“23·6”北海極端暴雨特征與成因分析

彭定宇，劉國忠，何啟玄

（1.北海市氣象局，廣西 北海 536000；2.廣西壯族自治區(qū)氣象臺，南寧 530022）

暴雨是我國常見的災(zāi)害性天氣之一［1］，極易引發(fā)山洪、泥石流、山體滑坡、城市內(nèi)澇等災(zāi)害，給人民群眾生命和財產(chǎn)安全帶來極大威脅。全球氣候變暖背景下，極端暴雨天氣事件頻發(fā)，其成因機理與預(yù)報服務(wù)方法一直是天氣預(yù)報的重點和難點，因此對其研究成為各方關(guān)注的熱點。目前對極端暴雨的成因展開了許多研究，2012 年北京“7·21”和2021 年河南鄭州“7·20”極端暴雨事件均具有一定的代表性，對其從不同角度的研究取得系列研究成果［2-8］。周云霞等［9］研究2019 年廣西靖西市極端暴雨時發(fā)現(xiàn)，低質(zhì)心降水回波產(chǎn)生的“列車效應(yīng)”是造成極端暴雨的直接原因。李向紅等［10］分析表明2022 年桂林“龍舟水”暴雨觸發(fā)與低空急流加強、切變線、低渦系統(tǒng)的控制以及副熱帶高壓加強有關(guān)。黃芳等［11］總結(jié)極端低空急流下，低層強烈輻合高層強烈輻散、深厚正渦度柱及充沛水汽是極端暴雨形成的重要原因。張丁丁等［12］研究2020 年廣西南寧一次極端暴雨特征發(fā)現(xiàn)，極端暴雨過程發(fā)生前高溫高濕高能區(qū)及深厚濕度層配合不穩(wěn)定層結(jié)，非常有利于極端暴雨的發(fā)生。這些研究成果對于提高廣西暴雨特別是極端暴雨天氣預(yù)報水平具有很好的借鑒和促進作用。

2023 年6 月7—10 日，廣西北海市連續(xù)2 d 出現(xiàn)特大暴雨的極端暴雨天氣，打破當(dāng)?shù)囟囗椊邓畾v史極值并引發(fā)嚴重洪澇災(zāi)害。本文研究此次極端暴雨過程特征及成因，以加深此類極端暴雨的認識，為今后類似極端暴雨預(yù)報提供參考思路。

1 資料與方法

本文采用中國氣象局氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)（MICAPS）地面、高空常規(guī)氣象觀測資料、0.25°×0.25°水平分辨率的歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECWMF）模式資料、逐小時區(qū)域自動站觀測資料、風(fēng)云氣象衛(wèi)星FY-4 觀測資料、雙偏振多普勒天氣雷達資料等資料。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水特征分析

2023 年6 月7 日08 時—10 日20 時，廣西北海市出現(xiàn)極端持續(xù)性暴雨天氣，強降水主要分布在北海市南部，連續(xù)2 d 出現(xiàn)特大暴雨。據(jù)統(tǒng)計，過程累積降雨量500 mm 以上有18 個氣象觀測站點（以下簡稱站點，北海共計53 個站點），250 mm 以上有41個站點，最大累積降雨量出現(xiàn)在鐵山港石頭埠國家氣象觀測站（以下簡稱石頭埠站）達820.5 mm（見圖1）。過程降水主要集中在兩個階段:（1）7 日22 時—8 日11 時，雨強大于50 mm·h-1的有14 個站次，最強達到59.5 mm·h-1；累積降雨量大于250 mm 有11個站點，其中最大累積降雨量出現(xiàn)在北海站達392.5 mm。（2）8 日20 時—9 日08 時，此階段降雨強度最大，極端短時強降水最多，雨強大于50 mm·h-1有31個站次，最強達到119.0 mm·h-1；累積降雨量大于250 mm 有7 個站點，其中最大累積降雨量出現(xiàn)在石頭埠站達542.6 mm，歷時降雨量打破北海市多項歷史極值，最大3 h 雨量272.3 mm（9 日01—04 時），打破北海市歷史極值（243.7 mm）；最大6 h 雨量440.5 mm（8 日22 時—9 日04 時），打破廣西歷史極值（427.6 mm）；最大24 h 雨量614.7 mm（8 日05時—9 日05 時），打破北海市歷史極值（585.7 mm）?？梢?，本次極端暴雨天氣過程具有小時降雨強度大、累積降雨量大，強降雨集中等顯著極端性特征。

圖1 7 日08 時—10 日20 時北海市累積降水量（單位：mm）分布圖

2.2 環(huán)流背景分析

暴雨過程期間，亞洲中高緯500 hPa 環(huán)流呈現(xiàn)兩槽兩脊型，貝加爾湖一帶為強高壓脊，鄂霍次克海為弱的高壓脊，兩低槽分別位于西西伯利亞和我國東北地區(qū)，東槽槽線向南延伸至長江中下游一帶。6—7 日，云南附近有大陸高壓少動，西太平洋副熱帶高壓（副高）588 dagpm 線長時間維持在兩廣交界處，受588 dagpm 線邊緣偏南氣流影響，季風(fēng)低壓從海南島東部西移到北部灣海面后一直往北抬到北部灣北部海面，8—9 日其中心進一步北抬，并在桂南沿海一帶停滯徘徊，此時588 dagpm 線明顯東退到西太平洋，季風(fēng)低壓處于兩高之間，無明顯的引導(dǎo)氣流導(dǎo)致季風(fēng)低壓在桂南沿海長時間停滯少動。

7—10 日，200 hPa 南亞高壓控制中國大陸南方地區(qū)到南海北部，桂南上空均為西北風(fēng)和東北風(fēng)形成的反氣旋環(huán)流分流輻散區(qū)，有利于低層輻合上升運動發(fā)展。

7 日850 hPa 季風(fēng)低壓有閉合環(huán)流在桂南到海南島北部，廣東有一支偏東南氣流，風(fēng)速較大（10～12 m·s-1）；8—9 日850～925 hPa 季風(fēng)低壓閉合環(huán)流在桂南沿海穩(wěn)定維持，偏南風(fēng)加大成急流，風(fēng)速最大達12～14 m·s-1，850 hPa 以下邊界層內(nèi)持續(xù)偏南急流給桂南地區(qū)輸送豐沛的水汽和充足的不穩(wěn)定能量，穩(wěn)定的水汽和不穩(wěn)定能量供給有利于長時間強降雨的維持。

從地面形勢分析，7—10 日，西南地區(qū)冷高壓控制，除了桂南沿海外，廣西以東北到偏北風(fēng)為主，顯示有弱冷空氣侵入，桂南季風(fēng)低壓處于均壓場下基本維持少動，疊加冷空氣的觸發(fā)極有利于極端暴雨出現(xiàn)。

2.3 物理量場分析

文中采用0.25°×0.25°水平分辨率的ECWMF 模式資料初始場對本次極端暴雨天氣過程的物理量進行分析。

2.3.1 水汽條件

強降水發(fā)生期間，低層850 hPa 有一條來自印度洋的西南急流水汽通道向桂南沿海一帶輸送水汽。7—9 日850 hPa 北海上空對應(yīng)的水汽通量均在18 g·cm-1·hPa-1·s-1以上，整層可降水量≥70 mm。其中8—9 日整層可降水量在80 mm 以上（圖2），與暴雨區(qū)相對應(yīng)存在水汽通量散度輻合區(qū)位于北海上空，其輻合中心≤-8×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1（圖3），2 d輻合區(qū)位置基本重疊，配合充沛穩(wěn)定持續(xù)的水汽條件有利于強降水的形成。

圖2 2023 年6 月8 日08 時850 hPa 可降水量（單位：mm）

圖3 2023 年6 月8 日08 時850 hPa 水汽通量散度（單位：g·cm－2·hPa－1·s－1）

2.3.2 熱力條件

過程期間，7—8 日K 指數(shù)≥35 ℃，有一定的熱力不穩(wěn)定條件。7—9 日08 時CAPE 值為300 左右，晚上升到1 000 以上，表明白天有不穩(wěn)定能量的積累，晚上有不穩(wěn)定能量的釋放，而本次暴雨天氣過程強降水時段主要出現(xiàn)在夜間，白天降水減弱，跟CAPE 值的變化基本吻合。

2.4 中尺度特征分析

2.4.1 對流云圖演變特征

分析FY-4 紅外云圖云頂亮溫（TBB）演變可見（圖4），7 日10 時華南沿海地區(qū)有兩塊中α 尺度對流云團分別位于北部灣海面及粵西沿海一帶。7 日11—14 時北部灣海面對流云團不斷往北移動，逐漸進入北海上空，粵西沿海對流云團原地逐漸減弱消散，部分云團分裂西移與北抬的北部灣海面對流云團在北海上空合并，TBB 降低，對流活動增強，7 日15 時對流發(fā)展達到最強，TBB 有多個低于-75 ℃的負值中心，北海對應(yīng)有大于50 mm·h-1的短時強降水但持續(xù)時間不長。7 日17 時對流云團迅速減弱，北海降水明顯減弱。7 日22 時重新發(fā)展，對流云團面積擴大，TBB 降低。7 日23 時—8 日08 時，對流云團逐漸發(fā)展為近橢圓形，結(jié)構(gòu)更為緊密，組織性得到加強，TBB 長時間維持在-70 ℃以下，北海多個站點多個時次出現(xiàn)大于40 mm·h-1的強降水。8 日12時，隨著對流云團減弱西移，北海第一階段強降水基本趨于結(jié)束。8 日21 時，北海原地有中β 尺度對流云團快速發(fā)展壯大，對流云團中心基本在北海上空穩(wěn)定少動。9 日03 時已經(jīng)發(fā)展為長軸約250 km 成熟的橢圓形中α 尺度對流云團，位于北海鐵山港區(qū)附近的TBB 負值中心達到-80 ℃，鐵山港區(qū)內(nèi)出現(xiàn)3 個站點大于100 mm·h-1的極端強降水，降雨強度達到過程最強。9 日04—05 時，TBB 負值中心仍位于北海南部，附近區(qū)域小時雨強在50 mm·h-1以上。9 日06 時開始，對流云團主體逐漸東北移動并分裂，北海上空TBB 逐漸增大，對流減弱，第二階段強降水基本趨于結(jié)束。

圖4 FY－4 紅外云圖

以上分析表明，此次極端暴雨主要是由中α 尺度和中β 尺度對流系統(tǒng)造成，且云團位置在北海上空穩(wěn)定少動，加上充沛的水汽供給和極低的TBB，是北海出現(xiàn)此次極端暴雨的重要原因。

2.4.2 雷達回波演變特征

7 日22 時—8 日11 時，隨著低壓北上移入北海境內(nèi)，低壓東南側(cè)強風(fēng)速切變區(qū)不斷有螺旋狀回波帶出現(xiàn)，雷達回波主要表現(xiàn)為層積混合型降水回波，其中北海站附近反射率因子在50 dBZ 以上，徑向速度圖上有東南風(fēng)和偏東風(fēng)輻合，ZDR在1～3 dB 之間，CC 在0.97 以上，KDP在1～3°·km-1之間，均有利于強降水的產(chǎn)生。受低壓東側(cè)螺旋型雨帶影響，源源不斷有回波生成并往北海方向移動，產(chǎn)生“列車效應(yīng)”。對北海站南部強回波帶沿著東北至西南走向做反射率因子剖面可以看出，反射率因子大于50 dBZ 區(qū)域接地，且延伸高度均小于6 km，位于0 ℃層高度以下，屬于低質(zhì)心強降水回波，降水效率高，持續(xù)長時間影響形成強降水，小時雨強為20～60 mm·h-1。

8 日20 時—9 日09 時，低壓穩(wěn)定少動，強度減弱，但受低壓南部暖切的影響仍有對流云團發(fā)展，其中鐵山港區(qū)石頭埠站反射率因子在50 dBZ 以上，徑向速度圖上有匯合，為輻合流場，ZDR在1～2 dB 之間，CC 在0.97 以上，KDP在2～4°·km-1之間，均有利于強降雨的產(chǎn)生。受“列車效應(yīng)”影響，鐵山港區(qū)和合浦縣東部出現(xiàn)極端強降水，小時雨強在50 mm·h-1以上的強降水持續(xù)3～5 h，最長持續(xù)時間出現(xiàn)在石頭埠站，從反射率剖面圖可以看出，8 日20 時—9 日08 時該站附近的低質(zhì)心強降雨回波明顯強于7 日22 時—8 日11 時的回波，時段對應(yīng)的石頭埠站累積降雨量也明顯偏大。

綜上所述，本次過程雷達回波為層積混合型降水回波，“列車效應(yīng)” 與低質(zhì)心強回波長時間維持是造成極端降雨的直接原因。

2.4.3 多普勒雷達風(fēng)廓線產(chǎn)品

風(fēng)廓線VWP（VAD WIND PROFILE）產(chǎn)品為多普勒雷達的48 號產(chǎn)品，它是用雷達每個體掃資料在不同高度上通過VAD 技術(shù)得到該高度上的風(fēng)向風(fēng)速［13］。VWP 產(chǎn)品可實時提供觀測站高空風(fēng)隨時間的變化。夏文梅等［14］分析降水過程中VWP 產(chǎn)品特征，發(fā)現(xiàn)VWP 產(chǎn)品反演的風(fēng)場總體上是可信的；VWP產(chǎn)品常用于分析急流的變化，冷暖平流的變化及空氣濕度的變化等［15］；劉淑媛等［16］研究發(fā)現(xiàn)華南大暴雨常伴有低空急流的加強過程。

對此次強降水過程分析，7 日VWP 產(chǎn)品0.3～5.0 km 主要為東到東南風(fēng)，低層300 m 基本維持8～10 m·s-1的東南風(fēng)，7 日22:26 開始300 m 東南風(fēng)逐漸加大，最大達16 m·s-1，加強為超低空急流，而實況強降水在7 日22 時起有加強的趨勢，超低空急流的形成與強降水實況基本吻合，可以判斷超低空急流的形成對強降水有一定的指示作用。

3 結(jié)論

利用常規(guī)氣象觀測、0.25°×0.25°水平分辨率ECWMF 模式、逐小時區(qū)域自動氣象站觀測、FY-4衛(wèi)星遙感、雙偏振多普勒天氣雷達探測等資料，對北海“23·6”極端暴雨過程分析，得到以下主要結(jié)論:

（1）此次暴雨過程由兩個階段的短時強降水組成，具有雨強大、過程累積雨量大、強降雨集中等顯著極端性特征。

（2）高層輻散、中層副高位于兩廣交界、低層偏南急流強、季風(fēng)低壓停滯少動及地面弱冷空氣入侵是此次極端暴雨形成的主要天氣系統(tǒng)。

（3）極端暴雨主要由中尺度對流系統(tǒng)造成，云團穩(wěn)定少動，對應(yīng)的雷達回波為層積混合型降水回波，“列車效應(yīng)”與低質(zhì)心強回波長時間維持是造成極端降雨的直接原因。

（4）風(fēng)廓線VWP 產(chǎn)品超低空急流的形成對強降水有一定的指示作用。