重慶一次弱天氣系統強迫下的極端短時強降水事件分析*

李 琴 鄧承之

重慶市氣象臺，重慶 401147

提 要： 利用常規觀測、多普勒雷達、FY-2F衛星、加密自動站等數據和ERA-Interim 0.125°× 0.125°再分析資料，對2019年4月19日重慶極端短時強降水事件的環境條件和發展機制進行了分析。結果表明：在天氣尺度垂直運動較弱的背景下，此事件由準靜止的β中尺度對流系統(MβCS)形成。對流發展前本地水汽充足，“上干下濕”的層結不穩定特征顯著。對流發生發展于云貴高原向四川盆地過渡的綦江河谷附近，河谷三面環山，地勢由西南向東北傾斜。γ中尺度對流從河谷南側下山增強，導致河谷內的局地強降水和冷池。冷池與河谷東坡上暖濕氣團間的強中尺度水平溫度梯度，有利于近地面西南風加速向東側山體輻合，促使已移至河谷內的γ中尺度對流向東坡移動并加強為一個孤立的MβCS。受冷池的持續增強、東側地形的阻擋、兩個γ中尺度對流的并入和弱環境氣流引導的共同影響，MβCS得以較長時間維持并影響同一局地區域，導致綦江、萬盛局地發生極端短時強降水。

引 言

強降水在重慶時有發生，是當地汛期主要的災害性天氣之一。大量研究指出，重慶強降水多發生在有利的天氣尺度背景下，其中包括高原槽(渦)、西南低渦、切變線、低空急流和地面冷鋒等天氣系統，強降水的產生常是多尺度天氣系統共同作用的結果(周國兵等，2006；王中和陳艷英，2007；劉德等，2012；孫一昕，2012；劉婷婷等，2014；孟曉文等，2017；鄧承之等，2019)。如盧萍等(2014)對2010年重慶夏季兩次暴雨過程的熱力、動力演變進行了分析，指出西南渦造成的降水落區位于低渦中心附近，整個降水過程雨帶分布與低渦移動路徑相一致。鄧承之等(2018)通過個例研究指出中尺度對流系統生成并維持于西南渦前部次級環流的上升支內。康嵐等(2008)指出2007年7月中旬的川渝大暴雨過程是西南渦和高原渦兩個天氣系統逐步耦合的結果，副熱帶高壓的西進北抬為此次過程提供了有利的水汽輸送條件。

在強降水天氣中，Doswell Ⅲ(2001)將小時雨量達到或超過50 mm的強降水事件歸類為極端強對流天氣，俞小鼎(2013)將1 h雨量≥50 mm或3 h雨量≥100 mm的降水事件定義為極端短時強降水事件。這類事件形成的暴洪危害極大，尤其是天氣尺度強迫較弱形勢下的極端短時強降水事件，突發性和局地性強，預報難度極大，已引起廣泛關注(徐珺等，2018；曾智琳等，2019；范元月等，2020)。Luo et al(2016)指出2011—2015年中國大陸5 800次極端小時強降水的天氣形勢可劃分為4類，其中弱天氣強迫類極端小時強降水占39.0%，且主要發生在中國東南、華北、西南和東北的東部地區，而2003—2012年中國臺灣的弱天氣強迫天氣形勢下的極端小時強降水占9%～13%(Wu et al,2017)。Lin et al(2011)調查了2005—2008年中國臺灣弱天氣強迫天氣形勢下的暖季雷暴的時空分布特征，指出有午后雷暴日與無午后雷暴日的地面風場、溫度、露點溫度有明顯的日變化。孫繼松等(2006)在分析一次北京局地暴雨過程中指出，在天氣尺度垂直運動并不利于強降水發生的背景下，城市和郊區因下墊面熱力性質差異造成的中尺度輻合線對對流單體有明顯的組織作用。肖現等(2015)通過數值模擬研究了兩次處于弱天氣系統強迫和弱層結背景下的北京風暴過程，表明局地冷池和環境風場的相互配合是造成山上對流風暴是否能夠順利傳播下山的關鍵機制。孫靖和程光光(2017)指出在弱天氣尺度環流影響下，雷暴自身強弱是其下山后強度可否增強的主要因素之一。Wang et al(2018)指出，弱天氣尺度背景下一次發生在中國臺灣西南部的晨間對流主要是在向岸的西南風涌與離岸的陸/山風之間觸發的。

目前對于重慶地區弱天氣系統強迫下極端短時強降水事件的研究，尚不多見。由于這類過程往往無明顯主導天氣尺度或大尺度系統，強降水突發性和局地性特征明顯，目前對其的預報還存在很大的不確定性(張楠等，2018)，往往容易漏報。同時，重慶位于長江上游，西接四川盆地，東北部雄踞大巴山地，東南部斜貫有巫山、七曜山、大婁山和武陵山等山脈，地形地貌復雜(圖1)，自然生態環境脆弱，突發性的局地強降水常帶來嚴重的次生地質危害。因此，有必要加強對此類降水天氣過程的認識，本文將對2019年4月19日發生在重慶局地的極端短時強降水案例進行分析，以期為當地未來此類天氣的預報提供參考。

圖1 重慶及周邊地區地形高度Fig.1 Terrain height of Chongqing and its surrounding area

1 天氣實況概述

2019年4月19日00—12時(UTC，下同)，重慶出現了一次強降水天氣過程，重慶南部的綦江、萬盛地區出現了暴雨到大暴雨天氣(圖2紫色方框區域)，11個區域加密自動氣象觀測站的12 h累計降水量≥100 mm，其中萬盛的銅鼓灘站最大，達170.7 mm。強降水區域同時伴有雷電、短時強降水、陣性大風等強對流天氣(圖3)。綦江、萬盛的降水主要發生在午后，持續時間約為6 h(05—11時)，萬盛的南門和銅鼓灘站于09時發生了>100 mm·h-1的極端短時強降水天氣(俞小鼎，2013)，小時雨強分別高達109.7 mm·h-1和100.2 mm·h-1。這次極端強降水事件歷時短、局地性強、突發性明顯，具有顯著的中小尺度特征。強降水突發在重慶南部地形復雜的綦江河谷附近，極端短時強降水事件發生后，綦江、萬盛局地出現了山洪地質災害，造成綦江(1人)、萬盛(4人)共計5人死亡，6人受傷，給當地人民的生命及財產造成了重大損失。

圖2 2019年4月19日00—12時重慶市地面自動氣象站和區域加密自動氣象觀測站的12 h累計降水量分布(填色)[紫色圓點為沙坪壩站(SPB)，藍色三角形依次為江津站(JJ)、綦江站(QJ)和萬盛站(WS)，紫色三角形為永川(YC)雷達站]Fig.2 The 12 h accumulated precipitation of the conventional meteorology observation stations and dense automatic weather stations in Chongqing from 0000 UTC to 1200 UTC 19 April 2019 (colored)[purple dot and triangle represent Shapingba (SPB) Weather Station and Yongchuan (YC) Radar Station, blue triangle and black abbreviation denote weather stations of Jiangjin (JJ), Qijiang (QJ), and Wansheng (WS), respectively]

圖3 2019年4月19日00—12時重慶強對流天氣(地閃:綠色十字和短線;陣性大風:風向桿,單位:m·s-1；最大小時雨強：圓點，單位:mm·h-1。地閃數據來自中國ADTD*地閃探測網；陣性大風和最大小時強降水數據來源于地面自動氣象站和區域加密自動氣象觀測站)Fig.3 The convective weather in Chongqing from 0000 UTC to 1200 UTC 19 April 2019(cloud-to-ground lightning flash: green short-line and cross; gale: wind barb, unit: m·s-1； maximum hourly severe rainfall: dot, unit: mm·h-1.The lightning data, gale and the maximum hourly severe rainfall data are from the ADTD lightning network, the conventional meteorology observation station and dense automatic weather station network in China, respectively)

2 天氣形勢分析

2.1 環流背景

極端短時強降水開始前，19日06時重慶地區為“東高西低”的環流形勢，500 hPa青藏高原上為寬廣的低壓槽區，重慶及其以東地區為弱脊區(圖4a)，中低層重慶上空均為較弱的偏南風，重慶西部位于暖性弱低壓區，而其東部為高壓脊區，高壓脊穩定且強大，有利于阻礙或延緩上游低值系統東移(圖4b,4c)。可見，降水開始前重慶地區存在天氣尺度的抬升運動，但由于地面至500 hPa風場都較弱、垂直風切變很小，天氣尺度的垂直運動較弱，極端短時強降水發生在弱天氣尺度系統強迫環境下。19日06時貴州北部—重慶南部的可降水量達到46～48 mm，為季節性的高值，且存在較明顯的水汽通量輻合和西南—東北走向的水汽舌，利于局地強降水的發生(圖4d)。

2.2 不穩定層結條件

沙坪壩站的T-logp圖(圖5)表明，19日00時700 hPa以下為濕層，而500 hPa以上溫度露點差較大(如400 hPa上約為38℃)，垂直方向“上干下濕”的特征顯著，這有利于位勢不穩定的發展加強(丁一匯，2005；孫明生等，2012；孫繼松等，2014；鄭永光等，2017;雷蕾等，2011)。在降水開始前，19日00時盡管對流有效位能(CAPE)數值不高(134 J·kg-1)，但根據對流發展前的最高氣溫(26.2℃)訂正后的CAPE高達1 486 J·kg-1(圖5)，“狹長型”的CAPE形態有利于強降雨的發生。19日00時異常偏強的負沙氏指數(-3.3℃)和K指數(41℃)都表明重慶西部地區處于顯著的不穩定狀態。雖然對流層中低層風速小，垂直風切變弱，不利于對流的傾斜發展和傳播，但由于承載層風速弱，同樣有利于局地對流發展后在源地附近影響更長時間。過程開始前，存在一定的對流抑制能量(CIN為258 J·kg-1)，不利于初始對流的觸發。但需要注意的是，重慶綦江、萬盛南部位于云貴高原向四川盆地的過渡帶，由于山坡上抬升的初始氣塊海拔較高，實際氣塊抬升需要穿透的阻力較沙坪壩站(海拔高度約為200 m)更小，且降水開始后抬升凝結高度(LCL)持續降低，在對流層低層高濕環境中，低LCL表明只需要較弱抬升就可以觸發對流，有利于對流風暴的發生發展(Brooks et al，2003)。

圖5 2019年4月19日03時沙坪壩站訂正探空曲線(基于00時沙坪壩探空資料)(藍色實線：露點溫度，單位：℃；紅色粗實線：層結曲線；黑色實線：狀態曲線；藍色和橙色陰影：CIN和CAPE)Fig.5 The revised sounding of Shapingba Station at 0300 UTC 19 April 2019based on sounding data of Shapingba Station at 0000 UTC 19(blue solid line： dew-point temperature， unit: ℃; red thick solid line： strtification curve; black solid line： condition curve； blue and orange shadings： CIN and CAPE)

3 中尺度對流系統的發展機制分析

高強度的降水往往是由中小尺度系統直接產生(鄭永光等，2017)，因此有必要在分析環流背景的同時，進一步利用精細化資料對該過程的中小尺度特征進行分析。

3.1 β中尺度對流系統的演變

根據Orlanski(1975)的尺度劃分標準、馬禹等(1997)的判別方法，本文將水平尺度在20～200 km，云頂亮溫(TBB)≤-32℃的中尺度對流云團定義為β中尺度對流系統(MβCS)。FY-2F衛星TBB資料表明(圖6)，19日06時，綦江—萬盛地區已經新生出一個孤立對流云團，08時云團加強發展成一個圓形的MβCS；09時MβCS覆蓋面積進一步增大，長軸達110 km左右，隨后東移減弱消亡。從云團發展演變過程來看，這個云團呈準靜止狀態，在整個過程中TBB均高于-52℃，云蓋較暖。結合圖2可知，綦江、萬盛南部的極端短時強降水事件主要發生在此MβCS發展加強的過程中。

圖6 2019年4月19日(a)06時、(b)08時、(c)09時和(d)11時TBB分布(填色表示TBB≤-32℃)Fig.6 The brightness temperature at 0600 UTC (a), 0800 UTC (b), 0900 UTC (c) and 1100 UTC (d) 19 April 2019(TBB≤-32℃ in colored zones)

由宜賓和永川等天氣雷達(重慶雷達缺資料)同步組網觀測得到的組合反射率因子拼圖顯示(圖7)，19日03:42—04:00，江津、綦江以南的谷地產生了γ中尺度對流單體A、B和C。在緩慢下山過程中，單體A和C減弱消散，B略微加強。05:24，綦江河谷中又新生對流單體D、E和F，隨后它們加強組織成帶狀對流G，G在06:06發展為“弓”形后減弱分裂，在此期間單體B仍在緩慢下山。單體B到達綦江河谷后迅速增強，隨后向河谷東坡緩慢移動且加劇發展，逐漸形成了MβCS。該單體在07:18反射率因子由低到高向東南傾斜，開始出現弱回波區和其上的懸垂回波結構(圖8a)，該單體進入強風暴階段。05:48和07:42各有一個孤立的γ中尺度對流單體H和I在高海拔地區新生，在北移或下山過程中增強后，它們又分別于07:30和08:42并入雷暴B，東北—西南向的帶狀雷暴B得以維持。07:30—08:48有界弱回波區結構清晰(圖8b,8c)，在此期間徑向速度圖上出現了β中尺度輻合線(王福俠等，2014)，如:08:22，2.4°仰角徑向速度圖在綦江河谷東側山坡上顯示了徑向速度輻合(圖9a紫色方框區域), 并出現了較大的負速度中心，6.0°仰角徑向速度顯示了較強的風暴頂輻散(圖9b)，β中尺度輻合線的形狀和位置與強降水回波帶非常吻合(圖7，圖9a)，08:48萬盛南門站和銅鼓灘站附近最強回波強度達65 dBz，雷暴B發展強盛。直至09時，雷暴B的東段一直穩定位于極端強降水區上空，09時萬盛地區產生了極端短時強降水，南門和銅鼓灘站小時雨強分別高達109.7 mm·h-1和100.2 mm·h-1，08—09時，分鐘雨強分別為4.3 mm·min-1和3.7 mm·min-1(圖10)。雷暴B在發展成熟后，其垂直剖面顯示該風暴單體的有界弱回波區結構消失(圖8d)，在高層偏西風的引導下東移，其主體于10:42移出重慶，隨后減弱消亡，降水停歇。垂直反射率因子剖面圖表明(圖8)，雷暴B是伴有有界弱回波區和懸垂回波結構的準靜止強風暴，有利于局地強降水的發生，甚至可能出現冰雹，但并未收到冰雹的觀測報告。

圖7 2019年4月19日(a)03:42、(b)04:00、(c)05:06、(d)05:24、(e)05:48、(f)06:06、(g)06:30、(h)06:48、(i)07:12、(j)07:30、(k)07:42、(l)08:12、(m)08:42、(n)08:48、(o)09:00和(p)10:42的雷達組合反射率演變(填色)(黑色三角形和圓點分別表示萬盛的南門、銅鼓灘地面加密氣象觀測站)Fig.7 Evolution of composite radar reflectivity mosaic (colored) at (a) 0342, (b) 0400 UTC, (c) 0506 UTC, (d) 0524 UTC, (e) 0548 UTC, (f) 0606 UTC, (g) 0630 UTC, (h) 0648 UTC, (i) 0712 UTC, (j) 0730 UTC, (k) 0742 UTC, (l) 0812 UTC, (m) 0842 UTC, (n) 0848 UTC, (o) 0900 UTC and (p) 1042 UTC 19 April 2019(Black dots and triangles indicate Nanmen and Tonggutan automatic weather stations in Wansheng)

圖8 2019年4月19日(a)07:18、(b)07:30、(c)08:48和(d)09:30沿著左側經過雷暴B的紅線的永川雷達反射率因子剖面(填色，單位：dBz)Fig.8 The Yongchuan radar reflectivity mosaic profile along the left red lines through thunderstorm B (colored, unit: dBz) at (a) 0718 UTC, (b) 0730 UTC, (c) 0848 UTC and (d) 0930 UTC 19 April 2019

圖9 2019年4月19日08:22(a)2.4°和(b)6.0°仰角永川雷達基本徑向速度(填色)Fig.9 The base velocity (colored) at (a) 2.4° and (b) 6.0° from Yongchuan Radar at 0822 UTC 19 April 2019

圖10 2019年4月19日南門、銅鼓灘地面加密氣象觀測站(a)01時至20日00時逐時雨量和(b)08—09時逐分鐘雨量Fig.10 (a) Hourly rainfall from 0100 UTC 19 to 0000 UTC 20, and (b) minutely rainfall from 0800 UTC to 0900 UTC 19 April 2019 at Nanmen and Tonggutan automatic weather stations

綜上所述，初始對流在綦江南側的高海拔谷地附近被觸發，在其北移下坡過程中，大部分對流消散，同時又有多個γ中尺度對流在綦江河谷中新生，且發展為“弓”狀對流后減弱消散。然而綦江河谷南坡上的對流B北移下山加強，并在向綦江河谷東側山坡移動的過程中發展為孤立的MβCS，隨后有兩個在高海拔地帶新生且向北移動加強的γ中尺度對流先后并入其中，MβCS得以在綦江河谷東坡上維持2 h以上，造成了綦江、萬盛南部局地的極端短時強降水。

3.2 β中尺度對流系統發展機制分析

重慶江津、綦江、萬盛等地及與其相鄰的貴州習水縣位于云貴高原向四川盆地的過渡地帶，地勢南高北低，以山地為主，多小尺度地形，其間分布有習水河和綦江河(圖11a)。從整體上來看，習水河谷較綦江河谷位置偏南且海拔高0.4 km左右，綦江河谷西側和南側山脈高大連綿，而東側山脈低矮且不連續，此次強降水主要分布在綦江河谷及其周圍坡地上。

19日04時，在江津、綦江、萬盛南部的高位溫區有γ中尺度對流單體新生(圖略)。05時，綦江河谷南坡上轉為偏南風(圖11i)，單體B逐漸北移下坡并加強發展，當地開始有弱降水產生(圖11c)，且出現了4℃以上的降溫(圖略)，這導致綦江河谷南坡上形成一個弱的冷空氣堆(圖11j)，即冷池(Weckwerth and Parsons,2006)。斜坡地形使得弱冷池出流加速北下，并與偏北氣流間有地面輻合線生成(圖11j)，在其附近觸發多個 γ中尺度對流單體D、E和F(圖7)，這些單體呈西北—東南向排列，并于06時組織發展為向北凸出的“弓”狀對流G，對流G很快分裂減弱，但對流G產生的降水導致綦江北部冷池范圍南擴，此時江津、綦江及萬盛等地的位溫呈“鞍型”分布(圖11j)，習水河谷西側山體和萬盛東部區域的位溫較高，對流單體H于06時在習水河谷西側的高位溫山區內被觸發。

圖11 2019年4月19日(a)00—12時重慶偏南地區12 h站點累計降水量(圓點，單位：mm)；(b)圖11a中兩個代表站A8154和A7494的逐時溫度(折線，單位：℃)和風力(風向桿，單位：m·s-1)；(c～h)06—11時逐時降水量(圓點，單位：mm·h-1)；(i～n)05—10時逐時位溫(填色)、相對濕度(等值線，單位：%)和地面觀測站風場(風向桿，單位：m·s-1)(圖11j～11n中棕色粗虛線為地面中尺度風場輻合線；圖11a、圖11c～11h中陰影為地形)Fig.11 (a) Distribution of 12 h accumulated rainfall amount at stations in southern Chongqing from 0000 UTC to 1200 UTC 19 (dot, unit: mm); (b) hourly temperature (polyline, unit: ℃) and surface wind (wind barb, unit: m·s-1) of two representative stations A8154 and A7494 shown in Fig.11a; (c-h) hourly rain (dot, unit: mm·h-1) from 0600 UTC to 1100 UTC 19;(i-n) potential temperature (colored), surface relative humidity (contour, unit: %), surface wind filed (wind barb, unit: m·s-1) and the mesoscale convergence lines of surface wind field (brown bold dashed line) from 0500 UTC to 1000 UTC 19 April 2019(In Figs.11a and 11c-11h, the shadings are terrain height)

09時后地面冷池進一步加強(圖11m,11n)，隨著極端短時強降水的發生(圖11g,11h)、不穩定能量的釋放和邊界層風垂直切變的減小，雷暴在發展成熟后，整體向東移出重慶并逐漸減弱(Weisman and Klemp，1982；肖現等，2015)。

地面中尺度輻合線與強對流天氣的發生發展關系密切(Mueller et al，1993；Wilson and Mueller，1993；李青春等，2011；王從梅等，2018)。此次過程中地面中尺度輻合線呈東北—西南走向和緩慢向東南移動的趨勢，生命史約為5 h。上述分析表明雷暴B的位置、形態和持續時間與地面中尺度輻合線基本吻合。下面以圖11a所示的兩個站點A7487和A7494來分析地面中尺度輻合線的形成及演變情況。A7487站位于A7494站的西北方，兩者相距約4 km，降水開始前，19日02—04時這兩個測站都盛行偏南風(圖12)，受綦江北部弱降水導致的冷池南下影響(圖11i)，A7487站于05時轉為偏北風，它與A7494站之間開始有地面中尺度輻合線形成，盡管此時這兩站的風速很小，但在對流層低層高濕的不穩定環境中，輕微的輻合就能觸發對流，06時A7487站已有降水產生(圖11c)，07時A7494站風速明顯加強，增強的輻合導致了08時出現大于等于50 mm·h-1的極端強降水(圖11e)。地面中尺度輻合線維持了3 h后(圖12)，19日08時A7487站由偏北風轉為偏西風，隨著冷池進一步南擴，A7494站由西南風轉為了偏北風，這促使了地面中尺度輻合線向東向南移動(圖11m,11n)。

圖12 2019年4月19日01—11時自動氣象觀測站A7487和A7494的逐時風力(風向桿，單位：m·s-1)時間序列(灰色陰影表示這兩個測站間地面中尺度輻合線存在的時段)Fig.12 Hourly surface wind (wind barbs, unit: m·s-1) of A7487 and A7494 automatic weather stations from 0100 UTC to 1100 UTC 19 April 2019 (Gray shadow indicates the period of time with the surface mesoscale convergence line between the two stations)

4 結論與討論

利用常規觀測、地面加密自動站、多普勒雷達、FY-2F衛星等數據，結合ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析資料，對2019年4月19日00—12時重慶局地極端短時強降水事件進行了分析，得到以下結論：

(1)這次次極端強降水事件歷時短、局地性強、突發性明顯，具有顯著的中尺度特征。

(2)盡管這次過程天氣尺度的垂直運動弱，但重慶偏南地區水汽通量有較明顯的輻合且可降水量達到季節性高值，水汽條件充足。“上干下濕”的濕度特征利于大氣不穩定層結的增強與維持。

(3)這次次極端短時強降水事件發生在云貴高原與四川盆地過渡地帶的綦江河谷附近，地形條件復雜，綦江河谷三面環山，河谷附近地勢由西南向東北傾斜。在充足的熱力條件下，γ中尺度對流在河谷南側高海拔谷地生成并北移下山發展，其產生的較強降水導致綦江河谷南坡逐漸形成較強的冷池。河谷冷池與其東坡暖區間的強水平溫度梯度，有利于近地面西南風增速并在東側山坡前輻合抬升，促使對流向河谷東坡移動且快速發展為一個孤立的MβCS。

(4)在近地面中尺度風場輻合線的組織作用下，MβCS先后與兩個在高海拔地帶新生且下山增強的γ中尺度對流合并，河谷內冷池持續增強導致近地面西南氣流持續增速，在東側山體的阻擋和高空弱引導氣流作用下，中尺度對流系統得以在綦江河谷東坡上維持2 h以上，造成了綦江、萬盛局地的極端短時強降水。

復雜地形下，常規的高低空天氣分析圖上很難捕捉到中小尺度雷暴發生發展的詳細過程。根據已有的觀測結果，在對流不穩定條件下，我們推測高海拔地帶的多個新生對流可能是因山地的熱力不穩定而觸發。此過程的中尺度特征明顯，較低分辨率的全球模式對這類降水的預報能力有限，在今后的日常業務工作中，對此類強降水的預報，預報員應特別關注地形復雜地區的局地中尺度環流以及局地地形影響。考慮到這種中小尺度對流發展機理的困難程度，將來有必要開展高分辨率數值模擬試驗，更進一步驗證和探索此過程的發生發展物理機制。