一次山地暴雨過程的影響系統(tǒng)分析

摘 要：為進(jìn)一步研究四川省山地暴雨的影響系統(tǒng)，利用ERA5全球再分析資料，分析了2018年7月四川盆地地區(qū)的一次山地暴雨過程的天氣形勢、物理量和動力條件。結(jié)果表明：西太平洋副熱帶高壓西伸并穩(wěn)定維持在30°N使得東南氣流不斷地向四川地區(qū)輸送水汽；500 hPa新疆和內(nèi)蒙古地區(qū)的短波槽東移至四川省境內(nèi)，盆地北部地區(qū)處于槽區(qū)，槽后的偏北氣流引導(dǎo)干冷空氣南下與攜帶暖濕空氣的偏南氣流在四川盆地北部匯聚；700 hPa切變線是引發(fā)此次暴雨的動力主要因子，其造成四川盆地北部形成正渦度柱和強散度柱的動力耦合從而引發(fā)強降水；低空急流是此次暴雨的重要水汽通道，700 hPa上的西南低空急流和850 hPa上的東南低空急流不斷地將孟加拉灣和南海的水汽輸送至四川地區(qū)，提供了充足的水汽；四川盆地地形對此次暴雨的增幅作用主要為秦巴山脈和岷山迎風(fēng)坡的輻合抬升，使得上升運動極為強烈，最終在低層切變線的觸發(fā)下造成此次山地暴雨的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：暴雨；山地；低空急流；地形作用

中圖分類號：P426.62 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

暴雨是四川省最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，因其具有出現(xiàn)頻率高、范圍廣、強度大、重復(fù)性、年際變化大等特點，成為預(yù)報的難點，容易對農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通運輸和人民的生命財產(chǎn)造成較大的損失[1]。四川盆地西部和中部地區(qū)各量級雨日均主要呈減少趨勢，盆地東北部地區(qū)年均暴雨、大雨日數(shù)呈增加趨勢，暴雨、大雨強度呈增強趨勢[2]。暴雨引起的四川受災(zāi)人口總體呈現(xiàn)增加趨勢，尤其是1999年后受災(zāi)人口的增加趨勢越來越明顯[3]。空間格局上，四川盆地極端降水自西向東呈現(xiàn)先增后減再增的趨勢，即四川盆地東部和川西南山地及川西北高原極端降水呈現(xiàn)增多趨勢，盆地西部和南部呈現(xiàn)為減少趨勢。因此，研究四川暴雨的規(guī)律，進(jìn)而對未來暴雨事件進(jìn)行預(yù)估，對災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與防災(zāi)減災(zāi)具有重要的科學(xué)意義和實用價值。

1 暴雨研究的現(xiàn)狀與意義

1.1 研究現(xiàn)狀

通過以往的研究表明，暴雨的發(fā)生需要在一定的大尺度環(huán)流背景下。西太平洋副高偏南，有利于西太平洋水汽向盆地東部輸送，貝加爾湖西部多阻塞形勢，北方冷空氣南下有所偏東，冷空氣和暖濕空氣在盆地東部匯合，導(dǎo)致盆地東部暴雨[4]。南亞高壓脊線的異常偏南時，四川盆地地區(qū)容易發(fā)生暴雨。高原渦和西南渦的東西移動在垂直方向上是否處于耦合狀態(tài)對四川盆地的上升運動具有重要影響[5]。700 hPa中尺度輻合系統(tǒng)與強降水的位置有很好的對應(yīng)關(guān)系，且中尺度低渦所造成的強降水的強度大于中尺度輻合中心。大氣非靜力平衡強迫激發(fā)低層輻合是暴雨的動力觸發(fā)機制。背風(fēng)坡使水汽積累，青藏高原東側(cè)對流層低層存在的東南氣流和南風(fēng)氣流同時快速發(fā)展，為暴雨的發(fā)生提供了充足的水汽[6]。川西高原山區(qū)與秦巴山區(qū)通過形成局地環(huán)流，使得水汽聚集在迎風(fēng)坡[7-11]。盡管國內(nèi)外對四川盆地的研究取得了大量成果，但對暴雨發(fā)生時的環(huán)流特征、多尺度天氣系統(tǒng)的協(xié)同作用、低空急流對暴雨的觸發(fā)作用、四川盆地的特殊地形對暴雨的影響的研究并不多，還需要對四川盆地山地暴雨發(fā)生的具體影響系統(tǒng)進(jìn)行針對性研究。

1.2 研究意義

四川盆地西部依青藏高原、橫斷山脈和邛崍山，西北部邊緣龍門山，北部近秦巴山脈、米倉山，東部接湘鄂西山地與巫山，南部連云貴高原及大婁山，東南部邊緣與武陵山相望。周圍山地海拔多為1 000～3 000 m，

中間盆地地勢低矮，因此可明顯分為邊緣山地和盆底部兩大部分。因其特殊的地理位置及復(fù)雜的地形地貌，山地暴雨的發(fā)生頻率高，預(yù)報難度大。因此，基于ERA5全球再分析資料，通過對暴雨的環(huán)流形勢、動力條件、地形作用等因素的分析診斷2018年7月中旬發(fā)生在四川盆地北部地區(qū)的一次山地暴雨過程，為之后的暴雨事件的預(yù)報提供有參考價值信息，減少山地暴雨對四川人民的危害和經(jīng)濟的損失。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)概況

2.1.1 研究區(qū)域地理位置

四川省地形復(fù)雜多樣，位于中國大陸地勢三大階梯中的第一級青藏高原和第二級長江中下游平原的過渡地帶，高低懸殊，地勢呈現(xiàn)西高東低的特點，由山地、丘陵、平原、盆地和高原構(gòu)成。其中，四川盆地可明顯分為邊緣山地和盆地底部兩大部分，其面積分別約為10萬km2和16萬km2。邊緣山地多中山和低山，盆地底部又可分為成都平原、川中丘陵和川東平行嶺谷三個部分。

2.1.2 研究區(qū)域的氣候特點

四川省共有三大氣候區(qū)，分別為四川盆地中亞熱帶濕潤氣候、川西南山地亞熱帶半濕潤氣候、川西北高山高原高寒氣候。其中，川西和川東北為暴雨的多發(fā)地。

2.2 資料來源

（1）中國自動氣象站與 CMORPH融合的水平分辨率為0.1°×0.1°逐時降水資料。（2）歐洲中心提供的ERA5全球再分析資料，時間分辨率為逐小時，水平分辨率為0.25°×0.25°，包括地面氣壓、位勢高度、溫度、相對濕度以及三維風(fēng)場等信息，其能更加準(zhǔn)確地反映大氣的實際情況。

2.3 研究方法

利用高空風(fēng)場、氣壓場資料探究暴雨發(fā)生時所處的天氣形勢，分析高空槽脊對暴雨所起的作用。利用渦度、散度、垂直速度等物理量探究此次暴雨的動力特征，此外結(jié)合暴雨區(qū)所在的地理位置來探究地形對此次山地暴雨的增幅作用。所用的動力學(xué)分析方法如下：

（1）垂直速度（ω）：垂直速度的分布直接反映了暴雨區(qū)垂直運動的分布情況，單位是Pa·s-1，ω＞0，下沉運動，ω＜0，上升運動。

（2）散度（D）：D是衡量速度場輻合、輻散強度的物理量，單位是s-1。一般認(rèn)為，D＞0，輻散；D＜0，輻合。（水平）散度的表達(dá)式為：

D=（1）

（3）渦度（ξ）：ξ是衡量空氣塊旋轉(zhuǎn)運動強度的物理量，根據(jù)渦度的變化，可了解天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，單位是s-1。一般認(rèn)為，ξ＞0，氣塊是做氣旋式旋轉(zhuǎn)；ξ＜0，氣塊是做反氣旋式旋轉(zhuǎn)。（垂直相對）渦度的表達(dá)式為：

ξ=（2）

3 研究結(jié)果

3.1 個例概況

山地暴雨指發(fā)生在山地的、降水區(qū)域直徑小于

200 km，每小時累計降水量超過20 mm且3 h累計降水量超過50 mm的強降水。根據(jù)以上定義選取2018年7月四川盆地北部出現(xiàn)的一次山地暴雨事件作為個例進(jìn)行研究。

2018年7月10日（世界時，下同），四川盆地北部地區(qū)發(fā)生了一次山地暴雨過程。根據(jù)7月10日24 h累積降水量并結(jié)合四川省地形可以得出，該次山地暴雨事件為對流性降水，降水呈東北—西南帶狀分布。降水的區(qū)域主要處于四川盆地岷山以東，龍門山以南海拔為1 500～2 500 m的北部山區(qū)，降水大值區(qū)位于德陽、綿陽和廣元一帶，且累計降水量最大值均超過

100 mm，此次暴雨過程的強降水時段主要集中在7月10日12：00～20：00，降水時間短，雨量大。

3.2 環(huán)流形勢分析

3.2.1 中高層環(huán)流形勢

200 hPa的環(huán)流場看出，此次暴雨過程前期，

200 hPa高空急流在40°N以北，南亞高壓位置偏西，7月10日08：00，四川北部整個北部地區(qū)的上空處于強大的反氣旋環(huán)流外沿，該高壓不斷發(fā)展，至12：00整個西南地區(qū)均為以反氣旋環(huán)流。歐亞環(huán)流形勢為兩脊一槽型，其中兩脊分別位于新疆西北部和日本海，一深厚的大槽位于內(nèi)蒙古、新疆東部。12：00四川盆地大部處于槽前，在之后的4 h高空短波槽逐漸發(fā)展并且向東緩慢移動，至16：00四川北部地區(qū)位于高空槽區(qū)，槽后偏北氣流引導(dǎo)干冷空氣南下與攜帶暖濕空氣的偏南氣流匯合，導(dǎo)致16：00～20：00四川盆地北部地區(qū)的強降水，西太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定位于30°N并且西伸，有利于偏南的暖濕氣流持續(xù)不斷地到達(dá)四川北部。

3.2.2 低層環(huán)流形勢

700 hPa的風(fēng)場上四川東部到陜西地區(qū)伴有低空急流活動，暴雨區(qū)吹西南風(fēng)，可將孟加拉灣的水汽輸送至暴雨區(qū)。該低空急流區(qū)呈現(xiàn)為東北—西南走勢，且不斷向著東北方向發(fā)展，至21：00逐漸離開四川省。18：00四川北部廣元至甘肅天水地區(qū)存在很強的風(fēng)切變，北側(cè)風(fēng)向偏北南側(cè)為西南風(fēng)，至21：00切變線向東北方向移動至南充、巴中地區(qū)逐漸離開四川省境內(nèi)。850 hPa低空，從12：00開始低空風(fēng)速不斷增大，至18：00已有很強的低空急流在四川盆地東部生成，最強風(fēng)速中心位于四川綿陽、南充一帶，最大風(fēng)速約為19 m/s。7月10日12：00，地面四川盆地北部風(fēng)場已經(jīng)開始呈輻合趨勢，在之后的6 h內(nèi)輻合不斷地加強至18：00四川盆地的中部及北部地區(qū)都處于地面輻合區(qū)內(nèi)，這種地面上的輻合使氣流上升為之后的強降水不停地補充水汽。

3.3 水汽分析

比濕在中下層很大，且7月10日10：00～17：00有一個比較明顯的增大過程；在整個降水時間段內(nèi)暴雨區(qū)的水汽充足，滿足強降水的水汽條件。

3.4 動力場分析

7月10日00：00～12：00垂直速度雖為負(fù)值但值很小，在12：00后負(fù)值顯著增大，大值區(qū)主要是在850 hPa

之上，中高層最大值已經(jīng)達(dá)到-1 Pa·s-1，表明在12：00前氣流上升但強度較弱12：00后觸發(fā)了強烈的上升運動。散度值在16：00顯著減小，低層輻合在18：00達(dá)到最強，最強的層次在700 hPa，中高層600 hPa處散度由負(fù)值轉(zhuǎn)正值，即600 hPa以上為下沉運動。渦度低層一直是正值最大值層次與散度相同，亦是700 hPa。對這種低層輻合高層輻散的配置極為有利于強降水。結(jié)合之前切變線產(chǎn)生和發(fā)展的時間，可見切變線的產(chǎn)生導(dǎo)致渦度和散度的劇烈變化，形成了正渦度柱和強散度柱，對暴雨的產(chǎn)生和發(fā)展具有重要作用。

結(jié)合以上說法，得出此次暴雨過程的動力觸發(fā)機制是700 hPa上的切變線。在降水過程中由于切變線的產(chǎn)生，暴雨區(qū)在暴雨時間段內(nèi)輻合氣流顯著增強，上升運動更加強烈。低空急流是此次暴雨過程的重要水汽通道。中下層的輻合導(dǎo)致層結(jié)變?yōu)椴环€(wěn)定，且維持在不穩(wěn)定的狀態(tài)直至暴雨結(jié)束，這些結(jié)構(gòu)的建立和維持是發(fā)生暴雨的正反饋機制。

3.5 地形作用分析

受地形作用的影響輻合區(qū)呈帶狀。7月10日12：00，

地面至700 hPa四川盆地北部地區(qū)有3個輻合中心，其中1個輻合中心位于700 hPa，中心值低于-10×10-5 s-1，

其在地面上的位置表現(xiàn)為秦巴山脈的迎風(fēng)坡，700 hPa以上是更加強大的輻散區(qū)，迎風(fēng)坡的垂直速度大且在垂直層面上均表現(xiàn)為強烈的上升運動，由此可以得出迎風(fēng)坡對風(fēng)場的輻合抬升具有很強的增加作用，另外2個輻合區(qū)中心皆位于850 hPa，強度較弱最大值約為-4×10-5 s-1，在地面上的位置表現(xiàn)為川西山地與秦巴山脈的過渡區(qū)。散度的最大值區(qū)在岷山的迎風(fēng)坡，其中心在850 hPa上，垂直方向上不斷地出現(xiàn)輻合輻散區(qū)疊加，在岷山的迎風(fēng)坡仍然存在很強的上升運動，而下層輻合上層輻散的配置有利于維持強烈垂直上升運動。

與12：00相比較，由于秦巴山脈迎風(fēng)坡強烈的抬升作用，暴雨區(qū)的上空存在兩個強烈的輻合區(qū)，分別位于31°N和32.5°N，輻合上升運動強烈，高度可至600 hPa中層。低層輻合區(qū)中心仍維持在850 hPa強度，基本沒有變化，但中高層的輻合、輻散區(qū)的強度顯著增大。在31°～33°N的迎風(fēng)坡地區(qū)，上升運動極為劇烈。在岷山的迎風(fēng)坡，其輻合區(qū)的強度及上升運動也略加強。經(jīng)度范圍上的大值區(qū)的范圍更廣，迎風(fēng)坡的上升運動的強度增大。

綜上所述，在暴雨發(fā)生前，受岷山和秦巴山脈迎輻合抬升作用使得上升運動極為強烈，最終在切變線的觸發(fā)下造成短時間的強降水。

4 結(jié)論

基于ERA5再分析資料側(cè)重于天氣形勢、物理量場以及地形作用，分析總結(jié)了2018年7月10日四川盆地北部的一次山地暴雨過程的影響系統(tǒng)，主要結(jié)論如下。

（1）此次山地暴雨過程是在“兩脊一槽”的環(huán)流背景下產(chǎn)生的，500 hPa低空槽東移和西太平洋副熱帶高壓向西延伸為此次暴雨過程提供了很好的背景場。

（2）低層的低空急流對此次山地暴雨起輸送水汽的作用，700 hPa上四川北部廣元至甘肅天水地區(qū)的切變線造成四川盆地北部地區(qū)正渦度柱和強輻合柱的動力耦合，成為此次山地暴雨過程的動力條件。

（3）山地地形對此次暴雨主要增幅作用是迎風(fēng)坡的動力抬升，使得上升運動加強，促進(jìn)暴雨天氣發(fā)展旺盛，對此次暴雨過程有增幅作用的山地主要是秦巴山脈和岷山。

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收稿日期：2024-08-19

作者簡介：胡浩（1998—），男，四川資陽人，研究實習(xí)員，研究方向為大氣科學(xué)。#通信作者：梁飛（1984—），男，四川成都人，研究員，研究方向為計算機科學(xué)，E-mail：18228461214@163.com。