中国西南部一次东移型暴雨中...旋发展的多尺度地形影响研究_李祥.pdf

李祥,杨帅,杨书运.2023.中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究 J.大气科学,47(1):3452.LIXiang,YANGShuai,YANGShuyun.2023.InfluenceofMulti-scaleTopographicFactorsonVortexDevelopmentduringanEastward-PropagatingRainstormEventinSouthwestChinaJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(1):3452.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21072中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究李祥1,2杨帅2杨书运11安徽农业大学资源与环境学院,合肥2300002中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点试验室,北京100029摘要由观测和数值模拟结果分析发现，2019 年 8 月 56 日中国西南部的东移型致灾暴雨事件中存在三涡（南北双高原涡、西南涡）相继发展并导致暴雨加强和移动的现象。借助数值试验，研究了多尺度地形因子（青藏高原、横断山脉和四川盆地三大地形）各自对涡旋演变的作用。结果表明，横断山脉对西南涡的形成起关键作用，四川盆地影响着西南涡的位置和强度。对于高原涡（南侧高原涡）的移动，四川盆地地形只影响涡旋强度演变，但不会改变高原涡的移动路径。一旦横断山脉被移除，高原涡的东移现象随之消失。进一步分析青藏高原和四川盆地交界处的陡峭地形坡度改变对涡旋发展的影响发现，发现坡度越陡，高原涡移动速度越快，且盆地内二涡合并后的西南涡强度越强。最后借助于倾斜涡度发展理论，解释了不同坡度对涡旋强度演变的影响：随着坡度变陡，倾斜涡度发展系数沿涡旋下滑路径快速减小，对垂直涡度局地倾向的强迫作用，加剧了涡旋的快速加强。关键词暴雨涡旋地形数值模拟文章编号1006-9895(2023)01-0034-19中图分类号P458文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21072Influence of Multi-scale Topographic Factors on Vortex Developmentduring an Eastward-Propagating Rainstorm Event in Southwest ChinaLIXiang1,2,YANGShuai2,andYANGShuyun11College of Resources and Environment,Anhui Agricultural University,Hefei 2300002Key Laboratory of CloudPrecipitation Physics and Severe Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029AbstractUsingobservationandnumericalsimulationresults,werevealthatthreevortexes,namelythenorthernplateauvortexes(TPV1),southernplateauvortex(TPV2),andSouthwestvortex(SWV),developedsuccessivelyduringadisaster-causingrainstormeventinSouthwestChinafromAugust5to6,2019,whichledtotheintensificationandeastwardpropagationoftherainstorm.Throughnumericalexperiments,westudytheeffectsofmulti-scaletopographicfactors(TibetanPlateauTP,HengduanCordilleraHC,andSichuanBasinSB)onvortexevolution.TheresultsshowthatHCplaysakeyroleinSWVformation,whileSBinfluencestheSWVlocationandintensity.ThetopographyoftheSBonlyaffectstheintensityofTPV2butdoesnotchangethepropagationpath.IntheabsenceofHC,theplateauvortexdoesnot收稿日期2021-04-25；网络预出版日期2021-06-16作者简介李祥，男，1996 年出生，硕士研究生，主要从事中尺度天气学研究。E-mail:通讯作者杨帅，E-mail:资助项目中国科学院战略性先导科技专项（A 类）资助 XDA23090101，国家自然科学基金资助项目 41875079、91937301、42175010Funded byStrategicPriorityResearchProgramoftheChineseAcademyofSciences(GrantXDA23090101),NationalNaturalScienceFoundationofChina(Grants41875079,91937301,42175010)第47卷第1期大气科学Vol.47No.12023年1月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJan.2023propagate.TheinfluenceofslopechangeofthesteepterrainattheboundarybetweenTPandSBonvortexdevelopmentwasfurtheranalyzed.Thesteepertheslope,thefasterthepropagationspeedoftheplateauvortex,andthestrongertheSWVafterthemergingofTPV2andSWV.Finally,theimpactoftheterrainslopeontheevolutionofvortexintensitywasanalyzedaccordingtothetheoryofslantwisevorticitydevelopment.Astheslopebecomessteeper,thedevelopmentcoefficientofinclinedvorticitydecreasesrapidlyalongthevortexslidepath,andtheforcingeffectonthelocaltendencyofverticalvorticityintensifiestherapidstrengtheningofvorticity.KeywordsRainstorm,Vortex,Topography,Numericalsimulation 1 引言中国西南地区地形复杂，多尺度地形的热力作用和机械强迫，为西南地区的涡旋形成提供了适宜环境条件，利于夏季活跃的对流发展和降水发生。分别在青藏高原和四川盆地附近形成的高原涡（TPV）和西南涡（SWV）是诱发我国西南山区暴雨的重要涡旋系统。该区域山地暴雨频繁发生，成为中国雨量最多的地区之一，常常造成严重的洪涝和地质灾害（Chenetal.,2019,2020;Fuetal.,2019;周玉淑等,2019;黄楚惠等,2020;李强等,2020;罗亚丽等,2020;Yangetal.,2020）。过去研究已经证实了 TPV 对青藏高原上空降水的重要影响（Gaoetal.,1981;Shenetal.,1986;李国平等,2016;Fuetal.,2019）。根据其是否移出高原，可将高原涡分为两类：一类 TPV 生成于高原、消亡于高原，另外一类则在高原生成后向东移出高原，影响下游降水（江吉喜等,2002;Lietal.,2008;Huetal.,2016;Fuetal.,2019）。统计分析表明，第一类 TPV 占比更大，后一类型发生率则相对较低。然而，一旦 TPV 东移，其伴随的强降水对人口密集的下游地区（如四川盆地和长江中下游地区）影响更大，易引发泥石流、山洪、城市内涝等地质灾害。因此，西南地区强降水过程中的东移型 TPV 及相关物理过程的研究更应引起重视。有关 SWV 和四川盆地暴雨的研究亦大量开展（李琴等,2016;Lietal.,2017;Yangetal.,2017a,2017b;刘晓冉等,2020;罗亚丽等,2020;汤欢等,2020;王晓芳等,2020;蒲学敏和白爱娟,2021;吴志鹏等,2021）。已有研究表明，四川盆地降水与西南涡、低空急流等天气系统有关，具有明显的日变化特征，降水高峰多出现在夜间和清晨（YanaiandLi,1994;Yuetal.,2007;Yinetal.,2009）。Kuoetal.（1986）研究发现，四川盆地地形对 SWV 的形成起主导作用。Fuetal.（2010）根据 Zwack-Okossi 方程，诊断了 2003 年 6 月一次的 SWV 生成的原因，发现潜热释放和辐合是 SWV 形成的两个最重要的因素，分别占涡度方程总强迫项的42%和 15%，通过个例分析归纳出热力比动力作用对 SWV 的形成更为重要。需要指出的是，复杂地形强迫与涡旋演变和降水发展显著相关，多尺度地形对涡旋发展作用的研究是我国西南涡暴雨研究的重要方面。WangandTan（2014）利用理想模拟方法研究了高原地区SWV 形成的地形控制要素，认为青藏高原和横断山脉在控制西南涡的位置和规模上起主导作用，并为西南涡的形成提供涡流源。地形降水的日变化和对流系统的移动，与山地平原热力环流（MPS）有明显联系，该 MPS 环流是由于高原较高海拔的山地下垫面与平原上空同一水平高度处的大气热力差异造成的，导致下午时段的降水主要集中在山地，午夜降水则出现在平原地区（Qianetal.,2015;Zhangetal.,2019），降水落区与 MPS 环流上升支对应（SunandZhang,2012;Zhangetal.,2018,2019）。根据观测和模拟结果（Kuoetal.,1986;WangandTan,2014），地形的动力效应则主要表现为频繁发生的高原背风涡旋（如这里的 SWV）。特别是在四川省及其附近地区，由于青藏高原、横断山脉和四川盆地组成的复杂多尺度地形影响，为局地暴雨的准确预报带来很大困难，甚至影响高原和盆地交界处陡峭地形过渡区的数值模式稳定运行。因此，需要进一步研究多尺度地形对暴雨及相关降水物理过程的作用，找出关键地形要素以期完善地形相关物理过程参数化方案，来改进山地降水的模拟和预报。应当加强多尺度地形对涡旋发展作用的研究，找出高原涡、西南涡旋增长的关键地形归因，进而从地形要素角度出发改进涡旋降水的模拟和预测。以往研究多围绕复杂地形对西南地区降水的综合作用展开，而分离三大地形单独的贡献、剖析其对降水和涡旋移动各自影响的研究较少。特别是对于致灾严重的东移型涡旋降水，更应该探讨多尺度地形及相关物理过程对涡旋演变和降水的影响。在1期李祥等：中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究No.1LIXiangetal.InfluenceofMulti-scaleTopographicFactorsonVortexDevelopmentduringan.35青藏高原、横断山脉和四川盆地三大地形中，究竟哪种地形要素对涡旋的增长起关键作用？青藏高原和四川盆地交界处的陡峭地形坡度对涡旋发展有何影响?这些都是本文研究的重点。为解决这些问题，我们借助于 2019 年夏季青藏高原至四川盆地的一次东移涡旋降水事件，通过数值模拟和理论分析，研究了多尺度地形因子对涡旋演变的各自作用。2 数值模拟、试验设计与方法 2.1 模式本文采用中尺度 WRF（V4.0）模式对 2019年 8 月 5 日 00:00 至 6 日 18:00（协调世界时，下同）的山地暴雨过程（降水分布如图 1 所示）进行了数值模拟，模拟区域覆盖中国西南地区（图 2），水平网格点为 460（纬向）360（经向），水平格距 3km。模拟方案采用 YSU 边界层参数化方案（Noahetal.,2001）、Noah 陆面过程参数化方案（Chen and Dudhia,2001）、RRTM 长 波 辐 射 和Dudia 短波辐射方案（Dudhia,1989），以及 WSM5微物理参数化方案（HongandLim,2006）。模式积分的初始和侧边界条件由 NOAA 的 0.50.5的 GFS 再分析资料提供，观测降水为中国自动站与 CMORPH 降水产品融合的 0.10.1分辨率的逐小时降水场产品。2.2 试验设计理想地形构建和敏感性试验设计如图 3 和表 1所示。本文开展两组试验，第一组试验用于分离三大地形的单独效应，探讨其各自对涡旋演变的影响（见表 1 中 Group1，及图 3ae 中不同地形组合情景）；第二组试验研究陡峭地形的坡度改变对涡旋移动的影响（见表 1 中 Group2 和图 3f）。这里构造与真实地形（图 3a）几何形状相似的理想地形（图 3b），有如下两点优势：一是在保证尽可能逼近真实模拟效果的同时，易于分割出某单一地形，方便与其它地形情景组合；二是通过在青藏高原和四川盆地相邻区域设置坡度调节系数，灵活改变陡峭地形坡度。其中，理想地形组合的几何形状由椭圆、圆、近圆角矩形组成（如图 3b 所示），来分别近似青藏高原、四川盆地和横断山脉（图 3a），图 3b 所示区域的中心点位于（30N，100E），靠近青藏高原和四川盆地的交界处。参考中国地形图数据，青藏高原和四川盆地的中心点位置设置为以上中心点位置相对距离（750km，400km）和（500km，50km）处。其几何图形根据曲线方程（1）至（4）绘制（WangandTan,2006,2014）。方程（1）为青藏高原地形设置方程：hq(x,y)=(HqH0)|1tanh|2(x2Rqx+y2Rqy)5|+H0，（1）其中，hq指构建的青藏高原地形，青藏高原整体形状参数表示为长半轴为 Rqx=1450km，短半轴为Rqy=725km 的椭圆形，H0=1000m，为陆面参考高度，该设置是因为除了四川盆地以外，西南涡基本在 1000m 以上发展；Hq=5000m，为青藏高原平均海拔高度。方程（2）为横断山脉地形设置方程：hh(x,y)=(HhH0)|1cos(2RhxLhxRhx)4|cos(2LhyRhy)2+H0，（2）其中，hh指构建的横断山脉地形，横断山脉呈近圆角矩形，圆角矩形的宽度为 Rhx=500km，纵长为 Rhy=800km，从青藏高原和横断山脉的交界点东南向伸展 25，Hh=5000m 为横断山脉的最高海拔。对于模拟域中任一点（x，y），Lhx是该点到横断山脉中央脊线的最短距离，而 Lhy为该点到正交横断山脉中央脊线的线段的最小距离，注意这里的正交线特指过区域中心点（30N，100E）的那条线段。方程（3）为四川盆地地形设置方程：hs(x,y)=(HsH0)|1tanh|2(x2+y2Rs)3|+H0，（3）其中，hs指构建的四川盆地地形，Hs=500m 为四川盆地的基底高度。方程（1）和（3）中的 x、y分别代表的是模拟域中的一点到青藏高原和四川盆地中心点的 x 轴、y 轴方向上的距离。方程（4）构造出我国西南部的主要大地形，为联合三大地形的联立方程：hqhs(x,y)=max(hq,hh)121+sin(2LsRs0.3Rs)+hs1121+sin(2LsRs0.3Rs)，（4）其中，Ls是模拟区域中任一点（x，y）到四川盆地中心点的距离；首先将青藏高原和横断山脉联合，大气科学47卷36ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47图12019 年 8 月 5 日（a1、a2）00:00、（b1、b2）06:00、（c1、c2）12:00、（d1、d2）18:00 和（e1、e2）6 日 00:00（协调世界时，下同）观测（左列）和模拟（右列）的 6 小时累积降水量（彩色阴影，单位：mm）。灰色阴影表示地形高度，单位：mFig.1Observed(leftcolumn)andsimulated(rightcolumn)6haccumulativeprecipitation(colorshaded,units:mm)at(a)0000UTC,(b)0600UTC,(c)1200UTC,(d)1800UTC5,and(e)0000UTC6August2019.Thegraylinerepresentsterrainheight(units:m)1期李祥等：中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究No.1LIXiangetal.InfluenceofMulti-scaleTopographicFactorsonVortexDevelopmentduringan.37地形高度设置为二者的最大值 max(hq,hh)，然后在比邻四川盆地附近0.3Rs的地形重叠区域，设置地形高度渐变，避免过渡带地形突变引起的模拟结果不确定性和模式积分不稳定。根据方程（4），将青藏高原、横断山脉和四川盆地联合起来，构造出我国西南部的主要大地形，此理想地形能较好抓取我国西南地区的主体地形特征；另外通过将地形坡度系数从0.3Rs调整到0.8Rs、2.0Rs、4.0Rs、6.0Rs，可灵活设置地形陡峭或缓坡，其垂直剖面如图 3f 所示。所有试验使用相同的初边界条件，模拟时间为 2019 年 8 月 5 日 00:00 至 6 日 18:00，积分持续42 小时。CNTL 试验使用平滑后的真实地形（图3a）。图 3b 为构造的三大地形总体几何特征。表 1 中的IDEAL_ALL、IDEAL_TP+HC 和 IDEAL_TP 分别使用不同的理想化地形组合，如图 3ce 所示。这些试验的目的是检验几大主要地形对涡旋发展的各自影响。Group2 试验中（表 1），分别设计了 Ideal_0.3Rs、Ideal_0.8Rs、Ideal_2.0Rs、Ideal_4.0Rs、Ideal_6.0Rs 模式运行来研究坡度变化对涡旋移动的影响。图 3f 显示了在 TP 和 SB 交汇处，通过调整坡度系数，具体的坡度变化情况。2.3 方法2.3.1涡度方程为了诊断强降水过程中的涡度发展，采用了笛卡尔坐标下的垂直涡度方程（Huangetal.,2019）：tVort=(ux+vy)-HA wzVA+(wyuzwxvz)-Til(+f)(ux+vy)-Div+12(xpyypx)-SolenoidvfyCoriolis+RES，（5）其中，为相对涡度的垂直分量，f 为科氏参数，p和 分别为气压和密度。Vort 项为涡度的局地倾向，HA 项和 VA 项分别代表水平输送和垂直输送，Til为扭转项（可表征水平涡度向垂直涡度倾斜的程度），Div 为辐合辐散（或伸缩）项，Solenoid 为力管项，Coriolis 项表示纬向位移引起的垂直涡度变化，最后一项 RES 为剩余项。2.3.2倾斜涡度发展由倾斜涡度发展理论（WuandLiu,1998;Cui表 1 试验设计与描述Table 1 Experiment design and description试验名称试验描述Group1研究三大地形（TP、HC和SB）各自对涡旋演变的作用CNTL真实地形IDEAL_ALL理想地形（TP+HC+SB）IDEAL_TP+HC青藏高原和横断山脉的理想地形（TP+HC）IDEAL_TP只有青藏高原的理想地形（TP）Group2研究坡度改变对TPV2移动的影响IDEAL_0.3Rs坡度为0.3Rs的理想地形IDEAL_0.8Rs坡度为0.8Rs的理想地形IDEAL_2.0Rs坡度为2.0Rs的理想地形IDEAL_4.0Rs坡度为4.0Rs的理想地形IDEAL_6.0Rs坡度为6.0Rs的理想地形注：TP、HC、SB分别代表青藏高原、横断山脉、四川盆地；Rs为地形坡度系数。图2高原涡 1（TPV1，紫色曲线）、高原涡 2（TPV2，蓝色曲线）、西南涡（SWV，黑色曲线）三涡的移动路径Fig.2Propagation paths of plateau vortex 1(TPV1,purple curve),plateauvortex2(TPV2,bluecurve),andsouthwestvortex(SWV,blackcurve)大气科学47卷38ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47z 0etal.,2003），可以通过计算倾斜涡度发展系数CD的变化，来解释拉格朗日质点沿着等熵面下滑时垂直涡度的发展。倾斜涡度发展可以描述为“即在空气质点沿着向上凸的陡峭等熵面下滑或者沿着向下凹的陡峭等熵面上滑过程中，如果 CD减小，当静力稳定度即大气趋于中性层结时，空气质点的垂直涡度将会迅速加强”。CD的表达式为CD=xyxy/z(z 0)，（6）式中，xy、xy、z分别为涡度矢量的水平分量、dCD/dt 0位温梯度的水平和垂直分量。其中，是垂直涡度发展的强迫项，因此沿着涡旋下滑路径CD减小越多，其对垂直涡度发展的贡献越大，更多推导和理论解释，详见 WuandLiu（1998）和Cuietal.（2003）等。3 结果分析 3.1 暴雨事件概述及天气形势2019 年 8 月 5 日 00:00 至 6 日 18:00 的中国西图3表 1 中 Group1 不同数值试验中的地形设置：（a）平滑的实际地形；（b）理想地形的总体特征；（c）模拟区域内 IDEAL_ALL 试验的青藏高原、横断山脉、四川盆地组成的理想地形；（d）IDEAL_TP+HC 试验的青藏高原和横断山脉理想地形；（e）IDEAL_TP 试验的青藏高原理想地形。（f）表 1 中 Group2 坡度改变试验中各地形坡度的设置Fig.3VariousterrainconfigurationsfordifferentnumericalexperimentsinGroup1simulationinTable1:(a)Smoothedrealterrain;(b)overallcharacteristicsoftheidealterrain;(c)idealterrainsconsistoftheTibetanPlateau(TP),HengduanCordillera(HC),andSichuanBasin(SB)inIDEAL_ALLrun;(d)IdealterrainsoftheTPandHCforanIDEAL_TP+HCexperiment;(e)idealterrainsofTPinIDEAL_TPrun.(f)DifferenttopographyslopesforGroup2experimentinTable11期李祥等：中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究No.1LIXiangetal.InfluenceofMulti-scaleTopographicFactorsonVortexDevelopmentduringan.39南地区暴雨经历了由青藏高原向四川盆地的东向移动（图 2），24 小时的累积降水超过 260mm，造成了特大洪水和严重的次生地质灾害。降水首先在高原上发生，呈零散分布，至 8 月 5 日 00:0006:00（图 1a1 和 b1），最大降水中心位于（33N，103E）。之后在高原主体降水消失（图 1c1），主雨带移至青藏高原东南边缘，5 日 12:00 出现 3个降水中心。6 小时后（图 1d1），四川盆地降水趋于稳定，而沿高原和盆地陡峭地形分布的雨带则逐步与盆地内降水中心合并，之后雨带在四川盆地内继续向东移动，雨带呈东北西南向分布（图 1e1）。图 4 给出了此次暴雨事件的天气形势分析结果，包括 500hPa 高度上的位势高度（黑色等值线）、相对涡度（彩色阴影）和温度场（红色等值线）的空间分布。初始阶段高原上首先出现高原涡（图 4a），583dagpm 位势高度中心闭合，涵盖了涡度大值区，图42019 年 8 月 5 日（a）00:00、（b）06:00、（c）12:00、（d）18:00、6 日（e）00:00 和（f）06:00 基于 GFS 资料的 500hPa 相对涡度（填色，单位：105s1）、位势高度（黑色等值线，单位：dagpm）以及温度场（红色等值线，单位：C）分布Fig.4Distributionsofrelativevorticity(shaded,units:105s1),geopotentialheight(blackcontours,units:dagpm),temperature(redcontours,units:C)at500hPalevelbasedonGFS(GlobalForecastingSystem)dataat(a)0000UTCAugust5,(b)0600UTCAugust5,(c)1200UTCAugust5,(d)1800UTCAugust5,(e)0000UTCAugust6,and(f)0600UTCAugust6,2019大气科学47卷40ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47继而涡旋逐渐向东北移出高原（图 4b），将此高原涡称为高原涡 1（TPV1）。5 日 12:00，在 30附近出现两个新的涡旋，一个在位于青藏高原，另一个在四川盆地内（图 4c 和 d），这在 5 日 18:00 可以清楚的观察到两个闭合的 583dagpm 位势高度闭合中心（称为高原涡 2 和西南涡，即 TPV2 和SWV），并匹配强涡度分布（图 4d）。随后 TPV2和 SWV 东移并逐渐开始合并（图 4e 和 f），在四川盆地上空维持数小时后东移出目标区域（图 4f）。整个暴雨过程伴随三个涡旋的相继发展、合并、东移（图 4af），涡旋的发展位于温度槽前的暖异常区。3.2 模拟降水结果检验图 1a2e2 为模拟的 6 小时累积降水量演变，与观测（图 1a1e1）对比可见，虽然初始阶段模拟的高原降水偏强（图 1a2 和 b2），但雨带的落区、走向与实况较为一致，强降水中心的强度和所在位置与观测也有较好的对应，尤其是在降水强烈发展的 5 日 12:00 至 6 日 00:00 期间（图 1c1、d1、c2 和 d2），雨带的走向模拟准确，降水中心强度相当；6 日 00:00（图 1e1 和 e2），观测雨带呈西南东北走向，盆地内降水中心的强度和落区模拟较好，但四川盆地内 32N 以北降水模拟偏弱。总的来说，尽管某些时次降水模拟在细节上和实况有所偏差，但在强降水期间，模拟降水基本可再现雨带的分布模态、强度演变和移动过程。3.3 暴雨事件的涡旋演变特征3.3.1水平分布图 5 为模拟的涡旋演变，再现了高原涡 1（TPV1）的东北向移动（图 5ae），以及高原涡2（TPV2）和 西 南 涡（SWV）合 并 加 强 东 移（图 5dl）的过程。相较于再分析资料（图 4），模拟的涡度较强，这可能与数据分辨率有关。5 日00:00（图 5a），青藏高原上空有闭合低压中心（蓝色等值线所示的位势高度）出现，并伴随有一个大范围的强涡度区（阴影），涡度最大值达2.0104s1，随后东北向移出模拟区域，强度减弱，5 日 12:00 可以看到高原上空的 TPV1 强度已经大大衰减。但随着 TPV1 的减弱，南部高原的TPV2 和四川盆地的 SWV 逐步发展，5 日 18:00 南部的两个涡度中心清晰可见；5 日 15:0021:00，TPV2 和 SWV 合并加强，6 日 00:00 在四川盆地上空出现闭合等高线，随后西南涡在盆地稳定维持，涡度峰值大于 7.0104s1，随后合并的涡旋进一步向东移出模拟区域。3.3.2垂直分布图 6 是相对涡度（彩色阴影）、垂直速度（蓝色等值线）和降水量（下方黑色直方图）的垂直剖面图，空白区域为地形。由图 6 的涡度垂直伸展和演变，可以清晰看出 TPV2（涡旋中心位置由左侧竖线标定）在从高原上空东移、下坡至盆地的移动路径及其与 SWV（涡旋中心位置由右侧竖线标定）的合并过程。5 日 10:00（图 6a），99E 附近的高原上空有涡度向上发展，强度较弱，小于 5.0104s1，同时伴随有较弱的垂直运动和降水；5 日12:00（图 6b），四川盆地 104E 附近上空开始有弱涡度和垂直运动产生，同时盆地内发生降水，此时高原上空的涡度强度和范围都增加，对流发展至 12km 以上的高空，TPV2 中心涡度向东移动至99.7E；5 日 14:00，TPV2 中心和强对流东移至100E，高原和盆地内的对流活动进一步发展，两地的涡度、垂直运动和降水均显著增强，TPV2 的涡度大于 7.0104s1，而四川盆地内的 SWV 向上伸展至 10km 高度，盆地内的降水增加；5 日16:00，TPV2 和 SWV 进一步向东移动，SWV 经历了剧烈发展，对流活动旺盛；5 日 18:00，两个涡旋开始合并加强，可以看到盆地内有两个明显的降水大值中心，同时盆地内的涡度发展达到最强，超过 8.0104s1；至 5 日 20:00，两个涡旋完成合并。与涡旋演变的平面图一致（图 5），从其垂直剖面亦能较好反应 TPV2 和 SWV 的发生发展和移动的过程（图 6），并能清晰看出其空间垂直伸展。图 7 为涡度、垂直运动和降水沿图 5c 中黑色线段的垂直剖面，演示了 TPV1 的垂直伸展及的伴随对流和降水演变。5 日 01:00（图 7a），涡旋和降水中心位于在 103E 以西，5 日 02:00 低涡中心和对流迅速发展（图 7b），5 日 03:00（图 7c），TPV1 和强对流东移至 104E，降水在此迅速发展。随后（图 7df），强涡度和垂直运动中心继续东北向移动，强降水随之移动，并逐渐移出模拟区域。3.3.3涡旋的时间演变图 2 为三个涡旋的路径和生命史。高原北部的 TPV1 先发展，生命史集中在 5 日 00:0017:00（图 2 中紫色折线），在高原上空生成后东北向移动，于 5 日 17:00 逐渐消散；期间高原南部的TPV2（蓝色）和四川盆地的 SWV（黑色）分别1期李祥等：中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究No.1LIXiangetal.InfluenceofMulti-scaleTopographicFactorsonVortexDevelopmentduringan.41于 5 日 08:00 和 11:00 在高原上空、盆地南部相继生成，TPV2 逐渐东移，22:00TPV2 和 SWV 合并、加强、东移，于 6 日 15:00 移出模拟区域。图 8 给出了三个涡度的涡度、伴随的对流和降水的时间演变特征，左列为 TPV1（图 8a,c,e），右列为 TPV2+SWV（图 8b,d,f）。在 TPV1 生命史集中的 5 日 00:0017:00（图 2），有正涡度带在 99106E 之间扩展（图 8a），强度达 6.0104s1，同时伴随对流发展（图 8c）和降水生成（图 8e），垂直速度的强度约 0.3ms1，降水量2.5mmh1；5 日 10 时之后，TPV2 和 SWV 接力发展，其涡度带（图 8b）、对流带（图 8d）、雨带（图 8f）明显，相较于北部的 TPV1 强度都显著增强，涡度最大值超过 8.0104s1，垂直速度的最大强度0.5ms1，降水强度超过 3.5mm。南部的两个涡旋，是此次暴雨的主要影响天气系统，其合并加强和移动及伴随的对流发展，是此次暴雨形成的主要原因。图52019 年 8 月（al）5 日 00:00 至 6 日 09:00（间隔 3 小时）模拟的 500hPa 相对涡度（填色，单位：105s1）、位势高度（蓝色等值线，单位：dagpm）分布（红色等值线代表 3000m 地形高度）Fig.5Evolutionofsimulatedrelativevorticity(colorshaded,units:105s1),geopotentialheight(bluecontourlines,units:dagpm).Theredcontourlinesrepresentthe3000-m-heightterrain(al)from0000UTC5to0900UTC6(withanintervalof3h)August2019大气科学47卷42ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47 3.4 三涡演变归因为探讨三涡生命史发展机制的异同，我们通过涡度方程（2）对三个涡旋的涡度演变进行诊断分析，剖析了在各自涡度增长的归因。图 9 为涡度方程中各项随时间的演变，包括水平输送项（HA）、垂直输送项（VA）、拉伸项（Div）、扭转项（Til）、力管项（Soliend）、科氏力项（Coriolis）、涡度局地倾向（Vort）和剩余项（RES）。由计算结果，力管项和科氏力项相对于其他各项小两个量级，贴近零线分布，在该研究中可以忽略。对于北部高原涡（TPV1），主要的涡源为垂直输送项和拉伸项，主要的汇为水平输送项和扭转项。5 日 05:00 之前，垂直输送项占主导地位，而拉伸项的作用逐渐增强并于 05:00 后和垂直输送项共同主导 TPV1 的发展移动。因此在 TPV1 的初始发展阶段，垂直输送项是主导项，但是当它发展到一定阶段开始向东北方移动时，拉伸项的作用增强，与垂直输送项共同成为涡度增长的主要贡献项。对于南部的高原涡（TPV2），可以看到在其初生和发展阶段，涡度收支的源汇有所变化，波动较大。但在涡旋强盛发展的 5 日 12:00 左右，垂直输送项和拉伸项共同成为主要的源，维持 TPV2 的强度并向东移动，同时水平输送也由汇转变为源，贡献垂直涡度的增长。在西南涡（SWV）的生命史期间（5 日 11:00 至 6日 00:00），SWV 的初生阶段独立发展，TPV2 还没有东移与其合并，该阶段 SWV 的主要源、汇为图6沿图 5g 中直线的相对涡度（填色，单位：105s1）、垂直速度（等值线，单位：ms1）、1 小时降水量（黑色直方图）剖面：（af）2019 年 8 月 5 日 10:0020:00，时间间隔 2 小时。灰色垂直线段代表涡旋中心位置。Fig.6Crosssectionsofrelativevorticity(colorshaded,units:105s1),verticalvelocity(contours,units:ms1),andprecipitation(blackhistogram,units:mm)alongthelineinFig.5g:(af)From1000UTC5to2000UTC5(withanintervalof2h)August2019.Thegrayverticallinedenotesthepositionofthevortexcenter1期李祥等：中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究No.1LIXiangetal.InfluenceofMulti-scaleTopographicFactorsonVortexDevelopmentduringan.43垂直输送项、扭转项。随着 TPV2 向东移入四川盆地，两涡合并之后，水平输送项剧烈增加，和垂直输送项共同贡献涡度增长，同时加强的拉伸项和扭转项为主要的汇。可见，三涡的发展机制各有不同，不同发展阶段的源汇项也有所差异，不能一概