王治國，許迎杰，李華宏

(云南省氣象臺，云南 昆明 650034)

短時強(qiáng)降水發(fā)生在有利大尺度背景條件下，并與其中的中小尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，具有突發(fā)性、歷時短、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，可以在短時間內(nèi)迅速形成暴洪，引發(fā)滑坡、泥石流、城市內(nèi)澇等災(zāi)害，常常造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因此對短時強(qiáng)降水的監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警一直是氣象部門的預(yù)報難點(diǎn)和關(guān)注重點(diǎn)。近年來隨著觀測數(shù)據(jù)的日益豐富和數(shù)值模式的不斷發(fā)展，氣象學(xué)者對于短時強(qiáng)降水的發(fā)生機(jī)理以及預(yù)報預(yù)警技術(shù)方法開展了深入的研究。楊婷等[1]、王金輝等[2]、周晉紅等[3]和李強(qiáng)等[4]基于高時空分辨率的多源觀測資料對不同地區(qū)短時強(qiáng)降水的時空分布特征和演變規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計分析。李博淵等[5]、尉英華等[6]和吳瑞姣等[7]針對短時強(qiáng)降水分別開展了ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式、NCEP FNL全球分析資料和WRF模式的檢驗和解釋應(yīng)用工作。周成等[8]、張萍萍等[9]和張豐偉等[10]采用ADTD型閃電定位儀、FY-3微波濕度計、激光雨滴譜等新型觀測數(shù)據(jù)為短時強(qiáng)降水的預(yù)報提供參考閾值。張小雯等[11]基于集合預(yù)報產(chǎn)品計算強(qiáng)對流天氣極端指數(shù)，利用極端指數(shù)和模式降水資料，使用支持向量機(jī)方法，建立了不同類型強(qiáng)對流天氣的客觀預(yù)報方法，為業(yè)務(wù)預(yù)報極端強(qiáng)對流天氣提供客觀支持產(chǎn)品。李建剛等[12]和卜清軍等[13]對典型的短時強(qiáng)降水個例進(jìn)行了細(xì)致的分析研究。

云南受特殊地形地貌影響，境內(nèi)的短時強(qiáng)降水發(fā)生頻率空間分布極不均勻[14]，由其誘發(fā)的次生災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅人民生命財產(chǎn)安全。云南的氣象學(xué)者針對短時強(qiáng)降水也開展了大量卓有成效的研究[15-24]，同時由于其特殊的地理位置，受到的主要影響系統(tǒng)較為復(fù)雜，每次過程的主要影響條件和發(fā)生機(jī)理都不完全一樣，必須通過大量個例進(jìn)行持續(xù)而深入的研究來驗證已有結(jié)論的正確性。本文旨在通過對2015年7月22～23日切變線背景下發(fā)生在云南的區(qū)域性短時強(qiáng)降水過程進(jìn)行診斷分析，來探討其成因，通過個例研究尋找對預(yù)報有益的思路，以期提高此類區(qū)域性強(qiáng)降水天氣過程的預(yù)報能力。

1 降水實(shí)況

2015年7月22日20∶00至23日20∶00，云南全省共計出現(xiàn)大暴雨5站、暴雨105站、大雨425站(圖1a)，最大降雨量出現(xiàn)在德宏州盈江縣昔馬為146.7 mm。此時段從落區(qū)上看分為3個強(qiáng)降雨帶，1號強(qiáng)雨帶出現(xiàn)大到暴雨局地大暴雨，主要位于滇西北東南部、滇中北部、滇東北南部至滇東南北部一線，呈西北—東南向分布(此強(qiáng)雨帶為區(qū)域短時強(qiáng)降水出現(xiàn)的主要區(qū)域，也是本文主要討論的區(qū)域)。2號強(qiáng)雨帶集中在滇西西部，范圍小，雨強(qiáng)強(qiáng)，出現(xiàn)暴雨局地大暴雨。3號強(qiáng)雨帶位于哀牢山東部一線，也呈西北—東南向分布，但雨強(qiáng)最弱，出現(xiàn)中到大雨局地暴雨。此次大雨過程中強(qiáng)對流天氣特征明顯，3個強(qiáng)降雨帶都伴隨出現(xiàn)了明顯的短時強(qiáng)降水和雷暴天氣，造成嚴(yán)重的城鎮(zhèn)洪澇和山洪災(zāi)害。由于短時強(qiáng)降水分布范圍廣而且局地性差異明顯，給精準(zhǔn)預(yù)報帶來一定的困難(圖1b)。

從逐6小時短時強(qiáng)降水天氣空間分布看，7月22日20∶00至23日02∶00在滇西北東南部、滇中東北部以及滇東北南部出現(xiàn)了明顯短時強(qiáng)降水，呈現(xiàn)西北—東南向的帶狀分布，此雨帶的降雨量極值中心昆明市石林縣三角水庫站在23日00∶00至01∶00出現(xiàn)了42.6 mm的短時強(qiáng)降水(圖2a)。23日02∶00至08∶00滇西北東南部和滇中東北部的短時強(qiáng)降水雨帶略微向南移動，滇東北南部的短時強(qiáng)降水雨帶消失；滇西西部和滇東南南部邊緣的短時強(qiáng)降水雨帶開始發(fā)展，特別是滇西西部的雨帶發(fā)展明顯，此雨帶的降雨量極值中心德宏州盈江縣昔馬站在23日06∶00至07∶00出現(xiàn)了39.4 mm的短時強(qiáng)降水(圖2b)。23日08∶00至14∶00滇東南南部的短時強(qiáng)降水雨帶開始發(fā)展，此雨帶24小時累積降水的量級基本為大雨，降雨量極值中心文山州西疇縣雞街站在23日11∶00至12∶00出現(xiàn)了26.5 mm的短時強(qiáng)降水(圖2c)。隨后滇東南南部的短時強(qiáng)降水雨帶向偏西方向移動，并向北延展，23日14∶00至20∶00落區(qū)主要位于滇中西南部、滇南南部，呈現(xiàn)西北-東南向，此雨帶的降雨量極值中心紅河州金平縣普角站在23日17∶00至19∶00連續(xù)兩小時出現(xiàn)短時強(qiáng)降水，雨量分別為29.5 mm和29.1 mm，此雨帶最大小時雨強(qiáng)出現(xiàn)在玉溪市元江縣它才吉站，23日16∶00至17∶00雨量為40.1 mm，且17∶00至18∶00接著出現(xiàn)21 mm的短時強(qiáng)降水(圖2d)?？傮w而言，分時段后的短時強(qiáng)降水天氣時空分布具有一定的規(guī)律性，與1號強(qiáng)降水帶對應(yīng)的短時強(qiáng)降水帶最早開始發(fā)展，之后略南壓；接著是與2號強(qiáng)降水帶對應(yīng)的短時強(qiáng)降水帶開始發(fā)展，且只持續(xù)了6個小時；與3號強(qiáng)降水帶對應(yīng)的短時強(qiáng)降水帶開始發(fā)晚，但向西移動且范圍擴(kuò)大。

2 天氣形勢分析

分析此次過程的主要影響天氣系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，500 hPa上22日08∶00位于四川東部的中緯度低槽經(jīng)過12小時后(22日20∶00)，快速東移南壓到重慶東部、貴州東部至滇東南邊緣一線，雖然溫度槽落后于高度槽，但低槽位置偏東，冷平流也偏東，滇緬之間為高壓脊控制。云南受到中緯度低槽后部西北氣流和高壓脊前西北氣流的疊加控制，23日02時中緯度低槽緩慢東移，位于槽后的川東南地區(qū)由西北氣流轉(zhuǎn)為偏北氣流，滇緬高壓脊強(qiáng)度減弱，滇中至廣西大部轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，偏北氣流和西南氣流在黔桂交界至滇東北南部一帶形成輻合切變線，且后期該輻合線由東西向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北—西南向，位置少動。700 hPa上22日08∶00位于四川東部的低渦向東南方向移動，23日02∶00(圖3a)低渦中心位于重慶東南部，低渦切變線位于貴州西南部—滇東北南部—川南一線地區(qū)，呈西北—東南向，切變線后部在四川中東部有大于12 m/s的東北急流存在，有利于推動切變線向西南方向移動，切變線前部流場為滇緬脊前的西南氣流或偏西氣流，此時在滇西和滇西南地區(qū)兩股脊區(qū)繞流分別向云南輸送孟灣地區(qū)的水汽。另外在切變線前側(cè)的麗江東南部—楚雄北部—昆明—曲靖一帶有強(qiáng)輻合區(qū)，輻合中心位于昆明附近。23日08∶00(圖3b)低渦切變西移南壓至滇西北東部、滇中至滇東南北部一線，切變后部在重慶西南部至貴州西北部仍有東北急流存在，可繼續(xù)推動切變線向西南方向移動。此時滇緬之間氣流的西南分量減弱，基本轉(zhuǎn)為偏西氣流，水汽輸送相對減弱，輻合線附近的輻合程度也大大減弱。從23日14∶00(圖3c)至23日20∶00(圖3d)切變已經(jīng)壓至哀牢山一帶，且切變前側(cè)轉(zhuǎn)為脊區(qū)控制，水汽輸送和輻合程度進(jìn)一步受到抑制。

從地面上看，此次過程無明顯冷鋒系統(tǒng)影響云南，地面輻合線的移動方向和變化特征與700 hPa上切變線相似。具體分析地面輻合線的位置可以發(fā)現(xiàn)，23日02∶00輻合線位于滇東南、滇東至川南一帶，切變線位置略超前于輻合線位置(圖4a)。同時段的短時強(qiáng)降水落區(qū)剛好位于切變線前部一帶。此次過程滇中地區(qū)的降水極大值中心昆明市石林縣三角水庫站在23日00∶00至01∶00出現(xiàn)了42.6 mm的短時強(qiáng)降水。隨著輻合線和切變線的西南移，短時強(qiáng)降水落區(qū)也隨之向西南方向移動(圖4d)。對比短時強(qiáng)降水落區(qū)和地面、高空天氣形勢發(fā)現(xiàn)，此次短時強(qiáng)降水天氣過程關(guān)鍵由700 hPa切變線和地面輻合線共同作用形成，700 hPa切變線為短時強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展提供了中低層水汽輻合及對流抬升運(yùn)動的維持機(jī)制，地面輻合線則為低層對流發(fā)展提供了觸發(fā)機(jī)制。

3 對流云團(tuán)演變情況

從過程期間的衛(wèi)星云圖觀測看，有明顯的團(tuán)(塊)狀切變云系與關(guān)鍵天氣系統(tǒng)相對應(yīng)，且隨著切變線系統(tǒng)的移動，團(tuán)(塊)狀云系起初在切變線后部東北氣流引導(dǎo)下自東北向西南移動，后來轉(zhuǎn)為受切變前部西北氣流的引導(dǎo)，而自西北向東南移動，移動過程強(qiáng)度逐漸減弱，最后從滇東南移出。2015年7月22日11∶00，團(tuán)狀云系A(chǔ)位于川東至黔北地區(qū)，在滇東北北部邊緣有點(diǎn)狀對流云團(tuán)B發(fā)展。13∶00對流云團(tuán)A向東南方向移動了大概100 km，對流云團(tuán)B發(fā)展明顯，冷云罩(-32°C面積)覆蓋整個滇東北北部，另外值得關(guān)注的是對流云團(tuán)B西側(cè)的川南地區(qū)和A與B之間都有新的云團(tuán)C和D生成。14∶00對流云團(tuán)A和D合并為對流云團(tuán)E，E與B和C在發(fā)展的過程中繼續(xù)向西南方向移動。16∶00對流云團(tuán)B和C的北側(cè)、西側(cè)和南側(cè)都有新的對流云團(tuán)生成，且于19∶00與B、C云團(tuán)合并為一南北帶狀云系F，對流云團(tuán)E的南側(cè)也有新生單體，在E緩慢西南移動過程中合并入對流云團(tuán)E。20∶00帶狀云系F轉(zhuǎn)為西北—東南向，位于滇西北東部，對流云團(tuán)E覆蓋整個滇中至滇東南地區(qū)，此后3小時F和E在向東南移動過程中逐漸趨于合并，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23∶00達(dá)到最強(qiáng)盛階段。23日00∶00西北-東南向的MCC在東南移動過程中再次分裂為對流云團(tuán)F和E，但兩者仍然維持一定強(qiáng)度，在云團(tuán)的最強(qiáng)時段(22日20∶00～23日02∶00)對應(yīng)有55個站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水，且分布形態(tài)與云團(tuán)一致，呈西北東—南向，最強(qiáng)小時雨強(qiáng)為永寧20∶00～21∶00的54 mm降水。23日03∶00對流云團(tuán)F的-70℃的面積明顯減小，對流云團(tuán)E的-70℃的面積也有所減小，此后在共同東南移過程中，兩者強(qiáng)度明顯減弱。23日08∶00對流云團(tuán)F位于滇東南西北部，對流云團(tuán)E位于滇東南東南部，在23日02∶00～08∶00時段內(nèi)，短時強(qiáng)降水落區(qū)略向西南移動，仍然維持西北—東南向，此時段僅29站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水，最強(qiáng)小時雨強(qiáng)為宜良站07∶00～08∶00的38.8 mm降水。

23日12∶00對流云團(tuán)E先分裂再合并發(fā)展，14∶00位于滇東南南部，此時段短時強(qiáng)降水強(qiáng)度和范圍都明顯減弱，在滇東南南部僅有5站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水，最大小時雨強(qiáng)26.5 mm。23日16∶00在哀牢山西側(cè)有新的云團(tuán)生成，在東南移動過程中與對流云團(tuán)E趨于合并增強(qiáng)，此時段的短時強(qiáng)降水位于哀牢山沿線，站數(shù)增加到29站，最大時雨強(qiáng)為41.8 mm。

對比短時強(qiáng)降水落區(qū)、發(fā)生時段與對流云團(tuán)分布、演變情況發(fā)現(xiàn)，切變云系上中尺度對流云團(tuán)的發(fā)展才是導(dǎo)致短時強(qiáng)降水的關(guān)鍵因素。短時強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在對流云團(tuán)中云頂亮溫小于-60℃的冷云區(qū)范圍和亮溫梯度的大值區(qū)，它們之間有較好的對應(yīng)關(guān)系。對流云團(tuán)的空間尺度和持續(xù)時間對短時強(qiáng)降水的分布區(qū)域和強(qiáng)度也有較好的指示意義，過程前期由于孟加拉灣地區(qū)的水汽輸送和切變線附近強(qiáng)的輻合，使得切變線附近的對流云團(tuán)發(fā)展最為旺盛，空間尺度大、持續(xù)時間長，則對應(yīng)時段的短時強(qiáng)降水頻次多，到了過程后期(23日08時開始)隨著孟加拉灣水汽輸送的減弱和切變線附近輻合程度的減弱，對流云團(tuán)開始明顯減弱，則短時強(qiáng)降水的頻次也明顯減少。

4 地閃時空分布情況

圖6給出了此次過程中逐6小時地閃頻次空間分布，從圖上可以看出2015年7月22日20∶00至23日02∶00為地閃高發(fā)期，滇西北東部、滇中、滇東南東部邊緣出現(xiàn)了大范圍、高密度的閃電，且負(fù)閃出現(xiàn)次數(shù)(3 197次)是正閃的(22次)14倍左右。到了23日02∶00至08∶00，閃電范圍有所收縮，位置略向西南移動，密度明顯減弱，正負(fù)閃僅有490次。23日08∶00至14∶00閃電發(fā)生的頻次和范圍都明顯減小，僅出現(xiàn)在滇東南南部邊緣地區(qū)。23日14∶00至20∶00閃電范圍向西擴(kuò)展，頻次和范圍都較上一時段有所增加?？傮w上閃電落區(qū)分布與切變線移動的趨勢相對應(yīng)。對比過程期間的地閃和短時強(qiáng)降水落區(qū)分布可以看出，短時強(qiáng)降水的落區(qū)、頻次與地閃的落區(qū)分布、密集程度有較好的對應(yīng)關(guān)系。具體從出現(xiàn)短時強(qiáng)降水的109個觀測站逐時降水與其周圍20 km范圍內(nèi)逐時地閃對比可以看出，地閃峰值較降水峰值提前1～3 h出現(xiàn)共計有7站。地閃峰值與降水峰值相對應(yīng)，其中地閃數(shù)量在短時強(qiáng)降水發(fā)生前1～4 h出現(xiàn)增量(從無到有)共計有55站，例如從楚雄州永仁縣永興站逐時降水量和地閃數(shù)量分布圖(圖7)可以看出，在22日23∶00至23日00∶00期間地閃數(shù)量有明顯躍增，小時地閃次數(shù)從0次增加到169次，23日00∶00至01∶00期間出現(xiàn)的地閃峰值(406次)與短時強(qiáng)降水峰值(32.9 mm)相對應(yīng)，但地閃次數(shù)增加的時間要早于短時強(qiáng)降水出現(xiàn)的時間約1小時左右；16站地閃數(shù)量在短時強(qiáng)降水發(fā)生前無增量。地閃峰值較降水峰值滯后1～3 h共計有9站，其中6站降水峰值出現(xiàn)前1～3 h有地閃增量出現(xiàn)。無地閃與小時降水峰值對應(yīng)或兩者無明顯關(guān)系共計22站。綜合看，共計有68站(62.39%)在短時強(qiáng)降水發(fā)生前有地閃增量出現(xiàn)，因此地閃數(shù)量開始增加對于短時強(qiáng)降水的精細(xì)化預(yù)報預(yù)警具有一定的指示意義。

圖7 2015年07月22日20時～23日20時永興站逐時降雨量和地閃頻次分布Fig.7 Hourly rainfall and ground lighting frequency distribution at Yongxing station from 20∶00 BT 22 to 20∶00 BT 23 July 2015

5 雷達(dá)回波特征

分析過程期間的雷達(dá)回波空間分布發(fā)現(xiàn)，過程開始時(22日20∶00)在昆明雷達(dá)站東北方向距離雷達(dá)90～100 km附近處有一西北—東南向的帶狀回波，回波結(jié)構(gòu)相對比較緊密，徑向速度上看有中尺度輻合區(qū)，回波位置與700 hPa切變線位置對應(yīng)較好。過程期間，該帶狀回波沿著西北引導(dǎo)氣流向東南方向緩慢移動過程中，在其西南側(cè)不斷有新生單體生成合并，雷達(dá)回波覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，且漸漸靠近雷達(dá)站，另外該帶狀回波具有后向傳播特征，從滇西北東部不斷有回波并入該帶狀回波，共同向東南方向移動時對短時強(qiáng)降水區(qū)域形成列車效應(yīng)，有利于降水時間的持續(xù)。從回波特征看，過程期間主要為層積混合云回波，短時強(qiáng)降水則主要出現(xiàn)在積云回波中。

此次過程中，1號強(qiáng)雨帶最大降雨量出現(xiàn)在昆明市石林縣三角水庫，而且在23日00∶00至01∶00出現(xiàn)了42.6 mm的短時強(qiáng)降水，因此選用覆蓋該站的昆明雷達(dá)觀測資料進(jìn)行降雨特征分析。圖8給出了2015年7月23日00∶48昆明雷達(dá)觀測情況，從回波反射率分布可以看出此時在三角水庫站附近有一條團(tuán)狀回波發(fā)展(圖8a)，回波最大值反射率因子強(qiáng)度達(dá)到45 dBz，回波反射率因子水平梯度較大，呈現(xiàn)明顯的積云回波特征，對應(yīng)時段的短時強(qiáng)降水就是出現(xiàn)在這一團(tuán)狀強(qiáng)回波區(qū)域。從三角水庫站東西方向的回波剖面圖上可以看出(圖8c)，此時該站上空的對流發(fā)展非常旺盛，回波頂高超過12 km，大于45 dBz的回波大值區(qū)處于6 km附近，該站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水天氣時雷達(dá)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，三角水庫站附近都為正速度區(qū)，但離雷達(dá)近的正速度明顯大于離雷達(dá)遠(yuǎn)的正速度，具有明顯的中尺度輻合特征，有利于增強(qiáng)該區(qū)域的對流強(qiáng)度，導(dǎo)致局地性強(qiáng)降雨的發(fā)生(圖8b)。由于雷達(dá)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(qiáng)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(jìn)一步細(xì)化短時強(qiáng)降水天氣的落區(qū)和發(fā)生時段。

6 結(jié)論

此次過程期間短時強(qiáng)降水天氣分布范圍廣、頻次大，落區(qū)分布呈現(xiàn)自東北向西南逐漸移動趨勢，同一區(qū)域強(qiáng)降水時段相對集中，系統(tǒng)性降水特征明顯。

700 hPa切變線和地面輻合線是此次過程的關(guān)鍵影響系統(tǒng)，切變線前側(cè)滇緬脊區(qū)的繞流為短時強(qiáng)降水天氣提供必要的水汽輸送，而切變線為短時強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展提供了中低層水汽輻合及對流抬升運(yùn)動的維持機(jī)制，地面輻合線則為低層對流發(fā)展提供了觸發(fā)機(jī)制。

過程期間有明顯的帶狀切變云系發(fā)展，開始呈現(xiàn)自東北向西南移動的趨勢，后來轉(zhuǎn)變?yōu)樽晕鞅毕驏|南移動的趨勢，切變云系上不斷有中尺度對流云團(tuán)生成和消亡，短時強(qiáng)降水則主要出現(xiàn)在云頂亮溫小于-60℃的區(qū)域和亮溫梯度的大值區(qū)。中尺度對流云團(tuán)的空間尺度、持續(xù)時間對短時強(qiáng)降水的分布區(qū)域、強(qiáng)度有很好的指示意義。

此次過程伴隨出現(xiàn)了明顯的雷暴天氣，地閃的落區(qū)分布、密集程度與短時強(qiáng)降水的落區(qū)、頻次有較好的對應(yīng)關(guān)系，且地閃數(shù)量開始增加的時間要早于短時強(qiáng)降水發(fā)生的時間。

從雷達(dá)回波特征看，短時強(qiáng)降水天氣主要出現(xiàn)在積云回波中反射率因子大值區(qū)。此次過程中，三角水庫站附近的回波強(qiáng)度達(dá)到45 dBz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。