一次西南低涡诱发四川盆地持续性暴雨的诊断分析

王红丽，易俊莲

(1.贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省山地环境气候研究所 ，贵州 贵阳 550002)



一次西南低涡诱发四川盆地持续性暴雨的诊断分析

王红丽1，易俊莲2

(1.贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省山地环境气候研究所 ，贵州 贵阳 550002)

利用NCEP/NCAR 1°×1°日4次再分析资料，针对2011年7月3—6日四川盆地持续性暴雨过程的影响系统和各物理量作了分析研究。结果表明：暴雨过程中不断有低压短波槽东移南下，西太平洋副高西伸至高原边缘，形成了有利的大尺度环流背景。对流层高层的强辐散与中层低涡的配合，低层强劲的南风暖湿急流与北风干冷气流在四川盆地内交汇，促使西南低涡发展和维持。高低层辐合辐散、对流运动强烈，持续强劲的水汽输送为暴雨维持起到了重要作用，暴雨持续期间产生不稳定能量释放从而又造成强烈的对流活动。螺旋度对暴雨落区及维持有较好的指示意义，暴雨落区与该地区上空中低层正、高层负局地垂直螺旋度中心有较好的对应关系。

西南低涡；持续性暴雨；低空急流；螺旋度

1 引言

四川盆地位于一个特殊的地理环境，处于青藏高原东侧，受到高原地形地貌的影响，存在着复杂的动力、热力强迫作用与复杂的下垫面环境[1，2]，使得该地区天气复杂多变。西南低涡是产生于对流层低层的一种气旋式低涡环流，一般是指在西南地区700 hPa或850 hPa等压面上气旋性环流或闭合等高线的低涡，西南低涡是导致四川盆地夏季暴雨的重要天气系统[3]。关于西南低涡引发的四川暴雨研究已有许多，赵玉春等[4]研究了高原地形对西南低涡暴雨的作用，屠妮妮等[5]分析了暴雨过程中的物理量特征，赵大军等[6]分析了西南低涡产生的天气背景。这些研究多从动力热力原因和触发机制入手。在四川盆地持续性暴雨方面，研究发现低空急流的维持作用较为重要[7]，干冷空气和暖湿气流交汇，低层暖平流和中层正涡度平流的维持为持续性暴雨的发生提供了稳定的环流背景[8]，持续性暴雨的发生往往与来自孟加拉湾的强水汽输送密切相关[9，10]。但目前对西南低涡及其对持续性暴雨的作用仍缺乏清楚的认识，有必要进一步开展相关研究。

2011年7月3—6日，四川省出现入汛以来强度最大的一次区域性暴雨过程，四川盆地部分地区降大到暴雨，个别大暴雨。在此次暴雨过程中，降水量一般在100～250 mm，部分地区达300 mm以上，全省共有成都、巴中、广元、绵阳、德阳、乐山、达州、遂宁、雅安、眉山等12个市(州)、60个县(市区)受灾。本文重点对这次西南低涡引发的持续性暴雨过程的发展和维持机制展开研究，以期为今后西南低涡持续性暴雨预报提供一些有意义的参考依据。

2 环流背景和影响系统

分析2011年7月3—6日平均的500 hPa位势高度场(图1a)，欧亚大陆中高纬度地区为“两槽一脊”型，西太平洋副高较强和高原上的短波槽活动比较频繁，从西南方向来的暖湿空气与南下的冷空气交汇，为暴雨的持续发生提供了有利的条件。分析逐日的500 hPa位势高度场(图略)，7月3日较强的西太平洋副高呈带状，588线延伸至高原东侧，北侧边界位于32～34°N，巴尔喀什湖以南，从青藏高原东麓有一短波槽快速下滑东移影响四川盆地，但很快减弱，大兴安岭山脉处有一分裂闭合低压；7月4日，贝加尔湖西部又有一短波槽东移南下，西太平洋副高显著增强，西侧位于95°E，维持在青藏高原东部上空，锡霍特山脉上空东亚大槽加深；7月5日，贝加尔湖地区出现闭合低值中心，副高有所减弱，退回盆地上空；7月6日短波槽移速较慢，副高减弱返回海洋；7日过程结束，亚欧500 hPa环流完成一次调整。7月季风的低频振荡特征非常明显，水汽输送十分强盛(图1b)，来自孟加拉湾的暖湿气流绕流到盆地西南部，在川西地区有较高的输送值；来自南海的水汽受偏南风影响向北输送，同时受西南低涡的影响，向盆地中间地带输送，盆地存在着较强的水汽辐合，为暴雨的持续发生提供了充足的水汽来源。

图1 2011年7月3—6日平均(a)500 hPa位势高度场(单位：gpm)和(b)整层(地面～300 hPa)水汽通量

2011年7月3—6日期间，西南低涡稳定少动且长时期维持(图2)，对于持续性暴雨的出现十分有利。从位势高度场和风场叠加场(图2a、2c和2e)可以看出，由于高原的阻挡，西风气流从高原的南北侧绕流。这在500 hPa(图2a)和700 hPa(图2c)图上尤为显著。500 hPa层上有低槽东移，槽前的正涡度输送有利于低层减压和气旋性涡度的加大；高原东南侧的西南、偏南气流加强并在四川盆地形成明显的辐合(图2c、2e)，可见低空急流是维持西南低涡的关键因子；850 hPa层上(图2e)能明显看出闭合的低值中心，盆地有显著的辐合气流区(图2f)。对比700 hPa层和850 hPa层上的西南低涡，可以发现850 hPa层上的西南低涡特征更加显著(图2e、图2f)，这应与青藏高原周边复杂的下垫面导致的动力作用有关。四川盆地边界层顶一般在850 hPa左右[10]，边界层内水平气压梯度力、科里奥利力、湍流黏性力三力平衡，边界层的摩擦作用使得风偏离等压线吹向低压，气流在科里奥利力作用下有利于气旋性涡度的增加，盆地的边界层摩擦作用有利于低层偏南风的气旋性涡度增加，而低层的强辐合运动对于西南低涡的长期维持非常重要。盆地上空对流层中低层为暖湿高能区，盆地北侧冷空气活跃，等θse线表现出很强的水平切变(图2d、图2f)。在西南低涡的影响下，低空急流带来的偏南暖湿气流与来自北方的干冷空气长时期在盆地交汇，这对于暴雨的持续发生有重要意义。

3 持续性暴雨与低涡的关系及其物理成因分析

从图3可以得知，200 hPa层上中纬度地区盛行西风，而低纬盛行东风，从纬向风u=0线可以看出四川盆地正好位于西风急流和东风急流切变区。200 hPa层在40°N附近维持一支高空西风急流。从500 hPa层上可以看出四川盆地的涡度始终维持在4×10-5s-1。持续性暴雨期间，在对流层中低层，昆明—贵阳—重庆—达州一线一直维持着一支8～12 m·s-1的西南低空急流。暴雨过程期间急流轴左侧都有切变或低涡活动。700 hPa层上在甘肃平凉、天水、陇南至四川绵阳、德阳一带为河套小高压和西太平洋副高之间的切变。出现暴雨的四川盆地地区处于西南低涡右前方和急流轴左侧。

高空急流入口区有正的涡度平流，因此相对于高空气流辐散，低层气压降低[11]。由图4(a、b)可以看出高空辐散气流随偏北风向南流动，由于从高压向外流动，气压梯度力使高空风加强并在东风急流的北侧辐合下沉。低层减压作用使副热带高压北侧的气压梯度加大，高压中的气流向北流动产生辐合上升气流并有西南涡生成。同时气压梯度力做功又使西南气流加强。从高空东风急流北侧下沉的气流与低层向北流动的气流相连接在垂直剖面上构成了一个反环流圈。由于大气处于潮湿不稳定的状态，低层辐合上升气流中伴随有对流发展，水汽大量凝结释放潜热产生降水并使低层气压降得更低，促使低层的南北气压梯度加大，偏南气流加速更快，结果导致低空急流的维持。综上可以看出在这次持续性暴雨中，高、低空急流对于西南低涡的发生发展尤其重要，西南低涡引发的持续性暴雨又导致了急流的维持，它们可视为相互作用的一个整体。

图2 2011年7月3—6日平均500 hPa(a)，700 hPa(c)，850 hPa(e)高度场、风场叠加场(单位：gpm)和500 hPa(b)，

700 hPa(d)，850 hPa(f)流场(实线)、假相当位温(虚线，单位：℃)叠加场。阴影区为高原地形

图3 2011年7月4日20时(a)与7月5日20时(b)200 hPa高空急流(图中阴影处为风速≥25 m/s带)500 hPa涡度

图4 2011年7月4日20时(a)、5日20时(b)沿105°E的垂直剖面图

2011年7月3—6日的Q矢量及其散度分布显示了西南低涡维持暴雨的作用(图5)。在四川盆地，7月3—6日对流层850 hPa为Q矢量散度的辐合区，其矢量指向暴雨区分布。表明当西南低涡在四川盆地维持时，大尺度的强迫使暴雨区上空持续维持上升运动。

图5 2011年7月3日20时和4日08时850 hPa的Q矢量(箭矢，单位：m2·kg-1·s-1)及其散度

4 持续性暴雨物理量特征

4.1 各物理量垂直结构分析

图6是持续性暴雨期间暴雨区(103～107°E，29～32°N，下同)各物理量时间—高度剖面图。通过图6a可知，3日08时暴雨区上空辐合出现并继续发展，4日20时过后400 hPa层以下出现强烈的整层辐合，一直持续到6日20时后低层才转为辐散，高空400 hPa层上一直维持着辐散运动，与中低层的辐合运动配合不断形成强对流上升运动；暴雨开始后整个对流层基本都是垂直运动的上升区(图6b)，800～500 hPa层次中均表现为强盛的上升运动，如此长时间的上升速度显然为暴雨持续提供了非常有利的上升条件。6日20时过后，中低层强辐合中心消失，代之以下沉气流，上升运动减弱消散。相应地，大面积降水结束。

四川盆地位于青藏高原东侧，同时也处在副热带高压边缘，受大气环流影响，来自孟加拉湾和南海绕高原东南侧输送的水汽大量在此聚集，大气水分含量高。在比湿(图6c)的时间—高度剖面图上，暴雨区上空中低层比湿含量一直较高，同期相对湿度(图6d)中低层一直维持较高水平，6日20时过后才趋于较弱。期间暴雨区上空500～850 hPa呈现出明显的位势不稳定(图6e)，500 hPa处维持低值带，随着高层干冷空气逐渐入侵，不稳定能量释放，对流层低层逐渐为冷空气控制。一个地区要发生强降水，必须考虑各个方向输送来的水汽能否在此集中起来，则要分析水汽的聚集能力，即水汽通量散度(图6f)，暴雨期间对流层中低层持续维持着水汽辐合带，表明暴雨期间有足够的水汽可供造成降水。可见暴雨持续期间强烈的上升运动和较长的持续时间，将湿空气块抬升到对流层中层，易发生不稳定能量释放造成强烈的对流活动。

图6 持续性暴雨期间暴雨区各物理量时间—高度剖面图

4.2 螺旋度分析

气象学中的螺旋度是一个用于衡量环境风场具有多大沿气流方向的水平涡度及其贡献的参数， 它的大小反映了旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度。螺旋度既考虑了大气旋转、扭曲的特性，同时又考虑了水平和垂直方向的输送作用，比单一地用涡度或散度描述大气物理结构，意义更加清晰。近年来，我国气象工作者研究了螺旋度在大气运动中的贡献和作用[11-13]。经过多年对螺旋度理论的研究与应用，在科研及业务领域都取得了很多有价值的成果，指出螺旋度对强对流天气和大范围暴雨有较好的指示作用。

本文采用局地垂直螺旋度，其又称H3t螺旋度。在P坐标系中，H3t螺旋度的计算表达式为：

(1)

尤红等[14]对2005年6月广东发生的连续性特大暴雨过程进行垂直螺旋度诊断分析，结果表明：广东特大暴雨范围、强度与该地区上空中低层正、高层负垂直螺旋度中心迅速增大、减小密切相关，并和中心增大、减小区域也有很好的对应关系。杨越奎等[15]对1991年7月时段梅雨锋暴雨的H3t螺旋度进行了分析，发现螺旋度的水平分布同当时雨区的恰当配合，有利于暴雨系统的发展及维持。

从图7a暴雨区局地垂直螺旋度时间—高度剖面看出持续性暴雨期间对流层中低层为正螺旋度，高层为负螺旋度，当低层正螺旋度中心与高层负螺旋度中心显著对应配合时暴雨发展并维持。图7b为700 hPa层7月3—6日平均局地垂直螺旋度分布，可以看出暴雨期间四川盆地为正螺旋度分布，且与连日发生降水的区域对应得较好，利于暴雨的维持。

图7 暴雨区局地垂直螺旋度(单位：10-6hPa·s-2)时间—高度剖面图(a)和

2011年7月3—6日持续性暴雨过程3、4日主要集中在盆地西部，4日后逐渐转为盆地中、东部。从图8a、8b可见，暴雨落区与该地区上空中低层正、高层负局地垂直螺旋度中心有较好的对应关系。而图8c、8d也显示了5、6两日暴雨主要集中在盆地中、东部的情况。

5 结论

西伸加强的西太平洋副热带高压和中纬度低压槽的东移，对流层高层强辐散、中层低涡的配合和强劲的偏南风暖湿急流与盆地北侧的干冷气流在四川盆地内交汇，在高原东部地区形成了有利于西南低涡发展、维持的环流条件。盆地强降水发生在高空西风急流和东风急流、低涡中心与西南低空急流大风出口区之间。在西南低涡的影响下，暴雨期间持续存在着强烈的对流上升运动，对流层低层辐合高层辐散，将高能暖湿气流抬升到对流层中层，发生不稳定能量释放又促进强烈的对流活动，这对于暴雨的持续发生有重要意义。低层正螺旋度中心与高层负螺旋度中心的对应配合对于暴雨落区和维持有重要作用，螺旋度的水平分布同当时雨区的配合，也有利于暴雨系统的发展及维持。

图8 局地垂直螺旋度的垂直分布(单位：10-6hPa·s-2)

2011年7月3日08时(a)、4日08时(b)沿30°N分布，5日08时(c)、6日08时(d)沿32°N分布

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A diagnostic analysis of persistent heavy rain induced by the southwest vortex in Sichuan basin

WANG HongLi1，YI JunLian2

(1.Guizhou Meteorological Service Center， Guiyang 550002；2.Guizhou Institute of Mountain Environment Meteorology， Guiyang 550002)

The influence system and various physical quantity of a persistent torrential rain process in Sichuan basin during 3～6 July 2011 is analyzed by using the 6-hour-interval reanalysis data with 1°×1° resolution from NCEP/NCAR. the results show that Sichuan Basin was influenced by continual low-pressure shortwave troughs，and western Pacific subtropical high shifted westward to the edge of the plateau， formed a favorable large-scale circulation background. The interaction of strong divergence of upper troposphere and Middle-level vortex，the strong southward warm and wet jet and the northerly dry and cold airflow interaction with each other in the Sichuan Basin in the lower troposphere， promote the development and maintenance of Southwestern Vortex. lower-level convergence and upper-level divergence，strong convection，persistent and strong Water vapor transport have significant effect to the maintenance of torrential rain， unstable energy released during the rainstorm which in turn caused the strong convective activity. The helicity has considerable forecasting significance for the rain loading areas and maintenance， heavy rainfall area has a good correspondence with the positive vertical helicity in the lower-level and negative vertical helicity in the upper-level.

Southwestern Vortex；persistent torrential rain；lower-level jet；helicity

2014-07-24

王红丽(1963—)，女，工程师，主要从事应用气象工作。

西南重大突发性自然灾害预警与防控技术研究与应用(2012 BAD 20B06)。

1003-6598(2015)03-0013-08

P458

A