引言

2007年7月8日03时到10日08时(北京时，下同)的53个小时内，四川盆地南部发生了一次特大暴雨天气过程(以下简称“07-7-9”川南特大暴雨), 特大暴雨区域主要位于四川盆地南部(28.84~29.45°N、105.05~105.4°E)的1300km²范围内，有44个站(包括区域气象观测站，下同，见图 1)的降雨量超过100mm，有14个站的降雨量超过250mm。特大暴雨中心位于内江市的隆昌县，36小时累计降雨量达到378.5mm，隆昌县最大1小时降雨量67mm，最大3小时降雨量179mm，隆昌县胡家镇累计降雨量达到435mm。通过对“07-7-9”川南特大暴雨天气过程中中尺度雨团^[12-13]活动的分析发现，在长生命史、稳定少动的西南低涡形成的特大暴雨区内，存在多个中尺度雨团活动，中尺度雨团活动有沿基本气流移动和逆基本气流移动的两种移动方式，也有呈气旋性的旋转扩大后又呈气旋性旋转缩小的现象发生。特大暴雨是由多个中尺度雨团相继影响造成的，每个中尺度雨团在特大暴雨区形成一个相对集中的强降雨时段，在每个强降雨时段内又存在着两个或多个短时强降水峰值，表现出明显的中尺度特征，在2007年7月9日4时27分25秒川南特大暴雨区内宜宾雷达探测到的径向速度垂直剖面图(图 2)上，反映出西南低涡暴雨具有中-β尺度的“低层辐合、高层辐散”的垂直结构。与之相对应的卫星云图上，在长生命史的、稳定的西南低涡内存在4个MCS对流云团的连续生消，4个MCS云团冷云中心都呈圆形或椭圆形，且移动十分缓慢，主要表现为云团范围的扩大和缩小，强降水均集中于云团中心，且每次强降水均持续了3~4小时，MCS云团强盛阶段冷云中心TBB值低于80℃，发展极强盛，TBB峰值和降水峰值有较好的一一对应关系。在特大暴雨区对流层中低层850hPa、700hPa、500hPa层上存在一个深厚的、长生命史的、稳定少动的西南低涡，正涡度区深厚，在特大暴雨区对流层高层则为强大的南亚高压控制，高层负涡度出流宽广，并且在特大暴雨期间存在低层辐合高层辐散的大暴雨典型结构(图略)。有关西南低涡诱发大暴雨天气的研究已相当广泛^[1-6]，陈忠明等^[7-9]对于这类西南低涡发展到强盛阶段的结构特征利用中尺度滤波方法进行了分析，分析结果表明：西南低涡是一个十分深厚的系统，其正涡度可以伸展到100h Pa以上，低涡中心轴线近于垂直，流场和高度场表现为贯穿对流层的中尺度气旋和低压，是一个准圆形而非对称的中尺度系统，陈忠明^[10]利用散度方程,从动力学上研究了中尺度强暴雨系统高低层散度演化,揭示了系统发展强盛期高层辐散大于低层辐合的物理机制。杨帅等^[11]对三维散度场与降水的关系进行了诊断分析，发现三维散度场能较好地诊断降水。孙健康等^[14]对一次大暴雨过程进行分析，发现深厚的上升气流和有利的散度场分布有利于正涡度增长和中小尺度天气系统的形成和发展,为强降水形成提供了有利的动力条件。“07-7-9”川南特大暴雨天气过程是由位于(27~34°N、100~108°E)范围内的一个次天气尺度的西南低涡产生的。本文针对“07-7-9”川南特大暴雨个例，着重分析了西南低涡诱发特大暴雨的中尺度散度特征。

1 中尺度系统滤波分析

从上面的分析发现，这次过程存在着明显的中尺度特征，本文以T213模式的实时分析资料为样本，对“07-7-9”川南特大暴雨天气过程进行滤波，分析此次暴雨产生的中尺度系统的活动情况。

1.1 中尺度系统滤波方法

利用T213模式分辨率为1°×1°经纬度的实时分析资料，采用Barnes^[16]带通滤波方法进行中尺度分离，对每个原始网格点F₀(i, j)过滤原始资料，即

$ {F_0}(i, j) = \sum\limits_{n = 1}^N {{W_n}{F_n}(i, j)} {[\sum\limits_{n = 1}^N {{W_n}} ]^{ - 1}} $

(1)

式中W_n(i, j)=exp(-$\frac{{{r_n}^2}}{{4c}} $)为距离权重系数，F_n(i, j)是F₀(i, j)周围的原始格点值，N是F₀(i, j)周围的格点数，本研究取F₀(i, j)周围的8个格点，然后使用式(2)对其进行订正

$ {F_1}(i, j) = {F_0}(i, j) + \sum\limits_{n = 1}^N {W{'_n}} {D_n}(i, j){[\sum\limits_{n = 1}^N {W{'_n}} ]^{ - 1}} $

(2)

${D_n}(i, j) = {F_n}(i, j) - {F_0}(i, j) $为余差，$W{'_n}(i, j) = \exp ( - \frac{{{r_n}^2}}{{4Gc}}) $为修正的距离权重系数。最后得到中尺度带通滤波场

$ B(i, j) = {F_n}(i, j) - {F_1}(i, j) $

(3)

其中c=150000，G=0.3，λ=800km，R=0.10。

1.2 中尺度系统滤波分析

暴雨是不同天气尺度相互作用的结果，在大尺度环流背景条件下，中小尺度系统的活动是导致暴雨的关键。为了较完整的诊断“07-7-9”川南特大暴雨天气过程中中尺度系统结构特征及其演变规律，我们运用上述方法对特大暴雨临近阶段(8日20时)、加强阶段(9日08时)、强盛阶段(9日20时)的700hPa、500hPa、300hPa、100hPa流场分别进行了滤波分析。

1.2.1 临近阶段中尺度特征分析

对“07-7-9”川南特大暴雨天气过程的临近阶段滤波分析发现，700hPa层上，在西南低涡内存在着一个中-β尺度低涡，中心位于30.4°N、105.2°E，控制范围为30~31°N、1 03.5~106.5°E，形成了散度为-1.5×10^-5s^-1的中尺度辐合(见表 1)，特大暴雨中心位于中尺度低涡中心的西南方向约80km处。与此同时，在700hPa西南低涡上空的500hPa和300hPa层上，也分别存在着中尺度低涡，中心分别位于29.8°N、104.5°E和29.3°N、104.2°E，中尺度低涡控制范围分别为29~30.5°N、103.5~106°E和28.8°~30°N、103~105.5°E，特大暴雨中心分别位于低涡中心东南方向的50km和100km处。在对流层高层的100hPa层上，700hPa西南低涡上空存在着一个中尺度辐散区域，辐散中心位于30.2°N、103.5°E。在“07-7-9”川南特大暴雨天气过程的临近阶段，西南低涡内存在着一个中尺度低涡,随着高度的上升，中尺度低涡中心位置逐渐向西南方向倾斜，并且在300hPa上仍表现为中尺度低涡，是一个向西南倾斜的深厚系统。中尺度低涡的形成先于特大暴雨出现，未来的特大暴雨中心位于临近阶段的中尺度低涡东南方向50~100km范围内。

1.2.2 加强阶段中尺度特征分析

在“07-7-9”川南特大暴雨天气过程的加强阶段(图 4)，在700hPa层上西南低涡内同样存在着一个中尺度低涡，中尺度低涡中心位于29.5°N、105°E，控制范围为29~30°N、104.5~106.5°E，形成了散度为-3.4×10^-5s^-1的中尺度辐合(表 1), 比特大暴雨天气过程临近阶段明显加强，特大暴雨中心位于中尺度低涡中心的西南方向约30km处。与此同时，在700hPa西南低涡上空的500hPa和300hPa层上，也分别存在着中尺度低涡，中心分别位于29°N、104.8°E和28.8°N、103.8°E，控制范围分别为28.5~30°N、1 03~106°E和28~29.5°N、102.5~105.5°E，中尺度低涡在特大暴雨中心形成了散度为-1.5×10^-5s^-1的中尺度辐合，特大暴雨中心分别位于低涡中心东南方向的50km和150km处。在对流层高层的100hPa层上，700hPa西南低涡上空也存在着一个中尺度辐散区域，辐散中心位于30.2°N、103.8°E，在特大暴雨中心形成了散度为1×10^-5s^-1的中尺度辐散。与“07-7-9”川南特大暴雨天气过程的临近阶段比较，西南低涡内的中尺度低涡仍然是一个向西南倾斜的深厚系统，所不同的是在特大暴雨天气过程开始时，深厚的中尺度低涡整体南压，700hPa和500hPa层上的中尺度强辐合进一步加强，对流层高层的中尺度辐散更加明显，具有对流层“低层辐合、高层辐散”的暴雨典型垂直结构，暴雨区向中尺度低涡中心逼近。

1.2.3 强盛阶段中尺度特征分析

在“07-7-9”川南特大暴雨天气过程的强盛阶段(见图 5)，700hPa层上，西南低涡内的中尺度低涡仍然存在，中尺度低涡中心位于29.5°N、104.5°E，控制范围为28.5~30°N、103.5~106.5°E，中尺度辐合比特大暴雨天气过程开始阶段有所减弱，但仍然较强，散度为-2.0×10^-5s^-1(见表 1)，特大暴雨中心位于中尺度低涡中心的正东方向50km处。与此同时，在700hPa西南低涡上空的500hPa和300hPa层上也有中尺度低涡存在，中心分别位于29.5°N、104.5°E和29°N、104.5°E，控制范围分别为28~31°N、103~106°E和28~29.5°N、103~106°E，特大暴雨中心分别位于低涡中心的正东方向50km和东北方向50 km处。在对流层高层的100hPa层上，700hPa西南低涡上空存在着一条南北向的辐散带，辐散中心位于28.8~30.5°N、103.8°E。与上述两个阶段分析比较发现，在“07-7-9”川南特大暴雨天气过程的强盛阶段西南低涡内的中尺度低涡还是一个向西南倾斜的深厚系统，“低层辐合、高层辐散”的特大暴雨典型垂直结构十分清淅，并且特大暴雨中心进一步向中尺度低涡中心靠近。

综上所述，“07-7-9”川南特大暴雨天气过程是由西南低涡产生的，在西南低涡内存在着一个中-β尺度低涡，这个中-β尺度低涡是一个向西南倾斜的深厚系统，具有对流层“低层辐合、高层辐散”的特大暴雨典型垂直结构，并且中尺度低涡的形成先于特大暴雨出现，在特大暴雨天气过程中对流层中低层中尺度辐合和高层中尺度辐散呈现出一种先逐渐加强然后逐渐减弱的演变规律(见表 1)，特大暴雨中心位于中尺度低涡东南方向50km到1 00km范围内，并逐渐向中尺度低涡中心靠近。

2 中尺度非平衡特征

西南低涡内的中尺度低涡长时间维持是“07-7-9”川南特大暴雨天气过程产生的关键，是什么机制使中尺度场长时间维持呢？为此我们做了中尺度非平衡特征分析。文献[4]在研究尺度为数百千米的中尺度运动时, 提出了诊断中尺度运动准平衡性质的物理量:

$ \begin{gathered} U = \frac{{\partial D}}{{\partial t}} = - {\nabla ^2}(\phi + \frac{{\mathit{\boldsymbol{V}} \cdot \mathit{\boldsymbol{V}}}}{2}) + \hfill \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\mathit{\boldsymbol{k}} \cdot {\text{[}}\;\nabla \times (f + \zeta )\mathit{\boldsymbol{V}}{\text{]}} \hfill \\ \end{gathered} $

(4)

式中$ \phi $为位势，本文计算时使用向后差分的方法，Δt为12小时，U表示非平衡值，其余为惯用符号，当U≈0时, 大气运动处于准平衡状态, 大气运动变化的速度比较缓慢, 中尺度系统稳定少变; 当U≠0时, 大气运动处于强烈的非平衡状态, 大气运动变化的速度非常快(相比于准平衡状态下的变化), 中尺度系统处于快速发展或减弱阶段。暴雨持续期间，大气运动处于强烈非平衡状态，在暴雨中心附近，中尺度非平衡强迫支撑着低层强辐合的维持，是暴雨持续的重要动力因子^{[3, 15]}。邹波等^[8]通过对一次强烈发展的西南低涡过程进行诊断指出：大气低层的非平衡动力强迫通过激发气流辐合和正涡度增长，进而促进西南低涡的发展。在“07-7-9”川南特大暴雨天气过程中，中尺度非平衡强迫对中尺度系统发展的作用也十分明显。

周围大气运动速度变化较快^[3-4]，在对流层中低层，U＜0，有利于辐合发展，将促进气流辐合的持续增长；在对流层高层，U＞0，有利于对流层中低层辐合发展。我们选择700hPa和200hPa两层，分别计算了大暴雨发生临近阶段、开始阶段、强盛阶段的非平衡值(图 6和表 2)，对“07-7-9”川南特大暴雨天气过程中中尺度非平衡强迫特征进行分析。

在“07-7-9”川南特大暴雨天气过程临近阶段(8日20时)，700hPa上，特大暴雨中心西南部存在着一个强度达-2.5×10^-8s^-2的U值负中心，特大暴雨中心位于该U值中心的东北部，U值为-1×10^-8s^-2，有利于激发特大暴雨中心附近对流层中低层辐合运动发展。而在对流层高层200hPa层上，特大暴雨中心北部存在着一个强度达6×10^-8s^-2的U值正中心，特大暴雨中心位于该U值正中心的南部，U值为2.0×10^-8s^-2，有利于激发特大暴雨区高层辐散运动发展，高层辐散的发展将带动低层辐合运动发展，形成上升运动。

在“07-7-9”川南特大暴雨天气过程加强阶段(9日08时)，在对流层高层200hPa层上，特大暴雨中心北部仍然存在着一个U值正中心，强度达10×10^-8s^-2，特大暴雨中心处于该U值正中心的南部，U值为(6.0~0)×10^-8s^-2，较特大暴雨天气过程临近阶段大气运动的非平衡特征更明显，激发特大暴雨区高层辐散运动强烈发展，诱发低层辐合运动发展。与此同时，在700hPa上，特大暴雨中心则位于U值负中心的北部，U值负中心的绝对值较特大暴雨天气过程临近阶段进一步加大，达到了-3.8×10^-8s^-2，特大暴雨区已经处于强烈的非平衡状态，大气非平衡动力强迫作用加强，促进低层辐合运动强烈发展。

在“07-7-9”川南特大暴雨天气过程强盛阶段(9日20时)，700hPa上特大暴雨中心仍处于非平衡运动区，U值为-0.5×10^-8s^-2，非平衡动力还在激发辐合运动进一步发展，但特大暴雨区附近的U值中心明显弱于上两个阶段，中心值只有-1×10^-8 s^-2。而200hPa上，中尺度非平衡特征较上两个阶段变化更大，特大暴雨区附近的U值中心值只有2×10^-8s^-2，暴雨中心U值则为0，非平衡强迫的动力作用结束。此时暴雨云团附近环境大气运动已处于准平衡状态^{[3, 5]}，但低层气流辐合还将维持一定时间。

在暴雨发生的初始阶段，西南低涡内的大气运动已处于较强的非平衡状态，且越临近暴雨发生，低层U < 0的非平衡性越强，而在暴雨最强时刻，大气运动即由U＜0的非平衡态转为U≈0的准平衡态。在“07-7-9”川南特大暴雨天气过程中，西南低涡(27~34°N、100~ 108°E)内的中尺度非平衡特征也同西南低涡内中-β尺度低涡的演变一样，呈现出一种逐渐加强到逐渐减弱的演变规律，持续的非平衡振动激发低层辐合、高层辐散增长，形成强烈的上升运动，促进了西南低涡内中-β尺度低涡的发展，非平衡动力强迫作用是西南低涡内特大暴雨天气过程形成的关键。在本项研究中发现，特大暴雨区与反映大气运动中尺度非平衡状态的U值中心非一一对应关系，图 5所展示的在“07-7-9”川南特大暴雨外围还存在着另一个明显的U值中心等，都与以往的研究存在一定差异，其机理有待进一步深入研究。

3 小结

通过对典型环流结构的西南低涡诱发“07-7-9”川南特大暴雨个例的中尺度散度场特征分析，我们得到以下结论。

(1) 在西南低涡内，存在着一个向西倾斜的、深厚的中-β尺度低涡，具有“低层强辐合、高层强辐散”的暴雨典型垂直结构，在暴雨天气过程中对流层中低层中尺度强辐合和高层中尺度辐散呈现出一种逐渐加强到逐渐减弱的演变规律，暴雨区逐渐向中尺度低涡中心靠近。

(2) 在暴雨发生的初始阶段，西南低涡内的大气运动已处于较强的非平衡状态，且越临近暴雨发生，低层U＜0的非平衡性越强，而在暴雨最强时刻，大气运动即由U＜0的非平衡态转为U≈0的准平衡态，暴雨天气过程中非平衡状态呈现出从逐渐加强到逐渐减弱的演变规律，持续的非平衡振动激发低层辐合、高层辐散增长，形成强烈的上升运动，促进了西南低涡内中-β尺度低涡的发展。