昆明市主城區(qū)一次局地短時強降水特征研究

楊芳園，甄廷忠，鄒靈宇，王占良，石寶靈，潘婭婷

（昆明市氣象局，云南 昆明 650034）

短時強降水是對流系統在短時間內（6 h以內）造成的較大雨量，是昆明市夏季較為常見的致災性嚴重的強對流天氣之一，易造成城市內澇，農田漬澇，也是引發(fā)山洪滑坡、泥石流等地質災害發(fā)生的主要原因，對城市運行、公共安全、人民生命安全等造成了嚴重的影響，因此加強短時強降水產生的機理研究及臨近監(jiān)測預警均有非常重要的意義。

近些年，國內外學者對短時強降水過程產生的機理做了大量的研究[1-3]。劉裕祿等[4]統計分析了2015年發(fā)生在黃山地區(qū)的短時強降雨時空分布，研究了地形動力阻擋和熱力作用對強降雨的增幅作用，短時強降雨的發(fā)生次數及分布與山脈形態(tài)一致，與地形高度密切相關，黃山風景區(qū)地形對降水量的增幅作用在迎風坡可達60%。陳永仁等[5]指出，地形與短時強降水的發(fā)生有一定的相關性，地形能夠激發(fā)更多的短時強降雨過程的發(fā)生；劉蕾等[6]指出，地形會使迎風坡的西南暖濕氣流與低層冷空氣交匯產生的垂直擾動疊加，從而激發(fā)垂直上升運動強烈發(fā)展并觸發(fā)對流不穩(wěn)定發(fā)展。金少華等[7]對發(fā)生在哀牢山東側的大暴雨天氣過程進行診斷分析，探究了云南哀牢山地形在暴雨過程中的作用。目前隨著常規(guī)觀測資料時空分辨率的提高及新一代天氣雷達資料的廣泛應用，短時強降水的分析研究和預報預警服務水平有了很大的提高。支樹林等[8]利用常規(guī)資料分析了南昌地區(qū)一次夜間發(fā)展起來的致災大暴雨天氣過程的中尺度對流條件，指出南昌西側的山地地形與東側的鄱陽湖水體共同作用，增強了觸發(fā)抬升條件，有利于該區(qū)域降水的加強和維持，且相對組合反射率CR、雷達回波液態(tài)含水量產品VIL值隨時間的變化對雨強預報具有更顯著的指示作用。馬月枝等[9]利用區(qū)域自動站觀測資料、多普勒雷達監(jiān)測產品等資料在研究新鄉(xiāng)強對流過程中指出，雷暴外流邊界也是強對流的重要觸發(fā)機制，太行山東側的雷暴外流邊界受地形抬升作用，導致了局地短時強降水天氣。郝瑩等[10]統計分析了安徽1995—2010年不同強度的短時強降水的時空分布及雷達回波特征，建立了短時強降水的3種概念模型。段鶴等[11]對云南普洱、西雙版納537次短時強降水天氣過程進行統計分析，建立了3種短時強降水概念模型，給出了短時強降水的回波特征，并探討了輻合作用與強降水維持時間的關系，DVIL與降水量間的關系。

近些年昆明市主城區(qū)強降水的分布特征，一是降水以歷時短、強度大、局地性強的單點性短時強降水或暴雨為主；二是受復雜地形影響較大。昆明短時強降水主要由中小尺度系統引起，引發(fā)的城市內澇已成為各界普遍關注的城市問題，目前利用區(qū)域站分鐘數據對短時強降水天氣的形成機制、影響過程以及地形在昆明市降水過程中的作用研究相對較少。2018年6月8日夜間至9日凌晨昆明市南部縣區(qū)出現了大雨到暴雨，局部大暴雨的天氣，造成了嚴重的城市內澇?；谇叭搜芯康幕A上[12-13]，本文利用NCEP 1°×1°再分析資料、多普勒天氣雷達及5 min地面自動站加密觀測資料，從環(huán)流背景、雷達中尺度特征等方面進行研究，探討了強降水的雷達回波特征，地形對強降水的增幅作用，以及5 min雨量與組合反射率、雨強分布間的關系，以期在復雜地形下，利用實時常規(guī)觀測資料，為昆明市局地短時強降水天氣的精細化預報及臨近預警提供一定的參考依據，進一步提高短時強降水的預報預警能力。

1 降水概況

2018年6月8日20時—9日02時，昆明市南部縣區(qū)出現中到大雨，局部暴雨至大暴雨的天氣，并伴有明顯的雷電活動，本次過程全市自動氣象觀測站共出現1站大暴雨，61站暴雨，140站大雨。圖1給出了2018年6月8日19時—9日02時短時強降水（≥20 mm/h）落區(qū)，及主城區(qū)護國路、石林尾乍黑村逐小時降水量。該過程以短時強降水為主，范圍主要集中在昆明主城區(qū)，強降水出現時間集中在8日20—21時，最大小時雨強達51.5 mm，之后降水開始向東南方向移動，全市最大降水量出現在石林尾乍黑村，24 h降水量為105.4 mm，2 h累積為79.6 mm（8日23時—9日01時）。由于本次降水時間集中，雨強大，局地性強，短時強降水大部集中在昆明主城區(qū)，引起了嚴重的城市內澇，昆明主城多條道路被淹，積水深度達50 cm及以上，多條路段交通中斷，城市交通幾乎癱瘓，造成了很大的社會影響。

2 環(huán)流背景

2.1 天氣形勢

2018年6月8日08時，高原上有短波槽，20時（圖2a）高原槽逐漸東移至四川東部—滇東北一帶，584線位于昆明北部，溫度槽明顯落后于高原槽，槽后的西北氣流與溫度槽有一定的夾角，不斷引導高層冷空氣南下，孟加拉灣附近有季風低壓存在，云圖上，低壓附近云系活躍，云南處于低壓外圍且不斷有對流云系生成，有利于水汽不斷向云南上空輸送。08時700 hPa在四川中部存在切變線，20時切變已快速南壓至哀牢山附近，從圖2b可見，切變后部（橢圓區(qū)域）風速較大，且有明顯的溫度槽，冷平流輸送明顯，有利于低層冷空氣向云南輸送。孟加拉灣低壓與切變線的共同影響為本次過程提供了較好的動力條件。

圖1 6月8日19時—9日02時昆明市短時強降水（a）及主城區(qū)護國路、石林尾乍黑村區(qū)域自動站逐小時降水量（b）

8日20時地面冷鋒位于昆明北部，冷鋒后部有6～14 ℃的負變溫，2～7 hPa的正變壓，在低層偏東風的引導下，從貴州回流的冷空氣影響到滇中地區(qū)。鋒面系統在地面流場上的表現一般為風向上的輻合，且鋒面附近存在明顯的氣象要素變化[14]。從逐小時地面流場演變過程分析（圖3），東北風攜帶南下的冷空氣與西南風攜帶的暖空氣剛好在昆明附近交匯，結合氣象要素變化，20時輻合線位于昆明東部（圖3a），與鋒面位置基本一致，可用輻合線代替鋒面位置。21時鋒面剛好位于昆明附近，主城位于強輻合區(qū)內（圖3b），與強降水的開始時間相吻合，地面冷鋒與地面輻合線為本次局地短時強降水的發(fā)生發(fā)展提供了較好的抬升觸發(fā)機制。

2.2 中尺度環(huán)境特征

2.2.1水汽條件

短時強降水的發(fā)生除了上述天氣形勢提供的動力機制外，充沛的水汽條件也必不可少。圖4給出的是2018年6月8日20時700 hPa的水汽通量和水汽通量散度圖（黑點位置為昆明），水汽通量表示水汽輸送的強度和方向，水汽通量散度能反映水汽通量的輻散和輻合。在96°～98°E附近有6×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1的強水汽通量區(qū)，在滇東北至曲靖市一帶有8×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1的強水汽通量區(qū)，表明本次過程有兩支水汽向云南上空輸送，一支是來自孟加拉灣低壓外圍的輸送，一支是切變后部的東北氣流向南輸送水汽，且北支水汽輸送略強于南支水汽輸送。從矢量看，兩支水汽剛好在昆明上空交匯，昆明地區(qū)處于4×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量區(qū)，且昆明上空處于-50×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1的強水汽輻合中心，當兩支水汽輸送到昆明時就會產生較強的輻合上升，為本次過程提供了水汽條件。

2.2.2不穩(wěn)定條件

圖2 2018年6月8日20時500 hPa（a）和700 hPa（b）環(huán)流形勢場（單位：dagpm，黑色實線，黑色粗線500 hPa為槽線，700 hPa為切變線）和溫度場（單位：℃，灰色虛線）

圖3 2018年6月8日20時（a）和21時（b）逐小時前2 min地面流場

圖4 2018年6月8日20時700 hPa水汽通量（等值線，單位：10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1，矢量方向表示水汽輸送方向）和水汽通量散度（陰影，單位：10-6g·cm-2·hPa-1·s-1）

為探討分析本次強對流天氣產生的中尺度環(huán)境特征，表1給出了當日08時和20時昆明單站探空物理量。強降水發(fā)生前和發(fā)生過程中，昆明上空濕層深厚，特別是發(fā)生過程中濕層更加深厚。低層從08時的西南風轉變?yōu)?0時的東南風，風向的轉變使得低層垂直風切變有所增強，弱垂直風切變更有利于產生對流暴雨。由表1可知，對流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）由0.3 J·kg-1增加至217.3 J·kg-1，雖然增加得不明顯，但是由于午后增溫，大氣對流不穩(wěn)定度有所增加，強對流天氣出現的可能性明顯增大。對流抑制能量（Convection Inhibition，CIN）從0 J·kg-1增加至83.1 J·kg-1，CIN如果太大，對流抑制強，強對流天氣不容易發(fā)生；CIN如果太小，不利于不穩(wěn)定能量在低層積聚，也不容易發(fā)生太強的對流，而一定的CIN有利于能量的積蓄和強對流天氣的產生，因此20時83.1 J·kg-1的對流抑制能量有利于強對流活動的發(fā)展。沙氏指數（Showalter Index，SI）由0.38 ℃降低至-2.59 ℃，表明大氣層結不穩(wěn)定，發(fā)生雷暴的可能性較大[15]，對強對流天氣的發(fā)生發(fā)展有顯著的指示意義；地面抬升指數（Lifting Index，LI）也從1.93 K降低至-1.43 K，表明昆明附近存在有利的抬升條件，為對流性降水提供了有利的環(huán)境條件[8]。根據云的微物理理論，暖云的降水效率要明顯高于冷云，降水系統中暖云層越厚，越有利于高降水效率的產生，暖云層的厚度可以用抬升凝結高度（LCL）到融化層（0 ℃層高度）高度間的厚度來估算[16]。08—20時，昆明站的0 ℃層高度從5 205.4 m增至5 354.7 m，抬升凝結高度（TCL_P）從727.2 hPa升至704.9 hPa，經計算20時相對08時暖云層厚度有所減小，減小幅度在51 m，但20時的暖云層厚度仍然較厚，厚的暖云層保證了降水系統中云粒子在下沉氣流中較少地被蒸發(fā)，降水效率較高。因此，在濕層深厚、一定的對流不穩(wěn)定能量及垂直風切變、抬升觸發(fā)機制等有利條件的共同作用下，促使昆明主城及南部縣區(qū)出現了短時強降水天氣。

表1 2018年6月8日昆明探空物理量

此次短時強降水天氣發(fā)生在較為有利的環(huán)境背景下，孟加拉灣低壓、700 hPa切變線、地面冷鋒的共同影響使得冷暖空氣在昆明上空交匯，充沛的水汽條件，地面輻合線在昆明主城及南部縣區(qū)的長時間維持，為該區(qū)域提供了較好的動力抬升機制，探空資料中的部分參數及指數表明，昆明上空大氣層結不穩(wěn)定，具有產生短時強降水這類強對流天氣的潛勢。

3 地形作用

圖5 6月8日19—22時區(qū)域自動氣象站累計超過50 mm的雨量（單位：mm）與地形疊加圖

本次短時強降水過程集中出現在昆明主城區(qū)及周邊部分區(qū)域內（圖1a），具有非常明顯的局地性，云南局地強降水過程往往受地形影響明顯[17]。為探究本次短時強降水過程中，為何降水主要集中在昆明主城區(qū)，圖5給出了過程期間8日19—22時昆明部分區(qū)域站累積降水量與地形的疊加圖，紅色為超過50 mm以上的降水量，A處為本次過程中，主城區(qū)強降水中心，強降水區(qū)域主要位于山區(qū)以南，滇池以北的中部地區(qū)，區(qū)域自動站風場顯示A區(qū)域北部為東北風，以南為偏南及西南風，存在明顯的風向輻合（圖3），分析認為造成該強降水中心（A區(qū)域）的主要原因之一是主城區(qū)特殊復雜的地理位置，其所在地形北、東、西三面環(huán)山，中部、南部低，南瀕滇池，偏南及西南氣流有利于將滇池流域的暖濕氣流向北部山區(qū)輸送抬升，地形對伴隨冷空氣南下的東北氣流也有輻合抬升作用。地形抬升所造成的垂直速度伸展高度雖然很小，但由于低層濕度大，所造成的降水量往往不容忽視，是迎風坡降水增幅的動力因子物理量[18]。B處為三家村水庫附近的另一個強降水中心，地形的強迫抬升作用及暖濕氣流的共同作用也是該處出現短時強降水的原因之一。由此可見，本次主城區(qū)短時強降水過程中，地形附近的降水明顯大于其他地區(qū)，地形對降水的增幅作用顯著。

另外，隨著城市建設規(guī)模的擴大，人口劇增，城市的生活方式和特殊的地面結構共同作用于大氣，城市熱島效應越來越明顯，改變了城市及其周邊地區(qū)溫度場的分布和次級環(huán)流，從而改變降水時空分布特征，使得大城市的降水量增加，形成典型的“城市雨島”，且雨島效應在汛期出現的頻次更集中，城市雨島是昆明市主城區(qū)短時強降水發(fā)生次數增多的另外一個原因。

4 中尺度特征分析

4.1 組合反射率因子特征

為進一步提高短臨預報中對短時強降水的預報預警能力，圖6為20：01—21：30的昆明雷達組合反射率因子CR（30 km距離圈）及0.5°仰角基本徑向速度演變圖（60 km距離圈），從回波演變過程分析，19：30左右強回波位于雷達站左側安寧市附近，自西向東影響昆明市。20：01強回波位于雷達站附近（圖6a），呈密實的層狀—積狀云混合降水特征，較強中心反射率因子強度在46 dBZ左右，此時，昆明主城西部的回波強度達40 dBZ左右，隨后，對流逐漸東移發(fā)展，不斷有40 dBZ的強回波在昆明主城上空經過，20：31主城上空回波較密實（圖6b），21：01回波進一步發(fā)展（圖6c），范圍擴大，但結構比前一時次松散，21：30（圖6d）回波逐漸向東南方向移動，造成了呈貢區(qū)、宜良縣、石林縣等地區(qū)的強降水天氣，主城回波明顯減弱，降水也逐漸減弱。過程期間昆明上空有明顯的“列車效應（Train Effect）”，因此導致該區(qū)域出現短時強降水。

從速度圖的演變過程可知，20：01雷達站附近為氣旋性環(huán)流（圖6e），雷達站西南部及主城附近有小尺度輻合區(qū)生成，且入流（冷色）速度區(qū)域明顯大于出流（暖色）速度區(qū)域，具有明顯的輻合，系統將加強和維持。20：31—21：01主城附近仍存在輻合區(qū)，位置穩(wěn)定少動，強降水天氣持續(xù)，且此時段昆明主城降水最明顯（圖6f，6g）。21：30隨著系統東移，主城區(qū)附近的輻合區(qū)已移至呈貢一帶，主城轉為入流區(qū)域，強降水已明顯減弱（圖6h）。中小尺度輻合區(qū)的穩(wěn)定維持是引起強降水回波穩(wěn)定少動的主要原因，是短時強降水預報預警的關鍵[10]。

4.2 垂直剖面結構特征

為更好地研究短時強降水發(fā)生時的回波特征，圖7為強降水時段沿雷達徑向至昆明主城區(qū)作反射率因子和徑向速度的垂直剖面圖。由圖7可見，35～40 dBZ的回波發(fā)展高度在6 km附近及以下（圖7a），強回波主要集中在中低層，屬于熱帶降水型，結合表1中20時昆明站0 ℃層高度為5 354.7 m，本次過程暖云層深厚，產生短時強降水的效率更高。對應徑向速度圖上（圖7b），距離雷達14 km附近（昆明主城位置），存在小尺度徑向輻合區(qū)（橢圓處），輻合從低層延伸到6 km附近，較深厚；低層輻合，高層輻散，有利于強降水的維持和發(fā)展。

圖6 6月8日昆明多普勒雷達組合反射率因子CR（a～d，單位：dBZ，30 km范圍）和0.5°仰角基本徑向速度（e～h，單位：m/s，60 km范圍）

圖7 20：49昆明雷達站反射率因子（a，單位：dBZ）和徑向速度剖面（b，單位：m/s）

4.3 分鐘數據在強降水天氣中的指示作用

圖8 20：15—21：15分逐5 min雨量與同期雷達組合反射率CR（a，單位：dBZ）和雨強分布RZ（b，單位：mm/h）值的對比

為更好地利用雷達產品對短時強降水這類災害性天氣進行監(jiān)測和預警，提前預報強降水的變化趨勢、持續(xù)時間，為判斷雨強大小提供指示作用，本文以昆明市主城區(qū)護國路站（最強短時強降水中心）為例，選取降水最強時段內20：15—21：15逐5 min雨量，與同時間段內雷達組合反射率CR和雨強分布RZ進行定量對比分析（圖8），從逐5 min雨量和CR的變化趨勢可知（圖8a），除個別時間段存在誤差外，5 min雨強與組合反射率的變化趨勢基本一致，降水較明顯時段20：45—20：55期間，CR值在42～44 dBZ，相應的5 min雨量最強達7.2 mm，隨后CR開始減弱，降水也逐漸減弱。通過分析5 min雨量與同時段雨強分布RZ的變化趨勢可知（圖8b），20：30—20：55 RZ呈波動性增加，對應的5 min雨量也呈波動性變化，20：55雨強分布增至12 mm/h，RZ值出現躍增時段剛好對應強降水時段；隨后21時RZ減小至11 mm/h，5 min雨量為4 mm，隨后RZ呈明顯減小趨勢，5 min降水也逐漸減弱，二者的變化趨勢也基本一致，雖然每6 min給出的RZ值一般較5 min雨量值略高，但RZ值的變化對預測5 min雨量具有一定的指導意義。因此，通過分析CR值和RZ值隨時間的變化趨勢可預測強降水的生消發(fā)展演變，CR值對強降水的持續(xù)時間及變化趨勢具有較好的指示意義，RZ值的變化趨勢及數值大小對5 min雨強預報的指示作用更明顯。

綜上所述，從本次局地短時強降水天氣雷達回波特征中可分析出明顯的“列車效應”，強回波主要集中在中低層，為熱帶降水型。強降水區(qū)存在明顯的輻合區(qū)，且輻合區(qū)較深厚，具有短時強降水和暴雨發(fā)生時的典型特征[19]。在實際工作中，可結合利用6 min的雷達組合反射率CR和雨強分布RZ的變化趨勢對強降水持續(xù)時間，5 min雨強大小進行預報，為強對流天氣的監(jiān)測和預警提供一定的參考和依據。

5 結論與討論

本文對2018年6月8日夜間昆明地區(qū)出現短時強降水的天氣過程，從環(huán)流背景條件、地形對降水的局地增幅作用、雷達回波中尺度特征及分鐘數據在強降水天氣中應用等方面進行特征分析，得出以下結論：

（1）此次短時強降水過程產生于孟加拉灣低壓、700 hPa切變線和地面冷鋒的共同影響下，孟加拉灣低壓及東北氣流攜帶南下的水汽在昆明上空輻合上升，為短時強降水的產生提供了充足的水汽條件。地面冷鋒及輻合線，為強降水的產生提供了抬升觸發(fā)機制。強降水發(fā)生前，昆明上空暖云層深厚，氣層不穩(wěn)定，具有一定的對流不穩(wěn)定能量及垂直風切變，有利的抬升條件為強降水天氣的產生提供了動力、水汽等環(huán)境條件。

（2）短時強降水出現的集中區(qū)域位于昆明主城區(qū)，主城的特殊地形造成的強迫抬升和輻合作用加強了局地強降水。另外，滇池等大型水體也對此次局地強降水的分布有明顯的影響作用。城市熱島作用下產生的“雨島效應”也是主城區(qū)短時強降水發(fā)生的原因之一。

（3）本次強降水發(fā)生時昆明主城區(qū)及南部縣區(qū)形成了“列車效應”，存在明顯的輻合區(qū)，強回波集中在中低層。6 min的雷達組合反射率CR和雨強分布RZ與逐5 min的雨量變化趨勢較一致，CR值對強降水的持續(xù)時間及變化趨勢具有較好的指示意義，RZ值的變化趨勢及數值大小對5 min雨強預報的指示作用更明顯。

短時強降水的落區(qū)預報、雨強大小一直是短臨預報中的重點與難點，本文分析了引起此次局地短時強降水天氣過程的成因，并探討了地形在本次降水過程中增幅作用，但僅為一次個例分析，地形與城市環(huán)流間的相互作用，地形對昆明主城區(qū)降水強度及落區(qū)的影響程度，均有待于今后對更多的強降水天氣過程進行統計分析。隨著觀測資料空間和時間分辨率的不斷提高，在今后的實際預報業(yè)務工作中，將通過對比研究多普勒雷達產品與分鐘雨量間的關系，融合多種觀測資料，不斷總結出適合本地的預報指標，從而提高災害性強對流天氣預報的準確率。