云南一次兩高輻合型短時強降水過程的成因分析

王治國，米瑞芝，閔 穎，胡 娟，李華宏，許迎杰

(云南省氣象臺，云南 昆明 650034)

0 引言

云南地處低緯高原，是南亞季風和東亞季風交匯和顯著影響區，干濕季節分明，全年54.7%的降水出現在6—8月的主汛期。全省性的大(暴)雨天氣過程多伴隨有短時強降水的發生，短時強降水具有突發性和強度大等特點，往往容易引發山洪、滑坡泥石流等地質災害以及造成城市內澇，且短時強降水的生消演變往往與中小尺度天氣系統有關，因此一直是氣象預報業務的難點。近年來，許多學者從多角度對短時強降水天氣開展了大量的科學研究，取得了豐富的研究成果。一些學者細致分析了短時強降水的時空分布特征，李華宏等[1]指出云南境內的短時強降水發生頻率空間分布極不均勻，自東南向西北呈迅速遞減趨勢，短時強降水主要發生在5—10月，傍晚至夜間為高發時段。蒙軍等[2]利用2012—2015年區域自動站小時降雨資料對安順市短時暴雨進行研究,指出安順市的短時暴雨主要發生在5—6月，具有典型的夜雨特征，5個短時暴雨大值區，其中有4個位于安順市海拔高度梯度較大的區域。張麗等[3]發現安慶市短時強降水空間分布城郊差異明顯，7月發生站次最多，午后到傍晚為高發時段，強度以20～30 mm/h為主。馮德花等[4]發現文山州的短時強降水在中部以南地區較活躍，特別是西南部和東南部，短時強降水和雷電均在午后至夜間較為活躍，短時強降水高發時段較雷電推遲1～2 h。另外一些學者采用多源數據對短時強降水進行分型和環境參量分析，建立預報模型，段鶴等[5]利用多普勒雷達資料對滇西南地區的短時強降水天氣過程進行統計分析，總結出3種概念模型，并得到短時強降水的識別和預報指標。何鈺等[6]基于“配料法”的基本思路對云南汛期典型短時強降水個例進行中尺度特征分析，得出適用于云南省的5類短時強降水概念模型。王將等[7]對2012—2017年6—10月金沙江烏東德水電站壩區18次暴雨個例的大尺度環流背景及衛星云圖演變特征進行統計分析，指出切變冷鋒型、兩高輻合型、西南渦型、孟加拉灣風暴型、切變線型和高空槽型是金沙江烏東德水電站壩區的6類暴雨概念模型。還有一些學者針對典型的短時強降水個例成因進行細致深入的分析，朱莉等[8]發現冷鋒切變背景下的短時強降水出現在MCS和中尺度對流單體(MCC)云團移向的前部邊緣地區，負地閃頻數最大值出現的時間比短時強降水的發生有30 min～3 h左右的提前量。李華宏等[9]指出短時強降水主要出現在云頂亮溫<-50 ℃ 的區域，當雷達回波強度達到 45 dBz以上并具明顯低質心特征、徑向速度圖上有中尺度輻合配合時，出現短時強降水的可能性較大。周泓等[10]指出地面鋒面及疊加在其上的加密地面風場輻合區的位置和移動可以作為短時強降水短臨預報的重要參考依據。楊靖新等[11]發現強鋒生作用區域測站上有強正變壓特征和短時強降水對應。沈茜等[12]發現700 hPa的水汽輸送和CAPE值的大小和降水強度密切相關。鐘愛華等[13]發現強降水過程開始前低層和高層的水汽條件均好，是大理地區出現強降水的原因之一。周秀美等[14]發現單純兩高間輻合區并不一定能產生強降水，強降水過程是由高空冷平流滲透南下引發的。

從以上已有工作可以看出，對云南冷鋒切變環流背景下的短時強降水個例研究較多且較為細致，而對兩高輻合背景下的短時強降水個例研究相對較少，且多針對州市進行研究。另外《云南省天氣預報員手冊》中總結兩高輻合系統產生降水的概念模型時主要從不同的天氣形勢和物理量特征方面區分強降水和弱降水過程，并未利用非常規資料進行研究分析。因此，為了能夠讓省級預報員對兩高輻合背景下出現的大范圍短時強降水過程發生、發展的機理有更加清晰的認識，本文利用ERA-interim再分析資料、常規觀測資料、雷達資料以及閃電定位儀等非常規資料，應用天氣學原理和天氣學診斷分析等理論，對2015年8月云南一次兩高輻合形勢下短時強降水發生的成因和中尺度特征進行分析，旨在尋找預報指標，為今后出現的相似個例提供預報依據。

1 降水及強對流實況

2015年8月25日20時—26日20時，麗江南部、大理東部、臨滄東部、普洱北部、楚雄、玉溪、紅河北部和南部、文山北部和南部出現大到暴雨局地大暴雨天氣過程。云南區域站共計出現大暴雨32站(1.15%)、暴雨235站(8.45%)、大雨458站(16.47%)(圖1a)，最大降雨量出現在文山富寧186.4 mm。強降水時段主要集中在25日20時—26日08時，從6 h間隔降水分布看，25日20時—26日02時，有兩條強雨帶，位置偏北的強雨帶呈現西北—東南向的長條狀，分布在麗江—楚雄中部—玉溪東部—文山北部，位置偏南的強雨帶呈現東西向帶狀，分布在文山南部邊緣地區，此時段最大累積降水出現在文山富寧166.7 mm；26日02—08時(圖1b)，強降水落區最為集中且雨強最強，主要出現在大理東南部—普洱北部—楚雄—昆明南部—玉溪北部—紅河北部—文山北部以及文山南部和紅河南部，有4站超過100 mm，最大累積降水出現在紅河瀘西孔照普150.5 mm。從文山富寧(105.63°E、23.65°N)和雙柏妥甸馬龍(101.51°E、24.67°N)兩個站的逐時降水看，富寧降水主要出現在26日00—01時，分別為59.5 mm和80.9 mm；妥甸馬龍的降水主要出現在26日03—04時，分別為66.2 mm和27 mm?？傮w來看，此次降水過程伴有明顯的短時強降水天氣。

圖1 降雨量分布圖(單位：mm)(a)2015年8月25日20時—26日20時；(b)2015年8月26日02—08時

從逐6 h的降水分布與短時強降水分布(圖2)對比看，兩者不論從落區還是時段看，都配合較好，說明此次降水過程以對流性降水為主，小時最強雨強80.9 mm出現在富寧26日01時。

圖2 短時強降水(單位：mm)以及地閃分布圖(a)2015年8月25日20時—26日02時；(b)2015年8月26日02—08時

過程還伴有明顯的雷暴天氣，從落區分布看(圖2)，與短時強降水分布基本一致，但并不是一一對應，例如26日02—08時，玉溪北部短時強降水集中，但雷暴活動并不密集。另一個特點就是隨著短時強降水站次數的增加(83～145站次)，正閃次數明顯增加，負閃次數明顯減少，逐6 h的正負閃比例由179/3202變為 429/1746，且負閃次數出現峰值的時間(26日01時)較短時強降水次數出現峰值的時間(26日03時)提前了2 h(圖3)。

圖3 短時強降水以及地閃站數時序圖(a)2015年8月25日20時—26日02時；(b)2015年8月26日02—08時

2 天氣形勢分析

分析此次過程的影響系統可見，500 hPa上25日20時(圖略)青藏高原上為高壓脊控制，緬甸—滇西北形成閉合滇緬高壓，兩高壓在高原東南側形成輻合切變，副熱帶高壓斷裂后在北部灣附近有閉合中心的小高壓活動，其脊線位于21°N附近，滇緬高壓與副熱帶高壓在滇中以東形成寬廣的兩高輻合區。26日02時(圖4a)，高原上的高壓脊與滇緬高壓同時向東移動，并同位相疊加，脊前和高壓東側的西北氣流有利于引導冷空氣南下，配合海平面氣壓看(圖略)，此時四川中部的冷高壓從川南伸展至昭通南部至曲靖北部，同時滇緬高壓與副高之間的輻合區向滇東南收緊，副高外圍東南氣流將北部灣的暖濕氣流向北輸送，冷暖空氣在輻合區內交匯有利于不穩定能量的生成。26日08時(圖4b)，中高緯形勢變化不大，低緯副熱帶高壓明顯西進北抬，西脊點伸至滇中附近，形態轉為西北東南向，滇緬高壓明顯減弱，兩者之間的輻合區位于滇中附近，也就是說在副高逐步西進北抬的過程中，加劇了滇中附近的輻合強度。

700 hPa上，25日20時(圖略)川滇低渦位于四川東南部，低渦切變位于昭通南部至麗江東北部，孟加拉灣地區有熱帶低值系統活動，切變線南側為低值系統外圍的西南氣流，有利于將孟加拉灣的水汽向云南輸送。26日02時(圖4c)由于切變南側偏南氣流較強，切變線位置穩定少動，副高西移，其西側的偏南風有利于將北部灣的水汽向滇東南輸送。26日08時(圖4d)，副高進一步加強西進，其西側的偏南氣流與孟加拉灣低壓外圍的偏南氣流疊加，使得偏南風加大，推動低渦切變北移，低渦切變北縮至昭通東北部。

圖4 流場分布圖(a)26日02時500 hPa；(b)26日08時500 hPa；(c)26日02時700 hPa；(d)26日08時700 hPa

從海平面氣壓和10 m風場分布看，25日20時(圖5a)川中有1 014 hPa冷高壓中心，川中及以西、渝東及黔北為1 010 hPa冷高壓控制，滇東北為高壓底部偏東回流冷空氣影響，另外在北部灣地區有熱帶低值系統活動，滇中及滇東南為其北側偏東氣流影響，哀牢山沿線冷暖空氣的交匯有利于對流天氣的發生。26日02時(圖5b)冷空氣進一步南下西進，整個云南轉為偏東氣流控制，冷墊的形成有利于低層暖濕氣流在其上爬升，進一步加強對流天氣。

圖5 海平面氣壓和10 m風場分布圖(a)25日20時；(b)26日02時

3 物理量特征分析

3.1 水汽條件

此次過程中副熱帶高壓西側的偏南氣流與孟加拉灣低壓東側的西南氣流分別將北部灣和孟加拉灣地區的暖濕氣流向云南境內輸送，為短時強降水天氣的發生發展提供了有利的水汽條件。從700 hPa比濕分布看，過程期間，強對流發生區域的比濕都在11～13 g/kg之間，濕舌從西北向東南方向延伸，26日02時(圖6b)強降水開始發生后，云南的比濕較25日20時(圖6a)有所減小。從700 hPa水汽通量散度分布可見，25日20時(圖6c)水汽輻合區位于700 hPa切變線附近，呈現西北東南向，兩個大值中心分別位于麗江和曲靖中部輻合達-6×10-7g/(hPa·cm2·s)，26日02時(圖6d)隨著輻合區的北抬西進，滇中及以東地區的水汽輻合明顯增強，大值區位于曲靖和昆明交界處，輻合達-12×10-7g/(hPa·cm2·s)。對比逐6 h降水分布圖(圖1b)看，水汽條件與短時強降水發生的地方并不完全一一對應。

圖6 700 hPa比濕和水汽通量散度分布圖25日20時(a)比濕、(c)水汽通量散度；26日02時(b)比濕、(d)水汽通量散度

3.2 動力條件

此次過程滇中短時強降水集中出現在26日02—08時，而雙柏妥甸馬龍(101.51°E、24.67°N)在26日03—04時連續2 h出現短時強降水，因此繪制妥甸馬龍散度和垂直速度的時間剖面圖進行動力條件分析。由散度場(圖7a)可以看出，從25日22時—26日04時，妥甸馬龍上空400 hPa為無輻散層，400 hPa以下為輻合層，400 hPa以上為輻散層，且26日03—04時，中層550～500 hPa之間出現明顯的強輻合中心，強度達-8×10-5s-1，此時段在200 hPa附近配合有明顯的強輻散中心，強度可達20×10-5s-1，而26日04時以后，700 hPa以下轉為輻散形勢，妥甸馬龍的強降水明顯減弱。對應垂直運動(圖7b)看，26日06時以前妥甸馬龍整層都有垂直上升運動，且隨著時間的發展，垂直運動有一個向中層發展加強的過程，26日02—08時，500 hPa附近的垂直運動達到-20×10-3Pa·s-1，但從06時開始700 hPa以下轉為下沉運動。綜合可見，低層輻合、高層強烈輻散的抽吸作用造成的強上升運動為短時強降水的發生發展提供了有利的動力條件。

圖7 26日08時沿101.5°E經向剖面圖(a)輻散場；(b)垂直速度場

3.3 不穩定條件

根據臨近和鄰近原則，選取短時強降水發生時段最臨近的時次和短時強降水最鄰近的代表站的T-lnP圖及不穩定參數進行分析，探討本次短時強降水天氣的不穩定機制。

25日20時，富寧短時強降水發生前百色探空站(圖8a)為對流性不穩定層結，CAPE值達787.9 J/kg，且θse925-θse500為2.47 ℃，濕層從850 hPa向上伸展至550 hPa，暖云層厚度達4 324.3 m；風矢圖上，925 hPa、850 hPa為東南風，925～500 hPa之間風隨高度順轉有暖平流，500 hPa以上風隨高度逆轉有冷平流，且從0～6 km的垂直風切變看，風速變化不大，風向轉了差不多180°，垂直風切變大，有利于風暴的發展、加強和維持。此時昆明探空站(圖8b)也為對流性不穩定層結，CAPE值為172.8 J/kg，且θse500-θse700為6.15 ℃，濕層從底層向上伸展400 hPa，暖云層厚度也較厚；風矢圖上，700～400 hPa之間風隨高度順轉有暖平流，400 hPa以上風隨高度逆轉有冷平流，垂直風切變較小，僅為2 m/s。從以上分析看，這種上干冷下暖濕的配置結構非常有利于強對流的發展加強，配合深厚的濕層和深厚的暖云層厚度，則有利于短時強降水的發生發展。

圖8 25日20時T-lnP圖(a)百色站；(b)昆明站

4 中尺度對流系統特征分析

4.1 衛星云圖特征

通過云頂亮溫的分布情況可以判斷中尺度對流系統發展的高度，對流發展越旺盛，云頂亮溫越低，因此可以通過分析云頂亮溫來追蹤中尺度對流系統的發展演變過程。由于此次過程的短時強降水集中出現在26日02—08時，因此對該時段的云頂亮溫進行分析。

從云頂亮溫分布圖(圖9)可以看出，26日02時，滇中以西有一“人”字形的云帶，與此時地面圖上東南氣流與西南氣流在這一區域形成的輻合線對應，云帶主體云團A位于臨滄至楚雄附近呈東北西南向，滇東南邊緣地區有一準東西向的中尺度對流云團B，與此時刻500 hPa兩高輻合區對應，兩個云團的云頂亮溫極值均小于-70 ℃但覆蓋面積較小。隨后云團A持續發展并隨著地面輻合線的西移緩慢向西移動，由于對流垂直發展非常旺盛導致云頂亮溫小于-70 ℃的面積明顯增大，并在26日03—04時達到強盛階段，受其影響在亮溫梯度大值區即玉溪北部一帶出現了明顯的短時強降水，妥甸馬龍也連續出現了2 h的短時強降水。值得關注的是26日03時開始，對流云團B的西北側隨著兩高輻合的北抬有云系向西北方向延伸發展，與對流云團A東南側的小云團逐漸連通，而對流云團B開始逐漸減弱。26日05時，對流云團A小于-30 ℃的面積明顯增大，但強度開始明顯減弱。26日07時，對流云團逐漸分裂解體，到08時已經分裂成3個相對獨立的對流云團，對應的短時強降水規模也開始減小。

圖9 云頂亮溫觀測(a)26日02時；(b)26日03時；(c)26日05時；(d)26日06時

4.2 雷達回波特征

從此次過程的反射率因子分布看，過程期間主要為層積混合云回波，大部分層云回波的強度在25～35 dBz之間，短時強降水集中出現的地方主要為積云回波。

此次過程中，短時強降水集中出現在26日02—08時，特別是在玉溪北部的易門附近，因此選用覆蓋此區域的昆明雷達觀測資料進行回波特征分析(圖10)。從26日05時30分回波反射率分布可以看出此時在晉寧和易門之間以及易門和雙柏之間有兩條準南北向的帶狀回波發展，回波反射率因子強度最大值達到45 dBz左右，回波反射率因子東西方向水平梯度較大，呈現明顯的積云回波特征。此后，東段回波基本不動，西段回波緩慢東移，06時24分西段回波追上東段回波，兩者在易門附近合并為一南北向的弓形回波，回波反射率因子強度最大值仍然維持在45 dBz左右，沿弓形回波南段最強反射率因子處做一西南東北向的回波剖面可以看出，回波頂高可達10 km，大于35 dBz的回波大值區處于中下層，極大值區位于海拔4 km附近，該站出現短時強降水天氣時雷達回波反射率因子低質心的特征非常明顯。從對應時次的徑向速度圖上可以看出，負速度區面積明顯大于正速度區，表明存在大尺度輻合環境場，環境場能量不穩定，有利于強降水的產生和維持。另外，易門縣附近為一致的西南氣流，且上游地區風速大于下游地區風速，具有明顯的風速輻合特征，有利于增強該區域的對流強度，導致局地性強降雨的發生。此后該弓形回波在緩慢東移過程中逐漸減弱，07時23分回波帶上大部分的強度小于35 dBz。由于雷達觀測具有較高的時空分辨率，在有利的天氣形勢背景下，通過跟蹤強回波區及徑向速度輻合區的發展情況及移動趨勢，有助于進一步細化短時強降水天氣的落區和發生時段。

圖10 昆明雷達觀測(a)26日05時30分0.5°仰角反射率因子；(b)26日06時24分0.5°仰角反射率因子；(c)26日06時24分反射率因子剖面；(d)26日06時24分0.5°仰角徑向速度

5 結論

①此次短時強降水過程分布范圍廣、降水時段集中、頻次大，最強降水時段落區集中分布在滇中西部和南部附近，系統性降水特征明顯。

②此次短時強降水過程伴有明顯的雷暴天氣，地閃的落區分布、密集程度與短時強降水的落區、頻次有較好的對應關系，且在短時強降水最強時段正地閃的頻次有明顯的增加，而負閃次數出現峰值的時間較短時強降水次數出現峰值的時間有近2 h的提前量。

③500 hPa兩高輻合和地面冷鋒是此次過程的關鍵影響系統，兩高輻合東側的副熱帶高壓及孟加拉灣低壓為短時強降水天氣提供必要的水汽輸送，兩高輻合是中低層水汽輻合及對流抬升運動的維持機制，地面冷鋒形成的冷墊觸發低層對流抬升運動的發生。低層輻合高層輻散的強烈抽吸作用導致了強上升運動，使對流能夠得以發展。

④中尺度對流云團中隨著云頂亮溫小于-70 ℃區域面積的減小，短時強降水的頻次也明顯減少。

⑤從雷達回波特征看，短時強降水天氣主要出現在積云回波中反射率因子大值區，積云回波呈準靜止狀態為強降水在短時間內的發生提供了可能。此次過程中，易門附近的回波強度達到40 dBz以上并具明顯低質心特征，而且徑向速度圖上有明顯的中尺度輻合配合。