四川一次持续性暴雨过程的水汽特征及多尺度系统影响分析

师 锐，何光碧，周春花

(1.中国气象局成都高原气象研究所，高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都 610072；2.四川省气象台，四川 成都 610072；3.四川省气象灾害防御技术中心，四川 成都 610072)

引 言

持续性暴雨又称连续性暴雨，是指某一区域持续出现2 d及以上的暴雨天气。我国的持续性暴雨多发生在江南、华南和西南地区[1-2]。四川省主要受热带季风、副热带季风以及青藏高原环流系统的影响，在行星尺度和天气尺度的环流系统作用下为中小尺度天气系统的产生提供有利的环流背景场[3-4]，常导致暴雨频发。四川盆地暴雨具有频发性和持续性，持续性暴雨由于降雨时间长、总量大，极易造成大范围严重洪涝，常诱发泥石流、山体滑坡等次生灾害，特别是“5.12”汶川地震以来山体松软，地质灾害隐患增大，持续性暴雨是四川盆地最具致灾性的极端事件。因此，开展四川盆地持续性暴雨天气过程研究对防灾减灾有重要意义。

近50 a来，中国局地持续性暴雨的发生季节以6月居多，且发生次数具有明显的年际及年代际变化。暴雨的持续性与环流异常的持续性有关，暴雨的季节变化与东亚夏季风的季节演变进程关系密切[5-8]。研究表明，暴雨是大尺度和中小尺度天气系统相互作用的产物[9-12]，持续性暴雨常常是若干个中小尺度系统的不断产生、合并加强及持续影响所致[13-15]；充沛的水汽输送是持续性暴雨发生的必要条件，而低层水汽辐合的强弱则起到关键作用[16-19]。四川持续性区域暴雨多发生在7月[20]，大尺度环流背景常表现为东高西低的形势[21-23]，且常伴有高原低值系统活动，其中西南低涡是最主要的影响系统[24-25]。此外，远距离的热带气旋与影响暴雨的高空槽、中低层低涡有密切关系[26-29]。比如，活跃于南海的热带气旋，通过其北侧偏东南低空强风带北伸与活跃于四川盆地的西南低涡东侧的偏南气流贯通，实现两系统的相互作用[30]，从而使暴雨区水汽受多尺度系统的影响。然而，以往四川盆地持续性暴雨的研究多关注于过程起因及物理量演变，对持续条件探讨较少。为此，本文针对2018年7月8—11日发生于四川盆地西部的持续性暴雨天气过程，探讨与其有直接或间接关系的多尺度动力过程及其维持、加强的成因，以丰富此类暴雨过程的认识，为预报提供一定参考。

1 资料与方法

利用四川省4990余个地面加密自动站气象观测数据、NCEP/NCAR再分析资料及其滤波后的中尺度风场格点资料，对此次持续性暴雨过程的环流背景、水汽及输送特征以及多尺度环流系统活动等进行诊断分析。气候平均态选为1961—2010年。文中涉及的中国及各省(区、市)行政边界均基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1552的标准地图制作，底图无修改。

暴雨的发生与中尺度环流系统密切相关。采用中尺度滤波方法可以有效分离出中尺度环流特征，其中25点平滑算子不仅考虑了算子的选择滤波特性，使关注的中尺度滤波段的各波分量不受明显歪曲，而且尽量减小边界对区域内的影响，能够较好地反映系统之间中尺度环流特征[31-33]，计算方法[33]如下：

2 过程降雨分布特征

2018年7月8—11日四川盆地发生了持续性暴雨天气过程，8日上午盆地西北部沿山地区开始出现降雨，至12日清晨降雨结束，暴雨和大暴雨主要集中在盆地西部广元、绵阳、德阳、成都4市(图1)。此次暴雨天气过程持续时间长，降雨强度大，过程累计雨量达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，其中最大累计雨量(620.9 mm)出现在江油武都镇(104.78°E、31.97°N)，最大小时雨强(170.8 mm·h-1)出现在雅安荥经，绵竹(216.3 mm)、广汉(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(北京时，下同)]创历史最大日雨量记录。

图1 2018年7月8日08:00至12日08:00四川省持续性暴雨天气过程的累计雨量空间分布(单位：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)

绵阳地区4 d的暴雨和大暴雨区域基本重叠，造成该地区各江河发生较大洪水，其中涪江等主要江河发生特大洪水。8日，暴雨区和大暴雨区集中在德阳、成都2市西部高原向盆地平原过渡地带，受地形影响明显，降雨具有雨区狭窄、局地降雨强的特征；9日，暴雨和大暴雨区范围扩大，德阳、成都2市的强降雨中心略有东移；10日，暴雨和大暴雨落区进一步扩大，降雨中心出现特大暴雨，是此次过程中降雨范围最大、强度最强的一日；11日，在盆地西部绵阳、德阳、成都3市西部持续3 d的强降雨东移，暴雨和大暴雨落区移至盆地西部上述3市的东部区域。

此次持续性暴雨天气过程，盆地西北部地区受灾最为严重，因此选取盆地西北部北川、广汉2个自动站逐时雨量进行分析。从图2看出，此次降雨过程具有持续性，且在过程后期雨强及雨量突增，即10日夜间雨强显著增强，是降雨最强阶段，广汉11日02:00小时雨强增至最大，达50.3 mm·h-1。

图2 2018年7月8—11日四川省北川(a)和广汉(b)国家自动站逐小时雨量演变Fig.2 The evolution of hourly precipitation at Beichuan (a) and Guanghan (b) stations of Sichuan Province from 8 to 11 July 2018

3 环流形势及系统配置

2018年7月8—11日500 hPa平均位势高度场及其距平场[图3(a)]上，有2个正距平中心和1个负距平中心，乌拉尔山高脊和西太平洋副热带高压(简称“西太副高”)为正距平，异常偏强，较历史同期分别偏高8、12 dagpm，贝加尔湖低槽为负距平，较历史同期偏低2～4 dagpm，且在25°N以南洋面上是一偏低区域，表明热带低值系统较历史同期活跃。由于西太副高异常偏强，使得副高西侧较强的暖湿空气向北输送，并与乌拉尔山高脊和贝加尔湖低槽异常偏强导致南下的较强冷空气在四川相遇，由于西太副高异常强盛致使上述环流形势长时间稳定维持，从而在四川盆地产生持续性降雨过程。

在此次暴雨过程开始前期(图略)，7月5—7日四川省处于584 dagpm线控制范围内，盆地处于高温高湿状态；7日20:00至8日08:00，青、藏、川3省交界处有一东北—西南向的高原切变线，并较前期有所加强，盆地受高压中心控制；8日08:00后降雨逐渐开始，至20:00，高原切变线明显南压，西太副高迅速西伸，盆地西部高海拔向平原过渡地带出现强降雨，受地形影响降雨具有雨区范围窄、局地强的特点。

从图3(b)可见，9日，500 hPa上贝加尔湖有一深厚低涡，其东西向直径远大于南北向，中纬地区为多波动的平直西风气流，四川盆地北部恰好受此波动影响；西太副高西脊点由前一日137°E迅速西伸至112°E，伴随着超强台风“玛利亚”中心西行至(134°E、28°N)，西太副高西侧的偏南气流逐渐加强，盆地西部降雨范围略有增大。10日，贝加尔湖低涡西侧横槽东南移，高空槽经蒙古国—内蒙古中部—甘肃西部，伸至青海东部，其周围伴有负变温，同时西太副高继续西伸(西脊点位于108°E)，超强台风“玛利亚”西南移(中心位于127°E、24°N)，四川盆地西北部恰处于高空冷空气与西伸西太副高及“玛利亚”共同带来的暖湿气流交汇处。11日，强台风“玛利亚”中心继续西行至福建海岸线附近(120°E、26°N)，西太副高势力强大，其中心强度达592 dagpm，西脊点稳定在108°E，较深厚的高空槽位于川西高原，盆地处于高空槽前与西太副高西侧强盛的西南气流控制下。

持续性暴雨前期，低层850 hPa水汽通道尚未建立，随着强台风“玛利亚”和西太副高的西行，水汽通道逐渐通畅。11日08:00[图3(c)]，850 hPa上在重庆以东至福建以西有一高压坝，四川盆地受西南低涡影响，自西向东南形成西南低涡—高压坝—热带低值系统，即2低1高的环流形势，且在台风“玛利亚”及西太副高的共同作用下偏南气流持续增强，重庆沙坪坝站西南风风速达12 m·s-1。

图3 2018年7月8—11日500 hPa平均位势高度场(黑色实线)及其距平(阴影)(a，单位：dagpm)和主要天气系统演变(b)以及11日08:00 850 hPa位势高度场(黑色实线，单位：dagpm)、风场(风羽，单位：m·s-1)和温度场(红色虚线，单位：℃)(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)

综上可见，此次持续性暴雨过程水汽通道的建立与3个系统有关：一是西太副高，西太副高逐步加强西伸；二是西南低涡(或倒槽)，是持续性暴雨的重要影响系统；三是热带低值系统，台风“玛利亚”及海南岛热带低压。3系统共同配合，将台风“玛利亚”和西太副高之间的东南风携带的来自中国南海的水汽与西南季风携带的来自孟加拉湾水汽汇合输送至四川盆地。此次持续性暴雨过程是在贝加尔湖低涡低槽、西太副高、西南低涡、台风“玛利亚”及热带低压等多个系统共同影响下产生。那么，这些系统共同作用下动力条件是如何实现水汽的输送、辐合以及抬升呢？

4 水汽条件及多尺度天气系统

4.1 水汽持续充沛及低空南风增强

整个降雨过程期间，大暴雨区各高度比湿随时间的变化[图4(a)]显示，8—11日大暴雨区上空对流层中低层为比湿大值区，850 hPa以下比湿超过14 g·kg-1，而850～600 hPa比湿较低层有所减小，为10～14 g·kg-1；700 hPa以下比湿分别在8日有明显增大和11日明显减小的过程。总之，8—11日盆地西部具备充沛的水汽条件，是此次暴雨过程形成的必要条件。

从大暴雨区东侧106°E的850 hPa水平风速时间变化[图4(b)]看出，30°N附近850 hPa风速在9日午后开始增大，至11日凌晨增至最大18 m·s-1，达到急流标准；10 m·s-1以上的大风速带位于大暴雨区右侧，且恰好为强降雨范围最广、强度最大的时段，表明10—11日强度达急流标准的强劲南风为盆地西北部带来更为充沛的水汽供应。

图4 2018年7月7—12日过暴雨中心(104°E、31°N)的比湿时间-高度剖面(a，单位：g·kg-1)和沿106°E的850 hPa水平风速时间-纬度剖面(b，单位：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 水汽输送及辐合特征

为探讨此次持续性暴雨天气过程的水汽来源及降雨最强阶段的水汽辐合状况，分析7月8—12日对流层低层850 hPa风场、水汽通量场及其散度。8日08:00[图5(a)]至9日08:00[图5(b)]，水汽输送通道不畅，盆地西北部的水汽通量为4～8 g·hPa-1·cm-1·s-1，且局地有辐合；10日08:00[图5(c)]开始，水汽输送通道建立，水汽通量及其散度绝对值均增大，且大值范围明显扩大；11日02:00[图5(d)]，100°E以东区域有3个水汽通量大值区，中心分别位于四川盆地、海南岛附近、台风“玛利亚”影响区，前2个中心值分别为28、16 g·hPa-1·cm-1·s-1。结合风矢量[图5(d)、图5(e)]可见，中低层台风旋转吹入内陆的东北气流经西太副高底部转向，并在西南低涡东侧转为东南气流，将其携带的大量水汽输入盆地。另外，在10°N—15°N范围一支来自孟加拉湾的较强偏西气流东伸至110°E—115°E，经海南岛的热带低压“接力”下转为东南气流，并与副高西南侧的偏东南气流在两广地区汇合，汇合后的气流在贵州至重庆南部形成一支较强的经向低空急流，该急流将源源不断的暖湿水汽向北输送至盆地，并在盆地西北部聚集。10日白天至夜间，850 hPa盆地西北部水汽通量散度中心值达-8×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1，11日02:00水汽辐合区达到最大，12日08:00[图5(f)]水汽辐合明显减弱，降水逐渐结束。

图5 2018年7月8—12日850 hPa风场(矢量，单位：m·s-1)、水汽通量(黑色实线，单位：g·hPa-1·cm-1·s-1)及其散度(阴影，单位：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

综上可见，此次持续性暴雨天气过程的水汽主要来源于中国南海。在西太副高和台风的共同作用下，不仅有副高西侧的暖湿气流输送至盆地，更为重要的是对流层低层承载水汽输送的偏南风逐步在台风“玛利亚”西行过程中建立。当西行台风靠近福建海岸时，台风西侧的东北气流在盆地西南低涡东南侧转为东南气流，并形成明显的气流辐合，而来自孟加拉湾的水汽，通过较强的西风气流输送至南海海域，经海南岛持续热带低压转为偏东南气流，并向四川盆地输送，在西南低涡作用下在盆地西北部形成较强的水汽辐合。

4.3 多尺度系统相互作用

图6是2018年7月9—12日平滑滤波后的700 hPa流场。可以看出，在持续性暴雨过程初期[图6(a)]，在西太副高及台风“玛利亚”西行过程中，从广西至四川盆地一致偏南气流的水汽通道逐步建立，但在盆地并未形成辐合流场，也未与高空槽东移来的冷空气相对峙，此阶段的降雨强度、范围都相对较小。随着贝加尔湖低涡东移，其底部高空槽后西北气流携带的冷空气在四川盆地西北部与偏南暖湿空气汇合，形成明显的切变辐合，而后该切变线逐渐东南移[图6(b)、图6(c)]。由于台风“玛利亚”的持续西行及贝加尔湖低涡的东移，西太副高稳定维持，但其西南侧气压梯度有所加大，形成低空东南风急流，促使低层中尺度系统西南低涡的加强和发展。随着台风的进一步西行，西太副高东退北收，水汽输送带瓦解，北支系统高空槽也迅速北收[图6(d)]。

图6 2018年7月9—12日25点平滑算子滤波后的700 hPa流场(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

图7是平滑滤波后的850 hPa扰动流场(即原始流场减去平滑滤波后的流场)。在扰动流场上，10日夜间到11日白天均有明显的气旋式涡旋(即西南低涡)存在，该系统的水平尺度约200 km，是中-β尺度扰动。10日20:00[图7(a)]，甘肃南部至四川盆地西北部有明显的辐合气流，辐合中心位于甘肃、四川交界处。11日02:00[图7(b)]，切变辐合已发展为西南低涡，低涡西北侧有明显的冷暖气流汇合，辐合区恰好位于盆地西北部。可见，西南低涡的生成，不仅与前期降雨导致的潜热释放有关，还有冷空气的参与。11日08:00[图7(c)]，西南低涡中心位置稳定，但其强度进一步增强，且低涡西北侧的切变辐合略有东移，致使降雨持续并增强。随后11日14:00[图7(d)]，西南低涡中心稳定维持，但低涡面积明显减小且其西侧的切变明显东移，这与11日降雨落区东移减弱相对应。

图7 2018年7月10—11日25点平滑算子滤波后的850 hPa扰动流场(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

综上所述，西太副高西伸引导南海洋面上台风“玛利亚”西行，不仅给四川盆地带来源源不断的暖湿气流，还阻挡了贝加尔湖低涡高空横槽西段继续东移；高纬地区横槽转竖携带的冷空气与暖湿空气在盆地西部汇合，促使西南低涡的生成发展。此外，海南岛附近热带低压的长期维持，使得南海和孟加拉湾水汽不断供给盆地。此次持续性暴雨过程是上述多尺度系统相互作用的结果。

4.4 次级垂直环流及强烈的垂直上升运动

西太副高、台风、热带低压、高空低槽多个系统的相互作用促使西南低涡的形成发展。 从11日02:00和08:00涡度的经、纬向垂直剖面可见，在低层800 hPa附近有正涡度中心，且正涡度随着高度升高向北[图8(a)、图8(c)]、向西[图8(b)、图8(d)]倾斜，低涡的垂直结构表现为高层负涡度、低层正涡度，是典型的暴雨垂直环流结构，高空槽稳定影响盆地。11日08:00沿31°N的涡度纬向垂直剖面[图8(d)]上，115°E以东地区从高层到低层的偏东气流与105°E—115°E的偏南气流形成辐合，随着台风的西行，偏东风风速明显加大，且低层涡度增至12×10-5s-1。

图8 2018年7月11日02:00(a、b)、08:00(c、d)涡度(线条，单位:10-5 s-1)及风场(风羽，单位：m·s-1)沿104°E的经向(a、c)与沿31°N的纬向(b、d)垂直剖面(黑色阴影是地形高度，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)

图9是2018年7月8—11日过暴雨中心32°N的流场和垂直速度场的纬向垂直剖面时间演变。过程前期8日20:00[图9(a)]及9日20:00(图略)，在暴雨区附近均有上升气流，8日20:00上升气流中心位于600 hPa，其垂直速度为-14×10-1Pa·s-1，而9日20:00垂直上升速度明显减弱，小于-6×10-1Pa·s-1。10日08:00[图9(b)]、11日02:00[图9(c)]，从低层到高层为一致的上升气流，上升气流伸展高度达200 hPa以上，且102°E—108°E范围垂直上升运动较强，最大中心出现在700 hPa，其垂直速度达-45×10-1Pa·s-1，形成深厚、强烈的上升支，有助于将低层的湿空气向上输送，而108°E以东地区为气流下沉支，从四川盆地到台风“玛利亚”西部形成一明显的垂直次级环流，最大强降雨出现在上升支附近。相较于11日02:00，11日08:00次级环流的垂直上升速度明显减小，最大中心出现在750 hPa，其垂直速度为-20×10-1Pa·s-1，而108°E以东地区仍为下沉支[图9(d)]。可见，西太副高的西伸位置和强度决定了次级垂直环流的下沉支，限制了暴雨的落区。

图9 2018年7月8—11日沿32°N的垂直速度(阴影，单位：10-1 Pa·s-1)和流场(流线)纬向垂直剖面时间演变(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

此次暴雨天气过程中，四川盆地影响系统的高低空配置为500 hPa高空槽、700 hPa切变线和850 hPa西南低涡。中尺度西南低涡系统虽不深厚，但它是在降雨后期生成的，使得低层辐合显著增强，垂直上升运动在低涡发展至成熟阶段有明显突增的过程，致使持续性降雨在后期雨强和雨量突增。结合上述中尺度扰动场、涡度及垂直速度，在10日20:00至11日20:00，西南低涡经历了生成—发展—成熟—消亡的过程，且在发展成熟阶段低空风速加强为急流，使得大量水汽和能量输送至盆地并汇聚。多尺度的相互作用促使西南低涡生成发展，是此次持续性暴雨得以维持并在后期增强的一个主要原因，而10日20:00四川盆地西部不稳定能量的再积累可能是暴雨长时间维持的一个重要因素，可见此次持续性暴雨过程经历了不稳定能量积累释放和再次积累释放的过程。

5 结 论

(1)此次持续性暴雨过程是在有利的天气背景下产生，西太副高西行并稳定维持，制约了中纬度高空槽的移动方向和速度，使其在四川盆地形成阻塞。与此同时，在台风“玛利亚”的逐步西行下，台风与西太副高之间的气压梯度加大，低空南风气流增强。

(2)中国南海充沛的水汽输送至四川盆地，是盆地形成持续性暴雨天气的必要条件。四川盆地东部对流层低层的偏南风在西太副高和台风“玛利亚”逐步西行下建立、加强；孟加拉湾的水汽通过较强的西风气流远距离输送至中国南海海域，经海南岛处的热低压转为偏东南气流，与来自中国南海的台风西侧偏东南气流(在副高作用下由偏东北气流转为偏东南气流)汇合，并在西南低涡东南侧加强，形成明显的气流辐合，致使水汽迅速堆积。

(3)多尺度系统之间的相互作用促使西南低涡生成、发展，是此次持续性暴雨过程得以维持并在后期增强的一个主要原因，而西南低涡与台风“玛利亚”之间西太副高的西伸位置及强度，决定了次级垂直环流的下沉支，进而制约了暴雨落区。