重庆市中部一次对流性暴雨的中尺度分析

杜爱军，邓承之，李佳雯，翟丹华

（1.重庆市巴南区气象局，重庆 401320；2.重庆市气象台，重庆 401147；3.重庆市忠县气象局，重庆 404300）

暴雨是最为常见的灾害性天气，具有突发性和强度强的特点［1］，是造成洪涝灾害，诱发泥石流等次生灾害的重要影响因子。重庆市地处长江上游、四川盆地东部，辖区内山脉纵横，水系发达，地形地貌复杂且地质结构敏感，是中国地质灾害发生频率最高的地区之一［2］。在全球气候变暖的背景下，夏季暴雨频发，给人们的生产生活和生命财产安全带来严重的威胁，气象防灾减灾的必要性及紧迫性进一步增加。

由于中国受到东亚夏季风的影响，强降水天气是中低纬度环流系统相互作用的结果［3］，低纬环流系统为强降水提供了充足的水汽。在降水地理分布上，中国南方强降水天气的雨量和强度往往比北方强，持续时间也更长［4］。

暴雨的监测和预报是气象预报员所关注的重点，了解暴雨发生、发展的规律，对提高暴雨预报服务水平、做好防汛减灾以便更好地为国民经济和生产服务。气象学者对中国暴雨的研究不断深入，取得了一系列的成果［5-11］。已有很多专家学者从多方面分析并讨论了暴雨产生的机制和特点。张晓美等［12］利用地面自动站、卫星资料、雷达资料及再分析资料对华南地区暴雨的中尺度系统进行了分析。魏东等［13］对北京地区深秋季节一次对流性暴雨天气的中尺度进行了分析。袁美英等［14］为了揭示东北短历时暴雨的观测事实和预报线索，分析了东北地区一次罕见的短时大暴雨中尺度系统。卢焕珍等［15］利用常规观测资料及加密资料，结合卫星、雷达资料，对天津一次分散的暴雨中尺度对流系统特征进行了分析。吴志鹏等［16］利用ARPS3DVAR 和WRF 快速同化模式对西南地区的强降水过程进行了模拟试验，并检验了预报结果。聂云等［17］对梵净山东南侧夏季暖区暴雨中尺度系统演变与环境场特征进行了分析。尉英华等［18］利用常规观测资料和雷达资料，从大气环流和垂直结构特征及对流发展机制分析了地面冷锋后华北地区的一次局地大暴雨过程。刘慧敏等［19］对陕北局地大暴雨过程进行了β中尺度特征分析。

暴雨是重庆市主要的气象灾害。研究表明，重庆市暴雨天气多在有利的大尺度环流背景下发生，暴雨主要受高原槽（涡）、西南低涡、切变线和高低空急流和地面冷锋等系统影响。地面冷锋是重庆市暴雨的重要天气尺度影响因子，统计表明，近80%的重庆区域性暴雨与地面冷空气活动有关，冷空气主要起到触发不稳定能量的作用［20］。重庆市汛期强降水具有东多西少的特征，渝东北和渝东南降水量大，渝中和渝西降水量小，每年因为暴雨造成的经济损失达千万元，如“1981.7.13”及“2007.7.17”等特大暴雨天气均对重庆市社会及经济造成了重大影响。

暴雨是多尺度天气系统相互作用的产物，其发生发展的机理相当复杂，对于暴雨中尺度系统及结构、对流发展的局地物理条件及其变化过程等，依然是研究的难题［21］。这些难题直接影响对暴雨规律的认识和把握，进而影响暴雨预报准确率。2018 年8 月22 日至23 日（简称“8.22”），重庆市中部出现了一次大暴雨天气过程。“8.22”事件具有降水强度强、时间集中、局地性强等特点，但预报显著偏弱，低估了暴雨的强度及维持时间。本研究着重从常规自动站观测资料、探空资料、再分析资料、闪电资料、雷达资料等多源观测资料，围绕22 日08：00 至23 日08：00 降水和对流系统的演变和结构特征、触发和维持机制、移动缓慢成因等方面对该次事件的中尺度特征和成因进行分析，为提高该类天气的预报服务水平提供参考，并为后续的深入研究提供理论基础。

1 天气概况

2018 年8 月22 日08：00 至23 日08：00，重庆市出现一次大暴雨天气过程，强降雨集中在重庆中部，全市大暴雨（100~249.9 mm）站点66 个，暴雨（50~99.9 mm）站点192 个，最大累积降雨量出现在丰都新建（A8828），达198.3 mm（图1a）。过程中重庆中部地区持续出现短时强降水，夜间短时强降雨落区较白天更为集中（图1b、图1c）。

图1 2018 年8 月22 日8：00 至23 日8：00 降水分布

此次过程中最大小时雨强与短时强降水站点数的时间演变情况见图2。由图2a 可知，8 月22 日08：00 至23 日08：00 期间强降雨在重庆境内维持，形成了以重庆市丰都区为大暴雨中心的降水落区，强降雨存在2 个峰值时段，分别为22 日13：00 至14：00 和22 日23：00 至23 日03：00。暴雨过程中共有368 个区域站小时雨强超过20 mm，小时雨强最大值出现在23 日01：00 丰都新建，达91.4 mm/h，且01：00的分钟降雨量均大于1.0 mm（图2b）。

图2 最大小时雨强与短时强降水站点数的时间演变情况

此次暴雨过程降水强度强，降水集中，造成重庆近万人受灾，大量房屋受损，给人民的生产生活带来严重影响。

2 影响系统及环境条件

此次天气过程发生在有利的中尺度环境条件下。8 月22 日08：00 500 hPa 大陆高压控制两湖地区，大陆高压西北侧有地面冷空气自华北地区回流侵入重庆市东部。锋前暖区上空500 hPa 存在前倾的短波槽，河套地区有冷槽东南移，且重庆市整体处于高湿区，比湿≥14 g/kg。在上述系统的共同影响下，22 日白天重庆中部及东北部地区出现对流性强降雨。22 日夜间500 hPa 大陆高压维持，但中心有所减弱。大陆高压西侧的地面冷锋迅速移过重庆市，锋后对流层低层由四川盆地北部南下的偏北风与两湖地区进入重庆地区的较强偏东风在重庆中部地区相遇，地面至850 hPa 均存在位置相近的辐合区，尤其是23 日02：00，丰都区附近为水汽辐合中心，最强达-20 g/（cm2·hPa·s）。500 hPa 河套冷槽与重庆地区短波槽合并，并与700 hPa 切变线东移至上述地区，共同形成地面至500 hPa 深厚的辐合和垂直运动区。由于两湖地区大陆高压和低层较强偏东风的维持，上述系统东移缓慢，重庆市中部地区的辐合上升运动维持，利于持续性强降水的出现。

探空是分析本地大气环境热力稳定度、动力稳定度的重要手段，选取离暴雨区较近的恩施站探空资料。22 日08：00，恩施站K指数达到40 ℃，SI指数达-2.47，CAPE 达到1 112 J/kg，考虑到白天增温，午后CAPE 将进一步增加，且中低层湿层深厚，有利于短时强降水发生。22 日20：00 恩施站K指数降至35 ℃，CAPE 降至220 J/kg，但夜间对流层中低层水汽辐合增强；23 日08：00 400 hPa 以下达到饱和湿层，“瘦长型”的CAPE 增加至490 J/kg，利于短时强降雨的维持。22 日20：00 后，对流层低层850 hPa 维持显著的偏东风，对流系统东移速度减慢，有利于强降雨在重庆中部地区持续。可见，暴雨期间具有充足的水汽和不稳定能量，且夜间500 hPa 与850 hPa的风向相反，有利于短时强降雨的发展和持续。

3 强降雨持续的中尺度分析

3.1 雷达资料分析

大气环流背景场和物理量场的特征只表征大尺度环境有利于强降水，但降水发生还取决于对流的触发、持续和各方面条件的配合［22］。结合重庆市地形，应用闪电观测资料和重庆万州SB 雷达分别对8月22 日白天梁平和22 日夜间重庆中部地区强降水的中尺度对流系统的演变和结构特征进行分析。

3.1.1 8 月22 日白天中尺度对流系统演变 22 日08：00 开始，雷达回波在四川境内生成和发展，重庆市东北部有中尺度对流系统形成，其余地区均是分散的对流回波。10：00 至11：00 该对流系统东移至四川与重庆交界处，此后的1 h 内缓慢东移。12：00开始强回波移入梁平境内，且结构更加密实，最强回波强度超过45 dBZ，且有分散的对流回波在前方不断生成。12：00 至13：00 回波移动缓慢，主体在明月山和清华山之间，且该时段内重庆境内云地闪基本发生在分散的对流回波处，13：00 反射率因子范围和梯度最大，且最强回波超过50 dBZ，该小时有多个自动站观测到了高强度的短时强降水，39 个自动站小时雨量超过20 mm，其中最强达到76.5 mm。13：00至14：00，回波继续缓慢东移，超过50 dBZ 的回波维持了0.5 h 左右，后回波结构开始松散减弱（图3）。可见，22 日白天强降雨主要由四川省东北部移入重庆市东北部的中尺度对流系统和多个分散性的对流系统的缓慢移动形成。

3.1.2 8月22日夜间对流系统演变 8月22日22：00有弱对流生成，最强回波大于35 dBZ。22：00至23：00该对流回波最强达到了40 dBZ，地面自动站观测有弱降水（1.3 mm），并出现零星云地闪电。23：00 对流开始显著增强，到23 日00：00，与1 h 前的位置相比，对流系统从重庆市丰都区东北方向朝中部移动，最强回波呈近南北带状走向，水平尺度显著增大，此时最强回波超过40 dBZ，闪电主要发生在强回波带上，但数量很少。00：00 至00：40，对流系统稳定少动，且强度继续显著加强，对流系统的北、东西侧的反射率因子梯度较大，超过40 dBZ 的回波区域显著扩大。从00：40 至01：00 最强回波范围开始原地减弱。自动站观测显示，该小时丰都区有16 个站小时降雨量超过20 mm，其中新建站小时降雨量达91.4 mm。01：00 后丰都区的对流呈减弱的趋势，降水也逐渐减弱（图4）。可见，22 日夜间强降雨主要由中尺度对流系统生成后在源地附近维持形成。

图4 万州雷达组合反射率因子随时间演变情况（2018 年8 月22 日22：00 至23 日01：00）

3.1.3 对流系统的垂直结构 雷达反射率因子的垂直剖面见图5。由图5 可知，最强回波均在0 ℃高度以下。22 日白天，最强回波超过50 dBZ 且最强回波高度在0 ℃层以下。夜间对流发展旺盛时段的回波强度超过45 dBZ，到00：35 高度达4 km，但强回波主体均未超过0 ℃度高度，为低质心回波，降水粒子相态以液态水为主，混合相态粒子含量较少，是此次过程中降水效率高、闪电次数少的原因。

图5 对流系统的垂直结构特征

3.2 低空及地面辐合

8 月22 日白天，700 hPa 上重庆市主要受切变线影响（图6a），850 hPa 上偏西气流与偏东回流在重庆市东部辐合（图6c），地面上也存在对应的辐合线（图6e）。强降雨主要发生在低层辐合区附近，深厚的辐合系统有利于强降雨的发生和维持。22 日夜间，700 hPa 上重庆市受偏东风影响，且在梁平-万州一带形成气旋（图6b），850 hPa 上气旋位于重庆中部107°E 附近（图6d），地面上气旋与之对应（图6f），强降水维持在地面至低空深厚的中尺度气旋附近。可见，低空及地面的中尺度辐合系统为强降水的触发和维持提供了有利的动力作用。

3.3 锋区演变

锋生函数常用来诊断锋区的演变趋势，包含水汽因子的湿锋生函数F可写为如下形式［23，24］。

式中，F1为变形向，F2为辐合项，F3为垂直项。当F> 0 时锋生，F< 0 时锋消。

8 月22 日夜间相当位温、风及锋生函数沿30°N的剖面见图7。由图7 可知，22 日21：00 700 hPa 以下的低空锋区自东向西逐渐影响重庆市东部地区，锋区西侧存在暖湿舌和显著的锋生效应（图7a），有利于上升运动和降雨的发生。22 日23：00 低空锋区西进到达重庆市东部109°E 附近，暖湿舌维持于向东倾斜的锋区西侧，湿锋生效应进一步加强，达到20×10-8K（/m·s）（图7b）。22 日23：00 至23 日03：00，锋区在108°—109°E 缓慢西进，缓慢西进的冷锋及锋区西侧的暖湿气流之间维持显著的锋生（图7c、图7d），有利于回流冷锋西侧低空辐合的维持。且偏西气流沿着锋区倾斜向上爬升，斜升气流与锋区西侧的下沉气流形成了东西向的锋区次级环流，从而有利于强降雨在重庆中部地区发生并持续，这也是22 日夜间短时强降水显著且集中在重庆市中部地区的重要原因。

图7 8 月22 日夜间相当位温、风及锋生函数沿30°N 的剖面

沿重庆中部108°E 做垂直剖面图，结果见图8。22 日白天，重庆中部地区在垂直方向上存在中低层正涡度、高层负涡度的垂直涡度分布，有利于强降水发展。23 日02：00 重庆中部地区垂直方向上正涡度柱迅速向上发展，达到400 hPa 以上，正涡度中心值达到20×10-5s-1（图6a）。在散度场上600 hPa 及以下为辐合区，中心达到-120×10-5s-1，600 hPa 以上为辐散区，中心达到160×10-5s-1，低层辐合、高层辐散形成的抽吸作用有利于加强对流上升运动（图6b）。垂直速度场上，300 hPa 以下均为上升运动，中心达-3.2 hPa/s，强烈的上升运动有利于强降雨的发生（图6c）。可见，强降雨持续期间，重庆市中部维持着有利的中尺度气旋性涡度、辐合及上升运动。

图6 700 hPa 流场（a 至b）、850 hPa 流场（c至d）、地面自动站观测流场（e至f）

图8 2018 年8 月23 日02：00 沿108°E 的涡度（a）、散度（b）和垂直速度（c）经向剖面

4 小结

2018 年8 月22 日重庆市中部地区的对流性大暴雨主要由持续性的对流强降雨形成，强降雨演变呈现波动性的双峰分布，峰值分别出现在22 日中午和22 日夜间。本研究利用地面及探空观测资料、再分析资料、闪电以及多普勒雷达数据等气象资料，对此次大暴雨过程开展中尺度结构特征和机制分析，得出以下结论。

1）此次暴雨过程发生在有利的中尺度环境条件下。22 日白天大陆高压控制两湖地区，其西北侧有地面冷空气自华北地区回流侵入重庆市东部，重庆市中东部受短波槽、低空切变线和地面辐合的影响持续出现分散性的对流性强降水；夜间河套冷槽与重庆市短波槽合并，大陆高压持续维持，高压西北侧的低空偏东回流加强，与四川盆地北部南下的东北风在重庆市中部地区相遇形成锋区，锋区西进缓慢，重庆市中部地区低空至地面形成持续的锋生及辐合上升运动，强降水发展并集中在重庆市中部地区，形成重庆市中部的大暴雨天气。

2）大暴雨主要由缓慢移动或源地维持的中尺度对流系统形成，有明显的高效率低质心降水特征。对流系统发生在持续的深厚湿层及源源不断的水汽输送条件下，较高的K指数、一定的CAPE 及负值SI指数有利于此次大暴雨过程中对流系统的发生和维持。