攀西地區冕寧“6.26”突發性暴雨成因分析

陳永仁 ,李躍清

（1.中國氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072；2.四川省氣象災害防御技術中心，成都 610072；3.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072；4.川東北強天氣研究南充市重點實驗室，南充 637100）

引言

暴雨是一種復雜多樣的災害性天氣，不同時空特征的多尺度系統相互作用是其主要成因。其中，西太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）是東亞重要的大氣環流系統，其西伸東退，北上南下及其伴隨的位置、強度和形狀變化，已成為主導我國夏季降水時空分布的基本環流背景，大量的研究證實了副高在我國夏季暴雨和強對流天氣中的重要作用[1?4]。由于獨特的動力和熱力特征，副高控制下盛行大范圍的下沉氣流，常常表現為高溫少雨[5]；但在其西北側邊緣，尤其是西風槽逼近時，存在上升運動，容易引發強降水等災害性天氣。長期以來，無論是氣候研究還是天氣分析，500hPa的588dagpm 等值線常作為副高邊界的特征線[6?7]，在其邊界外側，由于存在明顯的水汽，以及動力、熱力不穩定，容易產生對流活動，造成暴雨天氣；而其邊界內側，由于副高整體并非完全維持下沉氣流，局部也可產生上升運動，促使局地對流性天氣發生發展[8?9]。因此，造成了副高影響下的暴雨天氣預報產生諸多不確定性，尤其是其邊界附近的突發性暴雨預報，一直都是研究和預報的難點。

四川省位于青藏高原東側背風坡，主要分為川西高原、四川盆地及其周邊山地，不僅是高原天氣系統影響的上游區和東移影響下游的過渡區，而且是西南暖濕氣流向我國東部輸送的必經之地。夏季，受高原天氣系統（高原渦、西南渦等）和副高的共同作用，常出現系統性及持續性暴雨天氣[10?15]。這些暴雨天氣以西太平洋副熱帶高壓西北邊緣的西風短波槽、高原渦、西南渦、切變線形成的“東高西低”環流形勢最為典型。實際分析預報中，也將副高邊界外側發生的區域暴雨天氣歸納為4 類[16]：高原渦東移觸發的暴雨過程；西風短波槽觸發的盆地西部暴雨過程；西風大槽發展的全盆地性暴雨；盆地低渦活動的盆東暴雨過程。然而，在“東高西低”環流下，由于副高邊界復雜的動力、熱力及對流不穩定，加之其西北側的低值天氣系統發展特征多樣化，進而造成了副高邊緣的暴雨預報難度大，尤其是一些突發性暴雨過程。近幾年有研究[2]指出：副高存在動力、水汽-熱力及對流不穩定三種邊界特征，并在動力邊界的外側，水汽-熱力及對流不穩定邊界的內側附近，容易產生對流活動，形成突發性對流降水。從發生機制看，四川暴雨多與上下層的降水天氣系統耦合，地形附近的重力波，次級垂直環流及其上升運動加強等有關，如西南渦與高原渦動力耦合引起的盆地極端暴雨[12]；盆地西部山區地形重力波對低空東南暖濕氣流的拖曳作用，促進西部暴雨區的水平輻合與上升運動進一步加強[13]；經向氣旋式和緯向反氣旋式的次級垂直環流調控著盆地暴雨的落區[13?15]等。這些研究促進了對四川暴雨的認識。

需要強調的是：2020 年6 月26 日19 時～27 日02時出現在攀西山地區域的冕寧暴雨，就是在“東高西低”環流形勢下，副高南撤過程中引發的暴雨天氣，具有強降水系統發展較為迅速、雨強大且持續時間較短等顯著突發性特征。根據26 日15 時～27 日04時的累計降水（圖1a）得到：這次強降水中心出現在冕寧縣靈山寺，12h 達182.1mm，達到特大暴雨量級，對于海拔2500m 左右的山地而言，發生如此強的短時降水實屬歷史罕見。從逐1h 的降水中心演變（圖1b）可知，靈山寺降水集中于26 日20 時～27 日02 時，1h最大雨量為69.3mm，表現出小時雨強大、降水時間短但累計雨量大等特征，在較短時間內，強降水就引發了山洪、泥石流等次生災害，并造成重大人員傷亡。除該區域外，強降水還發生于川西高原北部和四川盆地南部，川西高原北部12h 的累計降水普遍在10mm以上，東部達到25～50mm；盆地南部至東部，暴雨范圍最大，12h 中心雨量達150.5mm。顯然，此次暴雨天氣具有3 個強降水區域，但以冕寧地區降水最強，造成的災害影響最為突出。為此，本文聚焦冕寧“6.26”突發性暴雨過程，通過觀測分析和診斷研究，主要從降水系統演變、水平和垂直分布結構以及動力與水汽耦合影響三方面進行剖析，以充分認識此次暴雨過程的基本特征、異常機理和影響因素，為山地環境下突發性暴雨的預報理論和關鍵技術提供科技支撐。

圖1 2020 年6 月26 日15 時～27 日04 時累計降水分布(a)及冕寧靈山寺逐小時降水量變化(b) (單位：mm)

1 資料和方法

1.1 資料

（1）中國氣象局氣象業務觀測網每天08 時、20 時（北京時，下同）的高空資料；中國氣象局成都高原氣象研究所每年實施的西南渦加密觀測大氣科學試驗[17?19]獲取的九龍站探空資料，該站經緯度為101.5°E、29.0°N，海拔2925m，是冕寧（102.17° E、28.55°N，海拔 1775m)暴雨臨近上游地區之一。

（2）四川省陸面逐1h 降水站點資料，中國氣象局氣象衛星中心的FY-2G 衛星云頂亮溫，水平分辨率0.1° × 0.1°，時間分辨率1h 。

（3）ECMWF 的ERA5 再分析數據，水平分辨率0.25° × 0.25°，時間分辨率1h。

1.2 方法

（1）考慮到此次暴雨過程具有明顯的對流特征，首先利用探空數據，選取具有熱力性質的主要對流參數以反映降水的溫、濕大氣環境特征。這里，選取LI指數反映地表氣塊在抬升過程中的穩定性，（θse500?θse700）指數反映中低層大氣的穩定度，CAPE指數反映大氣對流所需要的不穩定能量。根據已有研究[20?22]，LI指數的表達式為：

式中：ZLFC為自由對流高度，ZEL為平衡高度，Tv為虛溫。根據已有研究[23]，有wmax=（2CAPE）1/2（單位：m/s）。因此，對流有效位能的釋放利于強烈上升運動的建立。

（2）除對流的熱力環境外，進一步考慮暴雨過程的水汽及其與動力的耦合作用，選取大氣可降水量（Precipitable water :PW）與濕螺旋度H。根據已有研究[24]，整層大氣可降水量為：

式中：g 為重力加速度，P0為地面氣壓，近似為常數。顯然，大氣可降水量僅與比濕變化有關。

對于大氣螺旋度，根據已有研究[25?26]，其定義為:

式中：w、ω分別為z、P坐標系的垂直速度，ξ為相對渦度。在暴雨天氣中，通常具備ω<0，ξ>0，? ·()<0，上升運動，正渦度及水汽輻合，則MVH<0。但需要指出的是，ω>0，ξ<0，?·()<0，下沉運動，負渦度及水汽輻散，是實際大氣中最容易滿足的大氣狀況，但其不是產生降水的耦合條件。因此，針對垂直上升運動和氣旋性渦度的大氣，討論螺旋度與水汽耦合的意義更有價值。在不考慮正常數C的情況下，MVH的單位為：kg·m?2·s?3或 1 0?1g·cm?2·s?3。

2 對流演變特征

研究表明：四川地區暴雨一般多與中尺度對流系統（Mesoscale Convective System，簡稱MCS）活動相關，劇烈的對流活動對強降水的形成至關重要，尤其是短歷時的大暴雨天氣[10?14,29?32]。冕寧“6.26”突發性暴雨過程同樣具有明顯的對流活動，基于逐小時TBB分析的26 日14 時～27 日04 時云系演變（圖2）可看出，相繼生消的4 個MCS 是引發四川三個區域強降水的直接系統，其水平尺度100～300km，生命史約9～12h。暴雨開始前的26 日14 時，MCS 系統A（簡稱MCSA）在川西高原甘孜州北部生成，是最先出現的中尺度對流系統，隨后增強發展，TBB

圖2 26 日14 時(a)～27 日04 時(o)逐1h 的TBB 演變（單位：℃，圖中 A～D 分別為MCSA、MCSB、MCSC、MCSD）

3 大氣對流條件

3.1 水平環流及變化

雖然中尺度對流系統是此次冕寧暴雨的直接降水系統，但其發生仍然是大尺度環流形勢下不同系統相互作用的結果。長期以來，500hPa、700hPa 和850hPa是短期天氣預報的三個基本層次，也是預報四川暴雨天氣的三個關鍵層次[16]，這里，稱為“三層環流”。從08 時和20 時探空數據得到的“三層環流”（圖3）可看出：(1)暴雨開始前12h 內，500hPa 副高與低槽構成的“東高西低”環流形勢出現了明顯調整，且調整后的形勢變得不利于暴雨產生，體現了此次暴雨過程環流演變的特殊性，以及弱天氣系統強迫的背景場。暴雨開始前的26 日08 時，500hPa 川西高原上空存在一低槽，副高處于31°N 附近和108°E 以東，形成“東高西低”系統配置，這是四川暴雨最為常見的環流形勢[11?14]。但暴雨發生的26 日20 時，500hPa 副高已南退到25°N以南，川西高原上空的低槽減弱消失，轉為平直西風氣流，且風速由槽前12～16m/s 減弱為6～10m/s。對暴雨天氣而言，這是一種弱強迫下的環流特征。

對流層低層（圖3），大氣環流演變表現出加強的特征。700hPa 是一種“北渦南槽”的環流模態，即低渦位于川西高原的甘孜州，低槽位于四川攀西地區至云南上空，西昌冕寧則處于槽前的西南風內，如26日08 時“北渦南槽”環流下，低渦中心位勢高度為304dagpm，位于川西高原東側邊坡雅安附近，冕寧則處于槽前西南風內，其附近西昌探空站為12m/s 的西南風，形成低空急流；26 日20 時，低渦加強向西北移動，中心位勢高度顯著下降，達 297dagpm 且水平梯度加大，位于甘孜與西藏交界，這種變化一方面促使原有“南槽”往北移動，進而使冕寧地區處于更加有利的槽前西南暖濕氣流內；另一方面，低渦區位勢高度的降低，為已生成的MCS 繼續發展提供了更加有利的背景場。由于冕寧海拔相對較高，850hPa 探空資料難以反映該區域的低層局部環流，但對盆地區域能很好地反映區域多尺度系統的演變，包括這次冕寧暴雨過程低渦向倒槽轉變的特征。26 日08 時，盆地為低渦，其后部溫江站探空為4m/s 西北風，但26 日20 時盆地轉為倒槽影響，且倒槽后部為加強的東北風。探空表明，溫江850hPa 的東北風達12m/s，經邊坡雅安在大涼山地形配合下，進一步強迫抬升并與探空站西昌低層的西南風對峙，形成局部切變。因此，此次冕寧暴雨過程的500hPa 天氣背景屬于弱強迫型，低槽和副高的配置與常見的“東高西低”環流有明顯差異，但對流層低層是增強的降水形勢，即700hPa“北渦南槽”、850hPa倒槽后部的東北風與西昌上空的西南風形成強切變，是此次冕寧“6.26”突發性暴雨發生的關鍵影響系統。

圖3 26 日08 時（a、c）、20 時（b、d）高度場（單位：dagpm）和風場（單位：m/s）（a、b.500hPa 風場；c、d.700 和850hPa 風場，黑色表示700hPa，紅色表示850hPa；紅點表示冕寧位置；粗實線表示槽線，500hPa 藍色，700hPa 黑色，850hPa 紅色；L 表示低渦，700hPa 黑色，850hPa 紅色；H 表示500hPa 副高）

3.2 垂直狀態及變化

垂直方向上，計算了冕寧西北方的九龍和南方的西昌兩個探空站的抬升指數LI、對流有效位能CAPE、假相當位溫垂直遞減率 ?θse/?p及大氣整層可降水量PW 等主要對流參數，以反映暴雨過程的對流環境。其中，九龍站（海拔2925m，坐標101.5°E、29.0°N）為西南渦加密觀測科學試驗站，每日08 時、14 時、20 時、02 時共4 次觀測；西昌站 (海拔1592.1m，坐標102.27°E、27.9°N）為常規業務探空站，每日08 時、20 時共2 次業務觀測。圖4 為九龍、西昌兩個探空站暴雨發生前12h 內T-log P 圖及參數變化。由此看到：首先，對流參數方面，26 日08 時九龍站（圖4a）的LI=3.48℃、CAPE=0 J/kg、θse500?θse700=?3.26℃、PW=23.0mm，西昌站（圖略）的LI=2.06℃、CAPE=113.4J/kg、θse500?θse800=?4.68℃、PW=37.4mm，表明冕寧以北和以南等周邊受抬升氣塊仍處于層結穩定狀態，且對流有效位能為0，但環境溫濕變化已處于不穩定狀態；26 日14 時，九龍站的LI=?0.46℃，CAPE=648J/kg，θse500?θse700=?6.97℃，PW=23.3mm，表明抬升氣塊和大氣溫濕狀態均轉為不穩定，且具有對流不穩定能量，說明大氣的熱力環境在6h 內發生了明顯的轉變。與此同時，MCSA、MCSB相繼生成，表明近地面氣塊抬升的熱力不穩定及對流不穩定能量的增加應是MCS 生成的關鍵條件。26日20，九龍站的LI=?1.19℃、CAPE=855.3J/kg、θse500?θse700=?7.11℃、PW=28.4mm，西昌站的LI=?2.46℃、θse500?θse800=?9.6℃、CAPE=1101.8J/kg、PW=43.7mm，大氣可降水量和對流有效位能繼續增加，不穩定狀態進一步加劇。其次，T-log P 圖的結構上，偏西北方九龍站的濕度垂直廓線隨時間演變逐漸轉為喇叭狀的“上干下濕”結構，即九龍站500～600hPa 濕度大，接近飽和，500hPa 以上濕度小，這與四川地區強降水天氣過程的探空結構基本一致[11,29]。同時，偏南方的西昌站也出現“上干下濕”的喇叭狀特征，由此增強了冕寧附近大氣的濕不穩定性。如14 時的九龍加密探空顯示大氣已處于不穩定狀態，對流有效位能顯著增加，但喇叭狀的濕度結構還未建立；到20 時，除不穩定及對流有效位能增長外，并進一步形成了“上干下濕”的濕度結構，同時，強降水開始啟動。第三，垂直風場變化上，九龍和西昌兩站400hPa 以上西風氣流隨時間變化小，但400～600 hPa 之間的風速隨時間呈現出減弱變化，600hPa 以下南風則呈現增強趨勢，這種演變結構說明中低層垂直風切變存在持續增強特征?？梢?，此次強降水是在不穩定層結、CAPE 持續增大、可降水量增加、“上干下濕”及中低層垂直風切變增強的環境中突發的。需要指出的是，盡管MCSB是誘發冕寧暴雨過程的直接影響系統，但其生成時間早于強降水突發時間約5h，也就是說MCSB的生成條件并不完全是此次強降水的啟動條件。下面，進一步分析此次冕寧暴雨過程的動力作用。

圖4 九龍（a～c）和西昌（d）的T-log P 分布（a.26 日08 時，b.26 日14 時，c、d.26 日20 時）

3.3 地形環流相互作用

如前所述，涼山州西昌與成都市溫江兩站之間的風場存在“切變”分布，但二者分別位于攀西山地區域、四川盆地，且相互之間地形起伏大、分布復雜，探空數據難以較細致地刻畫其變化的動力特征。為此，基于高分辨率再分析數據，分別沿102°E 和104°E 的水平風、垂直速度及輻合散度經向垂直剖面開展進一步分析，以反映西昌（102.27°E）、溫江（103.78°E）兩站之間的切變作用等動力特征。如圖5 所示，沿102°E（圖5a～c）剖面西昌及其以北冕寧區域，西南暖濕氣流受地形迎風坡影響，在地形強迫抬升作用下，水平風在地形附近輻合并伴隨上升運動。暴雨發生前的26 日14 時，迎風坡附近上升運動及風場輻合的動力特征已形成；暴雨開始時的26 日20 時，這種動力特征進一步加強，上升運動在?6 × 10?1Pa/s 以下，散度輻合達?4 × 10?5s?1；暴雨趨于結束時的27 日02 時，上升運動及風場輻合的動力特征減弱，但西南暖濕氣流仍然維持。而沿104°E（圖5d～f）剖面，四川盆地倒槽后部的東北風在向南輸送的過程中，一方面盆地與涼山州北部地形過渡區的迎風坡產生強迫抬升；另一方面西南暖濕氣流與強迫抬升的東北風形成區域切變，并在地形區的冕寧附近產生明顯輻合垂直上升運動。如26 日14 時，四川盆地以南至涼山州北部的地形區已出現上升運動和水平風輻合；26 日20 時，低層切變建立，動力特征進一步加強，垂直上升速度和散度輻合分別達?10 × 10?1Pa/s 以下、?5 × 10?5s?1；27 日02 時，區域切變和上升運動仍然維持，但輻合散度略有減弱。顯然，地形附近產生的切變具有重要作用，它是由涼山州到低緯的西南暖濕氣流與四川盆地倒槽后部的東北氣流在地形迎風坡抬升下產生的，由于其附近形成的低層輻合和垂直上升運動正好影響冕寧地區，進而為此次暴雨過程提供了動力作用。因此，熱力條件在對流啟動階段起著關鍵作用，而對流活動的維持及其暴雨發生，則與地形相關的動力條件建立和加強密切聯系。

圖5 沿102°E 和104°E 的垂直速度（填色，單位：10?1Pa/s）、風速（單位：m/s）及散度輻合（虛線，單位：10?5s?1）經向垂直剖面（a、d.26 日14 時，b、e.26 日20 時，c、f.27 日02 時，a、d 中紅色五角星分別表示西昌、溫江探空站位置）

4 暴雨落區耦合診斷

由于冕寧“6.26”暴雨中心出現在冕寧靈山寺（102.26°E，28.55°N），因此，基于（102.5°E，28.5°N）格點分析渦度、垂直速度及濕螺旋度的逐1h 高度?時間剖面演變，以反映突發性暴雨區的動力?水汽耦合特征。從圖6a 看到，較大的氣旋性渦度早于強烈上升運動的形成，暴雨前的26 日15 時，氣旋性渦度中心位于400hPa 附近，最大值達15 × 10?5s?1，之后16 時垂直上升運動建立，但數值較小，在?4 × 10?1Pa/s 以上，這意味著深厚的垂直上升運動應該是在中高層氣旋性渦度的影響下建立的。暴雨發生期間，氣旋性渦度呈現出向低層發展特點，尤其是19～21 時，垂直上升運動發生突增且變得更加深厚，最大上升速度達?10 × 10?1Pa/s 以下，高度達200hPa 附近，垂直上升運動快速增強的特征十分顯著。而暴雨最強的26 日22 時～27 日00 時，低層氣旋性渦度進一步加強，中心數值達?18 × 10?1Pa/s，且集中于600hPa 以下，說明暴雨期間的氣旋式影響系統集中于低層。從濕螺旋度及風場演變(圖6b)可知，負螺旋度大值區位于低層的650～700hPa，達?20 × 10?10kg·m?2·s?3以下，且集中在26 日21 時～27 日02 時，正好對應降水最強時段，也就表明暴雨是在大氣動力與水汽耦合最有利的階段發生的。另外，此次暴雨前后風場變化很小，但暴雨期間低層西南風略有加強，風速在8～10m/s，600hPa 以上則為西風氣流。

圖6 基于(102.5°E，28.5°N)暴雨中心的（a）渦度（等值線，單位：10?5s?1）和垂直速度（填色，單位：10?1Pa/s）、（b）濕螺旋度（單位：10?10kg·m?2·s?3）和水平風（單位：m/s）的時間-高度剖面

因此，強烈的上升運動是中高層氣旋性渦度向低層發展增強引起的，但低層氣旋性渦度發展又伴隨強烈的上升運動，而暴雨則發生在螺旋度與水汽耦合的最佳時段。為進一步說明濕螺旋度與暴雨的聯系，選取650hPa 濕螺旋度進行分析，從圖7 可看到，暴雨期間，冕寧上空為負濕螺旋度大值中心，達?30 ×10?10kg·m?2·s?3以下。26 日21 時開始，負濕螺旋度持續增強，對應降水亦增強，至27 日01 時，負濕螺旋度開始減弱，對應降水亦減弱。負濕螺旋度的大小變化，不僅影響著降水的強度，而且其大值區與暴雨落區對應較好。這意味著螺旋度與水汽耦合作用增強時，更易引起暴雨，相比于單一的垂直上升運動，濕螺旋度對診斷暴雨落區更有指示意義。同時，也為理解動力?水汽耦合作用對暴雨過程發生的重要性提供了依據，其中，濕螺旋度的垂直變化反映了大氣動力?水汽耦合的垂直分布特征，而耦合中心所處高度的濕螺旋度變化則與暴雨區基本一致，可作為診斷暴雨落區的一個重要物理量。

圖7 650hPa 垂直螺旋度（虛線，單位：10?10kg·m?2·s?3）和垂直速度（填色，單位：10?1Pa/s）分布（a～f.分別表示6 日21 時～27 日02 時的逐1h 變化，a 中紅框表示冕寧暴雨區）

5 結論

本文利用西南渦加密觀測、我國FY 氣象衛星TBB 及ERA5 再分析資料，對2020 年6 月26 日冕寧突發性暴雨過程進行分析，得到以下主要結論：

（1）攀西地區南部冕寧“6.26”暴雨過程是在500hPa 弱強迫天氣背景下，由低層增強的有利大氣變化引起。其中，“北渦南槽”環流、盆地倒槽后部東北風與暴雨區上空西南風形成的隱蔽“切變”，是此次突發性暴雨發生的關鍵天氣系統。在以上特定區域環流下，一個生命史約9h 的MCS 活動直接造成了此次冕寧暴雨，且強降水主要發生在對流系統旺盛期。相比一般暴雨天氣，對流條件的快速建立是這次冕寧暴雨最突出的特征，其6～12h 的對流建立時間，可能是MCSs 突然增強的原因，也是強降水突然加強的條件。

（2）此次暴雨過程的MCS 活動環境場，其熱力不穩定是MCS 形成的關鍵條件，并且抬升氣塊、環境場處于雙重熱力不穩定層結，伴隨CAPE 增大、可降水量增加、“上干下濕”的特征。除熱力條件外，地形相關氣流切變及其動力效應對誘發強降水起到重要的作用，由于區域切變附近產生的低層輻合和垂直上升運動正好影響冕寧地區，進而為此次暴雨提供了動力條件。因此，熱力條件在對流的啟動階段起著關鍵作用，而旺盛對流活動的維持及突發性暴雨的發生，則與區域地形附近的動力條件建立和加強密切聯系。

（3）此次暴雨過程對應著動力與水汽耦合的有利時段，動力?水汽耦合對暴雨發生具有重要作用。垂直螺旋度與水汽耦合作用的增強更容易引起強降水過程，垂直耦合中心高度的濕螺旋度變化與暴雨區基本一致，對暴雨落區有很好的指示意義，是診斷暴雨落區的一個有用物理量。