四川盆地西依青藏高原和横断山脉，东邻巫山，南接云贵高原，北近秦巴山脉，地势呈东北高、西南低的特点.四川盆地东北部的秦巴山脉地处川东平行岭谷，东西走向的山脉能够有效阻挡来自北方的冷空气，同时阻隔来自南方的暖湿气流，使得山脉南北两侧呈现不同的气候特征.秦巴山脉南麓处于明显的迎风坡区域，该地形对四川盆地东北部降水产生重要影响.一方面暖湿气流在山脉迎风坡抬升，达到一定高度后冷却饱和，水汽凝结形成降水［4］.另一方面暖湿气流在山脉迎风坡发生绕流，产生气旋性辐合，气流抬升，从而成云降水［5］.四川盆地东北部局部地区还具有喇叭口地形，其影响程度更强于单纯的迎风坡地形［6］.一方面，喇叭口地形能够增强暖湿气流的辐合抬升，另一方面在喇叭口地形处更容易生成中尺度辐合线，有利于暴雨形成和加强［7］.此外，秦巴山脉还可以通过影响西南涡的移动路径、产生次级环流，从而使得南侧四川盆地降水加强［8-10］.
青藏高原处于四川盆地西侧，对四川盆地降水起到了重要作用.动力作用上，气流遇到青藏高原产生了抬升和绕流，低层气流分为南北两支.其中南支气流受侧边界摩擦作用等，形成西南涡［11］，而西南涡是影响四川盆地降水的一个重要天气系统.青藏高原东坡使得周围的气流受地形阻挡和抬升作用，导致大气产生旋转和辐散，从而形成高原涡，而高原涡东移也会造成四川盆地及我国东部地区的强降水天气［12-13］.同时，青藏高原上游风速激发罗斯贝波影响下游天气系统，进而影响水汽输送和季节降水［14］.热力作用上，青藏高原感热气泵作用通过影响天气系统的环流、温度和水汽分布等，对东亚夏季风降水产生重要影响，使区域降水增加［15-17］.位于四川盆地西南部的横断山脉，则是典型的纵向岭谷地区，山脉呈南北走向，对西南气流有明显的阻挡作用，使得气流绕到横断山脉东南侧，进而改变了青藏高原东南侧周围的气流，对西南涡的形成以及位置产生重要影响［18-19］.因此，青藏高原地形对四川盆地降水的影响较为复杂.过去的研究主要关注青藏高原地形对四川盆地西侧（即高原东坡）降水的影响，高原地形如何影响盆地东侧地区的降水，有待于进一步研究.
本文选取2021年8月8日发生在四川东北部达州的一次特大暴雨过程，基于四川省台站观测数据以及再分析资料，分析了此次暴雨过程的环流背景等，并利用Weather Research and Forecasting Model V4.2.1 （WRF V4.2.1）中尺度数值模式开展地形高度敏感性试验，研究地形对此次暴雨过程的影响.
1 资料和方法
本文使用WRF V4.2.1中尺度数值模式对2021年8月6日00时至8日18时在四川盆地东北部四川达州地区的强降水过程进行数值模拟试验（即CTL试验）.模式水平分辨率为4 km，模拟范围为14°~41°N，94°~132°E，覆盖了整个四川盆地、秦巴山脉以及强降水区域.模式使用的物理过程参数化方案见表1.
表1 物理过程参数化方案设置
Table 1
为了研究青藏高原东部地形对此次暴雨的影响，还进行了地形敏感性试验（即THS试验）.其他条件保持不变，THS试验中将模拟范围中高于2 km的地形降低一半.通过两组试验的差异来研究地形对此次暴雨过程的作用.图1为两组试验的地形分布特征.
图1
图1
模式地形高度：(a) CTL试验，(b) THS试验
The red line denotes the contour line of 2000 m terrain elevation.
Fig.1
Terrain height in the (a) CTL and (b) THS numerical experiments
2 四川盆地东北部暴雨环流形势分析
2.1 暴雨天气实况
图2
图2
台站观测的2021年8月7日12时至8日12时累积降水量分布(单位:mm)
The red asterisk in the picture represents the location of Dazhou Station.
Fig.2
Station observation of precipitation accumulated from 12:00 on 7 August to 12:00 on 8 August 2021 (unit: mm)
2.2 环流形势分析
图3
图3
ERA5再分析资料不同高度的环流形势
(a) 500 hPa geopotential height (blue contour line，unit: gpm)，temperature (red contour line，unit: K)，horizontal wind field (vector，unit: m·s-1)，
and 200 hPa wind speed (colored，unit: m·s-1)，in which the black box in the figure is the rainstorm area，and the mapping area in Fig.3b and Fig.3c，(b) 700 hPa geopotential height (blue contour line， unit: gpm)， equivalent potential temperature (red contour line，unit: K)，horizontal wind field (vector，unit: m·s-1)，and (c) 850 hPa geopotential height (blue contour line，unit: gpm)，temperature (red contour line，unit: K)，
horizontal wind field (vector，unit: m·s-1)，and wind speed (colored，unit: m·s-1).
Fig.3
Circulation patterns obtained from the ERA5 reanalysis
在8月7日06时，850 hPa有低涡稳定维持并不断加强（图3c），与700 hPa低压位置重合叠置，均位于四川盆地东北部，低压系统深厚并不断发展加深，动力条件良好；盆地东部有暖平流，与500 hPa脊前的冷平流形成上冷下暖的不稳定层结，有利于触发强对流.同时，在对流层低层，西南气流与台风外围的偏东气流在盆地东北部汇合，受秦巴山脉地形阻挡影响，气流发生绕流，形成气旋式风场，有利于气流辐合上升，触发对流.
图4
图4
ERA5再分析资料7日06时的探空
The sounding is centered at the green asterisk in Fig.3a，averaged in an area of 1°×1°. Red and blue lines denote temperature and dew⁃point temperature，respectively (units: ℃). The full (half) wind barb represents 4 m·s-1 (2 m·s-1).
Fig.4
Atmospheric sounding from the ERA5 reanalysis at 06:00 on 7 August 2021
3 数值模拟结果
3.1 模拟降水
图5
图5
2021年8月7日12时至8日12时总累积降水量(单位: mm)
（a） Station observation，（b） CTL，（c） THS
Fig.5
Total precipitation accumulated from 12:00 on 7 August to 12:00 on 8 August 2021 (unit: mm)
从敏感性试验结果来看（图5c），当地形高度降低以后，四川盆地地区的降水落区偏南，降水中心位于四川盆地东南部，出现分散性带状强降水，雨带在25°~30°N，主要分布在四川盆地东南部、横断山脉、云贵高原东北部以及巫山东部地区.
3.2 地形对动力场的影响
图6对比了达州暴雨发生过程中，再分析与数值模拟的850 hPa动力场.从再分析资料来看，在850 hPa高度上，四川盆地东北部始终受低压系统影响，暴雨区处于低压系统中心位置，位势高度为1440 gpm（图6a）.自西北南下的冷空气受青藏高原及秦巴山脉阻挡作用影响，难以到达四川盆地；来自孟加拉湾西南暖湿气流受青藏高原东南部地形及横断山脉阻挡，沿着高原东南侧地势较低的地方绕流至四川盆地；同时，中国东部海上台风“卢碧”在不断发展北移，其外围的偏东风气流至内陆的过程中，受陆上武夷山、巫山等高大山脉阻挡以及起伏不平的地形摩擦的影响，偏东风会迅速减弱，只有较弱的偏东风气流能够输送至四川盆地地区.西南气流与偏东气流在四川盆地汇合，在四川盆地四面环山的地形影响下，气流发生绕流，形成气旋式风场，有利于气流辐合上升.
图6
图6
8月7日12时至8日12时平均的850 hPa位势高度(蓝色等值线，单位：gpm)、温度(红色等值线，单位：K)、水平风速(填色，单位：m·s-1)和水平风场(矢量，单位：m·s-1)：(a) ERA5，(b) CTL，(c) THS
Fig.6
850 hPa geopotential height (blue contour line， unit: gpm)， temperature (red contour line， unit: K)， horizontal wind speed (colored，unit: m·s-1)， and horizontal wind field (vector unit: m·s-1) averaged from 12:00 on 7 August to 12:00 on 8 August 2021: (a) ERA5， (b) CTL， (c) THS
控制试验结果显示（图6b），850 hPa高度上，四川盆地有低涡形成，沿着青藏高原绕流的西南气流与偏东气流在四川盆地汇合，受青藏高原及秦巴山脉地形阻挡发生绕流，与再分析基本一致.西南气流向四川盆地输送过程中，风速达到9 m·s-1以上，较再分析风速略高.然而对于敏感性试验（图6c），当地形高度降低，尤其是一些高大山脉高度降低后，对气流的摩擦阻挡作用减弱，台风外围的偏东气流深入内陆，风速加大，在四川盆地地区发生绕流.原本北上的西南气流，受到较强的绕流的偏东气流影响，西南气流在高原东南部即转为西北气流，同时因横断山脉降低，西北气流受到的阻挡作用减弱，气流将不断向东南方向移动.最终两支气流在四川盆地东南部汇合，形成气旋式风场，同时由于风速增大，风场加强，因此四川盆地地区的低压系统强度加深，中心位置偏东偏南，影响范围加大，扩大到四川盆地南部及云贵高原北部地区，与地形高度降低以后的暴雨区位置基本一致.
图7
图7
8月7日12时至8日12时平均的500 hPa位势高度(蓝色等值线，单位：gpm)、温度(红色等值线，单位：K)、水平风速(填色，单位：m·s-1)和水平风场(矢量，单位：m·s-1)：(a) ERA5， (b) CTL，(c) THS
The black box area in the figure represents the area shown in the cross⁃sectional view in Fig.8.
Fig.7
500 hPa geopotential height (blue contour line， unit: gpm)， temperature (red contour line， unit: K)， horizontal wind speed (colored， unit: m·s-1)， and horizontal wind field (vector，unit: m·s-1) averaged from 12:00 on 7 August to 12:00 on 8 August 2021： (a) ERA5， (b) CTL， (c) THS
根据暴雨区上空经向风的纬度⁃高度剖面图，进一步分析地形高度降低以后，暴雨区上空的西北气流对暴雨区位置南移的影响.暴雨区中心纬度约为30°N，达州暴雨发生过程中（图8a），暴雨区上空500 hPa以上主要受偏北风气流影响，而500 hPa以下的对流层低层，受到地形阻挡作用，偏北气流难以到达四川盆地地区，此时，四川盆地主要受偏南气流影响，携带暖湿气流至四川盆地，有利于暴雨发生.控制试验结果（图8b）与再分析基本一致.然而，敏感性试验显示（图8c），青藏高原及秦巴山脉等地形高度降低以后，对偏北气流的阻挡减弱，原本500 hPa以上的偏北气流下伸到850 hPa左右，四川盆地对流层低层也受到偏北气流的影响，使得暴雨区整体南移.
图8
图8
8月7日12时至8日12时平均的暴雨区上空105°~110°E纬向平均的经向风的纬度⁃高度剖面图
(a) ERA5， (b) CTL， (c) THS
Fig.8
Latitude altitude profile of meridional wind averaged from 12:00 on 7 August to 12:00 on 8 August 2021， latitudinally averaged at 105°~110°E over the rainstorm area
3.3 地形对水汽输送的影响
为了分析地形高度对水汽输送的影响，图9对比分析了再分析和数值模拟的700 hPa比湿.达州暴雨发生过程中，700 hPa四川盆地比湿达到12 g·kg-1以上，同时四川盆地东北部有一低涡，盆地内有一致的西南风影响，将水汽输送至盆地东北部并不断累积.控制试验同样与再分析的结果基本一致.而在敏感性试验中，地形高度降低以后，青藏高原及秦巴山脉地形对气流的阻挡作用减弱，西北干冷空气南下；同时东部海上台风外围的偏东气流与之汇合，发生绕流，风速增加；四川盆地受一致的偏北风气流影响，使得原本携带水汽北上的西南气流，在较强的偏北风气流阻挡作用下，转变为西北气流，同时横断山脉对气流的阻挡作用减弱，进而西北气流能够将水汽不断输送至盆地南部地区并累积.因此700 hPa比湿高值区整体偏南，分布范围增大，且主要分布在四川盆地及其南部地区，与地形高度降低以后的暴雨区位置一致.
图9
图9
7日12时至8日12时平均的700 hPa比湿(填色，单位: g·kg-1)、位势高度(蓝色等值线，单位:gpm)、相当位温(红色等值线，单位:K)和水平风场(矢量，单位: m·s-1)： (a) ERA5，(b) CTL，(c) THS
Fig.9
700 hPa specific humidity (colored，unit: g·kg-1)，geopotential height (blue contour line，unit: gpm)，equivalent potential temperature (red contour line，unit: K)，and horizontal wind field (vector，unit: m·s-1) averaged from 12:00 on 7 August to 12:00 on 8 August 2021：(a) ERA5，(b) CTL，(c) THS
4 结论
针对2021年“8.8”达州特大暴雨过程，本文利用台站观测和再分析资料，研究了暴雨的分布特征和环流形势.进一步利用WRF中尺度数值模式开展敏感性数值试验，分析了青藏高原东部地形对此次暴雨过程的影响.主要结论如下.
（1）此次暴雨过程持续时间长、降水范围广、极端性大，降水过程中，对流层中高层500 hPa，暴雨区上空整体受高压脊影响；低层700 hPa存在弱的闭合低压，同时西南气流发展，为四川盆地地区输送暖湿气流，水汽条件良好；850 hPa低涡发展加深，与700 hPa低压位置重合叠置，高低空系统耦合，动力条件良好；同时低层气流绕流形成气旋式风场，有利于气流辐合抬升，促使对流发展，为暴雨发生提供了良好的环流背景.
（2）此次暴雨落区主要分布在四川盆地东北部，降水雨带主要呈东北西南走向.而地形高度降低以后，强降水落区整体偏南，降水中心位于四川盆地东南部，出现分散性带状强降水，强降水范围扩大，降雨量增加.
（3）根据地形高度的敏感性试验结果可见，在动力场上，地形高度降低后，500 hPa高度上低槽发展加深，延伸至四川盆地东南部，四川盆地整体受槽后西北气流影响；低层850 hPa高度上四川盆地地区低压范围扩大并加深，低压中心位置偏东偏南，同时受地形摩擦效应减弱影响，台风外围偏东气流不断汇入，风速加强，在四川盆地地区发生绕流，形成强度更强、范围更大的气旋式风场，并阻挡了原本北上的西南气流.结合地形对水汽输送的影响的模拟结果分析，此次暴雨过程中，低层的水汽输送通道主要为青藏高原东南侧的西南气流，将暖湿气流向北输送.在地形高度降低以后，地形的阻挡作用减弱，对流层中高层的西北气流下伸至对流层低层，与绕流的偏东气流共同作用，阻挡了原本北上的西南气流，使其将水汽输送至四川盆地南部，强降水区域整体偏东偏南.
参考文献
A determination of the effect of topography upon precipitation
A simple model for mesoscale effects of topography on surface winds
Statistical relationships between topography and precipitation patterns
中尺度地形背风波的作用及其应用
The effect of meso⁃scale lee wave and its application
地形动力作用对华北暴雨和云系影响的数值研究
Numerical study for the influences of orographic dynamic on cloud and precipitation in North China
山区地形对暴雨的影响
Influence of topography on storm rainfall
喇叭口地形对一次暴雨影响的数值试验
.
Numerical experiment of trumpet⁃shaped topography influence on a heavy rain
.
秦巴山区地形对一次西南涡大暴雨过程影响的数值实验
Numerical experiments of the impact of Qin⁃Ba Mountainous terrain on a rainstorm caused by southwest vortex
秦岭大巴山地形对陕南强降水的影响研究
Study on influence of the mechanical forcing of mesoscale topography on the extremely heavy rainfall in southern Shaanxi on 8-9 June 2002
地形在降水天气系统中的作用研究回顾与展望
Review and outlook of landform influences on rainfall weather systems
秦岭山地生态分界线的论证
Discussion and analysis on the geo⁃ecological boundary in Qinling range
How does the Tibetan Plateau dynamically affect downstream monsoon precipitation?
青藏高原大地形对华南持续性暴雨影响的数值实验
Numerical experiments on influence of Tibetan Plateau on persistent heavy rain in South China
青藏高原夏季感热异常与川渝地区降水关系的数值模拟
Numerical study of influence of sensible heat anomalies in summer over Qinghai⁃Xizang Plateau on rainfall in Sichuan⁃Chongqing regions
青藏高原感热气泵影响亚洲夏季风的机制
Review of the impact of the Tibetan Plateau sensible heat driven air⁃pump on the Asian summer monsoon
中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究
Influence of multi⁃scale topographic factors on vortex development during an eastward⁃propagating rainstorm event in southwest China
Increased vertical resolution in the stratosphere reveals role of gravity waves after sudden stratospheric warmings
A description of the MYNN⁃EDMF scheme and the coupling to other components in WRF⁃ARW
Implementation and verification of the unified NOAH land⁃surface model in the WRF model
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