冼星河，張 瑋，陳楚夢(mèng)

(廣東省東莞市氣象局，廣東 東莞 523000)

引言

華南前汛期(4—6 月)期間，冷空氣減弱，西南季風(fēng)逐漸加強(qiáng)，常出現(xiàn)暴雨甚至大暴雨，往往造成一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人員安全影響。研究暴雨的發(fā)生發(fā)展規(guī)律至關(guān)重要，我國(guó)的氣象工作人員對(duì)此做了大量的研究工作［1-7］。張勁梅［4］等人研究東莞大暴雨形勢(shì)，發(fā)現(xiàn)淺薄冷空氣的觸發(fā)是關(guān)鍵，在充足的水汽條件下可觸發(fā)大暴雨；黃巾旗［6］認(rèn)為地面輻合線及強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)對(duì)暴雨有觸發(fā)作用；鄒德龍［7］和周芯玉［8］利用風(fēng)廓線雷達(dá)研究強(qiáng)降水，表明垂直風(fēng)切變和低空急流對(duì)其發(fā)生發(fā)展具有指示作用；蔡奕萍［9］發(fā)現(xiàn)東莞多通道微波輻射計(jì)中的綜合水汽含量和對(duì)流有效位能在強(qiáng)降水發(fā)生前會(huì)出現(xiàn)激增現(xiàn)象。東莞每年前汛期發(fā)生大暴雨的次數(shù)雖然僅有幾次，特別是全市性范圍的大暴雨次數(shù)罕見，但分析前汛期大暴雨發(fā)生的環(huán)流特征，并利用各種監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行短臨監(jiān)測(cè)，是日常預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)的重要工作。嘗試分析發(fā)生在2019 年6 月10 日龍舟水期間的一次全市性大暴雨過(guò)程的新型觀測(cè)設(shè)備提供的高分辨率資料變化特征，提煉新型觀測(cè)設(shè)備資料綜合應(yīng)用指標(biāo)，為前汛期東莞大暴雨的短期和短臨預(yù)報(bào)提供一些參考。

1 資料

使用的資料包括常規(guī)氣象觀測(cè)資料、區(qū)域自動(dòng)氣象站資料、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)資料。

2 大暴雨過(guò)程特點(diǎn)

2019 年6 月10 日，東莞出現(xiàn)一輪大暴雨過(guò)程，為該年度最強(qiáng)降雨過(guò)程，10 日08 時(shí)至11 日08 時(shí)共17 個(gè)鎮(zhèn)(街)的29 個(gè)站點(diǎn)錄得超過(guò)100mm 降水，最大為寮步鎮(zhèn)146.8mm，40 個(gè)站點(diǎn)小時(shí)雨強(qiáng)大于50mm，最大為大朗鎮(zhèn)95.2mm。降水集中高效，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3.5h，伴有大范圍8 級(jí)大風(fēng)。

3 大暴雨形成的天氣形勢(shì)背景分析

3.1 大尺度環(huán)流特征

6 月10 日08 時(shí)，華南處于南亞高壓東側(cè)扇形輻散區(qū)，有利于高空抽吸輻散，500hPa 高空槽東南壓影響粵東北，850hPa 切變線位于兩廣以北，印度-南海西南季風(fēng)建立，低層有暖脊自北部灣北伸至珠江口，地面有淺薄冷空氣自粵東北沿著粵中東部入侵，是一次季風(fēng)北涌及弱冷空氣共同觸發(fā)的大暴雨，冷空氣入侵后，降水停止。

3.2 水汽條件及穩(wěn)定度條件分析

選擇東莞上游100km 左右清遠(yuǎn)站的10 日08時(shí)探空資料，用東莞11 時(shí)(強(qiáng)天氣12 時(shí)發(fā)生)的地面溫度、露點(diǎn)溫度替換08 時(shí)探空數(shù)據(jù)，得到發(fā)生強(qiáng)天氣前的探空曲線。對(duì)比9 日20 時(shí)發(fā)現(xiàn)，10 日08時(shí)地面到850hPa 的溫度露點(diǎn)差減小，至08 時(shí)均小于4℃，925hPa 以下比濕有2g·kg-1左右的增幅，顯示低層水汽條件變好，為大暴雨提供充足水汽條件。抬升凝結(jié)高度(979.6hPa)、對(duì)流凝結(jié)高度(969hPa)和自由對(duì)流高度(959.6hPa)均較低，接近地面。6 日起，華南連續(xù)一周最高氣溫33℃以上，積累大量不穩(wěn)定能量，對(duì)流有效位能(3199.2J·kg-1)和K 指數(shù)(40℃)高，這些都表明10 日清遠(yuǎn)及周邊處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦有弱的觸發(fā)條件，強(qiáng)天氣就會(huì)發(fā)生。

4 強(qiáng)降水的觸發(fā)及維持機(jī)制

利用新型地面自動(dòng)站資料繪制地面流場(chǎng)、散度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及溫度平流場(chǎng)。6 月10 日11—13 時(shí)，弱冷空氣從粵北自增城滲透南壓，形成25℃冷中心(圖1a)，觸發(fā)零散降水回波，雨滴沖擊地面形成輻散的偏北風(fēng)場(chǎng)，與珠江口的西南風(fēng)在白云及東莞北對(duì)峙，形成中尺度輻合線，降水后側(cè)冷池維持，與白云的34℃暖中心及東莞北32℃的暖中心構(gòu)成強(qiáng)水平溫度梯度，降水發(fā)生在輻合線及溫度梯度密集帶；14 時(shí)，白云區(qū)的溫度梯度最大，冷暖中心差8℃，觸發(fā)新降雨回波(圖1b)；15—16 時(shí)，降雨回波沿著水平溫度梯度密集帶東南移動(dòng)影響東莞，第一波降雨觸發(fā)，錄得50～70mm 的雨量。

6 月10 日16 時(shí)，一颮線東移至佛山，后側(cè)有-20k·s-1的冷平流，溫度梯度8℃·(50km)-1，強(qiáng)降水出現(xiàn)在溫度梯度最大處，冷池驅(qū)動(dòng)其向東南移動(dòng)(圖1c)；雷達(dá)顯示颮線與影響東莞的降雨回波并未相連，但在地面上，兩者的中尺度輻合線及溫度梯度密集區(qū)已經(jīng)合并，呈“人字形”分布，東莞為三支氣流匯合區(qū)，輻合強(qiáng)度-6×10-5s-1(圖1d)；17 時(shí)，輻合線東移影響東莞，冷暖平流對(duì)峙激烈，溫度平流-15k·s-1，颮線的溫度平流-20k·s-1，雷達(dá)圖顯示(圖略)該“人字形”流場(chǎng)對(duì)應(yīng)颮線及東莞強(qiáng)降雨中心，東莞觸發(fā)第二波降雨，小時(shí)雨量為88.6mm。兩條輻合線的“碰撞”現(xiàn)象，有利于觸發(fā)新對(duì)流［6］，在交匯附近區(qū)域新生的對(duì)流單體使后續(xù)降水強(qiáng)度繼續(xù)維持和發(fā)展。

圖1 6 月10 日12 時(shí)(a)及14 時(shí)(b)地面溫度場(chǎng)及溫度平流場(chǎng)(填色，k·s-1)，16 時(shí)地面流場(chǎng)、散度場(chǎng)(c)(10－5·s-1)、地面溫度(t)、溫度平流場(chǎng)(d)

5 風(fēng)廓線雷達(dá)特征

5.1 低空急流和超低空急流與強(qiáng)降水的演變特征

低空急流和超低空急流被認(rèn)為是強(qiáng)降雨形成及維持的條件。由于東莞無(wú)風(fēng)廓線雷達(dá)，故以40km 外的增城站為參考。由圖2 可知，10 日01 時(shí)至10 時(shí)，850hpa 有低空急流，波動(dòng)上升，925hPa 未達(dá)急流強(qiáng)度，波動(dòng)下降，10 時(shí)，850hPa 低空急流達(dá)峰值19.5m·s-1，925hPa 風(fēng)速達(dá)最小值6.2m·s-1，增城降水開始，但小時(shí)雨強(qiáng)不足5mm；此后850hPa 低空急流迅速減弱，925hPa 風(fēng)速波動(dòng)增強(qiáng)，后者11 時(shí)達(dá)急流強(qiáng)度，11—12 時(shí)增城降水持續(xù)，小時(shí)雨強(qiáng)仍不足10mm；13 時(shí)，850hPa 風(fēng)速減弱至6.7m·s-1，925hPa風(fēng)速達(dá)峰值15.4m·s-1，增城出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)24.2mm降水；14—17 時(shí)降水減弱，雨強(qiáng)不足5mm，850hPa及925hPa 風(fēng)速維持急流強(qiáng)度以下。兩者在強(qiáng)降水開始前，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，前者在降水開始前最強(qiáng)，在強(qiáng)降水開始前最弱，后者則相反，當(dāng)強(qiáng)降水結(jié)束后，兩者的變化趨勢(shì)一致；850hPa 低空急流在強(qiáng)降水開始2h 前強(qiáng)度最大，維持6h 以上，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的低空急流意味著強(qiáng)降水的出現(xiàn)，此后動(dòng)量下傳，使低層風(fēng)速增強(qiáng)，超低空急流建立和增強(qiáng)，引起低空擾動(dòng)加強(qiáng)，低層垂直風(fēng)切變加強(qiáng)，為暴雨提供有利的動(dòng)力條件。925hPa 風(fēng)速在強(qiáng)降水發(fā)生2h 開始增大，數(shù)值躍升時(shí)，強(qiáng)降水出現(xiàn)。850hPa 低空急流變化特征與王彥［10］等研究結(jié)論基本一致，其在強(qiáng)降水開始前高度下降的特征則與周芯玉等［8］研究結(jié)論一致。

圖2 6 月10 日06 時(shí)至11 日22 時(shí)增城風(fēng)廓線雷達(dá)850hPa、925hPa 風(fēng)速(m·s-1)及東莞小時(shí)雨強(qiáng)(mm)隨時(shí)間(h)變化

5.2 垂直風(fēng)切變與強(qiáng)降水的演變特征

應(yīng)用風(fēng)廓線雷達(dá)資料計(jì)算相對(duì)地面的0～3km及0～6km 的垂直風(fēng)切變(圖3)，分析強(qiáng)降水發(fā)生前的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)特征。10 時(shí)降雨開始前，0～3km 風(fēng)切變波動(dòng)上漲，到10 時(shí)達(dá)峰值18m·s-1，0～6km 在10 時(shí)達(dá)峰值25.7m·s-1；10—12 時(shí)增城小雨，0～3km 風(fēng)切變減弱，0～6km 風(fēng)切變?cè)?1 時(shí)減弱后激增，到13 時(shí)增城強(qiáng)降水時(shí)，前者穩(wěn)定在低值，而后者達(dá)到小峰值14.9m·s-1，強(qiáng)的垂直風(fēng)切變可以使上升氣流傾斜，減少降水粒子的拖曳作用，亦加強(qiáng)中層干冷空氣的卷入，使下沉氣流和低層冷空氣外流增強(qiáng)，迫使流入的暖濕氣流強(qiáng)烈抬升，在降雨開始前低空垂直風(fēng)切變達(dá)中等強(qiáng)度，滿足對(duì)流風(fēng)暴維持、發(fā)展的環(huán)境風(fēng)條件，在強(qiáng)降雨開始前2h 達(dá)峰值，對(duì)強(qiáng)降雨的發(fā)生發(fā)展有指示作用。

圖3 6 月10 日06 時(shí)至11 日22 時(shí)增城風(fēng)廓線雷達(dá)0～3km(m)、0～6km(m)及東莞小時(shí)雨強(qiáng)(mm)隨時(shí)間(h)變化

6 微波輻射計(jì)特征

6.1 綜合水汽含量演變特征

多通道微波輻射計(jì)已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，并取得顯著的效果［11-14］。本節(jié)從對(duì)流有效位能(CAPE)及綜合水汽含量IWV 兩方面分析。10 日東莞站共出現(xiàn)4 次降雨：第一次12 時(shí)20 分，小陣雨；第二次13時(shí)35 分，小陣雨；第三次14 時(shí)45 分，小陣雨持續(xù)至第四次15 時(shí)40 分，累計(jì)大雨。

綜合水汽含量(IWV)表示單位面積上的水汽質(zhì)量，直觀反映大氣中水汽狀態(tài)。降水開始前，大氣水汽含量明顯波動(dòng)，云液態(tài)水含量明顯增加，對(duì)降水發(fā)生有指示意義，可用于判斷云系是否處于降水產(chǎn)生階段，對(duì)暴雨的監(jiān)測(cè)十分有利。分析發(fā)現(xiàn)(圖4)，10日的IWV 充沛，峰值87.1kg·m-2，屬于較為極端的水汽條件［15］。IWV 在首次降水開始前2h 小幅增大，在20min 前迅速增大，增幅14kg·m-2，降水發(fā)生在IWV 快速增長(zhǎng)的波峰上。此后三次降雨前IWV 均下降，但維持高值狀態(tài)，這是由于在降水結(jié)束后出現(xiàn)天線附著水及空氣濕度大等問(wèn)題，易導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，這種影響完全消除需要4～6h 的時(shí)間［16］，過(guò)程4 次降雨相隔均小于4h，可判斷為同一次過(guò)程，所以微波輻射計(jì)的綜合水汽含量指數(shù)僅對(duì)首次降雨有指示作用，提前20min 的數(shù)值增長(zhǎng)具有參考性，與蔡奕萍等［9］研究的結(jié)論相似。

圖4 10 日東莞國(guó)家基本站微波輻射計(jì)IWV 值日變化

6.2 有效位能演變特征

對(duì)流有效位能CAPE 表征大氣穩(wěn)定度，反映不穩(wěn)定潛勢(shì)能量的大小，數(shù)值越大代表強(qiáng)對(duì)流越容易發(fā)展。分析東莞10 日CAPE 值隨時(shí)間演變特征(圖5)，08 時(shí)從最低1140J·kg-1持續(xù)上漲，能量聚集，臨近降雨前15min 達(dá)峰值2300J·kg-1，增幅1000J·kg-1，此后急劇下降，降水出現(xiàn)，表明對(duì)流發(fā)生前能量有部分釋放，降水結(jié)束后迅速回落至較低水平，能量大量釋放，第2 至4 次的降水均有上述現(xiàn)象，CAPE 值提前15～25min 出現(xiàn)峰值。4 次雷雨前，其峰值基本都高于2000J·kg-1，屬中等偏強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定，較強(qiáng)的CAPE 值有利于氣塊加速通過(guò)暖云層，降水歷時(shí)短而急，與10 日小時(shí)雨強(qiáng)大并伴有大風(fēng)的特點(diǎn)吻合，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水及強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生有指示作用。

圖5 10 日東莞國(guó)家基本站微波輻射計(jì)CAPE 值日變化

7 結(jié)論

(1) 大暴雨發(fā)生在前期高溫、高層強(qiáng)輻散形勢(shì)中，低層有西南風(fēng)急流，水汽充沛，利于出現(xiàn)強(qiáng)降水，低層淺薄冷空氣入侵激發(fā)前期不穩(wěn)定能量，東莞出現(xiàn)大暴雨及短時(shí)大風(fēng)。

(2) 弱冷空氣觸發(fā)降水，雷雨的偏北出流與珠江口的西南風(fēng)對(duì)峙形成中尺度輻合線，冷池驅(qū)動(dòng)第一波降水；颮線與地面輻合線合并，冷暖平流對(duì)峙，交匯區(qū)新生的對(duì)流單體使后續(xù)降水強(qiáng)度維持和發(fā)展，東莞觸發(fā)第二波降雨。

(3) 風(fēng)廓線雷達(dá)分析發(fā)現(xiàn)850hPa 低空急流在強(qiáng)降水開始2h 前最強(qiáng)，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的低空急流意味著強(qiáng)降水的出現(xiàn)，925hPa 風(fēng)速在強(qiáng)降水發(fā)生2h 開始增大，數(shù)值躍升時(shí)，強(qiáng)降水出現(xiàn)；低層垂直風(fēng)切變?cè)趶?qiáng)降雨開始前2h 達(dá)峰值，滿足對(duì)流風(fēng)暴維持、發(fā)展的環(huán)境風(fēng)條件，對(duì)強(qiáng)降雨的發(fā)生發(fā)展有指示作用；

(4) 微波輻射計(jì)的綜合水汽含量指數(shù)僅對(duì)首次降雨有指示作用，提前20min 的數(shù)值增長(zhǎng)具有參考性；CAPE 值提前15～25min 出現(xiàn)峰值，其峰值基本高于2000J·kg-1，屬中等偏強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定，對(duì)強(qiáng)天氣的發(fā)生有指示作用。