蔡孫平，陳海亮，符靖茹，邵端舟

（1.廉江市氣象局，廣東廉江 524400；2.湛江市氣象局，廣東湛江 524000；3.廣東海洋大學(xué)南海海洋氣象研究院，廣東湛江 524088）

華南汛期受西風(fēng)帶系統(tǒng)、低緯度和熱帶天氣系統(tǒng)影響，降雨充沛，暴雨頻發(fā)，汛期暴雨天氣成為華南最主要災(zāi)害性天氣之一［1-2］。

有許多氣象工作者從大氣動力過程、熱力過程診斷分析多類暴雨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、形成機(jī)理、物理過程，討論華南前汛期暴雨、臺風(fēng)暴雨等不同類型暴雨的特征差異［3-8］，如徐碧裕等［3］對廣東陽春至恩平一帶的局地特大暴雨分析發(fā)現(xiàn)局地經(jīng)圈環(huán)流的正反饋觸發(fā)機(jī)制使得強(qiáng)降水維持，垂直方向溫度平流零線、等θse線密集區(qū)、垂直上升速度中心區(qū)，均與強(qiáng)降水落區(qū)有較好對應(yīng)關(guān)系；賀發(fā)勝等［4］對廣東河源一次連續(xù)暴雨過程診斷，發(fā)現(xiàn)連續(xù)性暴雨過程一般發(fā)生在暖區(qū)，且強(qiáng)降雨與低空急流脈動密切相關(guān)；梁潔華等［5］對“2018·8”特大暴雨過程進(jìn)行診斷，應(yīng)用濕位渦討論了大氣的斜壓性強(qiáng)弱與暴雨觸發(fā)機(jī)制關(guān)系；彭端等［6］對華南兩次強(qiáng)臺風(fēng)暴雨過程水汽與濕位渦對比分析表明，濕位渦與臺風(fēng)暴雨落區(qū)有一定關(guān)系；鐘雄炎等［7］曾對粵西南沿海一次暴雨過程從形勢環(huán)境場、水汽、熱力和動力物理量診斷方面做過詳細(xì)分析；蔡晶等［8］通過研究發(fā)現(xiàn)廣東西南部的湛江、茂名地區(qū)是廣東的短時強(qiáng)降水多發(fā)區(qū)之一。

本研究使用常規(guī)資料、ECMWF第5代全球大氣再分析逐小時數(shù)據(jù)集（0.25°×0.25°），對2021年4月26日華南一次區(qū)域性暴雨天氣過程進(jìn)行分析，探討該次強(qiáng)降水過程的發(fā)生發(fā)展機(jī)制。

1 天氣過程概況

2021年4月26日05：00—08：00（北京時，下同），廣西南部到廣東西南部首先開始出現(xiàn)降水，降水主要落區(qū)在廣西西南部，在廣西欽州-北海-廣東廉江一線出現(xiàn)局地強(qiáng)降水，其中廣東廉江氣象局大院區(qū)域站1 h雨量達(dá)103.6 mm，在其周圍10 km范圍有4個測站錄得60～80 mm的小時雨強(qiáng)。08：00—14：00，主雨區(qū)從廣西西南部向東移動，14：00影響廣西貴港到廣東湛江一帶。此過程中，強(qiáng)降水中心從廣西北海往東南方向移動，經(jīng)過兩廣交界和北部灣上空進(jìn)入廣東雷州半島，11：00—14：00上述區(qū)域內(nèi)有13個站點(diǎn)1 h雨量超50 mm，其中廣西鐵山港站點(diǎn)1 h雨量達(dá)102mm。14：00—20：00，暴雨區(qū)逐漸向雷州半島到海南島推進(jìn)。該次過程區(qū)域內(nèi)錄得1 h雨量超50 mm的站點(diǎn)有130個，日雨量超過100 mm站點(diǎn)達(dá)到59個（圖1）。

圖1 2021年4月25日20：00—26日20：00累計降水散點(diǎn)圖（單位：mm）

2 環(huán)流流場特征分析

2.1 高低空環(huán)流形勢演變

4月25日20：00，500 hPa高空歐亞中高緯是兩槽一脊環(huán)流型（圖略），西風(fēng)槽在河套南部不斷加深東移，槽后勢力較強(qiáng)的冷空氣沿河套從中路南下；高原東側(cè)有西風(fēng)急流活動，同時高原南部到孟加拉灣有南支槽發(fā)展，南支槽前有多個南支波動向東傳播，槽后西北氣流引導(dǎo)冷空氣從廣西西北部向南滲透；副高脊線在18°N附近，西脊點(diǎn)在102°E中南半島上空，兩廣南部處于副高北側(cè)偏西流場控制。在850 hPa上，云南到中南半島北部110°E附近上空有一閉合低渦系統(tǒng)，低渦氣旋性環(huán)流帶來的偏南氣流與上游槽后西北氣流在廣西北部形成切變輻合。26日08：00（圖2a），隨著高空槽進(jìn)一步東移南壓，500 hPa高原東側(cè)上空風(fēng)速脈動明顯增強(qiáng)，在28°N—30°N形成寬廣的西風(fēng)急流軸，急流軸南側(cè)的短波槽得到增強(qiáng)；副高西伸加強(qiáng)過程中，脊線南移到15°N一線，北部灣處于副高西北側(cè)邊緣區(qū)。分析850 hPa形勢場（圖2b）表明，受副高加強(qiáng)過程西南風(fēng)速脈動影響，26日08：00—12：00，北部灣有一支不斷增強(qiáng)的西南到偏南急流輸送帶，與東南急流和冷空氣偏北氣流在廣西南部到北部灣一帶上空形成“人”字形切變結(jié)構(gòu)。到26日20：00，500 hPa華南南部轉(zhuǎn)南支槽過境后一致的西北風(fēng)場控制，850～925 hPa受冷空氣的東到東北風(fēng)場影響，降水形勢趨于結(jié)束。

圖2 2021年4月26日08：00 500 hPa形勢場（等值線，單位：dagpm）與風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m／s）（a）和850 hPa溫度場（填色，單位：℃）與風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m／s）（b）

2.2 地面系統(tǒng)特征

分析4月25日20：00地面形勢場表面，云南一帶存在一低壓中心，向東南伸出低槽延伸至中南半島，受其影響廣東西南部到廣西南部盛行東南風(fēng)；低壓與東側(cè)的冷高壓中心在云貴交界一帶形成密集氣壓梯度，有利于地面冷空氣大風(fēng)快速南下。26日08：00（圖略），冷空氣前鋒偏北風(fēng)已經(jīng)滲透到廣西中部，中南半島的低槽向東橫向伸出，雷州半島受橫槽的東南到偏東風(fēng)場控制，在廣西南部形成中尺度風(fēng)場輻合線，存在弱鋒面低槽形勢。受地面輻合風(fēng)場影響，大氣邊界層產(chǎn)生正渦度擾動有利于低空位勢不穩(wěn)定能量釋放。

3 低渦切變特征分析

從環(huán)流特征分析可見，低渦切變是該次區(qū)域性暴雨發(fā)生的直接觸發(fā)系統(tǒng)，其中北側(cè)和南側(cè)分別是冷空氣東北氣流與東南急流和西南急流與冷空氣東北到偏北氣流形成的冷鋒式切變，東側(cè)是東南急流與西南急流形成的暖鋒式切變，中尺度暴雨云團(tuán)系統(tǒng)主要出現(xiàn)在低渦東側(cè)和南側(cè)切變線附近。26日08：00，北部灣上空處于副高西北邊緣和南支槽前不斷加強(qiáng)的西南氣流控制，850～925 hPa受低渦輻合氣流逼近影響（圖3），明顯的地轉(zhuǎn)偏差是形成低空西南急流的主要原因。

圖3 2021年4月26日08：00 925 hPa水汽通量（填色，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1）和風(fēng)矢量場（單位：m／s）

低渦東側(cè)是低空東南急流與西南急流軸出口左側(cè)的正切變渦度區(qū)，加上較大濕度平流水汽輸送，有利中尺度暴雨云團(tuán)維持和增強(qiáng)。從切變線分布類型可見，北側(cè)冷鋒式切變由較強(qiáng)東北氣流占主導(dǎo)，切變快速南移過程中，降水量并不大；南側(cè)冷鋒式切變則是不斷增強(qiáng)的暖濕西南風(fēng)場占主導(dǎo)，在與冷空氣前鋒滲透的北風(fēng)輻合交匯維持時間長，降水量和降水范圍都明顯較大；而東側(cè)的暖鋒式切變是兩支偏南暖濕氣流強(qiáng)烈輻合形成的，為暴雨發(fā)生提供有利動力條件。

4 水汽條件

水汽條件是產(chǎn)生暴雨的主要物理?xiàng)l件之一。從21°N—22°N，108°E—111°E區(qū)域平均比濕垂直-時間剖面圖（圖4a）可見，暴雨發(fā)生前期，低層水汽累積時間長，水汽垂直結(jié)構(gòu)深厚，25日08：00—26日08：00暴雨區(qū)800 hPa以下比濕保持在12 g／kg以上，高濕核位于925 hPa以下，對流層低層處于高濕飽和狀態(tài)。26日08：00—12：00低層到中層比濕出現(xiàn)垂直突增現(xiàn)象，突增大值恰好與暴雨發(fā)生主要時段較吻合，14：00達(dá)到峰值后逐漸下降，17：00后冷鋒主體過境，濕度條件明顯轉(zhuǎn)干。

分析環(huán)境流場及水汽通量散度場（圖4b）表明，華南南部低層水汽輻合帶呈現(xiàn)人字形，與低渦切變線位置基本重疊，925 hPa水汽輻合帶出現(xiàn)在暴雨區(qū)域附近，表現(xiàn)出3個水汽通量散度負(fù)值中心，其中南側(cè)暖式切變附近的負(fù)值中心持續(xù)時間較長，在暴雨發(fā)生期間強(qiáng)度維持在-25×10-6～-15×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1之間，水汽通量散度大負(fù)值區(qū)域與強(qiáng)降水點(diǎn)分布較為吻合，西南急流與東南急流在低空產(chǎn)生強(qiáng)切變輻合可能是造成區(qū)域強(qiáng)降水顯著增強(qiáng)的重要原因。

圖4 2021年4月25日08：00—27日08：00 108°E—111°E，21°N—22°N區(qū)域平均比濕垂直-時間剖面

5 廣義濕位渦特征

高守亭等［9］推導(dǎo)了非均衡飽和濕空氣廣義濕位渦（GMPV），認(rèn)為正負(fù)廣義濕位渦生成，濕空氣中斜壓增強(qiáng)，又因斜壓項(xiàng)在絕對渦度中的重要作用，認(rèn)為非均衡飽和濕空氣廣義濕位渦生消變化與絕對渦度有密切關(guān)系。本研究嘗試?yán)脧V義濕位渦進(jìn)行分析，探討該物理量在該次暴雨過程的特征表現(xiàn)（圖5）。GMPV單位為PVU，其中1 PVU＝1×10-6m-6·s-1·K·kg-1。

圖5 2021年4月26日08：00（a）和14：00（b）850 hPa廣義濕位渦（單位：PVU）

從08：00 850 hPa的GMPV分布來看，華南南部沿海有連片的GMPV正異常區(qū)，雷州半島兩側(cè)海區(qū)各有1個強(qiáng)度在3～4 PVU正值中心（圖5a）；10：00—12：00，雷州半島南部到海南島東北部一帶GMPV值迅速升至1～3 PVU，北部灣轉(zhuǎn)為負(fù)異常區(qū)控制；14：00—16：00，在海南島東北部和雷州半島西南部先后出現(xiàn)2個正異常中心，之后逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)異常區(qū)。隨著雨帶南壓，GMPV負(fù)異常區(qū)向粵西南和瓊北靠近，北部灣到海南島一帶逐漸從正異常區(qū)轉(zhuǎn)為負(fù)異常區(qū)，到14：00—15：00，負(fù)異常中心移到海南北部（圖5b），對應(yīng)此時段降水分析，GMPV異常中心較好反映雨帶分布。分析表明，GMPV能較好反映暴雨點(diǎn)分布，暴雨區(qū)一般在正負(fù)GMPV水平梯度較大區(qū)域附近。

6 濕渦度與濕散度場特征

以往已有大量運(yùn)用渦度場、散度場等物理量診斷天氣過程個例，但部分個例對暴雨落區(qū)診斷性能較差。錢維宏等［10］將動力和水汽作用結(jié)合，在常規(guī)渦度、散度和比濕因子基礎(chǔ)上提出2個新的物理診斷量，濕渦度（MV）和濕散度（MD），計算定義為

其中，u、v分別是緯向、經(jīng)向風(fēng)分量（m／s）；q、qs分別是比濕和飽和比濕（g／kg）；k是水汽貢獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，本研究k＝10。本研究嘗試?yán)肕V與θse綜合分析，探討該物理量在該次暴雨過程的特征表現(xiàn)。

從沿110°E緯向濕渦度與θse剖面分析看，26日14：00前后（圖6a）在20°N以北暴雨區(qū)低層850～925 hPa不斷有正負(fù)濕渦度對發(fā)展，表現(xiàn)為多個上升支流和下沉支流，在20°N以南低層是積聚大量對流不穩(wěn)定能量暖濕區(qū)，20°N以北中層有干冷平流向暴雨區(qū)上空推進(jìn)，中高空形成θse鋒區(qū)。

14：00前后（圖6b）在650～200 hPa有一個濕渦度中心強(qiáng)度＞5 s-1的深厚正渦管緩慢南移，在22°N低層有一個負(fù)濕散度強(qiáng)中心，表明此處附近氣流的低層輻合、上層抽吸作用顯著，暴雨區(qū)上空濕散度負(fù)值氣柱水平方向有收縮趨勢，說明旋度作用顯著，這種高低空次級動力環(huán)流水汽能量垂直交換特征，表明有利暴雨對流系統(tǒng)發(fā)生和維持，對應(yīng)粵西南一片多個站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨點(diǎn)，有多個站點(diǎn)1 h雨量達(dá)50 mm以上。

7 結(jié)論

1）該次暴雨過程主要是500 hPa高空槽、南支槽波動、低層人字形低渦切變線和地面弱鋒面低槽共同作用下發(fā)生的，低槽槽前正渦度平流和切變線強(qiáng)輻合是觸發(fā)中尺度暴雨系統(tǒng)的主要動力機(jī)制。

2）低渦切變是這次區(qū)域性暴雨發(fā)生的直接觸發(fā)系統(tǒng)，水汽輻合主要發(fā)生在850～925 hPa低空急流切變區(qū)域附近，副高的加強(qiáng)和南支槽風(fēng)速脈動是驅(qū)動西南急流突變增強(qiáng)的主要原因。

3）暴雨區(qū)水汽主要集中在中層大氣以下，水汽來源于南海暖濕東南氣流和孟加拉灣西南氣流輸送；該次過程925 hPa水汽輻合帶與暴雨區(qū)域較吻合，暴雨點(diǎn)主要出現(xiàn)在西南急流與東南急流輻合形成的暖式切變線附近。

4）廣義濕位渦異常區(qū)在該次過程中對暴雨落區(qū)有較好示蹤作用，暴雨區(qū)一般出現(xiàn)在正負(fù)GMPV水平梯度較大區(qū)域附近。

5）具有濕度因子的濕渦度、濕散度物理量能較清晰描述對流層水汽輻合輻散狀況，也能較好反映暴雨落區(qū)上空動力、水汽特征，在今后應(yīng)用探索發(fā)展上有一定意義。