昭通市一次輻合帶系統暴雨過程分析

沈 茜,裴 玥,何 娟

(云南省昭通市氣象局，云南 昭通 657000)

0 引言

昭通居于云貴高原與四川盆地的結合部，地勢西南高，東北低，屬于典型的山地構造地形，山高谷深。同時昭通境內群山林立，海拔差異較大，海拔從高到低有高原氣候、溫帶氣候、亞熱帶氣候之分。受昭通特殊的地形和氣候影響，在汛期時節，災害性天氣頻發，而暴雨又屬于眾多災害性天氣中最為普遍的一種，而輻合帶上的中小尺度系統往往是造成暴雨的重要影響系統。眾多氣象學者對對流性暴雨天氣過程進行了多方面的研究，張騰飛[1]等發現云南大多數暴雨屬于強對流型暴雨，而且以負閃電為主，負閃電占總閃電的90%以上；朱莉[2]等發現颮線的維持和移動造成滇南的短時強降水，短時強降水發生在颮線前部的入流槽口處，云南中部的短時強降水與逆風區的形成和維持有直接關系；許美玲[3]等發現云南省特大暴雨的水汽來源于孟加拉灣，水汽輸送主要以低層西南風為主；張秀年[4]等發現云南省冷鋒切變型暴雨發生過程中，北部冷平流具有十分重要的作用，但南部暖平流的作用也不可忽視。但是這些暴雨過程大多都伴有明顯的低層或者高層冷空氣，而對沒有明顯冷空氣影響的暖區暴雨天氣過程分析較少。陳玥[5]等發現暖區暴雨中短時強降水貢獻大，暖切變型以低層暖切變線為主要天氣背景，地面常有弱靜止鋒，暖區對流活動與中尺度急流結構、地形強迫等因素存在較高的相關性；周明飛[6]等發現暖區暴雨形成時，地面均為熱低壓控制，地面輻合線加強觸發暖區暴雨發生。張曉美[7]等發現華南暖區暴雨至少與3個連續生消的Mcss(中尺度對流系統)的活動直接相關，不同暴雨落區中降水峰值出現的時間與相應Mcss發展強盛期對應關系良好。吳哲紅[8]等發現地面中尺度輻合區產生的輻合、垂直渦度激發次級環流產生，高低空急流耦合等作用是暴雨產生的動力條件。

為了能在之后的工作中更好的對發生在云南省的輻合帶暴雨過程進行預報監測，本文使用NCEP/NCAR 再分析資料、昭通多普勒雷達資料及自動站實時監測資料，應用天氣學原理和天氣學診斷分析等理論，診斷分析2018年8月2—5日出現在云南昭通的一次暖區暴雨過程，旨在尋找相應的預報依據，為今后出現在昭通的暖區暴雨天氣過程提供技術理論支撐。

1 天氣實況

2018年8月2日08時—5日08時昭通市大部出現暴雨，局部出現大暴雨。全市鄉鎮過程累積雨量<50 mm的有90站，104站50～100 mm，28站100～200 mm，最大累積雨量出現在鹽津中和站，達到213.7 mm，分析鹽津中和站，降雨時段集中在2日午后，3日凌晨和上午，4日的中午前后；最大小時降雨量出現在3日08—09時，達到了49.8 mm/h。

2 形勢分析

這是入汛以來昭通市最大的一次區域性暴雨天氣過程，具有范圍廣、強度強、小時雨強強，以對流性降水為主，強降水區域分布不均的特征。從500 hPa環流形勢來看，2日20時(圖1a)，副高發展較強，中心位于華北一帶，西伸脊點達到40°N，昭通位于副高西南側的南北向輻合區中，臺風“云雀”位于華東東側；到3日20時(圖1b)，副高穩定維持，并且略有加強，588線控制范圍有所擴大，位于云南東部上空呈南北向的輻合帶發展加強為低渦，并且略有南壓，臺風“云雀”從華東一帶登陸，昭通上空轉為一致的偏東氣流控制；4日20時(圖略)，副高繼續加強，導致低渦持續南壓，中心已經移出云南，昭通轉為副高外圍的偏東氣流控制，降雨趨于結束。從700 hPa圖上看，2日20時(圖1c)，從滇東南到滇西北為一條輻合帶控制，而昭通的東部、北部受倒槽影響，槽前的正渦度平流有利于產生輻合上升運動；到3日20時(圖1d)，輻合加強為低渦切變，略有南壓，昭通轉為低渦北側的偏東氣流控制，同時隨著臺風“云雀”登陸并且向西移動，偏東風加強，有明顯的風速輻合，有利于產生垂直上升運動和產生降水；4日20時(圖略)，昭通上空的偏東風減弱，降水也趨于結束。從地面圖(圖略)來看，2—3日，從高原到云南都為低壓帶控制，也有利于垂直上升運動的發生和維持。

分析此次過程的溫度平流場(圖2)看出，2—3日下午，500 hPa上沒有明顯的溫度平流；而在700 hPa上，2日20時—3日14時，昭通市有暖平流影響，到3日20時(圖略)，昭通的南部有冷空氣入侵，北部、東部依然維持有弱的暖平流，此時，降雨趨于結束。所以，判斷在此次降雨過程中沒有明顯的冷空氣影響。同時從垂直速度場(圖略)上來看，在整個過程中，從低層到高層都為明顯的垂直上升運動區。

這次過程是發生在整層都是垂直上升運動的有利的天氣尺度背景下的暴雨天氣過程，并且在降雨過程中的主要時段，沒有明顯的冷空氣影響。由于此次降水過程有明顯的時段性，并且小時雨強較強，所以與局地中小尺度對流系統密切相關。

3 物理量診斷分析

3.1 水汽條件

分析700 hPa比濕場可以看出，8月2日08時，昭通市的比濕達到11 g/kg(圖略)，局地水汽條件較好。從水汽通量場(圖3a)來看，水汽主要來自于孟灣、南海和西太平洋，水汽通量達到4 g·s-1·cm-1·hPa-1，局地達到6 g·s-1·cm-1·hPa-1，同時在昭通的中部以南地區有水汽通量散度(圖略)輻合。從2日08時—3日08時的累積降雨量圖(圖略)上也可以看出，全市出現了中到大雨，局部暴雨，強降水的區域較為分散，以單點性的暴雨為主。8月3日08時(圖3b)，昭通市的比濕依然維持在11 g/kg，昭通市全部轉為低渦北側的偏東氣流控制，水汽主要來自于南海和西太平洋，并且由于臺風“云雀”的西移，偏東氣流的強度明顯增強，導致水汽通量>6 g·s-1·cm-1·hPa-1的范圍明顯增大(圖3b)，水汽通量散度(圖略)輻合區的范圍和量級也隨之增大，輻合大值區位于昭通的南部一帶，說明水汽輸送變好。3日14時(圖3c)，高比濕依舊維持，但水汽通量強度減小，同時水汽通量散度(圖略)輻合區的范圍和強度減小，輻合區依然位于昭通南部一帶。從3日08時—4日08時的累積降雨量圖(圖略)上看，全市的強降雨落區變大，發展成了區域性的強降雨，并且出現了局地性的大暴雨。這主要是由于3日的水汽輸送比2日好，導致3日的降雨強度比2日的強。由此得出，持續性的水汽輸送和局地的高比濕是產生此次連續性降雨過程的重要原因，水汽輸送的強度決定了降雨的量級，水汽輸送越強，降雨強度越強。

圖2 溫度平流(單位：10-5℃/s)(500 hPa： a、b、c；700 hPa ：d、e、f)Fig.2 Temperature advection(unit: 10-5℃/s) (500 hPa： a、b、c；700 hPa ：d、e、f)

圖3 過程中階段性累積降雨量圖(單位：mm)和水汽通量(單位：g·s-1·cm-1·hPa-1)Fig.3 Phased cumulative rainfall in the process(unit:mm) and water vapor flux(unit: g·s-1·cm-1·hPa-1)

3.2 不穩定條件

由于此次過程伴隨著大范圍的雷暴和短時強降水，所以以對流性降水為主。分析CAPE值疊加T500-700，可以看出，從2日08時(圖4a)到3日14時(圖4d)全市大部區域的T500-700維持在-14 ℃左右，上冷下暖的形勢明顯。從CAPE值來看，由于昭通的地形原因，東部和北部海拔較低，為河谷地帶，有高溫高濕的特征，所以CAPE值相對于南部高海拔地區來說要高；從2日08時(圖5a)—2日14時(圖4b)，全市的CAPE值明顯升高，達到了500 J/kg以上，東部和北部地區的CAPE值達到了1 500 J/kg以上，強降水從2日的午后開始，說明高的CAPE值有利于強降水的發生；3日08時(圖4c)，全市CAPE值都降到了500 J/kg以下，而此時降水趨于減弱，說明低CAPE值對應弱降水；3日14時(圖4d)，全市的CAPE值又有所升高，東部和北部達到1 000 J/kg以上，從而導致4日的凌晨又出現了明顯的降水。K指數反映對流層中下層(700～850 hPa)的濕度廓線，濕度越大，K值越大，越不穩定[9]；此次過程中，昭通市的K指數(圖略)連續兩天都達到40 ℃以上，表明對流層低層濕層深厚，水汽條件充沛，有利于對流性短時強降水的發生。同時SI指數(圖略)維持在-1～-4 ℃之間，有利于雷暴天氣的發生。

選取威寧站8月2日08時(圖4e)和3日08時(圖4f)的探空圖，并用同一天14時的溫度來進行拖動訂正，得出以下結論，8月2日08時(圖4e)威寧站的CAPE值從516 J/kg上升到了1 995 J/kg,700 hPa比濕達到了11 g/kg，同時可以觀察到其濕層深厚，有利于短時強降水天氣的發生，從垂直風場來看，威寧站的低層風向隨高度順轉，高層風向隨高度逆轉，說明上層為冷平流，下層為暖平流，為上冷下暖層結，有利于對流性天氣的發生；8月3日08時(圖4f)威寧站的CAPE值經過訂正之后也升至了1 600 J/kg，700 hPa比濕達到了11 g/kg，同時中層有干層存在，為上干下濕層結，同樣也有利于強對流性天氣的發生。

綜合上述條件，在此次過程中，上干冷下暖濕的不穩定層結，較高的CAPE值和低層比濕，K指數維持在40 ℃以上，SI指數維持在-1～-4 ℃之間，導致昭通市產生了持續性的雷暴和短時強降水天氣。同時得出CAPE值的大小和降水強度有較好的對應關系，高的CAPE值對應強降水，低的CAPE值對應弱降水。

圖4 CAPE(單位：J/kg)和T(500-700)(單位：℃)疊加場(a、b、c、d)、威寧站探空圖(e、f)Fig.4 CAPE(unit: J/kg) and t(500-700)(unit: ℃) superimposed field(a,b,c,d),T-lnp of Weining station)

3.3 動力條件

從垂直上升運動(圖略)來看，2日20時的垂直上升速度在500 hPa和700 hPa上全市都小于-0.4×10-1Pa·s-1，中心強度達到了-0.6×10-1Pa·s-1，說明整層都為垂直上升運動場，并且垂直運動較強。從3日20時的垂直上升速度場可以看出，500 hPa和700 hPa全市的垂直上升速度也都小于-0.1×10-1Pa·s-1，中心強度為-0.2×10-1Pa·s-1。在2日和3日都出現了大范圍的短時強降水，對比兩天的垂直速度量級，2日是3日的3～4倍的量級，但3日出現短時強降水站次較2日多，強度較2日更強，說明一定強度的垂直上升速度更有利于產生大范圍的短時強降水。從垂直上升速度場和累積降雨量的對應情況來看，2日的降雨落區和700 hPa的垂直上升運動區對應較好，而3日的降雨落區和500 hPa垂直上升運動區對應較好。所以垂直速度場對于降雨落區的預報有一定的參考意義，但是還需結合其他物理量場來一起分析。

3.4 觸發機制

此次降雨過程中，由于沒有明顯冷空氣的配合，所以觸發機制較為重要。2日14時(圖5a)，昭通市為地面熱低壓控制，在昭通境內有兩條明顯的地面輻合線，一條位于永善的北部，輻合較弱，對應的雷達回波k1(圖5b，由于昭通雷達東部地區回波有所遮擋，所以不能正常反應東部地區雷達回波情況)以積云回波為主，回波中心強度維持在35～40 dBz之間；另一條k2位于昭通的南部，在輻合線的兩側東北風和西南風的輻合較強，在輻合線及輻合線的兩側都有一些對流單體發展，回波中心強度在35 dBz以上，局地還達到了50 dBz以上。3日02時(圖5c)，低壓中心西移，昭通仍然位于低壓內部，在昭通的東部和南部地區有兩條輻合線，在輻合線的附近有兩片明顯的降水回波k3和k4(圖5d)，范圍擴大；由于此時降水已經開始了一段時間，所以對應的回波全部為層—積混合回波，回波中心強度在30～45 dBz之間。3日08時(圖5e)，低壓中心繼續南壓到滇中一帶，有一條明顯的地面輻合線維持在昭通的中部，在鹽津到永善北部區域，有明顯的偏北風輻合，產生了明顯的降水回波k5(圖5f)，回波中心強度在30～40 dBz之間。3日20時(圖5g)，昭通轉為一致的偏北氣流控制，地面輻合線消失，對應的雷達回波圖上(圖5h)，降水回波的范圍減小，強度減弱；此時，降雨強度明顯減弱，降雨趨于結束。由此見，長期存在的地面輻合線和地面熱低壓為此次強降水起到了觸發輻合抬升作用，并且降水回波產生于地面輻合線上及其兩側；降水剛開始時，以積云降水回波為主，降水開始以后，地面輻合線雖然依然存在，但是回波轉為層—積混合性降水回波。

圖5 此次過程的地面天氣圖(a、c、e、g)和昭通市多普勒雷達強度圖(b、d、f、h)Fig.5 Ground weather map(a、c、e、g) and Zhaotong Doppler radar intensity map(b、d、f、h)

4 雷達分析

此次降水過程伴隨著大范圍的短時強降水天氣，2日出現了34站次、3日出現了46站次。選取8月3日08—09時的雷達圖(圖6b和圖6e)進行分析。連續的2 h即08—09時(圖6a)、09—10時(圖6d)，在鹽津的西部地區均出現了短時強降水天氣，為中尺度雨團；從雷達回波圖上看，強度圖上為層積混合的帶狀回波，最大回波強度在35～40 dBz之間，并且維持時間較長，達到2 h左右。對鹽津左側的回波做垂直剖面圖(圖略)，看出，兩個小時的回波質心都較低，在4 km以下，以暖云降水為主，降水效率較高。大部分的回波中心強度也維持在35～40 dBz之間，保證了一定的降水強度，為低質心型短時強降水回波[10]。“逆風區”是判識短時強降水的一個重要指標[11]，從速度回波(圖6c和圖6f)上看，在鹽津的西部地區出現了大片的逆風區，并且維持時間較長，較有利于強降水的發生。以上條件造成了鹽津西部地區產生了長時間的短時強降水。

5 地形影響

昭通為山區地帶，地形復雜，地形性降水明顯，在預報時，地形的作用不可忽視。昭通的地形為西高東低的形勢，而鹽津的西部為暴雨中心，并且局部還出現了大暴雨，但是水汽的輻合中心并不在鹽津一帶，所以在此次過程中地形的作用不可忽略。3日昭通市從低層到高層都轉為臺風北部的偏東氣流控制，而在鹽津的西部為迎風坡，有利于地形的輻合抬升作用，從而加強垂直上升運動、加大降水效率，因此加大了降水量級[12]。

6 小結

①這是一次發生在有利的天氣尺度背景下，由輻合帶上的中小尺度系統造成的對流性暴雨天氣過程。高層低渦控制，配合低層偏東風風速加強輻合，同時在地面熱低壓和輻合線的觸發抬升的作用下，產生了持續性的對流性降水天氣。

②此次過程的水汽主要來源于孟灣、南海和西太平洋，700 hPa的水汽輸送與降水的量級密切相關，水汽輸送好的區域降水量級大；低層持續性的高比濕提供了有利的水汽條件，上干冷下暖濕的層結，較高的CAPE值，K指數維持40 ℃以上，SI指數在-1～-4 ℃之間，有利于昭通市連續性的對流性降水的發生。

③CAPE值的大小和降水強度有較好的對應關系，高的CAPE值對應強降水，低的CAPE值對應弱降水。

④一定強度的垂直上升運動較有利于產生大范圍的短時強降水；垂直上升速度場和降雨落區并不是一一對應關系，不能直接使用來確定降雨落區和量級，還需結合其它物理量場和形勢場來進行訂正。

圖6 小時雨強(a、d)(單位：mm)、昭通市多普勒雷達強度圖(b、e；單位：dBz)、昭通市多普勒雷達徑向速度圖(c、f；單位：m/s)Fig.6 Hour rain intensity (a, d) (unit: mm)，Zhaotong Doppler radar intensity map (b, e; unit: dBz), Zhaotong Doppler radar radial velocity map (c, f; unit: m/s)

⑤長期維持的地面輻合線是此次持續性強對流天氣的主要觸發機制，在地面輻合線上及其兩側較易產生降水回波；降水剛開始時，以積云回波為主，隨著降水的發展，回波轉變為層—積混合回波，并且范圍逐漸擴大，在降雨趨于結束時，回波強度和范圍都逐漸減小。

⑥持續存在的“逆風區”導致鹽津西部地區產生連續的中尺度雨團，當回波強度維持在35～40 dBz，同時質心在4 km以下時，能夠產生小時雨強達40 mm以上的強降雨。

⑦在此次過程中，低層偏東風的輻合起到了重要的作用，同時結合昭通西高東低的地形條件，地形的輻合抬升對于這次強降雨過程起著不可忽視的作用。