云南红河一次冬季大暴雨天气过程分析

韩迁立，叶文群

(红河州气象局，云南，蒙自 661199)

0 引言

孟加拉湾是全球8个热带气旋易发区之一，发生在孟加拉湾海域的热带气旋(下称孟加拉湾风暴)是影响中国的主要灾害天气系统，冬半年(10月至次年5月)孟加拉湾风暴常伴有南支槽存在[1]，南支槽常和孟湾风暴结合并造成低纬高原暴雨(雪)天气[2]。

近年来对孟加拉湾风暴的研究取得了很多有意义的成果。段旭等[3]利用1945～2006年JTWC公布的孟加拉湾风暴资料，对孟加拉湾风暴的活动规律特征进行了统计分析，指出孟加拉湾风暴向偏东方向移动可对缅甸、中南半岛、以及中国西南地区有较大影响，是造成中国西南地区强降水的主要天气系统之一。许美玲等[4]对造成云南19次全省性暴雨的孟加拉湾风暴进行合成分析，发现孟加拉湾风暴造成低纬高原暴雨天气的环流形式大致有3种类型，即横槽切变型(53%)，南支槽型(26%)和西太平洋副高型(21%)。张腾飞等[5]利用卫星云图和多普勒雷达资料对孟加拉湾风暴影响下云南初夏4次连续性强降水天气过程进行了分析，指出孟加拉湾风暴以分裂中尺度对流云团、外围云系以及登陆减弱的本身云团沿西南气流北上影响云南。李英等[6]分析2000～2001年初夏孟湾对流云团的活动特征，认为初夏云南强降水与孟湾对流云团活动有关。许美玲等[7]选取两次秋季强孟加拉湾风暴个例，对其移动路径和影响云南降水进行对方分析表明，孟加拉湾风暴与冷空气相互作用是产生云南强降水的重要机制。

上述研究成果表明，孟湾风暴是影响低纬高原的重要天气系统，但对冬季孟湾风暴造成云南的冬季暴雨天气过程的形成机制的研究还比较少。红河州地处云南南部低纬高原季风气候区，易受孟加拉湾风暴东移影响。因此本文利用NCEP/NCAR再分析资料和常规气象观测资料对2019年1月7～9日孟加拉湾热带风暴“帕布”结合南支槽造成红河州冬季一次罕见大暴雨天气过程的进行分析，以期为孟加拉湾风暴造成低纬高原冬季暴雨天气预报服务提供更多参考依据。

1 资料与方法

本文采用2019年1月7～10日NCEP/NCAR间隔6 h、水平分辨率2.5°×2.5°的37层再分析资料，葵花-8红外卫星云图资料，结合云南省自动气象站观测资料、高空常规气象观测资料，对孟加拉湾热带风暴“帕布”影响云南期间造成红河州暴雨天气过程的大气环流背景、水汽条件、动力条件、大气不稳定层结等进行诊断分析。根据湿位涡方程和计算公式计算了湿位涡，对暴雨产生的不稳定机制进行计算分析。

湿位涡的计算方法依据寿绍文[22]阐述的湿位涡表达式MPV进行计算，湿位涡可以分解为湿正压向(MPV1)和湿斜压向(MPV2)。

MPV=MPV1+MPV2。

(1)

(1)式为位湿位涡的垂直分量(湿正压项)，表示惯性稳定性(ζ+f)和对流稳定性(∂θse/∂p)。

(2)

(2)式为湿位涡的水平分量(湿斜压项)，由风的垂直切变和θse的水平梯度决定。低层MPV1<0、MPV2>0的配置有利于降水的发生发展。

2 降水实况

图1 2019年1月7日08时～9日08时红河州累计降雨量分布图

图2 2019年1月6～8日孟加拉湾风暴的移动路径

2019年1月7～9日，受孟加拉湾热带风暴“帕布”和南支槽共同影响，云南省出现了一次冬季暴雨天气过程，对比分析全省125个大监测站逐12 h累计雨量与风暴移动路径(图2)发现，此次降雨过程是一次孟加拉湾风暴远距离暴雨事件，风暴登录前12 h云南就出现了强降雨天气。1月7日08时，风暴中心位于孟湾中部海域，此时云南南部的普洱、西双版纳开始出现降雨；7日20时，热带低压中心略向西北方向移动，降雨范围扩大至红河、文山；8日08时，热带低压中心快速北上至缅甸西部海域并加强为热带风暴，云南大部地区出现明显降雨，临沧南部、普洱西部、红河南部有暴雨，滇中以南有大雨；8日20时，热带风暴继续东移动并在缅甸西部沿海登陆，云南境内降雨强度明显增强，昆明以南、普洱以东大部地区有暴雨，其它地区有中到大雨；9日08时，热带风暴登陆以后减弱为热带低压然后快速北移至缅北地区并迅速减弱为低气压(中心气压1 009 hPa)，云南大部降雨明显减弱，除南部和东南部地区还有大到暴雨外其他地区已经转为小到中雨；9日20时，滇中及以北地区降雨渐趋结束，滇西及滇南大部转为阵雨(表1)。

此次降雨天气过程是红河州从1951年有气象观测记录以来冬季最强的一次暴雨天气过程。1月7日08时～9日14时红河州平均累计雨量达86.5 mm，全州256个自动气象监测站5站累计雨量超200 mm，111站超100 mm，228站超50 mm，50 mm以下仅有28站。1月8日红河州13县市普降暴雨，金平、屏边、蒙自、元阳、绿春等地有大暴雨，除石屏、建水、河口外其余10个县市日降雨量均突破历史极值，金平县分水岭降雨量达230.9 mm(图1)，强降雨时段主要集中在1月8日14时～20时。

表1 1月7～9日云南省逐12 h中雨以上量级站次

3 大气环流背景

强降雨过程开始前，7日08时，500 hPa高度亚洲中高纬为两槽一脊型，脊前西北气流携带冷空气从新西伯利亚进入亚洲北部，自北向南经蒙古到达中国河套附近并扩散南下，直达长江中下游以南地区；中低纬地区，西太平洋副热带高压势力强大、呈东西向带状分布，高压主体中心位于140°E、15°N附近，中心高度为592 dagpm，588 dagpm特征线向西推进到100°E中南半岛中部，80°E附近

南支槽深厚，850 hPa高度低层冷平流已经到达云南东北部，云南东南部近地面有冷平流(图3a)。海平面气压场上冷高压中心位于贝加尔湖和巴尔喀什湖之间，中心气压为1 072 hPa。与此同时，孟加拉湾热带风暴“帕布”在南海海域中部生成以后在副热带高压外围偏南气流引导下进入到孟加拉湾中部海域(图4a～b)。

强降雨过程期间，8日08时，500 hPa中低纬地区西太平洋副热带高压稳定维持在中南半岛中部；700 hPa南支槽东移至90°E附近并迅速向副高西侧靠近，南支槽向东移过程中与副高外围的西南气流叠加，使得槽脊之间的气压梯度进一步增大，槽前西南气流迅速加强为西南低空急流，中心风速达20 m/s，云南红河正好处于低空急流的左前侧(图3b)，850 hPa冷空气前沿南压到了广西省西部和云南省东南部。云图上孟加拉湾热带风暴“帕布”在缅甸沿海登陆后向西北方向移动。丁一汇[8]通过研究卫星资料分析发现如果孟湾风暴向西北方向移动时，同时遇有西风槽东移，则风暴路径逐渐北转或东北移，并且风暴北部的云系在槽前西南气流的影响下，可向东北伸展很长。南支槽前西南气流把孟湾风暴产生的云和水汽向输送到云南上空，为此次天气过程提供了充沛的水汽供应(图4c～d)。

降雨过程后期，9日08时，西太平洋副热带副高压位置虽然没有明显变化，但700 hPa南支槽已经东移至98°E附近、槽底变浅，低压云系减弱消散，云南大部转为偏西气流控制，水汽输送条件和水汽供应条件减弱消失；与此同时850 hPa冷空气减弱东退，云南东南部和广西北部也转为偏南风控制，4℃等温线从广西北部退到了贵州南部(图略)。随着大尺度影响天气系统的东移和冷空气东退，降雨过程渐趋结束。

图3 1月7日500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)和850 hPa风场(单位：m·s-1)、近地面温度平流(填色，单位：10-4K·s-1)(a)；1月8日500hPa高度场(等值线，单位：dagpm)和700 hPa风场(单位：m·s-1，填色区为风速>12 m·s-1)(b)；(■：云南红河所在位置)Fig.3 500 hPa height field(isoline，unit：dagpm)and 850 hPa wind field(unit：m·s-1)，near-surface temperature advection(shadow，unit：10-4K ·s-1)on January 7(a)；500 hPa height field(isoline，unit：dagpm)and 700 hPa wind field(unit：m·s-1，shadow area：wind speed > 12 m ·s-1)on January 8(b)；(■：location of Honghe Prefecture，Yunnan Province)

图4 1月7日08时(a)20时(b)、1月8日08时(c)20时(d)葵花-8红外云顶亮温卫星云图(北京时)

4 水汽条件和动力条件

低空急流是形成暴雨的重要天气系统，也是中纬度暴雨和强风暴提供水汽和动力的重要机制[9]，可为强降雨区输送热量和水汽[10，11]，也可联合高层急流在强降雨区域创造一个不稳定区域[12]，赵玉春等[13]研究显示，大约75%～80%的暴雨与低空急流有关，何军等[14]研究表明强降水在低空急流到达后产生。本次强降雨过程期间，700 hPa西南低空急流为此次天气过程提供了充沛的水汽供应，云南红河位于200 hPa高度高空急流入口区的右侧高层辐散区，700 hPa低空急流左前侧低层辐合上升运动区，高低空急流的耦合作用为水汽的垂直输送提供了良好的动力抬升条件。

4.1 水汽输送作用

图5给出了1月8日700 hPa孟加拉湾到云南区域水汽通量散度、比湿和1月6～10日云南红河区域(22°N～25°N、101°E～105°E)平均水汽通量和水汽通量散度的时间-高度剖面，从图中可以看出，过程期间低空急流带来的西南暖湿气流为此次天气过程提供了充沛的水汽供应。1月8日强降雨过程当天，700 hPa孟加拉湾到云南区域，有很强的水汽输送，云南区域比湿达12(g·kg-1)，孟加拉湾海域为水汽辐散区、水汽通量散度为8×10-7(g·cm-2·s-1·hPa-1)，红河州为水汽辐合区、水汽通量散度为 -8×10-7(g·cm-2·s-1·hPa-1)，850 hPa水汽通量散度达-18×10-7(g·cm-2·s-1·hPa-1)。1月7日600 hPa以下红河州上空水汽通量逐渐增加到6×10-3(g·cm-1·s-1·hPa-1)，1月8日水汽输送条件进一步增强、水汽层进一步增厚，水汽通量大于6×10-3(g·cm-1·s-1·hPa-1)的区域上升至400 hPa，中心区域600～700 hPa达12×10-3(g·cm-1·s-1·hPa-1)，1月9日以后逐渐减弱；与此同时过程期间500 hPa以下始终维持着较强的水汽通量散度辐合区。

4.2 垂直动力作用

为了说明高低空急流之间的相互作用在此次天气过程中的垂直动力作用，图6a为1月8日，云南区域200 hPa风速等值面和700 hPa风场，从中可以看出，强降水发生当天，红河州处于高空急流入口区右侧，低空急流出口区左前侧。垂直方向上，600～700 hPa有风速达20(m·s-1)的西南低空急流辐合，200～300 hPa有与之对应的高空急流辐散(图6b)。于超、贺靓[14]研究指出高空急流的入口区产生的次级环流能将高空的扰动动能向下传输并进入低空急流入口区辐合使得低空急流增强。从高低空散度场上可以看出，中低层辐合中心

图5 1月8日700 hPa孟加拉湾到云南区域水汽通量散度(填色，单位：10-7g·cm-2·s-1·hPa-1)和水汽通量(矢量，单位：10-3g·cm-1·s-1·hPa-1)(a)；过程期间云南红河区域平均水汽通量(等值线，单位：10-3g·cm-1·s-1·hPa-1)和水汽通量散度时间剖面(填色，单位：10-7g·cm-2·s-1·hPa-1)(b)Fig.5 Water vapor flux divergence(shadow，unit：10-7g·cm-2·s-1·hPa-1)and water vapor flux(vectors，unit：10-3g·cm-1·s-1·hPa-1)from Bay of Bengal to Yunnan，700 hPa，Jan.8(a)；the time profile of the average water vapor flux(isoline，unit：10-3g·cm-1·s-1·hPa-1)and water vapor flux divergence(shadow，unit：10-7g·cm-2·s-1·hPa-1)in Honghe prefecture of Yunnan Province during the process(b)

图6 1月8日08时200 hPa风速(填色，单位：m·s-1)和700 hpa风场(矢量，单位：m·s-1)(a)；红河州区域(101～105°E，21～25°N)风场(矢量，单位：m·s-1)、散度场(填色，单位：10-6 s-1)和垂直速度时间垂直剖面(等值线，单位：Pa·s-1)(b)Fig.6 200 hPa wind speed(shadow，unit：m·s-1)and 700 hPa wind field(vectors，unit：m·s-1)on 8 January 8：00BT(a)；Honghe prefecture reginon(101～105°E，21～25°N)wind field(vectors，unit：m·s-1)divergencefield(shadow，unit：10-6 s-1)and vertical velocity time vertical profile(isoline，unit：Pa·s-1)(b)

强度达到-20×10-6s-1、高层辐散中心强度为35×10-6s-1，高层辐散、低层辐合的垂直结构，有利于在中低层大气中产生较强的垂直上升运动，垂直速度达到-0.2～-0.6( Pa·s-1)。由水汽凝结函数[15]可知，降水效率与大气垂直上升运动速度成正比。因此，200 hPa高空急流和700 hPa低空急流的配置结构，为此次强降雨过程的发生发展和维持提供了良好的动力抬升机制。

5 冷空气和不稳定层结分析

强降水的产生和发展常常与冷暖空气的相互作用有关，姚秀萍、于玉斌[16]研究指出干冷空气的侵入有利于干层的形成和维持，干层的存在加强了暴雨过程的对流性不稳定，对暴雨的加强和发展起重要作用。图7a给出了1月8日14时降水中心的温度场、风场和垂直速度的纬向垂直剖面，从中可以看出强降雨过程期间，红河州位于暖脊前侧，低层偏东风冷空气进入云南红河以后受地形影响在山前迎风坡一侧形成冷垫堆积，700 hPa西南低空急流带来的暖湿气流在向东北方向移动的过程中受低层冷空气和地形的强迫抬升作用，形成了很强的辐合上升运动，垂直速度达到-0.3～-0.8(Pa·s-1)。

李英、段旭[17]分析倾斜涡度的发展与云南冬季强降水的相互关系发现：倾斜涡度发展和条件性对称不稳定是形成强降水的重要因子，大气的弱位势稳定和强斜压性有利于云南冬季强降水的发生。假相当位温θse是表征大气温度、压力、湿度的综合特征量[20，21]，θse面的倾斜大气水平风切变或湿斜压性的增强能够导致垂直涡度发展，倾斜越大气旋性涡度越强，越容易造成强对流天气发展[18-19]。

从云南红河上空假相当位温和涡度的垂直剖面上(图7b)可以看出，北纬22°N以南700 hPa以下中低层大气中有一条倾斜上升的θse高能舌区，表明来自孟加拉湾海域的西南暖湿气流向东北方向沿地形爬升的过程中，与从滇东北方向进入云南的冷空气在红河上空相遇，使锋面随高度向冷空气一侧倾斜，并伴有垂直涡度的发展，满足倾斜位涡的形成条件。垂直方向上北纬20°N以北，低层干冷、高层暖湿，大气层结对流不稳定，但在红河上空，假相当位温θse并没有随高度明显减弱，大气处于弱的层结稳定状态。Bennetts等[22]指出，湿位涡MPV<0是大气发生对称不稳定(CSI)的充要条件，MPV在等压面上的水平分布状况可以反映出CSI的区域和强弱。图8给出了此次天气过程期间，云南区域500 hPa高空MPV的空间分布，从中可以看出过程开始，1月7日晚上云南大部区域MPV<0，满足CSI判据。

寿绍文[23]研究指出高位涡区引起正环流，其下方静力稳定度减小，向前移动的高位涡对它下层大气、像个“吸尘器”、吸进前沿处空气向上运动并向后缘挤压产生下沉运动。1月8日14时暴雨过程期间，随着南支槽前西南气流输送而来的孟湾风暴带来的暖湿气流的到来，MPV负值中心快速向西北方向移动到了云南西北部，滇东南地区则转为受MPV正值区影响(图8)。南支槽前西南低空急流带来的孟加拉湾暖湿气流在向东北方向移动的过程中，受到了高位涡区的抽吸作用，迫使其沿地形爬升并在低层冷空气的强迫作用下做倾斜上升运动，对称不稳定能量得到释放，促使倾斜对流发生发展。

因此，地形抬升作用和对称不稳定是造成此次冬季暴雨天气过程的触发机制。

图7 1月8日14时(北京时)降水中心的温度场(实线，单位：℃)、风场(矢量，单位：m·s-1)、垂直速度(虚线，单位：Pa·s-1)纬向(22.5°N)垂直剖面(a)；θse(阴影，单位：K)和涡度(等值线，单位：10-5 s-1)经向(103°E)垂直剖面(b)；(■：云南红河所在位置)Fig.7 Temperature field(solid line，unit：℃)，wind field(vector，unit：m·s-1)，vertical velocity(dashed line，unit：Pa·s-1)and zonal vertical section at 22.5°N(a)；θse(shadow，unit：K，shadow area：<-0.6)and vorticity(isoline，unit：10-5 s-1)meridional vertical section at 103°E(b)；along the precipitation center，Jan 8 at 14：00(BT)(■：Honghe Prefecture，Yunnan Province)

图8 暴雨开始前 1月7日20时(a)，暴雨期间1月8日14时(b)云南区MPV空间分布(填色，单位：1PVU=10-7 m2·s-1·k·kg)

6 结论

通过对2019年1月7～9日孟加拉湾热带风暴“帕布”结合南支槽，造成云南红河暴雨天气过程进行诊断分析，得出以下主要结论。

(1)此次降雨过程是一次由孟加拉湾风暴远距离影响造成的冬季大暴雨天气事件，风暴登录前12h云南就出现了强降雨天气。冬季孟加拉热带湾风暴向西北方向移动时，遇有南支西风槽东移，风暴北部的云系在槽前西南气流的影响下可向东北伸展很长，南支槽前西南气流能把风暴产生的云和水汽向输送到云南红河上空，并造成冬季暴雨天气。

(2)强降雨过程期间，云南红河位于200hPa高度高空急流入口区的右侧，700 hPa低空急流左前侧，高空急流的入口区产生的次级环流能将高空的扰动动能向下传输并进入低空急流入口区辐合使得低空急流增强，低层辐合、高层辐散的垂直结构有利于在中低层大气中产生较强的垂直上升运动，700 hPa以下的西南低空急流为此次天气过程提供了充沛的水汽供应。

(3)来自孟加拉湾海域的西南暖湿气流向东北方向沿地形爬升的过程中，与从滇东北方向进入云南的冷空气在红河上空相遇，受低层冷空气的强迫作用和云贵高原的地形抬升作用影响，使锋面随高度向冷空气一侧做倾斜上升运动并伴有垂直涡度的发展，对称不稳定能量得到释放，促使倾斜对流发生发展。地形抬升作用和对称不稳定条件是造成此次冬季暴雨天气过程的触发机制。