盛夏昆明两次致灾大暴雨对比分析*

郭荣芬，鲁亚斌，李华宏

(1.云南省气象服务中心，云南 昆明 650034；2.云南省气象台，云南 昆明 650034)

暴雨是盛夏最主要的气象灾害，由于暴雨具有突发性，局地性及复杂性的特点，极易产生严重的气象及地质灾害，特别在当今全球气候变暖背景下，暴雨等“灾害链”影响特征更为明显，如暴雨导致城市内涝、道路阻断、引发山洪、滑坡泥石流等灾害，进而引发各种突发公共事件、灾害事故增多等。因此，一些学者对于不同地区发生的典型暴雨事件开展了深入研究[1-11]。昆明位于低纬高原季风气候区中部，即滇西横断山脉和滇东高原间，地形总体自北向南呈阶梯状降低，加之特殊地质地貌,使之成为冷暖气流两大类天气系统过渡带，同时也是它们共同作用的前缘地带，因此造成昆明暴雨的天气系统极其复杂。实践表明，昆明暴雨(日降水量≥50 mm)出现时，滇中乃至云南全省都易出现强降水天气过程，其代表性十分显著，因此昆明暴雨的复杂性和代表性决定了其研究的天气学意义和服务价值。

本文应用常规观测资料、FY卫星观测资料及新一代多普勒雷达回波资料，通过诊断分析，综合分析昆明大暴雨天气成因及其中尺度特征，为该类灾害性天气的预报预警服务提供借鉴。

1 过程概况与环流形势对比

1.1 过程概况

2013年7月18日20时至19日20时(北京时，下同)，云南省国家观测站出现大雨26站，暴雨7站，共计33站大雨以上强降水的全省性大雨过程。区域自动站资料统计(图1a),25 mm以上强降水355站，其中特大暴雨1 站，大暴雨9站，暴雨145站，大雨546站，最大降水出现在滇西北丽江的永胜281.4 mm。暴雨以上降水主要集中出现在滇西北-滇中-滇东南，呈NW-SE向带状分布，其中昆明地区大暴雨4站,暴雨23站,大雨43站，共计强降水站数70站，最大降水为盘龙区鼓楼226.4 mm，最大雨强出现在19 日03 时，雨强为鼓楼站57.3 mm(图1b)。全省雷暴闪电总次数2 053次，负闪1 983次，最大电流-232.9 KA，昆明闪电总次数496次，负闪479次，最大电流-225.8 KA。强降雨时段主要集中在19 日 00时-08 时，由于时间集中，强度大，造成昆明主城河道盘龙江水位全线上涨，并出现漫堤现象，致使盘龙江洪峰水位1 892.36 m，超保证水位0.94 m，相应流量87.5 m3/s。昆明引发主城区低洼地段大面积深积水和内涝，致使道路交通瘫痪，交通中断最长时间达49 h，机场24架航班延误。

2017年7月19日20时-20日20时，云南省国家观测站出现大暴雨1站(滇东南红河绿春125.1 mm)，暴雨3站，大雨18站，共计22站的全省性大雨过程(图1b)。区域自动站统计，全省强降水640站，其中大暴雨27站，暴雨160站,大雨453站，最大降水滇东南马关191.9 mm。暴雨以上降水集中在滇中及以东地区，大致呈”C”型环型分布，其中昆明地区大暴雨9站，暴雨46站，大雨105站，共160站强降水，最大降水为昆明盘龙区东华154.7 mm，最大小时雨强为太和街道20日01时达79.9 mm(图1d)，突破昆明小时雨强61.4 mm的历史极值记录。全省雷暴闪电5 912次，最大电流-398.5 KA，昆明总闪电1 661次数，最大电流-195.7 KA。由于系统稳定，随后21、22日再次出现强降水过程，为2017年云南入汛首场3 d连续性大雨过程，最大降水和最大小时雨强均在20日。强降雨时段主要集中在7 月 20日 00-08 时，城郊因强降水引发多处地质灾害，主城区引发大面积内涝，共出现87个淹水点，40余个路段断交，其中北市区与南市区为淹水重灾区。市政排水系统下游河道全线超出警戒水位，其中盘龙江水位03时达峰顶1 891.61 m，超保证水位0.19 m，相应流量111 m3/s。强降水累计造成昆明市59条10 kV线跳闸，影响用户50 737户；城市内涝造成4 000余辆车被淹，牛街庄隧道内一对骑车母子被淹遇难。

两次过程对比，相同点是：均出现在全省强降水过程大背景下，强降水时段均集中盛夏7月夜间00时-08时，昆明强降水均集中在北部和东部。不同点：强降水分布不同，2013年全省强降水分布范围较广，而2017年强降水集中在滇中及以东地区；昆明致灾暴雨影响强度不同，2013年昆明最大强降水量级较大，盘龙区鼓楼226.4 mm，，持续时间较长(2013年15 h，2017年仅4 h)，洪峰水位较高(高于2017年0.75 m)。但影响强度比，2017年强降水分布更集中，昆明雷暴闪电次数较多(2017年1 661次，2013年496次，多1 165次)，强降水站数较多(2017年160站,2013年70站，多90站)，雨强较强(2017年79.9 mm，2013年57.3 mm)，故导致盘龙江流量较大，造成城市内涝范围和灾情影响程度较大。

1.2 环流背景

“2013.07.19”过程前期，气候背景是自2009年开始的全省干旱已持续第四年,前期降水量均低于多年平均。2013年7月18日20 时(图2a)，500 hPa滇中及以西地区受584 dagpm滇缅高压控制，西太平洋副热带高压偏弱，云南东部受584 dagpm西太平洋副热带高压外围东南气流控制，滇中及以东地区为两高辐合区形势。辐合线位于四川盆地南部至滇东北—滇中昆明北部—滇南蒙自。700 hPa上，切变线位于四川东部到滇东北，并有低涡配合，切变北部高度场明显高于南部，有较强的18 m/s东北气流风速辐合,表面高层有冷平流向东南扩散，推动低涡切变缓慢东南移向滇中，进而激发中小尺度对流系统发生和发展，云南为T-Td≤5℃的显著湿区。另在南海有台风向西北方向移动，孟加拉湾处于热带低压持续影响下。南海和孟加拉湾暖湿水汽沿西太平洋副热带高压外围偏南气流北上进入云南，与两高辐合、低层低涡切变共同作用，造成此次云南大范围强降水，滇中处于辐合切变区，引发昆明大暴雨。

图1 云南省24 h降水实况

图2 中分析天气综合图(图中绿色齿状范围为显著湿区，箭头曲线为500 hPa气流，双实线为700 hPa切变，点划线为500 hPa辐合线，D和G为500 hPa低压和高压中心)

图3 TlogP图特征

“2017.07.20”过程前期，自5月以来云南全省大部地区出现的高温少雨天气一直持续至6月上中旬。2017年7月19日20 时(图2b)，500 hPa强大的588 dagpm青藏高压控制在青藏高原东部，副热带高压西进到贵州中部，滇缅间为反气旋环流，三个高压环流在四川、云南对峙，形成两条气流辐合带，一条呈东北-西南向位于四川东部-贵州北部-滇中昆明北部，并有低涡位于贵州北部，另一条呈南北向位于滇中昆明-滇南蒙自。700 hPa上，东西向横切变位于四川南部-滇东北昭通，有四川东部低涡相连，另一条南北向切变与500 hPa辐合线重合，除滇西北外，云南其它地区为T-Td≤5℃显著湿区。由于低层850 hPa高度场呈北高南低，利于弱冷平流自北向南输送，推动低涡沿切变南下影响滇中，而滇中北部500 hPa低涡辐合区超前于700 hPa切变低涡，明显的系统前倾形势利于强对流发生。强烈的辐合抬升配合暖湿水汽，造成云南大范围强降水，并伴随强烈的雷暴强对流天气，滇中处于500、700 hPa切变辐合交角呈90°的“T”型交叉处，辐合抬升最为剧烈。

对比发现，两次大暴雨过程都是两高辐合、低涡切变配合暖湿气流造成强降水天气，不同点是2017过程具有明显的系统前倾，对流不稳定条件更强，且青藏高压强于2013年，滇中处于中低层切变辐合呈90°“T”型，辐合强度较剧烈，因而降水强度强，范围较集中，灾情更重。

2 形成机制对比分析

2.1 大气稳定度分析

2013年7月18日20时(图3a)，昆明TlogP图上为整层潮湿，高层东北气流与低层西南气流在500 hPa形成高低层弱辐合，风暴指数SSI为224，沙氏指数SI为-0.24℃，抬升指数LI为-1.82℃，最大抬升指数BI为-3.3℃，IC对流稳定度指数-4.4℃，CAPE值为760.9 J/kg。2017年7月19日20时(图3b)，TlogP图为明显的上干下湿喇叭口型，高层400～250 hPa间较强的10 m/s西北气流与700～500 hPa较弱的2～4 m/s西南气流在500 hPa形成较强垂直风切变，SI为-0.42℃，LI为-2.09℃，BL为-6.4℃，IC 为-22.1℃，CAPE值为917.7 J/kg。

两次过程对比，昆明500 hPa及以下中低层均为暖湿西南气流，高层为偏北气流，高冷低暖，形成高低层气流辐合，水汽抬升形成强降水，且各对流指数均体现为对流性降水特征。不同点是，2017年过程中对流层高层的偏北气流较大，表明高层冷平流较强，高低空强垂直切变明显，对流层高层干冷空气下侵是不稳定能量释放产生强降水的主要触发因素之一[12]，但SI、LT、BI以及IC指数均小于2013年，CAPE不稳定能量较大，不稳定温湿条件更好，对流性特征更显著，因此雷暴强度、短时强降水强度均大于2013年。

2.2 湿位涡诊断分析

图4 700 hPa湿位涡分布(单位：10-7m2·s-1·k·kg-1)

图5 整层水汽通量散度分布(单位：10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1)

分析图4发现，两次暴雨过程前滇中昆明均为MPV1<0、MPV2>0的大气对流不稳定条件，不同点是2013年过程的MPV1<-10×10-7m2·s-1·k·kg-1，2017年过程中昆明MPV1>-20×10-7m2·s-1·k·kg-1，MPV1绝对值明显大于2013年过程，表明2017年暴雨对流性更强，强对流不稳定是两次大暴雨发生的主要条件,条件对称不稳定是增强因素,它对深对流系统的发展和强降水的维持起到了重要作用。前者低层弱的对称不稳定区中的暖湿气流在有冷空气动力触发条件下,可导致气流强迫抬升产生强降水;而后者为强的对称不稳定区,由于积聚了大量的较强不稳定能量,稍有扰动,即可产生强降水。

2.3 水汽通量散度分析

暴雨发生，需要有充沛且深厚的水汽辐合。分析整层水汽通量散度发现(图5)，两次过程负值辐合区分布基本一致，均分布在滇西北、滇中和滇南，与降水区基本对应。不同点是：2013年过程负值辐合更大，≤-0.2×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1区域与10 mm中雨以上降水区域对应，其中三个≤-0.4×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1区域分别与滇西北、滇中和滇东南的大暴雨中心区对应，最大辐合中心位于滇中-0.6×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，昆明为-0.5×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1；2017年辐合区域≤-0.4×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1均位于滇南，滇中最大辐合仅为-0.2×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，与较大强降水落区不匹配。这表明，即使在相对弱的水汽条件下，只有较强烈的辐合抬升条件，同样能造成较强暴雨，只是历时短的对流性特征更明显，而强的水汽条件，如果缺乏强动力抬升，暴雨强度和范围不大，因而预报强降水要多角度综合判断。

3 卫星云图特征

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[15]，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。

3.1 “2013.7.19”昆明大暴雨云图特征

“2013.07.19”昆明大暴雨前期，FY2D红外云图显示，18日08时自我国东北到云南中北部有一天气尺度呈东北-西南向的冷锋切变云系，云系南段在四川中部有一中β尺度低涡云团。12时后，低涡云系东移进入云南东北部昭通，并逐步南下影响云南中东部地区，同时高原东南侧在川西高原有低槽云系自云南西北部进入，不断向云南中东部汇合，08时-20时区域降水实况显示，云南中东部和北部出现2站大暴雨，60站暴雨和42站大雨，最大降水出现在昭通地区80.5 mm，其中昆明北部和东部县市6站暴雨，2站大雨，最大降水为昆明地区的石林56.9 mm。20时(图6a、图6b)后，随着低层低涡切变进入云南中部，加之滇缅辐合区共同作用，不断激发对流云团或云带在昆明上空生成与汇合并不断加强，19日03时(图6c)昆明上空呈团状中β尺度对流云团，云顶辐射亮温TBB最低达-68 ℃，昆明北部降雨达最强，鼓楼小时雨强达57.3 mm，随后云团随云带向东移动，昆明市降水强中心也向东南移动，由于辐合云带长时间维持在云南中部一带，18日20时～19日08时降水实况显示，昆明地区强降水数量及强度猛增，出现特大暴雨2站，大暴雨3站，暴雨25站，大雨13站，加之18日白天降水累计，24 h昆明累计大暴雨6站，暴雨12站，大雨43站，且6站100 mm以上大暴雨中有4个出现在昆明城区，最大降水为昆明北部金殿水库190.7 mm，强降水造成严重昆明城市内涝。19日08时后，随着云团减弱，昆明降水减弱。

图6 FY2D(2013)、FY2E(2017)红外卫星云图

图7 昆明大暴雨多普勒回波特征分析

3.2 “2017.7.20” 昆明大暴雨云图特征

“2017.7.20” 昆明暴雨洪涝前，7月19日08时-12时，在两高辐合区内四川盆地到云南东北有涡旋状对流云团活动。13时开始，云南东部开始有点状对流泡发展并逐步合并成带状，与东南移入贵州北部的涡旋状云团相连并向西南方向发展。20时(图6d)形成东北-西南向内嵌多个β中尺度对流云团组合成的带状云系。区域站08时-20时降水实况显示，大雨以上降水呈东北-西南向带状分布，1站大暴雨位于昭通地区74.0 mm，暴雨57站，大雨43站，其中昆明中东部出现暴雨10站，大雨5站，最大降水为昆明东部小屯立交40.3 mm。21时，昆明一带分裂出多个β中尺度云团排列成涡旋状。23时(图6e)后长椭圆形云团范围收缩向昆明北东方向聚合，01时(图6f)合并为近圆形中尺度云团，强度达最强，云顶辐射亮温TBB最低达-71 ℃，相应昆明小时降水达最大79.9 mm，02时圆状中尺度云团强度略有减弱，云顶辐射亮温TBB最低达-70℃,雨强也减弱为36.1 mm。03时后，滇中云团断裂消散，随辐合区东移，昆明以东和云南西南部和东南部对流云系发展加强，暴雨区与辐合区基本一致。

综上分析对比，两次昆明大暴雨均为低涡、切变辐合系统激发形成的β中尺度对流云团所致，不同点是：2013年过程中辐合带状云系停滞时间较长，中β尺度对流云团强度弱于2017年过程，2017年云团圆形曲率更大，范围影响更大，中心强度更大，故对流性特征更明显，降水强度更大。

（2） 产气能力。按5×106CFU/mL接种量向装有模拟酒（乙醇体积分数为10%（V/V））的艾氏发酵管中接种经不同方式活化的酵母菌，于28℃下静置培养24 h，测定产气量（mL） [18]。

4 多普勒雷达回波特征分析

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[16]。以昆明新一代多普勒雷达回波分析两次昆明暴雨洪涝短时强降水集中时段的中尺度特征。

4.1 “2013.7.19”昆明大暴雨回波分析

回波强度场显示，2013年7月18日22时左右开始，从昆明西北和东南方向分别有混合型降水回波出现，中心强度为40 dBZ左右，之后回波不断向昆明市区汇合，到19日03时形成一条近于南北向带状回波(图7a)，由于低涡辐合带不断激发，昆明西北部又开始出现带状混合性降水回波，04时至06时昆明北部强回波区由西北向东南移，由于地形和局地热力条件，回波东移过程中不断加强并长时间停滞，回波强度在40～46 dBZ。07时昆明北市区回波减弱；回波速度图04时至08时，昆明北市区出现中尺度辐合区，低层为西南气流，中层为西北气流，零速度线基本上呈“S”型(图7b)，风向自低层到高层顺转，表明中低层有暖平流存在，由于持续偏南气流存在，而高层伴随着北部低槽东移，冷锋锋面在昆明北部附近活动，偏北气流带下冷平流，形成了下暖上冷的不稳定结构，低层辐合高层辐散的配置利于气流抬升形成强对流天气。由于回波顶高在8～10 km(图7c)，故不利冰雹形成，但45 dBZ强回波在4 km高度，强回波质心低，降水效率高，主要以短时强降水为主，由于雨强大，回波带长时间停滞，致使降水时间较长，累积降水大，故导致昆明暴雨洪涝。

4.2 “2017.7.20” 昆明大暴雨回波分析

回波强度场显示，2017年7月20日00时， 昆明地区出现东西向带状对流性降水回波，30～40 dBZ强回波分布于昆明、富民。速度场显示，有东西向负速度区位于曲靖-楚雄北，多处逆风区存在于昆明地区。00：13，带状强回波带弥合成团状，分布有多个逆风区。00：31，昆明西部逆风区减小，北部到东部(降水主城区)逆风区范围不断加大。00：49(图7d)，整个东西向曲靖-楚雄东部的回波带范围向东收缩减小，断裂成多个小回波体，40～49 dBZ的强回波区主体位于富民南-昆明，回波顶高在10～12km(图7f)，相应出现剧烈雷暴，而45 dBZ强回波在4 km高度附近，强回波质心低，降水效率高，主要以短时强降水为主。速度场显示，昆明西侧大块逆风区减小，昆明-宜良出现大块逆风区(图7e)。01：12，小回波块再次合并加强，寻甸为大片30～35 dBZ强回波覆盖，昆明主城区及以南区域持续维持在40～49 dBZ间，速度场上富民-石林的逆风区连成一个弯曲的带状。02时昆明主城区回波强度减弱为30～35 dBZ，速度场显示，原逆风区正区范围不断扩展，昆明为偏北气流自低层由东风向高层逆转为北风，降水逐渐减弱。02：35，昆明主城区至东南部呈贡区的回波强度进一步减弱至20～30 dBZ，并开始断裂，降水明显衰减。速度场零线反“S”愈发明显，正负速度区范围均等。03时，寻甸-昆明东南回波合并为涡旋状30～35dBZ强回波区，昆明城区回波仅为15～20 dBZ，降水基本停止。03：35，强回波主体偏东偏南发展，速度场零线向南推移，正速度区大于负速度区，总体区域为气流辐散场，冷平流控制。05时，回波带离开昆明位于昆明东南侧，东北冷平流控制，降水结束。

综上对比分析，2013年过程昆明多普勒雷达回波特征表现为带状混合型降水回波，持续时间长，中尺度系统有暖平流、中尺度辐合区持续影响，造成降水时间长达15 h，但由于回波顶高在10 km附近，最大回波强度46 dBZ，最大小时雨强为57.3 mm；2017年过程昆明多普勒雷达回波呈带状、涡旋状对流性降水回波，不断有35 dBZ以上的强块状回波合并增强，中小尺度系统表现为逆风区存在，由于冷平流楔入，致使降水时间仅为4 h，对流性特征显著，雷暴剧烈程度强于2013年，最大小时雨强达79.9 mm，成为昆明城区新的历史记录。其共同之处是大于40 dBZ的强回波质心低，降水效率高，主要以短时强降水为主，并伴随雷暴天气。

5 结论

(1)两次昆明大暴雨过程均出现在全省强降水过程的大背景下，强降水时段均出现在盛夏7月夜间00～08时，昆明强降水均集中在北部和东部。但2013年强降水呈NW-SE向带状分布，2017年集中在中部及以东地区，大致呈”C”型环型分布。2013昆明最大强降水量级较大，持续时间较长，洪峰水位较高，但2017年雨强和雷暴次数为最强，城市内涝范围和灾害影响程度较大。

(2)两次环流系统均是两高辐合、低涡切变配合暖湿气流共同作用，但2017年过程具有明显的系统前倾，青藏高压反气旋环流更强，滇中处于中低层切变辐合交叉处，辐合更强。

(3)对流特征指数均为高冷低暖的对流性降水，2017年CAPE不稳定能量较大、高层冷平流较强，高低空强垂直切变明显，对流层高层干冷空气下侵加剧不稳定层结，不稳定温湿条件更好。

(5)整层水汽通量散度显示出两次过程水汽辐合区分布基本一致，与降水区基本对应，但最大值区与较大强降水落区不匹配，表明水汽强弱与动力抬升条件相辅相成，需综合考虑。

(6)中β尺度对流系统是两次大暴雨的直接影响中尺度系统，2017年云团强度更强，对流性特征更强。

(7)昆明多普勒回波特征表现，2013年过程为带状混合型降水回波，且持续少动，中尺度系统有暖平流、中尺度辐合区持续影响，回波顶高10 km左右，最大回波强度46 dBZ；而2017年为团状、涡旋状对流性降水回波，降水时间短，回波强度49 dBZ强于2013年，因此最大小时雨强较大。