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，四川 成都 610072；3. 中國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)害四川省重點實驗室，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 資料對西南渦進行氣候分析后指出，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)報員分析研究的重點。陳忠明等[11]指出不同西南渦以及同一西南渦的不同階段，動力和熱力作用對西南渦的發(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、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]對引發(fā)暴雨的4 次西南渦結(jié)構(gòu)特征進行分析，認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一次西南渦進行診斷發(fā)現(xiàn)，對西南渦發(fā)生發(fā)展起主要作用的是水平散度項和水平平流項。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”的動力特征，并且認為西南渦的正渦度可發(fā)展至對流層頂。Fu等[16]通過渦度和能量收支給出了長生命史西南渦演變機理及能量轉(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制。

西南渦可誘發(fā)中尺度對流系統(tǒng)[18-19](Mesoscale Convective System，MCS)強烈發(fā)展，同時MCS也會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流發(fā)展特征及暴雨天氣，認為四個階段的中尺度對流活動階段都伴隨著倒槽和低渦的活動。浦學(xué)敏等[23]和周玉淑等[24]分別對高原渦和西南渦相互作用影響下的四川暴雨個例進行了對比分析，均發(fā)現(xiàn)西南渦活動過程中伴有明顯的MCC 發(fā)展，浦學(xué)敏等[23]認為高原東部地形對低層渦旋的動力強迫抬升產(chǎn)生上升運動，是形成MCC的一種動力機制。目前對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，對西南渦中尺度特征和發(fā)展演變的物理過程認識還不夠完善，近年來，一些氣象學(xué)者利用高精度的觀測資料和再分析資料，對西南渦進行統(tǒng)計和診斷分析后得出一些新的認識。高篤鳴等[26]、程曉龍等[27]分別利用西南渦加密觀測資料和全國汛期高空加密觀測資料進行了數(shù)值模擬試驗，均認為加密探空資料能改善模式對降水和低渦移動路徑的模擬，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 再分析資料對近30 年的九龍渦進行了統(tǒng)計分析，得出了不同生命史九龍渦的時空分布特征和活動規(guī)律，屈頂?shù)萚29]利用ERA-Interim 再分析資料對西南渦之九龍渦進行了細致分析，得出了細分區(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423.2 mm，為四川全省國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特征以及西南渦和MCS 對降雨的影響如何，值得探討，本文利用高分辨率ERA5再分析資料、FY-4A 衛(wèi)星TBB 資料和實況降雨量，重點對西南渦和MCS 的演變過程、垂直結(jié)構(gòu)特征和發(fā)展成因進行診斷分析，以期加深對西南渦和MCS 引發(fā)極端性暴雨的認識。

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 °，時間間隔1 h。地面降雨資料利用國家和區(qū)域自動站逐小時降雨量，以及中國多源降水融合系統(tǒng)(CMPAS) 0.01 °×0.01 °逐小時降水實時融合實況分析產(chǎn)品(資料來源于四川省氣象局數(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]：

濕位渦的表達式為[27-28]：

其中濕正壓項，

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

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，這兩項的增加，都會導(dǎo)致濕等熵面的傾斜，從而增強垂直渦度，對流層低層大的正值MPV2 的移動可作為低空急流和暖濕氣流活動和渦旋活動的示蹤[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為相對渦度；f為柯氏參數(shù)；T為溫度；V為風(fēng)場；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；為渦度垂直輸送項；為渦度扭轉(zhuǎn)項為水平散度項；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541.7 mm。從逐日降雨分布來看(圖1)，10 日20 時—11 日20 時(除標(biāo)明外為北京時間，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)在蘆山的蘆陽鎮(zhèn)，達429.2 mm，最大1 h 雨量達到156.8 mm；11 日20 時—12 日20 時暴雨落區(qū)東擴，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)在蒲江的朝陽湖，達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 個國家站日雨量均超過250 mm，并突破了有氣象記錄以來日降水量極值，其中蘆山達423.2 mm，為全省歷史第2 大日降水量，持續(xù)的強降雨導(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，本次降雨造成的直接經(jīng)濟損失約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

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，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 線從我國東部沿岸加強西伸形成阻擋形勢，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 天暴雨中對流發(fā)展最旺盛時次的中高層形勢來看：11 日03：00(圖2a)，500 hPa 巴湖底部分裂低槽東移至我國西北地區(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 線西進至113 °E 附近，由于副高加強西伸形成阻擋作用以及高空槽的加強，東高西低的形勢較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)，同時高空輻散抽吸作用進一步加強，高層輻散值中心由10×10-5～20×10-5s-1加強至30×10-5s-1以上。

圖2 500 hPa高度場(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)活動特征及對降水的影響

通過分析本次過程逐小時700 hPa 和850 hPa流場和對流云團演變，結(jié)合短時強降水站次統(tǒng)計(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給出了其中代表時次的FY-4A高分辨率TBB 圖像和850 hPa、700 hPa 風(fēng)場，下面結(jié)合表1和圖3、圖4，對中尺度系統(tǒng)演變過程進行分析。

表1 中尺度系統(tǒng)演變過程及對應(yīng)降水情況

圖3 2020年8月10日20:00—12日20:00小時雨強站次和最大雨強

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

11 日00—05 時：西南渦生成并快速發(fā)展階段。隨著對流云團的發(fā)展，中尺度輻合流場加強，至11 日00 時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(圖4j 和圖4k)，西南渦生成后尺度增大、對流云團快速發(fā)展，03時(圖4c)高度場上出現(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，對應(yīng)的中尺度對流云團云頂溫度低于-72 ℃直徑也擴大至200 km。西南渦快速發(fā)展期間是整個過程降雨強度最強的階段，共造成20 mm 以上短時強降水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時出現(xiàn)了本次過程最大的小時降水，高達156.8 mm。

11 日06—10 時：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，流場上西南渦結(jié)構(gòu)不對稱，而MCS 偏向于低渦的北側(cè)(圖4d)。共造成20 mm 以上短時強降水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：西南渦環(huán)流減弱，MCS 隨低空急流北抬。11 時(圖4e)，共造成20 mm 以上短時強降水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，雖然相對于西南渦初生發(fā)展階段略微遜色，但強度仍非常大，這一階段強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，地形抬升對降水有明顯的增幅作用[6]有關(guān)。

11日19時—12日03時：西南渦再次發(fā)展增強階段。11 日19 時(圖4f)，隨著盆地西北部逐漸轉(zhuǎn)為東北和偏東氣流，850 hPa 輻合流場重新加強，低渦和伴隨的對流云團開始再次發(fā)展，22 時(圖4g)，低渦云團發(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，對流云團偏向于低渦西側(cè)和北側(cè)，12 日03 時低渦和對流云團均發(fā)展至最強，850 hPa 低渦中心位勢高度為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，低渦和對流云團結(jié)構(gòu)均比較對稱，尺度達500 km×500 km。這一階段短時強降水出現(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：西南渦減弱填塞階段。04 時開始對流云團減弱，云頂溫度小于-72 ℃的范圍減小，伴隨對流云團的減弱，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(圖4i)，同時有高空槽云系東移合并，因此這一階段短時強降水持續(xù)的時間仍比較長，20 mm以上共698 站次，占本次過程的25.7%，但強度明顯減弱，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(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)活動經(jīng)歷了中尺度輻合擾動-西南渦生成發(fā)展-低空急流影響-西南渦再次發(fā)展增強等4個階段，其中西南渦兩個階段的發(fā)展對降水影響最大。10日夜間西南渦是隨MCS 發(fā)展和強降水而生成，為“雨生渦”，低渦生成后低渦環(huán)流和MCS 都迅速發(fā)展，所造成的降雨強度在整個過程中最大，11日夜間，再次發(fā)展增強的西南渦更加深厚，850 hPa 和700 hPa 同時出現(xiàn)了低渦，引發(fā)了第二波強降水，降雨范圍超過了西南渦初生階段，但降雨強度明顯不及第一階段，強對流云團維持的時間也不長，在西南渦發(fā)展至最強的下一個時次，對流云團即開始減弱。為進一步探討西南渦的演變特征及造成上述降雨強度變化的原因，本文選取西南渦演變階段的代表時次，在第4～5 小節(jié)中對西南渦的垂直結(jié)構(gòu)和發(fā)展原因進行分析，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)展時次，11 日22:00、12日03:00分別代表西南渦再次發(fā)展和強盛時次。

5 西南渦垂直結(jié)構(gòu)特征

西南渦初生時刻(圖5a)，西南渦中心區(qū)域上升運動發(fā)展至對流層頂，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，散度值達到了24×10-5s-1，高層強的抽吸作用將促使低層輻合增長。假相當(dāng)位溫分布來看(圖7a)，在中低層400 hPa 以下值達到了14 K，并且在850～500 hPa MPV1＜0(圖6)，同時中心值達到了-1 PVU，MPV2＜0，說明大氣對流不穩(wěn)定較強，西南渦區(qū)域內(nèi)隨著高度上升有濕舌發(fā)展，低層比濕達到了16 g/kg。

西南渦快速發(fā)展時(圖5b)，偏南氣流北上在西南渦區(qū)域內(nèi)輻合上升發(fā)展至對流層頂，加強了西南渦發(fā)展，12×10-5s-1以上的正渦度柱較初生時刻發(fā)展高度略有上升，達到了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)和初生時次無明顯變化，正渦度柱內(nèi)低層輻合層高度和強度與初生時次也基本一致，負散度中心仍為-8×10-5s-1，主要位于850～700 hPa，但高層輻散略有加強，200 hPa 輻散中心值達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(圖5c)，西南渦區(qū)域內(nèi)上升氣流顯著加強并發(fā)展至對流層頂，西南渦對應(yīng)的正渦度柱強度也較初生發(fā)展階段明顯增強，中心值達到了32×10-5s-1，發(fā)展高度達到400 hPa，正渦度柱內(nèi)“低層輻合-中高層輻散”的動力特征強烈發(fā)展，500 hPa 輻散值為12×10-5s-1，低層850～700 hPa 輻合中心負散度值達到了-20×10-5s-1，較初生發(fā)展階段明顯加強。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，說明此時低渦區(qū)域內(nèi)大氣斜壓性較強[29]，低層暖濕氣流加強，比濕增加至18 g/kg。

西南渦再次發(fā)展至強盛時刻(圖5d)，西南氣流在西南渦區(qū)域內(nèi)輻合上升進一步加強，西南渦正渦度柱進一步發(fā)展增強，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，達到了500 hPa，同時“低層輻合-中高層輻散”動力特征也顯著增強，500 hPa 以下為強輻合區(qū)域，負散度中心值增大至-34×10-5s-1，高層輻散也有增強，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 進一步加大，出現(xiàn)了1 PVU 以上的正值中心，大氣斜壓性進一步加大[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(紅色小框為850 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—12日08時西南渦區(qū)域平均MPV1(a)和MPV2(b)時間-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個經(jīng)緯距為半徑的范圍格點進行算術(shù)平均)

圖7 同圖5，但為假相當(dāng)位溫(黑色實線，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，整個西南渦活動期間，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”的動力機制相對

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，主要討論動力、熱力對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 個經(jīng)緯距為半徑的范圍格點進行算術(shù)平均進行分析。

圖8 為西南渦兩個發(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)展時刻以及再次發(fā)展和強盛時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。黑色框為西南渦渦心位置。

初始發(fā)展階段(圖8a)，西南渦區(qū)域內(nèi)地表潛熱通量值達到10×106～12×106J/m2，同時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，促進西南渦的生成和發(fā)展。同時從溫度平流垂直剖面分析也可以看到(圖略)，在整個西南渦的形成、發(fā)展階段，西南渦區(qū)域內(nèi)各個層次均為暖平流控制，說明該階段沒有冷空氣影響，是一個暖區(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達到最大。Q2整層幾乎均為正值，并在600 hPa 達到了最大，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 達到最大3～4 K/h。對流層高層感熱和凝結(jié)潛熱加熱使得高層增溫，高層增溫加強了高空質(zhì)量的外流，高層出流的加強，使得地面減壓，進一步增強西南渦的發(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，中高層冷空氣入侵。

6.2 動力作用

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度。下面分別對各時次西南渦活動范圍進行區(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西南渦發(fā)展的因子進行討論。

表2 總渦度收支及各項區(qū)域平均值 單位：10-9 s-2。

西南渦初次生成時次(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。渦度平流項各層均為弱的負值，表明渦度平流作用并不明顯；垂直輸送項在850 hPa正渦度輸送達到了1.8×10-9s-2，將正渦度向上輸送，但其700 hPa即轉(zhuǎn)為負值，不利于低渦的深厚發(fā)展；渦度扭轉(zhuǎn)項在850 hPa 的值為-2.4×10-9s-2，700 hPa 轉(zhuǎn)為正值，該項有利于700 hPa以下層次氣旋性環(huán)流發(fā)展；拉伸項在低層為較強正值，700 hPa 和850 hPa 分別為1.5×10-9s-2和1.8×10-9s-2，中層500 hPa 為負值，該項垂直分布形成“低層輻合、中層輻散”配置，利于低層正渦度發(fā)展。這一時次渦度發(fā)展的主要貢獻是850 hPa的拉伸項和垂直輸送項，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)展時次(11 日03:00)，總渦度值在對流層低層為正值，特別是700 hPa正渦度明顯增強。渦度平流項在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)項在低層850 hPa維持負值、700 hPa以上轉(zhuǎn)為正值，有利于低層氣旋性環(huán)流；拉伸項在700 hPa、850 hPa 的正值加強，500 hPa 負值也加大，低層輻合、中層輻散的動力機制加強。印證了該時刻西南渦環(huán)流在850 hPa發(fā)展，同時700 hPa氣旋性環(huán)流加強。

西南渦再次發(fā)展時次(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500 hPa 轉(zhuǎn)為正值，有利于低層加壓；垂直輸送項在700 hPa、500 hPa 為正值，特別是700 hPa 向上輸送的渦度平流值達到了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)展的機制增強；低層的拉伸項值達到了4×10-9s-2，500 hPa達到了-1.8×10-9s-2，有利于低層輻合、中層輻散的動力機制進一步加強。渦度平流垂直向上輸送正渦度的高度上升至500 hPa，同時有利于700 hPa、850 hPa 氣旋性環(huán)流輻合發(fā)展的動力機制進一步加強，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)展強盛時次(12 日03:00)，總渦度值整層均顯著增強，尤其500 hPa 的增長明顯，達到了3.5×10-9s-2。500 hPa 渦度平流項正值加大至1×10-9s-2；垂直輸送項在700 hPa、500 hPa 乃至300 hPa 的正渦度平流向上輸送加強，特別是500 hPa 值達到了6×10-9s-2，渦度扭轉(zhuǎn)項除850 hPa 為正值外，其余層次均為負值，有利于700～300 hPa層氣旋性環(huán)流的發(fā)展；拉伸項在低層的值也進一步增大，尤其在700 hPa 達到了6×10-9s-2，有利于輻合運動的機制一直發(fā)展到300 hPa，300 hPa 以上才轉(zhuǎn)為負值，有利于300 hPa層次以上的輻散運動發(fā)展。渦度平流垂直輸送正渦度的層次上升至300 hPa，同時有利于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)流輻散的動力機制加強，使得西南渦的正渦度柱發(fā)展至300 hPa，正渦度中心強度也達到了各個時次的最強。

7 結(jié) 論

通過對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)活動特征及對降水影響的分析，進一步探討了西南渦的結(jié)構(gòu)特征及其發(fā)展原因，得到以下幾點結(jié)論。

(1) 本次過程發(fā)生在副高加強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)活動經(jīng)歷了中尺度輻合擾動-西南渦生成發(fā)展-低空急流影響-西南渦再次發(fā)展增強等4個階段，其中西南渦兩個階段的發(fā)展對降水影響最大。10 日夜間西南渦是隨MCS發(fā)展和強降水而生成，為“雨生渦”，低渦生成后低渦環(huán)流和MCS 都迅速發(fā)展，所造成的降雨強度在整個過程中最大，11日夜間，再次發(fā)展增強的西南渦更加深厚，850 hPa 和700 hPa 同時出現(xiàn)了低渦，引發(fā)了第二波強降水，降雨范圍超過了西南渦初生階段，但降雨強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)潛熱加熱以及強暖濕平流均比較顯著，低層暖濕平流較強，對流不穩(wěn)定度大，θse850-θse400值達14 K，西南渦正渦度發(fā)展的貢獻主要來自低層渦度拉伸項和扭轉(zhuǎn)項，由于低層輻合相對較弱，正渦度柱高度僅發(fā)展至500 hPa。