基于氣象衛(wèi)星的青藏高原低渦識別

任素玲 方 翔 盧乃錳 劉清華 李 云

1)(國家衛(wèi)星氣象中心， 北京 100081)2)(高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610072)

引 言

青藏高原的動力和熱力作用是影響全球特別是我國天氣氣候的重要因素，青藏高原地形造成氣流繞行或爬升，熱力作用是亞洲夏季風(fēng)形成的重要因素[1-5]。低渦是青藏高原地區(qū)重要的天氣系統(tǒng)，會造成青藏高原或下游地區(qū)出現(xiàn)災(zāi)害性天氣。青藏高原低渦研究主要包括氣候分布特征、低渦東移暴雨災(zāi)害、動力和熱力結(jié)構(gòu)及地形對低渦影響和長時(shí)間低渦數(shù)據(jù)庫建立等。

青藏高原低渦氣候分布研究表明：部分低渦生命期在36 h以上，移動路徑分為東北、東南和東行3類，以東北行路徑最頻發(fā)[6]，7月為低渦的最活躍期?；钴S在青藏高原上的低渦僅有部分能移出高原[7-10]，造成四川盆地、長江中下游等地出現(xiàn)暴雨天氣,移出青藏高原的低渦一般具有強(qiáng)度高、低壓系統(tǒng)深厚的特征[11]。郁淑華等[12-14]研究了冷空氣活動對低渦移出青藏高原的影響，給出了冷空氣的高位渦特征對低渦移出青藏高原的影響機(jī)理。青藏高原低渦活動可造成暴雨或暴雪天氣[13-18]，同時(shí)低渦的生成受夏季地面熱源影響[19]及環(huán)流(如低頻振蕩[20])影響。

隨著觀測手段多樣化，氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在青藏高原低渦研究中逐漸發(fā)揮作用。錢正安等[21]利用衛(wèi)星云圖分析指出，青藏高原低渦的生成源地可追蹤到青藏高原西部，低渦云型為中心少云區(qū)，而周圍為多云區(qū)，不同發(fā)展階段和發(fā)生區(qū)域的低渦云型有明顯差異。除青藏高原低渦云系特征的研究外，我國FY-2氣象衛(wèi)星和日本GMS氣象衛(wèi)星水汽通道(6.3～7.6 μm)數(shù)據(jù)也被應(yīng)用于青藏高原低渦水汽輸送研究。許健民等[22]利用日本GMS衛(wèi)星的水汽圖像分析了夏季青藏高原上空水汽輸送，指出低渦與降水關(guān)系,江吉喜等[23]利用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析青藏高原夏季中尺度對流系統(tǒng)的時(shí)空分布特征。徐祥德等[24]利用衛(wèi)星反演TBB數(shù)據(jù)研究了青藏高原—季風(fēng)“大三角扇形”水汽輸送特征與中國的區(qū)域旱澇關(guān)系，指出1991年和1998年長江流域持續(xù)大暴雨的某些超級強(qiáng)對流云團(tuán)渦旋云系的胚胎云系可追溯到上游青藏高原中部地區(qū)，展示了氣象衛(wèi)星在青藏高原低渦源地追蹤上的優(yōu)勢。

青藏高原低渦氣候分布特征研究依托于長時(shí)間序列低渦數(shù)據(jù)集，中國氣象局成都高原氣象研究所利用氣象探測數(shù)據(jù)整編了自1998年以來的青藏高原低渦年鑒，為青藏高原低渦活動研究提供了觀測事實(shí)。林志強(qiáng)等[25]利用氣象再分析數(shù)據(jù)研究了青藏高原低渦客觀識別方法，并依據(jù)識別結(jié)果進(jìn)行了初步分析。本文在以往研究基礎(chǔ)上，以長時(shí)間序列氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、輔助氣象再分析數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)和青藏高原低渦年鑒等，形成基于氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的青藏高原低渦綜合識別方法，形成近30年青藏高原低渦數(shù)據(jù)集，并對比衛(wèi)星識別青藏高原低渦數(shù)據(jù)和青藏高原低渦年鑒數(shù)據(jù)集，利用多年平均和逐年分析方法對青藏高原低渦活動頻數(shù)、位置分布及季節(jié)變化等進(jìn)行分析，研究了2015年青藏高原中西部新增3個(gè)探空站點(diǎn)對低渦識別的重要影響，表明氣象衛(wèi)星在青藏高原中西部無探空站點(diǎn)區(qū)域?qū)Φ蜏u生成源地和移動路徑的監(jiān)測優(yōu)勢。

1 數(shù) 據(jù)

數(shù)據(jù)包括日本GMS和我國FY-2靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，美國NCEP/NCAR、日本JRA-55、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)，青藏高原低渦年鑒和氣象探空數(shù)據(jù)等。

氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)：GMS氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)[26]紅外和水汽通道數(shù)據(jù)空間分辨率為5 km，時(shí)間分辨率在1989—1995年為3 h，1996—2002年為1 h；FY-2氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)為2005—2016年[27]，紅外和水汽通道數(shù)據(jù)空間分辨率為5 km，時(shí)間分辨率為1 h。青藏高原低渦識別時(shí)利用紅外和水汽通道圖像上低渦的云型特征，因此，對長時(shí)間序列多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)的定標(biāo)一致性依賴較小。

氣象再分析數(shù)據(jù)： 美國NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集[28]，空間分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向?yàn)?7層；日本JRA-55再分析數(shù)據(jù)集[29]，空間分辨率為1.25°×1.25°，垂直方向?yàn)?7層；歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集[30]，本文選取空間分辨率為1°×1°，垂直方向?yàn)?7層。3類數(shù)據(jù)時(shí)間段均為1989—2002年和2005—2016年，每日00:00,06:00,12:00,18:00(世界時(shí)，下同)共4個(gè)時(shí)次。

青藏高原低渦年鑒[31]：中國氣象局成都高原氣象研究所整編，文中使用了高原低渦路徑圖和高原低渦中心位置數(shù)據(jù)表。時(shí)間為1998—2016年，每日00：00和12：00共2個(gè)時(shí)次。定義高原低渦活動頻數(shù)為每日低渦活動平均次數(shù)，為了與衛(wèi)星識別結(jié)果對比(每日00：00，06：00，12：00，18：00共4次定位)，文中將年鑒低渦活動頻數(shù)乘2。

氣象探空數(shù)據(jù)：時(shí)間為2005年至今，每日00：00 和12：00共2個(gè)時(shí)次，垂直方向11層。青藏高原及周邊探空站分布如圖1所示(2015年增加獅泉河、改則和申扎3個(gè)探空站，圖1中黑色方框所示)[32]，2015年前，探空站主要分布在青藏高原東部。西藏、青海和四川分別有8個(gè)(定日、拉薩、那曲、林芝、昌都、獅泉河、改則和申扎)、7個(gè)(沱沱河、玉樹、達(dá)日、格爾木、都蘭、西寧和芒崖)和3個(gè)(巴塘、甘孜和紅原)探空站。大部分探空站海拔高度為3000～4000 m，密度遠(yuǎn)小于中東部省份，受復(fù)雜地形影響探空站代表性較差。

圖1 青藏高原及周邊探空站分布(陰影表示地形高度不低于3000 m)Fig.1 The distribution of meteorological sounding stations over the Tibet Plateau(the shaded denotes terrain height no less than 3000 m)

2 再分析數(shù)據(jù)在青藏高原地區(qū)適用性

氣象衛(wèi)星青藏高原低渦識別方法中，再分析數(shù)據(jù)作為高原天氣分析軟件的客觀自動識別依據(jù)。由于青藏高原地區(qū)的特殊性，再分析數(shù)據(jù)在該地區(qū)的適用性需驗(yàn)證，選取3類常用氣象再分析數(shù)據(jù)集。依據(jù)青藏高原低渦定義(500 hPa等壓面上生成于高原且有閉合等高線的低壓或有3個(gè)站風(fēng)向呈氣旋式環(huán)流)且青藏高原低渦年鑒主要依據(jù)探空數(shù)據(jù)整編，選取探空數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值，檢驗(yàn)3類再分析數(shù)據(jù)200 hPa,500 hPa位勢高度場和風(fēng)場。選取分別代表青藏高原中東部(西藏)、東北部(青海)和東部邊緣(四川)的站點(diǎn)，分析表明：3類再分析數(shù)據(jù)在三省(自治區(qū))的精度表現(xiàn)一致，現(xiàn)以西藏自治區(qū)為例分析，選取站點(diǎn)為定日、拉薩、那曲、林芝和昌都。

利用2007—2016年10年平均西藏自治區(qū)5個(gè)探空站高度場檢驗(yàn)(圖2)可知，NCEP/NCAR數(shù)據(jù)和探空數(shù)據(jù)一致性最佳，ERA-Interim數(shù)據(jù)200 hPa和500 hPa 高度比探空數(shù)據(jù)分別平均偏低約200 gpm和100 gpm。JRA-55數(shù)據(jù)200 hPa高度1—5月、11—12月與探空數(shù)據(jù)一致性較好，但6—10月高度場較探空數(shù)據(jù)異常偏低(原因分析有待深入)，而500 hPa 高度場1—5月和11—12月偏低,7—9月偏高。

圖2 2007—2016年再分析數(shù)據(jù)和探空站平均(定日、拉薩、那曲、林芝和昌都)200 hPa及500 hPa高度場Fig.2 The average geo-potential height at 200 hPa and 500 hPa of meteorological sounding stations(Dingri,Lasa，Naqu，Linzhi，Changdu) and NCEP/NCAR,JRA-55 and ERA-Interim reanalysis from 2007 to 2016

由平均風(fēng)速(圖3)可知，ERA-Interim和NCEP/ NCAR與探空數(shù)據(jù)一致性相對較好，1—5月和9—12月兩類再分析和探空數(shù)據(jù)風(fēng)速差異較小，6—8月均比探空數(shù)據(jù)風(fēng)速偏小約5 m·s-1。JRA-55數(shù)據(jù)風(fēng)速全年整體偏小，明顯偏小的月份為1—5月和11—12月，10月與探空風(fēng)速接近。2007—2016年6月1日—7月1日探空站平均水平風(fēng)垂直分布(圖4)顯示，3類再分析數(shù)據(jù)200 hPa和500 hPa風(fēng)向均與探空有明顯差異：NCEP/NCAR數(shù)據(jù)200 hPa和500 hPa北風(fēng)分量偏強(qiáng)；ERA-Interim和JRA-55數(shù)據(jù)200 hPa北風(fēng)分量偏強(qiáng)，500 hPa 南風(fēng)分量偏強(qiáng)。2008年6月1日—7月1日那曲站3類再分析數(shù)據(jù)和探空100，200，300，400 hPa和500 hPa各層水平風(fēng)分布顯示，隨著高度增加再分析數(shù)據(jù)風(fēng)向和探空風(fēng)向的差異變大，ERA-Interim和NCEP/NCAR兩類再分析數(shù)據(jù)各層風(fēng)向和探空差異相對較小。

圖3 2007—2016年再分析數(shù)據(jù)和探空站平均(定日、拉薩、那曲、林芝和昌都)200 hPa及500 hPa風(fēng)速Fig.3 The average wind speed at 200 hPa and 500 hPa of meteorological sounding stations(Dingri, Lasa，Naqu，Linzhi，Changdu)and NCEP/NCAR,JRA-55 and ERA-Interim reanalysis from 2007 to 2016

圖4 2007—2016年6月1日—7月1日再分析數(shù)據(jù)和探空站平均(定日、拉薩、那曲、林芝和昌都)(a)和2008年6月1日—7月1日再分析數(shù)據(jù)和那曲站水平風(fēng)垂直分布(b)Fig.4 The vertical distribution of horizontal wind at Dingri,Lasa，Naqu，Linzhi，Changdu from 1 Jun to 1 Jul during 2007-2016(a) and that of Naqu from 1 Jun to 1 Jul in 2008(b) based on observation and NCEP/NCAR,JRA-55, ERA-Interim reanalysis

探空氣球探測的水平風(fēng)為氣球上升經(jīng)過某高度時(shí)的矢量值，會受到大氣層局部湍流活動或較強(qiáng)的上升或下沉運(yùn)動影響，造成氣球經(jīng)過該點(diǎn)時(shí)的位移與其相鄰兩點(diǎn)間出現(xiàn)明顯的漂移，從而引起氣球在某個(gè)高度范圍的風(fēng)出現(xiàn)較大偏離。在一定程度上造成了探空數(shù)據(jù)和氣象再分析數(shù)據(jù)風(fēng)場的差異。綜合考慮青藏高原地區(qū)位勢高度場和風(fēng)場，本文選取NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)作為氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦輔助數(shù)據(jù)。

3 氣象衛(wèi)星青藏高原低渦識別方法

以長時(shí)間序列氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主要識別依據(jù)，輔助氣象再分析、探空和青藏高原低渦年鑒數(shù)據(jù)，利用開發(fā)的高原天氣分析軟件系統(tǒng)進(jìn)行自動識別和人機(jī)交互識別，對修訂后的綜合識別結(jié)果自動儲存，形成青藏高原低渦數(shù)據(jù)集。

3.1 NCEP/NCAR數(shù)據(jù)自動識別方法

林志強(qiáng)等[25]利用NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行高原低渦客觀識別，應(yīng)用天氣學(xué)和幾何圖形特征，結(jié)合高度場和風(fēng)場定義閉合低渦、面積、連續(xù)性、區(qū)域、垂直結(jié)構(gòu)及氣旋性旋轉(zhuǎn)等高原低渦的識別標(biāo)準(zhǔn)，本文參考該自動識別方法。低渦識別條件包括：①500 hPa高度場出現(xiàn)低值閉合中心；②強(qiáng)度I>10(I=-1×(HL-HClat,70°～120°E)，其中，HL為低渦中心高度，HClat,70°～120°E為低渦中心緯度處70°～120°E范圍內(nèi)平均高度)；③面積為1×104～1×106km2；④低渦起始點(diǎn)位于青藏高原地區(qū)以內(nèi)(圖1中3000 m以上高原范圍)。

3.2 氣象衛(wèi)星識別方法

氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦主要依據(jù)逐小時(shí)靜止氣象衛(wèi)星紅外云圖和水汽圖像上低渦云型特征、低渦云系的發(fā)展和移動特征[17]，并結(jié)合500 hPa氣象探空風(fēng)場、青藏高原低渦年鑒中低渦位置等數(shù)據(jù)，對NCEP/NCAR數(shù)據(jù)自動識別高原低渦數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。具體內(nèi)容和方法包括：①自動識別漏判或多判的低渦添加或刪除；②低渦范圍訂正，依據(jù)低渦云系的影響范圍并參考閉合等高線范圍；③低渦中心訂正，主要依據(jù)高度場閉合中心位置和風(fēng)場旋轉(zhuǎn)中心位置，并向低渦云系的渦旋中心調(diào)整，在有探空數(shù)據(jù)的00：00和12：00，當(dāng)NCEP/NCAR數(shù)據(jù)和探空數(shù)據(jù)有差異時(shí)，以探空數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，并且在06:00和18：00依據(jù)低渦移動的連續(xù)性進(jìn)行訂正；④低渦是否為同一個(gè)低渦訂正，因?yàn)椴煌牡蜏u過程移動快慢差異較大，自動識別時(shí)用統(tǒng)一的距離界定會出現(xiàn)較多錯判，根據(jù)云系演變進(jìn)行判斷卻簡單可靠。

氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦數(shù)據(jù)集主要包括：低渦時(shí)間、編號、中心經(jīng)緯度、低渦面積、低渦對流信息等，時(shí)間分辨率為每日4次。

4 氣象衛(wèi)星青藏高原低渦識別結(jié)果

青藏高原低渦年鑒是由經(jīng)驗(yàn)豐富的高原氣象研究專家依據(jù)探空觀測數(shù)據(jù)整編，是研究青藏高原低渦的重要數(shù)據(jù)集[31]。因此，本文以青藏高原低渦年鑒為真值分析氣象衛(wèi)星青藏高原低渦識別結(jié)果，對比時(shí)間為2001—2016年(無2003年和2004年數(shù)據(jù)，下同)。青藏高原低渦年鑒數(shù)據(jù)中2015年開始增加了獅泉河、改則和申扎3個(gè)探空站，因此，在多年平均青藏高原低渦對比分析時(shí)，選取時(shí)間段為2001—2014年，在逐年對比分析時(shí)，分別對有(2015年)和無(2008年)這3個(gè)中西部探空站年份進(jìn)行分析。

4.1 多年平均青藏高原低渦活動

圖5a和5b為2001—2014年平均低渦活動頻數(shù)分布，兩類數(shù)據(jù)均顯示4—8月為低渦活動頻數(shù)高峰期，年鑒最大日平均活動頻數(shù)為2.3次/d，氣象衛(wèi)星識別低渦最大日平均活動頻數(shù)為3.2次/d，較年鑒數(shù)據(jù)略偏高。氣象衛(wèi)星識別顯示低渦最強(qiáng)活動頻數(shù)出現(xiàn)在5月底至6月初，年鑒低渦最強(qiáng)活動頻數(shù)出現(xiàn)在6月初，1—5月和9—12月氣象衛(wèi)星識別低渦活動明顯高于年鑒低渦。由2001—2014年平均月低渦生成數(shù)量(圖5c)可知，1—5月和9—12月衛(wèi)星識別低渦較年鑒低渦數(shù)量偏多，6月持平，7—8月偏少。衛(wèi)星識別低渦顯示5月為青藏高原低渦生成最多的月份。

由青藏高原低渦區(qū)域平均分布可知(圖6)，年鑒低渦和衛(wèi)星識別低渦均顯示青藏高原東部為低渦活動頻發(fā)區(qū)。年鑒低渦頻發(fā)區(qū)域和探空站點(diǎn)分布關(guān)系密切，大值區(qū)位于多個(gè)探空站點(diǎn)的中間區(qū)域，西藏東南部高值中心位于拉薩站東南側(cè)和林芝站西南側(cè)，西藏東北部兩個(gè)高值中心分別位于那曲站北側(cè)和昌都站東北側(cè)，青海南部的高值中心分別位于玉樹站和沱沱河站中間區(qū)域，這與青藏高原低渦年鑒所用的觀測數(shù)據(jù)主要來源于探空數(shù)據(jù)有關(guān)。2015年前，青藏高原中西部地區(qū)無探空站點(diǎn)，因此,年鑒低渦主要位于東部(90°E以東)。衛(wèi)星識別顯示出兩個(gè)低渦活動高值區(qū)，分別位于青藏高原西部、西藏中北部和青海西南部，衛(wèi)星識別出青藏高原中西部更多低渦。青藏高原東部低渦活動高值區(qū)較年鑒低渦更偏西，低渦分布更均勻。這與錢正安等[21]利用衛(wèi)星云圖分析指出青藏高原低渦的生成源地可追蹤到青藏高原西部的結(jié)論一致，表明氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在青藏高原低渦識別中的觀測優(yōu)勢。

氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦月平均分布(圖7)可以看到，西部低渦活動7月和8月較弱，其他月份的活動頻數(shù)差異較小，東部低渦活動有明顯的季節(jié)變化，冬季(1月、2月、11月和12月)該區(qū)域基本無低渦活動，4—8月為東部低渦活躍期，其中最活躍時(shí)間為5月和6月。因此，冬半年低渦主要出現(xiàn)在青藏高原西部，春末及夏季東部低渦活躍，5月和6月低渦活動頻數(shù)高峰主要為該區(qū)域低渦活動增強(qiáng)的結(jié)果。冬半年[33]氣象衛(wèi)星識別低渦活動頻數(shù)高于年鑒低渦活動頻數(shù),主要是由青藏高原西部低渦活動造成的(圖5)。

圖5 2001—2014年日平均青藏高原年鑒低渦活動頻數(shù)(a)、氣象衛(wèi)星識別低渦活動頻數(shù)(b)和月平均低渦生成數(shù)量(c)Fig.5 The daily mean vortex activity frequency of the Tibetan Plateau based on Yearbooks(a) and meteorological satellite(b) with monthly mean of the Tibet Plateau vortex genesis(c) from 2001 to 2014

圖6 2001—2014年平均青藏高原年鑒低渦活動頻數(shù)(a)和氣象衛(wèi)星識別低渦活動頻數(shù)(b)分布(黑點(diǎn)為氣象探空站點(diǎn)位置)Fig.6 The distribution of the Tibet Plateau vortex activity frequency based on Yearbooks(a) and meteorological satellite(b) from 2001 to 2014(black dot denotes meteorological sounding station)

圖7 2001—2014年月平均氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦活動頻數(shù)分布Fig.7 The monthly mean distribution of the Tibet Plateau vortex activity frequency based on meteorological satellite from 2001 to 2014

續(xù)圖7

4.2 逐年氣象衛(wèi)星青藏高原低渦識別結(jié)果

本文以2008年和2015年為例對比分析氣象衛(wèi)星識別低渦和年鑒低渦，2008年衛(wèi)星識別低渦共51個(gè)(1—12月低渦數(shù)量分別為1，3，4，4，12，6，8，4，2，3，3，1個(gè))，年鑒低渦共47個(gè)(1—12月低渦數(shù)量分別為0，1，1，3，12，8，9，6，5，0，1，1個(gè))，年鑒低渦偏多4個(gè)。1—4月和10—11月衛(wèi)星識別青藏高原低渦數(shù)量比年鑒偏多，而5—9月與年鑒持平或偏少，7—8月與多年月平均低渦分布基本一致(圖5c)。

2008年青藏高原低渦路徑分布(圖8a、8b)表明，青藏高原東部衛(wèi)星識別低渦和年鑒低渦路徑分布趨勢基本一致，均以偏東或東北路徑為主，由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率更高，6 h 1次的定位信息使低渦路徑更連續(xù)平滑。氣象衛(wèi)星識別出 85°E以西及85°～90°E之間青藏高原中西部低渦各17個(gè)(分別占總數(shù)的33.3%)，使影響90°E以東青藏高原低渦生成源地進(jìn)一步西移(年鑒低渦均位于90°E以東)。衛(wèi)星識別出起源于90°E以東的低渦共17個(gè)，約占總數(shù)的33.3%。

圖8 2008年年鑒低渦路徑(a)和氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦路徑(b)分布圖(藍(lán)線為3000 m地形高度)Fig.8 The Tibet Plateau vortex tracks based on Yearbooks(a) and meteorological satellite(b) in 2008(blue curve denotes 3000 m topographic height)

表1給出了2008年氣象衛(wèi)星識別和年鑒青藏高原低渦的一致性分析，低渦活動期間中心位置能夠匹配時(shí)認(rèn)為兩者一致。逐條低渦路徑分析表明：氣象衛(wèi)星識別共有25個(gè)低渦與年鑒中的34個(gè)(共47個(gè)，約占72.3%)低渦對應(yīng)，其中7條氣象衛(wèi)星識別路徑分別對應(yīng)2～3個(gè)年鑒低渦。氣象衛(wèi)星識別青藏高原西部低渦共12個(gè)(主要發(fā)生在秋冬季和春季)，南部低渦共1個(gè)。因此，除無探空站的高原中西部和南部外，氣象衛(wèi)星識別低渦在有探空數(shù)據(jù)的青藏高原區(qū)域和年鑒低渦具有較好的一致性，衛(wèi)星識別低渦約覆蓋72.3%的年鑒低渦。

表1 2008年氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦與年鑒低渦一致性分析Table 1 Consistency analysis of the Tibet Plateau vortexes between the recognition based on meteorological satellite and Yearbook in 2008

氣象衛(wèi)星識別有7個(gè)低渦路徑分別對應(yīng)2～3個(gè)年鑒低渦，現(xiàn)以2008年5月10—14日低渦(氣象衛(wèi)星識別第15號，年鑒第7號和第8號)分析氣象衛(wèi)星識別對青藏高原低渦生成源地判定及路徑連續(xù)性方面的優(yōu)勢。

由圖9可以看到，5月10日18：00氣象衛(wèi)星識別出青藏高原西部有低渦生成，低渦生成后移動路徑為東—東北—東—東南方向。氣象衛(wèi)星水汽圖像監(jiān)測顯示(圖10)，11日00：00低渦中心外圍有云系發(fā)展，500 hPa高度場也顯示有明顯的閉合中心，中心附近最低高度約為5760 gpm。探空風(fēng)場顯示印度北部、我國西藏東部和新疆南部形成明顯的氣旋式氣流，低值中心位于我國西藏西部。隨著低渦東移，低渦周圍的云系逐漸發(fā)展并有明顯的日變化特征(圖略)，06：00云系明顯加強(qiáng)。5月13日00：00 開始，與年鑒第8號低渦路徑基本一致。氣象衛(wèi)星、再分析數(shù)據(jù)及探空數(shù)據(jù)綜合識別青藏高原低渦可以對低渦初生進(jìn)行提前追蹤，彌補(bǔ)探空數(shù)據(jù)在青藏高原中西部低渦監(jiān)測中的不足。一般而言，低渦中心附近沒有明顯的渦旋狀云型，但有低渦活動時(shí)，低渦中心外圍一般會出現(xiàn)氣旋式彎曲的云帶，特別是在午后低渦周圍會有對流云帶發(fā)展，為低渦活動的判讀提供重要信息。

圖9 2008年氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦(實(shí)線表示第15號)與年鑒低渦(虛線表示第7號和第8號)路徑Fig.9 The Tibet Plateau vortex tracks from the recognition based on meteorological satellite(solid line denotes No.15) and Yearbooks(dash line denotes No.7 and No.8) in 2008

圖10 2008年氣象衛(wèi)星識別第15號青藏高原低渦路徑(黑色實(shí)線)與5月11日00：00,11日12：00,12日12：00和13日12：00年鑒低渦位置(黑圓點(diǎn)表示第7號，黑方塊表示第8號)、衛(wèi)星水汽圖像、500 hPa高度場(白色等值線,單位：dagpm)、探空風(fēng)場(風(fēng)向桿)Fig.10 The Tibet Plateau vortex tracks of No.15 based on meteorological satellite(solid line), vortex positions based on Yearbook(black dot denotes No.15,black square denotes No.7 and 8), satellite water vapour images(the shaded),geo-potential height at 500 hPa(white contour,unit:dagpm) and sounding wind bar at 0000 UTC 11 May,1200 UTC 11 May,1200 UTC 12 May,1200 UTC 13 May in 2008

由圖6可知，2001—2014年受氣象探空站點(diǎn)分布的影響，年鑒青藏高原低渦出現(xiàn)在經(jīng)度90°E以東的區(qū)域，2015年青藏高原中西部新增3個(gè)探空站，分布在80°～90°E附近區(qū)域(圖11)。2015年青藏高原低渦年鑒顯示共有12個(gè)低渦活動于90°E以西區(qū)域(圖11中黑色矩形框范圍內(nèi))，約占全年年鑒低渦數(shù)量(55個(gè))的22%，年鑒低渦位置主要分布在圖中方框區(qū)域的東北側(cè)。氣象衛(wèi)星識別低渦共有16個(gè)出現(xiàn)在該區(qū)域，圖中方框區(qū)域均有分布。兩者時(shí)間和位置匹配一致性分析表明：衛(wèi)星識別8個(gè)低渦和年鑒識別10個(gè)低渦時(shí)間和空間匹配均一致，且兩者一致的低渦均出現(xiàn)在圖中方框的東北側(cè)，該區(qū)域兩類低渦數(shù)據(jù)一致性較高。表明新增3個(gè)探空站對青藏高原低中西部低渦識別的重要作用，也能更好地識別青藏高原東部低渦生成源地；同時(shí)，也表明氣象衛(wèi)星識別低渦在青藏高原中西部區(qū)域的可信性。

圖11 2015年年鑒低渦(a)與氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦(b)路徑分布(藍(lán)線表示3000 m地形高度，黑色方塊表示獅泉河、改則、申扎探空站位置)Fig.11 The Tibet Plateau vortex tracks based on Yearbooks(a) and meteorological satellite(b) in 2015 (blue curve denotes 3000 m topographic height，black square denotes Shiquanhe,Gaize and Shenzha meteorological sounding station)

5 結(jié) 論

本文以氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合氣象再分析、探空、青藏高原低渦年鑒等數(shù)據(jù)，對長時(shí)間序列青藏高原低渦進(jìn)行識別，通過多年平均及逐年數(shù)據(jù)分析表明了氣象衛(wèi)星青藏高原低渦識別的可行性，基于該低渦數(shù)據(jù)初步分析了青藏高原低渦分布特征。主要結(jié)論如下：

1) 3類氣象再分析數(shù)據(jù)中，NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)的對流層中高層高度場、風(fēng)場在青藏高原地區(qū)與探空數(shù)據(jù)的一致性較好，可作為氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦輔助數(shù)據(jù)。

2) 多年平均青藏高原低渦活動頻數(shù)分布顯示：4—8月為低渦活動頻數(shù)高峰期，冬半年氣象衛(wèi)星識別低渦活動頻數(shù)明顯高于年鑒數(shù)據(jù)(年鑒低渦位于90°E以東)，主要為青藏高原西部低渦活動引起。衛(wèi)星識別顯示出兩個(gè)低渦活動頻發(fā)區(qū)，一個(gè)位于西藏的中北部和青海西南部，另一個(gè)位于青藏高原西部。有探空站的青藏高原東部，衛(wèi)星識別低渦高值區(qū)和年鑒數(shù)據(jù)吻合。逐年低渦路徑對比分析也顯示，2008年除無探空站的青藏高原中西部和南部外，氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦和年鑒低渦具有較好的一致性，衛(wèi)星識別低渦約覆蓋72.3%的年鑒低渦，表明衛(wèi)星識別低渦在青藏高原東部地區(qū)的可信性。

3) 2015年青藏高原中西部新增3個(gè)探空站對年鑒低渦數(shù)據(jù)有重要影響，年鑒中90°E以西低渦約占全年低渦數(shù)量22%。該年份新增探空站區(qū)域氣象衛(wèi)星識別低渦和年鑒低渦分布一致性較高，表明氣象衛(wèi)星識別低渦在青藏高原中西部的可信性。

4) 氣象衛(wèi)星識別青藏高原低渦數(shù)據(jù)顯示，除7—8月，青藏高原西部低渦月平均差異較小，而青藏高原東部低渦有明顯的季節(jié)差異，冬半年基本無低渦活動，夏半年為低渦活躍期，其中最活躍時(shí)間為5月和6月。

因此，衛(wèi)星識別和年鑒低渦在有探空站的青藏高原區(qū)域有較好的一致性，且可對青藏高原低渦年鑒中發(fā)生在青藏高原東部的低渦初生源地進(jìn)行識別，同時(shí)又能對發(fā)生在青藏高原西部特別是活躍于冬半年的低渦進(jìn)行識別，是青藏高原低渦年鑒數(shù)據(jù)的有效補(bǔ)充。后期可利用形成的近30年低渦數(shù)據(jù)開展青藏高原低渦分析。