2019年盛夏昆明一次夜間致災(zāi)性強降水的成因分析

姜 勇,黃初龍

(1.云南省氣象局,云南 昆明 670000; 2.昆明市氣象局,云南 昆明 670000)

強降雨是我國的主要氣象災(zāi)害之一,其主要特點是突發(fā)性強、持續(xù)時間長、強度大,在強降雨出現(xiàn)的過程中還往往引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害以及洪澇災(zāi)害,嚴(yán)重威脅人們的生命和財產(chǎn)安全。

云南地處低緯高原地區(qū),是青藏高原山脈的東部延伸和過渡帶,屬北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候,地理位置特殊,地形地貌復(fù)雜多樣,地勢懸殊較大,山壑縱橫(見圖1),特殊的地形抬升影響,形成了云南多強對流的天氣氣候特征[1]。因此,云南受強降雨而導(dǎo)致的災(zāi)害也較為突出。

昆明地處滇中地區(qū),地形北高南低,夏季受南方暖濕氣流和北方冷空氣的影響,常常出現(xiàn)暴雨天氣,易引發(fā)山體滑坡、泥石流和城市內(nèi)澇等災(zāi)害。昆明城區(qū)相對周邊地形呈低凹形狀,當(dāng)?shù)厝怂追Q“壩子”,且“壩子”面積居云南省首位。昆明作為云南省省會城市,通過防災(zāi)減災(zāi)項目的建設(shè),昆明的氣象監(jiān)測水平有了較大提升,共布設(shè)有常規(guī)氣象觀測站403個(見圖2),站點分布密度已達到5 km,為昆明各類氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警提供了基礎(chǔ)支撐。

近年來,國內(nèi)的一些專家學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn),由于復(fù)雜地形與季風(fēng)環(huán)流的相互作用,青藏高原以東的地區(qū)(主要為我國的西南地區(qū))降水呈現(xiàn)出非常明顯的區(qū)域特性,局部強降水較為突出,夜間降水尤其頻繁,降水往往在凌晨后至日出前達到峰值,部分專家針對降水的日變化規(guī)律開展了研究，指出青藏高原東側(cè)地區(qū)降水峰值多數(shù)出現(xiàn)在午夜,降水持續(xù)性與降水日變化位相差異關(guān)系密切[2]。

圖1 云南地形圖及昆明所處特殊地理位置Fig. 1 Topographic map of Yunnan and geographical location of Kunming

圖2 云南氣象監(jiān)測站點分布情況Fig. 2 Yunnan meteorological monitoring site distribution

近年來,因暴雨已導(dǎo)致昆明城市內(nèi)澇多次,給昆明社會經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重危害,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。根據(jù)統(tǒng)計,昆明主城區(qū)最大24 h降雨量(暴雨、大暴雨)主要集中于6 h內(nèi)(約占75%),而6 h暴雨又多集中于1 h內(nèi)(約占65%),1 h雨量占24 h雨量的比重約為47.1%,昆明降水多以短時強降水為主,由于受到昆明所處特殊地形的影響,昆明降水具有明顯的時空分布特征。解明恩等[1]指出地理環(huán)境、氣候、人類活動是形成云南氣象災(zāi)害的主要原因;郭榮芬等[2]對盛夏昆明兩次致災(zāi)大暴雨對比分析指出兩次過程均出現(xiàn)在全省強降水過程大背景下,強降水時段均出現(xiàn)在盛夏7月的夜間,集中在北部和東部;魯亞斌等[3]對2017年昆明一次大暴雨過程的中尺度分析指出兩高輻合區(qū)是暴雨過程的天氣尺度影響系統(tǒng),短時強降水主要出現(xiàn)在MCS 移動方前沿對流活躍的TBB等值線密集區(qū)。昆明已連續(xù)幾年在7月20日夜間出現(xiàn)大暴雨天氣,且均造成城市內(nèi)澇災(zāi)害,有必要對其產(chǎn)生過程及其機理進行分析,為下一步昆明暴雨誘發(fā)城市內(nèi)澇的預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)基礎(chǔ)建設(shè)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。通過對夜間強降雨天氣及時進行預(yù)警預(yù)報,并啟動成熟有效的應(yīng)急預(yù)警方案,讓群眾可以有充足的時間提前做好防御工作,將強降雨天氣造成的損失降到最低,這將對氣象防災(zāi)減災(zāi)、提高氣象預(yù)報服務(wù)工作的社會效益和經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。

1 資料與方法

研究資料來源于2019年7月19—20日云南省自動氣象監(jiān)測站雨量監(jiān)測累計資料、Micaps常規(guī)氣象資料、昆明國家天氣雷達體掃資料和高空氣象觀測資料。

昆明國家天氣雷達是CINRAD/CC(3830) 天氣雷達,是已投入全國氣象業(yè)務(wù)組網(wǎng)運行的新一代多普勒天氣雷達,為C波段全相干脈沖多普勒雷達,具有天線增益高、波束窄、發(fā)射功率高、脈沖寬、接收靈敏度高、動態(tài)接收范圍大等特點。

昆明國家雷達站區(qū)站號Z9871、天線海拔2 484.0 m、經(jīng)度102°34′42″E、緯度25°03′06″N、脈沖重復(fù)頻率900 Hz、取樣時間間隔為6 min左右一次的連續(xù)體掃。研究使用的是VOL原始資料,從1～14 層,根據(jù)各資料高度,選取臨近該高度平面(間隔1 km)的上下2個仰角的相臨庫上的數(shù)據(jù),采用九點平滑后插值得到ZCAPPI(強度等高平面位置顯示),各格點值為雷達反射率因子的數(shù)據(jù)[4]。

2 降水實況與災(zāi)情

據(jù)監(jiān)測,2019年7月19日15:00昆明地區(qū)開始出現(xiàn)降雨,7月19日20時—20日08時,在全省國家級地面自動氣象觀測站中,共出現(xiàn)大暴雨3站(昆明地區(qū)2站),暴雨14站(昆明地區(qū)5站),大雨14站,中雨15站,小雨35站。

在后續(xù)降水過程中,2019年7月19日20時—20日20時,昆明站降雨量達126.8 mm,為近30年最大降雨量;昆明地區(qū)除晉寧為91.7 mm外,其余站點均達到大暴雨量級,最大為嵩明縣179.2 mm。

2019年7月20日00時至7月20日21時小時降雨量時序分布如圖3所示。從全省降雨情況來看,降雨分布形勢較為明顯,范圍性降雨主要覆蓋云南迪慶至紅河以北地區(qū),暴雨及大暴雨主要集中位于昆明地區(qū),且降雨時段集中于2019年7月20日01時—06時,小時最大雨強為51.2 mm(見圖3(b)),出現(xiàn)在7月20日04—05時的昆明太華山站,同時也突破了該站建站以來小時降水歷史極值。

圖3 2019年7月20日00時至7月21日20時小時降雨量時序分布Fig.3 Hourly rainfall timing map from 00:00 to 20:00 on July 21,2019

7月20日7:30盤龍江敷潤橋水位1 889.92 m,低于警戒水位0.6 m,相應(yīng)流量40.7 m3/s。強降雨共造成主城區(qū)明波立交橋、西苑立交橋、二環(huán)東路下穿昆河鐵路段、茭菱路至西苑立交段、海源中路等多個點(片)不同程度出現(xiàn)內(nèi)澇淹積水,由于積水過深致使部分道路交通中斷。

由此可見,雖然此次暴雨過程持續(xù)時間短,核心降雨時段僅有5 h(7月20日02時—07時),但強度較大且較為集中,與2017年7月20日暴雨和2018年7月20日暴雨相同,都為夜間強降雨,β尺度雨鋒中嵌套有多個γ尺度雨鋒,致使局地出現(xiàn)特大暴雨災(zāi)害。

由于2019年前期呈現(xiàn)嚴(yán)重干旱,此次強降雨導(dǎo)致部分地區(qū)出現(xiàn)了旱澇急轉(zhuǎn)的情況,對工農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)等均造成了一定程度的影響。

3 條件分析

3.1 環(huán)流形式

2019年7月20日強降雨過程前期,自4月以來云南全省大部地區(qū)出現(xiàn)的高溫少雨天氣一直持續(xù)至6月中旬,致使云南處于重度干旱影響下,2019年5月21日,云南省防汛抗旱指揮部啟動了云南省防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案Ⅳ級(一般)應(yīng)急響應(yīng),云南省氣象局于2019年5月14日12時啟動了重大氣象災(zāi)害(干旱)Ⅳ級應(yīng)急響應(yīng)命令,昆明、玉溪、楚雄、普洱、西雙版納5個州(市)氣象局相繼啟動并保持干旱Ⅳ級應(yīng)急響應(yīng)。

2019年7月19日08時、20時高低空環(huán)流形勢如圖4所示。2019年7月19日08時500 hPa高度場上(見圖4(a)),云南東部地區(qū)受滇緬高壓影響,滇中以西地區(qū)受青藏高壓影響,同時受到海南地區(qū)低壓氣旋影響,滇中和云南以東地區(qū)存在輻合切變線,西北太平洋副熱帶高壓偏弱,同時由于東部沿海臺風(fēng)的影響,存在一個經(jīng)貴州向云南東部的水汽輸送通道。700 hPa高度場上(見圖4(c)),云南受滇緬高壓和西北地區(qū)存在的氣旋性低壓環(huán)流的共同影響,在云南西北部迪慶至昆明、曲靖一帶存在風(fēng)場切變線,同時由于受到滇緬高壓環(huán)流影響,有水汽由孟加拉灣向云南西北部輸送。近地面層上,云南始終處于低壓控制區(qū)范圍,存在風(fēng)場的輻合,近地層氣溫相對較高,有利于風(fēng)場輻合上升。

圖4 2019年7月19日08時、20時高低空環(huán)流形勢圖Fig.4 High and low altitude circulation at 08:00 and 20:00 on July 19,2019

2019年7月19日20時高度場上(見圖4(b)、(d)),低壓中心進一步南壓影響云南(見圖4),輻合切變線已南壓到滇中附近,并且EC預(yù)報產(chǎn)品顯示,未來兩天(20—21日)還將繼續(xù)影響昆明等地區(qū)。在200 hPa高度場上顯示,云南高空為高壓區(qū)域,部分地區(qū)為高壓中心,風(fēng)場主要為東南風(fēng),風(fēng)速普遍為20 m/s左右,且有風(fēng)速和風(fēng)向的輻散。在500 hPa高度場上,云南受到滇緬高壓和青藏高壓以及貴州地區(qū)存在的小低壓的共同影響,處于兩高輻合區(qū)域,也是交換熱量與動量的通道,該區(qū)域的大氣活動較為頻繁,在云南東部有一低壓氣旋環(huán)流存在,且從EC預(yù)報產(chǎn)品來看,昆明地區(qū)始終存在風(fēng)場的輻合切變,極易引發(fā)強降雨天氣。在700 hPa高度場上,切變線繼續(xù)南壓,切變線附近比濕較大,最大值達14 g/kg,水汽條件充沛,有利于形成較強降雨。

3.2 中尺度分析

在有利的大尺度環(huán)流背景條件下,特大暴雨天氣過程的發(fā)生發(fā)展和減弱還取決于低層的觸發(fā)機制[5]。研究利用國家地面氣象觀測站資料來分析昆明特大暴雨過程前后地面流場的中尺度特征。從地面10 min風(fēng)向風(fēng)速分布圖可以看出,自2019年7月18日20時起,從昆明到楚雄一帶一直存在明顯的地面風(fēng)場輻合(見圖5),并且隨著時間的推移,輻合區(qū)逐漸向昆明南部地區(qū)緩慢移動。而且從地面氣溫監(jiān)測情況看,昆明-楚雄-麗江及北部地區(qū)處于相對暖區(qū),氣溫普遍在22 ℃以上,有利于低層空氣上升運動。

3.3 水汽及動力條件

2019年7月19日08時探空圖(見圖6)顯示,昆明站T-logP圖呈現(xiàn)細(xì)長型,400 hPa以下均為偏西風(fēng),350～500 hPa有干空氣入侵,存在2個逆溫層,其余高度水汽條件好,有一定的對流有效位能。到20時,400～500 hPa層水汽條件改善,且有加深趨勢,對流有效位能有所釋放,低層有風(fēng)場切變輻合,有動力上升條件。到20日02時,400 hPa高度以下水汽條件均非常好,對流有效位能進一步釋放,不太強的對流有效位能對降水的形成較為有力,低層風(fēng)場切變輻合明顯,為水汽上升運動提供了動力條件。水平方向上,7月19日08時—20日02時云南GNSS/MET水汽觀測始終處于較高值(見圖7),20日02時云南地面層的比濕均為18 g/kg以上,水汽條件較好。另外從垂直風(fēng)場上看,19日08時—20日08時,有相對較弱的垂直風(fēng)切變,對降水的形成有利。

圖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

暴雨的發(fā)生發(fā)展,不僅要求水汽條件充沛,而且還需要空氣的輻合抬升運動[6]。通過對2019年7月19日08時—20日20時昆明地區(qū)(緯度24°～27°N,經(jīng)度101°～104°E)平均水汽通量、水汽通量散度和風(fēng)場(風(fēng)矢)做時間-高度剖面(見圖9)發(fā)現(xiàn),特大暴雨發(fā)生前12 h,暴雨區(qū)上空800～600 hPa有4 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量大值區(qū),700 hPa上為5 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量大值中心;隨著時間的推移,水汽通量中心值有所減弱,但特大暴雨發(fā)生時仍維持4 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量大值區(qū),表明在特大暴雨發(fā)生前低層有明顯的水汽輸送。從圖9中還可看到,特大暴雨發(fā)生前在低層500 hpa以下高度存在水汽輻合區(qū),特大暴雨發(fā)生時水汽輻合猛增并達到最強,出現(xiàn)了-0.2×10-7g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽輻合中心,500 hPa以上高度為水汽輻散,特大暴雨結(jié)束后中低層的水汽輻合變?yōu)檩椛?。這表明特大暴雨發(fā)生前低層存在水汽輸送以及水汽輻合,特大暴雨發(fā)生在水汽通量散度輻合達到最大的時段,在水汽條件基本滿足時,水汽的輻合強度決定降雨的強度。

圖6 2019年7月19日08時、20日08時昆明站探空曲線圖Fig. 6 Kunming Station sounding curve at 08:00 on July 19,2019 and July 20,2019

圖7 2019年7月19日20時、23時比濕Fig.7 Specific humidity at 20:00 and 23:00 on July 19,2019

圖8 2019年7月19日20時800 hPa θse分布和θse (500～800 hPa) 分布(單位:K,黑色方框為昆明地區(qū))Fig.8 Distribution of 800hPa θse and θse (500～800 hPa) at 20:00 on July 19,2019

注:右側(cè)數(shù)據(jù)表示水汽通量,單位:10-2g·cm-1·hPa-1·s-1; 等值線表示水汽通量散度,單位:10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。圖9 2019年7月19日08時—20日20時昆明地區(qū)(24°～ 27°N,101°～104°E)平均水汽通量、水汽通量散度和 風(fēng)場(風(fēng)矢)時間-高度剖面圖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

水汽的輻合取決于風(fēng)場的輻合[7],為更深入地分析特大暴雨發(fā)生地區(qū)降雨條件,對2019年7月19日08時—20日20時昆明地區(qū)(緯度24°—27°N,經(jīng)度101°—104°E)風(fēng)場平均散度和垂直速度做時間-高度剖面圖(見圖10),從19日08時起500 hpa以下高度的風(fēng)場輻合加強趨勢明顯,在580～720 hPa高度最為明顯,由輻散轉(zhuǎn)為輻合,19日20時—20日08時為輻合最大時段,最大值達到了-20×10-6s-1,在500 hPa以上則正好相反,有明顯的輻散狀態(tài),最大散度值為20×10-6s-1。高層輻散低層輻合為上升運動提供了動力條件,對圖10分析發(fā)現(xiàn),從19日14時起垂直速度逐漸加強,在19日20時—20日06時期間,垂直速度達到最大值-0.25×10-3hPa·s-1。風(fēng)場的輻合上升帶動了水汽的輻合上升,最終為特大暴雨的產(chǎn)生提供了最為重要的條件[8]。

注:右側(cè)數(shù)據(jù)表示散度,單位:10-6s-1;等值線表示垂直速度, 單位:10-3hPa·s-1。圖10 2019年7月19日08時—20日20時昆明地區(qū) (24°～27°N,101°～104°E)風(fēng)場平均散度和 垂直速度時間-高度剖面圖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

從大范圍來看,昆明地區(qū)位于云南中部偏東,昆明以北(四川)地區(qū)和昆明以南玉溪、紅河等地地勢相對偏低,昆明大部分地區(qū)海拔在1 500～2 800 m之間,平均海拔為1 894 m。從云南西南方向孟加拉灣和云南東南部過來的水汽由于地形的影響逐步抬升與北方冷空氣交匯于昆明等地區(qū),容易產(chǎn)生迎風(fēng)坡降雨。同時由于受到四川盆地產(chǎn)生的西南渦外圍氣流的影響,有利于形成輻合上升氣流。從小范圍來看,昆明城區(qū)的“壩子”地形容易形成局地小氣候(見圖11),從地形氣候?qū)W的角度分析看,昆明城區(qū)的“壩子”地形白天由于四周山體輻射“聚焦效應(yīng)”(類似河谷效應(yīng))增溫較快,低層上升氣流速度迅速增大,由下沉氣流為主的形勢迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙龤饬餍问?且垂直風(fēng)切變較大,不穩(wěn)定能量大量積累,加上從西北沿橫斷山脈南下的冷空氣受到山脈影響產(chǎn)生的地形波的作用,容易激發(fā)冰雹等強對流天氣,但不利于降雨的形成。從7月19日白天氣象實況監(jiān)測情況可以看到,白天地面溫度相對偏高,昆明部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)冰雹等災(zāi)害性天氣。

圖11 昆明壩子氣流交匯示意圖Fig.11 Kunming dam air flow junction diagram

夜間整層空氣降溫,大量水汽凝結(jié),不穩(wěn)定能量通過白天強對流天氣有一定程度釋放[9],且由于輻射降溫和“壩子”聚焦作用、城市熱島效應(yīng)以及昆明滇池等大型水體的調(diào)節(jié)作用的共同影響。在7月20日20時后,上升氣流速度逐漸減小,水汽凝結(jié)及水汽輸送通道的存在致使整層水汽條件進一步加強;適當(dāng)速度的上升氣流不斷將低層水汽輸送到300～500 hPa的適當(dāng)高度,同時與西北沿橫斷山脈南下的冷空氣受到山脈影響產(chǎn)生的地形波相互作用，同時由于冷空氣沿山坡下滑到“壩子”底部時,將“壩子”底附近的暖濕氣塊抬升冷卻凝結(jié)致雨。多方面的原因共同有效地促成昆明地區(qū)夜間降雨的產(chǎn)生與持續(xù),從而產(chǎn)生了一次昆明盛夏夜間強降水。

3.4 衛(wèi)星云圖

特大暴雨的發(fā)生和發(fā)展是在有利的天氣尺度背景下產(chǎn)生的[10],而中尺度系統(tǒng)在一定程度上是暴雨的直接制造者和組織者[11],通過氣象衛(wèi)星等的探測資料可以直觀地呈現(xiàn)出各種天氣尺度系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程[12]。

圖12 2019年7月20日00時—05時衛(wèi)星云圖Fig.12 Satellite cloud map from 00:00 to 05:00 on July 20,2019

2019年7月19日—20日,衛(wèi)星探測資料顯示,云南地區(qū)受兩高輻合的影響,在云南西北部地區(qū)有對流云團生成,同時在其西南方向不斷有點狀對流泡發(fā)展并相互匯合,并向西南方向移動,20日02時起越過滇中向昆明挺進,同時與昆明本地上空生成的暴雨云團合并發(fā)展,持續(xù)影響昆明地區(qū)。

3.5 雷達回波情況

雷達資料用于探測臨近降水過程優(yōu)勢明顯,能較為詳細(xì)地反映出降水區(qū)中小尺度系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和演變過程[13]。由于昆明暴雨發(fā)生時段主要集中于7月20日00時—07時,選取昆明國家天氣雷達站07時前低仰角(0.5°)雷達探測數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn),昆明地區(qū)自7月20日00時起開始陸續(xù)有絮狀雷達回波云團自西北向偏東移動,存在多個逆風(fēng)區(qū),云團回波剖面顯示云體發(fā)展高度較低,中心維持在4 km左右,回波頂高在6 km左右,強度普偏在40 dbz以下,屬于降水回波,有明顯的輻合行為,且移動速度慢,昆明本地區(qū)上空不斷有降水云團回波經(jīng)過,且停留時間較長,受到“列車效應(yīng)”和長時間停留的雙重影響[14],造成了昆明地區(qū)特大暴雨的產(chǎn)生。

圖13 2019年7月20日02時30分-04時35分0.5°仰角強度圖、速度圖和垂直剖面圖Fig.13 0.5°elevation intensity map,speed map and vertical profile from 02:30 to 04:35 on July 20,2019

4 結(jié)論

利用常規(guī)氣象觀測資料、加密自動站觀測資料、衛(wèi)星觀測資料和昆明國家天氣雷達站觀測資料,從環(huán)流背景、中尺度近地層分析、水汽動力條件、昆明地形特點、衛(wèi)星云圖和雷達回波情況等方面,對發(fā)生在昆明地區(qū)的一次夜間致災(zāi)性暴雨進行了診斷分析，其主要結(jié)論如下:

(1) 兩高輻合和低層低壓切變是本次暴雨發(fā)生的大尺度環(huán)流背景。暴雨發(fā)生前,暴雨區(qū)水汽條件充沛,從低層到高層整層水汽均較好,中低層輻合區(qū)和切變線的共同作用為強降雨天氣提供了有利抬升條件,低層輻合和高層輻散所形成的“抽吸作用”有效地促進了低層水汽的上升運動;在強降雨天氣出現(xiàn)的過程中,昆明地區(qū)存在強烈的上升運動,垂直運動則提供了動力機制,不穩(wěn)定能量的釋放為上升運動提供了有利條件。

(2) 衛(wèi)星云圖顯示,在云南西北部地區(qū)有對流云團生成,同時在其西南方向不斷有點狀對流泡發(fā)展并相互匯合,并向西南方向移動。雷達回波上,多個γ中尺度的小單體回波在移動過程中合并、加強,強回波較長時間維持在特大暴雨區(qū);在整個回波發(fā)展過程中,出現(xiàn)明顯的輻合,表明回波內(nèi)單體的合并非?；钴S,在強降雨階段存在較強的風(fēng)向、風(fēng)速輻合。由于暴雨云團移動緩慢的特點,同時連續(xù)經(jīng)過昆明地區(qū),形成了“列車效應(yīng)”,造成昆明特大暴雨的產(chǎn)生,同時地面層的逆風(fēng)區(qū)也對暴雨的產(chǎn)生和維持發(fā)揮了促進作用。

(3) 白天地面溫度相對較高,對流不穩(wěn)定能量積聚,夜間來自孟灣的水汽在云南西北部地區(qū)形成深厚濕層和高濕舌,低層的中尺度風(fēng)場和水汽的輻合抬升、弱的垂直風(fēng)切變環(huán)境條件和特殊的地形條件,有利地促成了云南昆明夜間強降雨的發(fā)生發(fā)展及維持。