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user: 4. 物理量分析 4.1. 水汽条件 4.1.1. 水汽通量 水汽是暴雨发展和维持的必要条件，一场暴雨的形成往往需要源源不断的水汽输送。图3(a)中700 hPa西南急流是本次暴雨过程提供水汽的主要通道。可以较为直观观察水汽通道的物理量为水汽通量。水汽通量的定义为单位时间内经过单位面积的水汽质量。水汽通量有水平输送和垂直输送之分，常规意义里的水汽输送指的是水平输送的水汽通量。图5中，填色部分为相对湿度。根据图5(a)可以看出在2020年8月15日20时，水汽的源地位于相对湿度最大值区，相对湿度最大值位于孟加拉湾和南海，再结合水汽通量方向可看出，15日20时在暴雨发生之前对流层中低层已经建立起从孟加拉湾和南海往四川盆地输送水汽的主要通道。主要通道为孟加拉湾–南海–广西–四川。水汽通道是由孟加拉湾和南海往云南、四川、甘肃南部源源不断地输送水汽建立起的。不间断的水汽输送为本次暴雨的发生创造了良好的水汽条件。 2020年8月16日08时，相比起昨日，主要水汽输送通道略微南移，且水汽输送增强。整个四川省包括青藏高原地区相对湿度增加，四川盆地处的水汽通量和相对湿度大值明显增强且大值范围增大。图5(d)，8月16日14时700 hPa，四川省相对湿度相比于08时减小，但是由水汽通量方向得知水汽输送仍在进行，所以可得700 hPa层次上相对湿度的减少是由于降水引起的。图5(e)为8月16日20时700 hPa图，可以看到相对湿度明显增大，对此的判断为降水强度减少，而从图上可得知水汽传输仍然在继续，所以相对湿度累计增大。 图5. 700 hPa水汽通量图2020年8月15日20时(a)，8月16日00时(b)，8月16日08时(c)，8月16日14时(d)，8月16日20时(e) 4.1.2. 水汽通量散度 另一个对暴雨有重要意义的物理量是水汽通量散度。定义为单位时间内单位体积内辐合进来(辐散出去)的水汽通量。水汽通量散度为负数时，表明水汽是辐合的；反之，当水汽通量散度是正数时，表明水汽是辐散的。水汽通量散度往往和暴雨落区有密切联系。 图6(a)为2020年8月15日20时700 hPa的四川省水汽通量散度分布图，图上蓝色区域为辐合区域，表明该处是水汽的汇，颜色越深表示汇合的水汽越多。图6(a)可看出降水发生以前水汽输送到的区域，因此来判断本次降水的大概范围，可看出都江堰位于色块最深处的辐合中心，与前面判定的降水中心结论一致。并且通过输送水汽的多少判定最可能成为降水中心的区域，提前做好相关预报。图6(c)为2020年8月16日08时700 hPa的四川省水汽通量散度分布图，相比于昨日20时的状况，16日08时的水汽辐合加剧，可以看到四川省东北部一条深色的带状辐合区，说明此时的水汽输送十分活跃，此时很可能为集中降水时间段。同时，水汽剧烈辐合也会带来上升运动，水汽辐合越剧烈的地方说明抬升动力也越充足，对暴雨的产生和发展也越有利。 图6. 700 hPa水汽通量散度图2020年8月15日20时(a)，8月16日00时(b)，8月16日08时(c)，8月16日14时(d)，8月16日20时(e) 4.2. 动力条件 4.2.1. 垂直速度 在暴雨过程中，垂直方向上大气必定是处于上升运动。可以直观判定上升运动的物理量是垂直速度，垂直速度为负时，则说明该处大气为上升运动；反之，垂直运动为正时，则说明该处大气为下沉运动。本次降水中心大概位于31˚N、104˚E处，所以动力条件分析采用沿着31˚N、104˚E的剖面。图7为沿着31˚N、104˚E的垂直速度时间剖面，横坐标为北京时，蓝色填色表明垂直速度为负值。16日00时到16日17时，850 hPa到700 hPa层次间有明显上升运动，根据前文可知本次暴雨过程集中降雨时间段为8月16日00时至16日20时，所得结论一致。最强的上升运动出现在16日08时左右，高度大约在850 hPa。 图7. 沿31˚N、104˚E垂直速度时间剖面 4.2.2. 散度 图8为沿着31˚N、104˚E的散度时间剖面，横坐标为北京时。由图可知，本次暴雨过程中大气辐合辐散的转换发生于700 hPa处，整个暴雨过程中700 hPa以下结构几乎全部辐合。辐合最强发生在16日17时700 hPa左右。400 hPa到700 hPa的对流层中高层处，辐合逐渐变强然后迅速转变为辐散且剧烈发展辐散。这种中低层辐合中高层辐散的结构满足抽吸作用，既可以增强上升运动也可增强水汽、热量和动量的交换。 图8. 沿31˚N、104˚E散度时间剖面图 4.2.3. 涡度 涡度在大气运动中，也是一个十分具有参考意义的物理量。涡度可判断大气运动的旋转程度，当涡度值为正时，大气逆时针旋转，称为气旋式涡度。反之，当涡度为负涡度时，大气顺时针旋转，称为反气旋式涡度。 图9是涡度沿着31˚N分布的垂直剖面图，蓝色填色部分为涡度负值区域。以暴雨落区103˚E~106˚E进行分析。图9(a)为2020年8月15日20时的垂直剖面图，由图可知，此时暴雨落区存在低层为涡度正值区，中高层为涡度负值区的垂直结构。到此时，对流层中高层被较强的涡度负值区所控制，出现反气旋式涡度。到了8月16日00时，即图9(b)，涡度正值区向上延伸，达到了300 hPa位置处，并且强度增强，范围也向着东西方向扩大。低层受到较弱的涡度正值区控制，300 hPa以上的涡度负值区的最大值也增大。在中低层为强涡度正值区，高层为强涡度负值区的垂直结构下，对流出现不稳定情况，为暴雨提供了良好的发展背景。此时开始出现降水。 8月16日08时，即图9(c)，涡度正值区迅速上升且强度剧烈加强，达到了250 hPa处，高层依然为强涡度负值区，在剧烈的动力作用下，此时对流极度不稳定且出现暴雨且雨量持续增加。8月16日14时，低层涡度正值区范围增大，达到了150 hPa处。中心强度增强，且东西范围扩大，高层依旧属于涡度负值区，虽然强度有所减弱，但仍然处于暴雨阶段。8月16日20时，低层涡度正值区和高层涡度负值区强度明显大幅度减弱，500 hPa以下逐渐回归涡度负值区的控制，对流不稳定结构逐渐消失，同时降水也逐步减弱直至停止。 为了更加直观地看出涡度随着时间与高度的变化，图10是涡度沿着31˚N、104˚E分布的时间–高度剖面图，横坐标为北京时。由图可看出，涡度负值区集中在850 hPa以下，涡度正值区主要存在于500 hPa~850 hPa。8月15日20时，已经开始发展出低层涡度正值区，中高层涡度负值区的对流不稳定结构，但由于中心强度都较小，因此并未产生降水。而到8月16日02时，低层涡度正值区和高层涡度负值区中心强度均增强，开始出现高层反气旋性环流，低层气旋性环流的垂直结构，大气辐合上升，大气和对流都处于不稳定状态，此时降水发生。8月16日08时，低层涡度正值区抬升至400 hPa处，强度对比之前增强，随着涡度正值区中心强度的增强，降水量也增加。8月16日14时，低层涡度正值区中心强度达到最大，同时涡度正值区抬升至最高阶段，依旧处于暴雨发生时间段内。8月16日20时，相比上一时间段，低层涡度正值区中心强度削弱，高层涡度负值区中心值也减小至不足以维持暴雨的继续发展，降水将持续减弱至结束。 图9. 涡度沿着31˚N分布的垂直剖面图 2020年8月15日20时(a)，2020年8月16日00时(b)，8月16日08时(c)，8月16日14时(d)，8月16日20时(e) 图10. 涡度沿着31˚N、104˚E分布的时间–高度剖面图 4.3. 热力条件 4.3.1. 假相当位温 假相当位温θse由定义特征可知，该变量可将大气压力以及大气温度和大气湿度同时表征出来。假相当位温的垂直分布能够反映大气层结的稳定情况，即当该变量值与气压值成正比时，对流不稳定；成反比时，对流稳定；当该变量值不随气压值变化时，则表示对流呈中性。图11是根据欧洲气象中心ECMWF 0.25˚ × 0.25˚再分析数据得出的假相当位温沿着104˚E所分布的垂直剖面图。由图11(a)分析2020年8月15日20时的数据，存在两个假相当位温最大值分别位于27˚N和33˚N。34˚N周围700 hPa以下的假相当位温等值线密集且随着高度向南弯曲，说明在34˚N以南为对流不稳定层结，假相当位温随着气压值的增大而增大，而在34˚N以北，假相当位温与气压值呈现反比，为对流稳定层结。一侧对流稳定，另一侧对流不稳定，这种情况说明34˚N附近存在一锋区，且锋区随高度向南弯曲。到了2020年8月16日08时，27˚N处的假相当位温最大值几乎没有变化，而33˚N处的假相当位温最大值相比于8月15日20时明显减弱，假相当位温等值线也更加疏松。虽然在34˚N以南700 hPa层结以下仍然处于对流不稳定状态，但是不稳定层结的范围和强度都明显减小，说明不稳定能量已经通过降水得到了释放。 图11. 假相当位温沿着104˚E分布的垂直剖面图 2020年8月15日20时(a)，2020年8月16日00时(b)，8月16日08时(c)，8月16日14时(d)，8月16日20时(e) 4.3.2. 温度平流 温度作为大气最重要的物理量之一，在分析热力条件时，也需要用温度平流来衡量。温度平流可以加强槽脊的深度，以及对冷涡的维持和发展有重要作用。 图12是温度平流沿着104˚E所分布的垂直剖面图，可见在暴雨发生区域，700 hPa以下的对流层中低层受冷平流控制，700 hPa~400 hPa受强暖平流控制，而400 hPa以上又属于冷平流。 对流层中下层的冷平流对冷涡的维持和发展提供了动力。自上而下的冷–暖–冷的垂直结构表明在低层冷下垫面之上叠加了上冷下暖的形式，此种形式有利于发展大气不稳定层结，为暴雨过程加速对流，提供了热力作用。 图12. 温度平流沿着104˚E分布的垂直剖面图 2020年8月15日20时(a)，2020年8月16日00时(b)，8月16日08时(c)，8月16日14时(d)，8月16日20时(e)