云南盛夏一次低涡强降水天气过程诊断分析*

马文倩，向 影，牛法宝，孙绩华，马志敏，裴 玥

(1.云南省气象台，云南 昆明 650034；2.云南省昭通市气象台，云南 昭通 657000)

0 引言

云南地处青藏高原东南麓，地形复杂，同时受印度季风系统和东亚季风系统影响，干湿季明显，全年85%～95%的雨量集中在雨季[1]。夏季雨量集中，多暴雨，暴雨引发的城市内涝、滑坡、泥石流等灾害常对云南的社会、经济产生不利影响，而低涡是造成云南暴雨的天气系统之一，其位于对流层中低层，是中心气压较四周低的气旋性小涡旋。低涡由于水平和垂直尺度小，模式对其预报能力较差[2-5]，但低涡造成的降水常具有突发性强、雨强大的特点，易造成极端天气事件，故低涡及其降水也受到国内外气象工作者较高的关注[6-11]。

对于西南涡、西北涡和高原涡等常引起大范围强降水的低涡，气象学者从统计特征、环境流场、结构特征和发生发展机制等方面进行了大量的关注和研究。郁淑华等[12]和黄一航等[13]对青藏高原低涡的统计特征进行了研究，结果表明，近40 a青藏高原低涡的频数呈增加趋势，生命史超过60 h的高原低涡除造成高原暴雨外，还可能造成云南大部分地区大雨以上的降水。西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)对低涡的移动、路径有明显的影响。郁淑华等[14]的研究表明，高原低涡移出高原时，西太副高位置偏南，但切变流场中的低涡移出高原时，西太副高位置偏北。顾清源等[15]的研究也表明，移出高原主体的高原低涡环流背景中，西太副高明显西伸。此外，其研究还表明，青藏高原上500 hPa上的正涡度平流利于高原低涡的生成和加深。不同的低涡、不同时期的低涡结构特征可能存在差异。江玉华等[16]对西南涡的结构特征研究显示，西南涡正涡度中心随高度向西倾斜，而陈贵川等[17]对2015年8月16日四川盆地西南涡的结构研究显示，西南低涡成熟阶段，高低层正涡度柱几乎呈垂直状态，水平流场上则表现为近圆形。关注低涡的形成和维持，有利于对低涡及其伴随的天气进行预报和监测。何光碧等[18]对一次低涡暴雨发生机制进行研究时指出，高原低涡和西南涡的耦合有利于低涡发展维持，中层的正涡度平流和低层的辐合上升运动则是低涡发展的重要影响因子。崔恒立等[19]利用位涡追踪高层扰动，指出高层位涡异常时，其下方的气旋性涡度增强，并向低层发展形成气旋性涡柱，该涡柱移到西南涡上空时有利于西南涡东移发展。王强等[20]对比分析了3次西南涡暴雨天气过程，指出3次过程降水主要分布在低涡东南侧及其东侧的切变线附近。

云南的低涡降水，近年来也引起了气象学者的关注。郭荣芬等[21]在分析2002年6月30日云南中部一次低涡暴雨的中尺度特征时指出，低涡暴雨发生在高能高湿的强烈上升区，暴雨过程中有低涡云团发展，同时雷达回波有中尺度辐合线、中尺度气旋等中尺度系统，中尺度特征明显。张腾飞等[22]关注了2002年6月云南低涡切变影响下发生的6次强降水的中尺度特征。结果显示，6次大到暴雨过程是在川滇低涡影响下，由中尺度对流复合体造成。秦剑等[23]对以昆明为中心云南东部地区1988年6月18日出现的一次暴雨过程进行分析时认为，500 hPa上有两高(滇缅高压和西太平洋副热带高压)，辐合区加强，导致700 hPa上西南涡和北部湾低涡相遇，两个低涡合并的过程中发生了暴雨过程。

影响云南的低涡常见的形势有以下几种：西南涡南移进入云南形成的低涡[24]、西行热带气旋进入云南后减弱形成的低涡[25]以及孟加拉湾风暴向东北方向移动登陆减弱形成的低涡[26]。除上述几种形势外，两高之间辐合区中的低涡也常造成云南强降水，但相较于上述几种低涡，此类低涡较少见。云南夏季易受两高之间辐合区的影响，许美玲等[1]的统计指出，云南夏半年，此类辐合区平均出现11.21次，但并不是所有的两高之间辐合区都能造成暴雨[27]。两高之间辐合区中发展出低涡时，由于夏半年云南水汽充沛，辐合区低涡常常能造成较强的降水。一方面，已有研究显示，低涡的形成、移动等受到大尺度天气系统的影响，另一方面，已有的云南低涡降水研究多关注其中尺度特征。因此，关注两高之间辐合区中的低涡及其降水，研究其发生的大尺度环流背景，了解其动力、热力等特征，能为此类强天气在业务实践中的监测、预警提供指导。2018年8月3— 4日，受两高之间辐合区中低涡影响，云南出现一次大范围、连续性强降水过程。造成此次强降水过程的低涡除生成于两高压之间辐合区的环流背景外，还受到台风及青藏高原低涡的影响，因此，本研究对此次低涡强降水过程进行诊断分析，以期对此类强降水过程有更全面、深刻的认识，进而为业务实践中此类强天气过程的预报、监测预警提供有用信息。

1 资料和方法

本研究所用降水数据为云南省125个国家站和3 400个区域站2018年8月2日20时— 4日20时逐24 h降水量，以及研究时间段内国家站逐小时降水量。再分析数据则来自European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) ReAnalysis Interim (ERA-Interim)[28]，包括2018年8月不同气压层上的水平风场、相对涡度、垂直速度、散度、相对湿度、温度以及水平水汽通量垂直积分。再分析数据水平分辨率为0.5°×0.5°，时间分辨率为逐6 h(世界时00时、06时、12时、18时，为与降水数据保持一致，再分析数据时间统一转换为北京时)。此外，本研究所用FY-2H卫星相当黑体亮度温度(TBB)逐小时数据来源于国家气象卫星中心，分辨率为0.1°×0.1°。

本研究利用假相当位温(θse)分析降水过程的热力特征。θse根据Bolton[29]推导的公式计算：

(1)

其中，T、p、r为初始高度上的绝对温度、气压和混合比湿。TLCL为抬升凝结高度上的绝对温度。TLCL的计算根据Bolton[29]推导的公式计算：

(2)

其中，e为水汽压，其计算可根据Tetens经验公式：

es=6.11×10at/(t+b)

(3)

es为饱和水汽压，a、b为常数，分别为7.5和237.3，t为温度。将公式(3)中的温度取为露点温度即可得水汽压。

2 降水实况

图1为云南省2018年8月2日20时— 4日20时逐24 h降水量。由图1a可知，3日(2日20时—3日20时)云南西北部至东南部及东北部出现大范围大到暴雨，局地出现大暴雨。由国家站降水数据可知，3日云南共23个站达到大雨量级，3个站达到暴雨量级，最大降水量出现在丽江华坪站达66.1 mm。4日(3日20时—4日20时)出现大到暴雨降水(图1b)主要分布在云南中部以南以及云南东北部(昭通，由于低涡向西向南运动，4日昭通不在低涡影响的范围内，故4日云南东北部的降水原因不做分析)，降水大值中心大致位于云南普洱一带，该区域出现了大范围的暴雨，局地达到大暴雨。国家站中19个站达到大雨量级，10个站达到暴雨量级，1个站出现了大暴雨，最大降水量为117.6 mm(普洱宁洱站)。

为更好地体现降水特征，选取降水大值区的昆明站(位于云南中东部，过程总降水量为56.9 mm)和普洱宁洱站(位于云南西南部，过程总降水量为118.7 mm)，分析其逐小时降水演变情况，以进一步揭示低涡降水的时间演变特征(图1c、d)。由图1c可知，3日降水持续时间较短、降水时段较集中，降水过程中出现了短时强降水(小时雨量≥20 mm)。4日，降水持续时间相对较长，一方面，同样也出现短时强降水，另一方面，累积雨量较大(图1d)。同时，结合图1c和1d可知，研究时间段内，雨带向南向西移动。

由上述分析可知，2018年8月3— 4日云南出现连续性强降水过程，此次过程有以下特点：降水时效长、强度大，强降水过程中伴有短时强降水；降水过程影响范围大；降水大值区自东向西向南移动。

3 大气环流背景

图2为3日08时及4日08时500 hPa水平流场和700 hPa水平风场。由图2a可知，3日降水发生时，500 hPa上，青藏高原北部为反气旋环流形势，中心位于青海北部，与此同时，青藏高原南侧存在两个高原低涡，中心分别位于西藏西南部和青海西北部。云南以西为滇缅高压，在滇缅高压和青藏高原北部高压之间为切变形势。西太副高主体位于华北至日本一带，南海上空也存在一个反气旋环流，中心位于菲律宾以北的洋面上。西太副高主体和南海一带的反气旋环流之间为台风“云雀”，中心位于浙江东北部。受滇缅高压和位于南海一带的反气旋环流影响，云南受该两高压之间辐合区的影响，辐合区中有低涡生成，3日08时低涡中心位于云南东南部至广西西部一带。700 hPa上，辐合区低涡则位于云南东部(图2b)，低涡切变呈西北—东南向分布于云南西北部至东南部，3日降水主要沿低涡中心和低涡切变分布(图1a)。4日08时，500 hPa上(图2c)青藏高原北侧反气旋环流减弱，高原东侧的低涡也减弱消失，西侧的低涡略向东移，其东侧的切变较前一日有所减弱。滇缅高压中心位置少动，但其强度较前一日则明显减弱。南海上空的反气旋环流中心消失，台风“云雀”也明显减弱。云南仍然受低涡影响，且向西向南移动至云南西南部，强降水落区也随低涡的移动而移动。700 hPa上(图2d)，云南南部继续受低涡控制，其切变演变为东西向分布，与4日云南降水分布基本一致，降水中心和低涡中心也较一致(图1b)。

图1 2018年8月2日20时—3日20时(a)、3日20时— 4日20时(b)云南省降水量以及昆明站(c)、宁洱站(d)2日20时— 4日20时逐小时降水量Fig.1 The 24-hourly accumulative precipitation during 20:00 on Aug. 2 to 20:00 on Aug. 3 (a), 20:00 on Aug. 3 to 20:00 on Aug. 4, 2018 (b) over Yunnan Province and hourly precipitation during 20:00 on Aug. 2 to 20:00 on Aug. 4, 2018 for Kunming (c) and Ning’er (d)

图2 2018年8月3日08时(a-b)、4日08时(c-d)500 hPa水平流场(G、D和台风符号分别代表高压、低压及台风环流中心)和700 hPa水平风场Fig.2 The horizontal streamlines (The G , D and the symbol of typhoon represent the centers of the highs, lows and typhoon) on 500 hPa and horizontal winds on 700 hPa for 08:00 on Aug. 3 (a-b) and 08:00 on Aug. 4, 2018 (c-d)

进一步，结合低涡中心位置演变，分析造成云南强降水的低涡的结构和移动特征。图3为研究时间段(2日20时— 4日20时)内逐12 h低涡中心位置演变。2日20时500 hPa影响云南的两高之间辐合区内，发展出两个闭合低涡，分别位于云南东北部和广西西部，至3日08时，云南东北部的低涡南下，广西西部的低涡北上，合并为一个低涡，中心位于云南东南部以东。随后，该低涡沿云南南部边缘向西向南移动，3日20时— 4日20时，移速相对前一日较慢，在云南西南部影响时间较长，导致云南西南部出现强降水中心。4日20时，500 hPa上低涡中心移出云南，对云南的影响逐渐减小。与500 hPa相似，700 hPa上2日20时也存在两个低涡，中心分别位于四川东南部和广西西北部，相较于500 hPa上的低涡，700 hPa上的低涡中心偏西偏北，也即两个低涡中心在垂直方向上为倾斜结构，自下而上呈现西北—东南向倾斜。3日08时，700 hPa上两个低涡也合并，中心位于云南东部，随后在云南中部一带向西、向南移动。3日低涡位于云南东部一带，造成云南西北部至云南东南部及云南东北部的降水。4日低涡移至云南西南部，造成云南中部以南出现强降水。至4日20时，低涡中心移至云南西部边缘，对云南的影响逐渐减小。可见，低涡系统在演变过程中，其中心在垂直方向上都维持倾斜结构，自下而上呈现西北—东南向倾斜。降水实况也表明，3— 4日，降水大值区向南向西移动，结合该部分分析可知，降水大值区的移动由低涡的移动造成。

图3 2018年8月2日20时— 4日20时逐12 h500 hPa(蓝色点)和700 hPa(红色点)低涡中心位置演变(起始时刻用空心圆点表征)Fig.3 The 12-hourly positions of the low vortex on 500 hPa (blue dots) and 700 hPa (red dots) during 20:00 on Aug. 2 to 20:00 on Aug. 4, 2018 (the starting positions are indicated by the hollow dots)

综上所述，2018年8月3— 4日云南连续性强降水过程发生在两高之间辐合区环流背景下，辐合区内发展出低涡，低涡生成后向南向西移动，过程中低涡中心自下而上呈现西北—东南向倾斜。降水基本沿低涡切变线分布，降水中心和低涡中心较一致，降水大值区随低涡向南向西移动。

4 云图演变特征

上述分析指出，2日20时，青藏高原北侧高压和滇缅高压之间存在切变线，高原东西两侧存在低涡。由图4a可知，2日12时，四川东南部低涡造成对流云系A，同时高原低涡和切变云系也开始发展。2日20时，高原南侧两个低涡及其之间的切变云系强烈发展，TBB低于-50 ℃，强对流云系中心TBB甚至低于-70 ℃(图4b)。由于云南以西为滇缅高压，500 hPa上云南西部为偏北气流，高原南侧西藏—四川交界处的切变对流云系沿着500 hPa偏北引导气流南下，在云南西北部丽江一带强烈发展，云顶TBB达-80 ℃(对流云系B)，导致3日丽江出现大到暴雨天气。云南东北部的低涡和西太副高外围气流形成风向辐合，导致云南东北部以东的强对流云系D。此外，2日20时，云南东南部有强对流云系C，该云系由700 hPa上四川东南部低涡(图4a中对流云系A)南下和广西西北部低涡北上合并而产生，也即造成云南3日强降水的对流云系。随后，强对流云系D向西北方向移动(图4c中强对流云系E)，对云南的影响较小。强对流云系C向西移动并减弱，与强对流云系B合并为强对流云系F(图4c)，同时在辐合带中，云南东南部有对流云系G新生东移，与对流云系F合并为I(图4d)，该云系维持，导致4日降水(云系H为副高外围新生云系，不属于低涡云系)。此外，上述分析指出，4日滇缅高压较3日减弱，500 hPa上云南西北部为偏东气流，尽管4日高原上也有切变云系生成、发展，但高原南侧切变云系随着偏东引导气流快速西移，云南西北部降水较3日即显著减少。

图4 2018年8月2日12时(a)、2日20时(b)、3日08时(c)及3日20时(d)FY-2H卫星TBB(云南及其附近强对流云系用字母标注；a中绿色(3日)和蓝色(4日)虚线为图6散度场剖面图所在位置)Fig.4 The FY-2H TBB for 12:00 on Aug. 2(a), 20:00 on Aug. 2(b), 08:00 on Aug. 3(c) and 20:00 on Aug. 3(d), 2018. (Severe convective clouds over Yunnan Province and the surrounding areas are marked with letters. The green (for Aug. 3) and blue (for Aug. 4) dotted lines in a are the locations of the cross section of divergence in Fig. 6)

上述分析可知，此次云南连续性强降水过程不仅受到了两高之间辐合区中低涡的影响，云南西北部的降水还受到了高原系统即高原低涡及其与之伴随的切变线对流云系的影响。高原系统一方面随引导气流南下直接造成云南西北部的降水，另一方面，与低涡云系合并、发展，造成云南中部以南的降水。

5 动力、热力场分析

5.1 低涡形成和维持的有利条件

上述大气环流背景分析指出，2日20时，700 hPa上四川东南部和广西西北部存在两个低涡，四川东南部的低涡南下，广西西北部的低涡北上，3日08时两个低涡合并。同时，3日08时，西太副高和南海一带的反气旋环流之间为台风“云雀”，台风“云雀”为相对涡度大值区，同时其位于西太副高主体的南侧。西太副高南侧的偏东气流对“云雀”的相对涡度的传输可能对云南低涡的合并和维持产生有利影响。由500 hPa相对涡度及水平流场的分布可知(图5a)，西太副高主体南侧的偏东气流导致“云雀”对影响云南的两高之间辐合区有正相对涡度平流，有利于云南低层低涡的形成(即利于原两个低涡的合并)和维持。此外，青海西北部的低涡也为相对涡度大值区，滇缅高压东侧的偏北气流导致该低涡对影响云南的两高之间辐合区有正相对涡度平流，也有利于云南低层低涡的形成和维持。4日，随着台风“云雀”的减弱以及滇缅高压的减弱，上述两个正相对涡度的输送作用减弱消失(图5b)。

图5 2018年8月3日08时(a)和4日08时(b)500 hPa相对涡度及水平流场Fig.5 The relative vorticity and horizontal streamlines on 500 hPa for 08:00 on Aug. 3 (a) and 08:00 on Aug. 4 (b), 2018

因此，此次造成云南连续性强降水过程的低涡的形成和维持受到了台风和青藏高原低涡的影响，较以往纯粹由两高之间的辐合区引起的低涡存在一定的特殊之处。

5.2 散度场

大气的辐合辐散为降水提供动力背景，低层辐合高层辐散的配置更有利于降水的发生。为了更加全面地分析此次低涡降水过程的散度场特征，本研究利用散度场剖面图进行分析，如图6所示。为了更好地了解低涡所在区域的散度场配置情况，3日按图4a中绿色虚线(104°E，22～29°N)所示位置获取剖面，4日按图4a中蓝色虚线(99～105°E，23°N)所示位置获取剖面。选取3日08时和4日08时(降水相对较强的时间)进行分析。由图6a可知，3日08时，低层低涡中心所在位置(25°N附近)存在明显的低层辐合高层辐散的散度场配置，低层辐合中心高度大致位于800 hPa，中心强度约为-8×10-5s-1。辐合上方有强辐散中心对应，辐散中心高度位于600～500 hPa之间，中心强度约为8×10-5s-1。4日08时，低层低涡中心所在位置(101°E附近)也存在低层辐合高层辐散的散度场配置(图6b)，但辐合辐散强度较3日08时明显减弱。低层辐合中心高度大致位于850 hPa略偏上，中心强度约为-3×10-5s-1，700～400 hPa为大范围辐散，强度较小，500～400 hPa之间存在一个辐散中心，中心强度约为3×10-5s-1。对比3日和4日降水中心强度可知，4日降水中心雨量大于3日，而4日低层辐合高层辐散的强度弱于3日，由图3及章节3分析可知，这是由于4日低涡在云南西南部影响时间较长导致。

图6 2018年8月3日08时散度场高度—纬度剖面图(a)和4日08时散度场高度—经度剖面图(b)Fig.6 The altitude-latitude cross section of divergence for 08:00 on Aug. 3 (a)and altitude-longitude cross section of divergence for 08:00 on Aug. 4(b), 2018

上述分析可知，降水过程中散度场均为低层辐合高层辐散的有利配置，降水强度除受低层辐合和高层辐散强度影响外，低层辐合高层辐散在某一地区影响时间的长短对降水量的累积也有明显的影响。

5.3 假相当位温场

根据章节1中所述的方法，计算假相当位温θse，以分析降水过程中云南的热力特征。图7为3日08时和4日08时700 hPa上θse及垂直速度(分析垂直运动和大气热力场的配置；仅显示负值即上升运动)的分布。3日08时，除云南西南部外，全省范围内的θse基本上都超过了350 K，大气高温高湿，大值区域从云南西北部至云南东南部呈现西北—东南向分布(图7a)。由垂直速度的分布及降水的分布可知，3日降水位于θse高值区及上升运动较强的区域。4日08时，θse超过350 K的区域位于云南省中部以南及云南北部(图7b)，与4日降水大值区位置较一致，同时伴有较明显的上升运动。因此，此次低涡连续性强降水过程中，强降水大致出现在θse大值区和强上升运动重叠的区域。

图7 2018年8月3日08时(a)和4日08时(b)700 hPa假相当位温θse(填色)和垂直速度(等值线，仅显示上升运动)分布Fig.7 The distribution of potential pseudo-equivalent temperature θse(shading) and vertical velocity (contour, only the ascending motion are plotted) on 700 hPa for 08:00 on Aug. 3 (a) and 08:00 on Aug. 4 (b), 2018

6 水汽收支分析

为定量估算此次连续性强降水过程期间云南省的水汽收支，按图8a确定的云南省东西南北4个边界，结合水平水汽通量垂直积分进行水汽收支的估算。由图8b可知，在整个研究时间段内，云南省为净水汽收入，但水汽收入量和主要的水汽输入边界存在一定的差异。3日，全省不同时次水汽收入量较稳定，基本维持在1×108kg·s-1，水汽主要从西边界(主要)和东边界(次要)输入。4日，全省不同时次水汽收入量除3日20时及4日14时外，水汽输入量也较稳定，水汽主要由东边界输入。图8b还显示此次降水过程中云南省水汽收支有以下特征：东边界一直为水汽收入；西边界3日为水汽收入，4日为水汽支出；南边界3日为水汽支出，4日为水汽收入，与西边界的水汽收支呈现反向变化。大气中高层水汽含量较少，绝大部分集中于对流层中下层，且降水区中水汽通量辐合主要由风的辐合造成[2]，3日对流层低层低涡位于云南东部，其风场分布导致了3日云南东西边界均为水汽收入，南边界为水汽支出；随着低涡向西向南移动，4日低涡中心位于云南中部以南地区，其风场分布特征导致4日东边界为水汽收入，西边界则由3日的水汽收入转为水汽支出，南边界则由3日的水汽支出转为水汽收入，因此，南边界和西边界的水汽收支呈现了反向变化。此外，3日水汽由东、西边界收入也导致了3日降水偏北，4日随着收入边界之一转为南边界，降水落区也偏南。

图8 用于估算云南省水汽收支的4个边界(a)及2018年8月2日20时— 4日20时逐6 h 4个边界水汽收支及总收支(b)Fig.8 The 4 boundaries for the quantitative calculation of water vapor budget over Yunnan Province (a) and 6-hourly water vapor budget cross 4 boundaries and the total water vapor budget (b) during 20:00 on Aug.2 to 20:00 on Aug.4, 2018

上述水汽收支定量分析表明：整个降水过程中，云南为净水汽收入；东边界在整个过程中为水汽收入；西边界3日为水汽收入，4日转为水汽支出；南边界3日为水汽支出，4日转为水汽收入，与西边界呈现反向变化，这主要是由于低涡在降水过程中向西向南移动导致的。

7 结论

2018年8月3—4日，云南在低涡影响下，发生连续性强降水过程。此降水过程时效长，强度大，范围广，对其发生的环流背景、动力和热力因子以及水汽收支特征进行了诊断分析，得到以下结论。

①造成此次云南连续性强降水的低涡发生在两高之间辐合区的环流背景下。一方面，相较于常见的影响云南的低涡，两高之间辐合区低涡较少见；另一方面，此次两高之间辐合区中低涡的形成和维持受到了台风及青藏高原低涡的影响。

②云南西北部的降水还受到了高原低涡及与之伴随的切变线的影响。高原低涡及与之伴随的切变线对流云系南下，造成云南西北部降水，该云系和低涡云系合并、发展，继续影响云南并产生降水。

③造成云南强降水的低涡生成后，向南向西移动，中心自下而上呈现西北—东南向倾斜。

④低涡的移动导致雨带向南向西移动，降水基本沿低涡切变线分布，降水中心和低涡中心较一致。

⑤降水过程中，散度场为低层辐合高层辐散的有利配置，该配置在某一地区影响时间的长短影响降水的累积。降水发生的区域，大气高温高湿，且有强上升运动的配合。

⑥整个降水过程中，云南的水汽收支为净水汽收入，东边界在整个过程中保持水汽收入。随着低涡的移动，西边界和南边界的水汽收支发生变化且两者呈现反向变化。