彭斯琪

(1.中山大學(xué)大氣科學(xué)系，廣東 廣州 510275；2.廣東省佛山市三水區(qū)氣象局，廣東 佛山 528300)

1 引言

強對流天氣通常由中小尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生[1]，具有突發(fā)性強、發(fā)展迅速、影響范圍小、容易致災(zāi)等特點，出現(xiàn)時往往會產(chǎn)生雷暴大風(fēng)、冰雹、短時強降水、龍卷等災(zāi)害性天氣。佛山市三水區(qū)每年春夏之交暴雨頻發(fā)，2015年5月5日的全區(qū)大范圍暴雨，2016年6月8日全區(qū)大范圍暴雨以及伴有小時雨量106.3 mm的短時強降水等均給三水人民的生命財產(chǎn)造成了嚴(yán)重?fù)p失。佛山地處廣東中部，珠江口西北側(cè)，春夏兩季受西南季風(fēng)影響，水汽條件充沛，動力條件充足，暴雨較為常見。近年來許多學(xué)者對廣東暴雨和強對流天氣做了大量的研究[2-4]，伍志芳等[5]統(tǒng)計分析了廣東的強對流天氣，表明大范圍短時強降水大部分是在高空槽、切變線和低空急流影響下而產(chǎn)生，而區(qū)域性短時強降水更依賴于地面低槽的發(fā)展；陳元昭等[6]對珠三角重要強對流天氣進(jìn)行了分型，分為：臺風(fēng)型、西南季風(fēng)型、北部灣低壓型、冷切變線型和熱帶云團等5種類型；張濤等[7]分析廣東強對流降水天氣過程，結(jié)果表明地面鋒面是觸發(fā)機制，珠三角地勢平坦、中層干急流和強的垂直風(fēng)切變是強對流維持的原因。但是對三水區(qū)小范圍強對流天氣分析較少，本文利用三水區(qū)自動氣象站降雨資料、常規(guī)氣象觀測資料，以及NCEP1°× 1°的6 h 再分析資料，從環(huán)流背景、物理量特征和雷達(dá)回波演變情況對2017年6月16日三水區(qū)大范圍強對流天氣過程進(jìn)行診斷分析，以期對今后類似的強對流的預(yù)報和分析提供參考。

2 天氣概況

根據(jù)全區(qū)自動氣象站網(wǎng)監(jiān)測，2017年6月16日15—20時，三水區(qū)出現(xiàn)暴雨—大暴雨，并伴有強雷電和7級陣風(fēng)。6月16日15—20時，共有11個站點雨量超過100 mm，小時雨量超過20 mm的有47站次，其中云東海廣東財經(jīng)大學(xué)氣象自動站點錄得最大雨量159.0 mm，最大時雨量出現(xiàn)在17時89.6 mm，最大風(fēng)速出現(xiàn)在15時15.7 m/s。此次強降水過程歷時短、強度大，具有明顯的中小尺度對流性質(zhì)。

3 環(huán)流背景分析

15日20時，珠三角處于南亞高壓東部風(fēng)場分流區(qū)控制下，有利于高層輻散抽吸；500 hPa高空槽位于廣西中部，廣東受槽前西南急流影響，有暖平流從北部灣向廣東珠三角一帶輸送，珠三角位于588線邊緣不穩(wěn)定地帶，強大的西風(fēng)急流位于30°N，廣東位于西風(fēng)急流南側(cè)。700 hPa廣東沿海為西南急流控制，有暖平流。850 hPa切變線呈東北—西南位于黔桂交界，廣東沿海受偏南氣流影響，珠三角有暖平流。珠三角地區(qū)溫度露點差<3 ℃，相對濕度接近100%，廣東沿海850 hPa與500 hPa溫度差達(dá)25 ℃以上，大氣層結(jié)不穩(wěn)定；925 hPa切變線比850 hPa偏南，位于廣西中部，廣東仍受西南氣流影響，但未達(dá)到急流，溫度露點差≤1 ℃，空氣接近飽和。

16日08時，高空槽在桂中維持，588線略有南壓，珠三角仍處于588線邊緣不穩(wěn)定地區(qū)，珠三角西側(cè)沿海有西南急流，香港上空風(fēng)速達(dá)16m/s。700 hPa廣東受西南急流控制，風(fēng)速達(dá)16 m/s以上。850 hPa時切變線呈東北—西南向位于粵西北到桂西南，廣東境內(nèi)為西南急流控制，溫度露點差≤1 ℃，空氣接近飽和，珠三角850 hPa與500 hPa溫度差達(dá)23 ℃以上，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。此時925 hPa邊界層內(nèi)也存在偏南急流影響珠三角地區(qū)，容易觸發(fā)邊界層垂直運動的發(fā)生。

從地面溫壓場分析，16日08時廣西西部到廣東北部有低壓倒槽，偏北風(fēng)與偏東風(fēng)的地面輻合線東北—西南向位于廣東西北部到廣西西南部，廣東沿海有風(fēng)速的輻合。15日珠三角地區(qū)最高溫度大部在30 ℃以上，溫度露點差≤5 ℃，高溫高濕的悶熱的天氣狀態(tài)，地面這種高能的積累過程，使得大氣層結(jié)具備發(fā)生強對流天氣的潛勢，當(dāng)有一定的擾動發(fā)生時，造成大氣的不穩(wěn)定，有利于低層氣流的抬升，從而引發(fā)強對流天氣的發(fā)生。

綜上所述，高空槽前正渦度平流、低層切變線南側(cè)深厚的西南氣流、地面輻合線為此次強對流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利的大尺度環(huán)流背景條件。

4 物理量分析

4.1 水汽分析

對三水區(qū)強降水中心23.2°N做水汽通量和水汽通量散度的徑向垂直剖面圖分析可得，在強對流降水發(fā)生前，三水區(qū)最強水汽輸送集中在低層800 hPa以下，112.8～113.2°E強降水發(fā)生區(qū)域內(nèi)水汽輸送集中在900 hPa以下；結(jié)合水汽通量散度的垂直分布分析，112.8～113.2°E強降水發(fā)生區(qū)域水汽通量輻合中心與水汽通量大值區(qū)在800～900 hPa對應(yīng)比較好，水汽的輸送和輻合集中在中低層，說明大氣可降水效率比較高。

4.2 大氣層結(jié)穩(wěn)定度

從16日14時925 hPa假相當(dāng)位溫場可以看出，清遠(yuǎn)到三水存在一個假相當(dāng)位溫≥358 K的大值區(qū)，珠三角存在明顯的能量鋒，假相當(dāng)位溫差≥8 ℃，有利于觸發(fā)不穩(wěn)定能量，激發(fā)強對流天氣的發(fā)生。沿強對流發(fā)生處23.2°N作假相當(dāng)位溫經(jīng)向垂直剖面，可以看出，三水區(qū)非常暖濕，低層假相當(dāng)位溫≥360 K，500 hPa以下假相當(dāng)位溫隨高度減少，說明此時大氣層結(jié)是不穩(wěn)定的[8]，假相當(dāng)位溫線密集，說明該地區(qū)有明顯的靜力不穩(wěn)定。600～500 hPa為假相當(dāng)位溫極小區(qū)，說明中層有干空氣入侵，中層干冷，低層暖濕。

4.3 抬升條件

沿23.2°N作垂直速度與散度的經(jīng)向垂直剖面圖，可以發(fā)現(xiàn)16日08時三水區(qū)(112.4～113.1°N)上空為上升運動，大值中心位于850～700 hPa，暖濕氣流從對流層底開始抬升，隨著上升運動向上輸送到200 hPa。散度場上存在明顯的低層輻合，高層輻散，輻合中心在925 hPa以下。這種“低層輻合，高層輻散”的配置抽吸作用非常有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。

圖3 2017年16日08時沿23.2°N垂直速度與散度經(jīng)向垂直剖面圖線條：散度(單位：10-5/s)；陰影：垂直運動(單位： hPa/s)Fig.3 vertical section map of vertical velocity and divergence along 23.2°N at 08∶00 jun 16 Line: divergence (unit: 10-5/s); shadow: vertical motion (unit: hPa/s)

5 T-lnP探空分析

因三水區(qū)未設(shè)有探空站，故采用臨近的清遠(yuǎn)探空分析三水區(qū)上空的大氣層結(jié)條件。從15日20時清遠(yuǎn)探空圖可以看出，清遠(yuǎn)附近地面到500 hPa濕度較大，濕層較厚，K指數(shù)達(dá)40 ℃，對流有效位能CAPE為1282.7 J/kg，抬升指數(shù)LI為-4.16 ℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利于強對流天氣的發(fā)生、發(fā)展。對流抑制能量CIN為29.6，一定強度的對流抑制能量有利于低層不穩(wěn)定能量的積累。0～3 km存在較強的垂直風(fēng)切變。從風(fēng)矢端圖可以看出，近地層到925 hPa存在弱的風(fēng)向逆轉(zhuǎn)，有弱的冷平流，925 hPa以上風(fēng)向順轉(zhuǎn)，為暖平流控制。到了16日08時，700 hPa以下轉(zhuǎn)為一致的西南風(fēng)，風(fēng)速加大，700 hPa風(fēng)速達(dá)到14 m/s。700～500 hPa濕度顯著降低，說明中層有干冷空氣入侵；從風(fēng)矢端圖上可見地面到850 hPa風(fēng)向順轉(zhuǎn)，而850～700 hPa之間出現(xiàn)弱的風(fēng)向逆轉(zhuǎn)，也說明了中層有弱的冷平流；露點曲線和層結(jié)曲線之間也形成了低層暖濕，中層干冷有利于強對流天氣發(fā)生的“喇叭口”形狀。K指數(shù)仍維持40 ℃，CAPE為530 J/kg，LI為-2.24 ℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，對流抑制能量降為0,有利于不穩(wěn)定能量的釋放。

6 雷達(dá)特征分析

根據(jù)雷達(dá)組合反射率逐時資料演變圖(圖略)6月16日12時左右，在三水區(qū)西部開始有塊狀對流回波生成，中心強度為55 dBz，向東北方向移動，15時左右發(fā)展為帶狀回波，呈準(zhǔn)南北向排列，從西面向三水區(qū)移動，三水大部地區(qū)回波中心強度均為55 dBz左右，回波頂高9～12 km;16時三水北部回波減弱，回波強度維持在30 dBz 左右，而中部木棉村委到廣東財經(jīng)大學(xué)站附近回波加強到60 dBz，回波頂高達(dá)14 km，16時木棉村委站和廣東財經(jīng)大學(xué)站出現(xiàn)了68.2 mm和89.6 mm的小時強降雨，南部降水明顯減弱，以5 mm以下小雨為主；17時受列車效應(yīng)影響，三水西南部強回波不斷向東北方向移動，三水南部到東部回波強度加強到45 dBz以上，回波頂高14～16 km，這一帶小時降雨量大部在30～60 mm；18時三水境內(nèi)回波強度普遍維持在34～45 dBz，回波頂高下降到8 km以下；19時，北部回波消散，南部回波加強到50 dBz左右，降雨有短暫的加強，小時雨強由5 mm以下突增到20～30 mm；20時，回波整體移出三水境內(nèi)，降水過程趨于結(jié)束。

圖5 廣州雷達(dá)2017年6月16日17時48分、17時54分1.5°仰角基本反射率回波(d、a)、X6和A5風(fēng)暴追蹤信息(b、c)、17時48分垂直剖面圖(e)Fig.5 The elevation of 1.5°in Gangzhou basic reflectivity factor at 17∶48(d)、17∶54(a)BT 16 June 2017; Storm tracking information of X6(B)、A5(c); Reflectivity profile at 17∶48(e)

對最強降雨時段17—18時進(jìn)行風(fēng)暴追蹤信息分析，分析17—18時三水中部(X6)和南部(A5)的風(fēng)暴信息，X6風(fēng)暴信息：回波中心強度一直維持在50 dBz以上，最強回波高度在17時18分達(dá)到6 km左右，17時35分左右最強回波高度接地，回波質(zhì)心高度在3 km左右，由抬升凝結(jié)高度到零度層高度之間的厚度可以作為暖云的厚度估計，故暖云的厚度都在4 000 m以上，暖云層越厚越有利于高效率降水的產(chǎn)生，三水地區(qū)的強回波高度均在暖云的高度內(nèi)，降水效率高。A5風(fēng)暴信息：回波中心強度一直維持在55 dBz以上，VIL值維持在30以上，液態(tài)含水量高，回波頂高大部在12 km以上。對17時48分三水基本反射率回波進(jìn)行剖面分析，55 dBz以上回波質(zhì)心高度達(dá)到3 km，50 dBz以上的質(zhì)心從地面延伸至6 km處，回波質(zhì)心整體抬高，這種深厚的強質(zhì)心結(jié)構(gòu)極有利于強降水的發(fā)生。從徑向速度圖分析可知(圖略)，17時36分三水中部0.5°仰角存在正負(fù)速度對，正速度中心值20 m/s，負(fù)速度中心值-15 m/s，存在中氣旋，從底層1 km到高層4 km均能分析出明顯正負(fù)速度對，均存在中氣旋，在6.0°仰角，中氣旋上不存在風(fēng)速輻散，并維持兩個體掃，對風(fēng)暴的維持和發(fā)展非常有利。以上分析可知三水地區(qū)最大時雨量出現(xiàn)在17時89.6 mm，是由于風(fēng)暴單體回波強度強、質(zhì)心厚度大、高度低、回波頂高、中氣旋維持，持續(xù)時間長所導(dǎo)致。

7 小結(jié)

①此次強對流天氣過程是在高空槽前和低層切變線共同影響下、由地面輻合線觸發(fā)的形成的。

②充足的水汽輸送、不穩(wěn)定的大氣層結(jié)、強烈的上升運動都證明三水區(qū)有產(chǎn)生強降水的物理機制；中低層存在較大的垂直風(fēng)切變和中層有干冷空氣的入侵也是這次強對流天氣發(fā)生的關(guān)鍵原因。

③從雷達(dá)回波演變來看，此次強降雨受列車效應(yīng)影響，降雨云層發(fā)生在暖云內(nèi)，降水效率高，回波質(zhì)心低，回波頂高，速度圖上存在中氣旋。