雅安一次极端强降水的超级单体风暴特征及成因分析

邱 双

(四川省雅安市气象局，四川 雅安 625000)

0 引言

雅安位于盆地与高原的过渡地带，拥有迎风坡、喇叭口的特殊地形[1]，降水较多，是四川盆地西部的一个暴雨中心。每年7—8月是雅安出现暴雨的主要时段，强降水常常导致山区地段出现山体滑坡、泥石流等地质灾害。近几年来，雅安年降水量呈下降趋势，但极端强降水事件却在显著增加，给雅安山区地区带来了严重的地质灾害。2020年8月10—12日雅安出现了一次连续性的大暴雨、特大暴雨天气过程，芦山国家站24 h(20—20时)降雨量达到425.2 mm，是芦山有气象记录(65 a)以来最大日降雨量，突破了历史极值。极端强降水造成了全市8个区县76个乡镇受灾，造成7人死亡，7人失联。过去我们对极端性天气研究较少，在这次过程中对其极端性的把握明显不足，预报量级明显偏小。因此随着极端强降水的频发，对这类强降水天气的成因做深入分析是非常有必要的。

极端强降水事件常常与强降水超级单体风暴有直接关系，超级单体风暴因其伴随的突发性冰雹、大风，龙卷和暴洪给人们的日常生活及工农业生产造成严重的威胁。过去由于雅安本地没有雷达，对强降水超级单体风暴的监测和预报难度较大，2018年建立本地雷达以来，由于强降水超级单体观测个例也较少，对强降水超级单体风暴的结构和发展成因研究也相对较少，认识不深。而此次特大暴雨天气过程中，具有明显的强降水超级单体回波特征，本文希望通过利用雷达资料、实况资料、区域自动站加密以及NCEP再分析资料，分析此次强降水超级单体风暴的特征以及其产生的原因，从而提高对雅安强降水超级单体风暴的认识和预报预警能力。

1 极端强降水天气特征

1.1 持续时间长、累积雨量大

2020年8月10—12日受副高外围切变线和冷空气的共同影响，雅安自北向南出现了区域大暴雨天气过程,其中芦山县出现特大暴雨。此次过程主要分为2个时段：10日夜间到11日白天，降雨落区主要集中在雅安北部区县，达到区域大暴雨，大暴雨99站,特大暴雨7站，4个站点超过400 mm，最大值在芦山芦阳洛河430.2 mm。芦山国家站24 h降雨量达到了425.2 mm，是芦山有气象记录(65 a)以来最大日降雨量(原纪录188.6 mm，1978年7月27日)，为全省历史第2大日降雨量，仅次于峨眉山市的524.7 mm(1993年7月29日)。11日夜间到12日白天整个雨带略有南压，在雅安的中部和南部出现区域性暴雨，暴雨141站,大暴雨10站，大暴雨区位于石棉的中部和南部，全市最大值在石棉栗子坪雨量为163.4 mm。

整个暴雨过程持续时间长，累积雨量大，其中雅安8个区县365个自动站有145站累积雨量在100～200 mm之间,52站累积雨量在200～300 mm之间，2站累积雨量在300～400 mm之间，6站累积雨量超过400 mm，最大值在芦山芦阳洛河降雨量达到了485.8 mm。

1.2 小时雨强大、对流性明显、具有明显的夜雨特征

本文挑选了北部和南部区县从小时雨强的时序演变可知，此次过程具有明显的夜雨特征，连续2 d强降水时段都主要集中在后半夜，白天有一个间歇期。其中前24 h 10日夜间到11日白天北部区县出现了大范围的短时强降水，降水强度较大，以对流性降水为主：最大小时雨强芦山芦阳洛河为156.8 mm·h-1, 天全、雨城最大小时雨强100 mm·h-1以上(图1a、1b、1c)；最强时段23—02时超过300 mm有4个站，最大芦山大板347.9 mm。

图1 雅安市4个区域自动站逐小时雨量演变Fig.1 Hourly rainfall chart evolution of four regional automatic stations in Ya'an

后24 h 11日夜间到12日白天短时强降水的范围减小，大部分地方对流性降水减弱，以稳定性降水为主，其中南部区县的石棉栗子坪最大小时雨强38.6 mm·h-1(图2d)。

图2 雷达回波(a、b、c、d)风暴追踪信息(e、f、g、h)Fig.2 Radar combined reflectivity(a、b、c、d)storm tracking information(e、f、g、h)

因此无论是从24 h降水、持续时间、最大累积降水量、最大小时雨强来看，按照雅安市暴雨综合强度评判标准，此次过程是属于4级(特重)，属于一次极端性的强降水过程。

2 强降水超级单体风暴的特征

2.1 强降水超级单体风暴的演变

此次特大暴雨强降雨时段集中，降水强度大，极端性较强，无论是小时雨强还是累积雨量都突破极值，尤其是4 h累积雨量接近400 mm，而强降水常常与强降水超级单体风暴密切相关。超级单体风暴可分为3种：经典超级单体风暴、弱降水超级单体风暴、强降水超级单体风暴。强降水超级单体风暴与其他两种的主要区别在于强降水区中包裹着中气旋。

为探究此次极端降水中风暴的演变和结构特征，我们对雷达回波进行了分析。

从风暴追踪信息可知，影响芦山出现特大暴雨的风暴z4在20时24分天全境内生成，生成后2 h内在天全境内稳定少动，夜间随着西南气流的增强，22时z4开始向东北方向移动，同时雨城区也有一对流风暴v7发展并逐渐向西北方向移动，2个对流风暴在23时以后开始进入芦山境内，合并增强发展为强对流风暴z4。该风暴具有一个宽广的高反射率因子的钩状回波区，中心最大回波达到60 dBz以上(1 h雨量达到90 mm)，到00时以后，强风暴钩状特征渐渐不明显，转为线状回波，线状回波移动缓慢，在芦山的南部移动路径先呈气旋式，后又呈反气旋式，使得强对流风暴位置稳定少动，一直到02时以后才开始移出芦山。

因此造成此次极端强降水的主要原因是强对流风暴z4在芦山境内的稳定少动。为探究此次强对流风暴的类型，本文对其结构特征进行了分析。

2.2 低的强回波质心、有界弱回波区、V型缺口

强降水主要发生在雅安雷达100 km范围以内，由于雷达的局限性，距离雷达越近，可以探测的回波高度越低，因此，在此次过程中垂直剖面图呈楔形。对影响此次降水的风暴做剖面图可知，22时44分前后有3个对流单体(图3中A、B、C)侧向排列向东北方向移动，并逐渐发展增强，最前面的对流单体C移动速度缓慢，到23时18分前后3个对流风暴合并增强。从风暴的垂直结构来看，存在低的强回波质心，回波强度在60 dBz以上，并维持了2个体扫以上，同时风暴前侧低层存在V型缺口，有明显的入流气流源源不断地向风暴内输送水汽和能量，而强的回波随着高度向低层的入流气流一侧倾斜，高层反射率因子的大值区位于低层有界弱回波区之上。低的强回波质心、V字型缺口以及高悬的强回波表明，此时强对流风暴已经发展成强降水超级单体风暴。

图3 强降水超级单体垂直剖面时间演变Fig.3 Time evolution of the vertical profile of the heavy rainfall supercell

23时34分强降水超级单体风暴发展到最强，65 dBz以上的强回波集中在1.5 km左右，这时雷暴降水效率达到最强，1h雨强接近100 mm。00时19分以后，强降水超级单体风暴相对入流开始减弱，强回波出现了后倾的结构，强回波质心下降至4 km以下，且从50 dBz以上的强回波的移动来看，从00时53分—02时16分，强回波中心出现后向传播，从距离雷达22 km左右移至雷达8 km，传播方向与风暴的移动方向相互抵消。从23—02时强降水超级风暴位置变化较小、移动缓慢，对应在强降水超级单体风暴的位置也出现了300多毫米的降水。

2.3 强降水区中包裹着中气旋

中气旋是超级单体风暴的典型特征，从强风暴的垂直剖面可知，存在一个有界弱回波区，这意味着有中气旋的存在。为进一步了解强降水超级单体风暴的中气旋特征，本文着重分析了1.5°的风暴相对径向速度，从相对径向速度图(图4a、4b)可知，23时23分，在芦山芦阳附近存在零速度线，与距离圈接近平行，其两侧为明显的辐合区，清仁附近的负速度随时间演变可知是逐渐增大的趋势，到23时29分出现了速度模糊，流入雷达的风速达到39 m·s-1。到23时34分，速度模糊继续维持，负速度达到44 m·s-1，此时零速度线也由前期的与距离圈平行，转为与距离圈接近垂直，发生了气旋式的旋转，表明有中气旋的生成，中气旋直径8 km，旋转速度约为23 m·s-1，属于强的中气旋。其位置与回波图上(图4c d)钩状回波位置一致，在中气旋的附近存在超过65 dBz的宽广的强回波，表明中气旋包裹在强降水区，这也是强降水超级单体风暴的一个重要特征。

图4 速度图和雷达回波Fig.4 Speed graph and radar echo graph

综合可知，此次芦山境内的极端强降水过程是由多个对流单体合并增强为一个强降水超级单体风暴造成的，强降水超级单体风暴存在低的强回波质心以及有界弱回波区、V字型缺口的特征，速度图上还伴有明显的中气旋，中气旋包裹于强的降水区中。强降水超级单体风暴在23—02时稳定少动，一直维持在芦山境内，这也是导致23—02时，连续3 h芦山境内均有1 h超过100 mm的强降水的重要原因。

3 强降水超级单体风暴形成原因

3.1 行星尺度和天气尺度稳定少动，对流不稳定层结建立

8月10—11日200 hPa(图略)南压高压脊线一直位于雅安上空，雅安市处于脊线附近的强辐散区，具有强烈的抽吸作用，且从南亚高压脊线的位置变化来看，一直到11日08时，脊线仍位于雅安市上空，具有稳定少动的特征。10日夜间500 hPa中高纬为宽广的低槽，青藏高原东部有高原切变线存在，副高主体位置偏东。10日后半夜南海附近的热带风暴加强为台风“米克拉”，并逐渐向西移动引导副高逐渐西伸，阻挡高原切变的移动。11日20时台风登陆后势力减弱，11日后半夜减弱消失，阻挡作用减弱，贝湖的冷涡不断分裂短波携带弱的冷平流南下，使得低槽系统发展增强。12日08时北边的低槽与高原槽出现了同位相的叠加，并向东南方向移动，影响雅安东部和南部。从整个过程来看，行星尺度和天气尺度系统的稳定少动，为强降水超级单体风暴的发展提供了充足的水汽和动力条件。另外从强降水单体风暴上空的时间—垂直剖面来看，由图2可知10日白天雅安市整层水汽条件较差，从500 hPa风场的演变可知，10日14时开始，环流形势向有利于强对流发生的方向发展，高原上有低槽逐渐东移，雅安从受西北气流影响开始转为受槽前的西南气流影响。14时以后，低层从西风开始转为弱的偏东风，中低层水汽条件有所改善。10日20时后700 hPa偏南风和850 hPa偏东风继续增强，而高层500～300 hPa之间仍为一个显著干区，低层偏东风和南风为雅安持续输送暖湿平流，有利于对流不稳定层结的建立，从而产生强降水超级单体风暴。

图5 8月10日500hPa高度场和风场(a),8月10—12日相对湿度与风场剖面图(103°E、30°N)(b)Fig.5 500hPa height field and wind field on August 10 (a),August10-12 Relative humidity and wind field profile(103°E、30°N)(b)

3.2 对流不稳定进一步发展和次级环流的生成

此次强降水超级单体风暴的发生与较大的不稳定能量和充足的水汽有着非常密切的关系。前期雅安受暖性高压脊控制，天气晴好，从8月8日开始最高温度迅速上升，到8月10日达到最高，其中雨城区、汉源和石棉当日均出现了超过35 ℃的高温天气，8月8—10日的平均温度比历史同期偏高1.0～2.9 ℃，连续3 d的晴好天气有利于雅安本地能量的累积。

图6 地面假相当位温对比Fig.6 Ground false equivalent potential temperature comparison

假相当位温是反映不稳定能量和水汽条件的综合指标。为了解地面能量的情况，我们对比了10日、11日以及8月上中旬的平均假相当位温。8月上中旬是属于雅安暴雨频发期，据统计，其平均假相当位温在80～85 ℃之间，而10日和11日的平均假相当位温相对于8月上中旬的平均值是异常偏高的，尤其是10日地面假相当位温都在94 ℃以上，其中名山达到了100 ℃，芦山95 ℃，处于极端的高能高湿的状态。11日随着能量的耗散，基本上北部大部地方减弱到90以下，而南部还持续维持着高能高湿的状态。相对于10日，11日假相当位温还略有上升，有利于南部暴雨的发生。

另外，假相当位温垂直剖面的密集带还往往反映了高空锋区的情况。分析假相当位温和垂直速度的垂直剖面(图7)，10日20时沿103°E的剖面，假相当位温具有鞍型的特征，对应在超级单体风暴(30°N)的北侧35°N附近存在锋区，暴雨区处于锋前暖区中，地面到低层850 hPa假相当位温90～98 ℃以上，从700～300 hPa假相当位温均在84 ℃以上，为对流不稳定的层结，且中低层存在向高层伸展的高值舌，有利于暴雨区上空不稳定能量的累积。

图7 2020年8月10日20时假相当位温—垂直速度Fig.7 False equivalent potential temperature-vertical velocity diagram

而在暴雨区上空低层700～850 hPa等假相当位温线存在向下凹的现象，与北侧高的假相当位温区形成了较大的梯度，其结构呈陡立状，表明低层存在一个中尺度的能量锋区。能量锋区的存在有利于触发不稳定能量的释放，产生强降水超级单体风暴。对应在垂直速度图上，暴雨区内850～600 hPa存在较大的负速度值，中心最大值达到了-0.8 pa·s-1，有较强的上升运动，而暴雨区的北侧为下沉运动，它们与暴雨区的上升运动形成了一个特殊的垂直环流，北侧的下沉运动有利于将强降水超级单体风暴外的不稳定能量和水汽源源不断地向风暴内输送，为强降雨的持续发生提供了充足的水汽和不稳定能量。因此，锋区的动力强迫产生的次级环流有利于低层不稳定能量和水汽向高层输送，同时也触发不稳定能量的释放，产生较强的上升运动。

3.3 热力不稳定和强垂直风切变

此次极端强降水是由强降水超级单体风暴引起的，比一般强降水超级单体风暴对环境条件要求要高：中等到强的热力不稳定(CAPE>1500 J·kg-1)、强垂直风切变(对流层中低层垂直风切变>20 m·s-1)、大的湿度和较低的抬升凝结高度。因此本文分析了此次强降水期间，温江站点的探空结构。由图8可知，温江处于上干下湿的不稳定层结，由于10日天空晴好，使得对流不稳定能量CAPE值从早上08时562 J·kg-1积累至3292 J·kg-1，属于强的热力不稳定，有利于对流的爆发性发展。而对流层垂直风切变是决定对流风暴发展强度的重要因素，由925 hPa和600 hPa垂直风切变大约为20 m·s-1，有利于超级单体风暴的发展和有组织性的维持。其他反映大气层结的热动力参数，如粗理查逊数(BRN)由08时的46.8在20时显著增大达到2278.3，风暴强度指数也由230陡增到285.2，对强降水超级单体风暴的发生具有一定的指示意义。

图8 温江探空Fig.8 Wen jiang T-lnp

3.4 水汽异常

风暴云内部含有大量的水分，其水分是由上升气流从低层向上输送，因此风暴的发展要求充足的水汽条件。从天全GPS大气可降水量逐小时演变分析可知，10日白天随着偏南风的增大，水汽条件逐渐转好。10日夜间GPS水汽出现了两次陡增的现象，第1次出现在10日18—20时，大气可降水量从55 mm迅速升至64.1 mm，2 h增加了接近10 mm。对应在19—20时宝兴与天全的交界地区出现了53.8 mm·h-1的降水。从23—02时，大气可降水量又出现了一个陡增的现象，从63.8 mm升至69.4 mm。一般大气可降水量持续超过60 mm以上，易出现大暴雨天气，同时降水的峰值常常出现在大气可降水量陡增后的2～3 h内，这也是芦山在23—03时4 h出现接近400 mm的降水的重要原因。后期一直到12日05时，大气可降水量一直稳定维持在64 mm，为强降水超级单体风暴提供充足的水汽条件。

3.5 中尺度辐合线触发

触发对流的抬升条件大多是由中尺度系统提供，本文对加密区域自动站风场资料、1 h雨量以及地形进行了叠加分析。23时宝兴和天全境内的对流单体产生1 h超过50 mm的降水，地面形成了强烈的出流外流，风速达到18 m·s-1，在其外围形成了弱的中尺度涡旋，并逐渐向东北移动，移至芦山的南部发展成中尺度辐合线。辐合线触发了芦山南部的强降水，1 h达到了107.9 mm。00—02时中尺度辐合线稳定少动，在芦山的南部一直维持，01时地面风达到了14 m·s-1，产生较强的辐合抬升作用，而强的降水对对流单体的发生发展又产生了正反馈作用。一方面潜热释放使得对流系统继续发展，同时强降水产生的雷暴外流和中高压的外流边界线，会迫使低层700、850 hPa的偏南暖湿空气进入系统，使得对流单体继续发展增强为超级单体风暴。因此导致出现了连续3 h最大小时雨强达到100 mm以上。

图9 天全 GPS大气可降水量逐小时演变Fig.9 Hourly evolution chart of GPS atmospheric precipitation in Tianquan

4 结论

此次暴雨天气过程持续时间长、小时雨强、夜雨特征明显以及累积降水强度大，具有极端性的特征。产生极端强降水的主要原因是此次过程中伴随有强降水超级单体风暴，强降水超级单体风暴具有有界弱回波区、V字型缺口以及被包裹于强降水区的中气旋等特征。本文通过分析其环流形势以及各类物理量特征来探究强降水超级单体风暴发生发展的有利条件，得出以下原因：

①行星尺度和天气尺度系统稳定少动，低层夜间低层急流发展，使得西南风和偏东风持续输送暖湿平流，有利于对流不稳定层结的建立，为强降水超级单体风暴的发生提供了有利的环流条件。

②地面到低层的假相当位温异常偏高，有利于对流不稳定进一步发展。在强对流风暴附近还存在中尺度的假相当位温密集区，锋区的动力强迫生成的次级环流有利于低层不稳定能量和水汽向高层输送，同时也触发不稳定能量的释放，产生较强的上升运动。

③强的垂直风切变以及大的对流有效位能有利于强降水超级单体风暴的发生和维持其有组织的程度，其他反映大气层结的热动力参数，如粗理查逊数(BRN)由08时的46.8在20时显著增大，达到2 278.3，风暴强度指数也由230陡增到285.2，对强降水超级单体风暴的发生具有一定的指示意义。

④水汽条件异常也是此次强降水超级单体风暴的重要原因。强降水时段GPS水汽一直维持在较高的状态(60 mm以上)，降水的峰值也与GPS水汽陡增有关，常常出现在陡增后的2～3 h内。

⑤极端的高能高湿的大气状态下，边界层的中尺度辐合线是触发此次强降水超级单体风暴的直接原因，并且受地形的阻挡作用，强降水超级单体稳定少动，造成了此次极端强降水的发生。