低涡引发的盛夏持续性暴雨机理及中尺度特征分析 (1)

郭荣芬

1，2

鲁亚斌

2

（1云南大学资源环境学院，云南 昆明 650091；2云南省气象台，云南 昆明 650034）

摘要：利用micaps常规资料、FY-2卫星云图及昆明CINRAD-3830C多普勒雷达观测资

料，对7月18日～20日云南盛夏持续性暴雨过程进行综合诊断分析，结果表明:此次暴雨是在稳定的两高辐合环流形势下,在副高西北侧的西南急流作用下，中低层低涡沿切变线移动而形成的。物理机制上，持久而强劲的低空偏南急流提供了充足的水汽和能量条件；暴雨过程强降水的落区，发生在水汽通量大值中心附近、高能舌前部、低空急流能量锋区的左前方;低层强烈的辐合上升运动持久且深厚是强降水维持的重要因素，700hPa湿Q矢量散度辐合区与云南强降水落区有很好的对应关系；卫星云图上，低空急流云系以及低涡涡旋云系不断诱发形成的多个MCS是产生这次持续性暴雨的直接影响系统；多普勒雷达强度场回波特征为稳定的絮状和气旋式涡旋状回波结构，并有强度达到25～30dBz平行短带状回波出现，且暴雨落区有强度30～35dBz的强回波持续存在；速度场显示的大风区、长时间持续存在的暖平流是造成此次持续性暴雨的直接的中小尺度天气系统。

关键词：持续性暴雨;低涡;低空急流;物理机制;MCS;暖平流

暴雨是一种中尺度灾害性天气，持续性暴雨，按云南省气象局标准，是指当日20时～次日20时（北京时，下同）≥50mm的暴雨站数≥9站次的降水过程，且持续时间≥2天，计为一次持续性暴雨过程。暴雨常引发山洪、泥石流等地质灾害，而持续性暴雨的危害则更为严重。关于暴雨的研究已有很多研究成果，但对于持续性暴雨，尤其是低涡引发的持续性暴雨的研究相对不多。众所周知，低涡中尺度特征明显，生命史短暂，一般为几小时到十几小时，超过一天的低涡活动为数较少。因此对其机理的研究，对于提高暴雨预报预警水平，增强气象部门防灾减灾能力是极其必要的。

2007年7月，云南省灾害频繁，相继发生了干旱、洪涝、滑坡、泥石流、大风、冰雹、雷电、作物病虫害等多种灾害。上旬云南省大部地区持续自入夏以来的少雨天气，。7月中、下旬强降水较为集中，全省平均降水量为224mm,为1986年以来同期最多。本月近九成的暴雨和全部大暴雨均出现在该时段。全省共出现6次全省性大雨，其中全省性暴雨过程3个：即7月12日20时～13日20时（大雨23站，暴雨9站）以及7月18日20时～21日20时连续2天的暴雨过程（图1），该次连续性暴雨过程为云南有气象记录以来盛夏7月仅有的2次连续性暴雨过程中最强的过程，暴雨总计35站（1988年7月4～5日连续性暴雨过程累计暴雨站数为24站次）（见图1）。强降水引发了洪涝、滑坡和泥石流灾害，至少85人死亡，12人失踪。而7月19日这次暴雨天气过程为有云南气象记录以来同期日暴雨站数第2位（1966年7月28日和1970年7月14日均23站次），仅这次过程在腾冲、盈江、元阳、大关等地引发的洪涝、滑坡、泥石流灾害就造成43人死亡，影响极大。

*收稿时间：

作者简介：郭荣芬（1969- ），女，云南昆明，高级工程师，在读研究生，主要从事短期及短时天气预报方面的研究

2426

本文利用micaps客观分析场1º×1º的格点资料、FY-2C和昆明CINRAD-3830C多普勒雷达资料，选取降水强度最强、影响较重的7月18日～21日持续性致洪暴雨过程进行分析，对云南盛夏持续性暴雨的特征及维持机制进行探讨。

25 25 50 25 50 2550 50 5050 502550 50 25 （a）18日20时～19日20时 （b）19日20时～20日20时 图1.2007年7月18~20日云南强降水雨量分布（阴影部分为≥50mm的暴雨站点） Fig1.The distribution of heavy rainfall in Yunnan Province at 20：00 18～20July 2007. （the shadow parts show the distribution of heavy rainfall with the intensity≥50mm）

1 天气形势背景及影响系统

暴雨是各种天气尺度系统共同作用的产物，不同尺度天气系统的有利配合才能造成强降

[1]

水，有利的大尺度环流是是产生暴雨的背景。此次降水过程期间，500hPa形势自7月17日直至21日，亚洲中高纬度均为两槽一脊型，高压脊略偏西靠近巴湖附近，滇缅间到滇中为弱脊区，四川到云南东部为低槽，低纬度季风低压在印度半岛东部，17日副高位于海南岛东侧114ºE。

18日08时，副高西伸增强，588dagpm西脊点西伸至108ºE，川滇间低槽槽底向西偏移，川东有低涡形成，除滇西北外，云南大部地区正好处于低槽前西南气流与副高外围西北侧西南气流结合部，是大尺度上升气流发生发展区，利于对流发展和降水天气的持续，同时滇中昆明T-Td由17日的7℃减小到1.8℃。20时，滇缅间脊增强，副高继续西伸到106ºE，四川到我省为两高辐合区控制，辐合区呈东北～西南向位于滇东北、滇中到滇西一带，川东低涡沿辐合线南移到滇东北的昭通，滇中、滇南偏南气流风速超过12m/s,西南急流建立。低

【2，3]，

，由此18日20时～19日空急流的形成及不稳定发展对暴雨的发生有明显的激励作用

20时，云南出现大雨39站，暴雨15站的全省性暴雨过程。

随着暴雨的发生，对流层低层的急流进一步维持和加强，故对应低层700hPa，18日20时，滇中及以东地区西南低空急流建立。19日，副高稳定，滇缅高压增强东进，推动两高辐合区东移到四川及滇南，20时，沿25ºN及以南地区的SW风偏南分量加大，风速除滇西南的普洱外，其它各站SW风速均≥14m/s。使大气边界层形成强烈的垂直风切变，利于对流维持并发展。南移到滇中的500、700hPa深厚的低涡，气旋性环流更为明显，表明低涡加强。20日08时，500hPa青藏高原反气旋增强，印度半岛北部低压增强，外围气流向北扩展到30ºN，700hPa低空西南急流加强，促使四川到滇中一带的低涡环流更明显，强度更强。故19日20时～20日20时，全省性强降水持续并增强，出现37站大雨，暴雨由15站增至20站，成为云南进入雨季以来最强的一次降水过程。

2427

20日20时，500hPa青藏高原584dagpm高压与滇缅高压合并，反气旋环流控制了云南除滇东南外的大部区域，与副高间的辐合进一步减弱，仅在滇东边缘维持一弱的低压环流。同时700hPa低空急流迅速减弱，风速为8～12m/s，低涡环流减弱消失。21日500、700hPa形势场除滇西为弱的辐合区外，云南大部地区转为副高外围弱的偏南气流控制，暴雨强降水天气也随之结束

可见，强降水过程期间，500hPa形势亚洲中高纬度为两槽一脊型，云南两高辐合环流形势长时间稳定，是此次连续性暴雨过程的大尺度背景。中低层低涡切变是主要影响的天气系统，而低空急流的发生发展对暴雨的启动和维持起着关键性的作用（图2）。

图2.2007年7月18～20日500hPa高度场（虚线）及流场平均 （阴影区为≥588dagpm高度值区域） Fig2.The distribution of mean height（dashed line）and mean stream field at 500hPa from 18, July 2007 to 20,July 2007（the shadow parts show the distribution of hieight≥588dagpm）

2持续性暴雨的物理机制

2.1能量和水汽条件

水汽通量表示水汽的来源状况，即由水源地输送到降水区的量。而θse（假相当位温）是表征大气压、温、湿的特征量。θse的高值区为高能区，θse场中等值线密集区为能量锋区。

，我们将500、700和850hPa由于暴雨需要整层深厚的水汽条件及能量锋区的存在

三层的水汽通量和θse场分别求和进行叠加分析。发现，暴雨过程期间，水汽通量场上华

-1-1

东、贵州到云南中部及以南地区有一条明显东北～西南向的宽广带状的≥20g.cm.s的水汽输送带，两个水汽通量最大值中心分别在江淮和贵州一带，云南处于水汽通量最大值中心前方，次大值中心主要位于滇东。θse场上高能区呈带状在滇东始终维持。7月18日08时，滇西、滇东有两个能量锋区，紧靠能量锋区的滇西、滇中有两个水汽通量大值中心，实况滇西和滇中出现中雨。18日20时～19日20时，滇东θse能量锋区逐渐变密、陡立增强，滇东水汽通量大值中心南移（图3），对应云南降水范围扩大，强度增强，暴雨区南移。20日08时后，θse能量锋区逐渐变疏减弱，滇东水汽通量大值中心西行减弱，整个水汽通量输送带变窄。20时，仅在云南22～26ºN维持一条东西向水汽通量输送带，对应该区域的滇

-1-1

西和滇中降水强度由暴雨减弱为大雨。21日08时，≥20g.cm.s的水汽通量输送带完全断

-1-1

裂，仅滇西有一小范围的≥20g.cm.s的水汽通量区，滇东南为弱的θse能量锋区，实况21日仅滇东、滇南和滇西出现3个暴雨和7个大雨。强水汽输送和能量锋区的减弱消失，

[4，5]

2428

云南暴雨过程结束。

通过上述分析并与降水实况落区对比，发现两次暴雨过程强降水的落区，都发生在水汽

【6】

通量大值中心附近、高能舌前部、低空急流能量锋区的左前方，同时降水强度与θse能量锋区强度变化成正比。强大深厚的水汽通量输送带的维持为持续性暴雨过程提供了持续充沛的水汽来源。

（a）7月19日08时 (b) 7月20日20时

图3.2007年7月19日08时和7月20日20时∑θ（单位：℃）和水汽通量

(阴影部分,为≥20g.cm-1.s-1区域）叠加分布图

Fig3.the distribution of ∑θ（unit：℃）and moisture flux（the shadow sections show the

distribution of moisture flux ≥20g.cm-1.s-1）at 08BST ,July 19(a) and 20BST, July 20(b)，2007)

se(5+7+8)

se(5+7+8)

2.2动力特征 2.2.1流场特征

低空西南急流是热能、动能和水汽的高度密集带。为说明低空急流在这次持续性暴雨过程中的存在和贡献作用，我们分析500和700hPa流场和风速场分布。发现，过程期间500hPa流场对应天气形势为“两高辐合型”，高原南部到滇西北为滇缅脊前的偏北气流，滇中及以东地区为南海副高西北侧的西偏南气流区。18日08时500hPa（图4a），滇东的西偏南气流增强，华东到云南有明显的东北～西南向的西南气流密集带，滇东到贵州有一风速大值区，风速超过12m/s，表明低空急流建立。随后低层700hPa流场上低空急流建立，风速不断增强。20日20时（图4b），滇中及以南的西南气流密集带维持，同时伴随着川东低涡南移，700hPa流场滇南出现风速达16m/s以上的大值区，低空急流达最强。综合前面分析，在低空急流最大风速中心的前方还有明显的水汽质量辐合即强上升运动的存在。低空急流的存在，为急流左侧提供了强有利的正涡度扰动，利于低空急流出口左侧强降水的产生，导致2次暴雨过程持续。21日云南低空急流逐渐减弱消亡，强降水过程结束。

可见，低空急流为强降水提供了源源不断的不稳定能量和水汽，是持续性暴雨发生不可缺少的条件。

【7】

2429

(a)500hPa (b)700hPa

图4.2007年7月18日08时和7月20日20时流场和风速分布（阴影区，为风速≥10m/s的区域） Fig4.the distribution of stream field and wind velocity at 08BST , July 18(a) and 20BST,July 20,2007 (b),the shade sections show the distribution of wind velocity ≥10m/s)

2.2.2 低层动力抬升与暴雨落区关系

云南省属低纬地区，大多数的天气活动是在非地转的条件下进行的。研究指出，非低转湿Q矢量与次级环流有良好的对应关系，特别是低纬度地区，湿Q矢量与降水落区存在较好的对应关系。分析低层700hPa湿Q矢量和湿Q矢量散度场发现，7月18日20时（图5a），云南24～28ºN有湿Q矢量散度负值区，表明该区域存在低层辐合上升运动，＜-40×-17-1-3

10 hPa﹒s的辐合中心位于滇中，另川东到滇东北有弱辐合区。降水实况反应，19日滇东北出现大雨，滇中为暴雨。19日20时，川东辐合区南移到昭通，滇中的纬向湿Q矢量散

-17-1-3

度负值区向南向西扩展，强度增大，滇中辐合中心绝对值超过100×10 hPa﹒s并一直维持至20日08时（图5b）。强烈的辐合抬升，造成滇中区域持续2天的暴雨。同时，由于

-17-1-3

hPa﹒s的辐合中心向南向西移动并增强，暴雨区域向南向西扩展，20日20时，-40×10 --1-3

hPa﹒s辐合中心在滇缅间，对应20日云南出现23站大雨和2个暴雨，其中暴-100×10

-17-1-3

雨落区位于滇西-60×10 hPa﹒s区域，21站大雨集中分布于滇西和滇南分布。21日，

-17-1

hPa随副高增强，云南辐合减弱，仅在滇东北、滇西北、滇南3个边缘区域有＜-20×10

-3-17-1-3﹒s的辐合中心，滇西南有一个-40×10 hPa﹒s的辐合中心，强降水对应为分散性的7个大雨和3个暴雨，全省性降水过程结束。

以上分析说明，低层强烈的辐合上升运动持久且深厚是强降水维持的重要因素，为强降水的产生和持续提供了必要的动力条件。700hPa湿Q矢量散度辐合区与云南强降水落区有

-17-1-3

很好的对应关系，当辐合大值区绝对值持续达到并超过40×10hPa﹒s以上时，对应区域将持续出现大雨到暴雨。

【8】

2430

(a) (b) 图5.2007年7月18日20时（a）和20日08时(b)700hPa非地转湿Q矢量和非地转湿Q矢量散

度（单位：10hPa﹒s）

Fig.5 The distribution of Wet Q-vector and Wet Q-vector divergence (Unit:10-17hPa-1·s-3)at 700hPa at

20BST July 18，2007（a） and 08BST July.20,2007（b）

3持续性暴雨的云图中尺度特征

-17

-1

-3

暴雨是在有利的天气尺度背景下产生，而中尺度系统是暴雨的直接制造者和组织者。卫星云图和卫星探测资料能直观地反映出各种天气尺度系统的发生、发展、和消亡过程。

从FY-2卫星云图演变看，18日08时（图6a），与500hPa形势的两高辐合带对应，除滇西北、滇东南为滇缅高压和副热带高压下的晴空少云区外，川东到云南西南部为一条东北～西南向宽广的带状切变云系，云带北段即川东到滇东北有一TBB小于-32℃的呈长椭圆状的MβCS对流云团在发展，川东低涡形成。随着副高增强，副热带低空SW气流的增强，云带的TBB值不断降低，18日20时（图6b），副热带低空急流建立，云南境内的切变云带与华东江淮切变云带相连，呈尺度较长、强度较强的带状低空急流云系，云带中不断诱发生成MCS，且合并增强，云带的强度与两高间辐合强度变化成正比。同时在川东低涡涡旋云系发展，并沿辐合线旋转向偏南到西南方向移动。19日（图6c）,由于低空急流维持且逐渐加强，沿副高边缘向北输送大量不稳定能量和水汽，南移到滇中及以南地区的低涡涡旋云系变得更

同时位于云南区域的低空急流云带逐渐与江淮切为密实，MβCS发展形成椭圆状MαCS—MCC，

变云带断裂。20日08时以后(图6d)，随着西南急流的减弱崩溃，MCC强度减弱，结构变得松散，并逐渐分离为多个MβCS活跃在滇中及以南地区。20日20时以后，减弱的MβCS低压云团自滇西南移出云南，强降水过程结束。

可见，在稳定有利的天气环流背景下，低空急流云系以及低涡涡旋云系不断诱发形成的多个中尺度对流系统是产生这次持续性暴雨的直接影响系统。

[9]

2431

a.18日08时b.18日20时 c.19日16时d.20日10时 图6.2007年7月18~20日卫星云图示意图 Fig 6 cloud image from July 18 to July 20，2007 （a.16BST July 18 ; b.20BST July 18;c.16BST July 19;d.10BST July 20）

4 持续性暴雨的多普勒雷达回波中尺度特征

多普勒天气雷达能够详尽地反映出降水区中小尺度系统发生、发展和演变的过程。由于此次持续性暴雨过程中，滇中昆明、玉溪和楚雄持续两天均为暴雨，为探明暴雨中尺度特征，我们以昆明新一代雷达回波为例进行分析。

4.2.1强降水过程前期

PPI强度图上，强降水过程开始前的18日08～20时，由于主体带状25～35的强回波在昆明西北部及楚雄北部。对应VPPI速度场上，18日06时，测站西北侧楚雄北部沿速度圈有带状负速度区发展，表明有回波向测站移动。11时，大量回波在玉溪北部、楚雄、昆明境内逐渐形成零线过测站的“S”型（即低层为WSW气流，高层为NW气流）、左负右正的分布，中心速度绝对值为14m/s，表明暖平流开始建立，但回波结构还较松散。故该时段仅在上述区域仅出现10～11mm降水。

4.2.2强降水过程期间

18日20时～19日01时前，PPI强度图上测站四周为絮状、结构分散回波，受东南移来的强度20dBz回波影响。降水实况上，滇中昆明为每小时<2mm的间歇性小雨。19日02时（图7a），絮状回波弥合为一条的东北～西南向的带状回波，范围不断加宽，回波不断增强。08时，带状宽度达到及70km，昆明、楚雄、玉溪一带强度>35dBz。10时后，带状回波移过测站，，逐渐以楚雄东部、昆明一带为中心呈气旋式涡旋回波发展，故移过测站的强回波自昆明东侧不断旋转西进，影响昆明、玉溪境内，并一直持续影响到20日16时（图7c），期间除涡旋回波明显外，还有平行短带状回波出现，强度均达到25～30dBz，而滇中30～35dBz的回波持续影响时间较长。20日16～20时，滇中回波强度开始减弱至20～30dBz，结构变得分散，并呈南北向排列，范围仍主要集中于滇中的昆明、玉溪和楚雄一带。上述特征与700hPa四川到滇中的低涡对应。

【10】

2432

对应VPPI速度场，18日20～20日20时持续性强降水过程期间，无其它中尺度系统如逆风区、大风区、中气旋或辐合线等出现，但始终维持负速度区>正速度区的辐合型流场。且自18日06时建立的“S”型风向随高度顺转的暖平流结构一直存在并持续到强降水过程结束，只是随着700hPa低涡的移动、低空SW急流的建立和维持，以及500hPa两高辐合强度的变化出现一些旋转，暖平流强度随之变化（图7b、d）。如19日09时，“S”型暖平流维持，低层转为SW风，高层为NW风，正负速度区中心绝对值达到18 m/s，辐合增强，表明有明显的大风区中尺度系统存在。昆明降水对应19日07～10时为降水上升区，10时雨强最大为6.3mm/h。其余每小时降水大体稳定在2.5～6mm/h。昆明站点在19日01时～20日20时期间，除20日10时降水间歇外，持续性降水达42小时之久。表明辐合型流场、持续的暖平流输送以及强的垂直风切变的存在，为持续性强降水提供了必要的不稳定能量及水汽辐合上升条件。

4.2.3强降水过程结束后期 20日20时后的PPI图上，随着副高增强西伸，滇中回波继续减弱西移，到21日08时，仅有零散的单体回波和尺度较小的块状回波存在。对应VPPI场，20日20时，零线逐渐趋于直线，21日00时转为西北～东南向直线，弱的“S”型暖平流仅在直径120KM范围内存在零线右侧正区>左侧负区，表明暖平流减弱，流场转为辐散型。08时，仅有单纯的少量正速度区和负速度区存在。实况显示滇中仅有分散性阵性降水，连续性强降水结束。

上述分析看出，此次暴雨过程中的多普勒强度场回波特征具有稳定的絮状和气旋式涡旋状回波结构，并有强度均达到25～30dBz平行短带状回波出现，且暴雨落区有强度30～35dBz的强回波持续存在；速度场显示的大风区、长时间持续存在的低层暖平流是造成此次暴雨的直接的中小尺度天气系统。（图7）

19日02时VPPI19日02时PPI 19日16时PPI19日16时VPPI

图7.2003年7月19日多普勒雷达回波示意图 Fig.7. The Doppler rada echo on Jul.19,2007

2433

5结 论

（1）500hPa形势亚洲中高纬度均为两槽一脊型，云南两高辐合环流形势长时间稳定，是此次连续性暴雨过程的大尺度背景，中低层低涡切变是主要影响的天气系统。

（2）两次暴雨过程强降水的落区，都发生在水汽通量大值中心附近、高能舌前部、低空急流能量锋区的左前方，同时降水强度与θse能量锋区强度变化成正比。强大深厚的水汽通量输送带的维持为持续性暴雨过程提供了持续充沛的水汽来源。

（3）低空急流的发生发展对暴雨的启动和维持起着关键性的作用，是持续性暴雨发生不可缺少的条件。

（4）湿Q矢量和湿Q矢量散度分析表明，低层强烈的辐合上升为强降水的产生和持续提供

-17-3

了必要的动力条件，当低层700hPa辐合大值区绝对值持续达到并超过40×10hPa﹒s以上时，对应区域将持续出现大雨到暴雨。

（5）云图特征上，低空急流云系以及低涡涡旋云系不断诱发形成的多个中尺度对流系统是产生这次持续性暴雨的直接影响系统。

（6）多普勒雷达强度场回波特征显示，暴雨过程中具有稳定的絮状和气旋式涡旋状回波结构，并有强度均达到25～30dBz平行短带状回波出现，且暴雨落区有强度30～35dBz的强回波持续存在；速度场显示的大风区、长时间持续存在的低层随高度顺转的暖平流是造成此次持续性暴雨的直接的中小尺度天气系统。

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2434

Analysis Of Contributing Factors and Meso-Scale Characters of Continuing Rainstorm Process In Yunnan Province

Guo rongfen1,2 Lu yabin1

（1. Atmosphereic Science Department of Yunnan University,Kunming 650091；

2 .Meteorological Abservatory of Yunnan Province, ,Kunming 650034)

Abstract:By using the micaps data、GMS satellite images and the observation data of 3830─C Doppler Weather Radar echoes. is analysed by using the micaps data、GMS satellite images and the observation data of 3830─C Doppler Weather Radar echoes，the continuing heavy rainstorm process from 20BST July 18 to 20BST July 20，2007 in Yunnan province is analysed,.The result shows that this continuing rainstorm process is caused by cold vortex and mid─low level shear under this advantageous mass-scale curculation of steady convergence pattern of two highs. Lasting and strong low lever southerly jet provides the sufficient water vapor and the energy condition. The orrential rainfall region is corresponding with the great value center of moisture flux, the front part of high energy tongue, frontal zone left front of low lever jet stream energy as well as the convergence ascending region of wet Q-vector and wet Q-vector divergence at 700hPa lever is one of the most important factors. Some obvious mesoscale systems (MCS) which caused by low lever jet and cold vortex cloud system are direct affect systems arouse this rainstorm process. The dopplar intensity echoes(PPI) show that there are obvious cyclonic spiral band echoes with mass-scale, and it companied with strong 25～30dBz short band echoes. The 30～35dBz intensity echoes exist in the rainstorm regions continuously.Big-wind zone and the durative warm advection of VPPI produce this rainstorm.

Key words: continuing heavy rainstorm process; cold vortex; low level shear ; physics

mechanism ; MCS ;warm advection

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