不同路径移出型西南涡对中国中东部降水的影响

毛程燕，马依依，孙杭媛，郑 倩，龚理卿，季 丹，王健疆

（浙江省衢州市气象局，浙江 衢州 324000）

引 言

西南涡是暖季影响我国中东部地区降水的重要天气系统之一［1-4］，其在四川盆地生成后有近四成移出源地影响其他地区，由于移动路径和移动速度不同，其产生降水的空间分布也有明显差异［5］。研究表明，西南涡在春、夏两季出现频次较高，生命史也较长［6-7］，而移出涡源的西南涡，由于环流形势不同，移动的路径也有很大差异［8-9］。西南涡不同象限的云系结构有明显差异因而降水强度和范围也不同［10-11］，暴雨常出现在西南涡移动路径上，且主要出现在其右前方［12-13］，西南涡的垂直结构和降水云类型也不尽相同［14-15］。

近年来，多种卫星遥感资料在西南涡降水云系演变特征及其形成机理等方面获得应用［16-19］：例如“风云”四号A（FY-4A）静止卫星的多通道扫描成像辐射计可用于分析降水云系的水平和垂直结构，从而了解西南涡降水的形成机制和云物理特征［20］；葵花8 号卫星的第13 号通道10.4µm 云顶亮温（black body temperature，TBB）产品可用于识别中尺度对流系统，进而研究西南涡云系的演变特征与降水的强弱关系［21］；而Cloudsat 卫星搭载的云廓线毫米波段雷达则可对西南涡云系进行垂直观测，以此了解云系内部结构特征来分析降水系统的演变特征［22］。此外，1997 年发射成功的热带降雨测量（tropical rainfall measuring mission，TRMM）卫星，对低纬地区进行高分辨率的降水内部结构观测，可应用于西南涡降水的研究［23-25］；而全球降雨观测（global precipi⁃tation measurement，GPM）卫星作为TRMM 卫星的继任者，于2014 年2 月发射成功，其扩展了TRMM 卫星的传感载荷，可延伸至更高纬度，提高了降水的观测范围［26-28］，其 搭 载的双频卫星雷达（dualfrequency precipitation radar，DPR）可对降水云系类别进行观测和区分；而随着我国“风云”二号系列卫星的相继发射，其各类产品被广泛应用与研究，“风云”二号F（FY-2F）静止卫星除了进行常规观测外，还可根据特殊需求对特定区域进行快速扫描观测，其提供的云类型、云顶亮温等变量的演变特征可反映降水云团的云系类型和发展趋势［29］。

由于卫星资料应用时间相对较短，考虑资料的连续性和完整性，本文利用2010—2020 年4—10 月TRMM、GPM、FY-2F 等多种卫星遥感数据结合再分析资料，先采用合成分析法研究不同路径西南涡发生发展期间的高空引导气流特征，分析不同路径下水汽条件以及降水的空间差异，再对不同路径下降水的云系特征进行系统分析，研究其降水率类型，最后分析云系类型以及云顶亮温差异性，以此更好地探讨移出型西南涡的降水机理。本文旨在找出不同路径下移出型西南涡对中国中东部地区降水的影响规律，以期为天气、气候变化的预测提供有用线索。

1 资料与方法

利用美国国家环境预报中心提供的FNL 全球分析资料（final operational global analysis），包含200~1000 hPa19 个等压层相对湿度、气温、经向风、纬向风，海平面气压及500 hPa 高度场资料（时间分辨率为6 h，水平分辨率为1°×1°）；欧洲中期天气预报中心提供的第三代再分析资料ERA-Interim，包括850 hPa和700 hPa高度场、经向风和纬向风资料（时间分辨率为6 h，水平分辨率为0.25°×0.25°）；热带降雨测量（TRMM）卫星提供的降水反演产品3B42RT（时间步长3 h，水平分辨率为0.25°×0.25°，覆盖范围为50°S—50°N），通过微波成像仪和测雨雷达获取数据，再利用亮温数据采用3B42算法得到降水估计量，通过临近插值法得到卫星产品数据在空间上的降水估测值，将3 h的3B42 V7数据累加得到过程降水量数据（http：//disc. gsfc. nasa. gov/datas⁃ets/TRMM_3B42_7）；全球降雨观测（GPM）卫星搭载的双频卫星雷达（DPR）观测资料，双频分别为Ku波段（波长2.2 cm、频率13.6 GHz，水平分辨率为5 km，垂直分辨率为250 m）和Ka波段（波长0.8 cm、频率35.5 GHz，水平分辨率为5 km，垂直分辨率为500 m）［30］；FY-2F 云类型（cloud classification，CLC）和红外通道云顶亮温（TBB）产品（时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.1°×0.1°），其中云分类产品是采用多通道卫星探测数据聚类分析获得，将云的种类分为高层云或雨层云（As/Ns）、卷层云（Cs）、密卷云（Ci dens）、积雨云（Cb）、层积云或高积云（Sc/Ac）（http：//satellite. nsmc. org. cn/portalsite/Data）。所有资料选取时段均为2010—2020年4—10月（暖季）。

根据《天气学原理与方法》［31］，西南涡定义为四川西部地区700 hPa 或850 hPa 上具有气旋性环流的闭合小低压，参考马勋丹等［15］对西南涡的识别方法，需要满足：（1）700 hPa 或850 hPa 高空天气图上存在1条以上闭合等高线；（2）低压或低涡在西南地区（100°E—108°E，26°N—33°N）生成；（3）两种再分析资料中至少有一种能维持两个时次（间隔6 h）以上。本文对西南涡进行识别，筛选2010—2020 年4—10月（暖季）西南涡共计272例，其中在四川盆地一带生成后又在源地消失的有164 例（占60.3%）、移出源地的有108 例（占39.7%，简称“移出型西南涡”），下文仅对移出型西南涡进行分析。

文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2016）1554号的中国地图制作，底图无修改。

2 不同路径移出型西南涡特征

2.1 发生次数

根据移动路径，对移出型西南涡进行分类［15］，即东移型、东北移型、东南移型、西南移型，其中东移型共63 例（占58.3%），东北移型共30 例（占27.8%），东南移型有13 例（占12.0%），西南移型只有2 例（占1.9%，此类西南涡出现概率很小，一般生成后受中层偏东气流影响进入云南后消失）。总体上，暖季西南涡从源地移出后受高空引导气流影响，以东移或东北移为主。

图1为2010—2020 年4—10 月不同路径移出型西南涡发生次数的年际和月际变化。可以看出，近10 a 移出型西南涡发生次数总体呈波动上升趋势，2016 年发生次数最高（17 次），其次为2017 年和2019年（均出现14次）；东移型和东北移型西南涡变化趋势与移出型西南涡总次数变化趋势基本一致，而东南移型西南涡发生次数对移出型西南涡的年际变化影响不大。另外，移出型西南涡生成主要集中在4—7 月，占暖季移出型西南涡总次数的93.4%；东移型和东南移型西南涡主要发生在4—6 月，峰值分别出现在4 月和5 月；而东北移型西南涡最多出现在7月（占33.3%）。

图1 2010—2020年4—10月不同路径移出型西南涡发生次数的年际（a）和月际（b）变化Fig.1 The inter-annual（a）and monthly（b）variation of occurrence times of moving-out southwestern vortex with different paths from April to October during 2010-2020

2.2 环流特征

从108 例移出型西南涡中再挑选典型个例（选择生命史1 d 以上且700 hPa 或850 hPa 始终维持1条以上闭合等高线的西南涡），其中东移型、东北移型、东南移型、西南移型分别为43、25、9、2 例，对不同路径西南涡过程中500 hPa 位势高度场进行合成（图2）分析。东移型西南涡［图2（a）］，青藏高原和孟加拉湾附近均有浅槽，但青藏高原以东至东部沿海高空以纬向环流为主，东亚大槽强度偏弱；西太平洋副热带高压（简称“西太副高”）呈东西带状，且强度不强、脊线位置偏南，588 dagpm 线西伸至110°E 以西。由此表明，东移型西南涡500 hPa 引导气流为平直的偏西气流，有利于西南涡生成后向东移动。东北移型西南涡［图2（b）］，500 hPa 平均位势高度场有明显不同，中国大陆上空青藏高原以东有较深的高空槽，中国中东部基本处于槽前一致的西南气流中，588 dagpm 线从西太平洋延伸至华南沿海，西太副高强度较东移型更强、位置更偏北，120°E西太副高脊线平均位置位于20°N以北。由此可见，东北移型西南涡高空引导气流为槽前西南气流，西南涡由源地生成后随之向东北方向移动。东南移型西南涡［图2（c）］，500 hPa青藏高原以东为高压脊，40°N 以北的强脊与其南侧的弱脊同位相叠加，中国中东部沿岸东亚大槽强度较强，584 dagpm线位于华南上空，引导西南涡生成后向东南沿海方向移动。西南移型西南涡个例较少，近10 a 只有2例，将其合成［图2（d）］发现，西南移型西南涡生成时西太副高与华北高压合并，经向度加大，呈西北—东南走向，西太副高主体最北影响至华北一带，西南涡生成后受暖高压外围引导气流影响向西北方向移动，后因西南地区地形影响转为西南移。

图2 2010—2020年4—10月不同路径移出型西南涡500 hPa平均位势高度场（单位：dagpm）（a）东移型，（b）东北移型，（c）东南移型，（d）西南移型Fig.2 The mean geopotential height field at 500 hPa of moving-out southwestern vortex with different paths from April to October during 2010-2020（Unit：dagpm）（a）the eastward movement type，（b）the northeastward movement type，（c）the southeastward movement type，（d）the southwest ward movement type

2.3 水汽通道

不同路径西南涡对应的水汽通量纬向分布有明显差异。东移型西南涡［图3（a）］，西南至江南地区水汽通量积分大值带较宽广，主要位于长江中下游及其以南地区，近乎东西走向，水汽主要来自西边界孟加拉湾一带，水汽输送大值中心位于华南与江南南部之间。东北移型西南涡水汽通道呈西南—东北走向［图3（b）］，大值带从西南地区延伸至江淮流域，长江流域以北水汽输送异常偏大，中心超过800×10-6kg·s-1；水汽主要来自于南边界，由南海地区输送而来长驱直入可达苏北、华北，水汽带较为狭窄，强度更强，为西南水汽通道，经向分量较大。东南移型西南涡移动时水汽输送带主要集中在华南［图3（c）］，江淮流域上空水汽输送明显减弱，华南上空水汽通道以偏西为主，从孟加拉湾向两广地区输入，在福建南部经向分量才开始增大，可影响至江南北部，强度和范围不大。西南移型西南涡水汽主要来自南海［图3（d）］，北上过程中在20°N 出现分支，一支转向东北、一支转向西北，并与孟加拉湾输送的水汽产生辐合，易造成降水增幅；此路径下华南沿海为东南水汽通道，在南岭一带开始转向，江淮流域转为偏南水汽通道，基本沿着西太副高外围引导气流自南向北输送，所以西南涡在云贵一带生成后受东南气流影响先向西北方向移动，受地形阻挡后转为西南移。

图3 2010—2020年4—10月不同路径移出型西南涡地面至200 hPa水汽通量的垂直积分（单位：10-6 kg·s-1）（a）东移型，（b）东北移型，（c）东南移型，（d）西南移型（彩色填色区表示大小，箭头表示方向）Fig.3 The vertical integral of water vapor flux from surface to 200 hPa of moving-out southwestern vortex with different paths from April to October during 2010-2020（Unit：10-6 kg·s-1）（a）the eastward movement type，（b）the northeastward movement type，（c）the southeastward movement type，（d）the southwest ward movement type（The color shaded areas indicate size and arrows indicate direction）

2.4 降水分布

以上分析表明不同路径西南涡水汽分布有明显差异，因此其产生的降水空间分布也应有一定差别。图4 为2010—2020 年4—10 月不同路径移出型西南涡中国中东部地区过程平均降水量分布。可以看出，东移型西南涡从生成到移出中国大陆，带来的降水主要影响长江中下游及其以南地区［图4（a）］，这与图3（a）中水汽通量大值区分布基本一致；强降雨带位于华南北部至江南中部，极值中心在117°E，28°N 附近，其与水汽通量大值区重合。东北移型西南涡生命史内低涡云系产生的降水落区相对东移型更偏北［图4（b）］，其有两条较强雨带，主雨带由鄂中延伸至华北，次雨带位于赣北至苏南，可能与地形迎风坡降水的增幅作用有关，其降水范围更宽广；对比图3（b）中该路径下的水汽通量大值带，发现雨带大值区比水汽通道位置更偏北，这意味着水汽并非决定长江以北降水的唯一条件。东南移型西南涡降水主要分布在华南地区及其沿海海域［图4（c）］，强降水集中在26°N 以南，降水中心位于海陆交界处；该路径下水汽通量并不是特别强，但降水效率极高，这与海上充足的水汽供应及海风锋辐合加强有关；此外，高空引导气流使低涡系统南移，因而降水落区偏南。西南移型西南涡降水则主要位于广西南部到云南一带［图4（d）］，而中国中东部大部分地区降水偏少，这与西太副高偏强、中东部受下沉气流控制而不利于降水天气出现有关；对比图3（d）可知，东南水汽输送决定了此类路径西南涡的降水强度及影响范围。

图4 2010—2020年4—10月不同路径移出型西南涡中国中东部地区过程平均降水量分布（单位：mm）（a）东移型，（b）东北移型，（c）东南移型，（d）西南移型Fig.4 The distribution of process mean precipitation of moving-out southwestern vortex with different paths in central-eastern China from April to October during 2010-2020（Unit：mm）（a）the eastward movement type，（b）the northeastward movement type，（c）the southeastward movement type，（d）the southwest ward movement type

3 不同路径移出型西南涡降水云系特征

3.1 降水云系类型及其空间差异

GPM 卫星搭载的DPR 雷达可探测降水云系类型，利用垂直廓线方法将降水云系划分为层状云、对流云和其他云系，即当DPR 雷达探测的回波有亮带，则为层状云，若回波中无亮带，但雷达反射率因子超过40 dBZ 或风暴顶高度高于15 km，则定义为对流云，此外则为其他云系［32］。对不同路径西南涡生命史内DPR 探测的降水云系类型进行叠加（图5），发现东移型、东北移型、东南移型3种路径下降水云系类型纬向分布差异较大。由于西南移型只筛选出2013 年2 次典型个例，此时并没有GPM数据，因此西南移型降水云系不进行分析。东移型西南涡在生成和移动过程中降水云系主要集中在25°N—33°N［图5（a）］，由对流云和层状云共同组成，从西南地区沿准东西向逐渐影响江南地区，且30°N以南以对流性降水云系为主，30°N以北以层状云降水为主。东北移型西南涡降水落区相对于东移型西南涡更偏北［图5（b）］，最北可至华北一带，该类型西南涡产生的降水也主要由对流云和层状云共同作用，对流云降水云系镶嵌在层状云降水云系之中，对流性降水云团主要覆盖30°N—37°N 地区，纬度越高层状云降水占比越大。东南移型西南涡降水云系主要集中在27°N以南［图5（c）］，尤其在华南沿海，该类型西南涡产生的降水以对流性降水为主，其对两广地区的降水贡献最大。

图5 2010—2020年4—10月不同路径移出型西南涡DPR降水云系类型的叠加分布（a）东移型，（b）东北移型，（c）东南移型Fig.5 The superposition of DPR precipitation cloud type distribution of moving-out southwestern vortex with different paths from April to October during 2010-2020（a）the eastward movement type，（b）the northeastward movement type，（c）the southeastward movement type

3.2 云分类及亮温特征

选取2017 年5 月10 日14：00（北京时，下同）至12 日14：00、2016 年4 月14 日02：00 至17 日02：00和2016 年9 月9 日08：00 至12 日08：00 3 次西南涡过程分别作为东移型、东北移型、东南移型西南涡的典型个例，应用FY-2F云类型（CLC）产品分析3种路径的西南涡降水云类型（图6）。2017 年5 月中旬东移型西南涡生命期内，对长江中下游影响时段主要是11 日19：00 至12 日14：00，11 日20：00、12 日01：00前后30°N以南中国中东部大部分地区均被密卷云（Ci dens）、卷层云（Cs）和积雨云（Cb）覆盖，尤其是江南地区，当西南涡影响时，区域上空有厚实的积雨云（Cb）和密卷云（Ci dens），说明此次西南涡降水过程中上升运动强烈，云团发展深厚且以对流性降水为主，强降水主要影响范围为25°N—30°N；30°N 以北则主要为层积云或高积云（Sc/Ac）、卷层云（Cs），降水较弱、以稳定性降水为主。2016年4月中旬东北移型西南涡最北影响至40°N，16日05：00、13：00 西南涡中心附近均为密卷云（Ci dens）和积雨云（Cb），其外围则为卷层云（Cs）、层积云或高积云（Sc/Ac），在东北移过程中西南涡加深、云系范围扩大，而江南、华南未受影响地区则始终为晴空或浅薄的各类层状云。2016 年9 月中旬，东南移型西南涡自源地生成后向华南沿海移动，10 日06：00 深厚的积雨云（Cb）和密卷云（Ci dens）主要集中在25°N以南，云系更密实，移动过程中主要为积雨云或密卷云，14：00 降水云团沿东南方向移至华南沿海，而27°N 以北则没有明显降水云团。总之，3 种路径的西南涡移动方向上降水云系多以积雨云（Cb）和密卷云（Ci dens）为主，云团发展深厚密实、降水效率较高，其中东移型西南涡云系沿纬向移动，东北移型西南涡云系则从西南地区向华北地区移动，随西南涡强度变化而变化，而东南移型西南涡云系则更密实、发展更深厚。

图6 2017年5月11日20：00（a）和12日01：00（b）、2016年4月16日05：00（c）和13：00（d）、2016年9月10日06：00（e）和14：00（f）FY-2F云分类（a、b）东移型，（c、d）东北移型，（e、f）东南移型Fig.6 The cloud classification observed by FY-2F satellite at 20：00 BST on 11（a）and 01：00 BST on 12（b）May 2017，05：00 BST（c）and 13：00 BST（d）on 16 April 2016，06：00 BST（e）and 14：00 BST（f）on 10 September 2016（a，b）the eastward movement type，（c，d）the northeastward movement type，（e，f）the southeastward movement type

选取3 种路径下与前文云类型（CLC）同时刻的云顶亮温（TBB）产品，对其演变特征（图7）进行分析，发现2017 年5 月11 日20：00 江西、浙江和安徽一带有较大范围对流云团发展［图7（a）］，TBB 约为-60 ℃，赣北上空有积雨云发展，TBB 达-70 ℃，云顶伸展高度高，对流发展旺盛，之后对流云团逐渐东移并继续增强，云团尺度也逐渐扩展；12日01：00对流云团影响浙江大部［图7（b）］，积雨云基本集中在30°N 及其以南地区，且以东移为主，西南涡的东南象限有明显降水。2016年4月中旬东北移型西南涡在北上过程中与华北冷涡结合并加强，16 日05：00 30°N—45°N 有大尺度的“斜压叶状”云系［图7（c）］，层状云上镶嵌着较强的积状云，中高纬度对流云范围较广但对流不强；13：00随着西南涡东移北上，华北一带发展为“涡旋状”云系［图7（d）］，TBB 最低为-45 ℃，云系位置比东移型西南涡更偏北、影响范围更宽广，在黄海海域上空与冷空气结合后TBB 下降为-55 ℃，降水强度明显加强。2016 年9 月10 日东南移型西南涡在移动过程中TBB 最低为-70~-60 ℃，云团呈块状，强对流云团集中在26°N 以南的两广地区；10 日06：00 最强降水云团出现在广西［图7（e）］，TBB<-70 ℃，云团发展高度较高，14：00 对流云团东移影响广东，云系分裂范围扩大［图7（f）］。综上所述，3 种路径西南涡在移动过程中，低涡中心附近及其东南象限的云团均能伸展到较高高度，云团随低涡强度变化存在强弱和生消演变过程，东南移型西南涡云系发展高度最高，东北移型西南涡云系覆盖范围最广，东移型西南涡云系发展较密实、呈带状。

图7 2017年5月11日20：00（a）和12日01：00（b）、2016年4月16日05：00（c）和13：00（d）、2016年9月10日06：00（e）和14：00（f）FY-2F云顶亮温TBB（单位：℃）（a、b）东移型，（c、d）东北移型，（e、f）东南移型Fig.7 TBB observed by FY-2F satellite at 20：00 BST on 11（a）and 01：00 BST on 12（b）May 2017，05：00 BST（c）and 13：00 BST（d）on 16 April 2016，06：00 BST（e）and 14：00 BST（f）on 10 September 2016（Unit：℃）（a，b）the eastward movement type，（c，d）the northeastward movement type，（e，f）the southeastward movement type

4 结 论

（1）2010—2020 年暖季符合本文识别条件的西南涡共计272 例，其中源地生成后消失的164 例（占60.3%），移出源地的108 例（占39.7%）；东移型西南涡共63 例，占移出型西南涡的58.3%，东北移型西南涡占比（占27.8%）次之；移出型西南涡生成的月份主要集中在4—7 月，峰值出现在4 月，其中东北移型峰值出现在7月（占33.3%）。

（2）不同路径西南涡500 hPa 位势高度场、水汽条件都有明显差异。东移型西南涡高空100°E 以东为平直纬向环流，水汽主要来自西边界；东北移型西南涡移动过程中，青藏高原以东为较深的高空槽，水汽从孟加拉湾而来进入江淮以北；东南移型西南涡生成时高空500 hPa青藏高原以东为高压脊，水汽来自西边界，但水汽条件仅在华南一带较好；而西南移型西南涡生成时西太副高主体往往呈西北—东南向，经向度大，西南涡先沿高压外围引导气流向西北向移动，之后受西南地区地形影响转为西南移，其水汽通过东南水汽通道自西太平洋输送而来。

（3）不同路径西南涡降水落区纬向分布不同。东移型西南涡生命周期内降水集中在长江中下游及其以南地区，华南北部至江南中部有1 条东北—西南走向的较强雨带；东北移型西南涡相对于东移型西南涡降水落区更偏北，有2条较强雨带，主雨带位于鄂中至华北，次雨带位于赣北至苏南；东南移型西南涡降水集中在华南及其沿海海域，受海上水汽供应及海风锋辐合作用影响较大；西南移型西南涡降水则主要位于广西南部到云南一带，中国中东部大部分地区降水偏少。

（4）不同路径西南涡降水云系类型和影响区域的空间差异较大。东移型西南涡降水云系为对流云和层状云共同影响，30°N 以南以对流性降水为主，以北则以层状云降水为主；东北移型西南涡降水由对流云镶嵌在层状云中形成，能影响到华北一带；东南移型西南涡降水云系集中在27°N以南，且以对流性降水为主。3 种路径下西南涡中心附近的降水云系能伸展到较高高度，以积雨云和密卷云覆盖为主，其中东北移型西南涡云系覆盖范围较大，东南移型西南涡云系则更密实深厚，强对流云系呈块状，而东移型西南涡云系则呈东西带状。而对流云或者积雨云基本出现在西南涡移动路径的右前方或西南涡中心附近，这也是强降水所在区域。因此，根据引导气流和水汽特征即可大致确定西南涡的移动路径，再根据云系分布特征预测降水的强度和落区。