1. 引言
雷暴等强对流天气是我国主要气象灾害之一，具有突发性强、空间尺度小、生命期短的特点，常伴随着短时强降水、冰雹、暴雨的出现，对航空运输、电力设施、通信设备及建筑物等造成不同程度的损害，严重时甚至造成人员伤亡。
针对强对流天气，Moller等 [1] 提出：强烈的垂直风切变有利于强对流天气的发生发展。涡度、散度、涡度散度平流和各层垂直速度等物理量能够作为动力参数引入雷暴的分析和预报。郑媛媛等 [2] 对特定的天气型进行细化，结果表明逆温层、中层干冷气流和强垂直风切变等条件对强雷暴的形成非常有利。孙继松、陶祖钰 [3] 提出温度平流对强对流天气的贡献最大，中高层的冷平流起着非常重要的作用。鲍旭炜，谈哲敏 [4] 提出雷暴系统的发展常与中尺度系统边界相互作用，地面大风常与地面中尺度辐合线密切相关。周博坤 [5] 认为雷暴作为春末以及夏季的降水来源，与此同时其危害也是巨大的，每年都会带来灾害，导致巨大的人员伤亡和财产损失，现如今搭乘飞机是十分普遍的，雷暴的形成对于飞行来说，其危害是巨大的，通过对雷暴的形成以及对飞行的影响进行了探究，为飞行带来更好的保护，避免不必要的伤害。赵尔阳 [6] 认为雷暴天气出现有着不同的成因，根据当地某日雷暴的气象数据，分析整个雷暴过程，总结出当地雷暴发生的原因。
在上述背景下，本论文利用NCEP NCAR 1˚ × 1˚再分析资料、中国气象数据网提供的昆明雷达站基本反射率资料，发生在对2017年7月1日云南昆明一次强对流天气引起的降水天气过程进行诊断分析，以期对强对流天气下强降水过程建立更深入、全面的认识，旨在为今后当地极端天气监测、预报预警提供参考。此外文中图片均为世界时，文内文字分析部分均采用北京时。
2. 本次强降水对机场的影响
受锋面过境影响，2017年7月1~3日，昆明地区出现一次中到大雨天气过程，并伴有雷暴、短时强降水、大风等强对流天气现象。受强对流天气影响昆明机场暂时关闭，由沈阳、乌鲁木齐、长春、济南、宜昌、大连、合肥等地经停重庆后前往昆明的10个航班不得不在重庆机场等待起飞，由重庆直飞昆明的4个航班也推迟起飞，并造成大量旅客滞留昆明机场。其中2日8时14分，由重庆飞往昆明的CA4433航班，在起飞30分钟进入云南境内后出现雷雨天气，航班被迫返航，近100名旅客不得不滞留重庆江北机场。直至2日17时后昆明雷雨有所减弱，滞留重庆机场的航班开始陆续飞往昆明，17是35分由重庆飞往昆明的CA4433航班安全起飞，这是重庆机场当天第一架飞往昆明的航班，延误了近9个半小时。截至2日19时30分，重庆江北机场受昆明此次强降水天气影响的航班才全部起飞前往昆明。
3. 环流背景
3.1. 高空环流形势
由于昆明的强降水在1日开始出现，研究强降水发生前后天气系统配置发现，1日20时(图1(a))，强降水过程开始之前，在500 hPa上，在我国山东省南部、河南省东部、安徽省北部以及江苏省北部出现闭合的气旋性环流，沿河南、湖北、湖南以及广西一线有一槽线，而在四川省西南部也逐渐形成一气旋性环流，此时云南省与广西省交界处为槽前西南气流，为云南地区输送了大量来自孟加拉湾的暖湿气流，与云南省境内的西北气流交汇较易形成强对流天气。至2日20时(图1(b))，槽线向东南方向移动，云南省境内全部转为西北气流，而此时四川省境内的气旋性环流逐步向东南方向移动，在四川省西部地区形成一横槽，此外西太平洋副热带高压东退较为显著，西伸脊点位于120˚E，25˚N附近，致使冷空气东移南下速度较快。
从700 hPa位势高度场和风场上(图1(a)、图1(d))可以看到，此次暴雨过程在加拉湾北部到中南半岛地区有较强的西南气流，为暴雨的发生、发展提供了充足的水汽。到1日20时(图1(c))，孟加拉湾北部的水汽输送维持，且来自南海的西南气流较强，表明此时水汽输送显著增强，而在云南省北部地区由于西南涡的影响有一浅槽；从风场的变化看，自湖南省南部至云南省北部之间有一切变线，随着时间推移，切变线南压影响昆明地区，在昆明地区有西北风和东北风的切变。至2日20时(图1(d))，来自孟加拉湾的水汽进一步输送至我国西南地区，而昆明附近切变线也进一步加强，为强对流天气提供了较好的动力条件。由以上高空环流形势分析可知，此次昆明地区强降水天气过程是由孟加拉湾输送来大量暖湿气流，为暴雨提供了充足的水汽条件，且在昆明附近出现一切变线为强对流天气的产生提供了较好的动力条件，而副高减弱东退加速了冷空气的东移南下，在这些有利条件的共同作用下造成此次昆明地区的强对流天气持续时间较长。
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 1. July 2017. Geopotential height and wind field of (a) 500 hPa at 20:00 on July 1; (b) 500 hPa at 20:00 on July 2; (c) 700 hPa at 20:00 on July 1; (d) 700 hPa at 20:00 on July 2
图1. 2017年7月。(a) 1日20时500 hPa；(b) 2日20时500 hPa；(c) 1日20时700 hPa；(d) 2日20时700 hPa高度场以及风场
3.2. 地面形势
由1日20时地面风场以及气压场的分析可知(图2(a))，由于高空槽后西北气流输送冷空气，云南省西北部的海平面气压场逐渐升高，高层干冷、中低层暖湿的配置加大了气层的不稳定性，有利于昆明强
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 2. July 2017. Surface pressure field at (a) 20:00 on 1; (b) 20:00 on 2; (c) 02:00 on 3; (d) 14:00 on 3
图2. 2017年7月。(a) 1日20时；(b) 2日20时；(c) 3日02时；(d) 3日14时地面气压场
对流天气的发生，且此时在重庆市西南部、四川省东南部以及云南省北部地区形成一锋面。至2日20时(图2(b))，昆明北部地区受气旋控制，降水区位于气旋的低压中心附近。到3日02时(图2(c))，锋面进一步东移南下，昆明也受锋面过境影响再次出现强降水天气。至3日14时(图2(d))，昆明地区逐渐转为锋后西北风，此次大范围的降水过程趋于结束。
由以上分析可知，地面锋面过境是此次昆明地区强降水天气过程的主要影响系统，而在高层西太副高东退、中层低涡和低层切变的共同作用下，导致了大气的上升运动，是形成本次降水过程的天气尺度条件。
3.3. 物理量诊断分析
3.3.1. 水汽条件
一个地区上空水汽含量的多寡对暴雨的产生、发展和结束有着直接的影响，同时某地降水的强度与该地上空整个大气柱的水汽含量有着紧密的关系 [7]。作为强降水过程发生的关键物理条件之一，是否有充沛、持续的水汽供应是诊断强降水过程必须要考虑的因素。云南省处于西南水汽大通道所经之处，大量水汽向北输送，均须经过云南省的上空，这使得云南省水汽条件在夏季较为充沛。
水汽辐合程度对暴雨的发生尤为重要，通过对700 hPa大气水汽通量散度以及水汽通量的分析(图3)发
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 3. 2017 700 hPa water vapor flux (arrow) and water vapor flux divergence (shadow) (Unit: 10−7 kg/m2·s) at (a) 14:00 on July 1; (b) 20:00 on July 2; (c) 02:00 on July 3; (d) 14:00 on July 3
图3. 2017年(a) 7月1日14时；(b) 7月2日20时；(c) 7月3日02时；(d) 7月3日14时700 hPa水汽通量(箭头)与水汽通量散度(填色) (单位：10−7 kg/m2·s)
现此次强降水过程中有极强的水汽聚集过程。7月1日14时(图3(a))，在700 hPa高度上云南省东部、贵州省西南部以及广西省西部是水汽通量散度的辐合中心，且对图中水汽通量分析可知，孟加拉湾地区仍源源不断地输送大量水汽至降水区，表明此时昆明地区水汽含量较为充沛。至2日20时(图3(b))，昆明市东南部地区的水汽通量散度的辐合区范围进一步扩大，其中心强度超过了−40 × 10−7 kg/m2·s，且水汽进一步向该区域输送。至3日02时(图3(c))水汽通量散度的辐合中心向东南方向移动，但云南省北部以及东部地区仍为水汽通量散度辐合区。至3日14时(图3(d))水汽通量散度的辐合区覆盖昆明市，其中心强度超过了−30 × 10−7 kg/m2·s，水汽通量有所减弱，但昆明地区仍处于水汽辐合地区。由以上分析可知，此次降水过程，昆明地区处于水汽辐合区水汽含量较为充沛，为强降水天气的发生提供了较好的水汽条件。
进一步分析整层大气可降水量可知(图4)，1日20时(图4(a))云南省北部以及四川省西南部地区大气可降水量超过90 kg/m2，而昆明周边地区也超过了80 kg/m2。到2日20时(图4(b))云南省大部地区大气可降水量迅速增加超过80 kg/m2，随着降水过程的不断持续，昆明地区的大气可降水量也不断增大，这也说明大气中的水汽含量也不断增加，为暴雨过程的持续提供了充足的水汽条件。至3日08时(图4(c))，大气可降水量超过80 kg/m2的范围有所减小，但云南省的大气可降水量仍维持在70 kg/m2以上，水汽含量仍较为充沛，仍有可能再次出现强将降水天气。至3日20时(图4(d))，云南省大部地区的大气可降水量再次超过80 kg/m2，且昆明市周边大气可降水量均维持较高水平。
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 4. (a) 20:00 on July 1; (b) 20:00 on July 2; (c) 08:00 on July 3; (d) 20:00 on July 3. The precipitable water vapor in the whole atmosphere (unit: kg/m2)
图4. (a) 7月1日20时；(b) 7月2日20时；(c) 7月3日08时；(d) 7月3日20时。整层大气可降水量(单位：kg/m2)
由比湿沿昆明机场剖面图可知(图5)，此次降水过程昆明机场上空700 hPa以下比湿均超过了10 g/kg，其中1日08时至20时700 hPa以下的比湿呈上升趋势，之后变化不显著但维持较高水平，其中在900 hPa以下超过了20 g/kg。2日20时至3日00时，比湿出现了短暂的下降，但低层大气中比湿仍较大。3日08时至20时，比湿再次上升，900 hPa以下超过了20 g/kg。
Figure 5. Specific humidity time-height profile (unit: g/kg) from 08:00 July 1 to 20:00 July 3
图5. 7月1日08时~3日20时比湿时间–高度剖面(单位：g/kg)
综上，降水开始前降水区中低层大气具有较好的比湿条件，较强的水汽通量，说明有大量的水汽由水汽源地被偏南气流输送至降水区，同时在较高水汽通量散度的作用下，输送来的水汽在降水区辐合上升，降水区附近为水汽的“汇”，为本次降水过程提供了充沛的水汽条件。
3.3.2. 动力条件
强烈的上升运动是暴雨发生、发展的重要影响因子，而动力条件通常用散度、垂直速度表征。图6给出了沿昆明机场垂直速度与风场的剖面，可以看到，2日08时至20时，昆明机场上空有强烈的垂直上升运动，且700 hPa以下为西南风，高层为西北风，高空槽在高层大气中引导冷空气南下，低层又存在充足的暖湿气流，在这样的配置下，斜压能量在中层得到大量积累，这种斜升区带来的斜压不稳定，有利于强对流天气的发生发展。而3日08时至20时，在昆明机场上空700 hPa高度上上升运动更加剧烈，这也与前文雷达资料分析相一致，此时昆明机场再次受雷雨天气侵袭。这种强烈的上升运动为昆明暴雨的持续提供了较好的动力条件。
图7表征沿昆明机场散度与涡度的剖面，由图可知，1日08时~20时，强降水开始时，昆明机场上空700 hPa上有较大的散度负值中心区，且在700~600 hPa高度层上为正涡度区，表明该区域有强烈的辐合上升运动。2日20时至3日08时，700 hPa上的散度负值中心范围进一步扩大，且正涡度区范围在扩大的同时，正涡度区已抬升至500 hPa高度层上，表明这段时间内昆明机场上空的辐合上升运动进一步加强，而在300 hPa以上的高空为负涡度区，表明高空有辐散运动。这种低层大气辐合上升，高层大气辐散下沉的大气运功，为暴雨的持续提供了较好的动力条件。
Figure 6. Vertical velocity (contour, unit: Pa/s) and wind field (unit: m/s) time-height profile from 08:00 July 1 to 20:00 July 3
图6. 7月1日08时~3日20时垂直速度(等值线，单位：Pa/s)与风场(单位：m/s)时间–高度剖面
Figure 7. Time-height cross-section of divergence (contour, unit: 10−6 s−1) and vorticity (shadow, unit: 10−6 s−1) from 08:00 on 1 July to 20:00 on 3 July
图7. 7月1日08时~3日20时散度(等值线，单位：10−6 s−1)与涡度(阴影，单位：10−6 s−1)时间–高度剖面
K指数可以表征大气热力不稳定度，由统计分析可知：K < 20℃，无雷雨；20℃ < K < 25℃，有孤立的雷雨；25℃ < K < 30℃，有零星的雷雨；K > 30℃，有成片的雷雨。由图8可知，1日14时(图8(a))，在云南省北部以及四川省西南部地区出现K指数大值区，其中心数值超过45℃，而云南省大部地区K指数也均超过了40℃。到2日14时(图8(b))，K指数超过40℃的区域范围进一步扩大，云南省全境均超过了40℃，表明此次雷雨天气过程范围较大。至3日14时(图8(c))，K指数超过45℃大值区进一步向东南方向移动，昆明机场北部地区K指数也超过45℃，昆明机场上空的大气不稳定程度进一步加强。而到了3日20时(图8(d))，K指数超过40℃的范围有所减小，此次强降水过程趋于结束。由以上分析可知，随K指数的增加，温度差也增大，这表明在垂直方向上的湍流运动增强，为此次强对流天气的形成与发展提供了较好的热力不稳定条件 [8] [9] [10] [11]。
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 8. (a) 14:00 on July 1; (b) 14:00 on July 2; (c) 14:00 on July 3; (d) 20:00 on July 3, K index (unit: ˚C)
图8. (a) 7月1日14时；(b) 7月2日14时；(c) 7月3日14时；(d) 7月3日20时，K指数(单位：℃)
4. 雷达基本反射率分析
由昆明地区雷达拼图可知(图9)，1日22时13分探测到昆明北部地区已经出现了大范围的强对流天气(图9(a)，图9(b))，其中心最强回波最大值已超过40 dBz，降水回波由西北向东南方向推进，逐渐靠近昆明地区。至2日15时07分(图9(c))，强对流回波已覆盖昆明地区，本次降水过程强度大、范围广、持续时间较长，有较强的破坏力，导致昆明机场关闭，对于航空运输造成较大的影响。至2日16时36分(图9(d))，降水过程短暂停歇，但昆明北部地区仍有较大范围的降水回波。由图9(e)，图9(f)可知，持续至3日07时55分，降水回波仍覆盖昆明地区。昆明此次强对流天气分布与降水落区基本对应，以短时强降水和雷暴为主，在昆明强降水中心附近，有集中的短时强降水和雷电活动，可见本次昆明的强降水性质为对流性强降水。
Figure 9. Radar mosaic combination reflectivity (unit: dBz) at (a) 22:13 on July 1; (b) 23:42 on July 1; (c) 15:07 on July 2; (d) 16:36 on July 2; (e) 01:42 on July 3; (f) 07:55 on July 3
图9. (a) 7月1日22时13分；(b) 7月1日23时42分；(c) 7月2日15时07分；(d) 7月2日16时36分；(e) 7月3日01时42分；(f) 7月3日07时55分雷达拼图组合反射率(单位：dBz)
5. 结论
1) 本次昆明机场出现的强降水过程具有突发性强、持续时间长以及破坏力大的特征，并伴随有频繁的雷电活动，为一次典型的强对流天气过程，导致昆明机场一度关闭，致使大量航班备降、延误等，大量旅客的行程延误并滞留机场，严重影响了昆明机场正常的航空运输。
2) 此次强降水天气过程，沿河南、湖北、湖南以及广西一线有一槽线，而在四川省西南部也形成一闭合的气旋性环流，昆明附近500 hPa上为槽后西北气流引导冷空气南下，导致昆明地区地面气温下降，副高减弱东退，配合冷空气东移南下，为此次强对流天气的发生提供了有利的基本条件。而在700 hPa上在云南省北部地区由于西南涡的影响有一浅槽，且自湖南省南部至云南省北部之间有一切变线，并逐渐影响昆明地区，为强对流天气提供了较好的动力条件。同时由孟加拉湾地区输送来大量暖湿气流，为暴雨的发生发展提供了充足的水汽。由于高空槽后西北气流输送冷空气，云南省西北部的海平面气压场逐渐升高。这种高层干冷、中低层暖湿的配置加大了气层的不稳定性，加之地面上锋面过境，为此次昆明地区强对流天气提供了有利的环流形势。
3) 强降水开始前降水区中低层大气具有较好的水汽条件，处于水汽通量散度大值区，有显著的水汽辐合，昆明地区处于水汽的“汇”，且昆明地区整层大气可降水量也一直维持较高水平。强烈的上升运动是暴雨发生、发展的重要影响因子，此次强对流天气过程中，昆明机场上空有强烈的垂直上升运动。在昆明上空的700 hPa上有散度负值中心区以及正涡度区，而高空为负涡度区，低层辐合高层辐散，为暴雨的持续提供了较好的动力条件。在此次强对流天气持续期间，云南省大部地区K指数均较大，尤其在云南北部地区中心数值超过了45℃，而昆明机场也处于K指数大值区附近，表明在垂直方向上大气湍流运动较强，也为此次强对流天气提供了较好的条件。
NOTES
*通讯作者。