四川盆地“8.11”暴雨过程中低空急流作用分析

周 懿 , 青逸雨 , 郭云云 , 代昕鹭

（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. 南京信息工程大学, 南京 210044）

引言

四川盆地是我国的暴雨频发区之一，早有研究表明，低空急流与四川盆地暴雨关系密切[1-5]。陈静等[6]分析了四川盆地西北部一次大暴雨过程，发现低空急流出口区辐合上升和地形抬升共同作用触发了该次大暴雨。顾清源等[7]分析了一次副高及台风外围低空急流影响下的四川盆地暴雨过程，指出低空急流在暴雨的水汽、能量输送和抬升机制中起到了重要作用。黄小彦等[8]对地形、低空急流、MCS三者的相互作用机制进行了分析，发现低空急流可以与MCS冷池出流形成强烈辐合，且对山坡上的对流冷池产生顶托作用，当顶托作用的平衡被打破时，冷池俯冲下山，造成山前平原地区发生强降水。刘淑媛等[9]、曹春燕等[10]、金巍等[11]先后利用风廓线雷达资料，分析了低空急流的演变与暴雨的关系，发现急流向下扩展和加强有利于短时强降水的产生。

2020年8月11~13日，四川盆地连续三日遭遇区域性暴雨，此次过程造成的暴雨洪涝灾害共致四川省内1人死亡、3人失踪，经济损失超146亿元。通过中尺度分析发现，在11日白天至12日凌晨，有低空急流在盆地内建立、消亡。本文拟利用多种资料分析低空急流在此次连续性暴雨中的作用，并结合卫星云图、天气雷达、风廓线雷达资料及区域自动气象站等观测资料，研究强降水对流风暴系统和低空急流的相互作用机制，以期为提高有低空急流参与的暴雨预报水平提供科技支撑。

1 过程概况

2020年8月11~13日，四川盆地发生了持续性暴雨过程，累计降水量如图1所示。除了盆地东北部的达州和广安，盆地大部普遍降了暴雨到大暴雨，降水落区整体呈东北-西南向带状分布，强降水中心在盆地西部一带。从暴雨（日降水量>50 mm）落区逐日演变（图1b）来看，雨带的东北-西南带状分布特征始终维持，第1日位于盆地西部偏西位置，第2日暴雨区向东扩展至盆地西北、西南和中部偏西地区，第3日雨带整体向东移到盆地东北部、南部及中部偏东区域。分析探空资料（图略）发现，500 hPa低槽的引导是造成暴雨带呈上述分布和演变特征的主要因素。

图1 2020年8月11~13日暴雨过程累计降水量空间分布（a）和暴雨落区逐日演变（b）

2 环流背景

从天气尺度环流形势（图2）来看，此次过程为一次典型的川西阻塞型暴雨过程[12]。从500 hPa环流演变（图2a）可见，过程前期副热带高压位置偏东，四川省主要受青藏高压影响，天气晴好，使地面温度升高，不稳定能量加强；11日上午开始，副热带高压向西逼近，同时500 hPa低槽加强东移，11、12日低槽在川西高原东部及四川盆地西部一带维持，形成“东高西低”的位势场特征。肖递祥等[13]的研究表明，“东高西低”是四川盆地极端暴雨过程的主要环流背景之一。从暴雨落区演变（图2b）来看，这一阶段降水与低槽位置对应，持续发生在盆地西北部、西南部和中部偏西一带。13日500 hPa低槽快速东移，随后在盆地东部减弱消失。此后，暴雨雨带随低槽快速东移，过程随之结束。

图2 2020年8月11~13日暴雨过程500 hPa环流演变（a）和11日20时中尺度分析（b）

从中尺度影响系统来看，过程前期盆地主要受低空急流影响，过程后期主要受西南低涡影响。10日夜间至12日上午，盆地700 hPa以偏南风为主，在此期间风速脉动明显：10日20时（北京时，下同）位于盆地西部的温江站风速仅为4 m/s；11日08时，该站偏南风增大为12 m/s的急流，风向的气旋性辐合增强；12日08时，急流减弱为10 m/s大风速带；12日20时，盆地西北部偏北冷空气进入，盆地东部南风风速减弱为8 m/s。随着偏北风的进入，13日西南低涡形成，低涡中心位于盆地中东部。850 hPa盆地也出现了明显的风速脉动，且时间略晚于700 hPa。10日20时，盆地风速仅2~4 m/s，在盆地西南部有一弱切变线；11日08时，盆地中部南部一带风速增大为8 m/s，西南低涡开始形成；11日20时，盆地风速普遍增大至急流级别，气旋性曲率进一步增强，盆地东部可分析出一明显倒切变线；12日20时，风速减弱为4~8 m/s，西南低涡东移；13日，850 hPa西南低涡中心与700 hPa重合，形成强烈辐合。

低空风的增强和西南低涡的形成，为此次暴雨提供了良好的动力热力条件。以11日20时（图2b）为例，此时盆地同时受到低空急流和西南低涡影响，700 hPa偏南风气流和850 hPa偏东风急流可以将暖湿空气持续输送至盆地西部，为暴雨提供水汽和能量条件。分析850 hPa的24 h变温可知，低层有冷平流入侵，盆地大部为-2℃以上的降温区，由于东南低空急流带来的暖湿空气侵入降温区，使盆地东北部和重庆地区降温幅度明显减弱或出现正变温。同时，850 hPa西南涡和700 hPa气流辐合明显，与200 hPa南亚高压配合，形成高层辐散低层辐合的动力结构，通过抽吸作用形成上升气流，为暴雨提供上升动力条件。

通过上述分析发现，此次过程的低空急流主要出现在11日白天至12日凌晨，其中11日08时700 hPa低空急流建立，11日20时850 hPa低空急流处于强盛阶段，12日08时低空急流已经减弱为大风速带。由于本文的研究重点是低空急流对暴雨过程的影响，因此接下来将利用NCEP 1°×1°再分析资料，对11日08时、14时和20时共3个时次的低空急流进行水汽输送、能量传递和动力结构特征等方面的诊断分析。

3 暴雨过程低空急流诊断分析

3.1 动力结构分析

11日08时，盆地低层主要受副高外围的偏东南低空急流影响，盆地西北部为急流出口区，风速辐合明显。同时低空急流也在盆地西北部与东北-西南向的高原东侧大地形正交，形成强烈地形辐合。从散度场可以看到，上述区域存在-8×10-5s-1的强辐合中心（图3a和c）。从降水演变可以看出，700 hPa辐合中心处正是未来6 h强降水中心位置（图3a实线区域）。11日20时，700 hPa低空急流减弱，辐合区位置与08时基本相同，辐合强度有所减弱（图3b）。850 hPa低空急流达到最强，西南低涡中心位于盆地南部，盆地西北部受西南低涡西北侧的东北风控制，与高原东侧大地形夹角减小，地形辐合作用大大减弱。850 hPa盆地中部至北部为大片辐合区，辐合中心位于西南低涡中心（图3d）。分析降水演变可以发现，暴雨带在高空槽和西南低涡共同引导下向东移动，未来6 h强降水区位于700 hPa和850 hPa辐合中心之间（图3b实线区域）。

图3 2020年8月11日08时（a、c）和20时（b、d）不同高度风场和散度场（a、b. 700 hPa，c、d. 850 hPa；箭头表风矢，单位：m/s；填色表示负散度，单位：10-5s-1；虚线为图4剖面位置，细实线为未来6 h强降水落区）

垂直剖面图可以更加清晰地展示暴雨区内的高低空动力结构配置。图4为08时沿暴雨带位置自西南向东北的垂直速度和涡度垂直剖面（剖面位置如图3a虚线所示）。从涡度场来看，受南亚高压影响，高层为一致的负涡度。中低层为一致的正涡度，主要的正涡度大值区有2个。一个位于32.3°N以北、104.6°E以东，主要是由高空槽前西南急流左侧气旋性辐合产生的，因此中心位置较高，位于450 hPa层以上，正涡度柱整体向上伸展至350 hPa以上。另一个正涡度大值区位置较辐合中心位置偏西偏南，位于盆地西南部及中部偏西一带，这一区域正是低空急流左侧气旋性辐合区。低层的强烈辐合和中低层一致的正涡度柱有利于形成强的上升气流。从垂直速度场来看，350 hPa以下基本为上升气流控制，盆地西北部的暴雨区位置对应着一支强上升气流，中心值达-2.1 Pa·s-1。强劲的上升气流支有利于强降水的维持。

图4 2020年8月11日08时垂直速度（等值线，单位：Pa·s-1）和涡度（填色，单位：10-5s-1）垂直剖面（沿图3a中虚线）

11日20时，由于近地层低涡中心东移，850 hPa辐合中心位置位于700 hPa辐合中心东南侧，上升气流支由08时的垂直状态变为从高到低向东南倾斜，上升气流高度明显弱于08时（图略）。暴雨落区不再维持在同一位置，而是开始向东扩展。该时段的暴雨量级较11日白天也略有减弱。

3.2 水汽输送和水汽辐合

充沛的水汽是暴雨产生的又一必要条件。图5a为急流强盛时期低层平均水汽通量矢量和水汽通量散度空间分布。从图中可以看出，南海地区为大面积水汽通量辐散区，是此次暴雨过程的主要水汽源地。自南海沿副高外围有一条明显的水汽输送带，将水汽源源不断输送至四川盆地。盆地内有两条明显的水汽通量辐合带：一条沿西部地形分布，主要是偏东风急流引导水汽在西部沿山堆积形成；另一条位于盆地东北部至南部，主要是西南低涡引导水汽辐合产生。

图5 (a) 2020年8月11日08时、14时、20时平均的850 hPa水汽通量（箭头，单位：g·cm-1·hPa-1·s-1）和负水汽通量散度空间分布（阴影，单位：10-5g·cm-2·hPa-1·s-1）；(b) 11日02~20时大气可降水量逐6 h演变（单位：mm）

图5b为急流强盛时期大气可降水量（PWV）演变，可以表征整层大气中水汽含量的变化。对四川盆地数次暴雨过程的研究发现，PWV超过60 mm为极端强降水对应的水汽条件[14-15]。由于低空急流带来的水汽输入，盆地内60 mm PWV等值线范围逐渐向东扩展，PWV中心值由60 mm逐渐增大至70 mm。极端的水汽条件有利于盆地极端强降水的产生。

3.3 能量输送和能量锋区的形成

除了有利的动力结构和充沛的水汽外，强的不稳定能量也是产生暴雨必不可少的条件。11日08时，700 hPa偏南风急流形成，南部暖湿空气随急流进入盆地。从700 hPa假相当位温场（图略）可以分析出一个自云南省北部向四川盆地中部延伸的高能舌，850 hPa盆地以北有干冷空气堆积。11日20时，850 hPa低空急流达到最强，并在盆地南部形成西南低涡中心。在低涡东侧急流的引导下，南部的暖湿空气进入盆地。从850 hPa假相当位温场（图6a）上可以看到：低涡附近有一高能舌，此时北部的冷空气已经进入盆地，在盆地北部和西部形成低能舌，盆地中部一带成为冷暖对峙的能量锋区。沿105°E做假相当位温垂直剖面（图6b）可知：600 hPa以下，30°N以南为高能区，假相当位温上低下高，大气层结极不稳定；31.5°N以北，500 hPa以下为干冷空气控制的低能区；30°~31.5°N为等位温线密集的能量锋区，锋区南侧有持续暴雨产生。

图6 2020年8月11日20时（a）850 hPa假相当位温空间分布和（b）沿105°E假相当位温垂直剖面（单位：K，阴影为地形）

4 卫星云图和雷达回波风暴系统演变特征

分析FY-4A红外云图演变（图7）可以看到：8月10日20时，雅安附近有对流云团生成并快速发展，至11日04时（图7a），该对流云团发展为直径达200 km以上的中尺度对流系统，造成雅安北部特大暴雨。在组合反射率拼图上可以更加清晰地看到，在雅安北部有一个发展旺盛的中β尺度对流系统（图7f）。与此同时，受高空槽影响，在川西高原产生了东北-西南向的对流云系，并随低槽向盆地缓慢逼近。风廓线雷达组网拼图显示，这一阶段盆地的偏南风逐渐增强，至11日04时，个别站点在3000 m高度（约700 hPa）已经有低空急流出现（图7a）。

从风廓线雷达拼图演变可以看到，11日04~14时，700 hPa建立起了稳定的东南低空急流，急流下边界整体缓慢下降至2500 m高度。在急流的主导作用下，原本影响雅安的强降水云团逐渐向北移动并加强。从11日08时的FY-4A红外云图（图7b）上可以看到，低槽云系已东移至四川盆地西部，其南段与北抬的强降水云团合并；从组合反射率拼图（图7g）上可知，眉山、成都有对流单体强烈发展。而在盆地东北部，低槽云系的北段内形成了组织结构松散的对流回波带，其方向与东南低空急流垂直、与山前地形平行。随后，南段的MCS继续缓慢北抬，汇入持续发展的北段回波带，依次给雅安北部和眉山、成都、德阳、绵阳、广元5市西部带来了大暴雨天气。

上述分析表明，这一阶段的低空急流以700 hPa层上下的偏东南气流为主导，主要起到两方面的作用：一是引导南部的对流系统北抬和加强，二是配合北部的低槽系统在西北部山前激发和维持对流回波带。

11日14~18时，低层以700 hPa东南急流向850 hPa西南低涡为主导过渡。从风廓线演变来看，这一阶段700 hPa的东南低空急流仍然维持，但700 hPa以下的风逐渐增强并且气旋性曲率逐渐明晰。11日18时（图7c），成都近地层的风场为偏东北风，急流下边界下降至900 m，900~3000 m由东北风急流顺转为东南风急流，表明低层有强暖平流侵入。从红外云图上可以看到，降水云系缓慢向东移动，整体强度逐渐减弱，乐山市南部有分散弱对流发展为新生对流云团。这一阶段降水主要集中在盆地西北部，强度较上一阶段有所减弱。

11日18时~12日01时，从风廓线演变来看，成都市3000 m高度东南急流减弱，近地层东北急流增强，急流主体下边界进一步下降到600 m。这一阶段西南低涡成为低层的主导系统，20时850 hPa再分析资料（图3d）显示，西南低涡中心位于宜宾市，成都处于西南低涡的西北象限。从红外云图演变可以看到，主要降水云系的北段逐渐减弱消失，南段持续发展，而上一阶段乐山新生的2个孤立云团在这一阶段向北移动，汇入降水云系主体。11日21时（图7d），降水云系主体覆盖了成都市南部和眉山、乐山2市，云系内有数个发展旺盛的对流单体，位于东北急流出口的左前方，大致呈西北-东南向排列。宜宾有新对流云团生成，云团内为结构紧密的南北线状排列的多单体对流风暴系统，其位置在西南低涡中心。随后该MCS向西北移动并加强，最终并入主降水云系内。12日01时（图7e），主降水云团在原地发展为直径达450 km以上的MCS，给盆地南部带来了强降水。这一阶段，低空急流位于西南低涡西北侧，一方面使西南低涡从南部输送而来的暖湿气流在急流前侧堆积，另一方面在急流出口左侧形成强动力辐合，促使主降水云团持续发展。12日02时之后，低空风速减弱，低空急流对此次过程的影响结束。

图7 不同时次FY-4A红外云图（填色，单位：K）、急流主体下边界高度处风廓线（风向杆，单位：m·s-1）演变（a. 11日04时，3000 m；b. 11日08时，2500 m；c. 11日18时，900 m；d. 11日21时，600 m；e. 12日01时，900 m）及组合反射率空间分布（f. 11日04时，g. 11日08时，h.11日21时，单位：dBz）

5 代表站低空急流演变与局地短时强降水

为了进一步分析中小尺度下低空急流对短时强降水的作用，本文选取了架设有风廓线雷达的新津和龙泉驿国家站作为代表站，代表站及成都多普勒雷达站位置如图8所示。天气雷达位于成都平原中部，龙泉驿站位于龙泉山麓西侧，新津站位于成都平原南部。

图8 代表站位置及成都平原地形

5.1 低空急流演变与中尺度对流系统的相互作用

从逐时平均水平风廓线演变（图9）可以看出，两个代表站的低空急流下边界先后快速下降，随着低空急流下边界到达近地层，1 km以下风速明显增大。参照刘淑媛等[9]定义低空急流指数的方法，结合本次过程的影响系统特点，将低空急流指数定义为半小时内2 km以下的最大偏东风速V(m/s)与≥12 m/s风速出现的最低高度D(km)的比值，即I = V/D。低空急流指数可以定量表征低空急流下边界的高度和近地层风速的脉动。两代表站的低空急流指数和降水演变如图10所示。

结合图9和图10可以看出，新津站位于上游地区，过程开始时间比龙泉驿约早7 h。11日凌晨，新津站低空急流下边界由3.3 km左右（约700 hPa）开始下降，至12时左右到达近地层，在12~15时，0.9~3.3 km（约850~700 hPa）的整体风向由东风转为西风。近地层0.9 km以下以偏北风为主，随着近地层风速的增强，在14:30左右低空急流指数达到最高。15~16时，0.9 km以上偏西风转回偏东南风，表明一个中尺度辐合系统经过该站。17时新津本站出现强降水，小时降水量达44.8 mm，随后转为稳定性降水。

图9 新津（a）和龙泉驿（b）风廓线雷达的逐时平均风羽

图10 新津（a）和龙泉驿（b）的低空急流指数（折线，单位：10-3·s-1）和小时降水量（柱状，单位：mm）

11日08时，龙泉驿低空急流下边界迅速向下扩展，近地层（1 km以下）风向由东南风转为东北风，18时之后近地层风速急剧增大，在22:30低空急流指数达到最强。11日23时~12日00时，低层风向同样出现了“东风-西风-东南风”的演变，表明一个中尺度辐合系统快速过境。12日00时，龙泉驿本站出现短时强降水，小时降水量达34.4 mm，2 h后转为以稳定性降水为主。

由此可见，近地层风速脉动和低层风向的突变对短时强降水有一定的指示意义，当低空急流指数增大到100以上，短时强降水将在2 h内发生。为了进一步揭示低空急流在强降水过程中的作用，本文将结合天气雷达资料，分别讨论低空急流影响下两代表站的对流系统演变特征。

5.2 新津站低空急流与降水风暴系统的相互作用

通过4.1节分析可知，11日12时，新津低层风向由偏东风转为了偏西风。从2.4°仰角的雷达径向速度图（图11c）上可见，新津站为绿色正速度，对应着风廓线雷达图（图9a）上1.4 km附近12 m/s以上的强西风。通过零速度线分析可知，一个径圈即30 km以内，成都西北部以东北风为主，西南部以西北风为主，东南部以东南风为主，风向示意如图11c中箭头所示。由此可见，大致以成都站为中心，一个中β尺度辐合气旋影响着成都市，新津站处于辐合系统南侧。结合低层反射率因子（图11a）和组合反射率（图11b）可知，该阶段成都西部和北部为多单体风暴控制，其中发展最旺盛的一个单体位于系统后侧（图11b中圆圈位置），在径向速度图上可见明显逆风区（图11c矩形框位置）。系统所在位置的环境风为东北风，最大径向速度达-10 m/s以上，低层回波梯度在东北侧最大，且在成熟单体中可见弱回波区。从剖面图（图11d）上可见，中高层回波向东北侧伸展，呈现明显后向传播特征。东北风急流不但为风暴系统提供了强力稳定的入流气流，使新生单体在系统东北侧不断生成，而且使系统整体移动缓慢，在成都市西北部造成持续强降水。

图11 2020年8月11日12:19成都雷达观测要素（a. 0.5°仰角反射率因子，b. 组合反射率，c. 2.4°仰角径向速度，d. 沿图a中黑色实线绘制的反射率因子剖面）

5.3 低空急流和龙泉山地形对降水风暴系统的共同作用

11日19~23时，龙泉驿站的低空急流下降到1 km高度以下，急流强度较强。在这一阶段，MCS位于成都南部，后侧边界距龙泉驿站约30 km（图12a）。MCS同样呈后向传播特征，系统整体移动缓慢。由于龙泉山平均高度仅1 km左右，从低仰角的雷达反射率因子和径向速度图上，均可看到由于山脉遮挡而出现的东北-西南向白色线状空白区。从低仰角径向速度图（图12c）上可以看到，以龙泉山为界，山脉东西两侧的急流风向具有约30°的气旋性突变。在高仰角径向速度图（图12d）上同样可见风向的弱辐合，但风向的转变比低层均匀。由此可见，龙泉山脉使近地层急流风向的折角增大，水平辐合增强。12日00时，低空急流有所减弱，MCS的准静止状态被打破，系统整体开始向东北方向移动。此时龙泉山脉为一条地形辐合带，在东北急流的共同作用下，激发新生单体在山麓西侧形成，并使单体沿山麓向东北方向移动。从该时段低仰角的雷达反射率因子图（图12b）上可以看出，对流单体大致沿龙泉山分布，山脉西侧单体强度明显强于东侧。

图12 成都雷达 0.5°仰角反射率因子（a. 11日22:41，b. 12日00:30）和11日22:41径向速度(c. 0.5°仰角，d. 2.4°仰角)

6 结论

本文利用多种观测资料，分析了2020年8月11~13日四川盆地持续性暴雨过程的降水特征、环流背景，重点研究了低空急流强盛阶段的动力、水汽、能量特征、降水风暴系统演变以及代表站对流系统与低空急流的相互作用，得到以下主要结论：

（1）此次四川盆地连续性暴雨过程发生在“东高西低”的环流背景下，暴雨落区呈东北-西南向的带状分布特征，并随500 hPa低槽向东推进。11日低空急流的出现有利于上升气流支的建立和正涡度柱的形成。11日08时，在低空急流和地形的共同作用下，盆地西北部形成强抬升机制，产生持续强降水。11日20时，近地层低涡中心东移，上升气流支自高到低向东倾斜，暴雨落区位于700 hPa和850 hPa辐合中心之间。

（2）低空急流将南海的暖湿空气输送至四川盆地，为强降水提供充足的水汽和能量供应。在急流强盛阶段，盆地内整层水汽含量急剧增加。暖空气的输入使盆地整层大气不稳定能量增加，在北部冷空气进入盆地时，形成能量锋区，触发锋面降水。

（3）急流对降水风暴系统的影响主要分两个阶段。第一阶段为11日04~14时，以700 hPa层偏东南气流为主导，一方面引导南部的对流系统北抬和加强，另一方面配合北部的低槽系统在西北部山前激发和维持对流回波带。第二阶段为11日18时~12日02时，以近地层西南低涡西北象限的东北急流为主导，南部的暖湿空气被低涡输送到急流出口区，汇入MCS主体。同时急流出口左侧为风速和风向的强辐合区，MCS在这一区域持续发展。一、二阶段之间（11日14~18时）为过渡阶段，在此期间急流主体下边界由3000 m下降到600 m，主导风向由东南风过渡到东北风。

（4）分析代表站的低空急流和降水演变发现，当低空急流下边界迅速下降、近地层风速急剧增强时，急流一方面作为入流气流触发新生单体在MCS前侧（偏向急流出口一侧）生成和发展，一方面作为环境风场使MCS向下游移动，最终形成准静止后向传播特征。当近地层风速略有减弱时，MCS的准静止状态被打破，对流系统迅速移向代表站，带来短时强降水。

（5）近地层东北低空急流过龙泉山脉时，气旋性弯曲增大，水平辐合增强。在对流系统经过时，龙泉山西侧产生地形辐合，激发新生单体在山麓西侧形成，并沿山麓向东北方向移动。