攀西地区冕宁“6.26”突发性暴雨成因分析

陈永仁 ,李跃清

（1.中国气象局成都高原气象研究所，成都 610072；2.四川省气象灾害防御技术中心，成都 610072；3.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072；4.川东北强天气研究南充市重点实验室，南充 637100）

引言

暴雨是一种复杂多样的灾害性天气，不同时空特征的多尺度系统相互作用是其主要成因。其中，西太平洋副热带高压（简称副高）是东亚重要的大气环流系统，其西伸东退，北上南下及其伴随的位置、强度和形状变化，已成为主导我国夏季降水时空分布的基本环流背景，大量的研究证实了副高在我国夏季暴雨和强对流天气中的重要作用[1−4]。由于独特的动力和热力特征，副高控制下盛行大范围的下沉气流，常常表现为高温少雨[5]；但在其西北侧边缘，尤其是西风槽逼近时，存在上升运动，容易引发强降水等灾害性天气。长期以来，无论是气候研究还是天气分析，500hPa的588dagpm 等值线常作为副高边界的特征线[6−7]，在其边界外侧，由于存在明显的水汽，以及动力、热力不稳定，容易产生对流活动，造成暴雨天气；而其边界内侧，由于副高整体并非完全维持下沉气流，局部也可产生上升运动，促使局地对流性天气发生发展[8−9]。因此，造成了副高影响下的暴雨天气预报产生诸多不确定性，尤其是其边界附近的突发性暴雨预报，一直都是研究和预报的难点。

四川省位于青藏高原东侧背风坡，主要分为川西高原、四川盆地及其周边山地，不仅是高原天气系统影响的上游区和东移影响下游的过渡区，而且是西南暖湿气流向我国东部输送的必经之地。夏季，受高原天气系统（高原涡、西南涡等）和副高的共同作用，常出现系统性及持续性暴雨天气[10−15]。这些暴雨天气以西太平洋副热带高压西北边缘的西风短波槽、高原涡、西南涡、切变线形成的“东高西低”环流形势最为典型。实际分析预报中，也将副高边界外侧发生的区域暴雨天气归纳为4 类[16]：高原涡东移触发的暴雨过程；西风短波槽触发的盆地西部暴雨过程；西风大槽发展的全盆地性暴雨；盆地低涡活动的盆东暴雨过程。然而，在“东高西低”环流下，由于副高边界复杂的动力、热力及对流不稳定，加之其西北侧的低值天气系统发展特征多样化，进而造成了副高边缘的暴雨预报难度大，尤其是一些突发性暴雨过程。近几年有研究[2]指出：副高存在动力、水汽-热力及对流不稳定三种边界特征，并在动力边界的外侧，水汽-热力及对流不稳定边界的内侧附近，容易产生对流活动，形成突发性对流降水。从发生机制看，四川暴雨多与上下层的降水天气系统耦合，地形附近的重力波，次级垂直环流及其上升运动加强等有关，如西南涡与高原涡动力耦合引起的盆地极端暴雨[12]；盆地西部山区地形重力波对低空东南暖湿气流的拖曳作用，促进西部暴雨区的水平辐合与上升运动进一步加强[13]；经向气旋式和纬向反气旋式的次级垂直环流调控着盆地暴雨的落区[13−15]等。这些研究促进了对四川暴雨的认识。

需要强调的是：2020 年6 月26 日19 时～27 日02时出现在攀西山地区域的冕宁暴雨，就是在“东高西低”环流形势下，副高南撤过程中引发的暴雨天气，具有强降水系统发展较为迅速、雨强大且持续时间较短等显著突发性特征。根据26 日15 时～27 日04时的累计降水（图1a）得到：这次强降水中心出现在冕宁县灵山寺，12h 达182.1mm，达到特大暴雨量级，对于海拔2500m 左右的山地而言，发生如此强的短时降水实属历史罕见。从逐1h 的降水中心演变（图1b）可知，灵山寺降水集中于26 日20 时～27 日02 时，1h最大雨量为69.3mm，表现出小时雨强大、降水时间短但累计雨量大等特征，在较短时间内，强降水就引发了山洪、泥石流等次生灾害，并造成重大人员伤亡。除该区域外，强降水还发生于川西高原北部和四川盆地南部，川西高原北部12h 的累计降水普遍在10mm以上，东部达到25～50mm；盆地南部至东部，暴雨范围最大，12h 中心雨量达150.5mm。显然，此次暴雨天气具有3 个强降水区域，但以冕宁地区降水最强，造成的灾害影响最为突出。为此，本文聚焦冕宁“6.26”突发性暴雨过程，通过观测分析和诊断研究，主要从降水系统演变、水平和垂直分布结构以及动力与水汽耦合影响三方面进行剖析，以充分认识此次暴雨过程的基本特征、异常机理和影响因素，为山地环境下突发性暴雨的预报理论和关键技术提供科技支撑。

图1 2020 年6 月26 日15 时～27 日04 时累计降水分布(a)及冕宁灵山寺逐小时降水量变化(b) (单位：mm)

1 资料和方法

1.1 资料

（1）中国气象局气象业务观测网每天08 时、20 时（北京时，下同）的高空资料；中国气象局成都高原气象研究所每年实施的西南涡加密观测大气科学试验[17−19]获取的九龙站探空资料，该站经纬度为101.5°E、29.0°N，海拔2925m，是冕宁（102.17° E、28.55°N，海拔 1775m)暴雨临近上游地区之一。

（2）四川省陆面逐1h 降水站点资料，中国气象局气象卫星中心的FY-2G 卫星云顶亮温，水平分辨率0.1° × 0.1°，时间分辨率1h 。

（3）ECMWF 的ERA5 再分析数据，水平分辨率0.25° × 0.25°，时间分辨率1h。

1.2 方法

（1）考虑到此次暴雨过程具有明显的对流特征，首先利用探空数据，选取具有热力性质的主要对流参数以反映降水的温、湿大气环境特征。这里，选取LI指数反映地表气块在抬升过程中的稳定性，（θse500−θse700）指数反映中低层大气的稳定度，CAPE指数反映大气对流所需要的不稳定能量。根据已有研究[20−22]，LI指数的表达式为：

式中：ZLFC为自由对流高度，ZEL为平衡高度，Tv为虚温。根据已有研究[23]，有wmax=（2CAPE）1/2（单位：m/s）。因此，对流有效位能的释放利于强烈上升运动的建立。

（2）除对流的热力环境外，进一步考虑暴雨过程的水汽及其与动力的耦合作用，选取大气可降水量（Precipitable water :PW）与湿螺旋度H。根据已有研究[24]，整层大气可降水量为：

式中：g 为重力加速度，P0为地面气压，近似为常数。显然，大气可降水量仅与比湿变化有关。

对于大气螺旋度，根据已有研究[25−26]，其定义为:

式中：w、ω分别为z、P坐标系的垂直速度，ξ为相对涡度。在暴雨天气中，通常具备ω<0，ξ>0，∇ ·()<0，上升运动，正涡度及水汽辐合，则MVH<0。但需要指出的是，ω>0，ξ<0，∇·()<0，下沉运动，负涡度及水汽辐散，是实际大气中最容易满足的大气状况，但其不是产生降水的耦合条件。因此，针对垂直上升运动和气旋性涡度的大气，讨论螺旋度与水汽耦合的意义更有价值。在不考虑正常数C的情况下，MVH的单位为：kg·m−2·s−3或 1 0−1g·cm−2·s−3。

2 对流演变特征

研究表明：四川地区暴雨一般多与中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，简称MCS）活动相关，剧烈的对流活动对强降水的形成至关重要，尤其是短历时的大暴雨天气[10−14,29−32]。冕宁“6.26”突发性暴雨过程同样具有明显的对流活动，基于逐小时TBB分析的26 日14 时～27 日04 时云系演变（图2）可看出，相继生消的4 个MCS 是引发四川三个区域强降水的直接系统，其水平尺度100～300km，生命史约9～12h。暴雨开始前的26 日14 时，MCS 系统A（简称MCSA）在川西高原甘孜州北部生成，是最先出现的中尺度对流系统，随后增强发展，TBB<−50℃的冷云面积快速增大，22 时以后显著减弱，持续时间约10h，是造成川西高原的强降水系统。而第二个中尺度对流系统即MCSB，则在川西高原南部的凉山州北部生成，是造成这次冕宁暴雨的直接影响系统。暴雨前的26 日15 时，MCSB还很弱，TBB 在−30～− 40℃，且面积小，但1h 后MCSB快速增长，且TBB<−50℃ 的冷云区面积扩大，表明该对流系统发展十分迅速，具有突发性。26 日20 时～27 日00 时是MCSB的旺盛期，其特点是TBB<−50℃的冷云区面积达最大且维持，暴雨主要发生在该时段。27 日01 时后，MCSB减弱且并入其东部第三个对流系统，整个生命史持续时间约9h。第三个中尺度对流系统即MCSC，在四川盆地南部生成，初生时间为26 日16 时，到27 日01 时与MCSB合并形成更大的MCSD系统，呈现出准椭圆形分布特征，TBB<−50℃，且中心值低于−80℃。27 日04 时后，MCSD呈现出减弱趋势，是造成四川盆地南部暴雨的关键系统。并且，引发冕宁暴雨的MCSB系统生命史较短，约9h，其生成约4h 后产生暴雨，TBB 显示出暴雨前的26 日15～19 时，MCSB处于面积增长阶段，暴雨期间的26 日20～00 时，MCSB处于旺盛阶段，这进一步揭示了冕宁暴雨是在对流旺盛期触发的，具有突发性。这与以往研究[11−14]强调的四川强降水多在MCS增长至旺盛阶段产生的结果有一定差异，体现了此次冕宁暴雨过程的特殊性。为此，进一步利用观测和再分析数据，探讨MCSB在增长和旺盛期的对流条件。

图2 26 日14 时(a)～27 日04 时(o)逐1h 的TBB 演变（单位：℃，图中 A～D 分别为MCSA、MCSB、MCSC、MCSD）

3 大气对流条件

3.1 水平环流及变化

虽然中尺度对流系统是此次冕宁暴雨的直接降水系统，但其发生仍然是大尺度环流形势下不同系统相互作用的结果。长期以来，500hPa、700hPa 和850hPa是短期天气预报的三个基本层次，也是预报四川暴雨天气的三个关键层次[16]，这里，称为“三层环流”。从08 时和20 时探空数据得到的“三层环流”（图3）可看出：(1)暴雨开始前12h 内，500hPa 副高与低槽构成的“东高西低”环流形势出现了明显调整，且调整后的形势变得不利于暴雨产生，体现了此次暴雨过程环流演变的特殊性，以及弱天气系统强迫的背景场。暴雨开始前的26 日08 时，500hPa 川西高原上空存在一低槽，副高处于31°N 附近和108°E 以东，形成“东高西低”系统配置，这是四川暴雨最为常见的环流形势[11−14]。但暴雨发生的26 日20 时，500hPa 副高已南退到25°N以南，川西高原上空的低槽减弱消失，转为平直西风气流，且风速由槽前12～16m/s 减弱为6～10m/s。对暴雨天气而言，这是一种弱强迫下的环流特征。

对流层低层（图3），大气环流演变表现出加强的特征。700hPa 是一种“北涡南槽”的环流模态，即低涡位于川西高原的甘孜州，低槽位于四川攀西地区至云南上空，西昌冕宁则处于槽前的西南风内，如26日08 时“北涡南槽”环流下，低涡中心位势高度为304dagpm，位于川西高原东侧边坡雅安附近，冕宁则处于槽前西南风内，其附近西昌探空站为12m/s 的西南风，形成低空急流；26 日20 时，低涡加强向西北移动，中心位势高度显著下降，达 297dagpm 且水平梯度加大，位于甘孜与西藏交界，这种变化一方面促使原有“南槽”往北移动，进而使冕宁地区处于更加有利的槽前西南暖湿气流内；另一方面，低涡区位势高度的降低，为已生成的MCS 继续发展提供了更加有利的背景场。由于冕宁海拔相对较高，850hPa 探空资料难以反映该区域的低层局部环流，但对盆地区域能很好地反映区域多尺度系统的演变，包括这次冕宁暴雨过程低涡向倒槽转变的特征。26 日08 时，盆地为低涡，其后部温江站探空为4m/s 西北风，但26 日20 时盆地转为倒槽影响，且倒槽后部为加强的东北风。探空表明，温江850hPa 的东北风达12m/s，经边坡雅安在大凉山地形配合下，进一步强迫抬升并与探空站西昌低层的西南风对峙，形成局部切变。因此，此次冕宁暴雨过程的500hPa 天气背景属于弱强迫型，低槽和副高的配置与常见的“东高西低”环流有明显差异，但对流层低层是增强的降水形势，即700hPa“北涡南槽”、850hPa倒槽后部的东北风与西昌上空的西南风形成强切变，是此次冕宁“6.26”突发性暴雨发生的关键影响系统。

图3 26 日08 时（a、c）、20 时（b、d）高度场（单位：dagpm）和风场（单位：m/s）（a、b.500hPa 风场；c、d.700 和850hPa 风场，黑色表示700hPa，红色表示850hPa；红点表示冕宁位置；粗实线表示槽线，500hPa 蓝色，700hPa 黑色，850hPa 红色；L 表示低涡，700hPa 黑色，850hPa 红色；H 表示500hPa 副高）

3.2 垂直状态及变化

垂直方向上，计算了冕宁西北方的九龙和南方的西昌两个探空站的抬升指数LI、对流有效位能CAPE、假相当位温垂直递减率 ∂θse/∂p及大气整层可降水量PW 等主要对流参数，以反映暴雨过程的对流环境。其中，九龙站（海拔2925m，坐标101.5°E、29.0°N）为西南涡加密观测科学试验站，每日08 时、14 时、20 时、02 时共4 次观测；西昌站 (海拔1592.1m，坐标102.27°E、27.9°N）为常规业务探空站，每日08 时、20 时共2 次业务观测。图4 为九龙、西昌两个探空站暴雨发生前12h 内T-log P 图及参数变化。由此看到：首先，对流参数方面，26 日08 时九龙站（图4a）的LI=3.48℃、CAPE=0 J/kg、θse500−θse700=−3.26℃、PW=23.0mm，西昌站（图略）的LI=2.06℃、CAPE=113.4J/kg、θse500−θse800=−4.68℃、PW=37.4mm，表明冕宁以北和以南等周边受抬升气块仍处于层结稳定状态，且对流有效位能为0，但环境温湿变化已处于不稳定状态；26 日14 时，九龙站的LI=−0.46℃，CAPE=648J/kg，θse500−θse700=−6.97℃，PW=23.3mm，表明抬升气块和大气温湿状态均转为不稳定，且具有对流不稳定能量，说明大气的热力环境在6h 内发生了明显的转变。与此同时，MCSA、MCSB相继生成，表明近地面气块抬升的热力不稳定及对流不稳定能量的增加应是MCS 生成的关键条件。26日20，九龙站的LI=−1.19℃、CAPE=855.3J/kg、θse500−θse700=−7.11℃、PW=28.4mm，西昌站的LI=−2.46℃、θse500−θse800=−9.6℃、CAPE=1101.8J/kg、PW=43.7mm，大气可降水量和对流有效位能继续增加，不稳定状态进一步加剧。其次，T-log P 图的结构上，偏西北方九龙站的湿度垂直廓线随时间演变逐渐转为喇叭状的“上干下湿”结构，即九龙站500～600hPa 湿度大，接近饱和，500hPa 以上湿度小，这与四川地区强降水天气过程的探空结构基本一致[11,29]。同时，偏南方的西昌站也出现“上干下湿”的喇叭状特征，由此增强了冕宁附近大气的湿不稳定性。如14 时的九龙加密探空显示大气已处于不稳定状态，对流有效位能显著增加，但喇叭状的湿度结构还未建立；到20 时，除不稳定及对流有效位能增长外，并进一步形成了“上干下湿”的湿度结构，同时，强降水开始启动。第三，垂直风场变化上，九龙和西昌两站400hPa 以上西风气流随时间变化小，但400～600 hPa 之间的风速随时间呈现出减弱变化，600hPa 以下南风则呈现增强趋势，这种演变结构说明中低层垂直风切变存在持续增强特征。可见，此次强降水是在不稳定层结、CAPE 持续增大、可降水量增加、“上干下湿”及中低层垂直风切变增强的环境中突发的。需要指出的是，尽管MCSB是诱发冕宁暴雨过程的直接影响系统，但其生成时间早于强降水突发时间约5h，也就是说MCSB的生成条件并不完全是此次强降水的启动条件。下面，进一步分析此次冕宁暴雨过程的动力作用。

图4 九龙（a～c）和西昌（d）的T-log P 分布（a.26 日08 时，b.26 日14 时，c、d.26 日20 时）

3.3 地形环流相互作用

如前所述，凉山州西昌与成都市温江两站之间的风场存在“切变”分布，但二者分别位于攀西山地区域、四川盆地，且相互之间地形起伏大、分布复杂，探空数据难以较细致地刻画其变化的动力特征。为此，基于高分辨率再分析数据，分别沿102°E 和104°E 的水平风、垂直速度及辐合散度经向垂直剖面开展进一步分析，以反映西昌（102.27°E）、温江（103.78°E）两站之间的切变作用等动力特征。如图5 所示，沿102°E（图5a～c）剖面西昌及其以北冕宁区域，西南暖湿气流受地形迎风坡影响，在地形强迫抬升作用下，水平风在地形附近辐合并伴随上升运动。暴雨发生前的26 日14 时，迎风坡附近上升运动及风场辐合的动力特征已形成；暴雨开始时的26 日20 时，这种动力特征进一步加强，上升运动在−6 × 10−1Pa/s 以下，散度辐合达−4 × 10−5s−1；暴雨趋于结束时的27 日02 时，上升运动及风场辐合的动力特征减弱，但西南暖湿气流仍然维持。而沿104°E（图5d～f）剖面，四川盆地倒槽后部的东北风在向南输送的过程中，一方面盆地与凉山州北部地形过渡区的迎风坡产生强迫抬升；另一方面西南暖湿气流与强迫抬升的东北风形成区域切变，并在地形区的冕宁附近产生明显辐合垂直上升运动。如26 日14 时，四川盆地以南至凉山州北部的地形区已出现上升运动和水平风辐合；26 日20 时，低层切变建立，动力特征进一步加强，垂直上升速度和散度辐合分别达−10 × 10−1Pa/s 以下、−5 × 10−5s−1；27 日02 时，区域切变和上升运动仍然维持，但辐合散度略有减弱。显然，地形附近产生的切变具有重要作用，它是由凉山州到低纬的西南暖湿气流与四川盆地倒槽后部的东北气流在地形迎风坡抬升下产生的，由于其附近形成的低层辐合和垂直上升运动正好影响冕宁地区，进而为此次暴雨过程提供了动力作用。因此，热力条件在对流启动阶段起着关键作用，而对流活动的维持及其暴雨发生，则与地形相关的动力条件建立和加强密切联系。

图5 沿102°E 和104°E 的垂直速度（填色，单位：10−1Pa/s）、风速（单位：m/s）及散度辐合（虚线，单位：10−5s−1）经向垂直剖面（a、d.26 日14 时，b、e.26 日20 时，c、f.27 日02 时，a、d 中红色五角星分别表示西昌、温江探空站位置）

4 暴雨落区耦合诊断

由于冕宁“6.26”暴雨中心出现在冕宁灵山寺（102.26°E，28.55°N），因此，基于（102.5°E，28.5°N）格点分析涡度、垂直速度及湿螺旋度的逐1h 高度−时间剖面演变，以反映突发性暴雨区的动力−水汽耦合特征。从图6a 看到，较大的气旋性涡度早于强烈上升运动的形成，暴雨前的26 日15 时，气旋性涡度中心位于400hPa 附近，最大值达15 × 10−5s−1，之后16 时垂直上升运动建立，但数值较小，在−4 × 10−1Pa/s 以上，这意味着深厚的垂直上升运动应该是在中高层气旋性涡度的影响下建立的。暴雨发生期间，气旋性涡度呈现出向低层发展特点，尤其是19～21 时，垂直上升运动发生突增且变得更加深厚，最大上升速度达−10 × 10−1Pa/s 以下，高度达200hPa 附近，垂直上升运动快速增强的特征十分显著。而暴雨最强的26 日22 时～27 日00 时，低层气旋性涡度进一步加强，中心数值达−18 × 10−1Pa/s，且集中于600hPa 以下，说明暴雨期间的气旋式影响系统集中于低层。从湿螺旋度及风场演变(图6b)可知，负螺旋度大值区位于低层的650～700hPa，达−20 × 10−10kg·m−2·s−3以下，且集中在26 日21 时～27 日02 时，正好对应降水最强时段，也就表明暴雨是在大气动力与水汽耦合最有利的阶段发生的。另外，此次暴雨前后风场变化很小，但暴雨期间低层西南风略有加强，风速在8～10m/s，600hPa 以上则为西风气流。

图6 基于(102.5°E，28.5°N)暴雨中心的（a）涡度（等值线，单位：10−5s−1）和垂直速度（填色，单位：10−1Pa/s）、（b）湿螺旋度（单位：10−10kg·m−2·s−3）和水平风（单位：m/s）的时间-高度剖面

因此，强烈的上升运动是中高层气旋性涡度向低层发展增强引起的，但低层气旋性涡度发展又伴随强烈的上升运动，而暴雨则发生在螺旋度与水汽耦合的最佳时段。为进一步说明湿螺旋度与暴雨的联系，选取650hPa 湿螺旋度进行分析，从图7 可看到，暴雨期间，冕宁上空为负湿螺旋度大值中心，达−30 ×10−10kg·m−2·s−3以下。26 日21 时开始，负湿螺旋度持续增强，对应降水亦增强，至27 日01 时，负湿螺旋度开始减弱，对应降水亦减弱。负湿螺旋度的大小变化，不仅影响着降水的强度，而且其大值区与暴雨落区对应较好。这意味着螺旋度与水汽耦合作用增强时，更易引起暴雨，相比于单一的垂直上升运动，湿螺旋度对诊断暴雨落区更有指示意义。同时，也为理解动力−水汽耦合作用对暴雨过程发生的重要性提供了依据，其中，湿螺旋度的垂直变化反映了大气动力−水汽耦合的垂直分布特征，而耦合中心所处高度的湿螺旋度变化则与暴雨区基本一致，可作为诊断暴雨落区的一个重要物理量。

图7 650hPa 垂直螺旋度（虚线，单位：10−10kg·m−2·s−3）和垂直速度（填色，单位：10−1Pa/s）分布（a～f.分别表示6 日21 时～27 日02 时的逐1h 变化，a 中红框表示冕宁暴雨区）

5 结论

本文利用西南涡加密观测、我国FY 气象卫星TBB 及ERA5 再分析资料，对2020 年6 月26 日冕宁突发性暴雨过程进行分析，得到以下主要结论：

（1）攀西地区南部冕宁“6.26”暴雨过程是在500hPa 弱强迫天气背景下，由低层增强的有利大气变化引起。其中，“北涡南槽”环流、盆地倒槽后部东北风与暴雨区上空西南风形成的隐蔽“切变”，是此次突发性暴雨发生的关键天气系统。在以上特定区域环流下，一个生命史约9h 的MCS 活动直接造成了此次冕宁暴雨，且强降水主要发生在对流系统旺盛期。相比一般暴雨天气，对流条件的快速建立是这次冕宁暴雨最突出的特征，其6～12h 的对流建立时间，可能是MCSs 突然增强的原因，也是强降水突然加强的条件。

（2）此次暴雨过程的MCS 活动环境场，其热力不稳定是MCS 形成的关键条件，并且抬升气块、环境场处于双重热力不稳定层结，伴随CAPE 增大、可降水量增加、“上干下湿”的特征。除热力条件外，地形相关气流切变及其动力效应对诱发强降水起到重要的作用，由于区域切变附近产生的低层辐合和垂直上升运动正好影响冕宁地区，进而为此次暴雨提供了动力条件。因此，热力条件在对流的启动阶段起着关键作用，而旺盛对流活动的维持及突发性暴雨的发生，则与区域地形附近的动力条件建立和加强密切联系。

（3）此次暴雨过程对应着动力与水汽耦合的有利时段，动力−水汽耦合对暴雨发生具有重要作用。垂直螺旋度与水汽耦合作用的增强更容易引起强降水过程，垂直耦合中心高度的湿螺旋度变化与暴雨区基本一致，对暴雨落区有很好的指示意义，是诊断暴雨落区的一个有用物理量。