李躍清

（中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室, 成都 610072）

引言

長期以來，國內(nèi)外關(guān)于青藏高原（簡稱高原）對我國災(zāi)害性天氣氣候的影響開展了許多有意義的科學(xué)研究與觀測試驗，揭示了高原巨大地形、抬高熱源、交換通道、大氣濕池、對流中心等主要特征及其特殊影響，取得了一系列有影響的重大成果[1?3]。如高原上空對流層與平流層相互作用通道[4]、高原“感熱氣泵”理論[5?6]、高原側(cè)邊界熱力影響[7]、高原大地形水汽輸送“轉(zhuǎn)運站”作用[8]、高原對流云團影響下游暴雨洪水機制[9]、高原東側(cè)陡峭地形區(qū)邊界層暴雨強信號[10]等。但是，由于青藏高原地區(qū)大氣觀測站網(wǎng)稀少，綜合觀測能力薄弱，其精細化、定量化的分析研究非常困難，在全球氣候變暖下，高原引發(fā)的極端天氣氣候事件又呈現(xiàn)出多發(fā)、突發(fā)、加劇等變化趨勢。因此，基于現(xiàn)實的迫切需求，青藏高原對災(zāi)害性天氣的影響更是一個具有理論意義和應(yīng)用價值的重大科學(xué)問題。

本文在國家自然科學(xué)基金“青藏高原地-氣耦合系統(tǒng)變化及其全球氣候效應(yīng)”重大研究計劃重點支持項目“青藏高原熱源與天氣系統(tǒng)影響我國災(zāi)害性天氣的機理研究”（批準號：91337215；周期：2014年1月～2017年12月）相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，綜述了近10年內(nèi)青藏高原熱源和天氣系統(tǒng)影響我國災(zāi)害性天氣的基本特征、物理過程、異常成因和預(yù)報技術(shù)等方面的最新進展，指出了存在的主要問題，并展望了基于高原熱源和天氣系統(tǒng)影響的高原天氣學(xué)未來發(fā)展的主要趨勢。

1 主要進展

2010年以來，針對青藏高原熱源與高原天氣系統(tǒng)對我國災(zāi)害性天氣的重要影響，基于觀測、試驗、再分析等多源資料，通過觀測統(tǒng)計、外場試驗、診斷研究、數(shù)值模擬和理論分析，先后在高原熱源與天氣系統(tǒng)的時空分布結(jié)構(gòu)、高原熱源演變與災(zāi)害性天氣、高原天氣系統(tǒng)活動與災(zāi)害性天氣、高原影響災(zāi)害性天氣的預(yù)報理論與關(guān)鍵技術(shù)方面，取得了一些新的成果。本文主要從以下四個方面論述其主要進展。

1.1 高原熱源與天氣系統(tǒng)影響災(zāi)害性天氣的關(guān)鍵區(qū)與強信號

基于觀測系統(tǒng)模擬試驗OSSE（Observing Systems Simulation Experiment），首次研究了青藏高原及周邊地區(qū)觀測系統(tǒng)布局的科學(xué)合理性和區(qū)域代表性，揭示了高原熱源、水汽、低渦系統(tǒng)的布局關(guān)鍵區(qū)，為高原氣象綜合觀測系統(tǒng)奠定了理論和實踐基礎(chǔ)[11]。利用青藏高原東南部4個野外試驗站觀測資料，揭示了下墊面和地形均對陸-氣能量交換過程有重要影響，得出了高原復(fù)雜地形環(huán)境比不同天氣條件對感熱通量的影響更顯著，陰雨天氣下不同地形對潛熱通量有明顯的影響，林芝地區(qū)地-氣通量的月內(nèi)變化明顯受南亞季風(fēng)活動的影響等重要結(jié)論[12]。針對西南渦生成源地、移動路徑和影響范圍等，2014～2017年每年6月21日～8月31日配合開展了青藏高原東部及下游關(guān)鍵區(qū)西南渦加密觀測大氣科學(xué)試驗，基于7個業(yè)務(wù)站和4個加密站共11個探空站每日4次觀測，構(gòu)建了青藏高原大地形下，高原-盆地大氣關(guān)鍵區(qū)300～500 km的中尺度時空加密三維觀測站網(wǎng)[13?15]。2014年6月21日～8月31日每日北京時08時和20時2個時次，基于移動GPS探空首次開展了青藏高原主體中部那曲申扎高原渦源地大氣加密觀測科學(xué)試驗，首次獲得了關(guān)于高原渦、西南渦等高原天氣系統(tǒng)演變及其影響的“過程觀測”數(shù)據(jù)資料，這些基于高原天氣系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)的高時空分辨率加密觀測資料明顯改進了區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)，有效預(yù)報了低渦系統(tǒng)演變及其強降水天氣，在高原天氣學(xué)研究及災(zāi)害性天氣業(yè)務(wù)預(yù)報中發(fā)揮了獨特的重要作用[16]。2014年7月24～26日一次高原渦演變過程，僅基于關(guān)鍵區(qū)申扎單站的加密觀測數(shù)據(jù)就有效揭示了該次高原渦生成、發(fā)展和移動變化的全過程，但常規(guī)觀測站網(wǎng)沒能反映出這一變化（圖1）。

圖1 2014年7月24日08時～26日20時500 hPa高度場（等值線，單位：gpm）、溫度場（著色區(qū)，單位：℃）和風(fēng)場（紫色矩形表示申扎加密觀測站，黑色橢圓表示高原渦）（a、b后1～6依次對應(yīng)24日08時、24日20時、25日08時、25日20時、26日08時和26日20時，a為常規(guī)觀測資料，b為常規(guī)和加密觀測資料）

研究指出1964～2013年青藏高原絕大部分地區(qū)冬季溫度呈升高趨勢，近20 a升幅達0.80℃/10 a；全區(qū)暖（冷）冬事件14（17）次，極端強暖（冷）冬事件3（2）次，且2009年暖冬范圍最廣、強度最大；未來強暖（冷）冬事件逐漸增多（減少）[17]。發(fā)現(xiàn)1979～2016年青藏高原降水分布不均勻，其中，南部降水最集中且集中期最晚，東北部降水相對均勻，西北部集中度、集中期年際波動最大；以90°E為界，東部降水量與集中期為正相關(guān)、西部為負相關(guān)[18]。分析了1983～2012年1382次西南渦之盆地渦降水天氣過程的低渦發(fā)生頻數(shù)、生成位置、月日變化、移動路徑、日降水等氣候特征，表明盆地渦有西南部和東北部兩個高頻生成源地，對流未（向上）發(fā)展的淺?。ㄉ詈瘢u以≤（＞）24 h短（長）生命史居多，發(fā)現(xiàn)川渝盆地上游川西高原九龍、小金的風(fēng)場擾動對下游西南型及東北型盆地渦生成有重要貢獻[19]。揭示了1981～2010年夏季青藏高原地面熱源和高原渦生成頻數(shù)的氣候?qū)W特征及其兩者相關(guān)成因，得到高原地面熱源（特別是地面感熱）偏強有利于高原渦的多發(fā)，表明了高原地面加熱對觸發(fā)高原渦乃至高原對流活動的重要性[20]。指出高原地面熱源具有強烈的日變化，白天熱源，夜晚熱匯；高原渦主要生成于青藏高原腹地，夜間生成率略高于白天[21]。發(fā)現(xiàn)1981～2010年夏季平均每年9個移出型高原渦，渦源主要在西藏改則、安多、青海沱沱河以北及曲麻萊附近，東移路徑低渦主要影響長江流域中上游、黃河流域上游及江淮地區(qū)降水，東北路徑主要影響長江流域上游、黃河流域以及東北地區(qū)降水，東南路徑則為青藏高原東南側(cè)及長江流域降水[22]。指出1981～2010年夏季高原渦生成源地集中在西藏雙湖、那曲和青海扎仁克吾，中部（西部、東部）渦占50.8%（27.0%、22.2%），而生成時暖性渦占90.7%；伊朗高原上空氣旋、青藏高原低槽和其南側(cè)反氣旋的配置對高原渦的發(fā)生具有重要作用[23]。通過對比分析25個有暴雨與25個無暴雨兩類西南渦系統(tǒng)演變的物理量場，發(fā)現(xiàn)有暴雨西南渦具有低層孟加拉灣和南海的水汽輸送更大且更北，渦中心附近東、南側(cè)始終存在強水汽輻合和深厚上升運動，西、南側(cè)為不穩(wěn)定或中性層結(jié)，北側(cè)干冷空氣氣旋性侵入低渦后部，且渦中心附近為低（高）層正（負）渦度、輻合（散）疊置等特征[24]。統(tǒng)計分析表明，1979～2013年春季共產(chǎn)生262例西南渦，平均每年7.5例，呈下降趨勢；對流層中低層高原南北部大氣環(huán)流“北低南高”、貝加爾湖和日本?！皷|高西低”異常分布，有利于春季西南渦的形成和維持[25]。

1.2 高原渦與西南渦基本結(jié)構(gòu)和演變特征及其東移機制

研究指出高原渦生成初期（移出高原后），總比能變化主要取決于顯熱能（潛熱能）；證明了能量場上高原渦的螺旋與“渦眼”結(jié)構(gòu)，以及低渦降水分布的主要原因[26]。在西南渦發(fā)展和成熟階段，其影響的對流云團均以深厚對流云為主，低渦中心與強對流中心都不一致，強對流中心位于低渦中心東南，對流云團發(fā)展的微物理過程均符合“撒播－供水”機制，且在西南渦成熟階段對流云內(nèi)部中低層存在高溫高濕中心[27]?；赪RF（Weather Research Forecast）模式得到西南渦具有兩個中尺度閉合氣旋式渦旋的更精細結(jié)構(gòu)，不同于常規(guī)觀測的西南渦，即西南渦的雙中尺度渦旋結(jié)構(gòu)，指出準地轉(zhuǎn)平衡是兩個閉合中尺度低渦生成、維持的原因[28]。揭示了西南渦之九龍渦的時空精細分布及活動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)九龍渦渦源存在3個次渦源，對應(yīng)不同生命史，以及不同生成頻數(shù)、月日變化、移動頻數(shù)和移動路徑的九龍渦，首次提出了西南渦的渦源具有多尺度特征[29]。指出深厚型高原渦是一個不同于淺薄型高原渦的中尺度斜壓系統(tǒng)，中尺度動力作用可能并不是促進深厚型低渦向上發(fā)展的主要原因；深厚型高原渦具有不同于淺薄型高原渦上冷下暖的垂直分層熱力結(jié)構(gòu)，與高層南亞高壓存在相互作用；其形成、發(fā)展，以及云系變化、對流結(jié)構(gòu)與淺薄型具有明顯差異[30?31]。首次劃分低槽前部類、切變線類、切變流場類（細分為兩高切變東阻型、熱帶低壓影響型）3大類4小類移出青藏高原的持續(xù)強影響高原渦，指出不同于一般移出青藏高原的高原渦，移出高原持續(xù)強影響高原渦以兩高切變東阻型對中國降水影響最大，然后為切變線類、熱帶低壓影響型、低槽前部類。并且，一般較深厚、向北傾斜，對流層高層南亞高壓都為脊線在25°～28°N，東伸到100°E以東，其強度以東阻型最強，依次為切變線類、低槽前部類、熱帶氣旋影響型[32?33]。

首次揭示了移出青藏高原的高原渦和西南渦的協(xié)同活動特征(圖2)，得到：5～8月是高原渦、西南渦兩渦的共同活動期，兩渦大多數(shù)為斜壓或冷性低渦；共同活動的高原渦（西南渦）主要產(chǎn)生于西藏雜多（四川九龍）；兩渦共同活動常帶來長江以南持續(xù)性區(qū)域暴雨，影響中國廣大地區(qū)，甚至朝鮮半島、日本和越南[34]。并且，進一步得到高原渦誘發(fā)西南渦、高原渦與西南渦耦合、同一天氣系統(tǒng)下兩渦并行共3種兩渦伴行活動形式（圖3），揭示了冷空氣活動、200 hPa急流對不同活動形式兩渦伴行的影響原因[35]。指出熱帶低壓活動通過影響高原渦的環(huán)境風(fēng)場，由此改變低渦風(fēng)場成為非對稱結(jié)構(gòu)，造成持續(xù)高原渦在河套地區(qū)打轉(zhuǎn)活動，揭示了河套打轉(zhuǎn)持續(xù)高原渦維持與發(fā)展的不同動力機制[36]。并且，其對流層中層高度場特征的個例數(shù)值試驗表明：中國大陸以東、140°E以西洋面臺風(fēng)或熱帶低壓向北活動，會造成持續(xù)高原渦在河套地區(qū)打轉(zhuǎn)的環(huán)流背景和異常路徑，熱帶低壓強度變化會影響副高位置，從而影響低渦打轉(zhuǎn)活動的切變環(huán)境場，造成低渦打轉(zhuǎn)位置與次數(shù)的變化[37]。分析一次四川東部高原渦與西南渦耦合暴雨天氣，指出加密觀測資料能更好地揭示兩低渦的生成、移動和耦合變化及暴雨過程；合成渦更接近西南渦的動力結(jié)構(gòu)和高原渦的熱力結(jié)構(gòu)，但散度場受兩渦的影響；且位渦正值中心對低渦系統(tǒng)活動有指示意義，得到關(guān)于低渦相互作用及其暴雨物理機制的新認識[38]。提出西南渦的移動與250 hPa高層急流強輻散區(qū)和500 hPa西風(fēng)槽前上升運動相聯(lián)系，強風(fēng)暴相對螺旋度不斷傳輸渦度形成更強的旋轉(zhuǎn)和上升運動，有利于西南渦的發(fā)展；前（后）部暖（冷）平流的熱力協(xié)同作用推動了西南渦的遠距離移動，是低渦東移的重要原因[39]。指出西南渦初生和成熟階段都維持對流層低層正渦度和高位渦中心相耦合的動力特征，存在“暖心”和“濕心”結(jié)構(gòu)；低空水汽通量散度對降水帶強度和移動有較好的指示意義；潛熱釋放引起的非絕熱作用對西南渦的發(fā)生、發(fā)展有重要作用[40]。分析西風(fēng)槽、切變線和切變流場影響下的移出青藏高原持續(xù)活動的3次典型高原渦，得到：高原渦主要沿正渦度變率中心方向移動；對西風(fēng)槽和切變流場高原渦活動，正渦度變率主要來自水平輸送項，而切變線高原渦活動則主要來自輻合輻散項[41]。首次分析了季節(jié)相近、強度相差不大、路徑為偏東方向的移出高原長久持續(xù)與短期維持的高原渦的對流層中高層環(huán)流、冷空氣與位渦特征，得出：兩者對應(yīng)的冷暖平流分布及其影響具有差異，冷空氣引起斜壓性增強、對流不穩(wěn)定增強、高空高位渦下傳，是高原渦較長時間持續(xù)的重要條件；中國重大的高原渦暴雨洪澇災(zāi)害往往與其移出青藏高原后的長久持續(xù)有密切關(guān)系[42]。另外，移出青藏高原的長生命史高原渦的共同點是：500 hPa為兩槽一脊環(huán)流形勢；高層南亞高壓中心區(qū)在20°～35°N，1248 dagpm等值線東伸點在135°E以東；6～8月移出高原的長生命史高原渦活動頻繁，以7月和6月最為頻繁，8月次之；高原渦基本上均在冷平流帶中活動，較強的冷空氣活動使高原渦向相對較暖的南方移動[43]。

圖2 兩渦活動高原渦與兩渦活動西南渦共同移動至海上的路徑（實心圓為高原渦，實心三角為西南渦）[34]

圖3 1998～2015年各月持續(xù)高原渦過程（黑色）、持續(xù)高原渦與西南渦共同活動過程（藍色）和持續(xù)高原渦與西南渦移向基本一致過程（紅色）的出現(xiàn)次數(shù)[35]

1.3 高原熱源與低渦天氣系統(tǒng)關(guān)系及其對暴雨天氣影響

對比分析移出青藏高原與未移出青藏高原高原渦的渦源與高原地面加熱的季節(jié)變化及其相關(guān)關(guān)系，得到：高原地面潛熱由春到夏的增強特別明顯，與移出渦生成個數(shù)的明顯增加相一致；春、夏、秋季移出渦、未移出渦渦源區(qū)的地面熱源強度有差異，移出渦強于未移出渦；高原地面潛熱對高原渦生成有重要的作用，對移出渦的生成影響更大（圖4）[44]。指出2008年1月華南嚴重低溫冰雪天氣事件中，高原地面熱源相對于氣候態(tài)表現(xiàn)出極端波動和顯著的加熱作用，三個加熱峰值期與雪災(zāi)高發(fā)時段一致；受高原地面熱匯變?yōu)闊嵩吹漠惓＜訜嵊绊懀?00、300 hPa中緯度的兩支羅斯貝波列從大氣中上層由高原向下游傳播到華南，為低溫冰雪災(zāi)害提供能量（圖5），表明高原加熱異?？捎绊懼芯暥攘_斯貝波列的激發(fā)和傳播，并造成華南地區(qū)異常低溫冰雪天氣事件[45]。研究了一次西南渦華南暴雨過程，指出θse冷平流驅(qū)動西南渦向暖區(qū)移動，暴雨天氣形成于西南渦的移動和發(fā)展過程；正的強濕螺旋度散度對應(yīng)強降水，是暴雨落區(qū)的一個很好診斷指標，揭示了長距離移動西南渦誘發(fā)持續(xù)性暴雨天氣的成因[39]。得到四川西南渦與高原渦兩次低渦強降水系統(tǒng)的水平、垂直結(jié)構(gòu)，以及其雨頂高度、降水廓線等特征的異同。指出高原渦和西南渦降水的最大雨頂高度均接近16 km，高于熱對流降水和中尺度強降水；成熟階段的西南渦是比高原渦相對更深厚的系統(tǒng)[46]。指出長生命史夏季盆地渦主要有西南型盆地渦、東北型盆地渦兩個渦源；夏季前者出現(xiàn)頻數(shù)更多、年際振蕩較明顯，對季節(jié)累計降水貢獻較大，但后者的日降水強度更強，降水范圍更廣（圖6），長生命史西南型與東北型盆地渦的生成環(huán)流特征有明顯差異[47]。

圖4 夏季移出高原渦個數(shù)與熱源相關(guān)系數(shù)分布（紅色粗虛線為海拔≥3000 m區(qū)域）[44]

圖5 2008年1月11～30日500 hPa流場距平（a）及其與青藏高原地面加熱異常的相關(guān)分布（b）[45]

圖6 1983～2012年夏季西南型（a、c）和東北型（b、d）長生命史盆地渦的年均季節(jié)累計降水（a、b，單位：mm）和日均降水強度（c、d，單位：mm）[47]

研究指出當(dāng)高原渦與盆地西南渦處于非耦合狀態(tài)時，高原渦東側(cè)次級環(huán)流下沉支抑制西南渦的發(fā)展；而當(dāng)兩渦垂直耦合后，加強成為一強盛渦；等熵位渦的分布可反映高原渦與西南渦的水平移動狀況，對強降水中心也有一定指示作用[48]。分析得到高原渦與熱帶氣旋相互作用使兩者移速減緩、渦區(qū)切變流場加強，正渦度平流輸送使低渦加強與維持；對流層中低層正的垂直螺旋度，有利于低渦系統(tǒng)維持和降水持續(xù)，其大值區(qū)及出現(xiàn)時間對強降水落區(qū)及發(fā)生有一定指示性；對流層低層暖平流輸送使暴雨區(qū)能量持續(xù)積累，也使中尺度對流系統(tǒng)生消活躍，降水得以發(fā)生和持續(xù)[49]。分析得到盛夏切變線對流中心強、輻合區(qū)和正渦度深厚，其多對流中心、多正渦度中心和輻合中心可能與高原渦活動有關(guān)；盛夏和夏末切變線正渦度輻合中心東移特征明顯，上升區(qū)更為偏東和強烈，造成高原以東的強降水；初夏（盛夏和夏末）切變線以穩(wěn)定性（對流性）降水為主，切變線附近上空水汽和不穩(wěn)定能量聚集是切變線強降水的重要原因之一[50]。通過中尺度數(shù)值模擬，分析了2007年8月25日和2011年8月14日青藏高原東部兩次強降水過程的重力波特征（圖7），發(fā)現(xiàn)高原降水上游區(qū)5～6 km高度更早出現(xiàn)的垂直風(fēng)切變不穩(wěn)定、高原地區(qū)6 km高度的中尺度重力波和強降水過程的時空關(guān)系，提出了重力波的發(fā)展是青藏高原東部中尺度強降水發(fā)生的動力機制之一，并指出青藏高原6 km左右高度的偏南風(fēng)垂直切變和Richardson數(shù)可作為下游地區(qū)暴雨預(yù)報的指標和依據(jù)[51]。針對青藏高原東側(cè)四川盆地一次深秋特殊暴雨天氣過程的分析得到：強降水在倒槽階段加強，在低渦階段減弱、結(jié)束，主要是高空急流在四川盆地出現(xiàn)中斷，中高空呈現(xiàn)下沉氣流并與低層垂直環(huán)流上升支疊加，抑制了上升運動發(fā)展的結(jié)果；低渦與降水相互作用中降水潛熱對西南渦形成的特殊作用，解釋了不同于傳統(tǒng)低渦降水的“先有降水，后有低渦”的特殊天氣現(xiàn)象，以及雖有西南渦活動卻“有渦無雨”的原因[52]。揭示了四川盆地暴雨過程的多條水汽通道，發(fā)現(xiàn)最主要的是孟加拉灣水汽輸送通道，并與“大氣河”存在一定的相似性[53]。分析得到南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng)交界面IIEI綜合指數(shù)（Index for the interface between the Indian summer monsoon and the East Asian summer monsoon）與東亞（南亞）季風(fēng)指數(shù)呈正（負）相關(guān)，并與夏季中國南方大部地區(qū)降水呈負相關(guān)；正負異常IIEI指數(shù)，對應(yīng)不同的東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)相對強度、南亞高壓和西太副高強度與位置和中國南方盛行氣流及水汽輸送方式，導(dǎo)致其不同的降水異常變化；深入揭示了東亞季風(fēng)與南亞季風(fēng)的協(xié)同演變是影響我國降水異常的重要原因[54]。應(yīng)用2012～2015年西南渦加密觀測大氣科學(xué)試驗的劍閣、金川、九龍和名山等4站探空資料，分析得到：青藏高原東部川西高原南部九龍的重力波源主要來自對流層上層，波能向上傳播；移出型西南渦活動初期，重力波水平傳播主要為東北向，上傳概率遠大于下傳，動能和潛能較大且變化劇烈，明顯不同于源地型（圖8）。指出重力波水平傳播方向?qū)ξ髂蠝u的移動有指示意義，且重力波的夜發(fā)性與西南渦的夜發(fā)性也存在一定的關(guān)系[55]。從波包傳播診斷新角度，揭示了高原關(guān)鍵區(qū)擾動能量傳播對我國夏季異常降水、冬季低溫雨雪等有重要影響，指出大氣擾動能量的積累、傳播特征，頻散、釋放位相與降水的強度、持續(xù)時間有密切關(guān)系[56]。

圖7 沿兩次降水過程東北-西南剖線模擬的2011 年8 月14 日18時（左）和2007 年8月25日20時（右）垂直速度（陰影為上升、虛線為下沉，單位：m·s?1）和位溫（實線等值線，單位：K）的垂直分布[51]

圖8 源地型（藍色）和移出型（橙色）西南渦初期的重力波（a）波動動能（距平）和（b）波動潛能（距平）的能量對比[55]

1.4 基于高原影響的災(zāi)害性天氣分析診斷預(yù)報技術(shù)

以上關(guān)于高原熱源與天氣系統(tǒng)影響災(zāi)害性天氣的關(guān)鍵區(qū)與強信號、高原渦與西南渦基本結(jié)構(gòu)和演變特征及其東移機制、高原熱源與低渦天氣系統(tǒng)關(guān)系及其對暴雨天氣影響等三方面的成果，反映了青藏高原熱源異常和高原天氣系統(tǒng)演變及其相互關(guān)系對我國災(zāi)害性天氣的影響機理，豐富了基于高原影響的災(zāi)害性天氣分析預(yù)報理論。

然而，基于高原影響的災(zāi)害性天氣分析診斷預(yù)報技術(shù)也取得了一些有價值的成果。如提出了有關(guān)的信息、思路、概念，建立了有關(guān)的指數(shù)、模型、技術(shù)等，并進行了檢驗評估和業(yè)務(wù)應(yīng)用，收到一定成效。尤其是基于NCEP1、NCEP2和ERA-Interim資料計算得到1981～2010年共30 a的三套青藏高原大氣熱源數(shù)據(jù)集，并在對比評估基礎(chǔ)上，指出了其時空分布氣候特征的異同及實用性[57]。根據(jù)人工識別、定義標準和幾何學(xué)知識，建立了高原渦客觀識別技術(shù)，構(gòu)建了基于CFSR資料的1981～2010年高原渦數(shù)據(jù)集，與高原渦年鑒和人工識別的對比，表明具有應(yīng)用價值[58]。確定了青藏高原周邊地區(qū)持續(xù)性暴雨的4個局地高頻中心：西藏東南部波密、四川西部至中東部、云南南端、湖北中東部，高原東側(cè)西南區(qū)域持續(xù)性暴雨以3 d為主，暴雨中心有東移趨勢，西南渦等是長江上游和中下游暴雨洪澇的重要影響系統(tǒng)[59]?；诙喈a(chǎn)品、高精度、高分辨率的AIRS衛(wèi)星資料，指出K指數(shù)、最大對流穩(wěn)定度指數(shù)（BI）、沙氏（SI）指數(shù)可作為高原對流天氣的輔助分析預(yù)報信息，能在一定程度上彌補青藏高原探空資料的嚴重不足，但需要綜合應(yīng)用[60]?；谕鈭鲈囼烇w機觀測和大渦模擬淺積云資料，分別通過主成分逐步回歸方法，分析了夾卷率與垂直速度、浮力和湍流耗散率的關(guān)系，得到多變量比單一變量擬合能更好地反映夾卷率，在三個常用參數(shù)化試驗的基礎(chǔ)上，提出了一種與垂直速度、浮力和耗散率相關(guān)的淺對流夾卷率改進參數(shù)化方案，并討論了不同積云處理對于新參數(shù)化的影響及其內(nèi)在關(guān)系的物理機制，具有理論意義和實際價值[61]。結(jié)合全國汛期高空加密觀測資料，基于西南區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)SWC-WARMS，得到汛期加密氣象觀測有利于揭示西南渦的發(fā)生、發(fā)展及其降水過程，能提升數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)水平[62]。指出邊界層MYJ方案湍流混合作用較弱，對四川盆地各量級降水的模擬能力均有限；YSU方案具有強烈的垂直混合強度，適用于盆地較大量級降水的模擬；ACM2方案能調(diào)整湍流混合強度及控制非局地輸送，適合盆地較小量級降水的模擬[63]。得到引入西南渦加密探空數(shù)據(jù)的WRF數(shù)值模式，能通過激發(fā)初始氣旋式擾動，增加初始低渦強度，調(diào)整初始溫濕結(jié)構(gòu)，改善對奇異路徑高原渦和西南渦演變過程及其強降水天氣的模擬能力[64]。并且，基于四川常態(tài)化的西南渦加密觀測大氣科學(xué)試驗，通過每年41 d的高時空分辨率外場綜合觀測資料的獲取與應(yīng)用，推進了高原天氣的精細觀測、理論研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用。2013年6月29日～7月2日高原渦與西南渦共同作用下四川盆地出現(xiàn)了一次大暴雨過程，常規(guī)觀測資料難以反映出此次西南渦活動及其與高原渦耦合加強的過程，而加密觀測資料能更細致準確地反映低渦系統(tǒng)的動力熱力時空分布與變化，并提升了西南區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)SWCWARMS預(yù)報能力[16]。多年業(yè)務(wù)應(yīng)用證明：作為一種觀測試驗與數(shù)值模式結(jié)合的預(yù)報新技術(shù)，可顯著提高災(zāi)害性天氣系統(tǒng)及其強降水的可預(yù)報性。尤其是提出了基于觀測試驗與天氣預(yù)報互動的天氣系統(tǒng)及其降水預(yù)報新思路，在業(yè)務(wù)觀測站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，每年西南渦加密觀測試驗資料通過四川省氣象業(yè)務(wù)通訊網(wǎng)絡(luò)實時傳輸進入西南區(qū)域氣象中心天氣預(yù)報業(yè)務(wù)平臺，為預(yù)報人員及時、精細、準確地分析中小尺度天氣系統(tǒng)變化，以及把握未來天氣影響，做出正確的天氣預(yù)警預(yù)報起到了重要的支撐；建立了觀測試驗與數(shù)值模式互動的數(shù)值預(yù)報技術(shù)，針對青藏高原及周邊地區(qū)氣象觀測能力、站點布局和時空分辨率的現(xiàn)狀，將每年西南渦加密觀測試驗資料實時同化進入西南區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)SWC-WARMS，能有效揭示中小尺度天氣系統(tǒng)演變及其降水過程，明顯提高了區(qū)域降水天氣預(yù)報業(yè)務(wù)能力。2016～2018年業(yè)務(wù)運行檢驗評估表明，24 h降水預(yù)報平均TS評分為：西南區(qū)域業(yè)務(wù)數(shù)值模式SWC-WARMS（歐洲ECMWF細網(wǎng)格模式）小 雨0.559（0.447）、中 雨0.268（0.140）、大 雨0.155（0.058）、暴雨0.070（0.014）和大暴雨0.020（0.004），西南區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)對復(fù)雜地形西南區(qū)域不同量級降水預(yù)報水平穩(wěn)定優(yōu)于當(dāng)前世界上先進的歐洲中期天氣預(yù)報中心ECMWF全球數(shù)值預(yù)報模式。

2 存在問題

雖然關(guān)于青藏高原熱源與高原天氣系統(tǒng)對我國災(zāi)害性天氣的影響，已在高原熱源與天氣系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和演變特征、高原熱源與高原天氣系統(tǒng)的物理關(guān)系、高原渦和西南渦發(fā)生發(fā)展及移動與暴雨天氣、高原影響的災(zāi)害性天氣預(yù)報理論與技術(shù)等方面取得了以上成果。但是，面對現(xiàn)實需求與發(fā)展趨勢，還存在以下一些需要深入研究的主要問題：

（1）青藏高原地-氣過程影響我國災(zāi)害性天氣問題。雖然進一步明確了高原及周邊地區(qū)熱源演變、天氣系統(tǒng)活動影響災(zāi)害性天氣的關(guān)鍵區(qū)和信號區(qū)，但是，青藏高原地區(qū)氣象觀測布局的整體性、代表性還遠遠不夠，目前，對于高原熱力作用、邊界層大氣多尺度演變還難以做到完整、精準的計算。因此，高原地-氣過程及其天氣影響仍然是一個面臨的基礎(chǔ)問題。具體包括：高原主體（尤其是西北部觀測空白區(qū)）與邊坡有哪些熱源關(guān)鍵區(qū)？這些區(qū)域的高原熱源與我國哪些區(qū)域的環(huán)流、天氣系統(tǒng)有密切聯(lián)系？什么高原熱源異常結(jié)構(gòu)可通過大氣熱力、動力過程影響我國的區(qū)域災(zāi)害性天氣，尤其是夏季強降水過程？不同高原熱源過程影響的方式、災(zāi)害的異同如何？等等，這些問題都需要更系統(tǒng)、精確、深入的研究。

（2）青藏高原及其周邊地區(qū)低值系統(tǒng)活動中心問題。雖然進一步認識了高原及周邊地區(qū)低渦、切變線、對流等時空分布及活動特征，但是，由于復(fù)雜地形影響和觀測資料限制，尤其是高質(zhì)量數(shù)據(jù)的缺乏、時空分辨率的差距、多為個例分析結(jié)果等原因，目前，一些認識需要進一步系統(tǒng)化、精確化和具體化。因此，青藏高原及其周邊地區(qū)低值系統(tǒng)活動中心仍然是一個重要的基本問題。如高原及其周邊地區(qū)對流、低渦活動源地的精細時空分布與多尺度演變特征？高原西北部觀測空白區(qū)是對流系統(tǒng)活躍區(qū)、還是天氣系統(tǒng)活躍區(qū)？對流、低渦等系統(tǒng)活躍區(qū)與局地地形和熱源之間的具體聯(lián)系，尤其是在中小尺度上的密切關(guān)系怎樣？等等，這些問題都需要進一步的分析。

（3）青藏高原影響我國災(zāi)害性天氣異常機理問題。雖然進一步闡明了高原熱力作用、高原渦和西南渦等高原天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展與東移的相關(guān)機理及其天氣影響，但是，由于缺乏針對高原熱源、中小尺度系統(tǒng)完整生命史的系統(tǒng)精細觀測資料，目前，對于高原不同熱源變化、低渦和切變線等天氣系統(tǒng)活動及其下游影響這一關(guān)鍵問題，其認識仍然還是以一些個例、某一側(cè)面、較大尺度的分析為主。因此，關(guān)于高原不同熱源變化、天氣系統(tǒng)演變過程與物理成因的共性認識是什么？高原熱源、對流系統(tǒng)、低渦系統(tǒng)演變及其與災(zāi)害性天氣的關(guān)系，尤其是多尺度關(guān)系如何？為什么高原天氣系統(tǒng)會活躍、頻發(fā)、群發(fā)和移動發(fā)展，也會中斷、偶發(fā)、少發(fā)和原地消亡？以及不同高原熱源過程、天氣系統(tǒng)多種東移形式及其天氣影響與物理機制是什么？等等，這些問題也還需要開展系統(tǒng)、綜合、批量的對比分析和合成研究。

（4）青藏高原地區(qū)綜合氣象觀測站網(wǎng)的布局問題。雖然高原氣象業(yè)務(wù)站網(wǎng)不斷發(fā)展、高原外場專項科學(xué)試驗[13?15,65]持續(xù)開展、高原大氣綜合科學(xué)試驗[16,66]逐步推進，但是，由于高原氣象綜合觀測布局是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要長期不懈的研究與建設(shè)[67]，目前，高原地區(qū)的氣象觀測仍然功能弱小、針對性不強、代表性較差，還是制約高原氣象理論與技術(shù)發(fā)展的一個首要基礎(chǔ)問題。因此，關(guān)于高原地區(qū)氣象觀測系統(tǒng)如何科學(xué)合理布局？怎樣構(gòu)建高原熱源、天氣系統(tǒng)和水汽循環(huán)的協(xié)同觀測站網(wǎng)，尤其是增強其關(guān)鍵區(qū)的業(yè)務(wù)觀測能力？考慮推進青藏高原西北部空白區(qū)的氣象外場科學(xué)試驗和觀測站網(wǎng)設(shè)計，怎樣提高高原氣象綜合觀測站網(wǎng)的數(shù)量與質(zhì)量？等等，這些問題確實需要高度重視，在加強布局理論研究的基礎(chǔ)上，積極、穩(wěn)妥、有序地加強青藏高原氣象綜合觀測系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化發(fā)展。

3 未來展望

21世紀以來，以青藏高原動力、熱力作用為核心的高原氣象學(xué)已進入了涉及大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈之間多圈層相互作用的新階段[67]。并且，全球氣候變暖下的青藏高原天氣氣候影響也發(fā)生變化，并日益凸顯。因此，深入推進高原及周邊地區(qū)氣象觀測布局、外場科學(xué)試驗，加強高原大氣能量和水分循環(huán)、對流層-平流層相互作用、高原氣候變化研究，發(fā)展具有高原特色的災(zāi)害性天氣氣候預(yù)測理論與關(guān)鍵技術(shù)，已成為國際高原氣象學(xué)發(fā)展的主要趨勢。其中，開展青藏高原動力熱力作用及其天氣系統(tǒng)影響災(zāi)害性天氣的系統(tǒng)化、精細化和協(xié)同化的觀測、試驗、研究和應(yīng)用是一個重要的方向。

（1）加強青藏高原及周邊地區(qū)天氣影響綜合觀測系統(tǒng)是未來的首要支撐。重點是開展高原及周邊地區(qū)氣象綜合觀測布局的理論分析與試驗研究，在此基礎(chǔ)上，集中針對高原影響的性質(zhì)，側(cè)重加強地-氣過程的輻射、感熱、潛熱、水汽、蒸發(fā)、濕度、冰雪等要素和現(xiàn)象的觀測布局，提升對高原復(fù)雜地形、不同熱源、影響系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)的立體觀測能力，以及有計劃地開展青藏高原西北部空白區(qū)的觀測試驗和站網(wǎng)建設(shè)，是很有必要的。

（2）發(fā)展青藏高原影響災(zāi)害性天氣的新理論是未來的核心任務(wù)。通過觀測試驗、綜合診斷、數(shù)值模擬和理論分析等方法，進一步辨識高原熱源過程、水分循環(huán)、天氣系統(tǒng)影響的關(guān)鍵區(qū)與強信號，認識高原復(fù)雜地形熱源的非均勻結(jié)構(gòu)、水分循環(huán)過程、天氣系統(tǒng)演變特征及其相互關(guān)系，揭示基于地形、熱源、水汽和系統(tǒng)等高原協(xié)同影響的災(zāi)害性天氣異常機理，由此豐富青藏高原影響下的我國災(zāi)害性天氣預(yù)測理論，為天氣預(yù)報業(yè)務(wù)提供理論基礎(chǔ)，是非常重要的。

（3）建立基于青藏高原影響的災(zāi)害性天氣預(yù)報新技術(shù)是未來的基本目標。在高原影響災(zāi)害性天氣特點和機理的基礎(chǔ)上，重點針對高原熱源變化、水汽循環(huán)、天氣系統(tǒng)等影響，開發(fā)具有高原氣象特色的分析診斷方法，建立高原影響災(zāi)害性天氣的物理模型，尤其是重點發(fā)展具有高原特色的我國高原山地數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)，提出基于高原影響的我國災(zāi)害性天氣預(yù)報綜合技術(shù)，包括適合于多尺度復(fù)雜地形區(qū)的分析診斷新技術(shù)，為災(zāi)害性天氣預(yù)報業(yè)務(wù)與科學(xué)研究提供可靠的手段，也是有效的保障。

4 總結(jié)

本文從取得進展、主要問題和未來趨勢三個方面，回顧了近10年內(nèi)青藏高原熱源和系統(tǒng)影響我國災(zāi)害性天氣的重要成果，指出了存在的主要問題，并對未來的發(fā)展趨勢做了基本展望，歸納總結(jié)如下：

（1）在高原熱源與天氣系統(tǒng)影響我國災(zāi)害性天氣預(yù)報理論進展上，從高原觀測布局、高原陸-氣過程、低渦觀測試驗、高原溫度與降水、高原熱源與低渦、低渦與降水等方面，辨識了高原熱源與天氣系統(tǒng)影響災(zāi)害性天氣的有關(guān)關(guān)鍵區(qū)與強信號；從高原大氣能量學(xué)、降水微物理特征、低渦精細結(jié)構(gòu)、深厚型低渦、東移低渦影響、低渦協(xié)同活動、低渦演變機理、低渦耦合作用、低渦東移機制、低渦與切變線、低渦環(huán)流背景、動力熱力過程等方面，認識了高原渦與西南渦等高原天氣系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、演變特征及其東移物理機制；從高原熱源與低渦渦源、高原熱源與低溫雨雪、低渦耦合強降水、長生命史低渦與降水、低渦與持續(xù)性暴雨、高原切變線與強降水、重力波與低渦及強降水、遠距離移動低渦降水、降水與水汽輸送、潛熱與低渦形成、季風(fēng)協(xié)同作用與降水等方面，揭示了高原熱源與高原天氣系統(tǒng)的關(guān)系及其對強降水天氣的影響，豐富了基于高原影響的災(zāi)害性天氣預(yù)報理論。

（2）在高原熱源與天氣系統(tǒng)影響我國災(zāi)害性天氣預(yù)報技術(shù)進展上，從高原相關(guān)數(shù)據(jù)、思路、概念，以及指數(shù)、模型、技術(shù)等方面，得到青藏高原地區(qū)加密觀測試驗、熱源、低渦及強降水?dāng)?shù)據(jù)集，高原及周邊持續(xù)性暴雨中心，實現(xiàn)了對西南渦發(fā)生發(fā)展和東移及其天氣影響的“過程觀測”與研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用，提出高原對流天氣指數(shù)的綜合應(yīng)用思路，發(fā)展了一種新的數(shù)值模式夾卷率參數(shù)化改進方案，指出高空加密觀測數(shù)據(jù)可提高降水?dāng)?shù)值預(yù)報技巧，認識不同模式邊界層參數(shù)化方案對各量級降水的模擬能力差異，提出西南渦加密觀測試驗可有效改善業(yè)務(wù)模式低渦及降水預(yù)報水平。并且，提出了基于觀測試驗與業(yè)務(wù)平臺結(jié)合的天氣預(yù)報新思路、觀測試驗與數(shù)值模式互動的數(shù)值預(yù)報新方法，改進了基于高原影響的災(zāi)害性天氣分析診斷預(yù)報技術(shù)。

（3）關(guān)于高原熱源與天氣系統(tǒng)影響我國災(zāi)害性天氣存在的問題，由于高原天氣學(xué)的發(fā)展相對落后于高原氣候?qū)W，這是一個基本問題。但在青藏高原熱源與天氣系統(tǒng)影響上，具體表現(xiàn)為：高原地-氣過程對我國災(zāi)害性天氣的影響、高原及其周邊地區(qū)對流和低渦等系統(tǒng)活動中心分布、高原熱源與系統(tǒng)影響我國災(zāi)害性天氣的物理機制、高原地區(qū)綜合氣象觀測站網(wǎng)的設(shè)計與布局等研究的不足，是其目前存在的主要問題。

（4）關(guān)于高原熱源與天氣系統(tǒng)影響我國災(zāi)害性天氣未來的發(fā)展，在青藏高原氣象學(xué)的大背景下，加強高原及周邊地區(qū)天氣影響的綜合觀測系統(tǒng)與能力、發(fā)展高原影響下的我國災(zāi)害性天氣預(yù)報新理論、建立具有高原特色的我國災(zāi)害性天氣分析診斷預(yù)報新技術(shù)，尤其是具有高原山地特色的數(shù)值預(yù)報理論與技術(shù)，由此推動我國基于高原影響的災(zāi)害性天氣分析預(yù)報理論與技術(shù)，是其未來主要的發(fā)展趨勢。