引言

夏季，青藏高原东侧的四川盆地至长江沿江一带因常受高原涡和西南涡影响而成为涡旋状暴雨云团多发区。多年来，气象工作者对该区域涡旋云团及其产生的暴雨过程进行了大量卓有成效的研究，并取得丰硕成果^[1-4]。有研究表明^[5-7]，这类暴雨的结构表现为由对流单体和对流云团等组成的气旋式涡旋云团，呈对称或非对称涡旋结构，水平尺度约400 km，时间尺度约11 h。其云团的回波结构常表现为^[8-17]:有时在大的母涡旋回波结构中包含有若干子涡旋回波，这类回波的强降水多发生在涡旋状回波的东侧、南侧和涡旋头部，一般涡旋状暴雨云团向偏东北方向移动，其移速较慢，平均回波强度在40 dBz以上。然而，受观测条件限制，至今仍未完全弄清涡旋状暴雨云团发展演变的全部过程以及制约其生消演变的物理因子和作用过程。随着卫星反演技术发展，通过多通道、多光谱卫星资料，可反演出云顶粒子有效半径(R_e)、云顶温度(T)、云相态等云物理特征参数，据此可分析云的物理特征。Rosenfeld等^[18]提出了利用卫星资料反演云物理参数，结合云顶温度与云顶粒子有效半径关系分析云微物理特征的方法，并分析了对流云的垂直结构和云降水的物理过程^[19-20]。这一方法亦已应用于其他极轨卫星(如MODIS)的云微物理特征反演分析中^[21]，也被用于研究气溶胶对降水的影响^[22-24]。戴进等^[25]利用NOAA卫星资料反演T、R_e，通过T-R_e关系并结合天气、雷达、静止卫星等资料，分析了一次暴雨过程中云的微物理特征，结果发现，对流云团发展到成熟过程中存在云中冰化增长向下传递明显等特征。

2013年6月30日，受高原涡、西南涡、副热带高压(以下简称副高)及当年第6号台风“温比亚”共同影响，四川东南部遂宁和重庆西北部地区发生一次区域性特大暴雨(以下简称“6.30”遂宁暴雨过程)。孙俊等^[26]在研究此次遂宁特大暴雨成因时明确指出，当高原涡和西南涡发生耦合时会使高空低涡加强，形成涡旋状暴雨云团，从而激发了遂宁暴雨天气。然而，这次特大暴雨中涡旋暴雨云团和回波有哪些特征？南北涡旋云团和微物理演变特征存在哪些不同？这些特征与该地区短时强降水过程发生发展有何关联、对其有何指示意义？为了揭示这些问题，本文采用Rosenfeld等^[24]的卫星反演技术和云微物理分析方法，以“6.30”遂宁暴雨过程为例，利用MODIS卫星、多普勒天气雷达和地面观测资料，详细分析了涡旋状暴雨云团的演变特征。

1 资料收集与卫星反演及图像显示方法 1.1 资料收集情况说明

本文收集到的资料包括: (1) 2013年6月30日—7月1日每6 min一次的四川SWAN雷达资料，分辨率为1 km×1 km，该资料取自四川省气象信息中心；(2)国家卫星气象中心经过标定的当年6月30日10时59分(北京时，下同)、14时12分MODIS卫星1B数据(分辨率1 000 M)；(3)由四川省气象信息中心提供的经过订正的当年6月30日08时—7月1日20时地面小时雨量资料。

SWAN是构建在Micaps框架上的灾害性天气短时临近预报系统。其产品包括实况产品、分析产品、预报产品和检验产品，具有实时性强、频次高的特点。与常规气象资料、NCEP资料和天气雷达资料相比，该产品在强对流天气尤其是夏季短历时强降水、突发性灾害天气预报预警中具有无可比拟的优势。

MODIS是搭载在EOS卫星上的一个重要传感器(即中分辨率成像光谱仪)，是当前世界上新一代“图谱合一”的光学遥感仪器。相对以前的极轨卫星，MODIS性能优越、功能强大，具有时空分辨率、辐射分辨率、光谱分辨率高以及定标和定位处理良好的特点，使得其在很短的时间内广泛应用到灾害性天气监测领域，显示出很强的监测能力。

1.2 卫星反演方法

Rosenfeld等^[20]和Lensky等^[21]提出基于卫星反演技术的云微物理特征分析方法，通过假定条件进行时空转换，并据此分析云的垂直结构和云中物理过程。其假定条件如下: (1)各态历经假定，即某一时刻卫星在某一区域内观测到不同云块不同的T(或云顶高度)、反演的R_e可以认为是该区域中每一块云随时间发展的过程，即将空间分布信息看成时间变化信息。这一假定由Lensky等^[21]通过间隔3 min的MSG试运行期间的卫星快扫资料得到证实。(2)只要降水没有发生，云顶附近的R_e就与同一高度上云内R_e相似，如T=-10 ℃的R_e与T=-20 ℃云内-10 ℃高度上的R_e相似。通过T-R_e图可以了解云中微物理特征和垂直结构。为了与T-R_e特征相对应，将云中微物理过程简化为凝结增长、碰并增长、雨胚形成、混合相增长、冰化增长5个主要过程，这5个过程在T-R_e图上(图 1)对应的主要特征如下：

(1) 凝结增长过程带。T＞0 ℃，当云滴很小时可伸展到-10 ℃层以上，R_e通常小于10 μm，且随高度增长缓慢。在T-R_e分布图上表现为T＞0 ℃/-10 ℃、R_e＜10 μm、-dR_e/dT较小(＜0.4)。

(2) 碰并增长过程带。主体处于正温区(未达到冻结温度)，通常R_e＞10 μm，且随高度快速增长，表现为-dR_e/dT较大(＞0.4)。

(3) 雨胚(rainout)形成过程带。R_e稳定保持在20~25 μm，云滴最大值由云顶附近稳定的上升气流所决定，如果云滴再长大些，上升气流无法托住的云滴将下落到较低部位，并最终可能掉出云底。在T-R_e分布图上表现为R_e为20~25 μm、-dR_e/dT=0。

(4) 混合相增长过程带。T＜0 ℃，冰水共存，R_e随高度快速增长。在雨胚形成过程缺失情况下，混合相增长带和碰并增长带的界线模糊，根据飞机观测结果，确定温度界线为-8 ℃。

(5) 冰化(glaciation)增长过程带。云滴基本完全冰化，R_e到达较大值，且相对稳定少变，比雨胚形成带或混合相增长带下的R_e值要大。大粒子通过碰冻、淞附、聚并等形成雪花、霰、雹等。

1.3 RGB多光谱图像显示方法

利用多条通道信息的组合，可揭示云的类型、云顶粒子相态、云厚、粒子有效半径、云中气溶胶与云的相互作用等。将可见光反射率(红色)、3.7 μm通道反射率(绿色)和云顶温度(蓝色)赋予不同基色值，通过组合编码，形成类似RGB彩色图像。

2 降水实况

孙俊等^[26]对2013年6月30日—7月2日四川遂宁市特大暴雨成因初探认为，大暴雨是在高原低涡和西南涡耦合使高空低涡发展加强以及急流在四川中东部稳定维持下产生的。从6月30日08时—7月1日08时24 h累积雨量分布图上可见(图 2)，暴雨带大致呈南北向，四川西部、北部及重庆西北部24 h累积雨量达100 mm以上，其中四川遂宁降水最强，其日降水量(420.0 mm)为当地有气象记录以来6月最大日降水量，遂宁东南部老池区域自动站为510.9 mm，其中该站20时、21时1 h累积雨量分别达到88.4 mm和84.7 mm。

3 涡旋暴雨云团演变特征

为了揭示“6.30”遂宁暴雨过程中涡旋暴雨云团的演变特征，首先，分析涡旋状暴雨云团位置(有5条涡旋状回波分别在南北方向均形成螺旋雨带)和回波结构特征；然后，分析暴雨云团特征，再通过卫星反演其在不同阶段的微物理特征；最后，分析这些特征与降水的关系。

3.1 涡旋暴雨回波特征

图 3给出2013年6月30日—7月1日不同时刻SWAN雷达组合反射率因子拼图，从中可见这次中尺度环流系统涡旋暴雨回波的演变过程。6月30日08:06 (图 3a)，位于四川南部的低涡东南部有大片分散性回波产生和发展，其中心强度仅35 dBz左右；之后，对流回波逐渐加强；到11:00 (图 3b)，对流回波演变为尺度为300~500 km的涡旋暴雨回波，低涡东南部和东北部回波涡旋结构(见图中黑色虚线)十分清楚，强中心回波达到45~50 dBz，说明涡旋暴雨回波(此时共有5条涡旋暴雨回波，在图中分别编号为1、2、3、4、5)发展到成熟阶段，该回波移动缓慢，其涡旋特征明显。结合地面逐小时降水实况可知(图略)，第1、4、5号涡旋暴雨回波对应的地面区域降雨明显增强，雨强20 mm·h^-1以上的区域南北长220 km左右、宽30~50 km，雨强50 mm·h^-1以上的区域达1 000 km²左右，当日08—14时6 h累积雨量在50 mm以上的降水带呈西南—东北向，主要分布在成都、德阳、绵阳、遂宁、资阳、内江五市，其中遂宁本站达到189.2 mm，其西南局部区域站达310.1 mm，11时遂宁雨强达为54.2 mm·h^-1。30日14:12 (图 3c)，涡旋状回波缓慢东移，1—5号涡旋暴雨回波中心强度均有所减弱，但其范围维持不变，北部新增一条由分散性强对流单体组成的回波带6，这时强降水继续维持，15时遂宁雨强达26.2 mm·h^-1。30日20:00 (图 3d)，涡旋状回波缓慢东移，涡旋暴雨回波范围有所减小，大于45 dBz的强回波移到川渝交界处，但在低涡东侧回波的涡旋结构仍较清楚，此时地面降水实况显示(图略)，雨强20 mm·h^-1以上的区域南北长180 km左右、宽20~50 km，6 h(15—20时)累计降水量中心值达185.4 mm，遂宁本站为121.9 mm，20时老池区域站雨强最大达88.4 mm·h^-1。在涡旋暴雨回波东移过程中，其东南侧的多个对流单体相继扫过四川东南部的遂宁和重庆西北部，导致该地区多站出现大暴雨或特大暴雨。经分析发现，该涡旋暴雨回波的发展与500 hPa高原涡东移时川南低层西南涡系统的发展关系密切(图 2)。7月1日11:30 (图 3e)，遂宁地区回波强度减弱，涡旋中心弱回波范围扩大，涡旋暴雨回波进入消亡阶段，仅在其北部的回波带还较清楚。“6.30”遂宁暴雨过程涡旋状暴雨回波南侧的回波带在单部雷达上多表现为“多条平行带状回波”。

3.2 暴雨云团的结构特征分析

图 4a和图 5a分别给出6月30日10:59、14:12一天两次MODIS卫星RGB合成图像，图中1、2、3区分别对应涡旋暴雨云团区，第4区、5区分别表示V型缺口处和北侧的对流云团。由于极轨卫星的空间分辨率较高，多通道合成图比静止卫星红外云图包含的信息更多，也更适合分析云物理特征，其纹理、形状、大小、对流云中的对流泡(如图 4a和图 5a第5区云团中)清晰可见。从图 4和图 5中均可看到MODIS卫星所观测到的云层次清晰。10:59 (图 4a)，涡旋暴雨云区主要由高度较高的对流云和大的冰粒子冷云组成，呈亮红色，明亮且厚，整个云团还在向北和向东发展之中，地面对应的降水中心在积雨云中心位置，低云和多层云对应有0.1~5.0 mm·h^-1的弱降水区，暴雨云团北侧有一V型缺口，由高度稍低的弱积云组成，以洋红色为主，再往西北有一些对流单体发展，涡旋暴雨云团南侧由高度较高的薄卷云组成，呈暗红色，东侧降水强度较弱或为不产生降水的中云、积云。到14:12 (图 5a)，涡旋暴雨云区范围向北向东扩展，范围迅速扩大，东南侧出现大片薄卷云，对流云团发展到成熟旺盛阶段，东侧的中云范围有所缩减，而北侧V型缺口处出现成片积云区，以洋红色为主，范围扩大近一倍多，东西跨2个经度，南北跨3个纬度，但也分布较多浅黄色的过冷水云。结合同时刻的SWAN雷达拼图看(图 3b、c)，涡旋暴雨云团与北侧积云云团呈前倾结构，说明暴雨云团经历了先由弱积云云团发展到深对流云、再发展为云毡的过程。

3.3 暴雨云团的微物理特征

由上述对雷达回波的分析可知，在涡旋暴雨云团发展旺盛阶段有5条涡旋暴雨回波且呈现多单体和超级单体结构，其中南北方向各有1~3条。对这些回波带附近云团的微物理特征和演变趋势分析如下。

由T-R_e图可以了解云中微物理特征和垂直结构。6月30日10:59和14:12涡旋暴雨云团雨带第1、2、3、4、5区域的T-R_e图(图 4b和图 5b)中从左至右的黑色、蓝色、绿色、黄色至粉色曲线分别表示第5%—100%样本的R_e，每隔5%一条曲线，其分散程度反映出某高度上云性状(发展)的不均匀程度，分析时以第50%的T-R_e曲线代表云的整体状况。分析图 4b和图 5b可知：

(1) 涡旋暴雨云团发展时期，北部的1区和3区降水云带以及第4、第5积云区，从云底至-7 ℃层之间存在一个较厚的凝结增长带，R_e为5~10 μm，-7~-10 ℃层之间存在一个碰并增长带，其厚度小于凝结增长带(4~-7 ℃层)，R_e从凝结增长带的5~10 μm迅速增长到碰并阶段的15~25 μm，而南部2区的雨带碰并增长带(-1~-10 ℃层)厚度大于凝结增长带(3~-1 ℃层)厚度，表明南部以碰并增长过程为优势物理过程，有利于较快拓宽云滴谱，使得云滴迅速长大形成雨滴降落下来。

(2) 从图 5b中看到，涡旋暴雨云团成熟时期，4~-10 ℃层高度存在凝结增长带(4~1 ℃层)和碰并增长带(1~-10 ℃层)，碰并增长带厚度要高于凝结增长带厚度，同时-10 ℃高度以上存在一个深厚的冰相增长带(含混合相增长带和冰化增长带)，云的主体温度要小于-60 ℃，有的甚至低至-80 ℃，与凝结、碰并增长带相比，冰相增长带要厚得多，且混合相增长带中R_e快速增长，由15~25 μm增长到30~35 μm，然后保持稳定不变，说明冰水转化过程较快，进而表明在涡旋暴雨云团发展到成熟期，碰并过程和冰相过程均为成熟阶段优势云物理过程，有利于形成大量的冰晶或霰粒子及冰晶淞附成大冰晶，其降落时形成大雨滴，导致降水强度显著增强。

(3) 对比图 4b和图 5b可知，在同一高度上，14:12，50%粒子的R_e比10:59要大1~5 μm。10:59涡旋云团1、2、3的混合相增长带厚度分别为-11~-42 ℃层、-11~-44 ℃层和-11~-40 ℃层，到14:12，云团1、2、3的混合相增长带厚度为-10~ -34 ℃层、-10~-30 ℃层、-10~-33 ℃层。对比图 4b和图 5b北侧4、5积云区的T-R_e图看到，混合相增长带厚度分别由10:59的-11~-31 ℃层、-11~-30 ℃层变为14:12的-10~-30 ℃层、-10~-25 ℃层，随着云的发展，混合相增长带由厚变薄，晶化高度(冰化增长带的最低高度)逐渐降低，温度升高，冰化增长带增厚，这一特征与戴进等^[25]对暴雨云团在成熟期存在冰化增长带增厚且逐渐向下传递现象的分析结论一致，但与之不同的是，涡旋状暴雨发展到成熟阶段时，凝结增长带进一步向下退缩，其厚度进一步萎缩为4~1 ℃层，碰并增长带进一步向下传递，其厚度增长为-10~1 ℃层。这表明涡旋暴雨云团的降水云带对流云发展到成熟的过程中，碰并增长带和冰化增长带均在下传，云中碰并和冰化增长带同时向下传递明显。

图 6分别给出不同时刻沿最强涡旋暴雨云团1即图 4a(图 3b)中线段AB和图 5a (图 3C)中线段CD所作的雷达反射率因子垂直剖面。从中看到，11:00 (图 6a)，南部由资阳至遂宁的暴雨雨带分布有8个对流单体，从南至北对流单体依次增强，但经过3.2 h后(图 6b)，上述8个对流单体从南至北依次减弱，即不断有新生单体移到遂宁并逐渐增强，从而形成“列车效应”。从上述T-R_e分析结果可知，涡旋暴雨云团的碰并增长带位于1~-10 ℃层，对比11:00 (图 6a)和14:12 (图 6b)两个时刻雷达反射率因子剖面图可知，两者-10 ℃层以下(500 hPa附近)、离地6 km高度碰并增长过程很充分，厚度约6 km。不过11:00时碰并增长层的回波强于14:12时的，这从遂宁站当日逐小时降雨量变化图上(图 7)也可得到证实，即11时雨强大于15时雨强，且强中心回波强度为40~50 dBz，其高度较低(位于3~5 km高度处)，强中心回波完全位于暖雨层中。同时看到，14:12强回波中心位于5~7 km，比11:00的2~3 km高，回波顶高为11~13 km，说明涡旋暴雨云团发展到成熟时期，-10 ℃以上存在一个深厚的冰相增长带，厚度约5~8 km，与对流云暴雨过程类似，发展到成熟期冰相为优势的微物理过程，有利于形成大量的冰晶或霰粒子及冰晶淞附成大冰晶，降落时形成大雨滴。与前述分析结果一致，云中碰并增长和冰化增长过程向下传递明显，对应较高的降水效率，利于快速形成降水，导致暴雨瞬时强度大。

从图 7中还可看到，10—17时遂宁出现了连续强降水，其间小时平均降雨量超过33.0 mm，最强(54.2 mm·h^-1)发生在11时。

4 结论与讨论

本文利用MODIS卫星、多普勒天气雷达和地面气象观测资料对“6.30”遂宁暴雨过程中涡旋状暴雨云团的回波和微物理等演变特征进行了详细分析。主要结论如下：

(1) 涡旋暴雨云团与北侧积云云团呈前倾结构，说明暴雨云团经历了由弱积云云团到深对流云、再到云毡的发展过程。

(2) 从南到北围绕低涡中心东侧最多有6条降水云带，以积层混合云降水为主，南部的降水云带碰并增长带(-1~-10 ℃层)厚度大于凝结增长带(3~-1 ℃层)厚度，北部降水云带刚好相反，这表明南部以碰并增长过程为优势物理过程，利于较快拓宽云滴谱，使得云滴迅速长大形成雨滴降落下来，且与一般性暴雨类似；涡旋暴雨云团的发展成熟期，冰相增长过程为优势云物理过程，利于形成大量的冰晶或霰粒子及冰晶淞附成大冰晶，降落时形成大雨滴，导致降水显著增强。

(3) 涡旋暴雨云团中最强云带位于南部的资阳至遂宁一带，分析雷达回波垂直剖面发现有8个对流单体分布在降水云带中，不断有新生单体移向遂宁，从南至北依次增强，形成“列车效应”，其成熟阶段-10 ℃层高度以下碰并增长和凝结增长过程都很充分，厚度为6 km左右，-10 ℃层高度以上存在一个深厚的冰相增长带，厚度5~8 km，这与一般暴雨过程类似；发展到成熟阶段，碰并增长和冰相过程均为优势微物理过程，云中碰并增长和冰化增长过程向下传递明显，有利于形成大量的冰晶或霰粒子及冰晶淞附成大冰晶，降落时形成大雨滴，这些特点利于快速形成降水，导致10—17时遂宁出现连续强降水。

“6.30”遂宁特大暴雨中涡旋暴雨云团与北侧积雨云团呈前倾结构，其微物理特征主要表现为南部以碰并增长过程为优势物理过程，利于较快拓宽云滴谱，使得云滴迅速长大形成雨滴降落下来；到发展成熟期，冰相增长过程为优势云物理过程，利于形成大量的冰晶或霰粒子及冰晶淞附成大冰晶，降落时形成大雨滴。涡旋暴雨云团的这些宏、微观特征在雷达回波图上多表现为“多条平行带状回波”，不断有新生单体移向遂宁，从南至北依次增强，从而形成“列车效应”，利于快速形成降水，造成短时强降水。然而，上述特点是遂宁地区本次过程特有的，还是不同地区强降水过程共有的，仍需要通过对更多个例的分析来验证。