低緯高原一次冬季暴雨轉雪成因分析

金少華，鄒 陽，周 泓，艾永智，李艷平

(1.云南省玉溪市氣象局，云南 玉溪 653100；2.云南省昆明市氣象局，云南 昆明 650034)

1 引言

云南地處低緯高原，受印度季風和東亞季風影響，形成了干濕季分明的季風氣候，不同的災害性天氣具有明顯的季節性，如暴雨主要出現在雨季(5—10月)，寒潮則發生在干季(11—次年4月)，因而在云南災害性天氣研究中，暴雨研究主要集中在雨季，寒潮則集中在干季。云南的氣象工作者在雨季暴雨研究中應用各種資料分別進行了統計合成、診斷等研究[1-4]，取得大量的研究成果，干季寒潮天氣則主要集中在寒潮、低溫霜凍和降雪研究[5-8]，近年來，冬季暴雨發生頻次和危害程度明顯上升，對冬季暴雨研究引起了氣象工作者的關注，尤紅等[9]應用準地轉理論分析了2003年低緯高原冬季暴雨，并用準地轉理論解釋了暴雨的發生機制。許美玲等[10]用MM5中尺度非靜力模式對2003年冬季發生在云南的暴雨天氣過程進行了數值模擬分析后，指出低空急流和冷空氣是引發暴雨的重要因素。郭榮芬等[11]、王志云等[12]通過低緯高原冬季南支槽產生的暴雨分析后指出，南支槽前西南暖氣流與低層切變和冷鋒共同影響會產生強降水，在無明顯冷空氣和切變影響時，中低層西南急流的長時間維持仍然會出現強降水。這些研究都揭示了冬季南支槽前西南急流對暴雨的作用，而對發生暴雨后能否轉為降雪天氣則研究很少。2013年12月15—16日云南出現本年度范圍最廣、強度最大的暴雨天氣，滇西北至哀牢山以東出現雨轉雪。本文應用地面觀測資料、Micaps常規資料和NCEP1°×1°每6 h再分析資料，從環流、散度、垂直速度、水汽、高低空急流和能量等分析了這次暴雨成因，同時從低層溫度、溫度平流和鋒生函數對雨轉雪相態變化進行了分析，以期對云南冬季暴雨和雨轉雪相態變化預報有一定幫助。

2 天氣實況

2013年12月14日20時—16日20時云南出現一次全省性暴雨天氣過程，14日20時—15日20時氣象觀測站共出現暴雨25站，大暴雨2站，是1950年以來云南最強的冬季暴雨過程，也是2013年云南全省影響范圍最廣、強度最大的暴雨天氣過程，勐臘縣24 h雨量達到148.1 mm，突破云南冬季有氣象記錄以來極值。區域自動雨量站共出現暴雨503站(圖略)，大暴雨82站，最大降水出現在勐臘縣勐滿農場，24 h雨量為173.8 mm，暴雨區主要集中在滇南。滇西北至哀牢山以東出現雨轉雪天氣，全省氣象觀測站共出現降雪43站，其中哀牢山以東出現中雪，部分站點出現大到暴雪。17日雨雪天氣結束，受槽后冷平流影響，地面形成晴空輻射降溫，17—21日全省出現持續性重低溫霜凍(圖略)，其中有86站最低氣溫低于0 ℃，30站低于-4 ℃，重低溫霜凍主要出現在滇中及以北部地區。本次暴雨、降雪和重低溫霜凍共造成564.96萬人受災，大牲畜死亡2 903頭、死亡羊只4 573只，損壞房屋3 126間，農作物受災59.697萬hm2、絕收49.86千hm2，直接經濟損失60.08億元。

3 主要影響系統和環流特征

在本次暴雨轉雪天氣影響系統形成之前，亞歐500 hPa中高緯度為兩槽一脊，隨著巴爾喀什湖至貝加爾湖之間的高壓脊緩慢東移，中高緯度環流調整為兩槽兩脊，與此同時，阿拉伯副熱帶高壓增強西伸和北抬，與烏拉爾山附近的高壓脊形成同位相，脊前西北氣流引導冷空氣快速南下，直達青藏高原中部。隨著冷空氣在高原不斷堆積，13日08時(圖1a)在高原中部形成低槽，14日08時加強東南移，槽底深入到孟加拉灣中部，云南轉為槽前西南氣流，20時移到四川中部至孟加拉灣中部，處于槽前的云南出現>20 m·s-1西南急流區，云南開始出現強降雨。15日08時至20時低槽移到四川東部至孟加拉灣中部，槽前西南急流維持，南段移速減緩。16日08時低槽移到云南中部，槽底仍然維持在孟加拉灣中部，20時移出云南，云南轉為槽后西北氣流。高層200 hPa高空圖上，13日08時(圖1b)位于里海北部橫槽轉豎，并逐漸加強東南移，14日08時南段進入青藏高原，20時南段深入到孟加拉灣，云南轉為槽前西南急流，16日08時移到云南西部，20時移到云南中部，17日08時移出云南。

低層700 hPa形勢圖上(圖略)，13日08時南疆出現312 dagpm冷高壓，14日08時冷高壓增強南移到青藏高原北部，高原東南部到孟加拉灣北部出現308 dagpm低壓環流，武都、巴塘至孟加拉灣北部形成切變線，切變與孟加拉灣北部低壓環流相連形成低壓切變，滇中及以南出現大于12 m·s-1西南急流區，20時冷高壓中心增強為316 dagpm，切變線南壓到達州、宜賓至麗江低壓西移至滇緬之間，與此同時，在蒙自和百色之間出現風向切變，切變線前西南急流區開始出現強降雨。15日08時切變線從云南北部移到中部，切變線后為小于等于-6 ℃冷平流區，兩側溫差達到-4 ℃，切變線經過地區出現雨轉雪，蒙自和百色之間的風向切變在滇東南發展成低壓環流，低壓環流附近正好是本次過程暴雨中心區。15日20時切變線移到滇南邊緣與滇東南低壓環流合并，暴雨天氣結束，在高空強冷平流作用下滇東南出現雨轉雪天氣。16日20時切變線移出云南，雨雪天氣結束。

圖1 2013年12月13日08時500 hPa(a)和200 hPa(b)高度場與系統移動疊加圖(高度場單位：dagpm)Fig.1 Stack of graphics on 500 hPa height field (a) ,200 hPa height field (b) and system moving of 08∶00 13th December 2013 (height field unit: dagpm)

南支槽屬于低緯地區活動的低槽，孟加拉灣南支槽的生成主要為地中海南支槽東移、青藏高原西部大槽斷裂生成南支槽和上下游效應在青藏高原南側形成南支波動加強發展形成的南支槽。從以上分析可見，本次暴雨轉雪天氣的影響系統并不是傳統意義上的南支槽，而是中高層深厚的高空槽迅速加強東南移，槽底深入到孟加拉灣中部，槽前不斷加強的西南急流將孟加拉灣暖濕氣流直接帶入低緯高原，在西南急流區出現暴雨，低層切變線南移時高空伴有強冷平流，導致滇西北至哀牢山以東出現雨轉雪。

4 暴雨天氣物理環境條件

強降雨天氣開始前，高原低槽加強東南移，南段深入到孟加拉灣北部，槽前西南氣流從孟加拉灣攜帶的暖濕氣流向西北輸送到云南南部，水汽通量中心位于孟加拉灣北部到泰國北部。沿水汽輸送方向出現高能舌區(圖略)，高能舌伸展高度達500 hPa,云南南部處于高能舌尖位置，來自孟加拉灣暖濕氣流輸送到云南南部并形成能量積集。分析強降雨(雪)區散度、垂直速度和水汽通量散度時間高度剖面發現，強降水發生時最大輻合中心出現在700 hPa附近(圖2a)，中心值為-16×10-5s-1，最大輻散中心則出現在350 hPa，中心值為20×10-5s-1,強降水發生時段內輻合和輻散中心都有明顯抬升，水汽通量散度的輻合強弱及中心位置(圖2b)與散度輻合一致，中心強度達到-20×10-5s-1。中低層水汽在低層輻合、中高層輻散的耦合作用下，導致強烈的對流上升運動，垂直速度最大達42×10-2hPa·s-1(圖略)，對發生強降雨非常有利。

圖2 沿暴雨區(21°～23°N，100°～104°E)散度(單位：10-5s-1)(a)和水汽通量散度(b)時間高度剖面(黑實線為暴雨時段)Fig.2 Time- height section of divergence along heavy rain area ((21°～23°N，100°～104°E) from 08∶00 14th to 08∶00 16th (a, unit: 10-5s-1)and vapor flux divergence (b)(black solid line is heavy rain periods)

在本次強降雨天氣過程中，由于中高層低槽加深東南移，使得輻散在槽前的中層開始發展，由中層的輻散和低層輻合引起垂直運動，而垂直運動能引起水汽凝結、潛熱能釋放和增暖氣柱，使中層輻散加強并向高層擴展。高層輻散發展使得垂直運動和低層輻合加強，而垂直運動的加強反過來進一步引起潛熱能的釋放，于是形成一種正反饋機制。這種正反饋機制及相伴的低層輻合既促進了氣旋性環流的形成，又促使低層向變壓風的發展；低層變壓風在科里奧利力的作用下促進了西南低空急流的發展加強[13]，而低空急流加強后所輸送的水汽和它本身的動力作用使得這種機制不斷得到維持和加強，從而有利于強降雨的發生發展。

5 高低空急流演變和水汽特征

冬春季青藏高原南側高空通常維持西風急流。14日08時以前，高原南側200 hPa一直維持強偏西急流。隨著中緯度西風槽加強東南移，高原西北部的西北氣流引導冷平流南下，在高原中部至孟加拉灣北部形成低槽，在低槽兩側出現高空急流，云南由原來的偏西急流區轉為槽前西南急流區(圖3a)，風速為45～70 m·s-1，云南北部出現4×10-5s-1輻散中心，急流核位于黃海南部，中心最大風速為82 m·s-1，低層700 hPa云南西南邊緣開始出現低空急流，南部邊緣出現弱輻合。14日20時(圖略)低槽加強東南移，槽底進入到孟加拉灣，200 hPa急流核北抬到黃海中部，中心風速維持82 m·s-1，云南位于強西南急流流入區，風速增加到50～75 m·s-1，輻散中心加強為8×10-5s-1，低層700 hPa從孟加拉灣到云南南部出現較強的東北西南向低空急流區，位于高空西南急入流區右后側，滇南邊緣弱輻合區北抬到云南南部，輻合中心加強為-10×10-5s-1。15日08時(圖略)云南上空高空急流達到最強，高空輻散和低空輻合繼續增強，高空輻散中心達到10×10-5s-1，滇南低空輻合中心增強為-14×10-5s-1。15日20時(圖3b)云南上空高空急流開始減弱，高空輻散區減弱東移到滇東南，輻散中心減弱為8×10-5s-1，低層輻合區減弱移出云南，強降雨過程結束。

圖3 14日08時(a)和15日20時(b)200hPa高空急流(實線，風速≥30 m·s-1)、700 hPa低空急流(風矢量，風速≥12 m·s-1)和散度(虛線，單位：10-5s-1)水平分布(陰影為14日20時—15日20時≥25 mm降水區)Fig.3 Upper level jet on 200hPa of 08∶00 14th(a) and 20∶00 15th (solid line ,wind speed ≥30 m·s-1),low level jet on 700 hPa (wind vector ,wind speed ≥12 m·s-1) and divergence horizontal distribution(dotted line,unit:10-5s-1)(shade area are precipitation≥25 mm from 20∶00 14th to 20∶00 15th )

高低空急流的不同配置對強降雨有不同的影響。徐海明等[14]研究發現，高空急流軸向西北—東南方向的傾斜可以形成其出口處右側的強輻散形勢，從而誘使低層低值系統、低空急流以及暴雨的發生發展。王小曼等[15]也指出，暴雨多出現在西北風高空急流的右前方或西南風高空急流的右后方。本次低緯高原冬季暴雨過程，低空西南急流一直維持在高空西南急流流入區右后側，高空急流的加強，必將引起其右后側輻散加強、高空輻散區下方垂直上升運動加強和低層渦度增大，使低層輻合增強、垂直上升運動進一步加大，觸發不穩定能量的釋放，導致暴雨的產生。

分析暴雨發生前后水汽通量演變特征，暴雨發生前(圖4a)，水汽通量高值帶從孟加拉灣到云南南部，隨著高原低槽東南移到孟加拉灣，槽前西南氣流加大，水汽通量值迅速增大，700 hPa西南急流區出現9×10-6g·cm-1·hPa-1·s-1強水汽通量中心(圖4b)，表明從孟加拉灣有豐沛的水汽向暴雨區輸送。水汽通量僅能反映水汽流向和水汽流量的大小，強烈的水汽輻合才是產生暴雨重要條件。分析暴雨區(21°～23°N，100°～104°E)(圖略)水汽通量散度的時間垂直剖圖，強降水開始前6 h在750 hPa附近出現-16×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1的輻合中心，14日20時輻合中心迅速減弱，20時后再度加強并抬升到700 hPa附近，15日02時輻合中心達到20×10-6g·cm-2·hPa-1，該輻合中心一直維持到15日08時，14時后水汽輻合減弱，強降水結束。

圖4 2013年12月14日08時(a)和14日20時(b)700 hPa水汽通量(單位：10-6g·cm-2·hPa-1)Fig.4 Water vapor flux on 700hPa of 08∶00 14th (a) and 20∶00 14th December 2013 (unit: 10-6g·cm-2·hPa-1)

6 能量分析

6.1 總能量溫度

能量場分析常用于從本質上揭示暴雨的發生、發展規律[16-17]。黃儀方等[18]將總能量分為壓能和濕焓兩部分，將位能與動能之和稱為“壓能”，將顯熱能與潛熱能之和稱為“濕焓”，并應用壓能和濕焓場進行了暴雨落區的診斷分析。14日20時暴雨發生前700 hPa總能量溫度圖上(圖5a)，從孟加拉灣到滇西南邊緣低空急流區為總能量溫度密集帶的能量鋒區，梯度達到12 ℃/100 km，高能濕舌在能量鋒區右側，滇南能量溫度梯度較小。15日08時高能舌北抬，北部低能區南壓，造成滇南能量溫度梯度加大，暴雨開始后總能量溫度梯度維持不變，能量鋒區向東北伸展(圖5b)。強降雨區出現在能量鋒區東北側，高能濕舌北側。從強降雨區上空總能量溫度時間高度剖面圖(圖略)還可看出，從14日08時中低層總能量溫度有明顯升高，高能舌區伸展到600 hPa附近，14時達到最強，20時總能量溫度減小，高能舌區降低到650 hPa附近。15日02時隨著西南氣流加強，低層總能量溫度變化不大，中層再次加強，08時高能舌區伸展到500 hPa附近，14時后迅速減小，表明中低層高能舌區較深厚，能量條件較好，為15日降水加強提供了充足的能量。因此，冬季從孟加拉灣進入云南的低空急流對能量的輸送和聚集起到了明顯的作用，對發生強降雨非常有利。

圖5 2013年12月14日20時(a)和15日08時(b)700 hPa總能量溫度(單位：K)(陰影為14日20時—15日20時≥25 mm降水區)Fig.5 Isentropic temperature gradient on 700 hPa (a, 14∶00 14th; b, 20∶00 15th; unit: 10-6K·km-1; shade area are precipitation ≥25mm from 20∶00 14th to 20∶00 15th)

6.2 定容等熵溫度梯度

圖6 700hPa等熵溫度梯度(單位：10-6K·km-1，陰影為14日20時—15日20時≥25 mm降水區)(a)14日14時，(b)15日20時Fig.6 Isentropic temperature gradient on 700 hPa (unit: 10-6K·km-1, shade area are precipitation ≥25 mm from 20∶00 14th to 20∶00 15th )(a)14∶00 14th,(b)20∶00 15th

7 降水相態變化成因分析

7.1 低層溫度對降水相態變化的影響

由圖7可見，昆明和曲靖從15日08時開始0 ℃層高度迅速下降，其中曲靖降到3 000 m以下，700 hPa溫度降到-1 ℃以下，開始出現降雪。14時昆明、文山和大理0 ℃層高度都降到3 000 m以下，700 hPa溫度降到0 ℃以下，昆明和文山出現雨轉雪，大理由于地面溫度較高，仍維持降雨，直到20時地面溫度降到0 ℃后轉為降雪并維持。從16日08時—17日08時，4個站點0 ℃層高度都低于2 200 m，700 hPa溫度低于-2 ℃。16日14時后降雪隨著水汽中斷而結束，天氣轉晴，0 ℃層高度再一次快速下降，除滇東南的文山20時后開始上升外，其它3站都在降低，17日08時達到最低，滇中及以北出現重霜凍。

選取曲靖、昆明、文山和大理分別為滇東北、滇中、滇東南和滇西北代表站，分析雨轉雪相變過程中冷空氣的作用。從表1中可看出，降水相態自滇東北向滇西推，15日08時處于滇東北的曲靖地面溫度首先降到2 ℃，降水相態由雨轉雪；滇中的昆明和滇東南的文山地面溫度從11時的4 ℃和5 ℃降至14時的1 ℃，降水相態為雨轉雪；滇東北的大理在15日20時以前地面氣溫均在5 ℃以上，都出現降水，到20時地面溫度突降到0 ℃后開始出現降雪。由此可見，雨轉雪的相態變化除0 ℃層高度降到3 000 m以下、700 hPa溫度低于0 ℃外，地面氣溫需低于2 ℃。

7.2 溫度平流和冷墊對降水相態的影響

冷空氣的強弱是決定云南冬季大范圍降雪的重要因素。本次冷空氣從高原東部進入四川盆地，從涼山州東南部進入滇東北，翻越烏蒙山后在冷平流作用快速東南移。圖8a給出了12月13日20時—17日20時昆明上空溫度平流時間垂直剖面圖，從圖中可看出13日20時—16日20時在500～300 hPa一直維持冷平流，冷平流區為強盛的西南氣流。700～600 hPa為弱暖平流，西南氣流較弱。冷平流區在14 日14時、15日02時和16日20時分別出現3次冷平流中心，其中15日20時中心強度達到-12×10-5℃·s-1，而在近地層750 hPa附近還出現弱冷平流，中心強度為-3×10-5℃·s-1，形成淺薄的“冷墊”。在風場和濕度場上(圖8b)，15日02時以前從低層到高層都為西南氣流，相對濕度大值區在低層和中層，02時近地層轉為偏東氣流。15日14時—16日14時隨著地面冷空氣加強，偏東氣流抬升至700 hPa，西南暖濕氣流在“冷墊”上爬升，在600～850 hPa形成上濕下干分布特征。16日14時后中低層轉為偏北氣流，相對濕度變小降水結束。在本次雨轉雪天氣溫度平流分布中，“冷墊”形成時段正好是降雪天氣出現時間。

圖7 15日08時—17日14時4代表站0 ℃層高度(a，單位：m)和700 hPa溫度(b，單位：℃)時間演變Fig.7 Changing of the 0 ℃ level height of representative station (a, unit: m) and temperature on 700 hPa from 08∶00 15th to 14∶00 17th (b, unit: ℃)

站名15日08時11時14時17時20時23時16日02時05時08時11時14時曲靖雪(2)雪(2)雪(2)雪(2)雪(1)雪(1)(-1)雪(-1)雪(-2)雪(-1)(3)昆明雨(6)雨(4)雪(1)雪(1)雪(2)雪(1)雪(0)雪(0)雪(0)雪(1)雪(2)文山雨(8)(5)雪(1)雪(0)雪(1)(1)(3)(3)雪(2)(3)(4)大理雨(5)雨(8)雨(10)雨(5)雪(0)雪(0)雪(0)雪(0)雪(0)(3)(5)

注：降水相態為正點觀測時的現在天氣現象，括號內為地面氣溫(單位：℃)。

圖8 昆明上空溫度平流(a，單位：10-5℃·s-1)，風場(單位：m·s-1)和相對濕度(陰影，單位：%)(b)時間高度剖面Fig.8 Time-height section of temperature advection of Kunming(a，unit：10-5℃·s-1),wind field (unit: m·s-1) and relative humidity (shade area, unit:%)(b)

7.3 鋒生對降水相態的影響

這次降水過程空氣濕度較大，上升下沉運動可近似看成絕熱過程，而假相當位溫是一個θse包含溫度、氣壓和濕度的物理量，在干絕熱、濕絕熱和假絕熱過程中都守恒，因此，選取θse計算鋒生函數，表達式為參見文獻[19]，F1、F2、F3、F4分別為非絕熱加熱項、水平輻散項、水平變形項和與垂直運動相關的傾斜項，正值為鋒生。通過鋒生函數和各項計算分析，雨轉雪相態變化時，低層都有明顯鋒生，鋒生函數變化主要是F3項和F4項起作用。圖9為文山上空鋒生函數時間高度剖面，F3(圖9a)在600 hPa以下從15日08時—16日14時出現不連續鋒生，15日08—14時，700hPa附近鋒生函數出現由負向正的變化，中心值從-120×10-10K·m-1·s-1變為90×10-10K·m-1·s-1，出現鋒生的時間正好與文山出現雨轉雪一致。600 hPa以上從15日14時—16日20時一直維持正值，最大正值中心出現在15日20時600 hPa附近，中心值為105×10-10K·m-1·s-1，由此可見，水平變形對鋒生的作用在中低層最明顯。F4(圖9b)在550 hPa附近出現不連續鋒生15日02時—16日02時經歷了兩次正負值變化，15日02—08時，中心值從-105×10-10K·m-1·s-1轉變為60×10-10K·m-1·s-1，F4在中高層出現鋒生的時間比低層早，隨時間從高到低有明顯的下傳。根據鋒生理論，充分發展的斜壓槽將其本身的熱量和動量通量首先輸送到高空急流區，使高空急流加速，然后由適應過程中的調整質量環流引起中低層鋒生，本次天氣過程正是由于高原中部中高層生成和發展為深厚的東北西南向低槽的同時，出現較強高空急流區，從而引起中低層鋒生。圖9c為鋒生函數過文山站時間高度剖面，與F3+F4(圖9d)對比可見，低層鋒生函數和F2+F3正負值分布和中心位值的變化趨勢非常接近。15日02—08時600～400 hPa鋒生函數和F3+F4正負中心分布較一致，也與F4的變化相同，說明F4對中層的鋒生作用更明顯。15日08—14時700 hPa附近鋒生函數出現由負值轉為正值的變化，與F3的變化趨勢相同，表明F3對低層鋒生起主要作用。其它時效鋒生函數隨時間變化則是F3和F4共同作用結果。

圖9 2013年12月14日20時至17日02時昆明站鋒生函數時間高度剖面圖(單位：10-10K·m-1·s-1)(a)水平變形項F3，(b)垂直運動傾斜項F4，(c)鋒生函數，(d)F3+F4Fig.9 Time- height section of frontogenetical function of Kunming from 20∶00 14th to 02∶00 17th December 2013(unit:10-10K·m-1·s-1;a, horizontal deformation item F3; b, vertical tilt item F4; c, frontogenetical function; d, sum of F3+F4)

8 結論

通過以上分析，得到以下主要結論：

①南支槽屬于低緯地區活動的低槽，孟加拉灣南支槽的生成主要為地中海南支槽東移、青藏高原西部大槽斷裂生成南支槽和上下游效應在青藏高原南側形成南支波動加強發展形成的南支槽。本次暴雨轉雪天氣的影響系統并不是傳統意義上的南支槽，而是中高層深厚的高空槽從高緯地區迅速加強東南移，槽底深入到孟加拉灣中部，槽前不斷加強的西南急流將孟加拉灣暖濕氣流輸送到低緯高原，在西南急流區出現暴雨，低層切變線南移的同時地面冷鋒加強西進，導致了這次暴雨轉雪天氣過程。

②中低層來自孟加拉灣的暖濕氣流在云南南部形成能量積集區和強烈的水汽輻合區，在低層輻合、中高層輻散的耦合作用下，形成強烈的對流上升運動，為強降雨提供了動力和水汽條件。

③定容等熵溫度梯度負的大值區為能量鋒區，是高能高濕最為集中的地區，本次強降水區與700 hPa等熵溫度梯度強負值出現的區域有一定對應關系，強降水發生在強負值出現后，對強降水落區預報有一定指示作用。

④本次冷空氣從高原東部進入四川盆地，從涼山州東南部進入滇東北，翻越烏蒙山時轉變為靜止鋒，在強冷平流作用下快速東南移。雨轉雪相態變化過程中除0 ℃層高度降到3 000 m以下和700 hPa溫度低于0 ℃外，地面氣溫需低于2 ℃。

⑤雨轉雪相態變化時，低層都有明顯鋒生，鋒生函數變化主要來自水平變形項和垂直運動傾斜項。