台风阻塞形势下两次四川盆地持续性暴雨过程对比研究

吕 斌 , 刘 毅 , 孙 俊 , 邓国卫 , 张 敏 , 王腾蛟

（1. 四川省德阳市气象局，德阳 618000；2. 重庆市气象台，重庆 401147；3. 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072；4. 中国气象局气象干部培训学院四川分院，成都 610072；5. 四川省气候中心，成都 610072；6. 四川省遂宁市气象局，遂宁 627000）

引言

四川地区位于青藏高原东侧，地形跨越一二级阶梯，受高原系统东移影响，暴雨天气频发。持续性暴雨过程在暴雨中所占比例不高但影响却极大，往往诱发泥石流、山洪等次生灾害，给当地生产生活造成严重影响。过去多从发生机理[1−3]、数值模拟[4−7]、物理量诊断[8−11]等角度对四川盆地暴雨进行研究，持续性暴雨研究相对较少[12−14]。陶诗言等[15]将产生持续性暴雨的物理条件总结为三个方面：一是大尺度天气形势稳定，二是水汽的输送和辐合，三是对流不稳定能量的释放和再生，尤其需要注意天气尺度降水系统相遇、移速减慢或停滞的时候各种物理条件发生的变化。台风作为夏季降水的重要影响系统，它的活动不仅直接给东南沿海带来强烈的风雨天气，也能直接或间接影响我国内陆地区。卓嘎等[16]研究表明降水与台风最密切的地区除了沿海还有青藏高原东侧。康岚等[17]通过对1002号台风登陆后四川盆地大暴雨的研究发现，台风低压环流东侧偏南气流和副高西侧偏南气流长时间的融合贯通，既有利于副高稳定且东退缓慢，又有利于西南低涡发展维持。2015年6月22～24日和2018年7月10～12日四川盆地持续性暴雨均伴有台风的登陆，前者台风从广西登陆，后者从福建登陆，台风从不同地点登陆，造成的降水落区也不相同。对这两次台风登陆造成四川盆地持续性暴雨过程进行研究，有利于加深对登陆台风导致的四川盆地持续性暴雨过程的认知，对提高预报水平具有积极意义。

1 资料与方法

本文选取了2015年6月22～24日及2018年7月10～12日四川盆地两次持续性暴雨过程作为研究对象，所选过程均有30%以上的站次连续两日出现暴雨，属同一天气过程造成的持续性影响。本文所用的资料包括：中国气象局自动站与 CMORPH降水数据融合的逐时降水量0.1°网格数据集（1.0版）；国家卫星气象中心提供的逐小时FY-2E卫星的云顶亮温（TBB）资料，水平分辨率为0.1°×0.1°，时间分辨率为1h；欧洲气象资料中心（ERA-interim）的再分析资料，空间分辨率为0.5°×0.5°，时间分辨率为6h。站点降水资料来自于中国气象局国家气象信息中心（http://www.nmic. gov.cn/），台风路径文件来自于中国气象局热带气旋资料中心（http://tcdata.typhoon.org.cn/）。

2 降水实况和环流背景对比

2.1 降水实况

2015年6月22日08:00～24日08:00（图1a），四川盆地东北部到中部出现了持续性暴雨过程（简称过程一），最大雨量达到313.5mm。2018年7月10日08:00～12日08:00（图1b），在四川盆地西北部出现了持续性的暴雨过程(简称过程二)，最大雨量达到481.7mm。这两次持续性的暴雨过程均伴随台风的活动，过程二降水范围比过程一集中，降水强度较过程一更强。过程一台风“鲸鱼”沿海南岛东南部一直往西北方向移动（图1c），到11日台风经过海南岛后持续西北移动，最终从广西登陆，使得副高北抬，是造成此次四川盆地雨带偏北的重要原因之一。过程二台风“玛利亚”也沿西北路径移动（图1d），从西太平洋向西经过台湾岛北部从福建东部登陆，随后继续向西北方向移动，在湖北境内维持热低压，台风从东部沿海登陆使副高西伸加强，是造成此次四川盆地降水雨带偏西的重要原因之一。

图1 降水实况（a. 2015年6月22日08:00～24日08:00降水，b. 2018年7月10日08:00～12日08:00降水，单位：mm）与台风路径（c. 2015年6月22～24日台风路径，d. 2018年7月10～12日台风路径）

2.2 环流背景场对比分析

2.2.1 环流背景分析

过程一，6月22日08时200hPa上（图略），四川盆地位于高空急流出口区的左侧，高层的强辐散导致低层上升运动产生强烈的抽吸作用。500hPa上，6月22日08时～24日08时，中纬度巴湖以西有一冷槽，其底部分裂的低槽东移至玛多−九龙一线，高原上多短波槽活动。随着台风“鲸鱼”的西北移动，副高从广东、厦门一带逐渐北抬，形成东高西低的阻挡形势，四川盆地的低槽在盆地北部维持。23日08时（图2a），随着台风的进一步西北移，副高阻塞形势稳定加强，巴湖以北的低槽分裂短波槽快速东移补充至四川的低槽，使得该低槽加深。23日20时，四川盆地低槽北收，副高外围和台风外围的南风风速明显减小。700hPa上，盆地西北部的气旋性曲率逐渐发展成为切变线，23日08时（图2c）切变南压，位于盆地汉中经成都至木里，其右侧的急流加强，最大达到了14m/s。23日20时由于台风和副高的阻挡作用，700hPa切变维持，其右侧的风速较23日08时略有减弱，但仍维持着急流的强度。850hPa（图略）盆地为偏东南气流，结合地形的动力抬升作用在盆地北部造成强降水。23日20时盆地东部有低涡发展，低涡右侧的偏南风也加大，最大风速达到了14m/s。

图2 500hPa、700hPa高空形势场（a、c. 2015年6月23日08:00，b、d. 2018年7月11日08:00，彩色区表示风速≥12 m/s，棕色线代表槽线和切变线，蓝色线代表等高线，等高线单位: gpm）

过程二，7月10日08时200hPa上（图略），四川盆地受反气旋环流控制，反气旋环流为四川盆地提供强烈的辐散气流。11日08时（图2b）500hPa上，贝湖冷涡涡底的高空槽经向度大，高空槽携带冷空气影响四川盆地，由于台风“玛莉亚”的西北移动，副高西伸北抬形成阻塞致使盆地高空槽东移缓慢。700hPa 上，10日08时盆地内有切变线和低空急流存在（图略），11日08时（图2d）～11日20时冷空气从盆地西北部南下影响整个四川盆地，700hPa切变线稳定少动。850hPa上（图略），10日08 时重庆一带已有急流生成；随着冷空气的进入，11日08时成都北风达18m/s，850hPa达州仍有12m/s的急流存在；11日20时冷空气进入全盆地，850hPa盆地均由偏北气流控制，宜宾西北风达12m/s，负变温达−3.8℃，此次降水过程趋于结束。

2.2.2 TBB影响分析

TBB（Black Body Temperature）是云顶黑体辐射温度，TBB 温度越低，表明云顶越高，对流越旺盛。

过程一 22日10时（图3a）过去1小时降水主要发生在川西高原，对应09时TBB（图3e）显示四川盆地此时没有强的对流云发展。随后台风“鲸鱼”外围云系不断向北移动，23日00时以后盆地中部出现了＞−55°C以上的β中尺度对流云团（图3f），该对流云团从盆地西部逐渐东移，在盆地中部停留了6h以上，云顶亮温超过−52°C，达到MCC标准，1小时累计最大雨量超过30mm（图3b）。随着盆地东北部低涡生成以及台风外围云系不断往北扩展，23日20时～24日05时盆地东北部维持较强的β中尺度对流云团（图3g～h），对应这一时段在盆地东部有＞30mm的小时强降水出现（图3c～d）。随着登陆台风云系的减弱，副高东退，盆地低涡东移，降水减弱。

图3 过程一的小时降水量（a. 22日10:00，b. 23日00:00，c. 23日20:00，d. 23日21:00，单位：mm）；对应前一时刻的红外云图云顶亮温（e. 22日09:00，f. 22日23:00，g. 23日19:00，h. 23日20:00，单位：℃）

过程二 随着高空低槽东移以及台风“玛丽亚”在福建地区登陆，副高北抬，西伸。10日20～21时，四川盆地大部都处在强β中尺度对流云团控制下，最大云顶亮温超过了−55°C(图4e～f)，强对流云团的偏心率以及持续时间不满足MCC的条件。但孟加拉湾的暖湿气流不断向北输送，使得不断有暖湿云系并入四川盆地的对流云团中，对应这一时段四川盆地北部到西部多个时次也出现了＞30mm的小时强降水 (图4a～b)。11日10时以后，随着台风登陆后减弱，副高明显东退，高空槽东移，冷空气明显入川，对应强TBB的范围也明显减小，四川盆地东北到西南一带仅有零星的＞−50°C的TBB出现（图4g～h）。对应这一时段的强降水雨带收缩，仅在盆地中部部分地区出现＞25mm的小时降水(图4c～d)。

图4 过程二的小时降水量（ a. 10日21:00，b. 10日22:00，c. 11日11:00，d. 11日14:00，单位：mm）；对应前一时刻的红外云图云顶亮温（ e. 10日20:00，f. 10日21:00，g. 11日10:00，h. 11日13:00，单位：℃）

对比两次过程发现，过程一有MCC发展，过程二虽然也有中尺度对流云团发生发展，但没有形成MCC。过程一台风在中南半岛，台风外围云系在南风的引导下深入四川盆地，对四川盆地中β对流云及MCC的形成有重要作用；同时低涡发展造成对流云成椭圆形分布，较长时间保持强的β中尺度对流云团。过程二台风从东部沿海登陆，虽然造成副高西伸也使得四川盆地形成阻塞形势，但东面的台风云系对四川盆地的降水并没有贡献；前24h中尺度对流云团是切变线和急流云系叠加造成，属于暖区降水，降水强度偏强；后24h是高原槽叠加低层的切变云系造成，以层状云降水为主；四川盆地的中尺度对流云在整个降水期间排列成带状分布。

3 物理量场对比分析

3.1 涡度和散度场分析对比分析

过程一强降水过程中6月23日08时沿105°E的垂直剖面(图5a)显示，31°～33°N有明显的低层辐合高层辐散，且辐合层高度随纬度增加明显上升，说明斜压性强。从2.2.1的分析可以看到，此次降水期间，500hPa为后倾槽，后倾槽影响系统稳定，斜压性强，持续时间较长；同时涡度场也呈现典型的斜压特征，低层辐合中心配合较强的正涡度值，800～700hPa出现了涡度的大值10×10−5s−1。过程二7月11日08时沿105°E的垂直剖面(图5b)显示，31°～32°N也有明显的低层辐合高层辐散，且同样具有明显的斜压性，辐合中心随纬度增加而抬升。从2.2.1的分析可知，过程二强降水期间500hPa也为后倾槽，所以系统较为稳定，降水持续时间长；低层辐合有较强的正涡度配合，最大正涡度为6×10−5s−1，出现在700hPa。

图5 沿105°E的涡度和散度垂直剖面（a. 2015年6月23日08:00，b. 2018年7月11日08:00，黑色实线代表涡度，填色代表散度，单位：10−5 s−1）

从上述分析可见，这两次台风登陆造成的盆地暴雨过程，高空槽均为后倾，涡度和散度场都有明显的斜压性特征。过程一的短波槽在前24h涡度比过程二的高原槽弱，但后24h随着低涡的生成和发展，涡度比过程二明显偏强（图略）。而过程二在降水前24h由于高原低槽加深，一直维持较高的涡度；随着冷空气的南下和降水的产生，系统逐渐减弱，后24h涡度明显减小。

3.2 假相当位温和垂直速度对比分析

过程一强降水中心的假相当位温和垂直速度叠加图(图6a)显示，整个降水期间22日08时～24日08时对流层中低层都维持较强的上升运动，其中23日08时开始上升运动明显加强，最强达到−60Pa·s−1，最大伸展高度达200hPa。22日20时开始到降水结束，对流层中低一直处在对流不稳定中。从2.2.2的分析中可以看到，23日00时以后盆地在不稳定层结的驱动下，对流云团强烈发生 、发展，较长时间维持＞−50°C的TBB。此次降水过程主要属于不稳定降水，多地小时雨强超过30mm。

过程二10日08时～11日14时强降水中心有强烈的上升运动(图6b)，且上升运动分两个大值中心，分别出现在10日白天和11日夜间，最强上升运动 发 展 到200hPa，速 度 超 过60Pa·s−1，大 值 中 心 位 于700hPa以下。对应这一时段的假相当位温表明大气处于不稳定层结中。11日10时后随着冷空气南下，南风维持，大气层结逐渐转为稳定。从2.2.2的分析可见，四川盆地对流云系明显减弱，仅有零星地方出现＞−50°C的TBB。

图6 假相当位温和垂直速度的时间剖面（a. 2015年6月22～24日沿106°E，32°N；b. 2018年7月10～12日沿105°E，31°N；黑色实线代表假相当位温，单位：K；填色代表垂直速度，单位：Pa·s−1）

3.3 水汽条件对比分析

从强降水中心的水汽通量散度和垂直速度时间-垂直剖面图(图7a)可见，过程一21日20时开始，水汽通量散度辐合逐渐增强、增厚，持续到24日08时，700hPa以下为强的水汽通量辐合，中心数值超过−2.5×10−7g·cm−2·hPa−1·s−1且持续了36个小时。23日夜间到白天，水汽通量辐合区对应强的上升运动。对应这一时刻四川盆地东北部有低涡发展，低层低涡的发展加强进一步增加了水汽辐合和上升运动。从最强降水中心通江站的小时降水时间分布（图7c）可以看到，主要降水从23日凌晨开始逐渐增强，这与水汽通量辐合和上升运动的最强时段吻合，与3.2节中的分析一致；由于强度辐合和持续性的大气层结不稳定，使得小时雨强多个时次＞10mm。

过程二9日20时开始，800hPa以下就有明显水汽通量辐合存在，强水汽通量辐合一直持续到11日14时(图7b)，水汽通量辐合最大值超过−2.5g·cm−2·hPa−1·s−1。此次过程水汽通量辐合从过程前期开始就有明显的汇集，是过程二前24h暖区降水暴雨站次远大于过程一的原因之一。但后期辐合层次较低，上升运动也较第一次过程偏小。从水汽通量散度的辐合伸展高度和垂直速度的大小也能反映出此次降水过程具有稳定性降水的特征。从强降水中心罗江站的小时降水分布（图7d）可以看到，强降水主要集中在11日夜间到次日白天，对应这一时段的水汽通量散度和垂直速度发展也最强，暖区降水特征明显；11日14时以后小时降水明显减弱。由3.2节分析可知，11日14时以后冷空气入川，大气层结转为稳定，以稳定性降水为主，小时雨强大都在5mm以下。

图7 垂直速度、水汽通量散度随时间变化的垂直剖面（a. 2015年6月22～24日沿106°E，32°N；b. 2018年7月10～12日沿105°E，31°N；黑色实线表示垂直速度，单位：Pa/s；填色区域表示水汽通量散度，单位：g·cm−2·hPa−1·s−1）；对应时段最强降水中心的小时降水量（c. 过程一通江站；d. 过程二罗江站；单位：mm）

3.4 位涡对比分析

位涡理论常用于暴雨和强对流等天气的诊断分析，通过对位涡的分析可以全面反映水汽、不稳定能量以及动力抬升等条件。

根据降水持续时间绘制了500hPa位涡水平分布图，过程一22日08时（图8a），高位涡位于青海南部及川西高原，青海南部位涡最大值超过2.4PVU（位涡单位：1PVU=10−6m2·Ks−1·kg−1），川西高原最大位涡为1.2PVU，四川盆地此时没有大的位涡存在。23日08时（图8b），随着高原低槽的东移，高位涡也往东移动，青海南部的高位涡数值减弱，四川北部出现了一大片＞1.2PVU的高位涡区，且高位涡呈东北-西南分布，四川盆地大部位于高位涡区。位涡分布也显示这一时段四川盆地处在对流不稳定的发展阶段，利于强降水发生。对应的四川盆地区域自动站12h强降水分布图（图8g）可以看出，这期间盆地强降水开始出现，12h内有399个站降水达到大雨以上级别，且有91个站达到暴雨以上级别。24日08时（图8c）四川北部的高位涡继续往东移，大值区移到了华北境内，四川省北部仍然处在高位涡区，位涡最大值进一步降低，中心数值基本在0.6PVU，青藏高原仍有高位涡往四川北部输送，对应这个时段四川盆地对流云系虽然减弱，但强降水中心仍然处于不稳定层结下。23日08时～24日08时，盆地达到大雨以上级别的站次仍然有596个，暴雨级别站次达247个。

过程二10日08时(图8d)高位涡位于青海南部到四川西部，最大位涡中心超过2.4PVU，但＞1.8PVU的范围较过程一明显偏小，川西地区位涡普遍在1.2PVU。11日08时(图8e)随着低空槽东移，高位涡也逐渐东移，整个四川地区位涡都＞0.6PVU，对应这一时段的对流云系发展旺盛，强降水区处于对流不稳定层结中。从图8h可以看到，这期间降水强度和范围都开始明显增加，12h内有850站降水达到大雨以上级别，其中暴雨以上级别占了608站。12日08时(图8f)，位涡大值区分裂，青藏高原保留位涡大值区，四川盆地随着冷空气的入侵高位涡范围明显收缩，盆地大部地区和青海地区位涡均＜0.6PVU。对应这一时段，随着副高东退，低空槽东移，槽后冷空气快速南下控制四川盆地，强降水区转为稳定层结，小时雨强减弱。11日20时之前强降水还在维持，20时之后降水范围明显减弱，大雨以上级别从683站次递减到389站次。

图8 500hPa位涡分布（a. 22日08时，b. 23日08时，c. 24日08时，d. 10日08时，e. 11日08时，f. 12日08时，单位：PVU）；降水实况（g. 2015年6月22～24日，h. 2018年7月10～12日）

从位涡的发展和移动来看，高位涡与强降水的发生时段吻合，根据位涡来指示四川盆地的暴雨落区具有重要的参考价值。

4 两次过程异同对比

从表1可以看到，两次过程的相同之处是500hPa和700hPa影响系统都为后倾槽，均有台风，切变线和急流；动力场上斜压性特征均非常明显，且强降水中心都伴随有东移的高位涡。不同之处在于过程一850hPa有低涡生成，过程二仅为辐合流场；过程一冷空气较弱，过程二深厚的高空低槽伴强冷空气；过程一涡度由弱变强，过程二涡度由强变弱；过程一整个降水期间基本都是不稳定层结，过程二由不稳定层结转稳定层结；过程一水汽通量辐合范围大，过程二辐合范围小；过程一由于台风外围云系往北移动，触发了盆地的MCC生成，过程二没有MCC生成，但不断有对流云系补充到强降水云团之中。

表1 两次过程的异同对比

5 结论与讨论

通过两次台风登陆造成的阻塞形势下四川盆地持续性暴雨过程的对比分析，可以得到以下结论：

（1）从两次过程的环流背景分析来看，均受登陆台风影响，副高稳定维持，东高西低的阻塞形势使得高原东移的低值系统在盆地停滞，进而使得强降水持续；从两次过程副高位置来看，受台风登陆位置不同影响，副高位置也有所不同。台风在广西登陆时，副高北抬，盆地降水主要发生在北部；台风在东部登陆时，副高西伸，盆地降水主要发生在西部。过程二冷空气入川之前的暖区降水，由于有充足的水汽支持，使得前24h降水强度较过程一明显偏强。

(2)过程一和过程二都是后倾槽产生的降水，斜压特征明显。过程一由于后期有低涡的生成，涡度是前弱后强。过程二高空低槽虽然比过程一强，但随着降水的产生，没有新生系统的补充，涡度逐渐减弱。由于过程一降水期间台风云系不断北上，触发了四川盆地的中尺度对流云系发展，所以整个降水期间四川盆地基本都处在不稳定层结中，过程二前24h主要受西南急流的影响，大气层结不稳定，后24h槽东移，冷空气控制四川盆地，层结转为稳定。过程一由于是对流型降水所以小时雨强多个时次超过30mm，而过程二前24h有多个时次＞30mm的强降水，后24h以稳定性降水为主。

(3)高原高位涡的东传，强降水时段与高位涡出现的时段一致，表明位涡对四川盆地的暴雨落区有重要的指示意义。

夏季东高西低的阻塞形势是四川盆地区域性暴雨产生的典型形势，而持续性暴雨是暴雨过程中少发但影响较大的天气过程。本文对台风登陆后形成阻塞背景下的持续性暴雨过程进行了对比，揭示了此种持续性区域暴雨的特征，其余不同影响背景下的持续性暴雨过程特征还有待进一步研究。