廣西天等縣“5·28”極端特大暴雨中尺度成因初探

李華實，馬 智，黃秋豐，陸小曉，農(nóng)明哲

（崇左市氣象局，廣西 崇左 532200）

極端性天氣的頻繁出現(xiàn)，尤其極端性強降水時有發(fā)生，其引發(fā)次生災(zāi)害如洪澇、山體滑坡、泥石流等給人民群眾造成了巨大的生命財產(chǎn)損失，極端強降水預(yù)報一直是氣象工作者研究的重點和難點。2018 年IPPC 特別報告［1］指出，近年來全球升溫，極端天氣、海平面上升、北極海冰減少以及其他變化，造成的自然災(zāi)害異常嚴重，如果全球繼續(xù)升溫1.5℃，極端天氣更加頻繁，造成的自然災(zāi)害異常嚴重。諶蕓和孫軍等［2-3］對北京“7·21”特大暴雨進行極端性分析，認為在華北地形作用下暖區(qū)和鋒面降水得到增幅，干冷空氣的侵入使得對流云團發(fā)展更強烈，并探討極端性降水的短期和短臨預(yù)報思路。Jones［4］從東西風(fēng)異常和MJO 等角度，對加利福尼亞的極端降水進行探討。董顏等［5］從多模式可預(yù)報性對西南地區(qū)強降雨評估，為預(yù)報模式的解析應(yīng)用和改進提供參考；季曉東和漆梁波［6］則通過評估歐洲中心模式降水與EFI 指數(shù)，得出兩者在不同預(yù)報時效內(nèi)暴雨的預(yù)報效果；吳瓊等［7］利用數(shù)值模擬分析地形重力波拖曳對降水的增幅作用。張萍萍等［8］從氣象因子極端性等方面對湖北梅雨期極端降水進行特征分析，給出極端強降雨的概念模型以及相應(yīng)氣象因子異常度的閾值。在雷達同化技術(shù)方面，邱學(xué)興等［9］利用EnKF 循環(huán)同化雷達徑向速度資料，在一定程度上能模擬出深厚對流系統(tǒng)，對強降水落區(qū)可以較準確預(yù)報。王東海等［10］應(yīng)用切變風(fēng)和熱成風(fēng)的螺旋度在東北冷渦強降水預(yù)報業(yè)務(wù)中，計算簡化，效果優(yōu)于傳統(tǒng)螺旋度。

上述研究從不同角度探討了強降雨尤其極端性強降雨的特征及其可預(yù)報性，對我們的預(yù)警預(yù)報提供了思路。然而，不同地區(qū)不同天氣形勢下的極端性強降雨觸發(fā)機制和特征也不盡相同，本文擬綜合利用常規(guī)資料、ERA5 逐小時再分析資料（水平分辨率0.25°×0.25°）等，探究強雷雨云團發(fā)展的環(huán)流特征和物理環(huán)境場以及局地環(huán)流與地形作用，以及廣西崇左北部“5·28”極端強降水中尺度成因，為今后極端強降雨短期以及短時臨近預(yù)報提供一定的參考價值。

1 降水概況及影響

2019 年5 月26 日20 時至29 日20 時（北京時間BJT，下文同），崇左市出現(xiàn)一次強度大、強降雨落區(qū)集中的暴雨、局部特大暴雨的天氣過程，強降水主要出現(xiàn)在崇左市北部天等、大新兩縣，降雨量超過250mm 的有11 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，100～249.9mm 的有17 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，50～99.9mm 的有13 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，25～49.9mm 的有20個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，最大降雨出現(xiàn)在天等縣龍茗鎮(zhèn)龍英村為449.5mm（圖1）。

圖1 2019 年5 月26 日20 時—29 日20 時崇左市降雨量（色斑）和地形高度（陰影）

此次天氣過程特點：一是降雨強度大且強降雨落區(qū)集中，暴雨、大暴雨區(qū)集中在崇左市北部較高海拔的天等、大新兩縣，其中28 日天等站日降水量為266.2mm，為建站以來的歷史極大值，而南部主要以中到大雨為主。二是強降雨時段性明顯，最強降雨集中時段為28 日04 時到07 時，最大小時雨強出現(xiàn)在小山鄉(xiāng)86.2mm。

2 環(huán)流形勢背景

不少研究已表明［11-14］中小尺度對流系統(tǒng)的生消離不開大尺度環(huán)流天氣的制約與激發(fā)，對其環(huán)流形勢背景的分析有助于了解中尺度系統(tǒng)發(fā)展的有利背景。

2019年5月27日08∶00，200hPa南亞高壓強盛，環(huán)流清晰，廣西位于其反氣旋環(huán)流中心區(qū)域，高層輻散明顯，抽吸作用強勁［3］，有利于較長時間的垂直上升運動。500hPa 歐亞大陸中高緯地區(qū)為“兩槽兩脊”環(huán)流形勢，東部的東亞大槽分裂南下的高空槽影響中低緯度廣西，副高西北部邊緣高能量不穩(wěn)定區(qū)域影響廣西。中低層700hPa 和850hPa 低渦緩慢南壓至湘黔桂交界處，急流位于桂西南一帶往桂西北輸送暖濕水汽，且在桂西南一帶有明顯的氣旋性彎曲。此外，近地面層925hPa 輻合線南壓至桂北一線，在越南北部與廣西西南交界處，開始形成低渦環(huán)流系統(tǒng)，且強度在加強，并向東發(fā)展，這是強降水在崇左北部維持的主要原因之一。配合地面暖低壓發(fā)展，有利于倒槽鋒生，使地面中尺度輻合中心生成并長時間維持，觸發(fā)激烈對流。

3 中尺度環(huán)境場以及物理量分析

3.1 垂直不穩(wěn)定條件、對流參數(shù)以及能量分析

表1 表示27 日20 時百色和南寧探空站對流參數(shù)?？梢钥闯觯鹞髂蠞駥虞^厚，抬升凝結(jié)高度LCL較低，且低層幾乎接近飽和，南寧站上空700～600hPa 有弱的干層，南寧探空850hPa 和500hPa 垂直溫差較百色大，增強區(qū)域?qū)α鞑环€(wěn)定性，對短時強降水十分有利。百色和南寧探空站K 指數(shù)分別為36℃和35℃，說明桂西南具有強的對流潛勢。同時，桂西南0～6km 垂直風(fēng)切變較小，利于極端短時強降水的發(fā)生和發(fā)展。由于27 日20 時百色南部的極端強降水已經(jīng)發(fā)生，因此百色探空站CAPE（414.2J·kg-1）較小，但南寧探空站CAPE（1224.3J·kg-1）仍然較大，兩站的CIN 值較小，非常有利于桂西南強對流的觸發(fā)和維持。

表1 2019 年5 月27 日20 時對流參數(shù)

支樹林等［15］研究結(jié)果印證了暖云降水的微物理理論，即暖云層越厚，降水效率越高，而暖云層厚度取決于抬升凝結(jié)高度LCL 與0℃層高度之間的垂直厚度。從百色探空站資料可以分析，26 日至27 日百色抬升凝結(jié)日平均高度（08 和20 時平均，下同）從888.0hPa 大幅降到951.5hPa，而日平均0℃層高度則從5280.6m 較大幅度上升到5404.8m，數(shù)據(jù)表明，27 日夜間至28 日凌晨，暖云層厚度明顯增加，配合地面長時間維持的低層低渦以及地面中尺度輻合中心，高的暖云降水效率是造成28 日凌晨開始崇左北部出現(xiàn)極端強降水的重要原因之一。

壽紹文等［12］和梁紅麗等［16］指出大氣層結(jié)不穩(wěn)定條件產(chǎn)生強對流天氣重要因素之一，而假相當位溫（θse）能夠綜合表征大氣中能量與水汽條件，通過研究其水平和垂直分布可以定性判斷能量分布和大氣穩(wěn)定度狀態(tài)。從28 日02 時850hPa 假相當位溫場θse來看［7-8］（圖2a），廣西均處于高能量區(qū)，不穩(wěn)定能量較之前有所增大，桂西的不穩(wěn)定層結(jié)條件趨于最佳狀態(tài)。28 日05 時沿108°E 降水中心經(jīng)向-高度剖面（圖2b）顯示，強降雨中心處于強的對流不穩(wěn)定區(qū)，低層等假相當位溫線密集，呈現(xiàn)出明顯的能量鋒，主要位于22°～24°N，鋒區(qū)隨高度上升向北傾斜，暖濕氣流沿傾斜的鋒面爬升，冷暖空氣劇烈交綏，發(fā)生強烈降水。

圖2 （a）2019 年05 月28 日02 時850 百帕假相當位溫（單位：K）（紫色為廣西區(qū)域）和（b）05 時沿108°E 強降水中心的經(jīng)向－高度剖面

3.2 中尺度動力分析

鋒生函數(shù)是由水平運動項、垂直運動項、非絕熱變化項和摩擦等因素對鋒生作用的物理量，表征鋒區(qū)生消。由于非絕熱變化項和摩擦作用項計算復(fù)雜［16］，本文以θse為熱力參數(shù)從動力（水平運動、垂直運動）角度進行鋒生函數(shù)F 的簡化，并定義桂西區(qū)域為（105°～108°E，22°～24°N）：

從圖3a 可知，28 日05 時強鋒生仍位于崇左北部，與低層切變和地面中尺度輻合中心長時間維持對應(yīng)一致；從圖3b 顯示，桂西強動力鋒生起初位于875～600hPa，高度較高，持續(xù)性強降水尚未發(fā)生；27 日20 時左右，強鋒生高度迅速降低發(fā)展至地面，強鋒生維持時間較長（27 日20 時—28 日11 時左右），最強鋒生與強降水時段對應(yīng)一致，說明鋒生函數(shù)與強降水有較好的指示作用，對今后預(yù)報具有參考意義。

圖3 （a）28 日05 時850hPa 鋒生及925hPa 風(fēng)場；（b）桂西鋒生函數(shù)時間－高度剖面

從28 日02 時800～200hPa 垂直風(fēng)切可知，整個桂西地區(qū)處于弱切變區(qū)，甚至由于低層急流存在，南寧到崇左一帶出現(xiàn)負垂直風(fēng)切變。弱的垂直風(fēng)切變，有利于強降雨系統(tǒng)的維持，利于暖云降水的發(fā)展，正如前文所言，高效率的暖云降水又加強了降雨。

3.3 水汽條件分析

壽紹文等［12］和楊志軍等［17］研究表明極端性強降水的產(chǎn)生需要源源不斷的水汽補充，尤其是低層水汽的輸送或輻合。從850hPa 水汽通量和風(fēng)場來看（圖4），27 日23 時—28 日08 時桂西低渦環(huán)流明顯且長時間維持，移動緩慢。850hPa 水汽來源主要有兩支，一支來自孟加拉灣（偏南氣流），另一支來自南海（東南氣流），兩支水汽在桂西一帶長時間交匯，配合低渦環(huán)流呈現(xiàn)較明顯的水汽輻合［14］，與崇左市北部的極端強降水區(qū)較吻合。因此，強的水汽輻合以及偏南和東南氣流源源不斷的補充是此次極端降水的主要原因之一。

圖4 850hPa 水汽通量和風(fēng)場

4 局地環(huán)流與地形對降水作用探討

不少研究［18-21］已表明地形對降水有重要影響，由于地形對暖濕氣流的阻擋使其被迫抬升而降溫，凝結(jié)成更多水滴乃至雨滴，因此在迎風(fēng)坡面降水增幅較明顯，本小節(jié)擬對局地環(huán)流與地形對降水作用進行探究分析。

從邊界層925hPa 流場的分布圖（略）可以探討低層偏南和東南風(fēng)與地形的作用。從分布圖可知，強降水中心的天等地處云貴高原東南緣，其海拔相較崇左市中部、南寧市東部高，925hPa 低渦環(huán)流長時間維持且移動緩慢，在這有利的天氣尺度輻合上升運動背景下，低渦東南側(cè)的偏南氣流和東南氣流在崇左北部較高海拔地區(qū)系統(tǒng)性爬升，降水效率得到明顯提高；而由于缺乏輻合條件，偏南氣流爬升崇左南部的較高海拔地區(qū)后繼續(xù)往北輸送水汽，因此崇左南部較高海拔地區(qū)并未出現(xiàn)強降水。這在一定程度上說明局地環(huán)流與地形合理配置，才能產(chǎn)生高效率的降水增幅，局地環(huán)流與地形作用是強降水產(chǎn)生的重要原因之一。

5 結(jié)論

（1）200hPa 南亞高壓強盛，穩(wěn)定維持數(shù)日，廣西位于其反氣旋環(huán)流中心區(qū)域，高層輻散明顯，抽吸作用強勁，有利于較長時間的垂直上升運動。500hPa東亞大槽分裂南下的高空槽影響中低緯度的廣西，副高西北部邊緣高能量不穩(wěn)定區(qū)域影響廣西。中低層700hPa 和850hPa 低渦緩慢南壓至湘黔桂交界處，急流位于桂西南一帶往桂西北輸送暖濕水汽，且在桂西南一帶有明顯的氣旋性彎曲。此外，近地面層925hPa 輻合線南壓至桂北一線，在越南北部與廣西西南交界處，開始形成低渦環(huán)流系統(tǒng)，且強度在加強，并向東發(fā)展，是強降水在崇左北部維持的主要原因之一。配合地面暖低壓發(fā)展，有利于倒槽鋒生，使地面中尺度輻合中心生成并長時間維持，觸發(fā)激烈對流。

（2）桂西南濕層較厚，抬升凝結(jié)高度LCL 較低，700～600hPa 有較明顯的弱冷空氣的干侵入，850hPa 和500hPa 垂直溫差大，增強區(qū)域?qū)α鞑环€(wěn)定性，0～6km 垂直風(fēng)切變較小，CAPE 仍然較大，非常有利于桂西南強對流的觸發(fā)和維持。

（3）27 日夜間至28 日凌晨，暖云層厚度明顯增加，配合地面長時間維持的低層低渦以及地面中尺度輻合中心，高的暖云降水效率是造成28 日凌晨到上午崇左北部出現(xiàn)極端強降水的重要原因之一。整個桂西地區(qū)處于弱切變區(qū)，甚至由于低層急流存在，南寧到崇左一帶出現(xiàn)負垂直風(fēng)切變，高效率的暖云降水又加強了降雨。

（4）廣西均處于高能量區(qū)，不穩(wěn)定能量較之前有所增大，桂西的不穩(wěn)定層結(jié)條件趨于最佳狀態(tài)。強降雨中心處于強的對流不穩(wěn)定區(qū)，低層等假相當位溫線密集，呈現(xiàn)出明顯的能量鋒，鋒區(qū)隨高度上升向北傾斜，暖濕氣流沿傾斜的鋒面爬升，冷暖空氣劇烈交綏，發(fā)生強烈降水。桂西有明顯的水汽輻合，偏南和東南氣流源源不斷的輸送補充，造成了桂西的極端降水。

（5）崇左北部地處云貴高原東南緣，海拔較高，配合低渦環(huán)流南側(cè)東南氣流在此系統(tǒng)性爬升，降水效率明顯提高，是造成強降水的一個重要原因。