2021, Vol. 47 
2. 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 成都 610072；
3. 国家气象中心, 北京 100081
2. Heavy Rain and Drought-Flood Disasters of Plateau and Bain Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072;
3. National Meteorological Centre, Beijing 100081
暖区暴雨的概念首先由黄世松(1986)提出，他将一般发生在地面锋面系统前端200~300 km位置或更远的暖区，或是南岭附近至南海北部没有锋面存在、华南未受冷空气或变性冷高脊控制，或者发生在西南风和东南风的汇合气流中，甚至无切变的西南气流里的暴雨称为暖区暴雨。这类暴雨具有强度大、范围小、对流性强、降水时段集中(林良勋，2006；赵玉春等，2008)，以及突发性强和阶段性明显(张晓美等，2009；徐珺等，2018)的特点。暴雨是不同尺度天气系统相互作用的结果，研究表明欧亚中高纬低槽、西太平洋副热带高压(以下简称副高)、南亚高压及副热带高、低空急流是华南暖区暴雨主要的天气尺度系统(丁治英等，2009；2011；廖慕科等，2010；何立富等，2016)，典型的环流系统配置(林良勋，2006；陈翔翔等，2012；何立富等，2016)为中尺度对流系统(MCS)的发生发展提供了有利的物理环境条件(高能高湿、强烈的低层辐合和强上升运动)，有组织的MCS是华南暖区暴雨的直接影响系统(夏茹娣等，2006；张晓美等，2009；叶朗明和徐碧裕，2014；Wu and Luo, 2016)，而中尺度喇叭口地形作用(夏茹娣等，2006)、海岸线附近山体(Wang et al，2014)、地面中尺度辐合线(叶朗明和徐碧裕，2014；伍志方等，2018)、对流产生的地面中尺度冷池(Liu et al，2018)、重力波的传播(徐燚等，2013)等激发强上升运动、触发不稳定能量释放导致暖区暴雨的发生。
除华南地区外，我国其他地区也受到暖区暴雨的严重影响(徐珺等，2014；周明飞等，2014；陈云辉等，2015；周长春等，2015；孔凡超等，2016)。对2012年北京“7·21”特大暴雨的极端性分析(谌芸等，2012；孙军等，2012)表明，降水过程由暖区降水和锋面降水组成，暖区降水开始时间早、强度大、中心较为分散、持续时间长，且降水大部分是由地形触发对流单体并形成准静止线性MCS，传播进入北京造成极端强降水，距离冷锋到来还有一段时间。暖区暴雨影响系统相对于锋面暴雨不明显，预报信号较弱，数值预报模式难以很好描述暖区对流的发生发展(Huang and Luo 2017；谌芸等，2018；覃武等，2020)，预报员也很难对数值预报进行有效订正(方翀等，2012；宗志平等，2013；王淑莉等；2015)，因而揭示暖区暴雨的降水特点和成因具有重要意义。Luo et al(2016)分析2011—2015年中国极端小时降水的天气背景类型，揭示了地面锋面型、低涡/切变线型、热带气旋型、其他型(即天气尺度系统弱动力强迫下的暖区型)的发生频次/强度、日变化、季节变化等时空分布；陈玥等(2016)统计了长江中下游地区的暖区暴雨过程，得到了特定天气背景下暖区暴雨过程的时空统计特征，并建立了三种天气概念模型：冷锋型、暖切变型和副高边缘型；汪玲瑶等(2018)统计了江南地区暖区暴雨的时空分布特征和降水性质，并对暖区暴雨的成因进行了初步分析，最后给出四类暖区暴雨的系统配置：暖切变型、冷锋锋前型、副高型和强西南急流型。
四川盆地受青藏高原和秦岭的阻挡作用，冷空气不易入侵，且盆地西、北部地势高，东、南部地势低，夏季南来的水汽和能量易在盆地积聚，有利暖区暴雨的发生。周长春等(2015)、杨康权等(2017；2019)对盆地西部暖区暴雨的个例分析发现，盆地暖区暴雨具有强度大、对流强、多发生于夜间的特点，且大多出现在龙门山脉一线，致灾性强。受地形影响，高原涡和西南涡暴雨是四川盆地典型的致灾性暴雨(肖递祥等，2017)，对此两类暴雨的成因、对流触发机制等的研究较多(陈忠明等，2004；顾清源等，2008；肖红茹等，2009；肖递祥等，2012；宗志平等，2013；师锐等，2015)，而专门针对盆地暖区暴雨的研究较少，且目前全球和区域数值模式对暖区降水的预报能力有限，对预报员指导意义不大，预报业务中常出现漏报、预报强度偏弱和强降水时间偏差大的情况，因此揭示盆地暖区暴雨的降水特点是很有必要的，以便对模式预报的订正提供参考。本文首先给出四川盆地暖区暴雨概念，再根据主要影响系统进行分类，然后利用多年常规和非常规观测资料统计分析盆地暖区暴雨的时空分布、降水性质等特征，并针对典型个例做了初步成因分析。
1 资料和四川盆地暖区暴雨的定义本文所用资料包括：(1)2008—2018年5—9月常规地面、高空观测和FY-2卫星TBB资料, 四川盆地109个国家站和2 684个区域自动站(图 1)的逐小时降水观测数据；(2)地形数据为SRTM提供的分辨率为90 m的地形高程数据(http://rtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp)，该数据由美国太空总署和国防部国家测绘局联合测量。
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图 1 四川地形图及站点分布 Fig. 1 Sichuan topographic map and distribution of stations |
本文对四川盆地(28°~33°N、102.5°~108.5°E) 暖区暴雨统计标准为：降水发生在地面冷锋前部至少100 km以外的暖区一侧或热低压环流区域中，且降雨区降水发生时不受地面冷空气影响，850 hPa没有冷平流入侵降雨区，盆地有3个及以上相邻国家站或5个及以上分散国家站日降水量(20时至次日20时，北京时，下同)≥50 mm的降水过程，并伴有短时强降水(≥20 mm·h-1)。
按照上述定义，对2008—2018年四川盆地暖区暴雨过程进行筛选，共有58例，根据主要影响系统和相似天气形势进行分类(具有代表性，个例数少于5例不进行归类)，首先判断有无西南涡，如有则为西南涡型；其次判断700 hPa(27°~33°N、102°~109°E) 范围内有无西南急流，如有则为西南急流型；然后再看副高588 dagpm线的位置；最后将盆地暖区暴雨分为表 1所列四大类型，其中有12例无法归类。
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表 1 四川盆地暖区暴雨分类 Table 1 Classfication of warm-sector rainstorms over Sichuan Basin |
利用自动站逐时降水资料，对四川盆地(以下简称盆地)暖区暴雨的站点日平均雨量、降水频次的空间分布及站点降水的时间分布特征，不同强度小时雨量对总降水的贡献进行分析。
2.1 降水空间分布从日雨量超过50 mm站点频次分布(图 2)来看，暖区暴雨发生的高频区主要位于盆地中部至龙门山脉北段和大巴山脉一带，以及盆地西、南部，其次是盆地南、东部。从暴雨日平均雨量≥100 mm·d-1的站点分布来看，强降水中心容易出现在山脉的迎风坡(A)、喇叭口地形(B)和平原、丘陵山地不均匀下垫面(C)附近，不同类型的暖区暴雨其空间分布又存在差异。
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图 2 四川盆地暖区暴雨降水空间分布 (彩色圆点为≥50 mm·d-1站点降水频次，◇为至少一次日平均雨量≥100 mm站点，灰度填色为地形高度，黑色椭圆圈为强降水中心) Fig. 2 Spatial distribution of warm-sector rainstorms over Sichuan Basin [Color dots are for the frequency of rainstorms (≥50 mm·d-1), ◇ for daily mean severe rain ≥100 mm, gray color for terrain height, black ellipse for severe rainfall center] |
西南涡型(图 3a)暖区暴雨高频区降水成片较集中，呈现盆地中部、南部多，其余地方少的特点。强降水中心和西南涡发生、发展演变密切相关，统计发现有9例西南涡生成于川西高原南部，其中5例移出高原进入盆地，造成盆地中部到南部成片强降水，未移出高原的主要造成盆地西南部强降水。4例西南涡生成于盆地，然后向东北或偏东方向移动，或者原地发展，主要造成西南部、南部和中部成片强降水，西南涡稳定维持，容易导致极端强降水，例如，2013年6月30日至7月1日，西南涡稳定维持在盆地中部，造成遂宁6月30日08时至7月1日08时的24 h降水量达415.9 mm。13例中强度超过200 mm·d-1的占比为46.15%，最强中心为392 mm·d-1。
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图 3 (a) 西南涡型、(b)副高边缘型、(c)西南急流型和(d)东南风型降水空间分布 (彩色圆点为≥50 mm·d-1站点降水频次，◇为至少一次日平均雨量≥100 mm站点，灰度填色为地形高度) Fig. 3 Spatial distribution of precipitation with (a) SWV, (b) ESH, (c) SWJ and (d) SEW [Color dots are for the frequency of rainstorms (≥50 mm·d-1), ◇ for daily mean severe rain ≥100 mm, gray color for terrain height] |
副高边缘型(图 3b)暖区暴雨降水比较分散，与副高位置有关，当副高加强西伸到盆地西部控制整个盆地，高原东侧(30°~35°N、99°~105°E)一般有东北—西南向切变线存在，或者副高与青藏高压对峙，在盆地形成两高之间切变线，从而在588 dagpm线边缘形成强降水，但超过100 mm·d-1的强降水中心均出现在盆地西部，250 mm·d-1以上强降水中心均出现在龙门山脉北段，中心超过200 mm·d-1的占比为38.46%，最强中心为343 mm·d-1。
西南急流型(图 3c)暖区暴雨高频降水区广且成片，集中发生在盆地中部、北部。急流型发生时，对流层高层盆地北部为高空急流分流区，中层有西风低槽与之配合，副高一般偏东，低空急流强，南风分量大，强降水区和中心偏北，有7例强中心都出现在广元、巴中两个市；当西南急流的位置偏南偏东，强降水区也偏南偏东，降水中心易出现在华蓥山脉。暴雨中心超过200 mm·d-1的暴雨过程频次占比为50%，最强降水中心为259 mm·d-1，均偏北。
东南风型(图 3d)暖区暴雨发生时对流层中低层无明显天气尺度系统，850 hPa从华南至盆地有一支东南风气流，且存在风速脉动，在盆地西部出现明显的风速或风向辐合，强降水区沿山脉走向，落点分散，若华南沿海有台风登陆(9例中有3例)，台风外围的东南风急流会导致向盆地的暖湿输送加强，东南气流遇盆地西部大地形强迫抬升，从而造成更强降水，一般出现在龙门山脉北段，中心超过200 mm·d-1的占比为20%，最强中心为337 mm·d-1。
综上所述，盆地四类暖区暴雨空间分布因其影响系统的差异而存在不同，西南涡和西南急流型暴雨落区范围广而成片，副高边缘型和东南风型暴雨落区分散，东南风型雨带沿山体走向，但四类暴雨均表现为强降水中心多发于山脉迎风坡、喇叭口地形、平原和丘陵山地不均匀下垫面附近。
2.2 降水时间分布特征 2.2.1 站点降水日变化统计四类暖区暴雨中雨强分别≥10、20、50 mm·h-1的站点数随时间的变化发现(图 4)：降水具有明显的日变化，夜间加强，白天明显减弱，四类暴雨均呈现为明显的单峰型。其中，西南涡型日变化略平缓，降水峰值出现在凌晨至早晨(03—07时)，21时对流明显开始发展，主要集中在凌晨到上午(00—11时)，且这一时段的短时强降水分布也相对均匀，23时到次日11时，每个小时都有≥50 mm·h-1的强降水出现，但站数较少(图 4a)。副高边缘型、西南急流型和东南风型日变化都较剧烈，副高边缘型降水峰值出现在黎明到早晨(05—08时)，09时后降水迅速减弱，21时开始就有较明显对流发生，午夜时逐渐增强，强盛期主要集中在05—09时，有明显的≥50 mm·h-1的强降水(图 4b)，表明副高边缘对流发展很旺盛；西南急流型降水峰值出现在黎明到早晨(04—08时)，09时后降水迅速减弱，对流发生略晚，午夜前后(23时)迅速发展，短时强降水主要集中在00—10时，且分布较均匀(图 4c)；东南风型强降水峰值出现在午夜至凌晨(00—03时)，04时开始降水明显减弱，强对流在23时快速发展，持续到03时、04时对流明显减弱，在08—10时对流再次发展，但强度比夜间弱(图 4d)。从上面的分析来看，盆地暖区暴雨的日变化和同纬度江南地区暖区暴雨日变化有明显不同，江南地区暖区暴雨日变化有单峰型，峰值出现在03—08时或14—21时，也有双峰型，峰值出现在19—23时及00—04时(汪玲瑶等，2018)。
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图 4 (a) 西南涡型、(b)副高边缘型、(c)西南急流型和(d)东南风型暖区暴雨不同小时雨量站点数的时间序列 Fig. 4 Time series of precipitation with (a) SWV, (b) ESH, (c) SWJ and (d) SEW |
从四类暴雨站点降水持续时间(图 5)可见：西南涡型和西南急流型总降水时间均较长，分别有94.32%和93.85%的站点降水集中在8~23和8~21 h，这可能与西南涡、急流形成后系统比较稳定，维持时间较长有关；副高边缘型和东南风型总降水时间则更短，分别有85.04%和80.64%的站点降水集中在6~16 h，这也表明了副高控制和弱天气系统强迫环流形势下，不利于降水的持续维持。
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图 5 (a) 西南涡型、(b)副高边缘型、(c)西南急流型和(d)东南风型暖区暴雨站点的降水持续时间 (圆点表示站点降水强度≥20 mm·h-1，颜色越深表示站点数越多；圆圈表示站点降水强度≥50 mm·h-1，符号越大站点数越多，圆圈由小到大分别对应：1~5、5~10和10~30站；虚线框表示站点总降水时间集中时段) Fig. 5 Precipitation duration of (a) SWV, (b) ESH, (c) SWJ and (d) SEW (dots: ≥20 mm·h-1, deeper color for more stations; circle: ≥50 mm·h-1, bigger pattern for more stations; black dashed box for the concentrated duration of station precipitation) |
对于短时强降水(≥20 mm·h-1)的持续时间(图 5中圆点)，西南涡型、西南急流型和东南风型暴雨短时强降水总时间较长，可以达到6~7 h，但西南涡型和西南急流型短时强降水持续时间大多集中在1~3 h，占比分别为95.8%和96.46%，东南风型普遍(90.89%)集中在1~2 h(图 5d)；副高边缘型暴雨短时强降水持续时间较短，最长可持续4 h，但占比不到1%，普遍(95.24%)集中在1~2 h(图 5b)。对于雨强≥50 mm·h-1的极端降水来说，四类暖区暴雨持续时间普遍不超过1 h，副高边缘型发生概率最大，为15.19%，东南风型发生概率次之，为11.28%，西南涡型和西南急流型发生概率较小，分别为6.91%和5.44%，但西南涡型和西南急流型有单站持续时间达到2~3 h的情况，且对流降水(20~50 mm·h-1)的持续时间可达4~7 h(图 5a、5c)，表明这两类暖区暴雨容易出现局地极端性降水。
综上所述，四类暖区暴雨总降水和短时强降水持续时间不同，但大部分站点出现对流性降水(20~50 mm·h-1)的持续时间不超过3 h，≥50 mm·h-1的短时强降水维持时间≤1 h，如果超过1 h就容易造成极端降水事件。
2.3 降水性质进一步分析不同强度降水对总降水量的贡献来讨论四类暖区暴雨的降水性质。表 2是不同雨强的总降水量占日降水量的比例，从小时降水量对日降水量的贡献来看，当日降水量≥50 mm时：副高边缘型短时强降水最明显，其降水总量占日降水量的比重最高(49.0%)；其次是东南风型，为42.5%；西南涡型和西南急流型短时强降水总降水量占日降水量的比例相对较低，不足30%，而稳定性降水(R＜10 mm·h-1)总降水量在日降水量中占比均超过42%，明显高于副高边缘型和东南风型。当日降水量≥100 mm时：四类暴雨短时强降水总雨量占日降水量的比例都明显增加，其中副高边缘型和东南风型占比均超过一半，分别为63.4%和60.6%，西南涡型和西南急流型占比相对较低，分别为44.7%和45.5%；而稳定性降水总降水量占日降水量比例明显降低，均低于30%。
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表 2 四类暖区暴雨中不同雨强(R)降水总雨量占日降水量比例 Table 2 Proportion of precipitation caused by different hourly rainfall (R) in daily rainfall amount in four types of warm-sector rainstorms |
综上分析，四类暖区暴雨均由对流性短时强降水和稳定性弱降水共同组成。其中，对于一般暴雨量级(50~100 mm)的暖区暴雨而言，副高边缘型暖区暴雨短时强降水对总降水量贡献最大，东南风型次之，西南涡型和西南急流型稳定性降水贡献相对较大，但当日降水量达到大暴雨量级(≥100 mm)时，四类暖区暴雨短时强降水占总降水量的比重都接近或超过一半，表明降水量级越大，降水的对流性越明显。由此可见，中尺度短时强降水对暖区暴雨的贡献十分显著。
3 对流云团演变从降水性质的分析中得知，四类暖区暴雨中有明显的对流性降水，下面通过分析每一类中典型个例中尺度云团的发生发展演变，探讨不同类型暖区暴雨的成因。
2013年6月29日20时至30日20时是一次典型的西南涡暖区暴雨过程，29日20时西南涡在川西高原南部生成，30日白天东移出高原进入盆地西南部后，准静止夜间开始向东北方向移动(肖红茹等，2014)，造成30日盆地大范围的强降水。对流云团的演变清晰反映了盆地强降水的发生，上半夜到黎明(22—05时)西南涡在对流层中低层西南气流的引导下缓慢东移，其东部、南部西南气流中不断有对流触发，29日21时盆地内有A、B两个β中尺度云团生成发展，云顶亮温达-52℃，产生两个＞20 mm·h-1的中尺度雨团(图 6a)；随后云团A向南、云团B向北发展，30日00时合并为α中尺度云团C，云顶亮温达到-72℃，在此过程中形成一条准南北向的短时强降水雨带，有≥50 mm·h-1的中尺度雨团生成，最大降水强度为81.5 mm·h-1(图 6b)，云团C维持6 h后开始减弱；07时西南涡移到盆地西南部，此时云团C云顶亮温为-52℃，但结构比较松散，对应盆地有分散的小块短时强降水雨团(图 6c)；09时起云团C再次加强，10时(图 6d)云顶亮温降低到-72℃，中心正好位于遂宁地区上空，在盆地中部再次形成一条准南北向短时强降水雨带，遂宁市区出现一个≥50 mm·h-1的中尺度雨团，中心雨强达到95.1 mm·h-1；云团C维持了7 h后，16时开始结构变得松散，但-52℃的冷云区一直处于遂宁市上空直到18时才开始减弱，短时强降水雨团区范围明显减小(图 6e)，造成遂宁本站持续7 h的短时强降水，≥40 mm·h-1的强降水持续了4 h，最强为54.2 mm·h-1，到20时，遂宁本站累计降水为327 mm，中心遂宁市安居区累计降水为392.5 mm。对流云团在低涡右侧生成—合并—发展—衰减—再次发展—再减弱消失的过程造成了持续的强降水。
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图 6 2013年6月29—30日西南涡型暖区暴雨TBB云图和短时强降水分布 (a)29日21时，(b)30日00时，(c)30日07时，(d)30日10时，(e)30日18时 (阴影为TBB，蓝色圆点为≥20 mm·h-1站点，红色圆点为≥50 mm·h-1站点，红色D为西南涡中心；A，B，C为对流云团，下同) Fig. 6 TBB and the flash sever precipitation distribution of warm-sector rainstorms in the type of SWV at (a) 21:00 BT 29, (b) 00:00 BT 30, (c) 07:00 BT 30, (d) 10:00 BT 30, (e) 18:00 BT 30 June 2013 (shaded area: TBB, blue dot: ≥20 mm·h-1, red dot: ≥50 mm·h-1, red D for the center of SWV; A, B, C: convective cloud cluster, same as follow) |
副高边缘型暖区暴雨强降水分散，持续时间短，以2017年8月20日20时至21日20时过程为例，本次过程副高较强，20日20时588 dagpm线西段位于川西高原东部，且边缘多中尺度对流单体生消(图 7a，7b)，20日20时至21日03时，每个单体的生命史均不超过3 h，小时雨量大多＜20 mm，≥20 mm·h-1的短时强降水较分散，量级一般不超过50 mm·h-1，且主要分布在盆地西南部雅安地区，这可能和副高西南侧北上的偏南气流输送到喇叭口地形产生强烈辐合有关；21日04时，盆地西北部和西南部各有一个β中尺度对流云团A、B生成，分散的短时强降水也主要位于雅安地区(图 7c)；然后云团A原地发展，云团B向A发展移动，07时，云团A、B中TBB值为-32℃的云区相接，-52℃云区范围明显扩大，两个云团TBB中心值均达到-72℃，对应成都市区和德阳市区都出现一个短时强降水雨团，最强中心位于成都市区，小时雨量达62.8 mm，在这个过程中副高略有东退，08时588 dagpm线西北段位于盆地中部，云团A、B合并为α中尺度云团C，低于-72℃的云顶亮温中心位于成都、德阳两个市，短时强降水也主要出现在两地，该中心维持2 h，09时发展最强，造成德阳市区降水量达83 mm·h-1(图 7e)，随后云团C开始快速减弱；11时，TBB为-72℃的云区已经消失(图 7f)，但仍造成绵阳附近短时强降水雨区，最强中心达62.2 mm·h-1；12时开始TBB为-52℃的云区开始解体，降水明显减弱，无短时强降水发生。β中尺度云团在盆地西南部喇叭口地形和西北部龙门山脉迎风坡生成，南部云团自西南向东北方向快速移动发展—合并—减弱导致了强降水。
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图 7 2017年8月20—21日副高边缘型暖区暴雨TBB云图和短时强降水分布 (a)20日21时，(b)21日01时，(c)21日04时，(d)21日07时，(e)21日09时，(f)21日11时 (阴影为TBB；蓝色圆点为≥20 mm·h-1站点，红色圆点为≥50 mm·h-1站点，黑色等值线为副高588 dagpm线：图 7a~7c为20日20时，图 7d~7f为21日08时) Fig. 7 TBB and the flash sever precipitation distribution of warm-sector rainstorms in the type of ESH at (a) 21:00 BT 20, (b) 01:00 BT 21, (c) 04:00 BT 21, (d) 07:00 BT 21, (e) 09:00 BT 21, (f) 11:00 BT 21 August 2017 (shaded area: TBB; blue dot: ≥20 mm·h-1; red dot: ≥50 mm·h-1; black line for 588 dagpm: 20:00 BT 20 in Figs. 7a-7c; 08:00 BT 21 in Figs. 7d-7f) |
西南急流型暖区暴雨对流性降水成片，持续时间较长，以2012年7月6日20时至7日20时过程为例，6日20时，700 hPa从攀西地区经盆地南部到东北部是一支西南急流，急流核(14 m·s-1)偏南，急流中的西南风脉动在盆地南部激发出一个β中尺度对流单体A(图 8a)，云顶最低亮温为-52℃，在急流轴的左侧有分散的单点短时强降水产生，强度＜30 mm·h-1，随后云团A快速发展，云顶亮温最低达-72℃，并沿急流方向往北传播，短时强降水位于急流左侧云团A附近和急流出口区左侧，比较分散，强度普遍不超过50 mm·h-1，23时发展成一个α中尺度云团，云顶亮温低于-72℃；7日00时发展到最强，形成一个椭圆形α中尺度对流系统，云顶亮温低于-72℃的云区面积约为98 000 km2，TBB中心达-82℃，造成遂宁、南充两地形成一片呈东北—西南向的短时强降水区(图 8b)，强度普遍为30~50 mm·h-1，最强中心为83.5 mm·h-1；04时，云团A开始减弱，-72℃的云区分裂为南北两块云团B、C，对应2个短时强降水雨区，强中心位于盆地中部遂宁地区，为61.1 mm·h-1(图 8c)，该状态维持2 h后，随着急流向北推进，云团C变得松散，B加强发展，短时强降水区主要位于急流出口左侧；08时，急流核位于达州，对应其左侧的云团B云顶亮温低于-72℃的云区明显增大，导致急流出口区左侧巴中地区出现明显的短时强降水，降水中心达70.6 mm·h-1，而云团C的-72℃云区基本消失(图 8d)，但随后云团B快速减弱，云团C低于-52℃的云区面积也在减少，对应降水明显减弱；12时，云团C低于-52℃的云区面积再次增大，同时其左侧又激发出一个云顶亮温低于-52℃的中心D，并造成云团C、D附近个别站点出现短时强降水，最强达到74.7 mm·h-1(图 8e)，云团D维持5 h后消失，云团C维持7 h后也减弱消失(图略)，对应过程也结束。一个β中尺度云团在急流核左侧生成，沿急流方向发展为强大的α中尺度对流系统(MCS)，MCS维持—分裂—发展—减弱—再发展—逐渐消失的过程导致了强降水的发生。
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图 8 2012年7月6—7日急流型暖区暴雨TBB云图、700 hPa风场(图 8a、8b、8c为6日20时，图 8d、8e为7日08时)和短时强降水分布(a)6日20时，(b)7日00时，(c)7日04时，(d)7日08时，(e)7日12时 (阴影为TBB，蓝色圆点为≥20 mm·h-1站点，红色圆点为≥50 mm·h-1站点) Fig. 8 TBB, 700 hPa wind for 20:00 BT 6 in Figs. 8a-8c, 08:00 BT 7 in Figs. 8d, 8e and the severe rain distribution of warm-sector rainstorms in the type of SWJ at (a) 20:00 BT 6; (b) 00:00 BT 7; (c) 04:00 BT 7; (d) 08:00 BT 7; (e) 12:00 BT 7 July 2012 (shaded area: TBB, blue dot: ≥20 mm·h-1, red dot: ≥50 mm·h-1) |
东南风型暖区暴雨对流性强降水分散，一般持续时间较短，以2017年7月21日20时至22日20时过程为例，本次过程副高偏强偏西，控制整个四川，西脊点位于青海玉树附近，700 hPa云贵到盆地是一支西南气流，850 hPa从华南到盆地是一支东南气流，两层偏南风风速均≤10 m·s-1，在盆地西部均有明显的风速辐合。21日21时，在成都平原地区和西南部山前分别有一个β中尺度对流单体A、B生成发展(图 9a)；但短时强降水不明显，1 h后云团A云顶亮温-52℃云区范围增大，云团B出现了-52℃的云顶亮温，造成成都、德阳两个市和西南部山前出现分散的20~40 mm·h-1短时强降水(图 9b)；23时A、B合并，云顶亮温维持在-52℃，在德阳、绵阳两个市出现明显的短时强降水区，西南部山前也出现了分散的短时强降水(图 9c)，强度普遍在20~45 mm·h-1，最强为74 mm·h-1；合并后的云团向西移动，短时强降水主要出现在龙门山脉及其山前，落区分散，最强降水可达83 mm·h-1(图 9d), 维持3 h后该云团移入高原减弱解体；02—07时在平原或山前有分散的对流单体生消(图 9e)，生命史为1~2 h，对应短时强降水也分散，强度普遍在20~40 mm·h-1。07时后无明显对流发生，过程结束。β中尺度对流单体在喇叭口地形和城市热岛快速生成发展，然后合并西移上高原减弱消失，发展的云团尺度小于前三类，生消快、移速快是该类暴雨产生强降水的特征。
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图 9 2017年7月21—22日东南风型暖区暴雨TBB云图、21日20时850 hPa风场和短时强降水分布 (a)21日21时，(b)21日22时，(c)21日23时，(d)22日01时，(e)22日04时 (阴影为TBB；蓝色圆点为≥20 mm·h-1站点，红色圆点为≥50 mm·h-1站点) Fig. 9 TBB, 850 hPa wind for 20:00 BT 21 and the flash severe rain distribution of warm-sector rainstorms in the type of SEW at (a) 21:00 BT 21, (b) 22:00 BT 21, (c) 23:00 BT 21, (d) 01:00 BT 22, (e) 04:00 BT 22 July 2017 (shaded area: TBB, blue dot: ≥20 mm·h-1, red dot: ≥50 mm·h-1) |
综上分析，四类暖区暴雨强降水均由β中尺度对流系统发展直接造成，西南涡型和西南急流型暴雨由初生的β中尺度系统发展为α中尺度对流系统，并维持6 h以上导致持续的短时强降水，副高边缘型和东南风型初生对流单体也是β中尺度系统，但发展后低于-52℃云区面积明显小于上述两类，维持时间≤6 h，导致短时强降水持续时间也短。
4 四川盆地暖区暴雨环境物理量特征对流性短时强降水的发生与环境大气的温湿条件有密切关系，根据四川盆地暖区暴雨发生的日变化特征，选取暴雨过程发生临近时刻20时与暴雨区邻近的探空站(温江、宜宾、达州和重庆沙坪坝四个探空站)的实况观测资料，对盆地暖区暴雨发生的环境条件进行分析，表 3给出了四类暖区暴雨过程中表征大气层结和温湿条件的物理量平均值统计结果，可以看到四类暖区暴雨发生临近时刻平均CAPE值都超过1 000 J·kg-1, K指数平均在40℃左右，SI指数均为负值，850 hPa平均假相当位温在85℃左右，平均比湿可达16 g·kg-1, 700 hPa平均比湿为11 g·kg-1, 表明四川盆地大气环境处于高能高湿不稳定状态，比较而言，副高边缘型和东南风型暖区暴雨各物理量平均值都高于另两类暴雨，尤其是副高边缘型平均CAPE值为2 394 J·kg-1，K指数为41.45℃，850 hPa平均假相当位温为87.28℃，比湿为16.50 g·kg-1, 700 hPa平均比湿为11.68 g·kg-1, 明显高于其他三类，东南风型次之，这也诠释了前文分析的副高边缘型暖区暴雨对流性短时强降水最明显，东南风型次之，西南涡型和西南急流型相对较弱的结论。
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表 3 四类暖区暴雨物理量特征 Table 3 Physical characteristics of the four types of warm-sector rainstorms |
四川盆地暖区暴雨按天气形势和主要影响系统可分为西南涡型、副高边缘型、西南急流型和东南风型。四类暖区暴雨因影响系统不同，在时空分布特征和降水性质上各有异同点，主要结论如下：
盆地暖区暴雨易出现在盆地中部并向北扩展到龙门山脉北段和大巴山脉、盆地西南部和南部。西南涡型和西南急流型暴雨落区范围广且成片，副高边缘型和东南风型暴雨落区分散，但均表现为强降水中心多发于山脉迎风坡、喇叭口地形、平原和丘陵山地不均匀下垫面附近。
盆地暖区暴雨主要出现在6—8月，降水具有明显的日变化，呈现为单峰型，夜间加强，白天明显减弱，有别于同纬度江南地区暖区暴雨日变化特征。西南涡型和西南急流总降水时间较长，分别为8~23和8~21 h，降水峰值分别出现在03—07时、04—08时，副高边缘型和东南风型总降水时间略短，均为6~16 h，但副高边缘型降水峰值出现在05—08时，东南风型降水峰值出现在00—03时。
盆地暖区暴雨均由对流性短时强降水和稳定性降水组成，且降水量级越大，短时强降水越明显，其中，副高边缘型和东南风型暴雨对流性降水明显，西南涡型和西南急流型暴雨稳定性降水明显，这与四类暖区暴雨发生前大气环境处于高能高湿不稳定密切相关，且CAPE值和温湿物理量值越大，短时强降水越明显。四类暖区暴雨强降水均由β中尺度系统的发展直接造成，β中尺度系统一般在上半夜初生，初生阶段短时强降水分散，西南涡型和西南急流型在午夜时分发展为强盛的α中尺度对流系统，并且能维持6 h以上，副高边缘型在下半夜黎明时分对流发展旺盛，东南风型在午夜时分对流发展旺盛，这两类暴雨发展成熟的对流云团持续时间均≤6 h。四类暖区暴雨大部分站点出现对流性降水(20~50 mm·h-1)的持续时间不超过3 h，≥50 mm·h-1的短时强降水维持时间不超过1 h，若超过1 h容易造成极端强降水事件，西南涡型和西南急流型暴雨易出现局地极端强降水。
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