重庆永川2018年5月21日强对流天气过程分析

董丹丹，张建平，何青青，闫梦玲，邓 霞

(1.重庆市永川地区气象局，重庆 永川 402160；2.重庆市气象科学研究所，重庆 401147)

0 引言

重庆地区位于青藏高原与长江中下游平原之间的过渡性地带，永川地区在其西部，为丘陵地带，是成渝经济区的节点城市、重庆城市发展新区的重要板块。汛期热力条件充足，不稳定能量较强，永川地区易发生暴雨伴随短时强降水、大风等强对流天气。强对流天气的出现往往对城市发展及人们生产、生活造成严重影响。近年来，针对汛期的强对流天气，前人的研究重点逐渐从天气尺度转向中尺度[1]，将大尺度环流特征、雷达回波演变、物理量场等[2-6]方面进行结合分析，能更深刻地认识其发生发展机制，例如中尺度辐合中心有利于飑线的生成与发展，飑线回波前沿、强回波质心高度等特征能在一定程度上对预报大风有指导作用[7]，大尺度环流稳定背景下，在副热带高压外围的西南气流里，有中小尺度对流云团生成，往往造成个别地点出现特大暴雨[8]。针对强对流天气中的短时强降水、大风具有出现时间短、发展迅速、尺度偏小等特征[9-11]，天气图的尺度已不能满足业务需求，在大尺度环流背景下，主要以卫星云图、多普勒天气雷达观测为主，分析云团演变及雷达回波特征演变[12-14]，识别和分析中小尺度系统结构特征[8，15]。

为了更深入地认识强对流天气过程中大尺度系统与中小尺度系统的作用机制，提高永川地区强对流天气预报能力，本文利用常规地面观测资料、探空观测资料、多普勒天气雷达CINRAD/SA探测资料(重庆永川雷达站)及FY4A卫星红外C011资料，采用常规天气学诊断方法，对2018年5月21日20时—22日20时永川地区出现的暴雨伴随短时强降水、大风天气过程进行综合分析，总结预报经验，为预报强对流天气过程及做好气象服务提供参考，从而达到防灾减灾的目的。

1 天气过程概况

永川地区有1个国家一般气象站，54个区域气象站，共55个气象观测站点，其中23个区域气象站进行风向、风速、温度、降水四要素观测，31个区域气象站进行温度、降水两要素观测。2018年5月21日20时—22日20时，永川地区发生了一次伴随飑线的强对流天气过程，过程中出现短时强降水和大风，造成了部分乡镇街道出现内涝、田间庄稼倒伏和电线杆倒伏等影响人们生产、生活的情况。整个过程吉安、南大街黄瓜山和来苏关门山水库等25个雨量站点达暴雨，最大累积雨量为75.6 mm(吉安)，城区累积雨量为51.0 mm，最大小时雨强为41.6 mm/h(黄沙村)，出现6～7级阵性大风，最大的极大风速为19.5 m/s(双石中心桥)。

此次过程中，22日00时左右出现强雷电，02—04时左右飑线以东北路径过境永川地区，该时段恰为强对流天气过程发生集中时段：从02时开始，永川偏南地区首先出现风速加大，02—04时14个气象站点极大风速超过14 m/s；02—03时12个气象站出现>20 mm/h的短时强降水，03—04时28个气象站出现>20 mm/h的短时强降水。由于文章篇幅有限，最大小时雨强情况只列出了最强的12个站点，极大风速情况只列出了最强的14个站点，具体分布情况见图1、表1、表2。

2 环流形势演变

500 hPa上，从5月21日20时—22日08时的环流形势演变可以看到(图2)，靠近我国东北地区的低涡较深厚，在700 hPa、850 hPa上有低压系统与其配合，整个时段低涡系统移动较慢，仅略有东移；副热带高压北界位于靠近重庆南部的贵州—湖南一带，整个时段略有南移；同时，从河套至四川地区有一高空槽，在东移过程中，与其后侧东移的高原槽经过分裂再合并后，东移影响重庆地区，在22日08时，合并加强的高空槽位于重庆西部边缘，到22日20时完全移出重庆。

图1 永川地区5月21日20时—22日20时累积雨量分布Fig.1 Cumulative rainfall distribution of Yongchuan area from 20∶00 BT 21 May to 20∶00 BT 22 May

表1 永川地区5月21日20时—22日20时最大小时雨强
Tab.1MaximumhourlyrainfallinYongchuanareafrom20∶00BT21Mayto20∶00BT22May

站名小时雨强(mm/h)站名小时雨强(mm/h)黄沙村41.6花果山32.8龙洞桥35.9二郎庙村32.8吉安35.5生基湾32.2双竹34.5永川31.9宝峰33.4青峰30.5革命水库33.2冯坪村30.3

表2 永川地区5月21日20时—22日20时极大风速Tab.2 Great wind speed in Yongchuan area from 20∶00 BT 21 May to 20∶00 BT 22 May

700 hPa上，21日20时高纬度靠近我国东北地区有低涡系统伸出切变线，受其影响，重庆东北部有一明显的切变线活动；在高纬度低涡伸出的切变线东移过程中，重庆中部偏北有明显的辐合系统生成，至22日08时重庆中部偏北地区可见明显的低涡切变线活动，控制大部分重庆地区，同时此低涡伸出的切变线位于西部地区；随着高纬度切变线东移入海，其后的反气旋环流东移，重庆地区的低涡切变线减弱消失，至22日20时没有明显的辐合系统影响重庆地区。

850 hPa上，21日20时—22日08时，重庆地区位于两个高压对峙的中间区域，有利于形成低涡切变线。由于其对峙作用，位于重庆西部地区的低涡切变线稳定维持，期间略有东移，至22日08时其中心位于重庆中部地区，后减弱消失，至22日20时重庆地区已受高压系统控制。

综上，21日20时—22日08时，各层系统配合较好，500 hPa上的中高纬度低槽东移影响重庆地区，副热带高压北界位于靠近重庆南部的贵州—湖南一带，700 hPa、850 hPa上形成低涡切变线且稳定少动。稳定的大尺度环流形势为强对流天气提供了良好的背景条件，500 hPa上的低槽和中低层的低涡切变线是造成此次强对流天气的主要影响系统，在有利的环流背景和天气系统下不断激发中小尺度扰动，使对流云团和飑线系统发生、发展，以致出现暴雨伴随短时强降水、大风的强对流天气过程。

3 中小尺度系统特征

3.1 红外云图分析

从FY4A卫星红外C011云图上可以清晰地看到(图3)，在21日20时，重庆西南部边缘有一个发展的对流云团，颜色比较白亮，呈圆形，此时该对流云团已经发展得较为强盛，而四川西北部的云团正在东移发展(图3a)。在两个云团东移发展过程中，逐渐在重庆西部合并、停滞发展，到21日23时和22日01时，可以清楚的看到此前停滞重庆西南部边缘的对流云团已经合并发展成为一个比较强大对流云团(图3b、3c)，此后在重庆西部停滞至22日05时，之后逐渐东移减弱，影响重庆其他地区(图3d、3e、3f)。22日14时，除东南部受此云团的尾部影响外，重庆其他地区已不受影响(图3g)。22日20时，已完全移出重庆(图3h)。

图2 500 hPa(a、b)、700 hPa(c、d)、850 hPa(e、f)21日20时、22日08时环流形势Fig.2 Circulation patterns of 500 hPa (a),700 hPa (c),850 hPa (e) at 20∶00 BT 21 May and 500 hPa (b),700 hPa (d),850 hPa (f) at 08∶00 BT 22 May

从5月21日20时—22日08时，副热带高压北界位于靠近重庆南部的贵州—湖南一带，对前期对流云团的移动有阻挡作用，使其停滞在四川与重庆西部交界处发展；850 hPa低涡停滞重庆西部，南、北风在此处交汇，是西南风的风速大值区(850 hPa)，西南风带来的西南暖湿气流十分充足，对流云团在低涡的辐合动力作用和暖湿条件下发展。同时21日白天，四川盆地至重庆西部天气晴好，大部地区气温上升到33～37 ℃，地面热力抬升，气流交换较强，有利于层结不稳定，大气具备强的不稳定条件。21日夜间，随着对流云团从四川东移，当对流云团的冷云核心区到达重庆西部时，在有利的动力条件、暖湿条件及强不稳定条件下停滞、发展为中尺度对流复合体(MCC)；从23—01时，冷云核心区面积逐渐变大且越来越白亮，对流云团发展旺盛，02—03时能量开始释放，过程中永川地区出现了风速加大、雷暴等强对流天气，到03时冷云核心区面积明显变小，05时已经减弱东移。可以看出，冷云核心区对降水中心有一定指示性，冷云核心区面积越大，对流系统面积越大，冷云核心区越白亮，其云团云顶越高，对流系统越深厚。

图3 FY4A卫星红外C011云图21日20时(a)、21日23时(b)、22日01时(c)、22日03时(d)、22日05时(e)、22日08时(f)、22日14时(g)、22日20时(h)演变情况Fig.3 The evolution of FY4A satellite infrared C011 cloud pictures of 20∶00 (a), 23∶00 (b) BT 21 May, 01∶00 (c), 03∶00 (d), 05∶00 (e), 08∶00 (f), 14∶00 (g), 20∶00 (h) BT 22 May

3.2 雷达回波分析

利用永川站的CINRAD/SA雷达产品资料分析此次过程中飑线回波强度的演变特征。5月21日18时左右(图略)，在四川宜宾—自贡等地有许多孤立的对流单体，20时左右发展成雷暴单体，强回波中心最大反射率因子达到60 dBz以上，回波顶高在18 km左右。雷暴单体在宜宾—自贡一带引起雷暴大风等强对流天气，能量有所释放，强度减弱，但在不断东移过程中，又不断发展起来。到22日02时左右，回波到达西部偏南地区，22日02时41分左右(图4a)，强回波到达永川境内，至03时28分左右开始离开永川(图4c)。整个过程飑线的移动路径为东北方向，影响时间为47 min左右，从飑线靠近永川境内开始，偏南地区的风速开始加大，影响过程中境内出现了6～7级阵性大风和短时强降水，其中02—03时5个气象站点极大风速超过14 m/s，最大的极大风速为18.1 m/s；03—04时11个气象站极大风速超过14 m/s，最大的极大风速为19.5 m/s。

在飑线形成初期(图略)，22日02时20分左右，最强回波在45 dBz左右，长宽比超过了5∶1，不断东移发展，对流强度较强，云顶高度最高已发展到18 km以上，各个对流单体趋向于线状排列，在强回波前进方向右前方前侧的V型槽口为上升气流的位置，低层入流从前方进入上升气流中，新单体沿着回波的前沿上升，低层的暖湿气流为新单体的发展提供了条件。

飑线强盛阶段，在移动过程中逐渐演变成弓形，根据02时41分组合反射率产品来看(图4a)，最强回波超过55 dBz，回波顶高超过18 km，长度达到110 km左右。选择回波最强的地方做垂直剖面(图4d)，可以明显看到对流云团发展旺盛，到达对流层顶，同时强回波中心有及地，上升气流先以很陡的角度上升，然后其中一部分向后斜升，一部分直升云顶，最后都在云顶辐散。下沉气流形成于上升气流后部的降水回波中，下沉气流在地面附近辐散，形成飑线低层前沿的阵风锋，造成地面大风，而低层暖湿入流经过阵风锋之上进入飑线前沿对流成为上升气流。随着飑线东移，永川地区出现短时强降水与大风天气。从飑线到达永川境内至离开，时间较短，大风、短时强降水持续时间亦较短，说明弓形回波具有移动快的特点。

飑线过境永川地区的时段，也是MCC在永川地区停滞的时段，但MCC停滞永川地区的时段长于飑线过境时段，为飑线的发展提供了有利的背景条件。MCC的对流云团发展旺盛，冷云核心区的对流云系发展最为强盛，可以看到03时MCC的冷云核心区位置对应了飑线的位置，冷云核心区的对流发展为飑线系统的对流发展提供有利的动力抬升条件，使飑线系统的对流云顶高度最高发展到了18 km以上。同时，随着飑线移动，大风、短时强降水过程开始，能量释放，飑线移出永川境内，MCC的冷云核心区面积也减小了，到05时，MCC东移，大风、短时强降水过程结束。根据前文分析，此次过程大尺度环流形势较为稳定，动力辐合抬升条件较好，激发了MCC的发展、停滞，MCC中的对流云团对流旺盛，各尺度系统相互配合，为飑线系统发生、发展提供了有利的条件。

图4 重庆永川雷达站22日02时41分(a)、22日03时05分(b)及22日03时28分(c)组合反射率，22日03时06分反射率垂直剖面图(d)Fig.4 Composite reflectivity for Chongqing Yongchuan Radar Station at 02∶41 (a), 03∶05 (b) and 03∶28 (c) BT 22 May, and vertical profile of reflectivity at 03∶06 BT 22 May(d)

永川站逐小时资料显示(图5)，受强烈发展的弓状回波东移影响，出现气压涌升、气温降低、相对湿度增大和风速明显增大等特征。对比分析飑线移动位置与大风出现时间，可以看出飑线大风几乎出现在飑线强回波带、回波前沿。从地面风向分析，测站均为西北大风，飑线自西南向东北移动，说明风向是垂直于移动方向。分析强降水出现的时间及位置，主要发生在强回波区及回波后侧。

4 垂直结构及水汽条件分析

4.1 不稳定条件分析

2018年5月21日20时，四川南部的宜宾站与重庆沙坪坝站的探空资料显示(表3、表4)，两站探空图呈喇叭口形状，显示大气处于上干下湿的不稳定状态，CAPE值达到了2 300 J/kg以上，SI指数都为负值，K值在40 ℃以上，抬升指数和最大上升速度值都偏大，显示四川东部至重庆西部的大气垂直结构处于较强的不稳定状态，热力抬升条件较好，上升气流较强，易于触发强对流天气，发生雷暴大风、短时强降水等。

图5 永川自动站温度、湿度、气压的逐小时演变情况Fig.5 The hourly evolution of temperature, humidity and pressure in Yongchuan automatic station

21日夜间至22日早上，随着雷暴大风、强降水的发生，不稳定能量得到释放，22日08时两站探空图(表3、表4)显示层结趋于稳定，CAPE值逐渐减小(沙坪坝站减小为0)，SI指数、抬升指数转为正值，最大上升速度变为0，不利于大气产生热力不稳定形成强对流天气，但两站湿层维持深厚，由对流性降水转为稳定性降水，尤其是沙坪坝站的K指数较大，有利于降水的持续。22日20时，宜宾站各项动力指数、热力指数及湿层厚度显示不利于降水的发生，沙坪坝站只有K值、湿层厚度显示还会有发生分散降水的可能，但主要的降水时段结束。

风垂直切变在对流风暴的组织和发展中起重要作用。21日20时(图6a、6c)，宜宾站风向从低层6 m/s东北风向10 m/s西南风转变，沙坪坝站从6 m/s东北风向14 m/s西南风转变；22日08时(图6b、6d)，宜宾站风向从低层16 m/s西北风向14 m/s西南风转变，沙坪坝站从8 m/s西北风向16 m/s西南风转变。可以看到，整个天气系统影响的地区存在0～6 km的较强垂直风切变，有利于飑线中的上升、下沉气流共存，上升气流和环境风切变相互作用的动力过程中影响风暴结构和发展，产生雷暴大风；较强垂直风切变有利于产生强的风暴相对气流，使得暖湿气流源源不断地输送到发展中的上升气流中，以致强降水得以维持。在中尺度系统作用下，配合强的热力作用，降水持续，出现暴雨。

表3 宜宾站(56492)探空数据Tab.3 The sounding dates for Yibing station(56492)

表4 重庆站(57516)探空数据Tab.4 The sounding dates for Chongqing station(57516)

4.2 湿度场分析

700 hPa与850 hPa的两个高压系统对峙(图2c、2d、2e、2f)，重庆位于两者之间地带，南侧的高压环流不断从南海输送暖湿气流到达重庆地区，且有偏南的风速大值区影响重庆，西南暖湿气流向重庆地区辐合，在低涡中心形成水汽辐合中心。从探空图可以看到(图6)，在21日20时，宜宾站和沙坪坝站的湿度层都较厚，宜宾站更达到了600 hPa，大范围深厚的高湿区为强对流天气提供了充足的水汽。从相对湿度和比湿条件可以看到(图7)，21日20时，重庆西部相对湿度在80%～90%之间，比湿在16 g/kg以上；22日08时，重庆西部相对湿度在90%以上，比湿在10 g/kg以上。综上，从21日夜间到22日早上，重庆西部地区的湿层较厚，湿度条件较好，有利于降水的发生和持续。

图6 四川宜宾站21日20时(a)、22日08时(b)探空图及沙坪坝21日20时(c)、22日08时(d)探空图Fig.6 Composite sounding for the Yibing area at 20∶00 BT 21 May(a) and 08∶00 BT 22 May(b) andthe sounding for the Shapingba area at 20∶00 BT 21 May(c) and 08∶00 BT 22 May(d)

图7 21日20时、22日08时相对湿度(a、c)与比湿(b、d)图Fig.7 Relative humidity at 20∶00 BT 21 May(a) and 08∶00 BT 22 May(b) and specific humidityat 20∶00 BT 21 May(c) and 08∶00 BT 22 May(d)

5 结论

通过以上分析，得出如下主要结论：

①2018年5月21日20时—22日20时，永川地区发生了一次伴随飑线的强对流天气过程，飑线过程中出现短时强降水和大风。500 hPa中高纬度低槽与副热带高压、700 hPa、850 hPa稳定的低涡切变线、中尺度对流复合体(MCC)和飑线系统，是此次强对流天气的主要影响系统。

②此次过程副热带高压北界位于靠近重庆南部的贵州—湖南一带，700 hPa、850 hPa低涡切变线稳定在重庆西部，850 hPa西南风带来充足的西南暖湿气流，不稳定的对流云团在重庆西部停滞、发展为MCC。从23—01时，MCC冷云核心区面积逐渐变大且越来越白亮，对流云团发展旺盛，02—03时能量开始释放，到03时冷云核心区面积明显变小，05时已经减弱东移，过程中永川地区出现了风速加大、雷暴等强对流天气。

③此次过程由孤立的对流单体发展成为飑线，长宽比超过5∶1，回波强度较强，各个对流单体趋向于线状排列，东移过程中演变为弓形。对流云团发展旺盛，到达对流层顶，强回波中心有及地，飑线带来的地面大风垂直于移动方向，出现在飑线强回波带、回波前沿，强降水主要发生在强回波区及回波后侧，短时强降水、大风持续时间较短，说明弓形回波具有移动快的特点。

④大气处于上干下湿的不稳定状态，强的CAPE指数、SI指数、K指数、LI指数显示热力、动力条件较好，同时0～6 km垂直风切变较强，有利于飑线中的上升、下沉气流共存与产生强的风暴相对气流，使得暖湿气流源源不断地输送到发展中的上升气流中，在副热带高压、低涡等天气系统和MCC、飑线等中小尺度系统共同作用下，出现此次强对流天气过程。