余興湛，劉升源，黃國斌,葉朗明

(1.廣東省臺山市氣象局，廣東 臺山 529200, 2.廣東省江門市氣象局，廣東 江門 529000)

0 引言

華南是我國暴雨災(zāi)害最為頻繁的地區(qū)，研究表明，華南地區(qū)的暴雨具有降水量集中、雨強(qiáng)大、降水持續(xù)時間長、累積雨量大等特點(diǎn)，華南地區(qū)一年四季都可能出現(xiàn)暴雨，但主要發(fā)生在4—9月份[1]。前汛期是華南降水的集中、多發(fā)期，暴雨往往會帶來內(nèi)澇、山洪、泥石流等氣象次生災(zāi)害，因此受到不少氣象學(xué)者的關(guān)注，并取得了許多研究成果[2-4]。何立富等[5]在研究華南地區(qū)一次持續(xù)大暴雨過程中指出，700 hPa中緯度冷空氣入侵可能是華南暴雨產(chǎn)生、維持的重要特征，高低空急流耦合的正反饋機(jī)制是華南暴雨異常的成因之一。吳乃庚等[6]指出在前傾槽形勢下，低層暖濕不穩(wěn)定配合高空槽后干冷空氣的下傳，對華南上空不穩(wěn)定能量釋放起到加強(qiáng)作用，強(qiáng)降水主要發(fā)生在鋒區(qū)南側(cè)。陳見等[7]對發(fā)生區(qū)域性以上暴雨過程與不明顯降水過程的高低空環(huán)流形勢場進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)它們環(huán)流系統(tǒng)配置相似,但環(huán)流系統(tǒng)位置、強(qiáng)度及干濕特征存在差異。陳元昭等[8]指出大多數(shù)降水過程中有利于重大短時強(qiáng)降水發(fā)生的環(huán)境條件的關(guān)鍵點(diǎn)不是強(qiáng)對流預(yù)報中常關(guān)注的 “高空冷空氣的侵入”，而是低層暖濕氣流的輸送。周芯玉等[9]發(fā)現(xiàn)華南暴雨是在有利的大尺度環(huán)流背景下,與若干個中尺度降水系統(tǒng)相互配合持續(xù)影響所造成,是多尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物,而中尺度系統(tǒng)對暴雨有明顯的觸發(fā)作用。胡萍等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)冷性低渦切變暴雨主要發(fā)生在低渦的右前方，急流的頂部，地面輻合線的北側(cè)和副高邊緣，而暖性低渦切變暴雨主要發(fā)生在低渦的東南部，急流的頂部和地面熱低壓底部。2016年5月28日在廣東省西部沿海出現(xiàn)了一次暴雨過程，此次強(qiáng)降水造成廣東省江門市臺山市端芬鎮(zhèn)鳳凰峽突發(fā)山洪，造成8人死亡、10人受傷。本文利用區(qū)域自動站、多普勒雷達(dá)等常規(guī)觀測資料以及NCEP/NCAR 再分析資料，分析此次降水過程的中尺度天氣系統(tǒng)演變特征和維持機(jī)制，以期為本地暴雨分析和預(yù)報提供一定的參考作用。

1 資料來源

本文所用資料包括：①2016年5月28日江門、陽江地區(qū)的區(qū)域自動站G2108(開平東山水庫)、G6643(恩平馬山水庫)、G6523(臺山聯(lián)合村)等160個站點(diǎn)和8個國家級自動站逐時觀測資料，觀測資料包括降水量、氣溫和風(fēng)向風(fēng)力等；②NCEP/NCAR再分析資料(時間分辨率為6 h，空間分辨率為0.25°×0.25°)；③FY-2G氣象衛(wèi)星反演的逐小時平均相當(dāng)黑體亮度溫度(TBB)資料；④陽江多普勒天氣雷達(dá)觀測資料以及陽江站探空資料。

2 分析與討論

2.1 天氣實(shí)況及雨量分析

2016年5月26日14時南海西沙群島附近海面的季風(fēng)云團(tuán)發(fā)展為熱帶低壓，并于27日16時15分在陽江市陽東區(qū)東平鎮(zhèn)沿海地區(qū)登陸，20時在江門市鶴山市境內(nèi)減弱為低壓區(qū)后繼續(xù)北上減弱消失。受其殘余云系和季風(fēng)槽影響，27日20時—28日20時，廣東西部江門、陽江沿海一帶出現(xiàn)了暴雨到大暴雨，其余地區(qū)普降中到大雨，局部暴雨(圖1a)。最大日雨量出現(xiàn)在開平東山水庫站224.7 mm，主要降水時段在28日07—14時，并出現(xiàn)了雷暴。此次降水過程降水時段集中，局地性強(qiáng)，并且引起臺山市端芬鳳凰峽突發(fā)山洪。

從小時降水量演變來看(圖1b)，主要降水時段有兩個：第1個階段發(fā)生在27日20時—28日07時，降水比較平緩。第2個階段發(fā)生在28日07—14時，其主要特點(diǎn)是短時雨強(qiáng)大、強(qiáng)度變化波動顯著。采用1 h降雨量≥10 mm 的降雨區(qū)域作為1個中尺度雨團(tuán)，在5月28日第2階段降水期間，一共有18個中尺度雨團(tuán)出現(xiàn)在廣東西部沿海 3個最大雨量的區(qū)域站，最大時雨量為61.9 mm，在07—14時期間每個小時都有區(qū)域站的雨量超過35 mm，說明此次降水過程降水強(qiáng)度強(qiáng)，并且比較集中，有很明顯的中尺度對流系統(tǒng)活動特征。本文重點(diǎn)討論強(qiáng)降水第2階段(28日07—14時)的天氣背景和中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)制。

圖1 (a)2016年5月27日20時—28日20 時江門雨量分布圖；(b)27日20時—28日20時G2108、G6643、G6523站逐小時雨量分布圖

2.2 大尺度環(huán)流形勢演變

在暴雨發(fā)生整個階段，2016年5月27日20時—28日20時，200 hPa南亞高壓中心一直位于華南上空，反氣旋性強(qiáng)大，期間中心和強(qiáng)度基本無變化，為暴雨的發(fā)展提供了有利的高空輻散抽吸作用。5月27日20時—28日20時，500 hPa亞洲中高緯地區(qū)表現(xiàn)為一槽一脊的形勢，槽脊比較淺薄，東北冷渦活躍，呈現(xiàn)出西高東低的形勢，貝加爾湖槽后有冷空氣分裂東移南下。副高脊線北跳到26°N，較常年偏強(qiáng)，位置明顯偏北，在27日前控制廣東省大部，熱帶低壓在其西南緣生成，建立了強(qiáng)大的西南急流，并沿著副高的外圍北上，迫使副高東退到珠江口附近，熱帶低壓繼續(xù)北上消失后，558 m等高線并沒有馬上西伸控制加強(qiáng)，而是停留在珠江口附近徘徊，江門市上空處于副高的西側(cè)邊緣，有利于暴雨的發(fā)生。850 hPa在孟加拉灣附近有熱帶低值系統(tǒng)的發(fā)展，其東南側(cè)強(qiáng)大的暖濕氣流沿著東南半島沿海上空北上輸送到南海中北部，并于26日下午逐漸在副高西側(cè)邊緣發(fā)展成熱帶低壓，熱帶低壓東側(cè)生成一條西南急流與之相連，并隨著熱帶低壓北上，始終保持著相接，為熱帶低壓的環(huán)流提供了不穩(wěn)定能量和水汽來源，登陸后急流后部減弱，但其前部依舊維持較強(qiáng)的狀態(tài)(圖2a)。在925 hPa上熱帶低壓消散后，在其附近演變成一條切變線，暴雨期間一直維持在廣東中北部，另外在暴雨落區(qū)的西邊存在著明顯的風(fēng)向和風(fēng)速的輻合(圖2b)。925 hPa上存在的切變線以及風(fēng)速風(fēng)向輻合，有利于水汽和熱量在底層集中并積累，是觸發(fā)此次暴雨的重要系統(tǒng)。

圖2 (a)2016年5月28日02時 500 hPa位勢高度和850 hPa風(fēng)場；(b)28日08時 500 hPa位勢高度和925 hPa風(fēng)場，(陰影部分為風(fēng)速填圖，單位：m/s)

2.3 物理量場分析

2.3.1 水汽條件 2016年5月28日02時起本地暴雨區(qū)850～700 hPa水汽輻合明顯增強(qiáng)，在112°E附近存在一個顯著水汽輻合區(qū)，其中心散度大于-6×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1(圖3a)，從比濕來看(圖 4a)，02時的暴雨落區(qū)的上空700 hPa 比濕大于10 g/kg，850 hPa比濕大于12 g/kg，925 hPa比濕大于15 g/kg，可見暴雨區(qū)上空水汽含量比較充足，水汽輻合明顯，達(dá)到產(chǎn)生暴雨和大暴雨的條件。此外，28日暴雨區(qū)邊界層的相對濕度都在 95%以上。綜上所述，熱帶地區(qū)充足的水汽和顯著的水汽輻合為廣東西部沿海暴雨的發(fā)生提供了非常有利的條件。

2.3.2 垂直螺旋度 螺旋度通常表征環(huán)境風(fēng)場旋轉(zhuǎn)程度和沿旋轉(zhuǎn)軸方向運(yùn)動強(qiáng)弱的物理量，而垂直螺旋度(Hp)則反映渦度與垂直速度的耦合情況，即Hp=-ζ×ω(ζ表示渦度，ω表示垂直速度)[11]。5月28日08時Hp在112.2～113.6°E從750～600 hPa表現(xiàn)為正的螺旋度，中心值達(dá)20×10-6hPa·s-2，強(qiáng)度很強(qiáng)，有利于強(qiáng)對流系統(tǒng)生成、發(fā)展和維持，表明本次降雨的動力條件顯著(圖3b)。

圖3 (a)2016年5月28日02時 沿22°N的經(jīng)向剖面上的水汽通量散度和風(fēng)場(陰影區(qū)為水汽通量散度，單位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1，箭矢為風(fēng)，單位: m/s)；(b)28日08時 沿22°N的經(jīng)向剖面上的垂直螺旋度和垂直速度圖(陰影區(qū)為垂直螺旋度，單位：10-6hPa·s-2；等值線為垂直速度圖，單位：Pa/s)

2.3.3 假相當(dāng)位溫 假相當(dāng)位溫 θse 是能綜合表征大氣的溫度、濕度條件的物理參數(shù)[12]。從假相當(dāng)位溫剖面圖(圖4a)可以看到，5月28日08時等值線密集區(qū)位于26°N附近，可以近似認(rèn)為鋒區(qū)在26°N附近。而此次降雨主要分布在21.8～22.6°N之間，可以認(rèn)為這是一次鋒前暖區(qū)降水過程。近地層800 hPa以下，暖舌從地面向上伸展，等θse線隨高度遞減，形成位勢不穩(wěn)定區(qū)域。在暴雨發(fā)生前，24°N以南中低層θse都大于350 K，這個區(qū)域?qū)Ρ┯晟捎欣?/p>

2.3.4 探空資料 從陽江站5月28日08時的探空圖來看(圖4b)，400 hPa以下的露點(diǎn)曲線和層結(jié)曲線整層都比較接近，說明測站上空的水汽十分的深厚。從垂直風(fēng)場來看，中低層盛行較強(qiáng)的西南風(fēng)，在中低層都是風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，但不明顯，有暖平流的存在，同時也能看出在低層風(fēng)速隨高度的變化不大，說明垂直風(fēng)切變比較弱，降水效率較高。0 ℃層都在550 hPa以上，抬升凝結(jié)高度LCL和自由對流高度LCF也很低，說明暖云層厚度較厚，而近地面空氣對流抑制能量很小，對流有效位能CAPE呈“瘦弱”的長形分布，這些條件都有利于暴雨的發(fā)生。

圖4 (a)2016年5月28日02時沿122°N的緯向剖面上假相當(dāng)位溫和比濕剖面圖(實(shí)線為假相當(dāng)位溫，單位：K，虛線為比濕，單位：g/kg)；(b)28日08時陽江氣象要素探空圖

2.4 中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展演變特征

2.4.1 衛(wèi)星云圖特征分析 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的定義[13]，將水平尺度在20～250 km之間、生命史為3 h或以上、云頂亮溫TBB≤-32 ℃的中尺度對流云團(tuán)定義為β中尺度對流系統(tǒng)。為揭示此次暴雨過程的中尺度系統(tǒng)的演變特征，利用FY-2G衛(wèi)星TBB資料對其進(jìn)行分析。本次降水過程一共受3個MCS(中尺度對流系統(tǒng))影響(按時間順序編為a、b、c)，MCS(a)為第1階段在中山境內(nèi)產(chǎn)生蔓延過來的，對本地降水影響不大，而造成本地降水主要是MCS(b)和MCS(c)。MCS(b)和MCS(c)同一時間在江門到陽江沿海一帶由小云團(tuán)逐漸發(fā)展起來，5月28日07—08時迅速增強(qiáng)，08時(圖 5a)對流云團(tuán)中心氣溫已降至-62 ℃，隨著兩個云團(tuán)的繼續(xù)發(fā)展，09時兩者合并，形成了一個更大的對流系統(tǒng)MCS(bc)，中心氣溫下降至-72 ℃以下，合并后強(qiáng)度中心面積繼續(xù)發(fā)展，在12時之前云團(tuán)基本維持在原地。12時在東邊的MCS(a)重新發(fā)展起來，隨著MCS(bc)向東緩慢移動，14時MCS(a)和MCS(bc)合并在一起，形成了對流系統(tǒng)MCS(abc)，MCS(abc)的東西向長度超過200 km，覆蓋江門和陽江的沿海地區(qū)(圖5b)。在09—15時，云團(tuán)中心的氣溫一直維持在-72 ℃以下；16 時對流系統(tǒng)開始減弱,17時后對流系統(tǒng)明顯減弱并逐漸東移消散(圖5c)。可見MCS(b)和MCS(c)是造成此次降水的主要系統(tǒng)，兩者同時生成后，迅速合并和加強(qiáng)，并維持在原地少動。分析云團(tuán)和降水的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)在降水的主要時段(07—14時)，降水落區(qū)主要發(fā)生在對流系統(tǒng)東北向的最大梯度區(qū)，兩者有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖5 2016年5月28日08、14、17時(a、b、c)TBB逐時演變(單位: ℃，陰影區(qū)TBB<-32 ℃)

2.4.2 雷達(dá)回波特征分析 從第2階段影響暴雨區(qū)期間陽江多普勒天氣雷達(dá)組合反射率因子圖上發(fā)現(xiàn)，從5月28日05時開始，有小片層狀云降水回波在江門沿海生成并緩慢北移，07—08時在江門、陽江沿海一帶有多個對流單體生成并加強(qiáng)，表明初始對流開始形成(圖6a)。到 09時12分，在江門沿海地區(qū)形成了一條西南—東北走向的β中尺度對流系統(tǒng)，尺度達(dá)到40 km，其傳播路徑上的頂端回波加強(qiáng)明顯。10時30分中尺度對流系統(tǒng)的頂端有所減弱，但在對流系統(tǒng)的西偏南側(cè)不斷有尺度10～20 km的γ對流系統(tǒng)生成，并緩慢向東偏北移動補(bǔ)充原來的β中尺度對流系統(tǒng)，使β中尺度對流系統(tǒng)維持發(fā)展，并影響暴雨區(qū)，可以看到本次暴雨的雷達(dá)回波具有明顯的后向傳播性和列車降水效應(yīng)。到了12時30分，β中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展到最強(qiáng)，最大回波強(qiáng)度達(dá)70 dBz，半小時后回波開始緩慢減弱，并向東北方向緩慢移動，16時江門—陽江一帶降水開始明顯減弱消散，17時后降水基本結(jié)束(圖6c)。整個過程，回波大值區(qū)都位于江門、陽江沿海地區(qū)，其余地區(qū)基本為層云性降水。過圖6b中AB處作線狀雷暴垂直結(jié)構(gòu)圖(圖6d)，通過分析發(fā)現(xiàn)，線狀雷暴的垂直發(fā)展高度基本在10 km以下，同時回波主體質(zhì)心大部分在5 km以下，最高延伸到8 km左右，且回波質(zhì)心強(qiáng)度大部分在45 dBz以上，是以積狀云為主的混合性降水回波，具有效率高，時間長的特征。

圖6 陽江雷達(dá)2016年5月28日08時(a)、12時30分(b)、17時(c)組合反射率因子圖以及12時30分AB處的線狀雷暴垂直結(jié)構(gòu)圖(d)

2.5 中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制

在有利的天氣環(huán)境條件下，每個暴雨過程往往還需要一定的觸發(fā)條件，如低層中尺度輻合抬升、高低空急流抬升、鋒面抬升等[14]。在暴雨發(fā)生前，5月27日20時海岸線一帶以西南風(fēng)為主，平均風(fēng)速維持在5～6級左右，隨著熱帶低壓的減弱消散，28日03時海岸線一帶風(fēng)速已降至1～2級，整個風(fēng)場都以西南到南風(fēng)為主。05時海岸線一帶西南風(fēng)開始逐漸增大，并在其北推的過程中與江門中部陸地上的靜風(fēng)或弱的東北風(fēng)逐漸形成風(fēng)向和風(fēng)速的輻合，06—07時在江門沿海一帶形成了一條中尺度輻合線(圖7a)，此時輻合線兩側(cè)的地面氣溫相差2 ℃左右(圖7e)，南側(cè)多為大于4 m·s-1偏南風(fēng)，北側(cè)風(fēng)速很小，在輻合線南側(cè)有較強(qiáng)風(fēng)速的輻合，此時在輻合線南側(cè)開始出現(xiàn)初始對流云團(tuán)，并隨著西南風(fēng)的北推，對流云團(tuán)移到輻合線附近處時得到發(fā)展和增強(qiáng)，1 h后在輻合線附近出現(xiàn)20～30 mm·h-1的降水(圖7a)。此后隨著對流云團(tuán)發(fā)展進(jìn)入成熟階段，輻合線附近區(qū)域受降水冷卻的作用影響，氣溫下降至25 ℃左右，而在輻合線以南海岸線一帶氣溫略有上升到29 ℃左右，兩區(qū)域間的溫差增加到4 ℃左右(圖3f)，這種較大的地面溫差梯度利于降水的維持和加強(qiáng)，08時后輻合線附近逐漸出現(xiàn)40～50 mm·h-1的降水，此后輻合線南側(cè)一直有新的對流單體生成發(fā)展并逐漸東北抬，形成對流后向傳播和列車效應(yīng)，導(dǎo)致了這場強(qiáng)降水的發(fā)生。在強(qiáng)降水期間，中尺度輻合線一直穩(wěn)定少動停滯在關(guān)鍵區(qū)域，直到14時后輻合線才逐漸減弱消失，對應(yīng)的降水也開始逐漸減弱消散(圖7b～7d)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降水落區(qū)與中尺度輻合線均有較好的對應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降水隨著中尺度輻合線的生成而發(fā)生，且強(qiáng)降水中心出現(xiàn)在中尺度輻合線附近，可見，在這次天氣過程中中尺度輻合線對不穩(wěn)定能量的釋放發(fā)揮了重要作用，為對流風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展提供了較好的抬升觸發(fā)條件。

另外，地形的抬升作用也是觸發(fā)此次暴雨的重要條件。由圖7g可見，陽江到江門一帶是北高南低的地形,在22°N、112.5°E附近存在著一明顯的比東西兩邊矮的缺口，這就是典型的喇叭口地形，暴雨強(qiáng)中心落區(qū)剛好在22°N、112.5°E附近。當(dāng)沿海西南暖濕氣流從海邊北上時，由于北邊高山的阻擋，西南暖濕氣流大部分進(jìn)入了江門恩平到江門臺山一帶，由于喇叭口效應(yīng)和迎風(fēng)坡的作用導(dǎo)致氣流強(qiáng)迫抬升，同時由于山頂高空輻散，氣柱形成強(qiáng)烈的抽吸作用，抬升與抽吸相結(jié)合形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，從而有利于充沛水汽垂直輸送，降水得到增強(qiáng)。而當(dāng)氣流在經(jīng)過江門西南部高低不平的山地時，因其摩擦作用而產(chǎn)生的湍流上升也會加強(qiáng)降水。此外，迎風(fēng)坡能使慣性重力波在爬坡的擾動振幅增大，也能使降水得到加強(qiáng)。

圖7 2016年5月28日07、09、11、14時(a、b、c、d)江門市區(qū)域自動站風(fēng)場和其后1 h累積雨量(單位: mm)分布(陰影區(qū)為降水區(qū)；紅線所指為地面輻合線),(e、f)為28日07、09時江門市區(qū)域自動站氣溫距平，(g)為21～24°N，110～114°E三維地形圖

3 結(jié)果與討論

①此次暴雨過程發(fā)生在季風(fēng)槽西南急流中，西南急流為暴雨提供了不穩(wěn)定能量，500 hPa中高緯為一槽一脊的形勢，槽后有冷空氣南下，588 m等高線在暴雨落區(qū)邊緣徘徊。925 hPa上在廣東中北部有一切變線維持，暴雨落區(qū)的西邊存在著明顯的風(fēng)向和風(fēng)速的輻合，這些環(huán)流形勢都利于暴雨的發(fā)生。

②分析物理量場發(fā)現(xiàn)，暴雨發(fā)生前本地上空水汽含量比較充足，水汽輻合明顯，近地層位勢不穩(wěn)定，對暴雨的生成有利。垂直螺旋度值達(dá)到20×10-6hPa·s-2，有利于強(qiáng)對流系統(tǒng)生成、發(fā)展和維持，表明本次降雨的動力條件顯著。

③分析β中尺度對流系統(tǒng)表明，MCS(b)和 MCS(c)是造成此次降水的主要系統(tǒng)，兩者同時生成后，迅速合并和加強(qiáng)，并維持在原地少動。分析雷達(dá)資料表明，此次強(qiáng)降水具有明顯的后向傳播性和列車效應(yīng)，雷達(dá)回波性質(zhì)是以積狀云為主的混合性降水回波，該類回波具有效率高，時間長的特征。

④分析區(qū)域自動站地面資料特征表明，沿海中尺度輻合線上不斷激發(fā)新對流云團(tuán)和輻合線南北兩側(cè)較大的溫差梯度，對強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展提供了較好的抬升觸發(fā)條件，同時江門和陽江沿海的“喇叭口”地形使得對流加強(qiáng)，是造成此次致災(zāi)暴雨的重要原因之一。