2019年盛夏昆明一次夜间致灾性强降水的成因分析

姜 勇,黄初龙

(1.云南省气象局,云南 昆明 670000; 2.昆明市气象局,云南 昆明 670000)

强降雨是我国的主要气象灾害之一,其主要特点是突发性强、持续时间长、强度大,在强降雨出现的过程中还往往引发地质灾害以及洪涝灾害,严重威胁人们的生命和财产安全。

云南地处低纬高原地区,是青藏高原山脉的东部延伸和过渡带,属北亚热带低纬高原山地季风气候,地理位置特殊,地形地貌复杂多样,地势悬殊较大,山壑纵横(见图1),特殊的地形抬升影响,形成了云南多强对流的天气气候特征[1]。因此,云南受强降雨而导致的灾害也较为突出。

昆明地处滇中地区,地形北高南低,夏季受南方暖湿气流和北方冷空气的影响,常常出现暴雨天气,易引发山体滑坡、泥石流和城市内涝等灾害。昆明城区相对周边地形呈低凹形状,当地人俗称“坝子”,且“坝子”面积居云南省首位。昆明作为云南省省会城市,通过防灾减灾项目的建设,昆明的气象监测水平有了较大提升,共布设有常规气象观测站403个(见图2),站点分布密度已达到5 km,为昆明各类气象灾害监测预警提供了基础支撑。

近年来,国内的一些专家学者通过研究发现,由于复杂地形与季风环流的相互作用,青藏高原以东的地区(主要为我国的西南地区)降水呈现出非常明显的区域特性,局部强降水较为突出,夜间降水尤其频繁,降水往往在凌晨后至日出前达到峰值,部分专家针对降水的日变化规律开展了研究，指出青藏高原东侧地区降水峰值多数出现在午夜,降水持续性与降水日变化位相差异关系密切[2]。

图1 云南地形图及昆明所处特殊地理位置Fig. 1 Topographic map of Yunnan and geographical location of Kunming

图2 云南气象监测站点分布情况Fig. 2 Yunnan meteorological monitoring site distribution

近年来,因暴雨已导致昆明城市内涝多次,给昆明社会经济发展、农业生产、人民生命财产安全带来严重危害,造成严重的经济损失。根据统计,昆明主城区最大24 h降雨量(暴雨、大暴雨)主要集中于6 h内(约占75%),而6 h暴雨又多集中于1 h内(约占65%),1 h雨量占24 h雨量的比重约为47.1%,昆明降水多以短时强降水为主,由于受到昆明所处特殊地形的影响,昆明降水具有明显的时空分布特征。解明恩等[1]指出地理环境、气候、人类活动是形成云南气象灾害的主要原因;郭荣芬等[2]对盛夏昆明两次致灾大暴雨对比分析指出两次过程均出现在全省强降水过程大背景下,强降水时段均出现在盛夏7月的夜间,集中在北部和东部;鲁亚斌等[3]对2017年昆明一次大暴雨过程的中尺度分析指出两高辐合区是暴雨过程的天气尺度影响系统,短时强降水主要出现在MCS 移动方前沿对流活跃的TBB等值线密集区。昆明已连续几年在7月20日夜间出现大暴雨天气,且均造成城市内涝灾害,有必要对其产生过程及其机理进行分析,为下一步昆明暴雨诱发城市内涝的预警及防灾减灾基础建设提供理论依据和指导。通过对夜间强降雨天气及时进行预警预报,并启动成熟有效的应急预警方案,让群众可以有充足的时间提前做好防御工作,将强降雨天气造成的损失降到最低,这将对气象防灾减灾、提高气象预报服务工作的社会效益和经济效益具有十分重要的意义。

1 资料与方法

研究资料来源于2019年7月19—20日云南省自动气象监测站雨量监测累计资料、Micaps常规气象资料、昆明国家天气雷达体扫资料和高空气象观测资料。

昆明国家天气雷达是CINRAD/CC(3830) 天气雷达,是已投入全国气象业务组网运行的新一代多普勒天气雷达,为C波段全相干脉冲多普勒雷达,具有天线增益高、波束窄、发射功率高、脉冲宽、接收灵敏度高、动态接收范围大等特点。

昆明国家雷达站区站号Z9871、天线海拔2 484.0 m、经度102°34′42″E、纬度25°03′06″N、脉冲重复频率900 Hz、取样时间间隔为6 min左右一次的连续体扫。研究使用的是VOL原始资料,从1～14 层,根据各资料高度,选取临近该高度平面(间隔1 km)的上下2个仰角的相临库上的数据,采用九点平滑后插值得到ZCAPPI(强度等高平面位置显示),各格点值为雷达反射率因子的数据[4]。

2 降水实况与灾情

据监测,2019年7月19日15:00昆明地区开始出现降雨,7月19日20时—20日08时,在全省国家级地面自动气象观测站中,共出现大暴雨3站(昆明地区2站),暴雨14站(昆明地区5站),大雨14站,中雨15站,小雨35站。

在后续降水过程中,2019年7月19日20时—20日20时,昆明站降雨量达126.8 mm,为近30年最大降雨量;昆明地区除晋宁为91.7 mm外,其余站点均达到大暴雨量级,最大为嵩明县179.2 mm。

2019年7月20日00时至7月20日21时小时降雨量时序分布如图3所示。从全省降雨情况来看,降雨分布形势较为明显,范围性降雨主要覆盖云南迪庆至红河以北地区,暴雨及大暴雨主要集中位于昆明地区,且降雨时段集中于2019年7月20日01时—06时,小时最大雨强为51.2 mm(见图3(b)),出现在7月20日04—05时的昆明太华山站,同时也突破了该站建站以来小时降水历史极值。

图3 2019年7月20日00时至7月21日20时小时降雨量时序分布Fig.3 Hourly rainfall timing map from 00:00 to 20:00 on July 21,2019

7月20日7:30盘龙江敷润桥水位1 889.92 m,低于警戒水位0.6 m,相应流量40.7 m3/s。强降雨共造成主城区明波立交桥、西苑立交桥、二环东路下穿昆河铁路段、茭菱路至西苑立交段、海源中路等多个点(片)不同程度出现内涝淹积水,由于积水过深致使部分道路交通中断。

由此可见,虽然此次暴雨过程持续时间短,核心降雨时段仅有5 h(7月20日02时—07时),但强度较大且较为集中,与2017年7月20日暴雨和2018年7月20日暴雨相同,都为夜间强降雨,β尺度雨锋中嵌套有多个γ尺度雨锋,致使局地出现特大暴雨灾害。

由于2019年前期呈现严重干旱,此次强降雨导致部分地区出现了旱涝急转的情况,对工农业、交通运输业等均造成了一定程度的影响。

3 条件分析

3.1 环流形式

2019年7月20日强降雨过程前期,自4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月中旬,致使云南处于重度干旱影响下,2019年5月21日,云南省防汛抗旱指挥部启动了云南省防汛抗旱应急预案Ⅳ级(一般)应急响应,云南省气象局于2019年5月14日12时启动了重大气象灾害(干旱)Ⅳ级应急响应命令,昆明、玉溪、楚雄、普洱、西双版纳5个州(市)气象局相继启动并保持干旱Ⅳ级应急响应。

2019年7月19日08时、20时高低空环流形势如图4所示。2019年7月19日08时500 hPa高度场上(见图4(a)),云南东部地区受滇缅高压影响,滇中以西地区受青藏高压影响,同时受到海南地区低压气旋影响,滇中和云南以东地区存在辐合切变线,西北太平洋副热带高压偏弱,同时由于东部沿海台风的影响,存在一个经贵州向云南东部的水汽输送通道。700 hPa高度场上(见图4(c)),云南受滇缅高压和西北地区存在的气旋性低压环流的共同影响,在云南西北部迪庆至昆明、曲靖一带存在风场切变线,同时由于受到滇缅高压环流影响,有水汽由孟加拉湾向云南西北部输送。近地面层上,云南始终处于低压控制区范围,存在风场的辐合,近地层气温相对较高,有利于风场辐合上升。

图4 2019年7月19日08时、20时高低空环流形势图Fig.4 High and low altitude circulation at 08:00 and 20:00 on July 19,2019

2019年7月19日20时高度场上(见图4(b)、(d)),低压中心进一步南压影响云南(见图4),辐合切变线已南压到滇中附近,并且EC预报产品显示,未来两天(20—21日)还将继续影响昆明等地区。在200 hPa高度场上显示,云南高空为高压区域,部分地区为高压中心,风场主要为东南风,风速普遍为20 m/s左右,且有风速和风向的辐散。在500 hPa高度场上,云南受到滇缅高压和青藏高压以及贵州地区存在的小低压的共同影响,处于两高辐合区域,也是交换热量与动量的通道,该区域的大气活动较为频繁,在云南东部有一低压气旋环流存在,且从EC预报产品来看,昆明地区始终存在风场的辐合切变,极易引发强降雨天气。在700 hPa高度场上,切变线继续南压,切变线附近比湿较大,最大值达14 g/kg,水汽条件充沛,有利于形成较强降雨。

3.2 中尺度分析

在有利的大尺度环流背景条件下,特大暴雨天气过程的发生发展和减弱还取决于低层的触发机制[5]。研究利用国家地面气象观测站资料来分析昆明特大暴雨过程前后地面流场的中尺度特征。从地面10 min风向风速分布图可以看出,自2019年7月18日20时起,从昆明到楚雄一带一直存在明显的地面风场辐合(见图5),并且随着时间的推移,辐合区逐渐向昆明南部地区缓慢移动。而且从地面气温监测情况看,昆明-楚雄-丽江及北部地区处于相对暖区,气温普遍在22 ℃以上,有利于低层空气上升运动。

3.3 水汽及动力条件

2019年7月19日08时探空图(见图6)显示,昆明站T-logP图呈现细长型,400 hPa以下均为偏西风,350～500 hPa有干空气入侵,存在2个逆温层,其余高度水汽条件好,有一定的对流有效位能。到20时,400～500 hPa层水汽条件改善,且有加深趋势,对流有效位能有所释放,低层有风场切变辐合,有动力上升条件。到20日02时,400 hPa高度以下水汽条件均非常好,对流有效位能进一步释放,不太强的对流有效位能对降水的形成较为有力,低层风场切变辐合明显,为水汽上升运动提供了动力条件。水平方向上,7月19日08时—20日02时云南GNSS/MET水汽观测始终处于较高值(见图7),20日02时云南地面层的比湿均为18 g/kg以上,水汽条件较好。另外从垂直风场上看,19日08时—20日08时,有相对较弱的垂直风切变,对降水的形成有利。

图5 2019年7月19—20日地面中尺度分析Fig.5 Ground menoscale analysis from day 19 to 20 on July 19,2019

暴雨的发生发展,不仅要求水汽条件充沛,而且还需要空气的辐合抬升运动[6]。通过对2019年7月19日08时—20日20时昆明地区(纬度24°～27°N,经度101°～104°E)平均水汽通量、水汽通量散度和风场(风矢)做时间-高度剖面(见图9)发现,特大暴雨发生前12 h,暴雨区上空800～600 hPa有4 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量大值区,700 hPa上为5 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量大值中心;随着时间的推移,水汽通量中心值有所减弱,但特大暴雨发生时仍维持4 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量大值区,表明在特大暴雨发生前低层有明显的水汽输送。从图9中还可看到,特大暴雨发生前在低层500 hpa以下高度存在水汽辐合区,特大暴雨发生时水汽辐合猛增并达到最强,出现了-0.2×10-7g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽辐合中心,500 hPa以上高度为水汽辐散,特大暴雨结束后中低层的水汽辐合变为辐散。这表明特大暴雨发生前低层存在水汽输送以及水汽辐合,特大暴雨发生在水汽通量散度辐合达到最大的时段,在水汽条件基本满足时,水汽的辐合强度决定降雨的强度。

图6 2019年7月19日08时、20日08时昆明站探空曲线图Fig. 6 Kunming Station sounding curve at 08:00 on July 19,2019 and July 20,2019

图7 2019年7月19日20时、23时比湿Fig.7 Specific humidity at 20:00 and 23:00 on July 19,2019

图8 2019年7月19日20时800 hPa θse分布和θse (500～800 hPa) 分布(单位:K,黑色方框为昆明地区)Fig.8 Distribution of 800hPa θse and θse (500～800 hPa) at 20:00 on July 19,2019

注:右侧数据表示水汽通量,单位:10-2g·cm-1·hPa-1·s-1; 等值线表示水汽通量散度,单位:10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。图9 2019年7月19日08时—20日20时昆明地区(24°～ 27°N,101°～104°E)平均水汽通量、水汽通量散度和 风场(风矢)时间-高度剖面图Fig. 9 Average water vapor flux,water vapor flux divergence, and wind field time-height profile from 08:00 on July 19, 2019 to 20:00 on July 20,2019

水汽的辐合取决于风场的辐合[7],为更深入地分析特大暴雨发生地区降雨条件,对2019年7月19日08时—20日20时昆明地区(纬度24°—27°N,经度101°—104°E)风场平均散度和垂直速度做时间-高度剖面图(见图10),从19日08时起500 hpa以下高度的风场辐合加强趋势明显,在580～720 hPa高度最为明显,由辐散转为辐合,19日20时—20日08时为辐合最大时段,最大值达到了-20×10-6s-1,在500 hPa以上则正好相反,有明显的辐散状态,最大散度值为20×10-6s-1。高层辐散低层辐合为上升运动提供了动力条件,对图10分析发现,从19日14时起垂直速度逐渐加强,在19日20时—20日06时期间,垂直速度达到最大值-0.25×10-3hPa·s-1。风场的辐合上升带动了水汽的辐合上升,最终为特大暴雨的产生提供了最为重要的条件[8]。

注:右侧数据表示散度,单位:10-6s-1;等值线表示垂直速度, 单位:10-3hPa·s-1。图10 2019年7月19日08时—20日20时昆明地区 (24°～27°N,101°～104°E)风场平均散度和 垂直速度时间-高度剖面图Fig.10 Average wind field divergence and vertical speed time-height profile from 08:00 on July 19,2019 to 20:00 on July 20,2019

从大范围来看,昆明地区位于云南中部偏东,昆明以北(四川)地区和昆明以南玉溪、红河等地地势相对偏低,昆明大部分地区海拔在1 500～2 800 m之间,平均海拔为1 894 m。从云南西南方向孟加拉湾和云南东南部过来的水汽由于地形的影响逐步抬升与北方冷空气交汇于昆明等地区,容易产生迎风坡降雨。同时由于受到四川盆地产生的西南涡外围气流的影响,有利于形成辐合上升气流。从小范围来看,昆明城区的“坝子”地形容易形成局地小气候(见图11),从地形气候学的角度分析看,昆明城区的“坝子”地形白天由于四周山体辐射“聚焦效应”(类似河谷效应)增温较快,低层上升气流速度迅速增大,由下沉气流为主的形势迅速转变为上升气流形式,且垂直风切变较大,不稳定能量大量积累,加上从西北沿横断山脉南下的冷空气受到山脉影响产生的地形波的作用,容易激发冰雹等强对流天气,但不利于降雨的形成。从7月19日白天气象实况监测情况可以看到,白天地面温度相对偏高,昆明部分地区已经出现冰雹等灾害性天气。

图11 昆明坝子气流交汇示意图Fig.11 Kunming dam air flow junction diagram

夜间整层空气降温,大量水汽凝结,不稳定能量通过白天强对流天气有一定程度释放[9],且由于辐射降温和“坝子”聚焦作用、城市热岛效应以及昆明滇池等大型水体的调节作用的共同影响。在7月20日20时后,上升气流速度逐渐减小,水汽凝结及水汽输送通道的存在致使整层水汽条件进一步加强;适当速度的上升气流不断将低层水汽输送到300～500 hPa的适当高度,同时与西北沿横断山脉南下的冷空气受到山脉影响产生的地形波相互作用，同时由于冷空气沿山坡下滑到“坝子”底部时,将“坝子”底附近的暖湿气块抬升冷却凝结致雨。多方面的原因共同有效地促成昆明地区夜间降雨的产生与持续,从而产生了一次昆明盛夏夜间强降水。

3.4 卫星云图

特大暴雨的发生和发展是在有利的天气尺度背景下产生的[10],而中尺度系统在一定程度上是暴雨的直接制造者和组织者[11],通过气象卫星等的探测资料可以直观地呈现出各种天气尺度系统的发生、发展和消亡过程[12]。

图12 2019年7月20日00时—05时卫星云图Fig.12 Satellite cloud map from 00:00 to 05:00 on July 20,2019

2019年7月19日—20日,卫星探测资料显示,云南地区受两高辐合的影响,在云南西北部地区有对流云团生成,同时在其西南方向不断有点状对流泡发展并相互汇合,并向西南方向移动,20日02时起越过滇中向昆明挺进,同时与昆明本地上空生成的暴雨云团合并发展,持续影响昆明地区。

3.5 雷达回波情况

雷达资料用于探测临近降水过程优势明显,能较为详细地反映出降水区中小尺度系统发生、发展和演变过程[13]。由于昆明暴雨发生时段主要集中于7月20日00时—07时,选取昆明国家天气雷达站07时前低仰角(0.5°)雷达探测数据进行分析发现,昆明地区自7月20日00时起开始陆续有絮状雷达回波云团自西北向偏东移动,存在多个逆风区,云团回波剖面显示云体发展高度较低,中心维持在4 km左右,回波顶高在6 km左右,强度普偏在40 dbz以下,属于降水回波,有明显的辐合行为,且移动速度慢,昆明本地区上空不断有降水云团回波经过,且停留时间较长,受到“列车效应”和长时间停留的双重影响[14],造成了昆明地区特大暴雨的产生。

图13 2019年7月20日02时30分-04时35分0.5°仰角强度图、速度图和垂直剖面图Fig.13 0.5°elevation intensity map,speed map and vertical profile from 02:30 to 04:35 on July 20,2019

4 结论

利用常规气象观测资料、加密自动站观测资料、卫星观测资料和昆明国家天气雷达站观测资料,从环流背景、中尺度近地层分析、水汽动力条件、昆明地形特点、卫星云图和雷达回波情况等方面,对发生在昆明地区的一次夜间致灾性暴雨进行了诊断分析，其主要结论如下:

(1) 两高辐合和低层低压切变是本次暴雨发生的大尺度环流背景。暴雨发生前,暴雨区水汽条件充沛,从低层到高层整层水汽均较好,中低层辐合区和切变线的共同作用为强降雨天气提供了有利抬升条件,低层辐合和高层辐散所形成的“抽吸作用”有效地促进了低层水汽的上升运动;在强降雨天气出现的过程中,昆明地区存在强烈的上升运动,垂直运动则提供了动力机制,不稳定能量的释放为上升运动提供了有利条件。

(2) 卫星云图显示,在云南西北部地区有对流云团生成,同时在其西南方向不断有点状对流泡发展并相互汇合,并向西南方向移动。雷达回波上,多个γ中尺度的小单体回波在移动过程中合并、加强,强回波较长时间维持在特大暴雨区;在整个回波发展过程中,出现明显的辐合,表明回波内单体的合并非常活跃,在强降雨阶段存在较强的风向、风速辐合。由于暴雨云团移动缓慢的特点,同时连续经过昆明地区,形成了“列车效应”,造成昆明特大暴雨的产生,同时地面层的逆风区也对暴雨的产生和维持发挥了促进作用。

(3) 白天地面温度相对较高,对流不稳定能量积聚,夜间来自孟湾的水汽在云南西北部地区形成深厚湿层和高湿舌,低层的中尺度风场和水汽的辐合抬升、弱的垂直风切变环境条件和特殊的地形条件,有利地促成了云南昆明夜间强降雨的发生发展及维持。