民航西南空管局 段飞帆 610041
摘要：本文通过0.5°× 0.5°CFSR再分析资料、降水资料以及站点探空资料，对2011年7月3日至4日发生于成都地区的突发性暴雨的环流形势、水汽条件以及相关物理量等进行了分析。结果表明：（1）本次暴雨的主要成因是川西高原上的低涡带来冷平流影响四川盆地，加之副高突然西伸，其边缘的西南气流与高原南下的西北气流形成纬向切变和辐合并逐渐向东移动，使暴雨落区位于盆地中西部。（2）西南低空急流为本次暴雨输送了大量的水汽。副高边缘的西南气流将水汽阻挡在盆地中西部，配合本地的垂直运动，为降水提供了有利条件。（3）探空资料指示暴雨前期成都市上空有大量的不稳定能量堆积，大气层结很不稳定。强烈的上升运动为降水提供了良好的动力条件（4）V-3图可以很好的指示降水。对流层高层存在“超低温层”，具有激发、引导天气现象发生和对流云系移动的作用。大气垂直结构很不均匀，高层有干冷侵入，低层有暖湿气流辐合。高低层温度与湿度相差很大，有利于对流运动发生发展。
关键词：突发性暴雨；高原涡；副高；水汽输送；V-3图
引言
暴雨作为四川盆地夏半年最主要的灾害性天气之一，一直是困扰着预报员的难题。成都位于四川盆地西部，地势较低，地形闭塞，发生突发性降水后雨水不能迅速宣泄，很可能造成城市积水过多，道路被淹没等更多的严重后果。本文将以2011年7月3日成都地区的一次突发性暴雨为例，对此次暴雨事件的环流背景、水汽条件以及物理量场等进行诊断分析，为以后类似的暴雨预报提供一些参考和依据。
1.过程回顾
2011年7月3日，成都地区出现强降雨天气。降水过程开始于3日14时，到4日04时结束，主要降水落区为成都主城区和成都西部地区（图1）。
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3日15:40雨势开始变大，到16:00~17:00时市区雨势达到最大。20时雨势逐渐减弱，到23时开始进入第二个降水高峰，整个过程持续到4日04时。
据自动站资料显示，3日14时~20时的6小时平均降水量超过100mm，最大降水量达215.9mm。其中，15时~18时连续3小时雨强超过60mm·h-1。整个降水过程累计降水量有19站超过100mm，两个站超过200mm，达到特大暴雨级别。本次暴雨导致成都主城区出现严重内涝，交通陷入瘫痪，并且造成成都及周边地区多出房屋倒塌和大面积农作物受损，部分山地还出现了山洪等地质灾害。
2.环流形势分析
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由图2（a）可以看出，7月2日20时欧亚中高纬地区为两槽一脊的形势，槽线分别位于巴湖以东和大庆—沈阳一线，长波脊位于贝湖。588线位于吴川—武宁—无锡一线。584线位于北海—巫溪—连云港一线。华南、华东地区受副高控制。高原和四川上空有暖中心。结合图3（a）可以得知川西高原上有一个低涡形成，低涡中心位于103°E,33°N附近，高原上的冷空气被卷入低涡后将会有冷平流影响四川盆地。从高原南下西北气流与副高带来的西南气流在584线附近形成切变，并影响成都地区。
7月3日08时500hPa上（图2 b）仍为两槽一脊的型式，副高588线稳定维持，584线西伸加强至四川盆地。高原涡加深，风切变也随之加强。4日08时，副高继续加强西伸，高原涡减弱消失，成都转为西南气流控制，降水过程结束。
7月2日20时700hPa（图3 a）高度上，川西高原有一个闭合的低压中心，并且伴随着强烈的气旋性辐合。四川盆地受到西南低空急流的影响。3日08时低空急流加强，所携带的暖湿气流与高原上南下的冷空气在川西高原地区辐合，对流极易发展，有利于产生降水。
本次暴雨的主要成因是川西高原上生成的低涡携带冷平流影响四川盆地，加之副高突然西伸，其携带的西南气流与冷空气在盆地上空辐合，产生了有利于降水的天气形势。从7月2日20时至7月3日08时，副高的移动呈东西走向，584线西伸了将近10个经度。高原上的西北气流与低空急流带来的暖湿空气形成纬向切变辐合带并逐渐向东移动，使暴雨落区位于四川盆地的中西部。
3.水汽条件分析与物理量诊断
通过数值模拟发现高原切变线活动可使四川盆地西部暴雨增强，机制是暴雨区上空对流层低层流场辐合、上升运动、正涡度、水汽通量辐合和对流层中层流场辐合、水汽通量辐合等的加强，而对流层低层的动力、水汽条件对暴雨发展尤为重要。[1]
3.1水汽条件分析
充足的水汽是发生暴雨的重要条件，而单靠当地已有的水汽，是不可能形成暴雨的[2]，所以源源不断地水汽输送是暴雨产生的前提。
7月2日08时700hPa上的水汽随西南低空急流向四川盆地，水汽通量为8~12 g·cm-1·hPa-1·s-1，西南水汽通道建立。本次暴雨的水汽来自青藏高原南部、孟加拉湾以及南海。水汽一共有两条路径：（1）第一部分经高原南部绕行进入四川盆地；（2）第二部分经贵州由东南气流输送到盆地。水汽配合本地的垂直运动，为降水提供了有利条件。
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2日20时，随着低空急流的加强，水汽进一步向盆地输送。到3日08时，西南急流继续维持，此时700hPa和850hPa上青藏高原南部的水汽通量均已达到12~16 g·cm-1·hPa-1·s-1。此时700hPa和850hPa上均有风场辐合，水汽被卷入该辐合带之后输送到四川盆地。此时副高已经西伸，其边缘的偏南气流将南海的水汽输送到盆地，并且将高原和孟湾的水汽阻挡在盆地中西部使之无法向外输送，导致水汽在盆地内部辐合。
3日20时（图4 b），水汽通量大值区位于贵州。来自南海的水汽汇集在贵州地区，水汽通量达到15~25 g·cm-1·hPa·s-1，700hPa和850hPa风场上该地区都存在流向四川盆地的东南气流。大量水汽从湿区随东南气流回流输送至四川盆地，为3日23时以后的第二次降水提供了充足的水汽。
水汽通量散度与暴雨的雨量和落区有着密切的关系。其单位为：U［p·（Vq/g）］~g·hPa-1·cm-2·s-1。当［p·（Vq/g）> 0］时，表明有水汽辐散，当［p·（Vq/g）< 0］时，表明有水汽辐合。
图5. 7月3日08时（a）、3日14时（b）、3日20时（c）和4日02时（d）850hPa水汽通量散度（单位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1）
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3日08时，成都市上空高中低层均表现为辐合，辐合带从高到低呈东西向倾斜的形势。500hPa上成都西部有一个东北-西南走向的水汽辐合带，水汽通量散度中心值为-6*10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1，700hPa上辐合带覆盖了整个成都地区，水汽通量散度最大值为-8*10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1。如（图5a）所示，850hPa的水汽辐合带也呈东北-西南走向，辐合中心位于成都市西南部，水汽通量散度最高达到-8*10-7g·hPa-1·cm-2·s-1。
到降水开始时（图5 b），高层转为辐散形势，500hPa上成都上空辐散带最大值达4*10-7g·hPa-1·cm-2·s-1。由于高层转为辐散加强了低层的水汽辐合，700hPa上水汽量散度加强到-15*10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，850hPa上辐合中心的强度也加强到10*10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1。整体表现为高层辐散，低层辐合的结构。第一次降水结束后，高层辐散加强，700hPa上辐合中心北移，强度下降到-5*10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，而850hPa上的水汽辐合有所加强。在第二次降水期间（图5d），高层仍为辐散，700hPa和850hPa的水汽通量散度有所加强，850hPa上水汽辐合带断裂为东北、西南两个部分，这两个区域的降水量明显多于周围地区。此前在湿区低层有一股风速约为10 m/s的东南气流将水汽向辐合中心输送，补充了低层水汽，使降水系统得到发展。
3.2 不稳定能量分析
如表1所示，整个降水过程中成都上空都处于高能不稳定的状态。
从2日08时开始，整个降水过程中K指数基本都在40℃以上，其中K指数在降水当天3日08时达到最大的44℃，表明大气层结十分不稳定且极为暖湿。
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2日20时，SI指数为-0.82℃，到3日08时负值增大为-3.88℃，表明上升空气的温度已大大高于环境温度，大气十分不稳定。在3日20时第一次降水结束时，SI指数仍维持在-2.88℃，说明大气仍然不稳定。直到4日04时降水结束后，SI才回升至0.11℃。
从2日08时开始se（500-850）就为负值，在3日08时达到最大值-21.69℃，直到暴雨结束后，层结趋于稳定，se（500-850）才减小至-4.88℃。
在假相当位温随高度朝负值增加时，大气中低层假相当位温大于高层，加上由于中低层和高层水汽的垂直分布差异，使中低层大气先达到饱和，水汽潜热的释放改变大气的垂直递减率。500hPa上有冷平流入侵700hPa和850hPa上畅通的水汽通道带来的西南暖湿气流在成都上空辐合，使得大气中低层与高层的温度差和湿度差越来越大。此时，从925hPa到500hPa都是湿层（相对湿度大于80%），同时也是不稳定层（se/z < 0），大气处于位势不稳定状态，有利于对流的强烈发展继而产生降水。
2日08时，温江站的CAPE值仅为197.5 J·kg-1，但从2日20时开始就陡然升至1905.5 J·kg-1，说明有极大的不稳定能量在此时间段内累积。
3.3 涡度与散度分析
3日08时降水开始前，700hPa和850hPa散度均为负值，500hPa为正值，表现为中低层辐合，高层辐散。成都上空700hPa和850hPa有一条东北—西南走向的辐合带，而500hPa上这一地区为辐散带。这样的形势对于低层的对流发展十分有利。3日14时降水开始后，500hPa上辐散程度明显增强，700hPa上辐合有减弱趋势，而850hPa上则有辐合增强的趋势。3日20时，第一次降水过程结束，850hPa上散度增大到-1*10-5 s-1，有利于第二次降水过程的对流运动发展。
3日08时，500hPa上为弱的负涡度，700hPa和850hPa上均有较强的正涡度，有利于低层气旋发生发展。3日14时低层正涡度加强。至3日20时，500hPa上负涡度加强至0.6*10-5 s-1，700hPa和850hPa上正涡度加强至1.5*10-5 s-1，配合散度场上的辐合使低层的气旋继续发展。
3.4 垂直速度分析
3日08时，成都市上空高层与低层有较强的上升运动。到3日14时降水开始时，低层为上升运动，中层有弱的下沉运动，此时散度场上中层表现为辐散，低层表现为辐合，这种形势有利于低层对流的发展。随着时间的推移，高中低层一致表现为强烈的上升运动，且速度不断增大，对流一直发展到200hPa。3日20时第一次降水结束时，上升运动最为强烈，运动中心位于700hPa附近，速度最大值达到-1.5 Pa·s-1。4日02时，降水将要结束，高中低层全部转为下沉气流，大气层结趋于稳定。在几乎整个降水期间，成都市上空一直维持着强烈的上升运动，为降水系统的维持和发展提供了良好的动力条件。
图6为3日20时200hPa和700hPa上垂直速度的分布情况。可以看出，成都市区及其西部处于一个东北—西南走向的上升气流区域，高层与低层的上升运动都很明显，对流运动十分强盛。上升运动所影响的区域与降水落区和降水时间明显吻合。
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4.V-3图分析
欧阳首承[3-7]依据其“溃变理论”，设计了V-3θ图，以结构方式揭示非规则信息的结构特征及其作用，巧妙地解决了被认为是非常困难的天气转折性变化问题，经事实证明对突发性暴雨等灾害天气具有较好的预报效果。
V-3图是利用探空资料绘制的垂直方向上的P-T坐标二维图。本文中，P轴方向单位为hPa，T轴方向单位为℃。V表示垂直方向上风向风速的资料，3分别指、sed、*。其中，为位温，sed为假相当位温（以露点温度计算得出），*为饱和假相当位温。V-3图是基于原成都气象学院欧阳首承教授所提出的“溃变理论”所设计的，其结构预测方法针对天气演化转折性过程中的灾害天气预测所设计，以（位势温度）曲线结构形态体现了相当于P-T相空间的斜率，可以线准垂直于T轴预示转折性变化，配合滚流方向的改变可先于天气转折性变化而能预测天气的突发性变化[8]。
如（图7a）所示，2日20时，200hPa上出现明显左折，近似垂直于T轴，存在较厚的超低温层。超低温层是大气发生曲率变化的“扭结”区，具有激发、引导天气现象发生和对流云系移动的作用，对流层顶的超低温层与地面的升温所导致的热量分布不均是强盛对流发展的重要原因。它相当于一个冷盖，其存在是暴雨发生发展的重要条件，是进行传统天气分析时极易忽略的[9]。由于MICAPS中探空资料空间分布稀疏，且分辨率不高，导致V-3图上的风向风速资料有一定的局限性。因此利用CFSR再分析资料绘制高低层的风场进行配合分析（图略）。2日20时，低层为偏南风，高层为偏北风，整层为顺滚流形势，这是天气即将转坏的标志。
曲线在400hPa以上有左倾趋势，表明有冷空气入侵。整层sed、*出现多处拐折且整体明显左倾，与T轴呈钝角或垂直于T轴，说明对流发展旺盛，大气的垂直结构很不稳定。两条曲线在925hPa~600hPa呈准平行结构，并且在600hPa处重合，说明在此高度上有冷层云。600hPa以下至925hPa两条曲线相差约为3℃，水汽充足，为湿层，表明水汽辐合层非常深厚；600hPa以上两条曲线距离变远，湿度减小，为干层，说明有干侵入存在。整体表现为上干下湿的“蜂腰状”结构。这种对流层上层有偏北干冷空气侵入，低层有偏南暖湿气流辐合的层次结构是即将出现强降水的典型特征。
3日20时，200hPa处仍有超低温层，600hPa~500hPa以及700hPa以下水汽依然充足，整层维持顺滚流形势，可知仍将有较强的降水。4日08时，低层转为西风气流，高层为偏东风，为逆滚流形势，说明天气转好。sed与*曲线距离变远，仍有多处拐折，但因为没有充足的水汽，所以没有形成降水。
结语
通过对2011年7月3日~4日成都地区突发性暴雨的环流形势、水汽条件以及相关物理量等因素进行分析，得出了以下几点主要结论：
（1）本次暴雨的主要成因是川西高原上的低涡带来冷平流影响四川盆地，西太平洋副热带高压突然西伸进入四川盆地，副高边缘的西南气流与高原南下的西北气流形成切变和辐合并逐渐向东移动，使暴雨落区位于盆地中西部。
（2）西南低空急流为本次暴雨输送了大量的水汽。水汽一共有两条路径：①第一部分经高原南部绕行进入四川盆地；②第二部分经贵州由东南气流输送到盆地。副高边缘的西南气流将水汽阻挡在盆地中西部，配合本地的垂直运动，为降水提供了有利条件。
（3）探空资料指示暴雨前期成都市上空有大量的不稳定能量堆积，大气层结很不稳定。从对流层低层到高层上升运动都非常强烈，且上升运动区与降水中心明显吻合，为降水系统提供了良好的动力条件。散度场上中低层辐合，高层辐散；涡度场上中低层为正涡度，高层为负涡度，加强了中低层气旋的发展。
（4）V-3图可以较好的指示降水。对流层高层存在“超低温层”，具有激发、引导天气现象发生和对流云系移动的作用。大气垂直结构很不均匀，高层有干冷侵入，低层有暖湿气流辐合，整体为“上干下湿”的结构，高低层温度与湿度相差很大，有利于对流运动发生发展。
参考文献
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[7]欧阳首承，谢娜. 突发性灾害天气的结构预测与应急对策. 中国工程科学, 2005，
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[9]温舟, 张放, 杨桂娟,等. 锦州地区一次短时局地暴雨 V-3θ图特征[J]. 气象与环境学报, 2014(6):37-42.
作者简介：段飞帆（1994.04）男，汉族，四川省宜宾人，全日制本科学历，助理工程师，从事航空气象预报工作。