云南昭通“7·05”副高外围极端强降水中尺度分析

沈 茜，宗德孝，何 娟

(云南省昭通市气象局，云南 昭通 657000)



云南昭通“7·05”副高外围极端强降水中尺度分析

沈 茜，宗德孝，何 娟

(云南省昭通市气象局，云南 昭通 657000)

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、FY-2E逐小时相当黑体温度(TBB)、自动站实时观测资料等，对云南昭通2016年7月5日副高外围的极端强降水进行中尺度分析。结果表明：副高西伸加强，触发低层产生中小尺度系统，在近地面层弱冷空气影响配合下，冷暖气流交汇，产生降水；中尺度雨团在副高的影响下在原地不断的生成、发展、消亡是产生此次极端强降水的主要原因；700 hPa垂直螺旋度或垂直螺旋度梯度迅速增大，且对应500 hPa垂直螺旋度为较大的正值或较小的负值的地区，有较强的降雨产生；地形抬升作用也是促成此次极端强降水的重要原因。

极端强降水；中尺度雨团；螺旋度

1 引言

极端天气事件是指天气(气候)的状态严重偏离其平均态，在统计意义上属于不易发生的事件，而极端降水也是极端天气事件的一种。副高西侧外围气流具有较强的不稳定性，产生的降雨过程具有分散性的特征，并且也经常会有单点性极端强降水的发生，在预报时较难把握，所以有很多预报工作者们对于副高外围的降水进行了研究。陈瑞敏[1]等发现暴雨特别是局地短时暴雨的产生与中尺度系统有着直接的关系，而中尺度系统又是在有利的天气尺度背景下发生发展的。王宗敏[2]等发现副高外围对流雨带由若干具有一定间隔的对流单体构成，单体在随对流层中层气流的移动中逐渐发展直至消亡；在副高西北侧存在宽广的带状中低云区，在晴空区和低云区交界处常常产生间断的对流云带，云带上的对流单体常能达到MCC标准，有时它们能够合并形成连续的带状对流云系。韦惠红[3]等发现特大暴雨出现在强不稳定能量条件下，高低空急流耦合引起次级环流触发不稳定能量进一步释放，对流有效位能的增强、发展、消亡较好的反应了暴雨天气过程演变情况。夏茹娣[4]等发现由于大尺度形势(锋面、副热带高压、低空急流)稳定维持，使强降水雨团和中尺度对流云团在同一地区此起彼伏，反复发生。董海萍[5]等发现当云南地区具备有利的大尺度环流形势时，其独特的地形地貌致使在其近地层经常会有一些中尺度辐合线附近频繁产生，且大多为β中尺度系统，造成局地强降水。幕建利[6]等发现强降水主要发生在地面静止锋和锋前暖区的中尺度切变线(或中尺度辐合线)和中尺度涡旋或中尺度辐合中心附近，中尺度涡旋内的降水是由飑线上γ中尺度对流单体形成的“列车效应”产生的，而中尺度切变线附近的降水则是由飑线的发展合并加强产生的。张国华[7]等发现强降水中心附近，中低层一般为垂直螺旋度的正值中心，高层垂直螺旋度为零或者负值，并且降水越强，螺旋度的正值也越大，降水强度增加的过程往往与中低层螺旋度的迅速增加相伴。尤红[8]等发现当中低层正螺旋度迅速增大，高层负螺旋度迅速减小或中低层正、高层负螺旋度中心增大、减小区重叠在同一经度或纬度线附近时，对应地面雨强最强和强降水范围最大。

2016年7月5日傍晚开始到6日白天，昭通市出现了一次区域性的暴雨天气过程，在昭通市盐津、水富、绥江三县出现大暴雨(由于水富县自动站资料未上传管理，所以下文不以讨论)，其中盐津中北部出现了特大暴雨。此次降雨过程的主要时间段为7月5日17时—7月6日04时，在12 h内普洱站降雨量达316.5 mm，此为昭通市自有气象资料以来观测到的最大值。这次降水过程触发大面山洪、兼有泥石流、滑坡、崩塌、过江洪水，10 h内，死亡(失踪)12人，造成农业、交通、电力、通讯等基础设施严重损毁，直接经济损失达7亿多元。通过利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、FY-2E逐小时相当黑体温度(TBB)、自动站实时观测资料等对此次降雨过程进行中尺度分析，试图找出造成此次极端强降水的中尺度条件。

2 降雨实况

2016年7月5日傍晚开始到7月6日白天，昭通市出现了一次极端的强降水天气，其中盐津、水富、绥江、永善、大关、昭阳、鲁甸、巧家普降大—暴雨、局部特大暴雨。此次降雨过程具有范围广，降雨强度强，持续时间长，并且自北向南发展，特大暴雨点集中的特点。从7月5日17时—6日17时，全市乡镇出现特大暴雨3站，大暴雨5站，暴雨18站，大雨30站。降雨量大于150 mm的站次均出现在盐津，分别为盐津普洱(321.7 mm)，盐津沿江(307 mm)，盐津艾田(259.1 mm)，盐津串丝(207.5 mm)，盐津中和(207.5 mm)，盐津滩头(162.7 mm)。累积雨量最大的站点普洱站的最大小时雨量为64.8 mm。

图1 7月5日17时—6日17时累积降雨量和普洱站逐小时降雨量(单位：mm)Fig.1 Cumulative rainfall from17∶00 on July 5th to17∶00 on 6th and Puer station hourly rainfall(unit:mm)

3 强降水成因分析

3.1 形势分析

7月5日14时500 hPa上，中高纬地区是一槽一脊，河套以东为高压控制，以西为低槽区，副高西伸脊点位于116°E，27°N，长江到河套之间为两高之间的低值区，四川盆地西北部有一个短波槽，槽后西北气流带来冷平流和副高外围输送的暖湿气流在昭通交汇。5日20时副高西伸脊点位于114°E，26°N，700 hPa(图2a)上滇东北的西北部有一条切变线，北部湾有一个低值系统，偏南急流形成，昭通市有风速辐合，从北部湾和孟加拉湾共同输送来的水汽在切变线附近汇合，近地面层有冷空气入侵，冷暖交汇，此时在昭通北部地区已经开始降雨。6日02时，两个反气旋环流维持，副高西进到112°E，700 hPa切变线(图2b)压到昭通市的西部到南部一带，北部湾的低值系统随着副高的加强西伸北抬而略有西移北上，地面热低压维持，此时雨带依然集中在切变线附近。6日08时，副高继续加强西伸北抬到110°E，28°N。由于副高西伸北抬，700 hPa(图2c)切变线位置维持不变；副高继续加强，昭通市受副高控制，水汽输送切断，降雨趋于结束。整个过程副高较强，在昭通市的东部地区降雨较小，主要的降雨区域集中在昭通市的北部到南部一带。因副高稳定少动，系统原地生成发展消亡。西南暖湿气流加大了对流不稳定性，使得中尺度系统发展。

3.2 中尺度滤波

由于天气尺度系统的上升运动强度还不能产生暴雨，暴雨主要是在中小尺度系统下产生的[9]。带通滤波器[9]的功能是保留某一段的波而滤去其他部分的波。所以使用9点带通滤波器来对700 hPa的风场进行滤波，得到中小尺度的系统。

5日14时(图略)，昭通市的西南部地区出现了一个闭合的中α尺度的低涡，5日20时，低涡环流的范围变大，控制整个昭通地区，低涡中心位于昭通的西部，并且5日20时15分云带中亮温<-52 ℃的区域位于气旋性环流的东侧和586线之间，云团A和云团B分别生成于中尺度低涡的东南部和低涡南部辐合气流最强的区域。5日14—20时，除东部以外，全市大部分地区都出现了降雨，降雨量最大的地区集中在东北部，随着低涡的加强发展，降雨强度明显增大，并且最大雨强出现在低涡中心的东部。6日02时(图3b)云系中亮温在-52 ℃以下的区域仍然存在于586线和中尺度低涡之间，此时中尺度低涡的南部辐合明显变小，云团B已经明显减弱；在低涡的东南部云团A仍然存在，但强度较5日20时有所减弱。降雨量最大的地区仍然集中在昭通市的北部地区，其中以盐津、绥江两个县的降雨强度最大，此时最大雨强仍然位于低涡中心的东部。6日08时(图略)，低涡减弱消失，降雨趋于结束。

(a) (b) (c)图2 700 hPa风场(a为7月5日20时，b为7月6日02时，c为7月6日08时)Fig.2 Wind field in 700 hPa (a, 20∶00 on July 5th. b, 02∶00 on July 6th, c, 08∶00 on July 6th)

根据以上分析，在此次降雨过程中，云带主要出现在中尺度低涡东侧到南侧和586线附近，并且TBB<-52 ℃的区域均出现在中尺度低涡和586线之间。雨强最大的地区出现在低涡中心的东部，降雨强度较强。

图3 700 hPa滤波后流场(5日20时和6日02时)，TBB值(单位：℃)(5日20时15分和6日02时15分)，586线(5日20时和6日02时)Fig.3 After filtering the flow field in 700 hPa(20∶00 on 5th and 02∶00 on 6th), TBB(unit:℃) (20∶15 on 5th and 02∶15 on 6th ), 586 line(20∶00 on 5th and 02∶00 on 6th)

3.3 中尺度雨团与相当黑体亮温(TBB)的对应关系

3.3.1 中尺度雨团 一次暴雨天气过程的降水总量并非由一次连续降水所组成，而由于此过程期间中尺度雨团不断生成和移动的结果[9]。从自动站观测得到的逐小时雨量分布变化图(图略)看出， 5日18时有2个雨团，分别位于彝良、镇雄的交界处和盐津北部，中心强度均为15 mm/h以上；19时昭通市南部局部地区也出现了中尺度雨团，北部盐津地区的雨团加强，并且范围变大，覆盖了整个北部地区，中心强度加强为25 mm/h以上；20时南部的雨团范围扩大，并且有向南移动的趋势，强度保持不变，北部雨团则发展为一个强盛的中β尺度雨团，强度明显增强，雨团中心值加强到50 mm/h，在盐津的艾田站出现了92.2 mm/h的较强降水；21时南部雨团强度减小，分散为几个独立的雨团，北部雨团强度和范围也有减小的趋势，但中心一直维持在盐津北部地区，中心强度为35 mm/h；22时以北部地区降水为主，有3个中尺度雨团，其中在永善和大关交界处的雨团刚发展起来，强度维持在35 mm/h，位于盐津北部的雨团持续减弱；23时位于盐津北部的雨团又开始加强，中心强度达55 mm/h，其余地区的雨团明显减弱；6日00—01时，北部的降雨减弱，南部的降雨加强；6日02时盐津北部地区的雨团，再度加强为一个中β尺度的雨团，中心强度为55 mm/h；6日03时，盐津北部中β尺度雨团维持，但降雨强度减小到35 mm/h；6日04时以后，北部雨团减弱消亡，全市的降雨趋于结束。

由以上分析可知，中β尺度雨团集中在昭通市的北部和南部地区。结合图3分析可得，这些雨团均生成在中尺度低涡的中心(昭通市南部)和中尺度低涡中心东部；当中尺度低涡维持发展加强时，中尺度雨团也在不停生成发展。在低涡中心的东部，即盐津的北部地区，中β尺度雨团一直在原地不断生成发展消亡，从而引发局地极端强降水发生。

3.3.2 相当黑体亮温(TBB)分析 由逐小时TBB值分布变化图可以看出(图4)，17时15分开始，从滇东北到滇中有一些云系开始发展，18时15分可见云系连成带状；19时15分，带状云系内有一些中β尺度的对流云团在发展，昭通境内可以看到有两个中β尺度的对流云团，云顶亮温均低于-62 ℃，并且结构密实。20时15分，昭通境内的两个中β尺度对流云团A、B云顶亮温低于-62 ℃的面积明显变大，均发展为中α尺度的对流云团。17时开始到20时，昭通的强降雨主要集中在盐津县的北部(在云团a西北部TBB<-52 ℃的区域内)，19—20时雨强最大(此时对应云团A强烈发展)，云团A西北部的TBB值迅速减小到-62 ℃。21时15分云团A继续发展，云顶亮温达到-72 ℃以下；南部的云团B已经消亡， 20—21时的雨强有所减弱，降雨区域为云团西北部TBB值梯度最大的地方。22时15分云团A略有减弱，中心亮温值增大到-62 ℃，对应此时的降雨强度基本维持，并且中尺度雨团也位于云团A西北部TBB值梯度最大的地方。23时15分，云团A迅速消散减弱；对比22时15分的云图可以看出，云团A的西北部TBB值梯度明显减小，但中尺度雨团所在的位置TBB值依然维持在-52 ℃以下，此时间段内主要降雨区域也位于TBB值梯度迅速减小的区域。6日00时15分，盐津境内的云系又有所发展，TBB值由-42 ℃减小到-52 ℃，降雨强度较前1 h有所减小，中尺度雨团依然位于云团北部TBB值梯度最大的地区。6日01时15分，云系持续减弱，主要降雨区域依然维持在盐津北部地区，但降雨强度明显减小；此时盐津北部的TBB值上升到-42 ℃，并且TBB值梯度明显减小。6日02时15分，云团A又重新发展，云团西北部的TBB值梯度又明显增大；01—02时中尺度雨团也开始发展，降雨强度明显增大。6日03时15分，随着云团A有所东移，盐津北部地区的TBB值梯度又开始减小，降雨维持，但强度减小。随着云团逐渐东移减弱，降雨趋于结束。

图4 昭通市7月5日20时15分—6日01时15分逐小时TBB(单位：℃)Fig.4 Hourly TBB from 17∶15 on July 5th to 04∶15 on July 6th in Zhaotong

由以上分析可得，在此次过程中，当中尺度对流云团迅速发展或者迅速减弱的同时，伴随着一些中尺度雨团生成，并且中尺度雨团多发生在对流云团的西北部云顶亮温较低的区域或者TBB值梯度最大的地区。在对流云团西北部TBB<-52 ℃的区域内产生的中尺度雨团雨强>25 mm/h。在TBB值迅速减小到-62 ℃或者TBB值梯度迅速增大的过程中，降雨强度较强，雨团的中心雨强达到50 mm/h以上。此次过程中有两次TBB值梯度迅速减小，并且TBB值梯度减小程度越大，对应的小时雨强越强。TBB最低值达到-52 ℃以下时，TBB值梯度减小最大的地区雨强>35 mm/h。正因为对流云团在此次过程中一直在原地生成、发展、衰减导致了云团西北部地区(盐津的北部)不停地有中尺度雨团生成，使得盐津北部地区出现了极端强降水。

3.4 水汽条件分析

产生暴雨的必要条件之一是有源源不断的水汽供应。从700 hPa水汽通量场(图5)可以看出，此次降雨过程的水汽源地有孟加拉湾、南海和北部湾。从水汽输送的强度来看，最主要的水汽来源是南海和北部湾。北部湾处的低值系统东侧的东南气流和副高西侧外围的东南气流共同输送水汽到昭通市。从5日14时(图5a)700 hPa的水汽通量场可以看出，此时已经有水汽从源地向昭通输送，昭通市的中部和北部地区水汽通量达到6 g·s-1·cm-1·hPa-1，这个区域对应着昭通出现降雨的主要区域，其中在昭通的北部明显的可以看到一个水汽通量的中心，达到8 g·s-1·cm-1·hPa-1。说明在降雨发生前，昭通市已经有水汽的积累，并且700 hPa水汽积累的大值区对应其后出现的特大暴雨落区。到5日20时(图5b)，水汽输送明显较14时有所增大，昭通市的大部地区水汽通量达到8 g·s-1·cm-1·hPa-1以上，其中在昭通的北部，即特大暴雨发生的地区，水汽通量达到12 g·s-1·cm-1·hPa-1。同时也可以看出在降雨发生过程中，700 hPa水汽通量的大值区和降雨落区对应较好。

图5 700 hPa水汽通量(单位：g·s-1·cm-1hPa-1)(a 为7月5日14时，b为7月5日20时)Fig.5 Moisture flux in 700 hPa(unit: g·s-1·cm-1·hPa-1)(a, at 14∶00 on July 5th, b, at 20∶00 on July 5th)

从850 hPa水汽通量场(图略)可以看出，5日14时也有水汽辐合，但没有水汽辐合中心，只有东部地区的水汽通量达到6 g·s-1·cm-1·hPa-1，其余地区水汽辐合不明显。到5日20时，水汽通量的中心也位于昭通的中部和北部地区，量级为6 g·s-1·cm-1·hPa-1。所以对比700 hPa和850 hPa的水汽通量可知，此次降雨过程的水汽输送主要在700 hPa高度上，并且在降雨发生前和降雨发生的过程中，700 hPa上的水汽通量的大值区和特大暴雨产生的区域对应较好。

3.5 垂直螺旋度分析

垂直螺旋度是垂直涡度和垂直速度的积，它的大小反映垂直方向上旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度，所以垂直螺旋度在一定程度上不仅能反映系统的维持状况，还能反映系统发展、天气现象的剧烈程度[10]。垂直螺旋度在P坐标系中计算表达式参见文献[10]。

分析了500 hPa和700 hPa螺旋度随时间的变化。在5日14时700 hPa上(图6a)，昭通的北部地区螺旋度为正值，中心值为2×10-5m·s-2，对应500 hPa上为0；到5日20时700 hPa上，昭通北部的螺旋度的大小和范围明显增大，出现了一个11×10-5m·s-2的中心，此时对应的500 hPa上的螺旋度为-1×10-5m·s-2；而5日14—20时的降雨区域主要出现在盐津北部、昭阳和鲁甸交界处的南部，即对应700 hPa螺旋度中心的东北部和东南部等值线密集带。6日02时，700 hPa上昭通北部的螺旋度正值区向北移，转为负值区控制，强度减小，昭通的东部和南部边缘螺旋度均为正值；500 hPa上昭通的东部和南部都是正值区，其余地区为0，此时降雨出现在盐津的北部和永善的南部，其中盐津北部雨区对应的螺旋度分布为700 hPa上螺旋度正值区的东南部，即为螺旋度梯度最大的地方，对应的500 hPa上螺旋度在0～1之间；永善南部对应的700 hPa螺旋度为正值，较前一时次有所增大，而对应的500 hPa上有一个5×10-5m·s-2的中心。由此可以得出，降雨开始时，700 hPa螺旋度或者螺旋度梯度迅速增大，降雨主要出现在700 hPa螺旋度正值区的东北部和东南部等值线密集处，或者正值区东南部螺旋度梯度最大的地方；而对应的500 hPa上螺旋度为较大的正值或者较小的负值，且当500 hPa上的值为0左右时，雨强最强。

3.6 地形的影响

此次过程降雨量分布不均，大暴雨和特大暴雨的区域主要出现在盐津的北部、绥江东部和水富一带。由海拔高度图(图略)可以看出，在盐津的西部和西南部海拔均在1 000 m以上。选取盐津站为代表站做风向风速随高度的变化，可以看出低层盐津站的风向都是偏东风，而出现大暴雨和特大暴雨的地区都位于迎风坡，有地形抬升作用，也是一种触发机制，加剧了降雨的发生。

图6 700 hPa垂直螺旋度(单位：10-5m·s-2) (a为5日14时，b为5日20时，c为6日02时)Fig.6 Vertical helicity at 700 hPa(unit: ×10-5m·s-2)(a 14∶00 on July 5th;b 20∶00 on July 5th;c 02∶00 on July 6th)

4 结论

①此次降雨过程是一次典型的副高外围单点对流性暴雨，500 hPa上从四川盆地西部到云南的东部为低槽控制，副高西伸加强；700 hPa上有中小尺度涡旋产生，近地面层有弱冷空气影响，副高外围的偏南暖湿气流与冷空气在昭通交汇，有利于降水出现。

②影响此次降雨过程的是中β尺度低涡，雨强最大的区域出现在低涡的东部；产生降雨的中尺度云系主要出现在中尺度低涡东侧到南侧和586线附近，并且TBB<-52 ℃的区域均出现在中尺度低涡和586线之间。

③中尺度雨团在原地不断的生成、减弱、衰亡，是造成此次极端强降雨和单点性特大暴雨的主要原因；中尺度雨团多发生在对流云团的西北部云顶亮温较低的区域或者TBB值梯度最大的地区；云团内最小的TBB值对应较强的降雨强度。

④此次降雨的主要水汽来源是孟湾和北部湾，700 hPa的水汽输送与此次降雨的区域对应较好；地形抬升作用加剧了此次降雨的发生。

⑤在此次降雨过程中， 700 hPa螺旋度或螺旋度梯度迅速增大时，对应出现明显降雨，并且降雨区域出现在700 hPa螺旋度正值区的东北部和东南部等值线密集处，或者正值区东南部螺旋度梯度最大的区域，而对应的500 hPa上螺旋度为较大的正值或者较小的负值。

[1] 陈瑞敏，康文英，张国萍.副高外围局地暴雨过程中尺度分析[A].中国气象学会2006年年会“中尺度天气动力学、数值模拟和预测”分会场论文集[C].

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Mesoscale analysis of the extreme precipitation around subtropical high of Zhaotong "7·05"

SHEN Qian，ZONG Dexiao，HE Juan

(Zhaotong Meteorological Bureau，Zhaotong 657000, China)

Mesoscale analysis was conducted to the extreme precipitation which is around subtropical high of Zhaotong in July 5th, 2016 by using NCEP/NCAR reanalysis data with the resolution of 1°×1°and a FY-2E hourly quite blackbody temperature(TBB) and real-time automatic weather station observation data. The results show: subtropical high advances westward and intensifies and trigger low layer and generate small-scale system. Surface layer weak cold influences cold and warm intersection to produce precipitation. Mesoscale rain clusters ongoing generation, development and demise in place under the subtropical high influence is the main reason of the extreme precipitation. It has significant amount of rainfall generated where the vertical helicity or vertical gradient increases rapidly spiral in 700 hPa and corresponds to 500 hPa vertical helicity to a large positive or small negative area. Topographic uplift is the main reason for the extreme precipitation.

extreme precipitation; mesoscale rain cluster; helicity

1003-6598(2016)05-0051-07

2016-08-14

沈茜(1989—)，女，助工，主要从事短临及短期天气预报工作，E-mail:shenqiankai@126.com。

云南省气象局科研项目(TQ201608)。

P458.1+21.1

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