四川盆地西部两次极端暴雨的广义湿位涡诊断分析

郭云云 , 邓莲堂 , 蒋伊蓉

（1. 四川省气象台，成都 610072；2. 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072；3. 国家气象中心，北京 100081；4. 中国气象局数值预报中心，北京 100081；5. 陕西省榆林市气象局，榆林 719000）

引言

近年来，随着探测设备的多元化和数值模式的改进发展，我国在暴雨各个方面的研究都有了较快的进步，但暴雨预报准确率还有待提高。暴雨的发生发展离不开充足的水汽供应、有利的动力条件和热力不稳定条件，而湿位涡是一个能较好表现大气动力、热力属性的物理量，通过对它的分析可以在一定程度上揭示暴雨发生发展的物理机制。湿位涡被广泛应用在低涡暴雨、锋面暴雨、台风暴雨等多种不同类型的暴雨研究中，取得了许多成果[1-2]。吴秋月等[1]研究了西南低涡暴雨，发现降雨落区与700 hPa湿位涡对应关系较好，对流层中低层湿位涡正压项负值与湿位涡斜压项正值的重合区可以作为强降水的警戒区。肖云清等[2]指出700 hPa以下湿位涡正压项负的大值区和600 hPa湿位涡斜压项负极值中心的存在对贺兰山两次局地暴雨有一定指示作用。但湿位涡的局限性在于计算相当位温时考虑的是大气完全饱和，实际观测表明，一般大气中相对湿度达78%时，局部区域可能已经存在潜热释放了[3]，而就算是暴雨发生时，大气的相对湿度也不可能达到100%，实际大气是一种干湿共存的非均匀饱和大气[4-5]。基于此，Gao等[6]将凝结几率函数引入相当位温，新定义了广义位温来表征相对湿度大、有凝结现象产生但大部分区

域还是非饱和的区域，以更好地描述湿大气的热力特征。广义位温被提出后，通过引入涡度方程而推算出广义湿位涡方程，广义湿位涡可以反映暴雨湿度环境场，它的变化与水汽梯度的变化呈正相关。理论研究表明，广义湿位涡能较好地表征实际大气非均匀饱和特性，许多学者都对该理论进行过深入探讨[7-10]。段廷扬等[8]对长江流域强降水中广义湿位涡进行诊断，发现它在对流层低层能较好地表现降水期间水汽高值集中的特点，可以反映暴雨区以及它的变化。王伏村等[9]也发现广义湿位涡比湿位涡能更好诊断出敦煌地区的暴雨落区，其正异常区处于850~750 hPa广义位温高梯度区，800 hPa正异常区与暴雨区一致。刘赛赛等[10]也指出广义湿位涡可以在近饱和区域发挥其诊断优势。四川盆地一直是暴雨多发地带，因其处于青藏高原过渡区，四周山脉环绕，极易因暴雨而产生严重的山洪、泥石流等地质灾害，而极端暴雨的出现无疑会给人民的生命财产带来更为严重的损失[11]。肖递祥等[12]曾统计了1981~2015年四川盆地共出现的23次极端暴雨，对其气候特征、环流形势、影响系统进行分析指出，比湿在暴雨过程临近时平均值达16 g/kg，较月平均值异常偏高3 g/kg，异常偏高的水汽是造成极端暴雨的重要因素之一。近年来，极端暴雨呈增多趋势，尤其是2020年8月，仅中旬就连续发生了两次极端暴雨过程。广义湿位涡虽多次应用在暴雨过程诊断中，但对四川暴雨的相关研究较少，而针对极端暴雨则更少，极端暴雨中较高的水汽含量是否能在广义湿位涡中有更明显的反映? 本文拟对四川盆地西部两次极端暴雨中的广义湿位涡进行诊断，以期对其有更进一步的了解。

1 资料与方法

本文选取资料包含了2020年8月10~18日ERA5 0.25°×0.25°再分析资料、MICAPS4调阅的常规资料、四川加密自动站降水观测资料。

Gao 等[6]在相当位温θe中 引入凝结几率函数(q/qs)k来定义广义位温 θ∗，并推导出广义湿位涡方程（广义湿位涡，下称GMPV），表达式为：

式中： α为湿空气比容， ζa为绝对涡度，θ 为位温，L为水汽凝结潜热率，Cp为定压比热容，T为温度，q/qs为相对湿度；当k=9时 ，GMPV能很好地表现实际大气的凝结状态[13]。从公式中可以发现，GMPV包含了相对湿度的显式表达，增强了水汽的贡献。

2 暴雨过程实况

2.1 8月11~13日暴雨过程

2020年8月11~13日，四川盆地连续两天（12~13日）降雨达区域性暴雨级别（统计时段为20时~次日20时，北京时）。3天累计50~100 mm暴雨站数1687站，100~250 mm大暴雨站数1133站，>250 mm特大暴雨站数48站（图略），其中24 h降水极值429.2 mm和小时雨强极值156.8 mm均位于雅安市芦山芦阳镇。最强雨日（8月12日）中大暴雨站数达459站，特大暴雨站数1站（图1a）。

图1 2020年8月12日20时（a）和16日20时四川地区24 h累计降水量空间分布（单位：mm）；眉山龙池（c）和绵阳通口（d）单站降水时间序列（单位：mm）

2.2 8月15~18日暴雨过程

2020年8月15~18日，四川盆地西部连续3天（15~17日）降雨达到区域性暴雨级别。4天累计50~100 mm暴雨站数853站，100~250 mm大暴雨站数1075站，>250 mm特大暴雨站数727站（图略）。最强雨日（8月16日）中大暴雨站数592站，特大暴雨站数达79站，24 h降水极值540.1 mm和小时雨强极值118.4 mm均出现在此时段内，位于绵阳旌阳区黄许镇新太村（图1b）。

可以看出第二次暴雨强度更大，但两次降水过程均达到四川极端暴雨标准[12]，其持续时间和强度在历史上都较为少见。本文分别选取两次过程最强降雨日8月11日（下称“8.11”暴雨）和8月15日（下称“8.15”暴雨）为研究重点，对其广义位温和广义湿位涡进行讨论。

3 环流形势分析

3.1 中高层环流形势

从2020年8月10日20时~13日20时高层200 hPa平均环流位势场来看，南亚高压中心值为1240 hPa，盆地西部在31°N附近存在弱分流区。而14日20时~18日20时平均环流位势场上，南亚高压中心值增强至1260 hPa，较前者明显西退，中高纬低槽明显加深，盆地西部31°N附近存在强分流区，并位于高空急流入口区右侧，这种形势十分有利于高空气流辐散，进而通过抽吸作用影响低层气流辐合（图略）。在11日20时500 hPa位势高度场中可以看到，亚洲中高纬维持两脊一槽环流形势，中纬度西风槽位于甘肃中部-青海东部-甘孜西部一线，盆地西部处于槽前正涡度平流区，副高较为偏东（图2a）。15日20时500 hPa位势高度场显示，亚洲中高纬维持两脊一槽环流形势，中纬度西风槽位于甘肃中部-青海东部一线，川西高原有低涡存在，盆地西部同样处于槽前正涡度平流区，副高较11日20时有所西伸（图2b）。

图2 2020年8月11日20时（a）和15日20时（b）500 hPa位势高度（等值线，单位：dagpm）和风场（风羽，单位：m·s-1）空间分布

3.2 低层风场及湿度条件

2020年8月11日20时700 hPa风场显示，盆地西南部受低涡环流影响，曲率最大处南风风速可达12 m/s（图略）；850 hPa盆地西南部存在低涡，北侧切变位于简阳-德阳中部-绵阳中部一线，其西南侧存在急流带，水汽通道畅通（图3a）。15日20时700 hPa风场显示，盆地西北部侵入冷空气与偏南暖湿气流交汇形成切变，切变线较“8.11”暴雨更长，盆地西南部存在气旋性曲率，强度较“8.11”暴雨弱（图略）；850 hPa盆地西南部同样存在低涡，但北侧切变更为偏西，低涡东侧也存在急流带，盆地西部相对湿度>80%，水汽供应充足，但相对湿度>95%区域小于“8.11”暴雨（图3b）。

图3 2020年8月11日20时（a）和15日20时（b）850 hPa风场（风羽，单位：m·s-1）和>80%相对湿度（灰色阴影，单位：%）空间分布（黑色阴影为海拔高度>1500 m地形）

从环流形势来看，两次暴雨均属于四川盆地典型的500 hPa“东高西低”型暴雨[12]，中高层南亚高压、高空急流、西风槽和低层低涡、切变等天气系统为暴雨提供了良好的动力条件，低空急流则源源不断地为暴雨区输送水汽，这种天气形势有利于两次降水发展成极端暴雨。

4 两次过程广义湿位涡分析

4.1 850 hPa广义湿位涡对比分析

图4给出了两次暴雨中降水发生前20时和次日02时的850 hPa广义位温和广义湿位涡空间分布。11日20时（图4a），盆地西部存在广义位温强梯度区，眉山东部中心值达360 K；对应产生GMPV异常高值区，两者分布形态基本一致，GMPV两中心值约为3 PVU（1 PVU=10-6·m2·K·s-1·kg-1），分 别 位 于 绵 阳、德 阳、成都3市东部和眉山西部。15日20时（图4b），广义位温强梯度区走向与“8.11”暴雨基本一致，强中心值同样达到360 K，但较“8.11”暴雨偏西（乐山北部）；对应的GMPV异常高值区与广义位温梯度最大处保持一致，3 PVU左右高值区较“8.11”暴雨北扩，即绵阳东部范围更大，但成都东部范围则缩小。到下一时刻（图4c~d），两次暴雨中的 θ∗和GMPV都明显减小，尤其是“8.11”暴雨中乐山、眉山2市的GMPV异常值由3 PVU减小至0.5 PVU以下，这种减弱与6 h降水情况保持一致。但对于“8.15”暴雨而言，成都东部的GMPV异常区增大与该地区降水呈正相关，绵阳东部的GMPV异常区减小则与该地区降水呈反相关。值得注意的是，两次暴雨中850 hPa的 θ∗和GMPV的分布形态与相对湿度>90%的区域基本保持一致（图3），说明两者与水汽含量关系密切。

图4 2020年8月11日20时（a）、15日20时（b）、12日02时（c）、16日02时（d）850 hPa广义位温（等值线，单位：K）和广义湿位涡（灰色阴影，单位：PVU）空间分布（黑色阴影为海拔高度>1500 m地形）

4.2 广义湿位涡的时空分布特征

图5给出了两次暴雨过程中 θ∗和GMPV沿暴雨中心104.5°E的垂直剖面。11日20时（图5a），28.2°~33°N暴雨区上空900~800 hPa均存在密集的等 θ∗线，梯度较大，中心值达360 K，且伴随正的GMPV异常，其中在30.1°~31.2°N有5 PVU左右的GMPV异常高值中心。15日20时（图5b），28.5°~32°N暴雨区上空900~800 hPa也存在密集的等 θ∗线，梯度较大，中心值为360 K，同样伴随正的GMPV异常，但GMPV为5 PVU左右的异常高值中心介于30.7°~31.2°N。到下一时刻（图5c~d），“8.11”暴雨低层 θ∗中心值虽增加至370 K，但垂直梯度明显减小，GMPV异常也随之减弱，只在31°N附近存在大值区，且5 PVU左右的中心值范围显著减小；“8.15”暴雨中 θ∗中心值减弱至350 K，但垂直梯度并未明显减弱，这也导致GMPV异常高值区依然存在。θ∗梯度区和GMPV异常区随时间的变化与相对湿度含量、6 h降水强度和位置的变化均存在较好的对应关系（图略）。

图5 2020年8月11日20时（a）、15日20时（b）、12日02时（c）、16日02时（d）广义位温（等值线，单位：K）和广义湿位涡（阴影，单位：PVU）沿104.5°E的垂直剖面

4.3 广义湿位涡单站时空分布

为了解 θ∗和GMPV随降水的时间演变规律，本节分别选用两次暴雨过程中特大暴雨站点眉山万胜龙池（30.11°N，103.54°E）和 绵 阳 涪 江 通 口 镇（31.8°N，104.58°E）作为分析站点（图6）。11日20时~12日08时，眉山龙池一直存在强降水，除12日01时降水较弱外，多个时刻雨强维持在20 mm以上（图1c），到次日白天减弱。从对应时段 θ∗和GMPV分布可以看到，800~900 hPa等 θ∗线密集，存在较强梯度，强梯度区内存在3 PVU以上的强GMPV异常区，二者在12日白天开始减弱（图6a）。15日20时~16日08时，绵阳通口镇也存在强降水，小时雨强较眉山龙池更强，降水峰值在16日01时达94 mm，到16日白天减弱（图1d），对应时段700~800 hPa等 θ∗线密集，存在较强梯度，强梯度区内有2 PUV左右的强GMPV异常区，强梯度区同样在次日白天减弱（图6b）。但两站的GMPV强度与小时雨强并不存在明显正相关关系。对比可知，绵阳通口镇降水较强，但等 θ∗线的密集程度和GMPV异常却较弱，且二者的表现高度分别位于850 hPa左右和700 hPa左右，造成这种现象的主要原因是眉山龙池地区850 hPa高度上的相对湿度要低于700 hPa，而绵阳通口镇相对湿度则是700 hPa高于850 hPa。通口镇降水强度更强的另一原因则是“8.15”暴雨中高层的动力强迫更强。

图6 2020年8月11~12日（a. 眉山龙池）和15~16日（b. 绵阳通口镇）单点广义位温（等值线，单位：K）和广义湿位涡（灰色阴影，单位：PVU）的高度-时间剖面

5 结论

本文利用ERA5再分析格点资料，对2020年8月11~12日和15~16日发生在四川盆地西部的两次极端暴雨中的广义位温和广义湿位涡进行诊断分析，得出以下主要结论：

（1）大气环流演变表明，两次暴雨过程均属于500 hPa“东高西低”型暴雨，中高层南亚高压、高空急流、西风槽和低层切变线、低涡等天气系统为暴雨提供了良好的动力条件。低空急流源源不断地为暴雨区输送水汽，这种天气配置有利于两次降水发展成极端暴雨。

（2）两次暴雨区上空低层均存在 θ∗等值线密集带和强GMPV异常区，“8.11”暴雨出现高度为800~900 hPa，“8.15”暴雨出现高度为700~800 hPa。 θ∗和GMPV的强度分布形态与低层相对湿度>90%的区域基本保持一致，且相对湿度越高， θ∗垂直梯度越强，GMPV异常区中心值越高。

（3）两次暴雨中强降水站点中的 θ∗和GMPV的时空演变与其降水的时间演变均有较好的对应关系，但GMPV强度与小时雨强并不存在明显正相关关系。