中國西南山地突發性暴雨特征與機理研究的新進展

李國平 孫建華 王曉芳

（1 成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225；2 氣象災害預報預警與評估省部共建協同創新中心，南京信息工程大學，南京 210044；3 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029；4 中國氣象局武漢暴雨研究所，武漢 430205）

0 引言

山地是海拔高度500 m以上且起伏大、多呈脈狀分布的高地。山地地形對大氣的影響主要表現在以下幾個方面：1）熱力作用。同緯度地區，地勢越高，氣溫越低。2）動力作用（機械阻擋或屏障作用）。地形是氣流運行的主要障礙，可形成阻擋、爬坡、繞流和狹管等四種地形效應，也可以改變季風或寒潮的強度和方向。地形能夠顯著改變邊界層的氣流，如強風通過山脈時，在下風方向可形成一系列諸如背風槽、背風波、背風渦等背風天氣系統。3）對降水的影響。山脈可使濕潤氣團的水分在迎風坡由于地形抬升形成大量降水（地形雨），背風坡則由于氣流下沉導致少雨而變得干燥，則山脈兩側的氣候可以出現極大差異而成為氣候分界線，如秦嶺。4）山地氣候的形成。受海拔高度和山脈地形的影響，在山地地區形成的一種地方性氣候。

我國西部多山地，其中西南地區地形更為復雜。山地突發性暴雨是我國重大自然災害之一，山地突發性暴雨及其引發的次生災害（如山洪、泥石流、滑坡、崩塌等）會造成嚴重的生命財產損失，其預警與防范是國家防災減災重大而迫切的戰略需求，也是汛期重點防范的自然災害。山地突發性暴雨預報預警難點是提升暴雨發生時間、區域和強度預報預警的準確性和時效性。當前我國西南山地突發性暴雨預報水平不高、能力不足的一個重要原因就是未能有效考慮山地對暴雨及其突發性的影響，缺乏山地突發性暴雨形成與發展的理論指導，亟需在綜合觀測的基礎上，重點研究西南山地突發性暴雨的多尺度特征和動力學機理這一關鍵科學問題。希望通過對山地突發性暴雨觸發機理、發展條件、中尺度對流系統的結構特征的研究，提出可指導建立山地突發暴雨的定量診斷技術與預報物理模型，發展西南山地突發性暴雨的預報理論和方法，豐富山地突發性暴雨的科學認識，為提高西南山地突發性暴雨預報準確率和山洪地質災害防御能力提供科技支撐。

歐洲和美國已經開展山脈的動力、熱力過程對局地環流形成的觀測和理論研究，揭示了地形作用形成的上坡風、下坡風和山谷風的形成機制及其對局地天氣的影響，以及中尺度地形的動力作用等。相較于長江下游江淮平原上以大別山等為代表的第三級階梯地形，國內針對中國西南山地和對流發生環境的復雜性，開展了以青藏高原為代表的第一級階梯地形和以四川盆地周邊、云貴高原、秦嶺—大巴山、巫山—三峽、武陵山—雪峰山等為代表的第二級階梯地形背景下對流系統發生的環境條件、觸發機制、結構特征等的分析，并利用新的觀測手段得到的高分辨率資料，開展理論分析和數值模式試驗，揭示了局地地形、山地邊界層、地形重力波等過程對山地對流、降水系統發生發展的作用。當前，在山地突發性暴雨的特征與機理研究方面，急需基于綜合觀測數據集獲取多尺度信息，揭示山地突發性暴雨發生發展的條件、中尺度對流系統的結構與分布，闡明突發性暴雨發生發展的多尺度特征與動力學機制。下面本文將以中國西南山區為例，對山地突發性暴雨事件的識別標準、影響系統與有利環境條件、高原中尺度對流系統的影響、地形繞流和爬流的作用、地形重力波的觸發機理、雙低空急流的綜合效應、地形影響的數值研究等方面近5年以來的研究進展進行梳理、總結及展望。

1 西南山地突發性暴雨事件的識別標準

中國西部山地是暴雨及其次生災害的多發區（高頻區），這里的西部區主要涉及四川、重慶、貴州、湖北、湖南、陜西、甘肅、云南、廣西，其中四川、重慶、貴州所代表的西南山地是本文關注的重點。

本文所指的西南山地突發性暴雨事件定義為：發生在西南山地（海拔高度介于500～3000 m）、降水區域直徑小于200 km、1小時累計雨量≥20 mm 且3小時累計雨量≥50 mm的強降水。

2 近十年四川山地暴雨的演變特征

黃楚惠等利用近十年（2010—2019年）國家氣象基本站與加密氣象自動站降水資料從氣候態探究了四川省山地暴雨事件的空間分型與時間變化特征。在將四川山地暴雨事件劃分為川西暴雨（SC-A）、川東北暴雨（SC-B）和川西、川東北兩地并發型暴雨（SC-C）這三種類型的基礎上，統計分析得到以下結果：1）近十年四川山地暴雨的頻次略有減少，但累計降雨量和地質災害卻有所增加。SC-A近十年發生的頻次和強度呈增加趨勢，而SC-B表現出不規則的振蕩趨勢。在三類暴雨事件中，SC-A在發生頻次和強度上均為四川山地暴雨中最高的一類（圖1）。2）暴雨峰值逐年變化中，SC-A暴雨峰值雨量總體大于另兩類暴雨，近十年中，峰值雨量除在8月呈上升趨勢外，其余月份山地暴雨強度無明顯的線性增減趨勢。3）三種類型的山地暴雨事件累計雨量和頻次變化趨勢比較一致，5—7月逐漸增加，7月達到最高，8—9月逐漸下降。5月和9月發生的暴雨事件主要為SC-B山地暴雨，6—8月則為SC-A山地暴雨為主。4）四川山地暴雨事件夜間出現暴雨峰值的頻次遠高于白天，主要集中在后半夜（北京時00—06時），在研究的三種類型山地暴雨事件中，SC-A的夜間暴雨峰值出現次數最多。

圖1 變化趨勢（灰色虛線：三次多項式擬合曲線）：（a）四川山地年暴雨頻次、（b）年累計暴雨量（c）區域占比：暴雨頻次、（d）年累計暴雨量[11]Fig.1 Variation trend of (a) annual frequency,(b) annual cumulative rainstorm over Sichuan mountains (grey dashed line:cubic polynomial fitting curve),(c) regional ratio of the frequency of rainstorms and (d) annual cumulative rainstorm[11]

3 山地突發性暴雨的多尺度影響系統

根據現有研究成果，可以概括出山地突發性暴雨的影響系統主要有以下幾類：1）高層系統（200 hPa），如高空急流、（慣性）重力波、南亞高壓；2）中層系統（500 hPa），如高空槽、高原低渦（簡稱高原渦）、高原切變線、西北太平洋副熱帶高壓（簡稱西太副高）；3）中低層系統（700 hPa），如低空急流、低層切變線、西南低渦（簡稱西南渦）、冷侵入（冷空氣）；4）低層系統（850 hPa）：邊界層地形輻合線、西南β中尺度低渦、山區低空急流、暖濕輸送（暖濕氣流）；5）（近）地面系統，如地面輻合線、地形準靜止鋒、東南沿海臺風、中尺度對流系統（Mesoscale Convective System，MCS），其中MCS包括局地（如四川盆地的丘陵地帶）生成的或上游地區（如青藏高原）東移而來的。

張芳麗等利用最新ERA5再分析資料、新一代雷達拼圖資料，對2017年5月初四川盆地東北部一次突發性暴雨事件的影響系統、動力和熱力影響因子以及地形作用的分析表明：此次暴雨事件的主要影響系統有中緯500 hPa東移低槽、西伸的西太副高、對流層中低層的西南低空急流以及低層切變線（圖2）。

圖2 四川盆地東北部突發性暴雨的影響系統示意圖[12]（a）空中影響系統（紅色矩形框代表研究區域）；（b）近地面影響系統Fig.2 Diagram of influence systems on the sudden rainstorm in Northeast Sichuan Basin[12](a) influence systems above 850 hPa (the red rectangle represents the interesting area),(b) influence systems near the surface

利用高時空分辨率的相當黑體溫度（TBB）數據，基于模式匹配的自動識別追蹤方法，對2000—2016年暖季（5—8 月）長江中游第二級階梯地形區附近（106°—113°E，28°—35°N）的MCS進行識別、追蹤和分類，發現東移個例主要集中生成在研究區域的東部地區，而準靜止個例則主要生成在研究區域的西部。東移個例比準靜止個例生命史更長，移動距離更遠（圖3），成熟時刻云團面積更大，對流發展更為旺盛，對長江中下游地區的降水系統影響更大。得出有利于MCS東移的大尺度環流背景條件；青藏高原以東對流層中層淺槽和西太副高的配合為第二級階梯地形東部對流的生成和東移提供了有利的環境條件；低層正相對渦度和較強的風垂直切變為對流的組織和發展提供了動力條件；強盛的低空急流不斷向第二級階梯地形東部和以東地區輸送暖濕氣流，大量水汽的輻合有利于對流的發展和長時間維持。

圖3 長江中游第二級階梯地形區移出和準靜止MCSs個例路徑圖[13]（陰影為地形高度，單位：m；紫色方框代表研究區域，紅色實線代表移出個例的路徑，紅色圓點代表移出個例各時刻的中心位置，藍色實線代表準靜止個例的路徑，藍色圓點代表準靜止個例各時刻的中心位置）Fig.3 Tracks of all MCSs[13](Colored shading denotes elevations higher than 500 m,units:m;the purple box denotes the study area,the red solid lines mark trajectories of MCSs propagating out of the study region,with their central locations at each recording time represented by red dots.the blue lines mark trajectories of quasi-stationary MCSs,with their central locations at each recording time represented by blue dots)

4 高原中尺度對流系統的影響

青藏高原高聳入云端，平均海拔在4000 m以上，是山地的極端情形。這使得它在暖季（5—9月）比同緯度地區能夠接收更多的太陽短波輻射，在太陽的炙烤下，青藏高原成為一個巨大的熱源。在暖季充沛的水汽供應下，青藏高原上對流活動異常旺盛，平均每1萬 km的面積上約有20～50個成熟的對流云生成。對流云在西風帶短波槽、切變線、高原渦等系統的影響下，趨于組織化從而形成更大尺度的高原MCS。

基于逐小時的衛星TBB資料對近16個暖季的高原MCS進行了統計，共得到了9754個高原MCS個例，平均每天4個。分片位渦收支的結果表明，在高原MCS未移出高原以前，它就開始了對下游地區的影響，它的影響主要通過降壓與增加氣旋式風場擾動來實現（這有利于青藏高原東側西南渦的形成）；當高原MCS移出高原后，這兩種影響達到最強。數值模式敏感性試驗表明，對流凝結潛熱釋放是高原MCS形成的必要條件，高原MCS除了通過產生降水直接影響高原東部與高原下游地區外，還可以通過調整高原及其周邊地區的大尺度環流形勢，以及與下游天氣系統的相互作用從而對更廣闊范圍的降水包括山地突發性暴雨產生一定的間接影響。

5 地形引起的繞流和爬流對山地性突發暴雨的不同作用

通過繞流和爬流方程，將低層流場分解為繞流和爬流分量，探討地形對于過山氣流的影響及其對四川盆地西南部山區強降水的影響，揭示地形引起的爬流和繞流對于山地突發性暴雨的不同作用。由于地形的阻擋作用，使得來自東北方向的氣流發生旋轉，產生繞流運動，在盆地內形成局地渦旋。同時盆地和盆周山地之間的地形高度差強迫過山氣流產生爬流運動，導致系統性垂直上升運動加強。在繞流與爬流的共同作用下，為此次突發性暴雨的發生發展提供了有利的流場條件。

將繞流和爬流矢量模的大小進行比較，得到如圖4所示的比值分布圖。圖中暴雨區（102°—104°E，29°—30°N）內基本是爬流分量略大于繞流分量，說明爬流運動要強于繞流運動，爬流作用占主導地位。由此可見，2018年5月21—22日發生在四川盆地西南部的山地突發性暴雨天氣過程中，過山氣流由于地形海拔高度的變化而產生的地形適應運動，主要是以爬流運動為主，繞流運動次之，并且爬流產生的地形垂直上升運動與雨帶分布的相關性比系統性垂直上升運動更為密切。

圖4 平均繞流矢量模與爬流矢量模之比（經過九點平滑），填色為地形高度（單位：m）[14]Fig.4 Ratio (9-point smoothing) between mean vector modes of flow around and flow over,fill with terrain height(unit:m) [14]

6 地形重力波與對流耦合作用觸發山地突發性暴雨的一種可能機理

謝家旭和李國平以四川盆地西南部2018年5月21日山地突發性暴雨事件為例，通過天氣動力學診斷與小波交叉譜能量分析，得出該山地突發性暴雨過程中存在波長為150 km、周期為5 h的中尺度慣性重力內波（簡稱重力波）。山地重力波是在地形、切變不穩定以及非地轉平衡三者的共同作用下形成，其中切變不穩定是主導機制；切變不穩定先于重力波的傳播出現在下游降水區域，可表征切變不穩定的理查孫數對重力波傳播方向及降水落區有很好指示作用。

就整個物理過程而言（圖5），由于重力波的波動結構建立了低層輻合—高層輻散的流型，使得低層水汽輻合上升，輸送到高空形成有組織的對流云。與此同時，波動的下沉支氣流促使低層不穩定能量累積；低空急流產生的臨界層效應導致波動擾動能量下傳，觸發不穩定能量釋放，進一步加強對流，最終引起突發性暴雨。因此可認為地形重力波與對流的耦合作用是山地對流發展并引發暴雨的一種可能機制。

圖5 地形重力波與對流耦合作用觸發山地突發性暴雨機制示意圖Fig.5 Mechanism of sudden rainstorm in mountainous area triggered by coupling of topographic gravity wave and convection

7 雙低空急流對山地突發性暴雨的協同效應

對2017年5月初四川盆地東北部一次突發性暴雨事件的診斷分析發現（圖2a）：大尺度的西南低空急流和中尺度的山區低空急流在暴雨前8小時建立，低空急流的增強（減弱）超前于暴雨發生（結束）。大尺度的低空急流與中尺度的山區低空急流的疊加使四川盆地東北部形成正渦度柱和低層強輻合柱的動力耦合，低空急流最大風速出口輻合上升區與地形的輻合抬升作用疊加形成盆地東北部強烈的垂直上升運動，成為山地暴雨突發的動力觸發條件，因低空急流建立的位勢不穩定層結構成了暴雨的熱力條件。

進一步通過天氣動力學診斷分析與歐拉—拉格朗日方法相結合的水汽計算技術，闡明了雙（兩類）低空急流對山地突發性暴雨的綜合作用。山地突發性暴雨爆發時，850 hPa的山區中尺度低空急流強度首先達最強，即山區邊界層低空急流與暴雨的發生同步；而700 hPa的大尺度、偏南風低空急流隨后達最強。因此雙低空急流對暴雨有重要的綜合效應，不僅將暖濕空氣輸送到四川盆地，促使對流層低層大氣的不穩定性增加，為暴雨的發生創造必要的熱力、動力觸發條件。

此外，大尺度低空急流對暴雨必需的水汽供應提供了載體，并且在有利地形配合下形成水汽輻合匯聚。Zhang等明確了四川山地突發性暴雨的水汽源地和水汽輸送路徑，定量化確定出不同水汽源對暴雨的貢獻。研究認為四川盆地東北部突發性暴雨事件的水汽主要來自孟加拉灣—中國南海和印度半島—孟加拉灣，對暴雨的水汽輸送貢獻率分別為66%和31%，其中孟加拉灣—中國南海的水汽輸送主要位于850 hPa以下的對流層低層，印度半島—孟加拉灣的輸送主要來自600 hPa以下對流層的中低層（圖6），850 hPa山區邊界層低空急流與700 hPa西南低空急流并發時其對水汽的匯聚作用更為顯著。與西北暴雨不同的是，由于青藏高原和秦巴山脈的地形阻擋，源自中東經西風氣流輸送的水汽不僅量少而且主要位于中高層，并非四川山地暴雨的主要來源。

圖6 氣塊在3天（a）、5天（b）、7天（c）和9天（d）前的平均軌跡及其對應的水汽貢獻率[16]Fig.6 The average trajectory (bold lines) and the corresponding percentage on the 3rd day (-3 d,a),5th day (-5 d,b),7th day (-7 d,c),9th day (-9 d,d) before reaching the target area[16]

8 地形對西南渦大暴雨影響的數值試驗

在中尺度數值模式WRF成功模擬的基礎上，通過敏感性試驗研究了西南渦移出盆地的東北路徑上的秦巴山區地形對一次西南渦大暴雨過程的影響，得到以下幾點認識：1）地形通過對低渦本身的摩擦阻擋以及對山脈兩側南北氣流的阻擋從而影響西南渦移動，地形高度降低有利于低渦向東、向北移動。2）地形對西南渦降水的增幅作用明顯，并且隨著地形高度的升高，降水強度增大，雨帶位置向西偏移。3）地形主要通過影響水汽輸送、輻合匯聚和垂直上升運動來影響降水強度和分布。雨帶位置和強度與迎風坡水汽通量輻合區一致。地形強迫作用包括地形抬升與邊界層摩擦輻合，其中地形抬升起主要作用，但在迎風坡邊界層摩擦輻合也有重要貢獻。地形強迫出的垂直上升速度以及6 h累計雨量在迎風坡隨地形升高而增大，降水大值位于垂直上升運動大值的南側。降水區外圍的弱下沉運動和其北部的強上升運動在迎風坡形成一個局地垂直環流圈（次級環流），從而影響西南渦與地形輻合線的相互作用以及山地暴雨的演變。

地形高度的變化對山地突發性暴雨的強度與落區有重要影響。山脈高度上升能增強其對于氣流的阻擋作用從而加強氣流的低空輻合和高空輻散，疊加迎風坡的地形抬升作用形成強烈的垂直上升運動，加強大氣層結不穩定性，觸發不穩定能量釋放，配合充足的水汽最終促成暴雨發生。即地形通過改變山地動力、水汽等物理量場從而影響暴雨的落區和強度。地形的抬升作用造成水汽與不穩定能量在迎風坡堆積，使層結不穩定性增強，在強烈的上升運動作用下觸發對流不穩定發展。

9 結論

深入認識中國不同氣候區和地理位置極端強降水的演變特征及其發生機理、天氣尺度強迫、中尺度過程、云微物理過程、氣溶膠影響、城市和地形等復雜下墊面的獨立影響和相互作用等問題，應是暴雨科學和預報未來需要進一步加強研究的重要方面。我國是一個多山地國家，西南地區的山地尤其復雜。因而針對西南山地突發性暴雨特征與機理的研究有助于從機理上深化對西南山地突發性暴雨的科學認識，對山地突發性暴雨的準確預報具有重要意義，在山地突發性暴雨的形成發展機理這一核心科學問題的基礎理論創新、關鍵技術方法突破及未來的成果推廣應用等方面均具有重要價值。

展望地形暴雨特別是山地突發性暴雨特征與機理方面的未來研究，以下幾個方向值得重點關注：

1）西南山地突發性暴雨事件長序列的時空統計特征、發生發展的環境條件以及變化趨勢的合成研究。

2）與西南山地突發性暴雨密切相關的中尺度對流系統大樣本的統計特征、三維結構特征和影響機制的深入研究。

3）西南山地突發性暴雨過程中的地形與降水系統相互作用機理的細化研究，地形影響的高分辨率模式數值模擬研究，與非山地突發性暴雨的對比研究，分類的山地突發性暴雨物理概念模型的研究，以及山地暴雨夜發性（山地夜間暴雨）的成因分析與數值模擬。

4）地形激發的重力波對西南山地突發性暴雨影響機理的系統性研究，重力波提取方法與診斷量的業務化應用研究。

5）山區低空急流的時空分布特征及其與西南山地突發性暴雨關系的氣候統計研究，與山地突發性暴雨有關的低空急流分型、判據與前兆信號的研究，以及低空急流對山地突發性暴雨作用機制的研究。