四川绵阳山地突发性降雨过程的局地环流研究

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-02-0254

四川绵阳山地突发性降雨过程的局地环流研究

孙自川^,¹^,², 张青艳^,¹^,², 陈颖¹^,², 袁本荷²^,³, 万丛¹^,², 欧阳欣¹^,²

1.绵阳市气象局，四川绵阳 621000

2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川成都 610072

3.四川省气象台，四川成都 610072

Local circulation study of a sudden rainfall process in mountainous area of Mianyang, Sichuan Province

SUN Zichuan^,¹^,², ZHANG Qingyan^,¹^,², CHEN Ying¹^,², YUAN Benhe²^,³, WAN Cong¹^,², OUYANG Xin¹^,²

1. Mianyang Meteorological Bureau of Sichuan Province， Mianyang 621000， Sichuan， China

2. Heavy Rain and Drought-Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province， Chengdu 610072， China

3. Sichuan Meteorological Observatory， Chengdu 610072， China

通讯作者: 张青艳（1969—），女，四川绵阳人，正高级工程师，主要从事天气预报和应用气象学研究。E-mail：395247424@qq.com。

责任编辑: 邓祖琴；校对：黄小燕

收稿日期: 2024-09-20 修回日期: 2024-12-17

基金资助:

高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室科技发展基金项目(SCQXKJYJXMS202204)
基于人工智能的网格要素预报技术研究青年创新团队项目(SCQXQNCXTD202401)

Received: 2024-09-20 Revised: 2024-12-17

作者简介 About authors

孙自川（1991—），男，四川绵阳人，工程师，主要从事天气预报和应用气象学研究。E-mail：1402428843@qq.com。

摘要

研究山地突发性降雨过程的基本特征及其动力、热力引起的局地环流，对提高山地环境下突发性暴雨的预报准确性和及时性具有重要意义。本文选取绵阳地区两次山地突发性降雨事件，基于中国逐日降水快速融合实况分析产品（CMA Multi-source merged Precipitation Analysis System，CMPAS）、FY-2G卫星相当黑体亮温（Black Body Temperature，TBB）及欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasting，ECMWF）ERA5再分析资料，采用绕流、爬流和过山气流方程进行诊断分析和数值模拟试验。结果表明，两次突发性降雨均发生在西太平洋副热带高压控制的弱天气系统背景下，适宜的水汽条件、高温环境及冷暖空气交汇是暴雨触发的主要因素。山地阻挡作用促使过山气流产生绕流和爬流运动，在暴雨区形成上升运动和局地涡旋。在弱冷空气影响下，爬流运动占主导，爬流与绕流共同促进突发性暴雨的发生与发展；而在强冷空气影响下，二者对暴雨的促进作用减弱。暴雨区内绕流和爬流与降水强度耦合。降雨过程中，地面热源输入的消失导致降雨区附近地表热力扰动明显减弱，使盆地西部难以形成局地环流，进而削弱绕流和爬流，同时辐合区消失，导致数值模拟区域降水量明显减少，强降水中心消失。两次降雨过程中数值模拟试验结果均表明，相较于感热，潜热对降水起主要作用。

关键词： 山地突发性降雨; 绕流和爬流; 局地环流; WRF模拟; 感热和潜热

Abstract

Studying the basic characteristics of sudden rainfall events in mountainous areas, along with the local circulations induced by dynamic and thermodynamic processes, is of great significance for improving the accuracy and timeliness of forecasting sudden heavy rainstorms in such environments. This paper investigates two sudden rainfall events in the mountainous region of Mianyang, China, based on the china multi-source merged precipitation analysis system (CMPAS), black body temperature (TBB) data from the FY-2G satellite, and ERA5 reanalysis data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). Diagnostic analyses and numerical simulations were conducted using equations representing flow around, up, and over mountains.The results indicate that both sudden torrential rainfall events in mountainous areas occurred under the influence of the western Pacific subtropical high within a weak synoptic-scale environment. The convergence of cold and warm air masses, combined with favorable moisture supply and high-temperature conditions, served as the primary triggers for the rainstorms. Cross-mountain airflow induced by terrain obstruction generated both around and over flow motions. Within the rainfall zone, these processes enhanced vertical ascent and localized vortices. When weak cold air intruded, flow over dominated, and the combined effects of ascending and deflected flows created favorable dynamic conditions for the initiation and intensification of the sudden rainstorms. In contrast, under strong cold air influence, the contributions of around and over flows to heavy rainfall were significantly reduced. The around and over flows within the rainstorm area were coupled with the intensity of precipitation. During the rainfall process, the cessation of surface heat input led to a significant weakening of thermal disturbances near the rainfall area, preventing the formation of local circulation in the western basin, resulting in weakened around and over flows, and the disappearance of the convergence zone, which led to a noticeable reduction in simulated precipitation and the disappearance of the heavy precipitation center. Numerical simulations for both events demonstrated that latent heat played a more critical role than sensible heat in driving precipitation.

Keywords： sudden rainfall in mountainous; flow around and flow over; local circulation; WRF simulation; sensible heat and latent heat

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本文引用格式

孙自川, 张青艳, 陈颖, 袁本荷, 万丛, 欧阳欣. 四川绵阳山地突发性降雨过程的局地环流研究[J]. 干旱气象, 2025, 43(2): 254-264 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-02-0254

SUN Zichuan, ZHANG Qingyan, CHEN Ying, YUAN Benhe, WAN Cong, OUYANG Xin. Local circulation study of a sudden rainfall process in mountainous area of Mianyang, Sichuan Province[J]. Arid Meteorology, 2025, 43(2): 254-264 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-02-0254

0 引言

绵阳地处四川盆地西北部，西北侧面对龙门山脉，西侧为岷山山脉，北侧为摩天岭山脉，海拔多在3 000 m以上（何周蓉，2014）。作为四川盆地三大暴雨中心区之一（刘庆等，2004），绵阳降水强度大、夜雨特征明显，是除盆地西南部外的另一个极端暴雨高发区（肖递祥等，2017）。全球变暖背景下，极端天气事件频发（宋春阳等，2019），四川盆地西部（绵阳）暴雨的发生频次和强度呈上升趋势（黄楚惠等，2020），对该地区暴雨发生的特征及机理进行深入研究具有重要意义。

与主流暴雨研究不同（杨颖璨等，2018；Liu et al.，2018；周玉淑等，2019；李晓容等，2020；Mai et al.，2020），近年来，随着山地突发性暴雨引发的自然灾害增多，学者们逐渐关注暴雨过程与地形的关系。研究表明，突发性暴雨易发于迎风坡、喇叭口等特殊地形（肖红茹等，2021）。地形动力抬升作用叠加气流辐合，在不稳定层结下可触发对流系统（李德友等，2022；赖子洋等，2024），并与垂直上升运动、涡度和散度耦合，增强降水强度（黄楚惠等，2022）。迎风坡不仅为暴雨触发提供动力条件（肖递祥等，2020），且与辐合上升区和西南暖湿气流叠加，可形成明显的垂直上升运动（张芳丽等，2020；陈永仁和李跃清，2021）。

为提高山地突发性暴雨的预报精度，国内外学者对地形效应的动力、热力作用及其对暴雨的影响开展了深入研究（Whiteman，1990；Zhang and Koch，2000；张元春等，2019；王政明和李国平，2023），研究表明，地面热源扰动可驱动局地环流，从而引发山地暴雨（付智龙等，2022）。

弗劳德数（Fr）和无量纲山脉高度等参数常用于定性描述地形动力作用（李艺苑等，2009），而绕流与爬流运动可定量表征地形对大气的动力作用（丁一汇，2005）。绕流与爬流的强度不仅影响降水过程（蒋艳蓉等，2008），还与雨带的分布密切相关（金妍和李国平，2021）。在热力影响方面，感热作用可产生非热成风涡度，引起高层流场辐散、低层辐合，最终触发上升运动（李国平等，1991）。降水过程中释放的凝结潜热可加热整层气柱，促进低涡关键区辐合，从而增强抬升运动（高笃鸣等，2018）。在地形动力作用的协同影响下，西南涡可充分发展，导致强降水（赵玉春和王叶红，2010）。位涡收支分析表明，潜热加热是夏季西南地区降雨系统的主要热力影响因子（Li et al.，2017），但部分研究认为，潜热和感热在降水过程中同样重要（邓承之等，2021）。

尽管已有研究为山地突发性降雨的机理提供了重要理论基础，但针对绵阳地区突发性降雨的动力及地面热源作用的定量研究较少。2022年7月中旬，绵阳边坡地区突发暴雨，造成严重人员伤亡。因此，本文选取2022年7月12日和7月16日两次山地突发性降雨事件，对绵阳市西部的降雨过程进行观测分析和诊断研究，并利用中尺度模式进行数值模拟试验，重点探讨降雨过程中过山气流特征、绕流与爬流的动力特征，以及地面热源（感热和潜热）对局地环流的影响。研究旨在全面理解该类降雨的基本特征及主要影响因素的异同，以期提升对山地突发性暴雨的预报能力。

1 资料和方法

1.1 资料

1 ）利用“天擎”服务接口下载的2022年7月中旬绵阳市两次山地突发性暴雨的中国逐日降水快速融合实况分析产品（CMA Multi-source merged Precipitation Analysis System，CMPAS），时间分辨率为1 d，水平分辨率为0.05°×0.05°，用于分析降水分布特征；2）哥白尼气候变化服务（Copernicus Climate Change Service，C3S）数据平台提供的欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasting，ECMWF）第五代全球再分析资料ERA5，时间分辨率为1 h，水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向包含37层，用于分析环流形势、环境场和动力过程，并为数值模式提供初始状态和边界情况；3）国家卫星气象中心风云卫星遥感数据服务网的FY-2G卫星相当黑体温度（Black Body Temperature，TBB）数据，时间分辨率为1 h，水平分辨率为0.05°×0.05°，用于分析中尺度对流系统的发展演变。

1.2 方法

采用Rouse（1950）及Schär和Durran（1997）提出的过山气流方程计算775~750 hPa的弗劳德数（Fr）和无量纲山脉高度（ĥ）：

（1）

\{\begin{matrix} F r = U / (N h) \\ ĥ = (N h / U) \end{matrix}

式中：U为气流平均风速，单位：m·s^-1；N为气层静力稳定度，单位：S^-1；h为山的高度，单位：m。参考钱永甫（1988）的方法，计算750 hPa和700 hPa位势高度的绕流矢量和爬流矢量的纬向分量和经向分量，并计算其模值：

（2）

\{\begin{array}{l} u_{r} = [u {(\frac{\partial z}{\partial y})}^{2} - v \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial z}{\partial y}] / {|\nabla z|}^{2} \\ v_{r} = [v {(\frac{\partial z}{\partial x})}^{2} - u \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial z}{\partial x}] / {|\nabla z|}^{2} \\ u_{p} = [u {(\frac{\partial z}{\partial x})}^{2} + v \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial z}{\partial y}] / {|\nabla z|}^{2} \\ v_{p} = [v {(\frac{\partial z}{\partial y})}^{2} + u \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial z}{\partial y}] / {|\nabla z|}^{2} \end{array}

式中：u_r、v_r和u_p、v_p分别为绕流矢量和爬流矢量的纬向分量和经向分量，单位：m·s^-1；u、v分别为水平风纬向和经向分量，单位：m·s^-1； $\frac{\partial z}{\partial x}$ 、 $\frac{\partial z}{\partial y}$ 分别为地形在x、y方向上的梯度；z为地形高度，单位：m；∇z为地形高度梯度。

1.3 模式设置

采用WRF模式V4.3版本进行数值模拟，并开展敏感性试验。试验包括2组敏感性试验A和B及一个对照组控制试验（表1）。模式采用ERA5再分析数据作为初始场和边界条件，以10 km水平分辨率驱动模型。模拟中心位于（104°E，31°N），水平格点数为235×161，垂直方向采用σ坐标，共45层，范围覆盖1 000~10 hPa。

表1 WRF数值模拟试验内容及意义

Tab.1 The contents and intention of WRF numerical simulation test

名称	内容	意义
控制试验	采用Dudhia短波辐射方案、Noah陆面方案、NSSL 2-moment云微物理参数方案、Tiedtke积云参数化方案、Revised Monin-Obu khov近地层方案、RRTM长波辐射方案、YSU边界层方案（付智龙等，2022）	验证模型准确性
敏感性试验A	关闭模式中的感热和潜热（isfflx=0），其余设置与控制组一致	探究地面热源对局地环流的影响
敏感性试验B	关闭模式中的潜热（heating=1），其余设置与控制组一致	探究潜热在地面热源中的作用

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针对两次降水过程，模拟时间分别设定为2022年7月10日20：00—12日20：00和7月14日20：00—16日20：00，其中前24 h作为模式预处理，不进行分析。模拟区域如图1所示。

图1

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图1 模拟区域地形高度

注:基于自然资源部天地图国家地理信息公共服务平台下载的审图号为GS(2024)0650号的标准地图制作，底图边界无修改，下同。

Fig.1 Model domain superimposed terrain height

2 降水实况与环流形势

2.1 两次过程的降水实况

2022年7月11日20：00—12日20：00，绵阳西北部发生一次暴雨过程（简称“7·12过程”）[图2（a）]，主要降水时段为11日23：00—12日05：00，绵阳市24 h最大累计雨量达84.9 mm，最大小时雨量达46.8 mm。2022年7月15日20：00—16日20：00，绵阳西部发生一次暴雨过程（简称“7·16过程”）[图2（b）]，主要降水时段为15日22：00—16日08：00，绵阳市有16站24 h累计雨量超过100.0 mm，其中最大累计雨量达211.2 mm，最大小时雨量达80.7 mm。两次暴雨过程均达到西南山地突发性暴雨标准（李国平等，2021）。

图2

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图2 2022年7月11日20：00（a）、7月15日20：00（b）绵阳24 h累计降水量分布

（红色直线为敏感性试验所沿路径；红色曲线为绵阳市，下同）

Fig.2 The distribution of 24-h accumulated precipitation at 20：00 on 11 （a） and at 20：00 on 15 （b） July 2022 in Mianyang

（The red lines indicates the path along which the sensitivity experiment was conducted； the red curve rang indicates the Mianyang City， the same as below）

2.2 两次过程的高空形势对比

2022年7月11日20：00，暴雨发生前的500 hPa高度场[图3（a）]显示，西北地区存在宽广低槽，槽底有多个短波活动，西太平洋副热带高压（简称“副高”）脊线位于（102°E，25°N）附近，588 dagpm线位于绵阳东北侧，绵阳始终位于副高西侧。7月16日，暴雨发生前的500 hPa高度场形势[图3（b）]与7·12过程类似，但副高更强，脊线位置北移至（90°E，30°N）附近；16日02：00（图略），副高北界南落，四川盆地形成短波槽。两次过程中，500 hPa四川盆地气压梯度较小，风速为2~4 m·s^-1，影响系统均较弱，表明降水发生在弱天气系统背景下。

图3

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图3 2022年7月11日20:00（a、c）、15日20:00（b、d）500 hPa位势高度场（橘黄色等值线，单位：dagpm）、850 hPa风场（风矢，单位：m·s^-1）（a、b）及200 hPa位势高度场（蓝色等值线，单位：dagpm）、散度场（填色，单位：10^-4s^-1）（c、d）

Fig.3 The 500 hPa geopotential height field (orange contours, Unit: dagpm) and wind field of 850 hPa (wind vectors, Unit: m·s^-1) (a, b) and geopotential height field (blue contours, Unit: dagpm) and divergence field (the color shaded, Unit: 10^-4s^-1) at 200 hPa (c, d) at 20:00 on 11 (a, c) and at 20:00 on 15 (b, d) July 2022

200 hPa高度场和散度场[图3（c）、（d）]表明，两次暴雨过程中，绵阳均受封闭高压系统影响，绵阳西部出现明显的辐散区，产生强烈的高空辐散效应。此外，降水发生时，甘肃西南地区均存在一个高压中心，7·12过程此高压中心与四川盆地的气压差超过15 hPa，7·16过程达20 hPa。

700 hPa风场（图4）显示，在两次降水过程发生前，700 hPa均有偏南气流进入四川盆地，同时甘肃地区存在24 h负变温区，并伴有偏北气流入侵，且7·16过程的偏北气流更强。850 hPa风场[图3（a）、（b）]显示，两次过程期间，四川盆地均维持倒槽形势，西部气流由偏东转为东北。不同的是，7·16过程中偏北冷空气势力更强，达到急流程度。

图4

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图4 2022年7月12日及15—16日不同时刻TBB（填色，单位：℃）、700 hPa风场（风矢，单位：m·s^-1）及垂直速度（黑线，单位：Pa·s^-1）

Fig.4 The TBB (the color shaded, Unit: ℃), wind field (wind vectors, Unit: m·s^-1) and vertical velocity (blank lines, Unit: Pa·s^-1) at 700 hPa at different times on 12 July and from 15 to 16 July, 2022

3 环境场与中尺度对流云图分析

3.1 环境场特征

由表2可知，降水临近时，两次过程的小时大气柱水汽总量明显增加，且均维持在36 kg·m^-2以上，足以促发山地暴雨。这一特征不同于暖区暴雨的水汽供应特征（万轶婧等，2020）。温江站探空资料表明，11日08：00、15日08：00的对流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）分别为1 892、2 521 J·kg^-1。过程开始前的11日20：00和15日20：00 CAPE迅速增大至3 271、4 968 J·kg^-1，表明两次降水过程的环境场具有突发性。此外，两次过程的假相当位温均高于四川盆地暖区暴雨均值（肖递祥等，2020）。降水过程中，温度平流和假相当位温下降，而垂直速度增加，说明大气能量向动能转化，水汽凝结成雨。对比两次过程，7·12过程的环境场各要素值普遍高于7·16过程，表明7·12过程受大气环境场的影响高于7·16过程。因此，适宜的水汽和高温条件是山地突发性暴雨的重要触发因素。

表2 2022年7月两次降水过程大气环境场变化

Tab.2 Atmospheric environmental field changes during two precipitation processes in July 2022

日期	时间	大气柱水汽总量/（kg·m^-2）	850 hPa		700 hPa
日期	时间	大气柱水汽总量/（kg·m^-2）	温度平流/ （K·s^-1）	假相当位温/K	垂直速度/（Pa·s^-1）
11日	14：00	43.78	1.10×10^-05	368.11	-0.39
11日	20：00	45.70	2.56×10^-05	368.75	-1.27
12日	02：00	44.93	-1.30×10^-06	365.95	-1.88
12日	07：00	43.50	-2.60×10^-06	365.62	-1.45
15日	14：00	32.65	7.57×10^-05	367.48	-0.29
15日	20：00	37.45	-1.80×10^-05	366.34	-0.47
16日	02：00	36.84	-1.90×10^-05	366.41	-0.87
16日	07：00	38.26	-1.80×10^-05	361.11	-0.23

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3.2 中尺度对流系统演变与动力特征

图4为绵阳市两次降水过程相当黑体亮温、700 hPa位势高度风场、垂直速度变化情况。7月11日，白天副高外围云系活跃，四川盆地西部出现东北—西南向切变云系；傍晚开始，切变线南侧龙门山迎风坡有对流云发展；12日00：00，盆地西北侧生成中尺度对流云团，云顶温度低于-55 ℃，平武地区开始降水；01：00，中尺度对流云团进一步扩大；02：00，绵阳西北部风向转为偏西风，东部偏南风略有加强，两者在绵阳强降水中心（木座乡）形成切变线，使偏南气流辐合抬升，垂直速度达-1.6 Pa·s^-1，促使盆地西部和西北部的对流云团合并重组。此时，平武对流云团强度增强，云顶温度降至-75 ℃以下，绵阳降水进入最强时段；04：00，平武对流云图维持；06：00，云团结构松散，降水强度明显减弱。

7月15日白天天气晴好；20：00，绵阳西部边坡区域形成对流云团，TBB≤-55 ℃；23：00，中尺度对流云团合并成带状，西部边坡开始降水；16日02：00，冷空气自北向南影响北川，与偏南气流汇合，形成风向辐合，垂直速度降至-0.8 Pa·s^-1，触发上升运动，同时，甘肃南部降水云团与四川盆地西南部北上的对流云团在绵阳西部上空合并，冷云中心移入北川西部，云顶温度降至-75 ℃以下，绵阳降水进入最强时段；06：00，北川西部风向转为偏北风，强对流云团中心向南移动，北川降水强度减弱。

综合分析可知，7·12过程的局地风场转换是引发突发性暴雨的关键因素，而7·16过程的冷暖气流交汇促使对流云团合并加强，对降水增强起主导作用。

4 暴雨区地形对动力和热力演变的影响

4.1 暴雨区地形及动力演变的影响

由图5可知，两次过程强降水中心木座乡和北川青片乡降水前的Fr约为0.4、无量纲山脉高度约为3.0，相对涡度大于0×10^-5s^-1，表明存在爬流和绕流运动。7·12过程强降水时，Fr增至0.6、无量纲山脉高度降至1.5~3.0，相对涡度增至7.2×10^-5s^-1以上，表明过山气流更易爬坡，同时局地涡旋增强；与前人研究（李毅和李国平，2023）一致。7·16过程强降水时，Fr降至0.2、无量纲山脉高度增至9.0，相对涡度降至0×10^-5s^-1，说明局地涡旋较弱（Sha，1998）。相比低海拔地区，7·12过程发生在高海拔山地，较弱的冷空气背景下过山气流更易爬坡，使局地涡旋增强（王倩倩等，2022）。然而，7·16过程中冷空气入侵导致绕流减弱，影响降水。

图5

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图5 2022年7月11日20：00（a）、12日02：00（b）、15日20：00（c）、16日02：00（d）775~750 hPa Fr（黑线）、无量纲山脉高度（浅灰色线）及750 hPa相对涡度（填色，单位：10^-5s^-1）

（深色圆点为强降水中心）

Fig.5 The Fr （blank lines） and dimensionless mountain height （light gray lines） at 775~750 hPa and 750 hPa relative vorticity （the color shaded， Unit： 10^-5s^-1） at 20：00 on 11 （a）， 02：00 on 12 （b）， 20：00 on 15 （c） and 02：00 on 16 （d） July 2022

（The dark dots indicate the locations of heavy rainfall centers）

表3显示了两次过程的绕流和爬流特征。7·12过程，绕流经向风速明显大于纬向风速，表明绕流以北向南风为主；爬流纬向风速大于经向风速，表明爬流以偏西风为主；爬流与绕流模值为0.07~2.98 m∙s^-1，其中爬流模值比绕流模值大约2.42 m∙s^-1，表明以爬流为主。这一特征与低海拔平原—山地过渡带的绕流和爬流特征一致（金妍和李国平，2021）。7·16过程，爬流运动明显小于7·12过程；绕流以东指向西风为主；爬流以偏北风为主；爬流与绕流模值为0.16~1.09 m∙s^-1，16日04：00前绕流模值大，05：00爬流明显大于绕流。

表3 绵阳市两次降水过程750 hPa绕流和爬流模值、经向和纬向分量及降水的变化

Tab.3 The variations of the magnitude， meridional and zonal components of flow around and flow over at 750 hPa at the two precipitation processes in Mianyang City and the changes in precipitation

日期	时间	绕流/（m∙s^-1）			爬流/（m∙s^-1）			1 h降水量/mm
日期	时间	经向分量	纬向分量	模值	经向分量	纬向分量	模值	1 h降水量/mm
11日	17：00	0.06	0.03	0.07	1.20	2.26	2.56	0
11日	18：00	0.23	0.12	0.26	1.25	2.34	2.66	1.6
12日	03：00	0.18	0.09	0.20	1.40	2.63	2.98	3.3
12日	04：00	0.79	0.42	0.89	1.36	2.55	2.89	13.6
16日	00：00	0.22	-0.74	0.78	-0.15	0.05	0.16	0
	01：00	0.12	-0.42	0.43	-0.46	0.14	0.48	15.4
	04：00	0.27	-0.89	0.93	-0.30	0.09	0.31	8.8
	05：00	-0.19	0.63	0.66	-1.04	0.31	1.09	23.5

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绕流和爬流模值的变化与降水强度变化有一定相关，绕流和爬流模值增加（增量≥16%）通常先于降水增加，而降水激增或降水初现时，绕流和爬流模值会有所下降，随后与降水趋势保持一致。

结合图4的垂直速度和图5的相对涡度，可看出7·16过程的冷空气较强，导致爬流和绕流的上升运动及局地涡旋影响弱于7·12过程。

4.2 暴雨区地形及热力演变的影响

4.2.1 两次过程数值模拟评估

图6为控制试验和两个敏感性试验的降水量分布。模拟结果与实况基本一致，但在降水强度方面存在一定偏差，这可能是由于模式对大尺度稳定性降水的过度估计（任星露等，2020）。7·16过程的模拟降水强度与实况基本一致，但雨带位置偏东、偏南，可能与冷空气较强导致的积云对流参数化方案输出的积云对流加热过强有关（刘琨等，2010）。

图6

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图6 2022年7月11日20:00（a、b、c）、15日20:00（d、e、f）控制试验（a、d）、敏感性试验A（b、e）和试验B（c、f）24 h累计降水量分布

Fig.6 Distribution of the 24-h accumulated precipitation of control experiment (a, d), group A (b, e) and group B (c, f) of sensitivity experiment at 20:00 on 11 (a, b, c) and 20:00 on 15 (d, e, f) July 2022

仅关闭潜热加热项时，降水强度明显减弱，但仍存在层云性降水；同时关闭感热和潜热时，仅部分地方出现弱降水，绵阳几乎无降水。表明潜热对降水的贡献大于感热，感热主要影响层云性降水。

4.2.2 两次过程热力敏感性试验

图7为绵阳两次过程的控制试验和两个敏感性试验的扰动虚温和扰动纬向风速变化。11日18：00和15日19：00，绵阳西部山坡上正虚温扰动区与负虚温扰动区相邻，扰动纬向风从负虚温扰动区吹向正虚温扰动区，与桑建国等（2000）的研究一致，局地环流从平原吹向山地，因山地与平原间的空气温度变化，东风扰动出现；12日02：00和16日01：00，山地空气降温快于平原，山地一侧和平原一侧的虚温扰动发生转换，局地环流风向从山地吹向平原，与前人结果一致（付智龙等，2022）。

图7

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图7 WRF模式模拟的2022年7月扰动虚温（填色，单位：K）和扰动纬向风速（黑线，单位：m·s^-1）沿图2中红色线段的垂直剖面

（扰动虚温为剖面内相对于高度平均值的偏差，扰动纬向风速为相对于日平均值的偏差；红色箭头为局地环流方向，灰色区域为地形）

Fig.7 Cross section profile of the perturbation virtual temperature (the color shaded, Unit: K) and perturbation zonal wind speed (black lines, Unit: m·s^-1) simulated by WRF model along red line in fig.2 in July 2022

(Perturbation virtual temperature is deviation from the mean height within the profile, perturbation zonal wind speed is deviation from the daily mean zonal wind speed; the red arrows indicate the direction of the mountain-plain circulation, the grey area represents the terrain)

分析敏感性试验A累积降水量偏少（图8）的原因发现，控制试验中，12日02：00和16日03：00强降水区域出现强绕流和爬流的模，形成辐合，触发强烈的上升运动，暴雨得以形成。而敏感性试验A由于地面热源消失，四川盆地西部未能形成局地环流，绕流和爬流模值较弱，辐合区消失，导致降水量明显偏少。此结果进一步验证了局地环流对降水的关键增强作用，与前人研究一致（付智龙等，2022）。

图8

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图8 WRF模式模拟的2022年7月两次降水过程700 hPa散度（填色，单位：5×10^-3s^-1）、绕流模（红线，单位：m∙s^-1）、爬流模（青色线，单位：m∙s^-1）

Fig.8 The 700 hPa divergence (color shaded, Unit: 5×10^-3 s^-1), the mode of flow around (red lines, Unit: m∙s^-1) and flow over (cyan lines, Unit: m∙s^-1) simulated by WRF model during the two precipitation events in July 2022

敏感性试验A和敏感性试验B中，局地风场均未形成，表明仅关闭潜热，就导致降水明显偏少。

对比分析敏感性试验A与对照组试验（图7）可知，在敏感性试验A中，由于地面热源的消失，近地面虚温扰动明显减弱。11日18：00和15日19：00，绵阳西部山坡上的东风扰动减弱，12日02：00和16日01：00西风扰动也减弱。进一步对比两次过程的敏感性试验A和敏感性试验B的垂直剖面发现，试验B同样表现出虚温扰动减弱和风速扰动减弱，表明地面热源中，潜热加热起主要作用，对局地风场和扰动强度具有关键影响。

5 结论与讨论

本文使用中国逐日降水快速融合实况分析产品、FY-2G卫星TBB数据、ERA5再分析资料及WRF模式的数值模拟试验，针对2022年7月四川绵阳两次山地突发性降雨事件，分析了降水的动力、热力形成机制，以及地形、感热和潜热对局地环流的影响，得到以下主要结论。

两次突发性降雨均发生在副高影响的弱天气系统背景下。前期适宜的水汽、高温环境以及冷暖空气交汇是暴雨触发的主要因素，而山地的动力和热力作用进一步增强降水，使其发展为暴雨。

山地阻挡作用使得过山气流产生绕流与爬流运动，在暴雨区形成上升运动和局地涡旋。在弱冷空气影响下，以爬流运动为主，爬流与绕流共同促进突发性暴雨的发生和发展；而在强冷空气影响下，降雨期间仍受到绕流和爬流作用影响，但二者对暴雨的促进作用较弱。

绕流和爬流先于降水增加，降水激增或从无到有时，绕流和爬流模值出现下降，随后在降水过程中与降水保持相同的变化趋势。

在两次降水过程中，消除地面热源输入后，降水区附近的热力扰动明显减弱，导致四川盆地西部局地环流未能形成，绕流和爬流随之减弱，辐合区消失，最终导致敏感性试验A降水量明显减少，强降水中心消失。两次过程的敏感性试验结果均表明，潜热对降水的作用大于感热。

本文基于ERA5再分析资料，分析了山地降水的动力与热力特征，并通过WRF数值模拟和敏感性试验，探讨了山地对气流的动力作用机制及潜热和感热对局地环流的影响。研究初步揭示了山地突发性降雨的形成机制，但仍存在以下局限性：研究仅涉及两次暴雨过程，定量分析有限，未来需通过更多暴雨个例开展量化研究，进一步验证和完善结论；本文主要探讨了去除地面热源对降水的影响，但感热分量在地面热源中的具体作用尚未深入研究，未来需进一步分析感热对局地环流的影响。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

陈永仁, 李跃清,

2021.

攀西地区冕宁“6·26”突发性暴雨成因分析

[J]. 高原山地气象研究, 41(4):8-17.