地形对西南低涡涡源形成的动力影响作用

地形对西南低涡涡源形成的动力影响作用1王其伟1,2，谈哲敏1,21南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室，南京(210093)2南京大学大气科学系，南京(210093)E-mail: qwwang@摘要：本文主要通过理想条件下的数值模拟，研究了不同气流条件下、不同地形对西南低涡涡源形成的动力影响作用。

结果表明：西南低涡是一种主要由于青藏高原等特殊地形的动力作用所引起的动力性低涡。

在只有地形动力影响的条件下，西南低涡的涡源主要有三个：一个是在四川盆地与青藏高原和横断山脉相连接的陡峭地形附近由于涡管的伸展加强而产生，第二个是四川盆地南侧的横断山脉背风侧的涡度带，第三个是四川盆地北侧沿青藏高原东北侧南移的背风槽所携带的涡度带，这两个涡度源主要与地形动力影响所产生的斜压作用相关。

西南低涡的形成是青藏高原、横断山脉和四川盆地共同作用的结果，也只有四川盆地处于青藏高原背风侧的这种特殊配置形式，才有利于西南低涡的形成。

青藏高原的主要作用是形成其背风侧的背风槽，该背风槽可以沿青藏高原东北侧南移至四川盆地地区，从而加强西南低涡的形成与发展，随后当它向下游移动脱离青藏高原主体后，往往引导西南低涡也向东北方向移动。

在西南低涡形成初期，横断山脉的主要作用是形成其东南侧的涡度带，当该涡度带并入西南低涡时，可以导致西南涡的加强。

在西南低涡形成后，西南涡可以促使该涡度带向其靠拢，但当该涡度带向下游移动时，该涡度带可以拖带西南低涡东移。

四川盆地的作用主要是通过其与青藏高原、横断山脉连接处的陡峭地形而体现，当位于青藏高原、横断山脉上空东移时，气柱在四川盆地地区被拉伸，涡度得到进一步的加强，同时四川盆地特殊的洼地地形，可以进一步积聚涡度，西南低涡得到加强，当涡度凝聚的一定程度，低涡向东移出四川盆地。

低涡移出以后，四川盆地仍继续聚集附近的涡度，然后又产生新的涡旋。

西北、西南向的风都不利于西南低涡的形成，而西风条件下西南低涡一般都能形成，但强的西风不利于西南低涡在源地的维持，更易向下游平流而脱离四川盆地地区。

关键词：西南低涡，青藏高原，横断山脉，四川盆地，涡源，移动路径中图分类号：P41.引言西南低涡是在青藏高原特殊地形和一定环流条件下，出现于我国西南地区对流层低层(700hpa等压面附近)的一种暖性结构的中α尺度系统(水平尺度约300～500km)。

西南低涡是1本课题得到高等学校博士点基金(20030284019)、国家自然科学基金项目(40325014、40333031)、高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划、全国博士学位论文作者专项资金项目的资助。

- 1 -造成我国暴雨的一种重要天气系统，它不仅是西南地区的重要降水系统，同时在夏季，在一定条件下西南涡或其诱生的扰动能沿着梅雨锋辐合带东移，发展成剧烈的天气系统，导致其下游大暴雨的发生[1]。

许多我国历史上罕见的特大洪涝灾害，都与西南涡相联系。

如，陶诗言等[1]通过大量个例分析研究表明：西南低涡是造成中国夏半年暴雨的主要原因之一，当西南低涡在与低槽、冷锋或高空切变线相结合时容易产生暴雨，当同季风辐合区的移动配合适当时易造成大暴雨。

关于西南低涡形成的物理机制，早在五十年代初期开始就有人提出，西南低涡是在青藏高原特殊地形影响下所引起的动力性低涡，并与高原东侧南边北上的暖空气及北边南下的冷空气在此形成显著的切变线有关，是不变的地形与多变流场形势相互作用的结果[2-3]。

在地形的因素方面，多年的统计的结果表明：西南低涡存在着三个最易发生的源区——九龙生成区(100°－103°E，27°－30°N，约占44.7%)、四川盆地生成区(105°－108°E，30°－33°N，约占29.0%)和小金生成区(100°－104°E，30°－32°N，约占19.9%)[4]。

这三个源区分别与青藏高原东南缘衔接的横断山脉、四川盆地以及与四川盆地衔接的青藏高原东北缘相对应。

除了特殊地形对于西南涡形成有着重要的贡献外，作用于这些地形上空的背景风场同样具有重要的影响作用。

总的说来，影响西南涡形成及其位置的主要有三支气流，它们分别为与中纬度西风急流相关的北支气流、南支的季风急流和西太平洋副高影响下的东支气流[5]。

西南涡常年都能观测到，平均每年发生120次，约每3天有一次西南低涡活动[2]。

但由于青藏高原动力、热力作用下的东亚大尺度环流具有明显的季节变化，西南涡的生成和发展在不同的季节表现出不同的特点。

例如，在印度夏季风和梅雨到来之前，西南涡的形成多是由于斜压过程所致(极锋冷空气的侵扰)；而在夏季风和梅雨期间，高空西风急流带往往移到青藏高原北侧，西南涡的形成受极锋斜压带影响较小，这时候影响西南低涡形成的因素更为复杂多变，如，北边侧的西风槽，南边则有东风槽(倒槽)，盛行的西南暖湿季风越过横断山脉、云贵高原在四川地区形成西南低涡，还有青藏高原上空常有小槽、低涡、切变线等中尺度系统东移触发西南低涡生成、发展等[5-7]。

过去二十多年中，人们对西南低涡的形成和演变进行了大量的模拟研究[5-11]、统计分析[2,4,12-13]以及动力学研究[3]，这些研究结果表明西南涡的形成主要是由于地形的影响，或者是类似地形影响下的背风气旋，或者是高空500hpa槽从青藏高原移出后形成，而其维持和发展的主要能量则是来源于积云对流所产生的凝结潜热释放。

这些研究中，关于夏季风成熟期间的西南低涡居多，近年来，东亚季风形成早期西南涡的形成演变机制也受到了关注，在这期间，虽然积云对流所产生的凝结潜热仍然很重要，但对流层上层的短波槽也起到重要的作用，特别在西南涡的初始发展阶段[7,11,14-15]，斜压过程对西南低涡发生发展的影响在夏季风形成早期与夏季风成熟期时有很大的不同[7]。

西南低涡生成以后，据统计，约有20.5%能发展成移动类低涡，其移出路径主要有三条：(1)东北路径(与正北方向的夹角小于60°)，西南低涡由源地经陕西、河南、山东移向我国东北。

沿此路径移动的低涡占移动类低涡的21.2%，主要集中在夏季，年际变化大。

(2)偏东路径(与正北方向夹角介于60°和110°之间)，西南低涡沿长江流域东移入海。

取此路径的低涡- 2 -占移动类低涡的70.7%，年变化小，是西南低涡移动的主要路径。

(3)东南路径(与正北方向夹角大于110°)，西南低涡由源地经贵州、湖南和福建入海。

沿该路径移动的低涡仅占移动类低涡的8.1%，且主要出现在冬、春季，年际变化大[4]。

可见，绝大多数移动性西南低涡都有可能影响到长江中下游地区。

现在，西南低涡及其诱生的扰动，作为长江中下游灾害性天气的扰动源之一[16]。

特别是在每年的梅雨期间，西南低涡或着它诱生的扰动常常能从青藏高原背风侧向东移至长江中下游地区，发展成梅雨锋期间的灾害性的降水系统。

然而，直到现在，人们对西南低涡移动临界条件的认识还不清楚。

综上所述，复杂的地形与随季节变化的复杂多变的流场相配合，使得西南低涡的形成及其演变机制也变得极为复杂。

到目前为止，这些机制尚未有更清楚的认识，相应的理论研究更缺乏。

为了简化问题，针对西南涡形成以及发展，本文通过设计简单的理想流场并配合与实际地形相似的理想化的地形，对西南低涡的形成进行理想的数值模拟，试图进一步理解不同气流条件下、不同地形对西南低涡形成的影响作用，重点讨论：(1)仅从地形动力影响的角度来看，西南低涡存在可能涡源是什么？(2)不同的地形及其相互组合如何影响西南涡形成的？(3)西风带强弱变化及不同风向会对西南涡的形成产生怎样的影响？以及(4)简单流场条件下，地形影响下的西南低涡等背风扰动对下游可能产生的影响？本文第二节介绍实验设计，第三节对模拟结果进行分析和讨论，第四节给处小结及讨论。

2.试验设计2.1 中尺度数值模式本文采用风暴尺度数值模式ARPS(Advanced Regional Prediction System)进行数值模拟。

该模式系统为美国Oklahoma大学的风暴分析和预测中心CAPS (Center for Analysis and Prediction of Storms)发展起来的一个三维非静力可压缩数值区域预报摸式[17-18]。

模式采用地形追随Z坐标和时步分离积分方案，具有先进的边界层等多种物理过程及相应的多种湍流参数化方案，还包括一些初始化理想背景流场的选项，如等熵大气、等温大气、静力平衡的一致稳定度的大气等。

本文模式格点数取125×75×35，水平网格距为Δx=Δy=50km，垂直方向采用拉伸网格，平均网格距Δz=625m，取近地面的最小格距Δz min=50m，以便更好地描述低层气流的过山特征。

2.2 理想地形为了研究青藏高原等地形对于西南涡形成的影响作用，将青藏高原等地形进行理想化，其理想化地形在最大程度上与实际地形几何性质（长度尺度、高度）保持一致。

将青藏高原近似一个高大的椭圆台，四川盆地则近似一个倒立的圆台，横断山脉则是近方状长台形的。

地势从西北向东南倾斜，按中国地形三级阶梯特性，西南低涡主要在一、二级阶梯里形成，相应主要考虑参考高度（这里取第三级地形高度，01000H m=)以上的一、二级阶梯地形的作用。

相应青藏高原、横断山脉和四川盆地的理想化地形廓线取为：- 3 -- 4 -2200220022002(,)()1tanh 21(,)()cos tanh 22(,)()1tanh 2nq q q qx qy nh hy h h hx hy ns s s s x y h x y H H H L L L y x h x y H H H L L x y h x y H H H L π⎧⎧⎫⎡⎤⎛⎞⎪⎪⎪⎢⎥=−−++⎜⎟⎨⎬⎜⎟⎪⎢⎥⎪⎪⎝⎠⎣⎦⎩⎭⎪⎪⎡⎤−⎡⎤⎛⎞⎪⎢⎥=−+⎢⎥⎨⎜⎟⎢⎥⎢⎥⎝⎠⎪⎣⎦⎣⎦⎪⎧⎫⎡⎤⎛⎞+⎪⎪⎢⎥=−−+⎨⎬⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎪⎪⎣⎦⎩⎭⎩⎪⎪⎪ (1) 其中，下标q 、h 、s 分别代表青藏高原、横断山脉、四川盆地。

指数nq 、nh 、ns 越大，地形越陡。

图1为函数22()1tanh 2n x h x L ⎧⎫⎡⎤⎡⎤⎪⎪⎢⎥=−⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎪⎪⎣⎦⎩⎭(由下到上n ＝3,5,7，实线)和函数()cos 2nx h x L π⎡⎤⎛⎞=⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦(由下到上n ＝6,4,2，虚线)的曲线。

图1 理想地形的剖面曲线与参数的关系 h x ⎧⎡⎡⎤⎢=−⎢⎥⎢⎣⎦⎣x h ⎟⎦22()1tanh2n x L ⎫⎤⎪⎪⎥⎨⎬⎥⎪⎪⎦⎩⎭()cos 2n x L π⎡⎤⎛⎞=⎜⎢⎥⎝⎠⎣642753图2 影响西南低涡生成的关键地形：青藏高原、横断山脉和四川盆地。