誘發四川冕寧“6.26”山洪災害的突發性暴雨特征及其形成機制

陳博宇 諶蕓 ,2,4 孫繼松 陳濤 ,2,4 陳朝平 胡寧

1 國家氣象中心, 北京 100081

2 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室, 北京 100081

3 四川省氣象臺, 成都 610072

4 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）, 珠海 519082

5 南京氣象科技創新研究院, 南京 210009

1 引 言

在全球氣候變暖背景下，極端暴雨天氣事件頻率增加（Alexander et al., 2006）。近年來，華北、華南及西南地區等地突發性、高影響的中小尺度暴雨過程成為研究熱點（徐珺等, 2018; 肖遞祥等,2020）。突發性暴雨具有前期天氣尺度征兆弱、雨強大、強降水時段集中、范圍小、破壞性強等特點（Luo et al., 2016）。在四川西南部（簡稱川西南）涼山州地區，以突發性暴雨為主要誘因的山洪災害對該地區人民生命財產安全影響巨大（郁淑華,2003; 杜俊等, 2015）。統計數據顯示，在四川省所有地級行政單元中，涼山州、阿壩州、甘孜州和雅安市發生災害最多，約占全省山洪災害總數的70%，其中涼山州占比高達26%（熊俊楠等, 2018）。2006～2011 年，涼山州以突發性暴雨為主要誘因的山洪災害次數約占成災總次數的79%（鐘燕川等，2018）。研究表明，夏季四川盆地（簡稱盆地）及邊緣山谷地區常具有高能高濕的環境條件，年均降水量的最大值位于盆地西南部（邵遠坤等,2005）。高原與盆地的過渡地帶易出現短時強降水（小時雨量大于20 mm），而強降水持續2 h 以上的暴雨過程將造成中型以上山洪災害風險顯著增加（周長艷等, 2011; 李國平, 2016）。

四川盆地暴雨過程天氣學成因分析表明，高原槽、西南低渦、低空切變線、低空及邊界層急流等是引發區域性暴雨的主要影響系統（何光碧, 2012;李琴等, 2016; 高守亭等, 2018），但在弱高空環境場條件下，一些較弱的低層風場水平切變、輻合及地形作用都可能觸發并形成中尺度對流系統（MCS），導致出現局地突發性暴雨（張芳麗等,2020）。針對地形影響下的局地異常強降水過程的研究，黃小彥等（2020）指出，邊界層急流將暖濕空氣向地形迎風坡的MCS 發生區輸送，與對流降水形成的冷池出流對峙，有利于強降水的維持和增強。另外，已有研究通過氣候統計、物理量診斷及敏感性試驗等方法（趙玉春等, 2012; 周秋雪等,2019; 金妍和李國平, 2021），揭示了盆地周邊地區的顯著地形起伏和多山地特點對周圍大氣環流、強降水發生、發展所產生的影響機制。謝家旭和李國平（2021）指出，西南山區的突發性暴雨是地形與天氣系統共同作用的結果，通過山谷風、重力波等物理過程對局地環流產生影響，誘發局地強降水。

盡管針對四川暴雨過程已開展了大量有意義的研究工作，但研究內容大多以盆地區域性暴雨和大地形作用的診斷分析為主。然而，盆地邊緣起伏地形下突發性暴雨所涉及的科學問題，諸如多尺度系統協同作用下的特殊地形對暴雨的影響，以往的研究涉及甚少。目前，對川西南山地暴雨的主客觀業務預報能力整體較低，主要原因在于對川西南山地中尺度暴雨形成機制的認識仍然欠缺，主流業務數值模式的預報能力顯著不足。因此，對川西南地區特殊地形影響下的中尺度暴雨對流觸發、對流組織機制還有待深入分析。

2020 年6 月26 日夜間，涼山州冕寧縣因突發性暴雨（簡稱“6.26”過程）引發了山洪災害，造成了嚴重生命財產損失。歐洲中期數值預報中心（ECMWF）等全球模式降水預報明顯偏弱，中國氣象局的不同業務區域模式對降水強度、落區的預報存在顯著分歧，造成針對此次突發性暴雨是否發生以及可能發生的時間、位置、強度的預報難度極大。本文將在分析此次暴雨過程的多尺度天氣系統特征的基礎上，揭示復雜地形影響下的對流觸發和維持機制，以期為川西南山地暴雨業務精細化預報提供有益的參考。

2 資料與方法

文中采用多源觀測、再分析和對流可分辨模式預報資料做綜合分析。資料包括：（1）中國氣象局整編的逐小時國家站和逐5 min 地面自動站觀測資料；（2）風云2 號（FY-2G）紅外輻射亮溫（TBB）資料；（3）西昌站多普勒天氣雷達逐6 min體掃數據和雷達組網反射率因子（reflectivity factor, REF）資料；（4）ECMWF 逐小時0.25°×0.25°分辨率全球再分析資料（ERA5）和中國氣象局陸面同化系統（CMA Land Data Assimilation System，CLDAS）逐小時5 km 分辨率再分析資料（師春香等, 2019）；（5）中國氣象局中尺度天氣數值預報系統3 km 分辨率預報資料（CMA-MESO-3KM; Shen et al., 2020）；（6）西南地區1 arc-min高分辨率地形資料。

本文第三節介紹暴雨過程的實況與災區地理概況，第四節分析大氣環流背景與中小尺度系統的活動特征。MCS 形成機制與環境大氣的異常特征將在第五節中給出，主要利用自動站分鐘級觀測、CLDAS 資料分析冷空氣、低空偏南氣流對MCS發生發展的影響，并選取2015 年7 月14 日冕寧暴雨過程（簡稱“7.14”過程），運用標準化異常方法進行比較，分析降水極端性成因（Sun and Zhang, 2017）。第六節將基于ERA5 再分析資料，結合CMA-MESO-3KM 模式資料，分析川西南北部地形的作用，提煉關鍵因子，總結此次暴雨過程形成機制的概念模型。

3 暴雨過程實況與災區地理概況

2020 年6 月26 日08 時（北京時，下同）至27 日08 時，盆地南部和西南部山區出現了兩片相互獨立的暴雨區，其中，西南部山區暴雨以上量級降水主要出現在冕寧縣中部和北部（圖1a 中紅框）、越西縣等地，大暴雨出現在小相嶺兩側長寬約30 km 的區域中，暴雨過程局地性特征明顯。

冕寧地處川西南山區北部，整體地勢北高南低，周邊地形多尺度特征明顯。災情發生地位于安寧河谷北端，其東側為小相嶺，西側為牦牛山，均為南北向山脈，山谷高差懸殊（圖1b）。5～9 月為川西南山區雨季，降水量相對集中，占全年總量的90%以上。6～7 月是川西南山洪災害的爆發期，約占夏半年發生總次數的64%（吳莉娟等, 2011）。根據6 月和7 月月平均降水量分析，涼山州的主雨帶沿安寧河谷分布并在河谷南北兩端出現極值中心，而其中之一位于冕寧境內，達到460 mm 以上（圖1a）。

2020 年6 月26 日23 時 至27 日00 時，強 降水引發山洪并形成河道洪積扇。曹古鄉、靈山寺站位于冕寧站東側與小相嶺西麓的東西走向分支山谷中（圖1b），26 日16 時至27 日03 時，靈山寺站降水量達182.1 mm，其周邊的曹古鄉、惠安鎮和冕寧站降水量分別為84.9 mm、148.5 mm 和27.6 mm。26 日22 時，靈山寺站累計雨量快速增加，山洪滯后1～2 h 發生。27 日00 時，靈山寺站出現69.3 mm 小時雨量（圖1c）?；莅叉傉驹谶^程初始即出現了30.3 mm 小時雨量，之后強降水持續時間超過5 h。據2005～2019 年國家站小時雨量統計，冕寧站的最大小時雨量為55.2 mm（2019年8 月22 日06 時）?？梢?，本次暴雨過程具有水平尺度小、突發性強、累計雨量大的特點，并且出現了極端小時雨量。

圖1 （a）2020 年6 月27 日08 時（北京時，下同）涼山州24 h 降水量（彩色圓點，單位：mm）、氣候（1981～2010 年）平均的6、7 月月平均降水量之和（黃色等值線，單位：mm）及地形高度（填色，單位：m）；（b）冕寧縣地形分布；（c）2020 年26 日16 時至27 日03 時冕寧縣、惠安鎮、曹古鄉和靈山寺逐小時雨量（柱形）和累計雨量（折線）。圖a 中，藍色線表示涼山州的州界；方框區域表示本文關注區域，即冕寧縣中部和北部Fig.1 (a) Twenty-four-hour precipitation (color dots, units: mm) in Liangshan Prefecture at 0800 BJT (Beijing time) on 27 June 2020, the climatological (1981-2010) mean sum of monthly mean precipitation (yellow isolines, units: mm) in June and July, and terrain height (shadings, units:m); (b) terrain distribution of Mianning; (c) hourly (bars) and accumulative (lines) precipitation at Mianning, Hui’ an, Caogu, and Lingshan temple from 1600 BJT on 26 June to 0300 BJT on 27 June 2020.In Fig.a, blue line represents Liangshan Prefecture boundary; box indicates the area of concern, namely the central and northern Mianning

4 大氣環流背景和中小尺度系統的活動特征

4.1 大氣環流背景條件

基于再分析資料的分析結果顯示，6 月26 日14 時，川西南地區受淺槽影響，西太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）西脊點位于北部灣附近。川陜交界地區前期有高原波動過境，冷空氣主體位于甘陜南部，在槽后偏北風的引導下進入盆地西部。傍晚至夜間，盆地低渦開始形成，川西南整層可降水量（PWAT）達到35 mm（圖2a）。700 hPa，西南暖濕氣流經川西南山區北上與盆地西部偏北氣流相遇，在盆地西部形成“西北—東南”走向的切變線。200 hPa，四川中西部處于南亞高壓東北部弱分流區，其中川西高原及川西南的部分地區存在高層輻散，500～700 hPa 垂直風切變大值區主要分布在四川北部（圖2b）。

圖2 2020 年6 月26 日14 時（a）500 hPa 位勢高度（黑色等值線，單位：dagpm）、700 hPa 風（箭頭，單位：m s-1）、整層可降水量PWAT（綠色填色，單位：mm）、200 hPa 風速（藍色填色，單位：m s-1）、海平面氣壓場（紅色等值線，單位：hPa），（b）200 hPa 位勢（實線，單位：m2 s-2）、散度（填色，單位：10-5 s-1）、500～700 hPa 垂直風切變（≥12 m s-1，虛線）和700 hPa 風（風向桿，單位：m s-1）；（c）2020 年26 日20 時西昌站T-lnp 圖。圖b 中紅色星表示冕寧站位置。圖c 中黑、藍色線分別代表溫度、露點溫度；CAPE、CIN、SI、LI 表示對流有效位能、對流抑制能量、沙氏指數、抬升指數Fig.2 (a) 500-hPa geopotential height (black isolines, units: dagpm), 700-hPa wind (arrows, units: m s-1), whole precipitable water (PWAT, green shadings, units: mm), 200-hPa wind speed (blue shadings, units: m s-1), sea level pressure (red isolines, units: hPa), (b) 200-hPa geopotential (solid lines; units: m2 s-2), divergence (shadings, unit: 10-5 s-1), 500-700-hPa vertical wind shear (≥12 m s-1; dashed lines), and 700-hPa wind (barbs, units:m s-1) at 1400 BJT on 26 June 2020; (c) T-lnp chart of Xichang station at 2000 BJT on 26 June 2020.In Fig.b, red star indicates the location of Mianning station.In Fig.c, black (blue) line indicates temperature (dew point temperature); CAPE, CIN, SI, LI represent convective available potential energy, convective inhibition energy, Showalter index, lifting index, respectively

26 日20 時，西昌站（位于冕寧站南側約70 km處）的探空資料顯示，對流有效位能（CAPE）達1101.0 J kg-1，500～700 hPa 空氣接近飽和，700 hPa比濕大于12 g kg-1，沙氏指數（SI）和抬升指數（LI）表明大氣具有一定的對流不穩定性。然而，對流發生前高空天氣尺度強迫較弱，河谷近地面層空氣較干，700 hPa 以下為“干暖”的偏南風，平均風速達8 m s-1，對流抑制能量（CIN）較強（111.0 J kg-1），對流觸發需要河谷內出現對流環境調整和較明顯的抬升機制。全球業務模式對上述不穩定指數預報明顯偏弱（ECMWF 模式24 h 時效CAPE 預報為200～300 J kg-1）。從實時預報角度，這是一次前期征兆不顯著的山地突發性暴雨過程。

4.2 中小尺度對流系統的活動特征

26 日午后至夜間造成冕寧山洪災害的MCS（圖3 中箭頭所指）發生、發展過程可分為4 個階段：（1）對流初生與局地對流組織化階段（26 日15～17 時）；（2）MCS 形 成 與 快 速 發 展 階 段（26 日17～20 時）；（3）MCS 成 熟 階 段（26日20 時 至27 日00 時）；（4）MCS 減 弱 階 段（27 日00～03 時）。

在圖3b 中，四川西部和南部存在3 個云團，其中云團A 與川西高原北部的高原波動相聯系，云團C 與盆地低渦東南部的輻合上升區相對應（圖1a），云團B 是涼山州北部暴雨過程的直接影響系統。如圖3a 所示，第1 階段，甘孜州東南部九龍縣（冕寧縣西北側）出現分散性對流，對流單體初生于一條“東北—西南”走向的云系中，并在移動過程中組織化程度增強。第2 階段，涼山州北部于26 日傍晚出現MCS，云團B 表現為接近圓形的中尺度云團（較大范圍冷云罩），而短時強降水出現在云團中心，3 個云團的空間分布近似等距排列（圖3b）。第3 階段，云團B 范圍較第2 階段明顯增大，呈現中尺度對流復合體（MCC）形態，短時強降水站點增多（圖3c）。第4 階段，冷云罩范圍顯著減小，云體開始塌陷，MCS 快速減弱（圖3d）。

圖3 2020 年6 月26 日（a）16 時、（b）19 時、（c）22 時和（d）27 日01 時TBB（填色，單位：°C）、小時雨量（≥20 mm，圓點）。箭頭指示的為中尺度對流系統（MCS）。圖b 中，字母A、B、C 表示云團編號Fig.3 TBB (Black Body Temperature, shadings, units: °C) and hourly precipitation (≥20 mm, dots) at (a) 1600 BJT, (b) 1900 BJT, (c) 2200 BJT on 26 June, (d) 0100 BJT on 27 June 2020.The arrow indicates a mesoscale convective system (MCS).In Fig.b, letters A, B, C indicate the number of cloud clusters, respectively

分析表明，本次過程對流云團具有MCC 云團特征，云團B 的快速發展和成熟階段持續近7 個小時。結合環流背景和對流環境場分析，川西低槽和涼山州北側切變線是川西高原對流形成的主要影響系統，對冕寧對流（B 云團）直接觸發的影響不明顯。為揭示冕寧致災對流暴雨的觸發機制，須進一步分析中小尺度對流系統的活動特征。

26 日17 時，冕寧站偏西方向出現局地對流（最大REF 達50 dBZ以上），在西南風引導下向東北方向移動（圖4a）。傍晚，冕寧中北部局地對流迅速增多。19 時，冕寧中北部有3 條“西南—東北”向的帶狀γ 中尺度（meso-γ）對流系統，位于中間（冕寧站北側惠安鎮附近）的帶狀對流系統最大REF 達60 dBZ以上，3 條帶狀對流系統最強單體排列呈“西北—東南”走向（圖4b）。此后，冕寧站南側不斷有對流新生并向東北方向移動，在靈山寺附近達到最強（55 dBZ以上），冕寧站北側的帶狀對流系統強度有所減弱（圖4c）。根據19 時REF 剖面圖分析，對流回波的質心較低（距地面約3 km），位于環境大氣的0°C 層以下（圖2c），回波中心南側邊界層存在明顯的弱回波區（圖4d）。

對雷達組合反射率因子(composite reflectivity factor, CREF)和自動站小時雨量資料分析，結果顯示：26 日18 時甘孜州九龍縣對流發展旺盛，出現了小時雨量超過30 mm 的短時強降水，同時冕寧西部牦牛山的“缺口”處不斷有對流新生并向東擴展（圖5a）；21 時，冕寧東部對流發展旺盛，冕寧站北側和南側對流回波向東移動并影響小相嶺西麓的曹古鄉和靈山寺，冕寧站北側多個站點出現短時強降水，河谷內帶狀對流回波在南北方向上移動緩慢（圖5b）；27 日00 時，對流回波范圍略有縮小，但靈山寺附近CREF 中心值仍在增加，達到55 dBZ以上，靈山寺站出現極端小時雨量（圖5c）。

圖5 2020 年6 月26 日（a）18 時、（b）21 時和（c）27 日00 時雷達組合反射率因子（≥35 dBZ，等值線）、小時雨量（彩色圓點，單位：mm）、地形高度（填色，單位：m）。三角形代表冕寧站位置Fig.5 Radar composite reflectivity factor (≥35 dBZ, isolines), hourly precipitation (color dots, units: mm), terrain height (shadings, units: m) at (a)1800 BJT, (b) 2100 BJT on 26 June and (c) 0000 BJT on 27 June 2020.Triangle indicates the location of Mianning station

中小尺度對流系統特征分析表明，冕寧站北側和南側的2 條帶狀meso-γ 對流系統造成了局地強降水，對流在冕寧站西側和南側不斷新生，存在后向傳播特征，在惠安鎮和靈山寺附近出現“列車效應”，并形成了持續性強降水。

5 MCS 形成機制與環境大氣的異常特征

5.1 上游對流冷池出流與冷空氣的作用

26 日午后至傍晚，進入盆地西部的次天氣尺度冷空氣（簡稱冷空氣）以及前期在川西高原出現的對流系統是否與冕寧局地對流暴雨的觸發存在聯系？對CLDAS 資料分析，結果顯示：26 日17 時，受甘孜州東南部對流影響，九龍縣、石棉縣（冕寧北側）等地出現了較強負變溫和冷池，1 h 最大降溫幅度超過4°C（圖6a）；與之對應的地面流場表現為中尺度反氣旋（雷暴高壓），地面冷池沿牦牛山西側山谷地區向南推進，出現1°C～2°C 的負變溫；冕寧站位于安寧河谷“暖舌”前沿，冕寧站與北部地區的溫差達10°C 以上（圖6a）。相應地，冕寧縣西北側高海拔地區的對流冷池出流（簡稱對流出流）與河谷偏南氣流形成了地面輻合線（圖6b）。受盆地西部冷空氣影響，冕寧東側的越西縣和甘洛縣出現了較大范圍的弱降溫，南下冷空氣被阻擋在小相嶺以東的地區。

基于CLDAS 資料和自動站風場資料分析與經向平均氣溫的溫差，結果顯示：17 時冕寧站偏西方向為冷暖氣流的交匯處，地面溫度梯度較大，冕寧站以北地區的地面風為偏北風，而冕寧南部受偏南風控制（圖6c）；23 時，冕寧站東南側的地面溫度梯度增強（圖6d）。由此可見，在強降水過程中，河谷內邊界層存在中尺度鋒生，且冷暖氣流的匯合區穩定出現在冕寧站附近。

圖6 2020 年6 月26 日17 時CLDAS 資料（a）地面風（風向桿，單位：m s-1）、氣溫（填色，單位：°C）、1 h 變溫（等值線，單位：°C），（b）地面流場（流線），（c）17 時、（d）23 時溫差（參考氣溫為經向平均氣溫，等值線，單位：°C）、自動站觀測的地面風（風向桿，單位：m s-1）。圖b-d 中填色表示地形高度（單位：m）Fig.6 (a) Surface wind (barbs, units: m s-1), temperature (shadings, units: °C), and 1-h temperature change (isolines, units: °C), (b) surface flows(streamlines) obtained from CLDAS data at 1700 BJT 26 June 2020, temperature differences (reference temperature is the meridional mean temperature, isolines, units: °C), surface wind (barbs, units: m s-1) observed from automatic station at (c) 1700 BJT and (d) 2300 BJT 26 June 2020.In Figs.b-d, shadings represent terrain (units: m)

上述分析表明，冕寧縣西北側高海拔地區的對流出流與河谷偏南氣流形成的地面輻合線對河谷對流的觸發起到了關鍵作用，而冷空氣對冕寧縣對流觸發的直接影響非常小。這一點可以從分布于川西南北部不同位置的站點觀測得到證實。

根據自動站分鐘級觀測分析，結果顯示：受上游對流出流影響，冕寧站于17:10 左右開始出現持續增壓和降溫，降溫開始時間比降水提前20 分鐘左右。對比前一日（晴空日）氣溫和同時刻近10 d平均氣溫的變化，17 時以前，沒有出現明顯升溫和降溫現象（圖7a）；15:40 開始，甘洛站（冕寧東側）出現持續降溫和小幅增加壓現象，這顯然與盆地西部冷空氣南下侵入的過程有關。17:30 開始，出現快速降溫和增壓，并于10 分鐘后出現明顯降水，這一降溫增壓過程顯然是對流冷池在地面要素上的反應，表明甘洛站出現降水之前受冷空氣的影響較明顯（圖7b）；石棉站（冕寧北側）在17 時之前的氣溫降幅總體高于冕寧站而低于甘洛站，這說明冷空氣對石棉站的影響相對較?。▓D7c）；16 時前，靈山寺站出現小幅降溫，17 時后，受上游對流出流影響后，氣溫持續下降（圖7d）。

圖7 2020 年6 月26 日14～22 時（a）冕寧、（b）甘洛、（c）石棉和（d）靈山寺5 分鐘降水量（P，單位：mm）、15 分鐘變壓（PRS_15min，單位：hPa）、地面氣溫（TEM，單位：°C）、25 日同時刻地面氣溫（TEM_L，單位：°C）和同時刻近10 d 地面平均氣溫（TEM_M，單位：°C）及逐小時云量（CLO_COV）Fig.7 Five-minute precipitation (P, units: mm), 15-minute allobaric (PRS_15min; units: hPa), surface temperature (TEM, units: °C), surface temperature (TEM_L, units: ℃) at the same time on 25 June, surface mean temperature (TEM_M, units: ℃) at the same time in the past ten days, and hourly cloud cover (CLO_COV) in (a) Mianning, (b) Ganluo, (c) Shimian, and (d) Lingshan temple from 1400 BJT to 2200 BJT on 26 June 2020

5.2 低空偏南氣流的作用

基于ERA5 和三維雷達REF 資料分析，結果顯示：26 日18 時假相當位溫大值區出現在冕寧站以南地區，達到344 K 以上；冕寧站以南河谷地區，650 hPa 以下層次受偏南風控制，其中650～700 hPa風速可達12 m s-1；從27°N 至29°N，海拔高度提高近2 km，河谷上游地形對偏南氣流有強迫抬升作用；冕寧北部及其以北地區存在系統性動力抬升，而REF 的高值位于垂直速率大值區的南側，這表明上游對流出流對冕寧站附近對流的觸發有直接影響（圖8a）。另一方面，川西南低空偏南氣流是低層水汽和能量輸送的關鍵系統。在冕寧站風廓線圖中（圖8b），16 時起，650～700 hPa 偏南氣流的動力特征表現為風速增大、風速脈動及持續輻合，其中輻合強度分別于19 時和23 時兩次達到峰值。在此期間，500 hPa 上氣溫呈緩慢下降趨勢，低層存在持續暖濕輸送。因此，低空偏南氣流對不穩定層結的發展及對流維持也發揮了關鍵熱力作用。

圖8 （a）2020 年6 月26 日18 時風場（風向桿，單位：m s-1）、假相當位溫（紅色實線，單位：K）、垂直速度（≤-0.2 Pa s-1，藍色虛線）、三維雷達反射率因子（彩色陰影，單位：dBZ）和地形（灰色填色）沿圖6a 黑色虛線的垂直剖面；（b）2020 年26 日12 時至27 日12 時冕寧站風廓線（風向桿，單位：m s-1）、溫度（等值線，單位：°C）和散度（填色，單位：10-5 s-1）Fig.8 Cross sections of (a) wind (barbs, units: m s-1), pseudo-equivalent potential temperature (red solid lines, units: K), vertical velocity (≤-0.2 Pa s-1,blue dashed lines), 3D-reflectivity factor (color shadings, units: dBZ), and terrain (grey shadings) along the black dashed line in Fig.6a at 1800 BJT on 26 June 2020; (b) wind profile (barbs, units: m s-1), temperature (isolines, units: °C), and divergence (shadings, units: 10-5 s-1) from 1200 BJT on 26 June to 1200 BJT on 27 June 2020

上述這支低空偏南氣流是源自孟加拉灣（簡稱孟灣）的水汽輸送帶的一部分，該水汽輸送帶進入西南地區南部后表現出分岔現象，其中一支作為主體經貴州進入盆地南部，另一支經涼山州南部進入暴雨區（圖9a）。冕寧站以南的分支水汽輸送帶分別在18 時和21 時后出現階段性增強特征，與盆地西部偏北氣流的輻合區在涼山州北部緩慢南移。比較14 時700 hPa 水汽通量場（圖略）和比濕時空圖，冕寧站以南的分支水汽輸送帶持續約9 h，700 hPa 比濕達13～14 g kg-1，且大值區穩定出現在28.3°～28.8°N（圖9b）。

圖9 （a）2020 年26 日23 時700 hPa 風（箭頭，單位：m s-1）和水汽通量（填色，單位：g cm-1 hPa-1 s-1），紅色星表示冕寧站位置；（b）700 hPa 比濕（填色，單位：g kg-1）的緯度—時間圖，經度位置為120.2°EFig.9 (a) 700-hPa wind (arrows, units: m s-1) and moisture flux (shadings, units: g cm-1 hPa-1 s-1) at 2300 BJT on 26 June 2020, red star indicates the location of Mianning station; (b) latitude-time chart of 700-hPa specific humidity (shadings, units: g kg-1), the longitude is 120.2°E

5.3 環境大氣的異常特征

針對本次過程出現極端小時雨量和持續性強降水的特征，可通過對物理量偏離氣候態的程度進行分析，一般認為偏離3 倍以上標準差預示著小概率嚴重事件發生的可能性（Hart and Grumm, 2001）。某一變量偏離氣候態的程度可以用標準化異常（Ds）來表征：

其中，V為某一時刻變量或物理量的值，M為該變量同時刻30 年的21 天滑動平均，σ 為氣候標準差。氣候及分析數據采用1981～2010 年ERA5 資料。為了更好揭示“6.26”暴雨過程的極端性，選取具有相似影響系統（如低空偏南氣流、盆地低渦等）的另一次冕寧對流暴雨過程（2015 年7 月14 日）進行對比分析（圖10b）。在“7.14”過程中，冕寧、靈山寺及彝海鎮的日（7 月14 日08 時至15日08 時）降水量分別為49.2 mm、58.9 mm 和86.4 mm。

從環境大氣的不穩定能量看，CAPE 的高值容易出現在每天14 時，而6 月26 日冕寧站的CAPE最大值出現在18 時，達到1500 J kg-1以上，Ds超過5 σ，這顯然與低層偏南風暖濕平流增強過程有關，且27 日00 時以前，Ds均超過3 σ（圖10a）?！?.14”過程中，14 日午后冕寧站南側CAPE 達到2000 J kg-1以上，Ds超過3 σ，但16 時后，CAPE 迅速減弱并回落至氣候態附近（圖10b）。兩次過程中，CAPE 均表現出明顯的異常，其中“6.26”過程的異常更為顯著，且CAPE 迅速增加與強降水幾乎同時出現，具有較強的突發性。

2020 年6 月26 日23 時，冕寧站東北側的垂直積分水汽通量散度（Vertical Integral of Divergence of Moisture Flux, VIDMF; Van Zomeren and Van Delden, 2007）出現最低值，即出現極端水汽輻合的時間和位置與隨后1 h 的極端小時雨量的時間和位置一致，Ds低于-7 σ，且Ds低于-2 σ的時長接近9 h（圖10c）?！?.14”過程中VIDMF 異常較“6.26”過程明顯偏弱，僅有一個時次Ds低于-3 σ（圖10d）。此外，“6.26”過程中冕寧站南側的垂直積分北向水汽通量（Vertical Integral of Northward Moisture Flux, VINMF）和CAPE 的最大值出現的時間一致（26 日18 時），并與冕寧站附近強降水發生時刻較為接近，其峰值達到200 kg m-1s-1，Ds超過2 σ（圖10e）?！?.14”過程VINMF異常程度略低于“6.26”過程（圖10f）。

圖10 2020 年“6.26”（左）和2015 年 “7.14”（右）暴雨過程環境大氣特征對比：（a）2020 年6 月26 日18 時、（b）2015 年7 月14日14 時對流有效位能CAPE（等值線，單位：J kg-1）；（c）2020 年6 月26 日23 時、（d）2015 年7 月14 日16 時垂直積分水汽通量散度（VIDMF，等值線，單位：10-3 kg m-2 s-1）；（e）2020 年6 月26 日26 日18 時、（f）2015 年7 月14 日14 時垂直積分北向水汽通量（VINMF，等值線，單位：kg m-1 s-1）。填色分別表示CAPE、VIDMF 和VINMF 的標準化異常，風向桿表示700 hPa 風（單位：m s-1），折線圖表示物理量（CAPE、VIDMF 和VINMF，紅線）大值區（以“○”所在位置為代表）、氣候態（粗黑線）及氣候態增加或減少若干倍標準差后（灰線）的變量隨時間的變化。圖a-f 中，“+”表示冕寧站位置Fig.10 Comparisons of environmental atmosphere features between torrential rain “6.26” (left) in 2020 and torrential rain “7.14” (right) in 2015:CAPE (convective available energy, isolines, units: J kg-1) at (a) 1800 BJT on 26 June 2020 and (b) 1400 BJT on 14 July 2015; vertical integral of the divergence of moisture flux (VIDMF, isolines, units: 10-3 kg m-2 s-1) at (c) 2300 BJT on 26 June 2020 and (d) 1600 BJT on 14 July 2015; vertical integral of northward moisture flux (VINMF, isolines, units: kg m-1 s-1) at (e) 1800 BJT on 26 June 2020 and (f) 1400 BJT on 14 July 2015.Shadings represent the standardized anomalies of CAPE, VIDMF, and VINMF, respectively; the barbs indicates 700-hPa wind (units: m s-1); the line chart represents changes of a physical quantity (CAPE, VIDMF, and VINMF; red lines), climate state (thick black lines), and the states (grey lines) after adding or subtracting several times of standard deviation to the climate state in large value area (represented by the location of “○”) of physical quantity.In Figs.a-f, “+” indicates the location of Mianning station

本節分析表明，26 日17～18 時，上游對流出流與午后逐漸加強的谷地偏南氣流相遇形成的地面輻合是對流觸發的直接原因，谷地偏南氣流增強有利于對流環境調整。午后至夜間，川西南分支水汽輸送帶的階段性增強和維持，成為對流不斷生成并在冕寧站北側和東側形成“列車效應”的關鍵因子。另一方面，通過比較分析，“6.26”過程中的關鍵物理量均表現出明顯異常，這些異常物理量共同作用為形成具有極端性的暴雨過程創造了有利條件。

6 地形作用與關鍵因子

6.1 地形作用

已有研究表明，暴雨過程中地形的強迫作用不容忽視（Houze, 2012）。川西南地區整體地勢北高南低，受輻射日變化作用，午后邊界層易形成暖脊；安寧河谷呈現南北狹長地形特征，河谷午后盛行偏南風。受冷空氣和川西南北部高海拔地形的共同影響，河谷內氣溫明顯高于同緯度盆地西南部地區。另外，川西低槽東移速度較快，16 時至17 時，暖脊位置較為穩定，而低槽過境后形成了前傾槽結構，槽后中層弱冷空氣侵入將增加川西南北部地區的對流潛勢（圖11）。因此，在過程中川西南地區的特殊地形在動力和熱力方面均表現出顯著影響。

圖11 2020 年6 月26 日17 時云量（圓點，單位：%）、地面風（風向桿，單位：m s-1）、氣溫（≥30°C，數值和紅色等值線）、500 hPa 位勢高度（藍色等值線，單位：dagpm）。填色表示地形高度（填色，單位：m），白色線表示涼山州邊界Fig.11 Cloud cover (dots, units: %), surface wind (barbs, units:m s-1), temperature (≥30°C, values and red isolines), 500-hPa geopotential height (blue isolines, units: dagpm) at 1700 BJT on 26 June 2020.The shadings represent terrain height (units: m), and white lines represent Liangshan Prefecture boundary

基于ERA5 資料分析高空冷暖平流，結果表明：在“6.26”和“7.14”過程中，川西南北部的高海拔地形對冷空氣南下進入安寧河谷有一定的阻滯作用（圖12）；“6.26”過程初期，冷空氣勢力較強，但冕寧北部高海拔地區近地面層仍表現為偏南風（圖12a）；過程后期，兩次過程均出現冷空氣翻越小相嶺的現象（冕寧北部高海拔地區近地面層轉為偏北風，圖12b、d），但“7.14”過程冷空氣勢力增強和南下入侵更明顯。比較結果顯示，冕寧地區對流降水的發展和維持與翻越小相嶺冷空氣的強度、低空偏南氣流的強度及其風速核的高度有密切關系（“6.26”過程后期低空暖平流增強，且偏南氣流風速核的高度明顯低于“7.14”過程）。這進一步表明，安寧河谷內MCS 的強烈發展與維持是多尺度系統與地形相互作用的結果。

圖12 2020 年6 月26 日（a）17 時、（b）23 時和2015 年7 月14 日（c）14 時、（d）20 時沿圖6a 藍色虛線的v-w 氣流（箭頭，單位：m s-1）、溫度平流（彩色填色；單位：10-4 K s-1）及地形（黑色填色，右側縱坐標，單位：km）的垂直剖面。v、w 分別表示經向風和垂直方向的風Fig.12 Cross sections of v-w flow (arrows, units: m s-1), temperature advection (color shadings, units: 10-4 K s-1), and terrain (black shadings, right yaxis, units: km) along blue dashed line in Fig.6a at (a) 1700 BJT and (b) 2300 BJT on 26 June 2020 and (c) 1400 BJT and (d) 2000 BJT on 14 July 2015.v and w represent meriditional wind and vertical wind, respectively

研究表明，當對流可分辨模式所提供的地形描述與實際地形較為接近時，有助于揭示地形對局地環流和降水的影響（Zhang et al., 2021）。在“6.26”過程短期時效降水預報檢驗結果中，CMA-MESO-3KM 模式24 h 降水預報達到大到暴雨量級，在眾多模式中表現最優。選取26 日08 時為初始時刻的CMA-MESO-3KM 資料進行分析，如圖13a 所示，模式地形較好表現出冕寧站東側小相嶺和西側牦牛山的基本地形特征。26 日19 時，從地面溫度平流可知，冕寧站附近的偏北風與盆地西部冷空氣并不存在直接聯系，但小相嶺東側地區明顯受到冷空氣的影響，地面偏北風與冷平流對應。700 hPa，川西南北部受低空切變線影響，河谷內受偏南風控制（圖13b）。22 時，翻越川西南北部高海拔山嶺的冷空氣與河谷上游對流冷池結合并開始向南侵入，而小相嶺東側冷空氣已影響冕寧縣東南側區域（圖13c）。700 hPa，冕寧站位于偏北冷氣流和偏南暖氣流交匯區（圖13d）。分析表明，川西南北部的高海拔地形對延緩冷空氣進入安寧河谷并維持河谷內不穩定層結的發展有顯著作用。

對比26 日傍晚至夜間九龍縣及河谷內出現的對流回波（圖4、圖5），CMA-MESO-3KM 模式的模擬對流回波與實況較為接近，但持續時間略短于實況。19 時，上游對流形成的冷池沿河谷向南移動，冷池出流邊界與谷地偏南氣流在冕寧站附近形成了強烈的對流抬升機制（圖14b），造成冕寧站附近的局地對流被觸發（圖14a）。22 時，對流系統持續影響冕寧站附近地區并向東移動（圖14c）。由于淺薄冷池沿河谷向南推進，地面受偏北風控制，但冕寧站附近由于對流增強，形成冷池堆積現象，隨著冷空氣開始進入谷地以及上游地區對流持續，造成河谷偏北風的強度和厚度隨緯度增加（向北）而增強、增厚，同時低空偏南氣流相比過程初期有所增強，為對流系統強度維持提供了持續性的動力抬升機制（圖14d）。此結果與前述的基于觀測和再分析資料的分析結果是吻合的。此外，19 時冕寧上游高海拔地區對流系統出現在偏南氣流與地形高度梯度大值區的結合處（圖13b、圖14a）。這表明除川西南北部的低空切變線外，冕寧北部的地形強迫抬升亦構成了上游高海拔地區初始對流的潛在觸發機制。

圖13 2020 年6 月26 日19 時（上）、22 時（下）（a、c）地面風（箭頭，單位：m s-1）、溫度平流（等值線，單位：10-4 K s-1）、模式地形高度（填色，單位：km），（b、d）700 hPa 風（箭頭，單位：m s-1）、溫度平流（等值線，單位：10-4 K s-1）、模式3000 m 以上地形（灰色填色）。紫色圓點代表冕寧站位置Fig.13 (a, c) Surface wind (arrows, units: m s-1), temperature advection (isolines, units: 10-4 K s-1), model terrain height (shadings, units: km), (b,d) 700-hPa wind (arrows, units: m s-1), temperature advection (isolines, units: 10-4 K s-1), above 3000-m model terrain (grey shadings) at 1900 BJT(top) and 2200 BJT (bottom) on 26 June 2020.Purple dot represents the location of Mianning station

圖14 2020 年6 月26 日19 時（上）和22 時（下）（a、c）雷達組合反射率因子（填色，單位：dBZ）、模式地形2800 m 線（等值線），（b、d）沿圖14a 紅色虛線的v-w 氣流（箭頭，單位：m s-1）、與經向平均氣溫的溫差（實線和填色，單位：°C）、垂直速度（虛線；單位：m s-1）、模式地形（灰色填色）垂直剖面。圖b、d 中，紅色三角形代表冕寧站位置Fig.14 (a, c) Radar composite reflectivity factor (shadings, units: dBZ), 2800-m line of model terrain (isolines), (b, d) cross sections of v-w flow(arrows, units: m s-1), temperature differences (reference temperature is the meridional mean temperature, solid line and shadings, units: °C), vertical velocity (dashed lines, units: m s-1), model terrain (grey shadings) along the red dashed line in Fig.14a at 1900 BJT (top) and 2200 BJT (bottom) on 26 June 2020.In Figs.b and d, red triangle represents the location of Mianning station

6.2 關鍵因子與概念模型

冕寧“6.26”暴雨過程的天氣尺度斜壓強迫較弱，但與MCS 強度維持有關的關鍵物理量具有明顯的強度異常特征，在冕寧地區“河谷—山地”地形及上游對流系統影響等機制作用下，形成了持續性、高強度的夜間突發性中尺度暴雨過程。綜合前述分析結果，歸納總結此次暴雨過程形成機制和預報的關鍵因子與概念模型：（1）源自孟灣的西南暖濕輸送帶上出現了分支水汽通道進入冕寧暴雨區（偏南氣流強度達12 m s-1左右），其中VINMF 異常超過2 σ，暴雨區位于“濕舌”（比濕達12 g kg-1以上）前沿。（2）盆地低渦西部偏北氣流與川西南低空偏南氣流形成了緩慢南壓的低空切變線。（3）過程發生前冕寧河谷內地面氣溫達30°C，CAPE 達1500 J kg-1以上，異常超過5 σ。川西低槽過境后形成前傾結構，進一步加強了對流不穩定性（圖15a）。（4）26 日午后，冕寧上游地區的高原對流形成近地面冷池，在冷池擴張過程中與河谷內的偏南風（風速6～8 m s-1）形成了中小尺度輻合線及顯著的抬升機制（圖15b）。（5）26 日前半夜，低空偏南氣流還在持續增強，進一步增強了向暴雨區的水汽輸送和對流能量輸送。同時，上游地區持續的對流冷池出流與翻越山嶺的冷空氣合并后向南侵入，由冷暖氣流對峙形成的邊界層動力抬升有利于冕寧站附近中尺度暴雨對流系統長時間維持（圖15c）。

圖15 四川冕寧“6.26”突發性暴雨的形成機制概念模型：（a）多尺度系統和物理量配置；對流（b）觸發、（c）維持機制示意圖。圖a中，填色表示地形高度（單位：m）；圖b、c 中，三角形代表冕寧站位置，風向桿代表冕寧站南側河谷地區的環境風Fig.15 Formation mechanism conceptual model of “6.26” sudden rainstorm in Mianning of Sichuan Province: (a) Multiscale systems and physical quantity configuration; schematic of the (b) convection-triggering and (c) convection-maintenance mechanism.In Fig.a, shadings indicate terrain height (units: m).In Figs.b and d, triangle indicates the location of Mianning station, barbs indicate the environment wind in the valley on the south side of Mianning station

7 結論與討論

針對誘發四川冕寧“6.26”山洪的突發性暴雨過程，本文分析了降水實況、災區地理環境及多尺度系統特征，研究了該地區復雜地形條件下對流的觸發和維持機制，提煉了關鍵預報因子，總結了暴雨過程形成機制的概念模型。結果表明：

（1）該過程是一次由多條帶狀meso-γ 對流系統產生的、伴有極端小時雨量的局地突發性暴雨過程。產生強降水的對流云團發展快、強度強，具有MCC 云團特征，強對流回波質心較低，強降水持續時間長。對流發展具有明顯的后向傳播特征和“列車效應”。

（2）過程發生前，環境大氣具有一定的對流不穩定性，但低層存在較強的對流抑制能量。上游對流冷池出流、盆地西部冷空氣以及傍晚至夜間增強的低空偏南氣流對冕寧地區對流環境調整并形成持續性、高強度的對流暴雨產生了直接且顯著的影響。另外，對比歷史相似過程，該過程的關鍵物理量具有更顯著的異常和異常持續性。

（3）川西南北部高海拔地形對冷空氣南下進入安寧河谷具有一定的阻滯作用，而午后低云量條件下河谷邊界層易形成暖脊，川西低槽過境后形成的前傾結構，增強了該地區的對流不穩定性。另外，在較強的谷地偏南風背景下，川西南北部地形強迫抬升形成了河谷上游地區潛在的對流觸發條件。

（4）由川西低槽、低空偏南氣流和切變線構成的天氣系統配置有可能觸發川西高原對流系統，造成對流冷池沿高原谷地向下游推進。這些影響系統及其演變在業務應用中需要重點關注。川西南700 hPa 等比濕線（12 g kg-1）、邊界層暖脊、中等強度以上CAPE 的分布以及分支水汽輸送帶、上游對流冷池出流與谷地偏南氣流形成的地面輻合線等構成了該地區突發性暴雨預報的關鍵因子。

“6.26”暴雨形成機制的分析結果表明，對于短期時效預報，盆地西部冷空氣的強度及其與川西南低空偏南氣流相互作用是關注重點。如果冷空氣偏強，南下侵入較快，川西南北部降水時間較短；如冷空氣偏弱，在川西南北部地形的阻擋下，對安寧河谷上游地區產生的影響較小。當冷空氣達到合適強度，在過程初期不能迅速翻越冕寧北部高海拔地形，在冕寧北部形成系統性抬升并出現對流，其冷池出流為下游地區提供潛在的對流觸發條件。如預計在對應時段河谷內將出現較強且持續的偏南氣流，需要考慮該地區復雜地形條件下產生的“列車效應”及由此引發的持續性強降水和山洪風險。因此，研究冕寧暴雨過程與盆地西部冷空氣的關系有重要的應用價值。此外，針對盆地低渦對川西南暴雨的影響以及該地區暴雨可預報性等問題也亟需開展深入研究。

致謝感謝中國氣象科學研究院梁旭東研究員和夏茹娣副研究員、國家氣象中心陳雙和權婉晴在本研究結果交流討論過程中給予的指導！