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(qū)，干濕季節(jié)分明，全年54.7%的降水出現(xiàn)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(fā)生，短時強降水具有突發(fā)性和強度大等特點，往往容易引發(fā)山洪、滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害以及造成城市內(nèi)澇，且短時強降水的生消演變往往與中小尺度天氣系統(tǒng)有關(guān)，因此一直是氣象預(yù)報業(yè)務(wù)的難點。近年來，許多學(xué)者從多角度對短時強降水天氣開展了大量的科學(xué)研究，取得了豐富的研究成果。一些學(xué)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(nèi)的短時強降水發(fā)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(fā)生在5—10月，傍晚至夜間為高發(fā)時段。蒙軍等[2]利用2012—2015年區(qū)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(fā)生在5—6月，具有典型的夜雨特征，5個短時暴雨大值區(qū)，其中有4個位于安順市海拔高度梯度較大的區(qū)域。張麗等[3]發(fā)現(xiàn)安慶市短時強降水空間分布城郊差異明顯，7月發(fā)生站次最多，午后到傍晚為高發(fā)時段，強度以20～30 mm/h為主。馮德花等[4]發(fā)現(xiàn)文山州的短時強降水在中部以南地區(qū)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(fā)時段較雷電推遲1～2 h。另外一些學(xué)者采用多源數(shù)據(jù)對短時強降水進行分型和環(huán)境參量分析，建立預(yù)報模型，段鶴等[5]利用多普勒雷達資料對滇西南地區(qū)的短時強降水天氣過程進行統(tǒng)計分析，總結(jié)出3種概念模型，并得到短時強降水的識別和預(yù)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(qū)18次暴雨個例的大尺度環(huán)流背景及衛(wèi)星云圖演變特征進行統(tǒng)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(qū)的6類暴雨概念模型。還有一些學(xué)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(fā)現(xiàn)冷鋒切變背景下的短時強降水出現(xiàn)在MCS和中尺度對流單體(MCC)云團移向的前部邊緣地區(qū)，負地閃頻數(shù)最大值出現(xiàn)的時間比短時強降水的發(fā)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(xiàn)在云頂亮溫<-50 ℃ 的區(qū)域，當雷達回波強度達到 45 dBz以上并具明顯低質(zhì)心特征、徑向速度圖上有中尺度輻合配合時，出現(xiàn)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(qū)的位置和移動可以作為短時強降水短臨預(yù)報的重要參考依據(jù)。楊靖新等[11]發(fā)現(xiàn)強鋒生作用區(qū)域測站上有強正變壓特征和短時強降水對應(yīng)。沈茜等[12]發(fā)現(xiàn)700 hPa的水汽輸送和CAPE值的大小和降水強度密切相關(guān)。鐘愛華等[13]發(fā)現(xiàn)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(qū)出現(xiàn)強降水的原因之一。周秀美等[14]發(fā)現(xiàn)單純兩高間輻合區(qū)并不一定能產(chǎn)生強降水，強降水過程是由高空冷平流滲透南下引發(fā)的。

從以上已有工作可以看出，對云南冷鋒切變環(huán)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(yù)報員手冊》中總結(jié)兩高輻合系統(tǒng)產(chǎn)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(qū)分強降水和弱降水過程，并未利用非常規(guī)資料進行研究分析。因此，為了能夠讓省級預(yù)報員對兩高輻合背景下出現(xiàn)的大范圍短時強降水過程發(fā)生、發(fā)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(guī)觀測資料、雷達資料以及閃電定位儀等非常規(guī)資料，應(yīng)用天氣學(xué)原理和天氣學(xué)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(fā)生的成因和中尺度特征進行分析，旨在尋找預(yù)報指標，為今后出現(xiàn)的相似個例提供預(yù)報依據(jù)。

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(xiàn)大到暴雨局地大暴雨天氣過程。云南區(qū)域站共計出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)東西向帶狀，分布在文山南部邊緣地區(qū)，此時段最大累積降水出現(xiàn)在文山富寧166.7 mm；26日02—08時(圖1b)，強降水落區(qū)最為集中且雨強最強，主要出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(qū)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(xiàn)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(qū)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(yīng)，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(shù)的增加(83～145站次)，正閃次數(shù)明顯增加，負閃次數(shù)明顯減少，逐6 h的正負閃比例由179/3202變?yōu)?429/1746，且負閃次數(shù)出現(xiàn)峰值的時間(26日01時)較短時強降水次數(shù)出現(xiàn)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(shù)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(tǒng)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(cè)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(qū)。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(cè)的西北氣流有利于引導(dǎo)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(qū)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(qū)內(nèi)交匯有利于不穩(wěn)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(tài)轉(zhuǎn)為西北東南向，滇緬高壓明顯減弱，兩者之間的輻合區(qū)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(qū)有熱帶低值系統(tǒng)活動，切變線南側(cè)為低值系統(tǒng)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(cè)偏南氣流較強，切變線位置穩(wěn)定少動，副高西移，其西側(cè)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(cè)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(qū)有熱帶低值系統(tǒng)活動，滇中及滇東南為其北側(cè)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(fā)生。26日02時(圖5b)冷空氣進一步南下西進，整個云南轉(zhuǎn)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(cè)的偏南氣流與孟加拉灣低壓東側(cè)的西南氣流分別將北部灣和孟加拉灣地區(qū)的暖濕氣流向云南境內(nèi)輸送，為短時強降水天氣的發(fā)生發(fā)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(fā)生區(qū)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(fā)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(qū)位于700 hPa切變線附近，呈現(xiàn)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(qū)的北抬西進，滇中及以東地區(qū)的水汽輻合明顯增強，大值區(qū)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(fā)生的地方并不完全一一對應(yīng)。

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(xiàn)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(xù)2 h出現(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)為輻散形勢，妥甸馬龍的強降水明顯減弱。對應(yīng)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(fā)展，垂直運動有一個向中層發(fā)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(zhuǎn)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(fā)生發(fā)展提供了有利的動力條件。

圖7 26日08時沿101.5°E經(jīng)向剖面圖(a)輻散場；(b)垂直速度場

3.3 不穩(wěn)定條件

根據(jù)臨近和鄰近原則，選取短時強降水發(fā)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(wěn)定參數(shù)進行分析，探討本次短時強降水天氣的不穩(wěn)定機制。

25日20時，富寧短時強降水發(fā)生前百色探空站(圖8a)為對流性不穩(wěn)定層結(jié)，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(zhuǎn)有暖平流，500 hPa以上風隨高度逆轉(zhuǎn)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(zhuǎn)了差不多180°，垂直風切變大，有利于風暴的發(fā)展、加強和維持。此時昆明探空站(圖8b)也為對流性不穩(wěn)定層結(jié)，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(zhuǎn)有暖平流，400 hPa以上風隨高度逆轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)非常有利于強對流的發(fā)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(fā)生發(fā)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(tǒng)特征分析

4.1 衛(wèi)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(tǒng)發(fā)展的高度，對流發(fā)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(tǒng)的發(fā)展演變過程。由于此次過程的短時強降水集中出現(xiàn)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(qū)域形成的輻合線對應(yīng)，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(qū)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(qū)對應(yīng)，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(xù)發(fā)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(fā)展非常旺盛導(dǎo)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(qū)即玉溪北部一帶出現(xiàn)了明顯的短時強降水，妥甸馬龍也連續(xù)出現(xiàn)了2 h的短時強降水。值得關(guān)注的是26日03時開始，對流云團B的西北側(cè)隨著兩高輻合的北抬有云系向西北方向延伸發(fā)展，與對流云團A東南側(cè)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(jīng)分裂成3個相對獨立的對流云團，對應(yīng)的短時強降水規(guī)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(xiàn)的地方主要為積云回波。

此次過程中，短時強降水集中出現(xiàn)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(qū)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(fā)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?xùn)|西方向水平梯度較大，呈現(xiàn)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(qū)處于中下層，極大值區(qū)位于海拔4 km附近，該站出現(xiàn)短時強降水天氣時雷達回波反射率因子低質(zhì)心的特征非常明顯。從對應(yīng)時次的徑向速度圖上可以看出，負速度區(qū)面積明顯大于正速度區(qū)，表明存在大尺度輻合環(huán)境場，環(huán)境場能量不穩(wěn)定，有利于強降水的產(chǎn)生和維持。另外，易門縣附近為一致的西南氣流，且上游地區(qū)風速大于下游地區(qū)風速，具有明顯的風速輻合特征，有利于增強該區(qū)域的對流強度，導(dǎo)致局地性強降雨的發(fā)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(qū)及徑向速度輻合區(qū)的發(fā)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(qū)和發(fā)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(jié)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(qū)集中分布在滇中西部和南部附近，系統(tǒng)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(qū)分布、密集程度與短時強降水的落區(qū)、頻次有較好的對應(yīng)關(guān)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(shù)出現(xiàn)峰值的時間較短時強降水次數(shù)出現(xiàn)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(guān)鍵影響系統(tǒng)，兩高輻合東側(cè)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(fā)低層對流抬升運動的發(fā)生。低層輻合高層輻散的強烈抽吸作用導(dǎo)致了強上升運動，使對流能夠得以發(fā)展。

④中尺度對流云團中隨著云頂亮溫小于-70 ℃區(qū)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(xiàn)在積云回波中反射率因子大值區(qū)，積云回波呈準靜止狀態(tài)為強降水在短時間內(nèi)的發(fā)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(zhì)心特征，而且徑向速度圖上有明顯的中尺度輻合配合。