葉朗明 徐碧裕 劉顯通 蒲義良 李曉惠

1 廣東省江門市氣象局，廣東江門 529000

2 中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣州 510080

3 廣東省臺(tái)山市氣象局，廣東臺(tái)山 529200

1 引言

極端強(qiáng)降水事件由于其強(qiáng)致災(zāi)性，一直以來都是國內(nèi)外氣象學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)，例如：2012年7月21日北京極端降水天氣（孫繼松等,2012;Zhong et al.,2015）、2017年 5月 7日廣州的極端降水天氣（田付友等,2018; 傅佩玲等,2018; 伍志方等,2018）、2018年8月30日粵東極端降水天氣（李明華等,2019; 郭姿佑等,2019）等。華南是我國的三大雨區(qū)之一（陶詩言,1980），強(qiáng)降水事件頻發(fā)，危害性極強(qiáng)。前人的研究表明，華南的強(qiáng)降水事件是不同緯向環(huán)流相互作用的結(jié)果，尤其在暖區(qū)降水過程中，來自低緯度的夏季風(fēng)為華南強(qiáng)降水提供了充足的水汽，經(jīng)常產(chǎn)生熱帶海洋型對(duì)流，部分降水過程產(chǎn)生的小時(shí)雨量可達(dá)100 mm以上，如1979年5月廣東陽江區(qū)域自動(dòng)站曾出現(xiàn)220.2 mm h?1的短時(shí)極端強(qiáng)降水（黃士松,1986）。其具有強(qiáng)度大、范圍小、對(duì)流性明顯、降水時(shí)段集中（林良勛等,2006; 趙玉春等,2009）等特征。暖區(qū)降水是我國華南汛期降水的一個(gè)重要特征，華南的暖區(qū)強(qiáng)降水事件與局地的下墊面特征密切相關(guān)，如山脈抬升、海陸差異摩擦、海陸風(fēng)環(huán)流、地形中尺度輻合線等因子均可以在一定的不穩(wěn)定條件下觸發(fā)強(qiáng)降水（夏茹娣等 ,2006; 徐燚等,2013; 葉朗明和苗峻峰 ,2014）。

2017年6月22日凌晨，廣東陽江—恩平局部區(qū)域出現(xiàn)了小時(shí)雨量超過160 mm，24 h雨量超過500 mm的極端降水事件，刷新了該地區(qū)有氣象記錄以來的降水極值，造成了嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失。本次強(qiáng)降水事件與典型華南前汛期暴雨的環(huán)境條件和概念模型（黃士松,1986）相比，差異顯著，其既沒有大槽大脊配合，也沒有顯著的低空急流。在這類非典型天氣背景下，極端累積雨量的出現(xiàn)是由較大的降水強(qiáng)度和較長的降水持續(xù)時(shí)間共同導(dǎo)致的，而降水強(qiáng)度與降水類型和降水粒子的微物理特征密切相關(guān)。由于之前的多數(shù)研究缺乏高時(shí)空分辨率的綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)非典型天氣背景下華南前汛期極端降水的成因，特別是對(duì)其中引發(fā)強(qiáng)降水MCS（Mesoscale Convective System）的發(fā)生發(fā)展機(jī)制以及降水微物理特征的認(rèn)識(shí)尚待深入。本文利用區(qū)域自動(dòng)站、多普勒雷達(dá)、二維雨滴譜儀、風(fēng)廓線儀和FY-3B微波濕度計(jì)等多源觀測(cè)資料，主要圍繞MCS的觸發(fā)和維持機(jī)制以及云滴雨滴微觀特征等方面進(jìn)行分析，以期提高對(duì)該類極端天氣的預(yù)報(bào)水平，并為相關(guān)的研究提供參考。

2 資料與方法

本研究采用華南地區(qū)地面自動(dòng)站、風(fēng)廓線儀、多普勒天氣雷達(dá)、二維雨滴譜儀、衛(wèi)星微波濕度計(jì)和NCEP再分析資料等多種觀測(cè)資料進(jìn)行綜合分析。其中，陽江多普勒雷達(dá)（站號(hào)Z9662）位于（21°50'43''N，111°58'46''E），海拔高度 106 m，本部雷達(dá)的資料取樣密度為6 min。陽江風(fēng)廓線儀（站號(hào)G7190，海拔高度119 m）位于關(guān)鍵區(qū)南側(cè)約30 km的陽江城區(qū)。

2.1 區(qū)域自動(dòng)站資料

廣東西部的區(qū)域自動(dòng)站資料稠密、站點(diǎn)分布合理，因此本文利用逐小時(shí)加密觀測(cè)資料（風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫）來分析中小尺度對(duì)流發(fā)展機(jī)制。考慮到各站點(diǎn)分布海拔高度不一致，首先根據(jù)溫度垂直遞減率（基于探空觀測(cè)）將不同高度的自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)訂正到50 m海拔高度的同一水平面上，并插值到空間分辨率為 0.1°（緯度）×0.1°（經(jīng)度）水平網(wǎng)格。然后計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)與區(qū)域平均氣溫的差值。

2.2 雨滴譜資料

雨滴譜是單位體積中雨滴的數(shù)量隨雨滴大小的分布，是云降水物理過程中重要的參數(shù)之一。本文雨滴譜資料來源于中國氣象局龍門云物理野外科學(xué)試驗(yàn)基地（恩平站）一臺(tái)2DVD（Two-Dimensional Video Disdrometer）雨滴譜儀，該儀器由奧地利Joanneum Research生產(chǎn)的第三代產(chǎn)品。該雨滴譜儀利用兩臺(tái)相互垂直方向的光源高速線陣列掃描（55 kHz），采樣面積約為 10×10 cm2，兩束光源垂直高度差約為6～7 mm。2DVD雨滴譜儀可以獲取降水量、降水強(qiáng)度、雨滴譜分布、粒子形狀和寬高比等信息，其觀測(cè)雨滴的水平和垂直分辨率均高于0.2 mm。2DVD雨滴譜儀位于暴雨極值中心恩平錦江站（站號(hào)G2164）偏東方向，距離僅10 km，且雨滴譜連續(xù)記錄了強(qiáng)降水期間的雨滴譜數(shù)據(jù)，本研究將雨滴譜資料處理成1 min分辨率數(shù)據(jù)。

2.3 衛(wèi)星反演微波濕度計(jì)資料

微波濕度計(jì)資料源于國家氣象中心接收的FY-3B微波濕度計(jì)產(chǎn)品，F(xiàn)Y-3B是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星，一天2個(gè)時(shí)次，2017年6月22日01:40（北京時(shí)間，下同）資料正好覆蓋了強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)域。FY-3B微波濕度計(jì)主要用于探測(cè)大氣水汽含量、云中液態(tài)水含量、大氣濕度垂直分布等。其中1～2探測(cè)通道頻率150 GHz，受冰和液態(tài)降水粒子的散射衰減較大，而3～5通道以吸收水汽為主，能夠反映降水云團(tuán)中上層（400 hPa、600 hPa 和800 hPa）水汽特征，本文可以從上述5個(gè)通道微波亮溫圖分析暴雨云團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征。

2.4 再分析資料

本文天氣尺度形勢(shì)與環(huán)境條件分析資料為美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）提供的FNL全球再分析資料，一日4次，時(shí)間間隔6 h，空間分辨率為1°（緯度）×1°（經(jīng)度）。

3 降水實(shí)況和天氣背景

2017年6月22日凌晨，在廣東省西部沿海的恩平市及陽江市（圖1a）附近發(fā)生了一次極端降水過程，自動(dòng)站降水資料顯示（圖1b），雨量大值中心呈準(zhǔn)東西分布，主要位于天露山和云霧山南側(cè)的地勢(shì)較平坦地區(qū)。云霧山與天露山均呈東北—西南走向，最高海拔分別約1.7 km和1.2 km，兩座山脈在陽春的崗美鎮(zhèn)至潭水鎮(zhèn)之間形成向南的喇叭口。3個(gè)降水極值中心分別是恩平錦江站（站號(hào)G2164）562.5 mm、陽春崗美（站號(hào)G2367）318.7 mm、陽春潭水（站號(hào)G2352）293.9 mm，本文研究的關(guān)鍵區(qū)取圖1b中黑色虛線框所表示的范圍，包含了此次過程的全部強(qiáng)降水站點(diǎn)。

從小時(shí)降水演變來看（圖1c、1d），主要降水時(shí)段可以分成兩個(gè)：第一階段發(fā)生在22日00:00至06:00，主要特點(diǎn)是雨強(qiáng)大且雨強(qiáng)大小變化顯著，表現(xiàn)出顯著的對(duì)流性降水特征；第二階段發(fā)生在22日07:00至12:00，本階段內(nèi)雨強(qiáng)顯著減小且趨于平緩，具有層狀云降水的特征。從5 min降雨演變進(jìn)一步表明（圖1e），不僅累積降水量極端，短時(shí)雨強(qiáng)也非常極端，其中，第一階段恩平大田鎮(zhèn)02:00至03:00和03:00至04:00的小時(shí)降水分別為 165 mm 和 135.1 mm，3 h 累積降水量達(dá)到了365.1 mm，均打破了恩平的降水量記錄。另外，前30 min降雨強(qiáng)度呈逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，這也表明降雨云團(tuán)在不斷增強(qiáng)，02:50至02:55達(dá)到每5 min約18 mm降水的極大值。在大田鎮(zhèn)02:00至03:00 165 mm的小時(shí)極端降水中，大約100 mm的降水是在02:30至03:00內(nèi)產(chǎn)生的，這次降雨強(qiáng)度和效率都是比較罕見的。陽春崗美和潭水站分別在03:00至 04:00、04:00至 05:00時(shí)錄得 99 mm和111.4 mm小時(shí)雨量，對(duì)應(yīng)的5 min降水量顯示，起始階段降水量就達(dá)到每5 min約8 mm降水，隨后逐漸增大。由于極端強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在第一階段（00:00至06:00），本文將著重研究該階段的天氣背景，以及強(qiáng)降水中尺度對(duì)流系統(tǒng)的產(chǎn)生機(jī)制與微物理特征。

圖1 （a）華南地形（陰影部分為海拔高度≥50 m；紅圈為研究區(qū)域）和（b）2017年6月21日20:00至22日20:00粵西24 h累積雨量（彩色圓點(diǎn)，單位：mm；陰影部分為詳細(xì)地形，方框?yàn)檠芯繀^(qū)域）；代表站2017年6月21日20:00至22日13:00（c）小時(shí)雨量和（d）累積雨量變化，以及（e）最強(qiáng)時(shí)段5 min雨量變化（藍(lán)色線為G2164恩平錦江站，紅色線為G2364陽春崗美站，綠色線為G2352陽春潭水站）Fig.1 (a) Topographic map of South China (the shaded areas are the topographic height≥50 m; red circle shows research area); (b) accumulated rainfall (color dot,units: mm) of west Guangdong in 24 hours from 2000 BJT (Beijing time) 21 June to 2000 BJT 22 June 2017 (shaded areas represent the topographic map; rectangle dotted line shows research area); variation of (c) hourly rainfall and (d) cumulative rainfall at the representative stations from 2000 BJT 21 June to 1300 BJT 22 June,and (e) 5-min variations of rainfall during the strongest rainfall period (the blue line represents the G2164 Enping Jinjiang station,the red line represents the G2364 Yangchun Gangmei station,and the green line represents the G2352 Yangchun Tanshui station)

2017年6月21日20:00至22日14:00，關(guān)鍵區(qū)一直處于低層高假相當(dāng)位溫（θse）的暖濕偏南氣流中（圖略），沒有顯著的鋒面，對(duì)流層中層在中低緯度經(jīng)向度較小，西風(fēng)平直，冷空氣活動(dòng)較弱，上述特征表明本次極端降水過程屬于暖區(qū)暴雨。從天氣背景來看，21日20:00（即暴雨發(fā)生前），200 hPa高空華南沿海風(fēng)場(chǎng)呈現(xiàn)弱的反氣旋環(huán)流（圖2a），500 hPa副熱帶高壓西脊點(diǎn)西伸至113°N（圖2b），廣西東部維持淺槽，廣東沿海處在南支槽前和副熱帶高壓西北側(cè)的強(qiáng)盛西南氣流中（陽江探空站顯示風(fēng)速達(dá) 16 m s?1），邊界層也是一致偏南風(fēng)（圖2c），利于在華南地區(qū)建立深厚的水汽供應(yīng)通道（圖2d）。綜合來看，關(guān)鍵區(qū)（黑色五角星）處于高層輻散且低層水汽輻合顯著的環(huán)流形勢(shì)下，十分有利于對(duì)流的發(fā)生。

圖2 2017年 6月 21日 20:00（a）200 hPa 流場(chǎng)（流線）、散度（填色，單位：10?5s?1）、（b）500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：dagpm）和風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m s?1）、（c）925 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）和風(fēng)場(chǎng)（填色區(qū)：風(fēng)速≥4 m s?1，單位：m s?1）、（d）1000 hPa 水汽通量（等值線和箭頭，單位：g s?1 cm?1 hPa?1）和水汽通量散度（填色，單位：g s?1 cm?2 hPa?1）；2017年 6月（e）21日20:00 陽江T?logp分布（T表示溫度，p表示氣壓，藍(lán)色為露點(diǎn)曲線，黑色為層結(jié)曲線，紅色為狀態(tài)曲線）和（f）21日08:00至22日08:00陽江風(fēng)廓線儀觀測(cè)風(fēng)廓線（綠色填色區(qū)：水平風(fēng)速≥12 m s?1）Fig.2 (a) 200-hPa streamline and the divergence (colored,units: 10?5s?1),(b) 500-hPa geopotential height (contour,units: gpm) and wind (vector,units: m s?1),(c) 925-hPa geopotential height (contour,units: gpm) and wind (the shadow areas are the wind speed ≥ 4 m s?1,units: m s?1),(d) 1000-hPa vapor flux (contour lines and arrows,units: g s?1 cm?1 hPa?1) and vapor flux divergence (colored,units: g s?1 cm?2 hPa?1)at 2000 BJT 21 June 2017; (e) vertical profiles plotted on the skew-temperature Log-pressure diagram of temperature at 2000 BJT 21 June 2017 (the blue line is the dew point curve,the black line is the stratification curve,and the red line is the state curve); (f) Yangjiang wind profiler from 0800 BJT 21 June to 0800 BJT 22 June (the green shadow areas correspond to wind speed ≥ 12 m s?1)

本文利用距離強(qiáng)降水中心約45 km處陽江的風(fēng)廓線儀觀測(cè)資料及15 km處再分析資料構(gòu)建的探空曲線來分析MCS發(fā)生發(fā)展的大氣熱力和動(dòng)力條件。2017年6月21日08:00（暴雨發(fā)生前的白天）再分析探空資料（22°N，112°E）顯示，對(duì)流有效位能約為1764 J/kg（圖2e），該區(qū)域整層可降水量達(dá)60 mm（圖略），說明大氣中的不穩(wěn)定能量和水汽條件十分有利于MCS的發(fā)生。21日20:00（MCS初生前），近地面露點(diǎn)由24.1°C上升至約24.7°C，12 h前的近地層干區(qū)消失，對(duì)流抑制能量減小，從地面到高層的溫度露點(diǎn)差較小，整層大氣可降水量增加至70 mm左右。陽江風(fēng)廓儀表明，關(guān)鍵區(qū)中高空氣流基本維持不變，但1000 m以下風(fēng)速增加顯著，風(fēng)向由21日08:00的西南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)（圖2f），而且低層暖平流趨于明顯，0°C層高度抬高；隨著氣流和大氣溫濕層結(jié)的改變，抬升凝結(jié)高度從940 hPa降至962 hPa附近，對(duì)流抑制能量從?2 J/kg 下降至?8 J/kg，同時(shí)對(duì)流有效位能增加約262 J/kg，達(dá)到2026 J，可以看出在12 h內(nèi)陽江—恩平周邊的大氣中尺度環(huán)境條件逐漸有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。綜合上述，弱對(duì)流抑制、低抬升凝結(jié)高度、中等對(duì)流有效位能、深厚的濕層，均表明關(guān)鍵區(qū)的大氣環(huán)境更加有利發(fā)生高強(qiáng)度的降水。

4 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)和維持機(jī)制

本次強(qiáng)降水的直接影響系統(tǒng)為MCS，根據(jù)其回波特征可以大致分為3個(gè)階段：（1）初始對(duì)流發(fā)展階段（2017年 6月 21日 21:00至 24:00），（2）大田對(duì)流增強(qiáng)階段（2017年6月22日00:00至03:00）和（3）對(duì)流雨帶傳播階段（2017年6月 22日 04:00至 07:00）。降水始于 21日夜間（21:00），此時(shí)，有小片弱降水回波從廣東西部移入陽江市境內(nèi)并不斷東移，截止21日23:06，該弱回波移至恩平天露山，此時(shí)MCS開始發(fā)展，在雷達(dá)回波圖上可以看到有多個(gè)對(duì)流單體在這個(gè)區(qū)域生成（圖略），并陸續(xù)出現(xiàn)大于 20 mm h?1的短時(shí)強(qiáng)降水。隨著時(shí)間推移（00:00至03:00），對(duì)流系統(tǒng)不斷發(fā)展擴(kuò)張，逐漸形成以恩平大田（天露山東南側(cè)）為中心的團(tuán)狀對(duì)流。這個(gè)強(qiáng)降水MCS的觸發(fā)與維持（21日21:00至22日03:00）是本次極端降水出現(xiàn)的直接原因，值得深入分析。

4.1 輻合線形成與MCS初生

分析區(qū)域自動(dòng)站資料發(fā)現(xiàn)，地面中尺度輻合線對(duì)于本次強(qiáng)降水MCS的形成起到了至關(guān)重要作用。這條輻合線于2017年6月21日夜間開始形成，它與當(dāng)日白天陸地出現(xiàn)的局地降水和局部海陸風(fēng)環(huán)流密切相關(guān)。21日上午，廣東沿海有偏南風(fēng)從洋面吹向陸地，由于大氣層結(jié)有一定對(duì)流抑制，僅廣東東部及西部沿海出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。21日13:00至14:00，隨著低層大氣熱力條件改善及地形抬升，在關(guān)鍵區(qū)以北的云霧山及云霧山迎風(fēng)坡也有對(duì)流發(fā)生發(fā)展，形成了方圓約40 km的對(duì)流雨團(tuán)，并穩(wěn)定維持在關(guān)鍵區(qū)以北的山脈附近。其造成了10～60 mm的累積雨量，而關(guān)鍵區(qū)以南平坦地區(qū)幾乎無降水，導(dǎo)致其日間地面氣溫（31～32°C）相比于關(guān)鍵區(qū)北側(cè)（29～30°C）要高1～2°C，比前一天同時(shí)刻氣溫也偏高約1.5°C，這主要是由于北側(cè)的降水區(qū)存在降水蒸發(fā)造成的降溫。關(guān)鍵區(qū)以北地區(qū)原本上午一致的偏南氣流，由于受到21日午后降水的影響（蒸發(fā)冷卻造成的地面升壓趨勢(shì)伴有偏北的變壓風(fēng)），到傍晚，本地區(qū)的偏南風(fēng)氣流顯著減弱甚至出現(xiàn)弱偏北風(fēng)。在降水物蒸發(fā)冷卻的持續(xù)作用下，截止21日20:00，關(guān)鍵區(qū)北側(cè)天露山氣溫（25～26°C）相比于其臨近沿海地區(qū)（28～29°C）的平原低3°C，這表明關(guān)鍵區(qū)北側(cè)的近地面已經(jīng)形成了一定厚度的冷空氣堆。

2017年6月21日21:00至22:00在冷空氣堆的南側(cè)形成一條西南—東北向的中尺度輻合線（圖3a），這條輻合線兩側(cè)的地面溫差2～3°C，輻合線南側(cè)吹3～4 m/s偏南風(fēng)，北側(cè)風(fēng)速很小，輻合線附近形成風(fēng)的輻合。孫繼松和楊波（2008）在北京地形對(duì)強(qiáng)天氣的研究表明，當(dāng)下墊面形成1°C/10 km量級(jí)以上水平溫度梯度時(shí)，十幾分鐘到1 h將形成有利于對(duì)流發(fā)生的切變環(huán)境。在此次過程中，恩平城區(qū)與天露山脈之間水平溫度梯度量級(jí)可達(dá)到 2°C/10 km，可以看到 1～2 h 以后（21日23:00至24:00）初始對(duì)流得到發(fā)展和增強(qiáng)，并在輻合區(qū)出現(xiàn) 10～20 mm h?1的降水（圖3b、3c），由此可知，這條輻合線對(duì)于MCS的觸發(fā)至關(guān)重要。

4.2 輻合線的穩(wěn)定維持

為了進(jìn)一步解釋中尺度輻合線附近持續(xù)觸發(fā)的對(duì)流與重點(diǎn)地區(qū)極端降水的關(guān)系，本文選取2017年6月21日22:00至22日05:00用于識(shí)別和跟蹤主要對(duì)流雨帶在關(guān)鍵區(qū)的活動(dòng)。按照對(duì)流出現(xiàn)的時(shí)間順序?qū)ζ溥M(jìn)行編號(hào)，這種分析方法被Wu and Luo（2016）采用過。21日23:24關(guān)鍵區(qū)內(nèi)有3個(gè)雨帶（圖4a；編號(hào)1～3）：雨帶1位于輻合線的東北角，其在東移過程中與輻合線脫離（圖4c），失去西南暖濕氣流的供應(yīng)而減弱，大約40 min后變?yōu)閷訝钣陞^(qū)（圖4d?4f）；雨帶2位于關(guān)鍵區(qū)西北角，它向東移動(dòng)后并入輻合線，在其上游（西南方向）有新的對(duì)流（雨帶3）出現(xiàn)，在隨后的1～2 h緩慢東移到關(guān)鍵區(qū)中部地區(qū)（圖4b），這個(gè)對(duì)流雨帶的西南側(cè)始終緊靠輻合線，并維持較長的生命史，22日00:36（圖4c）兩條雨帶逐漸合并為雨帶6。22日01:12還有一條雨帶（編號(hào)5）位于雨帶6的西側(cè)，它穩(wěn)定少動(dòng)，同時(shí)其西側(cè)有新生的對(duì)流帶發(fā)展。另外，在雨帶5南側(cè)，中尺度出流邊界附近出現(xiàn)新的對(duì)流單體，它在約40 min后雨帶4和雨帶5合并形成雨帶7。

圖3 2017年7月（a）21日22:00、（d）22日01:00、（g）22日03:00廣東省區(qū)域自動(dòng)站地面風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)桿）和氣溫（填色）距平分布（黑色虛線為中尺度輻合線）；2017年 7月（b）22日 01:00、（c）21日 23:00、（e）22日 01:00、（f）22日 02:00、（h）22日 03:00、（i）22日04:00廣東省區(qū)域自動(dòng)站地面風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)桿）和該時(shí)刻未來1 h降雨量（填色）分布Fig.3 Distribution of surface wind (wind rod) and temperature anomaly (shaded) at the regional automatic stations in Guangdong Province at (a)2200 BJT 21 June,(d) 0100 BJT 22 June,and (g) 0300 BJT 22 June 2017 (the black dotted line represents the mesoscale convergence line).Distribution of surface wind field (wind rods) and hourly rainfall (rainfall in the next one hour at this time) at the automatic stations in Guangdong Province at (b) 2200 BJT 21,(c) 2300 BJT 21,(e) 0100 BJT 22,(f) 0200 BJT 22,(h) 0300 BJT 22,and (i) 0400 BJT 22 June 2017

圖4 2017年 7月（a）21日 23:24、（b）22日 00:00、（c）22日 00:36、（d）22日 01:12、（e）22日 01:48、（f）22日 02:24 陽江雷達(dá)組合反射率（白色雙實(shí)線為中尺度輻合線；1～7的數(shù)字標(biāo)號(hào)代表不同的雨帶）Fig.4 Combined reflectivity of Yangjiang radar at (a) 2324 BJT 21 June,(b) 0000 BJT 22 June,(c) 0036 BJT 22 June,(d) 0112 BJT 22 June,(e)0148 BJT 22 June,and (f) 0224 BJT 22 June 2017.The white double solid lines represent the mesoscale convergence lines,the mark numbers show different rain areas

通過對(duì)雨帶的分析表明，輻合線附近的冷出流與西南氣流攜帶暖濕空氣形成抬升，不斷產(chǎn)生新的對(duì)流單體，他們遵循的對(duì)流層低層西南氣流向東北方向，排列起來形成中β尺度雨帶，遠(yuǎn)離輻合線的雨帶迅速減弱，移入輻合線的雨帶得到維持和增強(qiáng)，其中雨帶6在天露山附近增強(qiáng)，并長時(shí)間（大約2～4 h）維持，對(duì)導(dǎo)致極端降水至關(guān)重要，下面重點(diǎn)針對(duì)該時(shí)期雨帶進(jìn)行分析。

4.3 MCS的增強(qiáng)

為了研究長生命史的MCS（雨帶6）形成機(jī)制，選取22日01:00至03:00天露山區(qū)域的高密度精細(xì)化資料進(jìn)行分析。圖5a可以看到，在強(qiáng)降水中心的西北側(cè)為海拔高度500～1200 m的天露山，東南側(cè)為地勢(shì)平坦的恩平城區(qū)，兩者相距18 km。22日01:00對(duì)流觸發(fā)后，在山脈的地形強(qiáng)迫抬升作用下進(jìn)一步增強(qiáng)，01:00至02:00在天露山東南側(cè)出現(xiàn) 10～30 mm h?1強(qiáng)降水，降水物的蒸發(fā)冷卻導(dǎo)致山區(qū)溫度由26°C進(jìn)一步降至24°C，而輻合線南側(cè)的恩平城區(qū)氣溫仍維持在27～29°C，兩者之間水平溫度梯度達(dá)2.5°C/10 km，此時(shí)輻合線兩側(cè)風(fēng)速明顯增強(qiáng)。通過推導(dǎo)中尺度Boussinesq近似的擾動(dòng)方程組（孫繼松和楊波,2008; 葉朗明等,2019），得出：假定一個(gè)簡(jiǎn)單的二維空間中尺度流場(chǎng)，中尺度運(yùn)動(dòng)完全由地形強(qiáng)迫造成的，則風(fēng)垂直切變和溫度水平分布的關(guān)系為 ? (?u/?z)/?t= ?λ(?θ/?x)。這樣由于降水潛熱釋放原因，在對(duì)流層中層將出現(xiàn)山坡（天露山）一側(cè)氣溫高于南部的現(xiàn)象，即 ?θ /?x＞ 0，根據(jù)上述公式關(guān)系，將出現(xiàn)對(duì)流層中上層南風(fēng)氣流減速，對(duì)流層低層南風(fēng)氣流加速的現(xiàn)象。而在近地面層，降水蒸發(fā)將造成山坡的氣溫快速下降，進(jìn)一步加大了水平溫度梯度，即邊界層頂南風(fēng)氣流加速明顯快于近地面層的現(xiàn)象，造成風(fēng)場(chǎng)垂直切變（水平渦度）加強(qiáng)，水平渦度在有利的條件下被扭轉(zhuǎn)成垂直渦度，從而有利于MCS的維持。同時(shí)，從01:42陽江雷達(dá)組合反射率圖5d和徑向速度圖5d來看，天露山附近的對(duì)流發(fā)展異常旺盛，強(qiáng)回波中心達(dá)63 dBZ，回波頂高伸展至15 km，低空水汽不斷對(duì)流體中流入，邊界層輻合進(jìn)一步加強(qiáng)，22日02:00 至 03:00 恩平錦江站記錄到 165 mm h?1的強(qiáng)降水（圖5c）。由此可見，由于天露山脈地形作用，從地面至邊界層頂部的風(fēng)速垂直切變與強(qiáng)降水之間可能出現(xiàn)正反饋現(xiàn)象，導(dǎo)致這種小尺度對(duì)流系統(tǒng)長時(shí)間維持。

5 微物理結(jié)構(gòu)特征

本次極端暴雨事件的產(chǎn)生與MCS的云團(tuán)特征、降水類型、降水粒子的微物理特征密切相關(guān)。這次暴雨過程在微物理結(jié)構(gòu)上是否滿足極端降水特征?本節(jié)從對(duì)流云團(tuán)和雨滴譜特征上進(jìn)行了研究。

圖5 2017年7月22日（a）01:00、（b）02:00、（c）03:00區(qū)域自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)（箭頭）、氣溫（彩色圓點(diǎn)）和該時(shí)刻未來1 h降雨量（等值線，單位：mm）分布（紅色實(shí)線為中尺度輻合線；灰色陰影部分為詳細(xì)地形）；(d) 2017年7月22日01:42陽江雷達(dá)（d）組合反射率（單位：dBZ）和（e）徑向速度剖面（剖面位置如d圖中白色實(shí)線所示）Fig.5 Distribution of wind field (arrow),temperature (colored dot),and hourly rainfall (rainfall in the next one hour at this time; contour,units: mm)in Guangdong at (a) 0100 BJT 22 June,(b) 0200 BJT 22,and (c) 0300 BJT 22 2017 (the solid red line represents the mesoscale convergence line,the shaded areas represent the topographic height).(d) Combined reflectance (dBZ) and (e) radial velocity profile of Yangjiang radar at 0142 BJT 22 June(the positions of the profiles are shown as the solid white line in Fig.5d)

5.1 云團(tuán)微波特征分析

云的組成和相態(tài)反映了MCS發(fā)展情況，通過衛(wèi)星反演技術(shù)可以獲取云頂溫度，并以此來判別深對(duì)流和上沖云頂。目前，深對(duì)流紅外探測(cè)主要采用云頂亮溫閾值法。一般以?38°C以下的云頂明溫度作為判斷深部對(duì)流的標(biāo)準(zhǔn)，?65°C以下的云頂亮溫為沖頂對(duì)流云的標(biāo)準(zhǔn)。由于紅外通道的光譜特性，對(duì)深對(duì)流云和卷云的識(shí)別可能比較困難，因?yàn)樯詈駥?duì)流伴隨著濃度較高的冰粒子，而183.31 GHz附近的水汽通道，對(duì)冰水含量的變化尤其敏感。微波具有穿透云和雨的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能更清晰地揭示強(qiáng)降水云團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征。

由 FY-3B微波濕度計(jì) CH1（圖6a）、CH2（圖6b）可知，廣東西部有呈準(zhǔn)東西分布的對(duì)流云系活動(dòng)，小于?120°C的對(duì)流云區(qū)中存在有兩個(gè)小于?140°C的強(qiáng)對(duì)流中心，而兩個(gè)對(duì)流中心之間過渡帶以西的亮溫梯度大值區(qū)就是關(guān)鍵區(qū)的所在位置；從 CH3（通道 3）、CH4（通道 4）、CH5（通道5）也同樣可以看到處于過渡帶中?？梢酝茢喑?1:40分關(guān)鍵區(qū)正好處于兩個(gè)亮溫極值中心以西的亮溫梯度大值區(qū)，應(yīng)該分布著大量冰粒子和云中水粒子，對(duì)流極為強(qiáng)烈。由于3～5通道反映400 hPa、600 hPa、800 hPa 水汽特征，也說明從底層到高層水汽供應(yīng)充分。

5.2 降水微物理特征

廖菲等（2011）利用雨滴譜觀測(cè)資料對(duì)華南不同降水過程特征進(jìn)行分析，均得出了有意義的結(jié)論。從地面的滴譜資料分析來看，此次降水過程雨滴的微物理特征上也具有一定的特殊性。2017年6月21日至22日恩平站2DVD雨滴譜儀觀測(cè)的雨滴譜隨時(shí)間變化特征如圖7a所示。可以看到2DVD觀測(cè)的雨滴數(shù)濃度非常高，最強(qiáng)降水時(shí)間段的小雨滴數(shù)濃度超過 105mm?1m?3，遠(yuǎn)高于華南地區(qū)夏季平均值（約為 104mm?1m?3），從分布來看存在大量大粒徑雨滴，雨滴尺寸可達(dá)4 mm以上。圖7b還給出了分鐘級(jí)降水強(qiáng)度隨時(shí)間變化特征，可以看到2DVD雨滴譜儀觀測(cè)的降水強(qiáng)度變化與附近的臺(tái)站雨量計(jì)基本一致（兩者直線距離15 m），總降水量觀測(cè)誤差在1%左右，最大小時(shí)雨強(qiáng)接近150 mm h?1。

圖6 2017年 6月 22日 01:40 FY3B微波濕度計(jì)資料（填色區(qū)域?yàn)榱翜亍?50 K，黑色五角星代表極值中心）：（a）通道 1；（b）通道 2；（c）通道3；（d）通道4；（e）通道5Fig.6 FY3B microwave hygrometer data at 0140 BJT 22 June 2017 for (a) Channel 1,(b) Channel 2,(c) Channel 3,(d) Channel 4,and (e) Channel 5(units: K; the colored areas represent the light temperature ≤250 K,the black stars represent the extreme center)

圖7 2017年6月21日22:00至22日05:00恩平站（a）2DVD雨滴譜儀觀測(cè)的雨滴譜隨時(shí)間變化，（b）2DVD雨滴譜儀（紅色線）和臺(tái)站雨量計(jì)（綠色線）觀測(cè)的降水強(qiáng)度變化Fig.7 (a) Variation of the raindrop spectrum observed by the 2DVD raindrop spectrometer at Enping station from 2200 BJT 21 June to 0500 BJT 22 June 2017; (b) variation of precipitation intensity observed by the 2DVD raindrop spectrometer (red line) and the station’s rain gauge (green line) from 2200 BJT 21 June to 0500 BJT 22 June 2017

依據(jù)降水強(qiáng)度及其隨時(shí)間變化特征，將降水分為對(duì)流性降水和層云性降水（圖8）。此次過程對(duì)流性降水樣本比例高達(dá)46%，遠(yuǎn)超過華南地區(qū)夏季平均值（約18%）。對(duì)流性降水小粒徑段雨滴數(shù)濃度接近 105mm?1m?3，雨滴譜寬高達(dá) 6.7 mm，且各個(gè)粒徑段雨滴數(shù)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于層云性降水。整體而言，此次降水過程的降水粒子雨滴總體數(shù)濃度非常高，且存在大雨滴，從而導(dǎo)致超高雨強(qiáng)。對(duì)流性降水樣本的平均尺寸介于1.5～2.0 mm，歸一化截距指數(shù)介于3.4～4，整體降水屬性介于大陸型降水與海洋型降水之間。

圖8 2017年6月21日22:00至22日05:00恩平站2DVD雨滴譜儀觀測(cè)的對(duì)流性降水（深紅色線）和層云性降水（深綠色線）平均雨滴譜分布Fig.8 Distribution of convective precipitation (dark red line) and stratospheric precipitation (dark green line) observed by the 2DVD raindrop spectrometer at Enping station from 2200 BJT 21 June to 0500 BJT 22 June 2017

6 結(jié)論和討論

本文利用陽江多普勒雷達(dá)、風(fēng)廓線儀、FY-3B微波濕度計(jì)和二維雨滴譜儀等多種新型探測(cè)資料，對(duì)2017年6月22日華南一次極端降水的維持機(jī)制及微物理特征進(jìn)行了綜合分析。研究結(jié)果表明：

（1）本次極端降水過程發(fā)生在暖濕西南氣流中，中低緯度西風(fēng)氣流平直，冷空氣活動(dòng)弱，屬于典型的暖區(qū)降水。盡管西南氣流的風(fēng)速并不算大，但其在關(guān)鍵區(qū)的輻合顯著，且輸送了大量的水汽，此外，關(guān)鍵區(qū)的環(huán)境條件都有利于MCS的發(fā)生發(fā)展，而且對(duì)流抑制能量較小，有利于對(duì)流的觸發(fā)。

（2）此次過程的累積降水量主要由一個(gè)局地發(fā)生發(fā)展的準(zhǔn)靜止長生命史的MCS產(chǎn)生。對(duì)流于2017年6月21日夜間（22:00）觸發(fā)，不同性質(zhì)下墊面熱力差異以及降水蒸發(fā)冷卻導(dǎo)致在山前形成中尺度輻合線，這對(duì)于本次強(qiáng)降水MCS的觸發(fā)至關(guān)重要。中尺度輻合線兩側(cè)溫差約2～3°C，由于環(huán)境大氣低層十分暖濕，且中低層風(fēng)速較小，因此MCS 造成的冷出流與邊界南側(cè)的環(huán)境暖濕氣流風(fēng)速相當(dāng)，穩(wěn)定少動(dòng)的輻合線持續(xù)觸發(fā)新的對(duì)流單體。

（3）從探空站和風(fēng)廓儀資料分析可知，暴雨發(fā)生前溫暖潮濕的背景環(huán)境中，南風(fēng)層的增厚與其風(fēng)速的增大為對(duì)流的發(fā)生發(fā)展提供了有利的動(dòng)力條件，充沛的熱量與水汽輸送加劇了氣層的不穩(wěn)定性，為對(duì)流的發(fā)生發(fā)展提供了有利的熱力條件。本次事件中，對(duì)流云的高度較高，分布著大量冰粒子和云中水粒子。雨滴譜儀資料顯示，最強(qiáng)降水時(shí)間段的小雨滴數(shù)濃度遠(yuǎn)高于華南地區(qū)夏季平均值，且出現(xiàn)大量大雨滴，整體降水屬性介于大陸型降水與海洋型降水之間。對(duì)流云團(tuán)特征和粒子微物理特征保證了極高的降水效率，使得短時(shí)間內(nèi)局地產(chǎn)生了極強(qiáng)的降水。

本文初步揭示了此次極端降水事件的降水特征，探討了強(qiáng)降水MCS的維持機(jī)制和云雨微物理過程。由于觀測(cè)資料和分析方法的限制，對(duì)此次過程的了解仍然存在很多不足。例如：觀測(cè)資料時(shí)空分辨率還不夠高，更加細(xì)微的中β、中γ尺度系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)和演變特征仍未進(jìn)行細(xì)致探討，且對(duì)于地形的具體作用也分析不夠，這些方面將在以后的工作中進(jìn)行研究。