劉海文，侯劭禹，毛江南，鞏遠(yuǎn)發(fā)

（1.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300；2.河北省人工影響天氣辦公室，石家莊 050021；3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225）

暴雨是威脅航空安全和影響民航運(yùn)行效率的主要惡劣天氣之一。 暴雨發(fā)生時(shí)伴隨的雷暴大風(fēng)、強(qiáng)降水、低空風(fēng)切變、積冰、冰雹、低云等天氣現(xiàn)象會對飛行造成惡劣影響[1]。 四川盆地的特殊地理位置和地質(zhì)條件使其成為中國暴雨頻發(fā)地區(qū)之一[2]。 2018年7月11日四川盆地發(fā)生了一次強(qiáng)降水過程（簡稱7.11 暴雨）。 受其影響，四川彭州站測量數(shù)據(jù)顯示日降水量達(dá)到253.4 mm，突破當(dāng)?shù)貧v史極值[3]。 同時(shí)，這場暴雨導(dǎo)致四川雙流國際機(jī)場發(fā)生大面積航班延誤[4]。

西南低渦、切變線、高原低渦之間的相互作用[5-8]是四川盆地產(chǎn)生暴雨的主要天氣系統(tǒng)。受四川盆地上空持續(xù)強(qiáng)烈的西南低渦影響，1981年7月11日—15日四川盆地發(fā)生了特大暴雨，引起了很多學(xué)者的討論[9]。2013年6月28日—7月2日發(fā)生在四川盆地的暴雨是由高原低渦和西南低渦相互作用而產(chǎn)生的[10]。此外，臺風(fēng)、低空急流及四川盆地特殊的地形也是導(dǎo)致盆地區(qū)域性暴雨發(fā)生的原因之一[11]。WRF（weather research forecast）模式系統(tǒng)[12-13]是由美國國家大氣研究中心（NCAR，National Center for Atmospheric Research）和美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP，National Centers for Environmental Prediction）等單位聯(lián)合開發(fā)的新一代高分辨率、集科研和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的中尺度預(yù)報(bào)和資料同化模式，被中國學(xué)者廣泛應(yīng)用于四川盆地的研究中。 廖文超等[2]采用WRF 中尺度數(shù)值模式， 對2013年7月18日四川盆地內(nèi)的區(qū)域性暴雨進(jìn)行了分析， 認(rèn)為WRF 模式對夜雨的模擬要好于白天的。

以上研究大都采用天氣學(xué)診斷或數(shù)值模式方法對四川盆地暴雨進(jìn)行研究，本研究將綜合利用數(shù)值模式、天氣學(xué)診斷及臺風(fēng)分析等方法對四川盆地暴雨進(jìn)行研究，從而加深對四川盆地暴雨產(chǎn)生機(jī)制的認(rèn)識，并可為空管部門和機(jī)場應(yīng)對暴雨等惡劣天氣提供理論支持。

1 資料和方法

降水資料為中國氣象局提供的2018年7月10日—7月11日（北京時(shí)，下同）四川省156 個(gè)氣象臺站的逐小時(shí)降水加密資料。 天氣形勢數(shù)據(jù)選自于NCEP空間分辨率為1°×1°的逐6 h 再分析數(shù)據(jù)（FNL，final reanalysis data）全球分析資料。 此外，紅外云圖由中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心的FY-2E 衛(wèi)星提供。

為了研究7.11 暴雨的時(shí)間變化特征，將四川省境內(nèi)所有氣象臺站在某一時(shí)刻的降水總量作為該時(shí)刻四川盆地的降水量；將WRF 模式模擬結(jié)果中28°N～34°N和98°E～108°E 范圍內(nèi)所有格點(diǎn)在某一時(shí)刻的降水總量作為該時(shí)刻模擬的四川盆地降水量。

2 7.11 暴雨的降水特征和天氣形式

2018年7月10日—7月11日陜西漢中至四川盆地出現(xiàn)了一次區(qū)域性暴雨，如圖1 所示。

圖1 2018年7月10日四川盆地20：00—11日20：00 累計(jì)降水量Fig.1 Cumulative precipitation of Sichuan Basin from 20:00 pm,July 10 to 20:00 pm,July 11,2018

整個(gè)雨帶呈東北—西南走向，24 h 降水量達(dá)到暴雨量級的雨區(qū)由陜西漢中延伸至四川盆地，其中降水量達(dá)到大暴雨量級的區(qū)域主要位于綿陽、德陽及成都附近。 雨帶中心在四川盆地內(nèi)部形成3 個(gè)相互獨(dú)立的雨團(tuán)。為了進(jìn)一步分析此次暴雨的時(shí)間演變特征，給出2018年7月10日20 時(shí)—7月11日20 時(shí)四川盆地的逐小時(shí)降水實(shí)況，如圖2 所示。

圖2 2018年7月10日20 時(shí)—7月11日20 時(shí)四川省逐小時(shí)降水量時(shí)間演變Fig.2 Precipitation evolution in Sichuan Province from 20:00 pm,July 10 to 20:00 pm,July 11,2018

由圖2 可見7月10日20 時(shí)四川盆地已有降水產(chǎn)生，隨著時(shí)間的推移，在7月11日02 時(shí)降水量達(dá)到峰值，總降水量在400 mm 左右，此后總降水量有所減弱；但是，7月11日08 時(shí)降水量又出現(xiàn)了一個(gè)次峰值，其后全省降水量開始逐漸減小?？梢姡舜螐?qiáng)降水主要發(fā)生在兩個(gè)時(shí)段：7月11日02 時(shí)（屬于夜間降水）和7月11日08 時(shí)（屬于白天降水）。

暴雨是在有利的大尺度環(huán)流條件下產(chǎn)生的[5]。7月10日20 時(shí)—7月11日14 時(shí)500 hPa 位勢高度場如圖3 所示（單位：gpm）。由圖3（a）可見，在7月10日20時(shí)，東亞地區(qū)中高緯環(huán)流形勢表現(xiàn)為“兩脊一槽”型，其中巴爾克什湖北部和中國東北地區(qū)為脊，貝加爾湖地區(qū)為一低渦，貝加爾湖低渦南部的槽線向南延伸至四川盆地；在中緯度，西太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）呈帶狀分布，西脊點(diǎn)大概位于108°E 附近；位于四川盆地的西風(fēng)槽在副高的阻擋下，緩慢西行；副高的南部是臺風(fēng)“瑪莉亞”。 由圖3（b）可見，7月11日02 時(shí)，貝加爾湖低渦南部的西風(fēng)槽穩(wěn)定少變，其在副高的阻擋下，依然滯留在四川盆地上空，受此西風(fēng)槽的影響，四川盆地在該時(shí)段降水達(dá)到了最大值。 由圖3（c）可見，7月11日08 時(shí)， 四川盆地上空的西風(fēng)槽明顯東移，副高有所減退；此時(shí)臺風(fēng)“瑪莉亞”已在福建省連江縣登陸，四川盆地降水強(qiáng)度又出現(xiàn)了次大值；因此，7月11日08 時(shí)的強(qiáng)降水應(yīng)與臺風(fēng)登陸有關(guān)。 由圖3（d）可見，到了7月11日14 時(shí)，先前影響四川盆地降水的西風(fēng)槽已經(jīng)明顯減弱，槽線向四川盆地東北方向移動(dòng)，四川盆地在槽后偏北氣流的影響下，降水強(qiáng)度明顯減??； 此時(shí)副高并沒有出現(xiàn)明顯東移， 和前6 h 相比，5880線進(jìn)一步西伸，其脊點(diǎn)延伸至四川盆地境內(nèi)；中心位于福建省南平市的臺風(fēng)“瑪莉亞”強(qiáng)度明顯減弱。由此可見，7月10日20 時(shí)—7月11日20 時(shí)在四川盆地發(fā)生兩次強(qiáng)降水，但導(dǎo)致其發(fā)生的天氣系統(tǒng)明顯不同：7月11日02 時(shí)的夜雨主要是由四川盆地上空的西風(fēng)槽受副高阻擋滯留而引發(fā)；7月11日08 時(shí)的強(qiáng)降水則受臺風(fēng)登陸影響，臺風(fēng)通過遠(yuǎn)距離作用導(dǎo)致四川盆地的強(qiáng)降水。

圖3 500 hPa 位勢高度場（gpm）Tab.3 Geopotential height field（gpm）at 500 hPa

7.11 暴雨發(fā)生時(shí)典型的“北槽南渦”天氣形勢下700 hPa 位勢場高度（單位：gpm）和水平風(fēng)場（單位：m/s）如圖4 所示。 由圖4（a）可見，在7月10日20 時(shí)，四川盆地北部存在一個(gè)小低渦，該低渦6 h 以后向東北方向移動(dòng)，減弱為槽，但其并未進(jìn)入四川盆地；受四川盆地西側(cè)地形的影響，在其附近只能看到一個(gè)沒有閉合的西南低渦。 由圖4（b）可見，7月11日02 時(shí)，四川盆地北部偏北氣流持續(xù)進(jìn)入四川盆地，冷空氣入侵是導(dǎo)致西南低渦加強(qiáng)的一個(gè)重要原因[4]，因此，四川盆地附近的西南低渦進(jìn)一步加強(qiáng)，表現(xiàn)為沒有閉合的低渦范圍變大，隨著該低渦范圍不斷變大，其中尺度氣旋性環(huán)流也清晰可見。 因此，西南渦的發(fā)展加強(qiáng)，再加上充沛的水汽供應(yīng)，此時(shí)四川盆地的降水達(dá)到峰值。 由圖4（c）可見，7月11日08 時(shí)，雖然閉合的西南渦可見，但是其強(qiáng)度已經(jīng)減弱，西南低渦外圍的等值線高度在變高，強(qiáng)度在減弱。由圖4（d）可見，7月11日14時(shí)，雖然西南低渦的影響范圍在變大，但由于南風(fēng)影響， 此時(shí)降雨相比7月11日08 時(shí)已經(jīng)明顯減小，從而導(dǎo)致四川盆地的降水量減少。

圖4 700 hPa 位勢高度場和水平風(fēng)場Tab.4 Geopotential height field and horizontal wind field at 700 hPa

7.11 暴雨的FY-2E 衛(wèi)星紅外云圖如圖5 所示。 由圖5（a）可見，在7月10日20 時(shí)，從河套地區(qū)到四川盆地，有一個(gè)東北—西南走向且呈帶狀分布的西風(fēng)槽云系；在四川盆地南部，有一對流云團(tuán)A。這顯然是500 hPa和700 hPa 西風(fēng)槽前上升運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。 由圖5（b）可見，6 h 后，臺風(fēng)“瑪莉亞”位于臺灣地區(qū)以東的西太平洋洋面上，其螺旋結(jié)構(gòu)明顯；整個(gè)東北—西南向的云系移動(dòng)緩慢，在四川盆地的東北部出現(xiàn)對流云團(tuán)B，云團(tuán)B 的云頂溫度低，色彩偏白，表明其對流旺盛，正是其使得7月11日02 時(shí)四川盆地降水達(dá)到了最大值。由圖5（c）可見，7月11日08 時(shí)，對流云團(tuán)B 的對流強(qiáng)度開始減弱，影響范圍要比7月11日02 時(shí)的小，但云團(tuán)中心仍然為白色區(qū)域，表明仍存在一定強(qiáng)度的對流云團(tuán)，因此，在該時(shí)刻出現(xiàn)了次最大值的降水。 由圖5（d）可見，7月11日14 時(shí)，呈東北—西南向的西風(fēng)槽仍然維持， 但是中尺度對流云團(tuán)已經(jīng)不復(fù)存在，四川盆地受穩(wěn)定降水的影響，降水強(qiáng)度開始減弱。

圖5 FY-2E 衛(wèi)星紅外云圖Tab.5 Infrared cloud image from FY-2E satellite

3 7.11 暴雨的水汽來源

源源不斷的水汽供應(yīng)是產(chǎn)生暴雨的必要條件之一[14]。 700 hPa 水汽通量（單位：1 kg·hPa-1·m-2·s-1）及其散度如圖6 所示（白色區(qū)域?yàn)楦哂?00 hPa 的高原地形）。 由圖6（a）可見,在7月10日20 時(shí)，位于海南附近熱帶氣旋北部的偏東氣流和來自孟加拉灣的季風(fēng)環(huán)流經(jīng)過云貴高原，并和來自臺風(fēng)“瑪莉亞”北部的偏東氣流一起進(jìn)入四川盆地，這3 股水汽為7.11 暴雨的形成提供了較好的水汽條件。 由圖6（b）可見，7月11日02 時(shí)，臺風(fēng)“瑪莉亞”西移北上，四川盆地的水汽條件和7月10日20 時(shí)相比變化不大，但是副高外圍暖濕氣流和來自四川盆地北部的干冷氣流在四川盆地相遇，導(dǎo)致該時(shí)刻降水強(qiáng)度明顯增大。由圖6（c）可見，7月11日08 時(shí)，隨著臺風(fēng)“瑪莉亞”逐漸向西移動(dòng)，其北部的偏東氣流沿副高邊緣將暖濕水汽輸送到四川盆地，并在盆地西部產(chǎn)生一條東北—西南向的水汽輻合帶。由圖6（d）可見，6 h 后，臺風(fēng)“瑪莉亞”強(qiáng)度減弱，表現(xiàn)為其與海南附近熱帶氣旋北部的偏東氣流均明顯減小；此時(shí)副高北抬，輸送至四川盆地的暖濕水汽減少。

圖6 700 hPa 水汽通量及其散度Tab.6 Water vapour flux and divergence at 700 hPa

7月10日20 時(shí)—7月11日14 時(shí)沿104°E 假相當(dāng)位溫θse和垂直速度的緯度-氣壓剖面圖如圖7 所示。 由圖7（a）可見，7月10日20 時(shí)，在30°N～33°N附近，四川盆地上空θse的垂直分布特征為?θse/?Z ＞0，其中Z 為垂直方向高度，表明此時(shí)大氣屬于穩(wěn)定層結(jié)；在500 hPa 高度以下，存在一個(gè)弱的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。由圖7（b）可見，7月11日02 時(shí)，在30 °N～33 °N 附近，400 hPa 高度以下的等θse線近乎垂直分布，表明此時(shí)四川盆地上空大氣處于中性層結(jié)（研究表明，在暴雨發(fā)生時(shí)刻，大氣常常表現(xiàn)為中性層結(jié)[14]；在400 hPa高度以上，大氣也表現(xiàn)為對流穩(wěn)定狀態(tài)）；33 °N 附近存在的強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，為7月11日02 時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生提供了動(dòng)力條件，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)和此次降水的雨量數(shù)大值的落區(qū)一致。 由圖7（c）可見，6 h后，700 hPa 高度以下大氣的中性層結(jié)已被破壞，500 hPa 高度以上的大氣為對流穩(wěn)定狀態(tài)； 在30°N～33°N 附近存在的強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)明顯減弱，與7月11日02時(shí)相比， 對流中心的高度已經(jīng)降低到500～400 hPa，由于上升運(yùn)動(dòng)的中心值仍然在-1.2 Pa/s 以下，其為此時(shí)一定強(qiáng)度的降水提供了大氣動(dòng)力條件。由圖7（d）可見，7月11日14 時(shí)，大氣的中性層結(jié)繼續(xù)被破壞，在30 °N～33 °N 附近，雖仍有一定的上升運(yùn)動(dòng)，但由于其上升運(yùn)動(dòng)的絕對值開始減小，此時(shí)的降水強(qiáng)度明顯減弱。

圖7 沿104°E 假相當(dāng)位溫和垂直速度的緯度-高度剖面Tab.7 Latitude-air pressure profile along 104°E with pseudo-equivalent potential temperature and vertical velocity

4 7.11 暴雨的中尺度數(shù)值模擬

為了研究7.11 暴雨的降水特征，選用中尺度數(shù)值模式WRFV3.9.1 對此次暴雨過程進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖8 所示。模式采用雙向兩重嵌套網(wǎng)格，其中D01 為外層嵌套網(wǎng)格，D02 為內(nèi)層嵌套網(wǎng)格，模擬區(qū)域中心的經(jīng)緯度為31 °N，104.5 °E， 模式水平分辨率為18 km 和6 km，對應(yīng)網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)分別為496×318 和955×600，垂直方向50 層，模式頂層氣壓為50 hPa。 模擬的初始邊界條件采用FNL 1°×1°逐6 h 的分析資料。 連續(xù)積分42 h，逐時(shí)輸出模擬結(jié)果。

圖8 數(shù)值模擬的兩層嵌套區(qū)域示意圖Tab.8 Regional diagram of two-dimensional numerical simulation

WRF 模式中兩層嵌套區(qū)域采用相同的參數(shù)化方案，包括：Thompson 云微物理過程方案、Kain-Fritsch積云對流參數(shù)化方案、NOAH 陸面過程方案、Mellor-Yamada-Janjic（MYJ）行星邊界層方案和RRTMG 長短波輻射方案。模擬結(jié)果全部來自于第2 層嵌套網(wǎng)格的模擬。WRF 模式能夠較好地模擬此次區(qū)域性降水過程，盡管在四川盆地西南部也出現(xiàn)了虛假的降水區(qū)域，但還是很好地模擬出了暴雨過程中東北—西南向的雨帶分布，如圖9 所示。與實(shí)況相比（圖1），模擬的大于25 mm的區(qū)域范圍大且位置偏西；大于100 mm 區(qū)域的范圍要?。浑m然模擬出了175 mm 以上的降水，但是不能夠完全模擬出3 個(gè)小尺度雨團(tuán)。 從WRF 模式模擬的降水量逐小時(shí)演變來看（圖10），該模式不能夠完全模擬出此次降水的兩個(gè)強(qiáng)降水時(shí)段，雖然其模擬出了發(fā)生在夜間的強(qiáng)降水，但比實(shí)際的發(fā)生時(shí)間偏后1 h。 WRF模式并沒有模擬出7月11日08 時(shí)的次降水高峰。

圖9 2018年7月10日20 時(shí)—11日20 時(shí)WRF 模式模擬的四川盆地累計(jì)降水量Tab.9 Cumulative precipitation in Sichuan Basin simulated by WRF model from 20:00 pm,July 10 to 20:00 pm,July 11,2018

圖10 2018年7月10日20 時(shí)至7月11日20 時(shí)WRF 模式模擬的四川盆地逐時(shí)降水量時(shí)間演變Tab.10 Precipitation evolution in Sichuan Basin simulated by WRF model from 20:00 pm,July 10 to 20:00 pm,July 11,2018

圖11 反映了7月10日20 時(shí)—7月11日14 時(shí)D02 范圍內(nèi)700 hPa 位勢高度場（單位：gpm）和渦度場的空間分布情況。

圖11 D02 范圍內(nèi)700 hPa 位勢高度場和渦度場的疊加Tab.11 Superposition of geopotential height field and vorticity field within D02 at 700 hPa

由圖11（a）可見，7月10日20 時(shí)，在四川盆地有一個(gè)未閉合的西南低渦，正渦度中心位于西南低渦的北部。 由圖11（b）可見，到了7月11日02 時(shí)，D02 中西南低渦的范圍要比分析資料中的小，正渦度中心和西南低渦、降水中心的位置與分析資料中的位置基本一致。 由圖11（c）可見，6 h 后，WRF 模式模擬結(jié)果在四川盆地沒有出現(xiàn)西南低渦，這也與WRF模式模擬的該時(shí)段降水強(qiáng)度相對應(yīng)，即WRF 模式模擬的降水在7月11日03 時(shí)以后沒有再出現(xiàn)次降水高峰。 由圖11（d） 可見，7月11日14 時(shí)，D02 中的西南低渦基本不再存在，整個(gè)四川盆地處于環(huán)流調(diào)整時(shí)段。 綜上，WRF模式能夠再現(xiàn)中小尺度的天氣系統(tǒng)，但是其模擬的西南低渦要比分析資料中西南低渦維持的時(shí)間短。

5 結(jié)語

利用中國氣象局提供的逐小時(shí)降水加密觀測資料、NCEP 的FNL 全球分析資料以及FY-2E 衛(wèi)星紅外云圖，通過中尺度數(shù)值模式WRF 研究了2018年7月11日的四川盆地暴雨，所得結(jié)論如下。

（1）7.11 暴雨過程主要集中在兩個(gè)時(shí)段： 一個(gè)降水時(shí)段出現(xiàn)在7月11日02 時(shí)，表現(xiàn)為夜間降水；另一個(gè)降水時(shí)段發(fā)生在7月11日08 時(shí)，屬于白天降水。

（2）“北槽南渦”和冷空氣入侵四川盆地是7.11 暴雨產(chǎn)生的最大特點(diǎn)。 受副熱帶高壓的阻擋作用，由貝加爾湖低渦向南延伸至四川盆地的西風(fēng)槽向東緩慢移動(dòng)，四川盆地在500 hPa 槽前西南氣流和700 hPa西南低渦的共同影響下，其上空出現(xiàn)中尺度對流云團(tuán)，導(dǎo)致7月11日02 時(shí)發(fā)生了峰值降水；受臺風(fēng)“瑪莉亞”在福建登陸的影響，使得位于四川盆地的西南低渦產(chǎn)生了11日08 時(shí)的次峰值降水時(shí)段。

（3）來自海南附近熱帶氣旋北部的偏東氣流和來自孟加拉灣的季風(fēng)環(huán)流及來自臺風(fēng)“瑪莉亞”北部的偏東氣流，為7.11 暴雨的形成提供了較好的水汽條件。整個(gè)降水過程，暴雨區(qū)上空θse的漏斗狀特征明顯，在強(qiáng)降水時(shí)段7月11日02 時(shí)和08 時(shí)， 四川盆地上空都表現(xiàn)為中性層結(jié)特征。

（4）WRF 模式能夠較好地模擬此次暴雨過程中東北—西南向的雨帶分布，但對小尺度雨團(tuán)的模擬能力尚需加強(qiáng)。對于此次降水過程中的兩個(gè)強(qiáng)降水時(shí)段，WRF 模式大致能夠模擬出發(fā)生在夜間的強(qiáng)降水，但不能夠模擬出白天的次降水高峰， 表明WRF 模式模擬盆地夜間降水的能力強(qiáng)于白天。

（5）WRF 模式能夠模擬出西南低渦的中尺度結(jié)構(gòu)，但是該模式模擬的西南低渦維持時(shí)間要比實(shí)際情況短。