2018年5月21日四川盆地極端大暴雨的中尺度成因和預報偏差分析*

張 芳 張芳華 孔 期 徐 珺 陳 濤

1 國家氣象中心，北京 100081 2 中國氣象局-河海大學水文氣象研究聯(lián)合實驗室，北京 100081

提 要： 2018年5月21日夜間，四川盆地西南部至南部地區(qū)發(fā)生了5月罕見的大暴雨，主客觀預報均明顯偏弱。采用多種觀測資料及模式分析場和預報場數(shù)據(jù)，對極端大暴雨的環(huán)流背景、中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)和發(fā)展機制以及預報偏差可能的原因等進行了分析。此次大暴雨過程發(fā)生在西太平洋副熱帶高壓西伸、異常偏強的蒙古冷渦引導冷空氣南下的背景下，四川盆地南部的水汽和不穩(wěn)定能量均較常年同期異常偏強，具備產(chǎn)生對流性強降水的極高潛勢。高分辨率觀測和分析資料揭示出四川盆地周邊特殊地形對中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的動力和熱力機制。偏北風在喇叭口和地形過渡區(qū)輻合抬升、在峽谷地帶繞流形成中尺度輻合線或中尺度低壓；由地形或上游強降水造成的降溫加大了盆地西部和南部邊緣的溫度梯度，并在溫度梯度大值區(qū)附近產(chǎn)生上升運動。盆地西南部持續(xù)偏北風輻合，加之地形阻擋，使得對流系統(tǒng)移動緩慢，累計降水量增大；而盆地南部對流的維持則主要受到天氣尺度系統(tǒng)的影響。歐洲中心數(shù)值模式對盆地內(nèi)對流層低層風場結(jié)構(gòu)以及盆地周邊復雜地形刻畫的偏差，可能是導致對流性強降水預報明顯偏弱的重要原因。

引 言

四川盆地位于我國110°E以西地區(qū)，西鄰青藏高原，特殊地理位置和地形條件以及受東亞季風、印度季風和高原大氣環(huán)流的影響，使得盆地暴雨天氣具有一定的復雜性。已有研究表明，西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)、臺風、高原渦或高原槽、西南渦、低層切變線活動等是四川盆地暴雨的主要天氣尺度影響系統(tǒng)(康嵐等，2013；邱靜雅等，2015；肖遞祥等，2015；易升杰等，2019)。暴雨是多尺度天氣系統(tǒng)共同作用造成的，在有利的大尺度環(huán)流形勢下，中尺度系統(tǒng)往往是產(chǎn)生暴雨的直接影響系統(tǒng)，四川盆地暴雨常伴隨著地面中尺度輻合線或中尺度氣旋活動。陳貴川等(2013)對一次西南渦影響下的盆地東南部極端降雨分析發(fā)現(xiàn)，極端短時雨強由持續(xù)發(fā)展的強降水超級單體風暴引發(fā)，而風暴中心則位于西南渦兩側(cè)冷暖空氣交匯造成的中尺度氣旋之上。陳永仁等(2014)和孫建華等(2015)對盆地西部大暴雨過程的分析發(fā)現(xiàn)，“東高西低”的環(huán)流背景下，中尺度輻合線或低壓配合地形強迫抬升，是中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的關鍵因子。

同時，四川盆地周邊復雜地形所產(chǎn)生的阻擋作用，有利于北方南下冷空氣和南方暖濕氣流的輻合抬升，盆地附近是中小尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展的活躍區(qū)，是暴雨的高頻中心(葛晶晶等，2008；薛羽君等，2012；王沛東和李國平，2016；段靜鑫等，2018)。據(jù)統(tǒng)計，盆地極端暴雨極值中心主要出現(xiàn)在盆地西部、西南部及東北部的地形邊緣(肖遞祥等，2017)。高原及盆地地形對暴雨的影響機制研究已有很多。趙玉春等(2012)指出偏東氣流在地形過渡帶爬升，或受到地形阻滯后向南繞流形成氣旋性切變，這兩種動力效應均有利于低層大氣抬升，觸發(fā)對流產(chǎn)生強烈的降水。孫建華等(2015)研究表明，在川西高原地形阻擋下，偏東氣流被迫抬升，配合中低層低渦發(fā)展導致的輻合上升，形成有利于對流系統(tǒng)發(fā)生和維持的環(huán)境條件。張芳麗等(2020)指出，山地地形對四川盆地東北部突發(fā)暴雨的增幅作用主要表現(xiàn)為動力抬升和阻擋作用?？梢姡酝鶎τ诘匦蝿恿ψ饔玫难芯枯^多，對因地形而產(chǎn)生的溫度場變化及其對中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)機制分析較少。

復雜地形與不同天氣系統(tǒng)的相互作用也導致四川盆地暴雨預報存在很大難度，主客觀預報均易出現(xiàn)較大偏差。宗志平等(2013)對四川盆地兩次西南渦暴雨過程的檢驗分析發(fā)現(xiàn)，暖區(qū)內(nèi)對流的觸發(fā)與邊界層風場切變線和中尺度地形影響密切，主客觀預報對此預報能力十分有限。歐洲中心數(shù)值模式(以下簡稱EC模式)對盆地低層動力條件的預報偏差和對暖區(qū)對流性暴雨預報偏小是暴雨預報偏差的主要原因。符嬌蘭和代刊(2016)進一步采用CRA(contiguous rain area)空間檢驗技術對西南地區(qū)東部多次暴雨過程進行了客觀檢驗，結(jié)果表明，EC模式對有明顯高原槽、低渦或冷式切變線影響的強降水有一定的預報能力，對于南風輻合區(qū)或受地形抬升較為顯著的強降水則常出現(xiàn)漏報。

2018年5月21日傍晚至夜間，四川盆地出現(xiàn)當年首場區(qū)域性暴雨天氣過程(1)根據(jù)預報業(yè)務實際，本文規(guī)定相鄰15個及以上國家基本站24 h累計降水量達50 mm以上，即為一次區(qū)域性暴雨過程。，為1991年以來最早的一次，盆地南部和西南部出現(xiàn)100 mm以上的大暴雨，多站日降水量超過同期極值。預報員提前24 h和多家數(shù)值模式提前36 h對盆地西南部至南部的強降雨預報明顯偏弱。南海夏季風爆發(fā)前四川盆地區(qū)域性暴雨比較少見，此次過程在出現(xiàn)時間、影響范圍、降雨強度及預報難度等方面都具有一定的特殊性。本文將針對此次極端大暴雨的異常環(huán)流背景、中尺度成因和預報偏差等展開分析，重點探討地形與環(huán)境條件對中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的動力和熱力機制，分析預報偏差的可能原因，以期為四川盆地對流性暴雨預報提供參考。

1 資 料

本文采用的資料包括：①常規(guī)地面和高空觀測資料、高分辨率地面自動站資料(包括間隔為5 min的自動站觀測、自動站小時雨量和分鐘雨量資料)、間隔為6 min的西南地區(qū)雷達組合反射率因子拼圖資料；②歐洲中期數(shù)值預報中心(ECMWF)時間間隔為1 h、空間分辨率為0.25°×0.25°的第五代全球再分析資料(ERA5資料)和相同空間分辨率、時間間隔為6 h的EC模式預報場資料；③美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)時間間隔為6 h、空間分辨率為1°×1°的FNL再分析資料，該資料用于環(huán)境場極端性分析。

2 降水實況和對流特征

2.1 降水實況

2018年5月21日08時至22日08時，受高原波動和低層切變線等系統(tǒng)共同影響，四川盆地東部、南部和西南部等地出現(xiàn)暴雨，大暴雨帶主要位于盆地西南部至南部，沿地形過渡區(qū)呈西北—東南向帶狀分布(圖1a)，共有49個自動站的24 h降水量超過100 mm，11個站的24 h降水量超過200 mm，最大日降水量中心分別位于盆地西南部的樂山和沐川附近，以及盆地南部的長寧附近，樂山、沐川、長寧等14個測站日降水量均突破5月同期歷史極值(圖1b)。

從樂山市金山鎮(zhèn)、沐川和長寧這三個強降水中心測站(圖1a中A、B、C點，下同)小時和分鐘降水量的時間演變(圖2)可以看出，降水過程從21日20時前后開始，22日06時前后結(jié)束。按照降水性質(zhì)可以分為兩個階段：第一階段即21日22時至22日02時，局地性、對流性特征明顯，三個強降水中心的最大小時降水量均在40 mm以上，其中B、C降水中心出現(xiàn)兩次降水峰值；第二階段為22日02—08時，以持續(xù)時間較長的穩(wěn)定性降水為主，小時降水量約為5～15 mm。根據(jù)小時降水量大于20 mm階段的分鐘降水量時間演變(圖2b)可進一步估算出，小時降水量的50%以上都是在20 min左右產(chǎn)生的。以長寧站為例，21日20—21時小時降水量為71 mm，兩個降水波峰持續(xù)時間分別約為16 min和8 min，降水量分別為37.1 mm和17.3 mm，由此可見對流系統(tǒng)的強度之強和降水效率之高。

本文主要分析第一階段的對流性降水，其發(fā)生于盆地西南部至南部地形過渡區(qū)，是此次極端大暴雨的主要貢獻者。

2.2 中尺度對流系統(tǒng)演變特征

造成第一階段強降水的中尺度對流系統(tǒng)可分為準靜止(21日18—23時)和移動型對流系統(tǒng)(21日23時至22日02時)。21日19時前后，盆地西部和南部地區(qū)有分散性強降水回波發(fā)展(圖3a)，經(jīng)歷了增強、移動、合并等過程(圖3b～3f)；回波在22時前后達到最強(圖3c)，22日02時之后明顯減弱(圖3f)。

樂山附近的強降水中心由其南北兩側(cè)的帶狀對流系統(tǒng)合并而成(圖3c)，中尺度對流系統(tǒng)強烈發(fā)展且移動緩慢，最強分鐘降水量達2～2.5 mm，50 mm·h-1以上的強降水持續(xù)時長約為3 h。最強降水階段的雷達回波剖面(圖略)顯示，此區(qū)域回波結(jié)構(gòu)密實，50 dBz回波主要位于對流層中低層約6 km內(nèi)，回波質(zhì)心低、降水效率高。沐川附近的強降水峰值由局地對流和上游強降水系統(tǒng)移入造成，呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)。長寧一帶初始對流系統(tǒng)呈西北—東南向，回波強度最強達60 dBz以上(圖 3b)，大于30 dBz的強回波伸展高度達12 km以上，對流強度和伸展高度均強于盆地西南部。其周邊有多條對流回波合并加強，回波主體緩慢向東北方向移動。相比之下，沐川附近回波強度和范圍均小于樂山和長寧，對應雨強也弱于二者。

21日23時之后，隨著盆地內(nèi)強降水回波的移動與合并，回波范圍擴大但強度有所減弱，樂山附近的回波向東南方向移動(圖3d，3e)，造成沐川第二階段的強降水，分鐘降水量極值約為1.3 mm，小時降水量約為40 mm。22日02時前后，盆地內(nèi)西南渦逐漸生成，降水回波連成渦旋狀，并緩慢旋轉(zhuǎn)東移，強度繼續(xù)減弱(圖3f)，盆地南部強降水趨于結(jié)束。

圖1 2018年5月21日08時至22日08時(a)降水量(等值線，單位：mm)和(b)超過5月日降水量極值的站點分布(彩色圓點為強降水中心測站，A、B、C分別為樂山市金山鎮(zhèn)、沐川和長寧，下同)Fig.1 (a) Precipitation (contours, unit: mm) from 08:00 BT 21 to 08:00 BT 22 May 2018， (b) distribution of the stations with rainfall exceeding the historic records in May(Color dots indicate the stations in the heavy rainfall center， A: Jinshan Town in Leshan， B: Muchuan， C: Changning， the same below)

圖2 2018年5月21日14時至22日14時樂山市金山鎮(zhèn)、沐川和長寧單站(a)小時降水量時間序列，(b)小時降水量大于20 mm的降水時段內(nèi)的分鐘降水量時間演變Fig.2 Time series of (a) hourly rainfall from 14:00 BT 21 to 14:00 BT 22 May 2018， (b) minutely precipitation within the period with hourly precipitation more than 20 mm at three stations(Jinshan Town in Leshan， Muchuan， Changning)

3 環(huán)流形勢和環(huán)境場特征

3.1 環(huán)流形勢

強降水天氣發(fā)生前，21日08時，亞洲中高緯500 hPa環(huán)流形勢呈“兩脊一槽”型，西伯利亞至我國西北、華北地區(qū)為強大的高空冷渦所控制，其中心位于貝加爾湖以西，冷渦底部多短波槽東移影響我國西部地區(qū)，副高呈西北—東南向控制江南南部至華南地區(qū)，二者對峙，建立了有利于四川盆地降水的“西低東高”的環(huán)流形勢(圖 4a)。

圖3 2018年5月21日(a)19:00、(b)20:30、(c)22:00、(d)23:00和(e)22日01:00、(f)02:00雷達組合反射率因子(填色)Fig.3 Radar composite reflectivity (colored) at (a) 19:00 BT, (b) 20:30 BT, (c) 22:00 BT, (d) 23:00 BT 21 May, (e) 01:00 BT and (f) 02:00 BT 22 May 2018

受副高西伸北抬影響，其西側(cè)在貴州中部建立低空偏南風急流，700 hPa上西南風急流最大風速為12～14 m·s-1，850 hPa南風急流強度達14～16 m·s-1，低空急流為暴雨區(qū)輸送了大量水汽和不穩(wěn)定能量，四川盆地南部850 hPa比濕達18 g·kg-1以上。偏南氣流在盆地東部至南部產(chǎn)生氣旋性彎曲，形成切變線并在暴雨期間穩(wěn)定維持，是觸發(fā)對流的主要天氣尺度系統(tǒng)(圖4b，4d)。21日20時南亞高壓有所加強，盆地南部位于其中心附近的強輻散區(qū)，高層輻散、低層輻合，為強降水天氣的發(fā)生發(fā)展提供了良好的動力抬升條件(圖4c)。

圖4 2018年5月21日(a)08時500 hPa高度場(等值線，單位：dagpm)和風場(風羽，風速填色≥20 m·s-1)，(b)20時500 hPa高度場(黑色實線，單位：dagpm)、700 hPa風場(風羽)和850 hPa比濕(紅色實線，單位：g·kg-1)，(c)21日20時200 hPa風場(風羽)和散度(等值線，僅顯示輻散，單位：10-5 s-1)、850 hPa散度(填色，僅顯示輻合，單位：10-5 s-1)，(d)22時500 hPa高度場(等值線，單位：dagpm)、850 hPa風場(風羽)和垂直速度(填色，單位：Pa·s-1)、23時1 h降水量(綠色圓點，單位：mm)Fig.4 (a) The 500 hPa geopotential height (contours, unit: dagpm) and wind field (barb, colored the wind speed greater than 20 m·s-1) at 08:00 BT， (b) 500 hPa geopotential height (black contours, unit: dagpm), 700 hPa wind field (barb) and 850 hPa specific humidity (red contours, unit: g·kg-1) at 20:00 BT， (c) 200 hPa wind field (barb) and divergence (contours, only positive values, unit: 10-5 s-1), 850 hPa divergence (colored, only negative values, unit: 10-5 s-1) at 20:00 BT, (d) 500 hPa geopotential height (contours, unit: dagpm), 850 hPa wind field (barb) and vertical velocity (colored, unit: Pa·s-1) at 22:00 BT, and the hourly precipitation (green dots, unit: mm) at 23:00 BT 21 May 2018

21日22時前后，隨著低層冷空氣南下，盆地西部偏北風逐漸增大，受風速輻合和地形抬升的共同作用，在盆地西南部和南部產(chǎn)生強烈的輻合上升運動，峨眉—樂山附近850 hPa上升速度為-2.5 Pa·s-1(圖4d)，降水達到最強階段。22日02時，蒙古冷渦進一步東移，偏北風沿四川盆地西部邊緣推進至盆地東南部，冷暖空氣交匯加之特殊地形影響，氣流產(chǎn)生氣旋式旋轉(zhuǎn)，在盆地南部切變線上生成西南渦。低層冷空氣占據(jù)主導地位，低空急流和高濕區(qū)隨之東移，降水強度也明顯減小。

3.2 中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的環(huán)境場條件

此次降水過程中，850 hPa水汽主要來自南海，700 hPa水汽來源地則為孟加拉灣北部至中南半島，與夏季自南半球越赤道經(jīng)印度洋、孟加拉灣而來的水汽通道明顯不同(圖略)。從暴雨區(qū)區(qū)域平均水汽通量等變量隨時間的演變(圖5a)來看，隨著偏南風急流的建立和加強，21日20時四川盆地西南部和南部濕層迅速增厚，并在降水期間整層維持高濕。水汽通量及其散度中心主要位于850 hPa附近，水汽通量散度最強達-160×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，盆地南部850 hPa比濕超過18 g·kg-1，整層可降水量達50 mm以上，強度與夏季暴雨過程相當，但與歷史同期相比，標準化異常超過3個標準差(圖5b)，為對流性暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了異常充沛的水汽條件，也意味著小概率嚴重事件發(fā)生的可能性(Hart and Grumm，2001；Junker et al，2008)。

由于盆地中部和西北部地區(qū)21日白天已出現(xiàn)降水，近地面氣溫較低，而盆地南部氣溫較高，宜賓—長寧附近最高氣溫達34～36℃，因此盆地中部一帶存在溫度梯度區(qū)。夜間隨著暖濕輸送加強，盆地南部850 hPa假相當位溫達350 K以上，對流有效位能(CAPE)在1 000 J·kg-1以上，局地超過1 500 J·kg-1，標準化異常超過3個標準差(圖5c)，大氣處于極端不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于出現(xiàn)對流性天氣。同時，盆地西部有冷空氣向高溫高濕區(qū)域入侵，導致鋒區(qū)不斷加強，有利于不穩(wěn)定能量釋放，激發(fā)出穩(wěn)定、少動的對流系統(tǒng)(陳永仁等，2014)，對對流的維持也有一定的作用(楊舒楠等，2016)。

從盆地南部宜賓站的探空變化也可以看出，與21日08時相比，宜賓站20時(圖5d)中高層氣流轉(zhuǎn)為一致的西南風，700 hPa由西南風轉(zhuǎn)為東南風，而850 hPa以下為偏北風，風向隨高度順轉(zhuǎn)，有利于出現(xiàn)暖平流和上升運動；地面溫度也從24℃升高到31℃。隨著氣流和溫度的變化，自由對流高度(LFC)從750 hPa附近降至940 hPa上下，CAPE從1 059 J·kg-1增加到2 214.7 J·kg-1，對流抑制能量降至0 J·kg-1；600～850 hPa由干層轉(zhuǎn)為濕層，大氣可降水量由48.3 mm上升到53.2 mm；暖云層厚度(LFC到0℃層的高度)增高至4 km左右，有利于提升降水效率(俞小鼎，2013)。上述環(huán)境條件變化均有利于產(chǎn)生對流性強降水。

圖5 2018年5月21日20時(a)(28.30°～29.75°N、103.55°～105.55°E)區(qū)域平均的水汽通量(矢量箭頭，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)、水汽通量散度輻合(紅色虛線，單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)、相對濕度(黑色實線，單位：%)高度-時間剖面，(b)整層可降水量(等值線，單位：mm)及其標準化異常(填色)，(c)CAPE(等值線，單位：J·kg-1)及其標準化異常(填色)，(d)宜賓站探空Fig.5 (a) Height-time cross-sections of regional average (28.30°-29.75°N，103.55°-105.55°E ) of water vapor flux (vector arrow, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1), water vapor flux convergence (red dashed contour, unit: 10-5g·cm-2·hPa-1·s-1) and relative humidity (balck solid contour, unit: %)； and (b) precipitable water (contour, unit: mm) and its normalization (colored); (c) CAPE (contour, unit: J·kg-1) and its normalization anormaly (colored); (d) T-lnp diagram at Yibin Station at 20:00 BT 21 May 2018

4 中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)和維持機制

此次大暴雨過程中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展與天氣尺度輻合抬升,喇叭口地形對偏北風的抬升和繞流作用，以及盆地周邊地區(qū)溫度鋒區(qū)產(chǎn)生的上升運動等多尺度因素密切相關。

4.1 地形產(chǎn)生的中尺度輻合線和中尺度溫度鋒區(qū)觸發(fā)對流系統(tǒng)

21日傍晚強降水發(fā)生前，盆地西南部至南部一帶地面為偏東北風或偏北風，風向與地形近乎正交。研究表明，長時間的風場輻合在地形作用下強迫抬升，是對流觸發(fā)的關鍵因子，初始對流一般位于盆地地形邊緣附近(青泉等，2015)。

樂山、沐川附近均為朝北的喇叭口地形，其地勢特點表現(xiàn)為西高東低，有利于偏北或東北氣流在地形前輻合抬升。21日18:20前后，有偏北氣流匯入沐川附近的喇叭口(圖6a)，其上游出現(xiàn)風速脈動中心，5 min風速增幅在1.2 m·s-1以上，沿著偏北氣流在山前產(chǎn)生明顯的風速輻合，地面散度中心值達-15×10-5·s-1(圖 6b)。同時，隨著低空急流加強，盆地南部低層維持暖中心，沐川附近由于地形阻擋造成氣流堆積，地面溫度在28～31℃，中尺度輻合線附近形成高溫度梯度區(qū)(圖6c)。風速輻合配合局地中小尺度地形阻擋，造成強烈的輻合抬升，而中尺度高溫度梯度區(qū)有利于加強暖空氣一側(cè)的上升運動和冷空氣一側(cè)的下沉運動，從而加強高溫度梯度區(qū)的上升運動(Koch，1984；Trapp，2013)，觸發(fā)對流，產(chǎn)生沐川第一階段的強降水。初始對流的觸發(fā)位置在山前輻合線及其右側(cè)(圖6d)、高溫度梯度區(qū)偏暖區(qū)一側(cè)(圖6c)的風速輻合區(qū)內(nèi)(圖6b)。樂山附近的對流系統(tǒng)觸發(fā)過程與此類似，但初始對流強度較弱，不再贅述。

圖6 2018年5月21日(a)18:15的10 m風場(風羽)、18:18雷達組合反射率因子(填色)和500 m以上地形高度(灰色陰影)，(b)18:15的10 m風速較前5 min的變化(紅色等值線，單位：m·s-1)、散度(藍色虛線，僅顯示輻合，單位:10-5 s-1)和500 m以上地形高度(灰色陰影)，(c)18:15的2 m氣溫(填色和等值線)，(d)18:50的10 m風場(風羽)、18:54雷達組合反射率因子(填色)(紅色箭頭為風向示意；十字標記為國家基本站站點、地面資料為5 min自動站觀測，圖7和圖8a同)Fig.6 (a) The 10 m wind field (barb) at 18:15 BT, radar composite reflectivity (colored) at 18:18 BT, and terrain height over 500 m (grey shaded), (b) 10 m wind speed change in the past 5 minutes (red contour, unit: m·s-1) and divergence (blue dashed contour, only negative values, unit: 10-5 s-1) at 18:15 BT, and the terrain height over 500 m (grey shaded), (c) 2 m temperature (colored and contour) at 18:15 BT,(d) 10 m wind field (barb) at 18:50 BT and radar composite reflectivity (colored) at 18:54 BT on 21 May 2018(The red arrows denote the wind directions; cross marks represent the national principal meteorological stations, surface data are collected by automatic weather stations at 5 min intervals, the same in Fig.7 and Fig.8a)

21日19時前后，近地層偏北風沿盆地南部至云南東北部西北—東南向的峽谷地帶產(chǎn)生繞流，與來自云南東北部的偏南風匯合，發(fā)展為中尺度低壓，輻合進一步加強，輻合線和低壓附近生成多個γ中尺度對流系統(tǒng)(圖7a)，產(chǎn)生局地強降水。此時四川盆地南部近地面溫度在30℃以上，宜賓—長寧一帶為暖中心，而云南東北部和四川盆地南緣交界處的地形造成的溫差以及上游強降水造成的氣溫驟降，使得30 min降溫幅度達6℃，地形區(qū)北側(cè)形成“北暖南冷”的中尺度溫度梯度區(qū)并不斷加強，水平溫度梯度達0.12℃·km-1(圖 7b)。在中尺度溫度鋒區(qū)暖區(qū)一側(cè)受近地層風速脈動影響產(chǎn)生輻合(圖略)，激發(fā)上升運動，導致20時前后暖區(qū)內(nèi)長寧附近對流觸發(fā)，20—21時產(chǎn)生71 mm·h-1的短時強降水，最大分鐘雨量達3.5 mm。

圖7 2018年5月21日19:30(a)10 m風場(風羽)及輻合線(黑色虛線)、雷達組合反射率因子(填色)和500 m以上地形高度(灰色陰影)，(b)2 m氣溫(填色和黑色等值線，單位：℃)和30 min降溫(綠色等值線，單位：℃)Fig.7 (a) The 10 m wind field (barb), convergence line (black dashed line), radar composite reflectivity (colored) at 19:30 BT 21 May, and the terrain height over 500 m (grey shaded), (b) 2 m temperature (colored and black contours, unit: ℃) and the temperature drop in the past 30 minutes (green contours) at 19:30 BT 21 May 2018

4.2 地形和天氣尺度系統(tǒng)對中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展維持的作用

21日22時前后，蒙古冷渦后部冷空氣南下侵入盆地，盆地內(nèi)偏北風增強，樂山西側(cè)偏北風與東側(cè)山口偏北風繞流而成的東南風之間形成準東西向的中尺度輻合線，對應地面散度為-15×10-5·s-1(圖8a)，輻合線兩側(cè)分別有對流系統(tǒng)發(fā)展，并趨向輻合線移動，在樂山附近合并，產(chǎn)生較大范圍的短時強降水。環(huán)境風與地形之間形成強烈的輻合抬升，垂直運動沿地形梯度區(qū)近乎直立發(fā)展(圖8b)，回波呈準靜止強烈發(fā)展，3 h累計降水量達100～170 mm。由圖8b還可知，樂山附近的垂直上升運動主要由700 hPa以下偏北風在地形梯度區(qū)輻合而產(chǎn)生，上升運動中心位于850～700 hPa附近，強度達-2.5 Pa·s-1。因此回波發(fā)展高度較低，以高效率的暖云降水為主，多站小時降水量達50～80 mm，地形過渡區(qū)(海拔為400～1 000 m)22日08時24 h累計降水量為平原和高海拔地區(qū)的1.5～2.2倍(圖略)。

圖8 2018年5月(a)21日22時10 m風場(風羽)及輻合線(黑色虛線)、散度(紅色虛線，僅顯示輻合，單位：10-5·s-1)和500 m以上地形高度(灰色陰影)，(b)21日22時沿103.55°E的水平風(風羽)、垂直速度(填色，單位：Pa·s-1)、散度(黑色等值線，單位：10-5·s-1)和假相當位溫(紅色等值線，單位：K)緯度-高度剖面(三角形：降水中心所在緯度；灰色陰影：地形)Fig.8 (a) The 10 m wind field (barb), convergence line (black dashed line), divergence (red dashed contours, only negative values, unit: 10-5 s-1) at 22:00 BT 21, and the terrain height over 500 m (colored), (b) cross-sections of horizontal wind (barbs), vertical velocity (colored, unit: Pa·s-1), divergence (black contours, unit: 10-5 s-1) and pseudo-equivalent potential temperature (red contours, unit: K) along 103.55°E at 22:00 BT 21 May 2018 based on ERA5 data (triangle: the latitude of rainstorm center； grey shading: terrain)

22日00時前后，隨著盆地西部冷空氣進一步加強并向南推進，各層偏北風加大并在盆地西南部產(chǎn)生氣旋性切變，繞流形成西北風，形成西北—東南向的強輻合區(qū)(圖略)，并引導對流系統(tǒng)向東南方向移動，產(chǎn)生沐川附近第二階段強降水。同時，樂山附近低層轉(zhuǎn)為干冷空氣控制，大氣趨于穩(wěn)定，降水強度逐漸減弱。

盆地南部處于高溫、高濕、高能區(qū)，且位于南亞高壓中心附近的輻散區(qū)和中低層切變線附近的輻合區(qū)，環(huán)境場條件非常有利于產(chǎn)生強降水。該地區(qū)700～500 hPa為偏南風，下游地勢相對平坦，因此，對流系統(tǒng)在高能舌內(nèi)沿引導氣流緩慢向北移動，在自貢、內(nèi)江等地產(chǎn)生強降水(圖9a)。21日22時前后，高層輻散有所加強，垂直運動伸展到對流層高層200 hPa附近，有利于中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展和強降水維持。而低層近地層的干冷空氣入侵使得長寧附近水平鋒區(qū)加強，并在地形過渡區(qū)輻合抬升觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放(圖9b)，產(chǎn)生局地60 mm·h-1左右的強降水，即為長寧的第二階段降水峰值。

圖9 2018年5月(a)21日21時700 hPa風場(風羽)、850 hPa假相當位溫(填色)、22時1 h降水量(綠色點狀，單位：mm)和850 hPa地形(灰色陰影)，(b)同圖8b，但為21日23時沿104.92°E剖面Fig.9 (a) The 700 hPa wind field (barb) and 850 hPa pseudo-equivalent potential temperature (colored) at 21:00 BT 21 May, hourly precipitation (green dots, unit: mm) at 22:00 BT 21 May, and terrain above 850 hPa (gray shading), (b) same as Fig.8b, but along 104.92°E at 23:00 BT 21 May 2018

5 模式預報偏差分析

此次四川盆地極端強降水過程出現(xiàn)在南海夏季風爆發(fā)前，對流性強，加之復雜地形影響，預報難度很大，預報員24 h和各業(yè)務數(shù)值預報模式36 h時效預報對盆地西南部至南部的強降雨預報均明顯偏弱。本文主要分析20日20時起報的EC模式預報偏差特征及可能原因。

由預報員和EC模式的24 h降水量預報對比(圖10a,10b)可見，四川盆地西南部至南部的暴雨及以上量級降水預報明顯偏弱，大暴雨及以上量級強降水漏報。21日20時至22日02時對流性降水發(fā)展最強盛階段，實況降水量為50～100 mm，局地達150 mm以上，但EC模式對應預報為15～30 mm，極值強度不及實況的20%(圖 10c)，預報誤差明顯大于22日02時至22日08時穩(wěn)定性降水階段(圖10d)，表明累計降水量的預報偏差主要表現(xiàn)為對流性強降水預報明顯偏小。下文將重點分析21日20時前后的環(huán)境場預報。

圖10 (a)2018年5月21日08時至22日08時降水量實況(填色)與預報員21日08時起報的24 h預報(等值線，單位：mm)、(b)EC模式36 h預報(等值線，單位：mm)；(c)21日20時至22日02時降水量實況(填色)與EC模式30 h預報(等值線,單位：mm)，(d)22日02—08時降水量實況(填色)與EC模式36 h預報(等值線,單位：mm)(EC模式起報時間為20日20時)Fig.10 (a) The observed rainfall from 08:00 BT 21 to 08:00 BT 22 (color) and subjective forecast (contours, unit: mm; the initial forecast time is at 08:00 BT 21) and (b) EC model 36 h forecast (contours, unit: mm); (c) observed rainfall from 20:00 BT 21 to 02:00 BT 22 (colored) and EC model 30 h forecast (contours, unit: mm); (d) observed rainfall from 02:00 BT to 08:00 BT 22 May 2018 (colored) and EC model 36 h forecast (contours, unit: mm)(In Figs.10b-10d, the initial forecast time of EC model is 20:00 BT 20 May)

將EC模式20日20時起報的36 h以內(nèi)的預報場和ERA5資料對應時刻、同分辨率的分析場進行對比檢驗。結(jié)果表明，EC模式對強降水的主要影響系統(tǒng)及其變化趨勢，如四川盆地上空的高空淺槽和切變線、副高變動、低空急流夜間加強等預報與實況基本一致，對不穩(wěn)定能量強度及其變化的預報與實況也一致(圖略)，預報偏差可能的原因主要有以下三個方面：

①以21日20時為例，模式對盆地中南部850 hPa 偏東至東北風預報偏小2～6 m·s-1，且預報以偏北風為主，風場與地形之間的夾角預報偏小，對應的天氣尺度輻合中心(圖 11)和垂直速度(圖略)預報均較分析場明顯偏弱，導致降水預報較實況明顯偏小。以往多個例預報檢驗(張芳華等，2014)也表明，低層動力場的預報偏差是導致強降水預報偏差的重要原因。

圖11 2018年5月21日20時850 hPa風場(風羽)、散度(虛線，僅顯示輻合區(qū)，單位：10-5 s-1)(a)分析場,(b)EC模式20日20時起報的24 h預報場(黃色陰影為850 hPa以上的地形)Fig.11 The 850 hPa wind field (barb) and divergence (dashed contours, only negative values, unit: 10-5 s-1) at 20:00 BT 21 May 2018 (a) analysis fields based on EAR5 data， (b) EC model 24 h forecast starting from 20:00 BT 20 May 2018(Yellow shadows mean the terrain height above 850 hPa)

②模式對四川盆地周邊復雜地形的刻畫不夠精細(圖略)，難以準確描述地形與環(huán)境氣流相互作用導致的輻合抬升，致使強降水預報偏弱。四川盆地周邊的復雜地形是盆地強降雨的關鍵影響因子，其中地形強迫抬升產(chǎn)生的上升運動對強降雨發(fā)生發(fā)展的重要作用已得到多項研究證實，圖 11也表明模式對風場和地形正交所造成的動力條件預報明顯偏弱。

③模式對21日下午至傍晚盆地南部宜賓—長寧附近的2 m氣溫預報較實況偏低3～6℃(圖略)，一定程度上抑制了局地對流的觸發(fā)。此外，對21日19時前后云南東北部局地強降水預報偏小，對降水和地形高度差造成的冷池沒有體現(xiàn)，減弱了與四川盆地南部的溫度梯度，不利于對流性強降水的發(fā)生發(fā)展。實際大氣中，降水和環(huán)境場互相反饋，對流性降水可以對環(huán)境場產(chǎn)生較大的影響，進而影響后續(xù)降水的發(fā)展演變。

當然，模式降水預報偏差成因很多，如初始場誤差、動力場預報誤差、積云參數(shù)化和微物理過程造成的偏差，以及對地形刻畫不夠精細等(Ebert and McBride，2000)。只有更好地理解不同數(shù)值模式云和降水物理過程的方案，才能更好地理解模式偏差的成因。

6 結(jié)論與討論

本文采用多種常規(guī)和非常規(guī)觀測以及ERA5分析資料、EC預報資料等，對2018年5月21日夜間四川盆地西南部至南部地區(qū)極端大暴雨的成因和預報進行了分析，主要結(jié)論有：

(1)此次極端大暴雨的環(huán)流背景特征(圖12a)表現(xiàn)為：副高西伸北抬、低空急流加強，為強降水提供了異常充沛的水汽和能量條件；低層偏南風在盆地中南部轉(zhuǎn)向成偏東至東北氣流，形成天氣尺度切變線，并與地形相互作用，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生對流性強降水；蒙古冷渦異常強大，其后部冷空氣南下使降水增幅；四川盆地處于南亞高壓脊線附近的高空輻散區(qū)，加強了天氣尺度的上升運動。

圖12 (a)強降水過程物理概念模型，(b)中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)和發(fā)展示意圖(圖12a中200 hPa：棕色實線為等高線，G為南亞高壓，藍色箭頭為高空急流，綠色箭頭為高空輻散氣流；500 hPa：黑色實線為等高線，棕色實線為槽線，D為蒙古冷渦，G為副高；850 hPa和地面：藍色箭頭為冷空氣，綠色箭頭為低空急流，棕色虛線為切變線，紅色橢圓為高能區(qū).圖12b底圖填色區(qū)為500 m以上地形高度，棕色箭頭為近地面流場、紅色實線為2 m高溫度區(qū)、藍色虛線為2 m低溫度區(qū)，綠色填充區(qū)為主要對流系統(tǒng)觸發(fā)和發(fā)展的位置，藍色填充區(qū)為其移動的位置，風羽為環(huán)境風場，N、L、-ΔT和D分別為近地面暖中心、冷中心、降溫區(qū)和中尺度低壓中心)Fig.12 (a) Sketch map of the main circulation systems of this heavy rainstorm process， (b) Sketch map of the triggering and developing of mesoscale convective systems(In Fig.12a, at 200 hPa level the brown lines denote geopotential height, character “G” denotes the South Asia high, blue arrow denotes the upper-level jet, and green arrows denote the divergence airflow; at 500 hPa level the black lines denote geopotential height, brown lines denote the troughs, character “D” denotes the Mongolia cold vortex, and character “G” means the western Pacific subtropical high; at 850 hPa level and the surface the blue arrow means cold air, green arrow means the low-level jet, brown dashed line means the shear line, and red ellipse means the high energy area. In Fig.12b shades mean the terrain over 500 m, brown arrows mean the surface stream, red solid lines mean the warm area, blue dashed lines mean the cold area, green filled ellipses mean the triggering and developing areas of the mesoscale convection systems and the blue ellipses mean their movements, wind barbs mean the environmental wind, and the characters “N”, “L”, “-ΔT” and “D” denote the warm center, cold center, cooling area and mesoscale low pressure center, respectively)

(2)此次大暴雨主要由短時強降水造成，突發(fā)性強、局地雨強大，強降水中心分布在地形過渡區(qū)。高分辨率資料分析揭示了四川盆地周邊特殊地形對中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的動力和熱力機制(圖12b)。偏北風在喇叭口和地形過渡區(qū)輻合抬升、在山口地區(qū)繞流形成中尺度輻合線或中尺度低壓，同時，由地形或上游強降水造成的溫差加大了盆地西部和南部邊緣的溫度梯度，在溫度梯度大值區(qū)附近產(chǎn)生上升運動，均是中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)的重要原因。盆地西南部持續(xù)的偏北風輻合，加之地形阻擋使得對流系統(tǒng)移動緩慢，導致累計降水量增大；而盆地南部對流初生在暖區(qū)內(nèi)，其維持主要受到天氣尺度系統(tǒng)的影響，并隨引導氣流向地勢相對平坦的盆地內(nèi)部移動。

(3)預報員提前24 h和各業(yè)務數(shù)值模式提前36 h 的降雨量預報明顯偏小，EC模式預報偏差的主要原因可能是盆地內(nèi)對流層低層風場預報偏差、復雜地形刻畫不夠細致，導致對強降水的動力和熱力機制預報產(chǎn)生偏差，進而造成對流性強降水預報顯著偏弱。

綜上分析，此類暴雨的預報著眼點包括三個方面：①異常環(huán)流背景和對流潛勢分析；②中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)和維持機制，特別是地形與環(huán)境條件相互作用的動力和熱力機制；③重點分析天氣系統(tǒng)與地形的相互作用及可能產(chǎn)生的對流觸發(fā)和增幅機制，在有利的天氣形勢下，可調(diào)大地形過渡區(qū)的模式降水量預報。

特殊地形下中尺度對流性暴雨的觸發(fā)機制非常復雜，在實時天氣預報中，受限于模式預報能力、天氣系統(tǒng)本身的不確定性等因素，提前24 h以上很難做出準確的定量預報。需加強高分辨率觀測資料分析應用，關注近地面風速脈動、中尺度輻合線、中尺度溫度梯度區(qū)等，加強對流系統(tǒng)的短時臨近監(jiān)測和預報。但是，在不同環(huán)境條件下，地形對中尺度系統(tǒng)觸發(fā)的具體物理過程，還需要通過高分辨率數(shù)值模擬實驗等手段進一步論證。

感 謝：國家氣象中心楊舒楠和胡寧等在文章撰寫過程中提供了部分數(shù)據(jù)，謹致感謝！