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陈博宇 谌芸 ,2,4 孙继松 陈涛 ,2,4 陈朝平 胡宁
1 国家气象中心, 北京 100081
2 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081
3 四川省气象台, 成都 610072
4 南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）, 珠海 519082
5 南京气象科技创新研究院, 南京 210009
在全球气候变暖背景下，极端暴雨天气事件频率增加（Alexander et al., 2006）。近年来，华北、华南及西南地区等地突发性、高影响的中小尺度暴雨过程成为研究热点（徐珺等, 2018; 肖递祥等,2020）。突发性暴雨具有前期天气尺度征兆弱、雨强大、强降水时段集中、范围小、破坏性强等特点（Luo et al., 2016）。在四川西南部（简称川西南）凉山州地区，以突发性暴雨为主要诱因的山洪灾害对该地区人民生命财产安全影响巨大（郁淑华,2003; 杜俊等, 2015）。统计数据显示，在四川省所有地级行政单元中，凉山州、阿坝州、甘孜州和雅安市发生灾害最多，约占全省山洪灾害总数的70%，其中凉山州占比高达26%（熊俊楠等, 2018）。2006～2011 年，凉山州以突发性暴雨为主要诱因的山洪灾害次数约占成灾总次数的79%（钟燕川等，2018）。研究表明，夏季四川盆地（简称盆地）及边缘山谷地区常具有高能高湿的环境条件，年均降水量的最大值位于盆地西南部（邵远坤等,2005）。高原与盆地的过渡地带易出现短时强降水（小时雨量大于20 mm），而强降水持续2 h 以上的暴雨过程将造成中型以上山洪灾害风险显著增加（周长艳等, 2011; 李国平, 2016）。
四川盆地暴雨过程天气学成因分析表明，高原槽、西南低涡、低空切变线、低空及边界层急流等是引发区域性暴雨的主要影响系统（何光碧, 2012;李琴等, 2016; 高守亭等, 2018），但在弱高空环境场条件下，一些较弱的低层风场水平切变、辐合及地形作用都可能触发并形成中尺度对流系统（MCS），导致出现局地突发性暴雨（张芳丽等,2020）。针对地形影响下的局地异常强降水过程的研究，黄小彦等（2020）指出，边界层急流将暖湿空气向地形迎风坡的MCS 发生区输送，与对流降水形成的冷池出流对峙，有利于强降水的维持和增强。另外，已有研究通过气候统计、物理量诊断及敏感性试验等方法（赵玉春等, 2012; 周秋雪等,2019; 金妍和李国平, 2021），揭示了盆地周边地区的显著地形起伏和多山地特点对周围大气环流、强降水发生、发展所产生的影响机制。谢家旭和李国平（2021）指出，西南山区的突发性暴雨是地形与天气系统共同作用的结果，通过山谷风、重力波等物理过程对局地环流产生影响，诱发局地强降水。
尽管针对四川暴雨过程已开展了大量有意义的研究工作，但研究内容大多以盆地区域性暴雨和大地形作用的诊断分析为主。然而，盆地边缘起伏地形下突发性暴雨所涉及的科学问题，诸如多尺度系统协同作用下的特殊地形对暴雨的影响，以往的研究涉及甚少。目前，对川西南山地暴雨的主客观业务预报能力整体较低，主要原因在于对川西南山地中尺度暴雨形成机制的认识仍然欠缺，主流业务数值模式的预报能力显著不足。因此，对川西南地区特殊地形影响下的中尺度暴雨对流触发、对流组织机制还有待深入分析。
2020 年6 月26 日夜间，凉山州冕宁县因突发性暴雨（简称“6.26”过程）引发了山洪灾害，造成了严重生命财产损失。欧洲中期数值预报中心（ECMWF）等全球模式降水预报明显偏弱，中国气象局的不同业务区域模式对降水强度、落区的预报存在显著分歧，造成针对此次突发性暴雨是否发生以及可能发生的时间、位置、强度的预报难度极大。本文将在分析此次暴雨过程的多尺度天气系统特征的基础上，揭示复杂地形影响下的对流触发和维持机制，以期为川西南山地暴雨业务精细化预报提供有益的参考。
文中采用多源观测、再分析和对流可分辨模式预报资料做综合分析。资料包括：（1）中国气象局整编的逐小时国家站和逐5 min 地面自动站观测资料；
（2）风云2 号（FY-2G）红外辐射亮温（TBB）资料；
（3）西昌站多普勒天气雷达逐6 min体扫数据和雷达组网反射率因子（reflectivity factor, REF）资料；
（4）ECMWF 逐小时0.25°×0.25°分辨率全球再分析资料（ERA5）和中国气象局陆面同化系统（CMA Land Data Assimilation System，CLDAS）逐小时5 km 分辨率再分析资料（师春香等, 2019）；
（5）中国气象局中尺度天气数值预报系统3 km 分辨率预报资料（CMA-MESO-3KM; Shen et al., 2020）；
（6）西南地区1 arc-min高分辨率地形资料。
本文第三节介绍暴雨过程的实况与灾区地理概况，第四节分析大气环流背景与中小尺度系统的活动特征。MCS 形成机制与环境大气的异常特征将在第五节中给出，主要利用自动站分钟级观测、CLDAS 资料分析冷空气、低空偏南气流对MCS发生发展的影响，并选取2015 年7 月14 日冕宁暴雨过程（简称“7.14”过程），运用标准化异常方法进行比较，分析降水极端性成因（Sun and Zhang, 2017）。第六节将基于ERA5 再分析资料，结合CMA-MESO-3KM 模式资料，分析川西南北部地形的作用，提炼关键因子，总结此次暴雨过程形成机制的概念模型。
2020 年6 月26 日08 时（北京时，下同）至27 日08 时，盆地南部和西南部山区出现了两片相互独立的暴雨区，其中，西南部山区暴雨以上量级降水主要出现在冕宁县中部和北部（图1a 中红框）、越西县等地，大暴雨出现在小相岭两侧长宽约30 km 的区域中，暴雨过程局地性特征明显。
冕宁地处川西南山区北部，整体地势北高南低，周边地形多尺度特征明显。灾情发生地位于安宁河谷北端，其东侧为小相岭，西侧为牦牛山，均为南北向山脉，山谷高差悬殊（图1b）。5～9 月为川西南山区雨季，降水量相对集中，占全年总量的90%以上。6～7 月是川西南山洪灾害的爆发期，约占夏半年发生总次数的64%（吴莉娟等, 2011）。根据6 月和7 月月平均降水量分析，凉山州的主雨带沿安宁河谷分布并在河谷南北两端出现极值中心，而其中之一位于冕宁境内，达到460 mm 以上（图1a）。
2020 年6 月26 日23 时 至27 日00 时，强 降水引发山洪并形成河道洪积扇。曹古乡、灵山寺站位于冕宁站东侧与小相岭西麓的东西走向分支山谷中（图1b），26 日16 时至27 日03 时，灵山寺站降水量达182.1 mm，其周边的曹古乡、惠安镇和冕宁站降水量分别为84.9 mm、148.5 mm 和27.6 mm。26 日22 时，灵山寺站累计雨量快速增加，山洪滞后1～2 h 发生。27 日00 时，灵山寺站出现69.3 mm 小时雨量（图1c）。惠安镇站在过程初始即出现了30.3 mm 小时雨量，之后强降水持续时间超过5 h。据2005～2019 年国家站小时雨量统计，冕宁站的最大小时雨量为55.2 mm（2019年8 月22 日06 时）。可见，本次暴雨过程具有水平尺度小、突发性强、累计雨量大的特点，并且出现了极端小时雨量。
图1 （a）2020 年6 月27 日08 时（北京时，下同）凉山州24 h 降水量（彩色圆点，单位：mm）、气候（1981～2010 年）平均的6、7 月月平均降水量之和（黄色等值线，单位：mm）及地形高度（填色，单位：m）；
（b）冕宁县地形分布；
（c）2020 年26 日16 时至27 日03 时冕宁县、惠安镇、曹古乡和灵山寺逐小时雨量（柱形）和累计雨量（折线）。图a 中，蓝色线表示凉山州的州界；
方框区域表示本文关注区域，即冕宁县中部和北部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
4.1 大气环流背景条件
基于再分析资料的分析结果显示，6 月26 日14 时，川西南地区受浅槽影响，西太平洋副热带高压（简称副高）西脊点位于北部湾附近。川陕交界地区前期有高原波动过境，冷空气主体位于甘陕南部，在槽后偏北风的引导下进入盆地西部。傍晚至夜间，盆地低涡开始形成，川西南整层可降水量（PWAT）达到35 mm（图2a）。700 hPa，西南暖湿气流经川西南山区北上与盆地西部偏北气流相遇，在盆地西部形成“西北—东南”走向的切变线。200 hPa，四川中西部处于南亚高压东北部弱分流区，其中川西高原及川西南的部分地区存在高层辐散，500～700 hPa 垂直风切变大值区主要分布在四川北部（图2b）。
图2 2020 年6 月26 日14 时（a）500 hPa 位势高度（黑色等值线，单位：dagpm）、700 hPa 风（箭头，单位：m s-1）、整层可降水量PWAT（绿色填色，单位：mm）、200 hPa 风速（蓝色填色，单位：m s-1）、海平面气压场（红色等值线，单位：hPa），（b）200 hPa 位势（实线，单位：m2 s-2）、散度（填色，单位：10-5 s-1）、500～700 hPa 垂直风切变（≥12 m s-1，虚线）和700 hPa 风（风向杆，单位：m s-1）；
（c）2020 年26 日20 时西昌站T-lnp 图。图b 中红色星表示冕宁站位置。图c 中黑、蓝色线分别代表温度、露点温度；
CAPE、CIN、SI、LI 表示对流有效位能、对流抑制能量、沙氏指数、抬升指数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 时，西昌站（位于冕宁站南侧约70 km处）的探空资料显示，对流有效位能（CAPE）达1101.0 J kg-1，500～700 hPa 空气接近饱和，700 hPa比湿大于12 g kg-1，沙氏指数（SI）和抬升指数（LI）表明大气具有一定的对流不稳定性。然而，对流发生前高空天气尺度强迫较弱，河谷近地面层空气较干，700 hPa 以下为“干暖”的偏南风，平均风速达8 m s-1，对流抑制能量（CIN）较强（111.0 J kg-1），对流触发需要河谷内出现对流环境调整和较明显的抬升机制。全球业务模式对上述不稳定指数预报明显偏弱（ECMWF 模式24 h 时效CAPE 预报为200～300 J kg-1）。从实时预报角度，这是一次前期征兆不显著的山地突发性暴雨过程。
4.2 中小尺度对流系统的活动特征
26 日午后至夜间造成冕宁山洪灾害的MCS（图3 中箭头所指）发生、发展过程可分为4 个阶段：（1）对流初生与局地对流组织化阶段（26 日15～17 时）；
（2）MCS 形 成 与 快 速 发 展 阶 段（26 日17～20 时）；
（3）MCS 成 熟 阶 段（26日20 时 至27 日00 时）；
（4）MCS 减 弱 阶 段（27 日00～03 时）。
在图3b 中，四川西部和南部存在3 个云团，其中云团A 与川西高原北部的高原波动相联系，云团C 与盆地低涡东南部的辐合上升区相对应（图1a），云团B 是凉山州北部暴雨过程的直接影响系统。如图3a 所示，第1 阶段，甘孜州东南部九龙县（冕宁县西北侧）出现分散性对流，对流单体初生于一条“东北—西南”走向的云系中，并在移动过程中组织化程度增强。第2 阶段，凉山州北部于26 日傍晚出现MCS，云团B 表现为接近圆形的中尺度云团（较大范围冷云罩），而短时强降水出现在云团中心，3 个云团的空间分布近似等距排列（图3b）。第3 阶段，云团B 范围较第2 阶段明显增大，呈现中尺度对流复合体（MCC）形态，短时强降水站点增多（图3c）。第4 阶段，冷云罩范围显著减小，云体开始塌陷，MCS 快速减弱（图3d）。
图3 2020 年6 月26 日（a）16 时、（b）19 时、（c）22 时和（d）27 日01 时TBB（填色，单位：°C）、小时雨量（≥20 mm，圆点）。箭头指示的为中尺度对流系统（MCS）。图b 中，字母A、B、C 表示云团编号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，本次过程对流云团具有MCC 云团特征，云团B 的快速发展和成熟阶段持续近7 个小时。结合环流背景和对流环境场分析，川西低槽和凉山州北侧切变线是川西高原对流形成的主要影响系统，对冕宁对流（B 云团）直接触发的影响不明显。为揭示冕宁致灾对流暴雨的触发机制，须进一步分析中小尺度对流系统的活动特征。
26 日17 时，冕宁站偏西方向出现局地对流（最大REF 达50 dBZ以上），在西南风引导下向东北方向移动（图4a）。傍晚，冕宁中北部局地对流迅速增多。19 时，冕宁中北部有3 条“西南—东北”向的带状γ 中尺度（meso-γ）对流系统，位于中间（冕宁站北侧惠安镇附近）的带状对流系统最大REF 达60 dBZ以上，3 条带状对流系统最强单体排列呈“西北—东南”走向（图4b）。此后，冕宁站南侧不断有对流新生并向东北方向移动，在灵山寺附近达到最强（55 dBZ以上），冕宁站北侧的带状对流系统强度有所减弱（图4c）。根据19 时REF 剖面图分析，对流回波的质心较低（距地面约3 km），位于环境大气的0°C 层以下（图2c），回波中心南侧边界层存在明显的弱回波区（图4d）。
对雷达组合反射率因子(composite reflectivity factor, CREF)和自动站小时雨量资料分析，结果显示：26 日18 时甘孜州九龙县对流发展旺盛，出现了小时雨量超过30 mm 的短时强降水，同时冕宁西部牦牛山的“缺口”处不断有对流新生并向东扩展（图5a）；
21 时，冕宁东部对流发展旺盛，冕宁站北侧和南侧对流回波向东移动并影响小相岭西麓的曹古乡和灵山寺，冕宁站北侧多个站点出现短时强降水，河谷内带状对流回波在南北方向上移动缓慢（图5b）；
27 日00 时，对流回波范围略有缩小，但灵山寺附近CREF 中心值仍在增加，达到55 dBZ以上，灵山寺站出现极端小时雨量（图5c）。
图5 2020 年6 月26 日（a）18 时、（b）21 时和（c）27 日00 时雷达组合反射率因子（≥35 dBZ，等值线）、小时雨量（彩色圆点，单位：mm）、地形高度（填色，单位：m）。三角形代表冕宁站位置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
中小尺度对流系统特征分析表明，冕宁站北侧和南侧的2 条带状meso-γ 对流系统造成了局地强降水，对流在冕宁站西侧和南侧不断新生，存在后向传播特征，在惠安镇和灵山寺附近出现“列车效应”，并形成了持续性强降水。
5.1 上游对流冷池出流与冷空气的作用
26 日午后至傍晚，进入盆地西部的次天气尺度冷空气（简称冷空气）以及前期在川西高原出现的对流系统是否与冕宁局地对流暴雨的触发存在联系？对CLDAS 资料分析，结果显示：26 日17 时，受甘孜州东南部对流影响，九龙县、石棉县（冕宁北侧）等地出现了较强负变温和冷池，1 h 最大降温幅度超过4°C（图6a）；
与之对应的地面流场表现为中尺度反气旋（雷暴高压），地面冷池沿牦牛山西侧山谷地区向南推进，出现1°C～2°C 的负变温；
冕宁站位于安宁河谷“暖舌”前沿，冕宁站与北部地区的温差达10°C 以上（图6a）。相应地，冕宁县西北侧高海拔地区的对流冷池出流（简称对流出流）与河谷偏南气流形成了地面辐合线（图6b）。受盆地西部冷空气影响，冕宁东侧的越西县和甘洛县出现了较大范围的弱降温，南下冷空气被阻挡在小相岭以东的地区。
基于CLDAS 资料和自动站风场资料分析与经向平均气温的温差，结果显示：17 时冕宁站偏西方向为冷暖气流的交汇处，地面温度梯度较大，冕宁站以北地区的地面风为偏北风，而冕宁南部受偏南风控制（图6c）；
23 时，冕宁站东南侧的地面温度梯度增强（图6d）。由此可见，在强降水过程中，河谷内边界层存在中尺度锋生，且冷暖气流的汇合区稳定出现在冕宁站附近。
图6 2020 年6 月26 日17 时CLDAS 资料（a）地面风（风向杆，单位：m s-1）、气温（填色，单位：°C）、1 h 变温（等值线，单位：°C），（b）地面流场（流线），（c）17 时、（d）23 时温差（参考气温为经向平均气温，等值线，单位：°C）、自动站观测的地面风（风向杆，单位：m s-1）。图b-d 中填色表示地形高度（单位：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，冕宁县西北侧高海拔地区的对流出流与河谷偏南气流形成的地面辐合线对河谷对流的触发起到了关键作用，而冷空气对冕宁县对流触发的直接影响非常小。这一点可以从分布于川西南北部不同位置的站点观测得到证实。
根据自动站分钟级观测分析，结果显示：受上游对流出流影响，冕宁站于17:10 左右开始出现持续增压和降温，降温开始时间比降水提前20 分钟左右。对比前一日（晴空日）气温和同时刻近10 d平均气温的变化，17 时以前，没有出现明显升温和降温现象（图7a）；
15:40 开始，甘洛站（冕宁东侧）出现持续降温和小幅增加压现象，这显然与盆地西部冷空气南下侵入的过程有关。17:30 开始，出现快速降温和增压，并于10 分钟后出现明显降水，这一降温增压过程显然是对流冷池在地面要素上的反应，表明甘洛站出现降水之前受冷空气的影响较明显（图7b）；
石棉站（冕宁北侧）在17 时之前的气温降幅总体高于冕宁站而低于甘洛站，这说明冷空气对石棉站的影响相对较小（图7c）；
16 时前，灵山寺站出现小幅降温，17 时后，受上游对流出流影响后，气温持续下降（图7d）。
图7 2020 年6 月26 日14～22 时（a）冕宁、（b）甘洛、（c）石棉和（d）灵山寺5 分钟降水量（P，单位：mm）、15 分钟变压（PRS_15min，单位：hPa）、地面气温（TEM，单位：°C）、25 日同时刻地面气温（TEM_L，单位：°C）和同时刻近10 d 地面平均气温（TEM_M，单位：°C）及逐小时云量（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 低空偏南气流的作用
基于ERA5 和三维雷达REF 资料分析，结果显示：26 日18 时假相当位温大值区出现在冕宁站以南地区，达到344 K 以上；
冕宁站以南河谷地区，650 hPa 以下层次受偏南风控制，其中650～700 hPa风速可达12 m s-1；
从27°N 至29°N，海拔高度提高近2 km，河谷上游地形对偏南气流有强迫抬升作用；
冕宁北部及其以北地区存在系统性动力抬升，而REF 的高值位于垂直速率大值区的南侧，这表明上游对流出流对冕宁站附近对流的触发有直接影响（图8a）。另一方面，川西南低空偏南气流是低层水汽和能量输送的关键系统。在冕宁站风廓线图中（图8b），16 时起，650～700 hPa 偏南气流的动力特征表现为风速增大、风速脉动及持续辐合，其中辐合强度分别于19 时和23 时两次达到峰值。在此期间，500 hPa 上气温呈缓慢下降趋势，低层存在持续暖湿输送。因此，低空偏南气流对不稳定层结的发展及对流维持也发挥了关键热力作用。
图8 （a）2020 年6 月26 日18 时风场（风向杆，单位：m s-1）、假相当位温（红色实线，单位：K）、垂直速度（≤-0.2 Pa s-1，蓝色虚线）、三维雷达反射率因子（彩色阴影，单位：dBZ）和地形（灰色填色）沿图6a 黑色虚线的垂直剖面；
（b）2020 年26 日12 时至27 日12 时冕宁站风廓线（风向杆，单位：m s-1）、温度（等值线，单位：°C）和散度（填色，单位：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
上述这支低空偏南气流是源自孟加拉湾（简称孟湾）的水汽输送带的一部分，该水汽输送带进入西南地区南部后表现出分岔现象，其中一支作为主体经贵州进入盆地南部，另一支经凉山州南部进入暴雨区（图9a）。冕宁站以南的分支水汽输送带分别在18 时和21 时后出现阶段性增强特征，与盆地西部偏北气流的辐合区在凉山州北部缓慢南移。比较14 时700 hPa 水汽通量场（图略）和比湿时空图，冕宁站以南的分支水汽输送带持续约9 h，700 hPa 比湿达13～14 g kg-1，且大值区稳定出现在28.3°～28.8°N（图9b）。
图9 （a）2020 年26 日23 时700 hPa 风（箭头，单位：m s-1）和水汽通量（填色，单位：g cm-1 hPa-1 s-1），红色星表示冕宁站位置；
（b）700 hPa 比湿（填色，单位：g kg-1）的纬度—时间图，经度位置为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 环境大气的异常特征
针对本次过程出现极端小时雨量和持续性强降水的特征，可通过对物理量偏离气候态的程度进行分析，一般认为偏离3 倍以上标准差预示着小概率严重事件发生的可能性（Hart and Grumm, 2001）。某一变量偏离气候态的程度可以用标准化异常（Ds）来表征：
其中，V为某一时刻变量或物理量的值，M为该变量同时刻30 年的21 天滑动平均，σ 为气候标准差。气候及分析数据采用1981～2010 年ERA5 资料。为了更好揭示“6.26”暴雨过程的极端性，选取具有相似影响系统（如低空偏南气流、盆地低涡等）的另一次冕宁对流暴雨过程（2015 年7 月14 日）进行对比分析（图10b）。在“7.14”过程中，冕宁、灵山寺及彝海镇的日（7 月14 日08 时至15日08 时）降水量分别为49.2 mm、58.9 mm 和86.4 mm。
从环境大气的不稳定能量看，CAPE 的高值容易出现在每天14 时，而6 月26 日冕宁站的CAPE最大值出现在18 时，达到1500 J kg-1以上，Ds超过5 σ，这显然与低层偏南风暖湿平流增强过程有关，且27 日00 时以前，Ds均超过3 σ（图10a）。“7.14”过程中，14 日午后冕宁站南侧CAPE 达到2000 J kg-1以上，Ds超过3 σ，但16 时后，CAPE 迅速减弱并回落至气候态附近（图10b）。两次过程中，CAPE 均表现出明显的异常，其中“6.26”过程的异常更为显著，且CAPE 迅速增加与强降水几乎同时出现，具有较强的突发性。
2020 年6 月26 日23 时，冕宁站东北侧的垂直积分水汽通量散度（Vertical Integral of Divergence of Moisture Flux, VIDMF; Van Zomeren and Van Delden, 2007）出现最低值，即出现极端水汽辐合的时间和位置与随后1 h 的极端小时雨量的时间和位置一致，Ds低于-7 σ，且Ds低于-2 σ的时长接近9 h（图10c）。“7.14”过程中VIDMF 异常较“6.26”过程明显偏弱，仅有一个时次Ds低于-3 σ（图10d）。此外，“6.26”过程中冕宁站南侧的垂直积分北向水汽通量（Vertical Integral of Northward Moisture Flux, VINMF）和CAPE 的最大值出现的时间一致（26 日18 时），并与冕宁站附近强降水发生时刻较为接近，其峰值达到200 kg m-1s-1，Ds超过2 σ（图10e）。“7.14”过程VINMF异常程度略低于“6.26”过程（图10f）。
图10 2020 年“6.26”（左）和2015 年 “7.14”（右）暴雨过程环境大气特征对比：（a）2020 年6 月26 日18 时、（b）2015 年7 月14日14 时对流有效位能CAPE（等值线，单位：J kg-1）；
（c）2020 年6 月26 日23 时、（d）2015 年7 月14 日16 时垂直积分水汽通量散度（VIDMF，等值线，单位：10-3 kg m-2 s-1）；
（e）2020 年6 月26 日26 日18 时、（f）2015 年7 月14 日14 时垂直积分北向水汽通量（VINMF，等值线，单位：kg m-1 s-1）。填色分别表示CAPE、VIDMF 和VINMF 的标准化异常，风向杆表示700 hPa 风（单位：m s-1），折线图表示物理量（CAPE、VIDMF 和VINMF，红线）大值区（以“○”所在位置为代表）、气候态（粗黑线）及气候态增加或减少若干倍标准差后（灰线）的变量随时间的变化。图a-f 中，“+”表示冕宁站位置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
本节分析表明，26 日17～18 时，上游对流出流与午后逐渐加强的谷地偏南气流相遇形成的地面辐合是对流触发的直接原因，谷地偏南气流增强有利于对流环境调整。午后至夜间，川西南分支水汽输送带的阶段性增强和维持，成为对流不断生成并在冕宁站北侧和东侧形成“列车效应”的关键因子。另一方面，通过比较分析，“6.26”过程中的关键物理量均表现出明显异常，这些异常物理量共同作用为形成具有极端性的暴雨过程创造了有利条件。
6.1 地形作用
已有研究表明，暴雨过程中地形的强迫作用不容忽视（Houze, 2012）。川西南地区整体地势北高南低，受辐射日变化作用，午后边界层易形成暖脊；
安宁河谷呈现南北狭长地形特征，河谷午后盛行偏南风。受冷空气和川西南北部高海拔地形的共同影响，河谷内气温明显高于同纬度盆地西南部地区。另外，川西低槽东移速度较快，16 时至17 时，暖脊位置较为稳定，而低槽过境后形成了前倾槽结构，槽后中层弱冷空气侵入将增加川西南北部地区的对流潜势（图11）。因此，在过程中川西南地区的特殊地形在动力和热力方面均表现出显著影响。
图11 2020 年6 月26 日17 时云量（圆点，单位：%）、地面风（风向杆，单位：m s-1）、气温（≥30°C，数值和红色等值线）、500 hPa 位势高度（蓝色等值线，单位：dagpm）。填色表示地形高度（填色，单位：m），白色线表示凉山州边界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 资料分析高空冷暖平流，结果表明：在“6.26”和“7.14”过程中，川西南北部的高海拔地形对冷空气南下进入安宁河谷有一定的阻滞作用（图12）；
“6.26”过程初期，冷空气势力较强，但冕宁北部高海拔地区近地面层仍表现为偏南风（图12a）；
过程后期，两次过程均出现冷空气翻越小相岭的现象（冕宁北部高海拔地区近地面层转为偏北风，图12b、d），但“7.14”过程冷空气势力增强和南下入侵更明显。比较结果显示，冕宁地区对流降水的发展和维持与翻越小相岭冷空气的强度、低空偏南气流的强度及其风速核的高度有密切关系（“6.26”过程后期低空暖平流增强，且偏南气流风速核的高度明显低于“7.14”过程）。这进一步表明，安宁河谷内MCS 的强烈发展与维持是多尺度系统与地形相互作用的结果。
图12 2020 年6 月26 日（a）17 时、（b）23 时和2015 年7 月14 日（c）14 时、（d）20 时沿图6a 蓝色虚线的v-w 气流（箭头，单位：m s-1）、温度平流（彩色填色；
单位：10-4 K s-1）及地形（黑色填色，右侧纵坐标，单位：km）的垂直剖面。v、w 分别表示经向风和垂直方向的风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，当对流可分辨模式所提供的地形描述与实际地形较为接近时，有助于揭示地形对局地环流和降水的影响（Zhang et al., 2021）。在“6.26”过程短期时效降水预报检验结果中，CMA-MESO-3KM 模式24 h 降水预报达到大到暴雨量级，在众多模式中表现最优。选取26 日08 时为初始时刻的CMA-MESO-3KM 资料进行分析，如图13a 所示，模式地形较好表现出冕宁站东侧小相岭和西侧牦牛山的基本地形特征。26 日19 时，从地面温度平流可知，冕宁站附近的偏北风与盆地西部冷空气并不存在直接联系，但小相岭东侧地区明显受到冷空气的影响，地面偏北风与冷平流对应。700 hPa，川西南北部受低空切变线影响，河谷内受偏南风控制（图13b）。22 时，翻越川西南北部高海拔山岭的冷空气与河谷上游对流冷池结合并开始向南侵入，而小相岭东侧冷空气已影响冕宁县东南侧区域（图13c）。700 hPa，冕宁站位于偏北冷气流和偏南暖气流交汇区（图13d）。分析表明，川西南北部的高海拔地形对延缓冷空气进入安宁河谷并维持河谷内不稳定层结的发展有显著作用。
对比26 日傍晚至夜间九龙县及河谷内出现的对流回波（图4、图5），CMA-MESO-3KM 模式的模拟对流回波与实况较为接近，但持续时间略短于实况。19 时，上游对流形成的冷池沿河谷向南移动，冷池出流边界与谷地偏南气流在冕宁站附近形成了强烈的对流抬升机制（图14b），造成冕宁站附近的局地对流被触发（图14a）。22 时，对流系统持续影响冕宁站附近地区并向东移动（图14c）。由于浅薄冷池沿河谷向南推进，地面受偏北风控制，但冕宁站附近由于对流增强，形成冷池堆积现象，随着冷空气开始进入谷地以及上游地区对流持续，造成河谷偏北风的强度和厚度随纬度增加（向北）而增强、增厚，同时低空偏南气流相比过程初期有所增强，为对流系统强度维持提供了持续性的动力抬升机制（图14d）。此结果与前述的基于观测和再分析资料的分析结果是吻合的。此外，19 时冕宁上游高海拔地区对流系统出现在偏南气流与地形高度梯度大值区的结合处（图13b、图14a）。这表明除川西南北部的低空切变线外，冕宁北部的地形强迫抬升亦构成了上游高海拔地区初始对流的潜在触发机制。
图13 2020 年6 月26 日19 时（上）、22 时（下）（a、c）地面风（箭头，单位：m s-1）、温度平流（等值线，单位：10-4 K s-1）、模式地形高度（填色，单位：km），（b、d）700 hPa 风（箭头，单位：m s-1）、温度平流（等值线，单位：10-4 K s-1）、模式3000 m 以上地形（灰色填色）。紫色圆点代表冕宁站位置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
图14 2020 年6 月26 日19 时（上）和22 时（下）（a、c）雷达组合反射率因子（填色，单位：dBZ）、模式地形2800 m 线（等值线），（b、d）沿图14a 红色虚线的v-w 气流（箭头，单位：m s-1）、与经向平均气温的温差（实线和填色，单位：°C）、垂直速度（虚线；
单位：m s-1）、模式地形（灰色填色）垂直剖面。图b、d 中，红色三角形代表冕宁站位置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 关键因子与概念模型
冕宁“6.26”暴雨过程的天气尺度斜压强迫较弱，但与MCS 强度维持有关的关键物理量具有明显的强度异常特征，在冕宁地区“河谷—山地”地形及上游对流系统影响等机制作用下，形成了持续性、高强度的夜间突发性中尺度暴雨过程。综合前述分析结果，归纳总结此次暴雨过程形成机制和预报的关键因子与概念模型：（1）源自孟湾的西南暖湿输送带上出现了分支水汽通道进入冕宁暴雨区（偏南气流强度达12 m s-1左右），其中VINMF 异常超过2 σ，暴雨区位于“湿舌”（比湿达12 g kg-1以上）前沿。（2）盆地低涡西部偏北气流与川西南低空偏南气流形成了缓慢南压的低空切变线。（3）过程发生前冕宁河谷内地面气温达30°C，CAPE 达1500 J kg-1以上，异常超过5 σ。川西低槽过境后形成前倾结构，进一步加强了对流不稳定性（图15a）。（4）26 日午后，冕宁上游地区的高原对流形成近地面冷池，在冷池扩张过程中与河谷内的偏南风（风速6～8 m s-1）形成了中小尺度辐合线及显著的抬升机制（图15b）。（5）26 日前半夜，低空偏南气流还在持续增强，进一步增强了向暴雨区的水汽输送和对流能量输送。同时，上游地区持续的对流冷池出流与翻越山岭的冷空气合并后向南侵入，由冷暖气流对峙形成的边界层动力抬升有利于冕宁站附近中尺度暴雨对流系统长时间维持（图15c）。
图15 四川冕宁“6.26”突发性暴雨的形成机制概念模型：（a）多尺度系统和物理量配置；
对流（b）触发、（c）维持机制示意图。图a中，填色表示地形高度（单位：m）；
图b、c 中，三角形代表冕宁站位置，风向杆代表冕宁站南侧河谷地区的环境风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
针对诱发四川冕宁“6.26”山洪的突发性暴雨过程，本文分析了降水实况、灾区地理环境及多尺度系统特征，研究了该地区复杂地形条件下对流的触发和维持机制，提炼了关键预报因子，总结了暴雨过程形成机制的概念模型。结果表明：
（1）该过程是一次由多条带状meso-γ 对流系统产生的、伴有极端小时雨量的局地突发性暴雨过程。产生强降水的对流云团发展快、强度强，具有MCC 云团特征，强对流回波质心较低，强降水持续时间长。对流发展具有明显的后向传播特征和“列车效应”。
（2）过程发生前，环境大气具有一定的对流不稳定性，但低层存在较强的对流抑制能量。上游对流冷池出流、盆地西部冷空气以及傍晚至夜间增强的低空偏南气流对冕宁地区对流环境调整并形成持续性、高强度的对流暴雨产生了直接且显著的影响。另外，对比历史相似过程，该过程的关键物理量具有更显著的异常和异常持续性。
（3）川西南北部高海拔地形对冷空气南下进入安宁河谷具有一定的阻滞作用，而午后低云量条件下河谷边界层易形成暖脊，川西低槽过境后形成的前倾结构，增强了该地区的对流不稳定性。另外，在较强的谷地偏南风背景下，川西南北部地形强迫抬升形成了河谷上游地区潜在的对流触发条件。
（4）由川西低槽、低空偏南气流和切变线构成的天气系统配置有可能触发川西高原对流系统，造成对流冷池沿高原谷地向下游推进。这些影响系统及其演变在业务应用中需要重点关注。川西南700 hPa 等比湿线（12 g kg-1）、边界层暖脊、中等强度以上CAPE 的分布以及分支水汽输送带、上游对流冷池出流与谷地偏南气流形成的地面辐合线等构成了该地区突发性暴雨预报的关键因子。
“6.26”暴雨形成机制的分析结果表明，对于短期时效预报，盆地西部冷空气的强度及其与川西南低空偏南气流相互作用是关注重点。如果冷空气偏强，南下侵入较快，川西南北部降水时间较短；
如冷空气偏弱，在川西南北部地形的阻挡下，对安宁河谷上游地区产生的影响较小。当冷空气达到合适强度，在过程初期不能迅速翻越冕宁北部高海拔地形，在冕宁北部形成系统性抬升并出现对流，其冷池出流为下游地区提供潜在的对流触发条件。如预计在对应时段河谷内将出现较强且持续的偏南气流，需要考虑该地区复杂地形条件下产生的“列车效应”及由此引发的持续性强降水和山洪风险。因此，研究冕宁暴雨过程与盆地西部冷空气的关系有重要的应用价值。此外，针对盆地低涡对川西南暴雨的影响以及该地区暴雨可预报性等问题也亟需开展深入研究。
致谢感谢中国气象科学研究院梁旭东研究员和夏茹娣副研究员、国家气象中心陈双和权婉晴在本研究结果交流讨论过程中给予的指导！
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