一次切变型区域短时强降水过程的特征分析

2021-09-16王治国许迎杰李华宏

云南地理环境研究 2021年1期

王治国，许迎杰，李华宏

(云南省气象台，云南昆明 650034)

短时强降水发生在有利大尺度背景条件下，并与其中的中小尺度系统发生发展密切相关，具有突发性、历时短、强度大等特点，可以在短时间内迅速形成暴洪，引发滑坡、泥石流、城市内涝等灾害，常常造成重大经济损失和人员伤亡，因此对短时强降水的监测和预报预警一直是气象部门的预报难点和关注重点。近年来随着观测数据的日益丰富和数值模式的不断发展，气象学者对于短时强降水的发生机理以及预报预警技术方法开展了深入的研究。杨婷等[1]、王金辉等[2]、周晋红等[3]和李强等[4]基于高时空分辨率的多源观测资料对不同地区短时强降水的时空分布特征和演变规律进行了统计分析。李博渊等[5]、尉英华等[6]和吴瑞姣等[7]针对短时强降水分别开展了ECMWF细网格模式、NCEP FNL全球分析资料和WRF模式的检验和解释应用工作。周成等[8]、张萍萍等[9]和张丰伟等[10]采用ADTD型闪电定位仪、FY-3微波湿度计、激光雨滴谱等新型观测数据为短时强降水的预报提供参考阈值。张小雯等[11]基于集合预报产品计算强对流天气极端指数，利用极端指数和模式降水资料，使用支持向量机方法，建立了不同类型强对流天气的客观预报方法，为业务预报极端强对流天气提供客观支持产品。李建刚等[12]和卜清军等[13]对典型的短时强降水个例进行了细致的分析研究。

云南受特殊地形地貌影响，境内的短时强降水发生频率空间分布极不均匀[14]，由其诱发的次生灾害频发，严重威胁人民生命财产安全。云南的气象学者针对短时强降水也开展了大量卓有成效的研究[15-24]，同时由于其特殊的地理位置，受到的主要影响系统较为复杂，每次过程的主要影响条件和发生机理都不完全一样，必须通过大量个例进行持续而深入的研究来验证已有结论的正确性。本文旨在通过对2015年7月22～23日切变线背景下发生在云南的区域性短时强降水过程进行诊断分析，来探讨其成因，通过个例研究寻找对预报有益的思路，以期提高此类区域性强降水天气过程的预报能力。

1 降水实况

2015年7月22日20∶00至23日20∶00，云南全省共计出现大暴雨5站、暴雨105站、大雨425站(图1a)，最大降雨量出现在德宏州盈江县昔马为146.7 mm。此时段从落区上看分为3个强降雨带，1号强雨带出现大到暴雨局地大暴雨，主要位于滇西北东南部、滇中北部、滇东北南部至滇东南北部一线，呈西北—东南向分布(此强雨带为区域短时强降水出现的主要区域，也是本文主要讨论的区域)。2号强雨带集中在滇西西部，范围小，雨强强，出现暴雨局地大暴雨。3号强雨带位于哀牢山东部一线，也呈西北—东南向分布，但雨强最弱，出现中到大雨局地暴雨。此次大雨过程中强对流天气特征明显，3个强降雨带都伴随出现了明显的短时强降水和雷暴天气，造成严重的城镇洪涝和山洪灾害。由于短时强降水分布范围广而且局地性差异明显，给精准预报带来一定的困难(图1b)。

从逐6小时短时强降水天气空间分布看，7月22日20∶00至23日02∶00在滇西北东南部、滇中东北部以及滇东北南部出现了明显短时强降水，呈现西北—东南向的带状分布，此雨带的降雨量极值中心昆明市石林县三角水库站在23日00∶00至01∶00出现了42.6 mm的短时强降水(图2a)。23日02∶00至08∶00滇西北东南部和滇中东北部的短时强降水雨带略微向南移动，滇东北南部的短时强降水雨带消失；滇西西部和滇东南南部边缘的短时强降水雨带开始发展，特别是滇西西部的雨带发展明显，此雨带的降雨量极值中心德宏州盈江县昔马站在23日06∶00至07∶00出现了39.4 mm的短时强降水(图2b)。23日08∶00至14∶00滇东南南部的短时强降水雨带开始发展，此雨带24小时累积降水的量级基本为大雨，降雨量极值中心文山州西畴县鸡街站在23日11∶00至12∶00出现了26.5 mm的短时强降水(图2c)。随后滇东南南部的短时强降水雨带向偏西方向移动，并向北延展，23日14∶00至20∶00落区主要位于滇中西南部、滇南南部，呈现西北-东南向，此雨带的降雨量极值中心红河州金平县普角站在23日17∶00至19∶00连续两小时出现短时强降水，雨量分别为29.5 mm和29.1 mm，此雨带最大小时雨强出现在玉溪市元江县它才吉站，23日16∶00至17∶00雨量为40.1 mm，且17∶00至18∶00接着出现21 mm的短时强降水(图2d)。总体而言，分时段后的短时强降水天气时空分布具有一定的规律性，与1号强降水带对应的短时强降水带最早开始发展，之后略南压；接着是与2号强降水带对应的短时强降水带开始发展，且只持续了6个小时；与3号强降水带对应的短时强降水带开始发晚，但向西移动且范围扩大。

2 天气形势分析

分析此次过程的主要影响天气系统发现，500 hPa上22日08∶00位于四川东部的中纬度低槽经过12小时后(22日20∶00)，快速东移南压到重庆东部、贵州东部至滇东南边缘一线，虽然温度槽落后于高度槽，但低槽位置偏东，冷平流也偏东，滇缅之间为高压脊控制。云南受到中纬度低槽后部西北气流和高压脊前西北气流的叠加控制，23日02时中纬度低槽缓慢东移，位于槽后的川东南地区由西北气流转为偏北气流，滇缅高压脊强度减弱，滇中至广西大部转为西南风，偏北气流和西南气流在黔桂交界至滇东北南部一带形成辐合切变线，且后期该辐合线由东西向转变为东北—西南向，位置少动。700 hPa上22日08∶00位于四川东部的低涡向东南方向移动，23日02∶00(图3a)低涡中心位于重庆东南部，低涡切变线位于贵州西南部—滇东北南部—川南一线地区，呈西北—东南向，切变线后部在四川中东部有大于12 m/s的东北急流存在，有利于推动切变线向西南方向移动，切变线前部流场为滇缅脊前的西南气流或偏西气流，此时在滇西和滇西南地区两股脊区绕流分别向云南输送孟湾地区的水汽。另外在切变线前侧的丽江东南部—楚雄北部—昆明—曲靖一带有强辐合区，辐合中心位于昆明附近。23日08∶00(图3b)低涡切变西移南压至滇西北东部、滇中至滇东南北部一线，切变后部在重庆西南部至贵州西北部仍有东北急流存在，可继续推动切变线向西南方向移动。此时滇缅之间气流的西南分量减弱，基本转为偏西气流，水汽输送相对减弱，辐合线附近的辐合程度也大大减弱。从23日14∶00(图3c)至23日20∶00(图3d)切变已经压至哀牢山一带，且切变前侧转为脊区控制，水汽输送和辐合程度进一步受到抑制。

从地面上看，此次过程无明显冷锋系统影响云南，地面辐合线的移动方向和变化特征与700 hPa上切变线相似。具体分析地面辐合线的位置可以发现，23日02∶00辐合线位于滇东南、滇东至川南一带，切变线位置略超前于辐合线位置(图4a)。同时段的短时强降水落区刚好位于切变线前部一带。此次过程滇中地区的降水极大值中心昆明市石林县三角水库站在23日00∶00至01∶00出现了42.6 mm的短时强降水。随着辐合线和切变线的西南移，短时强降水落区也随之向西南方向移动(图4d)。对比短时强降水落区和地面、高空天气形势发现，此次短时强降水天气过程关键由700 hPa切变线和地面辐合线共同作用形成，700 hPa切变线为短时强降水的发生发展提供了中低层水汽辐合及对流抬升运动的维持机制，地面辐合线则为低层对流发展提供了触发机制。

3 对流云团演变情况

从过程期间的卫星云图观测看，有明显的团(块)状切变云系与关键天气系统相对应，且随着切变线系统的移动，团(块)状云系起初在切变线后部东北气流引导下自东北向西南移动，后来转为受切变前部西北气流的引导，而自西北向东南移动，移动过程强度逐渐减弱，最后从滇东南移出。2015年7月22日11∶00，团状云系A位于川东至黔北地区，在滇东北北部边缘有点状对流云团B发展。13∶00对流云团A向东南方向移动了大概100 km，对流云团B发展明显，冷云罩(-32°C面积)覆盖整个滇东北北部，另外值得关注的是对流云团B西侧的川南地区和A与B之间都有新的云团C和D生成。14∶00对流云团A和D合并为对流云团E，E与B和C在发展的过程中继续向西南方向移动。16∶00对流云团B和C的北侧、西侧和南侧都有新的对流云团生成，且于19∶00与B、C云团合并为一南北带状云系F，对流云团E的南侧也有新生单体，在E缓慢西南移动过程中合并入对流云团E。20∶00带状云系F转为西北—东南向，位于滇西北东部，对流云团E覆盖整个滇中至滇东南地区，此后3小时F和E在向东南移动过程中逐渐趋于合并，由于对流垂直发展非常旺盛导致云顶亮温小于-70℃的面积明显增大，并在23∶00达到最强盛阶段。23日00∶00西北-东南向的MCC在东南移动过程中再次分裂为对流云团F和E，但两者仍然维持一定强度，在云团的最强时段(22日20∶00～23日02∶00)对应有55个站出现短时强降水，且分布形态与云团一致，呈西北东—南向，最强小时雨强为永宁20∶00～21∶00的54 mm降水。23日03∶00对流云团F的-70℃的面积明显减小，对流云团E的-70℃的面积也有所减小，此后在共同东南移过程中，两者强度明显减弱。23日08∶00对流云团F位于滇东南西北部，对流云团E位于滇东南东南部，在23日02∶00～08∶00时段内，短时强降水落区略向西南移动，仍然维持西北—东南向，此时段仅29站出现短时强降水，最强小时雨强为宜良站07∶00～08∶00的38.8 mm降水。

23日12∶00对流云团E先分裂再合并发展，14∶00位于滇东南南部，此时段短时强降水强度和范围都明显减弱，在滇东南南部仅有5站出现短时强降水，最大小时雨强26.5 mm。23日16∶00在哀牢山西侧有新的云团生成，在东南移动过程中与对流云团E趋于合并增强，此时段的短时强降水位于哀牢山沿线，站数增加到29站，最大时雨强为41.8 mm。

对比短时强降水落区、发生时段与对流云团分布、演变情况发现，切变云系上中尺度对流云团的发展才是导致短时强降水的关键因素。短时强降水主要出现在对流云团中云顶亮温小于-60℃的冷云区范围和亮温梯度的大值区，它们之间有较好的对应关系。对流云团的空间尺度和持续时间对短时强降水的分布区域和强度也有较好的指示意义，过程前期由于孟加拉湾地区的水汽输送和切变线附近强的辐合，使得切变线附近的对流云团发展最为旺盛，空间尺度大、持续时间长，则对应时段的短时强降水频次多，到了过程后期(23日08时开始)随着孟加拉湾水汽输送的减弱和切变线附近辐合程度的减弱，对流云团开始明显减弱，则短时强降水的频次也明显减少。

4 地闪时空分布情况

图6给出了此次过程中逐6小时地闪频次空间分布，从图上可以看出2015年7月22日20∶00至23日02∶00为地闪高发期，滇西北东部、滇中、滇东南东部边缘出现了大范围、高密度的闪电，且负闪出现次数(3 197次)是正闪的(22次)14倍左右。到了23日02∶00至08∶00，闪电范围有所收缩，位置略向西南移动，密度明显减弱，正负闪仅有490次。23日08∶00至14∶00闪电发生的频次和范围都明显减小，仅出现在滇东南南部边缘地区。23日14∶00至20∶00闪电范围向西扩展，频次和范围都较上一时段有所增加。总体上闪电落区分布与切变线移动的趋势相对应。对比过程期间的地闪和短时强降水落区分布可以看出，短时强降水的落区、频次与地闪的落区分布、密集程度有较好的对应关系。具体从出现短时强降水的109个观测站逐时降水与其周围20 km范围内逐时地闪对比可以看出，地闪峰值较降水峰值提前1～3 h出现共计有7站。地闪峰值与降水峰值相对应，其中地闪数量在短时强降水发生前1～4 h出现增量(从无到有)共计有55站，例如从楚雄州永仁县永兴站逐时降水量和地闪数量分布图(图7)可以看出，在22日23∶00至23日00∶00期间地闪数量有明显跃增，小时地闪次数从0次增加到169次，23日00∶00至01∶00期间出现的地闪峰值(406次)与短时强降水峰值(32.9 mm)相对应，但地闪次数增加的时间要早于短时强降水出现的时间约1小时左右；16站地闪数量在短时强降水发生前无增量。地闪峰值较降水峰值滞后1～3 h共计有9站，其中6站降水峰值出现前1～3 h有地闪增量出现。无地闪与小时降水峰值对应或两者无明显关系共计22站。综合看，共计有68站(62.39%)在短时强降水发生前有地闪增量出现，因此地闪数量开始增加对于短时强降水的精细化预报预警具有一定的指示意义。

图7 2015年07月22日20时～23日20时永兴站逐时降雨量和地闪频次分布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 雷达回波特征

分析过程期间的雷达回波空间分布发现，过程开始时(22日20∶00)在昆明雷达站东北方向距离雷达90～100 km附近处有一西北—东南向的带状回波，回波结构相对比较紧密，径向速度上看有中尺度辐合区，回波位置与700 hPa切变线位置对应较好。过程期间，该带状回波沿着西北引导气流向东南方向缓慢移动过程中，在其西南侧不断有新生单体生成合并，雷达回波覆盖范围不断扩大，且渐渐靠近雷达站，另外该带状回波具有后向传播特征，从滇西北东部不断有回波并入该带状回波，共同向东南方向移动时对短时强降水区域形成列车效应，有利于降水时间的持续。从回波特征看，过程期间主要为层积混合云回波，短时强降水则主要出现在积云回波中。

此次过程中，1号强雨带最大降雨量出现在昆明市石林县三角水库，而且在23日00∶00至01∶00出现了42.6 mm的短时强降水，因此选用覆盖该站的昆明雷达观测资料进行降雨特征分析。图8给出了2015年7月23日00∶48昆明雷达观测情况，从回波反射率分布可以看出此时在三角水库站附近有一条团状回波发展(图8a)，回波最大值反射率因子强度达到45 dBz，回波反射率因子水平梯度较大，呈现明显的积云回波特征，对应时段的短时强降水就是出现在这一团状强回波区域。从三角水库站东西方向的回波剖面图上可以看出(图8c)，此时该站上空的对流发展非常旺盛，回波顶高超过12 km，大于45 dBz的回波大值区处于6 km附近，该站出现短时强降水天气时雷达回波反射率因子低质心的特征非常明显。从对应时次的径向速度图上可以看出，三角水库站附近都为正速度区，但离雷达近的正速度明显大于离雷达远的正速度，具有明显的中尺度辐合特征，有利于增强该区域的对流强度，导致局地性强降雨的发生(图8b)。由于雷达观测具有较高的时空分辨率，在有利的天气形势背景下，通过跟踪强回波区及径向速度辐合区的发展情况及移动趋势，有助于进一步细化短时强降水天气的落区和发生时段。