1. 研究现状
暴雨的发生是不同天气尺度系统相互作用造成的。暴雨过程与高低空的环流形势有着密切联系。丁一汇指出暴雨是在有利的大尺度环流条件下产生的，这是大尺度系统对暴雨的制约作用，暴雨产生后反过来又影响大尺度气象要素的分布 [1] 。Qian等分析1998年梅雨锋暴雨的形成机制时指出：长江流域暴雨的水汽主要来自孟加拉湾，通过西南低空急流输送到长江流域，梅雨降水产生的凝结潜热又通过加大低空急流而加强了西南输送，形成正反馈过程 [2] 。暴雨天气的发生有三个必要条件：充分的水汽供应、强烈的上升垂直运动以及较长的持续时间。其中满足水汽条件是产生暴雨天气的前提，因而在对暴雨个例进行诊断分析时对于水汽含量以及水汽输送都是一定会涉及到的地方。气象研究者在之前的研究中发现川渝地区暴雨的水汽主要由孟加拉湾、青藏高原以及南海地区供应。通过蒋兴文等气象研究者的研究表明当西太副高处于一个偏北偏西的位置，其外侧的东南风可以将南海的水汽输送至四川的西部地区，而来自于孟湾和高原地区的水汽也由于受到阻挡而无法移动，导致水汽停留在川西地区，在四川西部地区形成了水汽的辐合，东部地区形成水汽辐散，所以形成了四川东部干旱而西部有暴雨洪涝的现象 [3] 。通过研究陶诗言认为，从物理条件而言，低空急流与暴雨天气有很大的相关性，通常而言，强降水主要发生于急流风速带的左前方抑或在最大风速中心的前方 [4] 。边界层对于静力不稳定层结的形成、水汽供应和暴雨的触发有重要作用。从强烈的上升垂直运动角度而言，王芹指出低空辐合、高空辐散和整层正涡度的配置以及强的垂直上升运动，为强降水提供了动力条件 [5] 。
四川盆地作为一个降水频发地区，每年都会由于暴雨灾害而带来经济损失，有时甚至对人民生命安全会带来一定程度的威胁。洪涝灾害甚至已经成为四川省爆发次数最多、带来危害最重的自然灾害之一了。因此气象研究者对于四川暴雨进行了很多研究。刘庆等人指出四川省暴雨洪涝灾害具有出现频率高，范围广、强度大、重复性、年际变化大等特征 [6] 。郁淑华的研究表明四川盆地大暴雨的形成形势背景主要是副高和西风带低槽的相对位置决定，并且他将四川暴雨按照暴雨区分为川东、川西以及全川移动三类 [7] 。肖洪郁指出影响四川暴雨的副高形式大概有不连续西伸北抬、突然加强西伸或北抬和突然东撤这几类现象 [8] 。
2. 实况分析
暴雨实况
Figure 1. (a) Histogram of 6 hour rainfall in Mianyang; (b) precipitation area map of 24 h at 05:00 from July 5 to 6
图1. (a) 绵阳6小时降雨量柱状图；(b) 7月5日至6日05时24 h降水区域图
根据图1的左图可以看出，本次降水时间主要集中在4日夜间至5日夜间，在5日清晨至中午之间，6小时雨量达到峰值，已经达到了125 mm。在4日夜间开始降水之后，在14时之前雨量一直呈现增长趋势，而在14时之后雨量逐渐减弱。根据图1的右图的降水区域图显示，本次降水主要位于四川的东部地区，四川东北部地区地面雨量最大，达到特大暴雨。根据图1的右图可以看出，从5日05时至6日05时的这个24小时范围内，其中安县等站点累计雨量超过230 mm，达到特大暴雨级别。眉山、广元和南充等地的部分地区也有降水产生，其中南充市24小时累积雨量超过110 mm，达到大暴雨级别。
3. 天气形势分析
3.1. 500 hpa天气形势分析
Figure 2. (a) 500 hpa potential height superimposed wind field 08:00 on the 5th; (b) 14:00 on the 5th
图2. (a) 500 hpa位势高度叠加风场5日08时；(b) 5日14时
根据图2可以看出，7月4日至6日，500 hpa欧亚大陆环流形势呈多波型，振幅较小。5日08时，在欧亚大陆范围内有三个低压槽存在，分别位于巴湖、贝湖和鄂霍次克海附近。在我国新疆、青海地区有一弱高压脊，我国东北黑龙江附近地区有一个强高压中心。至5日14时，欧亚环流向东发展，位于鄂霍次克海的横槽逐渐转竖。贝湖附近的低压槽向南发展，并且携带冷空气南下。南海附近存在一个南支槽，南支槽携带暖湿气流随西南气流向东北方向移动，为本次暴雨过程带来充足的水汽。高纬地区南下的冷空气与来自南海的暖湿气流在四川东北部地区相汇合。高空冷空气与暖湿空气相遇易产生不稳定能量，易形成强对流天气，产生暴雨天气。
中低纬地区主要受到副热带高压控制，环流形势为东高西低，副高自4日至5日进行不连续的西伸北抬，副高西伸北抬后稳定在30˚N以北，副高脊线稳定在18˚N附近，此时贵州、福建以及两广地区上空为平直西风带。以588的位置作为参照，4日08时588线仅在东南沿海地区，到达了福建和浙江上空。而到5日20时，588线通过副热带高压的西伸北抬之后，588线已经到大云南等地，副高的高压脊线从4日08时在西海地区已经移动到了福建、广东、广西一带。随着副高向西北方向的运动，位于青藏高原东侧的小高压向东移动，最终在副高和小高压之间产生了一条高空辐合切变线，方向自东北指向西南，位于本次雨区的西侧。并且副高在移动过程中还携带来自东海的暖湿气流向西北方向移动，补充水汽。随着南方的弱槽逐渐向东移动，副高也逐渐向东移动，高空辐合切变线随之东移，有利于在绵阳形成暴雨。
3.2. 700 hpa天气形势分析
Figure 3. (a) 700 hpa potential height superimposed wind farm 20:00 on the 4th (left); and (b) 08:00 on the 5th
图3. (a) 700 hpa位势高度叠加风场4日20时(左)；(b) 5日08时(右)
根据图3可以看出，根据7月4日20时700 hpa位势高度图可以看出新疆西部有一小高压存在，我国云南、贵州、湖南一带主要由副热带高压影响，青藏高原东部、四川东北部以及西藏地区由一小低压控制。新疆西部的小高压逐渐向东南方向移动。至5日08时小高压发展移动至青海地区，随着小高压的东移，副热带高压也逐渐西伸北抬，影响我国东南大部分地区。此时在南海出现一条方向为自西南向东北的切变线，青海附近的低压沿着切变线逐渐向西南方向移出四川地区。此时小高压与副热带高压之间存在一条弱的风向辐合带，绵阳此时正处于风向辐合区，有利于强降水的生成。
3.3. 850 hpa天气形势分析
根据图4可以看出，4日20时我国西南大部分地区处于低压影响之下，低压逐渐向西运动，位于青海西部的小高压逐渐向东发展移动，四川地区有一个小低压。华南地区主要由副高影响，东北地区有一个高压。至5日08时副高逐渐向西北方向运动，东北地区高压逐渐发展加强，青海地区的小高压发展移动到四川西部地区，由于高压脊的作用，不断有西北气流补充至四川地区，四川地区的小低压逐渐运动发展形成西南低涡。此时青海高压逐渐向东移动，副热带高压也逐渐西伸北抬。此时南海地区的低压逐渐向西北方向移动，西南低涡由于西南气流的补充逐渐发展。由于副热带高压的阻挡，西南低涡被阻隔而无法移出四川，导致绵阳地区维持强降水天气，强度达到特大暴雨级别。
Figure 4. (a) 850 hpa potential height superimposed wind farm at 20:00 on 04th (left); (b) 08:00 on 5th
图4. (a) 850 hpa位势高度叠加风场04日20时；(b) 05日08时
3.4. 急流分析
Figure 5. (a) Wind field at 08:00 on the 5th 850 hpa; (b) 925 hpa
图5. (a) 5日08时风场850 hpa；(b) 925 hpa
根据图5可以看出，处于不同高度层的急流对于强降水过程起着不同的作用，其中925 hpa的超低空急流在暴雨过程中主要承担水汽供应的职责。在5日08时的925 hpa风场图中可以看到有两条超低空急流存在，一条位于南海地区，方向西南，风速极值达到16 m/s；另一条位于副热带高压西北方向，风向西南，风速极值达到24 m/s。由于夏季温度高，水汽蒸发南海附近有较为充足的水汽，形成了一条自南海途经云南、四川的湿舌。由于低空的西风急流输送水汽至绵阳地区。850 hpa的低空急流主要作用是低空天气尺度上升气流的建立者和不稳定能量的触发者。在华南地区的低空出现一条弱低空急流，最大风速12 m/s，方向西南。低空急流左侧有一条风向辐合切变区，雨区处于这个切变区内。西南低涡的移动触发较强的上升运动，引发不稳定能量，从而导致绵阳地区出现上升运动，出现强降水天气。
4. 物理量场
4.1. 散度和垂直速度
Figure 6. (a) 850 hpa divergence field at 08:00 on the 5th (left); (b) 850 hpa Vertical velocity field at 08:00 on the 5th
图6. (a) 5日08时850 hpa散度场(左)；(b) 5日08时850 hpa垂直速度场
Figure 7. (a) Divergence overlay vertical velocity profile 14:00 on the 5th; (b) 08:00 on the 4th to 08:00 on the 6th
图7. (a) 散度叠加垂直速度剖面图5日14时；(b) 4日08时至6日08时
图7中阴影部分为垂直速度，等值线为散度。根据图6可以看到，四川东北部大部分区域处于负散度区，可以得出雨区气流在低空处于辐合。从垂直速度场可以看出四川东北部地区此时在850 hpa这一层中垂直速度为负，其中绵阳地区数值最大，绵阳地区在850 hpa这一层中气流辐合做强烈的上升运动。从5日14时的105˚E剖面图中可以看出500 hpa以下绵阳处于负散度场，气流辐合。绵阳地区在200 hpa以下均为上升运动。在700 hpa达到为最大值，即绵阳地区在700 hpa这一层中上升运动最为强烈。结合散度与垂直速度来看可以得到，绵阳地区低空气流辐合，做上升运动，在800 hpa左右辐合场强度最大，在700 hpa上升运动最为强烈，暴雨在此时最强盛。从105˚E 32˚N的剖面图来看，绵阳地区在4日夜间低空开始出现负散度，气流开始辐合。在5日08时左右低空辐合气流最为强盛，此时垂直速度也达到了最大值，上升运动最为明显。至5日20时，低空辐合气流逐渐减弱，上升运动的速度也逐渐渐小，此时雨势稍缓。
4.2. 涡度
Figure 8. 08:00 on July 4 to 20:00 on July 6 105˚E 32.5˚N vorticity profile
图8. 7月4日08时至6日20时105˚E 32.5˚N涡度剖面图
Figure 9. (a) 500 hpa vorticity field 08:00 on the 5th; (b) 14:00 on the 5th
图9. (a) 500 hpa涡度场5日08时；(b) 5日14时
根据图8和图9可以看出，500 hpa上，5日08时四川北部及甘肃南部地区为自西南向东北方向的正涡度区，涡度中心正好对应高空500 hpa的槽线，四川偏东部地区为负涡度区。至5日14时四川北部即绵阳地区的正涡度区逐渐向东南方向移动，四川大部分地区处于正涡度区，强度减弱，对应高空槽线。分析暴雨区上空剖面图，在强降水发生前12小时之内，绵阳上空800 hpa至200 hpa绵阳处于负涡度区，影响系统为反气旋。暴雨发生前5小时内绵阳上空800 hpa至400 hpa逐渐出现正涡度区，并且随时间变化涡度逐渐变强，表明此时气旋处于逐渐发展状态。至5日12时左右气旋达到最强阶段并且一直维持至5日夜间，随后高空气旋也逐渐减弱。
4.3. 水汽通量和水汽通量散度
充足的水汽条件是形成降水的必要条件之一，水汽通量主要表征的是对于水汽输送的物理量，是一个和风具有相同方向的矢量。水汽通量的分布只能体现水源地以及水汽输送的多与少，而与降水直接相关的是强降水地区水汽含量的多与少，这需要用水汽通量散度来表现。
Figure 10. (a) Water vapor flux of 850 hpa at 20:00 on the 4th; (b) water vapor flux at 850 hpa at 08:00 on the 5th
图10. (a) 4日20时850 hpa水汽通量；(b) 5日08时850 hpa水汽通量
通过图10可以看出，孟加拉湾和南海是本次强降水区水汽的的主要来源地。4日20时，我国东南地区有一条自西南向东北沿云南、湖南、湖北等地的较强水汽通量带。至5日08时，由于低空西南急流的作用，孟加拉湾、南海一带的水汽逐渐输送至四川东部。绵阳上空的水汽通量逐渐增大，并且在东南地区出现一个高值中心。由于低空西南急流的作用，绵阳上空将有源源不断的水汽自南海、孟加拉湾一带供应而来。
Figure 11. (a) Water vapor flux divergence of 850 hpa at 20:00 on the 4th; (b) divergence of water vapor flux at 850 hpa at 08:00 on the 5th
图11. (a) 4日20时850 hpa水汽通量散度；(b) 5日08时850 hpa水汽通量散度
根据图11可以看出，4日20时孟加拉湾地区有一条水汽辐合带，台湾地区附近有一个水汽辐散带。至5日08时孟加拉湾地区的水汽辐合带由于低空西南急流影响，逐渐发展移动至四川东北部。此时绵阳上空已经具有充足的水汽，并且还有来自孟湾和南海的水汽补充。至5日夜间，随着水汽辐合带的继续东移，绵阳上空水汽逐渐减少，暴雨过程逐渐减弱。
综上所述可知，因为在暴雨期间有低空西南急流将来自孟加拉湾和南海地时期源源不断的供应，时的绵阳低空水汽含量和水汽的供应始终处于较大的强度，为强降水提供了充足的水汽条件，使得暴雨可以维持强度。
4.4. 不稳定能量分析
Figure 12. Profile view of false equivalent temperature along 32˚N 105˚E from 20:00 on the 4th to 08:00 on the 7th
图12. 4日20时至7日08时沿32˚N 105˚E假相当位温剖面图
Figure 13. 700 hpa profile along 105˚E false equivalent temperature from 20:00 on the 4th to 08:00 on the 7th
图13. 700 hpa 4日20时至7日08时沿105˚E假相当位温剖面图
根据图12和图13可以看出，假相当位温是体现大气湿度、压力、温度的综合特征量，可以较为准确地反映大气中能量的分布状态。在假相当位温场中等值线密集区就是大气能量锋区，而这是强降水生成的要求之一。通过105˚E 32˚N的剖面图，可以看出，假相当位温在低空随高度的增加而逐渐减弱，600 hpa以上假相当位温随高度增加而逐渐增强。5日08时在700 hpa左右，假相当位温达到最小，也就说明700 hpa以上高空层结稳定，700 hpa以下层结不稳定。暴雨发生时段700 hpa以下假相当位温线密集，说明暴雨发生时段绵阳低空不稳定能量聚集，对强降水的发生十分有利。通过分析暴雨期间的700 hpa沿暴雨中心所在经度的时间–经向演变图，可以看出假相当位温在30˚N~36˚N之间有一个密集区，也就是说在在700 hpa高度上33˚N~36˚N之间有大量不稳定能量。并且从时间来看，4日20时至5日08时，密集区主要位于36˚N~39˚N之间，随着时间的变化在5日08时至5日20时之间，密集区转移到了30˚N~36˚N左右，并且在32˚N出现假相当位温的大值，达到了352 K。此时105˚E、32˚N处于假相当位温的最大值中心，具有最大不稳定能量，此时出现特大暴雨。密集区持续移动，并且中心最大值也在减小，5日20时不稳定能量减小，雨量逐渐减弱。
5. 结论
本文利用2017年7月7月4日至6日的实时观测数据以及欧洲气象预报中心2017年7月的nc数据，并且运用grads、micaps以及Fortran等工具对此次降水过程进行诊断分析。绵阳地区出现56年一遇的特大暴雨。本次暴雨过程24小时最大降水量达到了332.6毫米。据统计绵阳地区有127个站点降水达到暴雨级别，76个站点达到大暴雨级别，26个站点雨量超过200毫米，达到特大暴雨级别。从高低空环流形势、低空急流等方面对2017年7月5日绵阳地区的暴雨的环流背景和影响系统进行了分析。
1) 通过对天气形势的分析，此次暴雨过程主要影响系统是中高纬地区的多波型环流形势，以及西南低涡、低空急流和副热带高压。西槽东移发展，引导冷空气大范围南下。西南涡发展与副高加强西伸北抬，加强低空急流输送大量暖湿气流为此次暴雨产生有利条件。
2) 通过对散度、涡度以及垂直速度的分析，明确了本次强降水过程低层气流辐合，高层气流辐散的强上升运动。850 hpa高度层绵阳及其附近地区主要为负散度区，气流辐合。300 hpa左右为正散度区，气流辐散。低空垂直速度为负，气流上升。
3) 通过水汽通量以及水汽通量散度的分析，明确本次暴雨水汽主要通过低空西风急流从南海和孟加拉湾地区供应。
4) 通过对假相当位温的分析，发现假相当位温在低空随高度增加而减小，在高空随高度增加而增加，在700 hpa达到最小值。并且5日08时绵阳700 hpa为假相当位温的密集区，即此时绵阳低空聚集大量不稳定能量。
5) 850 hpa西南急流自南海、孟湾地区向绵阳及其附近地区提供水汽，为暴雨的发生满足了基本的水汽条件。四川东北部上空低空为辐合，高空气流为辐散气流，高低空之间气流做上升运动。700 hpa以下绵阳地区聚集大量不稳定能量，低空急流触发不稳定能量，绵阳地区形成暴雨天气。