孟加拉灣低壓與昆明準(zhǔn)靜止鋒影響下云南極端暴雨過(guò)程分析

魯亞斌 唐盛 閔穎 胡娟 李華宏 許迎杰 楊竹云

（1 云南省氣象臺(tái)，昆明 650034；2 云南省氣象服務(wù)中心，昆明 650034）

0 引言

孟加拉灣熱帶低壓及云貴準(zhǔn)靜止鋒是影響低緯高原的重要天氣系統(tǒng)。對(duì)孟加拉灣熱帶低壓的研究多側(cè)重于風(fēng)暴量級(jí)，因?yàn)槊霞永瓰筹L(fēng)暴往往給云南造成暴雨天氣。關(guān)于孟加拉灣風(fēng)暴影響云南的活動(dòng)規(guī)律和影響已有不少研究，李玉柱[1]和段旭等[2]研究指出孟加拉灣風(fēng)暴活動(dòng)集中在5月和9—10月呈雙峰型分布特點(diǎn)，其中5月孟加拉灣風(fēng)暴活動(dòng)與云南雨季開(kāi)始期關(guān)系密切，對(duì)云南初夏降水影響很大；李英等[3-4]分析了孟加拉灣對(duì)流云團(tuán)影響云南的特征，得出高空槽與孟加拉灣云團(tuán)配合是云南產(chǎn)生強(qiáng)降水的重要類型；王曼等[5]通過(guò)數(shù)值模擬分析了大地形對(duì)孟加拉灣風(fēng)暴路徑、結(jié)構(gòu)變化和降水分布的作用和影響；呂愛(ài)民等[6]研究了孟加拉灣風(fēng)暴影響下西南地區(qū)大到暴雨，指出低緯高原地形對(duì)孟加拉灣風(fēng)暴偏南風(fēng)的強(qiáng)迫抬升加劇了上升運(yùn)動(dòng)，有助于強(qiáng)降水的產(chǎn)生；索渺清等[7]研究了孟加拉灣風(fēng)暴對(duì)滇西北暴雨雪天氣的影響機(jī)制；以上研究多側(cè)重于春季孟加拉灣風(fēng)暴影響，對(duì)秋季孟加拉灣風(fēng)暴的影響研究并不多，段旭等[8]研究表明，隨著全球氣候變暖，孟加拉灣風(fēng)暴頻數(shù)極端年份增加，強(qiáng)度加大，并向東北、偏北移動(dòng)的次數(shù)顯著增加，當(dāng)東北路徑孟加拉灣風(fēng)暴與云貴高原地區(qū)冷空氣相遇時(shí)，其降水量級(jí)比無(wú)冷空氣配合時(shí)大兩個(gè)量級(jí)。另外，對(duì)云貴準(zhǔn)靜止鋒天氣的研究往往側(cè)重于冬春季，對(duì)秋季昆明準(zhǔn)靜止鋒加強(qiáng)后引發(fā)的暴雨天氣研究較少，而這類天氣需要特別警惕并加強(qiáng)研究。

2015年10月9日，云南在秋季后汛期出現(xiàn)了大到暴雨局部大暴雨強(qiáng)降水天氣過(guò)程，并伴隨有強(qiáng)對(duì)流天氣，過(guò)程雨量之大成為2015年度云南最強(qiáng)降雨過(guò)程，同時(shí)也是云南自1961年以來(lái)單日最強(qiáng)的暴雨過(guò)程[9]。為了揭示本次暴雨發(fā)生的物理原因，本文應(yīng)用水平分辨率為1°×1°逐6小時(shí)FNL再分析資料、常規(guī)觀測(cè)資料及FY-2E衛(wèi)星資料等非常規(guī)觀測(cè)資料，通過(guò)診斷分析，深入認(rèn)識(shí)這次暴雨過(guò)程的形成原因，以期為該類災(zāi)害性天氣的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)預(yù)警提供借鑒。

1 極端暴雨實(shí)況及災(zāi)情

受孟加拉灣低壓和冷空氣的共同作用，2015年10月8日20時(shí)至9日20時(shí)，云南出現(xiàn)了大范圍的大到暴雨局部大暴雨（圖1a），伴有強(qiáng)對(duì)流天氣（圖1b），經(jīng)云南省鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動(dòng)雨量站統(tǒng)計(jì)，1130個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)站出現(xiàn)大雨，786個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)站出現(xiàn)暴雨，100個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)站出現(xiàn)大暴雨，1個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)站出現(xiàn)特大暴雨，最大降水出現(xiàn)在哀牢山東坡的玉溪市新平縣的發(fā)啟站（圖1c），日雨量為264.5 mm。這次強(qiáng)降水過(guò)程暴雨區(qū)呈西北—東南向分布，哀牢山西側(cè)的滇西南出現(xiàn)雷電活動(dòng)，暴雨區(qū)內(nèi)有成片短時(shí)強(qiáng)降水，降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因而累積雨量大。這次云南強(qiáng)降雨天氣過(guò)程造成曲靖、玉溪、保山、普洱、臨滄、楚雄、紅河、怒江和德宏等9州市16個(gè)縣發(fā)生洪澇和山體滑坡，共10.2萬(wàn)人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡9人、失蹤5人、受傷5人，緊急轉(zhuǎn)移安置88人，農(nóng)作物受災(zāi)面積 3127.9 hm2、絕收面積 998.6 hm2，倒塌房屋49間、損壞房屋671間，損失嚴(yán)重。

圖1 2015年10月8日20時(shí)至9日20時(shí)（a）云南省區(qū)域自動(dòng)雨量站24小時(shí)降水量（單位：mm）；（b）西南對(duì)流天氣24小時(shí)累計(jì)監(jiān)測(cè)分布；（c）云南省玉溪市新平縣發(fā)啟站逐小時(shí)雨量（單位：mm） Fig. 1 (a) The rain chart from 20:00 BT Oct.8 to 20:00 BT Oct.9 (units: mm)； (b) the distribution of severe convection, and (c) the hourly rain graph at Faqi station (unit: mm)

2 影響系統(tǒng)

2.1 孟加拉灣低壓

2015年10月5日08時(shí)，孟加拉灣中部有一熱帶低壓（16.1°N，90.5°E）生成，隨后以15～20 km·h-1的速度向偏北方向移動(dòng)，8日08時(shí)（圖2a）受副高外圍西南氣流引導(dǎo)轉(zhuǎn)為東北向，之前強(qiáng)度變化不大，隨著孟加拉灣低壓向北移過(guò)20°N進(jìn)入孟加拉灣北部后明顯加強(qiáng)；8日20時(shí)（圖2b）在孟加拉國(guó)吉大港附近登陸，登陸后繼續(xù)向東北方向緩慢移動(dòng)，低壓云系隨之影響云南，降水開(kāi)始。低壓云系中持續(xù)出現(xiàn)的中尺度對(duì)流云帶（圖2c～e）是造成短時(shí)強(qiáng)降水的重要原因，9日20時(shí)（圖2f）孟加拉灣低壓云系有所減弱。從圖3也可看出，孟加拉灣低壓登陸后維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)24 h，低壓東部伴隨深厚的西南低空急流。而孟加拉灣低壓登陸后平均維持時(shí)間不超過(guò)12 h[2]，可見(jiàn)孟加拉灣低壓登陸后維持時(shí)間長(zhǎng)是造成這次極端暴雨的重要原因之一。

圖2 FY-2E紅外云圖 （a）8日08時(shí)；（b）8日20時(shí)；（c）9日00時(shí)；（d）9日08時(shí)；（e）9日14時(shí)；（f）9日20時(shí) Fig. 2 Infrared images of FY-2E satellite at (a) 08:00 BT Oct. 8, (b) 20:00 BT Oct. 8, (c) 00:00 BT Oct. 9, (d) 08:00 BT Oct. 9, (e) 14:00 BT Oct. 9, and (f) 20:00 BT Oct. 9

2.2 昆明準(zhǔn)靜止鋒

在孟加拉灣低壓北上登陸的同時(shí)，500 hPa西風(fēng)帶經(jīng)歷了一次低槽東移過(guò)程，槽后西北氣流引導(dǎo)中低層冷空氣南下（圖3a）。700 hPa在四川以北的316 dagpm冷高壓前沿東北氣流與來(lái)自孟加拉灣低壓的西南氣流在云南東北部生成一條西北—東南向的切變線 （圖3b）。在800 hPa云南近地面也有切變線位于哀牢山東坡（圖3c）。由于切變線后部冷高壓勢(shì)力強(qiáng)，有利于切變線南壓并越過(guò)哀牢山，9日20時(shí)切變線位于滇西南。地面昆明準(zhǔn)靜止鋒8日20時(shí)位于哀牢山東部，之后向西翻越哀牢山，9日20時(shí)影響滇西南（圖3d）。

在500 hPa低槽后部西北氣流引導(dǎo)下，700 hPa和800 hPa切變線及昆明準(zhǔn)靜止鋒影響云南，正好和登陸的孟加拉灣低壓相遇，強(qiáng)冷空氣和強(qiáng)暖濕氣流相互作用并長(zhǎng)時(shí)間對(duì)峙造成此次云南極端暴雨天氣過(guò)程，強(qiáng)降水落區(qū)與700 hPa切變線及昆明準(zhǔn)靜止鋒走向基本一致。

3 水汽條件

孟加拉灣低壓活動(dòng)過(guò)程中雖未達(dá)到風(fēng)暴標(biāo)準(zhǔn)，但8日20時(shí)登陸時(shí)其東部800 hPa到500 hPa層次出現(xiàn)了西南風(fēng)急流，使得云南大部整層可降水量達(dá)25～40 mm，整層可降水量大于35 mm范圍覆蓋了滇中及以西以南廣大地區(qū)，具備強(qiáng)降水的必要水汽條件。分析700 hPa水汽通量散度演變過(guò)程，8日20時(shí)暴雨開(kāi)始醞釀時(shí)，水汽通量散度達(dá)-20×10-8g·hPa-1·cm-2·s-1，8日20時(shí)后700 hPa切變線加強(qiáng)南壓，同時(shí)孟加拉灣低壓東部的西南急流移近云南，水汽輻合不斷增強(qiáng)，9日02時(shí)（圖4a）水汽通量散度增強(qiáng)至-80×10-8g·hPa-1·cm-2·s-1，實(shí)況顯示這期間出現(xiàn)了大范圍暴雨，到9日20時(shí)（圖4b～4d）在暴雨區(qū)持續(xù)強(qiáng)水汽輻合。可見(jiàn)，伴隨著孟加拉灣低壓西南低空急流影響，700 hPa切變線加強(qiáng)了水汽輻合，中低層水汽長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)烈輻合為強(qiáng)降水發(fā)展提供了有利條件。

4 垂直上升運(yùn)動(dòng)

4.1 高、低空急流作用

圖3 8日20時(shí)高空形勢(shì)圖 （a）500 hPa；（b）700 hPa；（c）800 hPa；（d）昆明準(zhǔn)靜止鋒動(dòng)態(tài)圖 Fig. 3 The situation chart at 20:00 BT Oct. 8 at (a) 500 hPa, (b) 700 hPa, and (c) 800 hPa, and (d) the developing graph of Kunming quasi-stationary front

8日20時(shí)200 hPa高空西風(fēng)急流位于34°N附近，同時(shí)700 hPa孟加拉灣低壓東部出現(xiàn)低空急流。整個(gè)暴雨期間，高低空急流都在加強(qiáng)，高空急流入口區(qū)右側(cè)高層輻散區(qū)下方正好是低空急流前方的低層輻合區(qū)，使高空急流的次級(jí)環(huán)流得到加強(qiáng)。9日08時(shí)，200 hPa（圖5a）高空急流超過(guò)60 m·s-1，高層輻散達(dá)50×10-6s-1，700 hPa（圖5b）西南低空急流增強(qiáng)至24 m·s-1，低層輻合加強(qiáng)，云南境內(nèi)輻合強(qiáng)度達(dá)-40×10-6s-1，高層輻散低層輻合有利于暴雨區(qū)上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展加強(qiáng)。

從暴雨區(qū)的緯向流場(chǎng)剖面可見(jiàn)，暖濕氣流傾斜上升到300 hPa附近下沉，形成一個(gè)橫越高空急流的次級(jí)環(huán)流圈，暴雨區(qū)位于急流次級(jí)環(huán)流上升支中，垂直運(yùn)動(dòng)得到強(qiáng)烈發(fā)展（圖5c）。

4.2 鋒面抬升作用

暴雨發(fā)生前昆明準(zhǔn)靜止鋒維持在云貴交界處，由于近地層冷高壓勢(shì)力加強(qiáng)，使得其前沿貴州、廣西一帶東北風(fēng)加強(qiáng)，靜止鋒向西越過(guò)哀牢山。8日20時(shí)近地層800 hPa假相當(dāng)位溫密集區(qū)沿哀牢山呈西北—東南向，9日02時(shí)鋒后東北風(fēng)加強(qiáng)（圖6a），鋒面坡度抬高有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)展。8日20時(shí)到9日02時(shí)隨著昆明準(zhǔn)靜止鋒加強(qiáng)，孟加拉灣低壓外圍的中尺度對(duì)流云團(tuán)被組織成一條沿鋒面分布的α中尺度對(duì)流云帶（圖2c），短時(shí)強(qiáng)降水頻繁出現(xiàn)。9日08—20時(shí)（圖6b～6d），隨著鋒后東北風(fēng)進(jìn)一步加強(qiáng)，鋒面向西推進(jìn)越過(guò)哀牢山，滇西南中尺度對(duì)流云帶迅速發(fā)展起來(lái)（圖2e），強(qiáng)降水持續(xù)出現(xiàn)。

另外，從暴雨區(qū)假相當(dāng)位溫和垂直環(huán)流剖面可以看出，鋒區(qū)附近假相當(dāng)位溫線密集，鋒區(qū)伸展到700 hPa附近，受鋒面抬升，暴雨區(qū)上空出現(xiàn)強(qiáng)盛的上升氣流，垂直速度高達(dá)-250×10-3hPa·s-1，而且上升氣流范圍大。可見(jiàn)，鋒面抬升有利于上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈發(fā)展，為暴雨提供了必要的動(dòng)力條件（圖6e）。

5 條件性對(duì)稱不穩(wěn)定

分析云南區(qū)域的對(duì)流有效位能（CAPE）發(fā)現(xiàn)，由于孟加拉灣低壓東北移，低壓東部的西南氣流向云南哀牢山西側(cè)的滇西南輸送了大量不穩(wěn)定能量，8日20時(shí)（圖7a）位于昆明準(zhǔn)靜止鋒前的滇西南CAPE值為200～1100 J·㎏-1，到9日14時(shí)（圖7b）滇西南CAPE值仍高達(dá)200～1200 J·㎏-1，另外從圖7c～7d可見(jiàn)，哀牢山東側(cè)為對(duì)流穩(wěn)定區(qū)（θse500-θse800＞0），哀牢山西側(cè)為對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)（θse500-θse800＜0），滇西南受西移越過(guò)哀牢山的昆明準(zhǔn)靜止鋒觸發(fā)，對(duì)流不穩(wěn)定能量先后釋放出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，這是滇西南出現(xiàn)了雷暴天氣和短時(shí)強(qiáng)降水較多的重要原因。

圖4 700 hPa水汽通量矢量（箭矢）和水汽通量散度（單位：10-8g·hPa-1·cm-2·s-1）及全風(fēng)速（單位：m·s-1，陰影≥12 m·s-1） （a）9日02時(shí)；（b） 9日08時(shí)；（c） 9日14時(shí)；（d）9日20時(shí) Fig. 4 The water vapor flux vector (arrow), moisture flux divergence (units: 10-8g·hPa-1·cm-2·s-1) and whole wind (units: m·s-1，shadow≥12 m·s-1) at (a) 02:00 BT Oct. 9, (b) 08:00 BT Oct. 9, (c) 14:00 BT Oct. 9, and (d) 20:00 BT Oct. 9

由以上分析可知，哀牢山西側(cè)的暴雨為對(duì)流性降水，東側(cè)為穩(wěn)定性降水，20時(shí)以后哀牢山東側(cè)靜止鋒后部存在近飽和的對(duì)流穩(wěn)定層結(jié)（圖7c～7d），并且風(fēng)向由低層偏東風(fēng)向中高層偏西風(fēng)順轉(zhuǎn)，垂直風(fēng)切變明顯。對(duì)稱不穩(wěn)定是大氣在垂直方向上對(duì)流穩(wěn)定和水平方向慣性穩(wěn)定的情況下，氣流作傾斜上升運(yùn)動(dòng)仍然可能發(fā)生的一種不穩(wěn)定，潮濕大氣中的對(duì)稱不穩(wěn)定稱為條件性對(duì)稱不穩(wěn)定（CSI）。由濕位渦理論[10]可知，濕位渦MPV＜0是大氣發(fā)生CSI的充要條件，MPV在等壓面上的水平分布狀況可以反映出CSI的區(qū)域和強(qiáng)弱，濕位渦已被應(yīng)用于低緯高原地區(qū)[11]。8日20時(shí)后，暖濕氣流受地形及鋒面抬升作傾斜上升運(yùn)動(dòng)，條件性對(duì)稱不穩(wěn)定能量釋放，強(qiáng)降水發(fā)展，哀牢山東側(cè)暴雨區(qū)上空存在一帶狀MPV負(fù)值區(qū)（圖8a），9日02時(shí)，MPV負(fù)值區(qū)分布在昆明準(zhǔn)靜止鋒及700 hPa切變線附近（圖8b）。可見(jiàn)，孟加拉灣低壓東部的西南低空急流受地形和鋒面抬升作傾斜上升運(yùn)動(dòng)，CSI不穩(wěn)定能量得到釋放，促使垂直渦度和強(qiáng)降水發(fā)展。因此，CSI是此次極端暴雨的重要形成機(jī)制。

圖5 9日08時(shí)（a）200 hPa高空急流(陰影，單位：m·s-1）與散度（實(shí)線，單位：10-6s-1）；（b）700 hPa低空急流（陰影，單位：m·s-1）和散度（虛線，單位：10-6s-1）及流場(chǎng)（風(fēng)矢）；（c)暴雨區(qū)（24°—27°N）沿102°E緯向流場(chǎng)（流線）剖面和相對(duì)濕度（實(shí)線條）垂直剖面合成圖 Fig. 5 (a) The upper level jet (shadow, unit: m·s-1) and divergence (solid line,unit:10-6s-1) at 200 hPa, (b) low level jet (shadow, unit: m·s-1), divergence (dashed line,unit:10-6s-1) and flow field (wind arrow) at 700 hPa, and (c) the vertical section synthesis of flow field (streamline) and relative humidity (solid line) along 102°E at 08:00 BST Oct. 9

6 結(jié) 論

1）在孟加拉灣低壓和昆明準(zhǔn)靜止鋒共同作用下，強(qiáng)冷空氣和強(qiáng)暖濕氣流長(zhǎng)期對(duì)峙造成云南極端暴雨，暴雨落區(qū)沿昆明準(zhǔn)靜止鋒和700 hPa切變線分布，強(qiáng)度大、范圍廣。

2）孟加拉灣低壓為暴雨過(guò)程提供了源源不斷的水汽輸送，在700 hPa切變線和昆明準(zhǔn)靜止鋒作用下水汽輻合明顯加強(qiáng)。

3）高低空急流的有利配置促進(jìn)高空急流次級(jí)環(huán)流上升支發(fā)展，同時(shí)在鋒面抬升作用下，暴雨區(qū)上升運(yùn)動(dòng)得到大大增強(qiáng)。

4）西南暖濕氣流受地形和鋒面抬升作傾斜上升運(yùn)動(dòng)，有利于條件性對(duì)稱不穩(wěn)定能量釋放。

圖6 800 hPa假相當(dāng)位溫（實(shí)線，單位：K）、流場(chǎng)（風(fēng)矢）、全風(fēng)速（陰影，單位：m·s-1）分布圖 （a. 9日02時(shí)，b. 9日08時(shí)，c. 9日14時(shí)，d. 9日20時(shí)）和暴雨區(qū)（98°—102°E）沿24°N經(jīng)向垂直流場(chǎng)（流線）及假相當(dāng)位溫（單位：K）剖面合成圖（e. 9日08時(shí)) Fig. 6 The potential pseudo-equivalent temperature (solid line, units: K), flow field (wind arrow) and whole wind (shadow, units: m·s-1) at 800 hPa at (a) 02:00 BT Oct. 9, (b) 08:00 BT Oct. 9, (c) 14:00 BT Oct. 9, and (d) 20:00 BT Oct. 9, and (e) the vertical section synthesis of flow field (streamline) and potential pseudo-equivalent temperature (unit: K) along 24°N at 08:00 BT Oct. 9

圖7 CAPE（單位：J·kg-1）分布圖（a. 8日20時(shí)，b. 9日14時(shí)）和 θse500-θse800（單位：K）分布圖（c. 8日20時(shí)，d. 9日02時(shí)） Fig. 7 The distribution of CAPE (unit: J·㎏-1) at (a) 20:00 BT Oct. 8 and (b) 14:00 BT Oct. 9 and the distribution of θse500-θse800 (units: K) at (c) 20:00 BT Oct. 8 and (d) 02:00 BT Oct. 9

圖8 （a）8日20時(shí)500 hPa上MPV水平分布圖；（b）9日02時(shí)沿24°N過(guò)暴雨區(qū)（100°-102°E）MPV經(jīng)向垂直剖面圖 （單位：1 PVU=10-8 m2·s-1·K·kg） Fig. 8 (a) The horizontal distribution of MPV on 500 hPa at 20:00 BST Oct. 8； (b) The vertical section synthesis of MPV along 24°N (unit: 1PVU=10-8m2·s-1·K·kg) at 02:00 BT Oct. 9