柳龍生，許映龍

(國家氣象中心，北京 100081)

引 言

孟加拉灣作為熱帶季風(fēng)活躍區(qū)和熱帶風(fēng)暴頻發(fā)區(qū)，是我國重要的水汽源區(qū)。5月是孟加拉灣風(fēng)暴活動的高峰期[1-3]，也是孟加拉灣季風(fēng)爆發(fā)時期[4]，活躍的赤道輻合帶及擴增的南亞高壓為孟加拉灣風(fēng)暴的生成和發(fā)展提供良好的高、低空條件，水平風(fēng)切變產(chǎn)生的正壓不穩(wěn)定為風(fēng)暴的生成和發(fā)展提供能量[5-6]。孟加拉灣風(fēng)暴對我國的影響主要表現(xiàn)為降水，影響區(qū)主要在西藏、云貴高原和西南地區(qū)[7-9]。孟加拉灣風(fēng)暴通常與副熱帶西風(fēng)急流或南支槽相結(jié)合，低空輻合上升的水汽通過副熱帶西風(fēng)急流向我國低緯高原和西南地區(qū)輸送，進一步增大了大氣的不穩(wěn)定度，在適當(dāng)?shù)母叩涂障到y(tǒng)配合下或冷空氣南下時，致使大氣斜壓性增強，觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，形成強雨雪天氣。

我國華南地區(qū)緊鄰南海和西北太平洋，與孟加拉灣相距上千公里，未受到孟加拉灣風(fēng)暴直接影響。5月孟加拉灣季風(fēng)和南海季風(fēng)爆發(fā)后[10]，我國華南地區(qū)5—6月的降水主要受夏季風(fēng)系統(tǒng)影響[11-14]，季風(fēng)槽和副高脊線控制著華南雨帶的分布[15-18]。此外，大氣低頻振蕩對華南地區(qū)的強降水具有一定調(diào)制作用[19]，華南地區(qū)強降水發(fā)生期間低層大氣環(huán)流異常并伴有氣旋生成[20-21]。2016年5月18日(世界時，下同)生成的1號孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”(ROANU) 沿著斯里蘭卡東部沿岸緩慢北上，于21日在孟加拉國吉大港(Chittagong)登陸，受該風(fēng)暴外圍云系影響，斯里蘭卡和孟加拉國發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，分別造成201、26人死亡，直接經(jīng)濟損失近20億美元。與此同時，5月19—21日，我國江南、華南及江淮等地出現(xiàn)明顯降雨過程，此次降水過程累計雨量大，廣西中東部和南部、廣東等部分地區(qū)累計雨量達100～200 mm，廣東信宜、陽江、深圳和廣西北流等局地超過300 mm，其中廣東信宜局地最大雨強達133 mm·h-1(20日03:00—04:00)，20日日雨量達455 mm，均破當(dāng)?shù)赜袣庀笥^測記錄以來極值。受此次強降水過程影響，廣東、廣西等地受災(zāi)嚴(yán)重，死亡11人，失蹤4人，直接經(jīng)濟損失約14億元人民幣。5月是我國華南地區(qū)強降水多發(fā)期，也是孟加拉灣風(fēng)暴活躍期，孟加拉灣風(fēng)暴對我國降水影響主要發(fā)生在西藏、云貴高原和西南地區(qū)，而華南地區(qū)強降水是否與之關(guān)聯(lián)？為此，本文針對此次極端強降水過程進行診斷分析，這對未來華南地區(qū)同時期降水預(yù)報具有重要的參考意義。

1 資料和方法

所用資料包括NCEP/NCAR FNL逐6 h再分析環(huán)流場資料(空間分辨率為1°×1°)、FY-2G衛(wèi)星云頂亮溫(TBB)逐時資料(空間分辨率為0.1°×0.1°)，以及基于中國自動站觀測降水量和CMORPH(CPC MORPHing technique)衛(wèi)星反演降水資料，采用PDF(probability density function)和OI(optimal interpolation)兩步融合方法生成的中國區(qū)域逐時降水量融合產(chǎn)品(空間分辨率為0.1°×0.1°)[22-23]。水汽源地分析采用NOAA空氣資源實驗室開發(fā)的拉格朗日軌跡模式HYSPLIT v4.9。

2 “羅納”活動期間降水概況

孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”(ROANU)生成后逐漸向北偏東方向移動，2016年5月19日00:00—12:00，湖南和江西等省850 hPa上有氣旋性渦旋活動，在低層輻合抬升作用下出現(xiàn)局地強降水，12 h累計降水量超過100 mm[圖1(a)]；19日12:00至20日00:00，隨著低渦系統(tǒng)的南壓和發(fā)展加深，孟加拉灣風(fēng)暴在高空槽牽引下進一步北上，雨帶逐漸東移南壓，廣東北部和廣西北部開始出現(xiàn)強降水，局地12 h累計降水量超過100 mm[圖1(b)]；20日00:00—12:00，在兩廣北部和南部各有一條雨帶，南部雨帶局地降水量超過300mm[圖1(c)]，發(fā)展加深的低渦系統(tǒng)伴隨孟加拉灣風(fēng)暴帶來的強水汽輸送，給華南地區(qū)降水持續(xù)不斷地提供水汽輸送和動力抬升作用；20日12:00至21日00:00，低渦系統(tǒng)移至廣東中部，伴隨南海季風(fēng)的共同作用，廣東南部出現(xiàn)一條較強雨帶，局地12 h累計降水量超過250 mm[圖1(d)]。由此可見，在孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”北上活動期間，華南地區(qū)出現(xiàn)不同程度的強降水過程，雨帶自北向南呈帶狀分布[圖1(e)]，孟加拉灣風(fēng)暴是否對華南地區(qū)暴雨有一定的促進作用？下文將通過對動力和熱力因子的分析進行初步探討。

圖1 2016年5月19日00:00至21日00:00不同時段華南地區(qū)累計降水量分布(單位:mm)(a)19日00:00—12:00，(b) 19日12:00至20日00:00，(c)20日00:00—12:00，(d)20日12:00至21日00:00，(e)19日00:00至21日00:00( 為孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”的移動路徑，下同)Fig.1 The distribution of cumulative precipitation in different stages from 00:00 UTC 19 to 00:00 UTC 21 May 2016 in South China (Unit: mm)(a) from 00:00 UTC to 12:00 UTC 19 May, (b) from 12:00 UTC 19 to 00:00 UTC 20 May, (c) from 00:00 UTC to 12:00 UTC 20 May, (d) from 12:00 UTC 20 to 00:00 UTC 21 May, (e) from 00:00 UTC 19 to 00:00 UTC 21 May (The symbols for the moving track of ‘ROANU’ storm over the Bengal Bay, the same as below)

3 環(huán)流背景特征

3.1 500 hPa環(huán)流場

圖2是2016年5月19—21日“羅納”風(fēng)暴活動期間500 hPa高度場和水平風(fēng)場分布?？梢钥闯觯?9日12:00[圖2(a)]，“羅納”在500 hPa高空槽和副熱帶高壓牽引下向北偏東方向移動，此時云貴高原上空有高空槽活動，并東移發(fā)展加深；20日00:00[圖2(b)]，華南地區(qū)處于孟加拉灣高空槽前，槽前不斷有正渦度平流向華南地區(qū)輸送，華南地區(qū)高空槽在500 hPa出現(xiàn)閉合等值線；20日12:00[圖2(c)]，隨著“羅納”不斷東移北上，華南地區(qū)高空槽進一步加深，且移動緩慢，這為強對流的發(fā)生提供了有利的環(huán)流背景[24]；21日00:00[圖2(d)]，華南地區(qū)處于高空槽后，降水強度開始逐漸減弱。

3.2 高低空系統(tǒng)配置

從高低空系統(tǒng)配置來看，19日12:00[圖3(a)]，200 hPa上高空急流軸位于28°N附近，中心風(fēng)速達52 m·s-1，在廣西北部存在弱輻散區(qū)，高空西風(fēng)急流出口區(qū)北側(cè)為強輻散區(qū)[25]，在強風(fēng)速切變和水平切變作用下850 hPa上出現(xiàn)氣旋性渦旋。當(dāng)急流軸呈現(xiàn)西北—東南向傾斜時，其出口區(qū)南側(cè)表現(xiàn)為輻散區(qū)，有利于強降水的發(fā)生[26]。20日00:00[圖3(b)]，隨著高空急流的逐步南壓，其強度略有減弱，中心風(fēng)速為48 m·s-1，華南地區(qū)位于急流軸下方，高層強輻散促使低層渦旋進一步發(fā)展加強，在110°E、25°N和113°E、26°N附近分裂出兩個氣旋性環(huán)流，并呈現(xiàn)東北—西南向分布，這種高層輻散、低層輻合的配置有利于上升運動的加強[27]。20日12:00[圖3(c)]，高空急流自北向南侵入華南地區(qū)，位于廣西北部的渦旋也向東南方向移至廣西東部，與此同時，“羅納”風(fēng)暴的一支西南低空急流將水汽和熱量向華南地區(qū)輸送，使得華南地區(qū)低層對流不穩(wěn)定度加大，上升運動和凝結(jié)潛熱釋放加強，為暴雨發(fā)生提供有利條件。21日00:00[圖3(d)]，高空急流強度進一步減弱，中心風(fēng)速降至44 m·s-1，廣西北部的渦旋持續(xù)東移，對華南的影響逐漸減弱。

圖3 2016年5月19日12:00(a)、20日00:00(b)、20日12:00(c)和21日00:00(d)200 hPa急流(紅色虛線)和850 hPa風(fēng)場(矢量)分布(單位：m·s-1)(紅色虛線為200 hPa上大于30 m·s-1的風(fēng)速；陰影區(qū)為200 hPa上大于2×10-5 s-1的輻散區(qū))Fig.3 The distribution of 200 hPa jet stream (red dotted lines) and 850 hPa wind field (vectors) at 12:00 UTC 19 (a), 00:00 UTC 20 (b), 12:00 UTC 20 (c) and 00:00 UTC 21 (d) May 2016 (Unit: m·s-1)(The red dotted lines for the wind speed more than 30 m·s-1 on 200 hPa, the shaded area for divergence more than 2×10-5 s-1 on 200 hPa)

3.3 TBB特征

研究表明，TBB大值區(qū)與強降水落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系[28]。從TBB的時間演變(圖4)來看，19日12:00，廣西東北部出現(xiàn)線狀的MCS(中尺度對流系統(tǒng))，18:00該MCS東移并進一步發(fā)展，范圍擴至廣西中東部和廣東中西部地區(qū)。20日00:00，廣西東南部和廣東西部地區(qū)對流再次發(fā)展加強，局地云頂亮溫低于-70 ℃，此時降水開始增強；03:00，對流持續(xù)發(fā)展加強，并逐漸向東南方向移動，北部灣北部海域局地出現(xiàn)強對流云團，云頂亮溫低于-80 ℃，廣東信宜03:00—04:00的133 mm強降水可能與強對流云團的加強密切相關(guān)；06:00，MCS進一步東移南壓且呈現(xiàn)帶狀分布，廣東東部和南部地區(qū)局地云頂亮溫低于-70 ℃，強對流過程維持；09:00，MCS基本移出華南地區(qū)，降水開始逐漸減弱。結(jié)合圖1看出，TBB大值區(qū)與主雨帶分布有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 2016年5月19—20日FY-2G衛(wèi)星TBB的演變 (單位:℃)(a)19日12:00, (b)19日18:00, (c)20日00:00, (d)20日03:00, (e)20日06:00, (f)20日09:00Fig.4 The evolution of TBB from FY-2G satellite from 19 to 20 May 2016 (Unit: ℃) (a) 12:00 UTC 19, (b) 18:00 UTC 19, (c) 00:00 UTC 20, (d) 03:00 UTC 20,(e) 06:00 UTC 20, (f) 09:00 UTC 20

4 水汽輸送特征

暴雨的發(fā)生需要源源不斷的水汽輸送[29]。為了更好地描述暴雨發(fā)生期間的水汽來源，選取廣東信宜(22.1°N、111°E)為強降水代表站點，分別以500、1500和3000 m為初始高度，采用HYSPLIT模式對20日00:00和12:00該點水汽粒子進行72 h后向軌跡追蹤。從圖5看出，19日12:00[圖5(a)]，來自孟加拉灣和南海的水汽在華南上空匯合，廣西北部有一條顯著的水汽輻合帶，大值中心的散度達-7×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1。20日00:00[圖5(b)]，隨著孟加拉灣風(fēng)暴的東移，其向我國華南地區(qū)的水汽輸送更為顯著，在廣西東部地區(qū)水汽輻合中心的散度達-10×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，華南地區(qū)低層渦旋形成的輻合促使水汽進一步聚集，這是該地區(qū)降水增幅的重要原因。高溫高濕的水汽進一步使華南地區(qū)的大氣不穩(wěn)定度增大，在高層輻散抽吸作用下，對流不穩(wěn)定能量釋放，觸發(fā)強降水的發(fā)生。另外還發(fā)現(xiàn)，孟加拉灣水汽輸送是3000 m(700 hPa)高度上主要的水汽來源，1500 m(850 hPa)上以越中南半島的西南季風(fēng)帶來的水汽輸送為主，而500 m(925 hPa)上有一支來自西北太平洋的重要水汽通道，這可能與副熱帶高壓南側(cè)的東風(fēng)急流有關(guān)。20日12:00[圖5(c)]，在廣東北部依然有一顯著的輻合中心，水汽通量散度為-6×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，孟加拉灣風(fēng)暴南側(cè)的西南風(fēng)穿過中南半島以后北上進入華南地區(qū)，形成一條穩(wěn)定的水汽輸送帶。隨著孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”的東進及副熱帶高壓的東退，3000 m和1500 m高度的水汽通道依然來源于孟加拉灣，顯然華南地區(qū)暴雨的持續(xù)與“羅納”的水汽輸送密切相關(guān)；500 m高度上以來自南海的偏南氣流為主，這主要是孟加拉灣的西南風(fēng)在南海與副熱帶高壓南側(cè)的東南風(fēng)匯合后形成的一支強偏南氣流向華南地區(qū)輸送。21日00:00[圖5(d)]，隨著低層系統(tǒng)進一步東移南壓，廣東東部依舊為一水汽輻合中心。綜上可見，在華南地區(qū)強降水期間，來自孟加拉灣-中南半島-南海的西南風(fēng)源源不斷地向華南地區(qū)輸送水汽，其中孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”帶來的暖濕空氣是華南地區(qū)暴雨持續(xù)的重要原因。

5 強降水的動力因子

在穩(wěn)定層結(jié)大氣中，低層輻合導(dǎo)致的整層大氣上升運動往往形成層狀云降水，其降水強度一般在10 mm·h-1以下，而超過20 mm·h-1的降水一般認(rèn)為是對流性降水[27]。本次強降水過程中，廣東信宜局地最大雨強達133 mm·h-1，是一次較強的對流性降水過程。對流性降水一般發(fā)生在絕對或條件性不穩(wěn)定環(huán)境中，常用對流有效位能(CAPE)和對流抑制能量(CIN)來衡量。CAPE是氣塊在自由對流高度和平衡高度之間受環(huán)境浮力累積做的功，是一種潛在能量，該能量是否真正轉(zhuǎn)化為氣塊的動能取決于氣塊在自由對流高度是否具備向上的初速度，低層的輻合抬升可以使氣塊在到達自由對流高度時獲得初速度。從廣東信宜站20日00:00的T-lnP圖(圖6)看出，抬升指數(shù)LI小于0，大氣處于條件不穩(wěn)定[30]，800 hPa以下風(fēng)隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，有暖平流輸送；由于孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”持續(xù)不斷地輸送水汽，500 hPa以上大氣層結(jié)飽和濕度達到最大，盡管最低層局部有弱對流抑制(CIN=5 J·kg-1)，但當(dāng)溫暖濕潤的氣塊到達抬升凝結(jié)高度(LCL)以上后獲得了大量的CAPE(1178 J· kg-1)[31]，從而觸發(fā)深對流過程的發(fā)展。

位渦(potential vorticity，PV)是反映大氣熱力、動力性質(zhì)的一個綜合物理量，在絕熱、斜壓、無粘性的大氣中沿著氣塊的運動方向具有守恒性，它不僅有效描述氣塊的軌跡，還能揭示大氣運動的動力學(xué)性質(zhì)，因此等熵面上位渦ζp和水平流場分布特征對暴雨落區(qū)和強度具有指示作用。從315 K(700～600 hPa)等熵面上位渦、渦度和風(fēng)場來看，19日18:00[圖7(a)]，孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”對應(yīng)的氣旋性環(huán)流ζp中心值達2.4 PVU，同時也是渦度大值區(qū)，正渦度達24×10-5s-1，在其北側(cè)副熱帶西風(fēng)急流作用下，低層有正渦度向華南地區(qū)輸送，并伴隨正ζp平流。20日00:00[圖7(b)]，在110°E、25°N和113°E、26°N附近出現(xiàn)兩個氣旋性低渦，ζp強度為1.2 PVU，中心渦度為8×10-5s-1，華南地區(qū)降水開始增加；06:00[圖7(c)]，孟加拉灣風(fēng)暴進一步加強，ζp中心值增至2.8 PVU，同時向華南地區(qū)輸送的正ζp平流也增強，強度增至1.4 PVU，中心渦度增為10×10-5s-1，且兩個渦耦合為一渦，低層氣旋式渦度的增強和高空急流的輻散抽吸，致使暴雨區(qū)輻合上升運動更為強烈；12:00[圖7(d)]，低渦中心東移，雨帶也隨之向東發(fā)展。由此可見，孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”通過向華南地區(qū)輸送正ζp平流，在高空急流的耦合作用下，低層有氣旋性渦旋生成，低層氣旋性渦度的增大配合高層輻散抽吸作用，促進華南地區(qū)氣旋性輻合上升運動，為強降水的發(fā)生提供動力條件。

圖6 廣東信宜探空站2016年5月20日00:00的T-ln P圖Fig.6 The T-lnP diagram at 00:00 UTC 20 May 2016 at Xinyi radiosonde station of Guangdong Province

圖7 2016年5月19—20日不同時刻315 K等熵面上位渦(陰影，單位:PVU) 、渦度(等值線，單位:10-5 s-1)和風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)分布(a)19日18:00，(b)20日00:00，(c)20日06:00，(d)20日12:00Fig.7 The distribution of potential vorticity (shadows, Unit: PVU), vorticity (contours, Unit: 10-5 s-1) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 315 K isentropic surface at different times from 19 to 20 May 2016(a) 18:00 UTC 19, (b) 00:00 UTC 20, (c) 06:00 UTC 20, (d) 12:00 UTC 20

圖8是過強降水站點信宜(22.1°N、111°E)的MPV2和MPV1高度-時間剖面?？梢钥闯觯?9日12:00開始，廣東信宜900 hPa以下MPV2>0、MPV1<0，在低空急流作用下水平風(fēng)的垂直切變增大，且暖濕氣流使得低層大氣不穩(wěn)定度開始建立，而900～800 hPa之間MPV2<0、MPV1>0，大氣斜壓性開始增強，這種濕位渦的正負(fù)疊加形式有利于垂直渦度的增大；20日00:00—12:00，800 hPa以下同樣呈現(xiàn)濕位渦正負(fù)疊加分布；20日12:00至21日00:00，900 hPa以下MPV2<0、MPV1>0，降水釋放潛熱，使得低層大氣逐漸趨于穩(wěn)定，而900～800 hPa之間MPV2>0、MPV1<0，對流不穩(wěn)定層結(jié)顯著，說明孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”外圍云團給強降水區(qū)帶來水汽輸送，同時高溫高濕的大氣進一步加劇降水區(qū)的層結(jié)不穩(wěn)定性，積累了不穩(wěn)定能量。

圖8 過廣東信宜站MPV2(彩色陰影)和MPV1(等值線)的高度-時間剖面(單位:PVU)Fig.8 The height-time section of MPV2 (color shadows) and MPV1 (contours) along heavy precipitation point at Xinyi station of Guangdong Province (Unit: PVU)

6 結(jié) 論

(1)孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”通過偏南低空急流向華南地區(qū)輸送不穩(wěn)定的暖濕空氣，同時在高低空急流的耦合作用下激發(fā)局地MCS發(fā)展，促使降水增幅。

(2)20日華南地區(qū)處于孟加拉灣高空槽前，槽前不斷有正渦度平流向華南地區(qū)上空輸送，使得華南地區(qū)高空槽進一步加深且移動緩慢，為暴雨發(fā)生提供重要的大尺度環(huán)境背景。

(3)暴雨發(fā)生前期水汽輸送主要來源于孟加拉灣風(fēng)暴，隨著副熱帶高壓的東退，其引導(dǎo)的東南氣流是華南暴雨區(qū)的另一個重要水汽通道。

(4)在孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”東移過程中，315 K等熵面上正位渦平流東傳顯著，在高空急流耦合作用下華南地區(qū)低層出現(xiàn)氣旋性渦旋，為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了動力條件。

5月，華南地區(qū)暴雨受多尺度天氣系統(tǒng)影響，而此次北上的孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”對華南地區(qū)動力和熱力方面的影響代表性有限，這種影響是否具有普適性還需在今后的工作中尋找相似個例進行更為細(xì)致的探討。