金沙江乌东德水电站暴雨概念模型与云型特征

王 将，段 玮，康道俊，孙俊奎，马志敏，邹 阳

(1.云南省昆明市气象局，云南 昆明 650501；2.云南省气象科学研究所，云南 昆明 650034；3.云南省气象台，云南 昆明 650034)

0 引言

暴雨是天气预报和气象保障服务的重点和难点，其局地性和突发性特点都比较强，常给国防建设、工农业生产及人民生命财产带来严重危害。国内专家学者[1-7]研究了各地的暴雨，有的还建立了相应的暴雨概念模型。暴雨天气系统空间尺度小、生命短、变化快、强度大，用常规的观测资料难以抓住它，而静止卫星云图能对某一固定区域连续观测，具有高时空分辨率，是发现和连续监视暴雨天气系统的有效工具[8]。随着我国卫星技术的发展，卫星监测在暴雨监测预报中发挥着越来越重要的作用。张晶晶等[9]利用风云2C、2D卫星探测资料，对长江流域出现的3次暴雨过程进行分析，指出云系表现为典型的梅雨锋云系特征，降水云带由对流云团、稳定性降水云团及混合性降水云带3部分组成，梅雨锋中的MCC云团十分活跃。覃丹宇等[10]研究了中尺度对流复合体(MCC)和一般暴雨云团两者之间发生发展的环境场差异。陈静等[11]对发生在鄂尔多斯地区一次暴雨天气过程进行分析，指出这次强降水主要是活跃暖锋云系及镶嵌在其底部中γ尺度暴雨云团共同作用的结果。胡波等[12]通过对梅汛期强降水云团特征分析，指出云顶亮温的宏观特征与中高层的垂直速度、水汽通量密切相关。国内许多专家学者对暴雨及强对流天气的云型特征进行了分类研究，例如：张洪英等[13]将淄博市暴雨云系分为低槽冷锋、热带气旋、温带气旋和切变线(低涡)4类。许爱华等[14]将江西省强对流发生的云型分为8种，并指出这8种云型特征与低槽、切变、冷空气、东风波、热带气旋、高低空急流、副热带高压等系统的强弱、相对位置有密切关系。柳守煜等[15]将江西区域强对流的云型分为低槽云系内对流发展型、槽底线对流型、副高边缘型、斜压叶云系移动型、云团发展型、飑线和系统前部暖区型7种。狄潇泓等[16]研究指出与甘肃省短时强降水过程相关的特征云型共有6类：冷锋尾部与南亚高压东侧叠置型、逗点云型、冷涡后部型、副热带高压边沿型、弱冷锋前部椭圆形MαCS型、冷锋前部型。

金沙江乌东德水电站位于云南禄劝县与四川会东县交界的金沙江上，是国家“十三五”期间的重大支撑和标志性工程。乌东德水电站坝区(以下简称坝区)属低纬高原季风区，干湿季分明。由于受热带、副热带、高原各种天气系统和冷空气及复杂地形的共同影响，暴雨、短时强降水、局地性大风、雷暴、强降温、高温、低湿等灾害性天气多发，其中暴雨、短时强降水、大风等灾害性天气对工程建设影响较大[17]。坝区地形复杂，地面监测网难以全面涉及，时空分辨率较高的卫星云图资料无疑是很好的补充。本文将建站以来坝区出现的18次暴雨的大尺度环流背景进行分类，并对各类暴雨的云图特征进行分析，加强对卫星云图的解释应用，对提高暴雨预报准确率，更好地为国家大型水电站工程建设防灾减灾服务具有积极意义。

1 资料与统计

文中使用坝区7个自动气象观测站降水资料[18]、常规地面与高空观测资料及卫星云图资料，对自建站以来(2012—2017年6—10月)坝区18次暴雨天气过程进行分析。

暴雨天气过程标准为：以北京时20时为日界，若坝区任意一站日降水量≥50.0 mm称为一次暴雨过程。自建站以来坝区共有18次符合标准的暴雨天气过程。

分析自建站以来坝区18个暴雨个例历史天气图资料的高空、地面要素。通过细致分析大尺度环流背景和卫星云图演变后，总结归纳出6类暴雨概念模型[18]及典型云型(具体见表1)。

表1 坝区6类暴雨概念模型及典型云型Tab.1 Six types of heavy rain conceptual model and typical cloud types in dam area

2 暴雨概念模型

2.1 切变冷锋型

切变冷锋型的概念模型为：偏西低空急流或低空强偏西气流向暴雨区输送了充沛的水汽和能量；在对流层低层高湿背景下，准东—西向切变冷锋南压或西北—东南向切变冷锋西南移过程中(对流层高层常有强烈的风向和风速辐散)触发和维持了暴雨[18]。

此型共出现8次，分别为：2012年6月19日、2012年9月19日、2013年9月3日、2014年8月18日、2015年8月19日、2015年8月28日、2015年9月6日和2016年9月10日。以下对2014年8月18日暴雨的大尺度环流背景进行详细分析。

分析2014年8月18日大尺度环流背景可看到(图 1)，500 hPa：18日08时高空槽位于四川盆地、云南丽江市一线，呈准东北—西南向；18日20时高空槽东南移至湖南西北部、云南大理市一线，呈准东—西向。700 hPa：18日08时贵州北部、坝区北部、云南迪庆州北部有一低涡切变生成，呈准东—西向；18日20时低涡切变南压至贵州南部、云南玉溪市中部、云南怒江州中部一线，呈准东—西向，云南北部地区为强偏西气流控制，孟加拉湾水汽和能量向滇中及以东以北地区输送，地面湿舌控制滇中及以东以北地区，表明该区域水汽特别充沛。地面：18日08时地面冷锋位于广西北部、坝区北部、云南迪庆州北部一线，呈准东—西向；18日20时地面冷锋西南移至广西南部、普洱中部、缅甸北部一线，呈准东—西向。

图1 2014年8月18日天气形势综合配置图Fig.1 Comprehensive configuration of weather situation on 18th August 2014

2.2 两高辐合型

两高辐合型的概念模型为：在对流层低层高湿背景下，地面辐合线配合中低层西太平洋副热带高压与滇缅高压之间的两高辐合区(东北—西南向或西北—东南向)或西太平洋副热带高压与青藏高压之间的两高辐合区(东北—西南向)触发和维持了暴雨[18]。

此型共出现4次，分别为：2012年7月28日、2016年7月15日、2016年9月7日和2017年7月7日。以下对2017年7月7日暴雨的大尺度环流背景进行详细分析。

分析2017年7月7日大尺度环流背景可看到(图 2)，500 hPa：6日20时西太平洋副热带高压和青藏高压之间的两高辐合区位于山西省西部、坝区北部、云南省大理市一线，呈东北—西南向；7日08时两高辐合区缓慢东移至山西省东部、贵州省北部、云南省楚雄州一线，呈东北—西南向。700 hPa：6日20时山西省西部、坝区北部、云南省丽江市一线为两高辐合区，呈东北—西南向；7日08时两高辐合区缓慢东移至山西省东部、坝区、云南省德宏州一线，呈东北—西南向；6日20时—7日08时云南省受强偏西气流影响，孟加拉湾水汽和能量向云南省输送，6日20时地面湿舌控制云南省，表明该地区水汽特别充沛。地面：6日23时坝区有地面辐合线存在。

图2 2017年7月7日天气形势综合配置图Fig.2 Comprehensive configuration of weather situation on 7th July 2017

2.3 西南涡型

西南涡型的概念模型为：低空强偏西气流向暴雨区输送了充沛的水汽和能量；在对流层低层高湿背景下，西南涡东南移或西南移过程中配合对流层高层强烈的风向和风速辐散触发和维持了暴雨[18]。

此型共出现2次，分别为：2012年6月22日和2014年8月1日。2012年6月22日暴雨的大尺度环流背景详细分析详见文献[18]。

2.4 孟加拉湾风暴型

孟加拉湾风暴型的概念模型为：季风槽前强西南气流和孟加拉湾风暴东北或东南移向暴雨区输送了充沛的水汽和能量；在对流层低层高湿背景下，地面辐合线配合孟加拉湾风暴触发和维持了暴雨[18]。

此型共出现2次，分别为：2015年10月8日和2016年6月11日。以下对2016年6月11日暴雨的大尺度环流背景进行详细分析。

分析2016年6月11日大尺度环流背景可看到(图3)，500 hPa：10日20时，季风槽位于93°E附近，呈准南—北向，季风槽前的中南半岛西部有低涡生成；11日08—20时，季风槽缓慢东移，低涡缓慢东北移。700 hPa：10日20时湖南省西部、贵州省中部、坝区南部有一低涡切变生成，呈准东—西向；11日08时切变线北抬至贵州省北部、坝区北部一线，呈准东—西向；11日20时切变低涡南压至贵州省中部、坝区北部、云南省迪庆州一线，呈准东—西向。10日20时—11日20时云南省受季风槽前强西南气流和孟加拉湾低压东北移共同影响，孟加拉湾水汽和能量向云南省输送，11日08时地面湿舌控制云南省，表明该地区水汽特别充沛。地面：11日08—11时地面辐合线维持在坝区、云南省丽江市、云南省迪庆州一线，呈西北—东南向。

图3 2016年6月11日天气形势综合配置图Fig.3 Comprehensive configuration of weather situation on 11th June 2016

2.5 切变线型

切变线型的概念模型为：季风槽前强西南气流和孟加拉湾风暴东北或东南移向暴雨区输送了充沛的水汽和能量；在对流层低层高湿背景下，地面辐合线配合孟加拉湾风暴触发和维持了暴雨[18]。

此型仅出现1次，为：2017年7月3日。以下对此次暴雨的大尺度环流背景进行详细分析。

分析2017年7月3日大尺度环流背景可看到(图4)，500 hPa：2日20时，西太平洋副热带高压西脊点西伸至108°E，季风槽位于90°E附近，高空槽位于四川省东部、青藏高原东部一线，呈准东—西向；3日08时，西太平洋副热带高压东退，西脊点西伸至114°E，季风槽少动，高空槽南压至广西省北部、云南省怒江州一线，呈准东—西向。700 hPa：2日20时广西省西部、坝区、青藏高原东部有一低涡切变生成，呈西北—东南向；3日08时低涡切变少动，位于广西省中部、坝区、云南省迪庆州一线，呈西北—东南向；2日20时—3日08时，云南中部地区为低空急流，孟加拉湾水汽和能量向云南省输送，2日20时地面湿舌控制云南省，表明该地区水汽特别充沛。地面：2日20时、3日05时坝区均有地面辐合线存在。

图4 2017年7月3日天气形势综合配置图Fig.4 Comprehensive configuration of weather situation on 3rd July 2017

2.6 高空槽型

高空槽型的概念模型为：季风槽前强西南气流和孟加拉湾风暴东北或东南移向暴雨区输送了充沛的水汽和能量；在对流层低层高湿背景下，地面辐合线配合孟加拉湾风暴触发和维持了暴雨[18]。

此型仅出现1次，为：2015年6月9日。以下对此次暴雨的大尺度环流背景进行详细分析。

分析2015年6月9日大尺度环流背景可看到(图5)，500 hPa：8日20时高空槽位于河南中部、四川中部、西藏东南部一线，呈准东—西向；9日08时高空槽东南移至湖北西部、贵州西北部、云南西南部一线，呈东北—西南向；9日20时在四川中部、坝区西部、云南楚雄州一线有一高空槽生成，呈准南—北向。700 hPa：8日20时四川南部、坝区西部、云南红河州西部有一高空槽生成，呈准南—北向；9日08时四川南部、坝区西部、云南楚雄州中部有一高空槽生成，呈准南—北向，云南北部地区为低空急流，孟加拉湾水汽和能量向滇中及以东以北地区输送，地面湿舌控制滇中及以东以北地区，表明该区域水汽特别充沛；9日20时四川南部、云南丽江市东部、云南临沧市北部有一低涡低槽生成，呈准南—北向。地面：9日05时地面辐合线位于云南昭通市东部、坝区、云南丽江市东部一线，呈准东—西向；9日20时地面辐合线位于云南昭通市中部、坝区、云南楚雄州北部一线，呈东北—西南向。

图5 2015年6月9日天气形势综合配置图Fig.5 Comprehensive configuration of weather situation on 9th June 2015

3 暴雨典型云型特征

3.1 切变线云带前界处的对流云团

这类云型有8例，占个例总数的44.4%，出现在6月、8—9月，对应的暴雨概念模型为切变冷锋型。

统计分析8个个例的云型特征后归纳出此类云型特征为：①准东—西向的切变线云带与低槽云系重叠一起或西北—东南向的切变线云带与浅槽云系重叠一起，其北界和南界有向东南和西南方向伸出的纤维状卷云，从卷云的走向可判断切变线云带高空为辐散场，有利于低层辐合。在切变线云带的前界、卷云下方有对流云团初生，随对流云团发展，不断有云团沿云带前边界向东南方移动。②在云团发展的同时，云带后边界的卷云反气旋弯曲越来越明显，云带向北凸起变宽，表示高空有辐散加强，低层辐合加大，云系北界整齐光滑，与高空急流一致。③在地面到700 hPa为低空切变辐合带；500 hPa上为西北或偏北气流，并伴有低槽或浅槽；在100 hPa上，云带以北为西北气流，以南为东北气流，云带为反气旋流场所控制。2014年8月17日20时—18日20时红外云图演变具有此类云型特征(图6)。

图6 2014年8月17日20时—18日20时红外云图(红点为云系外轮廓)(a)17日20时，(b)18日08时，(c)18日13时，(d)18日20时Fig.6 Infrared cloud images from 20∶00 BT 17 to 20∶00 BT 18 August 2014(red dot denotes outline of clouds)(a) 20∶00 BT 17, (b) 08∶00 BT 18, (c) 13∶00 BT 18, (d) 20∶00 BT 18

3.2 两高辐合云区内部的对流云团

这类云型有4例，占个例总数的22.2%，出现在7月、9月，对应的暴雨概念模型为两高辐合型。

统计分析4个个例的云型特征后归纳出此类云型特征为：①500 hPa和700 hPa天气图上，西太平洋副热带高压与青藏高压两个高压环流之间有东北—西南向的辐合云区，云区内部为分散性的对流云团，两高辐合区(云区)东南移过程中，对流云团发展、合并，对流云团由分散变为集中，面积越来越大；西太平洋副热带高压与滇缅高压两个高压环流之间有东北—西南向或西北—东南向的辐合云区，云区内部为分散性的对流云团，两高辐合区(云区)东南移或西南移过程中，对流云团发展、合并，对流云团由分散变为集中，面积越来越大。②对流云团南界有向西南方向伸出的纤维状卷云，从卷云的走向可判断高空为东北气流。③地面有辐合线。2017年7月6日20时—7日08时红外云图演变具有此类云型特征(图7)。

图7 2017年7月6日20时—7日08时红外云图(红点为云系外轮廓)(a)6日20时，(b)7日00时，(c)7日01时，(d)7日08时Fig.7 Infrared cloud images from 20∶00 BT 6 to 08∶00 BT 7 July 2017(red dot denotes outline of clouds)(a) 20∶00 BT 6, (b) 00∶00 BT 7, (c) 01∶00 BT 7, (d) 08∶00 BT 7

3.3 西南涡西南或东南象限的对流云团

这类云型有2例，占个例总数的11.1%，出现在6月、8月，对应的暴雨概念模型为西南涡型。

统计分析2个个例的云型特征后归纳出此类云型主要特征为：①700 hPa高空天气图上有西南涡，在西南涡的西北、西南和东南象限有对流云团生成，随着西南涡东南或西南移，在西南涡的西南或东南象限对流云团合并发展。②在地面到500 hPa为低空低涡辐合带；在100 hPa上为东北或偏东气流。2012年6月21日20时—22日08时红外云图演变具有此类云型特征(图8)。

图8 2012年6月21日20时—22日08时红外云图(红点为云系外轮廓)(a)21日20时，(b)21日23时，(c)22日01时，(d)22日08时Fig.8 Infrared cloud images from 20∶00 BT 21 to 08∶00 BT 22 June 2012(red dot denotes outline of clouds)(a) 20∶00 BT 21, (b) 23∶00 BT 21, (c) 01∶00 BT 22, (d) 08∶00 BT 22

3.4 孟加拉湾风暴涡旋云系中分离出来的对流云团或对流云系

这类云型有2例，占个例总数的11.1%，出现在6月、10月，对应的暴雨概念模型为孟加拉湾风暴型。

统计分析2个个例的云型特征后归纳出此类云型主要特征为：①700 hPa和500 hPa高空天气图上孟加拉湾北部有低涡，低涡向东北或东南方向移动。孟加拉湾风暴涡旋云系不断分离出对流云团或对流云系影响坝区。②在地面到700 hPa为低空切变辐合带；在100 hPa上为西偏北或偏北气流。2016年6月10日20时—11日20时红外云图演变具有此类云型特征(图9)。

图9 2016年6月10日20时—11日20时红外云图(红点为云系外轮廓)(a)10日20时，(b)11日08时，(c)11日15时，(d)11日20时Fig.9 Infrared cloud images from 20∶00 BT 10 to 20∶00 BT 11th June 2016(red dot denotes outline of clouds)(a) 20∶00 BT 10, (b) 08∶00 BT 11, (c) 15∶00 BT 11, (d) 20∶00 BT 11

3.5 切变线云带内部的对流云团

这类云型有1例，占个例总数的5.6%，出现在7月，对应的暴雨概念模型为切变线型。

归纳出此类云型主要特征为：①一条西北—东南向的切变线云带，其北界和南界有向东南和西南方向伸出的纤维状卷云，从卷云的走向可判断切变线云带高空为辐散场，有利于低层辐合。②在100 hPa图上，云带为东北气流；500 hPa图上，云带为西北气流；在地面到700 hPa为低空切变辐合带。③对流云团生成于切变线云带内。2017年7月2日20时—3日08时红外云图演变具有此类云型特征(图10)。

图10 2017年7月2日20时—3日08时红外云图(红点为云系外轮廓)(a)2日20时，(b)2日21时，(c)3日05时，(d)3日08时Fig.10 Infrared cloud images from 20∶00 BT 2 to 08∶00 BT 3 July 2017(red dot denotes outline of clouds)(a) 20∶00 BT 2, (b) 21∶00 BT 2, (c) 05∶00 BT 3, (d) 08∶00 BT 3

3.6 高空槽前盾状卷云区南端的对流云系

这类云型有1例，占个例总数的5.6%，出现在6月，对应的暴雨概念模型为高空槽型。

归纳出此类云型主要特征为：①高空槽云系表现为盾状卷云区，云区内纹线十分清楚，高空槽线位于云系后方，随着高空槽的缓慢东移，在云系南端的坝区不断有对流云系发生发展。②卷云东移过程中，云区面积越来越扩大，云区最北界的卷云线越来越长。③对流云系发生在高空槽前的正涡度平流(PVA)区。④地面有辐合线；在700～100 hPa图上，青藏高原东部多高空槽活动。2015年6月8日20时—9日20时红外云图演变具有此类云型特征(图11)。

4 结论

通过细致分析自建站以来坝区18个暴雨个例的大尺度环流背景和卫星云图演变后，总结归纳出6类暴雨概念模型(切变冷锋型、两高辐合型、西南涡型、孟加拉湾风暴型、切变线型和高空槽型)及典型云型，其主要特征如下：

①切变线云带前界处的对流云团8次(占44.4%)：准东—西向的切变线云带与低槽云系重叠一起或西北—东南向的切变线云带与浅槽云系重叠一起，其北界和南界有向东南和西南方向伸出的纤维状卷云。在切变线云带的前界、卷云下方有对流云团初生，随对流云团发展，不断有云团沿云带前边界向东南方移动。

②两高辐合云区内部的对流云团4次(占22.2%)：西太平洋副热带高压与青藏高压两个高压环流之间有东北—西南向的辐合云区，云区内部为分散性的对流云团，两高辐合区(云区)东南移过程中，对流云团发展、合并，对流云团由分散变为集中，面积越来越大；西太平洋副热带高压与滇缅高压两个高压环流之间有东北—西南向或西北—东南向的辐合云区，云区内部为分散性的对流云团，两高辐合区(云区)东南移或西南移过程中，对流云团发展、合并，对流云团由分散变为集中，面积越来越大。

③西南涡西南或东南象限的对流云团2次(占11.1%)：700 hPa高空天气图上有西南涡，在西南涡的西北、西南和东南象限有对流云团生成，随着西南涡东南或西南移，在西南涡的西南或东南象限对流云团合并发展。

④孟加拉湾风暴涡旋云系中分离出来的对流云团或对流云系2次(占11.1%)：700 hPa和500 hPa高空天气图上孟加拉湾北部有低涡，低涡向东北或东南方向移动。孟加拉湾风暴涡旋云系不断分离出对流云团或对流云系影响坝区。

⑤切变线云带内部的对流云团1次(占5.6%)：一条西北—东南向的切变线云带，其北界和南界有向东南和西南方向伸出的纤维状卷云，对流云团生成于切变线云带内。

⑥高空槽前盾状卷云区南端的对流云系1次(占5.6%)：高空槽云系表现为盾状卷云区，云区内纹线十分清楚，高空槽线位于云系后方，随着高空槽的缓慢东移，在云系南端的坝区不断有对流云系发生发展。