2002年8月22日04 :00~18 :00(北京时，下同) 从曲靖西南部、昆明南部、玉溪到思茅北部为一条NE —SW向的中尺度强降水雨带，雨带内均为中雨以上降水，大到暴雨主要出现在昆明南部、玉溪和思茅东北部，雨区具有典型的中尺度带状特征，这种狭长降水带持续长达14 h，在云南历史上比较少见。

21日08 :00在500 hPa (图 1a) 上从四川南部、楚雄到思茅存在NNE —SSW的中尺度低涡环流，低涡环流以东为偏南气流控制，相应在700 hPa (图 1b) 上在成都、楚雄到思茅是一个NNE —SSW向倒槽，倒槽以东地区为偏南气流控制，20 :00(图略) 偏南气流控制的范围西扩。由此可以看出强降水雨带长轴走向与高空的倒槽或低涡环流平行而偏于副高外围偏南暖湿气流一侧，并平行于高层引导气流 (一般指500 hPa高度附近的高空平均气流)，副高外围偏南气流为中尺度雨带的维持提供了充沛的水汽。

图 1

图 1. 2002年8月21日08 :00流场分布 (粗虚线为强降水雨带 (单位:mm)) (a)500 hPa, (b)700 hPa

8月21日22 :30在副高外围偏南气流一侧滇中南部和东部的曲靖、昆明东部和玉溪就开始生成分散对流回波，强度≤20dBz。到22日01 :47(彩图 2a)，之后逐渐演变为长约225 km、宽约30 km的NNE —SSW向窄带状回波，位于曲靖、陆良、石林、玉溪到通海一线，回波单体偏北移并且不断发展。03 :01(彩图 2b) 带状回波结构更加密实，强度达到30~35 dBz，位置几乎不变，但从连续跟踪带状回波演变来看，可能是由于副高增强西伸使新生回波源地偏西的原因，回波带略西移。07 :44回波带宽度扩宽并且逐渐西移位于曲靖、昆明、玉溪到红河北部，形成长约450 km，宽约45 km、强度35 dBz的带状回波，强回波主要在南段，即昆明、玉溪到红河北部。09 :00~12 :00带状回波发展到鼎盛阶段，南段和北端回波结构非常密实，强度都达35 dBz，并且带状拓宽达95 km。之后，一直维持在这一区域直到19 :00减弱消失。从07 :12~10 :29(彩图 2c、d、e、f、g、h、i、j) 的带状回波动画显示还可以看到带状上的每个对流单体似乎沿着带状回波轴线移动，带状回博的南端不断有新的对流单体生成补充，北端对流单体不断减弱消失，所以带状回波始终维持在同一位置。13 :54(彩图 2k) 带状回波开始减弱，降水也开始减弱。首先是北端的回波分裂减弱，回波带逐渐变窄缩小松散，然后回波带北段减弱消失，到19 :00整条带状回波彻底减弱消失，降水随之停止。主要降水时段出现在带状回波的发展加强阶段22日04 :00~14 :00，如昆明08 :00~09 :00降水9.1 mm、玉溪05 :00~12 :00降水44.3 mm、澄江08 :00~10 :00降水23.9 mm、墨江04 :00~11 :00降水59.8 mm。可见整个过程带状回波并不强，但由于长时间维持造成强降水雨带。

图 2

图 2. 2002年8月22日带状回波演变过程（PPI观测仰角为1.5°，距离间隔每圈50km）

图 3(彩图) 给出了VPPI的几个图例，风场是不均匀风场，但风场的识别与均匀风场比较相似。在22日03 :01(图 3a) 中带状回波未过雷达站，很难判断低层的风场，但在雷达站东部带状回波上84.8°，25.8 km到100.6°，50.6 km出现了一条ESE —WNW向的零速度线能识别出来，零速度线在带状回波的中间，带状南端为一致的负速度区，而北端为正速度区，以零速度为中心呈对称分布。根据文献[1]表明高空盛行偏南风，在1.2 km (其中雷达站天线海拔为2.4 km) 高度上出现12 m·s^-1的偏南风，表明高空出现了偏南急流，随着带状回波西推经过测站，就可以清楚地看到零速度线的变化；在09 :26(图 3b) 带状回波过雷达站，虽然零速度线不太规则，总体上可以看出零速度线大致呈E —W向分布，并且正负速度几乎对称分布。较低层风随高度顺转，为南偏东到高层的南偏西风，并且偏南风速随高度增加。在玉溪到澄江之间大片负速度区中包含了正速度，表明靠近雷达一侧为辐散区，远离雷达一侧为辐合区，出现了辐散辐合共轭体风场结构的逆风区特征。根据张沛源等^[2]的研究认为:逆风区反映了局部整层抬升或强对流内的上升气流引起的水平动量交换过程，这种动量交换影响了水平辐散辐合的强弱和分布，造成中尺度垂直环流的形成，有利于低层水汽的向上输送，也有利于降水粒子的降落。11 :53(图 3c) 呈现出明显的“S”型零速度线，但SSE风较浅，仅出现在0.4 km以下，同时在带状回波上34°，102 km到34°，143 km的地方出现了速度模糊，SSW风速达13~14 m·s^-1，风向210°左右，表明高层 (2.4~2.6 km) 存在偏南急流，有充沛的水汽随着带状输送。12 :29(图 3d) 雷达站东南部的逆风区扩大，同时带状回波北侧的偏南气流范围扩展，形成比较深厚的急流层结，SSW风速达14~15 m·s^-1，以上时段相应地面出现了强降水，10 :00~12 :00玉溪降水18.0 mm，澄江9 :00~10 :00降水13.8 mm。15 :18(图 3e) 零速度线的变化已消失，整层转为WNW —ESE向不规则零速度线，在2.5~3.3 km高度之间也存在速度模糊，但急流深度明显缩小，并且变得不连续，SSW风速缩小为13~14 m·s^-1，表明整层都转为SSW风，高空存在的SSW急流逐渐减弱，风向不再顺转，整层盛行SSW风，相应带状回波开始逐渐减弱。

图 3

图 3. 2002年8月22日径向速度分布 （观测仰角为1.5°，距离间隔每圈50km）

如果忽略零速度线的不规则变化，在VPPI径向速度图上最显著的特征是零速度线通过原点近似呈WNW —ESE向分布，始终出现在带状回波的中间。带状南端为一致的负速度区，而北端为正速度区，负速度区、正速度区几乎呈对称分布。仅仅是在同一高度层北侧正速度值总是大于南侧负速度值，这可能是由于南侧不断有新的对流单体生成，产生一个正速度抵消了一部分负速度的缘故。偏南暖湿气流源源不断顺着带状输送，这样非常利于带状回波的维持和发展。而事实上零速度线具有不规则性，强降水主要发生在低层风随高度顺转 (暖平流)、高空有急流和出现逆风区的阶段。

图 4(彩图) 是经过VAD技术反演的风向、风速随时间变化的垂直廓线。可以看到风随高度顺转一直存在，从06 :41开始出现，由低层SSE气流转为高层的SSW气流，表明有暖平流存在，正好与强降水时段相吻合，说明暖平流对带状回波的加强和强降水形成的重要性，直到15 :18风向顺转基本结束，整层都为SSW气流。同时还可以看到高空一直有SSW急流，并且急流随时间由高层向低层渗透。

图 4

图 4. 2002年8月22日VAD反演垂直风廓线 (ND表示无数据)

根据风暴运动理论^[3]，风暴的运动是由平流和传播合成的，即

(1)

其中为风暴的运动方向，为风暴的平流运动方向，即为对流单体的运动方向，单个对流单体是随着风暴承载层的平均风方向而作平流运动的，随着引导气流方向 (一般指500 hPa高度附近的高空平均风方向) 平流运动；表示风暴的传播方向，在风暴某侧由新生单体引起的风暴运动就是风暴的传播运动。带状回波类似于多单体风暴，因此满足同样的关系。

在此次过程中，从上文分析可知高空盛行SSW风，表明带状回波承载层的平均风为SSW风，单个对流单体就会顺着偏南引导气流向偏北方向移动，即带状回波的平流运动向偏北方向；而南端不断有新的单体生成，表明带状回波的传播运动向偏南方向，因此可见带状回波的平流运动与传播运动方向正好相反。而带状回波走向呈NNE —SSW向，正好与引导气流平行，对流回波单体就沿着带状移动，整条回波带移向与带状方向一致，带状内对流单体不断进行新陈代谢，旧的对流单体在前沿达到成熟之后不断减弱消失，南端不断有新生对流回波来补充，致使回波带很少移动；另外随着副高增强西伸，新生对流单体略偏西，方向略偏西，致使回波带略偏西移。

由此可见，在副高外围的偏南气流中一条NNE —SSW向的带状回波从生成到减弱消失，历时近18 h。由于回波带的平流运动方向与传播运动方向相反，回波单体随着回波带向北移动，北端不断有成熟的回波单体减弱消失，南端不断有新回波单体生成补充到带状回波中，使带状回波长时间始终维持在曲靖、昆明、玉溪到红河北部一带；同时风随高度顺转，出现暖平流结构以及高低空急流和逆风区的存在为带状回波的维持和发展提供了有利的环境条件。

带状回波之所以能在同一区域维持了近18 h必定有一定的环境条件支配着，湿位涡是表征大气动力、热力、水汽诸项要素的综合物理量，最近在暴雨和中尺度方面得到普遍应用^[3~5]，本文就从这一角度出发对湿位涡进行诊断分析。

根据文献[6]，忽略ω的水平变化，p坐标下湿位涡 (MPV) 的表达式为:

(2)

其中ζ_p是垂直方向涡度，f是地转涡度，θ_e为相当位温。MPV的第一项MPV1是湿位涡的垂直分量，为湿正压项，其值取决于空气块绝对涡度的垂直分量与相当位温的垂直梯度的乘积。在北半球MPV1＜0，大气是对流不稳定；MPV1＞0时，大气是对流稳定的。最后两项为MPV 2，是湿位涡在等压面上的水平分量，为湿斜压项，已包含了水汽的作用，其值由风的垂直切变 (水平涡度) 和θ_e的水平梯度决定。

本文用500 hPa和850 hPa的资料计算700 hPa高度MPV 1和MPV 2(图 5) 的分布。

图 5

图 5. 8月21日20:00 700 hPa湿位涡 (单位:10-7·m2·s -1·k·kg -1, 粗线为强降水雨带 (单位:mm)) (a)MPV 1, (b)MPV 2

在带状回波形成和雨带出现之前21日20 :00的图上可知，湿位涡的正压部分绝对值明显比斜压部分绝对值大，因此湿位涡主要由MPV 1决定的，MPV 1的分布与湿位涡的分布大致相同，负值中心的位置也基本一致，但MPV2已经可以与MPV1相比拟，不可忽略。MPV1的分布图像表明 (图 5a)，MPV 1负值区主要在中南半岛、滇西到滇东北，在云南呈NE —SW向分布，它是与副高外围偏南气流北上的暖湿特性相联系的，反映了中低层不稳定大气的活动，滇南为正值区，是中低层高压控制对流稳定大气的反映。云南处于两种大气的交汇地带，其等值线在滇中一带相对密集，为一“锋区”，“锋区”上表现为弱的对流不稳定、对流中性或稳定层结。在MPV2的分布图像表明 (图 5b)，21日08 :00全省大部为MPV2正值区，仅在中南半岛到滇东边缘为MPV2负值区，在20 :00 MPV2负值区范围扩大，滇东北、滇中到滇西南形成一条NNE —SSW向的MPV2负值区，并且在滇东北和滇西南分别出现两个负MPV2的大值中心，它表明具有明显的风的垂直切变和θ_e的水平梯度，说明滇西南虽然是垂直稳定的，但出现了湿对称条件不稳定，而湿对称条件不稳定也是强降水天气的一个重要因子，同时使湿位涡 (MPV1 +MPV2) 的负值区向南扩大。从图中还可以看到带状回波及其造成的中尺度雨带出现在湿位涡“锋区”东南侧的对流中性和稳定区域，正好在湿对称条件不稳定区域内，这可能与本次过程无冷空气活动、仅由单一暖气团影响有关。从21日20 :00 θ_e500-θ_e850的二维平面图 (略)，云南省除滇东南和滇西北外都为负值区，表示处于潜在不稳定状态，其中思茅、昆明、玉溪、楚雄到大理为负值中心，θ_e500-θ_e850＜-6 K，表示具有强的潜在不稳定，也呈NNE —SSW向分布。从21日20 :00涡度的二维平面图 (略) 来看，思茅、玉溪、昆明、曲靖都为负涡度区。正是由于这些地区中低层为负涡度环流，使MPV1成为正值，但这些地区具有潜在不稳定和湿斜压不稳定，虽然降水前是对流稳定的，但当副高北抬外围偏南风加大，水汽条件充分时，常能引发中小尺度系统的形成与不稳定能量的释放，利于对流的发展，说明带状回波的形成和发展及出现的雨带与正压和斜压不稳定均有关系。因此，可以认为副高外围偏南气流不仅为带状回波的形成和发展提供了水汽条件，也提供了热力、动力条件。

(1) 带状回波北端旧的回波单体不断减弱消失，南端不断有新的回波单体补充，传播方向和回波单体移向几乎相反略偏左，使整个回波带少动，一直维持在同一地区。带状回波长轴方向与引导气流方向一致，有利于水汽向带状回波中输送，使带状回波长时间维持。因此，带状回波是造成云南此次NNE —SSW中尺度雨带的直接影响系统。

(2) 暖平流和偏南急流是造成此次中尺度雨带的主要雷达回波特征，同时还出现了逆风区等特征，这些特征都利于带状回波发展。

(3) 副高外围偏南气流提供了带状回波形成和发展的水汽和热力条件，高空倒槽提供了动力条件，湿位涡较好地说明了这一点。

(4) 带状回波的形成和发展及出现的雨带与正压和斜压不稳定均有关系，出现在斜压不稳定区和正压稳定而中低层为负涡度环流的潜在不稳定区中，因此斜压不稳定和潜在不稳定为中尺度雨带的形成和带状回波的发展提供了热力、动力条件。