引言

西南低涡(以下简称西南涡)是青藏高原特殊地形及有利环流形势共同影响下产生的中尺度天气系统,当它发展东移时,常会带来剧烈的天气^[1-5]。在影响我国的许多重大气象灾害中,西南涡都扮演了重要角色^[6-7]。2004年9月2～6日,四川省东北部发生了特大暴雨,四川盆地的宣汉、达州、渠县、开江累积降水量分别达到419 mm 、350 mm 、324 mm 、315 mm,日降雨量突破有气象记录以来的历史极值。对这次强降水过程,已有一些初步的研究^[8]。本文将在对这次暴雨过程的降水特征和大尺度环流背景分析的基础上,重点分析西南涡中尺度系统对这次大暴雨过程的影响。

本文采用MM5中尺度非静力模式所提供的中尺度客观分析方法,选取国家气象中心T213数值预报分析资料作为背景场,利用东亚地区常规地面和探空资料,对背景场资料进行再分析,获得2004年9月1～6日的每天00 :00(世界时,下同)和12 :00两个时次的格点分析资料(格距是15 km ×15 km)。

1 降水和大尺度环流特征

分析逐日24 h降雨量发现,强降水主要出现在2004年9月3～5日。9月3～5日00 :00四川省72 h累积降雨量图显示(图略),在川东北部的降水区中有3个强降水中心,最大降水中心位于开县附近,中心雨量超过400 mm,为历史罕见。降水空间分布表明这次降水过程具有很强的中尺度特征。此次大暴雨过程由3次强降雨时段组成。第1个降水时段为3日09 :00至4日02 :00,累计降水量达101 mm ;第2个强降水时段发生在4日08 :00～14 :00,累计降水量104 mm ;第3个强降水时段发生在4日23 :00至5日06 :00,累计降水量达122 mm 。且每次强降水都维持2～5 h,降水的时间尺度也具有明显的中尺度特征。

此次暴雨过程发生前的2004年9月2日12 :00,500 hPa环流形势(图1)的基本特征是,在亚洲中高纬地区为两槽一脊的环流形势,在西西伯利亚地区和东亚沿海地区为低压槽区,贝加尔湖地区为高压脊,青藏高原地区为偏西南气流;此时,西北太平洋副热带高压势力较强且位置偏西,脊线呈东西向,西脊点在94°E附近。9月2～5日,从西西伯利亚地区连续分裂出两个短波槽快速东移,槽后的冷空气与副热带高压西北侧的西南暖湿气流交汇于高原北部地区,有利于在高原地区形成切变线。

对2004年9月1～5日700 hPa水汽通量和水汽通量散度的候平均场的分析显示(图略),此次暴雨过程中有两支水汽输送带,一支水汽输送带是孟加拉湾地区的西南气流,当它到达青藏高原东南侧时,绕高原东南方进入四川盆地;另一支来自中国南海地区的东南气流在副高西侧经高原东部转向偏南流向四川盆地。由于青藏高原东侧四川盆地的地形作用,上述两支水汽输送带在青藏高原东南侧汇合时,在盆地东北部形成明显的水汽辐合区。

2 中尺度特征分析 2.1 高原切变线

与这次大暴雨密切相关的中尺度系统有两个,一个是高原切变线,另一个是西南涡。2004年9月2日12 :00,伴随着500 hPa短波槽的东移,在青藏高原上的30°N,90°E附近形成了一条切变线(见图1),至3日00 :00,这条高原切变线携带着弱冷空气东移到四川盆地,同时,在该切变线上游95°E附近又新生一个高原切变线,并快速东移(图略)。

对青藏高原夏季低涡切变线系统的分析研究表明^[9],夏季青藏高原的热源作用,有利于触发对流不稳定,并生成高原切变线。2004年9月2日12 :00 500 hPa假相当位温θse大值区位于高原主体东部,最大中心值超过85 ℃(图略)。图2是500 hPa与400 hPa假相当位温θse之差,从图可清楚地看到高原东部中低层大气是对流不稳定(∂θ_se/∂_p>0)的,表明青藏高原θse最大值和对流不稳定的分布区域,较好地对应了高原切变线的生成区域。可见,高原切变线是在有利的大尺度环流条件下,受高原的热源作用形成的。

2.2 西南涡

西南涡是此次大暴雨过程中最重要的影响系统。对过程期间700 hPa高度场和风场分析显示,9月2日12 :00从高原东部到四川盆地出现了一个暖式切变线,2日18 :00的红外云图上,在切变线东段的川东北地区出现了对流云系(图略);至3日00 :00,随着500 hPa高原切变线的东移,切变线北侧冷空气的激发作用,积云对流活动加强,700hPa出现了闭合的低压环流(见图3),环流中心出现在四川盆地至青藏高原陡峭上升地形处,低涡中心位于30°～32°N,102°～104°E,该区域地形高度为500～3000 m,表明西南涡形成于川西高原复杂地形中。9月4～5日,第二个短波槽东移促使西南涡进一步发展成熟,水平尺度加大,低涡中心从川西高原东移到四川盆地腹地(30°～32°N,104°～106°E),5日12 :00四川盆地上空的500 hPa也出现了明显的涡旋环流,表明西南涡向对流层中层发展(图略)。

2.2.1 西南涡的对流活动特征

分析9月2～5日逐时红外卫星云图可以清楚地发现,四川盆地的对流云活动存在明显的日变化特征,对流活动在夜间到早晨发展强盛,白天逐渐消散;图4是9月3～4日第一个强降水时段红外卫星云图上的对流云团演变过程。由图4a可见,3日15 :00在四川省的东北部和西南部出现了两个较强的对流云团,面积约300 km ×400km,是一个很清晰的中尺度系统。对照图3可知,这两个对流云团分别出现在西南涡东侧的暖式切变线和其西南侧的冷式切变线上;在这两个对流云团中间,还有一个较小的对流云团位于西南涡的暖区内,并随着西南涡的东移,逐渐发展并入到低涡东侧暖式切变线上的对流云团之中;至3日21 :00(图4c),四川东北部的对流云团明显加强,-70 ℃的云顶亮温区明显扩大,云团的面积约达550 km ×500 km 。同时,位于低涡西南侧冷式切变线上的对流云团随着西南涡的东移,迅速减弱;至4日早晨(图4d),四川西南部的对流云团已减弱消散,东北部的对流云团也迅速减弱。4日夜间开始,在低涡的暖区内又有对流云团发展东移,但由于西南涡的东移,其东侧的暖切变线逐渐东移出川东地区,新生的对流云团主要发展于低涡南侧的暖区内,其强度和范围远远弱于3日晚至4日晨的对流云团(图略)。上述的分析表明,西南涡东侧的切变线和低涡的暖区内是中尺度对流活动容易发生发展的区域,而强的对流活动主要出现在低涡东侧的暖式切变线上。

图5是9月4日00:00的850 hPa流场和散度场分布图,由图可见,850 hPa上西南涡中心的区域是一个弱的辐散区,中心散度值为0.5 ×10^-5s^-1,而其外围气流则是辐合的,尤其是低涡东侧的辐合较强,辐合中心达到-4.5 ×10^-5s^-1,出现在西南涡东北部,即前面所述的低涡暖式切变线北侧。西南涡底层散度场的这种分布特征说明,低涡的暖区内是有利于形成辐合上升运动的区域,暖式切变线北侧的辐合上升运动最强。

2.2.2 西南涡的结构特征

分析发现,有利于对流活动发展和暴雨发生的区域并不在低涡的中心,而是在低涡东侧的暖式切变线上。图6为西南涡最强盛时(9月4日00 :00)经过西南涡东侧暴雨区中心107°E的涡度场和垂直速度场的经向垂直剖面图。图6a显示,在31°N的低涡暖式切变线上有一个明显的正涡度柱,正涡度中心约在700 hPa附近,说明这里的气旋性涡旋环流最强,风切变最明显;随着高度的增加,正涡度区域迅速减小,强度减弱。散度场的经向垂直剖面分布表明,暴雨区底层的辐合主要出现在四川盆上空850 hPa的浅层之内,辐合中心位于31.5°N(图略)。

由图6b的垂直速度场的经向垂直剖面图可见,与上述分析的700 hPa上最大的正涡度中心和850 hPa上的低层辐合中心相对应,在700 hPa附近出现了0.06 m·s^-1上升运动中心,显示出西南涡东侧暖式切变线上低层辐合上升的动力场结构。

从图6b上还可以看到,暴雨区上空整层都是较强的垂直上升运动,并且在对流层中高层的300 hPa附近还有一个上升运动中心。同时还值得注意的是,图6b上位于低涡东侧暖式切变线的南侧和北侧有两支垂直下沉气流,其中位于27°N的下沉气流较强,是一支分布于整个对流层的垂直下沉运动,中心位于对流层中层的500 hPa,由同时刻的500hPa环流形势场分析可知(图略),这支下沉气流位于低涡南部副热带高压区内,下沉运动是由副热带高压这个深厚的系统所产生的;而34°N的弱下沉气流则位于中纬度500 hPa弱高压脊上的反气旋环流区域(图略)。这两支下沉气流与位于低涡东侧暖式切变线上的上升气流分别构成了切变线北侧的正向垂直环流和其南侧的反向垂直环流,使得低涡东侧暖式切变线上的垂直上升运动得以发展维持,形成整层的深厚上升运动区,为大暴雨的产生提供了有利的动力条件。

3 结论

(1) 此次大暴雨过程是由3次主要的降水时段组成,时间演变和空间分布上都具有明显的中尺度特征。

(2) 此次大暴雨过程中,中纬度短波低压槽东移与西伸加强的副热带高压在高原北部地区形成了有利于高原切变线系统生成发展的环流条件;来自南海和孟加拉湾的两支水汽在青藏高原东南侧汇合,在盆地东北部形成明显的水汽辐合。

(3) 与大暴雨密切相关的主要中尺度系统有两个,一个是青藏高原东部切变线,另一个是西南涡。高原东部低层至400 hPa,大气是对流不稳定,有利于高原切变线发生发展。

(4) 西南涡对大暴雨过程的形成起着重要作用,低涡东侧的暖式切变线是对流活动最活跃的区域,强降水主要出现在暖式切变线上,低涡的暖区也是有利于对流云团发展的区域。

(5) 西南涡的强气旋性环流主要位于对流层中低层,最大的气旋性涡旋出现在700 hPa附近,低涡东侧的暖式切变线上低层的辐合上升运动强。低涡暖式切变线南北两侧的正反向垂直环流使得切变线上深厚的上升运动发展维持,为大暴雨的产生提供了有利的动力条件。