四川盆地2020年“8.11”特大暴雨過程中尺度系統(tǒng)演變特征

周春花 ，肖遞祥 ，郁淑華

(1. 四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，四川 成都 610072；2. 四川省氣象臺(tái)，四川 成都 610072；3. 中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所，四川 成都 610072；4. 高原與盆地氣象災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610072）

1 引 言

四川盆地位于青藏高原東側(cè)，是我國(guó)暴雨多發(fā)區(qū)之一，由于特殊的地理位置和復(fù)雜的地形條件，觸發(fā)暴雨的中尺度系統(tǒng)也比較復(fù)雜。西南渦、中尺度切變或輻合線、盆地倒槽、低空西南風(fēng)急流或偏東氣流與地形共同作用，均可引發(fā)較強(qiáng)的暴雨過程[1]。其中西南渦的影響最大，“81.7”特大暴雨、2004 年“9.4—6”川東北持續(xù)大暴雨、2012 年“7.21”和2013年“6.30”川渝特大暴雨、2013年7月8—9日四川盆地西部特大暴雨等眾多持續(xù)性或極端性暴雨過程，都與西南渦的活動(dòng)密切相關(guān)[2-7]。西南渦是青藏高原東側(cè)背風(fēng)坡地形與大氣環(huán)流相互作用下，700 hPa 或850 hPa 等壓面上在我國(guó)西南地區(qū)形成的具有氣旋式環(huán)流的α 中尺度閉合低壓渦旋系統(tǒng)[8-9]。Feng 等[10]基于NCEP 資料對(duì)西南渦進(jìn)行氣候分析后指出，西南渦平均生命史為15.1 h、水平尺度435 km，冬春干渦、暖季夜雨渦、混合邊界層淺渦和山區(qū)強(qiáng)降水渦等四類不同低渦表現(xiàn)出淺薄深厚、冷熱中心、干濕中心和正壓斜壓等不同性質(zhì)。

關(guān)于西南渦的形成和發(fā)展及其造成的暴雨天氣等問題，一直是氣象學(xué)者和預(yù)報(bào)員分析研究的重點(diǎn)。陳忠明等[11]指出不同西南渦以及同一西南渦的不同階段，動(dòng)力和熱力作用對(duì)西南渦的發(fā)展也均不同。陳貴川等[12]研究表明，西太副高形成的阻塞形勢(shì)、高原渦東側(cè)正渦度平流以及冷空氣緩慢侵入是低渦在四川盆地持續(xù)發(fā)展的主要原因?？祶沟萚13]對(duì)引發(fā)暴雨的4 次西南渦結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，認(rèn)為成熟西南渦正渦度發(fā)展，低層轉(zhuǎn)為冷心結(jié)構(gòu)，高層維持暖心結(jié)構(gòu)。屠妮妮等[14]利用渦度收支方程對(duì)一次西南渦進(jìn)行診斷發(fā)現(xiàn)，對(duì)西南渦發(fā)生發(fā)展起主要作用的是水平散度項(xiàng)和水平平流項(xiàng)。翟丹華等[15]研究發(fā)現(xiàn)成熟階段的西南渦具有“高層輻散、低層輻合”的動(dòng)力特征，并且認(rèn)為西南渦的正渦度可發(fā)展至對(duì)流層頂。Fu等[16]通過渦度和能量收支給出了長(zhǎng)生命史西南渦演變機(jī)理及能量轉(zhuǎn)化特征。Cheng 等[17]分析了一次深厚型西南渦與高原渦耦合引發(fā)的大暴雨過程，提出了西南渦與高原渦相互作用的橫向耦合新機(jī)制。

西南渦可誘發(fā)中尺度對(duì)流系統(tǒng)[18-19](Mesoscale Convective System，MCS)強(qiáng)烈發(fā)展，同時(shí)MCS也會(huì)影響西南渦的演變過程。陳濤等[20]研究表明，在西南渦發(fā)展前期，積云對(duì)流加熱與正位渦異常之間的正反饋過程相當(dāng)明顯，導(dǎo)致了西南渦的快速發(fā)展，隨著西南渦的發(fā)展，低渦系統(tǒng)中的中尺度切變線和低空急流對(duì)降水和MCS 發(fā)展有重要影響。胡祖恒等[21]研究表明，西南渦發(fā)展過程中MCS 有利于激發(fā)上升氣流，促進(jìn)低渦維持和發(fā)展。Chen 等[22]分析了盆地東北倒槽和低渦共同演變下的對(duì)流發(fā)展特征及暴雨天氣，認(rèn)為四個(gè)階段的中尺度對(duì)流活動(dòng)階段都伴隨著倒槽和低渦的活動(dòng)。浦學(xué)敏等[23]和周玉淑等[24]分別對(duì)高原渦和西南渦相互作用影響下的四川暴雨個(gè)例進(jìn)行了對(duì)比分析，均發(fā)現(xiàn)西南渦活動(dòng)過程中伴有明顯的MCC 發(fā)展，浦學(xué)敏等[23]認(rèn)為高原東部地形對(duì)低層渦旋的動(dòng)力強(qiáng)迫抬升產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，是形成MCC的一種動(dòng)力機(jī)制。目前對(duì)于西南渦與其伴隨發(fā)展的MCS 之間的相互影響研究較少，降水主要由西南渦還是其它天氣系統(tǒng)觸發(fā)的MCS 引起？是“渦生雨”還是“雨生渦”？這些問題都有待于進(jìn)一步研究[25]。另一方面，以往的研究往往受資料精度的限制，對(duì)西南渦中尺度特征和發(fā)展演變的物理過程認(rèn)識(shí)還不夠完善，近年來，一些氣象學(xué)者利用高精度的觀測(cè)資料和再分析資料，對(duì)西南渦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和診斷分析后得出一些新的認(rèn)識(shí)。高篤鳴等[26]、程曉龍等[27]分別利用西南渦加密觀測(cè)資料和全國(guó)汛期高空加密觀測(cè)資料進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)，均認(rèn)為加密探空資料能改善模式對(duì)降水和低渦移動(dòng)路徑的模擬，有利于揭示西南渦的發(fā)生、發(fā)展過程。慕丹等[28]基于ERA-Interim 再分析資料對(duì)近30 年的九龍渦進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出了不同生命史九龍渦的時(shí)空分布特征和活動(dòng)規(guī)律，屈頂?shù)萚29]利用ERA-Interim 再分析資料對(duì)西南渦之九龍渦進(jìn)行了細(xì)致分析，得出了細(xì)分區(qū)域低渦的三維環(huán)流結(jié)構(gòu)特征及差異。2020年8月10日晚上至12日白天，四川盆地西部連續(xù)出現(xiàn)大暴雨，蘆山日降雨量達(dá)423.2 mm，為四川全省國(guó)家站日降雨量歷史記錄的第2位，本次極端性暴雨過程西南渦活動(dòng)特征以及西南渦和MCS 對(duì)降雨的影響如何，值得探討，本文利用高分辨率ERA5再分析資料、FY-4A 衛(wèi)星TBB 資料和實(shí)況降雨量，重點(diǎn)對(duì)西南渦和MCS 的演變過程、垂直結(jié)構(gòu)特征和發(fā)展成因進(jìn)行診斷分析，以期加深對(duì)西南渦和MCS 引發(fā)極端性暴雨的認(rèn)識(shí)。

2 資料與方法

2.1 資 料

高空分析資料利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心第五代大氣再分析資料(ERA5，https://cds.climate.copernicus.eu/)，垂直方向27 層，水平分辨率0.25 °×0.25 °，時(shí)間間隔1 h。地面降雨資料利用國(guó)家和區(qū)域自動(dòng)站逐小時(shí)降雨量，以及中國(guó)多源降水融合系統(tǒng)(CMPAS) 0.01 °×0.01 °逐小時(shí)降水實(shí)時(shí)融合實(shí)況分析產(chǎn)品(資料來源于四川省氣象局?jǐn)?shù)據(jù)中心)。衛(wèi)星資料來源于FY-4A 的云頂相當(dāng)黑體溫度TBB資料。

2.2 方 法

采用渦度收支方程來具體分析西南渦發(fā)展的因子[21]，即：

采用視熱源和視水汽匯來分析西南渦過程的熱力、水汽特征，具體方法如下[21]：

濕位渦的表達(dá)式為[27-28]：

其中濕正壓項(xiàng)，

MPV1 取決于空氣塊絕對(duì)渦度的垂直分量和θse的垂直梯度，在北半球絕對(duì)渦度通常為正，當(dāng)時(shí)，表示大氣對(duì)流不穩(wěn)定，此時(shí)MPV1＜0；而當(dāng)時(shí)，表示大氣對(duì)流穩(wěn)定，此時(shí)MPV1＞0[30-33]。濕斜壓項(xiàng)，

MPV2 的數(shù)值由水平風(fēng)的垂直切變和假相當(dāng)位溫的水平梯度決定，這兩項(xiàng)的增加，都會(huì)導(dǎo)致濕等熵面的傾斜，從而增強(qiáng)垂直渦度，對(duì)流層低層大的正值MPV2 的移動(dòng)可作為低空急流和暖濕氣流活動(dòng)和渦旋活動(dòng)的示蹤[30-33]。

式(1)～式(6)中：u、v分別為緯向、經(jīng)向水平風(fēng)速；ω為垂直速度；P為氣壓；ζ為相對(duì)渦度；f為柯氏參數(shù)；T為溫度；V為風(fēng)場(chǎng)；θ為位溫；θse為假相當(dāng)位溫；q為比濕，Cp為定壓比熱容；L為潛熱；g為重力加速度，k為絕熱指數(shù)為渦度平流項(xiàng)；為渦度垂直輸送項(xiàng)；為渦度扭轉(zhuǎn)項(xiàng)為水平散度項(xiàng)；濕位渦的單位為PVU，1 PVU=10-6m2·K/(s·kg)。

3 天氣背景

3.1 降水概況

2020 年8 月11—12 日，四川盆地西部出現(xiàn)了大暴雨過程，累計(jì)雨量250 mm 以上的有210 站，400 mm以上的有31站，最大降雨出現(xiàn)在什邡的師古鎮(zhèn)，達(dá)541.7 mm。從逐日降雨分布來看(圖1)，10 日20 時(shí)—11 日20 時(shí)(除標(biāo)明外為北京時(shí)間，下同)暴雨落區(qū)主要位于西部沿山一帶，100 mm 以上的有253 站，250 mm 以上的有43 站，最大降雨量出現(xiàn)在蘆山的蘆陽(yáng)鎮(zhèn)，達(dá)429.2 mm，最大1 h 雨量達(dá)到156.8 mm；11 日20 時(shí)—12 日20 時(shí)暴雨落區(qū)東擴(kuò)，范圍增大，100 mm 以上有461站，250 mm以上有1 站，最大降雨量出現(xiàn)在蒲江的朝陽(yáng)湖，達(dá)259.7 mm，最大1 h 雨量99.3 mm。本次過程中，蘆山、綿竹、什邡、蒲江4 個(gè)國(guó)家站日雨量均超過250 mm，并突破了有氣象記錄以來日降水量極值，其中蘆山達(dá)423.2 mm，為全省歷史第2 大日降水量，持續(xù)的強(qiáng)降雨導(dǎo)致四川盆地西部出現(xiàn)了50年一遇的洪澇災(zāi)害。根據(jù)四川省氣象局災(zāi)情統(tǒng)計(jì)，本次降雨造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約16.3 億元，以上區(qū)域總共受災(zāi)人口為37.77萬人，死亡6人，失蹤5人，緊急轉(zhuǎn)移人數(shù)為70 805人。

圖1 2020年8月11—12日逐日累計(jì)降雨量 a. 10日20：00—11日20:00；b. 11日20:00—12日20:00。陰影，單位：mm。

3.2 天氣形勢(shì)

在本次特大暴雨過程中，500 hPa 中高緯地區(qū)維持兩槽一脊形勢(shì)，巴湖和貝湖為低槽區(qū)，兩湖之間為高脊。巴湖低槽底部分裂小槽東移疊加青藏高原小槽發(fā)展東移，副高588 dagpm 線從我國(guó)東部沿岸加強(qiáng)西伸形成阻擋形勢(shì)，高層200 hPa南亞高壓脊線位于30 °N附近，四川盆地受南亞高壓控制，并存在高空分流區(qū)。

從2 天暴雨中對(duì)流發(fā)展最旺盛時(shí)次的中高層形勢(shì)來看：11 日03：00(圖2a)，500 hPa 巴湖底部分裂低槽東移至我國(guó)西北地區(qū)東部，槽線位于92 °E附近，青藏高原西部和東部分別有一高原小槽，四川盆地受高原東部低槽控制，副高588 dagpm 線西脊點(diǎn)位于118 °E；200 hPa 四川盆地位于南亞高壓中心東側(cè)，受東北氣流控制。12 日03:00(圖2b)，500 hPa 巴湖槽分裂小槽東移至105 °E 并向南加深，一方面有利于引導(dǎo)中高緯地區(qū)的冷空氣南下，另一方面與高原東側(cè)低槽形成同位相疊加，副高588 dagpm 線西進(jìn)至113 °E 附近，由于副高加強(qiáng)西伸形成阻擋作用以及高空槽的加強(qiáng)，東高西低的形勢(shì)較11 日更為明顯。200 hPa 南亞高壓穩(wěn)定，與11日不同的是，在四川盆地西部存在偏北氣流和偏東氣流的高空分流區(qū)，同時(shí)高空輻散抽吸作用進(jìn)一步加強(qiáng)，高層輻散值中心由10×10-5～20×10-5s-1加強(qiáng)至30×10-5s-1以上。

圖2 500 hPa高度場(chǎng)(單位：dagpm)、200 hPa風(fēng)矢和輻散(陰影，單位：10-5s-1。) a. 11日03:00；b. 12日03:00。

本次過程發(fā)生在副高加強(qiáng)西伸和高空低槽東移等有利于極端性暴雨產(chǎn)生[7]的環(huán)流背景下，副高外圍偏南氣流將暖濕氣流向四川盆地輸送，為暴雨的發(fā)生提供了充足的水汽和能量條件。

4 中尺度系統(tǒng)活動(dòng)特征及對(duì)降水的影響

通過分析本次過程逐小時(shí)700 hPa 和850 hPa流場(chǎng)和對(duì)流云團(tuán)演變，結(jié)合短時(shí)強(qiáng)降水站次統(tǒng)計(jì)(圖3)，表1 總結(jié)出了中尺度系統(tǒng)和相應(yīng)降水演變情況，圖4給出了其中代表時(shí)次的FY-4A高分辨率TBB 圖像和850 hPa、700 hPa 風(fēng)場(chǎng)，下面結(jié)合表1和圖3、圖4，對(duì)中尺度系統(tǒng)演變過程進(jìn)行分析。

表1 中尺度系統(tǒng)演變過程及對(duì)應(yīng)降水情況

圖3 2020年8月10日20:00—12日20:00小時(shí)雨強(qiáng)站次和最大雨強(qiáng)

10 日20—23 時(shí)：弱擾動(dòng)形勢(shì)下的對(duì)流初生階段。以21 時(shí)為例(圖4a)，此時(shí)高空槽云系位于川西高原北部，盆地西南部在850 hPa中尺度輻合流場(chǎng)影響下，有對(duì)流云團(tuán)生成，對(duì)流尺度為100 km左右。這一階段對(duì)流云團(tuán)呈逐漸增強(qiáng)合并的趨勢(shì)，對(duì)流尺度不大，共造成20 mm 以上短時(shí)強(qiáng)降水56 站次，僅占本次過程的2.1%，但對(duì)流云系發(fā)展旺盛，云頂溫度普遍低于-72 ℃，降水強(qiáng)度較大，其中大于50 mm 23 站，占本階段短時(shí)強(qiáng)降水總站次的41%，大于100 mm 3站，最大為107.8 mm。

11 日00—05 時(shí)：西南渦生成并快速發(fā)展階段。隨著對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展，中尺度輻合流場(chǎng)加強(qiáng)，至11 日00 時(shí)850 hPa 形成了低渦(圖4b)，尺度為200 km 左右，700 hPa 雖然沒有低渦生成，但有氣旋性環(huán)流存在、且隨著低渦發(fā)展加強(qiáng)(圖4j 和圖4k)，西南渦生成后尺度增大、對(duì)流云團(tuán)快速發(fā)展，03時(shí)(圖4c)高度場(chǎng)上出現(xiàn)140 dagpm的低值中心，尺度發(fā)展至200 km左右，其南側(cè)風(fēng)速加大至6 m/s，對(duì)應(yīng)的中尺度對(duì)流云團(tuán)云頂溫度低于-72 ℃直徑也擴(kuò)大至200 km。西南渦快速發(fā)展期間是整個(gè)過程降雨強(qiáng)度最強(qiáng)的階段，共造成20 mm 以上短時(shí)強(qiáng)降水252 站次，占本次過程的9.3%，其中大于50 mm 有79 站次，大于100 mm 有9 站次，11 日01時(shí)出現(xiàn)了本次過程最大的小時(shí)降水，高達(dá)156.8 mm。

11 日06—10 時(shí)：西南渦維持，低渦東側(cè)風(fēng)速加大，形成了低空急流，且偏東風(fēng)分量也有所加大，與上一階段低渦和MCS 均原地發(fā)展有所不同的是，這一階段低渦呈南北向發(fā)展，流場(chǎng)上西南渦結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，而MCS 偏向于低渦的北側(cè)(圖4d)。共造成20 mm 以上短時(shí)強(qiáng)降水411 站次，占本次過程的15.1%，其中大于50 mm 有91 站次，大于100 mm有5站次，最大為131.5 mm。

11 日11—18 時(shí)：西南渦環(huán)流減弱，MCS 隨低空急流北抬。11 時(shí)(圖4e)，共造成20 mm 以上短時(shí)強(qiáng)降水549 站次，占本次過程的20.2%，大于50mm 的114 站次，大于100 mm 的8 站次，最大為138.3 mm，雖然相對(duì)于西南渦初生發(fā)展階段略微遜色，但強(qiáng)度仍非常大，這一階段強(qiáng)降水主要位于西部沿龍門山地區(qū)，可能與東南風(fēng)低空急流與地形相遇，地形抬升對(duì)降水有明顯的增幅作用[6]有關(guān)。

11日19時(shí)—12日03時(shí)：西南渦再次發(fā)展增強(qiáng)階段。11 日19 時(shí)(圖4f)，隨著盆地西北部逐漸轉(zhuǎn)為東北和偏東氣流，850 hPa 輻合流場(chǎng)重新加強(qiáng)，低渦和伴隨的對(duì)流云團(tuán)開始再次發(fā)展，22 時(shí)(圖4g)，低渦云團(tuán)發(fā)展至300 km×400 km 的橢圓形，由于低渦北側(cè)和東側(cè)的偏東偏南氣流更強(qiáng)，對(duì)流云團(tuán)偏向于低渦西側(cè)和北側(cè)，12 日03 時(shí)低渦和對(duì)流云團(tuán)均發(fā)展至最強(qiáng)，850 hPa 低渦中心位勢(shì)高度為139 dagpm(圖4h)、700 hPa 也出現(xiàn)了306 dagpm的低渦中心(圖4l)，兩層低渦右側(cè)都配合有低空急流，低渦和對(duì)流云團(tuán)結(jié)構(gòu)均比較對(duì)稱，尺度達(dá)500 km×500 km。這一階段短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)范圍最大，20 mm 以上共864 站次，占本次過程的31.9%，50 mm以上也有104站次，最大為99.8 mm。

12 日04—20 時(shí)：西南渦減弱填塞階段。04 時(shí)開始對(duì)流云團(tuán)減弱，云頂溫度小于-72 ℃的范圍減小，伴隨對(duì)流云團(tuán)的減弱，850 hPa和700 hPa西南渦均逐漸減弱填塞，但由于低空急流維持到了14 時(shí)(圖4i)，同時(shí)有高空槽云系東移合并，因此這一階段短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)的時(shí)間仍比較長(zhǎng)，20 mm以上共698 站次，占本次過程的25.7%，但強(qiáng)度明顯減弱，大于50 mm的僅有18站次。

圖4 850 hPa(a～i)和700 hPa(j～l)風(fēng)羽、高度場(chǎng)(綠色等值線，單位：dagpm)及紅外亮溫(彩色陰影，單位：℃) 白色陰影分別為850 hPa地形高度大于1 500 m和700 hPa地形高度大于3 000 m區(qū)域。a. 10日21:00；b. 11日00:00；c. 11日03:00；d. 11日08:00；e. 11日11:00；f. 11日19:00；g. 11日22:00；h. 12日03:00；i. 12日14:00；j. 11日00:00；k. 11日03:00；l. 12日03:00。

綜上所述，本次過程中尺度系統(tǒng)活動(dòng)經(jīng)歷了中尺度輻合擾動(dòng)-西南渦生成發(fā)展-低空急流影響-西南渦再次發(fā)展增強(qiáng)等4個(gè)階段，其中西南渦兩個(gè)階段的發(fā)展對(duì)降水影響最大。10日夜間西南渦是隨MCS 發(fā)展和強(qiáng)降水而生成，為“雨生渦”，低渦生成后低渦環(huán)流和MCS 都迅速發(fā)展，所造成的降雨強(qiáng)度在整個(gè)過程中最大，11日夜間，再次發(fā)展增強(qiáng)的西南渦更加深厚，850 hPa 和700 hPa 同時(shí)出現(xiàn)了低渦，引發(fā)了第二波強(qiáng)降水，降雨范圍超過了西南渦初生階段，但降雨強(qiáng)度明顯不及第一階段，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)維持的時(shí)間也不長(zhǎng)，在西南渦發(fā)展至最強(qiáng)的下一個(gè)時(shí)次，對(duì)流云團(tuán)即開始減弱。為進(jìn)一步探討西南渦的演變特征及造成上述降雨強(qiáng)度變化的原因，本文選取西南渦演變階段的代表時(shí)次，在第4～5 小節(jié)中對(duì)西南渦的垂直結(jié)構(gòu)和發(fā)展原因進(jìn)行分析，其中11日00:00、11日03:00分別代表西南渦初次生成和快速發(fā)展時(shí)次，11 日22:00、12日03:00分別代表西南渦再次發(fā)展和強(qiáng)盛時(shí)次。

5 西南渦垂直結(jié)構(gòu)特征

西南渦初生時(shí)刻(圖5a)，西南渦中心區(qū)域上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展至對(duì)流層頂，并有正渦度發(fā)展，高度為500 hPa，正渦度中心位于800 hPa 附近，最大渦度值為24×10-5s-1，正渦度柱內(nèi)從近地面層至600 hPa 為輻合區(qū)域，負(fù)散度中心值為-8×10-5s-1，中高層為輻散，其中600～500 hPa為弱輻散區(qū)域，散度值為6×10-5s-1，高層輻散中心位于150 hPa 層，散度值達(dá)到了24×10-5s-1，高層強(qiáng)的抽吸作用將促使低層輻合增長(zhǎng)。假相當(dāng)位溫分布來看(圖7a)，在中低層400 hPa 以下值達(dá)到了14 K，并且在850～500 hPa MPV1＜0(圖6)，同時(shí)中心值達(dá)到了-1 PVU，MPV2＜0，說明大氣對(duì)流不穩(wěn)定較強(qiáng)，西南渦區(qū)域內(nèi)隨著高度上升有濕舌發(fā)展，低層比濕達(dá)到了16 g/kg。

西南渦快速發(fā)展時(shí)(圖5b)，偏南氣流北上在西南渦區(qū)域內(nèi)輻合上升發(fā)展至對(duì)流層頂，加強(qiáng)了西南渦發(fā)展，12×10-5s-1以上的正渦度柱較初生時(shí)刻發(fā)展高度略有上升，達(dá)到了600 hPa 附近，并向西北方向傾斜，但正渦度柱發(fā)展高度(500 hPa)和正渦度中心(24×10-5s-1)和初生時(shí)次無明顯變化，正渦度柱內(nèi)低層輻合層高度和強(qiáng)度與初生時(shí)次也基本一致，負(fù)散度中心仍為-8×10-5s-1，主要位于850～700 hPa，但高層輻散略有加強(qiáng)，200 hPa 輻散中心值達(dá)28×10-5s-1。中低層維持(圖7b)，θse850-θse400值維持14 K，850～500 hPa MPV1中心值達(dá)到了-1 PVU，MPV2 在中低層為正值(圖6)，其值在0～0.5 PVU 之間，西南渦區(qū)域低層濕舌維持。

西南渦再次發(fā)展時(shí)(圖5c)，西南渦區(qū)域內(nèi)上升氣流顯著加強(qiáng)并發(fā)展至對(duì)流層頂，西南渦對(duì)應(yīng)的正渦度柱強(qiáng)度也較初生發(fā)展階段明顯增強(qiáng)，中心值達(dá)到了32×10-5s-1，發(fā)展高度達(dá)到400 hPa，正渦度柱內(nèi)“低層輻合-中高層輻散”的動(dòng)力特征強(qiáng)烈發(fā)展，500 hPa 輻散值為12×10-5s-1，低層850～700 hPa 輻合中心負(fù)散度值達(dá)到了-20×10-5s-1，較初生發(fā)展階段明顯加強(qiáng)。從θse的垂直分布來看(圖7c)，中低層雖然維持，但θse850-θse400值僅為6 K，相對(duì)于初生發(fā)展階段明顯減小，MPV1 ＜0的中心值在925 hPa 為-1 PVU(圖6)，MPV2 在中低層轉(zhuǎn)為正值，中心值在0.5 PVU，說明此時(shí)低渦區(qū)域內(nèi)大氣斜壓性較強(qiáng)[29]，低層暖濕氣流加強(qiáng)，比濕增加至18 g/kg。

西南渦再次發(fā)展至強(qiáng)盛時(shí)刻(圖5d)，西南氣流在西南渦區(qū)域內(nèi)輻合上升進(jìn)一步加強(qiáng)，西南渦正渦度柱進(jìn)一步發(fā)展增強(qiáng)，高度發(fā)展至300 hPa，其中32×10-5s-1以上的正渦度中心明顯向中高層發(fā)展，達(dá)到了500 hPa，同時(shí)“低層輻合-中高層輻散”動(dòng)力特征也顯著增強(qiáng)，500 hPa 以下為強(qiáng)輻合區(qū)域，負(fù)散度中心值增大至-34×10-5s-1，高層輻散也有增強(qiáng)，400 hPa 高度以上均有明顯的輻散氣流配合，中心值為28×10-5s-1，位于300 hPa 高度。對(duì)應(yīng)的假相當(dāng)位溫分布(圖7d)僅存在于850～700 hPa，850 hPa以下MPV1＜0 (圖6)，以上轉(zhuǎn)為正值，MPV2 進(jìn)一步加大，出現(xiàn)了1 PVU 以上的正值中心，大氣斜壓性進(jìn)一步加大[34]。

圖5 2020年8月11—12日正渦度(陰影，單位：10-5 s-1)、散度(黑色等值線，單位：10-5s-1)和風(fēng)矢(經(jīng)向風(fēng)和垂直速度的合成，垂直速度×10，單位：m/s)經(jīng)向-高度剖面(紅色小框?yàn)?50 hPa西南渦渦心位置，灰色陰影為地形。) a. 11日00:00沿103 °E；b. 11日03:00沿103 °E；c. 11日22:00沿103.5 °E；d. 12日03:00沿104 °E。

圖6 2020年8月10日08時(shí)—12日08時(shí)西南渦區(qū)域平均MPV1(a)和MPV2(b)時(shí)間-高度剖面(單位：PVU，西南渦區(qū)域平均范圍以西南渦為中心，1.5個(gè)經(jīng)緯距為半徑的范圍格點(diǎn)進(jìn)行算術(shù)平均)

圖7 同圖5，但為假相當(dāng)位溫(黑色實(shí)線，單位：K)和比濕(紅色虛線，單位：g/kg)經(jīng)向-高度剖面

上述分析表明，整個(gè)西南渦活動(dòng)期間，水汽充沛，均有濕舌配合，在西南渦初生、發(fā)展階段濕舌更為明顯，正渦度柱向西北方向傾斜，由于低層輻散偏弱，“低層輻合-中高層輻散”的動(dòng)力機(jī)制相對(duì)

6 西南渦發(fā)展原因分析

6.1 熱力和水汽作用

此次西南渦過程在四川盆地西部生消和發(fā)展，兩個(gè)階段的地形影響無明顯差異，因此本文不再討論地形作用，主要討論動(dòng)力、熱力對(duì)西南渦的生成和再發(fā)展的作用。西南渦區(qū)域平均范圍以西南渦為中心，1.5 個(gè)經(jīng)緯距為半徑的范圍格點(diǎn)進(jìn)行算術(shù)平均進(jìn)行分析。

圖8 為西南渦兩個(gè)發(fā)展階段的地面潛熱和感熱通量，由于初始生成和快速發(fā)展時(shí)刻以及再次發(fā)展和強(qiáng)盛時(shí)刻的地面感熱和潛熱通量變化很小，因此，以11 日03:00 和12 日03:00 為代表討論兩個(gè)階段的通量值變化情況。

圖8 地表潛熱通量(陰影)和感熱通量(等值線，向上為正，單位：106 J/m2) a. 11日03:00；b. 12日03:00。黑色框?yàn)槲髂蠝u渦心位置。

初始發(fā)展階段(圖8a)，西南渦區(qū)域內(nèi)地表潛熱通量值達(dá)到10×106～12×106J/m2，同時(shí)地表感熱通量在西南渦區(qū)域有1×106～2×106J/m2的高值區(qū)存在，地表感熱和潛熱加熱作用，有利于地面減壓，促進(jìn)西南渦的生成和發(fā)展。同時(shí)從溫度平流垂直剖面分析也可以看到(圖略)，在整個(gè)西南渦的形成、發(fā)展階段，西南渦區(qū)域內(nèi)各個(gè)層次均為暖平流控制，說明該階段沒有冷空氣影響，是一個(gè)暖區(qū)內(nèi)生成和發(fā)展的西南渦。從視熱源和視水汽匯的發(fā)展變化情況(圖9a)，西南渦區(qū)域內(nèi)平均上升速度最大為3.8×10-1Pa/s，視熱源在近地面層有弱的冷卻(-0.2 K/h)，再向上為加熱且逐漸增大，Q1在700～100 hPa 高度內(nèi)有感熱加熱，加熱率為1.0～1.8 K/h，并在600 hPa和150 hPa達(dá)到最大。Q2整層幾乎均為正值，并在600 hPa 達(dá)到了最大，加熱率為1.5 K/h。500 hPa 以下至近地面層Q2顯著大于Q1，西南渦區(qū)域內(nèi)低層的加熱主要由水汽凝結(jié)潛熱加熱造成，凝結(jié)潛熱使空氣增溫，從而使地面減壓，有利于西南渦的發(fā)展和維持[31]。

西南渦再次發(fā)展階段(圖8b)，地表潛熱、感熱通量值顯著減小，西南渦區(qū)域內(nèi)的地表潛熱通量值僅為4×106～8×106J/m2，顯熱通量值最大也僅為1×106J/m2，表明地表對(duì)大氣加熱作用減小。通過溫度平流的垂直剖面分析(圖略)，在西南渦再發(fā)展階段內(nèi)，西南渦低層南部有暖平流、北部有冷平流，同時(shí)中高層也有冷平流發(fā)展，西南渦區(qū)域內(nèi)冷平流從北側(cè)、中高層侵入，增加了大氣的不穩(wěn)定，從而使得西南渦再次發(fā)展。從視熱源和視水汽匯的垂直分布特征來看(圖9b)，西南渦區(qū)域內(nèi)平均上升速度加大，最大上升速度高度位于400 hPa，值為-6×10-1Pa/s，Q2和Q1的加熱率較初始階段顯著增大，隨高度上升在400 hPa 達(dá)到最大3～4 K/h。對(duì)流層高層感熱和凝結(jié)潛熱加熱使得高層增溫，高層增溫加強(qiáng)了高空質(zhì)量的外流，高層出流的加強(qiáng)，使得地面減壓，進(jìn)一步增強(qiáng)西南渦的發(fā)展[31]。

圖9 視熱源、視水汽匯(單位：K/h)和上升速度(單位：10-1 Pa/s)區(qū)域平均隨高度的變化

上述分析表明，西南渦在暖區(qū)內(nèi)初生發(fā)展，地面潛熱和感熱加熱、低層水汽凝結(jié)潛熱加熱以及強(qiáng)暖濕平流均比較顯著。西南渦再發(fā)展階段，地面感熱和潛熱加熱作用相對(duì)于初始階段顯著減弱，而中層凝結(jié)潛熱和感熱加熱使得高層出流加強(qiáng)，中高層冷空氣入侵。

6.2 動(dòng)力作用

從上面的分析可知，在西南渦的發(fā)展過程中，渦度能很好地表征西南渦的強(qiáng)度。下面分別對(duì)各時(shí)次西南渦活動(dòng)范圍進(jìn)行區(qū)域平均(西南渦區(qū)域平均范圍同上述視熱源范圍，表2)，利用渦度收支方程對(duì)西南渦發(fā)展的因子進(jìn)行討論。

表2 總渦度收支及各項(xiàng)區(qū)域平均值 單位：10-9 s-2。

西南渦初次生成時(shí)次(11 日00:00)，總渦度值在500 hPa 以下層次均為正值，特別是在850 hPa正渦度增加最大，有利于低層西南渦的發(fā)展。渦度平流項(xiàng)各層均為弱的負(fù)值，表明渦度平流作用并不明顯；垂直輸送項(xiàng)在850 hPa正渦度輸送達(dá)到了1.8×10-9s-2，將正渦度向上輸送，但其700 hPa即轉(zhuǎn)為負(fù)值，不利于低渦的深厚發(fā)展；渦度扭轉(zhuǎn)項(xiàng)在850 hPa 的值為-2.4×10-9s-2，700 hPa 轉(zhuǎn)為正值，該項(xiàng)有利于700 hPa以下層次氣旋性環(huán)流發(fā)展；拉伸項(xiàng)在低層為較強(qiáng)正值，700 hPa 和850 hPa 分別為1.5×10-9s-2和1.8×10-9s-2，中層500 hPa 為負(fù)值，該項(xiàng)垂直分布形成“低層輻合、中層輻散”配置，利于低層正渦度發(fā)展。這一時(shí)次渦度發(fā)展的主要貢獻(xiàn)是850 hPa的拉伸項(xiàng)和垂直輸送項(xiàng)，這與西南渦在發(fā)展初期低渦環(huán)流主要出現(xiàn)在850 hPa一致。

西南渦快速發(fā)展時(shí)次(11 日03:00)，總渦度值在對(duì)流層低層為正值，特別是700 hPa正渦度明顯增強(qiáng)。渦度平流項(xiàng)在850 hPa轉(zhuǎn)為正渦度平流，有利于該層次的正渦度發(fā)展；正渦度平流的垂直輸送僅在850 hPa 發(fā)展，渦度的扭轉(zhuǎn)項(xiàng)在低層850 hPa維持負(fù)值、700 hPa以上轉(zhuǎn)為正值，有利于低層氣旋性環(huán)流；拉伸項(xiàng)在700 hPa、850 hPa 的正值加強(qiáng)，500 hPa 負(fù)值也加大，低層輻合、中層輻散的動(dòng)力機(jī)制加強(qiáng)。印證了該時(shí)刻西南渦環(huán)流在850 hPa發(fā)展，同時(shí)700 hPa氣旋性環(huán)流加強(qiáng)。

西南渦再次發(fā)展時(shí)次(11 日22:00)，總渦度值除700 hPa 外整層幾乎為正值，有利于正渦度發(fā)展。渦度平流項(xiàng)500 hPa 轉(zhuǎn)為正值，有利于低層加壓；垂直輸送項(xiàng)在700 hPa、500 hPa 為正值，特別是700 hPa 向上輸送的渦度平流值達(dá)到了4×10-9s-2，有利于正渦度向500 hPa以上層次輸送；渦度扭轉(zhuǎn)項(xiàng)在850 hPa、700 hPa 的值增大至-1×10-9～-2×10-9s-2，500 hPa 層的正值也增大至0.8×10-9s-2，低層氣旋、中層反氣旋環(huán)流發(fā)展的機(jī)制增強(qiáng)；低層的拉伸項(xiàng)值達(dá)到了4×10-9s-2，500 hPa達(dá)到了-1.8×10-9s-2，有利于低層輻合、中層輻散的動(dòng)力機(jī)制進(jìn)一步加強(qiáng)。渦度平流垂直向上輸送正渦度的高度上升至500 hPa，同時(shí)有利于700 hPa、850 hPa 氣旋性環(huán)流輻合發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制進(jìn)一步加強(qiáng)，使得850 hPa低渦發(fā)展，700 hPa氣旋性環(huán)流發(fā)展為低渦。

西南渦再次發(fā)展強(qiáng)盛時(shí)次(12 日03:00)，總渦度值整層均顯著增強(qiáng)，尤其500 hPa 的增長(zhǎng)明顯，達(dá)到了3.5×10-9s-2。500 hPa 渦度平流項(xiàng)正值加大至1×10-9s-2；垂直輸送項(xiàng)在700 hPa、500 hPa 乃至300 hPa 的正渦度平流向上輸送加強(qiáng)，特別是500 hPa 值達(dá)到了6×10-9s-2，渦度扭轉(zhuǎn)項(xiàng)除850 hPa 為正值外，其余層次均為負(fù)值，有利于700～300 hPa層氣旋性環(huán)流的發(fā)展；拉伸項(xiàng)在低層的值也進(jìn)一步增大，尤其在700 hPa 達(dá)到了6×10-9s-2，有利于輻合運(yùn)動(dòng)的機(jī)制一直發(fā)展到300 hPa，300 hPa 以上才轉(zhuǎn)為負(fù)值，有利于300 hPa層次以上的輻散運(yùn)動(dòng)發(fā)展。渦度平流垂直輸送正渦度的層次上升至300 hPa，同時(shí)有利于300 hPa 以下氣旋性環(huán)流輻合發(fā)展、300 hPa 以上反氣旋性環(huán)流輻散的動(dòng)力機(jī)制加強(qiáng)，使得西南渦的正渦度柱發(fā)展至300 hPa，正渦度中心強(qiáng)度也達(dá)到了各個(gè)時(shí)次的最強(qiáng)。

7 結(jié) 論

通過對(duì)2020年8月11—12日四川盆地西部特大暴雨過程中尺度系統(tǒng)活動(dòng)特征及對(duì)降水影響的分析，進(jìn)一步探討了西南渦的結(jié)構(gòu)特征及其發(fā)展原因，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 本次過程發(fā)生在副高加強(qiáng)西伸和高空低槽東移等有利于極端性暴雨產(chǎn)生的環(huán)流背景下，副高外圍偏南氣流將暖濕氣流向四川盆地輸送，為暴雨的發(fā)生提供了充足的水汽和能量條件。同時(shí)南亞高壓和流線分流區(qū)形成的高層輻散條件，為中尺度系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利的環(huán)流背景。

(2) 本次過程中尺度系統(tǒng)活動(dòng)經(jīng)歷了中尺度輻合擾動(dòng)-西南渦生成發(fā)展-低空急流影響-西南渦再次發(fā)展增強(qiáng)等4個(gè)階段，其中西南渦兩個(gè)階段的發(fā)展對(duì)降水影響最大。10 日夜間西南渦是隨MCS發(fā)展和強(qiáng)降水而生成，為“雨生渦”，低渦生成后低渦環(huán)流和MCS 都迅速發(fā)展，所造成的降雨強(qiáng)度在整個(gè)過程中最大，11日夜間，再次發(fā)展增強(qiáng)的西南渦更加深厚，850 hPa 和700 hPa 同時(shí)出現(xiàn)了低渦，引發(fā)了第二波強(qiáng)降水，降雨范圍超過了西南渦初生階段，但降雨強(qiáng)度明顯不及第一階段。

(3) 西南渦在暖區(qū)內(nèi)初生發(fā)展，地面潛熱和感熱加熱、低層水汽凝結(jié)潛熱加熱以及強(qiáng)暖濕平流均比較顯著，低層暖濕平流較強(qiáng)，對(duì)流不穩(wěn)定度大，θse850-θse400值達(dá)14 K，西南渦正渦度發(fā)展的貢獻(xiàn)主要來自低層渦度拉伸項(xiàng)和扭轉(zhuǎn)項(xiàng)，由于低層輻合相對(duì)較弱，正渦度柱高度僅發(fā)展至500 hPa。