中國西南部一次東移型暴雨中渦旋發展的多尺度地形影響研究

李祥 楊帥 楊書運

1 安徽農業大學資源與環境學院, 合肥 230000

2 中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點試驗室, 北京 100029

1 引言

中國西南地區地形復雜，多尺度地形的熱力作用和機械強迫，為西南地區的渦旋形成提供了適宜環境條件，利于夏季活躍的對流發展和降水發生。分別在青藏高原和四川盆地附近形成的高原渦（TPV）和西南渦（SWV）是誘發我國西南山區暴雨的重要渦旋系統。該區域山地暴雨頻繁發生，成為中國雨量最多的地區之一，常常造成嚴重的洪澇和地質災害（Chen et al., 2019, 2020; Fu et al.,2019; 周玉淑等, 2019; 黃楚惠等, 2020; 李強等,2020; 羅亞麗等, 2020; Yang et al., 2020）。

過去研究已經證實了TPV 對青藏高原上空降水的重要影響（Gao et al., 1981; Shen et al., 1986;李國平等, 2016; Fu et al., 2019）。根據其是否移出高原，可將高原渦分為兩類：一類TPV 生成于高原、消亡于高原，另外一類則在高原生成后向東移出高原，影響下游降水（江吉喜等, 2002; Li et al.,2008; Hu et al., 2016; Fu et al., 2019）。統計分析表明，第一類TPV 占比更大，后一類型發生率則相對較低。然而，一旦TPV 東移，其伴隨的強降水對人口密集的下游地區（ 如四川盆地和長江中下游地區）影響更大，易引發泥石流、山洪、城市內澇等地質災害。因此，西南地區強降水過程中的東移型TPV 及相關物理過程的研究更應引起重視。

有關SWV 和四川盆地暴雨的研究亦大量開展（李琴等, 2016; Li et al., 2017; Yang et al., 2017a,2017b; 劉曉冉等, 2020; 羅亞麗等, 2020; 湯歡等,2020; 王曉芳等, 2020; 蒲學敏和白愛娟, 2021; 吳志鵬等, 2021）。已有研究表明，四川盆地降水與西南渦、低空急流等天氣系統有關，具有明顯的日變化特征，降水高峰多出現在夜間和清晨（Yanai and Li, 1994; Yu et al., 2007; Yin et al., 2009）。Kuo et al.（1986）研究發現，四川盆地地形對SWV 的形成起主導作用。Fu et al.（2010）根據Zwack-Okossi 方程，診斷了2003 年6 月一次的SWV 生成的原因，發現潛熱釋放和輻合是SWV 形成的兩個最重要的因素，分別占渦度方程總強迫項的42%和15%，通過個例分析歸納出熱力比動力作用對SWV 的形成更為重要。

需要指出的是，復雜地形強迫與渦旋演變和降水發展顯著相關，多尺度地形對渦旋發展作用的研究是我國西南渦暴雨研究的重要方面。Wang and Tan（2014）利用理想模擬方法研究了高原地區SWV 形成的地形控制要素，認為青藏高原和橫斷山脈在控制西南渦的位置和規模上起主導作用，并為西南渦的形成提供渦流源。地形降水的日變化和對流系統的移動，與山地-平原熱力環流（MPS）有明顯聯系，該MPS 環流是由于高原較高海拔的山地下墊面與平原上空同一水平高度處的大氣熱力差異造成的，導致下午時段的降水主要集中在山地，午夜降水則出現在平原地區（Qian et al., 2015;Zhang et al., 2019），降水落區與MPS 環流上升支對應（Sun and Zhang, 2012; Zhang et al., 2018, 2019）。根據觀測和模擬結果（Kuo et al., 1986; Wang and Tan, 2014），地形的動力效應則主要表現為頻繁發生的高原背風渦旋（如這里的SWV）。特別是在四川省及其附近地區，由于青藏高原、橫斷山脈和四川盆地組成的復雜多尺度地形影響，為局地暴雨的準確預報帶來很大困難，甚至影響高原和盆地交界處陡峭地形過渡區的數值模式穩定運行。因此，需要進一步研究多尺度地形對暴雨及相關降水物理過程的作用，找出關鍵地形要素以期完善地形相關物理過程參數化方案，來改進山地降水的模擬和預報。應當加強多尺度地形對渦旋發展作用的研究，找出高原渦、西南渦旋增長的關鍵地形歸因，進而從地形要素角度出發改進渦旋降水的模擬和預測。

以往研究多圍繞復雜地形對西南地區降水的綜合作用展開，而分離三大地形單獨的貢獻、剖析其對降水和渦旋移動各自影響的研究較少。特別是對于致災嚴重的東移型渦旋降水，更應該探討多尺度地形及相關物理過程對渦旋演變和降水的影響。在青藏高原、橫斷山脈和四川盆地三大地形中，究竟哪種地形要素對渦旋的增長起關鍵作用？青藏高原和四川盆地交界處的陡峭地形坡度對渦旋發展有何影響?這些都是本文研究的重點。為解決這些問題，我們借助于2019 年夏季青藏高原至四川盆地的一次東移渦旋降水事件，通過數值模擬和理論分析，研究了多尺度地形因子對渦旋演變的各自作用。

2 數值模擬、試驗設計與方法

2.1 模式

本文采用中尺度WRF（V4.0）模式對2019年8 月5 日00:00 至6 日18:00（協調世界時，下同）的山地暴雨過程（降水分布如圖1 所示）進行了數值模擬，模擬區域覆蓋中國西南地區（圖2），水平網格點為460（緯向）×360（經向），水平格距3 km。模擬方案采用YSU 邊界層參數化方案（Noah et al., 2001）、Noah 陸面過程參數化方案（Chen and Dudhia, 2001）、RRTM 長 波 輻 射 和Dudia 短波輻射方案（Dudhia, 1989），以及WSM5微物理參數化方案（Hong and Lim, 2006）。模式積分的初始和側邊界條件由NOAA 的0.5°×0.5°的GFS 再分析資料提供，觀測降水為中國自動站與CMORPH 降水產品融合的0.1°×0.1°分辨率的逐小時降水場產品。

圖1 2019 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（協調世界時，下同）觀測（左列）和模擬（右列）的6 小時累積降水量（彩色陰影，單位：mm）?；疑幱氨硎镜匦胃叨?，單位：mFig.1 Observed (left column) and simulated (right column) 6 h accumulative precipitation (color shaded, units: mm) at (a) 0000 UTC, (b) 0600 UTC,(c) 1200 UTC, (d) 1800 UTC 5, and (e) 0000 UTC 6 August 2019.The gray line represents terrain height (units: m)

圖2 高原渦1（TPV1，紫色曲線）、高原渦2（TPV2，藍色曲線）、西南渦（SWV，黑色曲線）三渦的移動路徑Fig.2 Propagation paths of plateau vortex 1 (TPV1, purple curve),plateau vortex 2 (TPV2, blue curve), and southwest vortex (SWV, black curve)

2.2 試驗設計

理想地形構建和敏感性試驗設計如圖3 和表1所示。本文開展兩組試驗，第一組試驗用于分離三大地形的單獨效應，探討其各自對渦旋演變的影響（見表1 中Group1，及圖3a-e 中不同地形組合情景）；第二組試驗研究陡峭地形的坡度改變對渦旋移動的影響（見表1 中Group2 和圖3f）。這里構造與真實地形（圖3a）幾何形狀相似的理想地形（圖3b），有如下兩點優勢：一是在保證盡可能逼近真實模擬效果的同時，易于分割出某單一地形，方便與其它地形情景組合；二是通過在青藏高原和四川盆地相鄰區域設置坡度調節系數，靈活改變陡峭地形坡度。其中，理想地形組合的幾何形狀由橢圓、圓、近圓角矩形組成（如圖3b 所示），來分別近似青藏高原、四川盆地和橫斷山脈（圖3a），圖3b 所示區域的中心點位于（30°N，100°E），靠近青藏高原和四川盆地的交界處。參考中國地形圖數據，青藏高原和四川盆地的中心點位置設置為以上中心點位置相對距離（-750 km，400 km）和（500 km，50 km）處。其幾何圖形根據曲線方程（1）至（4）繪制（Wang and Tan, 2006, 2014）。

表1 試驗設計與描述Table 1 Experiment design and description

方程（1）為青藏高原地形設置方程：

其中，hq指構建的青藏高原地形，青藏高原整體形狀參數表示為長半軸為Rqx=1450 km，短半軸為Rqy=725 km 的橢圓形，H0=1000 m，為陸面參考高度，該設置是因為除了四川盆地以外，西南渦基本在1000 m 以上發展；Hq=5000 m，為青藏高原平均海拔高度。

方程（2）為橫斷山脈地形設置方程：

其中，hh指構建的橫斷山脈地形，橫斷山脈呈近圓角矩形，圓角矩形的寬度為Rhx=500 km，縱長為Rhy=800 km，從青藏高原和橫斷山脈的交界點東南向伸展25°，Hh=5000 m 為橫斷山脈的最高海拔。對于模擬域中任一點（x，y），Lhx是該點到橫斷山脈中央脊線的最短距離，而Lhy為該點到正交橫斷山脈中央脊線的線段的最小距離，注意這里的正交線特指過區域中心點（30°N，100°E）的那條線段。

方程（3）為四川盆地地形設置方程：

其中，hs指構建的四川盆地地形，Hs=500 m 為四川盆地的基底高度。方程（1）和（3）中的x、y分別代表的是模擬域中的一點到青藏高原和四川盆地中心點的x軸、y軸方向上的距離。

方程（4）構造出我國西南部的主要大地形，為聯合三大地形的聯立方程：

其中，Ls是模擬區域中任一點（x，y）到四川盆地中心點的距離；首先將青藏高原和橫斷山脈聯合，地形高度設置為二者的最大值max(hq,hh)，然后在比鄰四川盆地附近±0.3Rs的地形重疊區域，設置地形高度漸變，避免過渡帶地形突變引起的模擬結果不確定性和模式積分不穩定。根據方程（4），將青藏高原、橫斷山脈和四川盆地聯合起來，構造出我國西南部的主要大地形，此理想地形能較好抓取我國西南地區的主體地形特征；另外通過將地形坡度系數從0.3Rs調整到0.8Rs、2.0Rs、4.0Rs、6.0Rs，可靈活設置地形陡峭或緩坡，其垂直剖面如圖3f 所示。

所有試驗使用相同的初邊界條件，模擬時間為2019 年8 月5 日00:00 至6 日18:00，積分持續42 小時。CNTL 試驗使用平滑后的真實地形（圖3a）。圖3b 為構造的三大地形總體幾何特征。表1 中的IDEAL_ALL、IDEAL_TP+HC 和IDEAL_TP 分 別使用不同的理想化地形組合，如圖3c-e 所示。這些試驗的目的是檢驗幾大主要地形對渦旋發展的各自影響。Group2 試驗中（表1），分別設計了Ideal_0.3Rs、 Ideal_0.8Rs、 Ideal_2.0Rs、 Ideal_4.0Rs、Ideal_6.0Rs 模式運行來研究坡度變化對渦旋移動的影響。圖3f 顯示了在TP 和SB 交匯處，通過調整坡度系數，具體的坡度變化情況。

圖3 表1 中Group1 不同數值試驗中的地形設置：（a）平滑的實際地形；（b）理想地形的總體特征；（c）模擬區域內IDEAL_ALL 試驗的青藏高原、橫斷山脈、四川盆地組成的理想地形；（d）IDEAL_TP+HC 試驗的青藏高原和橫斷山脈理想地形；（e）IDEAL_TP 試驗的青藏高原理想地形。（f）表1 中Group2 坡度改變試驗中各地形坡度的設置Fig.3 Various terrain configurations for different numerical experiments in Group 1 simulation in Table 1: (a) Smoothed real terrain; (b) overall characteristics of the ideal terrain; (c) ideal terrains consist of the Tibetan Plateau (TP), Hengduan Cordillera (HC), and Sichuan Basin (SB) in IDEAL_ALL run; (d) Ideal terrains of the TP and HC for an IDEAL_TP+HC experiment; (e) ideal terrains of TP in IDEAL_TP run.(f) Different topography slopes for Group2 experiment in Table 1

2.3 方法

2.3.1 渦度方程

為了診斷強降水過程中的渦度發展，采用了笛卡爾坐標下的垂直渦度方程（Huang et al., 2019）：

其中，ζ為相對渦度的垂直分量，f為科氏參數，p和ρ分別為氣壓和密度。Vort 項為渦度的局地傾向，HA 項和VA 項分別代表水平輸送和垂直輸送，Til為扭轉項（可表征水平渦度向垂直渦度傾斜的程度），Div 為輻合輻散（或伸縮）項，Solenoid 為力管項，Coriolis 項表示緯向位移引起的垂直渦度變化，最后一項RES 為剩余項。

2.3.2 傾斜渦度發展

由傾斜渦度發展理論（Wu and Liu, 1998; Cui et al., 2003），可以通過計算傾斜渦度發展系數CD的變化，來解釋拉格朗日質點沿著等熵面下滑時垂直渦度的發展。傾斜渦度發展可以描述為“即在空氣質點沿著向上凸的陡峭等熵面下滑或者沿著向下凹的陡峭等熵面上滑過程中，如果CD減小，當靜力穩定度 θz→0即大氣趨于中性層結時，空氣質點的垂直渦度將會迅速加強”。CD的表達式為

式中，ηxy、θxy、θz分別為渦度矢量的水平分量、位溫梯度的水平和垂直分量。其中， - dCD/dt＆lt;0是垂直渦度發展的強迫項，因此沿著渦旋下滑路徑CD減小越多，其對垂直渦度發展的貢獻越大，更多推導和理論解釋，詳見Wu and Liu（1998）和Cui et al.（2003）等。

3 結果分析

3.1 暴雨事件概述及天氣形勢

2019 年8 月5 日00:00 至6 日18:00 的中國西南地區暴雨經歷了由青藏高原向四川盆地的東向移動（圖2），24 小時的累積降水超過260 mm，造成了特大洪水和嚴重的次生地質災害。降水首先在高原上發生，呈零散分布，至8 月5 日00:00～06:00（圖1a1 和b1），最大降水中心位于（33°N，103°E）。之后在高原主體降水消失（圖1c1），主雨帶移至青藏高原東南邊緣，5 日12:00 出現3個降水中心。6 小時后（圖1d1），四川盆地降水趨于穩定，而沿高原和盆地陡峭地形分布的雨帶則逐步與盆地內降水中心合并，之后雨帶在四川盆地內繼續向東移動，雨帶呈東北西南向分布（圖1e1）。

圖4 給出了此次暴雨事件的天氣形勢分析結果，包括500 hPa 高度上的位勢高度（黑色等值線）、相對渦度（彩色陰影）和溫度場（紅色等值線）的空間分布。初始階段高原上首先出現高原渦（圖4a），583 dagpm 位勢高度中心閉合，涵蓋了渦度大值區，繼而渦旋逐漸向東北移出高原（圖4b），將此高原渦稱為高原渦1（TPV1）。5 日12:00，在30°附近出現兩個新的渦旋，一個在位于青藏高原，另一個在四川盆地內（圖4c 和d），這在5 日18:00 可以清楚的觀察到兩個閉合的583 dagpm 位勢高度閉合中心（稱為高原渦2 和西南渦，即TPV2 和SWV），并匹配強渦度分布（圖4d）。隨后TPV2和SWV 東移并逐漸開始合并（圖4e 和f），在四川盆地上空維持數小時后東移出目標區域（圖4f）。整個暴雨過程伴隨三個渦旋的相繼發展、合并、東移（圖4a-f），渦旋的發展位于溫度槽前的暖異常區。

圖4 2019 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 資料的500 hPa 相對渦度（填色，單位：10-5 s-1）、位勢高度（黑色等值線，單位：dagpm）以及溫度場（紅色等值線，單位：°C）分布Fig.4 Distributions of relative vorticity (shaded, units: 10-5 s-1), geopotential height (black contours, units: dagpm), temperature (red contours, units:°C) at 500 hPa level based on GFS (Global Forecasting System) data at (a) 0000 UTC August 5, (b) 0600 UTC August 5, (c) 1200 UTC August 5,(d) 1800 UTC August 5, (e) 0000 UTC August 6, and (f) 0600 UTC August 6, 2019

3.2 模擬降水結果檢驗

圖1a2-e2 為模擬的6 小時累積降水量演變，與觀測（圖1a1-e1）對比可見，雖然初始階段模擬的高原降水偏強（圖1a2 和b2），但雨帶的落區、走向與實況較為一致，強降水中心的強度和所在位置與觀測也有較好的對應，尤其是在降水強烈發展的5 日12:00 至6 日00:00 期間（圖1c1、d1、c2 和d2），雨帶的走向模擬準確，降水中心強度相當；6 日00:00（圖1e1 和e2），觀測雨帶呈西南—東北走向，盆地內降水中心的強度和落區模擬較好，但四川盆地內32°N 以北降水模擬偏弱?？偟膩碚f，盡管某些時次降水模擬在細節上和實況有所偏差，但在強降水期間，模擬降水基本可再現雨帶的分布模態、強度演變和移動過程。

3.3 暴雨事件的渦旋演變特征

3.3.1 水平分布

圖5 為模擬的渦旋演變，再現了高原渦1（TPV1）的東北向移動（圖5a-e），以及高原渦2（TPV2）和西南渦（SWV）合并加強東移（圖5d-l）的過程。相較于再分析資料（圖4），模擬的渦度較強，這可能與數據分辨率有關。5 日00:00（圖5a），青藏高原上空有閉合低壓中心（藍色等值線所示的位勢高度）出現，并伴隨有一個大范圍的強渦度區（陰影），渦度最大值達2.0×10-4s-1，隨后東北向移出模擬區域，強度減弱，5 日12:00 可以看到高原上空的TPV1 強度已經大大衰減。但隨著TPV1 的減弱，南部高原的TPV2 和四川盆地的SWV 逐步發展，5 日18:00 南部的兩個渦度中心清晰可見；5 日15:00～21:00，TPV2 和SWV 合并加強，6 日00:00 在四川盆地上空出現閉合等高線，隨后西南渦在盆地穩定維持，渦度峰值大于7.0×10-4s-1，隨后合并的渦旋進一步向東移出模擬區域。

3.3.2 垂直分布

圖6 是相對渦度（彩色陰影）、垂直速度（藍色等值線）和降水量（下方黑色直方圖）的垂直剖面圖，空白區域為地形。由圖6 的渦度垂直伸展和演變，可以清晰看出TPV2（渦旋中心位置由左側豎線標定）在從高原上空東移、下坡至盆地的移動路徑及其與SWV（渦旋中心位置由右側豎線標定）的合并過程。5 日10:00（圖6a），99°E 附近的高原上空有渦度向上發展，強度較弱，小于5.0×10-4s-1，同時伴隨有較弱的垂直運動和降水；5 日12:00（圖6b），四川盆地104°E 附近上空開始有弱渦度和垂直運動產生，同時盆地內發生降水，此時高原上空的渦度強度和范圍都增加，對流發展至12 km 以上的高空，TPV2 中心渦度向東移動至99.7°E；5 日14:00，TPV2 中心和強對流東移至100°E，高原和盆地內的對流活動進一步發展，兩地的渦度、垂直運動和降水均顯著增強，TPV2 的渦度大于7.0×10-4s-1，而四川盆地內的SWV 向上伸展至10 km 高度，盆地內的降水增加；5 日16:00，TPV2 和SWV 進一步向東移動，SWV 經歷了劇烈發展，對流活動旺盛；5 日18:00，兩個渦旋開始合并加強，可以看到盆地內有兩個明顯的降水大值中心，同時盆地內的渦度發展達到最強，超過8.0×10-4s-1；至5 日20:00，兩個渦旋完成合并。與渦旋演變的平面圖一致（圖5），從其垂直剖面亦能較好反應TPV2 和SWV 的發生發展和移動的過程（圖6），并能清晰看出其空間垂直伸展。

圖6 沿圖5g 中直線的相對渦度（填色，單位：10-5 s-1）、垂直速度（等值線，單位：m s-1）、1 小時降水量（黑色直方圖）剖面：（a-f）2019 年8 月5 日10:00～20:00，時間間隔2 小時?；疑怪本€段代表渦旋中心位置。Fig.6 Cross-sections of relative vorticity (color shaded, units:10-5 s-1), vertical velocity (contours, units: m s-1), and precipitation (black histogram,units: mm) along the line in Fig.5g: (a-f) From 1000 UTC 5 to 2000 UTC 5 (with an interval of 2 h) August 2019.The gray vertical line denotes the position of the vortex center

圖7 為渦度、垂直運動和降水沿圖5c 中黑色線段的垂直剖面，演示了TPV1 的垂直伸展及的伴隨對流和降水演變。5 日01:00（圖7a），渦旋和降水中心位于在103°E 以西，5 日02:00 低渦中心和對流迅速發展（圖7b），5 日03:00（圖7c），TPV1 和強對流東移至104°E，降水在此迅速發展。隨后（圖7d-f），強渦度和垂直運動中心繼續東北向移動，強降水隨之移動，并逐漸移出模擬區域。

圖5 2019 年8 月（a-l）5 日00:00 至6 日09:00（間隔3 小時）模擬的500 hPa 相對渦度（填色，單位：10-5 s-1）、位勢高度（藍色等值線，單位：dagpm）分布（紅色等值線代表3000 m 地形高度）Fig.5 Evolution of simulated relative vorticity (color shaded, units: 10-5 s-1), geopotential height (blue contour lines, units: dagpm).The red contour lines represent the 3000-m-height terrain (a-l) from 0000 UTC 5 to 0900 UTC 6 (with an interval of 3 h) August 2019

圖7 同圖6，但為沿圖5c 中直線的垂直剖面：（a-f）2019 年8 月5 日01:00～06:00，時間間隔1 小時Fig.7 Same as Fig.6, but for the cross-section along line as shown in Fig.5c: (a-f) From 0100 UTC 5 to 0600 UTC 5 (with an hourly interval)August 2019

3.3.3 渦旋的時間演變

圖2 為三個渦旋的路徑和生命史。高原北部的TPV1 先發展，生命史集中在5 日00:00～17:00（圖2 中紫色折線），在高原上空生成后東北向移動，于5 日17:00 逐漸消散；期間高原南部的TPV2（藍色）和四川盆地的SWV（黑色）分別于5 日08:00 和11:00 在高原上空、盆地南部相繼生成，TPV2 逐漸東移，22:00 TPV2 和SWV 合并、加強、東移，于6 日15:00 移出模擬區域。

圖8 給出了三個渦度的渦度、伴隨的對流和降水的時間演變特征，左列為TPV1（圖8a, c, e），右列為TPV2+SWV（圖8b, d, f）。在TPV1 生命史集中的5 日00:00～17:00（圖2），有正渦度帶在99°～106°E 之間擴展（圖8a），強度達6.0×10-4s-1，同時伴隨對流發展（圖8c）和降水生成（圖8e），垂直速度的強度約0.3 m s-1，降水量＜2.5 mm h-1；5 日10 時 之 后，TPV2 和SWV 接力發展，其渦度帶（圖8b）、對流帶（圖8d）、雨帶（圖8f）明顯，相較于北部的TPV1 強度都顯著增強，渦度最大值超過8.0×10-4s-1，垂直速度的最大強度＞0.5 m s-1，降水強度超過3.5 mm。南部的兩個渦旋，是此次暴雨的主要影響天氣系統，其合并加強和移動及伴隨的對流發展，是此次暴雨形成的主要原因。

圖8 2019 年8 月5 日00:00 至6 日18:00 沿圖5c 中直線的高原北部渦旋（TPV1，左列）與沿圖5g 中直線的高原北部渦旋和西南渦（TPV2+SWV，右列）的時間—經度分布：（a、b）渦度（單位：10-4 s-1）；（c、d）垂直速度（單位：m s-1）；（e、f）1 小時降水量（單位：mm）Fig.8 Time-longitude distribution of the northern Plateau vortex (TPV1, left column) along the line in Fig.5c and the northern Plateau vortex and Southwest vortex (TPV2+SWV, right column) along the line in Fig.5g from 0000 UTC to 1800 UTC on August 5, 2019: (a, b) Vorticity (units:10-4 s-1); (c, d) vertical velocity (units: m s-1); (e, f) 1-hour precipitation (units: mm)

3.4 三渦演變歸因

為探討三渦生命史發展機制的異同，我們通過渦度方程（2）對三個渦旋的渦度演變進行診斷分析，剖析了在各自渦度增長的歸因。圖9 為渦度方程中各項隨時間的演變，包括水平輸送項（HA）、垂直輸送項（VA）、拉伸項（Div）、扭轉項（Til）、力管項（Soliend）、科氏力項（Coriolis）、渦度局地傾向（Vort）和剩余項（RES）。由計算結果，力管項和科氏力項相對于其他各項小兩個量級，貼近零線分布，在該研究中可以忽略。對于北部高原渦（TPV1），主要的渦源為垂直輸送項和拉伸項，主要的匯為水平輸送項和扭轉項。5 日05:00 之前，垂直輸送項占主導地位，而拉伸項的作用逐漸增強并于05:00 后和垂直輸送項共同主導TPV1 的發展移動。因此在TPV1 的初始發展階段，垂直輸送項是主導項，但是當它發展到一定階段開始向東北方移動時，拉伸項的作用增強，與垂直輸送項共同成為渦度增長的主要貢獻項。對于南部的高原渦（TPV2），可以看到在其初生和發展階段，渦度收支的源匯有所變化，波動較大。但在渦旋強盛發展的5 日12:00 左右，垂直輸送項和拉伸項共同成為主要的源，維持TPV2 的強度并向東移動，同時水平輸送也由匯轉變為源，貢獻垂直渦度的增長。在西南渦（SWV）的生命史期間（5 日11:00 至6日00:00），SWV 的初生階段獨立發展，TPV2 還沒有東移與其合并，該階段SWV 的主要源、匯為垂直輸送項、扭轉項。隨著TPV2 向東移入四川盆地，兩渦合并之后，水平輸送項劇烈增加，和垂直輸送項共同貢獻渦度增長，同時加強的拉伸項和扭轉項為主要的匯?？梢?，三渦的發展機制各有不同，不同發展階段的源匯項也有所差異，不能一概而論。

圖9 基于CNTL 控制試驗利用渦度方程（5）對（a）高原北部渦旋（TPV1）、（b）高原南部渦旋（TPV2）和（c）西南渦（SWV）從8 月5 日00:00 到6 日06:00 的診斷分析。圖中Coriolis、Div、Solenoid、Til、VA、HA 和RES 分別為科氏力項、拉伸項、力管項、扭轉項、垂直輸送、水平輸送項和剩余項；Vort 為方程左側渦度的局地傾向（單位：10-8 s-2）Fig.9 Based on CNTL control test, vorticity equation (5) was used to analyze (a) the northern vortex (TPV1), (b) the southern vortex (TPV2)and (c) southwest vortex (SWV) from 0000 UTC on August 5 to 0600 UTC on August 6.In the figure, Coriolis, Div, solenoid, Til, VA, HA and RES are stand for Coriolis force term, stretch term, the solenoid term, the tilting term, the vertical advection term, the horizontal advection term and residual term respectively.Vort represents the local tendency of vorticity on the left-hand-side of the vorticity equation(units: 10-8 s-2)

3.5 三大地形對渦旋演變的作用

通過不同理想地形的配置情景（表1 中Group1 試驗），來探討三大地形對渦旋演變各自的作用。首先在IDEAL_ALL 試驗中（圖3c），有高原渦和西南渦生成東移，并存在兩者合并的現象（圖略），同時高原渦的移動路徑和強度與控制試驗CNTL 中的模擬結果（圖5）十分相近。所以本文根據公式（1）構建的理想地形不但勾勒出青藏高原、橫斷山脈和四川盆地三大地形的主要幾何特征，而且逼近真實地形情景下的降水模擬效果（圖略），可以用來研究三大地形各自對渦旋演變的影響。根據前文分析，8 月5 日22:00 高原渦和西南渦合并且強烈發展，具有完整的渦旋形態，因此以5 日22:00 為例，來分析青藏高原、橫斷山脈和四川盆地各自對于渦旋演變的作用（圖10 和圖3）。

對于全地形試驗IDEAL_ALL（圖10a-c 和圖3c），可以看到強渦度（陰影）從850 hPa 一直向上伸展到500 hPa，低層有閉合低壓中心等高線，盆地西北側渦旋發展劇烈。850 hPa 和700 hPa 高度層，來自四川盆地南部的偏南風氣流和來自高原東側、盆地北部的偏北風氣流在（30°N，105°E）附近匯合，產生氣旋性環流，匯合氣流輻合上升，渦旋和低壓發展，對流和降水增長。

移除四川盆地（圖10d-f 和圖3d），地形變化導致渦旋在四川盆地地理位置區域的發展受到抑制，強度變弱，850 hPa 和700 hPa 渦旋中心附近的位勢高度比全地形試驗高10 dagpm，與Wang and Tan（2014）的研究一致。這說明四川盆地的存在增強了該處相關低壓系統，對于該區域渦旋的生成、發展和穩定維持有重要作用。500 hPa 高度層上，對于IDEAL_ALL 試驗和IDEAL_TP+HC 試驗，都產生了渦旋的完整形態且位于陡峭地形附近，但后者渦旋中心偏西、強度變弱、范圍更小。同時根據渦度平面圖的時間演變（圖略），在IDEAL_TP+HC 試驗中渦旋生命史更短，不能在四川盆地內穩定維持，快速移出盆地。因此四川盆地的地形強迫，為渦旋環流的形成提供了有利地形條件，有利于渦旋的進一步發展和穩定維持，影響高原渦和西南渦強度，但不改變其移動路徑。

同時移除橫斷山脈和四川盆地，只保留青藏高原（圖10g-i 和圖3e），則在850 hPa 青藏高原東部的（34°N，105°E）附近形成弱渦旋，其形成一方面是因為青藏高原大地形對偏南風氣流的阻擋，另外也與西風氣流遭遇青藏高原時分為南北兩支、繞流后氣流偏轉，在高原東側匯合，形成背風的氣旋性環流有關。500 hPa 高度層，雖然高原東側形成了渦度中心，但位置偏北在（33°N，106°E）附近，原四川盆地地理位置未出現顯著的渦旋發展。從時間演變（圖略），IDEAL_TP 試驗中也未出現高原渦的移動和盆地內西南渦的發展。

圖10 Group1 試驗中2019 年8 月5 日22:00 500 hPa（左列）、700 hPa（中間列）和850 hPa（右列）高度層的渦度（填色，單位：10-5 s-1）、地形（灰色等值線，單位：m）和位勢高度（藍色等值線，單位：dagpm）分布：（a-c）IDEAL_ALL 試驗；（d-f）IDEAL_TP+HC 試驗；（g-i）IDEAL_TP 試驗。圖中繪制的地形等值線從右到左分別為600 m、900 m、1200 m、1500 m、2000 m、3000 m、4000 mFig.10 Distributions of vorticity (color shaded, units: 10-5 s-1), terrain (gray contours, units: m), and geopotential height (blue contours, units:dagpm) for (a-c) IDEAL_ALL, (d-f) IDEAL_TP+HC, and (g-i) IDEAL_TP experiments in Group1 at 500 hPa (left column), 700 hPa (middle column) and 850 hPa (right column) at 2200 UTC August 5, 2019.The terrains with heights of 600, 900, 1200, 1500, 2000, 3000, and 4000 m are depicted from right to left, respectively

由以上分析，青藏高原的主要作用是由于大地形的存在，對氣流產生阻擋作用東部背風側形成氣旋性渦旋，而橫斷山脈的存在可以改變高原東側環流的整體形勢，西南氣流在橫斷山脈西側受到地形阻擋從南部繞流，在其東北側遭遇青藏高原大地形，產生閉合的背風渦旋。因此，從三個地形的作用來看，橫斷山脈對于盆地內是否有西南渦生成至關重要，而四川盆地地形對渦旋的位置和強度起主導作用，但不影響高原渦向東移動的路徑；若橫斷山脈和四川盆地都被移除，高原渦的移動現象將不會出現。

為探測不同地形設置情景影響渦旋演變的原因，對表1 中Group1 的不同敏感性試驗結果，重新計算了渦度方程，圖11 是不同試驗的渦度傾向變化及其主要源匯分布特征，分析發現高原上空渦旋（原TPV2）的主要源為拉伸項Div 和垂直輸送項VA（圖11b、h、n），主要匯為扭轉項Til 和水平輸送項HA（圖11a、g、m），而對于四川盆地內的渦旋（原SWV），其主要源匯項不變，水平輸送和垂直輸送項共同貢獻渦度增長（圖11e、k、q），拉伸項和扭轉項為主要的匯項（圖11d、j、p）。但不同的大地形組合情景下，源匯項強信號的位置和強度都有所改變，導致渦度源匯正負貢獻抵消后的凈效應改變（圖11 右列），引起高原上渦旋和盆地內西南渦的改變?？梢?，青藏高原、橫斷山脈、四川盆地并不會影響高原渦、西南渦的發展機制，但會通過地形的熱力作用和機械強迫影響氣流的再分布，從而改變其主要源匯的位置和強度，從而改變渦旋演變。

3.6 坡度改變對渦旋移動的影響

既然在青藏高原和四川盆地過渡區域的陡峭地形附近，高原渦東移與西南渦合并加強導致渦度快速加強，對流和降水劇烈發展，因此設置了表1中Group2 的敏感性試驗，通過調整地形坡度參數（圖3f），研究陡峭地形坡度的改變對渦旋演變的影響（圖12）。

分析發現，陡坡到緩坡的地形坡度設置會影響渦旋的移動（圖12 左列）及渦內對流發展（圖12右列）。對于IDEAl_0.3Rs 試驗（圖12a、b），地形為陡坡（圖3f 中黑色線），高原渦于5 日10:00 在100.5°E 附近加強東移，5 日20:00 開始與西南渦合并加強，在104°E 附近形成渦度（圖12a）和垂直速度（圖12b）強度大值中心；在IDEAL_0.8Rs 試驗中（圖3f，紅線），高原渦于5 日10:00 在100°E 附近向東移動，5 日22 時并入西南渦（圖12c、d）；在IDEAL_2.0Rs 試驗中（圖3f，藍線），高原渦在98°E 開始向東移動，進入100°E的陡峭地形區域后，渦度增強，然后向東移動，本試驗未見明顯的兩渦合并強化現象，但5 日22 時，仍然可以看到西南渦旋在104°E 附近產生（圖12e、f）；在理想試驗IDEAL_4.0Rs 和IDEAL_6.0Rs 試驗中（圖3f，綠色和紫色線），與幾個陡坡試驗相比，該緩坡設置使得垂直速度和渦度強度明顯減弱，但移動現象仍然存在（圖12g、h）。在5 日20 時左右于104°E 附近仍產生弱西南渦，但強度弱于陡坡地形模擬（圖12g-j）。

圖12 Group2 不同試驗中29°～31°N 緯向平均的500 hPa 逐時相對渦度（左列，陰影，單位：10-5 s-1）、垂直速度（右列，陰影，單位：10 m s-1）時 間—經 度 分 布：（a、b）IDEAL_0.3Rs 試 驗；（c、d）IDEAL_0.8Rs 試 驗；（e、f）IDEAL_2.0Rs 試 驗；（g、h）IDEAL_4.0Rs 試驗；（i、j）IDEAL_6.0Rs 試驗Fig.12 Time-longitude diagrams of the hourly, zonally averaged (between 29°-31°N) relative vorticity (left panels, shaded, units: 10-5 s-1) and vertical velocity (right panels, shaded, units: 10 m s-1) at 500 hPa for (a, b) IDEAL_0.3Rs, (c, d) IDEAL_0.8Rs, (e, f) IDEAL_2.0Rs, (g,h) IDEAL_4.0Rs, and (i, j) IDEAL_6.0Rs experiments in Group2

圖13 進一步量化了地形坡度變化對高原渦（TPV2）、西南渦（SWV）峰值強度（圖13a，直方圖）和垂直伸展高度（圖13a，折線）、高原渦TPV2 下滑速度（圖13c）的影響，并從傾斜渦度發展的角度解釋了產生該影響的原因（圖13b）。分析發現（圖13a），IDEAL_0.3Rs 試驗中，西南渦、高原渦的最強渦度達6.0×10-3s-1和2.0×10-3s-1，最強渦度中心向上伸展至800 hPa 和500 hPa 高度。IDEAL_0.8Rs 試驗中，西南渦強度約為5.0×10-3s-1，渦度中心高度基本不變; 高原渦強度幾乎不變，高度略有降低至550 hPa。IDEAL_2.0Rs 試驗中，可以看到西南渦最強渦度中心減小到2.0×10-3s-1，高原渦強度保持不變，高度下降到600 hPa。對 于IDEAL_4.0 Rs 和IDEAL_6.0Rs 試驗，西南渦的強度逐漸衰減，但下降趨勢越來越趨于平緩。在IDEAL_4.0 試驗中，高原渦的強度改變較小，基本維持同樣的強度，同時高度還是有緩慢下降的趨勢。在IDEAL_6.0 試驗中，高原渦和西南渦強度的改變程度很小，基本保持不變，高原渦中心的高度依舊在緩慢下降，西南渦中心的高度也出現了下降的現象。地形坡度變化對高原渦下坡速度亦產生較大影響（圖13c），從IDEAL_0.3Rs試驗到IDEAL_6.0Rs 試驗，隨著坡度變緩，渦的

移動速度從11.2 m s-1下降到5.8 m s-1，可見陡坡會加速高原渦下滑速度。

注意，這里的SWV 為包含了TPV2 東移并入后的結果，應為二者共同作用。綜上所述，陡坡使得高原渦下滑加速（圖13c），垂直伸展絕對高度更高（圖13a 中黑色折線），且二渦合并后渦度增強，但最強渦度中心向上伸展絕對高度變化不大。計算傾斜渦度發展系數CD發現，通過對比圖13a中不同地形情景下的直方圖變化和圖13b 中折線圖所示的CD負值數量級，從坡頂到渦度峰處CD的變化趨勢與渦旋強度成正比。這是因為在坡頂等熵面與地形幾乎平行，因而CD近似為0，而沿陡坡緩坡下滑到渦度最大值位置，等熵面傾斜發展，CD為負值， dCD/dt＆lt;0 ， 既然 dCD/dt＆lt;0是垂直渦度發展的強迫項，因此沿著渦旋下滑路徑CD減小越多，其對垂直渦度發展的貢獻越大，因此可由傾斜渦度發展理論來解釋地形坡度變化對渦旋演變的影響。

4 結論

本文利用2019 年8 月5～6 日的一次東移型強降水事件，研究了高原東側三個渦旋的演變特征及其與降水發展的關系。通過數值模擬和理論分析，研究了多尺度地形因子（青藏高原、橫斷山脈和四川盆地三大地形）對渦旋演變的各自作用，及青藏高原和四川盆地交界處的陡峭地形坡度改變對渦旋發展的影響。其主要結論歸納為：

（1）針對此次暴雨過程，提出三渦（TPV1、TPV2、SWV）相繼發展導致暴雨發展、移動的機理。在研究的區域和時段內，三渦演變特征分析表明，TPV1 在5 日00:00 于高原上空生成之后向東北向移動并于5 日17:00 逐漸消散，TPV2 在5 日08:00 開始在高原上空逐漸加強并東移，在5 日22:00 左右和西南渦合并，SWV 在5 日11:00 左右在四川盆地附近生成并和TPV2 在5 日22:00 左右合并，之后一起東移，于6 日15:00 左右逐漸移出模擬區域。結合暴雨的發生發展特征，發現降水移動與渦旋路徑密切相關，且二者強度演變趨于一致。

（2）借助渦度方程診斷，發現暴雨過程中三個渦旋發展的機制有所不同，TPV1（高原渦1）、TPV2（高原渦2）由垂直輸送項和拉伸項為主導，而垂直輸送、水平輸送項是SWV（西南渦）的主要渦源；

（3）青藏高原、橫斷山脈和四川盆地三大地形敏感性試驗表明，橫斷山脈對西南渦的形成起關鍵作用，而四川盆地影響西南渦的位置和強度。對于高原渦，四川盆地只會影響渦旋強度演變，而不會改變高原渦的移動路徑。一旦橫斷山脈被移除，高原渦的移動現象將不再出現。

（4）分析了青藏高原和四川盆地交界處的陡峭地形坡度改變對渦旋發展的影響，發現坡度越陡，高原渦移動速度越快，盆地內二渦合并后的西南渦強度越強。借助于傾斜渦度發展理論，可解釋陡坡緩坡不同情景下渦旋強度的演變，陡坡傾斜渦度發展系數劇烈減小，對垂直渦度局地傾向的強迫作用，對渦旋強度的快速加強有貢獻。