四川盆地位于我国西南部、青藏高原东南边缘, 地形复杂, 气候多变, 气象灾害频发。暴雨是四川地区主要灾害性天气之一, 对暴雨形成的物理机制和触发原因, 气象工作者已有大量研究(郁淑华, 1984; 于波等, 2008; 卢萍等, 2009; 罗喜平等, 2011; 吴泽等, 2014; 宋雯雯等, 2016; 许威杰等, 2017)。其中高原低涡、高原切变线、西南低涡是造成四川盆地暴雨的主要影响系统(李国平, 2013)。高原低涡是高原切变线形成的基础(罗四维, 1992), 当高原低涡(切变线)移出高原后, 诱使西南低涡生成, 常常引发盆地大范围暴雨天气(赵玉春等, 2010)。在对低涡型暴雨的研究中, 师锐等(2015)分析了四川盆地一次低涡型特大暴雨, 指出高原低涡和西南低涡共同作用, 使得盆地低层正涡度维持并形成上升气流柱, 这是强降水发展维持的重要条件。杨舒楠等(2016)对四川一次暴雨的环境场特征进行分析, 指出700 hPa切变线和850 hPa低涡为中尺度对流系统的产生提供了有利的动力条件。王毅等(2017)利用集合敏感性方法分析了一次高原低涡和西南低涡暴雨, 指出此次过程暴雨对高原涡比西南低涡更加敏感。对于四川地区, 以往的研究多集中在对低涡暴雨动力、热力、水汽输送条件的诊断分析等方面, 对暴雨落区的诊断和预报探讨比较少。由于四川盆地低涡暴雨落区的预报一直是难点, 需要寻找多途径预报方法。高守亭等(2013)研究了集合多种动力因子的暴雨预报方法, 指出这些动力因子与降水系统发展演变密切相关, 对地面观测降水有一定的指示作用。集合动力因子的方法已经在多个地区不同类型的暴雨天气中运用检验, 具有较好的诊断和预报效果(汪亚萍等, 2015; 王成鑫等, 2013; 李琴等, 2016)。例如冉令坤等(2014)选取了6个动力因子对华北地区一次暴雨过程进行分析, 指出动力因子与降水落区有较好对应关系。但在地形复杂的四川地区, 动力诊断因子能否较好地表征低涡型暴雨落区需作进一步研究。

利用常规观测资料、卫星黑体亮度温度TBB(Temperature of Brightness Blackbody)资料、欧洲中心0.25°×0.25°的预报场资料, 选取两类(螺旋度类和散度通量类)共7个动力因子, 对2015年8月16-18日四川盆地的一次暴雨过程进行诊断分析, 探讨了动力因子与影响系统、地面降水的关系, 进一步探索这些动力因子作为暴雨前兆信号加入预报指标集的可行性。

2015年8月16-18日, 四川省出现了一次区域性暴雨天气过程。全省共有15个市(州)出现了暴雨, 其中成都、绵阳、德阳、南充、遂宁和巴中6市出现了特大暴雨。此次过程, 点多、面广、持续时间长、累积雨量大。最大累积降雨量出现在德阳市中江县仓山, 为472.5 mm。主要降雨时段为8月16日20:00(北京时, 下同)至17日20:00。

8月15日20:00(图略), 500 hPa上西太平洋副热带高压位于我国东南沿海, 中纬度巴湖及贝湖间有一冷槽, 青藏高原玛多到玉树有一高原低涡生成。16日08:00[图 1(a), 该图及文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)2886的中国地图制作, 底图无修改], 冷槽略有南压, 高原低涡东移至四川省, 中心位于马尔康附近。20:00[图 1(b)], 中纬度冷槽移至蒙古国南部至河套一带, 其底部弱冷空气继续侵入四川盆地, 高原低涡演变成高原切变线并位于盆地西北部, 700 hPa上盆地中部有西南低涡生成。17日08:00[图 1(c)], 500 hPa高原切变线移至盆地中部, 700 hPa西南低涡也维持在盆地中部。17日20:00(图略), 500 hPa舟曲到玉树又有一高原切变线生成并逐渐东移影响四川省, 700 hPa西南低涡继续维持。18日, 影响四川省的低值系统逐步向东北方向收缩并移出四川, 强降雨过程结束。因此, 此次降雨过程是由于巴湖及贝湖间冷槽逐渐东移南压, 底部分裂出弱冷空气侵入四川盆地, 同时高原上不断有低值系统(高原低涡、高原切变线)东移至盆地, 引导西南低涡在盆地中部生成并维持所造成的。

图 1(Figure 1)

图 1 2015年8月16日08:00(a)、20:00(b)500 hPa及17日08:00 700 hPa(c)高度场(等值线, 单位: dagpm)和风场(矢量, 单位: m·s-1)分布 阴影区表示地形高度大于3 000 m, 矩形方框和粗实线为低涡和切变线所在位置 Figure 1 The distribution of height field (contour, unit: dagpm) and wind field (vector, unit: m·s-1) at 500 hPa at 08:00 (a), 20:00 (b) on 16, and at 700 hPa at 08:00 on 17 (c) August 2015. The shaded for terrain height more than 3 000 m, the rectangle and solid line represent the position of the vortex and the shear lines

从FY-2E卫星反演的逐小时云顶黑体亮度温度(TBB)可以看出对流云团的发生发展过程。此次降雨过程中, 由于高原低值系统(高原低涡、高原切变线)不断东移、减弱、西南低涡生成、发展, 对流云团经历了“加强-合并-减弱-再生-加强-减弱”的过程。16日08:00[图 2(a)], 高原低涡移至马尔康, 但盆地内还没有明显的对流云团生成; 16日15:00[图 2(b)], 盆地内有零星的弱的云团出现; 16日20:00[图 2(c)], 高原低涡演变为高原切变线, 同时西南低涡逐渐形成, 盆地内已有多个分散的明显的对流云团发展; 16日23:00[图 2(d)], 分散的对流云团合并加强, 位于盆地西北部, 此时高原切变线也位于盆地西北部; 17日02:00[图 2(e)], 对流云团继续加强, 稳定在盆地西北部, 中心强度超过-60 ℃; 17日06:00[图 2(f)], 高原切变线东移, 盆地内对流云团减弱; 17日15:00[图 2(g)], 伴随着西南低涡的发展加强, 盆地西北部、中东部又有强烈的对流云团生成; 17日17:00[图 2(h)], 又有一高原切变线在高原生成东移, 对流云团强度进一步增强, 中心超过-70 ℃; 18日06:00(图略), 低值系统减弱, 相伴的对流云团移至盆地东北部减弱消失。

图 2(Figure 2)

图 2 2015年8月16-17日FY-2E TBB产品分布(单位: ℃) Figure 2 The distribution of FY-2E TBB product from 16 to 17 August 2015. Unit: ℃

选取了7个包含动力、水汽等信息, 对暴雨有一定指示意义的物理量, 如质量散度、垂直螺旋度、质量水汽散度通量等, 利用欧洲中心0.25°×0.25°资料计算这些动力因子, 对暴雨过程进行诊断分析。各动力因子计算公式及物理意义如表 1所示。

表 1(Table 1)

表 1 动力因子简介 Table 1 Introduction of dynamical factors 动力因子 计算公式 物理意义 文献来源 质量散度 ${\rm{divden = }}\mathit{\rho }\left({\frac{{\partial \mathit{u}}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial y}}} \right)$ 表征了雨区上空典型的垂直动力结构 李琴等, 2016 垂直螺旋度 ${\rm{hel = }}\frac{\mathit{\omega }}{\mathit{\rho }}\left({\frac{{\partial \mathit{u}}}{{\partial x}} - \frac{{\partial v}}{{\partial y}}} \right)$ 代表了相对涡度的垂直通量 冉令坤等, 2009 质量垂直螺旋度 ${\rm{helden = }}\mathit{\omega } \cdot \mathit{\rho }\left({\frac{{\partial \mathit{u}}}{{\partial x}} - \frac{{\partial v}}{{\partial y}}} \right)$ 体现了低涡对暖湿气流的抽吸, 本质上是强化对流层低层的传统垂直螺旋度, 而弱化高层的传统的垂直螺旋度 朱刚, 2012; 李琴等, 2016; 王成鑫等, 2013 水汽垂直螺旋度 ${\rm{helqv = }}\frac{\mathit{\omega }}{\mathit{\rho }}\left[ {\frac{{\partial \left({vq} \right)}}{{\partial x}} - \frac{{\partial \left({uq} \right)}}{{\partial y}}} \right]$ 反应了水汽通量涡度的垂直输送情况 冉令坤等, 2009; 汪亚萍等, 2015 散度垂直通量 ${\rm{wdiv = }}\frac{\omega }{\mathit{\rho }}\left({\frac{{\partial u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial y}}} \right)$ 代表了水平散度的垂直通量 冉令坤等, 2009; 周冠博等, 2012 密度散度垂直通量 ${\rm{wdendiv = }}\mathit{\omega } \cdot \mathit{\rho }\left({\frac{{\partial u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial y}}} \right)$ 将质量散度与垂直速度相结合, 能更准确的描述暴雨系统的发展演变过程 李琴等, 2016 水汽散度通量 ${\rm{wqvdiv = }}\frac{\mathit{\omega }}{\mathit{\rho }}\left[ {\frac{{\partial \left({uq} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left({vq} \right)}}{{\partial y}}} \right]$ 反应了水汽通量散度的垂直输送情况 冉令坤等, 2009 u、v和ω分别为P坐标系中x、y和垂直方向的速度; ρ为密度; q为水汽比湿

表 1 动力因子简介 Table 1 Introduction of dynamical factors

结合降雨实况与对流云团演变特征可以看出, 强降雨时段主要发生在2015年8月16日20:00至17日20:00, 因此主要分析这一时段各物理量特征。从16日20:00至17日20:00沿强降雨中心(31°N)的平均的涡度、散度、垂直速度场(图 3)可以看出, 暴雨区内(104°E-106°E)为正涡度, 其正涡度柱高度伸展到了300 hPa, 最大中心位于850 hPa附近, 中心值达到30×10^-5 s^-1, 对应于西南低涡。暴雨区700 hPa以下为气流辐合, 700 hPa以上为辐散, 辐合层比较浅薄。垂直速度场上, 暴雨区从低层到高层上升运动十分明显, 最强上升运动中心位于850 hPa, 中心强度达到了-2.5 Pa·s^-1。总体上看, 由于西南低涡的作用, 降雨区具有深厚的正涡度柱以及上升运动, 但辐合层比较浅薄。

图 3(Figure 3)

图 3 2015年8月16日20:00至17日20:00沿强降雨中心(31°N)的平均涡度(a, 单位: ×10-5 s-1)、散度(b, 单位: ×10-5 s-1)及垂直速度(c, 单位: Pa·s-1)分布 Figure 3 The distribution of average vorticity (a, unit: ×10-5 s-1), divergence (b, unit: ×10-5 s-1) and vertical velocity (c, unit: Pa·s-1) along the storm center (31°N) from 20:00 on 16 to 20:00 on 17 August 2015

李琴等(2016)选取了12个动力因子对四川盆地西部一次暴雨过程进行分析, 指出动力因子对暴雨过程具有较好的诊断效果。那么在此次多个降雨影响系统共同作用造成的暴雨过程中, 动力因子、高原切变线、西南低涡、地面降雨存在什么样的关系呢？本文将进一步研究。从8月16日20:00至17日20:00高原切变线、西南低涡、逐6 h累积雨量的时间演变(图略)可以看出, 高原切变线由东北-西南走向演变为东-西向, 且由盆地西北部移至盆地中部, 而西南低涡在盆地中部生成并维持。强雨带分布基本呈东西走向, 降水大值中心也位于盆地中部, 高原切变线的南侧, 和西南低涡中心基本一致。

进一步分析动力因子与高原切变线、西南低涡的演变特征。对上述动力因子A从1 000~300 hPa作质量权重垂直积分, 即$\int\limits_{1000}^{300} {\mathit{\rho }\left| A \right|{\rm{d}}\mathit{p}} $, 其中|A|代表物理量A取绝对值, ρ为空气密度。图 4和图 5给出了不同时刻各动力因子水平分布特征。从图 4可以看出, 16日20:00西南低涡形成初期, 高原切变线位于盆地西北部, 呈东北-西南向, 此时质量散度、垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度、散度垂直通量、密度散度垂直通量、水汽散度通量大值区也集中在盆地西北部, 呈东北-西南向, 和高原切变线走向一致, 动力因子大值中心位于104°E, 31°N。17日08:00(图略), 随着高原切变线的南移和西南低涡的发展, 各动力因子大值区范围有所扩大, 大值中心由一个演变为两个, 分别位于104.5°E, 30°N和105°E, 31°N。17日14:00(图 5), 西南低涡达到强盛时期, 中心位于104.5°E, 30.5°N, 各动力因子大值区呈圆形分布, 中心位于105°E, 30.5°N, 和西南低涡分布较一致, 且中心值相比前两个时刻有明显的增大。17日20:00(图略), 西南低涡维持, 各动力因子大值区也维持。通过比较高原切变线、西南低涡、动力因子分布可知, 西南低涡形成初期, 动力因子大值区和高原切变线分布一致, 随着西南低涡逐渐增强, 动力因子大值区和西南低涡重合。

图 4(Figure 4)

图 4 2015年8月16日20:00动力因子质量散度(a, 单位: ×102 kg3·m-7·s-3), 垂直螺旋度(b, 单位: ×103 kg2·m-2·s-6), 质量垂直螺旋度(c, 单位: ×103 kg4·m-8·s-6), 水汽垂直螺旋度(d, 单位: ×10 kg2·m-2·s-6), 散度垂直通量(e, 单位: ×102 kg4·m-8·s-6), 密度散度垂直通量(f, 单位: ×103 kg2·m-2·s-6)及水汽散度通量(g, 单位: kg2·m-2·s-6)的垂直积分 Figure 4 The vertical integration of each dynamical factor mass divergence (a, unit: ×102 kg3·m-7·s-3), vertical helicity (b, unit: ×103 kg2·m-2·s-6), mass vertical helicity (c, unit: ×103 kg4·m-8·s-6), moisture vertical helicity (d, unit:×10 kg2·m-2·s-6), divergence vertical flux (e, unit: ×102 kg4·m-8·s-6), density divergence vertical flux (f, unit: ×103 kg2·m-2·s-6) and moisture divergence flux (g, unit: kg2·m-2·s-6) at 20:00 on 16 August 2015

图 5(Figure 5)

图 5 2015年8月17日14:00动力因子的垂直积分 (a)质量散度(单位: ×102 kg3·m-7·s-3), (b)垂直螺旋度(单位: ×103kg2·m-2·s-6), (c)质量垂直螺旋度(单位: ×103 kg4·m-8·s-6), (d)水汽垂直螺旋度(单位: ×10 kg2·m-2·s-6), (e)散度垂直通量(单位: ×102 kg4·m-8·s-6), (f)密度散度垂直通量(单位: ×103 kg2·m-2·s-6), (g)水汽散度通量(单位: kg2·m-2·s-6) Figure 5 The vertical integration of each dynamical factor at 14:00 on 17 August 2015. (a) mass divergence (unit: ×102 kg3·m-7·s-3), (b) vertical helicity (unit: ×103kg2·m-2·s-6), (c) mass vertical helicity (unit: ×103 kg4·m-8·s-6), (d) moisture vertical helicity (unit: ×10 kg2·m-2·s-6), (e) divergence vertical flux (unit: ×102 kg4·m-8·s-6), (f) density divergence vertical flux (unit: ×103 kg2·m-2·s-6), (g) moisture divergence flux (unit: kg2·m-2·s-6)

以上分析了动力因子与影响系统的演变特征, 下面分析动力因子与降水关系。图 6和图 7给出了8月16日20:00至17日20:00每6 h平均的动力因子垂直积分和累积地面降水实况。8月16日20:00至17日02:00(图 6), 西南低涡形成初期, 降水主要集中在盆地中部, 雨带呈东西走向, 降水中心位于106°E, 31°N。降水区内基本覆盖着动力因子大值区, 大值中心都位于104.5°E, 31°N, 与降水中心在同一纬度, 但相差1.5个经距。17日02:00-08:00(图略), 雨带范围扩大, 强降雨中心略南移至106°E, 30°N, 此时降雨中心位于动力因子大值中心右侧。17日08:00-14:00(图略), 雨带呈逗点状, 降水中心位于104°E, 31°N, 从6 h平均的各动力因子垂直积分可看出, 大值中心位于104.5°E, 31°N, 与降水中心趋于重合。17日14:00-20:00(图 7), 西南低涡强盛时期, 雨带为团状分布, 降雨中心位于106°E, 31°N。此时段强降水区内完全覆盖着动力因子大值区, 降雨中心与动力因子大值中心重合, 很好的指示了雨带分布特征。由以上分析可知, 西南低涡形成初期, 各动力因子的高值中心与地面雨带还存在一些差异, 随着西南低涡的加强, 降雨中心与动力因子大值中心趋于重合。

图 6(Figure 6)

图 6 2015年8月16日20:00至17日02:00 6 h平均的动力因子垂直积分(等值线)和6 h累积地面降水实况(阴影, 单位: mm)(a)质量散度(单位: ×102 kg3·m-7·s-3), (b)垂直螺旋度(单位: ×103kg2·m-2·s-6), (c)质量垂直螺旋度(单位: ×103 kg4·m-8·s-6), (d)水汽垂直螺旋度(单位: ×10 kg2·m-2·s-6), (e)散度垂直通量(单位: ×102 kg4·m-8·s-6), (f)密度散度垂直通量(单位: ×103 kg2·m-2·s-6), (g)水汽散度通量(单位: kg2·m-2·s-6) Figure 6 The 6-hour actual accumulated rainfall (the shaded, unit: mm) and the average vertical integration of each dynamical factor (contour) from 20:00 on 16 August to 02:00 17 August 2015. (a) mass divergence (unit: ×102 kg3·m-7·s-3), (b) vertical helicity (unit: ×103kg2·m-2·s-6), (c) mass vertical helicity (unit: ×103 kg4·m-8·s-6), (d) moisture vertical helicity (unit: ×10 kg2·m-2·s-6), (e) divergence vertical flux (unit: ×102 kg4·m-8·s-6), (f) density divergence vertical flux (unit: ×103 kg2·m-2·s-6), (g) moisture divergence flux (unit: kg2·m-2·s-6)

图 7(Figure 7)

图 7 2015年8月17日14:0020:00 6 h平均的动力因子垂直积分(等值线)和6 h累积地面降水实况(阴影, 单位: mm) (a)质量散度(单位: ×102 kg3·m-7·s-3), (b)垂直螺旋度(单位: ×103kg2·m-2·s-6), (c)质量垂直螺旋度(单位: ×103 kg4·m-8·s-6), (d)水汽垂直螺旋度(单位: ×10 kg2·m-2·s-6), (e)散度垂直通量(单位: ×102 kg4·m-8·s-6), (f)密度散度垂直通量(单位: ×103 kg2·m-2·s-6), (g)水汽散度通量(单位: kg2·m-2·s-6) Figure 7 The 6-hour actual accumulated rainfall (the shaded, unit: mm) and the average vertical integration of each dynamical factor (contour) from 14:00 to 20:00 on 17 August 2015. (a) mass divergence (unit: ×102 kg3·m-7·s-3), (b) vertical helicity (unit: ×103kg2·m-2·s-6), (c) mass vertical helicity (unit: ×103 kg4·m-8·s-6), (d) moisture vertical helicity (unit: ×10 kg2·m-2·s-6), (e) divergence vertical flux (unit: ×102 kg4·m-8·s-6), (f) density divergence vertical flux (unit: ×103 kg2·m-2·s-6), (g) moisture divergence flux (unit: kg2·m-2·s-6)

总体上看, 这些动力因子与高原切变线、西南低涡、6 h地面实况降雨量的发展演变对应较好。西南低涡形成初期, 动力因子大值区和高原切变线分布一致, 降雨中心位于动力因子大值中心和高原切变线右侧, 与西南低涡中心基本一致。西南低涡强盛时期, 动力因子大值中心、西南低涡中心、降雨中心趋于重合。

由8月16日20:00沿暴雨中心31°N所作各动力因子的纬向垂直剖面(图 8)可知, 地面强降雨区主要在104°E-106°E经度带内。降雨区600 hPa以下有质量辐合, 辐合中心位于700 hPa, 600 hPa以上为辐散。降雨区上空300 hPa高度以下为垂直螺旋度的负值区, 中心位于600 hPa, 表征了西南低涡引起的气旋性涡度的垂直向上输送。质量垂直螺旋度在500 hPa以下为明显的大值区, 而在500 hPa以上不明显, 这正是密度对传统垂直螺旋度低层强化高层弱化的结果。由于水汽的权重调节作用, 水汽垂直螺旋度在400 hPa以下主要表现为负值, 负高值中心位于650 hPa附近, 代表气旋性水汽通量涡度的垂直向上输送。降雨区上空600 hPa以下为散度垂直通量正值区, 表明对流层低层为辐合上升运动, 600 hPa以上为负值区, 表示高层动力辐散效应。密度散度垂直通量、水汽散度通量与散度通量分布相似, 600 hPa以下为正值区, 正值中心在700 hPa左右, 表征了垂直上升运动和水汽通量的辐合效应, 600 hPa以上的负值区是与上升运动和水汽通量辐散相联系。

图 8(Figure 8)

图 8 2015年8月16日20:00至17日02:00的6 h地面降水(柱状, 单位: mm)和16日20:00各动力因子(等值线)沿降雨中心(31°E)的垂直剖面 (a)质量散度(单位: ×10-5 kg·m-3·s-1), (b)垂直螺旋度(单位: ×10-5 kg-1·m3·Pa·s-2), (c)质量垂直螺旋度(单位: ×10-5 kg·m-3·Pa·s-2), (d)水汽垂直螺旋度(单位: ×10-9 kg-1·m3·Pa·s-2), (e)散度垂直通量(单位: ×10-6 kg-1·m3·Pa·s-2), (f)密度散度垂直通量(单位: ×10-6 kg·m-3·Pa·s-2), (g)水汽散度通量(单位: ×10-9 kg-1·m3·Pa·s-2) Figure 8 The 6-hour surface rainfall (columnar, unit: mm) from 20:00 on 16 to 02:00 on 17 August and vertical sections of each dynamical factor (contour) along rainfall center (31°E) at 20:00 16 August 2015. (a) mass divergence (unit: ×10-5 kg·m-3·s-1), (b) vertical helicity (unit: ×10-5 kg-1·m3·Pa·s-2), (c) mass vertical helicity (unit: ×10-5 kg·m-3·Pa·s-2), (d) moisture vertical helicity (unit: ×10-9 kg-1·m3·Pa·s-2), (e) divergence vertical flux (unit: ×10-6 kg-1·m3·Pa·s-2), (f) density divergence vertical flux (unit: ×10-6 kg·m-3·Pa·s-2), (g) moisture divergence flux (unit: ×10-9 kg-1·m3·Pa·s-2)

8月17日14:00(图 9), 在沿暴雨中心31°N所作纬向垂直剖面图上, 地面强降雨区主要位于104°E-107°E, 降雨中心在106°E附近。质量散度辐合中心位于800 hPa 106°E处, 与降雨中心基本一致。此时高原切变线和西南低涡都位于盆地中部, 且西南低涡发展强盛, 由于气旋性涡度较强, 垂直螺旋度在400 hPa以下为较强的负值区, 雨区东侧108°E附近对流层中高层有一垂直螺旋度的正值区, 可能是由于上升运动和反气旋性涡度、动力辐散效应共同作用造成的, 该正值区与强降雨区没有明显联系。质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度在400 hPa以下也为较强的负值区, 但相比垂直螺旋度, 由于水汽和质量的权重调节作用, 强化了对流层中低层动力结构, 而弱化了高层结构。散度垂直通量、密度散度垂直通量、水汽散度通量600 hPa以下为正值区, 正值中心也在700 hPa左右。

图 9(Figure 9)

图 9 2015年8月17日14:00-20:00的6 h地面降水(柱状, 单位: mm)和8月17日14:00各动力因子(等值线)沿降雨中心(31°E)的垂直剖面 (a)质量散度(单位: ×10-5 kg·m-3·s-1), (b)垂直螺旋度(单位: ×10-5 kg-1·m3·Pa·s-2), (c)质量垂直螺旋度(单位: ×10-5 kg·m-3·Pa·s-2), (d)水汽垂直螺旋度(单位: ×10-9 kg-1·m3·Pa·s-2), (e)散度垂直通量(单位: ×10-6 kg-1·m3·Pa·s-2), (f)密度散度垂直通量(单位: ×10-6 kg·m-3·Pa·s-2), (g)水汽散度通量(单位: ×10-9 kg-1·m3·Pa·s-2) Figure 9 The 6-hour surface rainfall (columnar, unit: mm) from 14:00 to 20:00 on 17 August and vertical sections of each dynamical factor (contour) along rainfall center (31°E) at 14:00 17 August 2015. (a) mass divergence (unit: ×10-5 kg·m-3·s-1), (b) vertical helicity (unit: ×10-5 kg-1·m3·Pa·s-2), (c) mass vertical helicity (unit: ×10-5 kg·m-3·Pa·s-2), (d) moisture vertical helicity (unit: ×10-9 kg-1·m3·Pa·s-2), (e) divergence vertical flux (unit: ×10-6 kg-1·m3·Pa·s-2), (f) density divergence vertical flux (unit: ×10-6 kg·m-3·Pa·s-2), (g) moisture divergence flux (unit: ×10-9 kg-1·m3·Pa·s-2)

由上可知, 这些动力因子垂直分布能够表征强降水过程中典型的动力垂直结构特征, 对强降水过程的发展演变具有一定的指示意义。

各动力因子垂直积分的时间演变趋势如图 10所示, 在沿106°E的经向时间剖面图中, 主要降雨时段内(16日20:00至17日20:00), 各动力因子大值区在30°N-32°N纬度带内, 对应地面强降雨区, 大值中心位于31°N附近, 对应强降雨中心。动力因子中心值从17日08:00开始迅速增大, 在17日14:00左右, 高原切变线和西南低涡都维持在盆地中部, 且西南低涡达到最强盛时期, 此时动力因子达到最大值。这进一步表明, 各动力因子在时间演变趋势上, 与地面雨区和降雨系统的发展移动存在一定的对应关系。因此各动力因子可以比较准确地描述暴雨系统的发展演变过程。

图 10(Figure 10)

图 10 2015年8月16日20:00至17日23:00各动力因子垂直积分沿106°E的经向时间剖面 (a)质量散度(单位: ×102 kg3·m-7·s-3), (b)垂直螺旋度(单位: ×103 kg2·m-2·s-6), (c)质量垂直螺旋度(单位: ×103 kg4·m-8·s-6), (d)水汽垂直螺旋度(单位: ×10 kg2·m-2·s-6), (e)散度垂直通量(单位: ×102 kg4·m-8·s-6), (f)密度散度垂直通量(单位: ×103 kg2·m-2·s-6), (g)水汽散度通量(单位: kg2·m-2·s-6) Figure 10 The longitudinal time sections of vertical integration of each dynamical factor along 106°E from 20:00 on 16 to 23:00 on 17 August 2015. (a) mass divergence (unit: ×102 kg3·m-7·s-3), (b) vertical helicity (unit: ×103 kg2·m-2·s-6), (c) mass vertical helicity (unit: ×103 kg4·m-8·s-6), (d) moisture vertical helicity (unit: ×10 kg2·m-2·s-6), (e) divergence vertical flux (unit: ×102 kg4·m-8·s-6), (f) density divergence vertical flux (unit: ×103 kg2·m-2·s-6), (g) moisture divergence flux (unit: kg2·m-2·s-6)

综上, 7个动力因子对此次降雨影响系统及地面降水的发展和演变有较好的指示意义。动力因子大值区基本上覆盖强降水区。降雨区上空存在质量散度辐合、气旋性涡度和水汽通量涡度的垂直向上输送、辐合上升运动。垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度这3个动力因子的诊断效果相似, 相比散度垂直通量、密度散度垂直通量、水汽散度通量, 在暴雨区上空的垂直结构中从低层到高层表现的更明显, 对降水和系统发展演变的指示意义更好。这可能是由于此次降雨是由高原低涡、高原切变线、西南低涡共同作用引起, 对低涡类的影响系统, 气旋性涡度明显, 而散度辐合层较浅薄, 相比涡度所起作用较弱。

利用常规观测资料、FY-2E卫星黑体亮度温度(TBB)资料、欧洲中心0.25°×0.25°的预报场资料对2015年8月1618日四川盆地的一次暴雨过程进行诊断分析, 探讨了动力因子和暴雨落区、强度以及影响系统(高原切变线、西南低涡)的关系。得出以下结论:

(1) 此次降雨过程是由于巴湖及贝湖间冷槽逐渐东移南压, 底部分裂出弱冷空气侵入四川盆地, 同时高原上不断有低值系统(高原低涡、高原切变线)东移至盆地, 引导西南低涡在盆地中部生成并维持所造成。

(2) 随着高原低值系统(高原低涡、高原切变线)东移、减弱, 西南低涡生成、发展, 相伴的对流云团经历了“加强-合并-减弱-再生-加强-减弱”的过程。

(3) 动力因子对此次地面降水和影响系统的发展和演变有较好指示意义。西南低涡形成初期, 动力因子大值区和高原切变线分布一致, 降雨中心位于动力因子大值中心和高原切变线右侧, 与西南低涡中心基本一致。西南低涡强盛时期, 动力因子大值中心、西南低涡中心、降雨中心趋于重合。

(4) 降雨区具有深厚的正涡度柱以及上升运动, 但辐合层比较浅薄。降雨区上空存在质量散度辐合、气旋性涡度和水汽通量涡度的垂直向上输送、辐合上升运动。由于低涡类影响系统的涡度作用比散度更明显, 使得垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度这三个螺旋度类型的动力因子的垂直结构从低层到高层均表现得较为明显。

以上分析仅是个例研究结果, 今后仍需选取更多个例以及动力因子进行诊断分析, 筛选组合出适合四川盆地暴雨预报的动力因子集, 评估其对暴雨潜势预报能力, 为四川盆地暴雨预报业务的发展提供更好参考。