郭云云 , 鄧蓮堂 , 蔣伊蓉

（1. 四川省氣象臺，成都 610072；2. 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，成都 610072；3. 國家氣象中心，北京 100081；4. 中國氣象局數(shù)值預(yù)報中心，北京 100081；5. 陜西省榆林市氣象局，榆林 719000）

引言

近年來，隨著探測設(shè)備的多元化和數(shù)值模式的改進發(fā)展，我國在暴雨各個方面的研究都有了較快的進步，但暴雨預(yù)報準確率還有待提高。暴雨的發(fā)生發(fā)展離不開充足的水汽供應(yīng)、有利的動力條件和熱力不穩(wěn)定條件，而濕位渦是一個能較好表現(xiàn)大氣動力、熱力屬性的物理量，通過對它的分析可以在一定程度上揭示暴雨發(fā)生發(fā)展的物理機制。濕位渦被廣泛應(yīng)用在低渦暴雨、鋒面暴雨、臺風(fēng)暴雨等多種不同類型的暴雨研究中，取得了許多成果[1-2]。吳秋月等[1]研究了西南低渦暴雨，發(fā)現(xiàn)降雨落區(qū)與700 hPa濕位渦對應(yīng)關(guān)系較好，對流層中低層濕位渦正壓項負值與濕位渦斜壓項正值的重合區(qū)可以作為強降水的警戒區(qū)。肖云清等[2]指出700 hPa以下濕位渦正壓項負的大值區(qū)和600 hPa濕位渦斜壓項負極值中心的存在對賀蘭山兩次局地暴雨有一定指示作用。但濕位渦的局限性在于計算相當位溫時考慮的是大氣完全飽和，實際觀測表明，一般大氣中相對濕度達78%時，局部區(qū)域可能已經(jīng)存在潛熱釋放了[3]，而就算是暴雨發(fā)生時，大氣的相對濕度也不可能達到100%，實際大氣是一種干濕共存的非均勻飽和大氣[4-5]?；诖耍珿ao等[6]將凝結(jié)幾率函數(shù)引入相當位溫，新定義了廣義位溫來表征相對濕度大、有凝結(jié)現(xiàn)象產(chǎn)生但大部分區(qū)

域還是非飽和的區(qū)域，以更好地描述濕大氣的熱力特征。廣義位溫被提出后，通過引入渦度方程而推算出廣義濕位渦方程，廣義濕位渦可以反映暴雨濕度環(huán)境場，它的變化與水汽梯度的變化呈正相關(guān)。理論研究表明，廣義濕位渦能較好地表征實際大氣非均勻飽和特性，許多學(xué)者都對該理論進行過深入探討[7-10]。段廷揚等[8]對長江流域強降水中廣義濕位渦進行診斷，發(fā)現(xiàn)它在對流層低層能較好地表現(xiàn)降水期間水汽高值集中的特點，可以反映暴雨區(qū)以及它的變化。王伏村等[9]也發(fā)現(xiàn)廣義濕位渦比濕位渦能更好診斷出敦煌地區(qū)的暴雨落區(qū)，其正異常區(qū)處于850~750 hPa廣義位溫高梯度區(qū)，800 hPa正異常區(qū)與暴雨區(qū)一致。劉賽賽等[10]也指出廣義濕位渦可以在近飽和區(qū)域發(fā)揮其診斷優(yōu)勢。四川盆地一直是暴雨多發(fā)地帶，因其處于青藏高原過渡區(qū)，四周山脈環(huán)繞，極易因暴雨而產(chǎn)生嚴重的山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，而極端暴雨的出現(xiàn)無疑會給人民的生命財產(chǎn)帶來更為嚴重的損失[11]。肖遞祥等[12]曾統(tǒng)計了1981~2015年四川盆地共出現(xiàn)的23次極端暴雨，對其氣候特征、環(huán)流形勢、影響系統(tǒng)進行分析指出，比濕在暴雨過程臨近時平均值達16 g/kg，較月平均值異常偏高3 g/kg，異常偏高的水汽是造成極端暴雨的重要因素之一。近年來，極端暴雨呈增多趨勢，尤其是2020年8月，僅中旬就連續(xù)發(fā)生了兩次極端暴雨過程。廣義濕位渦雖多次應(yīng)用在暴雨過程診斷中，但對四川暴雨的相關(guān)研究較少，而針對極端暴雨則更少，極端暴雨中較高的水汽含量是否能在廣義濕位渦中有更明顯的反映? 本文擬對四川盆地西部兩次極端暴雨中的廣義濕位渦進行診斷，以期對其有更進一步的了解。

1 資料與方法

本文選取資料包含了2020年8月10~18日ERA5 0.25°×0.25°再分析資料、MICAPS4調(diào)閱的常規(guī)資料、四川加密自動站降水觀測資料。

Gao 等[6]在相當位溫θe中 引入凝結(jié)幾率函數(shù)(q/qs)k來定義廣義位溫 θ?，并推導(dǎo)出廣義濕位渦方程（廣義濕位渦，下稱GMPV），表達式為：

式中： α為濕空氣比容， ζa為絕對渦度，θ 為位溫，L為水汽凝結(jié)潛熱率，Cp為定壓比熱容，T為溫度，q/qs為相對濕度；當k=9時 ，GMPV能很好地表現(xiàn)實際大氣的凝結(jié)狀態(tài)[13]。從公式中可以發(fā)現(xiàn)，GMPV包含了相對濕度的顯式表達，增強了水汽的貢獻。

2 暴雨過程實況

2.1 8月11~13日暴雨過程

2020年8月11~13日，四川盆地連續(xù)兩天（12~13日）降雨達區(qū)域性暴雨級別（統(tǒng)計時段為20時~次日20時，北京時）。3天累計50~100 mm暴雨站數(shù)1687站，100~250 mm大暴雨站數(shù)1133站，>250 mm特大暴雨站數(shù)48站（圖略），其中24 h降水極值429.2 mm和小時雨強極值156.8 mm均位于雅安市蘆山蘆陽鎮(zhèn)。最強雨日（8月12日）中大暴雨站數(shù)達459站，特大暴雨站數(shù)1站（圖1a）。

圖1 2020年8月12日20時（a）和16日20時四川地區(qū)24 h累計降水量空間分布（單位：mm）；眉山龍池（c）和綿陽通口（d）單站降水時間序列（單位：mm）

2.2 8月15~18日暴雨過程

2020年8月15~18日，四川盆地西部連續(xù)3天（15~17日）降雨達到區(qū)域性暴雨級別。4天累計50~100 mm暴雨站數(shù)853站，100~250 mm大暴雨站數(shù)1075站，>250 mm特大暴雨站數(shù)727站（圖略）。最強雨日（8月16日）中大暴雨站數(shù)592站，特大暴雨站數(shù)達79站，24 h降水極值540.1 mm和小時雨強極值118.4 mm均出現(xiàn)在此時段內(nèi)，位于綿陽旌陽區(qū)黃許鎮(zhèn)新太村（圖1b）。

可以看出第二次暴雨強度更大，但兩次降水過程均達到四川極端暴雨標準[12]，其持續(xù)時間和強度在歷史上都較為少見。本文分別選取兩次過程最強降雨日8月11日（下稱“8.11”暴雨）和8月15日（下稱“8.15”暴雨）為研究重點，對其廣義位溫和廣義濕位渦進行討論。

3 環(huán)流形勢分析

3.1 中高層環(huán)流形勢

從2020年8月10日20時~13日20時高層200 hPa平均環(huán)流位勢場來看，南亞高壓中心值為1240 hPa，盆地西部在31°N附近存在弱分流區(qū)。而14日20時~18日20時平均環(huán)流位勢場上，南亞高壓中心值增強至1260 hPa，較前者明顯西退，中高緯低槽明顯加深，盆地西部31°N附近存在強分流區(qū)，并位于高空急流入口區(qū)右側(cè)，這種形勢十分有利于高空氣流輻散，進而通過抽吸作用影響低層氣流輻合（圖略）。在11日20時500 hPa位勢高度場中可以看到，亞洲中高緯維持兩脊一槽環(huán)流形勢，中緯度西風(fēng)槽位于甘肅中部-青海東部-甘孜西部一線，盆地西部處于槽前正渦度平流區(qū)，副高較為偏東（圖2a）。15日20時500 hPa位勢高度場顯示，亞洲中高緯維持兩脊一槽環(huán)流形勢，中緯度西風(fēng)槽位于甘肅中部-青海東部一線，川西高原有低渦存在，盆地西部同樣處于槽前正渦度平流區(qū)，副高較11日20時有所西伸（圖2b）。

圖2 2020年8月11日20時（a）和15日20時（b）500 hPa位勢高度（等值線，單位：dagpm）和風(fēng)場（風(fēng)羽，單位：m·s-1）空間分布

3.2 低層風(fēng)場及濕度條件

2020年8月11日20時700 hPa風(fēng)場顯示，盆地西南部受低渦環(huán)流影響，曲率最大處南風(fēng)風(fēng)速可達12 m/s（圖略）；850 hPa盆地西南部存在低渦，北側(cè)切變位于簡陽-德陽中部-綿陽中部一線，其西南側(cè)存在急流帶，水汽通道暢通（圖3a）。15日20時700 hPa風(fēng)場顯示，盆地西北部侵入冷空氣與偏南暖濕氣流交匯形成切變，切變線較“8.11”暴雨更長，盆地西南部存在氣旋性曲率，強度較“8.11”暴雨弱（圖略）；850 hPa盆地西南部同樣存在低渦，但北側(cè)切變更為偏西，低渦東側(cè)也存在急流帶，盆地西部相對濕度>80%，水汽供應(yīng)充足，但相對濕度>95%區(qū)域小于“8.11”暴雨（圖3b）。

圖3 2020年8月11日20時（a）和15日20時（b）850 hPa風(fēng)場（風(fēng)羽，單位：m·s-1）和>80%相對濕度（灰色陰影，單位：%）空間分布（黑色陰影為海拔高度>1500 m地形）

從環(huán)流形勢來看，兩次暴雨均屬于四川盆地典型的500 hPa“東高西低”型暴雨[12]，中高層南亞高壓、高空急流、西風(fēng)槽和低層低渦、切變等天氣系統(tǒng)為暴雨提供了良好的動力條件，低空急流則源源不斷地為暴雨區(qū)輸送水汽，這種天氣形勢有利于兩次降水發(fā)展成極端暴雨。

4 兩次過程廣義濕位渦分析

4.1 850 hPa廣義濕位渦對比分析

圖4給出了兩次暴雨中降水發(fā)生前20時和次日02時的850 hPa廣義位溫和廣義濕位渦空間分布。11日20時（圖4a），盆地西部存在廣義位溫強梯度區(qū)，眉山東部中心值達360 K；對應(yīng)產(chǎn)生GMPV異常高值區(qū)，兩者分布形態(tài)基本一致，GMPV兩中心值約為3 PVU（1 PVU=10-6·m2·K·s-1·kg-1），分 別 位 于 綿 陽、德 陽、成都3市東部和眉山西部。15日20時（圖4b），廣義位溫強梯度區(qū)走向與“8.11”暴雨基本一致，強中心值同樣達到360 K，但較“8.11”暴雨偏西（樂山北部）；對應(yīng)的GMPV異常高值區(qū)與廣義位溫梯度最大處保持一致，3 PVU左右高值區(qū)較“8.11”暴雨北擴，即綿陽東部范圍更大，但成都東部范圍則縮小。到下一時刻（圖4c~d），兩次暴雨中的 θ?和GMPV都明顯減小，尤其是“8.11”暴雨中樂山、眉山2市的GMPV異常值由3 PVU減小至0.5 PVU以下，這種減弱與6 h降水情況保持一致。但對于“8.15”暴雨而言，成都東部的GMPV異常區(qū)增大與該地區(qū)降水呈正相關(guān)，綿陽東部的GMPV異常區(qū)減小則與該地區(qū)降水呈反相關(guān)。值得注意的是，兩次暴雨中850 hPa的 θ?和GMPV的分布形態(tài)與相對濕度>90%的區(qū)域基本保持一致（圖3），說明兩者與水汽含量關(guān)系密切。

圖4 2020年8月11日20時（a）、15日20時（b）、12日02時（c）、16日02時（d）850 hPa廣義位溫（等值線，單位：K）和廣義濕位渦（灰色陰影，單位：PVU）空間分布（黑色陰影為海拔高度>1500 m地形）

4.2 廣義濕位渦的時空分布特征

圖5給出了兩次暴雨過程中 θ?和GMPV沿暴雨中心104.5°E的垂直剖面。11日20時（圖5a），28.2°~33°N暴雨區(qū)上空900~800 hPa均存在密集的等 θ?線，梯度較大，中心值達360 K，且伴隨正的GMPV異常，其中在30.1°~31.2°N有5 PVU左右的GMPV異常高值中心。15日20時（圖5b），28.5°~32°N暴雨區(qū)上空900~800 hPa也存在密集的等 θ?線，梯度較大，中心值為360 K，同樣伴隨正的GMPV異常，但GMPV為5 PVU左右的異常高值中心介于30.7°~31.2°N。到下一時刻（圖5c~d），“8.11”暴雨低層 θ?中心值雖增加至370 K，但垂直梯度明顯減小，GMPV異常也隨之減弱，只在31°N附近存在大值區(qū)，且5 PVU左右的中心值范圍顯著減小；“8.15”暴雨中 θ?中心值減弱至350 K，但垂直梯度并未明顯減弱，這也導(dǎo)致GMPV異常高值區(qū)依然存在。θ?梯度區(qū)和GMPV異常區(qū)隨時間的變化與相對濕度含量、6 h降水強度和位置的變化均存在較好的對應(yīng)關(guān)系（圖略）。

圖5 2020年8月11日20時（a）、15日20時（b）、12日02時（c）、16日02時（d）廣義位溫（等值線，單位：K）和廣義濕位渦（陰影，單位：PVU）沿104.5°E的垂直剖面

4.3 廣義濕位渦單站時空分布

為了解 θ?和GMPV隨降水的時間演變規(guī)律，本節(jié)分別選用兩次暴雨過程中特大暴雨站點眉山萬勝龍池（30.11°N，103.54°E）和 綿 陽 涪 江 通 口 鎮(zhèn)（31.8°N，104.58°E）作為分析站點（圖6）。11日20時~12日08時，眉山龍池一直存在強降水，除12日01時降水較弱外，多個時刻雨強維持在20 mm以上（圖1c），到次日白天減弱。從對應(yīng)時段 θ?和GMPV分布可以看到，800~900 hPa等 θ?線密集，存在較強梯度，強梯度區(qū)內(nèi)存在3 PVU以上的強GMPV異常區(qū)，二者在12日白天開始減弱（圖6a）。15日20時~16日08時，綿陽通口鎮(zhèn)也存在強降水，小時雨強較眉山龍池更強，降水峰值在16日01時達94 mm，到16日白天減弱（圖1d），對應(yīng)時段700~800 hPa等 θ?線密集，存在較強梯度，強梯度區(qū)內(nèi)有2 PUV左右的強GMPV異常區(qū)，強梯度區(qū)同樣在次日白天減弱（圖6b）。但兩站的GMPV強度與小時雨強并不存在明顯正相關(guān)關(guān)系。對比可知，綿陽通口鎮(zhèn)降水較強，但等 θ?線的密集程度和GMPV異常卻較弱，且二者的表現(xiàn)高度分別位于850 hPa左右和700 hPa左右，造成這種現(xiàn)象的主要原因是眉山龍池地區(qū)850 hPa高度上的相對濕度要低于700 hPa，而綿陽通口鎮(zhèn)相對濕度則是700 hPa高于850 hPa。通口鎮(zhèn)降水強度更強的另一原因則是“8.15”暴雨中高層的動力強迫更強。

圖6 2020年8月11~12日（a. 眉山龍池）和15~16日（b. 綿陽通口鎮(zhèn)）單點廣義位溫（等值線，單位：K）和廣義濕位渦（灰色陰影，單位：PVU）的高度-時間剖面

5 結(jié)論

本文利用ERA5再分析格點資料，對2020年8月11~12日和15~16日發(fā)生在四川盆地西部的兩次極端暴雨中的廣義位溫和廣義濕位渦進行診斷分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）大氣環(huán)流演變表明，兩次暴雨過程均屬于500 hPa“東高西低”型暴雨，中高層南亞高壓、高空急流、西風(fēng)槽和低層切變線、低渦等天氣系統(tǒng)為暴雨提供了良好的動力條件。低空急流源源不斷地為暴雨區(qū)輸送水汽，這種天氣配置有利于兩次降水發(fā)展成極端暴雨。

（2）兩次暴雨區(qū)上空低層均存在 θ?等值線密集帶和強GMPV異常區(qū)，“8.11”暴雨出現(xiàn)高度為800~900 hPa，“8.15”暴雨出現(xiàn)高度為700~800 hPa。 θ?和GMPV的強度分布形態(tài)與低層相對濕度>90%的區(qū)域基本保持一致，且相對濕度越高， θ?垂直梯度越強，GMPV異常區(qū)中心值越高。

（3）兩次暴雨中強降水站點中的 θ?和GMPV的時空演變與其降水的時間演變均有較好的對應(yīng)關(guān)系，但GMPV強度與小時雨強并不存在明顯正相關(guān)關(guān)系。