低空急流在“7·22”川東北極端強(qiáng)降水中的作用分析

摘 要：利用高空探測資料、歐洲中心ERA5 0.25°×0.25°逐小時再分析資料、GDAS數(shù)據(jù)，分析了低空急流對2022年7月22日發(fā)生在四川盆地東北部的一次暴雨天氣過程的作用，結(jié)果表明：（1）此次過程發(fā)生在“兩高切變”的環(huán)流形勢下，主要影響系統(tǒng)為700和850 hPa低空急流；（2）22日夜間700 hPa低空急流的建立和維持有利于水汽輸送，通過分析暴雨期間水汽輻合、利用MeteoInfo軟件對水汽進(jìn)行后向追蹤，可知水汽主要來自南海一帶；（3）低空急流的維持和加強(qiáng)使中低層渦度呈現(xiàn)“上負(fù)下正”的特征，與垂直速度大值區(qū)對應(yīng)，提供了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動；（4）中層有明顯的θse突變，有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增加，川東北地區(qū)位于850 hPa高能鋒區(qū)偏南一側(cè)。

關(guān)鍵詞：暴雨；低空急流；動力觸發(fā)

中圖分類號：P458.121 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

近年來，極端天氣受到社會各界的廣泛關(guān)注，四川盆地東北部的極端暴雨具有來勢猛、雨量大的特點(diǎn)，亦是短時災(zāi)害性天氣的預(yù)報難點(diǎn)，受到學(xué)者的高度關(guān)注。張麗芳[1]指出四川盆地東部沿山一帶是夏季發(fā)生極端暴雨的高發(fā)地，易引發(fā)山洪、泥石流等次生災(zāi)害。周懿等[2]指出西南低空急流在盆地暴雨產(chǎn)生起到的水汽和能量輸送的決定性作用，低空脈動和短時強(qiáng)降水的發(fā)生時間有密切的關(guān)系，通常強(qiáng)降水產(chǎn)生于低空急流出現(xiàn)后的1～2 h后[3]。同時，邊界層急流配合山脈地形，有利于對流的觸發(fā)，是沿山地區(qū)極端強(qiáng)降水產(chǎn)生的主要原因。王佳津等[4]利用HYSPLIT模式分析了四川盆地水汽輸送特征，得出水汽源地主要有3個，分別為阿拉伯半島、孟加拉灣—南海和東海地區(qū)。李曉容[5]指出，四川盆地東北部暴雨期間的水汽輸送可以追溯到孟加拉灣、南海、西太平洋及孟加拉灣地區(qū)。張恒等[6]得出水汽的收支變化對暴雨的產(chǎn)生、發(fā)展和結(jié)束具有一定指示意義。周長艷等[7]指出，還有阿拉伯北部西南風(fēng)經(jīng)高原東南部進(jìn)入四川盆地的水汽通道，水汽輸送和輻合形勢有利于盆地西部沿山極端降水的產(chǎn)生。李玉婷等[8]基于HYSPLIT模式分析得出水汽主要來自850 hPa以下的區(qū)域，孟加拉灣和南海的水汽貢獻(xiàn)率最大。

利用多種數(shù)據(jù)資料，分析了低空急流在此次極端暴雨中對水汽輸送、不穩(wěn)定層結(jié)維持、動力觸發(fā)的作用，在此基礎(chǔ)上，基于HYSPLIT模式，進(jìn)一步對強(qiáng)降雨期間的水汽輸送進(jìn)行反演，以加深對川東北暴雨水汽輸送軌跡的認(rèn)識，探尋新的研究方法。

1 資料和方法

采取了高空探測資料、歐洲中心ERA5再分析資料及GDAS數(shù)據(jù)。ERA5時間精度為逐小時，空間分辨率為0.25°，定義（30°～33°N，104°～108°E）范圍為四川盆地東北部地區(qū)，利用風(fēng)場、比濕、垂直速度等數(shù)據(jù)集，分析暴雨期間的水汽環(huán)流特征，將雨強(qiáng)最大的巴州區(qū)三江站作為代表，對動力和熱力環(huán)境場進(jìn)行診斷分析，并基于MeteoInfo軟件對暴雨期間水汽輸送進(jìn)行反演，MeteoInfo是一款開源的氣象數(shù)據(jù)顯示和分析軟件，可通過GDAS數(shù)據(jù)進(jìn)行水汽后向追蹤分析。水汽通量計算如下：

水汽通量的經(jīng)向輸送：

Qv（lev，t，x，y）=·q（lev，t，x，y）·v（lev，t，x，y）

水汽通量的緯向輸送：

Qu（lev，t，x，y）=·q（lev，t，x，y）·v（lev，t，x，y）

整層大氣水汽通量：

=Qv·dp+Qu·dp

2 天氣概況與環(huán)流形勢

2022年7月21—22日，四川盆地東北部發(fā)生了一次極端暴雨天氣過程，從遂寧中部到巴中東部出現(xiàn)暴雨到大暴雨，北部個別地方特大暴雨，暴雨和大暴雨落區(qū)整體呈東北—西南走向的帶狀分布，主要是由于700 hPa低空急流引導(dǎo)造成雨帶呈帶狀分布。從朱元站的小時雨強(qiáng)來看，強(qiáng)降雨時段主要集中過程的開始階段，22日02：00～04：00，最大小降雨量可達(dá)68.6 mm，強(qiáng)降雨（小時雨強(qiáng)＞20 mm）自西南向東北方向擴(kuò)展。這與700 hPa低空急流的建立和維持相關(guān)。

從此次天氣尺度環(huán)流演變來看，此次過程是一次典型的“兩高切變”暴雨過程。前期500 hPa（圖略）在貝加爾湖以南有低槽生成，且不斷有小槽分裂南下，將冷空氣不斷向四川盆地北部輸送，內(nèi)蒙古一帶有明顯的負(fù)變溫。22日20：00，西太平洋副熱帶高壓（后稱副高）和大陸高壓相向發(fā)展，“兩高”切變的位勢高度場形成，盆地東北部受槽前和副高邊緣強(qiáng)盛的西南氣流控制。22日夜間低空偏南風(fēng)的顯著增強(qiáng)，為川東北地區(qū)提供充足的水汽和不穩(wěn)定能量，是導(dǎo)致此次極端性暴雨的主要原因，700 hPa（圖略）主要受西南暖濕氣流控制，風(fēng)速增大到12 m/s，且在盆地北部有明顯的風(fēng)速輻合，850 hPa（圖略）有一支來自南海的偏南氣流源源不斷向川東北地區(qū)輸送水汽和能量，有明顯的風(fēng)場輻合，配合500 hPa不斷有弱冷空氣補(bǔ)充南下，和偏南暖濕氣流相遇，造成大氣層結(jié)的不穩(wěn)定維持，200 hPa南亞高壓形成強(qiáng)烈的抽吸作用，為暴雨的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定的上升運(yùn)動。

3 低空急流診斷分析

3.1 動力觸發(fā)分析

暴雨的產(chǎn)生和維持，離不開低層暖濕氣流，尤其是西南低空急流的加強(qiáng)和維持，它是暴雨區(qū)水汽的供應(yīng)者，也是對流不穩(wěn)定層結(jié)的建立者和維護(hù)者，亦是對流不穩(wěn)定能量的觸發(fā)者。因此，西南低空急流的演變特征對研究極端暴雨的產(chǎn)生、發(fā)展和維持至關(guān)重要。

圖1為暴雨的開始階段700 hPa和850 hPa的風(fēng)場和風(fēng)速演變特征，川東北中部位于700 hPa西南低空急流左前側(cè)，急流軸中心的最大風(fēng)速可達(dá)16～17 m/s，在急流核的前端存在明顯的風(fēng)速輻合，同時，850 hPa主要受來自南海的偏南急流影響，急流核最大風(fēng)速可達(dá)18～19 m/s。

圖2a是急流核心區(qū)垂直速度和渦度隨時間變化的高度剖面，可以更直觀地展示暴雨期間川東北地區(qū)的高低空動力配置和演變特征，受南亞高壓抽吸作用的影響，高層負(fù)渦度區(qū)，400 hPa以下為正渦度區(qū)，在700～850 hPa存在一個垂直速度大值區(qū)和正渦度的大值區(qū)分別為-1.6 Pa/s和8×10-5 s-1，其出現(xiàn)時間為22日00：00～03：00。圖2b是暴雨區(qū)在產(chǎn)生極端降水時段的自南向北垂直速度和渦度剖面的時間平均，正渦度柱延伸至500 hPa附近，700 hPa至近地面正渦度場和垂直速度的大值區(qū)配合最好，最大垂直速度達(dá)-2 Pa/s，該區(qū)域具有深厚的動力抬升機(jī)制主要是由于其位于低空急流左側(cè)的氣旋式輻合區(qū)，因此，西南低空急流左側(cè)強(qiáng)烈的上升氣流有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生和維持。

3.2 暴雨期間的水汽輻合及輸送

暴雨天氣過程的持續(xù)，不僅需要本地上空大氣充足的水汽含量，還需要來自水汽充沛源地的水汽補(bǔ)給，這是暴雨得以產(chǎn)生的必要條件。計算了7月22日00：00～03：00低層平均的水汽通量和水汽通量散度，分析水汽來源和輻合與輻散情況。

此次的水汽主要源地為南海，700 hPa在南海和副高邊緣有一支顯著的水汽輸送帶，南海為明顯的水汽通量輻散區(qū)，川東北中西部為水汽通量的輻合區(qū)（圖3），由此可見充足的水汽借助700 hPa低空急流不斷輸送至川東北地區(qū)；850 hPa的水汽輸送（圖略）主要是來自南海的一支偏南暖濕氣流，將來自海上的水汽和不穩(wěn)定能量輸送至川東北地區(qū)，850 hPa水汽通量輻合區(qū)分布和暴雨落區(qū)的分布基本一致。

為更定量分析7月22日極端暴雨期間的水汽輸送源地及路徑，基于MeteoInfo軟件對水汽輸送進(jìn)行模擬，根據(jù)降雨落區(qū)和量級，選取了巴中三江站（31.7°N，106.7°E）作為后向軌跡的起始點(diǎn)，時間選取為北京時間7月21日20：00，高度選取了700 hPa和850 hPa分別對應(yīng)的3 000 m和1 500 m，追蹤時間為24 h，每隔1 h輸出一次空間位置。

主要聚類3條水汽通道，3 000 m主要聚類4條水汽通道。1 500 m的第1條水汽通道為偏南路徑，水汽來自南海，水汽的貢獻(xiàn)率最大，為45.95%，第2、3條路徑主要來自甘肅東南部和青海北部；圖4b所示，3 000 m的偏南水汽通道來自南海和四川盆地南部地區(qū)，對水汽的貢獻(xiàn)率分別為48.66%和13.51%，且1 500 m和3 000 m水汽貢獻(xiàn)率最大的軌跡均為偏南的水汽輸送通道，故通過模擬暴雨期間的水汽輸送特征，可以看出700～850 hPa低空急流的加強(qiáng)和維持對水汽輸送有顯著的貢獻(xiàn)作用。

3.3 對流不穩(wěn)定及能量鋒區(qū)的形成

形成暴雨的必要條件，除了需要強(qiáng)盛的動力抬升機(jī)制和充沛的水汽輸送，還需要大氣的層結(jié)的對流不穩(wěn)定。通過上述分析可知，此次暴雨過程中700 hPa西南低空急流從21日23：00左右開始加強(qiáng)，引導(dǎo)偏南暖濕氣流進(jìn)入四川盆地，22日00：00～03：00，隨著700 hPa

低空急流引導(dǎo)暖濕平流進(jìn)入四川盆地，850 hPa低空急流引導(dǎo)南海充足水汽和不穩(wěn)定能量在盆地東北部形成補(bǔ)充，在川東北地區(qū)沿山一帶，可以分析出一條高能鋒區(qū)，可見在850 hPa盆地以北有低層干冷空氣的堆積，冷暖空氣在川東北地區(qū)中部對峙，?。?1.7°N，106.7°E）做θse的垂直剖面，21日20：00后，700～850 hPa的θse中心相比于21日白天增加12 K（圖5），在21日23：00至22日04：00期間，近地面層的θse在346 K以上，期間θse在中低層有明顯的隨高度增加—減小的趨勢，可見川東北地區(qū)上空大氣存在對流性不穩(wěn)定，配合暖濕平流的不斷補(bǔ)充和強(qiáng)勁的上升運(yùn)動，強(qiáng)降水發(fā)生在能量鋒區(qū)附近偏暖區(qū)一側(cè)，有利于中尺度雨團(tuán)或雨帶的產(chǎn)生，22日04：00后，近地面層的θse值開始迅速下降至330 K以下。

4 結(jié)論

利用多種資料，著重對西南低空急流在極端暴雨過程中起到的動力抬升、水汽輸送和能量觸發(fā)作用進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）此次四川盆地東北部極端暴雨過程主要是發(fā)生在“兩高”切變的環(huán)流背景下，暴雨和大暴雨落區(qū)呈東北—西南帶狀分布，極端降水時段主要發(fā)生在22日凌晨，日變化特征顯著。

（2）通過分析水汽的輻合輻散、基于后向追蹤方法對水汽來源和通道進(jìn)行模擬，可知水汽源地來自700和850 hPa南海和盆地南部一帶，水汽通道主要基于偏南低空急流的維持和建立。

（3）從動力配置來看，渦度場具有“上負(fù)下正”的動力特征，高層有顯著的抽吸作用，與垂直速度的負(fù)值中心配置較好，正渦度柱和垂直速度中心位于低空急流左側(cè)，為暴雨的產(chǎn)生提供強(qiáng)盛的動力抬升條件。

（4）低空急流對暖濕氣流的輸送有利于建立大氣的對流不穩(wěn)定性。四川盆地東北部位于32°N能量鋒區(qū)以南，上空的θse在700～850 hPa隨高度減小，再隨高度增加的特征，說明中低層大氣存在強(qiáng)的位勢不穩(wěn)定，為極端暴雨的產(chǎn)生提供了不穩(wěn)定能量環(huán)境場。配合強(qiáng)盛的上升運(yùn)動和充足的水汽，有利于觸發(fā)中小尺度極端降水。

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作者簡介：李雯婕（1995—），女，四川江油人，助理工程師，研究方向為天氣預(yù)報。