引言

暴雨是造成洪涝、滑坡和泥石流等地质灾害的重要气象诱因，也是天气预报业务的难点和重点。影响暴雨的天气系统较为复杂，其中中低层切变线暴雨是较为重要的一种类型，国内气象学者已有较丰富的研究成果，指出中低层切变线往往受高空槽引导南移，配置不稳定层结和垂直风切变引发强对流和暴雨天气(黄明策等，2010；王晓芳等，2011；孙兴池等，2013；何光碧和师锐，2014)。对云南切变线暴雨的研究已有一些积累，许美玲等(2011)和张腾飞等(2013)指出地面冷锋与700 hPa切变线共同作用是云南暴雨过程和强对流天气的重要类型，据统计造成云南短时强降水的天气类型中，冷锋切变型占81%。以往的研究揭示了冷锋切变的大尺度环流及水汽输送和一些中尺度特征(何华和孙绩华，2003；张秀年和段旭，2006；鲁亚斌等，2005；2006；尹丽云等，2012；周泓等，2015)，然而对冷锋切变型暴雨中强对流和短时强降水的中尺度特征研究还不够丰富，随着卫星观测和多普勒雷达及地闪资料的业务应用，可以对暴雨特别是短时强降水天气的发生、发展进行深入研究，以利于提高暴雨及强对流天气的监测和预报预警能力。

2014年6月6日云南受冷锋和切变线共同影响，出现年内首次全省性暴雨过程，云南雨季随之全面开始，暴雨区集中分布在丽江市、楚雄州、昆明市、玉溪市、红河州一带，暴雨中心滇中地区的易门县、禄丰县和元江县出现大暴雨，日雨量分别为134.3、122.8和111.9 mm，另有13个县出现暴雨，强降水引发了局地洪涝和地质灾害，虽然云南省气象台短期预报发布了大雨重要天气消息，但雨量预报量级仍显得偏小，尤其是对强对流暴雨和短时强降水的落区预报存在较大偏差，因而借助雷达和卫星等非常规观测资料对此类强对流灾害性天气进行深入分析变得十分必要。本文应用NCEP/NCAR逐6 h 1°×1°再分析资料、常规观测资料、FY-2E卫星观测资料及CINRAD-CC雷达回波资料和闪电定位仪数据，通过诊断分析，深入分析冷锋切变型暴雨天气成因及强对流天气的中尺度特征，进一步认识强对流天气的前兆信号，为该类灾害性天气的业务预警提供借鉴。

1 暴雨过程概况

2014年春季及初夏云南出现异常高温干旱，雨季开始期普遍偏晚至特晚，直至6月6日开始伴随着首场强降水在云南出现才正式进入雨季。2014年6月6日08时至7日08时(北京时，下同)，云南国家级气象观测站出现3站大暴雨、13站暴雨、16站大雨、21站中雨和38站小雨；区域自动站监测出现大暴雨24站、暴雨172站、大雨318站、中雨391站、小雨917站，暴雨雨带呈西北—东南向分布(图 1a)，降水主要时段集中在6日20时至7日08时，分析滇中暴雨中心小时雨强看出(图 1b)，暴雨区主要为对流性降水，伴有短时强降水，降水最大为禄丰县国家气象观测站，小时雨量达92.9 mm，普查1951—2013年以来云南的国家气象观测站小时雨量，最大为江城99.7 mm，而禄丰站的小时雨量历史极值为51.9 mm，此次过程突破了禄丰站历史纪录，可见降雨强度之大。另外，出现大范围雷暴天气(图 1c)，对比强降水分布与地闪活动(图 1d)看出，地闪回击数大值区内雷暴密集与暴雨区对应较好，这种特征与张义军等(1995)和周筠君等(1999)研究指出强烈的地闪活动与对流性强降水有很好的相关性和较好对应关系的结论相符合。

2 主要影响天气系统

2014年6月6日08时500 hPa形势图上，内蒙古中部到四川西北部有一低槽，温度槽落后于高度槽，青藏高原东部为槽后脊前西北气流并有-8.0℃的冷平流区，14时高空槽快速东移，到20时移过110°E，形成前倾槽形势，云南比湿为2~4 g·kg^-1, 为槽后干冷西北气流控制, 表明有干侵入。700 hPa上，6日08时川滇之间有一条西北—东南向切变线位于云南东北部金沙江流域，14时后切变线开始南压西移，20时切变线移到滇中维持少动，云南比湿为12~14 g·kg^-1，具备产生强降水的水汽条件，切变线前方为暖湿气团、后部为冷气团，两侧有4~8℃的温差，7日08时切变线减弱。地面冷锋6日08时位于滇东，14时移进滇中，17时全面影响到滇西北东部、滇中及滇东南一带，之后向西移到哀牢山东部停止，7日08时明显减弱(图 2)。

在500 hPa干冷西北气流背景下，地面冷锋及700 hPa切变线共同影响，造成此次云南暴雨天气过程，强降水落区与700 hPa切变线和冷锋走向一致，此次暴雨过程中切变线与冷锋没有越过哀牢山，持续时间12 h左右，没有低空急流参与，因而降水强度虽大但持续时间短。

3 物理量诊断分析

强对流暴雨天气的发生主要是由充足的水汽条件、强烈的大气不稳定层结和动力抬升运动综合作用形成，在满足暴雨发生的必要水汽条件后，强大的上升运动和强烈的大气不稳定层结尤为重要。

3.1 水汽条件

2014年6月初孟加拉湾季风低压建立，已出现活跃的季风云系，云南水汽条件明显改善，6月6日20时700 hPa上云南比湿达12~14 g·kg^-1，850 hPa上云南比湿高达14~16 g·kg^-1，已经具备强降水的必要水汽条件。在对流层700 hPa水汽输送及辐合在降水机制上起着重要作用，应用NCEP再分析资料计算水汽通量矢量和水汽通量散度分析发现，水汽通量矢量清楚地反映出水汽输送主要是孟加拉湾季风低压前部的西南气流，在云南西南方向水汽通量高达12~16 g·hPa^-1·cm^-1·s^-1，从水汽通量散度时间演变看(图 3a)，6日08时700 hPa切变线没有大举南下时，云南水汽辐合很弱，只在切变线附近的金沙江流域有-5×10^-8 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1的水汽辐合，随着下午切变线南下，水汽辐合在切变线附近明显增强，至20时暴雨开始发展时，水汽通量散度已快速增强至-35×10^-8 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1，7日02时(图 3b)水汽通量散度达最强至-65×10^-8 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1，水汽辐合区与切变线走向一致，暴雨就发生在水汽通量散度辐合区内。

3.2 上升运动

在达到强降水必要的水汽条件后，强烈的上升运动必不可少。已有研究表明，非地转湿Q矢量散度对诊断中尺度垂直运动及暴雨有较好的物理意义，并取得较好效果(姚秀萍和于玉斌，2000；李英等，2002；岳彩军等，2005；鲁亚斌等，2009)。计算非地转湿Q矢量散度分析得出，在本次暴雨过程中湿Q矢量散度辐合区同样经历了由弱到强的演变(图 4a)。在暴雨出现前，湿Q矢量散度辐合区迅速增长，到6日20时(图 4b)700 hPa湿Q矢量散度场加强为一条中尺度的带状辐合区，滇中暴雨区处于湿Q矢量散度辐合中心附近，湿Q矢量散度中心值达-8×10^-16 hPa^-1·s^-3，Q矢量散度激发次级环流，辐合区对应次级环流的上升气流区，可见云南中部处于较强的气流上升区，强烈的上升运动为对流的发生发展提供了有利的动力条件，极有利于触发中尺度对流系统MCS发生发展，实况显示暴雨区多个MCS发生发展，暴雨区与湿Q矢量散度辐合大值区有较好的对应关系。

3.3 能量及大气稳定度条件

云南雨季平均在5月中下旬陆续开始，2014年春季及初夏云南出现异常高温干旱，雨季开始期明显偏晚，5月1日至6月5日持续高温少雨天气，多地最高气温先后刷新了历史纪录，低层大气已积累了大量能量，随着6月初孟加拉湾季风爆发，云南湿度猛增，大气不稳定环境明显改善。

K指数能表征大气稳定度及中低层水汽含量和饱和程度，K指数高值区综合反映出该区域的气团较周围大气暖湿而不稳定，利于该区域产生较强对流及降水。在业务工作中发现，云南区域内K指数对雷暴天气的预报指示意义较好，分析K指数的演变，发现在此次强降水前的08时，云南K指数就高达34~38℃，已达到成片雷雨指标(K>35℃)，14时K指数增长到36~40℃，20时(图 5a)达最强，K指数高达36~44℃。另在700 hPa上θ_se场(图略)云南暴雨区处于高能湿舌前端θ_se锋区前方暖区一侧，20时θ_se值高达351~357 K，云南已处于高能高湿的环境中。重点分析主要暴雨区内位于滇中的昆明探空站T-lnp图(图 5b)看出，在暴雨全面发展前，昆明站已转为对流性不稳定层结，CAPE值达到1050 J·kg^-1，且θ_se500-θ_se800为-9℃；风矢图上，700 hPa是东南风为暖湿层，高层500~400 hPa为偏北风表明有干冷平流入侵，低层湿而中高层干冷，上层300~200 hPa风向顺转为偏西风，风向垂直切变明显，这种配置结构十分有利于强对流发生，在冷锋及切变线触发下，强大的不稳定能量得以释放，沿冷锋切变线有多个MCS对流云团生成发展，这是此次强对流暴雨伴随强烈雷暴的最重要原因。

4 地面辐合线

孙继松和陶祖钰(2012)指出地面辐合线是触发对流的重要因子，地面辐合线的运动与雷暴移动方向一致；徐珺等(2014)、孙建华等(2015)、孔凡超等(2016)研究发现地面辐合线在中尺度对流系统的触发和维持方面起着重要作用。为此通过跟踪经过观测质量控制的地面自动站风场(其中风速的质量控制采用界限值检查、范围值检查、内部一致性检查和持续性检查等方法，风向的质量控制采用界限值检查、持续性检查等方法)来进一步认识地面辐合线对中尺度对流系统的触发作用。2014年6月6日08—14时云南几乎没有对流活动，14时(图 6a)开始，地面偏东风携带的冷空气沿两个方向向暴雨区推进，一支沿四川南部的金沙江河谷向丽江东部移来，另一支从云南东部向西推进到楚雄、昆明、玉溪、红河一带，由此形成的辐合线后部对应冷平流，其前方为暖湿区，地面辐合线触发对流发生，在其附近有对流泡生成，17—20时(图 6b，6c)，丽江的地面辐合线向南移动，而滇中的地面辐合线向西移动，此时段对流发展明显，已有降水出现，地面辐合线维持到7日05时(图 6d)，05时后地面辐合线断裂破碎趋于减弱，08时后消失。由于受西北—东南走向的哀牢山阻挡，地面辐合线未能越过哀牢山，但在地面辐合线西移过程中，其后部的偏东气流沿哀牢山东坡爬升，哀牢山东坡的地形强迫抬升同时加强了对流发展。可见地面辐合线先于700 hPa切变线影响云南，是触发对流系统生成的重要因素，随后南下的切变线加强并维持了对流活动，造成强降水天气。

5 卫星云图的中尺度特征

在有利的天气环境条件下, 强对流暴雨天气是中尺度天气系统造成的。卫星云图能体现出各种天气尺度系统的发生、发展和消亡过程。根据通用的Orlanski(1975)尺度划分标准，中尺度天气系统从2~2000 km。其中200~2000 km为α中尺度系统，20~200 km为β中尺度系统，2~20 km为γ中尺度系统。为便于在云图中确认中尺度对流系统，依据杨舒楠等(2017)的定义方法，定义TBB≤-32℃为冷云罩，TBB≤-52℃为冷云区。本文通过分析FY-2E卫星逐时红外云图及反演的TBB资料，找出这次暴雨过程的中尺度对流系统。

2014年6月6日下午，随着地面冷锋先期南下西移，受其触发，在锋面附近有多个对流单体生成。17时位于丽江的A云团和位于楚雄的B云团发展迅速，云顶亮温下降，对流单体发展成MβCS，TBB≤-32℃的冷云罩面积约3.0×10⁴~4.9×10⁴ km²，A、B云团都向南发展移动，A云团最低云顶亮温-52℃，冷云区位于云团西南部边缘，B云团最低云顶亮温-61℃，冷中心位于云团南部边缘(图 7a)。到19时，TBB≤-32℃的冷云罩面积进一步增大，A、B云团云顶亮温急速下降到-57和-71℃(图 7b)。在两个MβCS南移方向的前沿TBB等值线密集区梯度最大处产生了短时强降水，18—19时丽江市宁蒗县宁利乡小时雨量为55 mm，19—20时楚雄市禄丰县大监站小时雨量92.9 mm，成为其小时雨量历史极值。同一时期位于玉溪市的MβCS对流云团C和位于红河州的MβCS对流云团D也在发展，但移动不明显，呈准静止状态，云顶亮温分别为-52和-56℃，且都处于MβCS云团靠中心的部位，但TBB等值线梯度不如A、B云团大，虽然出现雷阵雨，但小时雨量只在5~10 mm，雨强不算太大。

20时后(图 7d, 7e)，随700 hPa切变线南移到滇中一线，中尺度对流系统最终被组织起来。A云团缓慢发展，B云团继续南移发展，TBB≤-32℃的冷云盖面积继续增大，其前沿的TBB密集区南移进入玉溪市北部的易门县，MβCS对流云团边缘整齐，到23时，各个MβCS都相对独立，但都处于明显发展期，最低云顶亮温多降低到-70℃左右，冷云罩面积增大，TBB梯度加大，此期间强降水全面发展，强降水面积增大，到7日00时(图 7c)，冷锋切变附近的MβCS基本连为一体，最终被组织成一条西北—东南向的中尺度对流系统，发展到成熟阶段并维持了2 h，从快速发展到成熟期间，频繁出现短时强降水，如暴雨中心的易门县大监站出现连续3 h的短时强降水，22时小时雨量为26.5 mm，23时为34.9 mm，7日00时为29.6 mm，对照此阶段雨量分析看出，MβCS的TBB≤-52℃的冷云区范围与暴雨区对应较好。7日02时后带状对流系统分裂，云顶亮温升高，冷云罩面积减小，对流系统总体有所减弱，03时后虽然带状对流系统北段分裂减弱，但南段C、D云团合并后(图 7f)，在其结合部TBB等值线密集区梯度大处出现短时强降水，云团合并使另一暴雨中心的玉溪市元江县7日04时及05时出现小时雨量分别为35.8和49.7 mm的短时强降水。

综上分析，冷锋触发不稳定能量爆发，MβCS发生发展，切变线进一步发展加强了MβCS，最终组织成中尺度对流系统，从而造成强降水天气，MβCS的TBB≤-52℃的冷云区范围与暴雨对应较好。强对流暴雨易发生在TBB等值线密集区梯度最大处，短时强降水易发生在MβCS移动方前沿的对流活跃区，对流云团最低云顶亮温愈靠近云团边缘，TBB等值线梯度愈大，其移动发展方向前沿的区域与短时强降水区域对应较好，雨强变化与TBB等值线梯度变化密切相关。

6 多普勒雷达回波特征与地闪活动

卫星云图能较好地追踪α中尺度及β中尺度的MCS，但对于γ中尺度的MCS，由于其时空尺度更小，目前卫星的时空分辨率还难以对其进行追踪。多普勒雷达是目前比较先进的高灵敏度的大气探测设备，它除了能够提供降水粒子的反射率因子(强度)的大小，还提供了降水粒子沿雷达径向的运动信息，对揭示云体内部的中小尺度天气系统的活动具有明显的优越性。另外闪电定位仪观测资料也投入业务应用，为对流系统的追踪又多了一种有利工具。分析云南6部CINRAD/CC多普勒天气雷达反射率因子拼图资料及单部雷达体扫资料综合看出，2014年6月6日下午随冷锋南下，锋线附近出现分散的对流回波，并沿锋线逐步组织及发展，丽江东南部金沙江沿岸的对流单体率先发展起来，从6日14时丽江探空站测风(图略)看出，500~300 hPa都为西北气流，风暴承载层平均风向为西北风，到20时昆明探空站测风也显示出风暴承载层平均风向为偏北风，由于对流单体生成后沿风暴承载层的平均气流移动(俞小鼎，2012)，跟踪回波显示对流单体以30~40 km·h^-1的速度朝东南方向移动，并不断发展(图 8a)。伴随700 hPa切变线南移到滇中一线，对流回波持续发展并加强，最终被组织成带状多单体群(图 8b)，回波强度在35~45 dBz，最强回波49 dBz对应禄丰县92.9 mm的短时强降水，强回波多集中在4~6 km高度，回波结构质心低，强回波多处于0℃层上下，以液态水粒子为主，因而降水效率高，这是此次暴雨过程多短时强降水发生的重要原因；另外，强回波顶高普遍超过12 km，因而出现大范围强雷暴，然而没有出现回波悬垂，三体散射等结构，这是没有出现冰雹的重要原因。

以昆明多普勒雷达体扫资料结合地闪资料，重点分析滇中暴雨区中小尺度对流活动看出，18时楚雄境内径向速度场显示出存在风的辐合，此时已有多个中小尺度对流泡生成，回波强度在35~45 dBz，回波顶高超过10 km，相应出现负地闪且地闪次数呈增加趋势，如暴雨中心禄丰县出现负地闪645次，此时禄丰还未降水，但指示出风暴处于强烈发展阶段。发展较强的中小尺度天气系统往往与风场的旋转或辐合有关，辐合流场对积云对流活动有明显的增强作用(张培昌等，2001)。可见回波还会发展，19:01—19:46，楚雄市禄丰县出现短时强降水，19:28径向速度场显示有一条15 km的γ中尺度辐合线形成(图 9a白色箭头所指)，此辐合线附近回波增强到49 dBz达最强，回波顶高进一步抬升到16 km，此小尺度雷暴单体已发展成熟，对应负地闪呈密集的团状分布(图 9b)，19时禄丰负地闪频数猛增到1629次达峰值，可见强烈的上升气流触发不稳定能量迅猛释放使得地闪活动异常激烈，形成负地闪密集区，短时强降水和雷电就发生在中尺度辐合线附近。20时后，负地闪随强回波南移进入易门县，到22:02，在易门县有多条10~15 km的γ中尺度辐合线形成，到22：43(图 9c)同样对应着一团负地闪密集区形成，22时易门负地闪多达248次，7日01时后负地闪频数有所下降。易门境内中尺度辐合线及负地闪密集区维持了3 h，对应易门出现雷电天气和连续3 h的短时强降水，分析期间22：43过易门暴雨区的反射率因子垂直剖面图(图 9d)发现，与雷暴对应的强降水回波顶高达到13 km，而强降水回波达45 dBz，强回波分布在6 km高度以下，显示出低质心结构特征，因而降水效率高。7日01时后，易门的中尺度辐合线消失，对应出现正地闪，短时强降水转为一般性对流降水，雷电活动也趋于减弱。

总体看来，这次中尺度强对流系统造成暴雨过程，期间伴随着多个γ中尺度辐合线及第二类γ中尺度辐合区活动，回波强度在35~45 dBz，回波顶高普遍超过10 km，最高达16 km左右，这是雷暴发生的重要雷达指标，也可作为短时临近预报雷电预警的参考依据，强回波区域质心低，中尺度辐合线附近负地闪密集区对应短时强降水，在短时临近预报时也可作为判识暴雨落区的预报指标。此外，对流回波反射率因子减弱，回波顶高下降到10 km以下，负地闪锐减或其附近出现少量正地闪，指示着对流系统减弱。

7 结论

(1) 500 hPa前倾槽形势下，地面冷锋及700 hPa切变线的共同作用引发此次云南强对流暴雨过程，强降水落区与700 hPa切变线和冷锋走向一致。此次暴雨过程切变线与冷锋没有越过哀牢山，系统移速快、持续时间短，没有低空急流参与，降水强度大但持续时间较短。

(2) 在满足暴雨必需的水汽条件下，异常强的高能高湿环境及有利的垂直风切变配置促成强烈的对流不稳定层结，地面冷锋、700hPa切变线的剧烈抬升触发不稳定能量释放形成强降水，水汽通量散度及湿Q矢量散度辐合区与暴雨区对应较好。

(3) 卫星云图上多个MβCS单体沿冷锋切变线发生发展，最终组织成带状中尺度对流系统，从而造成强降水天气，MβCS的TBB≤-52℃的冷云区范围与暴雨对应较好。短时强降水易发生在MβCS移动方前沿的对流活跃的TBB等值线密集区，其移动发展方向前沿的区域与短时强降水区域对应较好，雨强变化与TBB等值线梯度变化密切相关。

(4) 在β中尺度对流系统背景下，多普勒雷达速度图上先后出现的多个γ中尺度对流系统如中尺度辐合线、第二类γ中尺度辐合区等，是暴雨产生的直接影响系统。回波强度在35~45 dBz，回波顶高超过10 km，强回波集中在中层，中尺度辐合线附近及第二类γ中尺度辐合区配置的负地闪密集区对应短时强降水和雷暴天气。

(5) 在业务预报中，结合非常规观测资料的综合分析有助于提高强对流暴雨的临近预报水平，如地面辐合线触发MCS生成发展后，地闪观测资料与卫星雷达资料结合分析，在冷云区内中尺度辐合线、第二类γ中尺度辐合区附近负地闪密集区往往指示着暴雨落区。