高原低涡研究领域的成果日渐丰硕^[4~8]; 高原切变线的研究也开始升温。基于第一次青藏高原气象科学试验(QXPMEX)及其预研成果, 叶笃正等^[9]和青藏高原气象科学研究拉萨会战组^[10]对夏半年青藏高原500 hPa低涡、切变线进行了开创性基础研究。后来人们开始逐渐关注高原水分循环与热源结构对高原低涡、切变线形成的作用^[11~15]。何光碧等^[16]梳理了夏季青藏高原低涡、切变线这一并存现象的多年观测事实, 郁淑华等^[17]和何光碧等^[18]分别通过统计分析和个例分析对高原切变线活动特征及其对中国降水的影响展开了研究。最近, 李山山等^[19]利用NCEP1° × 1° 再分析资料和中国自动气象站与CMORPH融合的逐时降水资料, 采用非地转湿Q矢量和水汽通量散度, 对2013年7月28~29日1次高原东部切变线引起的强降水进行了诊断分析。得出强的辐合切变线沿着变形场的拉伸轴分布, 切变线位于上升区和下沉区之间。500 hPa非地转湿Q矢量与未来6小时的累积降水中心有很好的对应关系。水汽通量散度场显示水汽辐合带基本位于切变线上, 风场的分布以及切变线的形成对水汽的辐合作用尤为重要。水汽辐合带和非地转湿Q矢量辐合带的重叠区对强降水落区有较好的指示意义。

高原切变线与高原低涡关系的初步研究成果令人鼓舞。在高原天气系统的研究和应用中, 高原低涡和高原切变线总是习惯联系在一起, 作为一个低值系统整体来看待, 预报员也约定俗成地称这样的天气系统组合为“ 低涡切变” , 由此可见低涡和切变线两者关系密切。叶笃正等^[9]早就指出, 高原主体上低涡活动最频繁地区与夏季高原准定常的横切变线位置基本重合。高原切变线活动比高原低涡活动要活跃, 高原低涡在高原上多沿切变线而东移^[10], 低涡移出通常呈现出低涡、切变线伴随东移的形态^[6], 约有2/3的高原低涡是在切变流场中随切变流场的活动移出高原^[17]。屠妮妮等^[20]研究中的个例分析指出部分高原低涡的发生可能是高原切变线诱发的结果。郁淑华等^[21]对观测事实的统计分析表明:与高原切变线有关的低涡移出高原的次数虽不多, 但持续时间长, 一经移出高原, 往往对高原以东暴雨洪涝产生较大影响, 而高原低涡在东移中加深与500 hPa切变环境场变宽有密切联系。陈联寿等^[22]对东移气旋涡旋动力学发展机理的研究也表明, 正涡度场切变基流与低涡的相互作用以及涡流与低涡的合并, 是东移低涡强度得以维持和发展的一个直接原因, 而切变线恰恰提供了有利的正涡度环境场条件。高原低涡形成的动力条件常与高原切变线有关, 高原切变线附近的气旋式涡度场有利于低涡生成, 水平辐合场亦有利于水汽汇聚以及高原低涡进一步发展^[8]。在高原低涡、切变线的数值研究方面, 彭新东等^{[23, 24]}对高原东侧低涡切变线发展个例进行了天气诊断分析和MM4数值试验, Liu等^[25]对变形流中激发的涡旋开展了敏感性试验, 周瑾^[26]的动力学特征分析和数值模拟研究表明, 与高原低涡性质相近的西南低涡的发生及其暴雨可能与水平切变线有密切关联。

在涡旋与切变线的关系方面, 国内外已有不少理论研究。高守亭等^{[27, 28]}研究了切变线上涡旋族的不稳定发展, 并从理论上探究了水平切变线上涡层不稳定这一基本问题。罗哲贤等^[29]讨论了水平切变流中涡源的轴对称问题, 沈新勇等^[30]分析了中尺度线状扰动的性质及稳定性, 高守亭等^[31]讨论了变形量在变形场主导的流型中对强降水天气的作用。国外学者对低涡— 切变线这类天气系统组合也已开展了不少机理性研究, Schmidt等^[32]研究了高低空重力波相互作用对飑线结构和维持的影响, Thompson等^[33]分析得出超级雷暴单体中的风暴螺旋度和总体切变特征; Kalashnik等^{[34, 35]}探讨了定常和地转水平切变流上非对称扰动发展的线性动力学问题, Mechoso等^[36]研究了沿地形并伴随水平切变的斜压流不稳定, Poulin^[37]探讨了随时间变化的斜压切变流的线性稳定性; Lott等^[38] 研究了切变流中位涡异常产生的重力波, Conzemius等^[39] 分析了弱切变中性层结湿大气中惯性重力内波的切变不稳定, Olafsd’ ottir等^[40] 探究了切变涡旋中惯性重力波的传播, Harnik等^[41] 研究了分层切变流上浮力— 涡度波的相互作用, Ryglicki^[42] 分析了远距离正压不稳定切变流中的高罗斯贝数涡旋, Buban等^[43] 提出了斜压水平切变不稳定激发的中小尺度涡旋的形成机制。

李子良等^[44]利用孤立波理论研究了准地转动量近似下风速切变线上的波动, 并推测了切变波与高原低涡的可能联系。应用非线性波动分析方法得出的孤立波解和涡旋波解已成功地在理论上与高原低涡建立起联系^{[45, 46]}。张鹏飞等^[47]综合分析了10~30天次季节振荡对高原低涡群发性的调制作用, 初步揭示了高原水汽辐合、气旋式涡度、切变线等环境因子对高原低涡发生发展的作用。最近, 李山山等^[48]引入描写热带气旋的Okubo-Weiss(OW)参数来定量表达低涡、切变气流中旋转和变形的相对大小, 确定高原切变线的潜在生成区域和发展状况。得出在高原切变线生成阶段, 500 hPa等压面上OW值由正转负, OW负值带可以很好地指示高原切变线的潜在生成区域。OW负值强度与高原切变线强度有很好的相关性。高原切变线上以OW负值中心为主, 但也会存在正值中心, 说明在切变线上也会有气旋性涡度。高原切变线以伸缩变形为主, 高原切变线沿变形场的拉伸轴分布。通过进一步涡度方程和总变形方程分析了高原低涡减弱、高原切变线生成的动力机制。认为高原低涡的减弱、消失主要受散度项的影响, 时间演变分析表明系统由强气旋性涡度的高原低涡演变为强辐合性的高原切变线。总变形方程中的扭转项对高原切变线的生成贡献最大, 其次为水平气压梯度项, 切变线可能是影响低涡发展的背景流场。由此可见, 高原切变线与高原低涡关系的理论研究虽有一定基础, 但研究尚显薄弱。

高原切变线与高原低涡两者关系的认识尚不明确, 相互作用机理还不清楚。过去高原气象及周边地区观测资料单一、分辨率低且连续性、可靠性欠佳, 数值模式对复杂地形模拟能力薄弱, 加之高原天气系统及物理过程又具有特殊性等, 以往对高原切变线— 低涡相互关系的专门研究既少又多集中于单一系统的研究, 要么以高原低涡为主, 要么以高原切变线为主, 另一方仅作为背景或陪衬, 相互关系与相互作用机理研究急待加强^[49]。尽管高原切变线与高原低涡之间关系的初步研究已取得一些有意义、令人鼓舞的结果, 但高原低涡、切变线作为青藏高原特色天气系统, 有其特殊性和相当难度, 目前研究大多基于环流分型、统计分析和基本物理量的诊断方法, 与低涡切变线有关的突发而持续的特大暴雨过程及其相伴的中尺度系统发生发展、结构演变的数值模拟研究并不多。对低涡与切变线之间关系的理论认知分歧较大, 一种观点认为高原切变线可以激发或诱发高原低涡(“ 先线后涡” ), 而另一种观点却认为高原低涡是高原切变线形成的基础(“ 先涡后线” )。高原切变线与高原低涡相互作用的理论研究还非常匮乏, 动力学机理方面的研究尤其稀缺, 未解之谜尚存不少:如高原低涡与切变线形成的先后、因果关系究竟是怎样的?高原切变线是如何诱发高原低涡的, 其动力学机理是什么?高原切变线上散度场、涡度场和变形场在高原低涡形成过程中有何作用又是如何转化的, 高原切变线伴随的水汽辐合对低涡发展有何影响?高原低涡、切变线系统中存在哪些波动, 切变线上扰动形成的切变波与高原低涡到底有何联系?高原低涡常沿切变线移出高原, 是否存在类似于“ 波导” 那样的“ 涡导” 作用?(涡旋)波与(切变)流的相互作用是如何进行的, 高原低涡生成后对高原切变线维持、移动又有何影响?等。

我们可以假设在一定条件下高原低涡可由高原切变线通过切变波动诱发而生成, 通过系统性研究来证明这种理论假说是否正确, 并得出其成立的条件; 同时基于波流相互作用原理从另一方面揭示高原低涡发展以后对高原切变线维持、移动的重要作用。当然, 也可以假设高原切变线是高原低涡演变的结果来加以研究、证明。因此, 该领域研究是高原天气动力学学科的前沿性、领域热点性问题, 涉及以下2个关键科学问题的探究:

(1) 高原低涡、切变线结构及其演化的动力学诊断和数值模拟。该关键科学问题要着重关注以下2个研究方面:统计、诊断分析方面, 在近30年高原低涡、切变线天气统计结果的基础上确定典型个例, 针对高原低涡、切变线的基本特征选择具有针对性的物理量, 通过诊断分析揭示高原低涡、切变线的结构特征与动力、热力和能水等物理量的转化过程; 数值模拟试验方面, 应针对主要因子及可能物理过程, 并充分考虑高原及周边地区的复杂地形及独特的边界层, 选择合理的参数化方案, 设计合适的数值试验方案来开展模拟研究与敏感性试验。

(2) 高原切变线诱发高原低涡的动力学机理。该关键科学问题涉及高原切变线这一线性系统与高原低涡这一非线性系统的相互作用, 需要重点把握好以下2个研究方向:建立合理的高原切变线的数学物理模型, 探寻适度简化后模型的求解方法, 得出切变线上的线性与非线性波动解; 讨论切变线— 低涡系统中可能存在的波动形态及产生条件, 进而分析波动传播、能量频散和不稳定增长等问题, 搭建并明确切变(线)环境与低涡生成、移动和发展的联系, 同时还应探索高原低涡发展以后对高原切变线维持和移动的影响。