潮汕地區(qū)暖區(qū)暴雨分型及其環(huán)流形勢(shì)特征

劉泳濤，萬永建，陳映強(qiáng)，王潔瑜，林偉彬

（普寧市氣象局，廣東普寧 515300）

華南暖區(qū)暴雨一直是我國(guó)廣大氣象工作者研究的熱點(diǎn)，20世紀(jì)70年代末黃士松等［1］首次提出華南暖區(qū)暴雨的定義：一般是指發(fā)生在距地面鋒面200～300 km暖區(qū)一側(cè)的暴雨，或者是發(fā)生在西南風(fēng)和東南風(fēng)匯合氣流中，甚至無切變的西南氣流里，但是不受臺(tái)風(fēng)等熱帶系統(tǒng)控制，揭示了暖區(qū)暴雨的許多重要認(rèn)知。之后，我國(guó)進(jìn)行了多次大型野外科學(xué)試驗(yàn)，深入研究并總結(jié)歸納了華南暖區(qū)暴雨氣候特征、環(huán)流特征和中尺度系統(tǒng)等方面的理論［2-4］，為暖區(qū)暴雨精細(xì)化定量降水預(yù)報(bào)奠定了良好的基礎(chǔ)。

相比鋒面降水，暖區(qū)暴雨時(shí)空尺度小，低空多為南風(fēng)氣流控制，缺乏“鋒面、切變、低渦”等斜壓天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫，降水強(qiáng)度大，但預(yù)報(bào)信號(hào)弱［5］。林良勛等［6］根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)踐和典型環(huán)流特征將前汛期暖區(qū)暴雨分為3類：回流暴雨型、高空槽型和強(qiáng)西南季風(fēng)型；何立富等［7］總結(jié)提煉出3種華南暖區(qū)暴雨類型：邊界層輻合線型、偏南風(fēng)風(fēng)速輻合型，以及強(qiáng)西南急流型的天氣系統(tǒng)配置及觸發(fā)因子；劉瑞鑫等［8］在綜合已有分類的基礎(chǔ)上提出了一套面向整個(gè)汛期的暖區(qū)暴雨客觀識(shí)別方案，將177例暖區(qū)暴雨事件分為切變線型、低渦型、南風(fēng)型和回流型4類。此外，暖區(qū)暴雨的個(gè)例分析、氣候特征、中小尺度觸發(fā)機(jī)制、微物理過程變化等方面的研究也取得了不少成果［9-15］。

近年來，廣東省人民政府提出建設(shè)“汕潮揭城市群”的世界級(jí)沿海都市帶，推進(jìn)“汕潮揭”同城化，構(gòu)建點(diǎn)圈一體的城鎮(zhèn)發(fā)展格局。潮汕地區(qū)處于蓮花山脈南麓，南瀕南海，地勢(shì)自西北向東南傾斜，中南部以潮汕平原為主，東西兩側(cè)降水差異顯著，但目前單獨(dú)對(duì)潮汕地區(qū)的暖區(qū)暴雨研究仍不多見。為推動(dòng)潮汕地區(qū)同城化，發(fā)揮氣象防災(zāi)減災(zāi)第一道防線作用，有必要研究影響潮汕地區(qū)的暖區(qū)暴雨類型，分析不同類型暖區(qū)暴雨的影響程度和天氣形勢(shì)，以期提高對(duì)潮汕暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)能力。

1 暖區(qū)暴雨的定義和篩選

所用資料包括潮汕地區(qū)（揭陽、潮州、汕頭，下同）2009—2018年10個(gè)地面臺(tái)站常規(guī)雨量逐日、逐時(shí)觀測(cè)資料以及NCEP 1°×1°再分析資料。

目前，對(duì)于暖區(qū)暴雨的挑選仍然沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合暖區(qū)暴雨雨強(qiáng)大、降水集中的特點(diǎn)，本研究首先參考汪匯潔等［16］對(duì)持續(xù)性暴雨過程的挑選方式：挑選出潮汕地區(qū)的強(qiáng)降水事件，即站點(diǎn)日雨量≥50 mm、連續(xù)3 h雨量≥30 mm且3個(gè)時(shí)次逐時(shí)≥5 mm，剔除受鋒面降水和熱帶系統(tǒng)影響的個(gè)例。考慮暖區(qū)暴雨尺度小、局地性強(qiáng)，加之最遠(yuǎn)站點(diǎn)惠來、饒平相距104 km，僅單站出現(xiàn)上述情況便定義為一次強(qiáng)降水事件。

其次是暖區(qū)暴雨事件的篩選，參考黃士松等［1］、林良勛等［6］對(duì)暖區(qū)暴雨的定義：降水區(qū)域北部無鋒面或距離鋒面200 km以上，且又不受冷空氣或冷高壓脊控制時(shí)產(chǎn)生的暴雨。以代表站點(diǎn)（同個(gè)時(shí)次多站點(diǎn)滿足強(qiáng)降水事件條件時(shí)降水最大站為代表站）所在經(jīng)度做θse和溫度平流的垂直剖面分析，確定鋒面（θse密集區(qū)）、冷平流與降水的位置，以此挑選暖區(qū)暴雨事件。

1.1 暖區(qū)暴雨的時(shí)空分布特征

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)可知，2009—2018年4—9月潮汕地區(qū)暖區(qū)暴雨共出現(xiàn)75次，最多年份出現(xiàn)了11次（2017年），最少年份出現(xiàn)3次（2012年）。暖區(qū)暴雨事件在月際變化上呈單峰型，主要集中在前汛期5—6月，6月出現(xiàn)次數(shù)最多（25次）。從日變化上看，暖區(qū)暴雨事件平均持續(xù)4～5 h，其中最長(zhǎng)持續(xù)了10 h（2015年7月23日和2018年8月30日），接近50%暖區(qū)暴雨都是從夜間到凌晨開始，降水峰值也大多出現(xiàn)此期間。

潮汕背靠東北-西南走向的蓮花山脈，與南陽山和大南山系大致構(gòu)成了“人”字形地形，南瀕南海，地貌上以平原為主。從圖1可見，近10年暖區(qū)暴雨事件影響頻次總體呈自西南向東北遞減的趨勢(shì)，站點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)最多為普寧（年均4.1次）；其次為惠來、揭西，這3個(gè)地方均與蓮花山脈相鄰。Wang等［11］指出華南海岸帶如喇叭口、人字形分布的低矮地形非常有利于925 hPa的海洋超低空急流抬升以及中尺度對(duì)流觸發(fā)，因此當(dāng)邊界層分別為（西）南風(fēng)和（東）南風(fēng)時(shí)，易在惠來普寧交界和潮陽普寧造成對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展，造成不同的暴雨中心，同時(shí)也解釋了平原居多的潮州、澄海為何很少出現(xiàn)暖區(qū)暴雨的原因。

圖1 2009—2018年暖區(qū)暴雨影響頻次分布（次／年）（a）和潮汕地區(qū)地形（b）

1.2 暖區(qū)暴雨系統(tǒng)分型

由于暖區(qū)暴雨的定義和發(fā)生機(jī)制尚不明確，分類結(jié)果也不盡相同。本研究結(jié)合林良勛等［6］、劉瑞鑫等［8］和業(yè)務(wù)實(shí)踐情況，將其分為切變型、低渦型、南風(fēng)型和回流型共4類，分析暖區(qū)暴雨起始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的850 hPa形勢(shì)場(chǎng)及其對(duì)應(yīng)暖區(qū)暴雨中心位置。

①第1類為切變型暖區(qū)暴雨（圖2a），即暴雨區(qū)域位于850 hPa切變型以南的附近；

②第2類為低渦型暖區(qū)暴雨（圖2b），即暴雨區(qū)域處于850 hPa低渦環(huán)流內(nèi)部或附近；

③第3類為南風(fēng)型暖區(qū)暴雨（圖2c），即暴雨區(qū)域不受切變線和低渦直接控制，處于廣闊偏南氣流中的暖區(qū)暴雨；

④第4類為回流型暖區(qū)暴雨（圖2d），回流型挑選結(jié)合低層存在變性冷高脊出海后，后部氣流回流與西南風(fēng)輻合觸發(fā)，且降水區(qū)域主要受東風(fēng)回流影響。

圖2 切變型（a）、低渦型（b）、南風(fēng)型（c）、回流型（d）暖區(qū)暴雨850 hPa流場(chǎng)（流線）和渦度場(chǎng)（填色，單位：s-1）

統(tǒng)計(jì)可知，潮汕暖區(qū)暴雨事件主要影響類型為切變型和南風(fēng)型，分別為35和32次，低渦型和回流型出現(xiàn)次數(shù)最少，各為4次。切變型和南風(fēng)型這兩種類型在4—8月都出現(xiàn)過，但主要集中在5—6月龍舟水期間，分別對(duì)應(yīng)出現(xiàn)13和11次，這是由于南亞高壓北跳和西南季風(fēng)爆發(fā)后，充沛的水汽和不穩(wěn)定能量促使暴雨更易發(fā)生。在4—5月夏季風(fēng)尚未爆發(fā)，冷空氣減弱不明顯，容易形成冷暖空氣對(duì)峙，從而形成低渦。此外，冷高脊易出海變性回流造成強(qiáng)降水，因此回流型和低渦型多出現(xiàn)在4—5月。從空間分布上看，切變型、回流型和低渦型這3類暖區(qū)暴雨潮汕各地次數(shù)大致相同，南風(fēng)型暖區(qū)暴雨則集中在靠近蓮花山脈一側(cè)的普寧、惠來、揭西三地，這可能與邊界層多為（西）南風(fēng)以及地形有關(guān)。

2 暖區(qū)暴雨影響天氣系統(tǒng)及物理量特征

2.1 與200 hPa南亞高壓、高空急流的關(guān)系

丁治英［9］指出華南暖區(qū)暴雨與高空急流、南亞高壓有顯著的相關(guān)性。統(tǒng)計(jì)可知，71%的暖區(qū)暴雨事件中200 hPa有高空急流和南亞高壓與之配置，其中高空急流多出現(xiàn)在前汛期4—5月，而南亞高壓出現(xiàn)次數(shù)最為頻繁（35次，占比47%），尤其在龍舟水爆發(fā)期間，通常5月南壓高壓北跳到中南半島附近，潮汕地區(qū)多處于脊線東或東北側(cè)輻散扇形場(chǎng)中，加之南壓高壓的熱力環(huán)流結(jié)構(gòu)造成控制區(qū)內(nèi)大氣層結(jié)潮濕不穩(wěn)定、對(duì)流活躍。從類型上看，多數(shù)切變型和南風(fēng)型暖區(qū)暴雨均有南亞高壓或高空急流與之配置，可見南亞高壓和高空急流對(duì)這兩類暴雨的顯著影響。值得一提的是，均有75%的低渦型和回流型暖區(qū)暴雨分別出現(xiàn)在南壓高壓和高空急流的環(huán)流場(chǎng)中，但個(gè)例過少仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 500 hPa高空槽和副高對(duì)暖區(qū)暴雨的影響

在500 hPa上則常伴隨高空槽和副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱副高）出現(xiàn)，高空槽前輻散氣流極有利暴雨區(qū)域的水汽動(dòng)力抬升，另外副高的活動(dòng)也跟廣東的暴雨密切相關(guān)，在前汛期，暴雨的發(fā)生一般出現(xiàn)在副高的西部或西北部邊緣，根據(jù)500 hPa的主要影響系統(tǒng)分為3類特征：高空槽或波動(dòng)、副高邊緣、高空槽＋副高邊緣，天氣形勢(shì)大致可分為中高緯高空槽分裂南下影響潮汕；南支槽東移影響潮汕；中高緯高空槽分裂南下后與南支槽結(jié)合影響潮汕；副高穩(wěn)定維持甚至稍有西進(jìn)，潮汕受副高西側(cè)邊緣（西）南風(fēng)影響；副高穩(wěn)定維持，高空槽或南支槽持續(xù)東移影響潮汕。從表1可知，98%暖區(qū)暴雨發(fā)生時(shí)500 hPa均有低值系統(tǒng)發(fā)展或副高與之配合，其中高空槽出現(xiàn)66次，表明槽或波動(dòng)為暖區(qū)暴雨發(fā)生提供了有力的天氣尺度條件，槽前正渦度平流和西南水汽保證了動(dòng)力和水汽條件源源不斷的產(chǎn)生。500 hPa副高邊緣下南風(fēng)型暖區(qū)暴雨出現(xiàn)次數(shù)最多（6次），而低渦型和回流型均出現(xiàn)在有高空槽的天氣背景下，表明低渦型和回流型跟副高的聯(lián)系并不密切。

表1 暖區(qū)暴雨的500 hPa影響系統(tǒng)分布 次

2.3 暖區(qū)暴雨中低層觸發(fā)機(jī)制

暖區(qū)暴雨一般尺度為幾十到幾百公里，分析暖區(qū)暴雨時(shí)應(yīng)主要研究中低層觸發(fā)機(jī)制和物理量特征［6］。通過分析潮汕地區(qū)暖區(qū)暴雨發(fā)生時(shí)中低層天氣系統(tǒng)表明，64%的暖區(qū)暴雨事件中潮汕地區(qū)位于切變線附近或南側(cè)，表明切變線是暖區(qū)暴雨的最常見配置。另外，51%的暖區(qū)暴雨事件處于（西）南風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中，這也是目前暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的難點(diǎn)，僅有34%的暖區(qū)暴雨發(fā)生時(shí)出現(xiàn)（西）南風(fēng)急流，38%的低層南風(fēng)有明顯的風(fēng)速增大，更多暴雨發(fā)生時(shí)并沒有明顯風(fēng)速變化特征，但有21%的低層南風(fēng)出現(xiàn)近地面到850 hPa風(fēng)向順轉(zhuǎn)，揭示了暖平流所帶來的高溫高濕能量觸發(fā)了對(duì)流發(fā)生的指示意義。

從暖區(qū)暴雨分型來看，各類暖區(qū)暴雨常伴隨著多個(gè)影響系統(tǒng)，如切變型暖區(qū)暴雨事件中3%受低空急流影響，28%的南風(fēng)型暖區(qū)暴雨中潮汕地區(qū)北或西側(cè)較遠(yuǎn)處出現(xiàn)切變線和低渦；50%的回流型暖區(qū)暴雨伴有切變線出現(xiàn)；低渦型暖區(qū)暴雨則有25%伴隨著南風(fēng)。

2.4 各類暖區(qū)暴雨的物理量特征

華南暖區(qū)暴雨發(fā)生往往具有良好的水汽、動(dòng)力、熱力條件，利用NCEP再分析資料挑選暖區(qū)暴雨出現(xiàn)前的最近時(shí)次、代表站點(diǎn)位置的物理量指標(biāo)特征變化，通過正態(tài)分布和ANOVA方差分析挑選若干相關(guān)性良好的指標(biāo)。挑選指標(biāo)如表2所示，以RH850為例，切變型暖區(qū)暴雨850 hPa濕度均值為84%，100%和63%分別對(duì)應(yīng)第25%和第75%分位值。

表2 暖區(qū)暴雨不同類型的物理量參數(shù)1）

結(jié)果表明，這4類暖區(qū)暴雨類型間的系統(tǒng)特征差異，并為暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)提供一定的思路和著眼點(diǎn)。從水汽充沛條件上看，大部分的暖區(qū)暴雨水汽條件都比較充足，尤其在低層。另外，回流型暖區(qū)暴雨的850和925 hPa的水汽通量值明顯偏低，在4～7 g·cm-1·hPa-1·s-1之間，切變型暖區(qū)暴雨925 hPa上水汽通量散度的表現(xiàn)最為優(yōu)異；動(dòng)力方面回流型暖區(qū)暴雨低層的風(fēng)速大小和輻合程度明顯較其他3類低，但在垂直風(fēng)切變方面則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他3類，這可能與冷高脊變性出海后氣壓梯度較疏散有關(guān)；南風(fēng)型暖區(qū)暴雨可關(guān)注Cape指數(shù)，但4類暖區(qū)暴雨的熱力特征總體一致，但表明不穩(wěn)定能量是暖區(qū)暴雨對(duì)流發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，有著顯著的指示意義。

3 結(jié)論

1）從時(shí)間分布上看，潮汕地區(qū)出現(xiàn)暖區(qū)暴雨次數(shù)約占暴雨總次數(shù)的33%，年均出現(xiàn)次數(shù)為7.5次，主要集中在前汛期的5—6月份；從空間分布上看，蓮花山脈東側(cè)的惠來、普寧等地在邊界層南風(fēng)輻合抬升的影響下，出現(xiàn)暖區(qū)暴雨的頻次最高，而平原居多的潮州、澄海等地則出現(xiàn)次數(shù)較少。

2）潮汕地區(qū)暖區(qū)暴雨分為切變型、低渦型、南風(fēng)型和回流型4類，其中切變型和南風(fēng)型是潮汕地區(qū)暖區(qū)暴雨主要影響類型，占89%，這兩種類型在4—8月都會(huì)出現(xiàn)，尤其集中在5—6月龍舟水期間。南風(fēng)型暖區(qū)暴雨多集中普寧、惠來、揭西等地，表明邊界層風(fēng)向和地形對(duì)南風(fēng)型暖區(qū)暴雨的重要性，而其他3類在潮汕各地出現(xiàn)次數(shù)則大致相同。

3）通過對(duì)暖區(qū)暴雨形勢(shì)場(chǎng)反演，暖區(qū)暴雨出現(xiàn)常伴隨南亞高壓、高空槽和副高邊緣等有利形勢(shì)；切變線是暖區(qū)暴雨的中低層最常見配置，但南風(fēng)降水仍是目前暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的難點(diǎn)，可關(guān)注低空急流位置、南風(fēng)風(fēng)速脈動(dòng)和風(fēng)向輻合。

4）切變型暖區(qū)暴雨和925 hPa水汽通量散度配合最優(yōu)，切變型暖區(qū)暴雨可關(guān)注Cape值；回流型暖區(qū)暴雨出現(xiàn)時(shí)的垂直風(fēng)切變更為明顯；熱力抬升條件方面4類暖區(qū)暴雨的物理量特征基本一致，表明其顯著的指示意義。