云南昭通“7·05”副高外圍極端強降水中尺度分析

沈 茜，宗德孝，何 娟

(云南省昭通市氣象局，云南 昭通 657000)

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云南昭通“7·05”副高外圍極端強降水中尺度分析

沈 茜，宗德孝，何 娟

(云南省昭通市氣象局，云南 昭通 657000)

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料、FY-2E逐小時相當黑體溫度(TBB)、自動站實時觀測資料等，對云南昭通2016年7月5日副高外圍的極端強降水進行中尺度分析。結果表明：副高西伸加強，觸發低層產生中小尺度系統，在近地面層弱冷空氣影響配合下，冷暖氣流交匯，產生降水；中尺度雨團在副高的影響下在原地不斷的生成、發展、消亡是產生此次極端強降水的主要原因；700 hPa垂直螺旋度或垂直螺旋度梯度迅速增大，且對應500 hPa垂直螺旋度為較大的正值或較小的負值的地區，有較強的降雨產生；地形抬升作用也是促成此次極端強降水的重要原因。

極端強降水；中尺度雨團；螺旋度

1 引言

極端天氣事件是指天氣(氣候)的狀態嚴重偏離其平均態，在統計意義上屬于不易發生的事件，而極端降水也是極端天氣事件的一種。副高西側外圍氣流具有較強的不穩定性，產生的降雨過程具有分散性的特征，并且也經常會有單點性極端強降水的發生，在預報時較難把握，所以有很多預報工作者們對于副高外圍的降水進行了研究。陳瑞敏[1]等發現暴雨特別是局地短時暴雨的產生與中尺度系統有著直接的關系，而中尺度系統又是在有利的天氣尺度背景下發生發展的。王宗敏[2]等發現副高外圍對流雨帶由若干具有一定間隔的對流單體構成，單體在隨對流層中層氣流的移動中逐漸發展直至消亡；在副高西北側存在寬廣的帶狀中低云區，在晴空區和低云區交界處常常產生間斷的對流云帶，云帶上的對流單體常能達到MCC標準，有時它們能夠合并形成連續的帶狀對流云系。韋惠紅[3]等發現特大暴雨出現在強不穩定能量條件下，高低空急流耦合引起次級環流觸發不穩定能量進一步釋放，對流有效位能的增強、發展、消亡較好的反應了暴雨天氣過程演變情況。夏茹娣[4]等發現由于大尺度形勢(鋒面、副熱帶高壓、低空急流)穩定維持，使強降水雨團和中尺度對流云團在同一地區此起彼伏，反復發生。董海萍[5]等發現當云南地區具備有利的大尺度環流形勢時，其獨特的地形地貌致使在其近地層經常會有一些中尺度輻合線附近頻繁產生，且大多為β中尺度系統，造成局地強降水。幕建利[6]等發現強降水主要發生在地面靜止鋒和鋒前暖區的中尺度切變線(或中尺度輻合線)和中尺度渦旋或中尺度輻合中心附近，中尺度渦旋內的降水是由颮線上γ中尺度對流單體形成的“列車效應”產生的，而中尺度切變線附近的降水則是由颮線的發展合并加強產生的。張國華[7]等發現強降水中心附近，中低層一般為垂直螺旋度的正值中心，高層垂直螺旋度為零或者負值，并且降水越強，螺旋度的正值也越大，降水強度增加的過程往往與中低層螺旋度的迅速增加相伴。尤紅[8]等發現當中低層正螺旋度迅速增大，高層負螺旋度迅速減小或中低層正、高層負螺旋度中心增大、減小區重疊在同一經度或緯度線附近時，對應地面雨強最強和強降水范圍最大。

2016年7月5日傍晚開始到6日白天，昭通市出現了一次區域性的暴雨天氣過程，在昭通市鹽津、水富、綏江三縣出現大暴雨(由于水富縣自動站資料未上傳管理，所以下文不以討論)，其中鹽津中北部出現了特大暴雨。此次降雨過程的主要時間段為7月5日17時—7月6日04時，在12 h內普洱站降雨量達316.5 mm，此為昭通市自有氣象資料以來觀測到的最大值。這次降水過程觸發大面山洪、兼有泥石流、滑坡、崩塌、過江洪水，10 h內，死亡(失蹤)12人，造成農業、交通、電力、通訊等基礎設施嚴重損毀，直接經濟損失達7億多元。通過利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料、FY-2E逐小時相當黑體溫度(TBB)、自動站實時觀測資料等對此次降雨過程進行中尺度分析，試圖找出造成此次極端強降水的中尺度條件。

2 降雨實況

2016年7月5日傍晚開始到7月6日白天，昭通市出現了一次極端的強降水天氣，其中鹽津、水富、綏江、永善、大關、昭陽、魯甸、巧家普降大—暴雨、局部特大暴雨。此次降雨過程具有范圍廣，降雨強度強，持續時間長，并且自北向南發展，特大暴雨點集中的特點。從7月5日17時—6日17時，全市鄉鎮出現特大暴雨3站，大暴雨5站，暴雨18站，大雨30站。降雨量大于150 mm的站次均出現在鹽津，分別為鹽津普洱(321.7 mm)，鹽津沿江(307 mm)，鹽津艾田(259.1 mm)，鹽津串絲(207.5 mm)，鹽津中和(207.5 mm)，鹽津灘頭(162.7 mm)。累積雨量最大的站點普洱站的最大小時雨量為64.8 mm。

圖1 7月5日17時—6日17時累積降雨量和普洱站逐小時降雨量(單位：mm)Fig.1 Cumulative rainfall from17∶00 on July 5th to17∶00 on 6th and Puer station hourly rainfall(unit:mm)

3 強降水成因分析

3.1 形勢分析

7月5日14時500 hPa上，中高緯地區是一槽一脊，河套以東為高壓控制，以西為低槽區，副高西伸脊點位于116°E，27°N，長江到河套之間為兩高之間的低值區，四川盆地西北部有一個短波槽，槽后西北氣流帶來冷平流和副高外圍輸送的暖濕氣流在昭通交匯。5日20時副高西伸脊點位于114°E，26°N，700 hPa(圖2a)上滇東北的西北部有一條切變線，北部灣有一個低值系統，偏南急流形成，昭通市有風速輻合，從北部灣和孟加拉灣共同輸送來的水汽在切變線附近匯合，近地面層有冷空氣入侵，冷暖交匯，此時在昭通北部地區已經開始降雨。6日02時，兩個反氣旋環流維持，副高西進到112°E，700 hPa切變線(圖2b)壓到昭通市的西部到南部一帶，北部灣的低值系統隨著副高的加強西伸北抬而略有西移北上，地面熱低壓維持，此時雨帶依然集中在切變線附近。6日08時，副高繼續加強西伸北抬到110°E，28°N。由于副高西伸北抬，700 hPa(圖2c)切變線位置維持不變；副高繼續加強，昭通市受副高控制，水汽輸送切斷，降雨趨于結束。整個過程副高較強，在昭通市的東部地區降雨較小，主要的降雨區域集中在昭通市的北部到南部一帶。因副高穩定少動，系統原地生成發展消亡。西南暖濕氣流加大了對流不穩定性，使得中尺度系統發展。

3.2 中尺度濾波

由于天氣尺度系統的上升運動強度還不能產生暴雨，暴雨主要是在中小尺度系統下產生的[9]。帶通濾波器[9]的功能是保留某一段的波而濾去其他部分的波。所以使用9點帶通濾波器來對700 hPa的風場進行濾波，得到中小尺度的系統。

5日14時(圖略)，昭通市的西南部地區出現了一個閉合的中α尺度的低渦，5日20時，低渦環流的范圍變大，控制整個昭通地區，低渦中心位于昭通的西部，并且5日20時15分云帶中亮溫<-52 ℃的區域位于氣旋性環流的東側和586線之間，云團A和云團B分別生成于中尺度低渦的東南部和低渦南部輻合氣流最強的區域。5日14—20時，除東部以外，全市大部分地區都出現了降雨，降雨量最大的地區集中在東北部，隨著低渦的加強發展，降雨強度明顯增大，并且最大雨強出現在低渦中心的東部。6日02時(圖3b)云系中亮溫在-52 ℃以下的區域仍然存在于586線和中尺度低渦之間，此時中尺度低渦的南部輻合明顯變小，云團B已經明顯減弱；在低渦的東南部云團A仍然存在，但強度較5日20時有所減弱。降雨量最大的地區仍然集中在昭通市的北部地區，其中以鹽津、綏江兩個縣的降雨強度最大，此時最大雨強仍然位于低渦中心的東部。6日08時(圖略)，低渦減弱消失，降雨趨于結束。

(a) (b) (c)圖2 700 hPa風場(a為7月5日20時，b為7月6日02時，c為7月6日08時)Fig.2 Wind field in 700 hPa (a, 20∶00 on July 5th. b, 02∶00 on July 6th, c, 08∶00 on July 6th)

根據以上分析，在此次降雨過程中，云帶主要出現在中尺度低渦東側到南側和586線附近，并且TBB<-52 ℃的區域均出現在中尺度低渦和586線之間。雨強最大的地區出現在低渦中心的東部，降雨強度較強。

圖3 700 hPa濾波后流場(5日20時和6日02時)，TBB值(單位：℃)(5日20時15分和6日02時15分)，586線(5日20時和6日02時)Fig.3 After filtering the flow field in 700 hPa(20∶00 on 5th and 02∶00 on 6th), TBB(unit:℃) (20∶15 on 5th and 02∶15 on 6th ), 586 line(20∶00 on 5th and 02∶00 on 6th)

3.3 中尺度雨團與相當黑體亮溫(TBB)的對應關系

3.3.1 中尺度雨團 一次暴雨天氣過程的降水總量并非由一次連續降水所組成，而由于此過程期間中尺度雨團不斷生成和移動的結果[9]。從自動站觀測得到的逐小時雨量分布變化圖(圖略)看出， 5日18時有2個雨團，分別位于彝良、鎮雄的交界處和鹽津北部，中心強度均為15 mm/h以上；19時昭通市南部局部地區也出現了中尺度雨團，北部鹽津地區的雨團加強，并且范圍變大，覆蓋了整個北部地區，中心強度加強為25 mm/h以上；20時南部的雨團范圍擴大，并且有向南移動的趨勢，強度保持不變，北部雨團則發展為一個強盛的中β尺度雨團，強度明顯增強，雨團中心值加強到50 mm/h，在鹽津的艾田站出現了92.2 mm/h的較強降水；21時南部雨團強度減小，分散為幾個獨立的雨團，北部雨團強度和范圍也有減小的趨勢，但中心一直維持在鹽津北部地區，中心強度為35 mm/h；22時以北部地區降水為主，有3個中尺度雨團，其中在永善和大關交界處的雨團剛發展起來，強度維持在35 mm/h，位于鹽津北部的雨團持續減弱；23時位于鹽津北部的雨團又開始加強，中心強度達55 mm/h，其余地區的雨團明顯減弱；6日00—01時，北部的降雨減弱，南部的降雨加強；6日02時鹽津北部地區的雨團，再度加強為一個中β尺度的雨團，中心強度為55 mm/h；6日03時，鹽津北部中β尺度雨團維持，但降雨強度減小到35 mm/h；6日04時以后，北部雨團減弱消亡，全市的降雨趨于結束。

由以上分析可知，中β尺度雨團集中在昭通市的北部和南部地區。結合圖3分析可得，這些雨團均生成在中尺度低渦的中心(昭通市南部)和中尺度低渦中心東部；當中尺度低渦維持發展加強時，中尺度雨團也在不停生成發展。在低渦中心的東部，即鹽津的北部地區，中β尺度雨團一直在原地不斷生成發展消亡，從而引發局地極端強降水發生。

3.3.2 相當黑體亮溫(TBB)分析 由逐小時TBB值分布變化圖可以看出(圖4)，17時15分開始，從滇東北到滇中有一些云系開始發展，18時15分可見云系連成帶狀；19時15分，帶狀云系內有一些中β尺度的對流云團在發展，昭通境內可以看到有兩個中β尺度的對流云團，云頂亮溫均低于-62 ℃，并且結構密實。20時15分，昭通境內的兩個中β尺度對流云團A、B云頂亮溫低于-62 ℃的面積明顯變大，均發展為中α尺度的對流云團。17時開始到20時，昭通的強降雨主要集中在鹽津縣的北部(在云團a西北部TBB<-52 ℃的區域內)，19—20時雨強最大(此時對應云團A強烈發展)，云團A西北部的TBB值迅速減小到-62 ℃。21時15分云團A繼續發展，云頂亮溫達到-72 ℃以下；南部的云團B已經消亡， 20—21時的雨強有所減弱，降雨區域為云團西北部TBB值梯度最大的地方。22時15分云團A略有減弱，中心亮溫值增大到-62 ℃，對應此時的降雨強度基本維持，并且中尺度雨團也位于云團A西北部TBB值梯度最大的地方。23時15分，云團A迅速消散減弱；對比22時15分的云圖可以看出，云團A的西北部TBB值梯度明顯減小，但中尺度雨團所在的位置TBB值依然維持在-52 ℃以下，此時間段內主要降雨區域也位于TBB值梯度迅速減小的區域。6日00時15分，鹽津境內的云系又有所發展，TBB值由-42 ℃減小到-52 ℃，降雨強度較前1 h有所減小，中尺度雨團依然位于云團北部TBB值梯度最大的地區。6日01時15分，云系持續減弱，主要降雨區域依然維持在鹽津北部地區，但降雨強度明顯減小；此時鹽津北部的TBB值上升到-42 ℃，并且TBB值梯度明顯減小。6日02時15分，云團A又重新發展，云團西北部的TBB值梯度又明顯增大；01—02時中尺度雨團也開始發展，降雨強度明顯增大。6日03時15分，隨著云團A有所東移，鹽津北部地區的TBB值梯度又開始減小，降雨維持，但強度減小。隨著云團逐漸東移減弱，降雨趨于結束。

圖4 昭通市7月5日20時15分—6日01時15分逐小時TBB(單位：℃)Fig.4 Hourly TBB from 17∶15 on July 5th to 04∶15 on July 6th in Zhaotong

由以上分析可得，在此次過程中，當中尺度對流云團迅速發展或者迅速減弱的同時，伴隨著一些中尺度雨團生成，并且中尺度雨團多發生在對流云團的西北部云頂亮溫較低的區域或者TBB值梯度最大的地區。在對流云團西北部TBB<-52 ℃的區域內產生的中尺度雨團雨強>25 mm/h。在TBB值迅速減小到-62 ℃或者TBB值梯度迅速增大的過程中，降雨強度較強，雨團的中心雨強達到50 mm/h以上。此次過程中有兩次TBB值梯度迅速減小，并且TBB值梯度減小程度越大，對應的小時雨強越強。TBB最低值達到-52 ℃以下時，TBB值梯度減小最大的地區雨強>35 mm/h。正因為對流云團在此次過程中一直在原地生成、發展、衰減導致了云團西北部地區(鹽津的北部)不停地有中尺度雨團生成，使得鹽津北部地區出現了極端強降水。

3.4 水汽條件分析

產生暴雨的必要條件之一是有源源不斷的水汽供應。從700 hPa水汽通量場(圖5)可以看出，此次降雨過程的水汽源地有孟加拉灣、南海和北部灣。從水汽輸送的強度來看，最主要的水汽來源是南海和北部灣。北部灣處的低值系統東側的東南氣流和副高西側外圍的東南氣流共同輸送水汽到昭通市。從5日14時(圖5a)700 hPa的水汽通量場可以看出，此時已經有水汽從源地向昭通輸送，昭通市的中部和北部地區水汽通量達到6 g·s-1·cm-1·hPa-1，這個區域對應著昭通出現降雨的主要區域，其中在昭通的北部明顯的可以看到一個水汽通量的中心，達到8 g·s-1·cm-1·hPa-1。說明在降雨發生前，昭通市已經有水汽的積累，并且700 hPa水汽積累的大值區對應其后出現的特大暴雨落區。到5日20時(圖5b)，水汽輸送明顯較14時有所增大，昭通市的大部地區水汽通量達到8 g·s-1·cm-1·hPa-1以上，其中在昭通的北部，即特大暴雨發生的地區，水汽通量達到12 g·s-1·cm-1·hPa-1。同時也可以看出在降雨發生過程中，700 hPa水汽通量的大值區和降雨落區對應較好。

圖5 700 hPa水汽通量(單位：g·s-1·cm-1hPa-1)(a 為7月5日14時，b為7月5日20時)Fig.5 Moisture flux in 700 hPa(unit: g·s-1·cm-1·hPa-1)(a, at 14∶00 on July 5th, b, at 20∶00 on July 5th)

從850 hPa水汽通量場(圖略)可以看出，5日14時也有水汽輻合，但沒有水汽輻合中心，只有東部地區的水汽通量達到6 g·s-1·cm-1·hPa-1，其余地區水汽輻合不明顯。到5日20時，水汽通量的中心也位于昭通的中部和北部地區，量級為6 g·s-1·cm-1·hPa-1。所以對比700 hPa和850 hPa的水汽通量可知，此次降雨過程的水汽輸送主要在700 hPa高度上，并且在降雨發生前和降雨發生的過程中，700 hPa上的水汽通量的大值區和特大暴雨產生的區域對應較好。

3.5 垂直螺旋度分析

垂直螺旋度是垂直渦度和垂直速度的積，它的大小反映垂直方向上旋轉與沿旋轉軸方向運動的強弱程度，所以垂直螺旋度在一定程度上不僅能反映系統的維持狀況，還能反映系統發展、天氣現象的劇烈程度[10]。垂直螺旋度在P坐標系中計算表達式參見文獻[10]。

分析了500 hPa和700 hPa螺旋度隨時間的變化。在5日14時700 hPa上(圖6a)，昭通的北部地區螺旋度為正值，中心值為2×10-5m·s-2，對應500 hPa上為0；到5日20時700 hPa上，昭通北部的螺旋度的大小和范圍明顯增大，出現了一個11×10-5m·s-2的中心，此時對應的500 hPa上的螺旋度為-1×10-5m·s-2；而5日14—20時的降雨區域主要出現在鹽津北部、昭陽和魯甸交界處的南部，即對應700 hPa螺旋度中心的東北部和東南部等值線密集帶。6日02時，700 hPa上昭通北部的螺旋度正值區向北移，轉為負值區控制，強度減小，昭通的東部和南部邊緣螺旋度均為正值；500 hPa上昭通的東部和南部都是正值區，其余地區為0，此時降雨出現在鹽津的北部和永善的南部，其中鹽津北部雨區對應的螺旋度分布為700 hPa上螺旋度正值區的東南部，即為螺旋度梯度最大的地方，對應的500 hPa上螺旋度在0～1之間；永善南部對應的700 hPa螺旋度為正值，較前一時次有所增大，而對應的500 hPa上有一個5×10-5m·s-2的中心。由此可以得出，降雨開始時，700 hPa螺旋度或者螺旋度梯度迅速增大，降雨主要出現在700 hPa螺旋度正值區的東北部和東南部等值線密集處，或者正值區東南部螺旋度梯度最大的地方；而對應的500 hPa上螺旋度為較大的正值或者較小的負值，且當500 hPa上的值為0左右時，雨強最強。

3.6 地形的影響

此次過程降雨量分布不均，大暴雨和特大暴雨的區域主要出現在鹽津的北部、綏江東部和水富一帶。由海拔高度圖(圖略)可以看出，在鹽津的西部和西南部海拔均在1 000 m以上。選取鹽津站為代表站做風向風速隨高度的變化，可以看出低層鹽津站的風向都是偏東風，而出現大暴雨和特大暴雨的地區都位于迎風坡，有地形抬升作用，也是一種觸發機制，加劇了降雨的發生。

圖6 700 hPa垂直螺旋度(單位：10-5m·s-2) (a為5日14時，b為5日20時，c為6日02時)Fig.6 Vertical helicity at 700 hPa(unit: ×10-5m·s-2)(a 14∶00 on July 5th;b 20∶00 on July 5th;c 02∶00 on July 6th)

4 結論

①此次降雨過程是一次典型的副高外圍單點對流性暴雨，500 hPa上從四川盆地西部到云南的東部為低槽控制，副高西伸加強；700 hPa上有中小尺度渦旋產生，近地面層有弱冷空氣影響，副高外圍的偏南暖濕氣流與冷空氣在昭通交匯，有利于降水出現。

②影響此次降雨過程的是中β尺度低渦，雨強最大的區域出現在低渦的東部；產生降雨的中尺度云系主要出現在中尺度低渦東側到南側和586線附近，并且TBB<-52 ℃的區域均出現在中尺度低渦和586線之間。

③中尺度雨團在原地不斷的生成、減弱、衰亡，是造成此次極端強降雨和單點性特大暴雨的主要原因；中尺度雨團多發生在對流云團的西北部云頂亮溫較低的區域或者TBB值梯度最大的地區；云團內最小的TBB值對應較強的降雨強度。

④此次降雨的主要水汽來源是孟灣和北部灣，700 hPa的水汽輸送與此次降雨的區域對應較好；地形抬升作用加劇了此次降雨的發生。

⑤在此次降雨過程中， 700 hPa螺旋度或螺旋度梯度迅速增大時，對應出現明顯降雨，并且降雨區域出現在700 hPa螺旋度正值區的東北部和東南部等值線密集處，或者正值區東南部螺旋度梯度最大的區域，而對應的500 hPa上螺旋度為較大的正值或者較小的負值。

[1] 陳瑞敏，康文英，張國萍.副高外圍局地暴雨過程中尺度分析[A].中國氣象學會2006年年會“中尺度天氣動力學、數值模擬和預測”分會場論文集[C].

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[4] 夏茹娣，趙思雄，孫建華.一類華南鋒前暖區暴雨 中尺度系統環境特征的分析研究[J].大氣科學，2006，30(5):988-1 007.

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Mesoscale analysis of the extreme precipitation around subtropical high of Zhaotong "7·05"

SHEN Qian，ZONG Dexiao，HE Juan

(Zhaotong Meteorological Bureau，Zhaotong 657000, China)

Mesoscale analysis was conducted to the extreme precipitation which is around subtropical high of Zhaotong in July 5th, 2016 by using NCEP/NCAR reanalysis data with the resolution of 1°×1°and a FY-2E hourly quite blackbody temperature(TBB) and real-time automatic weather station observation data. The results show: subtropical high advances westward and intensifies and trigger low layer and generate small-scale system. Surface layer weak cold influences cold and warm intersection to produce precipitation. Mesoscale rain clusters ongoing generation, development and demise in place under the subtropical high influence is the main reason of the extreme precipitation. It has significant amount of rainfall generated where the vertical helicity or vertical gradient increases rapidly spiral in 700 hPa and corresponds to 500 hPa vertical helicity to a large positive or small negative area. Topographic uplift is the main reason for the extreme precipitation.

extreme precipitation; mesoscale rain cluster; helicity

1003-6598(2016)05-0051-07

2016-08-14

沈茜(1989—)，女，助工，主要從事短臨及短期天氣預報工作，E-mail:shenqiankai@126.com。

云南省氣象局科研項目(TQ201608)。

P458.1+21.1

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