汪海恒，張曙，伍志方 ，陳浩偉，龐菁菁

（1. 韶關市氣象局，廣東 韶關512028; 2. 廣東省氣象臺，廣東 廣州510641;3. 中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區(qū)域數值天氣預報重點實驗室，廣東 廣州510641；4. 乳源瑤族自治縣氣象局，廣東 乳源512700）

1 引 言

暴雨常常導致山體滑坡、泥石流、崩塌、山洪、城市內澇等嚴重的自然災害，給人民的生命財產帶來嚴重安全威脅。研究[1-2]表明，近年來全球暴雨事件呈現出逐漸增多的趨勢，并且隨著近地面氣溫的升高降水將繼續(xù)增多。2013 年以來，華南粵北地區(qū)暴雨事件頻發(fā)，2013 年5 月15—17 日特大暴雨；2013年8月15—18日特大暴雨，受到臺風“尤特”的影響，廣東省韶關市錄得最大累計雨量690.7 mm；2017年7月2—3日，韶關市轄三區(qū)所有氣象站累計雨量均超100 mm；2019年5月18日特大暴雨過程(簡稱“5.18”暴雨)，6 h 內韶關錄得最大過程累計雨量為257.6 mm 和最大1 h 雨量為114.3 mm。2012—2019年韶關全市年平均降雨量統(tǒng)計中，2014 年和2017 年較常年偏少7%～11%，2018年偏少3%(基本持平)，其余年份均偏多8%～35%，在暴雨事件增多的趨勢下，暴雨精細化預報對于城市防災減災意義重大，是汛期預報的重中之重。

暴雨的形成需要三個條件，即充足的水汽供應、強烈的上升運動和較長的持續(xù)時間[3]。此外，暴雨一般和α中尺度或天氣尺度系統(tǒng)的變化密切相關[4-5]，如西太副高的西伸和北跳[6]，臺風暴雨[7]或由天氣尺度低渦或氣旋的發(fā)展造成的暴雨[8-9]。同時，暴雨中往往伴隨著β或γ中尺度系統(tǒng)造成的短時強降水[10-11]，已有研究[12]表明，華南是中國短時強降水兩大高發(fā)區(qū)之一，并且當中有一類降水經常沒有鋒面、臺風或其他明顯的天氣系統(tǒng)影響。黃土松[13]針對華南前汛期暴雨提出了“暖區(qū)暴雨”的概念，指出華南暖區(qū)暴雨多指南嶺附近至南海北部沒有鋒面存在，華南不受冷空氣或變性冷高脊控制時產生的暴雨。廣東的暖區(qū)暴雨根據影響系統(tǒng)，可分為三類：回流暴雨、強西南急流引起的暴雨、由高空槽前和副熱帶急流共同作用引起的暴雨[14]。何立富等[15]總結提煉出了三類華南暖區(qū)暴雨類型——邊界層輻合線型、偏南風風速輻合型，以及強西南急流型的天氣系統(tǒng)配置及觸發(fā)因子。我國華南地區(qū)暖區(qū)暴雨的大量研究認為，暖區(qū)暴雨多發(fā)生在850 hPa低空急流的后部，低層南風輻合是產生暖區(qū)暴雨的重要機制之一，地面較強的溫濕對比區(qū)的熱力作用對于β中尺度系統(tǒng)的觸發(fā)可能有重要的影響[16-17]。極端性的暴雨過程中，伴有明顯的中尺度特征[18-24]，正是由于這種獨特的中尺度對流特征，一直是氣象研究和預報業(yè)務的難點問題。

處于粵北山區(qū)的韶關，擁有“三江六岸”密布水網及山地丘陵等復雜地形的下墊面背景下，暴雨業(yè)務預報難度很大，前文所述的幾次明顯的暴雨過程除了2019 年“5.18”暴雨，都與明顯的天氣尺度系統(tǒng)密切相關，并且降雨范圍較大，至少涉及韶關一半區(qū)域范圍，而“5.18”則是在弱天氣形勢背景下產生的暴雨，同時又具有突發(fā)性強、歷時短、降雨強度大、強降雨范圍集中等特點。本次暴雨過程高空沒有明顯冷空氣影響，地面無冷鋒南下，斜壓性弱，各個數值預報模式均漏報了此次過程，未能捕捉到影響本次過程的主要天氣系統(tǒng)，預報難度大，短期預報的雨量小和雨強弱，出現了暴雨過程漏報。因此，有必要對本次暖區(qū)特大暴雨過程的天氣尺度背景、中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)和演變、極端雨強的成因以及長時間的維持機制進行詳細分析，通過數值模擬分析，探討本次過程發(fā)生的極端性成因和關鍵觸發(fā)因子。

2 資料和方法

文中使用多源觀測資料做綜合分析：(1) 中國探空觀測資料和地面國家觀測站資料，用于環(huán)流形勢和對流環(huán)境條件分析；(2) 逐5 min 和逐時的韶關加密區(qū)域自動氣象站觀測資料，用于分析降雨強度、雨量分布、地形環(huán)流；(3) 韶關SA 多普勒雙偏振天氣雷達VCP21 模式下逐6 min 體掃資料，用于分析對流系統(tǒng)演變和中尺度結構；(4) 一天4 次的NCEP 0.25 °再分析資料，用于大尺度環(huán)流及物理量診斷；(5) 韶關地區(qū)0.05 °高分辨率地形資料，用于分析地形對降水的影響；(6)GRAPES 短臨3 km 預報模式，用于模擬分析強降雨的觸發(fā)條件與維持機制。

3 過程概況及特點

2019 年5 月18 日00 時至早上(北京時，下同)，廣東韶關出現了突發(fā)性極端強降水過程，造成韶關曲江和翁源出現嚴重的泥石流、山體滑坡、山洪等災害，導致多處公路邊坡塌方，造成高速、國道與省道多處主要交通干道交通中斷，車輛滯留，直接經濟損失2 000 多萬。本次降水過程主要有以下幾個特點。(1) 暴雨范圍小，局地性強，暴雨以上的站點主要發(fā)生在韶關的曲江區(qū)、翁源縣西北部、乳源縣南部和武江區(qū)南部，并且在曲江出現了局地特大暴雨，其余地區(qū)多以小到中雨為主(圖1a)。(2) 強降雨持續(xù)時間短。過程降雨主要集中在18 日02—08 時，強降雨持續(xù)時間只有6 h，個別站點只有2～3 h，降雨來勢迅猛，08時之后全市降雨減弱，以分散性小雨為主(圖1b)。(3) 降雨強度及累計雨量刷新歷史極值：02—08時，曲江區(qū)的樟市鎮(zhèn)政府、樟市鎮(zhèn)南約村委會、烏石鎮(zhèn)坑口石角分別錄得雨量257.6 mm、246.2 mm、242.8 mm，三個站均打破韶關市6 h降水量歷史極值；曲江區(qū)烏石鎮(zhèn)坑口石角3 h雨量206.1 mm(05—08時)和1 h雨量114.3 mm(06—07 時)均刷新了韶關市3 h 雨量和1 h雨量的歷史極值。

圖1 2019年5月17日20時—18日20時韶關全市累計雨量圖(a)、韶關烏石坑口石角、樟市鎮(zhèn)自動站逐時雨量分布圖(b)

4 環(huán)流形勢及對流環(huán)境條件

4.1 環(huán)流形勢分析

5月17日20時，500 hPa中低緯受弱高空脊所控制(圖2a)，兩廣上空處于偏西到西北偏西風流場控制中，副熱帶高壓處于南海，588 線位于廣東海岸線，西脊點位于中南半島中部。700 hPa 高空槽線位于云南與廣西交界，粵北處于脊區(qū)，風速小，位于湖南郴州、江西贛州和廣東清遠三個探空站的T-Td≤3 ℃，該高度層濕度大。850 hPa 切變線位于湖南省中部，郴州、清遠、梧州等探空站T-Td均在2 ℃以下，韶關處于顯著濕區(qū)內，同時也處于24～25 ℃的顯著高溫區(qū)，可見低層高溫高濕；廣西、海南和廣東均受西南氣流控制，流線穿過韶關南部，但總體呈反氣旋性彎曲；貴州南部、廣西北部和湖南中部一帶存在冷中心，粵北在其東南側，顯示等溫線密集度較大。925 hPa 有暖式切變位于粵北(圖略)，但偏南氣流只有6 m/s，而郴州和清遠T-Td≤2 ℃，濕度大，同時北部灣西南風較大，達到了12 m/s，同時上游區(qū)域北海、梧州、?？诘忍娇照久黠@偏暖。200 hPa 湖南南部受偏西急流控制(圖2b)，粵北為西北偏北到西北氣流，呈扇形展開，風場輻散，但粵北的風速不大，均在12 m/s 以下，高空急流并未在粵北爆發(fā)。地面圖上可見完整的西南低壓中心位于云南，24小時變壓在湖南、貴州一帶為正變壓(圖略)，說明有弱冷空氣滲透到南嶺北部。故從17 日20 時天氣形勢分析，韶關南部具有暴雨潛勢，但難以判斷其極端性。18 日02時500 hPa與700 hPa形勢基本不變，850 hPa陽江站西南風增強至10 m/s，925 hPa 清遠和陽江西南風增大為10 m/s，說明邊界層暖濕氣流有增大北上的跡象(圖略)；而在05 時地面圖來看(圖略)，湖南、貴州24 h 正變壓消失，說明冷空氣偏弱，并未越過南嶺。從上述分析可得出，本次極端暴雨過程并沒有鋒面、高空槽等明顯的天氣尺度系統(tǒng)影響，但整個大氣的低層水汽條件較好，高溫高濕，邊界層切變線和超低空急流輸送粵北造成輻合，因此認為本次過程是處于較弱的大尺度天氣環(huán)流背景下發(fā)生的極端性暖區(qū)暴雨。

圖2 基于MICAPS資料得到的2019年5月17日20時天氣尺度背景 圖中方框為韶關區(qū)域。a. 500 hPa位勢高度圖(等值線單位：dagpm)和風場；b. 200 hPa流場(填色單位：m/s)。

4.2 對流環(huán)境條件分析

4.2.1 層結不穩(wěn)定條件

由于韶關沒有探空站，而且強降水主要集中在曲江，故選取離韶關曲江最近的清遠探空站作為研究站。17 日20 時，清遠探空站的T-lnP圖中的曲線呈“上干冷下暖濕”的不穩(wěn)定形勢(圖3a)，這種形勢比較有利于雷暴大風的出現。而在降水臨近起始狀態(tài)時的18 日02 時清遠T-lnP圖中(圖3b)，在500～400 hPa 高度上喇叭口形勢更明顯，中層有干空氣入侵。

圖3 2019年5月17日20時(a)和18日02時(b)的清遠探空站T-ln P圖

分析由清遠探空計算出來的物理量(表1)，自由對流高度(LFC)顯著下降，抬升凝結高度(LCL)略有下降，而平衡高度(ELC)則上升，說明氣塊被外力抬升的高度非常低，所需要的外部抬升力更小，氣塊更容易被抬升到自由高度，引起自由上升，對流更容易發(fā)生，自由上升所到達的高度也更高；對流有效位能(CAPE)增大了一倍，對流抑制能量(CIN)降為0，對流基本不再受抑制，十分有利于對流的觸發(fā)；層結上層輻散風場風速加大，有抽吸作用。另外，清遠站及其上游的陽江站的K指數和SI指數均反映出層結的不穩(wěn)定。

表1 2019年5月17日20時和18日02時的清遠和陽江探空站物理量

4.2.2 水汽條件

700～925 hPa 各層次的水汽通量來看(圖4a～4c)，18 日02 時，在強降水即將發(fā)生之前，700 hPa韶關大部處于水汽通量值為8 g/(cm·hPa·s)的區(qū)域范圍內，并處于西北偏西風場，其大值區(qū)位于清遠與賀州交界處，其值為12 g/(cm·hPa·s)；850 hPa 韶關中南部水汽通量為8 g/(cm·hPa·s)，其核心大值區(qū)位于肇慶與梧州交界處，處于韶關西南風場的上游，其值達到了20 g/(cm·hPa·s)；925 hPa水汽通量在廣東省的分布呈南強北弱的狀態(tài)，韶關中南部為6 g/(cm·hPa·s)，而其上游區(qū)域達到了12～15 g/(cm·hPa·s)。因此中低層存在水汽持續(xù)輸送的條件。

圖4 2019年5月18日02時700 hPa(a)、850 hPa(b)、925 hPa(c)水汽通量圖 水汽通量單位：g/(cm·hPa·s)。

再從圖3a 和圖3b 來看，18 日02 時，600 hPa以下露點曲線和層結曲線都比17 日20 時更靠近，表示中低層水汽越來越好，濕度在增加，這個趨勢有利于降水的條件變化的，也與圖4 的分析相吻合。

4.2.3 垂直速度

圖5 是18 日02 時850 hPa、500 hPa、200 hPa的垂直速度圖，850 hPa、500 hPa 均為負，可見氣流主要從850 hPa 開始上升。而對于韶關曲江這個關鍵點來看，850 hPa 和500 hPa 垂直上升速度大值區(qū)位于曲江南部附近，與強降水中心非常接近；而在200 hPa，曲江南部垂直速度仍然為負值。因此，從上述數據可得出，在韶關強降水即將開始時，曲江及其以南的區(qū)域位于垂直速度中心大值區(qū)，氣流上升強度強、高度高，為即將發(fā)生的對流提供了有利的環(huán)境條件。

圖5 2019年5月18日02時850 hPa(a)、500 hPa(b)、200 hPa(c)垂直速度圖 垂直速度單位：Pa/s。

5 中尺度系統(tǒng)及其觸發(fā)機制

5.1 雷達回波特征分析——對流系統(tǒng)的觸發(fā)及長時間維持機制

前文所述本次降雨過程主要出現在18 日02:00—08:00，因此重點分析該時段的雷達回波特征(圖6)。18日01:24，在韶關雷達50 km范圍內的曲江區(qū)以南區(qū)域(注:曲江在雷達的南偏東13 km 附近，幾個大暴雨自動站點位于雷達南偏東及偏西30 km 附近)，出現了強度為25～35 dBZ 的分散性回波，02:00，在雷達210 °/40 km 處回波已增強至50 dBZ 以上，在250 ～235 °的位置上也開始有50 dBZ的回波進入50～70 km范圍內，但此時各個回波面積較小，同時分布分散。02:00—03:00，上述回波迅速發(fā)展，之前70 km 處的回波分別往東和北兩個方向發(fā)展，并且與后續(xù)東移的回波合并，在雷達西北42 km 處，形成了西北-東南走向的條塊狀回波，接著在回波合并后，又于03:18 分裂成南北兩塊，南部回波移動較快。從03:36 的雷達強度圖(圖6c)和雷達速度圖(圖6e)分析，圖6c的紅色方框對流單體B 西北側的出流不斷觸發(fā)了其后側回波的生成，而其后側回波(圖6e 紅色圓圈，單體A)的東南前方有東南風的入流，根據雷達風速圖定義，單體A 的西北后側有西北風，此西北風不斷引導近地面層冷池持續(xù)東南移，這是造成回波列車效應的一個重要原因。從圖7可看到，回波所對應的徑向速度比前方偏大4 m/s，造成強風速輻合，同時位于曲江回波前部已開始減弱，但出現了后向傳播，因此與南部回波合并，形成了大塊回波，面積達到了500 km2以上，強度普遍在40 dBZ 以上，最大單點在50 dBZ 以上。04:00 之后，大塊回波面積和強度繼續(xù)維持，并且04:06在1.5 °速度圖上出現了大片風速輻合輻散區(qū)，在風速輻合輻散區(qū)減弱后，回波有減弱跡象，但其上游地區(qū)又有多塊新回波生成，并逐漸發(fā)展東移，與之合并后又再次增強；在雷達偏西方向約50 km 處在速度圖上也出現了風速輻合輻散區(qū)，隨著風速輻合輻散區(qū)南壓，此處回波也逐漸減弱，雖然也繼續(xù)往東北方向移動影響韶關的中北部地區(qū)，但降雨不強。

05:00開始(圖7)，從雷達站以西東移的回波有南壓的趨勢，進入風速輻合輻散區(qū)時，從偏西和西南方向而來的回波都在曲江一帶合并、發(fā)展，到了05:42，已形成了面積約800 km2的強回波塊，呈東西走向塊狀，普遍強度在45 dBZ 以上，最大強度達到58 dBZ，并且移動緩慢，在發(fā)生后向傳播的同時，其上游的小單體也在不斷并入(圖略)，結構一直維持密實，強度維持，對曲江到翁源一帶造成了長時間的“列車效應”。同時由圖7d～7f可判斷出在相應回波(圖7a～7c 后部，即北側)西北側和東北側存在著偏北風分量(可參考圖7e 中紅色的箭頭部分在暖色調區(qū)域內，暖色調為離開雷達的分量)，偏北風高度約為1 100 m 到近地面層，引導近地面冷池氣體繼續(xù)向南侵入，而同時中低空西南暖濕氣流持續(xù)加大疊加在冷池之上，促使風速輻合輻散區(qū)繼續(xù)發(fā)展，因而“列車效應”得到長時間維持。到了06:00，可觀測到有中氣旋，之后風速輻合輻散區(qū)強烈發(fā)展并東移，風速在06:30 達到最大的16 m/s，之后略有減弱，但風速輻合輻散區(qū)一直存在，一直到07:48開始，才明顯減弱，強回波也一直持續(xù)到這個時間。08:00 之后，風速輻合輻散區(qū)減弱消失，回波逐漸減弱消散，強降雨過程結束，后續(xù)仍然有一些小塊狀的回波，降雨也只是分散點的局部降雨，降雨均在10 mm 以下。另外可看到，回波東移過程中，有南壓的跡象，因而翁源的西北部和清遠英德東北角出現了強降雨。

圖6 2019年5月18日韶關雷達1.5 °的01:24(a)、02:36(b)、03:36(c)的基本反射率因子和1.5 °的02:00(d)、03:36(e)、04:06(f)的徑向速度

圖7 2019年5月18日韶關雷達1.5 °的05:42(a)、06:00(b)、07:00(c)的反射率因子和1.5 °的05:42(d)、06:00(e)、06:30(f)的徑向速度(紅色圓框為中氣旋)

5.2 回波垂直結構——極端雨強的成因

圖8 是在曲江區(qū)南部三個自動站降水達到最強期間，沿相同方位和距離做剖面的反射率、徑向速度圖、協(xié)相關系數(CC)和差分相移率(Kdp)。

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從圖8a 來看，回波整體發(fā)展較高，40～45 dBZ回波達到10 km左右，說明對流發(fā)展深厚。強回波質心較低，50 dBZ 以上的最強回波區(qū)位于2～7 km 高度之間，02 時清遠探空站0 ℃層位于5.4 km 左右，因此大部分強回波在0 ℃層以下。根據圖8c的CC顯示，在回波所對應的2～7 km 高度區(qū)域，CC 大部分在0.95 以上，說明大部分回波屬于均一性質的降水粒子，只有距離剖面起始點5 km 處的4～5 km 之間的區(qū)域在0.80～0.95 之間，此處也是最強回波達到了60 dBZ 以上的區(qū)域，正好與零度層亮帶對應，說明該區(qū)域為融化層，因此可判斷該降水為暖云主導型對流降水，屬于暖區(qū)降水的結構特性。差分相移率(Kdp)是空中水含量的直接反應，從圖8d 的Kdp來看，其大值區(qū)與圖8a 強回波區(qū)也有很好的對應關系，大值區(qū)幾乎完全重疊，說明降水回波對應的降水強度大，對降水量預測有很好的預警作用。

圖8b是徑向速度剖面圖，在40 km 附近，存在近地面輻合，低層西南氣流在徑向方向上游氣流爬升，向上伸展可達10 km 左右的高度，徑向輻合深厚。徑向輻合速度爬升時隨高度增加，在5 km左右的高度達到最大的19 m/s，之后隨高度減小，整個速度中心大值區(qū)位于距離34～40 km 范圍內。在9 km 高度的上空，存在輻散，輻散出流的速度達到10 m/s?？梢姷蛯虞椇细叨壬詈?，其后側存在速度大值輻散。低層氣流爬上輻合和高層輻散的區(qū)域與圖8a 的強回波區(qū)域能很好的對應，也解釋了強回波產生的原因。入流徑向速度仍達到10 m/s，說明在超級單體強盛期，仍有較強的垂直上升氣流進入回波核心區(qū)，因此單體能較長時間維持下去。

圖8 2019年5月18日06:30沿180.4 ° 27～46 km的反射率(a)、徑向速度(b)、協(xié)相關系數(c)和差分相移率(d)的垂直剖面圖 d圖中Kdp紅色部分中的黑色方框是c圖中相應區(qū)域小于0.9，Kdp被認為數據不可靠而不再顯示。

差分相移率Kdp與空中水含量關系密切，其值與雨滴數密度關系最大，同時雷達垂直液態(tài)含水量VIL 的突變加大(圖略)也與雨滴密度的變化密切相關[25-27]。如上文所述，因回波單體移動和觸發(fā)方向基本上自西向東，圖9 取地面降水大值區(qū)烏石鎮(zhèn)、樟市鎮(zhèn)一帶作自西向東剖面(圖9 白色橫線)，差分反射率Zdr剖面顯示5 km 高度之上基本上為接近0 dB 的狀態(tài)的小冰晶粒子或小于0.3 mm 的過冷水滴，5～4 km 為融化層。從Zdr數值大小的高度變化判斷，小滴粒子在下降過程中通過碰并有所加大，到近地面層達到最大，但其大小總體而言變化不大(圖9d 紅色橢圓區(qū)域)，大量粒子直徑處于0.5～1.5 mm 之間，而且直徑小于1 mm的水滴占絕大多數。從Zdr的時間變化隨空間的變化看，回波單體西側(圖9 各子圖的右側)不斷東移合并加強的過程中，Zdr的變化不大。從Kdp及圖7中強度、徑向速度的演變結合地面自動站雨量變化(地面雨強隨著回波移動自西向東增強)，地面雨強變化更多取決于低層輻合增強后中低層水汽凝結導致雨滴密度在高度上的增加，此變化可由圖9b 及圖9e 的變化所印證Kdp變化在雷達型號固定主要和水滴軸比(即雨滴大小)及數密度相關，在圖9e 中顯示在本次小時雨強最大時，其本身回波及上游回波的高空5～8 km 的小水滴數密度急劇加大，圖中紅色橢圓顯示近地面的數密度也比西側上游地面大。因當地沒有雨滴譜儀，故相關細節(jié)還需做進一步的研究，本文只能做定性分析。從Zdr、Kdp的分布和變化及與之相應的雨滴變化分析，這和廣州2017 年“5.17”特大暴雨所提供的水滴粒子分布基本相同，是一次典型的暖性極端降水。

圖9 2019年5月18日05:24(a、b、c)和06:24(d、e、f)差分反射率(a、d)、差分相移率(b、e)、反射率因子(c、f)東西向垂直剖面圖

5.3 地形環(huán)流觸發(fā)與維持機制

由前文所述，18 日01:24—02:00，對流初生位置位于曲江區(qū)以南的區(qū)域，根據地形圖(圖10a)，該位置為曲江與清遠英德交界的山地迎風坡前(圖10a 中的A)，此時山前地面及高空均為西南偏南風，因此山前迎風坡對初生對流有觸發(fā)作用。同時圖10a 中的B 的南面為峽谷地形，C 附近為峽谷和喇叭口地形，地面和低層南風經過峽谷和喇叭口灌入B 和C 產生輻合，因而對流得到了加強與維持。對于B 區(qū)域，其西部和北部均為迎風坡，從圖10b 看，在18 日03 時，此處風向為西北風，與前文5.1 節(jié)分析風速有西北分量相一致，因而與偏南氣流形成山前輻合線，在迎風坡的加持作用下，產生更強的氣流輻合，因而對流繼續(xù)得到加強與維持；對于C 區(qū)域，西部為B 區(qū)域，東部為高山，北部為曲江區(qū)城區(qū)，城區(qū)屬于高溫區(qū)，并且向南延伸至C 區(qū)域，形成一個范圍較大的高溫區(qū)(城市熱島)，當對流云團進入C 區(qū)域時，在熱力作用下繼續(xù)維持，同理根據5.1 節(jié)分析風速有偏北分量，此處有輻合線，因此對流將在C 區(qū)域繼續(xù)加強和長時間維持，而B 區(qū)域的云團在西北風引導下東移，與C區(qū)域的云團合并加強，造成C 區(qū)域的暴雨持續(xù)發(fā)生。

此外，研究表明[28]，由城市熱島形成的水平溫度梯度可在迎風坡強迫產生相對獨立的中尺度垂直切變，由此產生的低空垂直切變是維系中尺度對流降水發(fā)生、發(fā)展的重要條件，一旦迎風坡出現降水，將形成吹向迎風坡的風速與降水強度之間的正反饋現象。根據孫繼松等[28]提出的計算城市熱島效應的方法，利用靠近韶關的清遠探空站臨近時刻(18 日02 時)資料計算得到邊界層氣溫垂直遞減率，將分布在不同高度上的氣象自動站氣溫訂正到50 m 高度的同一水平面上，然后計算得到每個站點在這一高度上的氣溫與區(qū)域平均氣溫(即所有自動站訂正氣溫的算術平均值)之間的差值。從圖10c 可知，18 日03 時，C 區(qū)域附近存在較明顯的水平溫度梯度，約為1.5 K/(10 km)。根據孫繼松等[28]提出的理論，當水平溫度梯度為1 K/(10 km)量級時，形成強對流切變環(huán)境的響應時間只需要十幾分鐘到1小時。因此，山前形成的較強水平溫度梯度激發(fā)了垂直風切變的增強，為對流發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。需要指出的是，根據自動站實況統(tǒng)計(圖略)，17日17時，曲江區(qū)天氣為陰天，云量顯示10 份云，樟市(圖10a 的C 區(qū)域)29.4 ℃，其西部和西北部山區(qū)站(圖10a 的B 區(qū)域的東部和西北部)分別為31.4 ℃、28.6 ℃、29.0 ℃、30.9 ℃，20 時曲江處于多云的云天狀況，云量為7 份云，山區(qū)站更容易產生輻射降溫，均比C 區(qū)域的樟市鎮(zhèn)、烏石坑口石角站要低，之后各站氣溫均有不同程度的下降，因此在夜間形成的溫度梯度增大，更容易觸發(fā)中尺度暴雨。再根據孫繼松[29]提出的城市熱島效應與地形相互作用形成山前暴雨的物理概念模型，由于山體阻滯了城市熱島的水平擴散，在山前地區(qū)形成了最強的水平溫度梯度，水平溫度梯度不僅造成山坡下滑冷氣流與城市暖空氣流出氣流之間形成了山前水平輻合氣流，形成抬升運動，而且強的水平溫度梯度將強迫風的垂直切變增強，形成邊界層頂的氣流加強，從而形成強迫抬升運動，在垂直風切變環(huán)境中，觸發(fā)對流發(fā)生；當初生對流出現降雨之后，地面氣溫迅速下降，造成山前的水平溫度梯度進一步加強，邊界層急流加速，抬升運動也在加速，造成山前對流進一步加強，形成了溫度梯度與對流強度之間的正反饋過程，山前對流不斷發(fā)展且位置少動。從圖10c 可看出，18 日03 時小尺度地形存在山前冷氣流下滑，在山前形成地面輻合線，再從圖10d 看出，當降雨出現后的05 時，溫度梯度加大，山前冷氣流維持，符合上述所說的山前暴雨物理概念模型，因此也說明了對流持續(xù)發(fā)展與維持的原因。需要指出的是，山前水平輻合區(qū)的暖氣流由曲江與清遠英德交界處的偏南氣流經過峽谷或喇叭口匯合而來，而不是純粹地來源于城市熱島的暖空氣。

圖10 a. 韶關與清遠英德的地形圖(單位：m，A為02時初生對流位置，B和C為03—06時強降水發(fā)生位置，圓圈為峽谷地形，方框為喇叭口地形)；b. 18日03時韶關與清遠英德氣溫分布(填色，單位：℃)和自動站10 m風場(虛線為地面輻合線)；18日03時(c)和18日05時(d)韶關與清遠英德訂正氣溫距平分布(填色，單位：℃)和地面自動站10 m風場(虛線為地面輻合線)。

利用GRAPES短臨3 km預報模式，結合18日02時實況資料，同化模擬出18日03—08時的地面2 m 氣溫和10 m 風分析場進行分析。從圖11a 看出，模式可模擬出城區(qū)的高溫區(qū)和山地的低溫區(qū)，圖10a 所示的B 區(qū)域處于高溫區(qū)和低溫區(qū)之間的溫度梯度大值區(qū)。對照圖10b，圖11a 基本能模擬出高溫區(qū)和溫度梯度大值區(qū)的空間分布，只是梯度大值區(qū)略有偏西；在圖10a所示的峽谷和喇叭口位置，地面風場相對周邊較大，同時在山前也能模擬出地面輻合線，但B 區(qū)域的西北風未能模擬出來，故地面輻合線也較偏西。再從圖11b 來看，對照圖10d，地面風場在峽谷和喇叭口的風速更明顯，地面輻合線也更加偏西，但仍處于強降水出現區(qū)域附近，值得注意的是，該時刻能模擬出山前的西北氣流，并且位于溫度梯度的位置。對于06 和07時，輻合線及溫度梯度基本維持，08時溫度梯度仍存在，但輻合線消失。因此GRAPES 短臨3 km預報模式模擬出的地面溫度場和風場基本與前文分析一致，說明同化分析場具有一定的使用價值。

圖11 2019年5月18日03時(a)和05時(b)的GRAPES短臨3 km預報模式2 m氣溫分析場(單位：℃)和10 m風場

6 總結與討論

(2) 暴雨發(fā)生之前，韶關一直處于偏南暖濕氣流控制的區(qū)域，并且隨著對流抑制減小為0，對流有效位能增強，自由對流高度下降至近地面，使得氣塊更容易被強迫抬升。

(3) 降雨過程開始初期，出現了多個小塊強回波單體，經過持續(xù)的發(fā)展與合并后，形成面積較大的、生命史較長的塊狀回波，在“列車效應”下，造成持續(xù)性的短時強降水，進而發(fā)展成大暴雨、局部特大暴雨；近地面冷池維持并向南楔入，低層西南風加強疊加于冷池上導致強輻合輻散區(qū)和中氣旋的出現，是維持強回波持續(xù)發(fā)展的重要原因；回波垂直結構上呈暖區(qū)降水的結構特性，屬于暖云主導型對流降水，同時也呈現出低層有冷池對暖濕氣流強迫抬升的結構特征，側面說明了強降水觸發(fā)機制。

(4) 地形對對流觸發(fā)和暴雨的增幅有重要影響，峽谷和喇叭口地形加強了偏南氣流的匯入及輻合作用，山前迎風坡除了地形抬升作用外，位于山前的地面輻合線對于對流既有觸發(fā)又有加強與維持的作用。

(5) 山前強水平溫度梯度為對流發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件，當初生對流出現降雨之后，造成山前的水平溫度梯度進一步加強，形成了溫度梯度與對流強度之間的正反饋過程，山前對流不斷發(fā)展且位置少動，因而對流持續(xù)發(fā)展并維持。

當數值模式難以對暖區(qū)暴雨做出準確判斷時，尤其是在天氣尺度弱背景場下，對于此類持續(xù)性的短時強降水造成的暖區(qū)暴雨，監(jiān)測和短臨預警仍然是主要手段。預報員可通過中尺度分析預報暴雨潛勢，滾動跟蹤短臨預報模式的演變，以及依靠雙偏振多普勒雷達分析速度圖的輻合輻散區(qū)、中氣旋、回波垂直結構特征、雙偏振特征量等數據，判斷出未來0～3 小時的極端短時強降水。Kdp的高度(厚度)變化與短時雨強關系密切，可作為短臨預警的一個主要提前量，但本文缺乏當地雨滴譜儀的實際驗證，還需要做進一步的研究；韶關位于粵北山區(qū)，以山地丘陵盆地的地形為主，地形對強降水有重要的影響，但目前關于粵北山區(qū)對強降水的影響缺乏歸納總結與模型細化，本文關于地形對暴雨影響的研究方法，若能繼續(xù)查閱相關文獻，綜合考慮前人更多的研究方法，對歷次暴雨進行深入研究，是否能夠得出粵北山區(qū)“雨窩”點？有待今后進行進一步的深入對比與研究。