云南一次极端强降水过程成因和地形影响分析

马文倩 ,陈小华 ,李华宏 ,李耀孙

（1.云南省气象台，昆明 650034；2.中国气象局横断山区（低纬高原）灾害性天气研究中心，昆明 650034）

引言

云南位于青藏高原东南麓的低纬高原地区，向南临近印度洋和太平洋，易同时受中高纬度系统和热带系统的影响，且作为南亚夏季风和东亚夏季风的过渡地区，云南四季不分明而干湿季分明，全年约85%以上的降水集中在雨季[1−2]。与此同时，云南地势复杂，地形以山地为主，山区面积达94%，导致雨季强降水多，突发性强，强降水引发的滑坡、泥石流等灾害多，易造成云南重大的人员伤亡和社会经济损失[3−4]。尽管气象工作先驱们对云南强降水展开了大量研究，并在云南强降水的中尺度特征[5−7]、台风或孟加拉湾风暴强降水特征[8−10]以及强降水的数值模式模拟[11−13]等方面取得了一定的成果，但由于云南复杂山地背景下强降水时空分布极不均匀且发生机理尚不清楚，迫切需要开展强降水发生机理及地形影响方面的研究。

夏季我国受亚洲两支夏季风影响，水汽丰沛，降水系统长期维持是发生强降水的关键点之一。鲍名[14]对1951～2005 年我国局地和区域持续3 天及以上的暴雨事件的统计特征和大尺度环流背景进行了研究，表明我国不同地区持续性暴雨事件出现的频次、季节和持续时间存在差异，主要的环流背景中，除西太平洋副热带高压（以下简称西太副高）这一影响我国夏季雨带移动的主要因子外，还受到南亚高压、西风槽等的影响。闵屾和钱永甫[15]对我国极端降水事件的区域性和持续性进行研究时指出，云南西部、西藏东部极端降水的持续性较好，但区域性较差。黄瑶等[16]对1981～2016 年四川盆地的持续性强降水的低频振荡特征进行了分析，表明该地区降水具有15～30d 以及30～60d 的低频振荡特征，而这一结果是由不同高度层、不同纬度带内低频系统在三维空间上相互配合造成的。周春花和孙彧[17]对2018 年6～7 月四川出现的持续性暴雨原因进行了探究，结果显示：暴雨期间，南亚高压异常偏强且稳定，为四川上空高层提供强辐散环流背景，西太副高西伸，为四川的暴雨提供水汽；此外，乌拉尔山地区阻塞高压维持，干冷空气与暖湿的西南气流在四川交绥，导致四川持续性暴雨的发生。杨秀庄等[18]对2018 年7 月4～7 日出现在贵州的一次持续性暴雨天气过程成因及数值模式预报偏差进行了分析，结果显示：北方南下的切变北侧的干冷空气和稳定维持在华南地区的高压西北侧北上的暖湿气流交汇导致持续性暴雨的产生；欧洲中心全球模式、华东中尺度模式和华南中尺度模式对此次暴雨的模拟偏差均较大。

上述研究表明，持续性强降水过程是多尺度系统、多因子相互作用的结果，而数值模式对持续性强降水的预报常出现一定的偏差。王瑞英和肖天贵[19]基于1980～2017 年逐日降水资料，对西南地区雨季降水时空分布特征进行研究，指出包括云南在内的西南地区雨季降水量的长期变化呈现出下降趋势。谭霞等[20]基于1979～2016 年逐日降水资料分析了西南地区夏季持续性降水的变化特征，结果显示，西南地区有雨时间段平均持续天数除四川外均呈变短趋势。周鹏康和秦金梅[21]的研究也表明，云南的持续性暴雨多分布在低海拔地区的迎风坡一侧，站点的平均暴雨日仅为1.9d/雨季。因此，在持续性强降水发生频次低的气候背景下，云南出现持续性强降水过程，其原因值得探究。2020 年8 月15 日20 时～19 日08 时，云南出现一次影响全省的持续性强降水过程，导致云南多地出现严重的城市内涝、滑坡和泥石流，影响云南正常的交通和社会生产。此次过程持续时间长、累计雨量大，极端性特征明显，然而预报员一直依赖的ECMWF（European Center for Medium-Range Weather Forecasts）数值模式对此次过程出现了大范围的漏报，预报过程累计雨量明显偏小，给预报和服务带来很大困难。因此，本研究拟对此次过程持续的原因进行探究，并对ECMWF 模式预报偏差的原因进行分析，以期为此类极端持续性强降水过程在业务中的预报、预警和监测提供指导。

1 数据和方法

1.1 数据

研究所用降水数据包括云南省125 个国家站和3400 个区域站2020 年8 月15 日20 时～8 月19 日08时累计降水、逐12h 降水资料；国家站上述时间段逐小时降水资料；ECMWF 细网格模式15 日20 时起报的上述时间段累计降水和逐12h 降水资料。再分析资料为ERA5（The fifth generation ECMWF atmospheric reanalysis）数据[22]，数据水平分辨率为0.25°×0.25°。研究所用地形高度数据为U.S.Geological Survey 提供的全球高程数据（GTOPO30）以及云南省区域站点海拔高度数据，GTOPO30 数据空间分辨率约为0.05°×0.05°。研究所用相当黑体亮度温度（TBB）逐小时数据为国家卫星气象中心提供的FY-2H 卫星数据，水平分辨率为0.1°×0.1°。此外，本研究还用了15 日20 时起报的ECMWF 细网格模式逐12h 的700hPa 水平风场，水平分辨率为0.25°×0.25°。

1.2 方法

研究所用假相当位温（θse）的计算公式[23]为：

式中：e为水汽压（单位：hPa），利用Tetens 经验公式计算。具体公式为：

式中：es为饱和水汽压，t为温度（单位：℃），a、b为 常数，分别为7.5 和237.3。公式（3）中的温度取为露点温度，即可得公式（2）中计算所需的水汽压。

研究所用水平温度平流的计算公式为：

2 降水实况

2020 年8 月15 日20 时～19 日08 时，云 南省自东向西出现持续性强降水过程。图1 给出了云南省区域 站和ECMWF细网格模式15 日20 时～19 日08 时（共3.5d）累计降水量。由图1a 可知，此次过程在云南造成了大范围强降水，除云南西北部、东南部和西南部外，普遍出现了累计雨量100mm 以上的降水，局地累计降水量超过250mm。125 个国家站中，36 个站（占比28.8%）累计降水超过100mm，降水量最大的站为丽江华坪站（221.6mm）。区域站中，5 个站累计降水超300mm，曲靖师宗县菌子山站出现373.8mm 的最大累计雨量。此次降水过程以稳定性降水为主，期间伴有对流性降水（主要出现在午后）。图1c 为国家级气象站中过程累计雨量最大的华坪站逐小时降水演变。如图所示，过程中雨强相对比较均匀，较长的持续时间导致累计雨量大。

对于此次降水过程，ECMWF 细网格模式预报出现较大偏差。图1b 为过程开始时（15 日20 时）ECMWF 细网格模式起报的15 日20 时～19 日08 时累计雨量。对比图1a 和b 可知，ECMWF 细网格模式预报的累计雨量在云南西部至云南西北部一带、云南东南部与实况较一致，但在云南东北部的预报略偏大，在云南中部到西南部大范围地区预报的累计降水较实况明显偏小，模式预报偏差给精细化预报带来很大困难。

图1 2020 年8 月15 日20 时～19 日08 时（a）云南区域站、（b）ECMWF 细网格模式累计降水量（单位：mm）及（c）丽江华坪站逐小时降水量（单位：mm）

3 降水持续性原因分析

降水实况部分的分析指出，此次云南极端强降水过程主要由长时间的降水导致。接下来，本文对此次过程持续时间如此之长的原因进行探究。

3.1 环流背景和系统演变

图2a 和b 为此次过程开始15 日20 时500hPa 和700hPa 的位势高度和风场空间分布。由图2a 可知，降水发生前，500hPa 上云南西部为滇缅高压，西太副高影响我国东部大陆，云南位于上述两高压之间的辐合区（以下简称两高辐合）；同时，孟加拉湾有风暴西移，中心位于印度东部；青藏高原中部有短波槽（90°E、35°N 附近），高原东部为青藏高压（即南亚高压）东部脊。与500hPa 对应，700hPa 云南受两高辐合控制，辐合区位于云南东部（图2b）。

为分析过程中系统演变情况，利用500hPa 上5850gpm 等值线的演变进行表征（图2c 和d）。由图2c 可知，15 日20 时～17 日20 时，滇缅高压维持，与西太副高之间的两高辐合持续影响云南。与此同时，青藏高压持续东移，至17 日20 时，其东部脊东移至四川盆地西部一带，西太副高略西移。17 日20 时之后，滇缅高压减弱，但青藏高压和西太副高之间的辐合区依旧影响云南（图2d）。因此，15 日20 时～19 日08 时，云南持续受两高辐合影响，18 日08 时之前为滇缅高压和西太副高形成的两高辐合，之后为青藏高压和西太副高形成的两高辐合。其间，17 日08 时～18 日08 时，随着辐合区的加强，两高辐合区中有低涡生成。同时，上述分析指出，降水开始时，青藏高原中部有短波槽，该短波槽东移发展，17 日08 时～18 日08 时与影响云南的两高辐合区低涡相连，形成“北槽南涡”的环流形势。因此，整个降水过程500hPa环流形势可分为三个阶段：15 日20 时～17 日08 时，两高辐合（滇缅高压和西太副高）；17 日08 时～18 日08 时，北槽南涡；18 日08 时～19 日08 时，两高辐合（青藏高压和西太副高）。在上述环流形势的影响下，700hPa 上云南持续受两高辐合影响，该辐合区的西移（西太副高略西伸导致，图2c、d）和维持导致全省大范围强降水。

图2 2020 年8 月15 日20 时不同层次的位势高度（单位：gpm）和风场（单位：m/s）空间分布（a.500hPa，红线表示5850gpm 等值线；b.700hPa；“G”和“D”分别表示闭合高、低压环流；“Ridge”和“Trough”分别表示高压脊和低压槽）；此次强降水过程500hPa 上5850gpm 等值线演变（c.15 日20 时～17 日20 时，d.18 日08～20 时）

综上所述，此次云南强降水过程发生在两高辐合环流背景下，青藏高压的持续东移是造成云南降水持续性的关键因素。随着其东移，500hPa 影响降水的环流形势分为三个阶段：两高辐合（滇缅高压和西太副高）、北槽南涡、两高辐合（青藏高压和西太副高），对应低层两高辐合在云南的长期维持、西移导致降水的持续性。

3.2 青藏高压影响

青藏高压作为夏季青藏高原上深厚的暖高压，其高层的分布特征对我国降水亦有影响。3.1 小节已经分析指出，500hPa 上青藏高压持续东移和维持，导致过程后期云南依旧受两高辐合影响，进而导致降水的持续性。图3 为过程期间200hPa 水平流场及水平散度场演变。如图所示，随着高层青藏高压东移，云南上空高层辐散逐渐增强（图3a～c）；18 日08 时～19 日08 时，云南高空受青藏高压东部脊附近的强辐散影响，中心强度超过1×10−4s−1，有利于降水的增强和维持。

图3 2020 年8 月强降水过程200hPa 水平流场（流线）及水平散度场（填色，单位：10−4s−1）演变（a.15 日20 时，b.16 日20 时，c.17 日20 时，d.18 日08 时）

综上所述：此次云南强降水过程中，青藏高压显著东移；一方面，低层青藏高压与西太副高形成两高辐合影响云南；另一方面，高层青藏高压在云南上空形成强辐散，与低层辐合形成有利于降水增强和维持的环流配置。

3.3 温度平流影响

为了分析温度平流在此次云南持续性强降水过程中的作 用，图4a～d 给出了17 日08 时～18 日20 时逐12h500hPa 水平风场和水平温度平流演变。3.1 节已经指出，降水开始时，青藏高原中部有短波槽，该短波槽东移发展（位于东移的青藏高压和西太副高之间），17 日08 时～18 日08 时与云南辐合区中的低涡构成“北槽南涡”的形势，该短波槽的发展由冷平流引起。16 日20 时，槽线及槽线后有显著的冷平流（16日20时图略）。如 图4a～d 所 示，17 日08 时和20 时，冷平流显著，强度达到−2×10−4K/s，槽线上的冷平流作为影响短波槽的热力因子，导致短波槽发展[24−26]。此外，θse这 一物理量考虑了气压、水汽相变对温度的影响，在绝热条件下具有守恒性，且 θse随高度的变化直接体现层结稳定度特征，是一个综合反映大气不稳定能量和温湿特征的物理量，因此，利用上述时次θse（θse的计算方法见1.2 节）在云南及以北地区的纬度-高度剖面演变（由于云南海拔高度较高，θse剖面图仅显示700hPa 及以上的分布），分析槽后冷空气入侵对云南降水产生的影响（图4e～h）。

由图4e、f 可知，18 日08 时之前，云南受暖湿气流影响。18 日08 时，随着高空槽的东移，中低层冷空气侵入云南，且600hPa 上冷空气的入侵略快于700hPa（图4g）。至18 日20 时，低层冷空气入侵至26°N 附近（图4h）。冷空气的入侵一方面增强了云南上空层结的位势不稳定（600hPa，图4g），另一方面增强了对暖湿空气的抬升（对流层低层），有利于降水的增强和维持。

图4 2020 年8 月500hPa 水平风场（矢量，单位：m/s）和温度平流（填色，单位：10−4K/s）空间分布（a.17 日08 时，b.17 日20 时，c.18 日08 时，d.18 日20 时）；2020 年8 月 θse沿100°E（d 中红色虚线）的纬度-高度剖面（e.17 日08 时，f.17 日20 时，g.18 日08 时，h.18 日20 时，加粗蓝色虚线表示340K 等值线，单位：K）

基于上述分析可知，此次云南强降水过程受到中高层冷平流和中低层冷空气入侵的影响。中高层冷平流促使短波槽发展，进一步导致北槽南涡形势的出现；中层冷空气的入侵增强了云南上空的层结不稳定性，低层冷空气的入侵加强了暖湿空气的抬升，进而有利于降水的发生和维持。

4 地形影响分析

云南地势复杂，南北海拔高差大，山地较多（图5）。在云南西南部，海拔一般2000m 以上的哀牢山呈西北-东南向，从大理州南部绵延千公里至红河州南部（图5a 蓝色框中的山脉），与西侧的无量山、元江、墨江等构成云南西南部纵向岭谷区。哀牢山的存在导致其东侧高原和西侧纵谷的降水空间分布差异显著，对其周边地区的降水分布也产生较大影响。

4.1 站点的选取

由图1 可知，此次降水过程在哀牢山沿线普遍产生100mm 以上的累计降水，而ECMWF 细网格模式对哀牢山附近的累计雨量预报在50～100mm，明显偏小。显然，哀牢山在此次降水过程中对降水的增幅产生了影响。为了定量分析地形在此次降水过程中的作用，选取哀牢山北段东西两侧的8 对站点进行分析（图5b）。如图所示，所选站点沿哀牢山北段分布在东西两侧，海拔高度为542～2441m，每对站点到哀牢山的水平距离相近，且两站点间的连线近似垂直于哀牢山。

图5 （a）云南省及周边地区海拔高度分布（单位：m）和（b）哀牢山东西两侧所选站点（红点为西侧站点，蓝点为东侧站点，站点旁标注数字为站点所在海拔高度，单位：m）

4.2 海拔高度和降水的关系

为提高东西两侧站点海拔高度和降水关系的可比性，选取过程中的部分时间段进行分析，以保证东西两侧一侧为迎风坡，另一侧为背风坡。图6 为研究时间段内逐12h 累计降水及700hPa（云南海拔高度相对较高，以700hPa 表征低层）逐12h 平均水平风场的演变。根据700hPa 水平风场和降水分布演变，选取17 日08 时～20 时（图6d）和18 日08～20 时（图6f）两个时间段进行分析。对于17 日08～20 时，哀牢山附近降水明显，且700hPa 盛行风向在哀牢山附近为偏西风，哀牢山西侧站点为迎风坡，哀牢山东侧站点为背风坡。同理，18 日08～20 时，700hPa 盛行风向在哀牢山附近为偏东风，则西侧站点为背风坡，东侧站点为迎风坡。

图6 2020 年8 月15 日20 时～19 日08 时逐12h 累计降水量（散点，单位：mm）和700hPa 逐12h 平均水平风（矢量，单位：m/s）空间分布（a.15 日20 时～16 日08 时，b.16 日08～20 时，c.16 日20 时～17 日08 时，d.17 日08～20 时，e.17 日20 时～18 日08 时，f.18 日08～20 时，g.18 日20 时～19 日08 时）

基于上述站点和研究时间段的选取，绘制站点海拔高度和过程总降水量以及上述两个时间段累计降水的散点图（图7），并计算相关系数。由图7a 可知，过程累计降水量与所选站点海拔高度呈正相关，相关系数达0.55，此次过程，地形对降水有明显的增幅作用。但对于东西两侧站点，过程累计降水量和海拔高度的离散度增加，相关系数较低，分别为0.23（西侧）和0.45（东侧）。17 日08～20 时，8 对站点与降水量的相关系数为0.45，地形对降水有一定的增幅作用。但对于迎风坡的西侧，海拔高度与降水的相关系数为0.53，明显高于背风坡海拔高度和降水的相关系数，也即迎风坡地形对降水的增幅作用更显著，降水在一定程度上随着海拔的升高而增大（图7b）。18 日08～20 时，也存在上述同样的情况，迎风坡海拔高度和降水的相关系数达到0.66，背风坡的相关系数则为−0.24（图7c）。

从图7 也可以看出，即使对于迎风坡，地形对降水的增幅作用也并不一直随高度的增加而增大。对于17 日08～20 时，海拔高度超过1800m 之后，降水量反而可能随海拔升高而减小，18 日08～20 时也存在类似的现象，这可能是由于地形抬升造成的上升运动向上伸展的范围很小，到一定的海拔高度处就大幅衰减所导致的[24]。

图7 2020 年8 月不同时段累计降水量和站点海拔高度的散点分布及相关系数（a.15 日20 时～19 日08 时，b.17 日08～20 时，c.18 日08～20 时；左上角数据表示站点降水与海拔高度的相关系数，黑色为所有站点，红色为西侧站点，蓝色为东侧站点）

上述分析可知：此次降水过程，哀牢山对云南西南部的降水有明显的增幅作用，尤其是迎风坡的增幅作用更明显；但随着海拔高度的升高，地形对降水的增幅作用有所减弱。

4.3 地形对降水云系的影响

哀牢山北段海拔高度基本在2000m 以上，最高峰海拔达3166m，对降水云系的发展和移动均能产生影响。图8 为18 日16～21 时云南及附近地区TBB 的逐时演变。如图8a～b 所示，哀牢山东西两侧有降水云系影响，云系随偏东引导气流向西移动。随后，哀牢山西侧的降水云系逐渐减弱、消散，但东侧降水云系略发展且维持较长时间（图8c～f）。结合上述分析可知，18 日08～20 时，700hPa 为偏东风，哀牢山西侧的降水云系受背风坡下沉作用影响，逐渐减弱消散，而哀牢山东侧的降水云系受哀牢山阻挡，在东侧维持的时间较长，有利于降水的持续发生。

图8 2020 年8 月18 日16～21 时云南及附近地区TBB 的逐时演变（a.16 时，b.17 时，c.18 时，d.19 时，e.20 时，f.21 时，黑点为西侧站点，蓝点为东侧站点，单位：°C）

综上所述，哀牢山地形有利于降水云系在迎风坡发展、维持，进一步有利于降水的累积。

5 ECMWF 数值模式降水量预报偏差分析

第2 节的分析指出，对于此次云南强降水过程，ECMWF 细网格模式预报的累计雨量在云南中部至西南部的大范围地区明显偏小（图1a 和b）。本节基于预报的低层系统与实况对比，对ECMWF 细网格模式在上述地区累计雨量预报显著偏小的原因进行初步探究。图9 为ECMWF 细网格模式15 日20 时起报的15 日20 时～18 日20 时 逐12h 的700hPa 水 平风场，叠加对应时次预报的12h 累计雨量。

对比图9 和图6 可知，对于15 日20 时～17 日08时，700hPa 上两高辐合在云南东部维持，ECMWF 细网格较好地模拟出了这一时间段系统的位置，但模拟的风场强度和降水强度较实况明显偏弱（图6a～c 和图9a～c）。17 日08 时之后，实况系统逐渐西移，影响云南中部、南部和西南部，而ECMWF 细网格模式预报的辐合线依旧位于云南东部，在云南西北部至西部预报出辐合线，对应预报出该地区的降水。由于没有预报出系统的西移，风速大小的预报相对实况偏弱，对应时次降水强度和范围的预报也即明显偏弱和偏小。

图9 ECMWF 细网格模式逐12h 的700hPa 水平风（矢量，单位：m/s）和累计降水量（填色，单位：mm）空间分布（a.15 日20 时，b.16 日08 时，c.16 日20 时，d.17 日08 时，e.17 日20 时，f.18 日08 时，g.18 日20 时，2020 年8 月15 日20 时起报）

基于上述分析可知，未能较好地模拟出两高辐合区的西移且风速大小的预报也较实况偏弱可能是ECMWF 细网格模式对此次云南强降水过程在云南中部至西南部预报偏弱的原因之一。

6 结论与讨论

本文基于多种站点观测资料和ERA5 再分析资料，对2020 年8 月15～19 日云南发生的一次影响全省的强降水过程的持续性和预报偏差原因进行探究，得到如下主要结论：

（1）此次强降水过程发生在两高辐合环流背景下，500hPa 上系统演变分为三个阶段：两高辐合（滇缅高压和西太副高）、北槽南涡、两高辐合（青藏高压和西太副高），对应低层辐合在云南维持、西移，导致降水的持续性。

（2）青藏高压的持续东移，导致影响云南的两高辐合区由滇缅高压和西太副高的辐合演变为青藏高压与西太副高的辐合，维持了云南上空持久的辐合。青藏高压还在云南上空造成辐散，有利于降水的增强和持续。

（3）冷空气活动对此次云南强降水过程产生了显著影响。中高纬度中高层冷平流促使短波槽发展，进一步导致了高层环流第二阶段北槽南涡的出现；过程中，中低层冷空气向云南入侵，一方面中层冷空气增强了云南上空层结的不稳定性，另一方面低层冷空气加强了对低层暖湿空气的抬升，均有利于降水的发生和维持。

（4）此次强降水过程，云南西南部哀牢山的地形影响显著。哀牢山对云南西南部的降水有明显的增幅作用，尤其是迎风坡增幅作用更加明显。此外，哀牢山在一定程度上阻挡了降水云系的移动，有利于降水云系在迎风坡发展、长时间维持。

（5）基于对数值模式低层动力场的分析，ECMWF 数值模式对此次强降水过程在云南中部至西南部预报偏弱的原因在于未能预报出低层两高辐合区的西移，对系统强度的预报也偏弱。

针对此次云南极端连续性强降水过程的分析，本研究也存在一定的不足。强降水的产生需要长持续性、充足的水汽、强上升运动等有利因素的配合，本研究只着重分析了降水持续性的原因，对过程中的垂直运动条件、本地水汽条件及水汽的供应等特征未进行分析。此次过程中云南西南部地形对降水的发生产生了影响，本研究只分析了地形高度对降水的影响，而山脉坡度、坡向等原因未进行详细分析。此外，ECMWF 细网格模式对此次过程累计降水在云南中部至西南部模拟明显偏弱的原因也只是进行了简要的分析。上述不足将在未来的工作中继续探究。