重慶市中部一次對流性暴雨的中尺度分析

杜愛軍，鄧承之，李佳雯，翟丹華

（1.重慶市巴南區氣象局，重慶 401320；2.重慶市氣象臺，重慶 401147；3.重慶市忠縣氣象局，重慶 404300）

暴雨是最為常見的災害性天氣，具有突發性和強度強的特點［1］，是造成洪澇災害，誘發泥石流等次生災害的重要影響因子。重慶市地處長江上游、四川盆地東部，轄區內山脈縱橫，水系發達，地形地貌復雜且地質結構敏感，是中國地質災害發生頻率最高的地區之一［2］。在全球氣候變暖的背景下，夏季暴雨頻發，給人們的生產生活和生命財產安全帶來嚴重的威脅，氣象防災減災的必要性及緊迫性進一步增加。

由于中國受到東亞夏季風的影響，強降水天氣是中低緯度環流系統相互作用的結果［3］，低緯環流系統為強降水提供了充足的水汽。在降水地理分布上，中國南方強降水天氣的雨量和強度往往比北方強，持續時間也更長［4］。

暴雨的監測和預報是氣象預報員所關注的重點，了解暴雨發生、發展的規律，對提高暴雨預報服務水平、做好防汛減災以便更好地為國民經濟和生產服務。氣象學者對中國暴雨的研究不斷深入，取得了一系列的成果［5-11］。已有很多專家學者從多方面分析并討論了暴雨產生的機制和特點。張曉美等［12］利用地面自動站、衛星資料、雷達資料及再分析資料對華南地區暴雨的中尺度系統進行了分析。魏東等［13］對北京地區深秋季節一次對流性暴雨天氣的中尺度進行了分析。袁美英等［14］為了揭示東北短歷時暴雨的觀測事實和預報線索，分析了東北地區一次罕見的短時大暴雨中尺度系統。盧煥珍等［15］利用常規觀測資料及加密資料，結合衛星、雷達資料，對天津一次分散的暴雨中尺度對流系統特征進行了分析。吳志鵬等［16］利用ARPS3DVAR 和WRF 快速同化模式對西南地區的強降水過程進行了模擬試驗，并檢驗了預報結果。聶云等［17］對梵凈山東南側夏季暖區暴雨中尺度系統演變與環境場特征進行了分析。尉英華等［18］利用常規觀測資料和雷達資料，從大氣環流和垂直結構特征及對流發展機制分析了地面冷鋒后華北地區的一次局地大暴雨過程。劉慧敏等［19］對陜北局地大暴雨過程進行了β中尺度特征分析。

暴雨是重慶市主要的氣象災害。研究表明，重慶市暴雨天氣多在有利的大尺度環流背景下發生，暴雨主要受高原槽（渦）、西南低渦、切變線和高低空急流和地面冷鋒等系統影響。地面冷鋒是重慶市暴雨的重要天氣尺度影響因子，統計表明，近80%的重慶區域性暴雨與地面冷空氣活動有關，冷空氣主要起到觸發不穩定能量的作用［20］。重慶市汛期強降水具有東多西少的特征，渝東北和渝東南降水量大，渝中和渝西降水量小，每年因為暴雨造成的經濟損失達千萬元，如“1981.7.13”及“2007.7.17”等特大暴雨天氣均對重慶市社會及經濟造成了重大影響。

暴雨是多尺度天氣系統相互作用的產物，其發生發展的機理相當復雜，對于暴雨中尺度系統及結構、對流發展的局地物理條件及其變化過程等，依然是研究的難題［21］。這些難題直接影響對暴雨規律的認識和把握，進而影響暴雨預報準確率。2018 年8 月22 日至23 日（簡稱“8.22”），重慶市中部出現了一次大暴雨天氣過程。“8.22”事件具有降水強度強、時間集中、局地性強等特點，但預報顯著偏弱，低估了暴雨的強度及維持時間。本研究著重從常規自動站觀測資料、探空資料、再分析資料、閃電資料、雷達資料等多源觀測資料，圍繞22 日08：00 至23 日08：00 降水和對流系統的演變和結構特征、觸發和維持機制、移動緩慢成因等方面對該次事件的中尺度特征和成因進行分析，為提高該類天氣的預報服務水平提供參考，并為后續的深入研究提供理論基礎。

1 天氣概況

2018 年8 月22 日08：00 至23 日08：00，重慶市出現一次大暴雨天氣過程，強降雨集中在重慶中部，全市大暴雨（100~249.9 mm）站點66 個，暴雨（50~99.9 mm）站點192 個，最大累積降雨量出現在豐都新建（A8828），達198.3 mm（圖1a）。過程中重慶中部地區持續出現短時強降水，夜間短時強降雨落區較白天更為集中（圖1b、圖1c）。

圖1 2018 年8 月22 日8：00 至23 日8：00 降水分布

此次過程中最大小時雨強與短時強降水站點數的時間演變情況見圖2。由圖2a 可知，8 月22 日08：00 至23 日08：00 期間強降雨在重慶境內維持，形成了以重慶市豐都區為大暴雨中心的降水落區，強降雨存在2 個峰值時段，分別為22 日13：00 至14：00 和22 日23：00 至23 日03：00。暴雨過程中共有368 個區域站小時雨強超過20 mm，小時雨強最大值出現在23 日01：00 豐都新建，達91.4 mm/h，且01：00的分鐘降雨量均大于1.0 mm（圖2b）。

圖2 最大小時雨強與短時強降水站點數的時間演變情況

此次暴雨過程降水強度強，降水集中，造成重慶近萬人受災，大量房屋受損，給人民的生產生活帶來嚴重影響。

2 影響系統及環境條件

此次天氣過程發生在有利的中尺度環境條件下。8 月22 日08：00 500 hPa 大陸高壓控制兩湖地區，大陸高壓西北側有地面冷空氣自華北地區回流侵入重慶市東部。鋒前暖區上空500 hPa 存在前傾的短波槽，河套地區有冷槽東南移，且重慶市整體處于高濕區，比濕≥14 g/kg。在上述系統的共同影響下，22 日白天重慶中部及東北部地區出現對流性強降雨。22 日夜間500 hPa 大陸高壓維持，但中心有所減弱。大陸高壓西側的地面冷鋒迅速移過重慶市，鋒后對流層低層由四川盆地北部南下的偏北風與兩湖地區進入重慶地區的較強偏東風在重慶中部地區相遇，地面至850 hPa 均存在位置相近的輻合區，尤其是23 日02：00，豐都區附近為水汽輻合中心，最強達-20 g/（cm2·hPa·s）。500 hPa 河套冷槽與重慶地區短波槽合并，并與700 hPa 切變線東移至上述地區，共同形成地面至500 hPa 深厚的輻合和垂直運動區。由于兩湖地區大陸高壓和低層較強偏東風的維持，上述系統東移緩慢，重慶市中部地區的輻合上升運動維持，利于持續性強降水的出現。

探空是分析本地大氣環境熱力穩定度、動力穩定度的重要手段，選取離暴雨區較近的恩施站探空資料。22 日08：00，恩施站K指數達到40 ℃，SI指數達-2.47，CAPE 達到1 112 J/kg，考慮到白天增溫，午后CAPE 將進一步增加，且中低層濕層深厚，有利于短時強降水發生。22 日20：00 恩施站K指數降至35 ℃，CAPE 降至220 J/kg，但夜間對流層中低層水汽輻合增強；23 日08：00 400 hPa 以下達到飽和濕層，“瘦長型”的CAPE 增加至490 J/kg，利于短時強降雨的維持。22 日20：00 后，對流層低層850 hPa 維持顯著的偏東風，對流系統東移速度減慢，有利于強降雨在重慶中部地區持續。可見，暴雨期間具有充足的水汽和不穩定能量，且夜間500 hPa 與850 hPa的風向相反，有利于短時強降雨的發展和持續。

3 強降雨持續的中尺度分析

3.1 雷達資料分析

大氣環流背景場和物理量場的特征只表征大尺度環境有利于強降水，但降水發生還取決于對流的觸發、持續和各方面條件的配合［22］。結合重慶市地形，應用閃電觀測資料和重慶萬州SB 雷達分別對8月22 日白天梁平和22 日夜間重慶中部地區強降水的中尺度對流系統的演變和結構特征進行分析。

3.1.1 8 月22 日白天中尺度對流系統演變 22 日08：00 開始，雷達回波在四川境內生成和發展，重慶市東北部有中尺度對流系統形成，其余地區均是分散的對流回波。10：00 至11：00 該對流系統東移至四川與重慶交界處，此后的1 h 內緩慢東移。12：00開始強回波移入梁平境內，且結構更加密實，最強回波強度超過45 dBZ，且有分散的對流回波在前方不斷生成。12：00 至13：00 回波移動緩慢，主體在明月山和清華山之間，且該時段內重慶境內云地閃基本發生在分散的對流回波處，13：00 反射率因子范圍和梯度最大，且最強回波超過50 dBZ，該小時有多個自動站觀測到了高強度的短時強降水，39 個自動站小時雨量超過20 mm，其中最強達到76.5 mm。13：00至14：00，回波繼續緩慢東移，超過50 dBZ 的回波維持了0.5 h 左右，后回波結構開始松散減弱（圖3）。可見，22 日白天強降雨主要由四川省東北部移入重慶市東北部的中尺度對流系統和多個分散性的對流系統的緩慢移動形成。

3.1.2 8月22日夜間對流系統演變 8月22日22：00有弱對流生成，最強回波大于35 dBZ。22：00至23：00該對流回波最強達到了40 dBZ，地面自動站觀測有弱降水（1.3 mm），并出現零星云地閃電。23：00 對流開始顯著增強，到23 日00：00，與1 h 前的位置相比，對流系統從重慶市豐都區東北方向朝中部移動，最強回波呈近南北帶狀走向，水平尺度顯著增大，此時最強回波超過40 dBZ，閃電主要發生在強回波帶上，但數量很少。00：00 至00：40，對流系統穩定少動，且強度繼續顯著加強，對流系統的北、東西側的反射率因子梯度較大，超過40 dBZ 的回波區域顯著擴大。從00：40 至01：00 最強回波范圍開始原地減弱。自動站觀測顯示，該小時豐都區有16 個站小時降雨量超過20 mm，其中新建站小時降雨量達91.4 mm。01：00 后豐都區的對流呈減弱的趨勢，降水也逐漸減弱（圖4）。可見，22 日夜間強降雨主要由中尺度對流系統生成后在源地附近維持形成。

圖4 萬州雷達組合反射率因子隨時間演變情況（2018 年8 月22 日22：00 至23 日01：00）

3.1.3 對流系統的垂直結構 雷達反射率因子的垂直剖面見圖5。由圖5 可知，最強回波均在0 ℃高度以下。22 日白天，最強回波超過50 dBZ 且最強回波高度在0 ℃層以下。夜間對流發展旺盛時段的回波強度超過45 dBZ，到00：35 高度達4 km，但強回波主體均未超過0 ℃度高度，為低質心回波，降水粒子相態以液態水為主，混合相態粒子含量較少，是此次過程中降水效率高、閃電次數少的原因。

圖5 對流系統的垂直結構特征

3.2 低空及地面輻合

8 月22 日白天，700 hPa 上重慶市主要受切變線影響（圖6a），850 hPa 上偏西氣流與偏東回流在重慶市東部輻合（圖6c），地面上也存在對應的輻合線（圖6e）。強降雨主要發生在低層輻合區附近，深厚的輻合系統有利于強降雨的發生和維持。22 日夜間，700 hPa 上重慶市受偏東風影響，且在梁平-萬州一帶形成氣旋（圖6b），850 hPa 上氣旋位于重慶中部107°E 附近（圖6d），地面上氣旋與之對應（圖6f），強降水維持在地面至低空深厚的中尺度氣旋附近。可見，低空及地面的中尺度輻合系統為強降水的觸發和維持提供了有利的動力作用。

3.3 鋒區演變

鋒生函數常用來診斷鋒區的演變趨勢，包含水汽因子的濕鋒生函數F可寫為如下形式［23，24］。

式中，F1為變形向，F2為輻合項，F3為垂直項。當F> 0 時鋒生，F< 0 時鋒消。

8 月22 日夜間相當位溫、風及鋒生函數沿30°N的剖面見圖7。由圖7 可知，22 日21：00 700 hPa 以下的低空鋒區自東向西逐漸影響重慶市東部地區，鋒區西側存在暖濕舌和顯著的鋒生效應（圖7a），有利于上升運動和降雨的發生。22 日23：00 低空鋒區西進到達重慶市東部109°E 附近，暖濕舌維持于向東傾斜的鋒區西側，濕鋒生效應進一步加強，達到20×10-8K（/m·s）（圖7b）。22 日23：00 至23 日03：00，鋒區在108°—109°E 緩慢西進，緩慢西進的冷鋒及鋒區西側的暖濕氣流之間維持顯著的鋒生（圖7c、圖7d），有利于回流冷鋒西側低空輻合的維持。且偏西氣流沿著鋒區傾斜向上爬升，斜升氣流與鋒區西側的下沉氣流形成了東西向的鋒區次級環流，從而有利于強降雨在重慶中部地區發生并持續，這也是22 日夜間短時強降水顯著且集中在重慶市中部地區的重要原因。

圖7 8 月22 日夜間相當位溫、風及鋒生函數沿30°N 的剖面

沿重慶中部108°E 做垂直剖面圖，結果見圖8。22 日白天，重慶中部地區在垂直方向上存在中低層正渦度、高層負渦度的垂直渦度分布，有利于強降水發展。23 日02：00 重慶中部地區垂直方向上正渦度柱迅速向上發展，達到400 hPa 以上，正渦度中心值達到20×10-5s-1（圖6a）。在散度場上600 hPa 及以下為輻合區，中心達到-120×10-5s-1，600 hPa 以上為輻散區，中心達到160×10-5s-1，低層輻合、高層輻散形成的抽吸作用有利于加強對流上升運動（圖6b）。垂直速度場上，300 hPa 以下均為上升運動，中心達-3.2 hPa/s，強烈的上升運動有利于強降雨的發生（圖6c）。可見，強降雨持續期間，重慶市中部維持著有利的中尺度氣旋性渦度、輻合及上升運動。

圖6 700 hPa 流場（a 至b）、850 hPa 流場（c至d）、地面自動站觀測流場（e至f）

圖8 2018 年8 月23 日02：00 沿108°E 的渦度（a）、散度（b）和垂直速度（c）經向剖面

4 小結

2018 年8 月22 日重慶市中部地區的對流性大暴雨主要由持續性的對流強降雨形成，強降雨演變呈現波動性的雙峰分布，峰值分別出現在22 日中午和22 日夜間。本研究利用地面及探空觀測資料、再分析資料、閃電以及多普勒雷達數據等氣象資料，對此次大暴雨過程開展中尺度結構特征和機制分析，得出以下結論。

1）此次暴雨過程發生在有利的中尺度環境條件下。22 日白天大陸高壓控制兩湖地區，其西北側有地面冷空氣自華北地區回流侵入重慶市東部，重慶市中東部受短波槽、低空切變線和地面輻合的影響持續出現分散性的對流性強降水；夜間河套冷槽與重慶市短波槽合并，大陸高壓持續維持，高壓西北側的低空偏東回流加強，與四川盆地北部南下的東北風在重慶市中部地區相遇形成鋒區，鋒區西進緩慢，重慶市中部地區低空至地面形成持續的鋒生及輻合上升運動，強降水發展并集中在重慶市中部地區，形成重慶市中部的大暴雨天氣。

2）大暴雨主要由緩慢移動或源地維持的中尺度對流系統形成，有明顯的高效率低質心降水特征。對流系統發生在持續的深厚濕層及源源不斷的水汽輸送條件下，較高的K指數、一定的CAPE 及負值SI指數有利于此次大暴雨過程中對流系統的發生和維持。