董丹丹，張建平，何青青，閆夢玲，鄧 霞

(1.重慶市永川地區(qū)氣象局，重慶 永川 402160；2.重慶市氣象科學研究所，重慶 401147)

0 引言

重慶地區(qū)位于青藏高原與長江中下游平原之間的過渡性地帶，永川地區(qū)在其西部，為丘陵地帶，是成渝經(jīng)濟區(qū)的節(jié)點城市、重慶城市發(fā)展新區(qū)的重要板塊。汛期熱力條件充足，不穩(wěn)定能量較強，永川地區(qū)易發(fā)生暴雨伴隨短時強降水、大風等強對流天氣。強對流天氣的出現(xiàn)往往對城市發(fā)展及人們生產(chǎn)、生活造成嚴重影響。近年來，針對汛期的強對流天氣，前人的研究重點逐漸從天氣尺度轉(zhuǎn)向中尺度[1]，將大尺度環(huán)流特征、雷達回波演變、物理量場等[2-6]方面進行結合分析，能更深刻地認識其發(fā)生發(fā)展機制，例如中尺度輻合中心有利于颮線的生成與發(fā)展，颮線回波前沿、強回波質(zhì)心高度等特征能在一定程度上對預報大風有指導作用[7]，大尺度環(huán)流穩(wěn)定背景下，在副熱帶高壓外圍的西南氣流里，有中小尺度對流云團生成，往往造成個別地點出現(xiàn)特大暴雨[8]。針對強對流天氣中的短時強降水、大風具有出現(xiàn)時間短、發(fā)展迅速、尺度偏小等特征[9-11]，天氣圖的尺度已不能滿足業(yè)務需求，在大尺度環(huán)流背景下，主要以衛(wèi)星云圖、多普勒天氣雷達觀測為主，分析云團演變及雷達回波特征演變[12-14]，識別和分析中小尺度系統(tǒng)結構特征[8，15]。

為了更深入地認識強對流天氣過程中大尺度系統(tǒng)與中小尺度系統(tǒng)的作用機制，提高永川地區(qū)強對流天氣預報能力，本文利用常規(guī)地面觀測資料、探空觀測資料、多普勒天氣雷達CINRAD/SA探測資料(重慶永川雷達站)及FY4A衛(wèi)星紅外C011資料，采用常規(guī)天氣學診斷方法，對2018年5月21日20時—22日20時永川地區(qū)出現(xiàn)的暴雨伴隨短時強降水、大風天氣過程進行綜合分析，總結預報經(jīng)驗，為預報強對流天氣過程及做好氣象服務提供參考，從而達到防災減災的目的。

1 天氣過程概況

永川地區(qū)有1個國家一般氣象站，54個區(qū)域氣象站，共55個氣象觀測站點，其中23個區(qū)域氣象站進行風向、風速、溫度、降水四要素觀測，31個區(qū)域氣象站進行溫度、降水兩要素觀測。2018年5月21日20時—22日20時，永川地區(qū)發(fā)生了一次伴隨颮線的強對流天氣過程，過程中出現(xiàn)短時強降水和大風，造成了部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道出現(xiàn)內(nèi)澇、田間莊稼倒伏和電線桿倒伏等影響人們生產(chǎn)、生活的情況。整個過程吉安、南大街黃瓜山和來蘇關門山水庫等25個雨量站點達暴雨，最大累積雨量為75.6 mm(吉安)，城區(qū)累積雨量為51.0 mm，最大小時雨強為41.6 mm/h(黃沙村)，出現(xiàn)6～7級陣性大風，最大的極大風速為19.5 m/s(雙石中心橋)。

此次過程中，22日00時左右出現(xiàn)強雷電，02—04時左右颮線以東北路徑過境永川地區(qū)，該時段恰為強對流天氣過程發(fā)生集中時段：從02時開始，永川偏南地區(qū)首先出現(xiàn)風速加大，02—04時14個氣象站點極大風速超過14 m/s；02—03時12個氣象站出現(xiàn)>20 mm/h的短時強降水，03—04時28個氣象站出現(xiàn)>20 mm/h的短時強降水。由于文章篇幅有限，最大小時雨強情況只列出了最強的12個站點，極大風速情況只列出了最強的14個站點，具體分布情況見圖1、表1、表2。

2 環(huán)流形勢演變

500 hPa上，從5月21日20時—22日08時的環(huán)流形勢演變可以看到(圖2)，靠近我國東北地區(qū)的低渦較深厚，在700 hPa、850 hPa上有低壓系統(tǒng)與其配合，整個時段低渦系統(tǒng)移動較慢，僅略有東移；副熱帶高壓北界位于靠近重慶南部的貴州—湖南一帶，整個時段略有南移；同時，從河套至四川地區(qū)有一高空槽，在東移過程中，與其后側東移的高原槽經(jīng)過分裂再合并后，東移影響重慶地區(qū)，在22日08時，合并加強的高空槽位于重慶西部邊緣，到22日20時完全移出重慶。

圖1 永川地區(qū)5月21日20時—22日20時累積雨量分布Fig.1 Cumulative rainfall distribution of Yongchuan area from 20∶00 BT 21 May to 20∶00 BT 22 May

表1 永川地區(qū)5月21日20時—22日20時最大小時雨強
Tab.1MaximumhourlyrainfallinYongchuanareafrom20∶00BT21Mayto20∶00BT22May

站名小時雨強(mm/h)站名小時雨強(mm/h)黃沙村41.6花果山32.8龍洞橋35.9二郎廟村32.8吉安35.5生基灣32.2雙竹34.5永川31.9寶峰33.4青峰30.5革命水庫33.2馮坪村30.3

表2 永川地區(qū)5月21日20時—22日20時極大風速Tab.2 Great wind speed in Yongchuan area from 20∶00 BT 21 May to 20∶00 BT 22 May

700 hPa上，21日20時高緯度靠近我國東北地區(qū)有低渦系統(tǒng)伸出切變線，受其影響，重慶東北部有一明顯的切變線活動；在高緯度低渦伸出的切變線東移過程中，重慶中部偏北有明顯的輻合系統(tǒng)生成，至22日08時重慶中部偏北地區(qū)可見明顯的低渦切變線活動，控制大部分重慶地區(qū)，同時此低渦伸出的切變線位于西部地區(qū)；隨著高緯度切變線東移入海，其后的反氣旋環(huán)流東移，重慶地區(qū)的低渦切變線減弱消失，至22日20時沒有明顯的輻合系統(tǒng)影響重慶地區(qū)。

850 hPa上，21日20時—22日08時，重慶地區(qū)位于兩個高壓對峙的中間區(qū)域，有利于形成低渦切變線。由于其對峙作用，位于重慶西部地區(qū)的低渦切變線穩(wěn)定維持，期間略有東移，至22日08時其中心位于重慶中部地區(qū)，后減弱消失，至22日20時重慶地區(qū)已受高壓系統(tǒng)控制。

綜上，21日20時—22日08時，各層系統(tǒng)配合較好，500 hPa上的中高緯度低槽東移影響重慶地區(qū)，副熱帶高壓北界位于靠近重慶南部的貴州—湖南一帶，700 hPa、850 hPa上形成低渦切變線且穩(wěn)定少動。穩(wěn)定的大尺度環(huán)流形勢為強對流天氣提供了良好的背景條件，500 hPa上的低槽和中低層的低渦切變線是造成此次強對流天氣的主要影響系統(tǒng)，在有利的環(huán)流背景和天氣系統(tǒng)下不斷激發(fā)中小尺度擾動，使對流云團和颮線系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展，以致出現(xiàn)暴雨伴隨短時強降水、大風的強對流天氣過程。

3 中小尺度系統(tǒng)特征

3.1 紅外云圖分析

從FY4A衛(wèi)星紅外C011云圖上可以清晰地看到(圖3)，在21日20時，重慶西南部邊緣有一個發(fā)展的對流云團，顏色比較白亮，呈圓形，此時該對流云團已經(jīng)發(fā)展得較為強盛，而四川西北部的云團正在東移發(fā)展(圖3a)。在兩個云團東移發(fā)展過程中，逐漸在重慶西部合并、停滯發(fā)展，到21日23時和22日01時，可以清楚的看到此前停滯重慶西南部邊緣的對流云團已經(jīng)合并發(fā)展成為一個比較強大對流云團(圖3b、3c)，此后在重慶西部停滯至22日05時，之后逐漸東移減弱，影響重慶其他地區(qū)(圖3d、3e、3f)。22日14時，除東南部受此云團的尾部影響外，重慶其他地區(qū)已不受影響(圖3g)。22日20時，已完全移出重慶(圖3h)。

圖2 500 hPa(a、b)、700 hPa(c、d)、850 hPa(e、f)21日20時、22日08時環(huán)流形勢Fig.2 Circulation patterns of 500 hPa (a),700 hPa (c),850 hPa (e) at 20∶00 BT 21 May and 500 hPa (b),700 hPa (d),850 hPa (f) at 08∶00 BT 22 May

從5月21日20時—22日08時，副熱帶高壓北界位于靠近重慶南部的貴州—湖南一帶，對前期對流云團的移動有阻擋作用，使其停滯在四川與重慶西部交界處發(fā)展；850 hPa低渦停滯重慶西部，南、北風在此處交匯，是西南風的風速大值區(qū)(850 hPa)，西南風帶來的西南暖濕氣流十分充足，對流云團在低渦的輻合動力作用和暖濕條件下發(fā)展。同時21日白天，四川盆地至重慶西部天氣晴好，大部地區(qū)氣溫上升到33～37 ℃，地面熱力抬升，氣流交換較強，有利于層結不穩(wěn)定，大氣具備強的不穩(wěn)定條件。21日夜間，隨著對流云團從四川東移，當對流云團的冷云核心區(qū)到達重慶西部時，在有利的動力條件、暖濕條件及強不穩(wěn)定條件下停滯、發(fā)展為中尺度對流復合體(MCC)；從23—01時，冷云核心區(qū)面積逐漸變大且越來越白亮，對流云團發(fā)展旺盛，02—03時能量開始釋放，過程中永川地區(qū)出現(xiàn)了風速加大、雷暴等強對流天氣，到03時冷云核心區(qū)面積明顯變小，05時已經(jīng)減弱東移?？梢钥闯?，冷云核心區(qū)對降水中心有一定指示性，冷云核心區(qū)面積越大，對流系統(tǒng)面積越大，冷云核心區(qū)越白亮，其云團云頂越高，對流系統(tǒng)越深厚。

圖3 FY4A衛(wèi)星紅外C011云圖21日20時(a)、21日23時(b)、22日01時(c)、22日03時(d)、22日05時(e)、22日08時(f)、22日14時(g)、22日20時(h)演變情況Fig.3 The evolution of FY4A satellite infrared C011 cloud pictures of 20∶00 (a), 23∶00 (b) BT 21 May, 01∶00 (c), 03∶00 (d), 05∶00 (e), 08∶00 (f), 14∶00 (g), 20∶00 (h) BT 22 May

3.2 雷達回波分析

利用永川站的CINRAD/SA雷達產(chǎn)品資料分析此次過程中颮線回波強度的演變特征。5月21日18時左右(圖略)，在四川宜賓—自貢等地有許多孤立的對流單體，20時左右發(fā)展成雷暴單體，強回波中心最大反射率因子達到60 dBz以上，回波頂高在18 km左右。雷暴單體在宜賓—自貢一帶引起雷暴大風等強對流天氣，能量有所釋放，強度減弱，但在不斷東移過程中，又不斷發(fā)展起來。到22日02時左右，回波到達西部偏南地區(qū)，22日02時41分左右(圖4a)，強回波到達永川境內(nèi)，至03時28分左右開始離開永川(圖4c)。整個過程颮線的移動路徑為東北方向，影響時間為47 min左右，從颮線靠近永川境內(nèi)開始，偏南地區(qū)的風速開始加大，影響過程中境內(nèi)出現(xiàn)了6～7級陣性大風和短時強降水，其中02—03時5個氣象站點極大風速超過14 m/s，最大的極大風速為18.1 m/s；03—04時11個氣象站極大風速超過14 m/s，最大的極大風速為19.5 m/s。

在颮線形成初期(圖略)，22日02時20分左右，最強回波在45 dBz左右，長寬比超過了5∶1，不斷東移發(fā)展，對流強度較強，云頂高度最高已發(fā)展到18 km以上，各個對流單體趨向于線狀排列，在強回波前進方向右前方前側的V型槽口為上升氣流的位置，低層入流從前方進入上升氣流中，新單體沿著回波的前沿上升，低層的暖濕氣流為新單體的發(fā)展提供了條件。

颮線強盛階段，在移動過程中逐漸演變成弓形，根據(jù)02時41分組合反射率產(chǎn)品來看(圖4a)，最強回波超過55 dBz，回波頂高超過18 km，長度達到110 km左右。選擇回波最強的地方做垂直剖面(圖4d)，可以明顯看到對流云團發(fā)展旺盛，到達對流層頂，同時強回波中心有及地，上升氣流先以很陡的角度上升，然后其中一部分向后斜升，一部分直升云頂，最后都在云頂輻散。下沉氣流形成于上升氣流后部的降水回波中，下沉氣流在地面附近輻散，形成颮線低層前沿的陣風鋒，造成地面大風，而低層暖濕入流經(jīng)過陣風鋒之上進入颮線前沿對流成為上升氣流。隨著颮線東移，永川地區(qū)出現(xiàn)短時強降水與大風天氣。從颮線到達永川境內(nèi)至離開，時間較短，大風、短時強降水持續(xù)時間亦較短，說明弓形回波具有移動快的特點。

颮線過境永川地區(qū)的時段，也是MCC在永川地區(qū)停滯的時段，但MCC停滯永川地區(qū)的時段長于颮線過境時段，為颮線的發(fā)展提供了有利的背景條件。MCC的對流云團發(fā)展旺盛，冷云核心區(qū)的對流云系發(fā)展最為強盛，可以看到03時MCC的冷云核心區(qū)位置對應了颮線的位置，冷云核心區(qū)的對流發(fā)展為颮線系統(tǒng)的對流發(fā)展提供有利的動力抬升條件，使颮線系統(tǒng)的對流云頂高度最高發(fā)展到了18 km以上。同時，隨著颮線移動，大風、短時強降水過程開始，能量釋放，颮線移出永川境內(nèi)，MCC的冷云核心區(qū)面積也減小了，到05時，MCC東移，大風、短時強降水過程結束。根據(jù)前文分析，此次過程大尺度環(huán)流形勢較為穩(wěn)定，動力輻合抬升條件較好，激發(fā)了MCC的發(fā)展、停滯，MCC中的對流云團對流旺盛，各尺度系統(tǒng)相互配合，為颮線系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展提供了有利的條件。

圖4 重慶永川雷達站22日02時41分(a)、22日03時05分(b)及22日03時28分(c)組合反射率，22日03時06分反射率垂直剖面圖(d)Fig.4 Composite reflectivity for Chongqing Yongchuan Radar Station at 02∶41 (a), 03∶05 (b) and 03∶28 (c) BT 22 May, and vertical profile of reflectivity at 03∶06 BT 22 May(d)

永川站逐小時資料顯示(圖5)，受強烈發(fā)展的弓狀回波東移影響，出現(xiàn)氣壓涌升、氣溫降低、相對濕度增大和風速明顯增大等特征。對比分析颮線移動位置與大風出現(xiàn)時間，可以看出颮線大風幾乎出現(xiàn)在颮線強回波帶、回波前沿。從地面風向分析，測站均為西北大風，颮線自西南向東北移動，說明風向是垂直于移動方向。分析強降水出現(xiàn)的時間及位置，主要發(fā)生在強回波區(qū)及回波后側。

4 垂直結構及水汽條件分析

4.1 不穩(wěn)定條件分析

2018年5月21日20時，四川南部的宜賓站與重慶沙坪壩站的探空資料顯示(表3、表4)，兩站探空圖呈喇叭口形狀，顯示大氣處于上干下濕的不穩(wěn)定狀態(tài)，CAPE值達到了2 300 J/kg以上，SI指數(shù)都為負值，K值在40 ℃以上，抬升指數(shù)和最大上升速度值都偏大，顯示四川東部至重慶西部的大氣垂直結構處于較強的不穩(wěn)定狀態(tài)，熱力抬升條件較好，上升氣流較強，易于觸發(fā)強對流天氣，發(fā)生雷暴大風、短時強降水等。

圖5 永川自動站溫度、濕度、氣壓的逐小時演變情況Fig.5 The hourly evolution of temperature, humidity and pressure in Yongchuan automatic station

21日夜間至22日早上，隨著雷暴大風、強降水的發(fā)生，不穩(wěn)定能量得到釋放，22日08時兩站探空圖(表3、表4)顯示層結趨于穩(wěn)定，CAPE值逐漸減小(沙坪壩站減小為0)，SI指數(shù)、抬升指數(shù)轉(zhuǎn)為正值，最大上升速度變?yōu)?，不利于大氣產(chǎn)生熱力不穩(wěn)定形成強對流天氣，但兩站濕層維持深厚，由對流性降水轉(zhuǎn)為穩(wěn)定性降水，尤其是沙坪壩站的K指數(shù)較大，有利于降水的持續(xù)。22日20時，宜賓站各項動力指數(shù)、熱力指數(shù)及濕層厚度顯示不利于降水的發(fā)生，沙坪壩站只有K值、濕層厚度顯示還會有發(fā)生分散降水的可能，但主要的降水時段結束。

風垂直切變在對流風暴的組織和發(fā)展中起重要作用。21日20時(圖6a、6c)，宜賓站風向從低層6 m/s東北風向10 m/s西南風轉(zhuǎn)變，沙坪壩站從6 m/s東北風向14 m/s西南風轉(zhuǎn)變；22日08時(圖6b、6d)，宜賓站風向從低層16 m/s西北風向14 m/s西南風轉(zhuǎn)變，沙坪壩站從8 m/s西北風向16 m/s西南風轉(zhuǎn)變?？梢钥吹剑麄€天氣系統(tǒng)影響的地區(qū)存在0～6 km的較強垂直風切變，有利于颮線中的上升、下沉氣流共存，上升氣流和環(huán)境風切變相互作用的動力過程中影響風暴結構和發(fā)展，產(chǎn)生雷暴大風；較強垂直風切變有利于產(chǎn)生強的風暴相對氣流，使得暖濕氣流源源不斷地輸送到發(fā)展中的上升氣流中，以致強降水得以維持。在中尺度系統(tǒng)作用下，配合強的熱力作用，降水持續(xù)，出現(xiàn)暴雨。

表3 宜賓站(56492)探空數(shù)據(jù)Tab.3 The sounding dates for Yibing station(56492)

表4 重慶站(57516)探空數(shù)據(jù)Tab.4 The sounding dates for Chongqing station(57516)

4.2 濕度場分析

700 hPa與850 hPa的兩個高壓系統(tǒng)對峙(圖2c、2d、2e、2f)，重慶位于兩者之間地帶，南側的高壓環(huán)流不斷從南海輸送暖濕氣流到達重慶地區(qū)，且有偏南的風速大值區(qū)影響重慶，西南暖濕氣流向重慶地區(qū)輻合，在低渦中心形成水汽輻合中心。從探空圖可以看到(圖6)，在21日20時，宜賓站和沙坪壩站的濕度層都較厚，宜賓站更達到了600 hPa，大范圍深厚的高濕區(qū)為強對流天氣提供了充足的水汽。從相對濕度和比濕條件可以看到(圖7)，21日20時，重慶西部相對濕度在80%～90%之間，比濕在16 g/kg以上；22日08時，重慶西部相對濕度在90%以上，比濕在10 g/kg以上。綜上，從21日夜間到22日早上，重慶西部地區(qū)的濕層較厚，濕度條件較好，有利于降水的發(fā)生和持續(xù)。

圖6 四川宜賓站21日20時(a)、22日08時(b)探空圖及沙坪壩21日20時(c)、22日08時(d)探空圖Fig.6 Composite sounding for the Yibing area at 20∶00 BT 21 May(a) and 08∶00 BT 22 May(b) andthe sounding for the Shapingba area at 20∶00 BT 21 May(c) and 08∶00 BT 22 May(d)

圖7 21日20時、22日08時相對濕度(a、c)與比濕(b、d)圖Fig.7 Relative humidity at 20∶00 BT 21 May(a) and 08∶00 BT 22 May(b) and specific humidityat 20∶00 BT 21 May(c) and 08∶00 BT 22 May(d)

5 結論

通過以上分析，得出如下主要結論：

①2018年5月21日20時—22日20時，永川地區(qū)發(fā)生了一次伴隨颮線的強對流天氣過程，颮線過程中出現(xiàn)短時強降水和大風。500 hPa中高緯度低槽與副熱帶高壓、700 hPa、850 hPa穩(wěn)定的低渦切變線、中尺度對流復合體(MCC)和颮線系統(tǒng)，是此次強對流天氣的主要影響系統(tǒng)。

②此次過程副熱帶高壓北界位于靠近重慶南部的貴州—湖南一帶，700 hPa、850 hPa低渦切變線穩(wěn)定在重慶西部，850 hPa西南風帶來充足的西南暖濕氣流，不穩(wěn)定的對流云團在重慶西部停滯、發(fā)展為MCC。從23—01時，MCC冷云核心區(qū)面積逐漸變大且越來越白亮，對流云團發(fā)展旺盛，02—03時能量開始釋放，到03時冷云核心區(qū)面積明顯變小，05時已經(jīng)減弱東移，過程中永川地區(qū)出現(xiàn)了風速加大、雷暴等強對流天氣。

③此次過程由孤立的對流單體發(fā)展成為颮線，長寬比超過5∶1，回波強度較強，各個對流單體趨向于線狀排列，東移過程中演變?yōu)楣?。對流云團發(fā)展旺盛，到達對流層頂，強回波中心有及地，颮線帶來的地面大風垂直于移動方向，出現(xiàn)在颮線強回波帶、回波前沿，強降水主要發(fā)生在強回波區(qū)及回波后側，短時強降水、大風持續(xù)時間較短，說明弓形回波具有移動快的特點。

④大氣處于上干下濕的不穩(wěn)定狀態(tài)，強的CAPE指數(shù)、SI指數(shù)、K指數(shù)、LI指數(shù)顯示熱力、動力條件較好，同時0～6 km垂直風切變較強，有利于颮線中的上升、下沉氣流共存與產(chǎn)生強的風暴相對氣流，使得暖濕氣流源源不斷地輸送到發(fā)展中的上升氣流中，在副熱帶高壓、低渦等天氣系統(tǒng)和MCC、颮線等中小尺度系統(tǒng)共同作用下，出現(xiàn)此次強對流天氣過程。