云南省一次局地短时强降水中尺度特征与诊断分析

杨靖新，陈 莉，黄 曦

(云南机场集团有限责任公司 丽江机场，云南 丽江 674100)

0 引言

云南地处低纬高原，地形复杂，具有独特的天气气候特征，每年短时强降水及其次生灾害都会给云南造成重大人员伤亡和巨大经济损失，对于经济较发达的滇中地区更为严重。这些空间尺度小、生命期短、对流强烈的严重局地强对流气象灾害发生时，常常会造成重大人员伤亡和重大经济损失。

国内一些气象学者对各地的短时大暴雨灾害天气进行了中尺度特征分析[1-9]，探讨了各种新型观测资料在暴雨分析和预报中的应用，近年来云南省气象工作者针对本省强降水过程也进行了各方面的深入研究，如尤红等[10]、周泓等[11，12]和李施颖等[13]诊断和分析了几次云南暴雨和强对流灾害天气过程，研究表明云南省强降水多由高空槽东南移，槽后西北气流引导冷平流和切变线、冷锋系统南下，与西南暖湿气流在云南省交汇引发，强降水落区多数位于冷锋前冷暖空气交汇处，而锋后为下沉气流控制，降水较弱。马红等[14]对滇东北2010年7月3次局地暴雨过程进行诊断发现，天气尺度辐合上升运动和低层不稳定能量释放产生的小尺度上升运动协同是局地暴雨发生的原因，逆风区与暴雨落区对应较好，逆风区向上伸展高度与降水强度相对应。徐八林等[15]和尹丽云等[16]详细分析了单点暴雨等强对流的雷达和闪电观测事实，揭示了云南暴雨发生、形成的一些机理和回波、闪电特征，丰富、提高了云南预报员对本省暴雨的认识，但2013年云南中东部“5.23”短时强降水过程突发性强，降水强度大，强降水时段短，且强降水发生在地面低压和冷锋附近和后部，值得对其中尺度特征和成因进行分析，能够为今后云南短时临近预报中短时强降水预报提供一些有益的思路和建议，为此类灾害性天气预报与服务争取更多的时间提前量与较高的预报准确率。

1 “5.23”短时强降水过程概况

2013年5月23日云南省中部的昆明南部、曲靖南部和玉溪突发一次局地短时强降水天气过程，滇中以东地区出现19站大雨，3站暴雨，过程最大雨量发生在曲靖市，为75.5 mm。强降水时段集中在5月22日20时～23日00时期间，过程引发雷暴、冰雹、短时强降水等强对流灾害性天气。此次强降水灾害天气过程具有强降水雨带向南移动速度快、短时雨强、瞬时风速大、伴随有强雷暴和局地洪涝重等特点(封三图版Ⅰ图1)。

2 环流背景分析

2.1 对流层中低层环流特征

2013年5月21日下午到22日云南省为高压控制下的晴热天气，全省22日84站最高气温≥30℃。22日08∶00 500 hPa欧亚上空40°N以北为径向度较浅的两槽一脊控制，青藏高原到江汉地区以西为强大高压控制，高压底部东北气流与云南小高压形成东北风和西北风的风向辐合，造成22日午后云南北部和玉溪中东部局地出现雷暴、冰雹天气。之后青藏高压东移，云南小高压合并其中，整个西南地区为高压脊控制，河套至川东北脊前西北风速增加，达到急流强度，迅速带下北方冷空气，在700 hPa四川东部形成312位势什米冷高压，于是川南到云南北部出现切变线，云南中南部为西南气流，并在昆明到西昌间出现一加深的闭合低压环流，切变前后昆明站与咸宁站间的温差为3℃。5月23日08∶00，500 hPa上控制云南省的高压脊减弱消失，滇南上空转为西南气流，印缅槽在92°E附近；700 hPa上低涡和切变线强度减弱，但位置维持少动，滇中、滇南温度明显下降，其中昆明站气温下降8℃(22日20∶00为16℃)，表明12 h内昆明测站经历了一次明显锋区过境的活动特征，此期间滇中的南部地区自北向南出现短时强降水灾害天气。

(a)(b)图2 (a)2013年5月22日20∶00时天气形势图(棕色实线为500 hPa高度场，红色虚线为500 hPa温度场，蓝色箭头 为500 hPa急流区，棕色双实线为700 hPa切变线)；(b)2013年5月22日20∶00地面系统和23日08时冷锋位置Fig.2 (a)Weather chart at 20∶00 on May 22，2013(The brown solid line is the 500 hPa height field，the red dotted line is the 500 hPa temperature field，the blue arrow is the 500 hPa jet stream area，and the brown double solid line is the 700 hPa shear line)； (b)The ground low pressure system at 20∶00 on May 22，2013 and the cold front position at 8∶00 on May 23，2013

2.2 地面形势特征

从22日20∶00地面观测资料上看(图2(b))，云南省中部出现低压，并有弱冷锋配合，在低涡和弱冷锋附近，对流旺盛，出现了成片雷暴区，滇中北部、滇东北为偏北风或偏东风，有3 h强正变压对应，其中滇东北有5.4 hPa的强正变压中心，昭通鲁甸出现6 h 34 mm强降水中心。追踪地面低压和冷锋变化，发现低压维持时间较长且位置基本未动，23日08∶00原地减弱，而弱冷锋则绕低压中心顺时针南下，23日08时在哀牢山沿线形成沿地形的一条锋线(图2(b))，短短12小时，滇中以东地区出现了13站大雨，11站暴雨和1站大暴雨，强降水区集中，短时雨强大，且伴有雷暴、大风和冰雹等灾害性天气。以往云南省的短时强降水天气多出现在冷锋前的高温高能区，而此次过程则出现在弱冷锋附近和后部，值得对其中尺度特征和成因进行分析，以期对今后此类突发性过程起到一些有意义的预报指导作用。

3 中尺度特征分析

3.1 卫星云图分析

卫星云图能直观地反映出各种天气尺度系统的发生、发展和消亡过程。分析5月22日20∶00～23日12∶00的卫星云图发现(封三图版Ⅰ图3)，22日傍晚到20∶00前四川南部、贵州西部和云南东北部上空有多个小、团状对流云团发展。之后滇东北和贵州西部的MCS逐渐减弱，而其西南侧不断有新生、强的小对流云团在增强的MCS西南侧发展，03∶00前后曲靖南部上空有暴雨云团，06∶30分在滇中玉溪上空形成一个近似圆形的中γ尺度暴雨云团，直至10∶00后该暴雨云团减弱南移。相应地面上玉溪强降水时段是23日03∶00～ 08∶00间，玉溪境内03∶00就开始有短时强的雷雨天气出现。可见过程中MCS对流云团呈现出在其西南部不断有新生对流云团发生、发展的列车效应，其发生、发展的中断时间是23日07∶00，向西传播的边界线为哀牢山沿线上空；06∶30分滇中上空的对流云团强度最强。此期间孟加拉湾东部洋面上空有西北、东南向的成串的强对流云团，活动，云南西部上空少云。

3.2 雷达回波分析

多普勒天气雷达能详尽地反映出中小尺度天气系统发生、发展和演变的过程。分别对23日00∶00～11∶00短时强降水时段中昆明CINRAD-CC多普勒雷达的探测资料进行分析，以寻求过程中云图上MCS(中尺度对流系统)的向西南的多普勒列车效应和其增强为暴雨云团的发生机制。

昆明雷达0.5度仰角基本反射率图4(封三图版Ⅰ图4)上：23日00∶00前强降水回波主要分布在曲靖和昆明东部，回波呈絮状结构的积云层状云混合降水回波，随后该回波在原地迅速减弱消失；00∶00后昆明南部不断有积云层状云混合降水回波激发出来，迅速发展壮大，向南部的玉溪上空移动，强回波中心强度50 dBZ，回波高度达8.2 km；01∶13(封三图版Ⅰ图4(b))新生的混合降水回波开始影响玉溪澄江县，之后03∶34(封三图版Ⅰ图4(c))南部和西南部的楚雄东南到玉溪东部有排列成带状的混合降水回波发生、发展并向东南方向移动，回波影响玉溪市东部，强回波中心强度为40 dBZ，同时此强带状积云层状云混合降水回波前西南方向新平西北部和峨山西南部又有新的两块强混合回波发生发展；05∶38(封三图版Ⅰ图4(d))新生、分散的各混合强回波在玉溪上空合并成一近似团状的暴雨云团，强降水回波主体影响玉溪中西部，强回波中心强度达42 dBZ；06∶31(图(e))该团状回波稳定少动基本覆盖玉溪大部，回波强度有所增强，最强中心达45 dBZ；07∶53(封三图版Ⅰ图(f))团状混合降水回波开始南压、玉溪中部上空的回波强度减弱为34 dBZ，地面降水转为中雨天气，而西南部还有40 dBZ强中心对应，到09∶51强积云层状云混合降水回波主体影响元江，相应元江此期间出现短时强降水，玉溪中北部降水停止。可见此次短时强降水主要是积云层状云混合降水回波引发，混合强回波不断向西南部增强发展，最强回波持续时间在2 h左右，造成其影响区域大多出现短时强降水天气。

对应时段中昆明雷达径向速度图4上：23日01∶13雷达中心到曲靖上空风随高度逆转且正速度面积大于负速度面积，表明该地区对应为冷平流和风辐散的不利于回波继续增强发展环境，相应之后此地区的回波减弱消失；而雷达中心南部方向上为大片的负速度区，正南径线附近有小的、不连续的正速度区出现，表明出现第二类γ中尺度辐合区和风辐合的环境，之后03∶16(图(b1))负速度区域明显向昆明南部的玉溪上空扩展，第二类γ中尺度辐合区也增强南压，低层为东北风，高层为西南风，冷暖交汇增强，05∶26(图(c1))第二类γ中尺度辐合区中低空出现有大于12 m·s-1的急流核，速度零线上呈现出风随高度顺转，此时负速度区面积仍大于正速度区面积，相应到06∶25(图(d1))仍为此环境风场，即预示未来该时段中该区域的回波将增强发展，雷达反射率因子图上在相应时间后15 min左右均观测到降水回波向南发生、发展列车效应的事实，上午06∶30玉溪上空就出现了近似团状的暴雨云团，此时段中第二类γ中尺度辐合区对应风向辐合的速度零线所扫过的区域均出现短时强降水；06∶30～07∶00昆明南部到玉溪东北部的正速度是个面积逐步扩大过程，第二类γ中尺度辐合区位于玉溪中部到西南部一线，风辐合在玉溪到峨山一线，随后第二类γ中尺度辐合区是个迅速南下减弱的过程，09∶00元江境内出现一片小的第二类γ中尺度辐合区，而原玉溪中部的逆风区中的正速度区则与继续南下扩展的大片正速度区打通，即玉溪中部以北以东为东南风，表明锋面已经影响了该区域。可见第二类γ中尺度辐合区和小尺度风辐合环境是过程中激发回波向南不断发生、发展的机制，径向速度场可提前15 min左右预示出回波未来强度和移动方向的变化趋势。

3.3 自动站资料变化特征分析

以玉溪市新平县单站三线图考察地面要素变化情况。1 h强降水发生期间，温度有3～5 ℃降幅，相对温度增加，水汽压下降3～3.7 hPa，露点下降3 ℃左右，温度露差值在1 ℃左右，海平面气压增加幅度在0.6～4.2 hPa，风向上有从东南风或是西南风转成东北风的突变过程，风向顺时针旋转，风速剧增，值迅速跃升是前一个小时的3倍以上，10 min平均风速平均达到45 m·s-1，新平站最强1 h 36.7 mm降水期间对应的各要素变化均是最强的(图5)(温度降3.8 ℃、海平面气压升4.2 hPa、露点降2.8 ℃、水汽压降3.7 hPa、风速跃升3.5倍)；强降水维持期间温度、水汽压、露点、相对湿度值稳定少变，而气压则是个继续增压的过程，对比发现其余各强降水站点三线图变化与新平站相类似，强降水结束时高的海平面气压值少变、温度、露点、水汽压上升，测站转为弱偏东或东北风，温度露点差值加大，即测站处于高压控制中。

图5 2013年5月23日新平站各气象要素变化图Fig.5 All meteorological elements of xinping station changed On May 23，2013

4 成因分析

4.1 探空资料和不稳定分析

跟踪分析5月22日到23日探空资料发现，22日白天昆明站(图6(a))上空为西北气流，有弱垂直风切变，正能量区位于500 hPa层以上，值为150 J·kg-1，CIN(对流抑制能量)高达251 J·kg-1，沙氏指数为-1.07℃；威宁站(图6(b))同样具有一定的CAPE(304 J·kg-1)和较高的CIN(237 J·kg-1)，正能量区较高，但近地层出现一逆温层，该逆温层的存在起到了“干暖盖”和下沉增温作用，有利于CAPE(对流有效位能)的积累，而此时滇南地区还无明显CAPE出现。随着不稳定能量的积累，午后在500 hPa滇东北风向辐合附近出现雷暴和冰雹等对流性天气。22日20∶00昆明站对流层低层出现西南气流，风向随高度顺时针转动，风速随着高度升高而增大，具有了中等强度的垂直风切变环境，CAPE值从150 J·kg-1增加到210 J·kg-1，CIN维持260 J·kg-1，沙氏指数降为-1.78 ℃，此时滇中到滇南的不稳定能量也明显增大，沙氏指数-2～-4 ℃，滇南上空CAPE值达到880～1400 J·kg-1；23日08∶00昆明(图6(c))正能量区降至对流层中低层，数值减小至156 J·kg-1，沙氏指数转为正值，滇南上空沙氏指数由-3 ℃变成了0 ℃左右。可见此次短时强降水强对流灾害天气过程前期近地层存在逆温层，过程中有中等强度垂直风切变环境、不稳定层结和一定的对流有效位能释放的明显特征。

从700 hPa的θse分布来看，22日08时云南省大部地区都是高能区，明显的能量锋区位于黔桂西部，22日午后昆明地区θse下降，云南省θse分布呈现东部和西部为高值区，而中部为相对低值区，滇东高能区的维持有利于该地强对流天气的发生(图略)，22日20时云南省中部的相对低能区消失，滇西维持352的高能中心，明显的能量锋区仍然位于黔桂西部，滇东为θse高能舌区，强降水随后出现在高能舌尖附近(图7(a))，随后滇西高能中心强度减弱和高能舌消失，滇中以东地区为弱能量锋区自东向西移动过境过程(图7(b))。

(c)23日08时昆明站图6 各站探空图Fig.6 Sonogram of each station

(a)5月22日20时(b)5月23日08时图7 700 hPa θse分布Fig.7 700 hpa theta se distribution

4.2 上升运动和抬升机制分析

考察暴雨区平均垂直速度演变发现垂直运动变化与强降水时段非常吻合(图8)。垂直上升运动从22日午后出现，并向对流层中高层扩展，22日20时上升运动高度发展超过400 hPa，强上升运动中心位于700 hPa～600 hPa之间，中心强度为-0.5 hPa·s-1，随后对流层低层上升运动逐渐减弱，但是上升运动高度维持至23日08时后，对应地面强降水时段正好为22日20时至23日08时。

图8 暴雨区(102°E～104°E，24°N～25°N)垂直运动演变Fig.8 Vertical movement evolution of rainstorm area (102°E～104°E，24°N～25°N)

锋生是指密度不连续面的形成过程，加大温度水平梯度，致使锋面附近天气现象加强。跟踪分析强降水过程前后低层锋生函数演变，发现此次短时强降水过程中低层有明显锋生作用过程：22日14∶00川南、滇东北至贵州西部一线在700～850 hPa层间开始出现锋生函数正值带，成都平原850 hPa 上有15×10-13K· hPa·s-3闭合正值区，滇中东部弱负值区，20∶00 850 hPa上锋生函数正值区迅速增强向西南方向扩展，滇中东部上空出现25×10-13K· hPa·s-3强中心(图9(a))，正值中心6 h内增强1.7倍，700 hPa上滇中北部也转为正值区，锋生函数零线在云南哀牢山沿线附近呈南北走向；随后到23日08∶00期间锋生函数正值中心在滇中上空略向西南方向移动中迅速减弱。图9(b)是短时强降水中心区域24～25°N、102～103°E的平均锋生函数的垂直剖面时间变化图，可见22日14∶00开始短时强降水区域800 hPa以下层有锋生函数正值出现，之后正锋生函数增强并向上层750 hPa伸展，于22日20∶00达最强，850 hPa上有8×10-13K· hPa·s-3强正值中心对应，6小时后短时强降水区域750 hPa以下层锋生正值减弱到1×10-13K· hPa·s-3以下，并一直维持到23日08∶00时，即短时强降水区域低层上空存在着明显的强锋生作用，过程中最强锋生作用出现再迅速减弱6 h后，地面开始出现短时强降水；23日08∶00后800 hPa层附近出现弱负锋生函数中心，相应地面降水迅速减弱停止。

700 hPa以下层强锋生作用与低层强锋生正函数在滇中维持和缓慢南压、迅速减弱，最强锋生在850 hPa上，过程中地面短时强降水出现在最强锋生发生后6 h，锋生函数零线有从南北走向转为西北东南走向的一个明显变化特征，强锋生作用主体在云南中部低层上空，相应该区域测站上有强正变压特征对应。

4.3 热力因子特征分析

用对流层中低层的温度平流演变考察过程直接影响系统低涡、切变线和冷空气的热力特征。过程发生期间滇中以东地区存在明显的500 hPa和700 hPa温度差动平流(图10(a))，根据以上分析知道，22日20时滇中以东地区地面有低压和冷锋生成，锋后冷平流加强了该地区的温度差动，温度差动平流中心为-2.5 K·s-1，显著的温度差动平流说明该地冷暖空气交汇，对流发展，产生降水。22日夜间该地维持温度差动平流负中心，但强度减弱为-1 K·s-1，23日08时(图10(b))温度差动平流负值区向南移动，强度进一步减弱，而对应地面降水减弱。可见低涡、切变南下过程中滇中上空对流层中低层是有明显的冷暖平流交汇的，且对流层的温度差动平流活动很好地反应了短时强降水变化特征。

(a)(b)图10 温度差动平流分布(a)22日20时；(b)23日08时Fig.10 Temperature differential advection distribution(a)At 20∶00 on May 22，2013；(b)At 08∶00 on May 23，2013

4.4 水汽条件分析

跟踪分析过程前后对流层中低层水汽通量散度变化特征。由图11分析可知：22日08时 850 hPa云南西北、中部、东南部为弱水汽辐散外，其余大部为弱水汽辐合区，700 hPa云南大部为水汽辐散区，滇中为2×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1区中；14时滇中开始转为弱水汽辐合值位于0～-1×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1区中，此时该区域700 hPa上水汽辐散明显减弱值在0～1×10-6g· cm-2· hPa-1·s-1之间；20时低层850 hPa(图11(a))滇中水汽辐合值迅速增强到-2～-6×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1间，昆明上空对应-6×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1的闭合强中心，700 hPa上云南西部、南部和东北角仍为水汽辐散外其他地区转为水汽辐合区，值在-1～-5×10-6g· cm-2· hPa-1·s-1之间(图11(b))；23日08∶00 700 hPa云南中部、南部、西北部仍有-0.5×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1弱水汽辐合外，其余地区转为弱水汽辐散，滇中已经出现短时强降水区域上空水汽通量散度值在0～-0.5×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1间，相应此时850 hPa上则转为1.5×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1的水汽辐散区，低层水汽辐合程度明显减弱，短时强降水过程结束。短时强降水中心区域24～25°N、102～103°E的平均水汽通量散度时间垂直剖面变化上可见(图略)，短时强降水开始前短时强降水区域上空对流层低层有迅速增强的强水汽辐合上升运动对应，700 hPa层上22日20∶00云南中南部转为西南暖湿气流，此时垂直方向上低层水汽辐合达到最强并向上层伸展到700 hPa层，最强水汽辐合-5×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1闭合中心在800 hPa层上，之后短时强降水发生的12小时期间800 hPa层低层强水汽辐合迅速减弱消失为零，且800 hPa层下转为水汽辐散，相应23日08∶00时短时强降水中心区域强降水开始减弱并停止。

相应过程前后对流层中低层上水汽通量场变化为：850、700 hPa上孟加拉湾北部、中南半岛中部到南部北部和中国华南一带为水汽能量大值区，500 hPa上则只有中南半岛中部到中国华南一带有与副热带高压外围西南气流对应的狭长水汽大值带；

(a) (b)图11 5月22日20∶00低层水汽通量散度(a)(单位：g·cm-2· hPa-1·s-1) 和水汽通量图(b)(单位g·cm-1· hPa-1·s-1)Fig.11 At 20∶00 on May 22，low level water vapor flux divergence(a)(unit：g·cm-2· hPa-1·s-1) and Water vapor flux diagram(b)(unit：g·cm-1· hPa-1·s-1)

22日20∶00低层850 hPa(图11(a))孟加拉湾北部一直有10～14g·cm-1· hPa-1·s-1的水汽能量大值中心对应，因近地面锋生作用、冷空气活动850 hPa上在贵州西南、广西西北和云南东南部出现与偏东风对应的闭合8 g·cm-1· hPa-1·s-1次强水汽大中心，此时700 hPa上西南气流增强，致使孟加拉湾输送的水汽量迅速加大，云南普洱中部到玉溪中西部出现6～8 g·cm-1· hPa-1·s-1的闭合强中心(图11(b))，之后700 hPa上经过孟加拉湾水汽通量大值中心过来的西南气流一直在云南中南部维持但风速略有减小，到23日08∶00云南中部出现短时强降水区域的 700 hPa上空出现弱风速辐散、水汽通量值减小到4 g·cm-1· hPa-1·s-1以下，可见700 hPa西南气流与850 hPa偏东气流分别从上游两个大水汽中心区输送了短时强降水所需要的丰富水汽。

700 hPa上通过西南气流从孟加拉湾输送的丰富水汽、近地面与冷空气活动和偏东风配合850 hPa层上的低层次强水汽输送是此次短时强降水的水汽源地，两个源地丰富的水汽输送到短时强降水区域后，通过低层迅速增强的强水汽辐合上升运动抬升凝结，保证了短时强降水所需的必要水汽条件。

5 结论与讨论

通过上述对2013年“5.23”云南中东部局地短时强降水中尺度特征与成因分析，可以得出以下结论。

该次过程由切变线和低涡南下影响造成，地面风场显示强降水出现在地面低压和冷锋附近和后部，与以往云南省的短时强降水天气不同，以往云南省的短时强降水多出现在冷锋前的高温高能区。因此对这次中尺度特征和成因进行分析，对今后此类突发性过程起到一些有意义的预报指导作用。

短时强降水发生时，测站的温度、水汽压、露点明显下降，相对温度增加，气压增加，强降水维持时气压继续上升其余各要素值稳定少变。

地面强降水由中γ尺度暴雨云团直接造成，短时强降水是积云层状云混合降水回波引发，混合强回波不断向西南部增强发展，最强回波持续时间在2 h左右。云图和多普勒雷达回波上均呈现出明显的中尺度影响特征。

过程前期全省晴热高温，早晨近地层“干暖盖”有利于不稳定能量积累，过程中有中等强度垂直风切变环境、不稳定层结和一定的对流有效位能释放的明显特征，强降水发生在对流层低层能量舌尖附近。

过程中有强锋生作用与强辐合上升运动的强抬升机制特征。700 hPa以下层强锋生作用与低层强锋生正函数维持和缓慢南压、迅速减弱，最强锋生位于850 hPa，最强锋生6小时后地面出现短时强降水，锋生函数零线有从南北走向转为西北东南走向的一个明显变化特征，强锋生作用区域测站上有强正变压特征和短时强降水对应。

此次短时强降水的水汽源地是700 hPa西南气流从孟加拉湾输送的丰富水汽与850 hPa层上偏东风输送的次强水汽中心。短时强降水区域上空有850 hPa水汽辐合上升运动增强并向上层700 hPa伸展特征，两个源地丰富水汽再经过低层迅速增强的强水汽辐合上升运动在短时强降水区域上空抬升凝结后，保障了短时强降水所需的必要水汽条件。