李華實(shí)，馬 智，黃秋豐，陸小曉，農(nóng)明哲

（崇左市氣象局，廣西 崇左 532200）

極端性天氣的頻繁出現(xiàn)，尤其極端性強(qiáng)降水時(shí)有發(fā)生，其引發(fā)次生災(zāi)害如洪澇、山體滑坡、泥石流等給人民群眾造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，極端強(qiáng)降水預(yù)報(bào)一直是氣象工作者研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。2018 年IPPC 特別報(bào)告［1］指出，近年來全球升溫，極端天氣、海平面上升、北極海冰減少以及其他變化，造成的自然災(zāi)害異常嚴(yán)重，如果全球繼續(xù)升溫1.5℃，極端天氣更加頻繁，造成的自然災(zāi)害異常嚴(yán)重。諶蕓和孫軍等［2-3］對(duì)北京“7·21”特大暴雨進(jìn)行極端性分析，認(rèn)為在華北地形作用下暖區(qū)和鋒面降水得到增幅，干冷空氣的侵入使得對(duì)流云團(tuán)發(fā)展更強(qiáng)烈，并探討極端性降水的短期和短臨預(yù)報(bào)思路。Jones［4］從東西風(fēng)異常和MJO 等角度，對(duì)加利福尼亞的極端降水進(jìn)行探討。董顏等［5］從多模式可預(yù)報(bào)性對(duì)西南地區(qū)強(qiáng)降雨評(píng)估，為預(yù)報(bào)模式的解析應(yīng)用和改進(jìn)提供參考；季曉東和漆梁波［6］則通過評(píng)估歐洲中心模式降水與EFI 指數(shù)，得出兩者在不同預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)暴雨的預(yù)報(bào)效果；吳瓊等［7］利用數(shù)值模擬分析地形重力波拖曳對(duì)降水的增幅作用。張萍萍等［8］從氣象因子極端性等方面對(duì)湖北梅雨期極端降水進(jìn)行特征分析，給出極端強(qiáng)降雨的概念模型以及相應(yīng)氣象因子異常度的閾值。在雷達(dá)同化技術(shù)方面，邱學(xué)興等［9］利用EnKF 循環(huán)同化雷達(dá)徑向速度資料，在一定程度上能模擬出深厚對(duì)流系統(tǒng)，對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)可以較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。王東海等［10］應(yīng)用切變風(fēng)和熱成風(fēng)的螺旋度在東北冷渦強(qiáng)降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，計(jì)算簡化，效果優(yōu)于傳統(tǒng)螺旋度。

上述研究從不同角度探討了強(qiáng)降雨尤其極端性強(qiáng)降雨的特征及其可預(yù)報(bào)性，對(duì)我們的預(yù)警預(yù)報(bào)提供了思路。然而，不同地區(qū)不同天氣形勢下的極端性強(qiáng)降雨觸發(fā)機(jī)制和特征也不盡相同，本文擬綜合利用常規(guī)資料、ERA5 逐小時(shí)再分析資料（水平分辨率0.25°×0.25°）等，探究強(qiáng)雷雨云團(tuán)發(fā)展的環(huán)流特征和物理環(huán)境場以及局地環(huán)流與地形作用，以及廣西崇左北部“5·28”極端強(qiáng)降水中尺度成因，為今后極端強(qiáng)降雨短期以及短時(shí)臨近預(yù)報(bào)提供一定的參考價(jià)值。

1 降水概況及影響

2019 年5 月26 日20 時(shí)至29 日20 時(shí)（北京時(shí)間BJT，下文同），崇左市出現(xiàn)一次強(qiáng)度大、強(qiáng)降雨落區(qū)集中的暴雨、局部特大暴雨的天氣過程，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在崇左市北部天等、大新兩縣，降雨量超過250mm 的有11 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，100～249.9mm 的有17 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，50～99.9mm 的有13 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，25～49.9mm 的有20個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，最大降雨出現(xiàn)在天等縣龍茗鎮(zhèn)龍英村為449.5mm（圖1）。

圖1 2019 年5 月26 日20 時(shí)—29 日20 時(shí)崇左市降雨量（色斑）和地形高度（陰影）

此次天氣過程特點(diǎn)：一是降雨強(qiáng)度大且強(qiáng)降雨落區(qū)集中，暴雨、大暴雨區(qū)集中在崇左市北部較高海拔的天等、大新兩縣，其中28 日天等站日降水量為266.2mm，為建站以來的歷史極大值，而南部主要以中到大雨為主。二是強(qiáng)降雨時(shí)段性明顯，最強(qiáng)降雨集中時(shí)段為28 日04 時(shí)到07 時(shí)，最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在小山鄉(xiāng)86.2mm。

2 環(huán)流形勢背景

不少研究已表明［11-14］中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的生消離不開大尺度環(huán)流天氣的制約與激發(fā)，對(duì)其環(huán)流形勢背景的分析有助于了解中尺度系統(tǒng)發(fā)展的有利背景。

2019年5月27日08∶00，200hPa南亞高壓強(qiáng)盛，環(huán)流清晰，廣西位于其反氣旋環(huán)流中心區(qū)域，高層輻散明顯，抽吸作用強(qiáng)勁［3］，有利于較長時(shí)間的垂直上升運(yùn)動(dòng)。500hPa 歐亞大陸中高緯地區(qū)為“兩槽兩脊”環(huán)流形勢，東部的東亞大槽分裂南下的高空槽影響中低緯度廣西，副高西北部邊緣高能量不穩(wěn)定區(qū)域影響廣西。中低層700hPa 和850hPa 低渦緩慢南壓至湘黔桂交界處，急流位于桂西南一帶往桂西北輸送暖濕水汽，且在桂西南一帶有明顯的氣旋性彎曲。此外，近地面層925hPa 輻合線南壓至桂北一線，在越南北部與廣西西南交界處，開始形成低渦環(huán)流系統(tǒng)，且強(qiáng)度在加強(qiáng)，并向東發(fā)展，這是強(qiáng)降水在崇左北部維持的主要原因之一。配合地面暖低壓發(fā)展，有利于倒槽鋒生，使地面中尺度輻合中心生成并長時(shí)間維持，觸發(fā)激烈對(duì)流。

3 中尺度環(huán)境場以及物理量分析

3.1 垂直不穩(wěn)定條件、對(duì)流參數(shù)以及能量分析

表1 表示27 日20 時(shí)百色和南寧探空站對(duì)流參數(shù)?？梢钥闯?，桂西南濕層較厚，抬升凝結(jié)高度LCL較低，且低層幾乎接近飽和，南寧站上空700～600hPa 有弱的干層，南寧探空850hPa 和500hPa 垂直溫差較百色大，增強(qiáng)區(qū)域?qū)α鞑环€(wěn)定性，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水十分有利。百色和南寧探空站K 指數(shù)分別為36℃和35℃，說明桂西南具有強(qiáng)的對(duì)流潛勢。同時(shí)，桂西南0～6km 垂直風(fēng)切變較小，利于極端短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生和發(fā)展。由于27 日20 時(shí)百色南部的極端強(qiáng)降水已經(jīng)發(fā)生，因此百色探空站CAPE（414.2J·kg-1）較小，但南寧探空站CAPE（1224.3J·kg-1）仍然較大，兩站的CIN 值較小，非常有利于桂西南強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)和維持。

表1 2019 年5 月27 日20 時(shí)對(duì)流參數(shù)

支樹林等［15］研究結(jié)果印證了暖云降水的微物理理論，即暖云層越厚，降水效率越高，而暖云層厚度取決于抬升凝結(jié)高度LCL 與0℃層高度之間的垂直厚度。從百色探空站資料可以分析，26 日至27 日百色抬升凝結(jié)日平均高度（08 和20 時(shí)平均，下同）從888.0hPa 大幅降到951.5hPa，而日平均0℃層高度則從5280.6m 較大幅度上升到5404.8m，數(shù)據(jù)表明，27 日夜間至28 日凌晨，暖云層厚度明顯增加，配合地面長時(shí)間維持的低層低渦以及地面中尺度輻合中心，高的暖云降水效率是造成28 日凌晨開始崇左北部出現(xiàn)極端強(qiáng)降水的重要原因之一。

壽紹文等［12］和梁紅麗等［16］指出大氣層結(jié)不穩(wěn)定條件產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣重要因素之一，而假相當(dāng)位溫（θse）能夠綜合表征大氣中能量與水汽條件，通過研究其水平和垂直分布可以定性判斷能量分布和大氣穩(wěn)定度狀態(tài)。從28 日02 時(shí)850hPa 假相當(dāng)位溫場θse來看［7-8］（圖2a），廣西均處于高能量區(qū)，不穩(wěn)定能量較之前有所增大，桂西的不穩(wěn)定層結(jié)條件趨于最佳狀態(tài)。28 日05 時(shí)沿108°E 降水中心經(jīng)向-高度剖面（圖2b）顯示，強(qiáng)降雨中心處于強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，低層等假相當(dāng)位溫線密集，呈現(xiàn)出明顯的能量鋒，主要位于22°～24°N，鋒區(qū)隨高度上升向北傾斜，暖濕氣流沿傾斜的鋒面爬升，冷暖空氣劇烈交綏，發(fā)生強(qiáng)烈降水。

圖2 （a）2019 年05 月28 日02 時(shí)850 百帕假相當(dāng)位溫（單位：K）（紫色為廣西區(qū)域）和（b）05 時(shí)沿108°E 強(qiáng)降水中心的經(jīng)向－高度剖面

3.2 中尺度動(dòng)力分析

鋒生函數(shù)是由水平運(yùn)動(dòng)項(xiàng)、垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)、非絕熱變化項(xiàng)和摩擦等因素對(duì)鋒生作用的物理量，表征鋒區(qū)生消。由于非絕熱變化項(xiàng)和摩擦作用項(xiàng)計(jì)算復(fù)雜［16］，本文以θse為熱力參數(shù)從動(dòng)力（水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)）角度進(jìn)行鋒生函數(shù)F 的簡化，并定義桂西區(qū)域?yàn)椋?05°～108°E，22°～24°N）：

從圖3a 可知，28 日05 時(shí)強(qiáng)鋒生仍位于崇左北部，與低層切變和地面中尺度輻合中心長時(shí)間維持對(duì)應(yīng)一致；從圖3b 顯示，桂西強(qiáng)動(dòng)力鋒生起初位于875～600hPa，高度較高，持續(xù)性強(qiáng)降水尚未發(fā)生；27 日20 時(shí)左右，強(qiáng)鋒生高度迅速降低發(fā)展至地面，強(qiáng)鋒生維持時(shí)間較長（27 日20 時(shí)—28 日11 時(shí)左右），最強(qiáng)鋒生與強(qiáng)降水時(shí)段對(duì)應(yīng)一致，說明鋒生函數(shù)與強(qiáng)降水有較好的指示作用，對(duì)今后預(yù)報(bào)具有參考意義。

圖3 （a）28 日05 時(shí)850hPa 鋒生及925hPa 風(fēng)場；（b）桂西鋒生函數(shù)時(shí)間－高度剖面

從28 日02 時(shí)800～200hPa 垂直風(fēng)切可知，整個(gè)桂西地區(qū)處于弱切變區(qū)，甚至由于低層急流存在，南寧到崇左一帶出現(xiàn)負(fù)垂直風(fēng)切變。弱的垂直風(fēng)切變，有利于強(qiáng)降雨系統(tǒng)的維持，利于暖云降水的發(fā)展，正如前文所言，高效率的暖云降水又加強(qiáng)了降雨。

3.3 水汽條件分析

壽紹文等［12］和楊志軍等［17］研究表明極端性強(qiáng)降水的產(chǎn)生需要源源不斷的水汽補(bǔ)充，尤其是低層水汽的輸送或輻合。從850hPa 水汽通量和風(fēng)場來看（圖4），27 日23 時(shí)—28 日08 時(shí)桂西低渦環(huán)流明顯且長時(shí)間維持，移動(dòng)緩慢。850hPa 水汽來源主要有兩支，一支來自孟加拉灣（偏南氣流），另一支來自南海（東南氣流），兩支水汽在桂西一帶長時(shí)間交匯，配合低渦環(huán)流呈現(xiàn)較明顯的水汽輻合［14］，與崇左市北部的極端強(qiáng)降水區(qū)較吻合。因此，強(qiáng)的水汽輻合以及偏南和東南氣流源源不斷的補(bǔ)充是此次極端降水的主要原因之一。

圖4 850hPa 水汽通量和風(fēng)場

4 局地環(huán)流與地形對(duì)降水作用探討

不少研究［18-21］已表明地形對(duì)降水有重要影響，由于地形對(duì)暖濕氣流的阻擋使其被迫抬升而降溫，凝結(jié)成更多水滴乃至雨滴，因此在迎風(fēng)坡面降水增幅較明顯，本小節(jié)擬對(duì)局地環(huán)流與地形對(duì)降水作用進(jìn)行探究分析。

從邊界層925hPa 流場的分布圖（略）可以探討低層偏南和東南風(fēng)與地形的作用。從分布圖可知，強(qiáng)降水中心的天等地處云貴高原東南緣，其海拔相較崇左市中部、南寧市東部高，925hPa 低渦環(huán)流長時(shí)間維持且移動(dòng)緩慢，在這有利的天氣尺度輻合上升運(yùn)動(dòng)背景下，低渦東南側(cè)的偏南氣流和東南氣流在崇左北部較高海拔地區(qū)系統(tǒng)性爬升，降水效率得到明顯提高；而由于缺乏輻合條件，偏南氣流爬升崇左南部的較高海拔地區(qū)后繼續(xù)往北輸送水汽，因此崇左南部較高海拔地區(qū)并未出現(xiàn)強(qiáng)降水。這在一定程度上說明局地環(huán)流與地形合理配置，才能產(chǎn)生高效率的降水增幅，局地環(huán)流與地形作用是強(qiáng)降水產(chǎn)生的重要原因之一。

5 結(jié)論

（1）200hPa 南亞高壓強(qiáng)盛，穩(wěn)定維持?jǐn)?shù)日，廣西位于其反氣旋環(huán)流中心區(qū)域，高層輻散明顯，抽吸作用強(qiáng)勁，有利于較長時(shí)間的垂直上升運(yùn)動(dòng)。500hPa東亞大槽分裂南下的高空槽影響中低緯度的廣西，副高西北部邊緣高能量不穩(wěn)定區(qū)域影響廣西。中低層700hPa 和850hPa 低渦緩慢南壓至湘黔桂交界處，急流位于桂西南一帶往桂西北輸送暖濕水汽，且在桂西南一帶有明顯的氣旋性彎曲。此外，近地面層925hPa 輻合線南壓至桂北一線，在越南北部與廣西西南交界處，開始形成低渦環(huán)流系統(tǒng)，且強(qiáng)度在加強(qiáng)，并向東發(fā)展，是強(qiáng)降水在崇左北部維持的主要原因之一。配合地面暖低壓發(fā)展，有利于倒槽鋒生，使地面中尺度輻合中心生成并長時(shí)間維持，觸發(fā)激烈對(duì)流。

（2）桂西南濕層較厚，抬升凝結(jié)高度LCL 較低，700～600hPa 有較明顯的弱冷空氣的干侵入，850hPa 和500hPa 垂直溫差大，增強(qiáng)區(qū)域?qū)α鞑环€(wěn)定性，0～6km 垂直風(fēng)切變較小，CAPE 仍然較大，非常有利于桂西南強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)和維持。

（3）27 日夜間至28 日凌晨，暖云層厚度明顯增加，配合地面長時(shí)間維持的低層低渦以及地面中尺度輻合中心，高的暖云降水效率是造成28 日凌晨到上午崇左北部出現(xiàn)極端強(qiáng)降水的重要原因之一。整個(gè)桂西地區(qū)處于弱切變區(qū)，甚至由于低層急流存在，南寧到崇左一帶出現(xiàn)負(fù)垂直風(fēng)切變，高效率的暖云降水又加強(qiáng)了降雨。

（4）廣西均處于高能量區(qū)，不穩(wěn)定能量較之前有所增大，桂西的不穩(wěn)定層結(jié)條件趨于最佳狀態(tài)。強(qiáng)降雨中心處于強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，低層等假相當(dāng)位溫線密集，呈現(xiàn)出明顯的能量鋒，鋒區(qū)隨高度上升向北傾斜，暖濕氣流沿傾斜的鋒面爬升，冷暖空氣劇烈交綏，發(fā)生強(qiáng)烈降水。桂西有明顯的水汽輻合，偏南和東南氣流源源不斷的輸送補(bǔ)充，造成了桂西的極端降水。

（5）崇左北部地處云貴高原東南緣，海拔較高，配合低渦環(huán)流南側(cè)東南氣流在此系統(tǒng)性爬升，降水效率明顯提高，是造成強(qiáng)降水的一個(gè)重要原因。