高安生，郭荣芬，柴秀芬，徐八林

(1.云南省气象局，云南昆明650034;2.云南省气象台，云南昆明650034 3.云南省大气探测技术保障中心，云南昆明650034)

对中小尺度强对流系统的研究是灾害性天气研究中的重要内容。在中小尺度强对流系统中经常出现强对流单体的合并现象，单体合并使云体尺度和强度发生变化，可引起地面降水显著增加、大风、闪电等，因此，单体合并在积云发展和云复合形成中的作用引起国内外专家学者广泛的兴趣和研究[1－9]。黄美元等[10]采用二维暖积云模式研究了积云之间的合并及相互影响问题，计算结果表明:若两云的强度相差较大时，弱云受到抑制，而强云得以增强;非同时形成的云只有在相距较近，且都处于发展阶段时才相互影响;合并云比单独云发展强烈，降水量也大。杨金锡等[11]观测发现中尺度“云核”的合并易导致强云团发展，从而促使降水量增大;还可看出几次雨锋的出现与重力波的发生和“云核”合并发展有密切关系。渠永兴等[12]利用甘肃永登19年的雷达回波资料，分析表明该区的特殊地形造成气流阻挡并使其折转汇合，使得对流云迅速发展，是该地区对流云形成和分布的决定因素。付丹红[13]利用MM5V3模式研究了积云合并过程在强降水和冰雹对流天气形成中的作用，结果表明积云合并在强中尺度对流系统(MCS)形成中有非常重要作用，合并过程导致云内上升下沉气流增强，对流运动发展加强，有利于水汽转化，形成大量过冷云水和冰相粒子。井喜等[14－15]对毛乌素沙漠东部边缘的β尺度尺度暴雨和冰雹进行了综合分析，研究发现:强冰雹狂风是由超级单体风暴引发的，超级单体风暴是由中β尺度小钩状回波侵入引发的新生中γ尺度强对流单体在钩状区合并而形成。侯建中等对高原东北侧多次突发性暴雨从云图特征等方面进行了系统分析[16]。胡雯[17]利用静止气象卫星资料对江淮流域内夏季的对流云合并过程进行普查，提出对流云合并能显著影响云的发展，是引发强降水和强对流天气的重要过程，云团在合并后面积和强度都得到发展，且生命史更长，平均持续时间达6.2 h。同时指出卫星资料是用云顶温度来分析对流云的合并，其分辨率不足，应采用新一代天气雷达做进一步研究。

云南地处低纬高原，西北靠青藏高原，南临热带海洋，是一个强对流频发的地区，尤其是中小尺度系统比较活跃。文献[18]通过统计分析发现这类暴雨中存在较多单体合并的个例。过去，由于探测手段的限制，对这类中-γ尺度暴雨系统发生发展演变过程的精细化观测甚少。随着多谱勒天气雷达和高密度自动雨量站网等现代大气探测手段的建设完成，为中小尺度系统研究提供了可能，并且由于更强的灵敏度，新一代天气雷达和高密度自动雨量站网揭示出许多传统的探测手段未能探测到的精细化过程。本文利用常规高空资料、卫星资料、加密乡镇雨量站资料，结合新一代多普勒雷达资料，对云南昭通小河镇“2010.7.13”特大气象灾害的天气过程进行了分析，了解单体合并型中-γ尺度系统发生发展过程中降水与雷达回波特征。

1 小河镇“7.13”洪涝泥石流灾害情况

2010年7月13 日04:00，云南省昭通市巧家县小河镇(103.2°E，27.2°N)发生短时强对流暴雨，引发洪涝、泥石流灾害，给人民群众造成巨大生命财产损失，致使小河集镇富民街下排15户民房倒塌，严重受损50余户，地税所房屋1幢被洪水冲走，沿河街道多处损毁。致19人死亡，26人失踪，受灾人数达1 200余人，直接经济损失达1.75亿元。

2 灾害成因分析

2.1 小河镇地形状况分析

分析昭通小河镇地形发现，小河镇位于金沙江支流牛栏江流域的炉房沟河与银厂沟河交汇地带。小河镇的西侧药山顶海拔4 040 m，东部的臭水井梁子山海拔3 110 m，小河镇处于两山间河谷地带，海拔不到1 000 m。小河镇炉房沟流域水系如图1所示。

图1 云南昭通巧家县小河镇炉房沟流域水系图

2.2 雨情监测

小河镇位于云南昭通巧家县北部、鲁甸县南面，据昭通市区域加密自动气象站资料分析，7月13日凌晨至上午09:00，鲁甸梭山乡(位于鲁甸南部，距离小河约9 km)降雨73 mm(图2)，相邻各站雨量如表1所示。

图2 云南昭通梭山乡7月12日20:00－13日12:00逐时雨量图

表1 云南昭通巧家县小河镇附近乡镇7月13日降雨量

图3 2010年7月12日20时中尺度分析综合图

此次灾害发生地的小河镇富民街，街道依山临江而建，地处交通要冲，是四周村民定期赶集的重要场所。富民街街旁是牛栏江一条支流炉房沟河的边缘，位于牛栏江中下游及多条水流支系汇合处，由于前期的土壤水份积蓄较多，加之短时强对流暴雨的冲击，致使松动的泥土和石头在强烈水流冲击下越过防洪堤坝冲向小河镇富民街，导致严重的洪涝泥石流灾害。

2.3 天气成因分析

2010年7月12 日20:00的中尺度天气分析发现，滇东北昭通处于500 hPa西偏北气流与700 hPa偏南气流汇合处，表明高低层辐合明显，同时滇东北地区受低层湿舌影响，地面有辐合线位于四川东部、昭通南部、昆明北部、楚雄中部和大理南部，滇东北昭通具备短时强降水的触发抬升条件和水汽条件(图3)。

TlnP图上，滇东北对流有效位能较大，以昭通附近的威宁站为例(图4):整层潮湿，CAPE为622.1 J/kg，SI=－0.59℃，且中层风向切变明显，500 hPa以下风随高度顺转，有暖平流，高层至对流层顶200 hPa风随高度逆转，有冷平流，这种中层有辐合切变、高冷低暖、整层潮湿，低层偏南暖湿气流输送水汽及对流不稳定能量堆积，加之边界层辐合线的触发，导致滇东北昭通地区出现雷暴和局地短时强降水天气。

图4 昭通附近威宁站TlnP图

3 中尺度强降水系统分析

3.1 云图中尺度特征

分析卫星云图演变，发现7月12日20:00，云南东部曲靖附近对流云团MCS发展迅速，逐渐西北移动，并向昭通靠近。13日02:00，长椭圆状中-βMCS主体控制昭通大部地区，该强盛的MCS在03:00达到最强，中心强度TBB为210 K(－63℃)，一直持续维持至04:00，05:00云团开始减弱收缩，随后逐渐西行移出昭通至四川盆地(图5)。分析表明，中-βMCS是形成此次小河镇暴雨的云图中尺度影响系统。

3.2 雷达回波强度演变特征

图5 FY-2E红外云图及TBB等值线合成图

小河镇发生灾情的全过程，昭通C波段3830型多普勒雷达进行了完整观测，其天线海拔高度2 003.7 m，资料库长为150 m，扫描一周512条径向线，取样时间间隔为6 min左右一次的连续体扫。

7月13日00 :00雷达测站南部150 km探测范围内不断有对流回波单体生成并向西北方向移动，特别是雷达站西南部的鲁甸、巧家境内对流单体较多且发展快，呈离散状分布，02:00回波在向西北移动过程中逐渐加强，对流回波强度明显增强，强回波中心增强到50 dBz以上，回波顶高发展到13 km。根据卫星云图以及自动站雨量演变情况分析，MCS主体继续向西北移，雷达回波强度场上显示巧家小河镇附近有对流回波，造成昭通南部的鲁甸、巧家一带出现短时强降水。

3.2.1 雷达回波两单体合并特征

7月12日23 :00，发生灾情的小河镇炉房沟上游，从雷达强度图上可以看到，A、B两中-γ尺度单体合并的发生发展过程(图6)。图中红色三角标识自上分别为牛栏江小河镇段下游的梭山乡、小河镇、上游的新店乡，在整个合并过程中单体A的位置变化不大，发展壮大的趋势却较明显。23:09(图6a)单体A、B相距约5 km，23:14(图6b)开始合并，23:19(图6c)完成合并过程，并减弱，这一减弱说明已形成强降水下落。合并过程是由单体B不断向单体A靠近并最终完成合并。通过以往研究表明这种合并的发生发展过程通常会形成强降雨。

图6 中-γ尺度两单体合并的发生发展过程(图中A、B为中-γ尺度单体)

3.2.2 雷达回波多单体合并特征

13日01:00 ，云图中-β尺度MCS系统中，小河镇炉房沟上游再次形成强对流，01:45的雷达强度图上可见大约有4个中-γ尺度单体(图7中A、B、C、D)，回波最强时出现在01:55，此时4个中-γ尺度单体基本合并一个较大的中-γ尺度单体并西北移。从雷达图上看此次合并后的强度和降雨量均超过上次的两单体合并。

图7 中-γ尺度多单体合并的发生发展过程(图中A、B、C、D为中-γ尺度单体)

4 雷达估测降雨量

由于小河镇和上游的炉房沟没有标准的雨量观测站，造成此次灾害区域的较精确雨量值成了人们关注的焦点之一。曾考虑利用插值等方法探索小河镇附件雨量，但Groisman等[19]曾指出由于雨量计周围的风以及蒸发的影响，可能造成雨量计测值比实际降水低估5%～15%。在山区，由于风比平原地区强，雨量计对降水测量的误差应更为严重，所以，线性分析等方法易造成较大误差。现提出利用雷达反演降水的能力，对小河镇附件雨量进行测估。

从雷达气象学基本理论可知，雷达测量的是降水回波强度(dBz)，Marshall等[20]用雷达研究降水，首次推得Z－I关系，并拟合获得了雨滴谱M－P分布。根据Z－I关系，可以得到降水强度(mm/hr)。分别在每一个区域建立了对流型、雷雨混合型、阵雨混合型3种雨型随测距变化的气候Z－R关系，事实上，影响雷达定量测量降水的因素很多，许多学者除研究雨滴谱分布及Z－R关系外，还在不断探索其他新技术。鉴于小河镇附近的鲁甸县气象监测站所监测到的雨量，拟合并调整雷达反演降水的Z－I关系，直到相差不大时，确定这一Z－I关系，再用这一Z－I关系反推计算小河镇雨量，来解决这一问题。通过检验反推计算的小河镇雨量与牛栏江径流吻合明显较好，检验方法已有诸多研究成果[21－23]，此不做赘述。用此方法对其他几次云南的强降雨估测，也获得较好效果。

4.1 雷达估测降水程序流程

根据以上高山雷达探测特征和定量估测降水方法的思路，设计生成雷达估测降水程序流程图见图8。

图8 雷达估测降水系统流程图

图9 昭通雷达反演降水

4.2 雷达资料预处理及反演情况

雷达资料质量控制是雷达资料运用的关键。只有质量控制好的雷达资料才有进一步应用的价值，否则可能导致错误的信息，甚至产生不可预测的后果。将极坐标雷达数据转换到笛卡尔坐标，再经去噪声、中值滤波、地物消除、四点平滑等预处理后得到平均反射率因子场。用拟合鲁甸站雨量并调整得到的Z－I关系进行雷达反演降水，结果如图9所示。

图9中较好反映了云南昭通巧家小河镇附近的降水分布，明显看出强降水区域位于小河镇西侧的炉房沟附近，过程雨量应达到100 mm，约为100～120 mm。而小河镇雨量不大，为20～50 mm。

5 小结

(1)中尺度天气分析发现，中低层风向辐合切变、高冷低暖、整层潮湿，低层偏南暖湿气流输送水汽及对流不稳定能量堆积，加之边界层辐合线的触发，导致滇东北昭通地区出现雷暴和局地短时强降水天气。

(2)云图演变反映，中-β尺度的MCS是此次小河镇暴雨形成的云图中尺度影响系统。

(3)雷达、自动站等资料对此次灾害性天气过程的监测能发挥较好的作用，中-γ尺度系统中降水基本在1 h内雨量就达到暴雨量级，持续降水一般约1～3 h左右，属强对流降雨，“单体合并型”属雷达回波降水特征。

(4)回波单体的合并伴随强降水，单体合并与降水量变化有一定对应关系。回波合并过程中并不一定弱云受到抑制强云得以增强。这种类型的对流发展比较旺盛，对流发展的云顶高一般在10 km以上，并且常在10 km以上仍然有较强回波(大于25 dBz)。而单体合并可能是一部分这类暴雨过程和强对流的触发与维持机制之一。

(5)提出了一种利用雷达估测无雨量站区域降雨量的方法，利用该方法给出了小河镇和上游炉房沟强降水区域的雷达估测雨量值，与实际灾害发生相符。

⑹加强灾害性天气的短时临近预报、预警，对防御和减轻气象灾害及其衍生次生灾害有重要作用。充分利用雷达、卫星云图、自动站等各种资料，严密监视天气变化，进行短时临近预报，应能基本满足业务需求。

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