一次低涡暴雨过程的诊断分析

夏 蘩

(重庆市气象台，重庆 401147)

引言

暴雨是川渝地区主要的灾害性天气之一，其中西南低涡是造成川渝地区暴雨的重要天气系统之一[1]。气象工作者对川渝地区的低涡暴雨的形成机制、演变过程开展了较多的研究，取得了丰富的研究成果[2-13]。卢萍等[14]对重庆地区2008～2010年的西南低涡暴雨进行了统计，将低涡的移动路径分为偏东型、东北路型和停滞少动型，并发现不同移动路径下的低涡其降水落区主要位于低涡中心附近。宋雯雯、李琴、程晓龙等[15-18]选取质量散度、对流涡度矢量、广义湿位温等多个物理量对高原低涡、西南低涡等多个天气系统造成的暴雨落区进行诊断，结果表明物理量高值区与暴雨落区有较好的对应，对川渝地区低涡暴雨的发展和演变有很好的指示意义。高笃鸣等[19]通过同化西南涡加密探空资料，对西南涡形成、维持机制以及降水有了更好的认识。傅慎明[20]利用位涡方程对凝结潜热的作用进行了讨论，结果表明西南低涡与暴雨凝结潜热之间存在正反馈作用。

低涡强降水常在重庆造成不同程度的经济损失和人员伤亡，如2020年6月20～23日的强降雨过程造成重庆綦江出现1998年以来最大洪峰，造成了较大社会影响。目前，对于川渝地区低涡暴雨过程中的水汽收支以及运用WRF模式对低涡暴雨演变过程中能量分布和云物理降水机制的探讨较少。2016年6月30日～7月1日重庆出现一次较强区域暴雨天气过程，此次过程造成奉节、垫江、万州、忠县等地受灾，受灾人口达21万人，死亡3人，转移安置6414人；农作物受灾面积8062.2公顷，直接经济损失约2.1亿元。本文选取此次发生在重庆的低涡暴雨过程，计算了该过程的水汽收支，再利用WRF模式模拟的结果，分析低涡不同发展阶段的能量分布以及云内各粒子的分布和转化规律，为今后业务上提高低涡暴雨的天气预报提供有价值的参考。

1 实况特征与环流背景

1.1 降水实况

2016年6月30日～7月1日，重庆普降大雨到暴雨，部分地区大暴雨。从30日02时(北京时，下同)～1日02时的累积降水量图(图1)可以看出，此次过程39个区县776个雨量站达暴雨，22个区县403个雨量站达大暴雨，最大降雨出现在忠县松岭村为265.4mm，其次是大足骑胜村249.9mm。暴雨落区成东北-西南向带状分布，两个强降水中心分别位于渝西和渝东北。最大小时雨量出现在6月30日09时忠县松岭村58.4mm/h，主要降水时段为30日05～15时。分析发现，此次过程具有持续时间较长，范围广，降水效率较高等特点。

1.2 环流形势

从6月29日20时～7月1日08时的200hPa平均风场和500hPa平均位势高度场来看(图2)，200hPa重庆位于高空急流轴的右侧，存在反气旋性弯曲，重庆上空为辐散区；500hPa中高纬呈“两槽一脊”的环流形势，弱脊位于乌拉尔山以东，50°～60°N存在两个闭合的低涡中心，副热带高压(以下简称副高)强盛呈东西向带状分布，控制我国华南地区，120°E副高脊线位于25°N，重庆处于副高外围西南气流中，高原上空有波动槽发展，引导冷涡后部弱冷空气侵入四川盆地，与副高北侧的暖湿空气交汇产生强降水，高层抽吸作用增强抬升运动有利于强降水的长时间维持。

1.3 低涡系统水平和垂直结构演变

由700hPa背景场和涡度水平分布特征可以看出，30日08时重庆地区西南风发生气旋性弯曲，在四川南充有气旋性环流生成，但无闭合等高线，说明低涡处于发展阶段，低涡中心值为10×10-5s-1；14时出现完整闭合的等高线，低涡发展增强，涡度中心值增大至14×10-5s-1，东移至重庆潼南，影响范围较小；20时低涡向东北方向移动至重庆垫江，低涡影响范围扩大，涡度中心值为12×10-5s-1(图3a-c)。由经低涡中心的涡度、散度和速度场的垂直结构演变可见：08时400hPa以下有正涡度发展，中心位置位于104°～106°E上空，涡柱向西倾斜，低涡中心600hPa以下为辐合区，500hPa以上为辐散区，辐合辐散区向东倾斜；14时涡度中心明显增强，涡度柱逐渐垂直，108°～112°E上空500hPa以上存在向东倾斜的涡度柱，低涡中心辐合区向下发展，辐合区走向与涡度柱一致，辐合强度和上升运动显著增强；20时涡柱东移与108°～112°E上空的涡度柱合并，演变成东北西南向的涡度柱，整层涡度强度维持，除118°N附近800hPa以下有弱辐合外，涡度柱内为出现辐散和下沉运动(图3e-g)。综合上述已有特征，为了方便研究，本文分别将6月30日08～14时低涡所处阶段定义为低涡发展阶段，将14～20时低涡所处阶段定义为成熟阶段，将20时之后低涡所处阶段定义为消亡阶段。

从以上可知，造成以此强降水过程的影响系统主要是200hPa高空急流、500hPa短波槽、700hPa低涡和低空急流。高层抽吸作用维持有利于低层对流发展，低层盛行偏南风暖湿气流输送明显，是造成此次强降水维持的根本原因。

2 低层水汽输送特征与收支状况

充足的水汽存储是暴雨发生的必要条件[21]，从此次暴雨过程700hPa和850hPa的平均水汽通量输送分布可知(图略)，700hPa上水汽主要由西南气流在孟加拉湾北部转向西北方向，绕高原东南侧输送到我国西南地区，另外南风气流在南海经中南半岛北部折向东北方向，两支气流交汇，30日08时重庆处于强水汽输送带中，渝西与渝东北位于水汽辐合区，中心值达分别为-4×104g.hPa-1.s-1和-2×104g.hPa-1.s-1；850hPa上西南气流在孟加拉湾北部转向东北方向经中南半岛，与南海南部宽广的南风气流在110°E附近汇合，向长江流域以南地区输送水汽。14时，700hPa和850hPa上渝西和渝东北均存在两个水汽辐合大值区，两层上的水汽辐合中心重合且都与西部和东北部暴雨区的位置相对应，湿层深厚造成两地出现短时强降水。可见，孟加拉湾和南海是此次低涡暴雨过程的水汽源。

单位时间通过垂直于风向的底边为单位长度，高为整层大气柱的的面积上的总的水汽通量的计算公式为[22-24]：

(1)

纬向水汽输送通量：

(2)

经向水汽输送通量：

(3)

其中[21-22]：

(4)

(5)

(6)

(7)

水汽量总收支为：Q=QW+QE+QS+QN

q为比湿，g为重力加速度，垂直积分范围均从地面气压积分到300hPa，QW、QE、QS、QN分别为西边界、东边界、南边界、北边界整层水汽收支情况，λ1、λ2、φ1、φ2分别为各边界对应的经纬度，流入为正，流出为负，图1矩形框区为暴雨过程中重庆附近区域上空水汽收支计算的范围(25°～35°N，104°～112°E)。

从表1各边界的水汽收支情况可以看出，南边界的水汽输入通量对暴雨过程中水汽的贡献最大，其次是东边界，随着降水的发生东、南边界的输送不断增大，在30日14时达到最大之后逐渐减小，西边界的水汽输送通量在降水发生前是流出，降水发生时为流入状态，北边界是先流入再流出。由整个区域的水汽输送可知，水汽通量为流入且逐渐增加再减小，在14时达到最大，变化趋势与东、南边界水汽输送变化一致。计算各层各边界水汽收支分布可知，东、南边界各层都为流入，其中低层水汽输入通量最大(表2)，东、南边界各时刻低层水汽输入占整层水汽输入通量的60%以上；西边界在降水发生前中低层是流出高层为流入，降水发生后中低层转为流入状态；北边界中高层为流入，低层是先流入再流出。

表1 2016年6月29日20时～7月1日02时暴雨区域的整层水汽收支

表2 2016年6月29日20时～7月1日02时暴雨区域的低层水汽收支

3 数值模拟方案与模拟结果检验

3.1 模拟方案设计

利用中尺度数值模式WRF3.9.1对此次低涡暴雨过程进行模拟分析，NCEP提供的FNL再分析资料作为模式初始场和边界条件，采用三重网格双向嵌套方案，区域中心位于34.5 °N，104.5 °E，水平分辨率分别为27 km、9 km、3 km，水平格点数分别为201×161、289×217、481×361，模拟积分时间从2016年6月29日20时开始，至7月1日08时，共36h，时间步长120s，每60min输出一次结果。表3列出了模式的具体参数化方案设计,下文分析结果为模式计算第三重区域的结果。

表3 模式参数化方案设计

3.2 模拟结果检验

图4是模拟的6月30日02时～7月1日02时24h累积降水量，长江沿线及渝东南各存在一条东北—西南向的暴雨雨带，渝西和渝东北暴雨落区预报范围较实况偏小，但雨带的走向和位置与实况比较接近，渝西的大暴雨区较实况略偏北约0.2°，渝东北的大暴雨区比实况略偏西约0.1°。模拟的东南部降水比实况偏强，由于降水模拟较为复杂，受多种因素影响，850hPa上实况急流轴位于广西至贵州西部一带，模式预报急流从广西发展至渝湘鄂三省交界处，渝东南位于急流轴出口区的左侧，动力抬升条件更好，可能是造成降水增幅明显的原因。同时，模式预报的500hPa形势场、700hPa低涡中心位置、演变情况以及移动路径也与实况较为一致。综上，模式能较好的模拟出此次低涡暴雨过程的主要影响系统和雨带位置。

4 低涡降水的大气环境场分布和云中各水物质含量变化特征

由于低涡在700hPa结构特征显著，因此选取了700hPa温度、水汽输送、潜热能(E1=Lq)、显热能(E2=CPT)4类环境场参数[25-27]，分析了环境背景场对低涡发生和发展的影响。由温度场和水汽输送分布可以看(图5)，低涡发展初期有弱冷空气经四川盆地以偏西路径侵入低涡底后部，从沙坪坝站风向变化也表明有浅薄的冷空气侵袭；低层贵州西部至渝西的急流维持，有较强的水汽输送，强盛的西南暖湿气流与冷空气相遇，导致凝结潜热释放；此外，低涡发展前期，已有降水发生，释放大量凝结潜热。因此，干冷空气入侵叠加在暖湿气流上以及降雨过程中凝结潜热释放有利于低涡的发展和维持[28-29]。

潜热能的大值区表明相关区域易发生水汽凝结。由潜热能分布可知(图6)，潜热能在整个阶段一直呈“东南高西北低”分布，低涡中心基本都处于潜热能高值区，并在低涡成熟时期，出现了类似逗点云系的分布结构。低涡发展阶段，低涡南部潜热能大值区初始呈团状分布，并且与降水区基本吻合，在向东南扩展的同时分裂；低涡成熟阶段，潜热能大值区逐渐向北延伸，有围绕低涡呈气旋式向内旋态势，在低涡东南侧形成潜热能大值带，大值带在发展过程中逐渐与低涡中心断开，但逗点结构的分布还是比较明显的。因此，在此过程中潜热能的逗点结构在一定程度上也可以表示低涡的发展达到成熟状态。显热能体现的是空气团的温度和湿度，可认为其大值区是暖或湿的气流比较强盛的地区。由显热能分布可知(图略)，在低涡生成前期，盆地处于显热能大值区；发展阶段至成熟阶段低涡西北侧维持较低值，南侧为显热能大值区。说明前期盆地以及低空西南暖湿气流为低涡提供了高温高湿的环境，发展阶段有弱冷空气入侵，开始出现低值区。

降水的形成机制与云系结构、云水资源的分布有密切关系，因此了解在降雨过程中云中各种湿物质的发展演变十分重要[30-31]。

选取重庆西部(29.4°～30.5°N，105.2°～106.2°E)与东北部(30.4°～31.6°N，107.7°～109.5°E)两个降雨大值区为研究区域，计算所选区域各水物质粒子在两个区域的平均值。图7为6月30日02时～7月1日02时两个强降雨区域内云中各种湿物质的平均积分含量演变，其数值变化不仅反映了各湿物质间的相互转换特征，同时也反映了雨带的时空演变特征。西部降水在30日07时之前云水含量大于固态水含量，云水粒子在降水前期先增大后快速减小，在降水后期云水粒子含量在0.3g/kg间上下波动；固态水与雨水粒子含量变化同步，具有两个峰值，在08时均达到顶峰，13时固态水含量与08时较为接近，但雨水粒子较降水强盛阶段小1.2g/kg(图7a)。东北部区域降水，在14时之前固态水含量具有单峰型特征且远大于云水粒子，在降水前期与强盛阶段雨水粒子与固态水变化基本一致；降水后期，固态水含量快速减小，云水含量增加，雨水粒子也有一定的增加(图7b)。此外，湿物质的平均积分含量演变图也反映了两个区域降雨强弱的时间演变，随着降水系统的发展，强烈的上升运动和水汽辐合，加快了大气水分循环，增加了各水物质粒子的量值和相互转化效率，降水随之增强；之后，由于降水系统的减弱，上升运动和水汽辐合也随之减弱，各水物质粒子的量值和相互转化效率降低，雨量也逐渐减小。

结合云中各粒子的垂直分布，30日04时(图8a)，西部云系发展较高，0℃上下都有云系的发展，云中固态粒子的含量略大于液态水含量。霰粒子含水量最大为0.4g/kg，出现在450hPa；最大雪含水量出现在400hPa，达0.3g/kg；云水与雨水最大值出现的高度比较接近，说明暖云降水具有一定的贡献。因此西部降水前期为混合相降水，暖雨过程通过云雨自动转化及碰并增长为雨水；冰相粒子在降落至0℃以下的暖区逐渐融化直接转变成雨滴，或者与云水碰并增长为雨水下落。由于西部风场发生气旋性辐合且发展成低涡，低层暖湿气流输送增强，动力抬升增强，过冷层以上的过冷水丰富，西部云系发展很高，高层冰相粒子以及雨水含量逐渐增多，各相态水物质相互转化效率也增高。30日08时(图8b)，云中各粒子达到最大，高层为雪层，最大出现在350hPa达1.5g/kg，中层雪含水量丰富最大为1g/kg，云水含量较降水前期只增多0.1g/kg。雪粒子与霰粒子完全融化高度与雨水最大高度值一致，因此强降水时期由雪粒子和霰粒子的融化主导，雨水含量逐渐增多为前期的3倍，但暖雨降水也有一定作用。降水后期(图略)，冰相粒子与云水粒子同时减小，但冰相粒子减小更快，导致雨水含量随之减小，因此为混合相降水。从东北部云中粒子的垂直分布可知，30日08时(图8c)，前期降水云系发展略低于西部，但基本都位于0℃以上的冷区。此时液态水粒子含量较少，雨水最大含量为0.1g/kg，因此东北部降水开始时云系以冷云为主。30日12时(图8d)，云系发展强盛，云中冰相粒子含量快速增大，雪粒子明显大于其他水物质，最大出现在400hPa达1.8g/kg，其下为霰粒子，云水粒子增加不明显，冷雨过程对东北部降水强盛阶段贡献最大。东北部冰相粒子含量大于西部强降水时期冰相粒子，但雨水含量略小于西部，可能是由于东北部位于低涡东北侧南风气流中，离暖式切变线位置远，水汽辐合和垂直运动明显低于西部，导致0℃以上的冷区中过冷水滴含量少，没有丰富的过冷水使冰相粒子增长，因此雨滴转化率低降水效率低。降水后期(图略)，冰相粒子逐渐减小，云水含量增大，主要表现为暖云降水。结合30日08时沿渝西大足骑胜村29.7°N和14时渝东北忠县松岭村30.4°N云系的垂直剖面图可以看出(图略)，两个区域云顶高度一致大约为9000m，0℃层高度大约为4500m，云体都为典型的“催化-供给”云，冰晶通过凝华增长转化成雪，雪撞冻过冷云水，收集冰晶和凝华增长转化形成霰，霰靠撞冻过程、收集雪过程长大，从而形成可以降落到云的暖区融化形成雨水的粒子，促使雨水大量产生[32]。

5 结论与讨论

(1) 此次低涡暴雨过程是由200hPa高空急流、500hPa短波槽、700hPa低涡和低空急流共同作用引起。高层抽吸作用维持有利于低层对流发展，低层盛行偏南风暖湿气流输送明显，是造成此次强降水维持的根本原因。

(2) 孟加拉湾和南海是本次暴雨过程的主要水汽源。南边界的水汽输入通量对整个暴雨过程中水汽的贡献最大，东边界次之；整个区域的水汽通量为流入且先增加再减小；低层水汽输入通量最大，约占整层水汽输入通量的60%以上。

(3) 在低涡成熟阶段，潜热能出现逗点云系的分布结构；对流层中层冷空气侵入、暖湿西南气流的输送以及降水产生的凝结潜热释放等环境场条件有利于低涡的发展增强。

(4) 这次低涡暴雨天气过程，不同区域不同时段，云物理降水机制都存在显著差异。渝西降水前期和后期，均为混合相降水，盛期冷云过程对降水贡献最大但暖云降水也不可忽略。东北部降水前期云系以冷云为主，盛期冰相粒子含量迅速增大，云水粒子含量低，冷云过程显著增强，后期以暖云降水为主。

在已有低涡暴雨的研究工作基础上，本文不仅分析了暴雨过程水汽输送特征、收支状况以及云物理降水机制，对低涡发展和成熟阶段的能量分布开展了研究，证实了冷空气与降水释放的凝结潜热对低涡发展有正反馈作用。但是，本文研究仍有较多不足之处，对于低涡发展和成熟阶段动能和有效位能的转化对降雨的影响没有涉及，以及水汽收支和垂直输送与降水量的变化关系也没有展开分析，以后希望结合更丰富的观测资料和高分辨模式资料再做进一步研究。