廣西一次持續(xù)性暖區(qū)暴雨特征及成因分析

黃 瀅，黃春華，劉金裕

（防城港市氣象局，廣西 防城港 538001）

引言

黃士松等［1］認(rèn)為暖區(qū)暴雨一般指發(fā)生在地面鋒面南側(cè)暖區(qū)，或南嶺附近至南海北部在沒(méi)有鋒面存在、華南未受冷空氣或變性冷高脊控制時(shí)產(chǎn)生的暴雨。此類暴雨多發(fā)生在地面鋒面系統(tǒng)前端200～300km 位置（有時(shí)與鋒面系統(tǒng)的距離更大），有時(shí)發(fā)生在西南風(fēng)和東南風(fēng)匯合氣流中，甚至無(wú)切變的西南氣流里。

對(duì)暖區(qū)暴雨的天氣分型研究較充分。黃士松［1］將暖區(qū)暴雨劃分為暖切變暴雨、沿海急流暴雨、鋒前急流暴雨三類；林良勛等［2］將其劃分為回流暴雨型、高空槽型和強(qiáng)西南季風(fēng)型；何立富等［3］將其劃分為邊界層輻合線型、偏南風(fēng)風(fēng)速輻合型、強(qiáng)西南急流型；苗春生等［4］將其劃分為偏南向輻合型、西南向輻合型；蒙遠(yuǎn)文等［5］將廣西暖區(qū)暴雨分為三類：鋒前暖區(qū)型、變性高壓脊后部輻合型和副熱帶高壓邊緣暖區(qū)型；劉蕾等［6］將柳州市暖區(qū)暴雨分為南風(fēng)型、切變型、低渦型。但目前對(duì)于暖區(qū)暴雨的定義和典型個(gè)例的選擇尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

在環(huán)境條件分析上，暖區(qū)暴雨常出現(xiàn)在對(duì)流有效位能大、對(duì)流抑制能量小、地面抬升指數(shù)低以及氣柱含水量高等有利的環(huán)境條件中［7-8］。南海季風(fēng)與華南暖區(qū)暴雨關(guān)系密切［9］。整層高濕環(huán)境和深厚的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)能降低暖區(qū)暴雨對(duì)抬升條件的要求［10］。暖區(qū)不斷有中小尺度對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)，是造成暖區(qū)降水強(qiáng)于鋒面暴雨的原因之一［7］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，多數(shù)暖區(qū)暴雨事件中的中層垂直切變較弱，925hPa 以下往往有低空急流，低空風(fēng)速脈動(dòng)形成中尺度輻合、強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，有利于形成強(qiáng)的短時(shí)強(qiáng)降雨［7，11］。

在中小尺度和觸發(fā)條件分析上，研究表明有組織發(fā)展的各類中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）是造成暖區(qū)暴雨的直接原因。Luo 等［12］、Wang 等［8］分析地面冷池、中尺度地形、海岸邊界在對(duì)流觸發(fā)及組織過(guò)程中的影響，并提出了Rainband-training 等新型MCS 結(jié)構(gòu)模型。暖區(qū)降水對(duì)流系統(tǒng)具有低質(zhì)心回波特征，降水強(qiáng)度高，在2017 年廣州“5·7”暴雨中形成極端短時(shí)強(qiáng)降雨［13-14］。低層風(fēng)速風(fēng)向輻合觸發(fā)局地對(duì)流單體不斷發(fā)生［15］。不同的類型的暖區(qū)暴雨在中尺度環(huán)境、觸發(fā)機(jī)制上存在不同［16］。

上述研究成果提高了預(yù)報(bào)員對(duì)暖區(qū)暴雨的認(rèn)識(shí)，但實(shí)際業(yè)務(wù)中，華南暖區(qū)暴雨一直是難點(diǎn)［3］。華南暖區(qū)暴雨具有顯著對(duì)流不穩(wěn)定，但天氣尺度斜壓強(qiáng)迫較弱，MCS 觸發(fā)和發(fā)展機(jī)制復(fù)雜，降水過(guò)程受地形、海陸等影響，主客觀預(yù)報(bào)缺乏技巧［3，17］，且目前研究重點(diǎn)區(qū)域集中于珠江三角洲地區(qū)，而地屬華南西部的廣西地區(qū)的降水環(huán)流形勢(shì)與華南東部有所不同，仍有若干問(wèn)題待研究。本文對(duì)2019 年5 月25—28 日典型暖區(qū)暴雨過(guò)程的降水特點(diǎn)、形成和維持原因、極端性成因進(jìn)行分析，以期為提高暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)能力提供參考。

1 資料和方法

資料選取2019 年5 月25—28 日的常規(guī)氣象資料、地面加密觀測(cè)資料、NCEP 再分析資料、FY-4 衛(wèi)星云圖資料、多普勒雷達(dá)資料，通過(guò)天氣動(dòng)力學(xué)診斷和中尺度分析方法進(jìn)行研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨過(guò)程概況

2019 年5 月25—28 日廣西暖區(qū)暴雨過(guò)程具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣、落區(qū)分散、降水極端性等特征。據(jù)統(tǒng)計(jì)，5 月24 日20 時(shí)至28 日20 時(shí)，有13 個(gè)站雨量超過(guò)400mm，最大為東興547.1mm；300～400mm 有21 個(gè)站，200～300mm 有118 個(gè)站。降水落區(qū)分散，局地雨強(qiáng)大，其中桂林貓兒山最大1h 雨強(qiáng)115mm，防城港東興鎮(zhèn)最大1h 雨強(qiáng)112mm。降水突發(fā)性強(qiáng)，夜雨現(xiàn)象明顯，25—27 日降雨集中發(fā)生在晚上21 時(shí)到次日09 時(shí)。27 日02 時(shí)強(qiáng)降雨范圍最大，≥50mm·h-1有56 站。

從空間分布看，5 月25、26 日暖區(qū)暴雨范圍小，局地性強(qiáng)，桂北、桂南和桂中均有小范圍暴雨區(qū)，暴雨區(qū)面積直徑只有30km 左右，落區(qū)預(yù)報(bào)難度大；5月27 日暖區(qū)暴雨主要分布在桂西和桂北，面積擴(kuò)大；5 月28 日桂西轉(zhuǎn)為鋒面暴雨，桂南沿海為暖區(qū)暴雨，呈現(xiàn)雙雨帶特征。

2.2 暖區(qū)暴雨成因

2.2.1 低空急流脈動(dòng)

夏季風(fēng)爆發(fā)后，季風(fēng)攜帶充沛的水汽從印度洋和南海輸送到東亞大陸，從風(fēng)速時(shí)間高度剖面圖（略）看，5 月24、25、26 日低層20 時(shí)到08 時(shí)均有一個(gè)風(fēng)速大值中心，中心值為10～16m·s-1，南風(fēng)于晚間加強(qiáng)。低空急流和超低空急流對(duì)暴雨發(fā)生發(fā)展有重要作用，除輸送水汽和熱量，低空急流脈動(dòng)還是暖區(qū)暴雨的重要觸發(fā)機(jī)制。徐燚等［18］提出低層重力波沿低層穩(wěn)定層向具有很強(qiáng)不穩(wěn)定能量的暖區(qū)傳播，激發(fā)暖區(qū)低層上升運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，導(dǎo)致對(duì)流發(fā)展，并在對(duì)流反饋機(jī)制下上升運(yùn)動(dòng)迅速增強(qiáng)，最終導(dǎo)致暴雨發(fā)生。Zhang 等［19］發(fā)現(xiàn)低空急流如發(fā)生到較高層次，在沿海和內(nèi)陸有地形影響的區(qū)域均容易觸發(fā)對(duì)流，引發(fā)暖區(qū)暴雨。此次暴雨落區(qū)分布與文獻(xiàn)［19］觀點(diǎn)相吻合，此過(guò)程南風(fēng)急流發(fā)生層次較高，10m·s-1的大風(fēng)區(qū)延伸至700hPa，風(fēng)速中心出現(xiàn)在925hPa 以上，暖區(qū)暴雨不僅出現(xiàn)在沿海地區(qū)，也出現(xiàn)在貓兒山、鳳凰山等內(nèi)陸地區(qū)的迎風(fēng)坡處。

2.2.2 邊界層侵入淺薄冷空氣

5 月25—26 日地面冷高壓中心移到我國(guó)東部海面上，高壓中心遠(yuǎn)離廣西，廣西處于弱高壓回流區(qū)，南北向密集的等壓線有利于觸發(fā)不穩(wěn)定。近地面偏東南氣流和廣西西南東北走向山脈形成大的夾角，在迎風(fēng)坡激發(fā)中尺度對(duì)流系統(tǒng)。27 日鋒面到達(dá)江西一帶，弱冷空氣從邊界層侵入桂北，邊界層輻合抬升暖濕空氣，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，導(dǎo)致桂北暴雨產(chǎn)生。

5 月25—27 日，從沿108°E 假相當(dāng)位溫垂直剖面圖（圖1b—d）看，30°N 以北θse線異常陡峭，存在鋒面影響，廣西處于鋒前，近地面θse超過(guò)360K，340K 高能區(qū)從地面延伸到超過(guò)600hPa，處于深厚高溫高濕度環(huán)境；且隨著高度的增加θse顯著減弱，上冷下暖的層結(jié)為對(duì)流提供熱力不穩(wěn)定條件，有利于觸發(fā)形成暴雨。

圖1 沿108°E 假相當(dāng)位溫垂直剖面圖

2.2.3 地形引發(fā)的中尺度系統(tǒng)

5 月25—26 日暴雨出現(xiàn)在十萬(wàn)大山、大瑤山、大容山、鳳凰山、貓兒山迎風(fēng)坡。地形有利于水汽輻合聚集，對(duì)暖濕氣流的動(dòng)力抬升作用會(huì)激發(fā)對(duì)流單體生成或降水增幅，在迎風(fēng)坡形成強(qiáng)降水中心。從地面自動(dòng)氣象站中尺度系統(tǒng)看，5 月25 日20 時(shí)—26日05 時(shí)，27 日02 時(shí)—08 時(shí)，廣西沿海均出現(xiàn)偏南風(fēng)和偏北風(fēng)的中尺度輻合線，對(duì)應(yīng)雷達(dá)圖上有與地形走向一致的回波帶，在午夜生成，早晨加強(qiáng)，午后消散。沿海地形和海陸分布引起氣流的日變化，海陸分布產(chǎn)生的邊界層加熱不均勻觸發(fā)中尺度切變線產(chǎn)生，導(dǎo)致下半夜至清晨最強(qiáng)降水的出現(xiàn)。

2.2.4 高空強(qiáng)輻散

200hPa 高度場(chǎng)上，南亞高壓北跳控制廣西，5 月24—26 日中心高度為1248dagpm，在27 日增強(qiáng)為1252dagpm，中心區(qū)域位于廣西上空。從散度場(chǎng)垂直剖面圖（略）看，24 日200hPa 高空廣西有（4～6）×10-7s-1的輻散中心，25 日桂南輻散中心減弱，桂北仍維持6×10-7s-1的輻散中心，26—27 日高空輻散重新增強(qiáng)為（5～15）×10-7s-1。桂北輻散強(qiáng)于桂南，高空的輻散中心強(qiáng)度強(qiáng)于輻合中心，南亞高壓的“抽吸”作用使暴雨區(qū)上空維持上升運(yùn)動(dòng)。趙玉春［7］認(rèn)為暖區(qū)暴雨一個(gè)重要的動(dòng)力屬性是高層輻散作用比中低層輻合更為重要，這與鋒面暴雨不同，同時(shí)期暖區(qū)暴雨高層輻散明顯強(qiáng)于鋒面暴雨。

2.3 暖區(qū)暴雨維持原因

2.3.1 整層高濕

從水汽通量垂直剖面圖（略）看，5 月25—27 日廣西上空有輻合中心從地面一直延伸到500hPa，暴雨區(qū)濕層深厚，整層高濕環(huán)境有利于降水效率提高和中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生。從水汽通量散度垂直剖面圖（略）看，降雨區(qū)低層輻合強(qiáng)，25—28 日均有（1.5～2）×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1的輻合中心，近地面輻合最強(qiáng)烈，并延伸到850hPa。整個(gè)降雨過(guò)程，水汽條件充沛和水汽輻合為凝結(jié)潛熱釋放提供良好環(huán)境，凝結(jié)潛熱釋放的正反饋?zhàn)饔檬贡┯昃S持。

2.3.2 深厚對(duì)流不穩(wěn)定

5 月25—28 日早晨暖區(qū)暴雨期間，受季風(fēng)涌影響，中尺度環(huán)境有利，廣西區(qū)域θse高于340K；從溫度對(duì)數(shù)壓力圖（略）看，北海和桂林的溫度對(duì)數(shù)壓力圖（T-logP）為細(xì)長(zhǎng)型，北海不穩(wěn)定能量高，對(duì)流有效位能（CAPE）大于1500J·kg-1，為較強(qiáng)對(duì)流有效位能，在整個(gè)降雨過(guò)程維持高能量，桂林除25 日08 時(shí)因強(qiáng)降水CAPE 值短暫下降外，24 日20 時(shí)—26 日均維持1000J·kg-1以上，27 日弱冷空氣滲透，CAPE 下降到400～600J·kg-1。整層水汽和能量充沛、對(duì)流不穩(wěn)定層次深厚的環(huán)境降低暖區(qū)暴雨對(duì)抬升條件的要求，有利于維持水汽垂直輸送和在中層通過(guò)凝結(jié)潛熱的釋放，使得不斷有中小尺度對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)形成暴雨。此外，暖區(qū)暴雨和深厚的暖云層相關(guān)。在整個(gè)過(guò)程中，桂北和桂南的抬升凝結(jié)高度均＜1km，0℃層高度≥4.9km，暖云層厚度厚，平均為4.2km，降水效率高。

2.4 暖區(qū)暴雨極端性的成因

2.4.1 MCS 的組織結(jié)構(gòu)和移動(dòng)傳播特征

暖季局地暴雨形成多與MCS 相關(guān)。從亮溫特征看，26 日凌晨到上午，桂南與對(duì)流活動(dòng)相聯(lián)系的MCS 僅由一個(gè)獨(dú)立的雨團(tuán)發(fā)展形成，其不斷發(fā)展，面積持續(xù)擴(kuò)大；TBB 亮溫中心小于-70℃，且與暖區(qū)暴雨中心匹配，為暖云結(jié)構(gòu)，降水效率高。受西南引導(dǎo)氣流影響，MCS 生成后向東北方向傳播，但地面偏東南氣流碰到西南東北走向的十萬(wàn)大山，在山前激發(fā)中尺度對(duì)流系統(tǒng)，導(dǎo)致MCS 減弱緩慢，強(qiáng)度維持，同時(shí)MCS 范圍擴(kuò)大，MCS 中心則穩(wěn)定少動(dòng)，降水在防城港上空長(zhǎng)時(shí)間維持，導(dǎo)致東興26 日06 時(shí)1h 雨量達(dá)111.9mm，5—7 時(shí)3h 雨量達(dá)309.4mm，突破歷史極值；而26 日下午桂西北暴雨由多個(gè)對(duì)流云團(tuán)碰撞合并發(fā)展，云團(tuán)前部地面輻合不斷觸發(fā)前方新對(duì)流，向南傳播。

綜上所述，桂南暴雨由單個(gè)云團(tuán)發(fā)展而成，MCS具有后向發(fā)展特征，準(zhǔn)靜止的MCS 帶來(lái)顯著的強(qiáng)降水；桂西北暴雨由多個(gè)云團(tuán)碰并發(fā)展而成，積雨云前部地面輻合不斷觸發(fā)前方新對(duì)流，雨團(tuán)向前傳播，向南移動(dòng)影響桂西大范圍地區(qū)。

2.4.2 雷達(dá)回波特征

從26 日05—07 時(shí)的回波垂直剖面圖（圖2a—b）看，不同于高質(zhì)心的大陸型降水回波，造成此次暖區(qū)暴雨的是低質(zhì)心熱帶型降水回波，≥45dBZ 的強(qiáng)降水回波在6km 以下，對(duì)于同樣的反射率因子，熱帶型降水效率高，導(dǎo)致此次暖區(qū)暴雨形成極端短時(shí)強(qiáng)降雨?；夭◣О殡S中尺度海陸風(fēng)輻合線而生，午夜生成，早晨加強(qiáng)，午后消散，生成后在西南氣流引導(dǎo)下向東北方向移動(dòng)，近地面東南氣流遇到西南東北走向的十萬(wàn)大山，不斷有回波在后部生成，導(dǎo)致回波具有后向發(fā)展特征，回波移動(dòng)緩慢；回波平行于山脈移動(dòng)，形成與地形走向一致的回波帶，形成列車效應(yīng)，降水回波在同一地點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間維持。圖2a 可見(jiàn)徑向速度圖有中尺度輻合（逆風(fēng)區(qū)）特征，不斷激發(fā)強(qiáng)對(duì)流單體，導(dǎo)致強(qiáng)回波長(zhǎng)時(shí)間維持。

圖2 5 月26 日防城港雷達(dá)反射率因子剖面圖

綜上所述，低質(zhì)心高效率的暖云降水有利于提高降水效率；中尺度地形導(dǎo)致回波具有后向發(fā)展的特征，并形成列車效應(yīng)；中尺度輻合激發(fā)對(duì)流單體不斷生成。

3 結(jié)論

2019 年5 月25—28 日廣西暖區(qū)暴雨持續(xù)4d，局地降雨突破歷史極值，是典型的華南暖區(qū)暴雨。分析此次暴雨的降水特點(diǎn)以及觸發(fā)和維持條件、暴雨的極端性成因，得到如下結(jié)論：

（1）此次過(guò)程強(qiáng)降雨范圍廣、累計(jì)雨量大；局地雨強(qiáng)大，對(duì)流性特征明顯，多地突破降水極值；降水量相對(duì)集中，突發(fā)性強(qiáng)，夜雨現(xiàn)象明顯。

（2）低空急流和超低空急流輸送暖濕氣流，南亞高壓的“抽吸”作用使暴雨區(qū)上空維持上升運(yùn)動(dòng)。低空急流和超低空急流脈動(dòng)是暖區(qū)暴雨的重要觸發(fā)機(jī)制，廣西弱的高壓回流和邊界層入侵的冷空氣為暴雨提供低層輻合抬升條件，地形中尺度輻合線和抬升作用激發(fā)中尺度對(duì)流系統(tǒng)不斷發(fā)生。

（3）受季風(fēng)影響有持續(xù)的水汽輸送、不穩(wěn)定能量的補(bǔ)充，整層高濕環(huán)境和深厚的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)降低暖區(qū)暴雨對(duì)抬升條件的要求，降水效率的提高和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的不斷產(chǎn)生，導(dǎo)致此次暖區(qū)暴雨發(fā)生。

（4）MCS 為暖云結(jié)構(gòu)，降水效率高；中尺度地形導(dǎo)致回波穩(wěn)定少動(dòng)，降水時(shí)間長(zhǎng)；桂南暴雨由單個(gè)云團(tuán)發(fā)展而成，MCS 具有后向發(fā)展特征；桂西北暴雨由多個(gè)云團(tuán)碰并發(fā)展而成，云團(tuán)前部地面輻合不斷觸發(fā)前方新對(duì)流，雨團(tuán)南移發(fā)展。雷達(dá)回波具有低質(zhì)心、后向發(fā)展特征，移動(dòng)緩慢，形成列車效應(yīng)；中尺度輻合系統(tǒng)導(dǎo)致回波穩(wěn)定維持，多種作用使得此次暴雨產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水極端值。