杨芳园，甄廷忠，邹灵宇，王占良，石宝灵，潘娅婷

（昆明市气象局，云南 昆明 650034）

短时强降水是对流系统在短时间内（6 h以内）造成的较大雨量，是昆明市夏季较为常见的致灾性严重的强对流天气之一，易造成城市内涝，农田渍涝，也是引发山洪滑坡、泥石流等地质灾害发生的主要原因，对城市运行、公共安全、人民生命安全等造成了严重的影响，因此加强短时强降水产生的机理研究及临近监测预警均有非常重要的意义。

近些年，国内外学者对短时强降水过程产生的机理做了大量的研究[1-3]。刘裕禄等[4]统计分析了2015年发生在黄山地区的短时强降雨时空分布，研究了地形动力阻挡和热力作用对强降雨的增幅作用，短时强降雨的发生次数及分布与山脉形态一致，与地形高度密切相关，黄山风景区地形对降水量的增幅作用在迎风坡可达60%。陈永仁等[5]指出，地形与短时强降水的发生有一定的相关性，地形能够激发更多的短时强降雨过程的发生；刘蕾等[6]指出，地形会使迎风坡的西南暖湿气流与低层冷空气交汇产生的垂直扰动叠加，从而激发垂直上升运动强烈发展并触发对流不稳定发展。金少华等[7]对发生在哀牢山东侧的大暴雨天气过程进行诊断分析，探究了云南哀牢山地形在暴雨过程中的作用。目前随着常规观测资料时空分辨率的提高及新一代天气雷达资料的广泛应用，短时强降水的分析研究和预报预警服务水平有了很大的提高。支树林等[8]利用常规资料分析了南昌地区一次夜间发展起来的致灾大暴雨天气过程的中尺度对流条件，指出南昌西侧的山地地形与东侧的鄱阳湖水体共同作用，增强了触发抬升条件，有利于该区域降水的加强和维持，且相对组合反射率CR、雷达回波液态含水量产品VIL值随时间的变化对雨强预报具有更显著的指示作用。马月枝等[9]利用区域自动站观测资料、多普勒雷达监测产品等资料在研究新乡强对流过程中指出，雷暴外流边界也是强对流的重要触发机制，太行山东侧的雷暴外流边界受地形抬升作用，导致了局地短时强降水天气。郝莹等[10]统计分析了安徽1995—2010年不同强度的短时强降水的时空分布及雷达回波特征，建立了短时强降水的3种概念模型。段鹤等[11]对云南普洱、西双版纳537次短时强降水天气过程进行统计分析，建立了3种短时强降水概念模型，给出了短时强降水的回波特征，并探讨了辐合作用与强降水维持时间的关系，DVIL与降水量间的关系。

近些年昆明市主城区强降水的分布特征，一是降水以历时短、强度大、局地性强的单点性短时强降水或暴雨为主；二是受复杂地形影响较大。昆明短时强降水主要由中小尺度系统引起，引发的城市内涝已成为各界普遍关注的城市问题，目前利用区域站分钟数据对短时强降水天气的形成机制、影响过程以及地形在昆明市降水过程中的作用研究相对较少。2018年6月8日夜间至9日凌晨昆明市南部县区出现了大雨到暴雨，局部大暴雨的天气，造成了严重的城市内涝。基于前人研究的基础上[12-13]，本文利用NCEP 1°×1°再分析资料、多普勒天气雷达及5 min地面自动站加密观测资料，从环流背景、雷达中尺度特征等方面进行研究，探讨了强降水的雷达回波特征，地形对强降水的增幅作用，以及5 min雨量与组合反射率、雨强分布间的关系，以期在复杂地形下，利用实时常规观测资料，为昆明市局地短时强降水天气的精细化预报及临近预警提供一定的参考依据，进一步提高短时强降水的预报预警能力。

1 降水概况

2018年6月8日20时—9日02时，昆明市南部县区出现中到大雨，局部暴雨至大暴雨的天气，并伴有明显的雷电活动，本次过程全市自动气象观测站共出现1站大暴雨，61站暴雨，140站大雨。图1给出了2018年6月8日19时—9日02时短时强降水（≥20 mm/h）落区，及主城区护国路、石林尾乍黑村逐小时降水量。该过程以短时强降水为主，范围主要集中在昆明主城区，强降水出现时间集中在8日20—21时，最大小时雨强达51.5 mm，之后降水开始向东南方向移动，全市最大降水量出现在石林尾乍黑村，24 h降水量为105.4 mm，2 h累积为79.6 mm（8日23时—9日01时）。由于本次降水时间集中，雨强大，局地性强，短时强降水大部集中在昆明主城区，引起了严重的城市内涝，昆明主城多条道路被淹，积水深度达50 cm及以上，多条路段交通中断，城市交通几乎瘫痪，造成了很大的社会影响。

2 环流背景

2.1 天气形势

2018年6月8日08时，高原上有短波槽，20时（图2a）高原槽逐渐东移至四川东部—滇东北一带，584线位于昆明北部，温度槽明显落后于高原槽，槽后的西北气流与温度槽有一定的夹角，不断引导高层冷空气南下，孟加拉湾附近有季风低压存在，云图上，低压附近云系活跃，云南处于低压外围且不断有对流云系生成，有利于水汽不断向云南上空输送。08时700 hPa在四川中部存在切变线，20时切变已快速南压至哀牢山附近，从图2b可见，切变后部（椭圆区域）风速较大，且有明显的温度槽，冷平流输送明显，有利于低层冷空气向云南输送。孟加拉湾低压与切变线的共同影响为本次过程提供了较好的动力条件。

图1 6月8日19时—9日02时昆明市短时强降水（a）及主城区护国路、石林尾乍黑村区域自动站逐小时降水量（b）

8日20时地面冷锋位于昆明北部，冷锋后部有6～14 ℃的负变温，2～7 hPa的正变压，在低层偏东风的引导下，从贵州回流的冷空气影响到滇中地区。锋面系统在地面流场上的表现一般为风向上的辐合，且锋面附近存在明显的气象要素变化[14]。从逐小时地面流场演变过程分析（图3），东北风携带南下的冷空气与西南风携带的暖空气刚好在昆明附近交汇，结合气象要素变化，20时辐合线位于昆明东部（图3a），与锋面位置基本一致，可用辐合线代替锋面位置。21时锋面刚好位于昆明附近，主城位于强辐合区内（图3b），与强降水的开始时间相吻合，地面冷锋与地面辐合线为本次局地短时强降水的发生发展提供了较好的抬升触发机制。

2.2 中尺度环境特征

2.2.1水汽条件

短时强降水的发生除了上述天气形势提供的动力机制外，充沛的水汽条件也必不可少。图4给出的是2018年6月8日20时700 hPa的水汽通量和水汽通量散度图（黑点位置为昆明），水汽通量表示水汽输送的强度和方向，水汽通量散度能反映水汽通量的辐散和辐合。在96°～98°E附近有6×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1的强水汽通量区，在滇东北至曲靖市一带有8×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1的强水汽通量区，表明本次过程有两支水汽向云南上空输送，一支是来自孟加拉湾低压外围的输送，一支是切变后部的东北气流向南输送水汽，且北支水汽输送略强于南支水汽输送。从矢量看，两支水汽刚好在昆明上空交汇，昆明地区处于4×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量区，且昆明上空处于-50×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1的强水汽辐合中心，当两支水汽输送到昆明时就会产生较强的辐合上升，为本次过程提供了水汽条件。

2.2.2不稳定条件

图2 2018年6月8日20时500 hPa（a）和700 hPa（b）环流形势场（单位：dagpm，黑色实线，黑色粗线500 hPa为槽线，700 hPa为切变线）和温度场（单位：℃，灰色虚线）

图3 2018年6月8日20时（a）和21时（b）逐小时前2 min地面流场

图4 2018年6月8日20时700 hPa水汽通量（等值线，单位：10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1，矢量方向表示水汽输送方向）和水汽通量散度（阴影，单位：10-6g·cm-2·hPa-1·s-1）

为探讨分析本次强对流天气产生的中尺度环境特征，表1给出了当日08时和20时昆明单站探空物理量。强降水发生前和发生过程中，昆明上空湿层深厚，特别是发生过程中湿层更加深厚。低层从08时的西南风转变为20时的东南风，风向的转变使得低层垂直风切变有所增强，弱垂直风切变更有利于产生对流暴雨。由表1可知，对流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）由0.3 J·kg-1增加至217.3 J·kg-1，虽然增加得不明显，但是由于午后增温，大气对流不稳定度有所增加，强对流天气出现的可能性明显增大。对流抑制能量（Convection Inhibition，CIN）从0 J·kg-1增加至83.1 J·kg-1，CIN如果太大，对流抑制强，强对流天气不容易发生；CIN如果太小，不利于不稳定能量在低层积聚，也不容易发生太强的对流，而一定的CIN有利于能量的积蓄和强对流天气的产生，因此20时83.1 J·kg-1的对流抑制能量有利于强对流活动的发展。沙氏指数（Showalter Index，SI）由0.38 ℃降低至-2.59 ℃，表明大气层结不稳定，发生雷暴的可能性较大[15]，对强对流天气的发生发展有显著的指示意义；地面抬升指数（Lifting Index，LI）也从1.93 K降低至-1.43 K，表明昆明附近存在有利的抬升条件，为对流性降水提供了有利的环境条件[8]。根据云的微物理理论，暖云的降水效率要明显高于冷云，降水系统中暖云层越厚，越有利于高降水效率的产生，暖云层的厚度可以用抬升凝结高度（LCL）到融化层（0 ℃层高度）高度间的厚度来估算[16]。08—20时，昆明站的0 ℃层高度从5 205.4 m增至5 354.7 m，抬升凝结高度（TCL_P）从727.2 hPa升至704.9 hPa，经计算20时相对08时暖云层厚度有所减小，减小幅度在51 m，但20时的暖云层厚度仍然较厚，厚的暖云层保证了降水系统中云粒子在下沉气流中较少地被蒸发，降水效率较高。因此，在湿层深厚、一定的对流不稳定能量及垂直风切变、抬升触发机制等有利条件的共同作用下，促使昆明主城及南部县区出现了短时强降水天气。

表1 2018年6月8日昆明探空物理量

此次短时强降水天气发生在较为有利的环境背景下，孟加拉湾低压、700 hPa切变线、地面冷锋的共同影响使得冷暖空气在昆明上空交汇，充沛的水汽条件，地面辐合线在昆明主城及南部县区的长时间维持，为该区域提供了较好的动力抬升机制，探空资料中的部分参数及指数表明，昆明上空大气层结不稳定，具有产生短时强降水这类强对流天气的潜势。

3 地形作用

图5 6月8日19—22时区域自动气象站累计超过50 mm的雨量（单位：mm）与地形叠加图

本次短时强降水过程集中出现在昆明主城区及周边部分区域内（图1a），具有非常明显的局地性，云南局地强降水过程往往受地形影响明显[17]。为探究本次短时强降水过程中，为何降水主要集中在昆明主城区，图5给出了过程期间8日19—22时昆明部分区域站累积降水量与地形的叠加图，红色为超过50 mm以上的降水量，A处为本次过程中，主城区强降水中心，强降水区域主要位于山区以南，滇池以北的中部地区，区域自动站风场显示A区域北部为东北风，以南为偏南及西南风，存在明显的风向辐合（图3），分析认为造成该强降水中心（A区域）的主要原因之一是主城区特殊复杂的地理位置，其所在地形北、东、西三面环山，中部、南部低，南濒滇池，偏南及西南气流有利于将滇池流域的暖湿气流向北部山区输送抬升，地形对伴随冷空气南下的东北气流也有辐合抬升作用。地形抬升所造成的垂直速度伸展高度虽然很小，但由于低层湿度大，所造成的降水量往往不容忽视，是迎风坡降水增幅的动力因子物理量[18]。B处为三家村水库附近的另一个强降水中心，地形的强迫抬升作用及暖湿气流的共同作用也是该处出现短时强降水的原因之一。由此可见，本次主城区短时强降水过程中，地形附近的降水明显大于其他地区，地形对降水的增幅作用显著。

另外，随着城市建设规模的扩大，人口剧增，城市的生活方式和特殊的地面结构共同作用于大气，城市热岛效应越来越明显，改变了城市及其周边地区温度场的分布和次级环流，从而改变降水时空分布特征，使得大城市的降水量增加，形成典型的“城市雨岛”，且雨岛效应在汛期出现的频次更集中，城市雨岛是昆明市主城区短时强降水发生次数增多的另外一个原因。

4 中尺度特征分析

4.1 组合反射率因子特征

为进一步提高短临预报中对短时强降水的预报预警能力，图6为20：01—21：30的昆明雷达组合反射率因子CR（30 km距离圈）及0.5°仰角基本径向速度演变图（60 km距离圈），从回波演变过程分析，19：30左右强回波位于雷达站左侧安宁市附近，自西向东影响昆明市。20：01强回波位于雷达站附近（图6a），呈密实的层状—积状云混合降水特征，较强中心反射率因子强度在46 dBZ左右，此时，昆明主城西部的回波强度达40 dBZ左右，随后，对流逐渐东移发展，不断有40 dBZ的强回波在昆明主城上空经过，20：31主城上空回波较密实（图6b），21：01回波进一步发展（图6c），范围扩大，但结构比前一时次松散，21：30（图6d）回波逐渐向东南方向移动，造成了呈贡区、宜良县、石林县等地区的强降水天气，主城回波明显减弱，降水也逐渐减弱。过程期间昆明上空有明显的“列车效应（Train Effect）”，因此导致该区域出现短时强降水。

从速度图的演变过程可知，20：01雷达站附近为气旋性环流（图6e），雷达站西南部及主城附近有小尺度辐合区生成，且入流（冷色）速度区域明显大于出流（暖色）速度区域，具有明显的辐合，系统将加强和维持。20：31—21：01主城附近仍存在辐合区，位置稳定少动，强降水天气持续，且此时段昆明主城降水最明显（图6f，6g）。21：30随着系统东移，主城区附近的辐合区已移至呈贡一带，主城转为入流区域，强降水已明显减弱（图6h）。中小尺度辐合区的稳定维持是引起强降水回波稳定少动的主要原因，是短时强降水预报预警的关键[10]。

4.2 垂直剖面结构特征

为更好地研究短时强降水发生时的回波特征，图7为强降水时段沿雷达径向至昆明主城区作反射率因子和径向速度的垂直剖面图。由图7可见，35～40 dBZ的回波发展高度在6 km附近及以下（图7a），强回波主要集中在中低层，属于热带降水型，结合表1中20时昆明站0 ℃层高度为5 354.7 m，本次过程暖云层深厚，产生短时强降水的效率更高。对应径向速度图上（图7b），距离雷达14 km附近（昆明主城位置），存在小尺度径向辐合区（椭圆处），辐合从低层延伸到6 km附近，较深厚；低层辐合，高层辐散，有利于强降水的维持和发展。

图6 6月8日昆明多普勒雷达组合反射率因子CR（a～d，单位：dBZ，30 km范围）和0.5°仰角基本径向速度（e～h，单位：m/s，60 km范围）

图7 20：49昆明雷达站反射率因子（a，单位：dBZ）和径向速度剖面（b，单位：m/s）

4.3 分钟数据在强降水天气中的指示作用

图8 20：15—21：15分逐5 min雨量与同期雷达组合反射率CR（a，单位：dBZ）和雨强分布RZ（b，单位：mm/h）值的对比

为更好地利用雷达产品对短时强降水这类灾害性天气进行监测和预警，提前预报强降水的变化趋势、持续时间，为判断雨强大小提供指示作用，本文以昆明市主城区护国路站（最强短时强降水中心）为例，选取降水最强时段内20：15—21：15逐5 min雨量，与同时间段内雷达组合反射率CR和雨强分布RZ进行定量对比分析（图8），从逐5 min雨量和CR的变化趋势可知（图8a），除个别时间段存在误差外，5 min雨强与组合反射率的变化趋势基本一致，降水较明显时段20：45—20：55期间，CR值在42～44 dBZ，相应的5 min雨量最强达7.2 mm，随后CR开始减弱，降水也逐渐减弱。通过分析5 min雨量与同时段雨强分布RZ的变化趋势可知（图8b），20：30—20：55 RZ呈波动性增加，对应的5 min雨量也呈波动性变化，20：55雨强分布增至12 mm/h，RZ值出现跃增时段刚好对应强降水时段；随后21时RZ减小至11 mm/h，5 min雨量为4 mm，随后RZ呈明显减小趋势，5 min降水也逐渐减弱，二者的变化趋势也基本一致，虽然每6 min给出的RZ值一般较5 min雨量值略高，但RZ值的变化对预测5 min雨量具有一定的指导意义。因此，通过分析CR值和RZ值随时间的变化趋势可预测强降水的生消发展演变，CR值对强降水的持续时间及变化趋势具有较好的指示意义，RZ值的变化趋势及数值大小对5 min雨强预报的指示作用更明显。

综上所述，从本次局地短时强降水天气雷达回波特征中可分析出明显的“列车效应”，强回波主要集中在中低层，为热带降水型。强降水区存在明显的辐合区，且辐合区较深厚，具有短时强降水和暴雨发生时的典型特征[19]。在实际工作中，可结合利用6 min的雷达组合反射率CR和雨强分布RZ的变化趋势对强降水持续时间，5 min雨强大小进行预报，为强对流天气的监测和预警提供一定的参考和依据。

5 结论与讨论

本文对2018年6月8日夜间昆明地区出现短时强降水的天气过程，从环流背景条件、地形对降水的局地增幅作用、雷达回波中尺度特征及分钟数据在强降水天气中应用等方面进行特征分析，得出以下结论：

（1）此次短时强降水过程产生于孟加拉湾低压、700 hPa切变线和地面冷锋的共同影响下，孟加拉湾低压及东北气流携带南下的水汽在昆明上空辐合上升，为短时强降水的产生提供了充足的水汽条件。地面冷锋及辐合线，为强降水的产生提供了抬升触发机制。强降水发生前，昆明上空暖云层深厚，气层不稳定，具有一定的对流不稳定能量及垂直风切变，有利的抬升条件为强降水天气的产生提供了动力、水汽等环境条件。

（2）短时强降水出现的集中区域位于昆明主城区，主城的特殊地形造成的强迫抬升和辐合作用加强了局地强降水。另外，滇池等大型水体也对此次局地强降水的分布有明显的影响作用。城市热岛作用下产生的“雨岛效应”也是主城区短时强降水发生的原因之一。

（3）本次强降水发生时昆明主城区及南部县区形成了“列车效应”，存在明显的辐合区，强回波集中在中低层。6 min的雷达组合反射率CR和雨强分布RZ与逐5 min的雨量变化趋势较一致，CR值对强降水的持续时间及变化趋势具有较好的指示意义，RZ值的变化趋势及数值大小对5 min雨强预报的指示作用更明显。

短时强降水的落区预报、雨强大小一直是短临预报中的重点与难点，本文分析了引起此次局地短时强降水天气过程的成因，并探讨了地形在本次降水过程中增幅作用，但仅为一次个例分析，地形与城市环流间的相互作用，地形对昆明主城区降水强度及落区的影响程度，均有待于今后对更多的强降水天气过程进行统计分析。随着观测资料空间和时间分辨率的不断提高，在今后的实际预报业务工作中，将通过对比研究多普勒雷达产品与分钟雨量间的关系，融合多种观测资料，不断总结出适合本地的预报指标，从而提高灾害性强对流天气预报的准确率。