《1 前言》

1 前言

我国是世界上自然灾害发生十分频繁、灾害种类甚多、造成损失十分严重的少数国家之一。 尤其是在亚洲复杂的海—陆—气相互作用下，我国气象灾害是自然灾害中最为频繁而又严重的灾害，占自然灾害的 70 %以上。 天气、气候灾害和气象次生、衍生灾害危及到人民生命和财产的安全，国民经济和社会发展也受到了极大的损失。 并且，在全球气候变暖和经济高速发展的背景下，我国气象灾害及其造成的损失亦呈上升趋势，对经济社会的严重影响日益突出。

影响我国的气象 灾害主要包括干旱、洪涝、台风、暴雨、寒潮、冰雹、大风、高温、低温、大雾和冻雨等，以及因气象因素引起的山体滑坡、泥石流、风暴潮、森林火灾、酸雨、空气污染等。 并且，我国每年因气象灾害造成的直接经济损失约占自然灾害总损失的 71 %，在 20 世纪 90 年代，相当于国民生产总值（GDP）的 3 % ~6 %，约占 GDP 增加值的 10 %以上。 而且，在全球气候变暖的背景下，未来气象灾害的影响将会不断加重，带来的失也会显著加剧[1]，必须加强气象灾害防御理论与技术工程研究。

由以上可知，暴雨、洪涝灾害是我国最主要的气象灾害，其影响是巨大的。 暴雨等短时或连续强降水过程，会造成城市积水、房屋淹没、交通瘫痪、田地冲毁，引起山洪暴发、江河泛滥、堤坝决口等，给人民和国家造成重大的经济损失。 其中，长江流域是我国暴雨、洪涝灾害的多发地区，受灾尤为频繁，历史上发生过很多次严重的暴雨洪涝灾害。 研究指出，台风、低涡、低槽、锋面等是我国强降水天气的主要影响系统，而西南涡则是影响我国夏半年异常降水过程的一个相当重要的灾害性天气系统，其发生、发展与移动常产生强烈的降水天气过程，带来严重的暴雨洪涝灾害[2]。 因此，加强对我国灾害性天气系统西南涡变化及其影响的监测预警、分析研究和预测预报，对我国暴雨洪涝灾害的防御、应急、评估和管理都具有十分重要的意义。

但是，目前对于西南涡及其影响的认识还非常薄弱，首要是缺乏西南涡基本变化及其主要影响的基础信息。 这主要是因为青藏高原东部及其下游地区气象观测站网布局的针对性不强，观测时空分辨率不够，对西南涡的观测能力非常薄弱，现有气象业务站网和探测能力，还难以有效地捕获西南涡形成、维持、发展和移动及其影响等基本变化特征，特别是没有实现高时空分辨率的持续、系统观测，制约了对西南涡基本结构、变化过程和影响机理的基础分析、理论研究与业务预报[3]。 由于气象观测站网系统的优化布局和功能提升是一个长期的艰巨任务，因此，为了解决西南涡的上述问题，在现有业务观测站网的基础上，集中有限的观测资源，通过有针对性的科学布局，实施对西南涡综合观测的大气科学试验，是一条正确、有效的技术途径。 文章在已有西南涡研究成果、大气科学试验的基础上，从观测站网、设备与技术等方面，提出了西南涡大气科学试验观测系统布局的设计技术与实施思路。

《2 西南涡系统与天气灾害》

2 西南涡系统与天气灾害

研究表明，青藏高原大地形和巨大的热源作用对我国、亚洲、北半球乃至全球的天气气候及环境变化都有着非常重要的影响[4 ~15] 。尤其是高原大地形与其东侧陡峭山地和川渝盆地构成的多尺度复杂地形区，局地天气气候变化富有特色，中小尺度低值系统异常活跃，并带来当地和下游我国广大地区天气气候灾害[ 2,16 ~18] 。西南涡就是在青藏高原复杂地形与大气环流相互作用下，发生于我国西南地区（100 °~108 °E,26 °~33 °N）700 hPa 或 850 hPa 等压面上的中尺度气旋式闭合低压系统[2] 。早在1950 年，Yeh[4] 和 Bolin[19] 就指出，大地形的绕流作用使气流分支，并在地形下游形成会流急流。 而青藏高原的绕流作用在夏季激发高原涡和西南涡，其东移常给我国长江中下游地区带来强烈天气过程。而且，西南涡造成的暴雨天气强度、频数、范围仅次于台风，是位居第二的暴雨系统[20]。 如 1958 年 7 月14—19 日黄河中游、 1963 年 8 月 1—10 日河北、1981 年 7 月 9—14 日四川、1998 年夏季我国长江流域等全国特大暴雨洪涝灾害都与西南涡的影响直接相关[2,21]。 对西南涡的形成与定义，西南涡的结构与特性，西南涡的发生发展及其机理，西南涡的影响及其预报等已开展了大量研究，取得了一些重要成果[ 2,22 ~24]。表 1 给出了与西南涡灾害性天气系统影响密切相关的几次我国特大暴雨洪涝事件。 由此可见，西南涡系统引发的暴雨天气及其灾害确实是很严重的，而且给我国广大地区带来的损失也是非常巨大的。 因此，加强针对西南涡及其影响监测、预报和评估的科学研究、技术开发和工程建设都是必要的。

《表1》

表1 与西南涡相关的特大暴雨洪涝事件

Table 1 The extraordinary rainstorm flooding events related with Southwest China vortex

《3 西南涡科学试验观测布局设计》

3 西南涡科学试验观测布局设计

大气科学，尤其是高原气象学既是一门理论性科学，也是一门实验性科学。 21 世纪以来，大气科学进入了大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈相互作用的新阶段，基于综合观测和科学试验的观测系统研究设计是一个非常重要的基础方向。 国内外已开展了一些关于大气科学观测系统设计研究与科学试验计划， 如提出 了观测 系统的 模拟试 验方法（OSSE），并开 展了一系列 的应用研究[25,26] 。中国科学家实施了 1979 年第一次青藏高原大气科学试验（ QXPMEX）[7,27]、1998 年第二次青藏高原大气科学试验 （TIPEX）[9 ~11,28] 。2004—2009 年中日 JICA（the Japan International Cooperation Agency，日本国际协力机构）计划开展了以青藏高原及周边水汽循环变化与影响为主要目标的“ 中日气象灾害合作研究中心”项目[15,29]，2010 年和 2011年实施了我国第一次、第二次西南涡加密观测科学试验[3,30]，尤其是 2011 年又启动了我国第三次青藏高原大气科学试验 2011 年预试验，并开展了站网布局、综合观测、现场试验等基础 问题的分析研究[31] 。但是，总的来讲，大气科学试验性研究，如综合观测布局、科学技术试验等相对落后于理论分析，其基本科学理论与工程技术比较薄弱[31] 。不过，近几年已经在西南涡科学试验布局方面取得了一些进展。

在观测布局设计中，主要从观测站网规模、技术和功能上，根据评估—试验—分析—布局一体化的设计技术[31] ，经过循环反复的完善过程，在站点分布、设备技术、观测要素等方面，达到优化设计西南涡大气科学试验综合观测布局的目的（ 见图 1）。 其应遵循的基本原则是：以西南涡基本特征为中心，一是站点分布，在空间上要满足能够分辨西南涡水平尺度特征，并且根据其垂直尺度特征，考虑垂直空间探测能力，由此开展地面站、探空站等站点的布局；

《图1》

图1 西南涡综合观测系统的优化布局设计技术思路[31]

Fig.1 The optimizing design-layout technology for the comprehensive observation system of Southwest China vortex[31]

二是设备技术，从西南涡的物理特征与演变过程，选取具有高性能、高效率的探测设备与技术，由此采用自动气象站 （ AWS）、 气球探空、边界 层（ PBL）、雷达、GPS 水汽、风廓线、卫星等探测设备技术；三是观测要素，从西南涡的异常变化与主要影响，确定西南涡的观测要素，由此获取压、温、湿、风、降水，以及辐射、热源、水汽等观测数据。 最后，进一步构建西南涡大气科学试验的综合观测系统。

根据以上布局原则，具体的设计思路如下所示。

1) 站点分布。 由于西南涡的水平尺度约 300 ～500 km，为中尺度 α 涡旋，生命史一般低于 48 h，但发展东移后可达 7 d [20]，并且，夏半年西南涡的主要源地位于九龙、巴塘、德钦、康定一带和川渝盆地两个区域。如图 2 如示，源区 I 为以九龙为中心的 27 °~32 °N、98 °~103 °E 区域；源区 II 也是主要活动区，为川渝盆地的 28 °~32.5 °N、103 °～109 °E 区域。移动路径有 3 条：从源地，经四川盆地、长江中下游东移入海的偏东路径，这是移动的主要路径；从源地，经四川南部、云南、贵州、湖南、江西、福建出海，有时会影响到广西、广东的东南路径；从源地，经四川北部、黄河中下游，到达华北及东北地区的东北路径[2 ,16,32]。 同时，虽然西南涡在垂直方向上较浅薄，初期主要在 700 hPa 上出现气旋环流，而 500 hPa､300 hPa 上常为高压区或高压脊[32]，但其与东移高原涡耦合和处于强烈发展成熟阶段时，也是一个十分深厚的系统，可伸展到100 hPa [33,34]，另外，大气边界层对西南低涡也有重要作用[35]。 因此，在夏半年西南涡的主要源地和活动路径（见图 2）上，是西南涡观测布局的主要区域，站网布局的水平尺度应达到 100 km 左右，以满足其中尺度特征的观测分辨率条件。 并且，站点应包括地面站、探空站和 PBL 站，以达到从边界层到对流层的垂直尺度观测要求。

《图2》

图2 夏半年西南涡的主要源地和活动路径示意图

Fig.2 Schematic plot for the formation area and move path of Southwest China vortex in the summer half year

2) 设备技术。 根据西南涡三维结构与变化特征的现有认识[2,20,22 ~24,33 ~35]，对于一个发生发展等变化迅速剧烈的中尺度系统，应开展高时间分辨率的连续观测，通过地面 AWS、时间加密探空、PBL 观测、雷达、地基 GPS 水汽、风廓线、卫星等观测设备技术，实现三维立体的连续综合观测。

3) 观测要素。 由于目前获取的数据信息量不够丰富，针对性与代表性较差，难以完整、系统地捕捉西南涡的变化及其影响[3 ,30] 。 因此，必须围绕西南涡天气系统的热力、动力等基本结构，发生发展与移动机理等主要变化，以及影响和预报等关键因子，确定 700 hPa 及其上下层次的压、温、湿、风等常规观测，边界层感热与潜热，对流层冷暖状况，以及辐射、水汽、降水等为主要观测要素。 表 2 综合给出了西南涡大气科学试验的观测布局思路。

《表2》

表2 西南涡大气科学试验观测布局思路

Table 2 The observing design-layout for Southwest China vortex atmospheric scientific experiment

另外，虽然西南涡一年四季各月均有出现，但以4—9 月居多，并有一些发展东移影响下游地区[16] 。因此，西南涡科学试验的重点时段应该是每年的夏半年。

《4 西南涡科学试验观测布局实践》

4 西南涡科学试验观测布局实践

根据上述提出的 观测布局设计原则与基本思路，中国气象局成都高原气象研究所 2010 年夏季成功实施了我国第一次西南涡加密观测科学试验[3]，并在此基础上，进行了适当调整，又进一步成功实施了 2011 年夏季第二次西南涡加密观测科学试验[30]。 图 3 给出了西南涡加密观测科学试验技术系统的主要流程，在西南涡加密观测科学试验技术中心统一指挥下，试验区域内由业务观测站网和移动加密观测平台组成的综合观测系统在西南涡活动及其影响区域，开展时空加密观测，获取的资料信息通过气象业务通信线路实时传输到信息中心，供气象业务平台和数值业务模式调用，由此制作并发布西南涡演变及其天气影响的预测预报，在此基础上，实施西南涡引发暴雨洪涝灾害的科学防御、应急求援和影响评估。 实践表明，基于该技术系统设计，这两次西南涡加密观测科学试验，在综合观测、资料分析、业务应用和防灾减灾等方面取得不少成果，达到了预期目标。

《图3》

图3 西南涡大气科学试验技术系统流程图

Fig.3 The technical flow chat of Southwest China vortex atmospheric scientific experiment

第一次西南涡加密观测科学试验，主要围绕西南涡的基本结构、异常变化与相互作用、发生发展过程与东移机理、可预报性与预测技术等科学技术问题，以及提高我国西南涡科学研究水平与业务预测技术，必须首先强化西南涡的基础观测，获取能够正确反映西南涡状况与变化的中尺度气象观测基本信息[3] 这一认识而开展的。

2010 年夏季，中国气象局成都高原气象研究所联合下游的武汉暴雨研究所，针对西南涡源地四川、下游影响区 湖北，通过已有地面、探空、 雷达、地基GPS 水汽等业务站网，增设地面、探空、PBL 通量、风廓线等探测手段，完成时空加密的观测布局，开展了第一次较大规模的我国西南涡加密观测专项科学试验[3] 。试验时段为 2010 年 6 月 21 日 0 时至 7 月 31 日 24 时，共计 41 d；试验区域包括西南涡主要源区 I 区（ 以九龙为中心的 27 °~32 °N、98 °~103 °E 区域）和主要源区 II 区，也是主要活动区（ 即川渝盆地的 28 °~32.5 °N、103 °~109 °E 区域），以及主要下游影响区长江中游的湖北省（见图 4）。

《图4》

图4 2010 年夏季西南涡加密观测科学试验目标区[3] （单位：m）

Fig.4 The target area of Southwest China vortex atmospheric scientific experiment in the summer of 2010 [3] （unit： m）

这次西南涡科学试验的观测布局[3] 如下：基于西南涡的时空尺度， 观测站 网的空 间距离应小于150 km，观测时间间隔应小于 6 h，在西南涡移出及影响的关键时期需要更短时间间隔的观测，围绕西南涡发生的中心区域（九龙、川东北、小金），覆盖西南涡的主要活动区域，形成了由业务观测站网、新增移动和固定观测站点组成的观测系统，并提高业务观测站网，特别是高空站网的观测频次，针对近地层的气压、气温、相对湿度、风速、风向、降 水、天气现象，以及湍流、能量收支等，高空气压、温度、湿度、风速、风向、关键区三维风廓线观测，主要发生与活动区多普勒雷达、地基水汽观测，发生发展区云观测等要素，以实现对西南涡发生、发展和移动及其影响过程的高时空分辨率连续监测（见图 5 ～图 7）。

《图5》

图5 2010 年夏季西南涡加密观测科学试验自动气象站网分布[3]

Fig.5 The distribution of AWS network of Southwest China vortex atmospheric scientific experiment in the summer of 2010[3]

《图6》

图6 2010 年夏季西南涡加密观测科学试验高空观测站网分布[3]

Fig.6 The distribution of radiosonde network of Southwest China vortex atmospheric scientific experiment in the summer of 2010[3]

《图7》

图7 2010 年夏季西南涡加密观测科学试验雷达、通量观测站网分布[3]

Fig.7 The distribution of radar and PBL network of Southwest China vortex atmospheric scientific experiment in the summer of 2010[3]

2010 年西南涡加密观测科学试验，在西南涡主要活动区与影响区内，完成了 41 d 高时空分辨率的现场综合气象观测，获取了连续加密的大气地面、高空、雷达、边界层、地基 GPS 水汽、风廓线观测资料，实现了对西南涡发生、发展与东移影响的“ 过程观测”，建立了西南涡加密观测研究与应用 数据集。在此基础上，开展了西南涡的分析研究和实际应用，为今后西南低涡的综合观测、科学试验、理论研究和业务应用提供了基础。 并且，2010 年西南涡加密观测科学试验的加密观测数据实时传输到业务部门，供预报人员分析使用，在 2010 年 7 月 16—18 日西南涡引发的四川盆地区域持续性暴雨天气、2010 年 7 月 24—25 日切变线、低涡引发的四川盆地西部暴雨天气的准确预报中发挥了重要作用[3] 。

2011 年夏季中国气象局成都高原气象研究所又成功实施了我国第二次西南涡加密观测科学试验。 在基本维持 2010 年观测布局的前提下，取消了海拔高度明显高于 3 000 m（700 hPa）的川西高原稻城站，原 GPS 探空调整到川北广元市剑阁县，并增加了甘孜理塘对流层风廓线雷达，雅安名山、南充高坪边界层风廓线雷达。 由此在西南涡主要源地、活动与影响区，设计了由业务固定观测站网和科研机动观测平台构成的加密观测站网布局（图略），完成了西南涡加密观测科学试验[30] 。并且，2011 年西南涡加密观测科学试验，在科学试验数据实时应用于气象预报业务上又取得了新的进展。

1) 试验加密观测数据，包括甘孜、红原、西昌、宜宾、达州、温江、巴塘、名山 8 个 L 波段和九龙、剑阁 2 个 GPS 探空观测站每日（北京时间 02､08､14､20）4 次的探空观测资料，实时传输到四川省气象业务部门，通过 MICAPS （ meteorological information comprehensive analysis and processing system，气象信息综合分析处理系统） 供预报人员查看使用，直接应用于业务，尤其是为 2011 年 6 月 21—22 日区域性暴雨过程、7 月 28—29 日区域性暴雨过程和 7 月3 日午后局地短时强降水过程的分析预报提供了重要信息。

2) 试验加密观测数据供数值预报业务人员使用，实时同化到成都区域气象中心的数值预报业务模式，改进了数值天气预报业务水平。 通过每日 4 次的观测资料用于数值预报模式，实现了西南涡加密观测试验资料在成都区域中心 WRF _ RUC（weather research forecasting model and rapid updata cycle， WRF 模式快速循环同化预报系统）和 GRAPES _ MESO （ mesoscale of the global/regional assimilation and prediction system，中尺度全球／区域同化预报系统）模式中的业务应用[30] 。李跃清等[30] 指出，2011 年 41 d 的西南涡加密观测试验为数值预报模式提供了更多的探空观测资料，可用于改善模式初值。 而西南区域 GRAPES_MESO 数值预报系统中，是否同化西南涡试验加密观测数据对降水预报的连续检验表明，对于 24 h 降水预报，同化了西南涡加密观测资料后 TS 评分（ threat score, 预兆得分） 明显提高，并且随着降水量级增大，提高得更明显，如大雨和暴雨 的 TS 评分 从 0.107 8 和0.040 4 分别提高到 0.110 7和 0.045 1；对于 48 h 降水，也是同化了西南涡加密观测数据的降水预报准确率最好，尤其在大雨和暴雨量级（见图 8，其中YES 和 NO 分别表示同化和未同化西南涡加密观测资料）。

《图8》

图8 GRAPES＿MESO 数值预报系统是否同化 2011 年夏季西南涡大气科学试验加密观测数据的（a）24 h、（b）48 h 预报降水检验[30] 

Fig.8 The evaluation of （a）24 h、（b）48 h precipitation forecast for the numerical forecast system of GRAPES＿MESO during Southwest China vortex atmospheric scientific experiment in the summer of 2011[30] 

以上表明：西南涡加密观测科学试验观测布局技术的应用成效是显著的。特别是 2010 年 7 月 16—18日四川盆地区域持续性暴雨天气过程，正是西南涡的发生发展及其沿辐合线的移动直接造成了这次强降水过程。 在这次加密科学试验中，观测布局系统有效地捕捉了西南涡生成、加强和移动的全过程，采集了西南涡演变及其天气影响的完整信息，揭示了西南涡异常变化及其影响的物理图像（见图 9），为预报人员正确把握西南涡的位置、路径和演变，强降水的发生、持续与结束提供了有效依据，在降水过程、强度、落区与持续时间的预报中发挥了重要作用。

《图9》

图9 2010 年 7 月 16—18 日四川盆地持续性区域暴雨天气过程：14 日 20 时—18 日 20 时西南涡（D）动态变化

Fig.9 The regional torrential rain process in Sichuan Basin from 16 to 18 July 2010：the moving variation of Southwest China vortex（D） from 20∶00 BST 14 to 20∶00 BST 18 July 2010

注：阴影区为 16 日 20 时—17 日 20 时降水分布

总之，2010 年和 2011 年夏季两次西南涡科学试验的成功实施，不仅获得了宝贵的观测数据，促进了高原天气研究，提升了业务预报能力，培养了科学试验人才，而且也证明了上述西南涡大气科学试验的观测布局技术思路是正确的，对于西南涡及其降水的观测、预报具有指导意义。

《5 结语》

5 结语

在前期研究与应用的基础上，从西南涡大气科学试验的观测布局设计与具体实践方面，探讨了西南涡科学试验观测布局的基本现状、设计思想与技术途径等基础性问题，得到了以下主要结论。

1) 青藏高原东部及其下游地区现有气象观测站网，难以有效地捕获具有中 α 尺度的西南涡的形成、维持、发展和移动及其影响的基本信息。 为此，必须加强针对西南涡观测的基础布局设计，以保障西南涡专项大气科学试验的有效实施。

2) 根据综合评估、观测试验、效果分析和布局优化的思路，建立基于评估—试验—分析—布局一体化的循环反复设计技术，从站点分布、设备技术、观测要素等方面，开展了西南涡大气科学试验综合观测布局的优化设计。

3) 以西南涡基本特征为中心，从其水平与垂直分布尺度、物理特征与演变过程、异常变化与主要影响的观测需求出发，提出了基于观测站点分布与功能、观测设备性能与技术、观测内容属性与意义的西南涡科学试验观测布局的基本原则。

4) 西南涡科学试验观测布局的设计思路是：满足西南涡中尺度特征观测的分辨率条件；开展三维立体的高分辨率连续综合观测；实现完整、系统地捕捉西南涡的变化及其影响。

5) 中国气象局成都高原气象研究所 2010 年夏季实施了我国第一次西南涡加密观测科学试验，并在 2011 年夏季又实施了第二次西南涡加密观测科学试验。 两次西南涡科学试验的成功实施及其业务应用，证明了西南涡科学试验观测布局设计思路是正确的，并有助于改进数值模式对西南涡及其降水的预报能力。

最后，需要指出的是：开展关键气象区域、典型气象系统的观测布局技术研究和应用工程建设，构建多时空、多手段、高精度、多要素一体化的综合观测平台是国际大气科学发展的一个重要方向[31] 。但是，目前青藏高原及周边地区气象观测站网仍然弱小，现有观测布局及其观测能力还不能很好地满足科学研究与业务服务的需求，尤其是高原东坡及下游西南涡生成源地与活动区域更加突出[3,31]，制约了对西南涡的深入研究与业务预报。 因此，今后应从西南涡综合观测的基础需求、现有观测系统状况和前期观测试验效果 3 个方面，加强其观测布局理论研究和具体实践，逐步优化西南涡大气科学试验的综合观测系统[31] 。