劉瑾 許向春

(1海南省三亞市氣象局 海南三亞 572000;2海南省氣象局 海南?？?570203;3海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海南?？?570203)

海南頻發(fā)持續(xù)性暴雨天氣［1］，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)帶來(lái)巨大損失。海南暴雨頻次、降雨總量以及強(qiáng)度近年均有上升趨勢(shì)，后汛期尤為明顯［2］。秋季，是夏季風(fēng)向冬季風(fēng)過(guò)渡的季節(jié)，冷空氣頻繁，強(qiáng)度逐漸增大，西北太平洋副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱副高）南退，脊線逐漸移至華南沿海至南海北部一帶，在副高南側(cè)熱帶輻合帶活躍，冷空氣南壓至華南沿海一帶與熱帶低值系統(tǒng)相互作用可引發(fā)暴雨。海南秋季的強(qiáng)降雨與熱帶低值系統(tǒng)的活動(dòng)密切相關(guān)，由熱帶低值系統(tǒng)直接引起——直接型［3-8］，或由熱帶低值系統(tǒng)與冷空氣相互作用造成——間接型［9］。在實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，間接型暴雨多在短臨預(yù)報(bào)中進(jìn)行監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)發(fā)布預(yù)警，相比直接型暴雨，較難提前把握其降雨強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間，開展間接型暴雨具體的天氣分析對(duì)業(yè)務(wù)工作有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)冷空氣與熱帶系統(tǒng)相互作用開展了相關(guān)研究。Chang等［10］結(jié)果表明，冷涌進(jìn)入南海的初始階段可促進(jìn)熱帶擾動(dòng)的增強(qiáng)。Srock等［11］認(rèn)為，熱帶氣旋通過(guò)輸送暖濕空氣，與大陸北側(cè)冷空氣產(chǎn)生鋒生，激發(fā)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生。針對(duì)海南秋季持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程，符式紅等［12］研究結(jié)果表明，中緯冷高壓、南海熱低壓和副高三者相互作用，誘發(fā)的低空急流有利于氣流在海南島輻合，高層輻散、低層輻合的高低空天氣系統(tǒng)配置是海南島后汛期特大暴雨發(fā)生的主要環(huán)流特征。馬學(xué)款等［13］報(bào)道，冷、熱氣團(tuán)相互作用導(dǎo)致持續(xù)鋒生，強(qiáng)迫產(chǎn)生的熱力直接環(huán)流上升與低空急流是對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。周海霞等?4］應(yīng)用w方程對(duì)熱帶低壓的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷，解釋了海南暴雨分布不均的特征。簡(jiǎn)茂球等［15］認(rèn)為，加里曼丹島和菲律賓南部附近地區(qū)的大氣準(zhǔn)雙周低頻振蕩對(duì)海南島持續(xù)性暴雨過(guò)程有重要影響。暴雨的形成機(jī)制一直是業(yè)內(nèi)探討的熱點(diǎn)問(wèn)題，針對(duì)海南島秋季持續(xù)強(qiáng)降雨，現(xiàn)有研究大多是對(duì)整個(gè)天氣過(guò)程進(jìn)行天氣學(xué)診斷，暴雨不同階段的成因可能不同，對(duì)比持續(xù)性暴雨不同階段的成因，將進(jìn)一步加深對(duì)多系統(tǒng)相互作用下持續(xù)性暴雨形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)。本研究對(duì)海南2020年10月15－19日持續(xù)強(qiáng)降雨過(guò)程進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論冷空氣頻繁誘發(fā)的持續(xù)東北急流，及其與南海輻合帶相互作用造成的持續(xù)強(qiáng)降雨過(guò)程，并對(duì)比2個(gè)強(qiáng)降雨時(shí)段（16日20時(shí)至17日08時(shí)和18日08時(shí)至20時(shí)）的天氣學(xué)機(jī)制。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

利用海南島區(qū)域自動(dòng)站、探空等常規(guī)觀測(cè)資料，?？谡竞腿齺喺径嗥绽绽走_(dá)和NCEP FNL數(shù)據(jù)，NCEP FNL數(shù)據(jù)是空間分辨率為1°×1°的再分析資料，時(shí)間分辨率為6 h，從NCAR數(shù)據(jù)庫(kù)免費(fèi)獲?。╮da.ucar.edu/）。

1.2 方法

為討論海南島不同時(shí)段的降水分布特征，運(yùn)用北部、中部和南部地區(qū)站點(diǎn)1小時(shí)降雨、3小時(shí)氣壓與變壓數(shù)據(jù)繪制時(shí)序圖。為突出主要降雨特點(diǎn)，選擇北部、中部和南部地區(qū)最大累計(jì)雨量站點(diǎn)，分別為?？谂f州鎮(zhèn)政府站、瓊中馬場(chǎng)站與三亞大茅山莊站點(diǎn)。對(duì)雷達(dá)、再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，通過(guò)計(jì)算相關(guān)物理量診斷其分布特征，進(jìn)一步討論降雨成因。其中，對(duì)本研究有重要意義的是對(duì)濕位渦的診斷。吳國(guó)雄等［16］將濕位渦定義為單位質(zhì)量氣塊的絕對(duì)渦度在相當(dāng)位溫梯度方向的投影與這一梯度絕對(duì)值的乘積，對(duì)無(wú)摩擦、濕絕熱的飽和大氣滿足濕位渦守恒。將濕位渦在等壓面上展開，定義其垂直和水平分量分別為MPV1，MPV2。

MPV1是濕正壓項(xiàng)，北半球大氣對(duì)流不穩(wěn)定時(shí)，MPV1＜0；在大氣對(duì)流穩(wěn)定時(shí)，MPV1＞0。MPV2是濕斜壓項(xiàng)，它的數(shù)值由風(fēng)的垂直切變（水平渦度）和θe的水平梯度決定，在濕位渦守恒的制約下，θe面傾斜越大，氣旋性渦度越強(qiáng)烈，這種渦度的增長(zhǎng)稱為傾斜渦度發(fā)展。

2 結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)降雨分布情況

繼2020年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“環(huán)高”于2020年10月15日中午登陸越南，南海季風(fēng)槽仍然活躍，雖未加強(qiáng)為熱帶低壓，但與冷空氣持續(xù)相互作用，導(dǎo)致海南島2020年10月15日08時(shí)至19日08時(shí)（北京時(shí)間，下同）出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨天氣。如圖1-a所示，過(guò)程累計(jì)雨量呈中部地區(qū)最大（600～740 mm）、東部和南部地區(qū)次之（200～500 mm）、西部和北部最?。?00 mm以下）的分布特征，其中最大累計(jì)雨量為747 mm，位于瓊中地區(qū)馬場(chǎng)站點(diǎn)。分析北部、中部和南部地區(qū)過(guò)程最大雨量站點(diǎn)的1小時(shí)降雨時(shí)序圖，圖1-b表明，整個(gè)天氣過(guò)程有2個(gè)強(qiáng)降雨時(shí)段：16日20時(shí)至17日08時(shí)，主要位于海南島中部地區(qū)，小時(shí)雨量達(dá)到20 mm及以上的強(qiáng)降水過(guò)程持續(xù)達(dá)10 h，12小時(shí)累計(jì)雨量最大值位于瓊中地區(qū)馬場(chǎng)站點(diǎn)，為265 mm；18日08時(shí)至20時(shí)，主要位于海南島中部和南部地區(qū)，12小時(shí)累計(jì)雨量最大值位于三亞地區(qū)鳳凰島站點(diǎn)，為164 mm。

圖1 強(qiáng)降雨分布情況

此次強(qiáng)降雨過(guò)程影響范圍廣、降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，給海南島造成了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。

2.2 環(huán)流背景與影響系統(tǒng)的演變特征

分析2020年10月15－19日平均環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)（圖2-a），500 hPa高度場(chǎng)亞歐中高緯為一槽一脊形勢(shì)，東亞槽從鄂霍次克海經(jīng)日本海南伸至中國(guó)東部地區(qū)，貝加爾湖受弱脊控制。副高較弱，呈塊狀，脊線位于20°N附近，西伸至廣西沿海一帶。中國(guó)中東部地區(qū)850 hPa呈反氣旋環(huán)流，東部海域至華南沿海維持東北氣流，海南島至南海北部有大范圍偏東急流，結(jié)合溫度密集帶，表明低層有冷空氣入侵。中南半島至南海中部有熱帶輻合帶，熱帶對(duì)流云團(tuán)發(fā)展活躍。

14日起，東北冷渦及低槽緩慢東移，貝加爾湖高壓脊前不斷有短波槽并入冷渦，其冷平流的動(dòng)力加壓作用使低層?xùn)|部地區(qū)維持反氣旋環(huán)流，出現(xiàn)東北急流，副高多位于西太平洋至中國(guó)東部一帶。16日（圖2-b），蒙古西部冷高壓加強(qiáng)并向我國(guó)中部和東部地區(qū)擴(kuò)散，溫度密集區(qū)南壓至兩廣沿海地區(qū)，副高位于在兩廣一帶，呈帶狀，低層長(zhǎng)時(shí)間東北急流的維持為海南島中部地區(qū)帶來(lái)輻合，200 hPa高層輻散，為海南島中部地區(qū)帶來(lái)強(qiáng)降雨天氣。18日（圖2-c），青藏高原北部有短波槽東移發(fā)展并引導(dǎo)弱冷空氣南下，副高加強(qiáng)至塊狀，南海輻合帶由12°N北抬至15°N附近海域，出現(xiàn)較明顯氣旋式環(huán)流，水汽輸送增強(qiáng)，東南急流和東北急流的輻合造成海南島中部和南部地區(qū)的第二次強(qiáng)降雨過(guò)程。19日之后，南海輻合帶西移至中南半島，海南島全部被東北氣流控制，動(dòng)力與水汽條件不足，海南大范圍強(qiáng)降雨過(guò)程結(jié)束。

分析?？?、瓊中、三亞最大累積降雨站點(diǎn)三小時(shí)氣壓和變壓時(shí)序圖，結(jié)果（圖2-d）表明，15日起海南島北部和中部地區(qū)氣壓逐日緩慢上升，南部地區(qū)18日之前緩慢下降，18日之后明顯上升；17日海南島北部和中部地區(qū)變壓達(dá)到峰值，18日南部地區(qū)變壓達(dá)到峰值，說(shuō)明前期受地形阻擋作用，冷空氣主要影響中部地區(qū)，18日冷空氣補(bǔ)充南下，與北移的南海輻合帶共同作用，影響南部地區(qū)。

圖2 環(huán)境背景、氣壓和變壓時(shí)序圖

從以上分析可知，冷空氣頻發(fā)導(dǎo)致低空急流長(zhǎng)時(shí)間維持并南壓，與南海輻合帶相互作用，是此次強(qiáng)降雨過(guò)程的主要天氣學(xué)成因，也是海南秋季持續(xù)強(qiáng)降雨的重要預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。因此，有必要對(duì)二者相互作用的物理機(jī)制作進(jìn)一步探討。

2.3 冷空氣與南海輻合帶相互作用

2.3.1 冷空氣引發(fā)持續(xù)低空急流

冬季風(fēng)期間，中國(guó)北部主要盛行西北氣流，30°N以南則為東北氣流控制，當(dāng)中高緯大陸冷空氣向南爆發(fā)，南海和熱帶西太平洋一帶東北風(fēng)風(fēng)速加強(qiáng)的一種低層大氣現(xiàn)象一般稱為冷涌［17］。有關(guān)學(xué)者［18］指出，東亞和東南亞的冷涌是淺薄的，主要限于700 hPa以下。目前關(guān)于冷涌的定義尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，Lau等［19］將冷涌定義為：（1）南海北部海域（15－20°N，110－115°E）偏北風(fēng)增大到8 m/s以上；（2）偏北風(fēng)增大前0～24 h內(nèi)，中國(guó)香港（或廣州）與武漢的氣壓差大于等于8 hPa。本次過(guò)程冷空氣爆發(fā)于華北和華東地區(qū)，造成了地面明顯降溫（最大降溫近11℃/d）和大風(fēng)天氣，南海北部海域1 000 hPa垂直運(yùn)動(dòng)和偏北分量風(fēng)速的平均值和最大值見圖3。平均值均較小，偏北分量在16日夜間逐漸加強(qiáng)至10.5 m/s，直至19日均大于8 m/s，廣州與武漢氣壓差10月14日達(dá)到10 hPa，直至16日氣壓差達(dá)到最大，為11 hPa。因此，冷涌是此次過(guò)程?hào)|北急流長(zhǎng)時(shí)間維持的主要原因。由圖3可知，偏北分量風(fēng)速最大值的出現(xiàn)時(shí)段較最大上升氣流提前一天，表明東北急流有利于觸發(fā)強(qiáng)降雨過(guò)程。

圖3 南海北部海面（15～20°N，110～115°E）1 000 hPa垂直運(yùn)動(dòng)和偏北分量風(fēng)速

2.3.2 冷空氣入侵的影響

14日，低緯地區(qū)受東南風(fēng)控制，干冷空氣維持在25°N附近，南海輻合帶活躍于12°N一帶。受較強(qiáng)冷空氣影響，16日中緯地區(qū)出現(xiàn)東北急流，冷空氣南壓，于16日夜間到達(dá)兩廣一帶（圖4-a），假相當(dāng)位溫經(jīng)向梯度達(dá)到6 K/（100 km），925 hPa海南島陸地的偏東急流風(fēng)速達(dá)到24 m/s，與東北急流輻合帶來(lái)強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，并在海南島中部形成明顯水汽輻合（圖4-b），造成第一次強(qiáng)降雨。之后，弱冷空氣繼續(xù)向南擴(kuò)散（圖4-c），整個(gè)海南島受東北急流控制，17日夜間925 hPa風(fēng)速第二次達(dá)到24 m/s，南海輻合帶北移西收，位于14°N附近，氣旋式環(huán)流加強(qiáng)，為海南島南部沿岸帶來(lái)暖濕的東南氣流，與東北急流輻合，為海南島南部陸地帶來(lái)良好的動(dòng)力抬升和水汽條件，此時(shí)水汽輻合中心南移至海南島南部陸地至南部海面區(qū)域（圖4-d），在海南島南部陸地發(fā)生第二次強(qiáng)降雨過(guò)程。冷空氣與南海輻合帶及水汽條件的發(fā)展與移動(dòng)見圖4-e、圖4-f。楊薇［20］指出，偏東氣流影響下，海南島“中間高、四周低”環(huán)形層狀分布的地形［21］促使東部地區(qū)出現(xiàn)有利于水汽抬升的環(huán)流配置，同時(shí)阻擋水汽向西輸送，導(dǎo)致海南島中部地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間維持水汽輻合。18日夜間，隨著冷空氣繼續(xù)擴(kuò)散，南海輻合帶西退并逐漸減弱，抬升與水汽條件不足，強(qiáng)降雨過(guò)程結(jié)束。結(jié)合雷達(dá)組合反射率因子和徑向速度圖像（圖5-a、圖5-b），16日夜間，徑向速度圖呈“S”型，由于地形阻擋，在海南島中部陸地形成范圍較大、東西走向的回波帶。17日夜間，最大徑向速度達(dá)到34 m/s，速度模糊范圍較大，并維持較長(zhǎng)時(shí)間。

圖4 冷空氣入侵情況

圖5 反射率和徑向速度

以上結(jié)合風(fēng)場(chǎng)與地形分析了冷空氣對(duì)此次過(guò)程2個(gè)強(qiáng)降雨時(shí)段的影響，此次過(guò)程在暴雨的維持、南海輻合帶的發(fā)展與北移方面的物理機(jī)制需要進(jìn)一步思考。

2.4 濕位渦與傾斜位渦發(fā)展

低層濕位渦分析和傾斜渦度發(fā)展理論是持續(xù)暴雨動(dòng)力天氣和動(dòng)力氣候研究的一個(gè)重要內(nèi)容［22］，濕位渦是能表征大氣動(dòng)力、熱力和水汽性質(zhì)的綜合物理量。

暴雨前期冷空氣主體位于海南島中層（圖6-a），“上冷下暖”為暴雨的持續(xù)發(fā)生積累不穩(wěn)定能量，海南島中低層MPV1＜0，大氣呈對(duì)流不穩(wěn)定（圖6-b）；MPV2在中層為弱負(fù)值，低層為弱正值，在近地面冷暖空氣交界、約23°N附近區(qū)域有明顯較大正值，與上升運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)。第一次強(qiáng)降雨時(shí)段（16日20時(shí)至17日08時(shí)），海南島中層冷空氣下沉，直至低層并侵入暖濕的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，不穩(wěn)定能量有所釋放，假相當(dāng)位溫等值線接近垂直，MPV1呈弱負(fù)值，低層MPV2大正值區(qū)移至海南島（圖6-c、6-d）。第二次強(qiáng)降雨時(shí)段（18日08時(shí)至18日20時(shí)）垂直運(yùn)動(dòng)、假相當(dāng)位溫、濕位渦的分布與第一次強(qiáng)降雨時(shí)段類似，與之不同的是，海南島南部海域偏南風(fēng)大值區(qū)由12°N北抬至16°N（圖6-e、6-f），偏南分量加大與渦度正值區(qū)的北移密不可分（圖6-g），對(duì)比圖6-b、6-d、6-f可知，正渦度的強(qiáng)度和延伸高度逐漸增大。

吳國(guó)雄等［16］指出，在濕位渦守恒的制約下，假相當(dāng)位溫面傾斜越大，氣旋性渦度越強(qiáng)烈，這種渦度的增長(zhǎng)稱為傾斜渦度發(fā)展，為垂直渦度增長(zhǎng)的充分條件：當(dāng)MPV1＜0且MPV2＞0時(shí)，傾斜渦度發(fā)展。暴雨發(fā)生時(shí)段海南島低層不穩(wěn)定能量釋放，暖濕氣流沿著干冷空氣爬升，與沿等假相當(dāng)位溫面下滑的干冷空氣發(fā)生強(qiáng)烈輔合，低空急流的加強(qiáng)，導(dǎo)致MPV2增加，渦度發(fā)展（圖6-h）。崔曉鵬等［23］指出，氣旋的發(fā)展和移動(dòng)與等熵面的傾斜密切相關(guān)，南海輻合帶的北移很可能與海南島上空渦度發(fā)展有關(guān)（二者詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)方面的機(jī)制仍需進(jìn)一步研究），為第二次強(qiáng)降雨過(guò)程帶來(lái)南海暖濕氣流，補(bǔ)充了不穩(wěn)定能量，再加上地形的強(qiáng)迫抬升，形成強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致持續(xù)強(qiáng)降雨。

圖6 濕位渦與傾斜位渦發(fā)展情況

續(xù)圖6 濕位渦與傾斜位渦發(fā)展情況

3 結(jié)論

本研究從傾斜濕位渦發(fā)展的視角解釋南海輻合帶的北移，為研究此類天氣過(guò)程的學(xué)者提供思路。低壓北移與眾多因子有關(guān)，比如引導(dǎo)氣流的強(qiáng)弱、對(duì)流的分布、中尺度系統(tǒng)相互作用等等。暴雨形成與地形和急流的日變化關(guān)系密切，仍需進(jìn)一步研究。

本研究運(yùn)用常規(guī)觀測(cè)資料、多普勒雷達(dá)和NCEP FNL1°×1°再分析數(shù)據(jù)，對(duì)海南島2020年10月15－19日持續(xù)強(qiáng)降雨過(guò)程進(jìn)行分析，著眼頻發(fā)冷空氣與南海輻合帶之間的相互作用，對(duì)比分析兩個(gè)強(qiáng)降雨時(shí)段（16日20時(shí)至17日08時(shí)和18日08時(shí)至20時(shí)）的天氣學(xué)機(jī)制。

（1）此次持續(xù)強(qiáng)降雨過(guò)程發(fā)生在副熱帶高壓環(huán)流較弱的環(huán)流背景下，冷空氣與南海輻合帶相互作用，低層持續(xù)出現(xiàn)東北急流，先后與偏東、東南急流輻合，為對(duì)流的發(fā)展提供有利的動(dòng)力和水汽條件。

（2）冷涌是東北急流長(zhǎng)時(shí)間維持的主要原因。由于地形阻擋，在海南島中部地區(qū)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間東北急流與偏東急流的輻合，有利于不穩(wěn)定能量釋放，是第一階段暴雨形成的主要機(jī)制。

（3）運(yùn)用濕位渦與傾斜位渦發(fā)展理論，強(qiáng)降雨發(fā)生之前海南島MPV1明顯為負(fù)值，冷空氣南下為海南島造成“上冷下暖”的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)。隨第一次暴雨過(guò)程冷空氣下沉，釋放不穩(wěn)定能量，假相當(dāng)位溫面接近垂直，海南島低層有MPV2較大正值區(qū)，斜壓不穩(wěn)定加強(qiáng)，同時(shí)傾斜渦度發(fā)展，導(dǎo)致南海輻合帶略有加強(qiáng)并逐漸北移，為海南島南部陸地帶來(lái)東南急流，與南壓的東北急流輻合，不穩(wěn)定能量得以重建，造成第二次暴雨過(guò)程。