李琴1, 2 崔曉鵬2 曹潔2

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四川地區(qū)一次暴雨過程的觀測分析與數(shù)值模擬

李琴崔曉鵬曹潔

1成都信息工程學(xué)院，成都610225;2中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實驗室，北京100029

本文首先利用多種資料，對2010年8月18～19日四川地區(qū)一次引發(fā)了泥石流次生災(zāi)害的暴雨天氣過程開展了觀測分析，進(jìn)一步利用中尺度模式WRF對此次降水過程開展了高分辨率數(shù)值模擬，并利用模擬資料對暴雨過程進(jìn)行了初步診斷分析。結(jié)果指出：（1）此次暴雨過程具有強(qiáng)降水持續(xù)時間短、短時降水強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)等特點，在空間和時間上都具有明顯中尺度特征；強(qiáng)降水主要發(fā)生在汶川—雅安斷裂帶陡峭地形附近，與地形關(guān)系密切；（2）中高緯度“兩脊一槽”環(huán)流形勢及其緩慢變化、副熱帶高壓（簡稱副高）與高壓脊疊加形成“東高西低”形勢，為此次暴雨天氣過程提供了有利的大尺度條件；西南渦的發(fā)展加強(qiáng)及其與副高西側(cè)邊緣強(qiáng)風(fēng)速帶的相互作用，增強(qiáng)了川西陡峭地形的抬升效應(yīng)，促發(fā)暴雨發(fā)生；而四川盆地中多個中尺度云團(tuán)的發(fā)生、發(fā)展與暴雨的發(fā)生直接相關(guān)；（3）WRF模式較好地模擬再現(xiàn)了此次降水過程，模擬結(jié)果初步診斷分析顯示，在四川盆地復(fù)雜地形及大尺度環(huán)流背景發(fā)展和演變的影響下，穩(wěn)定層結(jié)蓋的進(jìn)退、低層?xùn)|南風(fēng)的加強(qiáng)和減弱以及不穩(wěn)定能量的累積與釋放控制著暴雨過程的發(fā)生與結(jié)束。

暴雨 四川盆地 泥石流 數(shù)值模擬

1 引言

四川北鄰秦嶺，南接云貴高原，西依青藏高原，地形十分復(fù)雜，天氣過程也復(fù)雜多變，而暴雨是四川地區(qū)的主要災(zāi)害性天氣之一。統(tǒng)計研究表明：四川盆地周圍山區(qū)降水多于盆地中，最大值中心在盆地西南部（邵遠(yuǎn)坤等，2005）, 位于川西的雅安以“天漏”聞名，被稱為“雨城”（彭貴康，1994）。郁淑華（1984，1986）和蔣興文等（2008）分別將1959～1982年和1981～2000年的四川盆地大暴雨過程分為盆西型、盆東型和全川移動三種類型，其中，盆西型暴雨最多。

影響四川地區(qū)暴雨的中尺度系統(tǒng)主要有西南渦和高原低渦等，四川的特大暴雨與盆地附近上空強(qiáng)烈發(fā)展的西南渦密切相關(guān)（程麟生和郭英華，1988），暴雨、大暴雨與西南渦強(qiáng)度關(guān)系密切，西南渦增強(qiáng)階段的降水強(qiáng)度明顯大于減弱階段（李明等，2013）。白愛娟等（2011）指出，傍晚前后在高原中部生成的對流系統(tǒng)，受西風(fēng)帶影響，夜間到達(dá)高原東部邊緣地區(qū)，并于后半夜到達(dá)四川盆地，導(dǎo)致對流活動頻繁出現(xiàn)在夜間，形成當(dāng)?shù)刂摹耙褂辍爆F(xiàn)象，“夜雨”形成不僅受大尺度環(huán)境場影響，還與地形因素有關(guān)（沈沛豐和張耀存，2011），四川盆地周邊地形對西南渦和特大暴雨的形成，以及降水的落區(qū)和強(qiáng)度有重要影響（趙玉春和王葉紅，2010；葛晶晶等，2008）。四川西部地區(qū)地形十分復(fù)雜，汶川—雅安地震斷裂帶位于其中，這一地區(qū)常常發(fā)生強(qiáng)降水，并常引發(fā)泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，相關(guān)暴雨研究與預(yù)報備受重視。郁淑華（1984，1986）和蔣興文等（2008）指出，盆西暴雨主要出現(xiàn)在106°E以西的四川盆地內(nèi), 且主要出現(xiàn)在綿陽地區(qū)和成都市以及江油、雅安附近，暴雨發(fā)生時, 500 hPa中高緯為東高西低環(huán)流形式（肖洪郁和郁淑華，2003）。盆西暴雨主要集中在盛夏，局地性強(qiáng)、多夜雨（盧萍等，2009），地形抬升作用顯著（趙玉春和王葉紅，2010；趙玉春等，2012），沿盆地西部斷裂帶陡峭地形形成一條近似南北向的多雨帶（徐裕華等，1991），復(fù)雜陡峭的地形擾動有利于中尺度渦旋的形成，地形與渦旋的活動及降水的分布密切相關(guān)（何光碧，2006），高原地形可以影響高原附近以東地區(qū)物理量場的分布（郁淑華等，1998）。

以上簡要回顧可知，氣象學(xué)者針對四川暴雨，尤其是盆地西部地震斷裂帶陡峭地形附近的暴雨過程，開展了大量有意義的研究工作，內(nèi)容涉及諸多方面，但暴雨過程的發(fā)生十分復(fù)雜，涉及多尺度天氣系統(tǒng)影響，加之復(fù)雜地形的作用，使得我們對該地區(qū)暴雨過程的理解和認(rèn)識仍然十分欠缺，相關(guān)預(yù)報水平仍然較低，大尺度環(huán)流背景演變特征、中尺度系統(tǒng)發(fā)展演變等過程，如何與復(fù)雜地形效應(yīng)相結(jié)合，并最終導(dǎo)致強(qiáng)降水發(fā)生、發(fā)展等問題，仍需要深入分析。2008年“汶川大地震”嚴(yán)重襲擊之后，四川地區(qū)土層變得更加松散，泥石流產(chǎn)生所需物源條件?？傻玫綕M足，如遇較長時間雨水侵襲或突發(fā)性強(qiáng)降水，極易引發(fā)泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，而2013年四川“雅安大地震”更加重了這一地區(qū)的受災(zāi)風(fēng)險。因此，對四川地區(qū)暴雨天氣過程，尤其是易于引發(fā)泥石流等次生災(zāi)害的盆地西部暴雨天氣過程的深入理解和認(rèn)識以及相關(guān)預(yù)報水平的提高變得十分重要和迫切。本文選取2010年8月18～19日發(fā)生在四川盆地西部的一次引發(fā)了泥石流災(zāi)害的暴雨過程開展分析，首先利用地面自動站、常規(guī)探空、衛(wèi)星（FY-2E）相當(dāng)黑體亮溫（Black-Body Temperature，TBB）資料以及每6 h一次的1°×1°分辨率NCEP/NCAR再分析資料對此次降水過程開展觀測分析，進(jìn)一步利用WRF模式對降水過程開展高分辨率的數(shù)值模擬，并與實況進(jìn)行對比，最后利用模擬資料開展初步診斷分析，從大尺度環(huán)流特征及演變、中尺度系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展，配合復(fù)雜地形的作用等角度，綜合考查此次暴雨過程發(fā)生、發(fā)展及演變特征和可能機(jī)制。

2 暴雨過程觀測分析

2.1 降水實況

2010年8月18日12時～19日12時（協(xié)調(diào)世界時，下同），四川盆地西部地區(qū)出現(xiàn)了一次區(qū)域性大暴雨天氣過程（圖1a，見文后彩圖），50 mm以上的強(qiáng)降水集中在盆地西部山脈與盆地中部較平坦地形之間、呈東北—西南走向的狹長陡峭地形附近區(qū)域（即汶川—雅安地震帶附近），強(qiáng)降水南起滎經(jīng)、雅安，北至綿竹、北川和青川等地；整個降水過程共存在5個主要強(qiáng)降水中心，基本沿汶 川—雅安斷裂帶的復(fù)雜地形分布，15個自動站的過程雨量超過100 mm，3個自動站超過 200 mm，達(dá)到特大暴雨量級（綿竹、大邑和蒲江站過程雨量分別達(dá)294.8、277.2和203.2 mm），降水空間分布極不均勻，具有很強(qiáng)局地性；逐時雨量觀測顯示，超過20、30和50 mm的觀測站次分別達(dá)43、19和4，18日19～20時，綿竹發(fā)生了約96 mm/h的強(qiáng)降水（圖1b，見文后彩圖），此次降水過程短時降水強(qiáng)度大、強(qiáng)降水持續(xù)時間短、局地性強(qiáng)、極端性強(qiáng)，空間和時間上都具有明顯的中尺度特征。這次過程雖然不是四川全省范圍的暴雨過程，但是強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在汶川—雅安地震帶陡峭地形附近，引發(fā)趙公山一帶等地震災(zāi)區(qū)出現(xiàn)多處泥石流、滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響災(zāi)區(qū)重建。

圖1 （a）2010年8月18日12時到19日12時（UTC）四川地區(qū)24小時累積降水量（等值線，單位：mm），彩色陰影為地形高度；（b）2010年8月18日12時到19日12時（UTC）綿竹和大邑地面自動氣象站逐時雨量（單位：mm）

圖2 2010年8月18日12時高、低空環(huán)流形勢。實線為500hPa高度場（單位：dagpm），粗實線代表588 dagpm等值線；虛線為500hPa溫度場（單位：°C）；陰影代表200hPa大于或等于30m/s的風(fēng)速；矢量表示850 hPa大于或等于10 m/s的風(fēng)場；長方形區(qū)域表示四川地區(qū)所處位置

2.2 環(huán)流背景

2010年8月18日00時（圖略），500 hPa上，中高緯呈現(xiàn)“兩脊一槽”的環(huán)流形勢，一個高壓脊位于巴爾喀什湖以東，另一高壓脊位于鄂霍茨克海附近，兩脊之間為貝加爾湖—蒙古低壓槽，中低緯度被相對穩(wěn)定而強(qiáng)大的副熱帶高壓控制，200 hPa高空急流位于低壓槽底部，隨低壓槽一起東移，低壓槽與副熱帶高壓（簡稱副高）之間形成一條東北—西南走向的低壓帶，而四川地區(qū)正位于低壓帶內(nèi)高空急流南側(cè)；18日06時（圖略），副高西伸北跳，西脊點達(dá)87°E附近，控制面積擴(kuò)大，中心強(qiáng)度增強(qiáng)，其北側(cè)與鄂霍次克海高壓脊幾乎同位相疊加，這種配置一方面為引導(dǎo)來自海上的暖濕氣流進(jìn)入四川地區(qū)提供了有利的環(huán)流條件，另一方面使得“東高西低”的環(huán)流形勢建立起來，阻礙和減緩了上游低壓系統(tǒng)的東移，有利于降水在四川地區(qū)發(fā)生和維持；18日12時（圖2），副高西脊點略東退，位于約94°E附近，但強(qiáng)度加強(qiáng)，經(jīng)向度略加大，有利于暖濕空氣進(jìn)一步向四川地區(qū)輸送，西風(fēng)槽略東移，引導(dǎo)槽后冷空氣進(jìn)一步南下，貝加爾湖以東地區(qū)，高壓脊與西風(fēng)槽相互作用明顯，兩者之間高空急流加強(qiáng)，四川地區(qū)上空出現(xiàn)一低值系統(tǒng)，588位勢什米等值線出現(xiàn)較明顯氣旋性彎曲，850 hPa流場出現(xiàn)明顯偏東分量；18日18時（圖略）副高主體較穩(wěn)定維持，西風(fēng)槽略有東移，與副高之間低空急流加強(qiáng)，向北暖濕輸送增強(qiáng)；此后（19日12時）（圖略），副高雖進(jìn)一步加強(qiáng)，經(jīng)向度也明顯加大，但由于西風(fēng)槽明顯東移，四川地區(qū)所受影響明顯減弱，強(qiáng)降水也基本結(jié)束。

2.3 暴雨前后探空曲線分析

選取位于降水帶內(nèi)的溫江站探空曲線進(jìn)行分析。強(qiáng)降水發(fā)生前的18日00時（圖3a），四川盆地850 hPa上空存在一低渦（圖略），低渦中心位于眉山和資陽交界處，溫江站處于850 hPa低渦弱偏東風(fēng)控制中，其上至500 hPa為西南氣流控制，對流層整層相對濕度均較大，強(qiáng)降水所需水汽條件十分充足；18日12時（圖3b），強(qiáng)降水發(fā)生，地面到400 hPa相對濕度均大于80％，濕層深厚，而 300 hPa附近可能存在干空氣侵入，露點溫度和相對濕度較12小時前急劇減小，對流層上、下干濕對比加大，有利于對流不穩(wěn)定的發(fā)生、發(fā)展；此時對流有效位能（CAPE）值遠(yuǎn)大于12小時前，達(dá)1696 J/kg，而對流抑制能量（CIN）值由12小時前的115 J/kg減少至0 J/kg，暴雨區(qū)大氣處于強(qiáng)烈不穩(wěn)定狀態(tài)中，850 hPa東南風(fēng)增強(qiáng)；19日00時（圖3c），由于強(qiáng)降水消耗了大量水汽和能量，不穩(wěn)定能量顯著減弱，除近地面層之外的整個對流層相對濕度和露點溫度均急劇下降，相對濕度下降到約25％左右，其中，近地面層的高濕區(qū)可能與降水物質(zhì)的蒸發(fā)有關(guān)；19日12時（圖3d），對流層中低層氣流轉(zhuǎn)為偏北或者偏東北氣流，CAPE值減弱至118 J/kg，降水趨于結(jié)束，此時對流層中低層濕度又出現(xiàn)較明顯增加，地面至500 hPa相對濕度均超過80%，為下階段降水做好了準(zhǔn)備。

圖3 2010年8月四川溫江站（a）18日00時，（b）18日12時，（c）19日00時，（d）19日12時的探空曲線。綠色粗實線為相對濕度（RH），黑色粗實線為露點；紅色粗實線代表層結(jié)曲線；天藍(lán)色粗實線代表狀態(tài)曲線

2.4 水汽條件

從850 hPa水汽通量（圖4）可以看出，這次大暴雨過程水汽主要來源于副高西側(cè)、經(jīng)南海轉(zhuǎn)向北的水汽輸送帶，并在汶川—雅安一帶陡峭地形附近地區(qū)輻合，同時，這支氣流伴隨西南低渦的發(fā)展，氣流在四川盆地內(nèi)明顯轉(zhuǎn)向加強(qiáng)，配合陡峭地形的抬升，對強(qiáng)降水發(fā)生有明顯促發(fā)作用，而另外一支對我國夏季降水有重要貢獻(xiàn)的氣流，即西南季風(fēng)水汽輸送，由于此時副高的強(qiáng)盛西伸（圖2），被明顯壓制在四川西南側(cè)（圖4a），對此次強(qiáng)降水過程貢獻(xiàn)不大。19日06時（圖4b），四川盆地強(qiáng)降水區(qū)附近由水汽通量輻合轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛?，?qiáng)水汽通量輻合區(qū)出現(xiàn)在四川東南部，陡峭地形附近的強(qiáng)降水隨之逐漸減弱。

圖4 850hPa水汽通量（流線）和水汽通量散度（陰影，單位：10?7g cm?2 s?1 hPa?1）：（a）2010年8月18日12時；（b）2010年8月19日06時

圖5 2010年8月18日（a）12時和（b）18時850 hPa環(huán)流形勢。灰色陰影代表大于等于1500 m的地形，彩色陰影代表相對渦度（單位：10?5 s?1），黑色等值線代表高度場（單位：gpm），矢量箭頭代表風(fēng)場（單位：m/s），紅色虛線為溫度（單位：°C）

3 西南渦的作用

西南渦是發(fā)生在我國西南地區(qū)850或700 hPa上的氣旋性或有閉合等高線的低渦，尺度約為300～500 km（何光碧，2012）。18日06時（圖略），四川東部大部分地區(qū)受東南偏南氣流控制，向盆地地區(qū)源源不斷地輸送暖濕空氣，使得盆地一直處于有利于強(qiáng)降水發(fā)生的高溫、高濕環(huán)境條件下，此時一旦有觸發(fā)因素出現(xiàn)，便會產(chǎn)生強(qiáng)降水。18日12時（圖5a），伴隨高原低值系統(tǒng)東移發(fā)展，強(qiáng)盆地內(nèi)風(fēng)向發(fā)生明顯變化，轉(zhuǎn)為偏東南氣流，并且強(qiáng)度增加了3～4 m/s，這支東南氣流與川西東北—西南走向的陡峭地形幾乎正交，地形抬升作用加強(qiáng)，促發(fā)強(qiáng)降水（黃克慧，2006）；由于強(qiáng)風(fēng)速帶轉(zhuǎn)向并南壓，原位于強(qiáng)風(fēng)速帶西北側(cè)的氣旋式切變中心消失（圖略），而位于（28.5°N，105°E）的氣旋式切變發(fā)展加強(qiáng)，正渦度達(dá)8×10s；18日18時（圖5b），伴隨西南渦發(fā)展加強(qiáng)，風(fēng)速繼續(xù)增大，氣流到達(dá)山腳后一方面受地形強(qiáng)迫抬升，從而沿著地形過渡帶（陡峭地形區(qū)域）激發(fā)對流，另一方面受地形阻擋發(fā)生繞流，向南的繞流有利于低渦的加強(qiáng)（趙玉春等，2012），此時西南低渦向北擴(kuò)張，最大正渦度中心向北移動了約1個緯度，面積增大，強(qiáng)度增強(qiáng)，最強(qiáng)渦度值達(dá)10×10s；18時之后，西南低渦逐漸減弱、消亡，四川盆地大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為受偏北或者偏東氣流控制，暴雨過程趨于結(jié)束，由于偏東氣流以及減弱的西南渦東側(cè)的偏南氣流繼續(xù)將水汽源源不斷向四川盆地輸送，使得盆地中由于強(qiáng)降水消耗的水汽很快得到補充，為下階段降水做好了準(zhǔn)備，一旦出現(xiàn)新的促發(fā)因子，便會開始新一段降水過程。

4 中尺度云團(tuán)分析

暴雨是在一定大尺度環(huán)流形勢下，由嵌入天氣尺度系統(tǒng)的中小尺度系統(tǒng)直接造成的（章淹，1990）。四川地區(qū)地形復(fù)雜，常規(guī)觀測分布不均，多建于低洼地區(qū)（圖略），不能很好抓住中小尺度系統(tǒng)及其演變過程。下面根據(jù)Maddox（1980）和馬禹（1997）等的判別方法和標(biāo)準(zhǔn)，利用國家氣象中心FY-2E逐時TBB資料（水平分辨率0.1°×0.1°）分析中尺度系統(tǒng)的活動和演變。TBB資料分析顯示（圖6），2010年8月18日10時，1小時前位于四川中部的多個中尺度云團(tuán)首先合并加強(qiáng)成為云團(tuán)A，中心強(qiáng)度達(dá)－62°C以下，11時，云團(tuán)A進(jìn)一步加強(qiáng)，面積擴(kuò)大，云團(tuán)B減弱，兩者之間A東北側(cè)綿陽西南部上空出現(xiàn)另一中尺度云團(tuán)C，12時，云團(tuán)C強(qiáng)度加強(qiáng)，并與云團(tuán)A外圍合并，形成東 北—西南向帶狀分布，云團(tuán)A此時發(fā)展到最強(qiáng)，覆蓋成都大部分地區(qū)以及雅安東北部和眉山北部，受其影響，云團(tuán)所對應(yīng)的大邑及其周邊地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)度較大的對流性降水，其中大邑分別于18日12～13時、13～14時、14～15時出現(xiàn)了35.2 mm、48.5 mm、19.5 mm的較強(qiáng)降水（圖1b）；15時，在逐漸消散的云團(tuán)A西南側(cè)，蘆山縣和蒲江縣上空又生成了一個中心TBB強(qiáng)度≤－62°C的對流云團(tuán)D，之后其面積和強(qiáng)度逐漸增大，緩慢東移，成為主要影響系統(tǒng)，而其東北側(cè)原A和C組成的帶狀云帶逐漸消散，郫縣、丹棱、彭州、新津、綿竹等地出現(xiàn)較強(qiáng)降水；20時左右，云團(tuán)D發(fā)展加強(qiáng)為覆蓋成都大部分地區(qū)、雅安西部和眉山大部的橢圓狀云團(tuán)，綿竹站出現(xiàn)96 mm/h的極強(qiáng)降水；18日21時～19日06時，云團(tuán)D逐漸東移、減弱消散，而在其西南和南部又相繼生成云團(tuán)E、F和G，其中F發(fā)展最強(qiáng)，成為主要影響中尺度云團(tuán)，但其主體已慢慢移出四川，四川境內(nèi)只有零星降水?？梢?，對流云團(tuán)的生消演變與此次強(qiáng)降水天氣的發(fā)生、發(fā)展緊密相關(guān)，而期間不同云團(tuán)的新生發(fā)展可能與已有云團(tuán)強(qiáng)降水冷池出流觸發(fā)以及復(fù)雜地形配合有關(guān)，相關(guān)分析將在后面工作中開展。

圖6 2010年8月18日09時到19日08時TBB逐時分布（單位：°C）

5 數(shù)值模擬及驗證

5.1 模擬方案設(shè)計

鑒于現(xiàn)有觀測資料時空分辨率及飽和度均較低，不利于此次強(qiáng)降水過程機(jī)理的細(xì)致分析，下面利用中尺度模式WRF（3.4.1版本），對此次暴雨過程開展高分辨率數(shù)值模擬。模擬選用歐拉質(zhì)量坐標(biāo)，Runge-Kutta 3階時間積分方案，模擬時段為2010年8月17日18時至2010年8月20日00時，共54小時，初始場選用每6 h一次的1°×1°分辨率NCEP/NCAR再分析資料生成，模擬采用三重嵌套，區(qū)域如圖7所示，垂直方向上分為28個不等距層，主要模擬參數(shù)及方案見表1。

圖7 數(shù)值模擬區(qū)域

表1 主要參數(shù)列表

5.2 降水對比

24小時累積降水量對比（圖8，見文后彩圖）顯示，模式模擬的雨帶走向、落區(qū)、范圍等與實況較為一致，強(qiáng)度也與觀測有較好對應(yīng)，基本模擬出了兩個最主要的強(qiáng)降水中心（1和2），但細(xì)節(jié)上仍存在一定不足，如模擬的兩個最強(qiáng)降水中心位置與實況略有偏差，模擬的強(qiáng)降水中心1（圖8a中白色方框）較實況（圖8a、b中白色十字）偏西、偏北約0.11個經(jīng)、緯度，強(qiáng)降水中心2較實況偏西約0.2個經(jīng)度，偏南約0.06個緯度，大于250 mm的降水區(qū)范圍較實況偏小，這可能與模擬初始時間的選取、模式地形精度與實際地形的差異以及觀測站點分布不均等因素有關(guān)。

圖8 2010年8月18日12時～19日12時（UTC）24小時累積降水量（單位：mm）：（a）模擬；（b）觀測

圖9 2010年（a、b）8月18日12～18時，（c、d）18日18時～19日00時以及（e、f）19日00～06時6小時累積降水量（單位：mm）。（a、c、e）為模擬，（b、d、f）為實況

6小時累積降水量及演變對比顯示，8月18日12～18時（圖9a、b），四川中部和北部出現(xiàn)強(qiáng)降水，模擬的中部強(qiáng)降水（圖9a）較實況（圖9b）略偏西南，北部強(qiáng)降水略偏西，模式同時模擬出四川東北部出現(xiàn)較強(qiáng)降水，但觀測中沒有；由于觀測資料僅包含四川地區(qū)，因此盡管模式還模擬出甘肅和陜西南部的較強(qiáng)降水，但在觀測中沒有體現(xiàn)；18日18時～19日00時（圖9c、d），位于汶川—雅安斷裂帶陡峭地形附近的西南—東北走向中尺度雨帶形成，雖然模擬出的雨帶東北側(cè)的強(qiáng)降水中心量級較實況偏弱，但模式基本再現(xiàn)了實況雨帶的西南—東北走向，降水范圍等也與實況接近；19日00～06時（圖9e、f），中尺度雨帶維持，但強(qiáng)度減弱，范圍略有收縮，模擬的雨帶較前6 h也出現(xiàn)了一定的衰減，范圍收縮，降水量級與實況接近，但雨帶落區(qū)與實況略有偏差，沒有模擬出實況降水區(qū)“南寬北窄”的特征；19日06～12時（圖略），雨帶進(jìn)一步衰減，模式模擬出了減弱的趨勢，但范圍較實況略偏大?？傮w看來，盡管模式模擬的24和6小時累積降水在細(xì)節(jié)上與實況仍存在一定差距，但對實況雨帶出現(xiàn)的時間、區(qū)域、衰減的趨勢等仍給出了較滿意的再現(xiàn)。

5.3 環(huán)流形勢對比

此次四川暴雨的主要大尺度影響系統(tǒng)包括中高緯低壓槽、高壓脊以及西伸北進(jìn)的副熱帶高壓等，從模擬與NCEP資料高、低空環(huán)流對比可以看出（圖10），模擬的高、低空環(huán)流與實況吻合得較好。模式較好地模擬出了中高緯度“兩脊一槽”環(huán)流形勢、高空強(qiáng)風(fēng)速帶、副高以及850 hPa強(qiáng)風(fēng)速的分布和演變過程，較好的再現(xiàn)了副高與鄂霍茨克海高壓脊的疊加以及與低壓槽形成的“東高西低”有利環(huán)流形勢，同時也很好地模擬出了副高西側(cè)強(qiáng)風(fēng)速帶向四川暴雨區(qū)輸送暖濕空氣以及西南渦發(fā)展引起的四川地區(qū)低層風(fēng)向轉(zhuǎn)變的過程等（圖5）。這也從側(cè)面進(jìn)一步說明了模式對此次強(qiáng)降水過程24和6小時累積降水給出與實況較為接近的模擬效果的原因。

圖10 2010年（a、b）8月18日12時和（c、d）19日00時高、低空環(huán)流形勢。（a、c）為模擬，（b、d）為觀測。等值線為500 hPa高度場（單位：dagpm），粗實線代表588 dagpm等值線，矢量為850 hPa ≥10 m/s的風(fēng)場（單位：m/s），陰影為200 hPa ≥30 m/s的風(fēng)場（單位：m/s）

6 模擬結(jié)果初步分析

過圖8a中強(qiáng)降水中心做垂直剖面（圖11），分析顯示，18日00時（圖11a），四川盆地近地面溫度達(dá)24°C以上，盆地東南部暖濕空氣聚集，（29°N, 105°E）附近近地面比濕達(dá)19 g/kg以上，70％以上的高濕區(qū)從地面一直向上延伸到300 hPa附近，為暴雨的發(fā)生提供了很好的暖濕空氣條件，高原上空400 hPa以上以及（29°N，105°E）附近上空500～300 hPa存在相對干區(qū)，兩者之間陡峭地形附近上空為相對濕區(qū)，其中（29°N，105°E）附近上空的相對干區(qū)可能與副高控制有關(guān)，并在此次暴雨過程中起重要作用；05時（圖略），近地面溫度增加至28°C以上，大于17 g/kg的高比濕空氣向西推進(jìn)至陡峭地形附近；07時（圖11b），近地面溫度繼續(xù)升高，（29°N，105°E）附近近地面溫度增加至32°C以上，高比濕空氣進(jìn)一步在盆地對流層低層聚集，低層溫度和比濕垂直梯度從05時開始均明顯增大，但相對濕度卻顯著下降，大于90%的區(qū)域面積明顯減小，這主要是因為相對濕度與比濕和飽和比濕有關(guān)，而飽和比濕與溫度有關(guān)，因此比濕的明顯增加，并不一定帶來相對濕度的明顯增加；13時（圖11c），近地面仍維持最高達(dá)32°C以上的較高溫度，高濕區(qū)進(jìn)一步向陡峭地形附近聚集，陡峭地形附近地區(qū)上空相對濕度較前一時刻出現(xiàn)較明顯升高，90%以上的高相對濕度區(qū)從850 hPa至400 hPa廣泛分布，水汽條件充足，降水逐漸開始；20時（圖11d），陡峭地形附近的暴雨區(qū)上空，強(qiáng)烈上升氣流把水汽、能量等輸送到高空，對應(yīng)著從900 hPa一直延伸至300 hPa高度以上的大于90%的相對濕度高值區(qū)，此時模擬降水強(qiáng)度很強(qiáng)，降水物質(zhì)下落蒸發(fā)，吸收熱量，使近地面溫度降低，而垂直上升運動，使得暴雨區(qū)上空水汽含量增加，比濕分布出現(xiàn)向上突起。之后，隨著中高緯度環(huán)流系統(tǒng)緩慢東移（圖10），有利的大尺度環(huán)流背景條件逐漸消失，支持強(qiáng)降水的偏東南氣流和上升運動逐漸減弱，加之降水物質(zhì)下落的拖曳作用，陡峭地形附近地區(qū)的強(qiáng)降水逐漸減弱。

圖11 2010年8月18日（a）00時、（b）07時、（c）13時和（d）20時沿圖8a中直線MN的垂直剖面。黑色實線為比濕（單位：g/kg），紅色虛線為溫度（單位：°C），灰色陰影代表地形，彩色陰影代表相對濕度，白色三角形指示強(qiáng)降水中心

18日00時（圖12a），強(qiáng)降水尚未開始，四川盆地上空500～300 hPa存在穩(wěn)定層結(jié)，像一個蓋子蓋在盆地上空，其下為顯著的對流不穩(wěn)定，近地面假相當(dāng)位溫高值中心位于盆地東南部，暖濕空氣聚集，其西北側(cè)一直到陡峭地形附近地區(qū)存在假相當(dāng)位溫低值中心，伴隨近地面層較弱偏西北氣流，盆地上空對流層中下層以較弱偏東南氣流為主，不斷向盆地輸送暖濕空氣，暖濕空氣被壓制在500～300 hPa之間的穩(wěn)定層結(jié)之下，為強(qiáng)降水的發(fā)生做好了準(zhǔn)備；11時（圖12b）與00時相比，最明顯的變化為：（1）500～300 hPa之間的穩(wěn)定層結(jié)明顯減弱東退，（2）近地面層暖濕空氣明顯增強(qiáng)，存在兩個主要的假相當(dāng)位溫高值中心，一個位于（30°N，104°E）附近，最大值達(dá)367 K以上，較00時該地區(qū)的最高值增加了近17 K，另一個高值中心位于（29°N，105°E）附近，較00時這一地區(qū)的最高值增加了近6 K，達(dá)364 K以上，暖濕空氣顯著聚集，（3）盆地東南部對流層低層偏東南風(fēng)增強(qiáng)，（4）盆地內(nèi)900～700 hPa之間假相當(dāng)位溫垂直梯度顯著增加，低層對流不穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)；13時（圖12c）與11時情形相似，偏東南氣流進(jìn)一步增強(qiáng)，不穩(wěn)定能量不斷累積，氣流遇到高原陡峭地形后沿地形緩沖帶抬升，激發(fā)對流，降水逐漸開始，不穩(wěn)定能量開始釋放；20時（圖12d）最主要的變化為：（1）伴隨強(qiáng)降水的強(qiáng)上升運動，暖濕空氣強(qiáng)烈向上輸送，造成暴雨區(qū)上空假相當(dāng)位溫等值線十分陡直，（2）受降水區(qū)強(qiáng)烈垂直輸送及其他因素影響，穩(wěn)定層結(jié)蓋重新向西推進(jìn)，蓋住盆地上空，僅留下強(qiáng)降水區(qū)狹窄的空間與對流層上部打通，消耗穩(wěn)定蓋下的不穩(wěn)定能量和水汽，產(chǎn)生強(qiáng)降水，（3）對流層低層假相當(dāng)位溫明顯下降，尤其是暴雨區(qū)附近。

圖12 2010年8月18日（a）00時、（b）11時、（c）13時和（d）20時沿圖8a中直線MN的垂直剖面。等值線為假相當(dāng)位溫（單位：K），矢量代表剖面風(fēng)場（為分析方便，垂直速度w×10)，灰色陰影代表地形，彩色陰影為垂直上升運動速度（單位：0.1m/s），白色三角形指示強(qiáng)降水中心

以上初步分析可見，此次強(qiáng)降水過程是在有利的大尺度環(huán)流背景條件影響下，西南渦、副高西側(cè)強(qiáng)風(fēng)速帶以及四川西部汶川—雅安斷裂帶陡峭地形相互作用的共同結(jié)果，地形的抬升效應(yīng)在低渦以及副高邊緣強(qiáng)風(fēng)速帶的共同作用和影響下，顯著增強(qiáng)，促發(fā)強(qiáng)降水，突破穩(wěn)定層結(jié)，釋放不穩(wěn)定能量；而伴隨著環(huán)流調(diào)整、降水發(fā)生以及降水物質(zhì)的下落拖曳作用等因素又使得穩(wěn)定層結(jié)蓋得以重新在盆地上空建立起來，在有利條件下，重新蓄積能量，為下一次暴雨過程做準(zhǔn)備。

7 結(jié)論與討論

本文利用多種觀測資料以及高分辨率數(shù)值模式WRF，對2010年8月18日12時～19日12時發(fā)生在四川地區(qū)的暴雨天氣過程開展了觀測分析和數(shù)值模擬研究，得到的主要結(jié)論如下：

（1）此次降水過程具有強(qiáng)降水持續(xù)時間短、短時降水強(qiáng)度大、局地性和極端性強(qiáng)等特點，在空間和時間上都具有明顯的中尺度特征。強(qiáng)降水主要發(fā)生在汶川—雅安斷裂帶陡峭地形附近，與地形關(guān)系密切；中高緯度“兩脊一槽”環(huán)流形勢、副高與高壓脊貫通形成“東高西低”有利形勢以及上述環(huán)流形勢的緩慢東移，為此次暴雨過程的生消創(chuàng)造了有利條件。

（2）西南渦的發(fā)展加強(qiáng)及其與副高西側(cè)邊緣強(qiáng)風(fēng)速帶的相互作用，增強(qiáng)了川西陡峭地形的抬升效應(yīng)，促發(fā)暴雨發(fā)生；而盆地中多個中尺度云團(tuán)的發(fā)生、發(fā)展、合并和加強(qiáng)與暴雨的發(fā)生直接相關(guān)。

（3）WRF模式較好的模擬再現(xiàn)了此次暴雨過程降水帶走向、落區(qū)、范圍和降水中心特征和演變，同時也較好地再現(xiàn)了高低空環(huán)流形勢及演變等。利用模擬結(jié)果的初步分析顯示，在四川盆地特殊地形條件下，在大尺度環(huán)流背景發(fā)展和演變的影響下，穩(wěn)定層結(jié)蓋的進(jìn)退、低層?xùn)|南風(fēng)的加強(qiáng)和減弱、不穩(wěn)定能量的累積與釋放控制著暴雨過程的發(fā)生和結(jié)束。

下面工作將在本文基礎(chǔ)上，利用高分辨模擬結(jié)果進(jìn)一步分析造成此次暴雨過程的中尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和發(fā)展演變等，探討此類暴雨過程的發(fā)生機(jī)理。應(yīng)該指出的是，本文僅僅針對一個個例開展了觀測分析和初步的模擬診斷研究，未來工作應(yīng)在此基礎(chǔ)上開展更多個例分析，本文所提及的環(huán)流形勢、不穩(wěn)定能量和穩(wěn)定層結(jié)等的演變特征在川西陡峭地形附近地區(qū)夏季的降水過程中可能常常出現(xiàn)，伴隨強(qiáng)降水在汶川—雅安斷裂帶陡峭地形附近地區(qū)經(jīng)常發(fā)生，本文的研究結(jié)果對理解和認(rèn)識夏季四川盆地西部陡峭地形附近的強(qiáng)降水過程機(jī)理可能具有一定普適性，這同樣有待未來工作中應(yīng)用多個例進(jìn)行進(jìn)一步分析和驗證。

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Observational Analysis and Numerical Simulation of a Heavy Rainfall Event in Sichuan Province

LI Qin, CUI Xiaopeng, and CAO Jie

1,610225;2,,,100029

A variety of data are used to analysis and diagnose torrential rain during August 18 and 19, 2010, which brought secondary disasters such as debris flows. By using the nonhydrostatic WRF (weather research forecast) model, this torrential rain is simulated in high resolution, and the simulation data are used to make a preliminary diagnosis of this rainfall. The results show that: (1) This torrential rain event was characterized by its short duration, heavy intensity in short-term precipitation, and localization, all of which show mesoscale features spatially and temporally. Heavy rain closely associated with the terrain mainly occurs in the vicinity of the Wenchuan-Yaan fault zone steep terrain.（2）There exist two ridges in a trough atmospheric circulation pattern in the middle and high latitudes. The same phase super-position of the northwest subtropical high and an anticyclonic ridge form typical weather patterns with high pressure to the east and low pressure to the west. These systems, spreading eastward slowly, provide a favorable large scale circulation situation for precipitation processes. The development of a southwest vortex and its interaction with the strong wind belt of the subtropical high western edge strengthen the upward-effect of the western Sichuan steep terrain and contribute to the occurrence of heavy rain. The occurrence, development, merger, and strengthening of several mesoscale cloud clusters in the Sichuan basin is directly related to the occurrence of heavy rain. (3) The WRF model successfully simulates the precipitation process, and our analysis of the simulation results indicates that, under the influence of the development and evolution of the large scale circulation background, the movement of a stable stratification cover, the development or decrease of lower southeast wind, and the accumulation and release of unstable energy dominate the formation and cessationof precipitation.

Torrential rainfall, Sichuan Basin, Debris flow, Numerical simulation

1006?9895(2014)06?1095?14

中國分類號 P445

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13255

2013?09?02，2014?01?14收修定稿

中國科學(xué)院重點部署項目KZZD-EW-05-01

李琴，女，1988年出生，碩士研究生，主要從事暴雨過程數(shù)值模擬與診斷研究。E-mail: liqin@mail.iap.ac.cn

崔曉鵬，E-mail: xpcui@mail.iap.ac.cn