2020年8月10～14日四川盆地一次持续性暴雨过程特征及成因分析

张 静,孙 羡

（中国民航飞行学院新津分院，成都 611431）

引言

四川盆地地处青藏高原东部，独特的地理位置及高原大地形的动力和热力作用，使得四川地区夏季暴雨频发[1−2]。四川省气象局按暴雨发生的环流形势，将盆地夏季强降水分为四种影响类型：一是青藏高原低涡东移影响，二是西风带短波槽东移影响，三是中纬度西风大槽发展影响，四是江淮切变线西端影响[3]。可见，高原低涡、西南低涡及切变线是触发川渝地区夏季强降水的重要机制[4−8]。在对低涡型暴雨的研究中，师锐等[9−10]发现，高原涡和西南低涡共同作用，使得盆地低层正涡度维持并形成上升气流柱，是强降水发展维持的重要条件，冷空气的参与对暴雨的持续发生也起到一定作用。卢萍等[11]发现，中纬度低值系统（槽和低涡）的位置和强度对落区起到关键作用。刘新超等[12]指出，强降雨落区与引导高原涡移动的高空槽有密切关系，高空槽的移动和变化大致决定了强降雨的落区。陈忠明等[13]指出，当高原涡位置偏西，与西南低涡处于非耦合时，高原涡中心及东部上升气流的补偿下沉气流将抑制西南低涡的发展，当高原涡东移、两者垂直耦合后，将导致四川盆地大范围暴雨。

2020年8月10～14日，四川盆地自西向东出现了一次持续性大暴雨过程。据央视新闻报道，截至8月13日，四川雅安市76个乡镇不同程度受灾，7人死亡，7人失联。许多城市出现内涝，山区房屋倒塌，造成重大经济损失。针对此次灾害性降水过程，四川省气象局8月10日下午发布暴雨蓝色预警，11日下午升级为橙色预警，共计发布8份西南区域灾害性天气预报信息。本文拟从天气尺度对此次持续性强降水过程的主要原因进行诊断分析，得出各物理量与降水落区的配置，以期为提升区域持续性强降水的预报水平提供科技支撑。

1 数据选取

研究选用ERA-interim再分析资料，水平分辨率为1°×1°，时间间隔为6h，时间长度为2020年8月10日00时～14日18时（世界时，下同）。研究[14]表明，欧洲中期天气预报中心ERA-interim 再分析资料比NECP再分析资料在青藏高原及其周边地区有更好的适用性。降水资料为国家自动气象站逐日00时24h累计降水量及逐小时降水量。

2 暴雨情况和天气背景

2.1 暴雨情况

2020年8月10～14日，四川盆地自西向东发生了一次持续性大暴雨过程。全省自动观测站（总计2107站）中，17站过程累计降水量超400mm，256站超过200mm。

图1给出了2020年8月10～14日暴雨过程24h累计降水量空间分布。如图所示，10日00时～11日00时，主要降水区域位于102.5°～103.5°E、29.5°～31°N，降水中心位于雅安芦山（102.9°E、30.1°N）；11日00时～12日00时，降水带东移，范围持续扩大为103°～104.5°E、29°～32°N，降水中心为蒲江（103.5°E、30.5°N）；12日00时～13日00时，降水带继续东移，降水范围明显扩大为104°～106.5°E、28°～32.5°N，降水中心位于蓬溪（105.7°E、30.7°N）；13日12时之后，降水明显减弱，降水带北抬，范围为105～108°E、30.5～32.5°N，降水中心位于仪陇（106.4°E、31.5°N）；14日00时，此次持续性强降水过程结束。

图1 2020年8月10～14日暴雨过程24h累计降水量空间分布（a.10日00时～11日00时，b.11日00时～12日00时，c.12日00时～13日00时，d.13日00时～14日00时，单位：mm）

图2是2020年8月10～14日暴雨过程降水中心代表站逐小时降水量变化。芦山主要降水时段为8月10日12时～11日00时，24h（10日00时～11日00时）累计降水量为423.2mm，最大雨强为134.6mm/h出现在10日18时。蒲江主要降水时段为8月11日00时～12日00时，24h（11日00时～12日00时）累计降水量为331.4mm，最大雨强55.4mm/h出现在11日20时。蓬溪主要降水时段为12日11时～13日02时，24h（12日00时～13日00时）累计降水量为232.7mm，最大雨强85.2mm/h出现在12日16时。仪陇主要降水时段为12日14时～21时、13日00时～19时，24h（13日00时～14日00时）累计降水量为64.4mm，最大雨强21.5mm/h出现在13日03时。

图2 2020年8月10～14日暴雨过程降水中心代表站逐小时降水量（单位：mm）

2.2 天气形势及主要影响系统

图3是2020年8月10～14日暴雨过程700hPa环流形势。10日00～18时（图3a），500hPa高原低涡在青海东南部形成，逐渐加强东移至盆地西北部，垂直方向上发展为深厚型高原低涡，在700hPa平均位置偏东、偏南。700hPa上24h变温分布显示，自10日开始有冷空气自盆地东北部不断南下。850hPa上（图略），盆地中东部盛行东北风，干冷空气不断南下西进，受盆地西部地形阻挡及抬升作用，与西南暖湿气流在盆地中西部交汇，产生降水。这一时段24h累计降水量超50mm的区域主要位于高原低涡的东南侧。

图3 2020年8月10～14日暴雨过程700hPa环流形势（a.10日00～18时，b.11日00～18时，c.12日00～18时，d.13日00～18时；等值线表示位势高度，单位：dagpm；风矢表示风场，单位：m/s；填色表示24h变温，单位：℃；红色实线表示高原低涡，蓝色曲线和直线分别表示500hPa槽线和切变线，棕色直线表示700hPa切变线，黑色圆圈表示24h累计降水量>50mm区域）

11日00～18时（图3b），500hPa上高原低涡离开高原主体后减弱为低压槽，低涡在700hPa上移入盆地西南部后发展为西南低涡，平均中心强度为306dagpm，在垂直结构上同中层低压槽耦合。这一时段24h累计降水量超50mm的区域主要位于低值系统东南侧。

12日00～18时（图3c），中层低压槽和低层西南低涡垂直结构上的耦合维持，并明显南压至盆地西南部，西南低涡强度有所减小。这一时段24h累计降水量超50mm的区域主要位于该低值系统东南侧。

13日00～18时（图3d），中层低压槽及低层西南低涡均减弱为切变线，中层切变线位于低层切变线右侧，整个低值系统位于盆地东北部。这一时段24h累计降水量超50mm的区域主要位于切变线附近盛行西南风且辐合较强的盆地东北部。

13日18时后（图略），切变消失，盆地内盛行一致的偏南气流，降水过程结束。

综上所述，10日06时～11日00时，主要受深厚型高原低涡影响，此时段强降水中心位于盆地中西部；11日00时～12日18时，主要受高空低槽配合西南低涡不断东移且南压影响，此时段盆地中部降水明显加强；13日00时～13日12时，主要受盆地东北部中、低层气旋性切变影响，对应降水范围为盆地东北部。天气尺度系统的有效配合给此次暴雨过程提供了有利的环流背景，地面强降水落区均出现在中、低层低值系统东南侧。

3 环境条件分析

随时间推移，影响此次持续性过程降水的低值系统主要活动于3个区域，其范围分别是99°～101°E、33°～35°N，102°～104°E、30°～32°N及104°～106°E、29°～31°N。在不同天气系统影响下，各物理量的不同导致各区降水强度的不同。

3.1 动力条件分析

图4给出了上述3个区域平均涡度的时间垂直剖面。在99°～101°E、33°～35°N区域（图4a），10日06时开始，500hPa以下的正涡度不断往中、高层传输；12时后，在500hPa附近有一正涡度中心，中心强度为8×10−5s−1，维持至18时，此时段地面强降水区域为102.5°～104.5°E、29°～31°N，位于正涡度中心的东南侧；11日00时后，整层大气涡度值明显减弱为0，区域内高原低涡已减弱为波动槽，上升运动减弱，11日白天受其影响盆地降水明显减弱。

图4 2020年8月10～14日暴雨过程中3个区域平均涡度的时间垂直剖面（a.99°～101°E、33°～35°N，b.102°～104°E、30°～32°N，c.104°～106°E、29°～31°N，单位：10−5s−1）

在102°～104°E、30°～32°N区域（图4b），自10日12时开始，600hPa以下中低层大气中正涡度明显增强并不断向中高层大气传输；11日06时，有一强度为4×10−5s−1正涡度中心，此时深厚的高原低涡已减弱为低压槽，仅在700hPa上有闭合中心，因此涡度值明显减小；12日00时后，西南低涡形成并维持，500hPa附近有一正涡度中心，强度为6×10−5s−1；此时段内，地面强降水区域为103°～104.5°E、29.5°～31.5°N，位于正涡度值中心东南侧。

在104°～106°E、29°～31°N区域（图4c），自11日12时后，中低层正涡度逐渐增加，并不断向高层传输，直到14日00时，900～300hPa高度层内均维持较大正涡度；11日18时，800hPa附近有一强度为6×10−5s−1正涡度中心；13日06时，正值中心抬升至700hPa，强度略有增加；12日00时～13日00时和13日00时～14日00时的地面强降水区域分别在105°～106.5°E、28°～32°N和105°～107°E、31°～33°N，均位于正涡度极值中心的东南部。

综上可知，地面强降水区域主要位于正涡度极值中心的东南侧，也是相对应的中高纬低值系统东南侧。这与宋雯雯等[15]研究结果一致。

第一阶段降水中，暴雨强盛时刻10日18时（图5a），相较于降水发生前（图略），对流层低层的正涡度增大至5×10−5s−1，中高层负涡度维持。低层散度辐合强度由之前的0明显增加至700hPa的4×10−5s−1，中高层仍为辐散场，高层大气抽吸作用维持。由于强降水的下沉拖拽，600hPa以上大气出现下沉运动。

图5 降水强盛阶段不同区域平均的涡度（单位：10−5s−1）、散度（单位：10−5s−1）及垂直速度（单位：10−3hPa·s−1）垂直廓线（a.10日18时，102.5°～103.5°E、29.5°～31°N，b.11日18时，103°～104.5°E、30°～32°N，c.12日18时，105°～106.5°E、29°～32°N，d.13日06时，105°～107°E、31°～33°N）

第二阶段降水中，相较于强降水初始时刻（图略），在11日18时（图5b），中、低层的正涡度和高层负涡度结构维持，整体强度有所增加。低层大气的负散度由700hPa向上扩展至400hPa，高层大气的辐散强度增加，大气抽吸作用加强。整层大气的上升运动维持且明显增强，垂直速度最大值13×10−3hPa·s−1出现在500hPa。

第三阶段降水中，相较于降水开始（图略），在12日18时（图5c），300hPa以下大气层的正涡度结构维持且强度增加，中低层的散度辐合强度继续增强，整层大气上升运动加强，垂直速度最大值15×10−3hPa·s−1出现在600hPa，上升运动维持，降水持续。

第四阶段降水中，相较于降水初始时刻（图略），在13日06时（图5d），中、低层正涡度维持，强度为6×10−5s−1，散度结构变化不大，500～300hPa的散度辐合强度加大，300hPa以上大气为辐散，整层大气的上升运动有所增强。

相较于第二、三阶段，第一、四阶段降水中各物理量数值明显偏小。第一阶段降水中心位于雅安芦山，该处位于盆地西部陡峭山区，地形抬升作用大于大气动力抬升，从盆地东北部进入的冷空气沿偏东气流西进，受地形的阻挡与西南暖湿气流在盆地中西部汇聚，促使降水在该区域发生、维持。第四阶段降水的各物理量强度明显偏小，累计降水量明显偏少。

降水强盛阶段各暴雨区的低层正涡度强辐合、高层负涡度强辐散的耦合以及高层大气的辐散抽吸作用均利于大气的上升运动，给强降水的持续提供动力条件。各阶段降水过程的涡度值均大于散度值，这同以往研究结果一致[15]，对于低涡类影响系统而言，涡度作用比散度更明显[13]。相较于第二、三阶段降水，第一、四阶段降水的涡度、散度及垂直速度数值明显偏小，动力作用偏弱，使得第一、四阶段的累计降水量偏少。

3.2 水汽条件和能量分析

10日18时，降水中心位于30.12°N（图6a）。在103°～105°E，800hPa以下大气层中有偏南气流的水汽输送且水汽辐合最强，强度达到6×10−6g·hPa−1·s−1·cm−1；整层大气为一致的上升运动，最大值位于850hPa，强度为10×10−3hPa·s−1，低层水汽辐合中心和上升运动最强中心重合。此时高原低涡中心位于99°～101°E、33°～35°N，水汽辐合中心、强上升运动区位于低涡中心东南侧，各物理量的配合使得低涡东南侧区域（图中P点）发生强降水。

图6 不同时刻沿降水中心垂直速度（等值线，单位：10−3hPa·s−1）、水汽通量散度（填色，单位：10−6g·hPa−1·s−1·cm−1）及水汽通量（矢量，单位：g·hPa−1·s−1·cm−1）的高度-经度剖面（a.10日18时，b.11日18时，c.12日12时，d.13日00时，P为各时段对应的强降水中心）

11日18时，降水中心北抬至30.5°N（图6b）。在102°～104.5°E，整层大气上升运动较强，最大上升中心位于600hPa，强度为80×10−3hPa·s−1；大气中偏南气流的水汽输送明显加强，500hPa以下均为水汽辐合区，最强值12×10−6g·hPa−1·s−1·cm−1出现在700hPa。此时中层低压槽及低层西南低涡主要位于98°～102°E、31°～33°N，地面强降水中心位于中、低层低值系统的东南侧。相较于第一阶段降水，该阶段的大气上升运动及水汽输送、辐合加强使得水汽抬升得更高，导致累计降水量明显增多。

12日12时，降水中心再次北抬至30.7°N（图6c）。在105°～107.5°E，偏南气流转为偏东风，水汽输送减弱，水汽辐合区集中于800hPa以下；700hPa以上大气为上升运动，低层大气为下沉运动，对降水有一定的抑制作用。此时中、低层低值系统的平均位置为104°～106°E、32°～34°N，强降水中心和水汽辐合上升区位于低值系统东南侧。该阶段降水过程中，水汽辐合集中于大气低层，没有输送到高层，导致该区域累计降水相对偏少。

13日00时，降水中心北抬至31.5°N（图6d）。低层大气为偏东气流，水汽输送减少，水汽辐合集中于低层，没有输送至高层，导致该区域累计降水偏少。此时中、低层的气旋性切变线位于104°～106°E、29°～32°N，水汽辐合、上升区及地面强降水中心位于切变线东南侧。

综上所述，各阶段的强降水中心、水汽辐合、上升运动区均位于中、低层低值系统（高原低涡、西南低涡、切变线）东南侧。从水汽条件及上升运动的配合来看，在第二阶段中，500hPa以下大气均为较强的水汽辐合区，整层大气一致且极强的上升运动将水汽抬升输送至中高层，导致该区域24h累计降水量最大；在第一阶段中，整层大气上升运动较强，但水汽辐合区主要集中在800hPa以下的低层，虽然此时段内影响系统为深厚型高原低涡，动力条件充足，但是该时段内大气的水汽输送条件一般，导致该区域累计降水量较第二阶段明显偏少；在第三阶段中，水汽强辐合区集中于800hPa以下，低层大气的下沉运动抑制水汽向上输送，导致该区域累计降水偏小；与第三阶段类似，第四阶段的水汽输送偏少，水汽辐合区集中于大气低层，强上升运动集中于大气中、高层，也导致该阶段累计降水量偏小。

3.3 假相当位温

上干冷、下暖湿的不稳定层结是暴雨形成的有利条件。图7给出了不同时刻沿降水中心假相当位温与垂直速度的高度-经度剖面，来揭示大气不稳定层结的高度及强度。

10日18时（图7a），在102°E以东的盆地地区，700hPa以下大气中的θse均大于353K，满足四川地区暴雨初始时刻的能量条件[16]；从近地面到500hPa，−∂θse/∂p <0，大气层结不稳定；在103.5°～105°E，800hPa以下大气中有近似垂直的等θse线锋区，表明此时冷空气主要堆积在盆地东部，在东北风的引导下不断向盆地西部传输。由于地形阻挡及抬升作用，上升运动逐步增强，冷、暖气流在盆地中西部交汇促使该区域发生降水。11日18时（图7b），该暴雨中心从近地面到400hPa，−∂θse/∂p <0，大气层结不稳定，上升运动极强，之前垂直的等θse线锋区明显减弱，表面此时冷空气已完全进入盆地。12日12时（图7c），暴雨区在105°～106.5°E，从近地面到400hPa，−∂θse/∂p <0，大气层结不稳定，垂直的等θse线锋区再次出现，随着高空低压槽的东移，北方冷空气再次从盆地东部补充进入。13日00时（图7d），垂直的等θse线锋区有所西移，说明冷空气持续输入盆地；在106°～107°E，近地面至600hPa，−∂θse/∂p<0，大气处于不稳定状态。

图7 不同时刻沿降水中心假相当位温（等值线，单位：K）与垂直速度（填色，单位：10−3hPa·s−1）的高度-经度剖面（a.10日18时，30.12°N；b.11日18时，30.5°N；c.12日12时，30.7°N；d.13日00时，31.5°N）

整个持续性暴雨过程中，盆地自西向东的大气层均处于不稳定状态。盆地东北部进入的冷空气，以及偏南气流输送的暖湿水汽，由于盆地特殊的地形抬升，最初在盆地中西部汇合，持续性降水过程开始发生。随着中、低层低值系统的不断东移，北方冷空气的持续南下补充及西南暖湿气流的维持，盆地自西向东出现持续性暴雨。

4 结论

利用ERA-interim再分析资料和国家级自动站观测资料对四川盆地2020年8月10日～14日一次持续性强降水过程的降水特征及其成因进行分析，得出以下结论：

（1）此次降水过程分为4个阶段，降水带自盆地西部向东移动。10日06时～11日00时，在深厚型高原低涡影响下，强降水中心位于盆地中西部；11日00时～12日18时，高空低槽配合西南低涡的东移、南压，盆地中部降水明显加强；13日00时～13日12时，在盆地东北部中、低层气旋性切变影响下，降水带北抬至盆地东北部。天气尺度系统的有效配合给此次暴雨过程提供了有利的环流背景，在冷空气及西南水汽的汇聚下，触发此次持续性强降水过程，地面强降水落区均出现在中高纬低值系统（高原低涡、西南低涡、切变线）的东南侧。

（2）各暴雨区在强降水时刻，低层正涡度、负散度的强辐合，高层负涡度、正散度的强辐散抽吸作用均利于大气的上升运动，给强降水的持续提供动力条件。各阶段降水过程的涡度值均大于散度值，对于低涡类影响系统而言，涡度作用比散度更明显。相较于第二、三阶段降水，第一、四阶段降水的涡度、散度及垂直速度数值明显偏小，动力作用的偏弱，使得第一、四阶段的累计降水量偏少。

（3）各阶段强降水中心，水汽辐合、上升区均位于中高纬低值系统东南侧。第二阶段降水过程，500hPa以下大气均为较强的水汽辐合区，整层大气一致且极强的上升运动将水汽抬升输送至中高层，导致第二阶段累计降水量最大。

（4）整个持续性暴雨过程，盆地上空大气为不稳定状态。盆地东北部进入的冷空气，偏南气流输送的暖湿水汽，由于盆地特殊的地形抬升，最初在盆地中西部汇合，持续性降水过程开始发生；随着中、低层低值系统的不断东移，北方冷空气的持续南下补充及西南暖湿气流的维持，盆地自西向东出现持续性暴雨。