四川一次持續(xù)性暴雨過(guò)程的水汽特征及多尺度系統(tǒng)影響分析

師 銳，何光碧，周春花

(1.中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610072；2.四川省氣象臺(tái)，四川 成都 610072；3.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，四川 成都 610072)

引 言

持續(xù)性暴雨又稱連續(xù)性暴雨，是指某一區(qū)域持續(xù)出現(xiàn)2 d及以上的暴雨天氣。我國(guó)的持續(xù)性暴雨多發(fā)生在江南、華南和西南地區(qū)[1-2]。四川省主要受熱帶季風(fēng)、副熱帶季風(fēng)以及青藏高原環(huán)流系統(tǒng)的影響，在行星尺度和天氣尺度的環(huán)流系統(tǒng)作用下為中小尺度天氣系統(tǒng)的產(chǎn)生提供有利的環(huán)流背景場(chǎng)[3-4]，常導(dǎo)致暴雨頻發(fā)。四川盆地暴雨具有頻發(fā)性和持續(xù)性，持續(xù)性暴雨由于降雨時(shí)間長(zhǎng)、總量大，極易造成大范圍嚴(yán)重洪澇，常誘發(fā)泥石流、山體滑坡等次生災(zāi)害，特別是“5.12”汶川地震以來(lái)山體松軟，地質(zhì)災(zāi)害隱患增大，持續(xù)性暴雨是四川盆地最具致災(zāi)性的極端事件。因此，開展四川盆地持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程研究對(duì)防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。

近50 a來(lái)，中國(guó)局地持續(xù)性暴雨的發(fā)生季節(jié)以6月居多，且發(fā)生次數(shù)具有明顯的年際及年代際變化。暴雨的持續(xù)性與環(huán)流異常的持續(xù)性有關(guān)，暴雨的季節(jié)變化與東亞夏季風(fēng)的季節(jié)演變進(jìn)程關(guān)系密切[5-8]。研究表明，暴雨是大尺度和中小尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物[9-12]，持續(xù)性暴雨常常是若干個(gè)中小尺度系統(tǒng)的不斷產(chǎn)生、合并加強(qiáng)及持續(xù)影響所致[13-15]；充沛的水汽輸送是持續(xù)性暴雨發(fā)生的必要條件，而低層水汽輻合的強(qiáng)弱則起到關(guān)鍵作用[16-19]。四川持續(xù)性區(qū)域暴雨多發(fā)生在7月[20]，大尺度環(huán)流背景常表現(xiàn)為東高西低的形勢(shì)[21-23]，且常伴有高原低值系統(tǒng)活動(dòng)，其中西南低渦是最主要的影響系統(tǒng)[24-25]。此外，遠(yuǎn)距離的熱帶氣旋與影響暴雨的高空槽、中低層低渦有密切關(guān)系[26-29]。比如，活躍于南海的熱帶氣旋，通過(guò)其北側(cè)偏東南低空強(qiáng)風(fēng)帶北伸與活躍于四川盆地的西南低渦東側(cè)的偏南氣流貫通，實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)的相互作用[30]，從而使暴雨區(qū)水汽受多尺度系統(tǒng)的影響。然而，以往四川盆地持續(xù)性暴雨的研究多關(guān)注于過(guò)程起因及物理量演變，對(duì)持續(xù)條件探討較少。為此，本文針對(duì)2018年7月8—11日發(fā)生于四川盆地西部的持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程，探討與其有直接或間接關(guān)系的多尺度動(dòng)力過(guò)程及其維持、加強(qiáng)的成因，以豐富此類暴雨過(guò)程的認(rèn)識(shí)，為預(yù)報(bào)提供一定參考。

1 資料與方法

利用四川省4990余個(gè)地面加密自動(dòng)站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、NCEP/NCAR再分析資料及其濾波后的中尺度風(fēng)場(chǎng)格點(diǎn)資料，對(duì)此次持續(xù)性暴雨過(guò)程的環(huán)流背景、水汽及輸送特征以及多尺度環(huán)流系統(tǒng)活動(dòng)等進(jìn)行診斷分析。氣候平均態(tài)選為1961—2010年。文中涉及的中國(guó)及各省(區(qū)、市)行政邊界均基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2016)1552的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改。

暴雨的發(fā)生與中尺度環(huán)流系統(tǒng)密切相關(guān)。采用中尺度濾波方法可以有效分離出中尺度環(huán)流特征，其中25點(diǎn)平滑算子不僅考慮了算子的選擇濾波特性，使關(guān)注的中尺度濾波段的各波分量不受明顯歪曲，而且盡量減小邊界對(duì)區(qū)域內(nèi)的影響，能夠較好地反映系統(tǒng)之間中尺度環(huán)流特征[31-33]，計(jì)算方法[33]如下：

2 過(guò)程降雨分布特征

2018年7月8—11日四川盆地發(fā)生了持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程，8日上午盆地西北部沿山地區(qū)開始出現(xiàn)降雨，至12日清晨降雨結(jié)束，暴雨和大暴雨主要集中在盆地西部廣元、綿陽(yáng)、德陽(yáng)、成都4市(圖1)。此次暴雨天氣過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，降雨強(qiáng)度大，過(guò)程累計(jì)雨量達(dá)50～100 mm有790站、100～250 mm有607站、250～400 mm有332站、400 mm以上有49站，其中最大累計(jì)雨量(620.9 mm)出現(xiàn)在江油武都鎮(zhèn)(104.78°E、31.97°N)，最大小時(shí)雨強(qiáng)(170.8 mm·h-1)出現(xiàn)在雅安滎經(jīng)，綿竹(216.3 mm)、廣漢(321.9 mm)、彭州(253.4 mm)、青川(225.0 mm)4站 11日[10日20:00至11日20:00(北京時(shí)，下同)]創(chuàng)歷史最大日雨量記錄。

圖1 2018年7月8日08:00至12日08:00四川省持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程的累計(jì)雨量空間分布(單位：mm)Fig.1 Spatial distribution of accumulative precipitation in Sichuan Province from 08:00 BST 8 to 08:00 BST 12 July 2018 (Unit: mm)

綿陽(yáng)地區(qū)4 d的暴雨和大暴雨區(qū)域基本重疊，造成該地區(qū)各江河發(fā)生較大洪水，其中涪江等主要江河發(fā)生特大洪水。8日，暴雨區(qū)和大暴雨區(qū)集中在德陽(yáng)、成都2市西部高原向盆地平原過(guò)渡地帶，受地形影響明顯，降雨具有雨區(qū)狹窄、局地降雨強(qiáng)的特征；9日，暴雨和大暴雨區(qū)范圍擴(kuò)大，德陽(yáng)、成都2市的強(qiáng)降雨中心略有東移；10日，暴雨和大暴雨落區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，降雨中心出現(xiàn)特大暴雨，是此次過(guò)程中降雨范圍最大、強(qiáng)度最強(qiáng)的一日；11日，在盆地西部綿陽(yáng)、德陽(yáng)、成都3市西部持續(xù)3 d的強(qiáng)降雨?yáng)|移，暴雨和大暴雨落區(qū)移至盆地西部上述3市的東部區(qū)域。

此次持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程，盆地西北部地區(qū)受災(zāi)最為嚴(yán)重，因此選取盆地西北部北川、廣漢2個(gè)自動(dòng)站逐時(shí)雨量進(jìn)行分析。從圖2看出，此次降雨過(guò)程具有持續(xù)性，且在過(guò)程后期雨強(qiáng)及雨量突增，即10日夜間雨強(qiáng)顯著增強(qiáng)，是降雨最強(qiáng)階段，廣漢11日02:00小時(shí)雨強(qiáng)增至最大，達(dá)50.3 mm·h-1。

圖2 2018年7月8—11日四川省北川(a)和廣漢(b)國(guó)家自動(dòng)站逐小時(shí)雨量演變Fig.2 The evolution of hourly precipitation at Beichuan (a) and Guanghan (b) stations of Sichuan Province from 8 to 11 July 2018

3 環(huán)流形勢(shì)及系統(tǒng)配置

2018年7月8—11日500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)及其距平場(chǎng)[圖3(a)]上，有2個(gè)正距平中心和1個(gè)負(fù)距平中心，烏拉爾山高脊和西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱“西太副高”)為正距平，異常偏強(qiáng)，較歷史同期分別偏高8、12 dagpm，貝加爾湖低槽為負(fù)距平，較歷史同期偏低2～4 dagpm，且在25°N以南洋面上是一偏低區(qū)域，表明熱帶低值系統(tǒng)較歷史同期活躍。由于西太副高異常偏強(qiáng)，使得副高西側(cè)較強(qiáng)的暖濕空氣向北輸送，并與烏拉爾山高脊和貝加爾湖低槽異常偏強(qiáng)導(dǎo)致南下的較強(qiáng)冷空氣在四川相遇，由于西太副高異常強(qiáng)盛致使上述環(huán)流形勢(shì)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定維持，從而在四川盆地產(chǎn)生持續(xù)性降雨過(guò)程。

在此次暴雨過(guò)程開始前期(圖略)，7月5—7日四川省處于584 dagpm線控制范圍內(nèi)，盆地處于高溫高濕狀態(tài)；7日20:00至8日08:00，青、藏、川3省交界處有一東北—西南向的高原切變線，并較前期有所加強(qiáng)，盆地受高壓中心控制；8日08:00后降雨逐漸開始，至20:00，高原切變線明顯南壓，西太副高迅速西伸，盆地西部高海拔向平原過(guò)渡地帶出現(xiàn)強(qiáng)降雨，受地形影響降雨具有雨區(qū)范圍窄、局地強(qiáng)的特點(diǎn)。

從圖3(b)可見，9日，500 hPa上貝加爾湖有一深厚低渦，其東西向直徑遠(yuǎn)大于南北向，中緯地區(qū)為多波動(dòng)的平直西風(fēng)氣流，四川盆地北部恰好受此波動(dòng)影響；西太副高西脊點(diǎn)由前一日137°E迅速西伸至112°E，伴隨著超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”中心西行至(134°E、28°N)，西太副高西側(cè)的偏南氣流逐漸加強(qiáng)，盆地西部降雨范圍略有增大。10日，貝加爾湖低渦西側(cè)橫槽東南移，高空槽經(jīng)蒙古國(guó)—內(nèi)蒙古中部—甘肅西部，伸至青海東部，其周圍伴有負(fù)變溫，同時(shí)西太副高繼續(xù)西伸(西脊點(diǎn)位于108°E)，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”西南移(中心位于127°E、24°N)，四川盆地西北部恰處于高空冷空氣與西伸西太副高及“瑪利亞”共同帶來(lái)的暖濕氣流交匯處。11日，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”中心繼續(xù)西行至福建海岸線附近(120°E、26°N)，西太副高勢(shì)力強(qiáng)大，其中心強(qiáng)度達(dá)592 dagpm，西脊點(diǎn)穩(wěn)定在108°E，較深厚的高空槽位于川西高原，盆地處于高空槽前與西太副高西側(cè)強(qiáng)盛的西南氣流控制下。

持續(xù)性暴雨前期，低層850 hPa水汽通道尚未建立，隨著強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”和西太副高的西行，水汽通道逐漸通暢。11日08:00[圖3(c)]，850 hPa上在重慶以東至福建以西有一高壓壩，四川盆地受西南低渦影響，自西向東南形成西南低渦—高壓壩—熱帶低值系統(tǒng)，即2低1高的環(huán)流形勢(shì)，且在臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”及西太副高的共同作用下偏南氣流持續(xù)增強(qiáng)，重慶沙坪壩站西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)12 m·s-1。

圖3 2018年7月8—11日500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)(黑色實(shí)線)及其距平(陰影)(a，單位：dagpm)和主要天氣系統(tǒng)演變(b)以及11日08:00 850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(黑色實(shí)線，單位：dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)和溫度場(chǎng)(紅色虛線，單位：℃)(c)Fig.3 Mean geopotential height field on 500 hPa (black solid lines) and its anomaly (shadows) (a, Unit: dagpm), evolution of main synoptic systems on 500 hPa (b) from 8 to 11 July 2018, and 850 hPa geopotential height field (black solid lines, Unit: dagpm), wind field (barbs, Unit: m·s-1) and temperature field (red dashed lines, Unit: ℃) at 08:00 BST 11 July 2018 (c)

綜上可見，此次持續(xù)性暴雨過(guò)程水汽通道的建立與3個(gè)系統(tǒng)有關(guān)：一是西太副高，西太副高逐步加強(qiáng)西伸；二是西南低渦(或倒槽)，是持續(xù)性暴雨的重要影響系統(tǒng)；三是熱帶低值系統(tǒng)，臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”及海南島熱帶低壓。3系統(tǒng)共同配合，將臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”和西太副高之間的東南風(fēng)攜帶的來(lái)自中國(guó)南海的水汽與西南季風(fēng)攜帶的來(lái)自孟加拉灣水汽匯合輸送至四川盆地。此次持續(xù)性暴雨過(guò)程是在貝加爾湖低渦低槽、西太副高、西南低渦、臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”及熱帶低壓等多個(gè)系統(tǒng)共同影響下產(chǎn)生。那么，這些系統(tǒng)共同作用下動(dòng)力條件是如何實(shí)現(xiàn)水汽的輸送、輻合以及抬升呢？

4 水汽條件及多尺度天氣系統(tǒng)

4.1 水汽持續(xù)充沛及低空南風(fēng)增強(qiáng)

整個(gè)降雨過(guò)程期間，大暴雨區(qū)各高度比濕隨時(shí)間的變化[圖4(a)]顯示，8—11日大暴雨區(qū)上空對(duì)流層中低層為比濕大值區(qū)，850 hPa以下比濕超過(guò)14 g·kg-1，而850～600 hPa比濕較低層有所減小，為10～14 g·kg-1；700 hPa以下比濕分別在8日有明顯增大和11日明顯減小的過(guò)程?？傊?，8—11日盆地西部具備充沛的水汽條件，是此次暴雨過(guò)程形成的必要條件。

從大暴雨區(qū)東側(cè)106°E的850 hPa水平風(fēng)速時(shí)間變化[圖4(b)]看出，30°N附近850 hPa風(fēng)速在9日午后開始增大，至11日凌晨增至最大18 m·s-1，達(dá)到急流標(biāo)準(zhǔn)；10 m·s-1以上的大風(fēng)速帶位于大暴雨區(qū)右側(cè)，且恰好為強(qiáng)降雨范圍最廣、強(qiáng)度最大的時(shí)段，表明10—11日強(qiáng)度達(dá)急流標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)勁南風(fēng)為盆地西北部帶來(lái)更為充沛的水汽供應(yīng)。

圖4 2018年7月7—12日過(guò)暴雨中心(104°E、31°N)的比濕時(shí)間-高度剖面(a，單位：g·kg-1)和沿106°E的850 hPa水平風(fēng)速時(shí)間-緯度剖面(b，單位：m·s-1)Fig.4 Time-height section of specific humidity along the center of rainstorm (104°E, 31°N) (a, Unit: g·kg-1) and time-latitude section of 850 hPa horizontal wind speed along 106°E (b, Unit: m·s-1) from 7 to 12 July 2018

4.2 水汽輸送及輻合特征

為探討此次持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程的水汽來(lái)源及降雨最強(qiáng)階段的水汽輻合狀況，分析7月8—12日對(duì)流層低層850 hPa風(fēng)場(chǎng)、水汽通量場(chǎng)及其散度。8日08:00[圖5(a)]至9日08:00[圖5(b)]，水汽輸送通道不暢，盆地西北部的水汽通量為4～8 g·hPa-1·cm-1·s-1，且局地有輻合；10日08:00[圖5(c)]開始，水汽輸送通道建立，水汽通量及其散度絕對(duì)值均增大，且大值范圍明顯擴(kuò)大；11日02:00[圖5(d)]，100°E以東區(qū)域有3個(gè)水汽通量大值區(qū)，中心分別位于四川盆地、海南島附近、臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”影響區(qū)，前2個(gè)中心值分別為28、16 g·hPa-1·cm-1·s-1。結(jié)合風(fēng)矢量[圖5(d)、圖5(e)]可見，中低層臺(tái)風(fēng)旋轉(zhuǎn)吹入內(nèi)陸的東北氣流經(jīng)西太副高底部轉(zhuǎn)向，并在西南低渦東側(cè)轉(zhuǎn)為東南氣流，將其攜帶的大量水汽輸入盆地。另外，在10°N—15°N范圍一支來(lái)自孟加拉灣的較強(qiáng)偏西氣流東伸至110°E—115°E，經(jīng)海南島的熱帶低壓“接力”下轉(zhuǎn)為東南氣流，并與副高西南側(cè)的偏東南氣流在兩廣地區(qū)匯合，匯合后的氣流在貴州至重慶南部形成一支較強(qiáng)的經(jīng)向低空急流，該急流將源源不斷的暖濕水汽向北輸送至盆地，并在盆地西北部聚集。10日白天至夜間，850 hPa盆地西北部水汽通量散度中心值達(dá)-8×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1，11日02:00水汽輻合區(qū)達(dá)到最大，12日08:00[圖5(f)]水汽輻合明顯減弱，降水逐漸結(jié)束。

圖5 2018年7月8—12日850 hPa風(fēng)場(chǎng)(矢量，單位：m·s-1)、水汽通量(黑色實(shí)線，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1)及其散度(陰影，單位：10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1)分布(a)8日08:00，(b)9日08:00，(c)10日08:00，(d)11日02:00，(e)11日08:00，(f)12日08:00Fig.5 The distribution of 850 hPa wind field (vectors, Unit: m·s-1), water vapor flux (black solid lines, Unit: g· hPa-1·cm-1·s-1) and its divergence (shadows, Unit: 10-5 g· hPa-1·cm-2· s-1) from 8 to 12 July 2018(a) 08:00 BST 8 July, (b) 08:00 BST 9 July, (c) 08:00 BST 10 July, (d) 02:00 BST 11 July, (e) 08:00 BST 11 July, (f) 08:00 BST 12 July

綜上可見，此次持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程的水汽主要來(lái)源于中國(guó)南海。在西太副高和臺(tái)風(fēng)的共同作用下，不僅有副高西側(cè)的暖濕氣流輸送至盆地，更為重要的是對(duì)流層低層承載水汽輸送的偏南風(fēng)逐步在臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”西行過(guò)程中建立。當(dāng)西行臺(tái)風(fēng)靠近福建海岸時(shí)，臺(tái)風(fēng)西側(cè)的東北氣流在盆地西南低渦東南側(cè)轉(zhuǎn)為東南氣流，并形成明顯的氣流輻合，而來(lái)自孟加拉灣的水汽，通過(guò)較強(qiáng)的西風(fēng)氣流輸送至南海海域，經(jīng)海南島持續(xù)熱帶低壓轉(zhuǎn)為偏東南氣流，并向四川盆地輸送，在西南低渦作用下在盆地西北部形成較強(qiáng)的水汽輻合。

4.3 多尺度系統(tǒng)相互作用

圖6是2018年7月9—12日平滑濾波后的700 hPa流場(chǎng)?？梢钥闯?，在持續(xù)性暴雨過(guò)程初期[圖6(a)]，在西太副高及臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”西行過(guò)程中，從廣西至四川盆地一致偏南氣流的水汽通道逐步建立，但在盆地并未形成輻合流場(chǎng)，也未與高空槽東移來(lái)的冷空氣相對(duì)峙，此階段的降雨強(qiáng)度、范圍都相對(duì)較小。隨著貝加爾湖低渦東移，其底部高空槽后西北氣流攜帶的冷空氣在四川盆地西北部與偏南暖濕空氣匯合，形成明顯的切變輻合，而后該切變線逐漸東南移[圖6(b)、圖6(c)]。由于臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”的持續(xù)西行及貝加爾湖低渦的東移，西太副高穩(wěn)定維持，但其西南側(cè)氣壓梯度有所加大，形成低空東南風(fēng)急流，促使低層中尺度系統(tǒng)西南低渦的加強(qiáng)和發(fā)展。隨著臺(tái)風(fēng)的進(jìn)一步西行，西太副高東退北收，水汽輸送帶瓦解，北支系統(tǒng)高空槽也迅速北收[圖6(d)]。

圖6 2018年7月9—12日25點(diǎn)平滑算子濾波后的700 hPa流場(chǎng)(a)9日08:00，(b)10日20:00，(c)11日08:00，(d)11日20:00Fig.6 Flow fields on 700 hPa filtered by 25-point smoothing operator from 9 to 12 July 2018(a) 08:00 BST 9 July, (b) 20:00 BST 10 July, (c) 08:00 BST 11 July, (d) 20:00 BST 11 July

圖7是平滑濾波后的850 hPa擾動(dòng)流場(chǎng)(即原始流場(chǎng)減去平滑濾波后的流場(chǎng))。在擾動(dòng)流場(chǎng)上，10日夜間到11日白天均有明顯的氣旋式渦旋(即西南低渦)存在，該系統(tǒng)的水平尺度約200 km，是中-β尺度擾動(dòng)。10日20:00[圖7(a)]，甘肅南部至四川盆地西北部有明顯的輻合氣流，輻合中心位于甘肅、四川交界處。11日02:00[圖7(b)]，切變輻合已發(fā)展為西南低渦，低渦西北側(cè)有明顯的冷暖氣流匯合，輻合區(qū)恰好位于盆地西北部?？梢?，西南低渦的生成，不僅與前期降雨導(dǎo)致的潛熱釋放有關(guān)，還有冷空氣的參與。11日08:00[圖7(c)]，西南低渦中心位置穩(wěn)定，但其強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，且低渦西北側(cè)的切變輻合略有東移，致使降雨持續(xù)并增強(qiáng)。隨后11日14:00[圖7(d)]，西南低渦中心穩(wěn)定維持，但低渦面積明顯減小且其西側(cè)的切變明顯東移，這與11日降雨落區(qū)東移減弱相對(duì)應(yīng)。

圖7 2018年7月10—11日25點(diǎn)平滑算子濾波后的850 hPa擾動(dòng)流場(chǎng)(a)10日20:00，(b)11日02:00，(c)11日08:00，(d)11日14:00Fig.7 Disturbed flow fields on 850 hPa filtered by 25-point smoothing operator from 10 to 11 July 2018(a) 20:00 BST 10 July, (b) 02:00 BST 11 July, (c) 08:00 BST 11 July, (d) 14:00 BST 11 July

綜上所述，西太副高西伸引導(dǎo)南海洋面上臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”西行，不僅給四川盆地帶來(lái)源源不斷的暖濕氣流，還阻擋了貝加爾湖低渦高空橫槽西段繼續(xù)東移；高緯地區(qū)橫槽轉(zhuǎn)豎攜帶的冷空氣與暖濕空氣在盆地西部匯合，促使西南低渦的生成發(fā)展。此外，海南島附近熱帶低壓的長(zhǎng)期維持，使得南海和孟加拉灣水汽不斷供給盆地。此次持續(xù)性暴雨過(guò)程是上述多尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。

4.4 次級(jí)垂直環(huán)流及強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)

西太副高、臺(tái)風(fēng)、熱帶低壓、高空低槽多個(gè)系統(tǒng)的相互作用促使西南低渦的形成發(fā)展。 從11日02:00和08:00渦度的經(jīng)、緯向垂直剖面可見，在低層800 hPa附近有正渦度中心，且正渦度隨著高度升高向北[圖8(a)、圖8(c)]、向西[圖8(b)、圖8(d)]傾斜，低渦的垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為高層負(fù)渦度、低層正渦度，是典型的暴雨垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)，高空槽穩(wěn)定影響盆地。11日08:00沿31°N的渦度緯向垂直剖面[圖8(d)]上，115°E以東地區(qū)從高層到低層的偏東氣流與105°E—115°E的偏南氣流形成輻合，隨著臺(tái)風(fēng)的西行，偏東風(fēng)風(fēng)速明顯加大，且低層渦度增至12×10-5s-1。

圖8 2018年7月11日02:00(a、b)、08:00(c、d)渦度(線條，單位:10-5 s-1)及風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)沿104°E的經(jīng)向(a、c)與沿31°N的緯向(b、d)垂直剖面(黑色陰影是地形高度，下同)Fig.8 The meridional (a, c) and zonal (b, d) vertical sections of vorticity (lines, Unit: 10-5 s-1) and wind field (barbs, Unit: m·s-1) along 104°E and 31°N at 02:00 BST (a, b) and 08:00 BST (c, d) 11 July 2018(black shadows for terrain height, the same as below)

圖9是2018年7月8—11日過(guò)暴雨中心32°N的流場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)的緯向垂直剖面時(shí)間演變。過(guò)程前期8日20:00[圖9(a)]及9日20:00(圖略)，在暴雨區(qū)附近均有上升氣流，8日20:00上升氣流中心位于600 hPa，其垂直速度為-14×10-1Pa·s-1，而9日20:00垂直上升速度明顯減弱，小于-6×10-1Pa·s-1。10日08:00[圖9(b)]、11日02:00[圖9(c)]，從低層到高層為一致的上升氣流，上升氣流伸展高度達(dá)200 hPa以上，且102°E—108°E范圍垂直上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，最大中心出現(xiàn)在700 hPa，其垂直速度達(dá)-45×10-1Pa·s-1，形成深厚、強(qiáng)烈的上升支，有助于將低層的濕空氣向上輸送，而108°E以東地區(qū)為氣流下沉支，從四川盆地到臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”西部形成一明顯的垂直次級(jí)環(huán)流，最大強(qiáng)降雨出現(xiàn)在上升支附近。相較于11日02:00，11日08:00次級(jí)環(huán)流的垂直上升速度明顯減小，最大中心出現(xiàn)在750 hPa，其垂直速度為-20×10-1Pa·s-1，而108°E以東地區(qū)仍為下沉支[圖9(d)]?？梢?，西太副高的西伸位置和強(qiáng)度決定了次級(jí)垂直環(huán)流的下沉支，限制了暴雨的落區(qū)。

圖9 2018年7月8—11日沿32°N的垂直速度(陰影，單位：10-1 Pa·s-1)和流場(chǎng)(流線)緯向垂直剖面時(shí)間演變(a)8日20:00，(b)10日08:00，(c)11日02:00，(d)11日08:00Fig.9 The time evolution of vertical section of vertical velocity (shadows, Unit: 10-1 Pa·s-1) and flow field (streamlines) along 32°N from 8 to 11 July 2018(a) 20:00 BST 8 July, (b) 08:00 BST 10 July, (c) 02:00 BST 11 July, (d) 08:00 BST 11 July

此次暴雨天氣過(guò)程中，四川盆地影響系統(tǒng)的高低空配置為500 hPa高空槽、700 hPa切變線和850 hPa西南低渦。中尺度西南低渦系統(tǒng)雖不深厚，但它是在降雨后期生成的，使得低層輻合顯著增強(qiáng)，垂直上升運(yùn)動(dòng)在低渦發(fā)展至成熟階段有明顯突增的過(guò)程，致使持續(xù)性降雨在后期雨強(qiáng)和雨量突增。結(jié)合上述中尺度擾動(dòng)場(chǎng)、渦度及垂直速度，在10日20:00至11日20:00，西南低渦經(jīng)歷了生成—發(fā)展—成熟—消亡的過(guò)程，且在發(fā)展成熟階段低空風(fēng)速加強(qiáng)為急流，使得大量水汽和能量輸送至盆地并匯聚。多尺度的相互作用促使西南低渦生成發(fā)展，是此次持續(xù)性暴雨得以維持并在后期增強(qiáng)的一個(gè)主要原因，而10日20:00四川盆地西部不穩(wěn)定能量的再積累可能是暴雨長(zhǎng)時(shí)間維持的一個(gè)重要因素，可見此次持續(xù)性暴雨過(guò)程經(jīng)歷了不穩(wěn)定能量積累釋放和再次積累釋放的過(guò)程。

5 結(jié) 論

(1)此次持續(xù)性暴雨過(guò)程是在有利的天氣背景下產(chǎn)生，西太副高西行并穩(wěn)定維持，制約了中緯度高空槽的移動(dòng)方向和速度，使其在四川盆地形成阻塞。與此同時(shí)，在臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”的逐步西行下，臺(tái)風(fēng)與西太副高之間的氣壓梯度加大，低空南風(fēng)氣流增強(qiáng)。

(2)中國(guó)南海充沛的水汽輸送至四川盆地，是盆地形成持續(xù)性暴雨天氣的必要條件。四川盆地東部對(duì)流層低層的偏南風(fēng)在西太副高和臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”逐步西行下建立、加強(qiáng)；孟加拉灣的水汽通過(guò)較強(qiáng)的西風(fēng)氣流遠(yuǎn)距離輸送至中國(guó)南海海域，經(jīng)海南島處的熱低壓轉(zhuǎn)為偏東南氣流，與來(lái)自中國(guó)南海的臺(tái)風(fēng)西側(cè)偏東南氣流(在副高作用下由偏東北氣流轉(zhuǎn)為偏東南氣流)匯合，并在西南低渦東南側(cè)加強(qiáng)，形成明顯的氣流輻合，致使水汽迅速堆積。

(3)多尺度系統(tǒng)之間的相互作用促使西南低渦生成、發(fā)展，是此次持續(xù)性暴雨過(guò)程得以維持并在后期增強(qiáng)的一個(gè)主要原因，而西南低渦與臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”之間西太副高的西伸位置及強(qiáng)度，決定了次級(jí)垂直環(huán)流的下沉支，進(jìn)而制約了暴雨落區(qū)。