滇中一次局地大暴雨的中尺度特征分析

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　　摘要 针对2017年6月19日云南中部易门局地大暴雨过程，使用ERA5 0.25°×0.25°再分析资料、国家站和加密自动站观测数据、多普勒雷达和FY-2G卫星资料，分析此次过程的环流形势和中尺度特征。结果表明，700 hPa切变线和地面辐合线的共同作用导致易门局地大暴雨的发生;地面辐合线在滇中长时间维持，有利于对流系统的发展。卫星云图上，中尺度对流系统在移动过程中与多个对流系统合并，使之不断发展增强。对流云团云顶亮温等温线密集区处于易门上空时，对应地面强降水的发生。雷达图上，19日21：00—22：00中尺度对流系统发展旺盛并滞留在易门上空，降水形式以积云性降水为主;20日01：00—02：00多个对流系统合并增强后东移到达易门，对流回波高度较前一日21：00—22：00低，降水形式为层云和积云混合性降水。
　　关键词 大暴雨;切变线;地面辐合线;中尺度系统;滇中
　　中图分类号 P458.1+21.1文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2019）10-0191-06
　　Abstract Largescale circulation pattern and mesoscale features of a local rainstorm event happened over Yimen，Yunnan on June 19th 2017 were analyzed using the data from ERA5 0.25°×0.25° reanalysis，ordinary observations and automatic station observations，Doppler weather radar and FY2G satellite. The results showed that a shear line at 700 hPa level and a convergence line at the surface were the dominant synoptic systems for this local rainstorm event，among which the convergence line retained its strength for long，favoring the development of convection systems. Shown on the satellite images，a mesoscale convective system continuously merged with other convective systems along its moving path，making the convective system develop continuously.When the gradient of cloud top balck body temperature was high over Yimen，heavy precipitation occurs at surface. Shown in the radar echo charts，a mesoscale convective system developed and stayed above Yimen at 21：00-22：00，June 19th，with the convective precipitation as the main precipitation type. At 01：00-02：00，June 20th，multiple convective systems merged and arrived at Yimen，for which the echo height of convective were lower than those at 21：00-22：00，June 19th. The precipitation in this 2-hour period was mixed with convective and stratiform precipitation.
　　Key words Rainstorm;Shear line;Surface convergency line;Mesoscale system;Central Yunnan
　　近年來，随着全球气候的不断变暖，局地性暴雨有多发和频发的趋向，容易引发次生灾害，如城市内涝、山洪、泥石流等。在有利的环流形势下，中小尺度系统的触发易导致局地性暴雨的发生[1-5]，而对其准确的预报是近年来研究的难点之一。云南位于低纬高原，由于其地形比较复杂，局地暴雨常具有落区多变等特点。国内气象学者为此进行了深入的研究，段旭等[6]通过分析2001年秋季的一次暴雨发现在副高外围西南气流控制充沛水汽的背景下，中尺度辐合线和负值扰动导致了暴雨的产生。马红等[7]通过对3次副高边缘的局地暴雨进行诊断分析，指出3次暴雨落区均与逆风区对应较好，逆风区较暴雨的发生有1 h的提前量。许美玲等[8]通过分析云南4次突发性特大暴雨过程，发现低涡切变线配合西南气流的辐合促进水汽和能量的累积，500 hPa干侵入时导致大气对流不稳定形成而触发暴雨的发生。马志敏等[9]通过分析昆明一次突发性暴雨过程，MCS原地生消且维持时间短是此次降雨时间短、雨量大的主要原因。以上研究成果加强了对云南局地暴雨的认识，为提高暴雨预报准确率提供了依据。
　　随着地面探测系统的不断完善，许多学者对引发暴雨的中小尺度系统的研究取得了很多有意义的成果。何立富等[10]对南京一次特大暴雨进行中尺度特征分析，发现低层中尺度辐合线触发MαCS的生成，低空急流脉动和凝结潜热释放促进MαCS的发生发展。李青春等[11]通过分析北京夏季一次局地暴雨发现诱发暴雨的主要系统是近地层辐合线。杨霞等[12]研究指出地面中尺度辐合线和中尺度低压对新疆一次局地短时大暴雨过程有触发作用。笔者利用ERA5 0.25°×0.25°再分析资料、卫星和多普勒天气雷达资料、地面观测资料，针对2017年6月19—20日云南易门一次局地大暴雨过程，研究其中尺度对流系统的发生、发展及结构特征，以期进一步加深对云南局地暴雨天气的认识。 　　1 降水过程概况
　　受短波槽、切变线和地面辐合线的共同影响，2017年6月19—20日云南出现进入汛期后的首场全省性大雨过程。6月19日20：00—20日20：00，全省125个国家站中，出现1站大暴雨、6站暴雨，其中24 h累积雨量最大值为玉溪市易门站145.7 mm（图1），突破57年以来的历史极值（1961年以来），最大小时雨强出现在20日02：00，为45.9 mm。此次易门局地大暴雨强降水范围集中，降水持续时间长，具有较突出的中尺度特征。强降水导致易门龙泉街道、浦贝乡、十街乡等地方出现了明显的洪涝灾害。
　　从易门站逐小时降水演变可以看出（图2），降水主要集中在6月19日21：00—20日06：00，持续约10 h。降水随时间的演变呈现双峰值，第1个降雨量峰值出现在19日21：00—22：00，第2个峰值出现在20日01：00—02：00，第2个降雨量峰值大于第1个峰值，最大小时降雨量为45.9 mm。
　　2 环流形势特征
　　6月19日20：00，500 hPa高度上（图3a），青藏高原东部的短波槽东移至云南省昭通地区，云南省北部地区受短波槽后的西北气流控制，槽后西北风带有弱的冷平流南下。与此同时，青藏高原南侧90°E附近有低槽存在，云南省南部地区受高原
　　南侧低槽前的偏西气流控制;700 hPa高度上（图3b），切变线北部—曲靖南部一线，切变前部为来自孟湾的偏西气流，切变后部为高压环流底部的偏东气流，切变两侧有风速的辐合。从地面风场可以看出，偏东和偏南气流在滇中的楚雄、玉溪、红河中部形成地面辐合线，辐合线呈西北—东南向分布。中尺度分析表明（图4），700 hPa切变线以及地面辐合线均位于云南中部，地面辐合线的位置较700 hPa切变线位置略偏西南;700 hPa 滇中及以南地区为显著湿区，地面湿舌位于滇中及以东地区，对流层低层湿层深厚。由于易门没有探空，选取离易门最近的昆明站的T-lnp图（图5）可以看出，从低层到高层湿层深厚，抬升凝结高度较低，0 ℃层在5 km左右，且500～700 hPa 有一定的垂直风切变，有利于短时强降水的发生。
　　3 中尺度特征分析
　　3.1 700 hPa流场和地面流场的中小尺度特征
　　分析700 hPa切变线的发展演变情况（图6）发现，19日17：00，东北气流沿四川盆地东部南下，切变线南压进入云南，位于丽江东部—楚雄北部—曲靖中部一线;19日19：00，切变线后部的偏北气流加强，使切变线继续南压至丽江西部—楚雄中部—昆明南部一线，其中在楚雄东部和昆明南部有中尺度低涡的出现;中尺度低涡的动力抬升促进低层气流的辐合上升。19日20：00—22日03：00，中尺度低涡消失，转为气旋式的切变在丽江西部—楚雄中部—玉溪北部维持近7 h。
　　很多研究发现，边界层辐合线是触发对流的关键因素[13-14]。利用逐小时地面风场资料分析地面流场的中小尺度特征，由于此次研究区域为滇中地区，图7中仅画出影响此区域的地面辐合线。由图7可见，6月19日20：00，地面南北向辐合线位于楚雄西北部—楚雄中部—昆明西南部—玉溪北部，东西向辐合线位于昆明南部—楚雄南华一带，地面1 h 强降水主要位于楚雄西北部—楚雄中部—昆明西南部—玉溪北部，强降水主要位于南北向辐合线附近以及东西向辐合线后侧的偏北气流中。南北向辐合线位于易门的南侧。雷达图上，对应的易门南侧有对流生成，此时易门降水还未开始;21：00—22：00，南北向辐合线移至易门中部，偏西和偏东气流在易门辐合，有利于维持对流发展，雷达图上，易门县南侧的对流云团移至易门上空后停留约2 h，此时易门降水开始发展，小时雨强为20 mm;20日00：00—03：00，南北向辐合线略向南压至易门的南侧，辐合线附近不断有新的对流系统生成，多个对流系统合并增强后东移至易门，此时易门小时降雨量达到最大值;04：00—08：00，地面辐合线东移至昆明南部—玉溪东部，辐合线移出易门，易门降水减弱。综上所述，地面辐合线在云南中部维持近8 h，促进中尺度对流系统的生成、维持和发展，进而促进降水的发展，降水持续时间长，累积雨量大。
　　47卷10期 连 钰等 滇中一次局地大暴雨的中尺度特征分析
　　3.2 卫星云图的中尺度特征
　　利用6月19—20日风云2G卫星TBB图（图8），并结合逐小时降水量分布对比分析可以看出，19日19：00—20：00，楚雄北部出现一个中-γ尺度的对流云团（简称B），B对流云团TBB≤-32  ℃的冷云面积为18 150 km2左右。21：00，对流云团B呈西北—东南向发展增大，TBB≤-32  ℃冷云团从楚雄北部向玉溪北部发展，此时对流云团等温线密集区附近降水发展，14个区域站的小时降水量≥10.0 mm，玉溪北部易门的强降水也开始发展，小时雨强為22.9 mm;此时，丽江东部有新的中尺度对流云团（简称C）生成。22：00，对流系统B和C合并为长条形的β中尺度对流系统（简称D），对流云团冷云中心向南发展，且有多个TBB≤-52  ℃的冷云中心生成;玉溪北部出现TBB≤-60  ℃的冷中心，易门位于对流云团等温线密集带附近（即对流云团的西南侧），易门小时降雨量为19.5 mm。19日23：00—20日00：00，中尺度对流云团D向南发展与对流系统A合并增强，形成中β对流系统E，TBB≤-60  ℃冷中心面积发展扩大至6 050 km2左右，对流系统E达到成熟阶段。中尺度对流系统E与西南部的对流系统发展结合（简称F），在成熟阶段维持2 h，对流系统中心位置移速缓慢。20日01：00—02：00，TBB≤-52  ℃的冷云中心向北发展，易门上空等温线密集带梯度增大，易门降水增强，最强小时降雨量为45.9 mm。20日03：00，带状云系整体南压，等温线密集带也随之南移，易门降水减弱。综上可以看出，对流系统在向南移动的过程中，与多个对流系统合并，使之发展增强。当发展强盛的对流云团TBB等温线梯度大值区位于易门上空时，对应地面强降水的发生。 　　3.3 多普勒雷达回波的中尺度特征
　　3.3.1 中尺度对流系统的发展演变特征。
　　从图2可以看出，易门站的强降水主要集中在2个时段，分别为19日21：00—22：00和20日01：00—02：00。在此利用雷达回波强度和径向速度资料，对易门产生强降水的原因做进一步分析。20：03，昆明多普勒雷达的基本反射率因子图上，易门县南侧有对流系统形成，并在西南风的作用下移至易门上空。20：51—21：15，位于易门上空的回波呈块状分布，强中心>50 dBz;从径向速度场可以看出，0.5°、2.4°和4.3°的仰角上，易门上空为风场的辐合;在6.7°仰角的径向速度场上（图9），出现对流顶辐散的特征，最高在10.0°的仰角上也维持辐散区;由此可知，对流系统向上发展高度较高，对流发展旺盛;此时，易门小时降雨量为23.0 mm。21：20—21：32，块状回波主体略向东南移动，强度为40 dBz的回波处于易门上空，>45 dBz的回波面积扩大为原来的2倍，且有多个>50 dBz的对流强中心生成;强回波区对应不同高度仰角的径向速度场上（0.5°、2.4°和4.3°）均为风场的辐合，而在6.7°仰角的径向速度场上，出现对流顶辐散的特征，对应易门小时降雨量为19.5 mm。00：20—01：35，在易门县南侧地面辐合线附近有多个对流系统生成，对流系统合并增强后东移到达易门，此时，易门上空为>40 dBz的强回波覆盖;0.5°和2.4°仰角的径向速度场上易门上空为风场辐合，4.3°仰角上，易门上空表现为对流顶辐散特征，可见此时次对流系统较上2个时次相比发展相对较弱。综上可以看出，19日21：00—22：00对流系统在易门上空停留约2 h，对流系统中低层辐合、高层辐散，促使对流系统发展旺盛，地面辐合线对对流单体的维持起重要作用。20日01：00—02：00，多个对流系统合并增强后东移到达易门上空，并带来强降水。
　　3.3.2 中尺度对流系统的垂直结构特征。
　　根据云降水微物理理论，暖云的厚度为抬升凝结高度到0 ℃层之间的高度，0～-20  ℃层高度为冰水混合层，-20～-40  ℃层为冰雹增长层[15]。沿图10首图上过易门站的黑色直线做剖面，选取影响易门强降水对流系统的剖面进行分析（图10）。19日20：21—20：57，对流单体的回波顶发展至10～12 km，中心强度≥40 dBz的回波向上发展至7 km左右;20：45，≥45 dBz的强质心向上发展至7 km左右，对流系统发展旺盛;20：51，强质心减弱后下降至5.5 km左右。结合昆明站19日20：00的探空可以看出，0 ℃高度为5 km左右，19日20：00—21：00，易门强降水属于以积状云为主的混合性降水回波，由冰水混合层和暖云层共同造成的降水。20日00：00—02：00，对流单体回波顶发展至10～11 km，≥40 dBz的强回波主体位于5 km 以下的暖区中，对流单体分散地镶嵌于大片层状云回波中，回波基本反射率因子梯度较小，是以层状云为主的混合性降水回波，主要由暖云层造成的降水，降水效率高，对应实况较大雨强。
　　4 结论与讨论
　　利用常规和加密自动站观测资料、ERA5 0.25°×0.25°再分析资料、FY-2G卫星TBB资料和多普勒雷达资料，对2017年6月19—20日易门局地大暴雨的中尺度特征进行分析，得到以下结论：
　　（1）在500 hPa短波槽的引导下，700 hPa切变线和地面辐合线共同导致了滇中易门局地大暴雨天气。地面辐合线在滇中长时间维持，促使中尺度对流系统的生成、维持和发展。
　　（2）卫星云图上，中尺度对流系统在移动过程中与多个对流系统合并，使得此对流系统不断发展增强，≤-60  ℃冷云中心在对流云团中长时间维持。TBB等温线密集区在易门上空维持，对应地面强降水的发生。
　　（3）从雷达回波看出，19日21：00—22：00，中尺度对流系统持续存在于易门上空，对流云系发展旺盛，降水形式以积云性降水为主;20日01：00—02：00，多个对流系统合并增强后东移到达易门，对流回波高度较前一日21：00—22：00低，降水形式为层云和积云混合性降水。
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