王紅麗，易俊蓮

(1.貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所 ，貴州 貴陽 550002)

?

一次西南低渦誘發(fā)四川盆地持續(xù)性暴雨的診斷分析

王紅麗1，易俊蓮2

(1.貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所 ，貴州 貴陽 550002)

利用NCEP/NCAR 1°×1°日4次再分析資料，針對2011年7月3—6日四川盆地持續(xù)性暴雨過程的影響系統(tǒng)和各物理量作了分析研究。結(jié)果表明：暴雨過程中不斷有低壓短波槽東移南下，西太平洋副高西伸至高原邊緣，形成了有利的大尺度環(huán)流背景。對流層高層的強(qiáng)輻散與中層低渦的配合，低層強(qiáng)勁的南風(fēng)暖濕急流與北風(fēng)干冷氣流在四川盆地內(nèi)交匯，促使西南低渦發(fā)展和維持。高低層輻合輻散、對流運(yùn)動強(qiáng)烈，持續(xù)強(qiáng)勁的水汽輸送為暴雨維持起到了重要作用，暴雨持續(xù)期間產(chǎn)生不穩(wěn)定能量釋放從而又造成強(qiáng)烈的對流活動。螺旋度對暴雨落區(qū)及維持有較好的指示意義，暴雨落區(qū)與該地區(qū)上空中低層正、高層負(fù)局地垂直螺旋度中心有較好的對應(yīng)關(guān)系。

西南低渦；持續(xù)性暴雨；低空急流；螺旋度

1 引言

四川盆地位于一個特殊的地理環(huán)境，處于青藏高原東側(cè)，受到高原地形地貌的影響，存在著復(fù)雜的動力、熱力強(qiáng)迫作用與復(fù)雜的下墊面環(huán)境[1，2]，使得該地區(qū)天氣復(fù)雜多變。西南低渦是產(chǎn)生于對流層低層的一種氣旋式低渦環(huán)流，一般是指在西南地區(qū)700 hPa或850 hPa等壓面上氣旋性環(huán)流或閉合等高線的低渦，西南低渦是導(dǎo)致四川盆地夏季暴雨的重要天氣系統(tǒng)[3]。關(guān)于西南低渦引發(fā)的四川暴雨研究已有許多，趙玉春等[4]研究了高原地形對西南低渦暴雨的作用，屠妮妮等[5]分析了暴雨過程中的物理量特征，趙大軍等[6]分析了西南低渦產(chǎn)生的天氣背景。這些研究多從動力熱力原因和觸發(fā)機(jī)制入手。在四川盆地持續(xù)性暴雨方面，研究發(fā)現(xiàn)低空急流的維持作用較為重要[7]，干冷空氣和暖濕氣流交匯，低層暖平流和中層正渦度平流的維持為持續(xù)性暴雨的發(fā)生提供了穩(wěn)定的環(huán)流背景[8]，持續(xù)性暴雨的發(fā)生往往與來自孟加拉灣的強(qiáng)水汽輸送密切相關(guān)[9，10]。但目前對西南低渦及其對持續(xù)性暴雨的作用仍缺乏清楚的認(rèn)識，有必要進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

2011年7月3—6日，四川省出現(xiàn)入汛以來強(qiáng)度最大的一次區(qū)域性暴雨過程，四川盆地部分地區(qū)降大到暴雨，個別大暴雨。在此次暴雨過程中，降水量一般在100～250 mm，部分地區(qū)達(dá)300 mm以上，全省共有成都、巴中、廣元、綿陽、德陽、樂山、達(dá)州、遂寧、雅安、眉山等12個市(州)、60個縣(市區(qū))受災(zāi)。本文重點(diǎn)對這次西南低渦引發(fā)的持續(xù)性暴雨過程的發(fā)展和維持機(jī)制展開研究，以期為今后西南低渦持續(xù)性暴雨預(yù)報(bào)提供一些有意義的參考依據(jù)。

2 環(huán)流背景和影響系統(tǒng)

分析2011年7月3—6日平均的500 hPa位勢高度場(圖1a)，歐亞大陸中高緯度地區(qū)為“兩槽一脊”型，西太平洋副高較強(qiáng)和高原上的短波槽活動比較頻繁，從西南方向來的暖濕空氣與南下的冷空氣交匯，為暴雨的持續(xù)發(fā)生提供了有利的條件。分析逐日的500 hPa位勢高度場(圖略)，7月3日較強(qiáng)的西太平洋副高呈帶狀，588線延伸至高原東側(cè)，北側(cè)邊界位于32～34°N，巴爾喀什湖以南，從青藏高原東麓有一短波槽快速下滑東移影響四川盆地，但很快減弱，大興安嶺山脈處有一分裂閉合低壓；7月4日，貝加爾湖西部又有一短波槽東移南下，西太平洋副高顯著增強(qiáng)，西側(cè)位于95°E，維持在青藏高原東部上空，錫霍特山脈上空東亞大槽加深；7月5日，貝加爾湖地區(qū)出現(xiàn)閉合低值中心，副高有所減弱，退回盆地上空；7月6日短波槽移速較慢，副高減弱返回海洋；7日過程結(jié)束，亞歐500 hPa環(huán)流完成一次調(diào)整。7月季風(fēng)的低頻振蕩特征非常明顯，水汽輸送十分強(qiáng)盛(圖1b)，來自孟加拉灣的暖濕氣流繞流到盆地西南部，在川西地區(qū)有較高的輸送值；來自南海的水汽受偏南風(fēng)影響向北輸送，同時受西南低渦的影響，向盆地中間地帶輸送，盆地存在著較強(qiáng)的水汽輻合，為暴雨的持續(xù)發(fā)生提供了充足的水汽來源。

圖1 2011年7月3—6日平均(a)500 hPa位勢高度場(單位：gpm)和(b)整層(地面～300 hPa)水汽通量

2011年7月3—6日期間，西南低渦穩(wěn)定少動且長時期維持(圖2)，對于持續(xù)性暴雨的出現(xiàn)十分有利。從位勢高度場和風(fēng)場疊加場(圖2a、2c和2e)可以看出，由于高原的阻擋，西風(fēng)氣流從高原的南北側(cè)繞流。這在500 hPa(圖2a)和700 hPa(圖2c)圖上尤為顯著。500 hPa層上有低槽東移，槽前的正渦度輸送有利于低層減壓和氣旋性渦度的加大；高原東南側(cè)的西南、偏南氣流加強(qiáng)并在四川盆地形成明顯的輻合(圖2c、2e)，可見低空急流是維持西南低渦的關(guān)鍵因子；850 hPa層上(圖2e)能明顯看出閉合的低值中心，盆地有顯著的輻合氣流區(qū)(圖2f)。對比700 hPa層和850 hPa層上的西南低渦，可以發(fā)現(xiàn)850 hPa層上的西南低渦特征更加顯著(圖2e、圖2f)，這應(yīng)與青藏高原周邊復(fù)雜的下墊面導(dǎo)致的動力作用有關(guān)。四川盆地邊界層頂一般在850 hPa左右[10]，邊界層內(nèi)水平氣壓梯度力、科里奧利力、湍流黏性力三力平衡，邊界層的摩擦作用使得風(fēng)偏離等壓線吹向低壓，氣流在科里奧利力作用下有利于氣旋性渦度的增加，盆地的邊界層摩擦作用有利于低層偏南風(fēng)的氣旋性渦度增加，而低層的強(qiáng)輻合運(yùn)動對于西南低渦的長期維持非常重要。盆地上空對流層中低層為暖濕高能區(qū)，盆地北側(cè)冷空氣活躍，等θse線表現(xiàn)出很強(qiáng)的水平切變(圖2d、圖2f)。在西南低渦的影響下，低空急流帶來的偏南暖濕氣流與來自北方的干冷空氣長時期在盆地交匯，這對于暴雨的持續(xù)發(fā)生有重要意義。

3 持續(xù)性暴雨與低渦的關(guān)系及其物理成因分析

從圖3可以得知，200 hPa層上中緯度地區(qū)盛行西風(fēng)，而低緯盛行東風(fēng)，從緯向風(fēng)u=0線可以看出四川盆地正好位于西風(fēng)急流和東風(fēng)急流切變區(qū)。200 hPa層在40°N附近維持一支高空西風(fēng)急流。從500 hPa層上可以看出四川盆地的渦度始終維持在4×10-5s-1。持續(xù)性暴雨期間，在對流層中低層，昆明—貴陽—重慶—達(dá)州一線一直維持著一支8～12 m·s-1的西南低空急流。暴雨過程期間急流軸左側(cè)都有切變或低渦活動。700 hPa層上在甘肅平?jīng)?、天水、隴南至四川綿陽、德陽一帶為河套小高壓和西太平洋副高之間的切變。出現(xiàn)暴雨的四川盆地地區(qū)處于西南低渦右前方和急流軸左側(cè)。

高空急流入口區(qū)有正的渦度平流，因此相對于高空氣流輻散，低層氣壓降低[11]。由圖4(a、b)可以看出高空輻散氣流隨偏北風(fēng)向南流動，由于從高壓向外流動，氣壓梯度力使高空風(fēng)加強(qiáng)并在東風(fēng)急流的北側(cè)輻合下沉。低層減壓作用使副熱帶高壓北側(cè)的氣壓梯度加大，高壓中的氣流向北流動產(chǎn)生輻合上升氣流并有西南渦生成。同時氣壓梯度力做功又使西南氣流加強(qiáng)。從高空東風(fēng)急流北側(cè)下沉的氣流與低層向北流動的氣流相連接在垂直剖面上構(gòu)成了一個反環(huán)流圈。由于大氣處于潮濕不穩(wěn)定的狀態(tài)，低層輻合上升氣流中伴隨有對流發(fā)展，水汽大量凝結(jié)釋放潛熱產(chǎn)生降水并使低層氣壓降得更低，促使低層的南北氣壓梯度加大，偏南氣流加速更快，結(jié)果導(dǎo)致低空急流的維持。綜上可以看出在這次持續(xù)性暴雨中，高、低空急流對于西南低渦的發(fā)生發(fā)展尤其重要，西南低渦引發(fā)的持續(xù)性暴雨又導(dǎo)致了急流的維持，它們可視為相互作用的一個整體。

圖2 2011年7月3—6日平均500 hPa(a)，700 hPa(c)，850 hPa(e)高度場、風(fēng)場疊加場(單位：gpm)和500 hPa(b)，

700 hPa(d)，850 hPa(f)流場(實(shí)線)、假相當(dāng)位溫(虛線，單位：℃)疊加場。陰影區(qū)為高原地形

圖3 2011年7月4日20時(a)與7月5日20時(b)200 hPa高空急流(圖中陰影處為風(fēng)速≥25 m/s帶)500 hPa渦度

圖4 2011年7月4日20時(a)、5日20時(b)沿105°E的垂直剖面圖

2011年7月3—6日的Q矢量及其散度分布顯示了西南低渦維持暴雨的作用(圖5)。在四川盆地，7月3—6日對流層850 hPa為Q矢量散度的輻合區(qū)，其矢量指向暴雨區(qū)分布。表明當(dāng)西南低渦在四川盆地維持時，大尺度的強(qiáng)迫使暴雨區(qū)上空持續(xù)維持上升運(yùn)動。

圖5 2011年7月3日20時和4日08時850 hPa的Q矢量(箭矢，單位：m2·kg-1·s-1)及其散度

4 持續(xù)性暴雨物理量特征

4.1 各物理量垂直結(jié)構(gòu)分析

圖6是持續(xù)性暴雨期間暴雨區(qū)(103～107°E，29～32°N，下同)各物理量時間—高度剖面圖。通過圖6a可知，3日08時暴雨區(qū)上空輻合出現(xiàn)并繼續(xù)發(fā)展，4日20時過后400 hPa層以下出現(xiàn)強(qiáng)烈的整層輻合，一直持續(xù)到6日20時后低層才轉(zhuǎn)為輻散，高空400 hPa層上一直維持著輻散運(yùn)動，與中低層的輻合運(yùn)動配合不斷形成強(qiáng)對流上升運(yùn)動；暴雨開始后整個對流層基本都是垂直運(yùn)動的上升區(qū)(圖6b)，800～500 hPa層次中均表現(xiàn)為強(qiáng)盛的上升運(yùn)動，如此長時間的上升速度顯然為暴雨持續(xù)提供了非常有利的上升條件。6日20時過后，中低層強(qiáng)輻合中心消失，代之以下沉氣流，上升運(yùn)動減弱消散。相應(yīng)地，大面積降水結(jié)束。

四川盆地位于青藏高原東側(cè)，同時也處在副熱帶高壓邊緣，受大氣環(huán)流影響，來自孟加拉灣和南海繞高原東南側(cè)輸送的水汽大量在此聚集，大氣水分含量高。在比濕(圖6c)的時間—高度剖面圖上，暴雨區(qū)上空中低層比濕含量一直較高，同期相對濕度(圖6d)中低層一直維持較高水平，6日20時過后才趨于較弱。期間暴雨區(qū)上空500～850 hPa呈現(xiàn)出明顯的位勢不穩(wěn)定(圖6e)，500 hPa處維持低值帶，隨著高層干冷空氣逐漸入侵，不穩(wěn)定能量釋放，對流層低層逐漸為冷空氣控制。一個地區(qū)要發(fā)生強(qiáng)降水，必須考慮各個方向輸送來的水汽能否在此集中起來，則要分析水汽的聚集能力，即水汽通量散度(圖6f)，暴雨期間對流層中低層持續(xù)維持著水汽輻合帶，表明暴雨期間有足夠的水汽可供造成降水?？梢姳┯瓿掷m(xù)期間強(qiáng)烈的上升運(yùn)動和較長的持續(xù)時間，將濕空氣塊抬升到對流層中層，易發(fā)生不穩(wěn)定能量釋放造成強(qiáng)烈的對流活動。

圖6 持續(xù)性暴雨期間暴雨區(qū)各物理量時間—高度剖面圖

4.2 螺旋度分析

氣象學(xué)中的螺旋度是一個用于衡量環(huán)境風(fēng)場具有多大沿氣流方向的水平渦度及其貢獻(xiàn)的參數(shù)， 它的大小反映了旋轉(zhuǎn)與沿旋轉(zhuǎn)軸方向運(yùn)動的強(qiáng)弱程度。螺旋度既考慮了大氣旋轉(zhuǎn)、扭曲的特性，同時又考慮了水平和垂直方向的輸送作用，比單一地用渦度或散度描述大氣物理結(jié)構(gòu)，意義更加清晰。近年來，我國氣象工作者研究了螺旋度在大氣運(yùn)動中的貢獻(xiàn)和作用[11-13]。經(jīng)過多年對螺旋度理論的研究與應(yīng)用，在科研及業(yè)務(wù)領(lǐng)域都取得了很多有價(jià)值的成果，指出螺旋度對強(qiáng)對流天氣和大范圍暴雨有較好的指示作用。

本文采用局地垂直螺旋度，其又稱H3t螺旋度。在P坐標(biāo)系中，H3t螺旋度的計(jì)算表達(dá)式為：

(1)

尤紅等[14]對2005年6月廣東發(fā)生的連續(xù)性特大暴雨過程進(jìn)行垂直螺旋度診斷分析，結(jié)果表明：廣東特大暴雨范圍、強(qiáng)度與該地區(qū)上空中低層正、高層負(fù)垂直螺旋度中心迅速增大、減小密切相關(guān)，并和中心增大、減小區(qū)域也有很好的對應(yīng)關(guān)系。楊越奎等[15]對1991年7月時段梅雨鋒暴雨的H3t螺旋度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)螺旋度的水平分布同當(dāng)時雨區(qū)的恰當(dāng)配合，有利于暴雨系統(tǒng)的發(fā)展及維持。

從圖7a暴雨區(qū)局地垂直螺旋度時間—高度剖面看出持續(xù)性暴雨期間對流層中低層為正螺旋度，高層為負(fù)螺旋度，當(dāng)?shù)蛯诱菪戎行呐c高層負(fù)螺旋度中心顯著對應(yīng)配合時暴雨發(fā)展并維持。圖7b為700 hPa層7月3—6日平均局地垂直螺旋度分布，可以看出暴雨期間四川盆地為正螺旋度分布，且與連日發(fā)生降水的區(qū)域?qū)?yīng)得較好，利于暴雨的維持。

圖7 暴雨區(qū)局地垂直螺旋度(單位：10-6hPa·s-2)時間—高度剖面圖(a)和

2011年7月3—6日持續(xù)性暴雨過程3、4日主要集中在盆地西部，4日后逐漸轉(zhuǎn)為盆地中、東部。從圖8a、8b可見，暴雨落區(qū)與該地區(qū)上空中低層正、高層負(fù)局地垂直螺旋度中心有較好的對應(yīng)關(guān)系。而圖8c、8d也顯示了5、6兩日暴雨主要集中在盆地中、東部的情況。

5 結(jié)論

西伸加強(qiáng)的西太平洋副熱帶高壓和中緯度低壓槽的東移，對流層高層強(qiáng)輻散、中層低渦的配合和強(qiáng)勁的偏南風(fēng)暖濕急流與盆地北側(cè)的干冷氣流在四川盆地內(nèi)交匯，在高原東部地區(qū)形成了有利于西南低渦發(fā)展、維持的環(huán)流條件。盆地強(qiáng)降水發(fā)生在高空西風(fēng)急流和東風(fēng)急流、低渦中心與西南低空急流大風(fēng)出口區(qū)之間。在西南低渦的影響下，暴雨期間持續(xù)存在著強(qiáng)烈的對流上升運(yùn)動，對流層低層輻合高層輻散，將高能暖濕氣流抬升到對流層中層，發(fā)生不穩(wěn)定能量釋放又促進(jìn)強(qiáng)烈的對流活動，這對于暴雨的持續(xù)發(fā)生有重要意義。低層正螺旋度中心與高層負(fù)螺旋度中心的對應(yīng)配合對于暴雨落區(qū)和維持有重要作用，螺旋度的水平分布同當(dāng)時雨區(qū)的配合，也有利于暴雨系統(tǒng)的發(fā)展及維持。

圖8 局地垂直螺旋度的垂直分布(單位：10-6hPa·s-2)

2011年7月3日08時(a)、4日08時(b)沿30°N分布，5日08時(c)、6日08時(d)沿32°N分布

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A diagnostic analysis of persistent heavy rain induced by the southwest vortex in Sichuan basin

WANG HongLi1，YI JunLian2

(1.Guizhou Meteorological Service Center， Guiyang 550002；2.Guizhou Institute of Mountain Environment Meteorology， Guiyang 550002)

The influence system and various physical quantity of a persistent torrential rain process in Sichuan basin during 3～6 July 2011 is analyzed by using the 6-hour-interval reanalysis data with 1°×1° resolution from NCEP/NCAR. the results show that Sichuan Basin was influenced by continual low-pressure shortwave troughs，and western Pacific subtropical high shifted westward to the edge of the plateau， formed a favorable large-scale circulation background. The interaction of strong divergence of upper troposphere and Middle-level vortex，the strong southward warm and wet jet and the northerly dry and cold airflow interaction with each other in the Sichuan Basin in the lower troposphere， promote the development and maintenance of Southwestern Vortex. lower-level convergence and upper-level divergence，strong convection，persistent and strong Water vapor transport have significant effect to the maintenance of torrential rain， unstable energy released during the rainstorm which in turn caused the strong convective activity. The helicity has considerable forecasting significance for the rain loading areas and maintenance， heavy rainfall area has a good correspondence with the positive vertical helicity in the lower-level and negative vertical helicity in the upper-level.

Southwestern Vortex；persistent torrential rain；lower-level jet；helicity

2014-07-24

王紅麗(1963—)，女，工程師，主要從事應(yīng)用氣象工作。

西南重大突發(fā)性自然災(zāi)害預(yù)警與防控技術(shù)研究與應(yīng)用(2012 BAD 20B06)。

1003-6598(2015)03-0013-08

P458

A