气流辐合对高原低涡切变的影响

沈 雨 , 周筠珺 , 李国平

（1. 成都信息工程大学大气科学学院, 成都 610225；2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 210044；3. 湖北省十堰市气象局，十堰 442000）

引言

青藏高原是世界上海拔最高、地形最为复杂的高原，被称为“世界屋脊”。青藏高原有着它独特的环流形势与天气条件，正是这种独特的地理条件诱发了高原低涡以及高原切变线的生成。高原低涡以及切变线都是相伴或者相继出现的，它们的发生、发展、东移都对青藏高原周边及其下游东部地区的灾害性天气有着重要影响[1-6]。

高原切变线是指高原中东部风向或风速的不连续线，是风向或风速发生急剧改变而呈气旋式旋转的狭长气流带[7]。高原低涡是指在500 hPa 等压面上高原地区形成闭合等高线的低压或有3个站点风向呈气旋式的低涡环流，水平尺度一般为500 km[8]。在对高原天气系统的研究中，高原低涡与切变线常常是联系在一起的，被当作一个整体来看待，研究者们也习惯将这样的低值系统称为“低涡切变”。高原低涡与切变线这两种天气系统的发生都伴随有明显的辐合现象。何光碧等[9]在对两次青藏高原低涡东移进行诊断分析后，提出正涡度变率主要受辐合与辐散流场的影响，散度场对低涡的持续发展也有着很大的作用。屠妮妮等[10]通过分析个例，指出水平的辐合辐散在高原低涡的生成阶段起了主要作用。李国平等[11]在对近30年夏季青藏高原低涡的气候特征进行分析后，指出在高原低涡的高发年，低层大气环流场表现出较强的水平辐合。罗雄等[12]的研究表明高原切变线上的辐合带先于涡度带减弱是切变线减弱的信号。何光碧和师锐[13]的研究也指出500 hPa 切变线之上为气流的辐合运动。

综上所述，高原低涡与切变线是青藏高原独有的特殊天气系统，既相互独立，又相互作用，对我国青藏高原以及下游东部地区所发生的灾害性天气有着重要影响。但两者之间如何作用的理论分歧较大[4-5]，物理机理仍不清楚[14]。但可以确定的是，气流辐合在其过程中起了十分重要的作用。因此，进一步加强对高原低涡、高原切变线的研究是十分必要的。本文拟对青藏高原上一次切变线诱发低涡的天气个例进行诊断分析，着重探讨气流辐合在高原低涡切变过程中所发挥的作用，希望能够加深对高原低涡切变作用的认识，进而提升西南地区灾害性天气预报水平。

1 资料与方法

1.1 资料选取

选用时间分辨率为6 h、空间分辨率为1°×1°的ECMWF 再分析资料，对2015年6月12～15日（世界时，下同）青藏高原上的一次切变线诱发低涡的天气个例进行诊断分析。从500 hPa 环流形势（图1）来看，欧亚大陆呈“两槽一脊”的分布特征；乌拉尔山东侧的浅槽逐渐加深发展并且东移，贝加尔湖地区也有一正在衰减的浅槽，中西伯利亚地区的脊随着时间发展增强（图1a）；青海地区有一浅脊，与风场上的反气旋环流相对应，其西侧的西南风与高原北部的东风在34°N 形成高原横切变线（图1b）；随着青藏高原上槽的生成发展，青藏高原大部分地区都变为了较强的西南风，切变线逐渐减弱消失，高原西北部有明显的气旋式环流，高原低涡逐渐生成（图1c）；高原南部的西南气流进一步发展东移，高原低涡也进一步的发展东移，在到达青藏高原中部时达到最强（图1d）。为了研究的方便，将整个低涡切变过程分为3个阶段：6月12日18 时～13日18 时为切变线生成阶段（图1a）；6月13日18 时～14日12 时为高原切变线减弱与低涡生成阶段（图1b 与图1c）；6月14日12 时～15日06 时为高原低涡进一步东移发展阶段（图1d）。

1.2 研究方法

根据Dunkerton[15]和Tory[16]研究热带气旋的成果，热带气旋总是生成在一个正涡度区域，并且这个区域的气流活动以旋转为主，几乎没有变形。而高原低涡、西南低涡与热带气旋有不少相似之处[17]，因此，在研究高原低涡切变时可以利用热带气旋的研究成果。本文使用Okubo-Weiss（以下简称OW）参数来定量描述高原低涡切变过程中气流的旋转、切变形变与拉伸形变。该参数的计算公式如下：

2 低涡切变过程的诊断分析

2.1 低涡切变过程的Okubo-Weiss 参数特征

图2 为2015年6月12～15日低涡切变线过程的500 hPa 相对涡度场和风场，而图3 为此次低涡切变线过程的OW 参数演变特征。由图可知，2015年6月12日18 时高原相对涡度正值区呈东西向的带状分布，并且有两个大值中心区，分别位于西藏东部和青海南部（图2a）；西藏中部地区的OW 参数为负值，其中心值超过了-10-8s-2，是高原切变线生成的区域（图3a），这与李山山等[18]得出的结论一致；高原东部有一较强的低涡发展东移，低涡中心的OW 值超过了-10-8s-2，说明低涡将进一步的发展东移（图3a）。6月13日18 时，相对涡度正值区同样呈东西向的带状分布，高原东部的低涡减弱（图2b）；高原中部的切变线已经形成，高原切变线附近的OW 值很小，负值中心仅仅存在于切变线西侧很小的区域，说明切变线附近气流的拉伸活动和旋转活动均减弱，切变线可能无法继续维持（图3b）。6月14日12 时，高原中部的切变线完全消失，原位置出现相对涡度大值区，其中心强度超过了10-4s-2（图2c），与OW 大值中心区有着很好的对应关系（图3c）；此时的低涡已经完全成形，OW大值中心区气流辐合现象明显，有利于气旋型涡旋的进一步发展，但在低涡北部，OW 仍存在负值中心，说明在低涡形成之后仍存在切变运动的气流（图3c）。6月15日06 时，相对涡度的两个大值中心区分别位于高原中部和东部，低涡移动至西藏北部，强度达到最大（图2d）；此时OW 仍存在大值中心，但中心极值明显减小，且在周围出现了两个负大值区，说明低涡附近的部分气流旋转运动开始减弱，变形活动逐渐增强，低涡发展的势头减小但仍在继续发展（图3d）。从上述分析中发现，OW 正值强度与高原低涡强度呈正相关，OW 正值越大，低涡活动就越强，可以应用OW参数来诊断低涡未来的发展情况。

图2 2015年6月12～15日500 hPa 相对涡度（填色，单位：10-5s-2）和风场（箭头，单位：m·s-1）空间分布（a. 切变线生成前（12日18 时），b. 切变线阶段（13日18 时），c. 切变线减弱且低涡生成阶段（14日12 时），d. 低涡发展增强阶段（15日06 时））

图3 同图2，但为OW 参数（填色，单位：10-9s-2）和风场（箭头，单位：m·s-1）

综上所述，可利用OW 参数对高原上气流的切变活动、拉伸活动进行定量研究，并借此来判断切变线的可能生成区域以及低涡生成之后的发展情况。当OW 值为负值时，气流以变形为主，OW 负值带可以很好地指示高原切变线的可能生成区；当OW 值近似为0 时，切变线变得不稳定，趋于消失；OW 值为正值时，气流以旋转为主， OW 正值强度越大，低涡在之后进一步的发展程度也越强，用OW 正值可以指示高原低涡的后续发展情况。同时，也应当注意到气流的辐合强度与OW 负值中心相关性不大，但是与OW 正值中心有着很好的对应关系，这表明气流辐合在此次“低涡切变”过程中切变线生成阶段发挥的作用不大，但在低涡生成以及低涡进一步发展过程中发挥了重要作用。

2.2 低涡切变过程气流的变形作用

在高原低涡切变过程中，气流往往做变形（拉伸和切变）或者旋转运动。显然，气流做变形运动时更有利于切变线的生成和维持。在不同的低涡切变过程中，拉伸与切变作用也不尽相同。有的过程气流以拉伸为主，有的过程则以切变为主，也有拉伸作用与切变作用相当的时候。

(4)海南省经济发展和碳排放的效率分析。经济发展效率落后：近四年来，海南省碳排放的总效率在0.58～0.70之间，表明海南省经济发展近四年来全部处于DEA无效的状态；规模效率落后：海南省规模效率值在0.58～0.70之间，表明海南省通过增加投入，提高规模效率，而且提升经济发展效率空间巨大；碳排放效率领先：海南省纯技术效率值均等于1，碳排放的改进比率为0，表明海南省通过在全国碳市场启动后，积极参与华南地区碳交易，提升碳排放效率和纯技术效率的空间不大，即全国碳市场启动后广东省和海南省进行碳交易的空间不大。

本节通过拉伸与切变的变形项进一步分析气流的旋转与变形作用，发现气流在此次切变线阶段以拉伸变形为主，几乎没有切变变形（图4）。在切变线生成阶段（6月12日18 时），切变线生成位置有较强的拉伸形变（图4a），有利于切变线的形成。在切变线发展到最强阶段（6月13日18 时），拉伸大值中心也达到最强，中心强度超过了7 ×10-5s-2（图4b）。在切变线减弱阶段（6月14日00 时），拉伸大值区的面积虽然没有减少，但是其中心强度已经明显减小，高原切变线进一步减弱（图4c）。

图4 2015年6月12～15日500 hPa 高原切变线上拉伸（a～c. 填色，单位：10-5s-2）、切变（d～f. 填色，单位：10-5s-2）和风场（箭头，单位：m·s-1）空间分布（a、d. 切变线生成前（12日18 时），b、e. 切变线阶段（13日18 时），c、f. 切变线减弱且低涡生成阶段（14日00 时））

3 辐合影响低涡切变过程的动力学机制

根据刘式适等[19]等的研究，水平风场除了具有旋转和膨胀的性质之外，也具有变形的特点，其特点分别对应气流运动的涡度、散度和总变形，并且这三者之间是互相关联的。本节将由拉伸变形和切变变形方程推导出的总变形方程及涡度方程，对此次青藏高原上切变线减弱、高原低涡生成并发展增强的天气过程进行诊断分析，重点分析散度项在方程中的贡献，并以此来探讨气流辐合在低涡切变过程中所发挥的作用。

3.1 根据总变形方程对切变线阶段的分析

定义总变形公式为：

式中：D为总变形项，E为拉伸变形项，F为切边变形项，E、F表达式同1.2 节。

忽略摩擦作用的自由大气水平运动方程组：

式中：ϕ 为重力位势，f为科里奥利力参数。

其中， σ为散度项，下同。

再将公式（3）对y求导且公式（4）对x求导，并将两者的结果相加可得自由大气水平切变方程：

最后把公式（6）乘以（F/D）且公式（5）乘以（E/D），并将所得的结果相加，即可得到自由大气水平运动的总变形方程：

式中：方程左端为总变形局地变化项；方程右端1 式为总变形的平流项，2 式为总变形的散度项，3 式为β效应项，4 式为总变形的水平位势梯度项。由于高原低涡与切变线均为 α中尺度系统，所以在具体讨论时可以忽略 β效应项的影响[20]。而总变形平流项主要作用于系统的内部，对系统外并没有显著的影响，因此在讨论中也不考虑总变形平流项的影响。

通过对比散度项与拉伸变形项的表达式，不难看出，散度项与拉伸变形项中存在 ∂v/∂y项的符号相反。冉令坤等[21]在对台风莫拉克涡度的拟能分析中指出，当该项为正并且随着时间逐渐增大时，气流散度也随着时间增大，气流拉伸变形则随着时间减小。高原切变线上不但有气流拉伸变形，而且也有气流切变变形。由图4 可知，拉伸变形和切变变形的值既可以是正数，也可以是负数。这就意味着拉伸形变和切变形变的数值大小并不能完全地体现变形程度的强弱。而总变形项是这两项的平方和再开方，其数值大小可以很好地反映气流具体的变形程度。

图5、图6 和图7 分别给出了此次低涡切变过程中总变形局地变化项、散度项和水平位势梯度项的演变特征。如图所示，总变形局地变化项大值区的位置以及其移动方向与高原切变线的位置以及移动有着很好的对应关系，这也与高守亭等[22]对华北暴雨的诊断分析所得出的结论一致。6月13日00 时，高原大部分地区的散度都很小（图略）。此时，高原中部总形变局地变化项的值有正有负，负值区主要集中在高原中西部且面积很小，正值区则呈带状分布且等值线十分密集，大值中心区的强度超过了4×10-9s-2，说明气流在这个位置所做的变形运动的强度将进一步地增加，有利于高原切变线的生成。水平位势梯度项的大值中心区（图7a）与变形场大值中心区几乎一致，这表明此时水平位势梯度项对总变形的影响最大，散度项几乎没有影响。6月13日12 时，已有较弱的高原切变线生成。此时，总变形局地变化项的大值区东移至西藏与青海的交界处（图5b），有利于该地气流变形运动的继续增强；散度的中心强度增加至-4×10-5s-2以上，散度项（图6b）中水平位势梯度的强度减小，但总变形局地变化项仍为正，有利于变形的发生；水平位势梯度项与散度项的作用相当。6月13日18 时，总变形大值区增强并且略微东移，高原切变线已经完全生成；散度的中心强度进一步增强至-6×10-5s-2，散度项也随之增至最强（图6c）；散度项中心大值区域与高原切变线的位置几乎一致，散度项对总变形的影响最大，高原切变线将进一步的增强。6月14日06 时（图5d），总变形局地变化项的大值中心随着高原切变线进一步东移，并且开始减弱；散度中心强度降至-2×10-5s-2以下，散度项对总变形局地变化项几乎没有影响；水平位势梯度项对总局地变化项的影响最大。

图5 2015年6月12～14日500 hPa 切变线阶段总变形局地变化项的演变特征（a. 12日18 时，b. 13日12 时，c. 13日18 时，d. 14日06 时，单位：10-9s-2）

图6 同图5，但为散度项

图7 2015年6月14～15日500 hPa 切变线阶段水平位势梯度项的演变特征（a. 14日12 时，b. 14日18 时， c. 15日06 时，单位：10-9s-2）

综上所述，总变形局地变化项的正大值区对高原切变线的生成区域以及移动趋势有着很好的指示作用。散度项由零转正，在切变线的生成阶段以及增强阶段起了决定性的作用，很好地对应了负散度中心强度的增加，这也意味着气流辐合的增强是高原切变线生成及增强的重要条件。

3.2 根据涡度方程对低涡阶段的分析

将公式（4）对x求导且公式（6）对y求导，并将所得结果相减可得自由大气水平涡度方程：

式中：方程左端为涡度局地变化项，右端1 式为涡度水平平流项，2 式为 β效应项，3 式为散度项。根据何光碧等[9]对高原低涡东移的研究结果，基于涡度方程对气旋性涡旋过程进行诊断分析是合理的。与总变形方程相同，在下文分析中忽略涡度水平平流项以及β效应项的影响。

如图6 所示，散度项的大值中心能够很好地指示高原低涡的生成区域以及其移动的方向。6月14日12 时，散度项正大值区分布在高原低涡生成区以及生成区的前方，有利于高原低涡进一步的东移发展。此时的高原低涡刚刚成形，散度是影响散度项大小的重要因素。6月14日18 时，散度项正大值区随着高原低涡一并东移，散度项大值区中心强度也有了明显的提升，这表明低涡将继续发展东移；散度中心强度提升至-6×10-5s-2，而在经历了一段时间发展过后的涡度强度也有了显著的提升，强度数值远远高于散度；此时涡度对散度项的影响最强。6月15日06 时，散度强度降至-4×10-5s-2，低涡中心与散度项大值区移至西藏与青海的交界处，散度项大值区的强度减弱。而气旋的涡度在此之前一直都呈现上升的趋势，说明散度的减弱遏制了散度项进一步增大的趋势，也抑制了低涡的东移发展。

综上所述，水平涡度方程的散度项能够很好地指示高原低涡的生成位置以及生成后的移动路径。由自由大气水平涡度方程可知，在高原低涡形成初期，散度项的强度主要受散度影响，这意味着气流辐合在低涡形成中期起了很大的作用。在高原低涡形成后，随着涡度的进一步增加，涡度对散度项的贡献比散度更大。高原低涡在移动过程中，散度项受气流辐合减弱的影响比起生成时有了明显的下降，这表示气流辐合的减弱会影响高原低涡的进一步东移发展。

4 结论与讨论

本文选用ERA-interim 再分析资料，通过计算OW参数，诊断分析了青藏高原上一次切变线诱发低涡生成的天气过程，得到如下主要结论：

（1）当OW 值为负值时，气流以变形为主，OW 负值带可以很好地指示高原切变线的可能生成区；OW值趋于0 时，切变线变得不稳定并逐渐减弱；当OW值为正值时，气流以旋转为主，OW 的正值越大，低涡发展程度也越强，OW 正值大小可以指示高原低涡的强度，气流辐合区域与OW 大正值区有很好的对应关系。

（2）此次天气过程切变线以拉伸变形为主。切变线生成阶段，切变线生成位置气流存在较强的拉伸变形作用；切变线成熟阶段，切变线附近的气流拉伸变形运动达到最强；切变线减弱阶段，气流拉伸变形运动减弱。

（3）总变形局地变化项的大正值区对高原切变线的生成区域以及移动趋势有着很好的指示作用。散度项由零转正，在切变线的生成阶段以及增强阶段起了决定性的作用，说明气流辐合的增强是高原切变线生成及增强的重要条件。水平涡度方程的散度项能够很好地指示高原低涡的生成位置以及生成后的移动路径，气流辐合在高原低涡形成的初期起主要作用，辐合强度的减弱会抑制高原低涡进一步的东移发展。本文主要研究了高原上一次切变线减弱、高原低涡生成的天气过程，并重点分析了气流辐合在其中的作用。但需要注意的是，在讨论动力学机制时采用的动力学方程组均只考虑了气流的水平运动，而事实上气流的垂直运动也对低涡切变过程有着很重要的影响，将在后续的研究中进行有针对性的探讨。