2018, Vol. 42
2 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 成都 610072
3 雅安市气象局, 四川雅安 625000
2 The Plateau and Sichuan Basin Storm Rain and Dry Damage Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072
3 Ya'an Meteorology Service, Ya'an, Sichuan 625000
青藏高原低涡对高原环境有很强的依赖性，移出高原是高原低涡生命史中的重要转折点，此时高原低涡由高原与大气相互作用转为高原以东陆面与大气相互作用，其结构、强度、路径、降水分布等将产生一系列变化（孙国武和陈保德，1988；何光碧等，2009；郁淑华和高文良，2010；李国平等，2016）。乔全民和张雅高（1994）指出：高原低涡一旦离开高原多数在背风坡消亡，这与一般斜压系统明显不同。高原低涡一旦东移出高原主体，会使中国广大地区产生暴雨、大暴雨，造成灾害性天气（Tao and Ding, 1981；张顺利等，2001；刘新超和陈永仁，2014；Yu et al., 2014；陈贝和高文良，2015）。因此，高原涡移出高原在中国东部的维持机制已成为东移高原涡研究的重点。
近十多年来，高原涡东移出高原及其机理方面的研究更受关注。王鑫等（2009）指出：高原涡移出高原后多数在24 h内消亡，维持在36 h以上占30%，最长持续时间192 h。陈联寿等（2000）指出大地形对涡旋运动有影响。宋敏红和钱正安（2002）发现高原中东部气柱平均厚度可指示高原涡的移动。Takahash（2003）指出冷空气直接影响高原北部低压发展。郁淑华等（2008）指出高原涡处在斜压不稳定增强情况下会移出高原的。何光碧等（2009）指出冷暖空气交汇导致辐合流场的维持和加强，是低涡得以维持和加强的重要因素。郁淑华等(2009a, 2009b)指出高原涡是在南支气流增强的情况下移出高原的；低涡以南的南支气流起到了向低涡区输送水汽通量和正涡度平流的作用，提供了利于低涡活动持续的条件。李国平等（2011）指出高原涡既含有涡旋Rossby波又含有惯性重力外波的结构特征。宋雯雯等（2012）指出凝结潜热、水汽对低涡的维持以及结构特征演变起关键作用。Xiang et al.（2013）分析了一次折向高原涡TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）数据反映的降雨水特征，指出：低涡会沿着潜热释放的中心移动。田珊儒等（2015）指出：高原中西部地面感热加热是高原低涡生成、发展和东移的主导因子。郁淑华和高文良（2017）指出：200 hPa西南风急流影响高原涡诱发或耦合西南涡是在高空高位涡下传影响到高原涡与西南涡上空的情况下实现的。上述研究丰富了对高原低涡东移的认识，但对高原涡移出高原后持续活动的机理研究还很缺乏。
移出高原后持续活动时间长的高原涡，对中国乃至东亚强降水影响大（Yu et al., 2016），是什么原因能使高原涡移出高原后持续活动，值得探讨。这对于进一步认识高原涡活动的机理及与中国的强降水过程的关系、指导高原涡的预报和减少其造成的暴雨等灾害都具有十分重要的意义。为此，本文选取了高原外持续时间长的与短的高原涡个例，首先对两个例的大尺度环流、冷空气活动特征进行对比分析，然后采用位涡诊断，以揭示冷空气对高原涡移出高原后持续与衰减的影响。
2 资料、选例与方法 2.1 资料本文所用的资料包括：（1）由中国气象局国家气象中心提供的1998~2016年每日08:00、20:00（北京时，下同）历史天气图；（2）时间分辨率为6 h，水平分辨率为1°×1°的NCEP/ NCAR–FNL 2000年和2013年6~7月的再分析资料；（3）青藏高原低涡切变线年鉴1998年册（李跃清等，2010）至2015年册（中国气象局成都高原气象研究所和中国气象学会高原气象学委员会，2017）。
2.2 选例个例选取的原则：（1）为减少移出高原时季节、强度的不同对高原涡移出以及活动的影响，选取的是高原涡移出高原时季节相近、强度相差不大的个例；（2）依据高原涡移出高原后路径多数是向偏东方向（郁淑华和高文良，2006），选取以偏东路径的高原涡过程为代表的个例。依据以上个例选取的原则，选出的是在高原以东长久持续（持续时间大于96 h）活动的高原涡过程（简称长持续涡）——C1323涡（中国气象局成都高原气象研究所和中国气象学会高原气象学委员会，2015），过程起止时间为2013年6月4日20:00至11日02:00（图 1）；在高原以东短期维持（持续时间不大于30 h）的高原涡过程（简称短持续涡）——C0625涡（李跃清等，2012），过程起止时间为2006年6月30日20:00至7月3日02:00（图 1）。
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图 1 C0625（黑色，2006年6月30日20:00至7月3日02:00）和C1323（红色，2013年6月4日20:00至11日02:00）高原涡的路径。阴影区表示海拔高度≥2500 m；数字表示日期；02:00、08:00、14:00、20:00高原涡位置分别以实心圆、空心圆、实心三角、空心三角示出 Figure 1 The tracks of TPV (Tibetan Plateau Vortex) C0625 [black, 2000 BT (Beijing time) 30 June to 0200 BT 03 July 2006] and TPV C1323 (red, 2000 BT 04 June to 0200 BT 11 July, 2013). The shaded area is above 2500 m. The numbers are the dates. The positions of sustained TPV at 0200 BT, 0800 BT, 1400 BT, and 2000 BT are denoted by solid dot, hollow circle, solid triangle and hollow triangle, respectively |
对选取的长、短持续涡个例进行环流与冷空气活动特征比较分析与位涡诊断比较分析研究。位涡（PV）表达式（于玉斌和姚秀萍，2000）为
| $ \begin{matrix} \text{PV=}-g\left(\zeta +f \right)\frac{\partial \theta }{\partial p}+g(\frac{\partial v}{\partial p}\frac{\partial \theta }{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial p}\frac{\partial \theta }{\partial y}), \\ {{\left(\text{PV} \right)}_{1}}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \left(\text{P}{{\text{V}}_{2}} \right) \\ \end{matrix} $ | (1) |
其中，PV可分解成两部分，即与静力稳定度有关的正压项(PV)1及与风的垂直切变和位温水平梯度有关的斜压项(PV)2。位涡是综合反映大气动力特性与热力特性的物理量。位势涡度的单位是PVU，即10-6 m2 K s-1 kg-1（刘健文等，2005）。
高原涡是指500 hPa等压面上生成于青藏高原，凡有闭合等高线的低压或三个站风向呈气旋式环流的均称为低涡（青藏高原气象科学研究拉萨会战组，1981）。高原涡涡区是指涡中心，半径为3经/纬距的区域（郁淑华和高文良，2017）。高原涡中心区是指涡中心，半径为1经/纬距的区域（郁淑华和高文良，2017）。高原涡编号是以“C”字母开头，按年份的后二位数与当年低涡顺序二位数组成（李跃清等，2012）。高原涡出海是以高原涡中心出海而定的。高原涡中心区的位涡正压项(PV)1、位涡斜压项(PV)2平均值是分别以低涡中心(PV)1、(PV)2的值与其周围间隔1经/纬距的8个方位的(PV)1、(PV)2值之和求平均（即9点平均）。
3 冷空气特征的分析 3.1 长、短持续涡过程的演变从长、短持续涡的位势高度、温度在活动过程中的演变（图 2）看出：长、短持续涡在活动过程中位势高度、温度的演变是明显不同。
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图 2 （a）C1323涡与（b）C0625涡中心位势高度（实线，单位：gpm）、温度（虚线，单位：℃）随时间的演变。红色实心三角表示高原涡移出高原时间 Figure 2 Evolutions of geopotential height (solid lines, units: gpm) and temperature (dashed lines, units: ℃) at the TPV center: (a) TPV C1323; (b) TPV C0625. The time of TPV moving out of the Plateau is denoted by solid red triangle |
C1323涡500 hPa上，2013年6月4日20:00，在青海西南部托托河生成，涡中心位势高度、温度分别为5815 gpm、－0.4℃（图 2a）；在高原上活动时，低涡中心位势高度变化不大，先升后降，升降幅度＜5 gpm，低涡中心温度下降明显；5日14:00低涡移出高原，位势高度、温度比生成时分别下降3 gpm、8.4℃。低涡出高原后直到出海前12小时（7日20:00），低涡中心位势高度逐渐下降，低涡中心温度有些小波动，趋向下降，其中，6日08:00，低涡强度由6小时前的24小时降高12 gpm转为17 gpm，此时低涡增强明显，定为低涡加强时；7日02:00~14:00，低涡一直在加强，24小时降高维持在29 gpm，取低涡这段持续加强的中间时间——7日08:00为低涡陆上持续时。在出海前6小时（8日02:00）到出海后12小时（8日20:00），低涡中心位势高度有明显的先下降、后升高现象，温度变化则与位势高度相反。在出海18小时后低涡中心位势高度缓慢升高，温度有波动（图 2a），但低涡中心的24小时变温都为负值，其中，10日08:00，低涡在海上降温明显，此时定为低涡海上持续时。11日02:00在切变线中将消失。
C0625涡500 hPa上，2006年6月30日20:00，在青海西部五道梁生成，位势高度、温度分别为5813 gpm、－3.5℃（图 2b）；在高原上活动时，低涡中心位势高度的变化与C1323涡的不同，先降后升，升降幅度比C1323涡大，低涡中心温度逐渐下降，下降幅度比C1323涡小。7月1日20:00，低涡移出高原时稍减弱，24小时增高4 gpm，24小时降温2.5℃。反映了C0625涡在高原上活动时低涡减弱比C1323涡明显，受冷空气影响比C1323涡弱。低涡出高原后，低涡中心的位势高度、温度变化也与C1323涡不同，C0625涡中心位势高度是降—升—降，且降幅小，不同于C1323涡在大陆上空时是一直下降的；低涡中心温度在－4~－6℃之间变化。其中，7月2日02:00，低涡的24小时降高、降温分别为5 gpm、1.1℃，而后12小时低涡的强度在减弱，所以将7月2日02:00定为低涡加强时；7月2日20:00，低涡又有增强，24小时降高11 gpm，此时定为低涡持续时，7月3日02:00，低涡减弱，将消失。
由上看出，长持续涡是在受较明显冷空气影响、低涡加强情况下移出高原的，在大陆上空活动时是在受冷空气影响，温度较低的情况下，低涡在不断加强并持续的；出海后低涡在逐渐减弱，受冷空气影响，长持续涡比在大陆上有些减弱，但在温度较低并且还有二次明显降温情况下长持续涡在海上持续的。短持续涡是在受冷空气影响不强，低涡减弱的情况下移出高原的；出高原后，短持续涡是在没有明显冷空气影响情况下以及低涡无明显加强情况下短期内持续的。
3.2 500 hPa环流特征 3.2.1 环流形势从C1323涡（图 3）与C0625涡（图 4）500 hPa位势高度场和温度场来看长、短持续涡500 hPa环流形势特征：C1323涡与C0625涡的环流背景有相似之处，在形成时以及移出高原时（图 3a、b，图 4a、b），东亚40°N以北为一槽一脊形势，贝加尔湖（简称贝湖）东南部为一浅脊，其西侧为低槽，巴尔喀什湖（简称巴湖）以北有一低压，即东亚40°N以北为一槽一脊的环流型，中纬度气流较平直是长、短持续涡个例的形成、移出高原时共同特点。不同的是：（1）C1323涡的东亚40°N以北环流形势移出高原后转为二脊一槽型，出海后转为二槽一脊型；C0625涡的移出高原后转为二槽二脊型，环流的经向度比C1323涡弱。（2）C1323涡的西太平洋副热带高压（简称副高）位置比C0625涡偏南，C1323涡活动过程中的副高脊线在16°~20°N范围内，比C0625涡偏南6个纬度；副高西伸不如C0625涡，C1323涡活动过程中的副高只西伸到海南岛，C0625涡的西伸到了湖北、重庆和贵州。（3）C1323涡的贝湖西侧槽前锋区明显，在C1323涡活动过程中不断东伸南压，其中10日08:00有明显东南压，造成了C1323涡中心温度有一显著下降（图 2a）；而C0625涡则在高原以北没有锋区。500 hPa形势的明显差异反映了长持续涡活动过程中500 hPa上不阻塞东移天气系统，并有利于冷空气东移南下的堆积冷空气活动；短持续涡则相反。
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图 3 C1323涡（红色圆点）活动过程中500 hPa位势高度（黑色实线，单位：gpm）、温度（红色虚线，单位:℃）：（a）形成时；（b）移出高原；（c）加强时；（d）陆上持续时；（e）将出海时；（f）出海时；（g）海上持续时；（h）将消失时。篮色粗虚线表示海拔高度≥2500 m，绿色粗实线表示锋区位置，蓝色粗实线表示副高脊线，咖啡色粗实线表示槽线 Figure 3 Geopotential height (solid black lines, units: gpm) and temperature (dashed red lines, units: ℃) at 500 hPa for TPV C1323 (solid red dot): (a) The time when the TPV formed; (b) the time when the TPV moved out of the Plateau; (c) the time when the TPV strengthened; (d) the time when the TPV sustained over Mainland of China; (e) the time when the TPV was to move into the sea; (f) the time when the TPV moved into the sea; (g) the time when the TPV sustained over the sea; (h) the time when the TPV weakened and disappeared. The thick dashed blue line indicates area with altitudes above 2500 m. The thick green line represents the frontal zone position. The thick blue solid lines is the ridge line of the subtropical high. The thick coffee solid line represents the through line |
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图 4 C0625涡（红色圆点）活动过程中500 hPa位势高度（黑色实线，单位：gpm）、温度（红色虚线，单位：℃）：（a）形成时；（b）移出高原；（c）加强时；（d）持续时；（e）将消失时。蓝色粗虚线表示海拔高度≥2500 m，绿色粗实线表示锋区位置，蓝色粗实线表示副高脊线，咖啡色粗实线表示槽线 Figure 4 Geopotential height (solid black lines, units: gpm) and temperature (dashed red lines, units: ℃) at 500 hPa for TPV C0625 (solid red dot): (a) the time when the TPV formed; (b) the time when the TPV moved out of the Plateau; (c) the time when the TPV strengthened; (d) the time when the TPV sustained; (e) the time when the TPV weakened and disappeared. The thick dashed blue line indicates area with altitudes above 2500 m. The thick green solid line represents the frontal zone position. The thick blue solid lines is the ridge line of the subtropical high. The thick coffee solid line represents the through line |
高原涡多数在高原东部消失（罗四维，1992），很难移出高原。低涡活动离不开影响它的天气系统。从图 3、图 4看出，C1323涡与C0625涡形成时都处在高原中部低槽的前部，之后随低槽移动，受它们的影响系统是低槽。不同的是：（1）C1323涡所处的低槽槽后冷温度槽比C0625涡明显，C1323涡移出高原后在大陆上空活动期间，槽后伴有冷温度槽在加强，在低涡加强时（图 3c）、持续时（图 3d）分别伴有－10℃、－12℃冷温度槽；在C1323涡将出海、出海以及海上持续时（图 3e–g）槽后部都有－8℃冷温度槽，C1323涡减弱将消失在切变线中时槽后部有－2℃暖中心（图 3h）。C0625涡移出高原后所处的低槽槽后冷温度槽多数以冷舌出现，最强为－6℃（图 4a–e）。（2）影响C1323涡的低槽比C0625涡强。C1323涡所处的低槽，在低涡大陆上空加强（图 3c）、持续时（图 3d）分别有北、南槽同位向叠加使低槽向南伸，河套北部新生槽加深与C1323涡所处的低槽合并；在C1323涡将出海到海上持续时（图 3e–g），为北脊南槽的南槽，C1323涡减弱将消失在切变线中时，气流变得平直，此南槽减弱（图 3h）。C0625涡所处的低槽，在低涡加强（图 4c）、持续时（图 4d）分别是巴湖北部低压分裂槽、河套南部槽，低槽比C1323涡的浅。这是由于C1323涡所处的低槽槽后冷温度槽比C0625涡的明显，槽后冷平流明显比C0625涡的明显，利于C1323涡所处的低槽和低涡加强，而C0625涡的副高位置偏北，对低槽东移有阻塞，影响低涡减弱填塞所造成的。反映了影响长持续涡的天气系统比短持续涡强。
由上看出，长、短持续涡生成与移出高原时的环流背景相似，都为一槽一脊型；低涡移出高原后活动时都处在低槽中。不同的是，低涡移出高原后活动时，C1323涡的巴湖以北低压在逐渐东移，C0625涡的较稳定；C1323涡的副高比C0625涡偏南；C1323涡所处的低槽比C0625涡深厚，槽后的冷温度槽比C0625涡明显。这反映了低涡以东的天气系统不阻塞低涡活动，有利于冷空气东移南下的锋区存在，影响低涡活动的天气系统较强，槽后的冷温度槽明显等，这都是低涡能较长时间持续的重要环流特征。
3.3 冷空气侵入特征从500 hPa相对湿度和风场来看长、短持续涡的冷空气（相对湿度＜50%）侵入特征：C1323涡的冷空气侵入特特征（图 5）与C0625涡的（图 6）有明显不同：（1）侵入低涡的冷空气复杂程度不同，长持续涡大多数时间是受来自两个不同方向的冷空气影响（生成、移出高原时低涡受北方，陆上加强时受西北方，持续时受来自西北、东方，将出海时与出海时受来自西北、东北方，海上持续时受来自的西北、东方冷空气影响），短持续涡的大多数时间只受一个方向的冷空气影响；（2）侵入低涡的冷空气强度不同，长持续涡一般有相对湿度≤20%的干冷空气侵入，并且在低涡陆上加强时、出海时、海上持续时有相对湿度≤10%的干冷空气侵入，而短持续涡只有在低涡加强时、持续时有相对湿度为30%~50%的冷空气侵入，这样就造成了长持续涡涡区内的冷平流比短持续涡强；（3）侵入低涡的冷空气范围不同，长持续涡干冷空气侵入涡区范围在涡区的四分之一以上，而短持续涡最大侵入的涡区范围不到涡区的八分之一；（4）长持续涡活动过程中受狭长的干冷与暖湿空气相遇地带的影响比短持续涡明显偏强，不仅是涡区内这一狭长的干冷与暖湿空气相遇地带的相对湿度差值比短持续涡大，而且这一狭长的干冷与暖湿空气相遇地带在涡区内的范围比短持续涡大，干冷与暖湿空气相遇的地带极易引起θse（假相当位温）平流随高度变化产生的对流不稳定与低涡扰动，利于低涡加强（郁淑华等，2007）。上述长、短持续涡的冷空气侵入的特征差异，反映了长持续涡不仅受到较强冷平流的影响，加强了低涡的斜压性，还处在贯穿的涡区狭长的干冷与暖湿空气相遇的地带，使涡区极易产生对流不稳定与低涡扰动，存在利于低涡加强、持续的条件。
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图 5 C1323涡（红色圆点）活动过程中500 hPa相对湿度（≤50%等值线和填色，单位：%）、温度（单位：℃）和风场（矢量）：（a）形成时；（b）移出高原；（c）加强时；（d）陆上持续时；（e）将出海时；（f）出海时；（g）海上持续时；（h）将消失时。绿色粗虚线表示海拔高度≥2500 m，篮色粗实线表示相对湿度为相对湿度50%等值线 Figure 5 The wind field (vectors), relative humidity (contours and shaded less than or equal to 50%, unit: %), and temperature (units: ℃) at 500 hPa for TPV C1323 (solid red dot): (a) The time when the TPV formed; (b) the time when the TPV moved out of the Plateau; (c) the time when the TPV strengthened; (d) the time when the TPV sustained over the land; (e) the time when the TPV was to move to the sea; (f) the time when the TPV was moving to the sea; (g) the time when the TPV sustained over the sea; (h) the time when the TPV weakened and disappeared over the sea. The thick dashed green line indicates the area with altitudes above 2500 m. Blue thick solid lines indicate the contour of relative humidity equal to 50% |
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图 6 C0625涡（红色圆点）500 hPa风场（矢量）、相对湿度（≤50%的等值线和填色，单位：%）、温度（单位：℃）：（a）形成时；（b）移出高原；（c）加强时；（d）持续时；（e）将消失时。绿色粗虚线表示海拔高度≥2500 m，蓝色粗实线表示相对湿度为50%等值线 Figure 6 The wind field (vectors), relative humidity (contours and shaded less than or equal to 50%, units: %), and temperature (units: ℃) at 500 hPa for TPV C0625 (solid red dot): (a) The time when the TPV formed; (b) the time when the TPV moved out of the Plateau; (c) the time when the TPV strengthened; (d) the time when the TPV sustained; (e) the time when the TPV weakened and disappeared. The thick dashed green line indicates the area with altitudes above 2500 m. Blue thick solid lines indicate the contour of relative humidity equal to 50% |
高空急流活动能反映高空冷空气的活动特征。一些研究指出高空急流所反映的高空锋区的变化对低涡移出高原后持续活动影响明显（郁淑华和高文良, 2016, 2017）。为此下面对长、短持续涡活动过程中200 hPa高度场、急流活动作比较分析。
从C1323涡（图 7）与C0625涡（图 8）200 hPa位势高度图来看长、短持续涡的南亚高压特征，这两涡在大陆上空活动时上空的南亚高压分布有相似之处，C1323涡南亚高压成东西向带状分布，与C0625涡的分布相同；但脊线C1323涡的在25°N附近，比C0625涡的偏南3个纬距；C1323涡在将出海及出海后，南亚高压演变为“北拱型”，C0625涡的一直为带状分布。
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图 7 C1323涡（a）高原涡形成时（深蓝色）、移出高原时（绿色）、加强时（红色）、陆上持续时（浅蓝色）和（b）将出海时（蓝色）、出海时（咖啡色）、海上持续时（金黄色）、将消失时（黄色）的200 hPa急流位置（粗实线）和位势高度（细实线，单位：gpm）。不同颜色两位数的数字表示不同时次200 hPa急流核区位置的风速值；不同颜色实心圆表示不同时次的低涡位置 Figure 7 Geopotential height (thin solid lines, units: gpm) and jet core (thick solid lines) at 200 hPa for TPV C1323. (a) The deep blue, green, red, and light blue represent the time of the TPV forming, moving out of the Plateau, strengthening, and sustaining over the land, respectively. (b) The blue, coffee, golden yellow, and yellow represent the time of TPV about to move to the sea, moving to the sea, sustaining over the sea, and disappearing over the sea, respectively. And different color two-bit numbers are the jet core wind values at corresponding times. The colored circles are the positions of the TPV at corresponding times |
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图 8 C0625涡200hPa位势高度（细实线，单位：gpm），深蓝色、绿色、深红色、浅蓝色、蓝色粗实线分别表示高原涡形成、移出高原、加强、陆上持续、将消失时200 hPa急流位置，说明同图 7 Figure 8 Geopotential height (thin solid lines, units: gpm) at 200 hPa for TPV C C0625. The deep blue, green, deep red, light blue, and blue thick lines represent the jet core positions at 200hPa at the time of the TPV forming, moving out of the Plateau, strengthening, sustaining in the land, and disappearing, respectively. Others are the same as Fig. 7 |
从图 7、图 8还看出C1323涡与C0625涡的上空高空急流分布差异大：（1）高空急流的位置不同，C1323涡上空的高空急流比C0625涡的偏北，C1323涡上空的高空急流轴在43°~45°N，C0625涡的37°~39°N；（2）高空急流分支情况不同，C1323涡上空的高空西风急流北、南分支明显，C0625涡的则没有此分支；（3）高空急流的强度不同，虽然这两涡在低涡形成、移出高原时西风急流强度相近，有44~48 m s-1的急流核区，但移出高原后C1323涡的高空西风急流强度在增强，在低涡陆上加强、持续时分别是西风急流的核区风速增大且东伸、核区扩大，在低涡将出海与海上持续时急流核区风速达52~56 m s-1，出海后西风急流逐渐东伸、南压，而C0625涡在移出高原后急流核区风速减弱为40~44 m s-1；（4）低涡所处的高空急流下空的位置差异大，C1323涡的在移出高原时、加强时低涡上空处在西风急流的南支西北急流中，持续时处在南支西北急流的断开处，低涡与西风急流核区的距离比低涡加强时近，在将出海时、出海时、海上持续时低涡处在西风急流右侧，西风急流在加强，低涡与西风急流核区的距离在逐渐缩短，在将消失时，西风急流减弱，低涡所处的气流减弱，而C0625涡的移出高原时及以后，低涡处在西风急流的下空，在加强时低涡与急流核区的距离比移出高原时的近，之后则拉远，在将消失时，反而拉近。这些都反映了高空急流所体现的高空锋区对其下空的低涡活动有明显影响，低涡活动期长与高空急流的增强、急流核区东扩关系密切。
4 长、短持续涡个例位涡特征分析Hoskins et al.（1985）探讨了位涡理论的应用价值，位涡理论在锋面、暴雨研究中得到了广泛的应用（王建中等，1996；于玉斌和姚秀萍，2000；姚秀萍等，2007）。由环境场分析可知，长、短持续涡活动都与500 hPa低槽伴随的冷空气、200 hPa急流的活动有关，并且特征差异明显。为了更清楚的看出冷空气与急流活动对高原涡的影响，为此进行了位涡分析。
4.1 500 hPa位涡分布特征从C1323涡与C0625涡500hPa位涡图（图 9、图 10）可以看出C1323涡与C0625涡的500 hPa位涡特征有显著差别。（1）长持续涡涡区内位涡与高位涡中心区明显比短持续涡大。C1323涡移出高原时（图 9b）、加强时（图 9c）涡中心分别处在0.8~1.0 PVU、1.0~1.2 PVU的高位涡区内; 在陆上持续时，涡区内大部区域为≥0.8 PVU的高位涡区，涡区南部有1.8~2.0 PVU高位涡中心区（图 9d）；将出海时与出海时，涡区几乎全部为≥0.8 PVU的高位涡区（图 9e、f），且出海时涡区内≥1.0 PVU的高位涡区比将出海时大；在海上持续时，涡区内≥1.0 PVU高位涡区比出海时的缩小，但C1323涡中心区南部有1.8~2.0 PVU高位涡中心区（图 9g）；C1323涡减弱将消失在切变线中时，涡区内≥1.0 PVU高位涡区的范围比出海时的稍缩小（图 9h）。C1323涡移出高原后涡区内都有≥1.4 PVU的高位涡中心区。C0625涡除生成时（图 10a）和移出高原时（图 10b）外，加强时、持续时、将消失时（图 10c、d、e）涡区内位涡都比C1323涡（图 9c、d、h）的小；C0625涡移出高原后涡区内最大高位涡中心区出现在加强时，但小于1.4 PVU。（2）C1323涡移出高原后涡区内伴有2个大于1.0 PVU的高位涡中心区，特别是将出海时、出海时有环形高位涡带通过C1323涡，这一环形高位涡带是由贝湖东部槽所伴有的冷温度槽与日本附近低压所伴的西伸冷温度槽共同影响造成的，有西北方向、偏东方向高位涡空气输送到涡区；而C0625涡的只有1个高位涡中心区。结合上节分析看出，这两涡的500 hPa位涡特征的显著差别主要是由于长、短持续涡移出高原后受冷空气侵入特征的显著差别造成的。
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图 9 C1323涡（红色圆点）活动过程中500 hPa位涡[等值线和填色，单位：PVU（10-6 m2 K s-1 kg-1）]分布：（a）形成时；（b）移出高原；（c）加强时；（d）陆上持续时；（e）将出海时；（f）出海时；（g）海上持续时；（h）将消失时。绿色粗虚线表示海拔高度≥2500 m Figure 9 The potential vorticity distribution field [contour lines and shaded, units: PVU (10-6 m2 K s-1 kg-1)] for TPV C1323 (solid red dot at 500 hPa): (a) The time when the TPV formed; (b) the time when the TPV moved out of the Plateau; (c) the time when the TPV strengthened; (d) the time when the TPV sustained in the land; (e) the time when the TPV was about to move to the sea, (f) the time when the TPV was moving to the sea, (g) the time when the TPV sustained over the sea, (h) the time when the TPV weakened and disappeared over the sea. The thick dashed green line indicates the area with altitudes above 2500 m |
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图 10 C0625涡（红色圆点）活动过程中500 hPa位涡[等值线和填色，单位：PVU（10-6 m2 K s-1 kg-1）]分布:（a）形成时；（b）移出高原；（c）加强时；（d）持续时；（e）将消失时。绿色粗虚线表示海拔高度≥2500 m Figure 10 The potential vorticity distribution field [contour lines and shaded, units: PVU (10-6 m2 K s-1 kg-1)] for TPV C0625 (solid red dot at 500 hPa): (a) The time when the TPV formed; (b) the time when the TPV moved out of the Plateau; (c) the time when the TPV strengthened; (d) the time when the TPV sustained; (e) the time when the TPV weakened and disappeared. The thick dashed green line indicates area with altitudes above 2500 m |
为进一步分析长、短持续涡的动力学与热力学特征差异，现对位涡组成的两部分——正压项(PV)1、斜压项(PV)2做特征分析。
C1323涡、C0625涡的位涡正压项分布图（图略）与各自的位涡分布图相似，说明长、短持续涡的位涡主要是位涡正压项控制。
从C1323涡与C0625涡的涡中心区500 hPa位涡正压项(PV)1的变化（表 1）来看，长、短持续涡涡中心区的500 hPa正压部分特征：低涡生成时，C0625涡位涡正压部分比C1323涡大近一倍；低涡移出高原时，C1323涡的位涡正压部分增加明显，C0625涡也增加，C0625涡的位涡正压部分仍比C1323涡大，这是C0625涡涡中心区等温线在这二个时次比C1323涡稀疏的缘故；低涡在高原以东加强时、持续时与将减弱消失时，C1323涡位涡正压部分比C0625涡大，C1323涡位涡正压部分的变化分别为稍增加、稍减弱、稍增加，C0625涡位涡正压部分的变化与C1323涡位涡正压部分相反，分别为稍减弱、稍增加、稍减弱。这些特征反映了长、短持续涡受冷空气影响不同，两涡位涡正压部分的变化差异大。
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表 1 C1323涡与C0625涡的涡中心区(PV)1平均值 Table 1 (PV) 11 averages in the central regions of TPV C1323 and TPV C0625 |
从C1323涡与C0625涡的涡中心区500 hPa位涡斜压项(PV)2的变化（表 2）上看，这两个高原涡在活动过程中高原涡中心区(PV)2为负值，反映这两个高原涡中心区有斜压性。(PV)2的负值强度的增强反映斜压性的增强，C1323涡与C0625涡的涡中心区的500 hPa斜压性特征有相似之处，都有低涡加强时斜压性比移出高原时的减弱，低涡陆上持续时斜压性比加强时的增强。这可能是与低涡活动中有不同能量的转化有关。两个高原涡间明显的差异：（1）在低涡加强时，C0625涡的涡中心区斜压性减弱比C1323涡明显，C1323涡只减弱15%，C0625涡减弱了58%；在低涡持续时，C0625涡中心区斜压性增强不如C1323涡明显，C1323涡在陆上增强了三倍多，在海上增强了近五倍，C0625涡增强了三倍；在低涡将减弱消失时，C1323涡的涡中心区斜压性减弱不如C0625涡明显，这可能是因此时C1323涡并入切变线的缘故。（2）C1323涡与C0625涡在移出高原后陆地上空活动过程中与将消失时，C1323涡中心区的斜压性比C0625涡强。综上，低涡是在斜压性增强情况下活动的，斜压性的强、弱与时间长、短，会造成低涡持续活动期长、短；长持续涡是在较长时间内具有较强的斜压性的情况下持续活动的。
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表 2 C1323涡与C0625涡的涡中心区(PV)2平均值 Table 2 (PV)2 averages in the central regions of TPV C1323 and TPV C0625 |
Hoskins et al.（1985）以实例分析指出冰岛低压形成具有高层冷空气下伸、高位涡下传、对流层顶下降的本质特征。现分析长、短持续涡高空位涡下传特征。
从C1323涡与C0625涡的位涡纬向剖面（图 11、图 12）分析看出C1323涡与C0625涡的高空高位涡下传特征有显著差别。（1）在低涡生成时，C1323涡未受高空高位涡下传影响，涡中心位涡低，为0.2 PVU，200 hPa上有≥1.0 PVU的高位涡区（图 11a）；C0625涡已受400 hPa高位涡下传影响，为0.4~0.8 PVU（图 12a），C0625涡上空200 hPa、400 hPa各有≥1.0 PVU的高位涡区。（2）在低涡移出高原时，C1323涡、C0625涡都有400 hPa上空高位涡下传到了低涡，低涡中心位涡都为1.0 PVU，但C0625涡400 hPa以上高空没有≥1.0 PVU的高位涡区（图 11b），C1323涡200 hPa有1.5 PVU高位涡区（图 12b）。（3）低涡出高原后高空高位涡下传情况不同。C1323涡移出高原后在陆面上空还是在海面上空都受高空高位涡下传影响。C1323涡出高原后加强时，之前的200 hPa高空高位涡下传到了300 hPa，涡区东部受之前的400 hPa的高位涡下传，涡区东部有位涡1.5 PVU（图 11c）；C1323涡出高原后持续时，107.5°E上空200 hPa有≥1.5 PVU高位涡区，下传到C1323涡的涡区西部边缘上空450 hPa，C1323涡的涡区位涡为0.6~1.0 PVU（图 11d）；将出海、出海时，400 hPa以上高空有≥2.0 PVU高位涡区，中心分别在300 hPa、200 hPa，其值分别为为2.9 PVU和2.8 PVU，有高位涡下传到C1323涡（图 11e、f），涡区位涡分别为0.7~1.0 PVU、0.8~1.1 PVU；海上持续时，C1323涡上空200 hPa有≥4.0 PVU高位涡区，C1323涡的涡区位涡为1.0~1.5 PVU（图 11g）。C0625涡移出高原后高空没有高位涡下传，在加强、持续时，C0625涡之前涡中心位涡1.0 PVU区分别下传到600 hPa、700 hPa，C0625涡的涡区西部为0.6~0.8 PVU（图 12c）；在低涡将减弱消失时，≥1.0 PVU的高位涡区维持在520~700 hPa，C0625涡的涡区西部为0.91~0.96 PVU（图 12f）。（4）C1323涡在将出海到出海后，C1323涡上空有对流层顶断裂带，C0625涡上空则没有。依据PV＝2 PVU的等位涡面接近实际大气对流层顶（寿绍文等，2009），在C1323涡将出海、出海时，C1323涡上空115°~125°E出现了对流层顶断裂带；在海上持续、将减弱消失合并入切变线时，C1323涡上空130°~140°E出现了对流层顶断裂带，恰好与这段时间高空高位涡明显下传相匹配。
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图 11 C1323涡（红色圆点）活动过程中过高原涡中心的位涡（等值线，单位：PVU）的垂直剖面：（a）形成时; （b）移出高原时；（c）加强时; （d）陆上持续时；（e）将出海时; （f）出海时; （g）海上持续时; （h）将消失时。黑色区域示为地形高度 Figure 11 Vertical cross sections of potential vorticity (contour lines, units: PVU) crossing the center of TPV C1323 (solid red dot): (a) The time when the TPV formed; (b) the time when the TPV moved out of the Plateau; (c) the time when the TPV strengthened; (d) the time when the TPV sustained in the land; (e) the time when the TPV was about to move to the sea, (f) the time when the TPV was moving to the sea, (g) the time the TPV sustained over the sea, (h) the time when the TPV weakened and disappeared over the sea. The black area shows terrain height |
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图 12 C0625涡（红色圆点）活动过程中过高原涡中心的位涡（等值线，单位：PVU）的垂直剖面：（a）形成时；（b）移出高原时；（c）加强时; （d）持续时；（e）将消失时。黑色区域示为地形高度 Figure 12 Vertical cross sections Height–latitude cross sections of potential vorticity (contour lines, units: PVU) crossing the center of TPV C0625 (solid red dot): (a) The time when the TPV formed; (b) the time when the TPV moved out of the Plateau; (c) the time when the TPV strengthened; (d) the time when the TPV sustained; (e) the time when the TPV weakened and disappeared. The black area indicates terrain height |
可以看出，这一长持续涡移出高原后无论在陆面上空还是在海面上空都受高空高位涡下传影响，且200 hPa高空高位涡在增强，使涡区内长时间维持较高的位涡，这与姚秀萍等（2007）研究梅雨锋上低涡降水相伴的干侵入中指出的梅雨锋上低涡降水有高空高位涡下传现象相似。结合200 hPa西风急流活动（图 7），不难看出200 hPa西风急流东伸、增强和南压影响高原涡是通过高空高位涡下传到低涡实现的，尤其是西风急流增强和南压影响高原涡分别具有高空又有新的高位涡下传以及高空高位涡明显加强的特征，这与郁淑华和高文良（2017）在高原低涡与西南涡结伴而行的不同活动形式个例的位涡分析中指出的，200 hPa西南风急流影响高原涡诱发或耦合、加强西南涡是分别在高空高位涡下传影响到高原涡与西南涡上空、西南涡的情况下实现的看法相似。短持续涡活动过程中低涡只受到400 hPa高位涡下传影响，结合200 hPa西风急流活动（图 8），不难看出，这是因短持续涡活动过程中西风急流比C1323涡的弱造成的。
还可看出，这一长持续涡在高空高位涡下传时，低涡明显加强，尤其是长持续涡上空有一段时间（在低涡将出海到出海后）有对流层顶断裂带。根据Hoskins et al.（1985）提出如果不计非绝热加热和摩擦效应，等压面位涡具备守恒性，长持续涡的位涡主要是位涡正压部分控制，符合非绝热加热和摩擦效应条件。与高空急流相关联的高空高位涡下传，使低涡附近层次正位涡异常，这一正位涡异常区正是高空冷空气下传到低涡附近层次的体现，长持续涡移出高原后的活动时高空冷空气下传到低涡附近层次，出现正位涡异常区，使低涡附近层次的等压面向下弯曲，低涡附近层次位势高度减低，可诱生一个低压气旋性环流，使长持续涡在原有的气旋性环流上再叠加一个气旋性环流，起到加强长持续涡的作用。这与高空高位涡下传，会引起对流层中低层垂直涡度发展，从而加强低涡（吴国雄和刘还珠，1999）相一致。冷空气对高原涡较长时间持续的的作用可以由图 13说明。
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图 13 冷空气对高原涡维持影响作用的示意图 Figure 13 Schematic diagram of the mechanism for cold air influences on the TPV persistence |
本文分析了1998~2016年高原涡活动情况, 选取了移出高原时季节相近、强度相差不大、路径为偏东方向的在高原以东长久持续的与短期维持的高原涡为代表个例，对代表个例进行了对流层高、中层高度、温度、风场与位涡的分析，通过对比分析环流、冷空气活动特征与位涡特征，得到了以下主要结论：
（1）长持续涡移出高原后，巴湖北部低压在逐渐东移，副高偏南，低涡所处的低槽较深，槽后的冷温度槽较明显，低涡在受较明显冷空气影响情况下加强并持续的。而短持续涡移出高原后，巴湖北部低压较稳定，副高偏北，低涡处在分裂槽中，有冷舌，低涡没有明显冷空气影响，低涡无明显加强。这反映了影响低涡活动的天气系统强；槽后的冷温度槽明显，有利于影响低涡活动的天气系统的加强和持续，是低涡能较长时间持续的重要环流条件。
（2）长持续涡移出高原后不仅受到较强冷平流的影响，还受到两个方向的冷空气与中间夹着暖湿气流的影响，低涡的涡区有东西贯穿，或环形的有狭长的干冷与暖湿空气相遇的地带。而短持续涡移出高原后一般受一个方向的冷空气与南部暖湿气流的影响，冷空气侵入涡区范围小。这反映了长持续涡有使涡区斜压性增强、对流不稳定增强的区域，长持续涡存在利于低涡加强、持续的条件，短持续涡远不及长持续涡。
（3）长、短持续涡位涡特征的显著差别：长、短持续涡的位涡主要是位涡正压项控制，低涡移出高原后加强、持续时与将减弱消失时，长持续涡位涡正压部分的变化分别为稍增加、稍减弱和稍增加，短持续涡位涡正压部分的变化与长持续涡相反；长持续涡移出高原后受两个方向的冷空气影响，造成了有两个不同方向的高位涡空气流入到低涡的涡区，而短持续涡一般受一个方向的冷空气的影响，造成了只有一个方向的高位涡空气流入到低涡的涡区，且高位涡空气比长持续涡的弱；冷空气影响还造成了长持续涡活动过程中的斜压性的强度比短持续涡的强，较强斜压性持续时间比短持续涡的长；长持续涡活动期间，高空急流东伸、南压、加强，急流核区在增强或扩大，急流核区一般在48~52 m s-1以上，低涡与西风急流核区的距离在逐渐缩短，造成了长持续涡移出高原后200 hPa高空有高位涡下传，且200 hPa高空高位涡在增强，低涡的涡区长时间维持较高的位涡。而短持续涡在移出高原后的活动过程中，高空西风急流平直，低涡以西上空的200 hPa急流核区在缩小或减弱，急流核区一般在44~48 m s-1以下，造成了短持续涡只受到400 hPa高位涡下传的影响。
（4）冷空气影响高原低涡维持的作用：使影响高原低涡活动的天气系统加强；使高原低涡斜压性增强、对流不稳定增强；使高空有高位涡下传至低涡附近层次，造成正位涡异常，可诱生一个低压—气旋性环流，叠加在低涡上，垂直涡度发展，低涡加强。
通过本研究表明，当一个高原涡移出高原后，其受冷空气影响程度、低涡活动的天气系统的变化、低涡涡区内冷空气侵入与暖湿空气交锋强度及其范围、高空急流强度及其变化、涡区内伴有高位涡区强度及其中心区个数、涡区内位涡斜压项反映的斜压性特征明显程度、高空位涡下传特征变化等特征, 可以初步判断其是长久持续还是短期维持。中国重大的高原涡暴雨洪涝灾害往往与高原涡移出高原后的长久持续有密切关系。研究也表明，冷空气影响可使影响低涡活动的天气系统加强、持续，从而给低涡活动提供有利的环境条件；冷空气影响使得低涡的涡区内形成易产生对流不稳定和低涡扰动的区域，也可形成涡区内位涡增大与斜压性增强的区域，均利于低涡发展; 高空锋区通过高空高位涡下传，可使得低涡加强。
由于本文只有长、短持续涡各一例的对比分析，今后还需要通过更多的个例分析验证长、短持续涡的冷空气影响特征。选取的短持续涡个例时间在6月底到7月初，由于该时间正是高原非绝热加热达到最大值的时间，是否会对冷空气影响有削弱的作用，有待今后进一步研究。对于长持续涡入海时涡中心区(PV)2大，是因为此时涡中心区受两股冷空气中间夹着暖湿气流入流低涡造成的，反映此时低涡不仅受斜压性的影响，还受其他因素的影响，有关其他因素的影响今后再作分析。还有水汽、非绝热加热等对长、短持续涡活动的影响有待深入研究。
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