中国四川盆地连续两次强降雨过程中的不同驱动机制：一个案例研究

《Atmospheric Research》：Different driving mechanisms during two consecutive flash heavy rainfalls over the Sichuan Basin in China: A case study

短时强降水事件中低层急流与西南涡的协同作用及地形调制机制研究，通过多源降水数据分析和高分辨率数值模拟，揭示两次极端降水过程（RD1和RD2）中LLJ引导 moisture convergence的时空差异，重点解析地形增强边界层摩擦、惯性振荡调控年龄奥斯特风矢量与LLJ的耦合，以及晨间低层东南风地形辐合对降水持续性的影响。

　　

刘长青|曹杰|邓成志|钱芙蓉

国家气候系统预测与风险管理重点实验室/教育部气象灾害重点实验室/气象灾害预报与评估协同创新中心/南京信息科技大学大气科学学院，南京210044，中国

摘要

2017年7月4日至6日期间，中国四川盆地连续发生了两次持续时间短但极其强烈的暴雨（FHRs），打破了历史降水记录。本研究基于包括雨量站、卫星产品和再分析数据集在内的多源降水数据，对这两次暴雨进行了深入分析。通过高分辨率数值模拟，结合Barnes滤波和斜压风诊断方程等分析方法，探讨了两次暴雨之间的关键机制和日变化特征。研究发现，降水事件主要受低层急流（LLJ）和西南涡旋的共同影响。从关键驱动机制的角度分析了两次暴雨的相似性和差异性。在第一次持续时间较短的暴雨中，地转风逐渐增强，而低层东南风在盆地西北部受到地形抬升作用。在弱地转风背景下，第二次持续时间极长的暴雨中斜压风矢量表现出明显的顺时针日变化。夜间增强的东南风将水汽输送到盆地，导致夜间降水增强。盆地边缘陡峭的地形加剧了边界层摩擦（BLF），并增强了东风斜压风。这种偏转作用使低层急流向东南方向移动，有效将水汽引导至降雨区。黎明后边界层摩擦的增加进一步增强了斜压风的水汽通量，减缓了降水衰减速度。斜压风的惯性振荡通过调节水汽输送过程，显著影响了夜间的降水增强和白天的降水减弱。此外，黎明后边界层摩擦的增加改变了斜压风与低层急流之间的时空配置，成为降水过程不对称性的关键因素。

引言

四川盆地位于中国西南部，人口超过1亿，周围地形复杂，西侧有横断山脉，南侧有云贵高原，东侧有大娄山和武陵山，北侧有秦岭和大巴山。这些地形特征导致天气过程变化多样，增加了预报难度（Zhao等人，2024年）。暴雨是该地区的主要气象灾害之一，受多种天气系统的共同影响，包括西南涡旋（SWV）、低层急流（LLJ）、西太平洋副热带高压（WPSH）、南亚高压（SAH）和中纬度短波槽（Xia等人，2025年）。暴雨还会引发山洪、泥石流和城市内涝，对当地社会经济稳定和公共安全构成严重威胁。

降水的日变化是暴雨形成的关键因素（Yu等人，2014年；Zhang等人，2019年；Xia等人，2021年；Li等人，2025年；Xia等人，2025年）。受大尺度环流模式和地表条件的影响，降水的日变化具有明显的区域特征。Blackadar（1957年）首次提出了低层风与降水日变化的关联机制，称为惯性振荡理论。Bonner（1966年、1968年）记录了美国大平原地区的低层急流现象，与这一理论一致。Chen等人（2009年）发现夜间低层风加速会增强中国东南部的早间降水，而Xue等人（2018年）表明梅雨锋前的低层急流日变化与季风流动和惯性振荡相关。此外，低层急流的惯性振荡对四川盆地的夜间降水峰值至关重要（Zhang等人，2019年；Xia等人，2021年；Xia等人，2025年），并形成了“巴山夜雨”现象（Yu等人，2007年）。

以往关于四川盆地极端小时降水的研究主要集中在短时强降雨（FHRs）上，对持续性强降雨的关注较少（Li等人，2022年；Jiang等人，2023年；Xu等人，2024年）。Zhang等人（2021年）指出，中国南部的极端持续性强降雨（EPHR）定义为每小时降水量超过20毫米且持续超过5小时，通常发生在山区。这一定义后来也被应用于四川盆地，EPHR主要在6月至9月期间受低层急流（LLJ）和西南涡旋（SWV）的影响而夜间发生（Xia等人，2025年）。在中国西部，降水演变表现出时间不对称性（Yu等人，2013年），在复杂地形区域，降水强度的快速增强阶段比逐渐减弱阶段持续时间更短（Zhang等人，2021年；Liu等人，2022a；Liu等人，2022b）。由于四川盆地多尺度影响机制和地形的复杂性，以往研究缺乏使用高分辨率数值模拟数据来分析不同降水驱动机制，以探究EPHR事件期间降水不对称性的原因。因此，四川盆地这种时间不对称性的具体机制仍不明确。

2017年7月4日2000时（当地标准时间）至7月6日1900时，四川盆地连续发生了两次强降雨。在整个降水期间（图1a），12个城市中的25个站点报告了强降雨（≥50毫米/24小时），14个站点达到了严重降雨（≥100毫米/24小时）。绵阳和彭溪站点记录了极端降雨（≥250毫米/24小时），打破了历史记录。此次事件造成了4.1亿元人民币的直接经济损失。两次强降雨具有不同的降水特征：第一次强降雨（以下简称RD1，从7月4日2000时开始，到7月5日1900时结束）主要发生在绵阳站点，降雨高峰出现在中午；第二次强降雨（以下简称RD2，从7月5日2000时持续到7月6日1900时）表现为区域性EPHR，盆地中部多个站点经历了持续4小时的强降雨，彭溪站点记录了6小时的连续强降雨和夜间降雨高峰（图1b）。

借助高分辨率数值模拟和诊断分析，本研究重点探讨了低层急流（LLJ）在生成RD1和RD2的降水峰值以及后者EPHR的不对称性中的作用。第2节描述了用于此次事件的数据集、数值模型配置和诊断方法。第3节评估了模拟的天气环流和时空降水分布。第4节分析了关键影响系统和潜在机制。第5节提出了结论和讨论。

数据

本研究使用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析数据（Hersbach等人，2020年）来研究天气环流。还采用了多源降水数据集，包括中国气象局（CMA）国家气象信息中心（NMIC）的地表站观测数据、气候预测中心的CMORPH技术、NASA的GPM集成多卫星反演产品（IMERG）以及ERA5再分析数据

天气环流和降水特征

如图4所示，在RD1期间（7月5日0200时），200 hPa高度层的急流（ULJ）退出区域和南亚高压（SAH）在四川盆地形成了强烈的上层辐散。图5显示，蒙古高原西部200 hPa至500 hPa高度层存在负位势高度异常。同时，蒙古涡旋的负位势高度异常加剧，而南亚高压（SAH）和西太平洋副热带高压（WPSH）的正位势高度异常增强。冷空气

低层地转风、斜压风和总风水汽通量的日变化

如先前研究（Zhang等人，2019年；Xia等人，2021年；Xia等人，2025年）所示，低层对流层风与盆地降水密切相关。本节进一步分析了此次降雨事件期间低层风的日变化特征。图8展示了850 hPa高度层的Barnes滤波位势高度场，以及地转风（QVg）、斜压风（QVa）和总风（QV）的水汽通量，以及水汽通量辐散

结论与讨论

基于多源降水产品和再分析数据，本研究对2017年7月4日2000时至7月6日1900时的四川盆地历史性降水事件进行了数值模拟和详细分析，该事件包括两次强降雨（RD1和RD2，其中RD2为EPHR）。图15a展示了RD1和RD2中上层主要多尺度系统的概念模型及其分配情况

作者贡献声明

刘长青：撰写——初稿、可视化、验证、软件开发、方法论、数据分析、正式分析。曹杰：撰写——初稿、监督、项目管理、资金获取、正式分析、概念构思。邓成志：撰写——审稿与编辑、资源协调、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、数据整理。钱芙蓉：撰写——初稿、可视化、软件开发、正式分析、数据处理

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢三位匿名审稿人的建设性建议，这些建议极大地改进和完善了本研究的内容。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号U2242202和42475007）和江苏省科技项目（项目编号202230553）的支持。同时，我们也感谢南京信息科技大学高性能计算中心的协助。