付煒，唐明暉，葉成志，周慧，傅承浩

(1.永州市氣象局，湖南 永州 425000；2.湖南省氣象臺(tái)，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

1 引 言

暖區(qū)暴雨為發(fā)生在地面鋒面南側(cè)暖區(qū)，或是南嶺附近至南海北部沒有鋒面存在、華南未受冷空氣或變性冷高壓脊控制時(shí)產(chǎn)生的暴雨[1]，由于暖區(qū)暴雨的天氣尺度斜壓性強(qiáng)迫弱、環(huán)境大氣熱動(dòng)力不穩(wěn)定性強(qiáng)，以及特殊的地形和海陸熱力差異的外強(qiáng)迫作用，暴雨對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制復(fù)雜，暴雨突發(fā)性、局地性特征明顯，預(yù)報(bào)難度極大[2-6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)暖區(qū)暴雨進(jìn)行了普查分類，華南內(nèi)陸暖區(qū)暴雨主要以南風(fēng)型和切變線型為主，其中南風(fēng)型暖區(qū)暴雨不受切變線及低渦的直接控制，處于廣闊偏南氣流中的內(nèi)陸暖區(qū)暴雨發(fā)生頻次較少，過程雨量較沿海暖區(qū)暴雨小，但預(yù)報(bào)難度更大[7-10]。

由于暖區(qū)暴雨的中尺度特性，研究暖區(qū)暴雨往往需要借助高分辨率數(shù)值模式[11]。近年來為研究復(fù)雜地形影響下的強(qiáng)降水過程，王堅(jiān)紅等[12]對(duì)華南沿海暖區(qū)輻合線暴雨地形動(dòng)力機(jī)制開展了數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究表明地形抬升、阻擋及側(cè)向摩擦效應(yīng)對(duì)強(qiáng)降水的強(qiáng)度與落區(qū)均有重要影響；研究者通過數(shù)值模擬研究了大別山、太行山和天山對(duì)暴雨過程的影響，發(fā)現(xiàn)地形的阻擋作用影響了低層的氣流走向與散合，進(jìn)而促進(jìn)水汽和不穩(wěn)定能量的聚散，在有利的環(huán)境物理?xiàng)l件下影響降水的落區(qū)與強(qiáng)度[13-16]。隨著數(shù)值模式的發(fā)展，包含詳細(xì)物理過程的大量云微物理參數(shù)化方案使得暖區(qū)暴雨模擬試驗(yàn)有了更多的參數(shù)選擇，進(jìn)而能夠獲得更優(yōu)的模擬結(jié)果[17-19]。當(dāng)前對(duì)于華南沿海暖區(qū)暴雨過程的數(shù)值模擬分析較多[20-22]，但對(duì)于華南北部南嶺山脈附近的暖區(qū)暴雨的模擬分析近乎空白。

暖區(qū)暴雨一直是華南前汛期暴雨預(yù)報(bào)的難點(diǎn)，處于華南北部南嶺山脈的湘桂粵邊界地形復(fù)雜，特別是廣西東北部的喇叭口地形對(duì)降水有明顯的增幅作用，使得該區(qū)域的暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)難度進(jìn)一步加大[23-27]。2016年5月5日凌晨廣西東北部至湖南南部突發(fā)大范圍暴雨、局地大暴雨，歐洲中心、CMA-GFS等全球模式對(duì)于暴雨幾乎全部漏報(bào)。此次過程為強(qiáng)西南急流背景下的暖區(qū)暴雨，華南北部南嶺山脈對(duì)暖區(qū)暴雨發(fā)生過程的環(huán)流有何種影響？地形在強(qiáng)西南急流背景下的暖區(qū)暴雨中發(fā)揮了什么樣的作用？為此，本文將對(duì)此次過程進(jìn)行初步的模擬分析，以期增加對(duì)此類暖區(qū)暴雨發(fā)生機(jī)理的認(rèn)知水平，并為實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供有效的預(yù)報(bào)參考。

2 資料與方法

本文使用的資料有：研究區(qū)域范圍內(nèi)國(guó)家氣象觀測(cè)站和區(qū)域自動(dòng)觀測(cè)站降水?dāng)?shù)據(jù)、高空觀測(cè)資料、地面重要天氣報(bào)資料、FY-2G衛(wèi)星TBB（Black Body Temperature）相當(dāng)黑體亮溫資料。數(shù)值模擬研究使用非靜力平衡中尺度數(shù)值模式WRF v4.0，初始場(chǎng)和邊界條件采用NCEP 1°×1°FNL全球再分析資料。

3 天氣實(shí)況與環(huán)流背景

3.1 天氣實(shí)況

2016年5月4日20時(shí)—5日08時(shí)（北京時(shí),下同），廣西東北部至湖南西南部出現(xiàn)成片大暴雨（圖1），158站達(dá)到暴雨以上量級(jí)降水，44站為大暴雨，最大降水量為190.6 mm(靈川三街鎮(zhèn))，最大小時(shí)雨強(qiáng)為65.4 mm，其中湖南道縣在5日03—06時(shí)降水量達(dá)到131.2 mm，并出現(xiàn)多站雷暴大風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)到21.3 m/s（郴州站23:39出現(xiàn)）。而ECMWF模式4日08時(shí)起報(bào)的4日20時(shí)—5日08時(shí)12小時(shí)降水預(yù)報(bào)對(duì)于湖南南部?jī)H預(yù)報(bào)了小雨量級(jí)，雖然對(duì)廣西東北區(qū)域預(yù)報(bào)了大雨量級(jí)降水，但暴雨預(yù)報(bào)非常局地，區(qū)域大暴雨完全漏報(bào)，其他全球預(yù)報(bào)模式結(jié)果與歐洲中心預(yù)報(bào)基本一致，本地預(yù)報(bào)員結(jié)合高低空實(shí)況外推和數(shù)值模式預(yù)報(bào)，造成了本次短期預(yù)報(bào)暴雨和大暴雨完全漏報(bào)。

圖1 2016年5月4日20時(shí)—5日08時(shí)湘桂粵邊界累計(jì)降水量(彩色填色：降水，單位：mm)、地形等高線（灰色等值線，單位：km）以及強(qiáng)對(duì)流天氣實(shí)況(紅點(diǎn)、風(fēng)向桿分別代表≥150 mm降水以及雷暴大風(fēng)站點(diǎn))

對(duì)華南北部2016年5月4日21時(shí)—5日08時(shí)逐小時(shí)降水量及TBB分布進(jìn)行分析（圖略）。4日22時(shí)桂東北開始出現(xiàn)成片的短時(shí)強(qiáng)降水（小時(shí)雨強(qiáng)≥20 mm[28]），此后降水云團(tuán)逐步東移，至5日02時(shí)湖南西南開始出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，雨帶范圍開始增大并繼續(xù)東移，03時(shí)之后雨帶主體位于湖南西南，至08時(shí)雨帶東移減弱，強(qiáng)降水基本結(jié)束。結(jié)合小時(shí)降水量分布、短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)及最大小時(shí)雨強(qiáng)進(jìn)行分析（圖2），5日00時(shí)以前，降水云團(tuán)在廣西境內(nèi)發(fā)展東移，短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)相對(duì)較少，最大小時(shí)雨強(qiáng)超過60 mm，當(dāng)降水云團(tuán)主體進(jìn)入湖南之后，特別是03時(shí)之后雨帶范圍開始增大，短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)明顯增多，最大小時(shí)雨強(qiáng)基本維持在50 mm以上，至04時(shí)，出現(xiàn)了42站的短時(shí)強(qiáng)降水。結(jié)合各小時(shí)TBB和短時(shí)強(qiáng)降水的分布情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在云團(tuán)北邊界偏西位置到云團(tuán)最低亮溫區(qū)域西北部，這與云團(tuán)低亮溫區(qū)域降水強(qiáng)度大且其移動(dòng)方向后側(cè)降水疊加關(guān)系密切[29-30]。上述逐小時(shí)降水分析表明，對(duì)流云團(tuán)在廣西東北部初生東移之后存在減弱的過程，當(dāng)其進(jìn)入湖南南部之后又再次發(fā)展，這可能與特定的流場(chǎng)下地形的抬升、側(cè)摩擦等因素關(guān)系密切。

圖2 2016年5月4日22時(shí)—5日08時(shí)湘桂粵邊界逐小時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)及最大小時(shí)雨強(qiáng)

3.2 天氣形勢(shì)分析

16·5過程為槽前上下一致偏南風(fēng)中出現(xiàn)的暖區(qū)暴雨(圖3)，湖南南部及廣西東北部位于上下一致強(qiáng)盛西南風(fēng)中，500 hPa貴州西部有短波槽東移，廣西東北部及湖南中部存在地面輻合線；華南大部分區(qū)域濕層深厚，850 hPa與500 hPa溫差大于25℃，925 hPa低空顯著流線及850 hPa和700 hPa急流與200 hPa高空急流耦合于湘桂黔交界附近，湖南中南部至廣西CAPE＞900 J/kg。上述暴雨發(fā)生前的天氣形勢(shì)及相關(guān)物理量條件表明此次過程具備大氣不穩(wěn)定層結(jié)、水汽和熱力能量條件，也具備一定的觸發(fā)及動(dòng)力條件，具有發(fā)生對(duì)流天氣的潛勢(shì)。實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，強(qiáng)西南急流背景的天氣形勢(shì)配置在湘桂粵邊界經(jīng)常出現(xiàn)，而出現(xiàn)大范圍暴雨以上量級(jí)的降水案例非常少，降水強(qiáng)度及落區(qū)預(yù)報(bào)難度非常大。

圖3 “16·5”過程主要天氣影響系統(tǒng)配置

4 中尺度數(shù)值模擬

4.1 模式及方案簡(jiǎn)介

研究使用WRFv4.0，初始場(chǎng)和邊界條件采用NCEP全球分析資料(1°×1°FNL)，模式區(qū)域采用三重嵌套網(wǎng)格，水平格距分別為27 km、9 km和3 km,垂直層為36層，模式層頂可至19 km高度，模擬時(shí)間24 h，模擬起始時(shí)間為2016年5月4日20時(shí)—5日20時(shí)。如圖4所示，第一重區(qū)域覆蓋中國(guó)大部，第二重區(qū)域包含本次天氣過程的主要降水區(qū)域，第三重區(qū)域包含華南湘桂粵邊界南嶺山脈。通過25次云微物理方案與積云參數(shù)化方案的敏感性實(shí)驗(yàn)，確定采用WSM6微物理方案和Kain-Fritsc積云參數(shù)化方案的降水模擬效果最好。

圖4 模擬區(qū)域與地形

4.2 模擬結(jié)果分析

4.2.1 降水及云頂亮溫模擬結(jié)果

本次成功模擬出2016年5月4日20—5日08時(shí)主雨帶位置（圖5，實(shí)況降水見圖1），暴雨區(qū)范圍較實(shí)況略大，強(qiáng)降水中心基本與實(shí)況一致，其中暴雨命中102站，命中率為47.9%，大暴雨命中23站，命中率為51.1%；對(duì)暴雨以上降水模擬結(jié)果進(jìn)行站點(diǎn)TS評(píng)分，暴雨TS評(píng)分為37.9%，大暴雨TS評(píng)分為34.8%，模擬效果良好。最大降水中心靈川三街鎮(zhèn)站12 h模擬累計(jì)降水量為144.7 mm，較實(shí)況相對(duì)誤差為-24.1%；桂林站模擬12 h累計(jì)降水量為140.4 mm，實(shí)況為137.5 mm，相對(duì)誤差僅為2.1%；道縣站模擬12 h累積降水為79.3 mm，較實(shí)況相對(duì)誤差為-53.3%。

圖5 2016年5月4日20時(shí)—5日08時(shí)降水模擬結(jié)果

對(duì)5日02—06時(shí)逐小時(shí)降水及云頂亮溫模擬結(jié)果與實(shí)況降水及FY-2G衛(wèi)星TBB分布進(jìn)行對(duì)比，5日02時(shí)模擬云頂亮溫低于-32℃區(qū)域(圖6a)與FY衛(wèi)星TBB(圖6b)區(qū)域相比范圍較小，但-52℃區(qū)域基本與衛(wèi)星TBB一致，范圍略小，而20 mm以上量級(jí)降水位置存在一定偏差，但基本能體現(xiàn)主雨帶的強(qiáng)降水中心；03時(shí)模擬云頂(圖6c)亮溫低于-32℃區(qū)域和低于-52℃范圍與FY衛(wèi)星(圖6d)TBB區(qū)域相比范圍均較小，道縣附近短時(shí)強(qiáng)降水范圍也偏小，但能很好地體現(xiàn)強(qiáng)降水中心位置，此外，桂林附近有一虛假的強(qiáng)降水中心；04時(shí)模擬云頂亮溫(圖6e)低于-32℃范圍與衛(wèi)星TBB(圖6f)分布基本一致，但-52℃范圍明顯偏小，道縣南部低于-62℃中心也未能體現(xiàn)，道縣及桂林附近強(qiáng)降水中心有所體現(xiàn)，但道縣附近的強(qiáng)降水范圍略小；05及06時(shí)（圖略）模擬云頂亮溫與衛(wèi)星TBB基本一致，強(qiáng)降水落區(qū)位置存在一定程度的滯后。

圖6 2016年5月5日02時(shí)(a、b)，03時(shí)(c、d)，04時(shí)(e、f)逐小時(shí)降水模擬結(jié)果及云頂亮溫(a、c、e)與實(shí)況降水及FY-2G衛(wèi)星TBB對(duì)比(b、d、f)

總體而言，云頂亮溫模擬結(jié)果能夠較好地再現(xiàn)湘桂粵邊界對(duì)流云系的主體區(qū)域及強(qiáng)度，過程降水模擬結(jié)果能夠較好地再現(xiàn)此次過程的降水分布，而逐小時(shí)降水模擬雖然存在一定提前或滯后，但短時(shí)強(qiáng)降水的主要落區(qū)得到了較好的再現(xiàn)，模式總體模擬結(jié)果較好。

4.2.2 風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果

風(fēng)場(chǎng)與影響降水分布的水汽輸送及動(dòng)力抬升關(guān)系密切，為驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)模式風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果與第一重嵌套區(qū)域內(nèi)的實(shí)況探空風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，5月5日08時(shí)不同高度風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果基本與實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)一致，很好地模擬出不同層次環(huán)流特征及風(fēng)場(chǎng)特征(圖略)。對(duì)模擬風(fēng)場(chǎng)與實(shí)況風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，如表1所示，模擬風(fēng)場(chǎng)的u、v分量與實(shí)況風(fēng)場(chǎng)相關(guān)關(guān)系較好，均通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)（Z0.01=2.33），850～200 hPa模擬風(fēng)場(chǎng)的u、v分量與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)基本在0.80以上，最大可達(dá)0.95，僅925 hPa的u分量相關(guān)系數(shù)相對(duì)較小，但在4日20時(shí)其v分量與實(shí)況相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.897。

表1 模擬風(fēng)場(chǎng)不同層次與高空實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)相關(guān)系數(shù)及置信檢驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，模式模擬結(jié)果能夠較真實(shí)地再現(xiàn)此次過程云系、降水分布和風(fēng)場(chǎng)，下文將利用模擬結(jié)果分析此次暖區(qū)暴雨發(fā)生發(fā)展的觸發(fā)、維持等相關(guān)機(jī)制。

5 暖區(qū)大暴雨發(fā)生的機(jī)理分析

5.1 特殊地形作用下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和水汽輸送

此前對(duì)本次過程大尺度環(huán)境場(chǎng)的研究中，發(fā)現(xiàn)在廣西東北部低空急流的斷裂處存在小范圍的輻合區(qū)和水汽輻合中心[31]，針對(duì)廣西東北部區(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和水汽輸送模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以深入地了解此類天氣背景下特殊地形的作用。

5.1.1 水平流場(chǎng)特征和水汽輸送

湘桂粵邊界南嶺山脈的特殊地形的動(dòng)力強(qiáng)迫作用有利于觸發(fā)對(duì)流，并對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響水汽輸送過程。對(duì)此次過程中低層的水汽和流場(chǎng)演變情況進(jìn)行分析，以此來研究對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)、維持機(jī)制和水汽來源。4日23時(shí)（圖略）925 hPa強(qiáng)盛南風(fēng)氣流在桂林南部的駕橋嶺西側(cè)匯合觸發(fā)對(duì)流系統(tǒng)A，至5日00時(shí)925 hPa(圖7a)偏南氣流遇到桂林南部的大瑤山和駕橋嶺形成繞流，其西側(cè)繞流氣流穿過山谷至桂林（藍(lán)色圓點(diǎn)處）南部與駕橋嶺東側(cè)繞流氣流及都龐嶺西側(cè)東南氣流形成超低空風(fēng)場(chǎng)輻合，對(duì)流系統(tǒng)A發(fā)展成熟并逐步東移，此時(shí)925 hPa在桂林南部出現(xiàn)明顯的水汽輻合中心，中心值達(dá)到-77×10-7g/(hPa·cm2·s)；至5日02時(shí)(圖7b)對(duì)流系統(tǒng)A東移至都龐嶺東側(cè)，925 hPa強(qiáng)盛南風(fēng)在山前與穿過都龐嶺中部山谷向東繞流的偏西氣流及萌渚嶺西側(cè)繞流氣流形成輻合，水汽輻合中心值達(dá)到-140×10-7g/(hPa·cm2·s)，另外，同樣由于低層風(fēng)場(chǎng)的繞流，在桂林東側(cè)出現(xiàn)了另外一個(gè)由越城嶺山前繞流西風(fēng)與偏南急流及都龐嶺西側(cè)繞流偏東風(fēng)形成的風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)，水汽輻合中心值達(dá)到-50×10-7g/(hPa·cm2·s)以上，此處對(duì)應(yīng)的對(duì)流系統(tǒng)B開始發(fā)展加強(qiáng)；至5日03時(shí)(圖7c)對(duì)流系統(tǒng)A東移至道縣東側(cè)萌渚嶺山前，925 hPa強(qiáng)盛南風(fēng)穿過都龐嶺與萌渚嶺間山谷時(shí)，受峽谷效應(yīng)風(fēng)力加大，都龐嶺山前形成的側(cè)向摩擦繞流西風(fēng)與萌渚嶺東北部繞流偏東風(fēng)形成輻合，水汽輻合中心達(dá)到-99×10-7g/(hPa·cm2·s)，此時(shí)桂林北部也出現(xiàn)與地形相關(guān)的強(qiáng)水汽輻合中心，非常有利于對(duì)流系統(tǒng)B后側(cè)對(duì)流新生；至5日04時(shí)(圖7d)對(duì)流系統(tǒng)A東移至湘南東部，對(duì)流系統(tǒng)A對(duì)于湘桂粵邊界的影響基本結(jié)束，而對(duì)流系統(tǒng)B東移至都龐嶺西側(cè)，都龐嶺山前風(fēng)場(chǎng)輻合有利于對(duì)流加強(qiáng)與維持，之后對(duì)流系統(tǒng)B繼續(xù)東移越山影響湖南西南部，其演變與對(duì)流系統(tǒng)A類似，此處不再贅述。在上述時(shí)間對(duì)流系統(tǒng)A和B影響的道縣及桂林附近區(qū)域均模擬出成片超過40 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水（圖9），模擬結(jié)果與實(shí)況降水對(duì)應(yīng)良好，對(duì)流系統(tǒng)A和B東移過程中減弱較慢，其生命過程所經(jīng)過區(qū)域也造成了短時(shí)強(qiáng)降水，進(jìn)而導(dǎo)致了桂東北至湘西南的累計(jì)降水分布。

圖7 2016年5月5日00時(shí)（a）、02時(shí)(b)、03時(shí)(c)、04時(shí)(d)925 hPa水汽通量散度(彩色填色，單位：10-7 g/(hPa·cm2·s)、流場(chǎng)（流線）、地形（灰色填色，單位：km）分布

850 hPa流場(chǎng)由于受到地形及下墊面影響同樣呈現(xiàn)明顯的氣流繞流。00時(shí)（圖略）西南急流在駕橋嶺東側(cè)繞流并在桂林南部形成輻合，與925 hPa輻合中心對(duì)應(yīng)，水汽輻合中心強(qiáng)度達(dá)到-60×10-7g/(hPa·cm2·s)，之后對(duì)應(yīng)該位置的對(duì)流系統(tǒng)A東移；至02時(shí)（圖8a）對(duì)流系統(tǒng)A移至湖南西南的都龐嶺東側(cè)，西南氣流穿過都龐嶺山谷形成的繞流西風(fēng)與穿過都龐嶺和萌渚嶺之間的山谷的繞流東風(fēng)氣流形成強(qiáng)烈輻合，水汽輻合中心達(dá)到-90×10-7g/(hPa·cm2·s)，與此同時(shí)西南急流在桂林東北部也形成地形風(fēng)場(chǎng)輻合，水汽輻合中心與925 hPa位置重疊，達(dá)到-40×10-7g/(hPa·cm2·s)，有利于對(duì)流系統(tǒng)B的發(fā)展與維持；至03時(shí)（圖8b）穿過都龐嶺和萌渚嶺山谷的西南急流在都龐嶺東部受阻形成的西風(fēng)繞流與萌渚嶺越山后的偏東繞流氣流形成輻合，水汽輻合中心維持在-50×10-7g/(hPa·cm2·s)以上，使得對(duì)流系統(tǒng)A維持，另外越過駕橋嶺的西南氣流在桂林東北部形成分流，向西的氣流有利于在桂林北部形成輻合，而其向東的氣流在都龐嶺山前與西南氣流形成輻合，促進(jìn)對(duì)流系統(tǒng)B發(fā)展成熟。此后對(duì)流系統(tǒng)A和B繼續(xù)東移影響湘西南區(qū)域，所經(jīng)過區(qū)域也導(dǎo)致了短時(shí)強(qiáng)降水，最終導(dǎo)致此次暴雨過程。

圖8 2016年5月5日02時(shí)(a)、03時(shí)(b)850 hPa水汽通量散度(彩色填色，單位：10-7g/(hPa·cm2·s))、流場(chǎng)（流線）、地形（灰色填色，單位：km）分布

700 hPa(圖略)流場(chǎng)在越城嶺、陽(yáng)明山、都龐嶺及九嶷山附近同樣出現(xiàn)了與925 hPa和850 hPa類似的氣流繞流或者波動(dòng)以及明顯與地形相關(guān)的水汽輻合中心；500 hPa風(fēng)場(chǎng)同樣在上述特殊地形區(qū)域也對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了波動(dòng)（圖9），實(shí)際上述山脈海拔高度不能到達(dá)700 hPa和500 hPa高度，地形導(dǎo)致的較低層氣流繞流及較高層次氣流越山是導(dǎo)致這種流場(chǎng)分布的主要原因。

5.1.2 流場(chǎng)和水汽的垂直剖面特征

通過分析逐小時(shí)降水分布及雨帶移動(dòng)情況，此次降水過程中的主要對(duì)流系統(tǒng)A和B基本沿500 hPa引導(dǎo)氣流從桂林北部移至道縣北部，為了解主要強(qiáng)降水區(qū)上空水汽輻合演變情況及相關(guān)動(dòng)力、水汽等物理量垂直分布，分別沿500 hPa引導(dǎo)氣流經(jīng)桂林北部強(qiáng)降水中心連線（圖9a AB紅實(shí)線）及500 hPa引導(dǎo)氣流經(jīng)道縣南部強(qiáng)降水中心連線（圖9b CD紅實(shí)線）作垂直剖面結(jié)合地形進(jìn)行分析。

圖9 2016年5月5日02時(shí)（a）、03時(shí)(b)500 hPa流場(chǎng)（箭矢）、地形（暗紅色虛線，單位：km）分布、小時(shí)降水分布(紅點(diǎn)：道縣；藍(lán)點(diǎn)：桂林)

如圖10a所示，5月5日00時(shí)桂林西北部越山氣流波動(dòng)在山后抬升（橫坐標(biāo)51 km處），對(duì)流系統(tǒng)（B）發(fā)展加強(qiáng)，550 hPa以下均為較強(qiáng)的水汽輻合區(qū)，低層最大水汽輻合超過-32×10-7g/(hPa·cm2·s)，比濕＞12 g/kg區(qū)域至 750 hPa附近，水汽條件非常好；正渦度＞10×10-4s-1區(qū)延伸至300 hPa以上，正渦度最大達(dá)到32×10-4s-1，600 hPa以下輻合強(qiáng)度強(qiáng)于-10×10-4s-1，最強(qiáng)達(dá)到-31×10-4s-1，500～250 hPa為輻散區(qū)，散度最大達(dá)到46×10-4s-1，上升運(yùn)動(dòng)可至300 hPa，最大上升速度達(dá)10.8 m/s，具備非常好的動(dòng)力條件；同時(shí)在桂林東部低層氣流遇山開始抬升，低層出現(xiàn)30×10-4s-1正渦度中心，這對(duì)于隨后桂林東部強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)與發(fā)展具有明顯指示作用。隨后B對(duì)流系統(tǒng)迅速減弱東移，至5日03時(shí)（圖10b）于桂林東部迎風(fēng)坡受地形抬升再次發(fā)展,其低層最大水汽輻合達(dá)到-52×10-7g/(hPa·cm2·s)，850 hPa以下輻合強(qiáng)度強(qiáng)于-10×10-4s-1，最強(qiáng)達(dá)到-35×10-4s-1，650 hPa以上為輻散區(qū)，最大散度達(dá)到45×10-4s-1，正渦度區(qū)可達(dá)250 hPa，最大正渦度達(dá)到55×10-4s-1，最大上升速度達(dá)10.2 m/s，并在對(duì)流系統(tǒng)東西兩側(cè)出現(xiàn)明顯的中γ尺度垂直環(huán)流，有利于對(duì)流的加強(qiáng)與維持。此外，通過分析此對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)情況，系統(tǒng)在盆地移動(dòng)速度明顯比在山地迅速，這表明地形的阻擋作用對(duì)于對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)起到重要作用。

如圖10c所示，桂林東部觸發(fā)的對(duì)流系統(tǒng)A在5日02時(shí)發(fā)展移至都龐嶺東段，地面至400 hPa形成明顯的中γ閉合垂直環(huán)流，對(duì)流系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展，其強(qiáng)盛的下沉氣流延續(xù)至山后的道縣西南部，與低層?xùn)|南氣流造成低層輻合，沿引導(dǎo)氣流東移之后的系統(tǒng)將得到維持和發(fā)展。對(duì)流系統(tǒng)A云內(nèi)最大上升速度超過10.2 m/s，上升氣流最高延伸至200 hPa以上，高低層散度分別達(dá)到35×10-4s-1和-35×10-4s-1，高低層散度場(chǎng)形成強(qiáng)烈的高空輻散低層輻合配置，正渦度區(qū)同樣發(fā)展至200 hPa以上，最大正渦度達(dá)到30×10-4s-1，表明對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)渦旋發(fā)展強(qiáng)盛。450 hPa以下均為較強(qiáng)的水汽輻合區(qū)，低層最大水汽輻合超過-30×10-7g/(hPa·cm2·s)，比濕＞12 g/kg區(qū)域至800 hPa附近，具備非常好的水汽條件。至5日03時(shí)（圖10d），下山后的系統(tǒng)A迅速移至道縣東部，道縣東南側(cè)萌渚嶺山前低層水汽輻合區(qū)最大達(dá)到-33×10-7g/(hPa·cm2·s)，等比濕線上凸，比濕＞12 g/kg區(qū)域至800 hPa附近，具備非常好的水汽條件；正渦度＞10×10-4s-1區(qū)延伸至200 hPa，最大渦度超過45×10-4s-1，550 hPa以下輻合強(qiáng)度強(qiáng)于-10×10-4s-1，低層最大達(dá)到-32×10-4s-1，500～200 hPa為強(qiáng)輻散層，最大散度達(dá)到42×10-4s-1，上升運(yùn)動(dòng)至250 hPa，最大上升速度達(dá)11.2 m/s，動(dòng)力抬升條件極好；對(duì)流系統(tǒng)A東西兩側(cè)低層均形成強(qiáng)垂直次級(jí)環(huán)流，非常有利于對(duì)流的加強(qiáng)與維持，并且發(fā)現(xiàn)道縣盆地低層風(fēng)場(chǎng)上升支氣流與下沉支氣流總是成對(duì)出現(xiàn)，非常有利于對(duì)流的不斷新生，道縣附近在04—06時(shí)（圖略）反復(fù)出現(xiàn)較強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)能夠印證。對(duì)流系統(tǒng)A越山后下沉氣流在低層與偏東北風(fēng)在道縣盆地形成輻合，有利于對(duì)流的維持與發(fā)展，強(qiáng)的下沉氣流造成此時(shí)道縣出現(xiàn)雷暴大風(fēng)，另外結(jié)合此系統(tǒng)移動(dòng)速度的變化，發(fā)現(xiàn)其在盆地移動(dòng)速度較越山前移動(dòng)更快，而在此模擬出成片超過50 mm/h的極端短時(shí)強(qiáng)降水與該對(duì)流系統(tǒng)的高質(zhì)心大陸性降水性質(zhì)相關(guān)。

圖10 沿圖9 AB(a：5日00時(shí),b：5日03時(shí))和CD(c：5日02時(shí),d：5日03時(shí))紅色實(shí)線的水汽、動(dòng)力相關(guān)參數(shù)垂直剖面

綜合925～700 hPa的水汽通量散度分布及500 hPa以下流場(chǎng)形勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)在低空急流斷裂處與特殊地形的重疊區(qū)域呈現(xiàn)了獨(dú)特的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。中低層西南氣流由于受到地形阻擋、側(cè)摩擦和峽谷等效應(yīng)的影響，出現(xiàn)繞流、越山、減速、加速等與地形密切相關(guān)的流場(chǎng)變化，導(dǎo)致中低層形成

遠(yuǎn)強(qiáng)于大尺度系統(tǒng)能形成的風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)和強(qiáng)水汽輻合區(qū)；低層流場(chǎng)由于山脈阻擋形成的繞流等變化也會(huì)影響較高層次流場(chǎng)的變化，氣流越山是中高層出現(xiàn)波動(dòng)的另外一個(gè)重要原因；通過對(duì)沿引導(dǎo)氣流的水汽、動(dòng)力參數(shù)垂直剖面分析，發(fā)現(xiàn)由于湘桂粵交界山體較小但海拔起伏較大，地形抬升導(dǎo)致的上升運(yùn)動(dòng)的水平尺度通常大于山體尺度，下沉氣流往往出現(xiàn)在背風(fēng)坡后一定距離而非背風(fēng)坡位置，因此下沉氣流在低層與地形風(fēng)相遇形成的輻合區(qū)一般出現(xiàn)在距離山脈有一定距離的區(qū)域；湘桂粵邊界南嶺山脈特殊地形影響下的水汽輻合強(qiáng)度及動(dòng)力條件遠(yuǎn)超過通常大尺度能夠?qū)е碌膹?qiáng)度，在上下一致強(qiáng)盛偏南風(fēng)背景下，強(qiáng)盛的超低空急流和低空急流受到地形影響所產(chǎn)生的流場(chǎng)變化導(dǎo)致了邊界層風(fēng)場(chǎng)輻合是觸發(fā)暖區(qū)暴雨的主要原因，而受地形影響的超強(qiáng)水汽輻合強(qiáng)度和強(qiáng)的動(dòng)力抬升維持條件是導(dǎo)致出現(xiàn)極端短時(shí)強(qiáng)降水的重要原因。

5.2 對(duì)流云的降水微物理機(jī)制

暖區(qū)獨(dú)特的動(dòng)力和水汽條件決定了云系的結(jié)構(gòu)，并通過云微物理過程形成強(qiáng)降水。分別對(duì)圖9a中AB、CD連線的云降水微物理參數(shù)垂直剖面及演變特征進(jìn)行分析，并結(jié)合地形分析局地對(duì)流與高空云系的相關(guān)作用。

桂林北部強(qiáng)降水發(fā)生前，其西南側(cè)云系整體向東移動(dòng)，如圖11a所示，5日00時(shí)對(duì)流系統(tǒng)B發(fā)展加強(qiáng)，在最大上升速度為10.8 m/s的上升運(yùn)動(dòng)作用下，低層云系向上發(fā)展至過冷層與冰云結(jié)合，冰水共存區(qū)域主要位于0～-30℃之間，過冷云水含量最大達(dá)到1.6 g/kg。此時(shí)冰晶、雪、霰混合比最大分別為0.19 g/kg、1.4 g/kg和3.0 g/kg，說明冰水共存能夠促進(jìn)了凇附和貝吉隆過程的發(fā)生。

圖11 沿圖9中AB線(a：5日00時(shí),b：5日02時(shí),c：5日03時(shí))和CD(d：5日01時(shí),e：5日02時(shí),f：5日03時(shí))的云微物理參量演

此時(shí)暖云雨水含量最大可達(dá)3.8 g/kg，雨水含量大于1.0 g/kg區(qū)域超過600 hPa層，雖然已有固體粒子生成，但暖層雨水含量大，云水次之也達(dá)到1.6 g/kg，雨水的收集和云水的轉(zhuǎn)化是地面降水的主要貢獻(xiàn)者。此后，對(duì)流系統(tǒng)B開始減弱東移，至5日02—03時(shí)，下山氣流在低層與偏東氣流產(chǎn)生風(fēng)場(chǎng)輻合結(jié)合桂林東部地形動(dòng)力抬升作用，伴隨云中微物理過程的發(fā)展對(duì)流系統(tǒng)B重新發(fā)展。5日02時(shí)（圖11b）云中垂直上升速度最大達(dá)到6.3 m/s，局地對(duì)流發(fā)展至300 hPa以上與冰云結(jié)合，冰相降水過程的發(fā)展使大量固體粒子生成，對(duì)流云內(nèi)冰晶含量最大達(dá)到0.18 g/kg，過冷云水達(dá)到-20℃層，0～-40℃層雪混合比最大達(dá)到1.3 g/kg，霰混合比最大達(dá)到8.6 g/kg，此時(shí)云中凇附、貝吉隆過程活躍程度達(dá)到最大，降水達(dá)到最強(qiáng)，同時(shí)暖層中霰含量最大達(dá)到5.8 g/kg，雨水含量最大為3.7 g/kg，霰的融化和雨水的收集是地面降水的主要來源。對(duì)比實(shí)際雷達(dá)監(jiān)測(cè)，此時(shí)桂林上空15 dBZ左右回波伸展至6～10 km附近（圖略），表明實(shí)況冰相云深厚，可以一定程度驗(yàn)證此時(shí)存在高空冰相云，進(jìn)而與低層抬升而來的水汽配合，有利于對(duì)流的發(fā)展，其它時(shí)段雷達(dá)監(jiān)測(cè)類似，之后不再贅述。至5日03時(shí)（圖11c），在云中最大上升速度10.2 m/s作用下，對(duì)流云由向東傾斜轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪保泊婧穸扔兴龃?，但冰云主體與低層暖云距離拉大，固體粒子有所減少，0～-40℃層雪混合比降為0.8 g/kg，霰混合比降至最大4.0 g/kg，此時(shí)云中凇附、貝吉隆過程活躍程度減弱，降水也有所減弱，暖層中霰含量低于2.0 g/kg，雨水含量最大為4.8 g/kg，雨水的收集成為地面降水的主要來源，霰的融化次之，暖云降水特征性質(zhì)明顯。

道縣南部強(qiáng)降水發(fā)生前，桂林東部云系向東移動(dòng)，01時(shí)開始對(duì)流系統(tǒng)A越山加強(qiáng)，如圖11d所示，冰云主體位置偏東，上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展至400 hPa，在最大上升速度為6.1 m/s的上升運(yùn)動(dòng)作用下，低層云系向上發(fā)展至過冷層開始與冰云結(jié)合，冰水共存區(qū)域主要位于0～-20℃之間，但過冷云水含量?jī)H為0.8 g/kg，冰晶、雪、霰混合比最大分別為0.16 g/kg、1.1 g/kg和5.4 g/kg，說明此時(shí)冰水的共存開始加強(qiáng)凇附和貝吉隆過程的發(fā)生。此時(shí)暖云雨水含量最大可達(dá)5.1 g/kg，雨水含量大于1.0 g/kg接近至600 hPa層，雖然已有固體粒子生成，但暖層雨水含量大，云水含量很小，此時(shí)雨水的收集和霰的融化是地面降水的主要貢獻(xiàn)者。至5日02時(shí)（圖11e），對(duì)流系統(tǒng)A東移遇到海拔相對(duì)更高的都龐嶺東麓，在最大上升速度達(dá)10.3 m/s上升運(yùn)動(dòng)作用下，低層云系強(qiáng)烈發(fā)展與高層冰云結(jié)合，冰水共存厚度明顯增大至0～-30℃層，過冷云水含量達(dá)到1.4 g/kg，深厚的冰水共存層使冰相降水得到充分發(fā)展，云系發(fā)展進(jìn)入成熟階段，促使固體粒子含量升高，冰晶、雪、霰混合比最大分別達(dá)到0.18 g/kg、1.7 g/kg和10.2 g/kg，此時(shí)云中凇附、貝吉隆過程活躍程度明顯增大，但最大雨水含量下降至4.2 g/kg，降水開始增強(qiáng)，霰下落至0℃層以下融化和暖云降水共同促進(jìn)地面降水的發(fā)展。5日03時(shí)（圖11f）對(duì)流系統(tǒng)A繼續(xù)東移至道縣東部，云系發(fā)展更加旺盛，強(qiáng)上升氣流貫穿整層云體，在最大上升速度達(dá)11.2 m/s上升運(yùn)動(dòng)作用下，低層云系強(qiáng)烈發(fā)展與高層冰云結(jié)合，冰水共存厚度維持在0～-30℃，過冷云水含量達(dá)到0.9 g/kg，冰晶、雪、霰混合比最大分別為0.19 g/kg、1.5 g/kg和8.8 g/kg，最大雨水含量再次增大到4.7 g/kg，此時(shí)段霰的融化和雨水的收集成為地面降水的主要來源。綜合分析02—03時(shí)對(duì)流系統(tǒng)A的云降水微物理參數(shù)的變化情況，認(rèn)為此時(shí)段道縣南部的強(qiáng)降水主要為暖云降水和霰的融化所貢獻(xiàn)，超高的霰含量和強(qiáng)的雨水含量與此次極端的暖區(qū)暴雨關(guān)系密切，而較高的冰水共存厚度是固體粒子含量增加的主要原因。

綜上所述，湘桂粵邊界南嶺山脈地形對(duì)氣流的強(qiáng)迫抬升以及低層強(qiáng)西南氣流帶來的充足水汽供應(yīng)配合有利于云內(nèi)微物理過程發(fā)展的環(huán)境共同促使該區(qū)域局地對(duì)流的發(fā)展，并與大尺度西南氣流引導(dǎo)的深厚高層冰相云系結(jié)合，使得高低云系結(jié)合后云內(nèi)的過冷云水在強(qiáng)盛的上升氣流作用下抬升至400 hPa以上，冰晶周圍豐富的過冷云水有利于貝吉隆和結(jié)凇進(jìn)程，促使云內(nèi)固態(tài)粒子增長(zhǎng)，提高降水效率，最終導(dǎo)致地面強(qiáng)降水的發(fā)生。

6 結(jié)論與討論

利用2016年5月5日發(fā)生在湘桂粵邊界南嶺山脈一次預(yù)報(bào)失敗的暖區(qū)大暴雨過程的WRF數(shù)值模擬結(jié)果，分析了湘桂粵邊界南嶺山脈特殊地形條件下暖區(qū)大暴雨過程的動(dòng)力結(jié)構(gòu)、水汽條件以及云降水微物理機(jī)制，得到以下結(jié)論。

(1)湘桂粵邊界中低層強(qiáng)盛的西南氣流受到南嶺山脈特殊地形的影響產(chǎn)生了明顯有利于對(duì)流發(fā)展、維持的獨(dú)特流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。中低層西南氣流由于受到地形阻擋、側(cè)摩擦和峽谷效應(yīng)等的影響，出現(xiàn)繞流、越山、減速、加速等與地形密切相關(guān)的流場(chǎng)變化，導(dǎo)致中低層形成遠(yuǎn)強(qiáng)于大尺度系統(tǒng)能形成的地形風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)；低層流場(chǎng)由于地形影響發(fā)生的變化能夠影響更高層的氣流產(chǎn)生波動(dòng)，越山氣流是中高層氣流發(fā)生波動(dòng)的一個(gè)重要原因。

(2)低層的水汽輻合區(qū)與受地形影響的風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)一一對(duì)應(yīng)，且水汽輻合強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于大尺度系統(tǒng)所能造成的水汽輻合強(qiáng)度，這是出現(xiàn)極端強(qiáng)降水的主要原因。

(3)湘桂粵邊界南嶺山脈地形對(duì)氣流的強(qiáng)迫抬升以及低層強(qiáng)西南氣流帶來的充足水汽供應(yīng)配合有利于云內(nèi)微物理過程發(fā)展的環(huán)境共同促使該區(qū)域局地對(duì)流的發(fā)展，與大尺度西南氣流引導(dǎo)的深厚高層冰相云系結(jié)合后，云內(nèi)的過冷云水在強(qiáng)盛的上升氣流作用下抬升，豐富的過冷云水有利于貝吉隆和結(jié)凇進(jìn)程，促使云內(nèi)固態(tài)粒子增長(zhǎng)，最終導(dǎo)致了此次暖區(qū)大暴雨的發(fā)生。