一次低纬高原暖区暴雨对流系统演变及边界层触发

第36卷第2期2021年4月
Vol.36No.2
Apr.2021灾害学
JOURNAL OF CATASTROPHOLOGY
梁红丽，许美玲，何锤，等.一次低纬高原暖区暴雨对流系统演变及边界层触发[J].灾害学，2021,36(2)：104-112. [LIANG Hongli,XU Meiling,HE Yu,et al.Convective Systems Evolution and Boundary Layer Trigger during a Warm Sector Rain­storm over Low Latitude Plateau[J].Journal of Catastrophology,2021,36(2)：104-112.doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2021.02.01&]
一次低纬高原暖区暴雨对流系统演变及边界层触发”
梁红丽1,许美玲1,何饪1,段玮2,连钮1
(1.云南省气象台，云南昆明650034； 2.云南省气象科学研究所，云南昆明650034)
摘要：利用高空和地面区域站、FY2G卫星TBB、昆明C波段多普勒雷达、闪电观测资料和NCEP/NCAR1。

x 1°再分析资料，分析了2017年7月12-13日云南副高外围暖区暴雨对流系统演变特征及边界层触发成因。

结果表明，滇东中部和滇中中部暴雨，12日08：00以锋面降水为主，14：00后以暖区降水为主；环境场具有弱垂直风切变，湿层深厚，暖云厚度大，抬升凝结高度低等特征，利于降水持续及强降水触发，但昆明对流有效位能111.6-217.3J/kg,暴雨对流性较弱；降水具有低质心对流结构，属于暖云性质，降水粒子以液态为主，伴有稀疏负闪；暴雨中心降水有3次波动，其中白邑初始对流的产生，是由于其西北侧山脉附近对流降水形成冷池,山脚地形性辐合线加强南移，此后在深厚偏南气流引导下，不断有25~30dbz回波以1~5.1m/s的速度经过白邑，形成列车效应，加之冷池作用下，地面辐合线再次加强影响白邑，形成午后降水峰值，夜间降水峰值的形成仅与偏南气流脉动有关，而格里三次降水波动，均是偏南气流脉动下形成列车效应，加之地面伴有中尺度气旋活动。

关键词：低纬高原；暖区暴雨；边界层触发；列车效应；冷池；云南
中图分类号：P642；X43；X915.5文献标志码：A文章编号：1000-811X(2021)02-0104-09
doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2021.02.018
暖区暴雨由于其天气尺度斜压性强迫不明显,环境大气水汽含量丰富，热动力不稳定性强，边界层触发机制复杂，以及特殊的地形和海陆热力差异的外强迫作用，导致暴雨突发性强，是困扰预报业务人员的难点问题。

其最早由黄士松⑷针
对华南前汛期提出。

近年来国内很多气象工作者开展了暖区暴雨研究，如何立富等⑵回顾了华南
前汛期暴雨研究成果，总结了边界层辐合线型、偏南风风速辐合型、强西南急流型3类华南暖区暴雨。

汪玲瑶等⑶将江南暖区暴雨分为暖切变型、冷锋锋前型、副热带高压型和强西南急流型，指出4类降水的日变化特征有差异。

陈明等⑷将长
江中下游地区暖区暴雨划分为冷锋前暖区型、暖切变暖区型以及副热带高压边缘暖区型。

田付友等⑸、傅佩玲等⑷、伍志方等⑺针对2017年5月7日广州暖区极端强降水，从中尺度系统结构、微物理特征、触发维持机制和可预报性等方面进行了研究。

王坚红等囲对华南沿海暖区辐合线暴雨
地形的动力机制模拟研究表明，地形的阻挡和摩擦促使低层辐合气流抬升触发强降水，降水释放凝结潜热，又加强系统的上升运动和暖心结构强度，进而增强暴雨。

覃丽等⑼的研究表明，较大的螺旋度可能是华南暖区暴雨及中尺度系统发生发展的一种重要机制。

赵玉春等［创指出，华南暖区暴雨高层辐散比中低层辐合更为重要，而且同时期暖区暴雨高层辐散明显强于锋面暴雨，凝结潜热释放对大气的加热可能是暖区暴雨高层强辐散的原因。

徐垢等⑴］的分析表明，低层垂宜风切变和超低空急流在黄淮一次暖区大暴雨的对流触发和维持中起重要作用，回波有后向传播特征。

周明飞等［⑵指出，贵州初夏暖区暴雨形成时，地面为热低压，地面辐合线触发暖区暴雨。

上述研究丰富了对华南、华东等地暖区暴雨的认识。

云南地处低纬高原，是否也存在暖区降水，目前还没有类似的研究。

2017年7月12-13日云南出现暴雨，高低层均为暖温度脊，没有明显冷空气作用，这是否是暖区降水？或者高原地区地形复杂，这仅只是浅薄次天气尺度系统的活动，其边界层触发机制是什么？以下利用高空和地面区域站、FY2G卫星TBB、昆明C波段多普勒雷达和闪电观测资料、NCEP/NCAR1。

x1。

再分析资料，对此次暴雨天气中对流系统演变特征进行分析，探讨可能的触发和持续机制。

1降水概况
2017年7月12H08：00至13008：00滇东中部、滇中及滇西南出现大到暴雨。

乡镇站大雨
*收稿日期：2020-10-19修回日期：2020-12-25
基金项目：国家自然科学基金(41665004)；国家自然科学基金重点项目(41930972)；中国气象局预报员专项(CMAYBY2018-070)第一作者简介：梁红丽(1973-),女，汉族，云南曲靖人，正研级高级工程师，主要从事灾害性天气研究.E-mail：***************通讯作者：许美玲(1963-),女，汉族，湖南衡阳人，正研级高级工程师，主要从事天气预报方法和技术研究.
E-mail：xm!43@
2期槃红丽，等：一次低纬高原暖区暴雨对流系统演变及边界层触发105
593站（占19.59%）,暴雨166站（占5.48%）,累积降水量超过90mm站点为：景洪东风一区97.4马龙格里96.4mm、景洪蔓宛洼95.3 nnn（图la）。

滇东中部、滇中暴雨区相对集中，滇东中部暴雨中心格里12H08：00至13日08：00小时降水时间演变（图lb）显示，降水分别在12日08：00至14：00、12日15：00至13日00：00、13H01：00至06：00出现3次波动，峰值时间分别为：12日10：00的7.4mm和16：00的15.3 mm、13002：00的16.6mm；董中申部暴雨中心（昆明白邑24h累计降水量79.0mm）小时降水演变与此类似，峰值时间分别为：12H11：00的6.5mm和16：00的10.0mm、13日03：00和05：00的11.0mm,小时雨强弱于格里，且峰值出现时间略滞后于格里。

此外值得注意的是，暴雨中心小时雨强在第一阶段均较弱，第二、三阶段相对较强，是否与不同性质的降水有关？全球及中尺度数值模式均对滇东中部、滇中暴雨漏报（图略），是什么原因造成这一带的强降水？以下 对此进行分析。

2环流形势和环境条件
12日20：00的500hPa和TOOhPa（图2a,图2b）, 云南为暖温度脊控制，08：00位于103・E附近的副高西脊点西伸，控制滇东南，云南中东部、滇南中低层均受副高外围偏南气流影响，昆明低层风速由08：00的4m/s增强至6m/s,露点由9弋增加为10七；地面图上（图2c）云南处于海洋暖性高压的西部边缘。

进一步地，结合近地面层700hPa凤场和仇分布（图3）可以明显看到，12日08：00（图3a）切变位于滇东北，云南北部有NE-SW走向氐密集带，经向梯度-6~-2x10-5K/m,有锋区存在；12 014：00以后（图3b至图3e）,南部暖湿气流加强，锋区减弱北抬，暴雨区处于锋区南侧除稀疏
的暖区中。

因此滇东中部和滇中中部暴雨降水性质可分为两个阶段：12日08：00以锋面降水为主；12日14：00后以暖区降水为主，与锋面降水相比，暖区降水小时雨强相对更强。

12H08：00探空显示（图4a）,昆明中高层为偏南或偏西风，700hPa有偏东气流存在，0~6km 垂直风切变5.31m/s,昆明周边大气具有弱不稳定能量，对流有效位能111-6J/kg,500hPa以下为湿区，700hPa比湿10.2g/kg,中高层有干区存在，0花层高度5.073km；12日20：00（图4b）探空分布特征与08：00相比有了变化，地面露点从15.5%：升至16.6%：,700hPa由东南风转为西南风，且风速增加至6m/s,500~400hPa偏南风增强至8m/s,中高层的干区消失，地面到300hPa温度露点均较小，0~6km垂直风切变5.39m/s,0弋层高度有所抬高为5.29km,随着气流和温湿层结的变化，抬升凝结高度从798hPa下降至795.4hPa,对流有效位能略增加为217.3J/k go此外由探空资料计算的昆明大气可降水量，由12008：0033.8mm 增大到20：0036.8mm。

据TIAN等［⑶统计，大气中可降水畫达到28mm,接近我国^20mm/h短时强降水天气发生的必要条件，60mm则接近充分条件。

此次降水过程，对流有效位能不高，不利于对流性降水产生；再者，弱环境垂直风切变，湿层深厚，暖云厚度大，抬升凝结高度低，这些变化只是表明大尺度环境越来越利于降水持续、以及强降水触发，但强降水能否以及在何时何地出现，还取决于碱能否得到触发。

心）区威自动站累讣降水虽（阴谄.地形爲度.单位：m）
图12017年7月12日08：日08：00云南降水（单位：mm）
（a）5（M）hPa高度场（黑线,单位：dagpm）、温度线（红色.单位：r）和风场（单位：皿）（b）7（）0hPa高度场（黑线,单位：dagpm）、
温度线（红色.单位；f）.K场（血位：
m/Q,温度（红字）和露点（黑字）
（c）海平面气压场（单位：hPa）图22017年7月12日20：00
各层要素
106灾害学36卷
(a)12日08：M(b)12H14：00(c)12H2O：00
图32017年7月12H08：00至13008：00的700kPa凤场（单位：m/s）x假相当位温（线，单位：K）和假相当位温经向梯度
（阴影，单位：10,⑹血和暴雨站点分布（点）
图4昆明探空
3对流系统演变
本部分综合应用FY2G卫星TBB0.1。

资料、逐6mhi昆明C波段多普勒雷达和闪电观测资料对滇
东中部、滇中暴雨对流系统演变过程进行分析。

FY2G红外通道相当黑体亮温（TBB）演变表明（图5）,12008：00至11：00（图5a至图5d）西南季风活跌，滇西南有对流云团发展，滇东北有E -W向分散对流云带，结构松散，与减弱中的切变云系相对应；12：00-14：00（图5e至图5g）滇西南对流云强度增强，-52弋对流云团面积扩大且东北移，昆明中部、曲靖中部对流云团发展,中心强度-42弋；15：00（图5h）昆明、曲靖对流云团合并，中心强度-52*,降水随后达到峰值（图lb）；16：00（图5i）滇西南对流云系在移近昆明西南侧时，前端有0中尺度对流云团发展，强度-62弋；17：00（图5j）该中尺度对流云团与昆明、曲靖云团合并，中心增强至-62弋；18：00（图5k）昆明-62乞云区面积缩小，曲靖-62弋云区面积有所扩大；19：00-21：00（图51至图5n）滇西南、昆明、曲靖对流云逐渐减弱；22：00-
23：00（图5o,图5p）,昆明对流云减弱消失，曲靖对流云强度减弱；13000：00以后（图5q,图
5r）临沧和普洱交界处对流云团发展东北移；02：00-05：00（图5s至图5v）昆明、曲靖对流云团发展，中心强度-52弋，降水再次增强（图lb）；06：00以后（图5w,图5x）对流云团强度减弱。

因此12日午后及13日凌晨，滇中、滇东中部2次降水峰值的出现，均与西南季风引导下，滇西南对流云团移向滇中有关。

那么，为什么对流会在此处发展增强？触发机制是什么
？
2期梁红丽，等：一次低纬高原暖区暴雨对流系统演变及边界层触发107
(a)12HO8： 00 (h) I2H<>O ： (Ml (C) 12HI0：(M> (d) 12日 ll ； 00
⑴ 12日 16： 00 (J) I2H17: (HI (k) I2HIK ： (H) (1)12日 19： 00
(m) 12^20： 00(n) 12H21： (M)
(o) 12H22： 00
------------------------------------- xn
(p) 12日23： 0(J
MH]
(r) (M>(t) 13日03： 00
(q) 0()
----------------------------------- JOTI
(s) 13日02：(M)
tort 1orc ion ion
GO 13日04； 00(v) 13 日05： <K)
tort ion 'o«t iort (w) 13日06； 00
(x) 13007； 00
图5 2017年7月12日08： 00至13日07： OOTBB 云图（阴影W -32,单位:花）
108灾害学36卷
MW l»W4»l-«IV3X4in*V4»U3l«VI>»»I4fVQ14V*109349>V»•-«■«IV»U
（町2017年7月12日 14；56至lh；50
图6昆明VWP（单位：m/s）
（3）121115：02
（c）13HO2:18
图72017年7月12至13日昆明多普勒雷达1.5。

仰角反射率因子（单位：dbz）
2期槃红丽，等：一次低纬高原暖区暴雨对流系统演变及边界层触发109
TBB 演变表明，12日16： 00前后、13日02：
00 - 05 ： 00昆明中部和曲靖中部对流云曾两次发
展。

由强降水时段昆明雷达VWP （图6a ）可见， 14： 56-16： 14昆明风随高度顺转，整层暖平流, 暖湿气疣深厚，利于强降水的发生；16： 20以后 2. 7-3. 4 km 逐渐转为西南风，低层风向随高度略 逆转，暖平流的厚度与前期相比略变薄，强降水 减弱。

进一步地，昆明匕5。

仰角基本反射率因子 （图7a,图7b ）和径向速度（图8a ）表明，12日15： 02滇中至滇东中部回波呈SW-NE 走向，白邑西 南侧有40 dbz 对流回波（图7a ）以1 ~5.1 m/s 的速 度移向白邑（图8a ）； 15： 20影响白邑（图7b ）, 30 dbz 垂直高度3.6 km （图8b ）,质心低，零度层高 度4.6 km,降水属于暖云性质，降水粒子相态以液 态为主，伴有稀疏负闪（图8T ）,说明系统对流性很 弱；此后不断有25 ~30 dbz 回波以1 ~5.1 m/s 的速 度经过白邑（图略），形成降水次峰值。

在此期间, 格里南侧不断有回波以1 ~5.1 m/s 的速度北移，中 心强度20-30 dbz （图略），有稀疏负闪伴随（图 8d ）,格里出现降水次峰值，强度弱于白邑。

此外值 得注意的是，强降水时段，0.5。

仰角径向速度图上 昆明中部（图9a ）、曲靖中部（图9b ）有逆风区存在, 说明低层有辐合。

因此在深厚偏南风引导下，对流 云团反复经过低层辐合区，是昆明中部和曲靖中部 降水次峰值形成的主要成因，但由于单体强度不强 且移速慢，暴雨区降水持续时间长、但小时雨强 不强。

16： 20以后滇中近地面层西南风增强（图 6a ）,对流云团移速加快，强降水减弱。

那么季风云团东北移过程中，昆明中部、曲 靖中部低层辐合，进而激发8中尺度对流云团，成 因是什么？是值得进一步关注的问题。

13日02： 00 - 05 ： 00昆明中部和曲靖中部对 流再次发展，昆明雷达VWP （图6b ）显示，强降水 期间整层为西南风，有暖平流，其中01： 31 -01： 37地面到3. 0 km 凤速由6 m/s 增强为8 m/s, 01: 43 3.4 ~3.7 km 风速增强至8 m/s 且维持到02： 01, 02： 07以后2.4 ~ 2. 7 km 近地面层风速增强 至10 m/s, 02： 31以后3. 0-4.9 km 风速也增强 至 10 m/s, 03： 43 -04： 31 减弱为8 m/s, 04： 37 近地面风速再次增强为10 m/s 。

即13日凌晨强降 水期间，对流层中低层不同高度有偏南风脉动, 且10 m/s 风的厚度和持续时间均强于12日下午, 白邑、格里出现降水峰值（图lb ）。

此外值得注意 的是，白邑降水峰值出现在03： 00（图lb ）,即西 南风厚度最大和持续时间最长阶段；而格里降水 峰值却出现在02： 00（图lb ）,即低层风速增强且 厚度增厚阶段，原因是什么？昆明1.5。

仰角基本 反射率因子（图7c,图7d ）和径向速度（图8c ）显 示，降水峰值出现时，白邑、格里西南侧不断有 35 dbz 对流回波以1 ~ 5.1 m/s 速度移动，其中格 里附近有逆风区存在；0.5。

仰角径向速度（图9）, 强降水时段昆明中部（图9c ）、曲靖中部（图9町有 逆风区，03： 00以后经过格里回波减弱为10-15 dbz,降水回落。

因此13日凌晨昆明中部和曲靖中 部降水峰值成因与12日下午类似，但格里低层辐 合的垂直厚度相对更深厚，降水峰值强于白邑。

(c)13H<)2： 18(d) 12日 15： 00至17： 0()
图8 2017年7月12-13 0昆明多普勒雷达1.5。

仰角基本速度（单位：m/s ）和反射率因子垂直剖面图
（单位：dbz ）,
闵电分布
110灾害学36卷图92017年7月12至13日昆明多普勒雷达0.5。

仰角基本速度（单位：m/s）
4边界层的触发
高原地区地形复杂，地形分布（图io）显示,
白邑强降水中心北侧为南北向山脉，海拔高度2.0 -2.5km,其东南侧为近南北向谷地，海拔高度1.7-2.0km,格里强降水中心周围地形高度变化相对较平缓，海拔高度2.0-2.1km。

在这样的地
形分布特征下，强降水中心对流触发和维持成因
如何？以下结合区域自动站气温、国家站露点、FY2G卫星TBB资料，对此进行探讨。

图102017年7月12008：00至13日08：00云南区域自动站累计降水量（阴懸和线，地形高度，单位：m,■:白邑，•：格里）强降水中心逐小时降水演变（图lb）显示，白邑降水出现3次波动，峰值时间分别为：12日11：00的6.5mm、12日16：00的10.0mm、13日03：00和05：00的11.0mm。

12日08；00-09：00（图Ila,图lib）白邑东北侧山脉附近由于辐射降温,气温低于周边，山脚沿山一带均为东北风，白邑一
侧地势相对较高为偏南风，其东南侧气流更为暖湿,山脚附近有较密集的温度梯度，形成地形性辐合线; 10：00（图11C）山脉西侧有-32花对流发展并向东移；11：00（图1"）对流移至山脉，中心强度增至-42%：,对流降水使白邑西北侧形成冷池，出现15.5戏冷中心，16T线范围与10：00相比明显向东南扩，白邑附近转为偏北风，辐合线略南压，对流增强，形成第一次降水峰值（图lb）；12：00-14：00（图lie,图Ilf）白邑东南侧暖湿气流增强,白邑测站转为东南风和西南风，辐合线略北抬，降水减弱；15：00（图llg）山脉附近的降水使白邑北侧出现15七的冷中心，在冷池作用下17.53C线明显南移，白邑附近转为偏北风，辐合线南压，降水再次增强，随后出现第二次降水峰值（图⑹；17：00白邑南侧暖湿气流向北推进，白邑转为偏东风,辐合区北移（图llh）,降水减弱（图lb）；第三次降水峰值则是由于白邑南侧暖湿气流向北推进,偏南风持续影响白邑（图lli至图111）。

因此白邑前两次降水峰值的出现，主要是由于对流降水在白邑西北侧形成冷池，山脚地形性辐合线加强南移，辐合增强，降水增强；第三次降水峰值形成则与偏南暖湿气流的北推有关。

而格里三次降水波动期间均有对流由南向北推进，其中12日11：00和17：00、13日05：00有中尺度气旋活动。

2期梁红丽，等：一次低纬高原暖区暴雨对流系统演变及边界层触发111
(a)12日08：00(b)12H09：0()(c)12H10：0()
(d)12日11：00
(j)13日()3：0()(k)13日04:00(1)13日05：()0
图11地面温度（红线，单位:t）、露点（绿字，单位:t）和TBB（绿线，W-32,单位:t）
（阴影，地形高度，■:白邑，•：格里，黄色箭头所指位置）
5结论
运用多种观测资料，对2017年7月12H08：00至13日08：00云南副高外围暖区暴雨天气特征、环流背景、对流系统演变及边界层触发维持成因进行分析，得到如下结论：
（1）滇东中部和滇中中部暴雨降水性质可分为两个阶段：12日08：00以锋面降水为主，12日14：00后以暖区降水为主，与锋面降水相比，暖区降水小时雨强相对更强。

（2）环境场具有弱垂直风切变，湿层深厚，暖云厚度大，抬升凝结高度低等特征，利于降水持续以及强降水触发，但昆明对流有效位能111.6-217.3J/kg,不稳定能量弱，暴雨的对流性较弱。

降水具有低质心对流结构，属于暖云性质，云团中的降水粒子以液态为主，伴有稀疏负闪。

（3）白邑、格里强降水中心，降水有三次波动。

其中对流降水在白邑西北侧形成冷池，使山脚地形性辐合线加强南移，辐合增强，初始对流产生；午后降水峰值的出现，则是深厚偏南气流引导下，对流云团反复经过暴雨区形成列车效应,加之冷池作用下，地面辐合线再次加强影响白邑；夜间降水峰值的形成仅与偏南暖湿气流北推有关。

而格里三次降水波动的出现，均是偏南风脉动下列车效应，加之地面有中尺度气旋活动。

112灾害学36卷
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Convective Systems Evolution and Boundary Layer Trigger During
a Warm Sector Rainstorm over Low Latitude Plateau
LIANG Hongli1,XU Meiling1,HE Yu1,DUAN Wei2and LIAN Yu1
(1.Yunnan Meteorological Observatory,Kunming650034,China；
2.Meteorological Science Institute of Yunnan,Kunming650034,China)
Abstract:Based on upper air and surface regional automatic station observational data,the blackbody tem­perature of FY2G satellite infrared images,C wave band Doppler radar in Kunming and lightning sounding data, NCEP/NCAR1°x1°reanalysis data,the evolution characteristics of convective systems and trigger causes of boundary layer during a Yunnan warm sector rainstorm at the edge of subtropical high pressure that occurred in12 to13July2017are analyzed.The results showed that the rainstorm in the central eastern and central Yunnan is main front precipitation at08:00BT12and warm sector precipitation after14:00BT.Environment field has these characteristics,such as weak vertical wind shear,deep wet layer,large thickness of warm cloud,low lifting condensation level,which favoured the duration and maintenance of precipitation.However,convective available potential energy over Kunming is from111.6to217.3J/kg,convection of this warm sector rainstorm is weak.Pre­cipitation has low centroid convective structure,belonged to warm cloud property.The phase state of precipitation particles in cloud cluster was main liquid and accompanied with sparse negative lightning.Centers of rainstorm had 3times fluctuation,among them,the generation of initial convections in Baiyi is due to convective precipitation forming cold pool nearby mountains on the northwest side of Baiyi,topography convergence line along foothill belt strengthened and effected Baiyi.Thereafter,with the guide of deep south airflow,there is25-30dbz echoes by1 -5.1m/s velocity continuously passing by Baiyi,formed train effect,together with the role of cold pool,surface convergence line strengthened and effected Baiyi once again,which formed precipitation peak in the afternoon.The formation of precipitation peak at night only related to pulsation of south airflow.Cubic fluctuation of precipitation in Geli related to pulsation of south airflow forming train effect,together with activity of mesoscale cyclone on the surface.
Key words:low latitude plateau；warm sector rainstorm；boundary layer trigger；train effect；cold pool；Yunnan。