馬文倩，李耀孫，陳小華，馬志敏，牛法寶**

(1.云南省氣象臺，云南 昆明 650034；2.中國氣象局橫斷山區(qū)（低緯高原）災(zāi)害性天氣研究中心，云南 昆明 650034)

低渦是位于對流層中低層的氣旋性小渦旋，其降水具有范圍小、突發(fā)性強(qiáng)和雨強(qiáng)大等特點，常引發(fā)城市內(nèi)澇、山洪和滑坡泥石流等災(zāi)害，且模式對其預(yù)報能力較差[1-2]，故低渦及其降水歷來受到較高的關(guān)注[3-7].已有研究關(guān)注了低渦的環(huán)境流場、移動、發(fā)生發(fā)展機(jī)制等特征.低渦的形成受大尺度環(huán)流背景影響，如高原低渦的形成就受到低層大氣環(huán)流場、高原南側(cè)反氣旋等的影響[8].西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱西太副高）對低渦的移動有影響，郁淑華等[9]研究了移出青藏高原后持續(xù)2天以上，且在河套地區(qū)打轉(zhuǎn)的高原低渦環(huán)境場，結(jié)果顯示，西太副高北抬會使高原低渦持續(xù)處在相對較弱的切變環(huán)境場中，進(jìn)而造成高原低渦在河套地區(qū)打轉(zhuǎn)，形成異常路徑.此外，西太副高還會影響低渦暴雨的落區(qū).孫興池等[10]對山東兩次低渦和西太副高共同影響下的暴雨落區(qū)分析后發(fā)現(xiàn)，暴雨落區(qū)和低渦的位置及路徑并不一致，強(qiáng)調(diào)考慮暴雨落區(qū)時，應(yīng)對影響系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)、發(fā)展階段及地面形勢的演變特征進(jìn)行綜合分析.王沛東等[11]利用數(shù)值模式研究了秦巴山區(qū)地形對一次西南渦大暴雨的影響，指出地形對低渦有阻擋作用，同時降水激發(fā)的次級環(huán)流在迎風(fēng)坡形成一個局地垂直環(huán)流圈，該次級環(huán)流會對低渦與切變線的相互作用以及暴雨過程演變產(chǎn)生影響.上述研究表明，低渦的形成受到大尺度環(huán)流背景影響，不同低渦在移動、結(jié)構(gòu)及降水落區(qū)等方面存在差異.此外，除上述西南渦、高原渦等常造成大范圍強(qiáng)降水的低渦外，局地低渦及其降水近年來也受到了關(guān)注，且局地低渦與西南渦、鋒面氣旋等在形成機(jī)制、降水落區(qū)和強(qiáng)度等方面有著明顯差異[12-13].

云南地處低緯高原，山脈眾多、河流縱橫，且受局地復(fù)雜地形影響，低渦在云南的發(fā)生發(fā)展過程更加復(fù)雜，其造成的降水落區(qū)及雨強(qiáng)特征多變，預(yù)報難度大.孟加拉灣風(fēng)暴向東北方向移動登陸后減弱形成的低渦[14]、西行熱帶氣旋進(jìn)入云南后減弱形成的低渦[15]以及西南渦南移進(jìn)入云南形成的低渦[16]是常見的影響云南的幾類低渦，長期以來已有研究對上述幾類低渦進(jìn)行了關(guān)注.除上述幾種生成形勢，云南夏半年還有一種較少見的低渦生成過程，即兩高壓輻合區(qū)（以下簡稱兩高輻合）背景下低渦的形成.影響云南的兩高輻合是指500 hPa上云南境內(nèi)出現(xiàn)2個反氣旋環(huán)流（滇緬高壓或青藏高壓與西太副高）之間的輻合區(qū)[17]（有時西太副高斷裂，導(dǎo)致云南以東有高壓影響，也可能是該高壓與滇緬高壓或青藏高壓形成的輻合區(qū)）.目前，兩高輻合中形成的低渦，受到的關(guān)注較少.根據(jù)許美玲等[17]對1980-2008年夏半年云南兩高輻合的統(tǒng)計，云南夏半年兩高輻合出現(xiàn)的平均次數(shù)為11.21次，每一次過程維持時間不同，平均為2.2 d.段旭等[18]指出，并不是所有兩高輻合都能造成云南暴雨，當(dāng)輻合區(qū)中形成低渦，常能造成強(qiáng)降水過程.因此，當(dāng)云南出現(xiàn)兩高輻合，輻合區(qū)有低渦發(fā)生發(fā)展，此形勢下強(qiáng)降水落區(qū)及其伴隨的動力、熱力因子等特征，值得深入研究.

2018年8月2日20時至4日20時、2019年9月9日08時至11日08時以及2020年7月1日08時至3日08時，云南發(fā)生兩高輻合背景下低渦連續(xù)性強(qiáng)降水過程.本文針對上述3個個例進(jìn)行對比分析，研究其在降水、動熱力因子及水汽輻合等方面的相似性，也對其間存在差異性及原因進(jìn)行探討，以期對云南兩高輻合區(qū)低渦降水過程中上述特征有更好的認(rèn)識，進(jìn)而為業(yè)務(wù)實踐中此類強(qiáng)天氣的預(yù)報和監(jiān)測預(yù)警提供指導(dǎo).

1 數(shù)據(jù)

本文所用降水?dāng)?shù)據(jù)為云南省125個國家氣象站和3 400個區(qū)域氣象站2018年8月、2019年9月及2020年7月逐6 h、逐24 h（20時至20時或08時至08時）降水量及短時強(qiáng)降水（小時降水量≥20 mm，以下簡稱短強(qiáng)）.

再分析資料來自歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts）第五代大氣（ERA5）[19]資料，包括2018年8月、2019年9月及2020年7月不同氣壓層上逐小時位勢高度、水平風(fēng)場、垂直速度、相對濕度、溫度及比濕；1991-2020年逐小時500 hPa位勢高度；數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°.地形高度數(shù)據(jù)為美國地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey，USGS）提供的全球高程數(shù)據(jù)GTOPO30，空間分辨率約為0.05°×0.05°.本文基于Bolton[20]推導(dǎo)的公式計算假相當(dāng)位溫（ θse）.

2 降水實況

圖1（a1）～（c2）為云南省2018年8月2日20時至4日20時、2019年9月9日08時至11日08時和2020年7月1日08時至3日08時國家站和區(qū)域站逐24 h降水量（以下簡稱2018年8月2日20時至3日20時為2018D1，3日20時至4日20時為2018D2；2019年9月9日08時至10日08時為2019D1，10日08時至11日08時為2019D2；2020年7月1日08時至2日08時為2020D1，7月2日08時至3日08為2020D2）.由圖1可知，3個個例中云南出現(xiàn)連續(xù)性強(qiáng)降水，降水分布特征既存在相似性，也存在一定的差異.降水分布特征的相似性表現(xiàn)為3個個例中第1 d大雨及以上降水呈西北至東南帶狀分布，第2 d降水均向南向西移動，主要分布在云南中部以南地區(qū)，大值區(qū)位于云南西南部.降水分布特征的差異性表現(xiàn)為2019D1云南中部及東部大雨及以上量級雨帶較窄，其他2次過程第1 d雨帶較寬；2020D1大雨帶相較于其他2個個例在云南東部降水的分布偏北；2020D2降水量較另外2個個例小.

圖1（d）統(tǒng)計了各個例短強(qiáng)發(fā)生的總站次（任意國家站和區(qū)域站小時雨量達(dá)短強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)即算為一站次）及不同等級短強(qiáng)發(fā)生站次.由圖1（d）可知，2020年個例中短強(qiáng)發(fā)生站次（598站次）遠(yuǎn)多于2018年（390站次）和2019年（441站次）個例.從不同等級短強(qiáng)發(fā)生站次也可看出，2020年個例不同等級短強(qiáng)發(fā)生站次也均明顯高于另外兩個個例，小時雨量40 mm/h以上的短強(qiáng)尤其明顯.此外，3個個例中最強(qiáng)小時雨強(qiáng)分別為74.7、68.4 mm/h和80.1 mm/h，2020年個例最強(qiáng)，因此2020年個例小時雨強(qiáng)的極端性更大.

3 環(huán)流背景和低渦移動特征

圖1 各個例逐24 h降水量和不同等級短強(qiáng)頻次Fig.1 The 24-hourly accumulative precipitation and the occurring times of short-time strong rainfall with different levels of precipitation amount

3.1 環(huán)流背景圖2（a1）～（c2）為各個例逐日降水發(fā)生前500 hPa水平流場.2018年8月2日20時，云南受滇緬高壓和南海上空閉合高壓（西太副高受臺風(fēng)影響斷裂而成，西太副高主體位于華北至日本一帶）形成的兩高輻合區(qū)影響，輻合區(qū)中有低渦生成，中心位于云南東南部至廣西西部.至8月3日20時，滇緬高壓向西北方向移動，南海上空高壓也往北往西移動.云南繼續(xù)受低渦影響，低渦中心較前一日往西移，位于云南南部以南.2019年9月9日08時，云南同樣受滇緬高壓和長江中下游以北閉合高壓（中高緯度西風(fēng)帶上南下低渦導(dǎo)致西太副高斷裂而成）形成的兩高輻合區(qū)影響，輻合區(qū)中形成低渦，低渦中心位于云南東北部至貴州西北部一帶.至10日08時滇緬高壓依舊維持，中心位于湖北一帶的高壓向南向西移動，影響云南的低渦也向南向西移動，中心位于云南東南部.2020年7月1日08時，云南西部同樣受滇緬高壓影響，西太副高西伸至貴州西部，與滇緬高壓形成兩高輻合區(qū)影響云南，此時500 hPa上還未形成低渦中心，青藏高原上有弱高壓發(fā)展.至7月2日08時，滇緬高壓略往西往北移動，西太副高也略西進(jìn)，影響云南的兩高輻合區(qū)已發(fā)展為低渦，中心位于云南東部.青藏高原上為較強(qiáng)的高壓，沿其東部邊緣有冷空氣南下影響云南.因此，本文研究的云南3次強(qiáng)降水過程影響系統(tǒng)為兩高輻合背景下輻合區(qū)中形成的低渦，且結(jié)合降水分布可知，強(qiáng)降水并沒有沿兩高輻合區(qū)分布.

為進(jìn)一步揭示低渦降水發(fā)生的環(huán)流背景，利用500 hPa上5 880 gpm等位勢高度線分析研究時間段內(nèi)西太副高特征.圖2（a3）～（c3）為各個例研究時段內(nèi)平均及各個例研究時段氣候態(tài)（1991-2020年）5 880 gpm等位勢高度線對比.結(jié)果顯示，所研究個例均發(fā)生在西太副高較氣候態(tài)明顯西伸的背景下，2018年個例中，西太副高主體西伸至105°E附近，但位于南海上空的高壓西伸程度較主體弱[該高壓強(qiáng)度未達(dá)到5 880 gpm，圖中未能體現(xiàn)，其位置見圖2（a1）和（a2）]，其西伸至108°E附近；2019年個例中，西太副高西伸至106°E附近，在3個個例中西伸程度最強(qiáng)；2020年個例中西太副高西伸至115°E附近，相對而言，其西伸程度最弱.降水實況部分指出，2019D1云南中部及東部大雨及以上量級雨帶相較于另外2個個例第1 d降水較窄，這與該個例西太副高西伸程度最強(qiáng)對應(yīng).因此，所研究個例均發(fā)生在西太副高較氣候態(tài)明顯西伸的背景下.但西太副高西伸程度不同，西太副高西伸較強(qiáng)時形成的兩高輻合區(qū)較強(qiáng)，進(jìn)一步導(dǎo)致主雨帶相對更窄.

圖2 各個例逐日降水發(fā)生前500 hPa水平流場，500 hPa上過程平均及各個例研究時間段氣候態(tài)5 880 gpm等位勢高度線Fig.2 The horizontal streamlines on 500 hPa before daily precipitation, the time average and climatological 5 880 gpm lines on 500 hPa during corresponding analysis times for the three events

3.2 低渦移動特征低渦移動路徑對降水落區(qū)有顯著影響，圖3（a1）～（c1）為各個例逐6 h的700 hPa低渦中心位置（云南海拔較高，用700 hPa表征對流層低層）.2018年8月2日20時個例中，700 hPa存在2個小低渦，中心分別位于四川東南部和廣西西北部，隨后分別向南和向西北移動；至8月3日08時合并為一個低渦，中心位于云南東部，并向南向西移動；至8月4日20時移至云南西南部.2019年9月9日08時個例700 hPa低渦初始位于云南東北部，隨后先向南后向西移動，至9月11日08時移至云南西部.2020年7月1日08時個例中，低渦起始位于云南中北部，至7月2日08時在云南東部一帶徘徊，隨后向西向南移動，至7月3日08時移至云南西部.上述指出，相較于2018D1和2019D1，2020D1大雨帶在云南東部的分布位置偏北，這與2020D1低渦在云南東部一帶徘徊相對應(yīng).以上分析表明，3個個例700 hPa上低渦生成后向南向西移動，降水也表現(xiàn)出強(qiáng)降水向南向西移動的特征，為進(jìn)一步分析降水區(qū)的移動與低層低渦移動的關(guān)系，以研究時段內(nèi)逐6 h降水量≥50 mm的站點位置表征強(qiáng)雨帶的移動[圖3（a2）～（c2）].因此，對比強(qiáng)雨帶和低渦位置[圖3（a1）～（c1）]可知，強(qiáng)雨帶基本上隨著低渦的移動而向南向西移動.

圖3 各個例逐6 h的700 hPa低渦中心位置、逐6 h降水量≥50 mm站點位置及各個例研究時段平均500 hPa至100 hPa垂直平均流場Fig.3 The 6-hourly positions of the low vortex on 700 hPa, the positions of stations with 6-hourly accumulative precipitation more than 50 mm, and the time average horizontal streamlines vertically averaged from 500 hPa to 100 hPa during corresponding analysis times for the three events

由3.1部分可知，所研究個例均發(fā)生在西太副高較氣候態(tài)明顯西伸的背景下，西太副高的西伸有利于低渦向西移動，但其向南移動的原因還有待研究，本文從引導(dǎo)氣流[2]的角度進(jìn)行分析.圖3（a3）～（c3）為各個例研究時段內(nèi)平均的500 hPa到100 hPa垂直平均水平流場（以下簡稱平均氣流），可以看到3個個例青藏高原南側(cè)平均氣流均為反氣旋環(huán)流，導(dǎo)致云南上空平均氣流為東北氣流，該氣流引導(dǎo)低層低渦向南向西移動.

4 動力、熱力條件及水汽輻合特征

4.1 動力條件本文利用低層水平風(fēng)場和垂直速度分析低渦降水過程中的動力場特征.根據(jù)700 hPa水平風(fēng)場和垂直速度演變，結(jié)合降水分布特征，選取圖4中6個時次進(jìn)行分析.由圖4（a1）～（c2）水平風(fēng)場和降水分布對比可知，降水大值區(qū)發(fā)生在低渦中心及低渦切變附近（低渦造成的冷式切變和暖式切變），同時降水與上升運動大值區(qū)對應(yīng)較好.2020D2上升運動較弱，這與2020D2降水量相對另外幾天較弱對應(yīng).

圖4 各個例700 hPa水平風(fēng)場和垂直速度、垂直速度經(jīng)度-高度剖面圖Fig.4 The horizontal winds and vertical velocity on 700 hPa, and the longitude-altitude cross sections of vertical velocity

進(jìn)一步結(jié)合各個例中第2 d垂直速度剖面，分析低渦造成的上升運動在垂直方向上的發(fā)展情況.圖4（a3）～（c3）即為（a2）～（c2）所在時次對應(yīng)的垂直速度剖面圖[過圖4（a2）～（c2）中紅色虛線].2018年和2019年的個例中，低渦造成的最強(qiáng)上升運動位于低渦中心附近，上升運動發(fā)展至250 hPa和200 hPa附近.相較于2018年個例，2019年個例中低渦造成的上升運動發(fā)展的高度更高且強(qiáng)度更強(qiáng)，對應(yīng)降水的強(qiáng)度也更強(qiáng).對于2020D2，低渦造成的最強(qiáng)上升運動位于低渦切變附近，垂直運動強(qiáng)度能達(dá)到2018D2和2019D2強(qiáng)度，但上升運動發(fā)展的高度僅達(dá)到400 hPa，2020D2對應(yīng)的總降水較弱.因此，低渦造成的強(qiáng)降水主要分布在低渦中心及低渦切變附近.低渦引起的強(qiáng)上升運動強(qiáng)度在研究的個例中差異不大，但其造成的上升運動伸展高度存在差異，會導(dǎo)致總降水量也存在差異.

對于兩高輻合降水，許美玲等[17]的統(tǒng)計結(jié)果表明，降水多沿準(zhǔn)南北向的輻合區(qū)分布，進(jìn)一步將滇緬高壓和西太副高之間形成的輻合區(qū)稱為第二類兩高輻合型，指出當(dāng)?shù)峋捀邏簽檎麄€副高中的一部分，即滇緬高壓為西太副高西進(jìn)斷裂形成時，盡管云南受兩高輻合影響，卻未必出現(xiàn)強(qiáng)降水.與上述結(jié)果不同，本文分析的3個個例由于輻合區(qū)中有低渦生成，降水主要分布在低渦中心和低渦切變附近，而不是整個兩高輻合區(qū)中，且隨著低渦移動，雨帶分布也不僅呈南北向，而且引言部分指出，影響云南的低渦還有3種較常見的生成過程，即向東北方向移動登陸的孟加拉灣風(fēng)暴、西行熱帶氣旋和南移西南渦，其中孟加拉灣風(fēng)暴主要在云南西南部造成降水；西行熱帶氣旋主要影響云南南部，尤其是云南南部的紅河州[15]；南下影響云南的西南渦降水隨著西南渦位置而變，但降水主要發(fā)生在西南渦的西南象限[21].與上述3種低渦降水相比，本文分析的兩高輻合低渦降水，則主要分布在低渦中心和低渦切變附近，且有相似的移動特征，在具有相似的環(huán)流背景下，比較容易把握降水的落區(qū)和移動特征.

4.2 熱力條件熱力條件利用 θse分析研究各個例降水過程中的熱力特征.由環(huán)流背景分析可知，2020年個例中青藏高原上有弱高壓發(fā)展為較強(qiáng)高壓，沿其東部邊緣有冷空氣南下影響云南.由圖5可知，相較于2018年和2019年個例，2020年個例中與青藏高原上高壓的發(fā)展更加對應(yīng)，500 hPa上中高緯度有 θse低值（<350 K）入侵至云南北部，進(jìn)一步結(jié)合θse緯度-高度剖面圖探究各個例中冷暖空氣的影響情況，如圖6所示.基于圖1降水分布，選取經(jīng)過降水中心的經(jīng)度位置繪制剖面[過圖1（a1）～（c2）中紅色虛線，經(jīng)度分別為104°、103°、102.5°、102°、102.5°E和101.5°E]，以分析經(jīng)過降水中心的 θse分布特征.

圖5 各個例中500 hPa上 θ se分布Fig.5 The distribution of θ se on 500 hPa during the three events

圖6 各個例 θse沿降水中心緯度-高度剖面圖Fig.6 The latitude-altitude cross sections of θ se along the center of precipitation during the three events

2018D1降水主要位于22°～26°N，由圖6可知降水發(fā)生在350 K左右的環(huán)境中，低層高溫高濕，θse可達(dá)360 K，2018D2降水（22°～24°N）發(fā)生環(huán)境與2018D1類似，2019年個例與2018年個例具有相似特征.對于2020年個例，該個例除了低緯度大氣較暖濕外，高緯度有冷空氣入侵，7月1日白天和2日白天入侵至27°N左右，低層冷暖空氣在該緯度附近有明顯的交匯.此外，由圖6（c2）可以看出，至7月3日02時500 hPa附近有冷空氣入侵，疊加在低層暖濕空氣上，形成上層干冷下層暖濕的層結(jié)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增強(qiáng)，有利于小時雨強(qiáng)極端性增強(qiáng).降水實況部分也指出，3個個例過程中有短強(qiáng)發(fā)生，2020年個例短強(qiáng)發(fā)生站次遠(yuǎn)多于2018和2019年，且該個例中小時降水強(qiáng)度的極端性更大.結(jié)合以上關(guān)于 θse的分析，出現(xiàn)上述結(jié)果的可能原因有兩個：一方面，與2020D1低渦在云南東部一帶徘徊少動導(dǎo)致降水累積時間長有關(guān)，另一方面，可能由2020年個例中入侵的低層冷空氣與暖濕空氣相互作用，以及中高層冷空氣入侵增強(qiáng)云南上空層結(jié)不穩(wěn)定性，使雨強(qiáng)極端性增大導(dǎo)致.此外，2020年個例中沿低層入侵的冷空氣也造成2020D1大雨帶相對于另外2個個例第1 d降水偏北.

4.3 水汽輻合特征充足的水汽供應(yīng)是形成暴雨的必要條件之一，且有水汽的輻合上升才能造成降水.借助700 hPa水汽通量散度分析低渦降水中水汽輻合上升的位置和強(qiáng)度，如圖7所示[分析時次與圖4（a1）～（c2）對應(yīng)].從圖7水汽通量散度分布可以看出，其輻合的位置與降水落區(qū)對應(yīng)較好.2020D1水汽通量強(qiáng)輻合的位置偏北，與當(dāng)天強(qiáng)降水落區(qū)偏北相對應(yīng)；2020D2水汽通量輻合強(qiáng)度較其他研究時段弱，與該天總降水量較其他研究時段少相對應(yīng).此外，盡管2020個例水汽輻合最弱，其第2 d降水量較另外2個個例小，但由于低渦停滯及冷空氣的影響，其第1 d降水強(qiáng)度更大，過程中小時雨強(qiáng)的極端性更強(qiáng).

5 結(jié)論

本文基于觀測和再分析資料，選取發(fā)生在2018—2020年的3個云南兩高輻合背景下低渦連續(xù)性強(qiáng)降水過程進(jìn)行對比分析，得到以下結(jié)論.

（1）夏半年西太副高加強(qiáng)西伸，云南常受兩高輻合形勢影響，當(dāng)輻合區(qū)中有低渦生成時，輻合區(qū)低渦易造成連續(xù)性強(qiáng)降水過程.本文分析的3個兩高輻合低渦降水過程，降水分布特征存在相似性和差異性.

圖7 各個例中700 hPa水汽通量散度Fig.7 The divergence of water vapor flux on 700 hPa during the three events

（2） 3個個例中，第1 d大雨及以上降水呈西北至東南帶狀分布，第2 d降水向南向西移動.雨帶的移動由低渦的移動造成，而低渦向南向西移動則是由于西太副高西伸及東北引導(dǎo)氣流的引導(dǎo)導(dǎo)致.盡管處于兩高輻合形勢下，3個輻合區(qū)低渦降水個例的強(qiáng)降水落區(qū)并沒有完全分布在整個輻合區(qū)內(nèi)，而是主要分布在低渦中心及低渦切變附近.2019年個例第1 d云南中部和東部大雨及以上量級雨帶較窄，這主要是由于西太副高西伸較強(qiáng)、兩高輻合形勢也更強(qiáng)導(dǎo)致.

（3）低渦的停滯及低層入侵的冷空氣，導(dǎo)致2020年個例第1 d降水偏北，該個例第2 d總降水量相對較少，則主要是由于上升運動發(fā)展高度較低及水汽通量輻合較弱導(dǎo)致.盡管該個例第2 d總降水量較少，但該個例小時雨強(qiáng)的極端性更強(qiáng)，這與低渦停滯、低層冷空氣入侵以及中高層冷空氣入侵導(dǎo)致層結(jié)不穩(wěn)定性增強(qiáng)有關(guān).