LT 辐合作用减弱到不足以维持涡度继续增长，切变线强度达到生命史的最大值，此后的D20LT～D27LT 期间∂ζ/∂t由正转负，切变线强度逐渐减弱。随着低层辐合逐渐增强，D213LT 起涡度再次增大，到D222LT 达到生命史的次大值。此后伴随低层辐合作用减弱，切变线最终消亡。

综合以上分析可知，散度项是影响涡度局地变化的重要因子，散度变化对切变线强度变化具有指示意义，500 hPa 上涡度最大值（最小值）出现时间滞后于辐合作用最大值（最小值）3 小时。

4.3 影响切变线强度演变的热力作用

大气非绝热加热对天气系统的发展演变起到重要作用，因此有必要探究切变线演变过程中非绝热加热的变化情况。总体来看，大气总非绝热加热与凝结潜热加热数值相当，分布相似，大值中心重合；整层大气非绝热加热 和 整层视热源 随时间变化趋势却不尽相同。具体来看，除18 时至次日06 时期间切变线附近非绝热加热在450 hPa以下出现小范围负值外，其余时刻非绝热加热总是起到加热作用（图7a）。每日11～13 时期间，非绝热加热率随高度递减，大值中心位于500 hPa，这是因为此期间地表太阳短波辐射和感热加热增大，对近地层大气加热效应增强。16～18 时期间，非绝热加热率与视水汽汇大值中心都位于400 hPa 左右，这是因为一天中此时段上升运动最强（图6），大量凝结潜热释放。12～15 时期间，因上升运动和水汽充足，凝结潜热加热在中上层为正值，但在近地层因降水蒸发冷却作用而出现负值。切变线生成前2 h（D122LT），400～450 hPa 之间出现了凝结潜热加热0.5 K h−1的大值中心，这可能是此后切变线生成的重要原因。整层大气非绝热加热和整层视热源随时间变化趋势不同，这与强大的高原地表感热作用关系密切。此外可以看到，切变线附近比湿在每日15LT 达到峰值，且切变线生成前比湿较大，消亡后比湿显著减小（图7b）。

图6 合成高原横切变线附近（32°～35°N，83°～90°E）区域平均散度（填色部分，单位：10−6 s−1）和垂直速度（等值线，单位：10−2 Pa s−1）的高度—时间演变Fig.6 Height–time cross-sections of the area-averaged (32°–35°N,83°–90°E) divergence (shaded area, units: 10−6 s−1) and vertical velocity(contour, units: 10−2 Pa s−1)

位涡（PV）是包含大气动力和热力特征的物理量，且在低层受热力变化影响较大。以往研究表明，位涡可以很好地反映高原低涡的移动和发展情况（Li et al., 2014, 2018b）。本文通过研究位涡变化情况讨论大气非绝热加热对切变线强度变化的影响。

p坐标系下的位涡表达式近似为

图5（a–d）500 hPa、（e–h）200 hPa 的散度场（填色，单位：10−5 s−1）、相对涡度（a–d 中红色实线，单位：10−5s−1）和垂直速度（黑色等值线，单位：10−2 Pa s−1）：（a，e）时刻A（D117LT）;（b，f）时刻B（D123LT）;（c，g）时刻C（D213LT）;（d，h）时刻E（D36LT）。紫色粗实线为对应时刻500 hPa 合成高原横切变线Fig.5 Composites of the divergence (shaded, units: 10−5 s−1), relative vorticity (red contour in a–d, units: 10−5 s−1), and vertical velocity (black contour, units: 10−2 Pa s−1) at (a–d) 500 hPa and (e–h) 200 hPa. The bold purple line represents the TPTSL. (a, e) at Time A (D117LT); (b, f) at Time B (D123LT); (c, g) at Time C (D213LT); (d, h) at Time E (D36LT)

其中， θ为位温，g为重力加速度，f=2Ωsinφ。p坐标系下的位涡诊断方程为

图7（a）合成高原横切变线附近（32°～35°N，83°～90°E）区域平均非绝热加热率Q（填色部分）和视水汽汇加热率Q2（等值线）的高度—时间演变，单位：K h−1；（b）整层大气非绝热加热（黑色实线，单位：W m−2）、整层视水汽源（黑色点线，单位：W m−2）和500 hPa比湿偏差q ′（黑色虚线，q′=qi −qave,qave=qi, i代表不同时次，单位：10−5 g g−1）的时间演变Fig.7 (a) Height–time cross-sections of the area-averaged (32°–35°N,83°–90°E) diabatic heating rate (Q, shaded area, units: K h−1) and the apparent moisture sink (Q2, contour, units: K h−1). (b) Time series of the area-averaged vertically integrated (solid, units: W m−2),vertically integrated (dotted, units: W m−2), and the special humidity departure (short dashed line, units: 10−5 g g−1)

进一步，位涡平流项和非绝热加热效应项均可分为三项：

公式（10）右端从左到右依次为平流项x分量，代表PV 纬向输送；平流项y分量，代表PV 经向输送；平流项垂直分量，代表垂直方向的PV 输送。公式（11）右端从左到右依次为x方向非绝热加热效应、y方向非绝热加热效应和垂直方向非绝热加热效应。

分析五个时刻切变线附近涡度和位涡分布情况可以看到（图8），切变线附近涡度始终在3.0×10−5s−1以上，B 和D 时刻涡度3.0×10−5s−1以上范围大，其余三个时刻范围较小。B、D、E时刻切变线处于静力稳定度（绝对值）大值区中，位涡与涡度分布更为一致，在切变线附近有闭合大值中心。而A 和C 两个时刻，切变线附近静力稳定度绝对值较小，位涡与静力稳定度分布更一致。这说明夜间动力作用对切变线强度影响更为显著。

图8 五个时刻合成高原横切变线500 hPa 相对涡度（填色部分，单位：10−5s−1）、位涡（黑色实线，单位：PVU）和静力稳定度（蓝色虚线，单位：10−4 K Pa−1）分布：（a）时刻A（D117LT）；（b）时刻B（D123LT）；（c）时刻C（D213LT）；（d）时刻D（D222LT）；（e）时刻E（D36L T）Fig.8 Composites of the relative vorticity (shaded area, units: 10−5 s−1), potential vorticity (black contour, units: PVU), and static stability (blue dashed line, units: 10−4 K Pa−1): (a) Time A (D117LT); (b) Time B (D123LT); (c) Time C (D213LT); (d) Time D (D222LT); (e) Time E (D36L T)

利用公式（9）对各时刻切变线附近500 hPa位涡变化进行诊断分析，结果如图9 所示。总体来看，非绝热加热效应项与位涡局地变化项量级相当，变化趋势一致。位涡平流项较其余两项小一个量级。整个演变过程中位涡局地变化项、位涡平流项和非绝热加热效应项均具有明显的日变化特征，在每日的14 时至次日05 时为正值，在20 时达到日极大值（位涡平流项滞后2 h）；在每日的06～13 时为负值，在09 时达到日极小值。导致位涡局地变化项改变的主要原因是非绝热加热效应项的变化。

构成位涡平流项的三个分量量级相同，平流项x分量随切变线强度增大而增大，在切变线强盛时刻和次强盛时刻的后一个时次达到峰值，此后外围低值位涡通过切变线两侧的纬向风向切变线附近输送，平流项x分量开始减小。平流项y分量在切变线生命史前半段以负值为主，后半段转变为正值。平流项垂直分量较其他两项变化平缓，在切变线强度增强的两个时段数值减小，这是因为切变线发展过程中，位涡大值中心位于500 hPa 高度上（图略），此时切变线附近为上升运动，低层低值位涡向上输送必然使得局地位涡减小。在构成非绝热加热效应项的三个分量中，垂直方向非绝热加热效应项量级较大，与总非绝热加热效应项变化趋势一致，对总非绝热加热效应项的变化起到决定性作用（图9c）。

可以看到，近地层位涡对非绝热加热垂直梯度的变化十分敏感。D111LT～D115LT 期间，近地层感热和辐射加热逐渐增强，非绝热加热大值中心位于低层（图7），静力稳定度迅速减小，位涡和涡度相应减小。而进入夜间（D118LT～D25LT）后，高原近地层辐射冷却作用强烈，大气静力稳定度迅速增大，位涡增大，充足的水汽配合增强的上升运动，大量凝结潜热释放，非绝热加热中心抬高；降水的蒸发进一步导致近地层非绝热冷却效应增强，非绝热加热垂直梯度增大，使得500～400 hPa 之间静力稳定度继续增大，位涡增大，切变线生成。位涡和涡度在D123LT～D23LT 期间出现整个演变过程中的最大值。D26LT～D214LT 期间，近地层感热和辐射加热再次增强，静力稳定度迅速减小，位涡和涡度相应减小（图1）。D218LT～D35LT 期间近地层热力情况与D118LT～D25LT相似，位涡增大，但此时切变线附近水汽已减少（图7b），不足以维持前一日的动力—热力反馈机制，随着D36LT 后近地层热力变化重复前一天的循环，位涡和涡度减小，切变线消亡。

综上分析，大气非绝热加热对切变线强度演变具有重要意义，导致500 hPa 切变线附近位涡和涡度日变化的主要原因是非绝热加热垂直分布不均匀，当非绝热加热中心位于400 hPa 左右时有利于切变线发展。

图9（a）合成高原横切变线附近（32°～35°N，83°～90°E）区域平均500 hPa 位涡诊断方程各项：位涡局地变化项（PVT）、位涡平流项（PVA）和非绝热加热效应项（DHE）的时间演变；（b）500 hPa 位涡平流项三个分量：x 分量（PVAX）、y 分量（PVAY）和垂直分量（PVAP）的时间演变；（c）500 hPa 非绝热加热效应项三个分量：x 分量（DHEX）、y 分量（DHEY）和垂直分量（DHEP）的时间演变图。PVT、DHE、DHEP 的单位：10−2 PVU h−1，PVA、PVAX、PVAY、PVAP 的单位：10−3 PVU h−2， DHEX、DHEY 的单位：10−4 PVU h−1Fig.9 (a) Time series of the area-averaged (32°–35°N, 83°–90°E) PV tendency (PVT), PV advection (PVA), and diabatic heating effects(DHE) at 500 hPa; (b) time series of the area-average x component of PV advection (PVAX), y component of PV advection (PVAY), and p component of PV advection (PVAP) at 500 hPa; and (c) time series of the area-averaged x component of diabatic heating effects (DHEX), y component of diabatic heating effects (DHEY), and p component of diabatic heating effects (DHEP) at 500 hPa. Units for PVT, DHE, and DHEP is 10−2 PVU h−1; units for PVA, PVAX, PVAY, PVAP is 10−3 PVU h−1; and units for DHEX and DHEY is10−4 PVU h−1

4.4 切变线演变机制分析

基于上述研究，高原横切变线生成和演变机制如下（图10）：高原近地层热力条件有明显的日变化，午后辐射和感热加热显著，夜间辐射冷却作用强烈。10～15 时，地表短波辐射加热和感热加热使得近地层大气逐渐增温，15 时后500 hPa 出现辐合扰动和上升运动，涡度随之增大；而夜间（00～05 时）近地层的冷却作用强迫500 hPa 辐合作用减小，上升运动减弱，涡度减弱。高原近地层的水汽对切变线的生成和演变至关重要。切变线生成前，高原近地层水汽增加，在日变化引起的上升运动作用下，凝结潜热释放。当水汽增加到某一临界值，潜热释放较大，中层增暖明显，高层气压升高，产生辐散扰动，此时增强的高空急流也提供有利的高层辐散条件。高层辐散增强又进一步使得低层气压降低、辐合增强，高低层相互作用，最终触发切变线生成并在近地层热力日变化的配合下发展达到强盛。此后近地层热力条件重复前一日的变化，但水汽减少，故D222LT 切变线强度没有D123LT强盛。D222LT 后，近地层水汽急剧减少，难以维持上述的非绝热加热反馈过程，随着地表冷却，低层辐合作用减弱、风速减小，切变线最终消亡。

图10 高原横切变线生成机制示意图Fig.10 Schematic of the generation mechanism for the TPTS

综合以上分析，水汽和非绝热加热对切变线的发展演变起到重要作用。日变化引起的上升运动在充足的水汽配合下，大量凝结潜热释放加热大气中层，增强高低空大气的相互反馈作用，从而有利于切变线生成、发展。

5 结论与讨论

本文基于ERA-5 逐小时再分析资料，选取1981～2019 年6～8 月期间，生成于D117LT，持续38 h，消亡于D36LT 的14 个原地生消的高原横切变线个例，采用静态合成的方法，利用涡度收支方程探究影响切变线强度的动力作用，利用位涡收支方程探究大气非绝热加热作用影响，研究了切变线生命史不同阶段，动力和热力作用有何区别、二者之间的相互作用及如何影响切变线强度，并结合诊断结论，给出切变线强度演变的一种可能机制。得到的主要结论如下：

（1）夏季位于高原主体（32°～35°N，80°～100°E）范围内、生命史超过36 h 且引发暴雨的高原横切变线，其特征高度位于500 hPa，强度演变具有明显的日变化特征，在23 时最强，13 时最弱。

（2）500 hPa 切变线生成于伊朗高压和西太平洋副热带高压两高之间的鞍形场中，处于580 dagpm闭合低值中心和272 K 高温中心内，比湿大值区的北侧；200 hPa 南亚高压北部边缘、西风急流入口区南侧。

（3）涡度收支方程诊断表明，散度项是影响涡度局地变化的最重要因素。散度变化对切变线强度变化具有指示意义，500 hPa 涡度最大值（最小值）出现时间滞后于辐合作用最大值（最小值）3h。

（4）切变线演变过程中，切变线发展时位涡随之增大。位涡收支诊断表明，青藏高原上空的水汽和非绝热加热对切变线的生成和演变起到重要作用。当边界层感热和辐射加热增强时，上升运动增强，在充足的水汽配合下，大量凝结潜热释放加热大气中层，高层气压升高，辐散增强，高层辐散又进一步使得低层气压降低，辐合增强，最终触发切变线生成或有利于其发展。

与过去研究相比，本文采用了合成分析的方法研究了一类高原横切变线强度演变机制，所得结论具有一定的普适性。但本文只给出了夏季青藏高原上生成于当地时间午后、消亡于当地时间清晨的一类高原横切变线的强度演变特点及其机制，生命期起止和生命史长短不同的高原横切变线其强度演变是否遵循同样的变化规律，有待深入研究。此外，本文对引发高原暴雨的一类高原横切变线进行诊断分析，发现凝结潜热释放对切变线的发展演变至关重要。对于没有带来暴雨或者没有引发降水的高原横切变线，其演变过程中凝结潜热释放是否依然具有重要意义，值得进一步探究。