低纬高原一次短时强降水过程的综合分析

李华宏 许彦艳 王曼 许迎杰

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低纬高原一次短时强降水过程的综合分析

    作者简介: 李华宏(1978−),男,云南人,博士,研究员级高级工程师,主要从事强降水及次生灾害预报预警技术研究. E-mail:lihuahong08@163.com;
    通讯作者: 王曼, wangmanbox@163.com
  • 中图分类号: P426.6

Comprehensive analysis of a short-time heavy rainfall process over low latitude plateau

    Corresponding author: WANG Man, wangmanbox@163.com ;
  • CLC number: P426.6

  • 摘要: 利用卫星、雷达、地面自动站及闪电定位仪等多种观测资料分析了2017年9月5—6日出现在云南的一次短时强降水天气过程的成因及中尺度对流特征. 结果表明:此次过程期间短时强降水天气落区分布呈现自东北向西南逐渐移动趋势,系统性降水特征明显;700 hPa切变线和地面锋面是此次过程的关键影响系统,切变线提供了中低层水汽辐合及对流抬升运动的维持机制,地面锋面则为低层对流抬升运动提供了触发机制;中尺度对流云团的空间尺度和持续时间对短时强降水的分布区域和规模有很好的指示意义,短时强降水主要出现在云顶亮温<−50 ℃的区域,对流云团空间尺度大、持续时间长,则对应时段的短时强降水分布范围广、频次多. 雷达观测有助于短时强降水天气的精细化订正和及时预警,当雷达回波强度达到45 dBz以上并具明显低质心特征、径向速度图上有中尺度辐合配合时,出现短时强降水的可能性较大.
  • 图 1  2017年9月5日20:00至6日20:00云南省降水量和短时强降水分布

    Figure 1.  Spatial distribution of cumulative precipitation and short heavy rainfall in Yunnan Province from 20:00 on September 5 to 20:00 on September 6, 2017

    图 2  2017年9月5日20:00至6日20:00云南省逐6小时短时强降水分布

    Figure 2.  Six hours spatial distribution of short heavy rainfall in Yunnan Province from 20:00 on September 5 to 20:00 on September 6, 2017

    图 3  2017年9月6日700 hPa流场

    Figure 3.  The 700 hPa wind stream on September 6, 2017

    图 4  2017年9月6日地面流场

    Figure 4.  The ground wind stream on September 6, 2017

    图 5  云顶亮温观测

    Figure 5.  Spatial distribution of black body temperature

    图 6  2017年9月5日20:00至6日20:00云南省逐6小时地闪频次空间分布

    Figure 6.  Six hours spatial distribution of ground lightning frequency in Yunnan Province from 20:00 on September 5 to 20:00 on September 6, 2017

    图 7  平掌站逐时降水量和地闪频次分布

    Figure 7.  Hourly rainfall and ground lighting frequency distribution at Pingzhang station

    图 8  2017年9月6日01:31昆明雷达观测(△代表平掌站)

    Figure 8.  The radar observation of Kunming station at 01:31 September 6, 2017 (△Representing Pingzhang station)

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-17
  • 录用日期:  2019-11-20
  • 网络出版日期:  2020-04-11
  • 刊出日期:  2020-05-01

低纬高原一次短时强降水过程的综合分析

    作者简介:李华宏(1978−),男,云南人,博士,研究员级高级工程师,主要从事强降水及次生灾害预报预警技术研究. E-mail:lihuahong08@163.com
    通讯作者: 王曼, wangmanbox@163.com
  • 1. 云南省气象台,云南 昆明 650034
  • 2. 云南省气象科学研究所,云南 昆明 650034

摘要: 利用卫星、雷达、地面自动站及闪电定位仪等多种观测资料分析了2017年9月5—6日出现在云南的一次短时强降水天气过程的成因及中尺度对流特征. 结果表明:此次过程期间短时强降水天气落区分布呈现自东北向西南逐渐移动趋势,系统性降水特征明显;700 hPa切变线和地面锋面是此次过程的关键影响系统,切变线提供了中低层水汽辐合及对流抬升运动的维持机制,地面锋面则为低层对流抬升运动提供了触发机制;中尺度对流云团的空间尺度和持续时间对短时强降水的分布区域和规模有很好的指示意义,短时强降水主要出现在云顶亮温<−50 ℃的区域,对流云团空间尺度大、持续时间长,则对应时段的短时强降水分布范围广、频次多. 雷达观测有助于短时强降水天气的精细化订正和及时预警,当雷达回波强度达到45 dBz以上并具明显低质心特征、径向速度图上有中尺度辐合配合时,出现短时强降水的可能性较大.

English Abstract

  • 短时强降水天气具有突发性强、时空尺度小、致灾风险高、预报难度大等特点,一直是困扰我国精细化预报预警的难题. 近年来随着观测资料的丰富和中尺度数值模式的发展,许多学者针对短时强降水天气机理及预报技术开展了卓有成效的研究. 李建等[1]、符娇兰等[2]和彭芳等[3]从降水观测事实入手,对北京、贵州等地区的短时强降水时空分布特征和变化规律进行了统计分析. 魏晓雯等[4]及王囝囝等[5-12]基于天气系统背景分析和物理量统计,针对上海、大连等地区短时强降水的关键影响天气系统、动力及热力物理量进行统计分析,开展区域性短时强降水天气成因分析和物理量预报指标研究. 曾明剑等[13]、沈澄等[14-16]基于中尺度数值预报产品解释应用和预报指标研究成果,建立了江苏夏季短时强降水客观预报模型等业务系统,业务应用检验结果良好.

    云南属于典型的季风气候,每年5—10月为雨季,也是短时强降水高发期,由于境内山高坡陡、地质条件脆弱、区域性短时强降水天气突出,频繁引发严重的山洪、地质灾害,因此对短时强降水的精细化客观预报技术研究有着迫切的需求[17-20]. 然而,目前针对云南区域短时强降水天气的预报技术研究还比较缺乏,业务人员往往将暴雨研究的一些指标和预报方法照搬过来使用,实际上短时强降水与暴雨既有联系又有着诸多的差异[21],必须开展针对性的分析和研发才有望破解这类灾害性天气的精准预报难题. 鉴于上述原因,本文利用探空、卫星及雷达观测、NCEP再分析资料(1°×1°)、地闪观测等,深入分析2017年9月5日20:00至6日20:00(北京时间,下同)出现在云南的一次冷锋切变型短时强降水天气过程特征及成因,旨在为这类灾害性天气的准确预报提供技术支撑.

    • 2017年9月5日20:00至6日20:00,滇西北东部、滇中及以东以南地区出现大到暴雨局地大暴雨天气过程,云南省共计出现大暴雨33站、暴雨234站、大雨476站(图1(a)),最大降水量出现在楚雄州禄丰县平掌站为160.8 mm(图1(a)中三角符号所示,下同). 此次暴雨过程中强对流天气特征明显,在大到暴雨区域伴随出现了明显的短时强降水天气,造成严重的城镇洪涝和山洪灾害. 由于短时强降水分布范围广而且局地性差异明显,给精准预报带来一定的困难(图1(b)).

      图  1  2017年9月5日20:00至6日20:00云南省降水量和短时强降水分布

      Figure 1.  Spatial distribution of cumulative precipitation and short heavy rainfall in Yunnan Province from 20:00 on September 5 to 20:00 on September 6, 2017

      从逐6小时短时强降水天气空间分布看,9月5日20:00至6日02:00在滇中及滇南出现了明显短时强降水,呈现南北向的带状分布. 本次过程的降雨量极值中心平掌站在6日01:00—02:00出现了57.8 mm的短时强降水(图2(a)). 6日02:00—08:00从滇西北东部、滇中、滇东出现短时强降水,此时的雨带呈现西北—东南向分布(图2(b)). 随后这一短时强降水雨带逐渐向西南移动,6日08:00至14:00降雨落区主要位于滇西东部、滇中西部一线,强度有所减弱(图2(c)). 6日14:00—20:00,短时强降水雨带继续向西南移至滇西南、滇南边缘一线,强度再次增强(图2(d)). 相对而言,分时段后的短时强降水天气空间分布呈现自东北向西南移动的明显特征,具有一定的规律性.

      图  2  2017年9月5日20:00至6日20:00云南省逐6小时短时强降水分布

      Figure 2.  Six hours spatial distribution of short heavy rainfall in Yunnan Province from 20:00 on September 5 to 20:00 on September 6, 2017

    • 分析此次过程的主要影响天气系统发现,500 hPa上的影响系统早期为弱的两高辐合,两个高压分别为东西向分布、尺度较大的西太平洋副热带高压和尺度较小的滇缅大陆高压,后期则主要受西太平洋副热带高压外围西南气流控制. 9月5日20:00,西太平洋副热带高压主体偏东,5 880 gpm等值线西脊点位于25°N,105°E附近. 在缅甸北部至云南西部为一大陆高压控制,高压中心位于22°N,95°E附近,高压中心强度为5 890 gpm. 两个高压在云南中东部(22~26°N、102~104°E)形成弱的辐合区. 从9月6日02:00开始,西太平洋副热带高压加强西伸、滇缅高压中心西移,云南中东部转为高压外围的西南气流控制,持续稳定的西南气流将南海的水汽源源不断地向云南输送,为此次持续性降雨过程提供了有利的背景条件(图略). 700 hPa上的影响系统为自北向南移动的切变线,在过程后期切变线上还有中尺度低涡系统配合(图3). 过程开始前,在四川东部至云南东北部有1条东北—西南向的切变线,切变线西北侧为大陆冷高压外围的东北气流,切变线南侧为来自孟加拉湾的西南暖湿气流. 至9月6日02:00,切变线进一步南移至贵州北部至云南西北部一线. 云南大部处于切变线主体的尾端,由于东段移速较快、西段移速较慢,影响云南的切变线逐渐转成东西向分布(图3(a)). 随着时间的推移,切变线不断向西南方向移动,9月6日08:00切变线到达云南中部偏北位置并伴随出现了低涡中心(图3(b)). 9月6日14:00切变线移至云南西部的哀牢山沿线并转为西北—东南向,随后逐渐转为南北向,并于9月6日20:00后西移出云南,强降水过程结束(图略).

      图  3  2017年9月6日700 hPa流场

      Figure 3.  The 700 hPa wind stream on September 6, 2017

      从地面上看,有明显冷锋系统自东北向西南移动并影响云南,锋面的移动方向和变化特征与700 hPa上切变线相似. 具体分析冷锋锋面的位置可以发现,9月6日02:00锋面位于云南西北部至东南部,锋面位置略超前于切变线位置(图4(a)). 同时段的短时强降水落区刚好位于锋面及其后部、切变线南侧这一区间. 此次过程的降水极大值中心平掌站刚好处于锋面上并在01:00—02:00出现了57.8 mm的短时强降水. 随着锋面和切变线的西南移,短时强降水落区也随之向西南方向移动,9月6日20:00以后锋面西移出云南,此次短时强降水过程结束(图4(d)). 对比短时强降水落区和地面、高空天气形势发现,此次短时强降水天气过程关键由700 hPa切变线和地面锋面共同作用形成,地面锋面为低层对流抬升运动的提供了触发机制,700 hPa切变线一方面为短时强降水天气提供必要的水汽输送,一方面提供了中低层水汽辐合及对流抬升运动的维持机制.

      图  4  2017年9月6日地面流场

      Figure 4.  The ground wind stream on September 6, 2017

    • 从过程期间的卫星云图观测看,有明显的带状切变云系与关键天气系统相对应,且随着切变线系统的移动,带状云系也呈现自东北向西南移动的趋势. 在2017年9月5日20:00云南东部、南部有大片的云系覆盖,随着切变系统的加强并西南移,云系逐渐演变为1条西北—东南向的带状云带(图5(a)). 值得关注的是在9月5日23:00云带上,有明显的中尺度对流云团发展,在云南中部有云团A明显发展、南部边缘有云团B发展,2个云团的云顶亮温极值均低于−70 ℃且呈块状分布(图5(b)). 随后云团A持续发展并向西移动,由于对流垂直发展非常旺盛导致云顶亮温低于−70 ℃的面积明显增大,并在9月6日03:00达到强盛阶段(图5(c)). 受其影响云南中部和西北部边缘出现了明显的短时强降水,平掌站在此期间也出现了明显的短时强降水(图2). 云团B则逐渐减弱消失,对应区域的出现小范围的短时强降水后逐渐减弱. 至9月6日07:00,云团A持续影响滇中西部和滇西北东部,但强度明显减弱,云团的空间尺度也呈减弱趋势(图5(d)). 另外,处在切变线附近的云南东部区域有云团C发展,中心区域的云顶亮温低于−50 ℃,但持续时间不长,在图2对应时段云南东部出现了小范围的短时强降水天气. 随后切变线东段快速南移,并逐渐转为南北向分布,对流云团的强度总体减弱(图5(e)),至9月6日17:00滇西南东部有对流云团D逐渐发展,但云团的空间尺度较小,中心区域的云顶亮温低于−60 ℃,对流强度较云团A明显偏弱(图5(f)). 相应地,从图2中可以看出,在对流云团D发展、影响的主要时段(9月6日14:00—20:00),云团D附近云顶亮温低于−50 ℃的区域出现了明显的短时强降水,只是强度和范围较云团A对应的短时强降水天气偏弱.

      图  5  云顶亮温观测

      Figure 5.  Spatial distribution of black body temperature

      对比短时强降水落区、发生时段与对流云团分布、演变情况,发现切变云系上中尺度对流云团的发展才是导致短时强降水的关键因素,短时强降水主要出现在对流云团中云顶亮温低于−50 ℃的区域,两者之间有较好的对应关系. 对流云团的空间尺度和持续时间对短时强降水的分布区域和规模也有较好的指示意义,过程前期切变线附近的对流云团发展最为旺盛,空间尺度大、持续时间长,则对应时段的短时强降水分布范围广、频次多,至过程后期对流云团明显减弱,则短时强降水的规模减小、强度也明显减弱.

    • 图6给出了此次过程中逐6小时地闪频次空间分布,从图上可以看出2017年9月5日20:00至6日02:00为地闪高发期,滇中、滇南边缘、滇西北东部出现了大范围、高密度的闪电. 至9月6日02:00—08:00,闪电范围明显收缩、密度有所减弱,主要分布于滇东至滇西北东部一线. 9月6日08:00—20:00闪电发生的规模和范围明显减小,但降雨落区分布总体上仍与切变线自北向南移动的趋势相对应. 对比过程期间的地闪和短时强降水落区分布可以看出,短时强降水的落区、频次与地闪的落区分布、密集程度有较好的对应关系. 从平掌站逐时降水量和地闪数量分布图(图7)还可以看出,该站附近的地闪在9月6日00:00—01:00出现峰值,小时地闪次数达到280次. 地闪峰值与9月6日01:00—02:00期间出现的短时强降水峰值相对应,但地闪发生的时间要早于短时强降水出现的时间约1 h. 因此,地闪的落区分布、密集程度对于短时强降水的精细化预报预警具有一定的指示意义.

      图  6  2017年9月5日20:00至6日20:00云南省逐6小时地闪频次空间分布

      Figure 6.  Six hours spatial distribution of ground lightning frequency in Yunnan Province from 20:00 on September 5 to 20:00 on September 6, 2017

      图  7  平掌站逐时降水量和地闪频次分布

      Figure 7.  Hourly rainfall and ground lighting frequency distribution at Pingzhang station

    • 分析过程期间的雷达回波空间分布发现,过程前期(9月5日20:00至6日02:00)雷达回波分布范围较广,云南东部、南部均有较强的雷达回波. 随着切变线的加强,雷达回波主要沿700 hPa切变线和地面锋面之间的带状区域分布. 过程中后期(9月6日02:00—20:00)雷达回波带呈现伴随切变线系统自东北向西南移动的特征. 从回波特征看,过程期间主要为层积混合云回波,其中锋面降水和锋前暖区降水以积云回波为主,锋后降水以层云回波为主,短时强降水则主要出现在积云回波中.

      此次过程中,最大降水量出现在楚雄州禄丰县平掌站,而且在6日01:00—02:00出现了57.8 mm的短时强降水,因此选用覆盖该站的昆明雷达观测资料进行降水特征分析. 图8给出了2017年9月6日01:31昆明雷达观测情况,从回波反射率分布可知此时在平掌站附近有1条准南北向的带状回波发展(图8(a)),回波最大值反射率因子强度>45 dBz,回波反射率因子东西方向水平梯度较大,呈现明显的积云回波特征,对应时段的短时强降水正好出现在这一带状强回波区域. 从平掌站东西方向的回波剖面图上可以看出(图8(c)),此时该站上空的对流发展非常旺盛,回波顶高超过12 km,大于45 dBz的回波大值区处于中下层,极大值区位于海拔4000 m附近,该站出现短时强降水天气时雷达回波反射率因子低质心的特征非常明显. 从对应时次的径向速度图(图8(b))上可知,负速度区面积明显大于正速度区,表明存在大尺度辐合环境场,环境场能量不稳定,有利于强降水的产生和维持. 另外,平掌站附近区域存在正、负速度中心,具有明显的中尺度辐合特征,有利于增强该区域的对流强度,导致局地性强降水的发生. 由于雷达观测具有较高的时空分辨率,在有利的天气形势背景下,通过跟踪强回波区及径向速度辐合区的发展情况及移动趋势,有助于进一步细化短时强降水天气的落区和发生时段.

      图  8  2017年9月6日01:31昆明雷达观测(△代表平掌站)

      Figure 8.  The radar observation of Kunming station at 01:31 September 6, 2017 (△Representing Pingzhang station)

    • (1)此次过程期间短时强降水天气分布范围广、频次大. 落区分布呈现自东北向西南逐渐移动趋势,同一区域强降水时段相对集中,系统性降水特征明显.

      (2)700 hPa切变线和地面锋面是此次过程的关键影响系统. 切变线一方面为短时强降水天气提供必要的水汽输送,另一方面提供了中低层水汽辐合及对流抬升运动的维持机制,地面锋面则为低层对流抬升运动的提供了触发机制.

      (3)存在明显的带状切变云系发展并呈现自东北向西南移动的趋势. 切变云系上不断有中尺度对流云团生成和消亡,短时强降水则主要出现在云顶亮温低于−50 ℃的区域. 中尺度对流云团的空间尺度、持续时间对短时强降水的规模及分布区域有很好的指示意义.

      (4)此次过程伴随出现了明显的雷暴天气. 地闪的落区分布、密集程度与短时强降水的落区、频次有较好的对应关系,且地闪发生时间要早于短时强降水的时间约1 h.

      (5)从雷达回波特征看,短时强降水天气主要出现在积云回波中反射率因子大值区. 此次过程中,平掌站附近的回波强度达到45 dBz以上并具明显低质心特征,而且径向速度图上有明显的中尺度辐合配合.

参考文献 (21)

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