云南两高辐合背景下低涡强降水过程对比分析

马文倩，李耀孙，陈小华，马志敏，牛法宝**

(1.云南省气象台，云南 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，云南 昆明 650034)

低涡是位于对流层中低层的气旋性小涡旋，其降水具有范围小、突发性强和雨强大等特点，常引发城市内涝、山洪和滑坡泥石流等灾害，且模式对其预报能力较差[1-2]，故低涡及其降水历来受到较高的关注[3-7].已有研究关注了低涡的环境流场、移动、发生发展机制等特征.低涡的形成受大尺度环流背景影响，如高原低涡的形成就受到低层大气环流场、高原南侧反气旋等的影响[8].西太平洋副热带高压（以下简称西太副高）对低涡的移动有影响，郁淑华等[9]研究了移出青藏高原后持续2天以上，且在河套地区打转的高原低涡环境场，结果显示，西太副高北抬会使高原低涡持续处在相对较弱的切变环境场中，进而造成高原低涡在河套地区打转，形成异常路径.此外，西太副高还会影响低涡暴雨的落区.孙兴池等[10]对山东两次低涡和西太副高共同影响下的暴雨落区分析后发现，暴雨落区和低涡的位置及路径并不一致，强调考虑暴雨落区时，应对影响系统的空间结构、发展阶段及地面形势的演变特征进行综合分析.王沛东等[11]利用数值模式研究了秦巴山区地形对一次西南涡大暴雨的影响，指出地形对低涡有阻挡作用，同时降水激发的次级环流在迎风坡形成一个局地垂直环流圈，该次级环流会对低涡与切变线的相互作用以及暴雨过程演变产生影响.上述研究表明，低涡的形成受到大尺度环流背景影响，不同低涡在移动、结构及降水落区等方面存在差异.此外，除上述西南涡、高原涡等常造成大范围强降水的低涡外，局地低涡及其降水近年来也受到了关注，且局地低涡与西南涡、锋面气旋等在形成机制、降水落区和强度等方面有着明显差异[12-13].

云南地处低纬高原，山脉众多、河流纵横，且受局地复杂地形影响，低涡在云南的发生发展过程更加复杂，其造成的降水落区及雨强特征多变，预报难度大.孟加拉湾风暴向东北方向移动登陆后减弱形成的低涡[14]、西行热带气旋进入云南后减弱形成的低涡[15]以及西南涡南移进入云南形成的低涡[16]是常见的影响云南的几类低涡，长期以来已有研究对上述几类低涡进行了关注.除上述几种生成形势，云南夏半年还有一种较少见的低涡生成过程，即两高压辐合区（以下简称两高辐合）背景下低涡的形成.影响云南的两高辐合是指500 hPa上云南境内出现2个反气旋环流（滇缅高压或青藏高压与西太副高）之间的辐合区[17]（有时西太副高断裂，导致云南以东有高压影响，也可能是该高压与滇缅高压或青藏高压形成的辐合区）.目前，两高辐合中形成的低涡，受到的关注较少.根据许美玲等[17]对1980-2008年夏半年云南两高辐合的统计，云南夏半年两高辐合出现的平均次数为11.21次，每一次过程维持时间不同，平均为2.2 d.段旭等[18]指出，并不是所有两高辐合都能造成云南暴雨，当辐合区中形成低涡，常能造成强降水过程.因此，当云南出现两高辐合，辐合区有低涡发生发展，此形势下强降水落区及其伴随的动力、热力因子等特征，值得深入研究.

2018年8月2日20时至4日20时、2019年9月9日08时至11日08时以及2020年7月1日08时至3日08时，云南发生两高辐合背景下低涡连续性强降水过程.本文针对上述3个个例进行对比分析，研究其在降水、动热力因子及水汽辐合等方面的相似性，也对其间存在差异性及原因进行探讨，以期对云南两高辐合区低涡降水过程中上述特征有更好的认识，进而为业务实践中此类强天气的预报和监测预警提供指导.

1 数据

本文所用降水数据为云南省125个国家气象站和3 400个区域气象站2018年8月、2019年9月及2020年7月逐6 h、逐24 h（20时至20时或08时至08时）降水量及短时强降水（小时降水量≥20 mm，以下简称短强）.

再分析资料来自欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts）第五代大气（ERA5）[19]资料，包括2018年8月、2019年9月及2020年7月不同气压层上逐小时位势高度、水平风场、垂直速度、相对湿度、温度及比湿；1991-2020年逐小时500 hPa位势高度；数据空间分辨率为0.25°×0.25°.地形高度数据为美国地质勘探局（United States Geological Survey，USGS）提供的全球高程数据GTOPO30，空间分辨率约为0.05°×0.05°.本文基于Bolton[20]推导的公式计算假相当位温（ θse）.

2 降水实况

图1（a1）～（c2）为云南省2018年8月2日20时至4日20时、2019年9月9日08时至11日08时和2020年7月1日08时至3日08时国家站和区域站逐24 h降水量（以下简称2018年8月2日20时至3日20时为2018D1，3日20时至4日20时为2018D2；2019年9月9日08时至10日08时为2019D1，10日08时至11日08时为2019D2；2020年7月1日08时至2日08时为2020D1，7月2日08时至3日08为2020D2）.由图1可知，3个个例中云南出现连续性强降水，降水分布特征既存在相似性，也存在一定的差异.降水分布特征的相似性表现为3个个例中第1 d大雨及以上降水呈西北至东南带状分布，第2 d降水均向南向西移动，主要分布在云南中部以南地区，大值区位于云南西南部.降水分布特征的差异性表现为2019D1云南中部及东部大雨及以上量级雨带较窄，其他2次过程第1 d雨带较宽；2020D1大雨带相较于其他2个个例在云南东部降水的分布偏北；2020D2降水量较另外2个个例小.

图1（d）统计了各个例短强发生的总站次（任意国家站和区域站小时雨量达短强标准即算为一站次）及不同等级短强发生站次.由图1（d）可知，2020年个例中短强发生站次（598站次）远多于2018年（390站次）和2019年（441站次）个例.从不同等级短强发生站次也可看出，2020年个例不同等级短强发生站次也均明显高于另外两个个例，小时雨量40 mm/h以上的短强尤其明显.此外，3个个例中最强小时雨强分别为74.7、68.4 mm/h和80.1 mm/h，2020年个例最强，因此2020年个例小时雨强的极端性更大.

3 环流背景和低涡移动特征

图1 各个例逐24 h降水量和不同等级短强频次Fig.1 The 24-hourly accumulative precipitation and the occurring times of short-time strong rainfall with different levels of precipitation amount

3.1 环流背景图2（a1）～（c2）为各个例逐日降水发生前500 hPa水平流场.2018年8月2日20时，云南受滇缅高压和南海上空闭合高压（西太副高受台风影响断裂而成，西太副高主体位于华北至日本一带）形成的两高辐合区影响，辐合区中有低涡生成，中心位于云南东南部至广西西部.至8月3日20时，滇缅高压向西北方向移动，南海上空高压也往北往西移动.云南继续受低涡影响，低涡中心较前一日往西移，位于云南南部以南.2019年9月9日08时，云南同样受滇缅高压和长江中下游以北闭合高压（中高纬度西风带上南下低涡导致西太副高断裂而成）形成的两高辐合区影响，辐合区中形成低涡，低涡中心位于云南东北部至贵州西北部一带.至10日08时滇缅高压依旧维持，中心位于湖北一带的高压向南向西移动，影响云南的低涡也向南向西移动，中心位于云南东南部.2020年7月1日08时，云南西部同样受滇缅高压影响，西太副高西伸至贵州西部，与滇缅高压形成两高辐合区影响云南，此时500 hPa上还未形成低涡中心，青藏高原上有弱高压发展.至7月2日08时，滇缅高压略往西往北移动，西太副高也略西进，影响云南的两高辐合区已发展为低涡，中心位于云南东部.青藏高原上为较强的高压，沿其东部边缘有冷空气南下影响云南.因此，本文研究的云南3次强降水过程影响系统为两高辐合背景下辐合区中形成的低涡，且结合降水分布可知，强降水并没有沿两高辐合区分布.

为进一步揭示低涡降水发生的环流背景，利用500 hPa上5 880 gpm等位势高度线分析研究时间段内西太副高特征.图2（a3）～（c3）为各个例研究时段内平均及各个例研究时段气候态（1991-2020年）5 880 gpm等位势高度线对比.结果显示，所研究个例均发生在西太副高较气候态明显西伸的背景下，2018年个例中，西太副高主体西伸至105°E附近，但位于南海上空的高压西伸程度较主体弱[该高压强度未达到5 880 gpm，图中未能体现，其位置见图2（a1）和（a2）]，其西伸至108°E附近；2019年个例中，西太副高西伸至106°E附近，在3个个例中西伸程度最强；2020年个例中西太副高西伸至115°E附近，相对而言，其西伸程度最弱.降水实况部分指出，2019D1云南中部及东部大雨及以上量级雨带相较于另外2个个例第1 d降水较窄，这与该个例西太副高西伸程度最强对应.因此，所研究个例均发生在西太副高较气候态明显西伸的背景下.但西太副高西伸程度不同，西太副高西伸较强时形成的两高辐合区较强，进一步导致主雨带相对更窄.

图2 各个例逐日降水发生前500 hPa水平流场，500 hPa上过程平均及各个例研究时间段气候态5 880 gpm等位势高度线Fig.2 The horizontal streamlines on 500 hPa before daily precipitation, the time average and climatological 5 880 gpm lines on 500 hPa during corresponding analysis times for the three events

3.2 低涡移动特征低涡移动路径对降水落区有显著影响，图3（a1）～（c1）为各个例逐6 h的700 hPa低涡中心位置（云南海拔较高，用700 hPa表征对流层低层）.2018年8月2日20时个例中，700 hPa存在2个小低涡，中心分别位于四川东南部和广西西北部，随后分别向南和向西北移动；至8月3日08时合并为一个低涡，中心位于云南东部，并向南向西移动；至8月4日20时移至云南西南部.2019年9月9日08时个例700 hPa低涡初始位于云南东北部，随后先向南后向西移动，至9月11日08时移至云南西部.2020年7月1日08时个例中，低涡起始位于云南中北部，至7月2日08时在云南东部一带徘徊，随后向西向南移动，至7月3日08时移至云南西部.上述指出，相较于2018D1和2019D1，2020D1大雨带在云南东部的分布位置偏北，这与2020D1低涡在云南东部一带徘徊相对应.以上分析表明，3个个例700 hPa上低涡生成后向南向西移动，降水也表现出强降水向南向西移动的特征，为进一步分析降水区的移动与低层低涡移动的关系，以研究时段内逐6 h降水量≥50 mm的站点位置表征强雨带的移动[图3（a2）～（c2）].因此，对比强雨带和低涡位置[图3（a1）～（c1）]可知，强雨带基本上随着低涡的移动而向南向西移动.

图3 各个例逐6 h的700 hPa低涡中心位置、逐6 h降水量≥50 mm站点位置及各个例研究时段平均500 hPa至100 hPa垂直平均流场Fig.3 The 6-hourly positions of the low vortex on 700 hPa, the positions of stations with 6-hourly accumulative precipitation more than 50 mm, and the time average horizontal streamlines vertically averaged from 500 hPa to 100 hPa during corresponding analysis times for the three events

由3.1部分可知，所研究个例均发生在西太副高较气候态明显西伸的背景下，西太副高的西伸有利于低涡向西移动，但其向南移动的原因还有待研究，本文从引导气流[2]的角度进行分析.图3（a3）～（c3）为各个例研究时段内平均的500 hPa到100 hPa垂直平均水平流场（以下简称平均气流），可以看到3个个例青藏高原南侧平均气流均为反气旋环流，导致云南上空平均气流为东北气流，该气流引导低层低涡向南向西移动.

4 动力、热力条件及水汽辐合特征

4.1 动力条件本文利用低层水平风场和垂直速度分析低涡降水过程中的动力场特征.根据700 hPa水平风场和垂直速度演变，结合降水分布特征，选取图4中6个时次进行分析.由图4（a1）～（c2）水平风场和降水分布对比可知，降水大值区发生在低涡中心及低涡切变附近（低涡造成的冷式切变和暖式切变），同时降水与上升运动大值区对应较好.2020D2上升运动较弱，这与2020D2降水量相对另外几天较弱对应.

图4 各个例700 hPa水平风场和垂直速度、垂直速度经度-高度剖面图Fig.4 The horizontal winds and vertical velocity on 700 hPa, and the longitude-altitude cross sections of vertical velocity

进一步结合各个例中第2 d垂直速度剖面，分析低涡造成的上升运动在垂直方向上的发展情况.图4（a3）～（c3）即为（a2）～（c2）所在时次对应的垂直速度剖面图[过图4（a2）～（c2）中红色虚线].2018年和2019年的个例中，低涡造成的最强上升运动位于低涡中心附近，上升运动发展至250 hPa和200 hPa附近.相较于2018年个例，2019年个例中低涡造成的上升运动发展的高度更高且强度更强，对应降水的强度也更强.对于2020D2，低涡造成的最强上升运动位于低涡切变附近，垂直运动强度能达到2018D2和2019D2强度，但上升运动发展的高度仅达到400 hPa，2020D2对应的总降水较弱.因此，低涡造成的强降水主要分布在低涡中心及低涡切变附近.低涡引起的强上升运动强度在研究的个例中差异不大，但其造成的上升运动伸展高度存在差异，会导致总降水量也存在差异.

对于两高辐合降水，许美玲等[17]的统计结果表明，降水多沿准南北向的辐合区分布，进一步将滇缅高压和西太副高之间形成的辐合区称为第二类两高辐合型，指出当滇缅高压为整个副高中的一部分，即滇缅高压为西太副高西进断裂形成时，尽管云南受两高辐合影响，却未必出现强降水.与上述结果不同，本文分析的3个个例由于辐合区中有低涡生成，降水主要分布在低涡中心和低涡切变附近，而不是整个两高辐合区中，且随着低涡移动，雨带分布也不仅呈南北向，而且引言部分指出，影响云南的低涡还有3种较常见的生成过程，即向东北方向移动登陆的孟加拉湾风暴、西行热带气旋和南移西南涡，其中孟加拉湾风暴主要在云南西南部造成降水；西行热带气旋主要影响云南南部，尤其是云南南部的红河州[15]；南下影响云南的西南涡降水随着西南涡位置而变，但降水主要发生在西南涡的西南象限[21].与上述3种低涡降水相比，本文分析的两高辐合低涡降水，则主要分布在低涡中心和低涡切变附近，且有相似的移动特征，在具有相似的环流背景下，比较容易把握降水的落区和移动特征.

4.2 热力条件热力条件利用 θse分析研究各个例降水过程中的热力特征.由环流背景分析可知，2020年个例中青藏高原上有弱高压发展为较强高压，沿其东部边缘有冷空气南下影响云南.由图5可知，相较于2018年和2019年个例，2020年个例中与青藏高原上高压的发展更加对应，500 hPa上中高纬度有 θse低值（<350 K）入侵至云南北部，进一步结合θse纬度-高度剖面图探究各个例中冷暖空气的影响情况，如图6所示.基于图1降水分布，选取经过降水中心的经度位置绘制剖面[过图1（a1）～（c2）中红色虚线，经度分别为104°、103°、102.5°、102°、102.5°E和101.5°E]，以分析经过降水中心的 θse分布特征.

图5 各个例中500 hPa上 θ se分布Fig.5 The distribution of θ se on 500 hPa during the three events

图6 各个例 θse沿降水中心纬度-高度剖面图Fig.6 The latitude-altitude cross sections of θ se along the center of precipitation during the three events

2018D1降水主要位于22°～26°N，由图6可知降水发生在350 K左右的环境中，低层高温高湿，θse可达360 K，2018D2降水（22°～24°N）发生环境与2018D1类似，2019年个例与2018年个例具有相似特征.对于2020年个例，该个例除了低纬度大气较暖湿外，高纬度有冷空气入侵，7月1日白天和2日白天入侵至27°N左右，低层冷暖空气在该纬度附近有明显的交汇.此外，由图6（c2）可以看出，至7月3日02时500 hPa附近有冷空气入侵，叠加在低层暖湿空气上，形成上层干冷下层暖湿的层结，大气层结不稳定性增强，有利于小时雨强极端性增强.降水实况部分也指出，3个个例过程中有短强发生，2020年个例短强发生站次远多于2018和2019年，且该个例中小时降水强度的极端性更大.结合以上关于 θse的分析，出现上述结果的可能原因有两个：一方面，与2020D1低涡在云南东部一带徘徊少动导致降水累积时间长有关，另一方面，可能由2020年个例中入侵的低层冷空气与暖湿空气相互作用，以及中高层冷空气入侵增强云南上空层结不稳定性，使雨强极端性增大导致.此外，2020年个例中沿低层入侵的冷空气也造成2020D1大雨带相对于另外2个个例第1 d降水偏北.

4.3 水汽辐合特征充足的水汽供应是形成暴雨的必要条件之一，且有水汽的辐合上升才能造成降水.借助700 hPa水汽通量散度分析低涡降水中水汽辐合上升的位置和强度，如图7所示[分析时次与图4（a1）～（c2）对应].从图7水汽通量散度分布可以看出，其辐合的位置与降水落区对应较好.2020D1水汽通量强辐合的位置偏北，与当天强降水落区偏北相对应；2020D2水汽通量辐合强度较其他研究时段弱，与该天总降水量较其他研究时段少相对应.此外，尽管2020个例水汽辐合最弱，其第2 d降水量较另外2个个例小，但由于低涡停滞及冷空气的影响，其第1 d降水强度更大，过程中小时雨强的极端性更强.

5 结论

本文基于观测和再分析资料，选取发生在2018—2020年的3个云南两高辐合背景下低涡连续性强降水过程进行对比分析，得到以下结论.

（1）夏半年西太副高加强西伸，云南常受两高辐合形势影响，当辐合区中有低涡生成时，辐合区低涡易造成连续性强降水过程.本文分析的3个两高辐合低涡降水过程，降水分布特征存在相似性和差异性.

图7 各个例中700 hPa水汽通量散度Fig.7 The divergence of water vapor flux on 700 hPa during the three events

（2） 3个个例中，第1 d大雨及以上降水呈西北至东南带状分布，第2 d降水向南向西移动.雨带的移动由低涡的移动造成，而低涡向南向西移动则是由于西太副高西伸及东北引导气流的引导导致.尽管处于两高辐合形势下，3个辐合区低涡降水个例的强降水落区并没有完全分布在整个辐合区内，而是主要分布在低涡中心及低涡切变附近.2019年个例第1 d云南中部和东部大雨及以上量级雨带较窄，这主要是由于西太副高西伸较强、两高辐合形势也更强导致.

（3）低涡的停滞及低层入侵的冷空气，导致2020年个例第1 d降水偏北，该个例第2 d总降水量相对较少，则主要是由于上升运动发展高度较低及水汽通量辐合较弱导致.尽管该个例第2 d总降水量较少，但该个例小时雨强的极端性更强，这与低涡停滞、低层冷空气入侵以及中高层冷空气入侵导致层结不稳定性增强有关.