誘發(fā)四川盆地極端暴雨的西南渦環(huán)流背景和結(jié)構(gòu)特征*

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，成都 610072 2 四川省氣象臺(tái)，成都 610072 3 中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所， 成都 610072 4 高原與盆地氣象災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072

提 要： 利用降雨實(shí)況和EAR5再分析資料，統(tǒng)計(jì)1981—2020年四川盆地出現(xiàn)的19次西南渦誘發(fā)極端暴雨個(gè)例，對(duì)其發(fā)生的環(huán)流背景和西南渦結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)合成分析，結(jié)果表明：西南渦誘發(fā)極端暴雨過(guò)程中，西南渦生命史為48～132 h，極端暴雨一般是在西南渦生成后18 h內(nèi)開(kāi)始。形成西南渦的環(huán)流背景可分為東高西低型和西風(fēng)波動(dòng)型兩類；東高西低型南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱副高)均較強(qiáng)，500 hPa貝加爾湖低槽南端與高原低槽疊加形成深厚低槽，四川盆地位于槽前和副高西側(cè)；西風(fēng)波動(dòng)型副高位于140°E以東，南壓高壓較東高西低型更偏西偏南，四川盆地受青藏高原低槽東移影響；兩種類型均存在一支孟加拉灣—南?！拇ㄅ璧氐乃斔屯ǖ溃渲袞|高西低型水汽輸送更強(qiáng)。東高西低型背景下西南渦強(qiáng)度更強(qiáng)、范圍更大，在垂直方向上具有深厚暖心結(jié)構(gòu)，風(fēng)場(chǎng)不對(duì)稱分布深厚；西風(fēng)波動(dòng)型背景下西南渦具有“上冷-中暖-下較冷”的溫度異常分布，風(fēng)場(chǎng)不對(duì)稱性僅維持在低層；兩種類型共同特征是低層顯著高能高濕，正渦度柱內(nèi)為“低層輻合-高層輻散”動(dòng)力結(jié)構(gòu)。

引 言

四川盆地位于青藏高原東側(cè)，是我國(guó)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，暴雨常引發(fā)山洪和泥石流等自然災(zāi)害，尤其是極端暴雨引發(fā)的災(zāi)害更為嚴(yán)重，對(duì)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活甚至生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅(譚小平，2013；陳紅專，2021)。西南渦是四川盆地極端暴雨過(guò)程中的重要天氣系統(tǒng)之一(肖遞祥等，2017;肖紅茹等，2021)，“81·7”特大暴雨(程麟生和郭英華，1988)、2004年9月4—6日川東北持續(xù)大暴雨(于波和林永輝，2008)、2013年“6·30”(孫俊等，2014)川渝特大暴雨、2013年7月8—9日四川盆地西部特大暴雨(孫建華等，2015)等過(guò)程中，西南渦都引發(fā)了超歷史紀(jì)錄的極端暴雨。

西南渦是在特殊的地理環(huán)境與區(qū)域環(huán)流背景下，生成于青藏高原東側(cè)的川西高原和四川盆地700 hPa或850 hPa等壓面的氣旋式低壓系統(tǒng)(盧敬華，1986；徐裕華，1991)。西南渦大多在原地活動(dòng)，少數(shù)可以移出渦源，在四川盆地和長(zhǎng)江中下游地區(qū)引發(fā)大范圍的暴雨和強(qiáng)對(duì)流天氣(李躍清和徐祥德，2016；高守亭和周玉淑，2019；劉金卿和李子良，2020；何光碧，2012；李國(guó)平，2021；李超等，2018)。關(guān)于西南渦引發(fā)暴雨的結(jié)構(gòu)特征，廣大氣象工作者已進(jìn)行了大量的個(gè)例研究，韋統(tǒng)健和薛建軍(1996)認(rèn)為西南渦是一個(gè)很強(qiáng)的斜壓系統(tǒng)，存在顯著的南北向溫度梯度。陳忠明等(1998)研究表明，成熟的西南渦是一個(gè)深厚的系統(tǒng)，正渦度可伸展至100 hPa以上，同時(shí)也是一個(gè)準(zhǔn)圓形而非對(duì)稱的中尺度系統(tǒng)?？祶沟?2011)分析了4次暴雨過(guò)程的西南渦特征，認(rèn)為在西南渦形成階段，整層均為正渦度，一般維持深厚的上升氣流，具有較為深厚的暖心結(jié)構(gòu)。在其發(fā)展旺盛階段，正渦度呈上升趨勢(shì)，對(duì)流層中低層轉(zhuǎn)為冷心結(jié)構(gòu)，中高層則以暖心結(jié)構(gòu)為主。江玉華等(2012)對(duì)6次西南渦進(jìn)行合成分析，指出西南渦熱力結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為200 hPa明顯增暖，對(duì)流層中低層則由暖轉(zhuǎn)冷；動(dòng)力結(jié)構(gòu)具有槽前正渦度加強(qiáng)，伸展高度達(dá)到300 hPa以上，且正渦度中心隨高度向西傾斜等特征。陳貴川等(2018)研究了一次冷性停滯型西南渦結(jié)構(gòu)演變特征，認(rèn)為西南渦成熟階段，高低層正渦度柱幾乎垂直耦合，水平流場(chǎng)上表現(xiàn)為近圓形。

以上研究加深了對(duì)引發(fā)暴雨的西南渦動(dòng)力、熱力結(jié)構(gòu)和演變特征的認(rèn)識(shí)，但以往的研究大多針對(duì)單次個(gè)例，或者合成分析的個(gè)例次數(shù)較少、所使用的資料分辨率較低，且沒(méi)有專門(mén)針對(duì)極端暴雨進(jìn)行合成分析。為加強(qiáng)對(duì)西南渦誘發(fā)極端暴雨天氣的研究，本文選取1981—2020年四川盆地出現(xiàn)的19次西南渦誘發(fā)的極端暴雨個(gè)例，使用高精度的EAR5再分析資料對(duì)其發(fā)生的環(huán)流背景和西南渦三維環(huán)流、動(dòng)力、熱力結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)合成分析，以期對(duì)西南渦誘發(fā)極端暴雨的基本特征得到一些新的認(rèn)識(shí)。

1 資料和方法

1.1 資 料

高空分析資料利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心第五代大氣再分析資料(ERA5)，垂直方向27層，水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間間隔為1 h。地面降雨資料利用1981—2020年四川盆地103個(gè)國(guó)家站逐日和逐小時(shí)實(shí)況觀測(cè)降雨量。文章中所涉及地圖已由四川省測(cè)繪地理信息局審核，審核號(hào)為川S(2021)00009號(hào)。

1.2 方 法

極端暴雨個(gè)例統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：日降雨(20—20時(shí)或08—08時(shí))有一站≥250 mm，即為一個(gè)極端暴雨個(gè)例，當(dāng)20—20時(shí)和08—08時(shí)同時(shí)出現(xiàn)，以最大降雨時(shí)段統(tǒng)計(jì)為一個(gè)個(gè)例。

西南渦標(biāo)準(zhǔn)參照李躍清等(2015)西南渦年鑒統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):700 hPa等壓面，在青藏高原背風(fēng)坡(26°～33°N、99°～109°E)出現(xiàn)風(fēng)向呈氣旋式環(huán)流的完整低渦即為西南渦。

西南渦誘發(fā)極端暴雨個(gè)例統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：西南渦同時(shí)或先于極端暴雨出現(xiàn)，且在極端暴雨出現(xiàn)時(shí)段內(nèi)，6 h間隔的再分析資料有連續(xù)2個(gè)以上的時(shí)次出現(xiàn)西南渦，并至少有一個(gè)以上≥250 mm降雨站點(diǎn)距離西南渦中心200 km范圍內(nèi)。

西南渦發(fā)生天氣背景分型：通過(guò)普查西南渦誘發(fā)極端暴雨發(fā)生的500 hPa環(huán)流背景，可分為東高西低型和西風(fēng)波動(dòng)型。東高西低型是指我國(guó)東部地區(qū)為西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)控制，我國(guó)西部地區(qū)為低值系統(tǒng)，四川盆地受青藏高原低槽和西北槽東移的共同影響；西風(fēng)波動(dòng)型是指副高位置較為偏東，我國(guó)中緯度地區(qū)為西風(fēng)帶波動(dòng)氣流控制，四川盆地受青藏高原低槽東移影響。

文中大尺度環(huán)流形勢(shì)合成采用算數(shù)平均方法，其結(jié)構(gòu)特征采用動(dòng)態(tài)合成方法進(jìn)行分析，具體方法(曾波等，2017)如下：

(1)

2 結(jié)果分析

1981—2020年共出現(xiàn)53次極端暴雨，其中28次有西南渦直接影響。有4次是極端暴雨先于西南渦出現(xiàn)，不符合西南渦誘發(fā)極端暴雨個(gè)例要求。3次為連續(xù)兩天出現(xiàn)的，為避免重復(fù)分析，僅選取降雨極值最大的一天作為代表。另有2次為高原渦與西南渦耦合共同影響的個(gè)例，這類過(guò)程本文暫不做討論。因此本文實(shí)際選取了19次由西南渦誘發(fā)的極端暴雨個(gè)例進(jìn)行分析。

在19次西南渦誘發(fā)極端暴雨過(guò)程中(表1)，極端暴雨多發(fā)生在20—20時(shí)時(shí)段內(nèi)，共14次，僅有5次發(fā)生在08—08時(shí)時(shí)段內(nèi)。從降雨量本站歷史排位來(lái)看，27站次日雨量超過(guò)250 mm的降雨中有20站次在本站歷史排位為第一，其余7站次列第二至第四位，足以說(shuō)明西南渦是誘發(fā)四川盆地極端暴雨的主要影響系統(tǒng)。

表1 1981—2020年西南渦誘發(fā)四川盆地極端暴雨個(gè)例Table 1 Cases of extreme rainstorm induced by southwest vortex in Sichuan Basin from 1981 to 2020

陶詩(shī)言等(2000)認(rèn)為西南渦的活動(dòng)與副高西北側(cè)和中緯度西風(fēng)槽前的西南氣流密切相關(guān)。通過(guò)普查上述西南渦誘發(fā)極端暴雨發(fā)生的環(huán)流背景，發(fā)現(xiàn)500 hPa主要有兩種形勢(shì)：一種是我國(guó)東部地區(qū)為副高控制，西部地區(qū)為低值系統(tǒng)影響(以下簡(jiǎn)稱“東高西低”型)，與肖遞祥等(2017)分析的極端暴雨主要環(huán)流背景類似；另一種是副高位置較為偏東，我國(guó)中緯度地區(qū)為西風(fēng)帶波動(dòng)氣流控制(以下簡(jiǎn)稱“西風(fēng)波動(dòng)”型)。其中有15次發(fā)生在東高西低形勢(shì)下，暴雨發(fā)生在副高邊緣，且多出現(xiàn)在7月，占比約53%，4次發(fā)生在副高位置偏東偏南的西風(fēng)波動(dòng)形勢(shì)下，多發(fā)生在6月，占比約50%。西南渦誘發(fā)極端暴雨過(guò)程中，西南渦生命史在48～132 h。西南渦出現(xiàn)0～18 h內(nèi)誘發(fā)極端暴雨發(fā)生。

圖1為兩類環(huán)流背景下的24 h雨量合成和極端暴雨落區(qū)分布，可以看到東高西低型(圖1a)暴雨中心以盆地西部的樂(lè)山—成都—綿陽(yáng)一線為主，合成平均雨量50 mm以上的區(qū)域也位于盆地西部，但盆地大部的平均雨量都達(dá)到了25 mm以上，250 mm以上的極端暴雨以盆地西部最多(11站次)，其次是盆地東北部(6站次)。西風(fēng)波動(dòng)型的暴雨中心以及合成平均雨量50 mm以上的區(qū)域均位于盆地南部的宜賓—內(nèi)江一線(圖1b)，25 mm以上的范圍比東高西低型更小，位于盆地南部和西部沿山地區(qū)。說(shuō)明東高西低型暴雨影響范圍更廣，對(duì)盆地西部影響最大，西風(fēng)波動(dòng)型暴雨對(duì)盆地南部影響最大。

圖1 1981—2020年西南渦誘發(fā)極端暴雨的平均24 h雨量合成(填色)和極端暴雨落區(qū)(黃色三角)(單位：mm)(a)東高西低型，(b)西風(fēng)波動(dòng)型Fig.1 The average 24 h rainfall (colored) and the area (yellow triangle) of extreme rainstorm induced by different types of southwest vortex from 1981 to 2020 (unit: mm)(a) the east high west low type, (b) the low trough type

3 環(huán)流形勢(shì)分析

按照500 hPa環(huán)流背景，將西南渦誘發(fā)極端暴雨的環(huán)流背景分為了東高西低型(15次)和西風(fēng)波動(dòng)型(4次)兩種類型。東高西低型的副高588 dagpm平均脊線位于25°N、西脊點(diǎn)位于115°E附近，貝加爾湖低槽南端與高原低槽疊加，四川盆地位于副高西側(cè)和高空槽前(圖2a)；200 hPa南亞高壓中心位于30°N、95°E附近，高壓強(qiáng)度為1255 dagpm，四川盆地受完整的高壓環(huán)流控制(圖2b)。西風(fēng)波動(dòng)型500 hPa 副高588 dagpm位于140°E以東(圖2c)，586 dagpm位于130°E附近，我國(guó)中緯度地區(qū)為西風(fēng)帶系統(tǒng)所控制，四川盆地受青藏高原東移的低槽影響；200 hPa南亞高壓中心位于29°N、85°E，中心強(qiáng)度為1255 dagpm，與東高西低型相比，南亞高壓位置更為偏西，四川盆地位于南亞高壓中心東側(cè)(圖2d)。

圖2 (a,c)500 hPa和(b,d)200 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)(a,b)東高西低型,(c,d)西風(fēng)波動(dòng)型Fig.2 The mean geopotential height field (contour, unit: dagpm) at (a, c) 500 hPa and (b, d) 200 hPa(a, b) the east high west low type, (c, d) the low trough type

分析850 hPa(圖3b和3d)和700 hPa(圖3a和3c)合成平均水汽通量及散度分布可以看出，兩類環(huán)流背景影響下水汽輸送通道類似，850 hPa水汽主要來(lái)自孟加拉灣和南海，700 hPa水汽主要來(lái)自孟加拉灣，經(jīng)云貴地區(qū)向四川盆地輸送。不同的是，西風(fēng)波動(dòng)型在孟加拉灣—南海一帶的水汽通量值更大，850 hPa和700 hPa分別達(dá)(14～18)×10-2和(8～10)×10-2g·s-1·cm-1·hPa-1，較東高西低型大(2～4)×10-2g·s-1·cm-1·hPa-1，但850 hPa從南海—貴州一帶和700 hPa從云貴地區(qū)北上向四川盆地輸送的水汽卻是東高西低型更強(qiáng)，分別達(dá)(10～16)×10-2和(6～10)×10-2g·s-1·cm-1·hPa-1，較西風(fēng)波動(dòng)型大(4～6)×10-2g·s-1·cm-1·hPa-1。水汽輸送至四川盆地形成了明顯輻合，受龍門(mén)山地形影響，兩種類型均在盆地西部沿山地區(qū)輻合最強(qiáng)。850 hPa水汽輻合較700 hPa更為顯著，且與圖1中暴雨中心和合成平均降雨量分布基本一致。東高西低型在盆地西部沿山地區(qū)850 hPa水汽通量散度值達(dá)到了(-12～-8)×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1，其次在盆地東北部，也存在一個(gè)-8×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1以上的輻合中心，兩個(gè)輻合中心分別與兩個(gè)暴雨中心相對(duì)應(yīng)；西風(fēng)波動(dòng)型則是在盆地西部沿山地區(qū)和盆地南部出現(xiàn)了水汽輻合中心，強(qiáng)度與東高西低型的兩個(gè)中心值相當(dāng)，但盆地西部沿山地區(qū)的水汽輻合帶明顯比東高西低型更窄，對(duì)應(yīng)平均降雨量和暴雨中心頻次均更低，盆地南部的輻合中心與暴雨中心基本對(duì)應(yīng)。

圖3 (a,c)700 hPa,(b,d)850 hPa平均水汽通量(箭矢和等值線，單位：10-2 g·s-1·cm-1·hPa-1)和水汽通量散度(填色，僅顯示負(fù)值，單位：10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1)(a,b)東高西低型,(c,d)西風(fēng)波動(dòng)型(灰色陰影為青藏高原地形)Fig.3 The mean water vapor flux (arrow vector and contour, unit: 10-2 g·s-1·cm-1·hPa-1) and water vapor flux divergence (colored, negative values only, unit: 10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1) at (a, c) 700 hPa, (b, d) 850 hPa(a, b) the east high west low type, (c, d) the low trough type(gray shadow: Tibetan Plateau)

4 西南渦空間結(jié)構(gòu)特征

4.1 水平特征

圖4為兩種背景下700 hPa風(fēng)場(chǎng)和高度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)合成(緯向相對(duì)坐標(biāo)從左向右表示自西向東，經(jīng)向相對(duì)坐標(biāo)從下到上表示從南向北,下同)。東高西低型背景下的西南渦高度場(chǎng)中心強(qiáng)度更強(qiáng)(圖4a)，環(huán)流結(jié)構(gòu)更完整，700 hPa中心強(qiáng)度為307 dagpm，最外圍閉合等高線為308.5 dagpm，具有東北—西南向的長(zhǎng)軸特征，按最外圍閉合等高線來(lái)看，長(zhǎng)軸約8個(gè)緯度，短軸約6個(gè)經(jīng)度，長(zhǎng)軸方向上兩側(cè)有明顯的不對(duì)稱性，這與盧敬華和雷小途(1996)的研究一致，西南渦是一個(gè)呈近圓形而非對(duì)稱的中尺度系統(tǒng)。風(fēng)場(chǎng)上結(jié)構(gòu)不對(duì)稱顯著，其東南象限風(fēng)速顯著強(qiáng)于西北象限，東南象限的風(fēng)速普遍在6～11 m·s-1，最大風(fēng)速為11 m·s-1，而西北象限的風(fēng)速普遍僅為2～4 m·s-1，兩者風(fēng)速的最大值差為9 m·s-1。

圖4 平均700 hPa風(fēng)場(chǎng)(箭矢，彩色陰影為≥6 m·s-1的風(fēng)速)和位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)(a)東高西低型,(b)西風(fēng)波動(dòng)型(黑色圓點(diǎn)為合成西南渦中心，下同)Fig.4 Average 700 hPa wind field (arrow vector, colored: ≥6 m·s-1) and geopotential height field (contour, unit: dagpm)(a) the east high west low type, (b) the low trough type(Black dot is the center of the southwest vortex, the same below)

西風(fēng)波動(dòng)型背景下的西南渦高度場(chǎng)中心強(qiáng)度較東高西低型略弱(圖4b)，尺度更小，中心強(qiáng)度為307.5 dagpm，最外圍閉合等高線為308.5 dagpm，在高度場(chǎng)上具有東北—西南向的長(zhǎng)軸特征，長(zhǎng)軸約6個(gè)緯度，短軸約4個(gè)經(jīng)度。風(fēng)場(chǎng)上結(jié)構(gòu)也呈不對(duì)稱分布，但不對(duì)稱性強(qiáng)度小于東高西低型，其東南象限最大風(fēng)速僅為6～9 m·s-1，且范圍較小，西北象限風(fēng)速為2～4 m·s-1，兩者風(fēng)速差的最大值為7 m·s-1。

兩種背景下的西南渦均具有東北—西南向的長(zhǎng)軸特征特征，與劉沖和趙平(2020)的研究結(jié)果類似，與江玉華等(2012)對(duì)四川盆地西南渦暴雨過(guò)程合成分析結(jié)果不同的是，引發(fā)極端性暴雨的西南渦右側(cè)偏南風(fēng)風(fēng)速明顯更強(qiáng)。

4.2 垂直結(jié)構(gòu)特征

4.2.1 位勢(shì)高度、溫度、風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征

進(jìn)一步分析西南渦中心高度、溫度異常垂直剖面，異常值為等壓面上西南渦合成區(qū)域內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)溫度或位勢(shì)高度值減去該合成區(qū)域的平均值(屈頂和李躍清，2021)，合成區(qū)域以西南渦為圓心，半徑10個(gè)經(jīng)緯距，即緯向相對(duì)坐標(biāo)[-10°,10°]、經(jīng)向相對(duì)坐標(biāo)[-10°,10°]區(qū)域內(nèi)。

圖5為動(dòng)態(tài)合成的高度和溫度異常分布(圖中緯向相對(duì)坐標(biāo)從左到右表示自西向東，經(jīng)向相對(duì)坐標(biāo)從左到右表示從南向北，下同)。東高西低型背景下的西南渦在溫度場(chǎng)上是一個(gè)深厚的暖性低渦(圖5a，5b)，暖層高度達(dá)到了150 hPa，暖中心位于低渦正上方的400～300 hPa，暖中心溫度偏暖達(dá)3.5 K。暖層之上的對(duì)流層頂是冷層，并有-2.5 K的冷中心。這與屈頂和李躍清(2021)的研究一致，但東高西低型暖層強(qiáng)度略強(qiáng)，暖層高度更高。西南渦北側(cè)對(duì)流層中低層為冷區(qū)，冷區(qū)前沿位于西南渦中心北側(cè)2個(gè)緯距。高度場(chǎng)上，西南渦區(qū)域內(nèi)500 hPa 以下為負(fù)異常區(qū)，并有-4 dagpm異常中心配合，500 hPa以上為正異常區(qū)，200～150 hPa有6 dagpm異常中心。西風(fēng)波動(dòng)型背景下的西南渦溫度場(chǎng)暖層厚度較東高西低型偏弱(圖5c，5d)，從低層至高層呈“較冷-暖-冷”的異常分布，700 hPa以下受西北側(cè)的冷空氣影響，為冷區(qū)，700～200 hPa為暖區(qū)，并在300 hPa有2.5～3 K的暖中心，暖中心位于低渦中心西南方向上空，再向上轉(zhuǎn)為冷區(qū)。高度場(chǎng)600 hPa以下為負(fù)異常區(qū)，并有-2 dagpm異常中心配合，負(fù)異常區(qū)較東高西低型偏弱，其上為正異常區(qū)，200～150 hPa有6 dagpm異常中心。

圖5 西南渦位勢(shì)高度(等值線，單位：dagpm)和溫度(填色)異常的垂直剖面(a，b)東高西低型；(c,d)西風(fēng)波動(dòng)型Fig.5 Vertical profile of southwest vortex geopotential height (contour, unit: dagpm) and temperature (colored) anomalies(a, b) the east high west low type, (c, d) the low trough type

對(duì)比兩種背景下西南渦的溫度、高度異常值三維結(jié)構(gòu)，東高西低型的暖層較西風(fēng)波動(dòng)型更為深厚，東高西低型是一個(gè)深厚的暖性低渦，有“上冷-中下暖”結(jié)構(gòu)，西風(fēng)波動(dòng)型呈“下較冷-中暖-上冷”結(jié)構(gòu)，同時(shí)中低層高度場(chǎng)的負(fù)異常值也顯著大于西風(fēng)波動(dòng)型。

西南渦的垂直速度在整個(gè)對(duì)流層都表現(xiàn)為上升氣流，最大上升氣流中心位于低渦區(qū)附近(劉紅武等，2016)。圖6為西南渦風(fēng)場(chǎng)動(dòng)態(tài)合成緯向(經(jīng)向)垂直剖面，在緯向相對(duì)坐標(biāo)圖上，東高西低型背景下的西南渦東側(cè)850～300 hPa為南風(fēng)(圖6a)，最大風(fēng)速位于700 hPa，達(dá)9 m·s-1。對(duì)流層高層為強(qiáng)北風(fēng)，150 hPa有北風(fēng)中心，風(fēng)速為16 m·s-1。西南渦西側(cè)從低層到高層有弱北風(fēng)。西南渦南北風(fēng)不對(duì)稱分布較為深厚,從850 hPa維持至400 hPa。上升速度最大為1.8 hPa·s-1，上升運(yùn)動(dòng)高度達(dá)到了150 hPa，最大上升速度位于低渦中心東側(cè)和北側(cè)1個(gè)經(jīng)緯距范圍內(nèi)。西風(fēng)波動(dòng)型東側(cè)的南風(fēng)風(fēng)速?gòu)?qiáng)度和達(dá)到的高度均弱于東高西低型(圖6c)，其東側(cè)南風(fēng)最大風(fēng)速為8 m·s-1，400 hPa以上為北風(fēng)，北風(fēng)中心也位于150 hPa，風(fēng)速僅為12 m·s-1。但其西側(cè)的北風(fēng)強(qiáng)度強(qiáng)于東高西低型，西南渦南北風(fēng)分布僅在850～600 hPa呈不對(duì)稱分布。上升速度的強(qiáng)度和高度均弱于東高西低型，其上升運(yùn)動(dòng)高度只達(dá)到300 hPa附近。

圖6 西南渦(a，c)南北風(fēng)，(b，d)東西風(fēng)(等值線，單位：m·s-1)和上升速度(填色)的垂直剖面(a，b)東高西低型，(c,d)西風(fēng)波動(dòng)型Fig.6 (a, c) The south-north wind， (b, d) the east-west wind (contour, unit: m·s-1) and vertical profile of rising velocity (colored)(a, b) the east high west low type， (c, d) the low trough type

經(jīng)向相對(duì)坐標(biāo)上，東高西低型的西南渦中心600 hPa以下北側(cè)為弱的東風(fēng)(圖6b)，最大風(fēng)速僅為2 m·s-1，南側(cè)有較強(qiáng)西風(fēng)，風(fēng)速為6 m·s-1，氣流在低層呈氣旋式環(huán)流特征。北側(cè)上空有強(qiáng)西風(fēng)帶，中心風(fēng)速為40 m·s-1，南部上空有較強(qiáng)的東風(fēng)，中心風(fēng)速為22 m·s-1，氣流在高層呈反氣旋環(huán)流特征，上升運(yùn)動(dòng)高度達(dá)到150 hPa。西風(fēng)波動(dòng)型的西南渦中心600 hPa以下北側(cè)低層?xùn)|風(fēng)強(qiáng)于東高西低型(圖6d)，達(dá)到了6 m·s-1，低層氣流分布不利于氣旋式環(huán)流的發(fā)展。高空風(fēng)速均弱于東高西低型，北側(cè)西風(fēng)帶中心風(fēng)速為26 m·s-1，南部東風(fēng)帶中心風(fēng)速約14 m·s-1，氣流在高層頁(yè)呈反氣旋環(huán)流特征，上升運(yùn)動(dòng)的高度在300 hPa。

對(duì)比兩類環(huán)流背景下西南渦的風(fēng)場(chǎng)三維結(jié)構(gòu)，上升速度相當(dāng)，最大垂直速度位于700～400 hPa，達(dá)到-1.8～-1.4 hPa·s-1，與江玉華等(2012)對(duì)四川盆地暴雨過(guò)程統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，但上升運(yùn)動(dòng)高度東高西低型強(qiáng)于西風(fēng)波動(dòng)型。東高西低型風(fēng)場(chǎng)不對(duì)稱分布更為深厚，同時(shí)低槽南側(cè)西風(fēng)強(qiáng)于北側(cè)東風(fēng)，有利于氣旋性環(huán)流的發(fā)展，西風(fēng)波動(dòng)型風(fēng)場(chǎng)僅在低層呈不對(duì)稱分布。

4.2.2 動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征

東高西低型背景下的西南渦動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征如圖7a,7b，正渦度大值區(qū)主要位于西南渦中心及偏東、偏南2個(gè)經(jīng)緯度范圍內(nèi)，正渦度隨高度上升略向北偏。正渦度中心值為14×10-5s-1，高度發(fā)展至200 hPa。在正渦度柱內(nèi)有“低層輻合-高層輻散”的散度分布特征，無(wú)輻散層在550 hPa，其下層的輻合值為(-12～-8)×10-5s-1。西風(fēng)波動(dòng)型背景下的西南渦正渦度大值區(qū)位于其中心及偏西、偏南2個(gè)經(jīng)緯度范圍內(nèi)(圖7c,7d)，正渦度強(qiáng)度顯著強(qiáng)于東高西低型，正渦度中心達(dá)18×10-5s-1以上，但發(fā)展高度弱于東高西低型，高度僅達(dá)300 hPa。正渦度柱內(nèi)也有“低層輻合-高層輻散”的散度分布特征，但其無(wú)輻散層高度低于東高西低型，無(wú)輻散層位于600 hPa，其下的輻合強(qiáng)度弱于東高西低型，輻合值在(-8～-6)×10-5s-1。

圖7 西南渦散度場(chǎng)(等值線，單位：10-5 s-1)、正渦度(填色)的垂直剖面(a，b)東高西低型，(c,d)西風(fēng)波動(dòng)型Fig.7 Vertical cross-sections of divergence field (contour, unit: 10-5 s-1) and positive vorticity (colored)(a, b) the east high west low type, (c, d) the low trough type

兩類環(huán)流背景下西南渦的動(dòng)力特征表現(xiàn)為正渦度位于其中心及周圍2個(gè)經(jīng)緯度范圍內(nèi)，正渦度發(fā)展旺盛，東高西低型的正渦度發(fā)展高度強(qiáng)于西風(fēng)波動(dòng)型，但強(qiáng)度弱于西風(fēng)波動(dòng)型。西風(fēng)波動(dòng)型的無(wú)輻散層高度、低層輻合強(qiáng)度低于東高西低型。劉沖和趙平(2020)對(duì)1979—2016年夏季長(zhǎng)生命史西南渦動(dòng)力垂直結(jié)構(gòu)合成分析發(fā)現(xiàn)，在低渦成熟期，東移型、東北移型、西移型低渦中心正渦度最高可伸展至200 hPa，而東南移型和少動(dòng)型只能發(fā)展到 400 hPa，各種類型正渦度中心位于800～700 hPa層，最大值接近20×10-5s-1；各種類型在850 hPa存在一個(gè)輻合中心，在500 hPa存在一個(gè)輻散中心。與劉沖和趙平(2020)研究的長(zhǎng)生命史西南渦相比，造成極端性暴雨的西南渦的正渦度發(fā)展高度相當(dāng)或更高，正渦度中心出現(xiàn)高度和強(qiáng)度基本一致，其中西風(fēng)波動(dòng)型的正渦度中心高度略高；低層輻合中心層次基本一致，但高層輻散高度更高。

4.2.3 熱力結(jié)構(gòu)特征

東高西低型背景下的西南渦中心及東、南側(cè)對(duì)流層低層假相當(dāng)位溫最大值為359 K(圖8a，8b)，假相當(dāng)位溫高值由850 hPa向上伸至600 hPa，200 hPa附近假相當(dāng)位溫高值下伸至500 hPa附近，同時(shí)600 hPa以下假相當(dāng)位溫隨高度的上升而減小，θse850-θse600為5 K。西南渦中心及東、南側(cè)有濕舌發(fā)展，低層比濕達(dá)到了15 g·kg-1。西風(fēng)波動(dòng)型背景下西南渦區(qū)域低層假相當(dāng)位溫較東高西低型略低(圖8c，8d)，西南渦東側(cè)低層最大值僅為353 K，南側(cè)最大值為356 K，且700 hPa以下假相當(dāng)位溫隨高度上升而減小，θse850-θse600為6 K，低層濕舌發(fā)展，低層比濕達(dá)到了17 g·kg-1。兩種類型低層暖濕特征均十分明顯，850 hPa假相當(dāng)位溫較江玉華等(2012)對(duì)四川盆地暴雨過(guò)程統(tǒng)計(jì)結(jié)果高3～7 K，850 hPa平均比濕也接近或高于四川盆地極端暴雨指標(biāo)(肖遞祥等，2017)。

圖8 西南渦假相當(dāng)位溫(等值線，單位：K)、比濕(填色)的垂直剖面(a，b)東高西低型，(c,d)西風(fēng)波動(dòng)型Fig.8 Verticle cross-sections of equivalent potential temperature (contour, unit: K) and specific humidity (colored) (a,b) the east high west low type, (c, d) the low trough type

5 結(jié)論與討論

本文利用1981—2020四川盆地國(guó)家站降雨資料和ERA5再分析資料，選取西南渦誘發(fā)日最大降雨量超過(guò)250 mm的19次極端暴雨個(gè)例進(jìn)行動(dòng)態(tài)合成，著重分析了兩類西南渦發(fā)生的環(huán)流背景和低渦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，得到以下結(jié)論：

(1)西南渦是誘發(fā)四川盆地極端暴雨的重要天氣系統(tǒng)，19次暴雨過(guò)程中共出現(xiàn)了26站次日雨量超過(guò)250 mm的極端暴雨，其中20站次為建站以來(lái)日最大降雨量紀(jì)錄，出現(xiàn)暴雨中心最多的是成都和宜賓，西南渦生命史在48～132 h，西南渦誘發(fā)極端暴雨一般是在西南渦生成后0～18 h內(nèi)發(fā)生。

(2)西南渦誘發(fā)極端暴雨的環(huán)流背景可分為東高西低型和西風(fēng)波動(dòng)型兩類，東高西低型南亞高壓和副高均發(fā)展強(qiáng)盛，500 hPa貝加爾湖低槽南端與高原低槽疊加形成深厚低槽，四川盆地位于槽前和副高西側(cè)；西風(fēng)波動(dòng)型的副高位置偏東，四川盆地受東移青藏高原低槽影響，200 hPa南亞高壓脊線較東高西低型更偏南和偏西；孟加拉灣—南?！拇ㄅ璧厥菑?qiáng)水汽輸送的主要通道，其中東高西低型水汽輸送強(qiáng)度更強(qiáng)，低層水汽輻合區(qū)域和暴雨發(fā)生區(qū)域基本一致。

(3)西南渦在水平方向的高度場(chǎng)上表現(xiàn)為東北—西南向的長(zhǎng)軸特征，是一個(gè)近乎橢圓的中尺度系統(tǒng)，長(zhǎng)軸兩側(cè)的風(fēng)場(chǎng)有明顯的不對(duì)稱性。東高西低型背景下的西南渦強(qiáng)度更強(qiáng)、范圍更大，兩側(cè)風(fēng)場(chǎng)的不對(duì)稱性更強(qiáng)。西風(fēng)波動(dòng)型背景下的西南渦強(qiáng)度略弱，范圍較小。西南渦在垂直方向上的位勢(shì)高度場(chǎng)特征是負(fù)異常高度伸展至500 hPa，以上為反位相分布，位勢(shì)高度正異常中心位于溫度正異常中心上方。

(4)東高西低型背景下的西南渦具有深厚的暖心結(jié)構(gòu)，西南渦上空的溫度呈“中下暖-上冷”分布，正渦度伸展高度更高，同時(shí)整層風(fēng)速更強(qiáng)，風(fēng)場(chǎng)的不對(duì)稱分布更為深厚。西風(fēng)波動(dòng)型背景下西南渦溫度場(chǎng)呈“下較冷-中暖-上冷”的異常分布，正渦度強(qiáng)度更強(qiáng)，但伸展高度略低，同時(shí)整層風(fēng)速相對(duì)較弱，風(fēng)場(chǎng)的不對(duì)稱分布也較為淺薄。兩種類型共同特征是低層顯著高能高濕，正渦度柱內(nèi)為“低層輻合-高層輻散”動(dòng)力結(jié)構(gòu)。

以上結(jié)論僅針對(duì)500 hPa環(huán)流背景進(jìn)行分類得到的結(jié)果，其中西風(fēng)波動(dòng)型僅有4例，合成結(jié)果的代表性可能存在一定的不確定性。今后還需要對(duì)更多類似個(gè)例進(jìn)行對(duì)比與合成分析，以完善對(duì)不同環(huán)流背景下誘發(fā)四川盆地極端暴雨的西南渦結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)。