重慶市中部一次對(duì)流性暴雨的中尺度分析

杜愛(ài)軍，鄧承之，李佳雯，翟丹華

（1.重慶市巴南區(qū)氣象局，重慶 401320；2.重慶市氣象臺(tái)，重慶 401147；3.重慶市忠縣氣象局，重慶 404300）

暴雨是最為常見(jiàn)的災(zāi)害性天氣，具有突發(fā)性和強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)［1］，是造成洪澇災(zāi)害，誘發(fā)泥石流等次生災(zāi)害的重要影響因子。重慶市地處長(zhǎng)江上游、四川盆地東部，轄區(qū)內(nèi)山脈縱橫，水系發(fā)達(dá)，地形地貌復(fù)雜且地質(zhì)結(jié)構(gòu)敏感，是中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率最高的地區(qū)之一［2］。在全球氣候變暖的背景下，夏季暴雨頻發(fā)，給人們的生產(chǎn)生活和生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重的威脅，氣象防災(zāi)減災(zāi)的必要性及緊迫性進(jìn)一步增加。

由于中國(guó)受到東亞夏季風(fēng)的影響，強(qiáng)降水天氣是中低緯度環(huán)流系統(tǒng)相互作用的結(jié)果［3］，低緯環(huán)流系統(tǒng)為強(qiáng)降水提供了充足的水汽。在降水地理分布上，中國(guó)南方強(qiáng)降水天氣的雨量和強(qiáng)度往往比北方強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)［4］。

暴雨的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)是氣象預(yù)報(bào)員所關(guān)注的重點(diǎn)，了解暴雨發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律，對(duì)提高暴雨預(yù)報(bào)服務(wù)水平、做好防汛減災(zāi)以便更好地為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)服務(wù)。氣象學(xué)者對(duì)中國(guó)暴雨的研究不斷深入，取得了一系列的成果［5-11］。已有很多專家學(xué)者從多方面分析并討論了暴雨產(chǎn)生的機(jī)制和特點(diǎn)。張曉美等［12］利用地面自動(dòng)站、衛(wèi)星資料、雷達(dá)資料及再分析資料對(duì)華南地區(qū)暴雨的中尺度系統(tǒng)進(jìn)行了分析。魏東等［13］對(duì)北京地區(qū)深秋季節(jié)一次對(duì)流性暴雨天氣的中尺度進(jìn)行了分析。袁美英等［14］為了揭示東北短歷時(shí)暴雨的觀測(cè)事實(shí)和預(yù)報(bào)線索，分析了東北地區(qū)一次罕見(jiàn)的短時(shí)大暴雨中尺度系統(tǒng)。盧煥珍等［15］利用常規(guī)觀測(cè)資料及加密資料，結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)資料，對(duì)天津一次分散的暴雨中尺度對(duì)流系統(tǒng)特征進(jìn)行了分析。吳志鵬等［16］利用ARPS3DVAR 和WRF 快速同化模式對(duì)西南地區(qū)的強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，并檢驗(yàn)了預(yù)報(bào)結(jié)果。聶云等［17］對(duì)梵凈山東南側(cè)夏季暖區(qū)暴雨中尺度系統(tǒng)演變與環(huán)境場(chǎng)特征進(jìn)行了分析。尉英華等［18］利用常規(guī)觀測(cè)資料和雷達(dá)資料，從大氣環(huán)流和垂直結(jié)構(gòu)特征及對(duì)流發(fā)展機(jī)制分析了地面冷鋒后華北地區(qū)的一次局地大暴雨過(guò)程。劉慧敏等［19］對(duì)陜北局地大暴雨過(guò)程進(jìn)行了β中尺度特征分析。

暴雨是重慶市主要的氣象災(zāi)害。研究表明，重慶市暴雨天氣多在有利的大尺度環(huán)流背景下發(fā)生，暴雨主要受高原槽（渦）、西南低渦、切變線和高低空急流和地面冷鋒等系統(tǒng)影響。地面冷鋒是重慶市暴雨的重要天氣尺度影響因子，統(tǒng)計(jì)表明，近80%的重慶區(qū)域性暴雨與地面冷空氣活動(dòng)有關(guān)，冷空氣主要起到觸發(fā)不穩(wěn)定能量的作用［20］。重慶市汛期強(qiáng)降水具有東多西少的特征，渝東北和渝東南降水量大，渝中和渝西降水量小，每年因?yàn)楸┯暝斐傻慕?jīng)濟(jì)損失達(dá)千萬(wàn)元，如“1981.7.13”及“2007.7.17”等特大暴雨天氣均對(duì)重慶市社會(huì)及經(jīng)濟(jì)造成了重大影響。

暴雨是多尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物，其發(fā)生發(fā)展的機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)于暴雨中尺度系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)、對(duì)流發(fā)展的局地物理?xiàng)l件及其變化過(guò)程等，依然是研究的難題［21］。這些難題直接影響對(duì)暴雨規(guī)律的認(rèn)識(shí)和把握，進(jìn)而影響暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。2018 年8 月22 日至23 日（簡(jiǎn)稱“8.22”），重慶市中部出現(xiàn)了一次大暴雨天氣過(guò)程。“8.22”事件具有降水強(qiáng)度強(qiáng)、時(shí)間集中、局地性強(qiáng)等特點(diǎn)，但預(yù)報(bào)顯著偏弱，低估了暴雨的強(qiáng)度及維持時(shí)間。本研究著重從常規(guī)自動(dòng)站觀測(cè)資料、探空資料、再分析資料、閃電資料、雷達(dá)資料等多源觀測(cè)資料，圍繞22 日08：00 至23 日08：00 降水和對(duì)流系統(tǒng)的演變和結(jié)構(gòu)特征、觸發(fā)和維持機(jī)制、移動(dòng)緩慢成因等方面對(duì)該次事件的中尺度特征和成因進(jìn)行分析，為提高該類天氣的預(yù)報(bào)服務(wù)水平提供參考，并為后續(xù)的深入研究提供理論基礎(chǔ)。

1 天氣概況

2018 年8 月22 日08：00 至23 日08：00，重慶市出現(xiàn)一次大暴雨天氣過(guò)程，強(qiáng)降雨集中在重慶中部，全市大暴雨（100~249.9 mm）站點(diǎn)66 個(gè)，暴雨（50~99.9 mm）站點(diǎn)192 個(gè)，最大累積降雨量出現(xiàn)在豐都新建（A8828），達(dá)198.3 mm（圖1a）。過(guò)程中重慶中部地區(qū)持續(xù)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，夜間短時(shí)強(qiáng)降雨落區(qū)較白天更為集中（圖1b、圖1c）。

圖1 2018 年8 月22 日8：00 至23 日8：00 降水分布

此次過(guò)程中最大小時(shí)雨強(qiáng)與短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)數(shù)的時(shí)間演變情況見(jiàn)圖2。由圖2a 可知，8 月22 日08：00 至23 日08：00 期間強(qiáng)降雨在重慶境內(nèi)維持，形成了以重慶市豐都區(qū)為大暴雨中心的降水落區(qū)，強(qiáng)降雨存在2 個(gè)峰值時(shí)段，分別為22 日13：00 至14：00 和22 日23：00 至23 日03：00。暴雨過(guò)程中共有368 個(gè)區(qū)域站小時(shí)雨強(qiáng)超過(guò)20 mm，小時(shí)雨強(qiáng)最大值出現(xiàn)在23 日01：00 豐都新建，達(dá)91.4 mm/h，且01：00的分鐘降雨量均大于1.0 mm（圖2b）。

圖2 最大小時(shí)雨強(qiáng)與短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)數(shù)的時(shí)間演變情況

此次暴雨過(guò)程降水強(qiáng)度強(qiáng)，降水集中，造成重慶近萬(wàn)人受災(zāi)，大量房屋受損，給人民的生產(chǎn)生活帶來(lái)嚴(yán)重影響。

2 影響系統(tǒng)及環(huán)境條件

此次天氣過(guò)程發(fā)生在有利的中尺度環(huán)境條件下。8 月22 日08：00 500 hPa 大陸高壓控制兩湖地區(qū)，大陸高壓西北側(cè)有地面冷空氣自華北地區(qū)回流侵入重慶市東部。鋒前暖區(qū)上空500 hPa 存在前傾的短波槽，河套地區(qū)有冷槽東南移，且重慶市整體處于高濕區(qū)，比濕≥14 g/kg。在上述系統(tǒng)的共同影響下，22 日白天重慶中部及東北部地區(qū)出現(xiàn)對(duì)流性強(qiáng)降雨。22 日夜間500 hPa 大陸高壓維持，但中心有所減弱。大陸高壓西側(cè)的地面冷鋒迅速移過(guò)重慶市，鋒后對(duì)流層低層由四川盆地北部南下的偏北風(fēng)與兩湖地區(qū)進(jìn)入重慶地區(qū)的較強(qiáng)偏東風(fēng)在重慶中部地區(qū)相遇，地面至850 hPa 均存在位置相近的輻合區(qū)，尤其是23 日02：00，豐都區(qū)附近為水汽輻合中心，最強(qiáng)達(dá)-20 g/（cm2·hPa·s）。500 hPa 河套冷槽與重慶地區(qū)短波槽合并，并與700 hPa 切變線東移至上述地區(qū)，共同形成地面至500 hPa 深厚的輻合和垂直運(yùn)動(dòng)區(qū)。由于兩湖地區(qū)大陸高壓和低層較強(qiáng)偏東風(fēng)的維持，上述系統(tǒng)東移緩慢，重慶市中部地區(qū)的輻合上升運(yùn)動(dòng)維持，利于持續(xù)性強(qiáng)降水的出現(xiàn)。

探空是分析本地大氣環(huán)境熱力穩(wěn)定度、動(dòng)力穩(wěn)定度的重要手段，選取離暴雨區(qū)較近的恩施站探空資料。22 日08：00，恩施站K指數(shù)達(dá)到40 ℃，SI指數(shù)達(dá)-2.47，CAPE 達(dá)到1 112 J/kg，考慮到白天增溫，午后CAPE 將進(jìn)一步增加，且中低層濕層深厚，有利于短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生。22 日20：00 恩施站K指數(shù)降至35 ℃，CAPE 降至220 J/kg，但夜間對(duì)流層中低層水汽輻合增強(qiáng)；23 日08：00 400 hPa 以下達(dá)到飽和濕層，“瘦長(zhǎng)型”的CAPE 增加至490 J/kg，利于短時(shí)強(qiáng)降雨的維持。22 日20：00 后，對(duì)流層低層850 hPa 維持顯著的偏東風(fēng)，對(duì)流系統(tǒng)東移速度減慢，有利于強(qiáng)降雨在重慶中部地區(qū)持續(xù)?？梢?jiàn)，暴雨期間具有充足的水汽和不穩(wěn)定能量，且夜間500 hPa 與850 hPa的風(fēng)向相反，有利于短時(shí)強(qiáng)降雨的發(fā)展和持續(xù)。

3 強(qiáng)降雨持續(xù)的中尺度分析

3.1 雷達(dá)資料分析

大氣環(huán)流背景場(chǎng)和物理量場(chǎng)的特征只表征大尺度環(huán)境有利于強(qiáng)降水，但降水發(fā)生還取決于對(duì)流的觸發(fā)、持續(xù)和各方面條件的配合［22］。結(jié)合重慶市地形，應(yīng)用閃電觀測(cè)資料和重慶萬(wàn)州SB 雷達(dá)分別對(duì)8月22 日白天梁平和22 日夜間重慶中部地區(qū)強(qiáng)降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的演變和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。

3.1.1 8 月22 日白天中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變 22 日08：00 開(kāi)始，雷達(dá)回波在四川境內(nèi)生成和發(fā)展，重慶市東北部有中尺度對(duì)流系統(tǒng)形成，其余地區(qū)均是分散的對(duì)流回波。10：00 至11：00 該對(duì)流系統(tǒng)東移至四川與重慶交界處，此后的1 h 內(nèi)緩慢東移。12：00開(kāi)始強(qiáng)回波移入梁平境內(nèi)，且結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，最強(qiáng)回波強(qiáng)度超過(guò)45 dBZ，且有分散的對(duì)流回波在前方不斷生成。12：00 至13：00 回波移動(dòng)緩慢，主體在明月山和清華山之間，且該時(shí)段內(nèi)重慶境內(nèi)云地閃基本發(fā)生在分散的對(duì)流回波處，13：00 反射率因子范圍和梯度最大，且最強(qiáng)回波超過(guò)50 dBZ，該小時(shí)有多個(gè)自動(dòng)站觀測(cè)到了高強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降水，39 個(gè)自動(dòng)站小時(shí)雨量超過(guò)20 mm，其中最強(qiáng)達(dá)到76.5 mm。13：00至14：00，回波繼續(xù)緩慢東移，超過(guò)50 dBZ 的回波維持了0.5 h 左右，后回波結(jié)構(gòu)開(kāi)始松散減弱（圖3）?？梢?jiàn)，22 日白天強(qiáng)降雨主要由四川省東北部移入重慶市東北部的中尺度對(duì)流系統(tǒng)和多個(gè)分散性的對(duì)流系統(tǒng)的緩慢移動(dòng)形成。

3.1.2 8月22日夜間對(duì)流系統(tǒng)演變 8月22日22：00有弱對(duì)流生成，最強(qiáng)回波大于35 dBZ。22：00至23：00該對(duì)流回波最強(qiáng)達(dá)到了40 dBZ，地面自動(dòng)站觀測(cè)有弱降水（1.3 mm），并出現(xiàn)零星云地閃電。23：00 對(duì)流開(kāi)始顯著增強(qiáng)，到23 日00：00，與1 h 前的位置相比，對(duì)流系統(tǒng)從重慶市豐都區(qū)東北方向朝中部移動(dòng)，最強(qiáng)回波呈近南北帶狀走向，水平尺度顯著增大，此時(shí)最強(qiáng)回波超過(guò)40 dBZ，閃電主要發(fā)生在強(qiáng)回波帶上，但數(shù)量很少。00：00 至00：40，對(duì)流系統(tǒng)穩(wěn)定少動(dòng)，且強(qiáng)度繼續(xù)顯著加強(qiáng)，對(duì)流系統(tǒng)的北、東西側(cè)的反射率因子梯度較大，超過(guò)40 dBZ 的回波區(qū)域顯著擴(kuò)大。從00：40 至01：00 最強(qiáng)回波范圍開(kāi)始原地減弱。自動(dòng)站觀測(cè)顯示，該小時(shí)豐都區(qū)有16 個(gè)站小時(shí)降雨量超過(guò)20 mm，其中新建站小時(shí)降雨量達(dá)91.4 mm。01：00 后豐都區(qū)的對(duì)流呈減弱的趨勢(shì)，降水也逐漸減弱（圖4）?？梢?jiàn)，22 日夜間強(qiáng)降雨主要由中尺度對(duì)流系統(tǒng)生成后在源地附近維持形成。

圖4 萬(wàn)州雷達(dá)組合反射率因子隨時(shí)間演變情況（2018 年8 月22 日22：00 至23 日01：00）

3.1.3 對(duì)流系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu) 雷達(dá)反射率因子的垂直剖面見(jiàn)圖5。由圖5 可知，最強(qiáng)回波均在0 ℃高度以下。22 日白天，最強(qiáng)回波超過(guò)50 dBZ 且最強(qiáng)回波高度在0 ℃層以下。夜間對(duì)流發(fā)展旺盛時(shí)段的回波強(qiáng)度超過(guò)45 dBZ，到00：35 高度達(dá)4 km，但強(qiáng)回波主體均未超過(guò)0 ℃度高度，為低質(zhì)心回波，降水粒子相態(tài)以液態(tài)水為主，混合相態(tài)粒子含量較少，是此次過(guò)程中降水效率高、閃電次數(shù)少的原因。

圖5 對(duì)流系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)特征

3.2 低空及地面輻合

8 月22 日白天，700 hPa 上重慶市主要受切變線影響（圖6a），850 hPa 上偏西氣流與偏東回流在重慶市東部輻合（圖6c），地面上也存在對(duì)應(yīng)的輻合線（圖6e）。強(qiáng)降雨主要發(fā)生在低層輻合區(qū)附近，深厚的輻合系統(tǒng)有利于強(qiáng)降雨的發(fā)生和維持。22 日夜間，700 hPa 上重慶市受偏東風(fēng)影響，且在梁平-萬(wàn)州一帶形成氣旋（圖6b），850 hPa 上氣旋位于重慶中部107°E 附近（圖6d），地面上氣旋與之對(duì)應(yīng)（圖6f），強(qiáng)降水維持在地面至低空深厚的中尺度氣旋附近?？梢?jiàn)，低空及地面的中尺度輻合系統(tǒng)為強(qiáng)降水的觸發(fā)和維持提供了有利的動(dòng)力作用。

3.3 鋒區(qū)演變

鋒生函數(shù)常用來(lái)診斷鋒區(qū)的演變趨勢(shì)，包含水汽因子的濕鋒生函數(shù)F可寫為如下形式［23，24］。

式中，F(xiàn)1為變形向，F(xiàn)2為輻合項(xiàng)，F(xiàn)3為垂直項(xiàng)。當(dāng)F> 0 時(shí)鋒生，F(xiàn)< 0 時(shí)鋒消。

8 月22 日夜間相當(dāng)位溫、風(fēng)及鋒生函數(shù)沿30°N的剖面見(jiàn)圖7。由圖7 可知，22 日21：00 700 hPa 以下的低空鋒區(qū)自東向西逐漸影響重慶市東部地區(qū)，鋒區(qū)西側(cè)存在暖濕舌和顯著的鋒生效應(yīng)（圖7a），有利于上升運(yùn)動(dòng)和降雨的發(fā)生。22 日23：00 低空鋒區(qū)西進(jìn)到達(dá)重慶市東部109°E 附近，暖濕舌維持于向東傾斜的鋒區(qū)西側(cè)，濕鋒生效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，達(dá)到20×10-8K（/m·s）（圖7b）。22 日23：00 至23 日03：00，鋒區(qū)在108°—109°E 緩慢西進(jìn)，緩慢西進(jìn)的冷鋒及鋒區(qū)西側(cè)的暖濕氣流之間維持顯著的鋒生（圖7c、圖7d），有利于回流冷鋒西側(cè)低空輻合的維持。且偏西氣流沿著鋒區(qū)傾斜向上爬升，斜升氣流與鋒區(qū)西側(cè)的下沉氣流形成了東西向的鋒區(qū)次級(jí)環(huán)流，從而有利于強(qiáng)降雨在重慶中部地區(qū)發(fā)生并持續(xù)，這也是22 日夜間短時(shí)強(qiáng)降水顯著且集中在重慶市中部地區(qū)的重要原因。

圖7 8 月22 日夜間相當(dāng)位溫、風(fēng)及鋒生函數(shù)沿30°N 的剖面

沿重慶中部108°E 做垂直剖面圖，結(jié)果見(jiàn)圖8。22 日白天，重慶中部地區(qū)在垂直方向上存在中低層正渦度、高層負(fù)渦度的垂直渦度分布，有利于強(qiáng)降水發(fā)展。23 日02：00 重慶中部地區(qū)垂直方向上正渦度柱迅速向上發(fā)展，達(dá)到400 hPa 以上，正渦度中心值達(dá)到20×10-5s-1（圖6a）。在散度場(chǎng)上600 hPa 及以下為輻合區(qū)，中心達(dá)到-120×10-5s-1，600 hPa 以上為輻散區(qū)，中心達(dá)到160×10-5s-1，低層輻合、高層輻散形成的抽吸作用有利于加強(qiáng)對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)（圖6b）。垂直速度場(chǎng)上，300 hPa 以下均為上升運(yùn)動(dòng)，中心達(dá)-3.2 hPa/s，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)有利于強(qiáng)降雨的發(fā)生（圖6c）?？梢?jiàn)，強(qiáng)降雨持續(xù)期間，重慶市中部維持著有利的中尺度氣旋性渦度、輻合及上升運(yùn)動(dòng)。

圖6 700 hPa 流場(chǎng)（a 至b）、850 hPa 流場(chǎng)（c至d）、地面自動(dòng)站觀測(cè)流場(chǎng)（e至f）

圖8 2018 年8 月23 日02：00 沿108°E 的渦度（a）、散度（b）和垂直速度（c）經(jīng)向剖面

4 小結(jié)

2018 年8 月22 日重慶市中部地區(qū)的對(duì)流性大暴雨主要由持續(xù)性的對(duì)流強(qiáng)降雨形成，強(qiáng)降雨演變呈現(xiàn)波動(dòng)性的雙峰分布，峰值分別出現(xiàn)在22 日中午和22 日夜間。本研究利用地面及探空觀測(cè)資料、再分析資料、閃電以及多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)等氣象資料，對(duì)此次大暴雨過(guò)程開(kāi)展中尺度結(jié)構(gòu)特征和機(jī)制分析，得出以下結(jié)論。

1）此次暴雨過(guò)程發(fā)生在有利的中尺度環(huán)境條件下。22 日白天大陸高壓控制兩湖地區(qū)，其西北側(cè)有地面冷空氣自華北地區(qū)回流侵入重慶市東部，重慶市中東部受短波槽、低空切變線和地面輻合的影響持續(xù)出現(xiàn)分散性的對(duì)流性強(qiáng)降水；夜間河套冷槽與重慶市短波槽合并，大陸高壓持續(xù)維持，高壓西北側(cè)的低空偏東回流加強(qiáng)，與四川盆地北部南下的東北風(fēng)在重慶市中部地區(qū)相遇形成鋒區(qū)，鋒區(qū)西進(jìn)緩慢，重慶市中部地區(qū)低空至地面形成持續(xù)的鋒生及輻合上升運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)降水發(fā)展并集中在重慶市中部地區(qū)，形成重慶市中部的大暴雨天氣。

2）大暴雨主要由緩慢移動(dòng)或源地維持的中尺度對(duì)流系統(tǒng)形成，有明顯的高效率低質(zhì)心降水特征。對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生在持續(xù)的深厚濕層及源源不斷的水汽輸送條件下，較高的K指數(shù)、一定的CAPE 及負(fù)值SI指數(shù)有利于此次大暴雨過(guò)程中對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生和維持。