一次由降水引发地质灾害的降雨过程模拟及诊断分析

向曦 彭艳秋 徐舒扬

摘要 利用再分析资料、探空资料以及多普勒天气雷达资料，对2021年6月云南大理白族自治州一次引发地质灾害的降雨过程进行诊断分析，并结合数值模式，对观测资料的诊断结果做验证。结果表明：此次降雨过程主要是受滇缅高压和副热带高压之间的季风槽影响，季风槽东移有利于引导低层水汽输送；切变线南压，有助于低空动力抬升，配合冷平流的作用，触发对流性降水天气；数值模拟试验进一步验证和再现了此次降雨过程的基本特征，与观测资料的诊断结果一致。

关键词 暴雨；数值模拟；诊断分析；地质灾害

中图分类号：P458 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）04–0114-05

云南省地处低纬高原季风气候区，干湿季分明。其地形复杂，山川交错，有较多的江河峡谷，喇叭口和迎风坡等特殊地形，从而有利于气流强迫抬升或冷空气下沉使谷底暖空气上升，多发强降水过程[1]。由于板块作用，云南地质环境脆弱，因此云南暴雨洪涝灾害及其衍生的地质灾害频发。据云南省气象灾害查询分析系统统计，2021年，云南暴雨洪涝及其衍生的地质灾害记录422条，造成18人死亡，2人失踪，受灾人数高达1 016 615人，直接经济损失为169 564.51万元。

暴雨的产生是多种天气尺度系统的共同作用，有利的大尺度环流是产生暴雨的环境条件[2]。陶云等[3]对云南罗平地区一次单点性暴雨过程的各种物理量进行诊断分析，发现天气尺度系统为此次天气尺度的系统提供了适合暴雨发生的环境场。马志敏等[4]研究表明，云南局地暴雨均发生在一定的大尺度环流背景下，可分为副热带高压外围型、两高辐合型、切变线型、热带低压型、孟加拉湾槽型5种类型。郭虎等[5]分析一次局地大暴雨过程中小尺度特征后发现，山前近地面地形辐合扰动是此次暴雨的主要动力源。

由于暴雨的影响系统种类多且相互影响，暴雨的研究工作极为困难。近年来，中尺度天气预报模式WRF成为暴雨研究的一个重要工具。丁治英等[6]利用实况资料和WRF模式对华南一次双雨带暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析，认为南压锋面的西南方向（广西沿海）生成的一低涡，成为位涡的输送源，对双雨带形成具有重要作用；张思豆等[7]利用WRF模式对一次川滇切变线致灾暴雨过程进行了数值模拟实验，并对结果进行诊断分析，结果表明：WRF模式对云南省切变线致灾暴雨系统具有较好的模拟效果。

为进一步了解云南局地降水引发灾害机理，提升当地气象灾害风险管理的能力，以一次由降水引发地质灾害案例为研究对象，从动力学和热力学等角度诊断分析此次降水过程，并结合WRF模式。对该案例降雨过程进行数值模拟。

1 案例实况

2021年6月7日17：00—8日17：00，云南大理白族自治州（以下简称大理州）巍山县出现强对流天气过程，局部伴有短时强降水、瞬时大风和雷电等强对流天气。2021年6月8日16：20，因马鞍山乡突发单点暴雨，导致一村民被山体落石击中，不幸身亡。

由于马鞍山乡红旗村委会芝麻坎村没有设置雨量监测系统，研究采用中国区域多源融合实况分析1 km分辨率产品—CMPAS逐小时降水实时产品进行实况分析。该数据集利用多种来源地面、雷达、卫星等的观测资料和数值模式产品，采用偏差订正、融合分析等关键技术研制而成，在中国区域质量优于国际同类产品，且空间分辨率更高。图1为CMPAS实况分析产品2021年6月7日17：00—8日17：00累计24 h降水分布。

根据CMPAS实况分析数据可知，2021年6月7日17：00—8日17：00，云南省大理州大部分地区有中到大雨，西北和东南部有局部地区有暴雨。大理州境内降水主要集中在大理市、巍山县、弥勒县交界处，局部地方达到大暴雨级别，并引发了洪涝及次生地质灾害。在图1中，红色五角星为本案例受灾地点，24 h累积降雨量超过100 mm，达到大暴雨级别，相较周边降雨量，局地暴雨特征明显。

2 案例过程分析

2.1 动力分析

图2、图3分别是美国国家环境预报中心（national centers for environmental prediction， NCEP）分辨率0.25°×0.25°的FNL再分析資料2021年6月7—8日500 hPa和700 hPa环流形势。7日08：00和14：00 500 hPa上，中高纬度为“两槽一脊”型，云南受滇缅高压和副热带高压的季风槽影响，季风槽略有东移，有利于引导低层水汽输送。在700 hPa上，7日08：00在陕甘上空有一条明显的低空切变线，14：00切变线略微南移，8日08：00低空切变南压至滇西，低空动力抬升作用明显增强，配合高空冷平流的作用，触发了对流性降水天气。8日14：00，切变线向东南方向移动，滇西地区降雨强度开始减弱。

2.2 水汽条件分析

水汽通量与水汽通量散度可以定量地描述水汽输送的方向、大小、积聚，尤其是850 hPa的水汽通量散度与降水有较好的关系。图4是FNL（0.25°×0.25°）再分析资料2021年6月7日8：00和14：00 850 hPa水汽通量和水汽通量散度。由图4可知，6月7日8：00，云南滇西的水汽条件较好，比湿达到了14 g/kg，根据水汽通量箭头指向，滇西地区周围有来自孟加拉湾的西南水汽向内输入，且此时滇西大部分水汽通量散度为负值，也说明有净水汽收入。至14：00，比湿有向西南递减的趋势，但滇西地区比湿仍在12 g/kg以上，且滇西大部分地区水汽通量散度仍为负值，说明在季风槽东移的影响下，低层水汽输送通道形成，滇西水汽得到了补充，为暴雨发生提供了良好的水汽条件。

2.3 热力分析

温度—对数压力（T-lnP）图在天气分析和预报工作中有着广泛的应用，T-lnP图能反映测站上空气压、气温、湿度等气象要素的垂直分布情况，并可以用来判定层结稳定度。丽江站和腾冲站是离大理州最近的探空气象站。由图5可知，7日08：00腾冲和丽江站地面到500 hPa附近温度露点差平均为1 ℃，有良好的水汽条件；对流有效位能值小（腾冲站40 J/kg），垂直风切变小于8 m/s，此时层结相对稳定，风随高度逆时针转动，虽具备一定的不稳定条件，但不容易产生很强的对流过程。8日08：00腾冲站、丽江站湿层均有不同的增厚，同时低层水汽条件较前一日增强，有利于产生持续的层状云降水；受700 hPa切变线南压影响，腾冲低层由偏北风转为偏西风，丽江700 hPa附近由西偏北气流转为西偏南气流，两站垂直风切变均增大，对流有效位能值增大（腾冲站189.3 J/kg），腾冲站SI值由-0.06减至-0.11，丽江站SI值由正变负，由0.86减至-1.05，环境条件有利于午后产生对流性降水。

2.4 多普勒雷达回波分析

多普勒天气雷达由于其高时空分辨率的特点，能有效探测暴雨、对流性天气。利用大理国家天气雷达站达基数据，绘制了2021年6月8日02：03和17：02的组合反射率和最低层仰角的径向速度图（图6）。从组合反射率图中可见云层为连续大面积的絮片状，水平范围较大强度分布均匀，回波强度主要在20～30 dBz之间，无规则边界，无明显强回波中心。从径向速度图可见，2个时次都为均匀的西南风，径向速度在7.2 m/s以下且速度梯度小，正负径向速度的分界线较平直，由此可见云中气流均匀稳定。由以上特征判断降水过程总体为稳定的层状云造成的降水。在午后17：02的反射率图中出现了零星几个单点回波强度＞45 dBz的回波，在径向速度图上存在相应的流场辐合区，可见在层状云降水的环流背景下局地产生了对流性降水。

3 数值模拟

利用美国国家环境预报中心（national centers for environmental prediction， NCEP）提供的6 h间隔、1°×1°分辨率的FNL再分析资料作为初始场和边界条件，结合V4.3.3版本WRF模式，对2021年6月7日17：00—8日17：00强降水过程进行数值模拟。模拟区域采用兰勃特投影，两层嵌套方案：模式中心区域为（25.34°N，100.04°E），第一层水平格点数100×100，水平格距10 km；第二层水平格点数146×146，水平格距2 km，垂直方向设置为51层。主要的物理过程参数化方案参考了HRRR（The High-Resolution Rapid Refresh）的配置，其中，微物理过程采用了Thompson aerosol-aware方案，长波辐射和短波辐射均采用RRTMG方案，陆面过程采用Noah-MP方案，边界层方案为Mellor-Yamada Nakanishi and Niino方案。模式第一层开启了积云参数化，采用了Grell-Freitas （GF）方案，第二层由于分辨率为2 km，小于4 km，无法开启积云参数化。模式初始时刻为6月7日UTC 00：00，积分时长为36 h，模拟时段包含了此次降水的全过程。

3.1 模拟降水量

由图7可知，通过对CMPAS降水实况和 WRF模拟结果进行对比，可以看到WRF对降水有较好的模拟结果，可以大致模拟出此次降水过程的雨带分布，几个主要的降水落区也基本符合，只是WRF模拟的降水量强度较实况融合数据偏大，且整个降水带略微向东北偏移，并对西南部的模拟稍弱。而图中黑色五角星为马鞍山乡芝麻坎村，WRF数值模拟对其降水强度的模拟结果相对实况融合数据要弱，仅达到中雨级别。虽然WRF数值模拟的暴雨区范围和强度都更大，且无法捕捉较细的降水特征，难以做到对单点暴雨的模拟，但总体而言，模式仍很好地模拟出此研究案例灾情发生的降水过程，并基本体现了此次暴雨过程的落区、强度和主要特征。

3.2 模拟对流有效位能（CAPE）和对流抑制能（CIN）

CAPE就是环境能够提供给抬升气块的最大正能量，它衡量了大气层结的不稳定性。CIN是表征近地面气块抬升至自由对流高度所需要的能量，因此，CIN衡量了对流层低层大气层结的稳定性。较强的CIN通常抑制对流（如深对流或者湿对流）的产生，但若CIN 较小，能量也不易在低层聚集，使得对流无法达到强对流的程度。因此，针对强对流的发生，CIN往往有较为合适的值。

图8为WRF模拟的2021年6月7日20：00和8日14：00的CAPE分布。在此次降水過程中，大理州的大部分地区对流有效位能CAPE＞500 J/kg，其中，以7日20：00东南部地区最高，CAPE＞1 200 J/kg，部分达到1 500 J/kg，对应的CIN则较小，大部分地区＜100 J/kg。

红色五角星为马鞍山乡芝麻坎村，7日20：00，WRF模拟的CAPE在750～1 000 J/kg之间，CIN为 50 J/kg；8日14：00，WRF模拟的CAPE在750～1 000 J/kg之间，CIN为 50～100 J/kg之间。较高的CAPE和较低CIN表明此次降雨过程具有一定的对流性降水的特征，除了大范围稳定连续降水，部分地区可能会出现短时强降水。

3.3 模拟雷达反射率因子

图9为模拟的2021年6月7日 17：00—8日17：00雷达最大反射率因子。此次降水过程主要由西北方向的大尺度降水云系东移形成，模拟的反射率因子大多＜30 dBz，夹杂着小块＞35 dBz的回波区域，表明此次降水以稳定的层状云系为主。24°N～26°N附近出＞35 dBz的回波区域，且随时间的不断增加，面积扩大范围和变化趋势与降水实况雨强落区中心基本一致，这是造成此次暴雨的主要原因。

4 结论

利用FNL再分析资料、探空资料以及雷达资料，诊断分析了2021年6月云南大理州的一次强降雨过程，并采用WRF模式，对降雨过程进行了数值模拟。综合分析如下。

（1）此次降雨过程主要是受滇缅高压和副热带高压之间的季风槽影响，季风槽东移有利于引导低层水汽输送。低层水汽通量散度为负值，说明在季风槽东移影响下，有源源不断的净水汽收入，为局地暴雨的产生提供了水汽条件。探空资料表明：受切变线影响，低空动力抬升作用明显增强，对流有效位能值增大，造成对流不稳定，有利于午后产生对流性降水。雷达回波组合反射率因子表明此次降水过程主要是稳定的层状云造成的，并在层状云影响下产生了局地对流性降水。

（2）数值模拟方法模拟的降水量、对流有效位能（CAPE）、对流抑制能（CIN）、雷达反射率因子均显示此次降水过程主要由西北东移的稳定层云造成，以大范围的连续稳定降水为主，但局地受到大尺度环流的影响，也会出现短时强降水。与观测资料的诊断结果一致。

（3）WRF模式虽然无法捕捉较细的降水特征，难以做到对单点暴雨的模拟，但可以大致模拟出此次降水过程的雨带分布和主要的降水落区。

（4）由于气象监测站网密度不够，很多高山峡谷没有雨量监测，而地形的起伏导致天气状况差异较大，在附近气象监测站点无法代表灾情发生地时，多元融合再分析实况数据、雷达资料、数值模式模拟可以作为财险理赔的一种辅助手段，提升当地的气象灾害风险管理的能力。

参考文献

[1] 李家垣，石昌惠，王恒康，等.云南暴雨的初步分析[J].云南大学学报（自然科学版），1983（Z1）：240-247.

[2] 张腾飞，马联翔，鲁亚斌，等.“20030816”云南暴雨过程的中尺度分析[J].云南大学学报（自然科学版），2006（2）：136-143.

[3] 陶云，段旭.尺度分离法在云南单点性暴雨诊断分析中的应用[J].云南大学学报（自然科学版），2003（4）：344-347，351.

[4] 马志敏，杨素雨，王治国，等.云南局地暴雨分型研究[J].云南大学学报（自然科学版），2020，42（1）：108-118.

[5] 郭虎，段丽，杨波，等.0679香山局地大暴雨的中小尺度天气分析[J].应用气象学报，2008（3）：265-275.

[6] 丁治英，刘瑾，赵向军，等.江淮气旋暖锋上多条对流带的组织结构及成因分析[J].大气科学学报，2019，42（5）：778-789.

[7] 张思豆，张杰，曹杰.云南一次致灾暴雨过程WRF模式模拟分析[J].灾害学， 2018，33（4）：204-210.

责任编辑：黄艳飞

Abstract The reanalysis data， sounding data and Doppler weather radar data were used to diagnose and analyze a rainfall process that caused geological disasters in Dali Bai Autonomous Prefecture of Yunnan Province in June 2021， and the diagnostic results of the observation data were verified by numerical model. The results show that the rainfall process was mainly affected by the monsoon trough between the Yunnan-Myanmar High and the subtropical high， and the eastward movement of the monsoon trough was conducive to guiding the water vapor transport in the lower layer. The southward pressure of the shear line was conducive to the dynamic uplift of the low altitude， and the cold advection triggers the convective precipitation weather. The numerical simulation test further verified and reproduced the basic characteristics of the rainfall process， which was consistent with the diagnostic results of the observation data.

Key words Rainstorm; Numerical simulation; Diagnostic analysis; Geological hazard

基金項目 大理州重点科技支撑专项计划“大理州灾害性天气气候致灾风险研究”（D2021NA03）。

作者简介 向曦（1986—），女，云南大理人，工程师，主要从事应用气象、气候可行性影响评估、巨灾指数保险研究。