陳訓(xùn)來 徐 婷 王 蕊3) 李 媛3) 張舒婷 王書欣3) 王明潔 陳元昭*

1)(深圳市氣象局, 深圳 518040) 2)(深圳南方強天氣研究重點實驗室, 深圳 518040) 3)(深圳市國家氣候觀象臺, 深圳 518040)

引 言

極端暴雨是小概率事件,具有罕見的降水量、極高致災(zāi)風(fēng)險和極低可預(yù)報性,極易引發(fā)山洪、泥石流等重大災(zāi)難性事件,嚴(yán)重威脅人民生命財產(chǎn)安全,難以提前防范,是預(yù)報業(yè)務(wù)的重點和難點。氣候變暖背景下我國極端強降水增多增強已取得廣泛共識[1-5]。近年我國極端暴雨及其引起的災(zāi)難性事件頻發(fā),如北京2012年“7·21”和2016年“7·20”極端暴雨、廣州2017年“5·7”極端強降水、河南2021年“7·20”極端暴雨等,均造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和人員傷亡[6-9]。

我國南北方極端暴雨在天氣尺度系統(tǒng)配置、中低緯度系統(tǒng)相互作用、水汽輸送等方面存在顯著差異,但臺風(fēng)及其殘余環(huán)流是影響南北方極端暴雨的主要系統(tǒng)之一[10-15]。國內(nèi)外學(xué)者對登陸臺風(fēng)及其殘余環(huán)流的結(jié)構(gòu)演變、強降水特別是極端暴雨的特征、動力熱力成因等開展了深入研究,取得了大量研究成果[16-23]。臺風(fēng)降水是多尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果,登陸臺風(fēng)維持時間、水汽輸送、臺風(fēng)與季風(fēng)(涌)的相互作用、中尺度對流系統(tǒng)的活動以及地形效應(yīng)等是造成臺風(fēng)暴雨的重要因素[20]。臺風(fēng)登陸后的殘渦與其他系統(tǒng)相互作用可導(dǎo)致殘渦復(fù)蘇或環(huán)流長時間維持,導(dǎo)致持續(xù)暴雨。河南“75·8”、“21·7”極端暴雨、華北“23·7”極端暴雨、臺風(fēng)碧利斯(0604)和臺風(fēng)尤特(1311)引發(fā)的華南極端暴雨均與臺風(fēng)登陸后的殘渦長期維持有關(guān)[20-23]。登陸后臺風(fēng)殘留系統(tǒng)長時間維持與西南季風(fēng)急流卷入的水汽、不穩(wěn)定能量以及高層輻散密切相關(guān)[24-26]。程正泉等[26]指出引發(fā)強持續(xù)暴雨的登陸臺風(fēng)東南部往往伴有強的水汽輸送帶。臺風(fēng)極端暴雨常伴有中尺度對流系統(tǒng),楊舒楠等[15]指出臺風(fēng)艾云尼(1804)中尺度對流系統(tǒng)活躍,伴隨5個階段的中尺度對流雨帶的發(fā)生、發(fā)展,造成廣東極端暴雨。降水與后向傳播、列車效應(yīng)或?qū)α饔陰Ш喜?導(dǎo)致單體生命周期延長并反復(fù)生消有關(guān)。何立富等[23]認(rèn)為在臺風(fēng)利奇馬(1909)影響期間列車效應(yīng)是導(dǎo)致山東中部遠距離暴雨的直接原因。

2023年9月5日臺風(fēng)?？?2311)(簡稱?？?先后在福建、廣東登陸后繼續(xù)西行,9月6日停止編號后其殘渦長時間滯留廣東,導(dǎo)致強降水影響范圍廣、極端性顯著、災(zāi)害損失嚴(yán)重。受其影響,9月7—8日珠江三角洲(簡稱珠三角)發(fā)生極端暴雨(簡稱“9·7”極端暴雨),深圳、廣州、東莞、佛山等地29站次突破當(dāng)?shù)貧v史降水極值,香港天文臺1 h降水量達到158.1 mm,打破香港1884年以來的觀測紀(jì)錄。極端暴雨造成珠三角大范圍受災(zāi),出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇,引發(fā)社會廣泛關(guān)注。登陸臺風(fēng)極端降水的準(zhǔn)確預(yù)報是業(yè)務(wù)的重點和難點,全球模式和中尺度模式對此次極端暴雨的預(yù)報均明顯偏弱。本文分析此次珠三角極端暴雨的精細(xì)觀測特征并探討其成因,期望為臺風(fēng)極端暴雨的預(yù)報提供參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

本文所用觀測資料是2023年9月6—8日珠三角高密度地面自動氣象站觀測資料(時間分辨率為5 min)、深圳石巖雨滴譜資料、香港探空資料、廣東省雷達反演資料、FY-4B靜止氣象衛(wèi)星逐15 min高分辨率AGRI(advanced geosynchronous radiation imager)長波紅外通道(10.8 μm )相當(dāng)黑體溫度(TBB)和歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)ERA5再分析資料(the Fifth generation of ECMWF atmospheric reanalysis of the global climate),時間分辨率為1 h,空間分辨率為0.25°×0.25°,垂直方向為1000 hPa至100 hPa(共21層)。

1.2 方 法

華南大暴雨常伴有低空急流的加強,強降水與低空急流軸上風(fēng)速的脈動密切相關(guān)[27]。為了揭示此次極端暴雨過程中低空急流與強降水發(fā)生發(fā)展的關(guān)系,基于廣東省風(fēng)廓線雷達資料計算低空急流指數(shù)I[27]:

I=V/D。

(1)

式(1)中:V為2 km 高度以下邊界層急流中心最大風(fēng)速(單位:m·s-1) ,D為12 m·s-1風(fēng)速的最低高度(單位:km)。I可以定量表示低空急流向下擴展的程度和風(fēng)速脈動的強度,I越大,低空急流越強,急流高度越低,越容易觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量的釋放,對降水就越有利。

本文插圖所涉及的國界和行政區(qū)域界線基于審圖號為GS(2019)3082號標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無修改。

2 極端暴雨精細(xì)特征

2023年9月6日停止編號后的海葵殘渦長時間滯留廣東,受其影響,9月7—8日珠三角出現(xiàn)極端暴雨。選取珠三角地區(qū)強降水最為集中的9月7日16:00(北京時,下同)—8日16:00進行分析,本次降水過程的特點:①極端暴雨強降水范圍廣、降水量大。珠三角普遍發(fā)生暴雨到大暴雨局部特大暴雨(圖1a),特大暴雨落區(qū)主要在香港、深圳、東莞、廣州、佛山等地,形成東南—西北走向的特大暴雨帶,雨帶長100～200 km;珠三角1415個站(67.4%)的降水量超過100 mm, 445個站(21.2%)的降水量超過250 mm,15個站的降水量超過500 mm。②降水強度極強,刷新多項當(dāng)?shù)貧v史降水紀(jì)錄。珠三角大部分地區(qū)發(fā)生降水強度超過50 mm·h-1的短時強降水,其中香港、深圳、東莞等地7個站次出現(xiàn)強度為100 mm·h-1的降水(圖1b),香港天文臺9月7日23:00—8日00:00的降水量達到158.1 mm,創(chuàng)下自1884年香港有記錄以來的小時降水量極值;深圳的降水量打破了自1952年有氣象記錄以來的5項歷史極值:鹽田區(qū)正坑站2 h和3 h降水量分別為195.8 mm和246.8 mm,羅湖區(qū)東門站6 h降水量為355.2 mm,羅湖區(qū)小梧桐站12 h和24 h降水量分別為465.5 mm和560.3 mm,均創(chuàng)極值紀(jì)錄;佛山禪城區(qū)石灣鎮(zhèn)街道9月7日14:00—8日14:00降水量為512.5 mm,打破了佛山歷史最大24 h降水量紀(jì)錄,珠三角共29站次短歷時降水強度突破當(dāng)?shù)貧v史降水極值。③強降水持續(xù)時間長,387個站降水強度超過20 mm·h-1的累計時間超過5 h,主要出現(xiàn)在深圳、香港、東莞,以及佛山和廣州南部地區(qū),最大值是香港跑馬地,累計持續(xù)12 h,另外深圳羅湖口岸降水強度超過50 mm·h-1的持續(xù)時間為4 h。

圖1 2023年9月7日16:00—8日16:00降水量(單位:mm)(a)和最大降水強度(單位:mm·h-1)(b)

為全面分析此次降水過程的極端性,選取深圳愛聯(lián)站、深圳小梧桐站、東莞長安職業(yè)中學(xué)站、廣州番禺南村中學(xué)站、中山東鳳鎮(zhèn)政府站和香港天文臺站6個代表站。圖2是代表站的逐小時降水量。由圖2可知,此次極端強降水可分為3個階段:第1階段是2023年9月7日18:00—21:00,為強降水初始階段,強降水主要集中在珠三角東南部(深圳),單點降水強度由不足5 mm·h-1加強至20 mm·h-1以上;第2階段是9月7日21:00—8日04:00,為最強降水時段,強降水帶自香港—深圳向東莞—廣州擴展并伴隨明顯列車效應(yīng),單點降水強度為40～60 mm·h-1,其中深圳小梧桐站最大小時降水量達116.8 mm,香港最大小時降水量高達158.1 mm;第3階段是9月8日04:00—16:00,為強降水減弱階段,強降水區(qū)西移至珠三角西部(中山),降水強度從40 mm·h-1減弱至10 mm·h-1以下。本次珠三角極端暴雨過程大致為由南向北、自東到西的推進演變。

圖2 2023年9月7日17:00—8日16:00代表站逐小時降水量

3 極端暴雨大氣環(huán)流特征

本次極端暴雨是多尺度天氣系統(tǒng)共同作用的結(jié)果。西北太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)穩(wěn)定維持在中國東南部,?？麣垳u在副高內(nèi)緩慢移動,華南上空200 hPa為輻散氣流,低層850 hPa為西南季風(fēng)卷入。

由500 hPa環(huán)流(圖略)可以看到,2023年8月28日?？谖鞅碧窖笊?在副高南側(cè)偏東氣流引導(dǎo)下以15～25 km·h-1的速度向偏西方向移動。受日本南面臺風(fēng)鴛鴦(2313)影響,副高逐漸減弱。隨著引導(dǎo)氣流減弱,8月5日海葵進入臺灣海峽后移速減慢為10 km·h-1。與此同時,位于廣西、貴州、四川的大陸高壓發(fā)展。圖3為2023年9月5—8日的環(huán)流場。由圖3可知,9月5日20:00大陸副熱帶高壓與?？麞|側(cè)的副高疊加,副高加強。6日20:00我國中東部—西北太平洋均被副高控制。9月7日20:00—8日20:00海葵及其殘渦在副高內(nèi)移動,引導(dǎo)氣流偏弱導(dǎo)致其在廣東境內(nèi)移動緩慢,造成殘渦長時間滯留。

綜上所述，我國大多的水利工程均存在不同程度的滲水問題，因此，堤壩防滲加固施工是水利工程施工中的重要內(nèi)容，對水利設(shè)施的使用質(zhì)量有著重要的影響，而對于堤壩防滲加固技術(shù)的選擇，則應(yīng)該在分析滲漏原因以及類型的基礎(chǔ)上，合理選擇施工技術(shù)，秉著具體問題具體治理的原則，做好堤壩滲水病害的防滲施工。

圖3 2023年9月5—8日風(fēng)場(風(fēng)羽)、風(fēng)速(填色)和位勢高度(紅色等值線,單位:dagpm)

在高層(200 hPa),2023年9月5日20:00我國中北部為兩槽一脊環(huán)流型(圖略),高壓脊位于我國新疆東北部到內(nèi)蒙古東北部,高壓脊東西兩側(cè)為南北向低槽,華南上空為弱反氣旋控制,風(fēng)速為2～4 m·s-1。9月6日20:00中高緯系統(tǒng)東移,東側(cè)低槽移出我國東北地區(qū),槽底位于長江中游一帶,華南弱反氣旋維持(圖略)。由圖3可知,9月7日20:00 高壓脊頂部東移至我國東北一帶,東側(cè)低壓槽位于日本海到我國東部地區(qū),槽底位于湖南一帶,華南上空維持反氣旋環(huán)流,且處在東側(cè)低槽底部偏西南氣流中,風(fēng)速達20 m·s-1,南海北部到中南半島為偏東北氣流,風(fēng)速為8～10 m·s-1,華南上空高層輻散明顯加強。位于華南的?？麣垳u處于高層加強的氣流輻散區(qū)。

在低層(850 hPa),2023年9月5日?？M入臺灣海峽,從臺風(fēng)中心到西北太平洋均為東西向的輻合帶控制。輻合帶東端發(fā)展為臺風(fēng)鴛鴦(2313),西側(cè)為?？麣垳u。在副高引導(dǎo)下臺風(fēng)鴛鴦(2313)向偏北方向移動趨向日本,?？麣垳u移動緩慢,輻合帶逐漸轉(zhuǎn)為東北東走向,9月7日20:00輻合帶西端偏東氣流不斷卷入?？麣垳u,最大風(fēng)速達16 m·s-1。同時,輻合帶南側(cè)的南海中北部不斷有低層西南氣流卷入,最大風(fēng)速為8～10 m·s-1。這兩條氣流是本次極端暴雨的主要水汽來源。9月8日08:00殘渦中心移至廣東云浮境內(nèi),午后卷入殘渦的氣流減弱。

綜上,大尺度環(huán)流背景有利于此次極端暴雨發(fā)生。高層輻散為極端暴雨提供了動力條件,弱引導(dǎo)氣流導(dǎo)致?？麣垳u緩慢移動,在廣東中西部長時間滯留。低層卷入的西南氣流和偏東氣流供應(yīng)豐富的水汽和能量,致使殘渦長時間維持,是極端暴雨的直接參與者。

4 極端特大暴雨對流系統(tǒng)演變和結(jié)構(gòu)特征

4.1 對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展和演變

利用FY-4B TBB觀測資料可以直觀呈現(xiàn)本次極端暴雨過程中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展及結(jié)構(gòu)演變特征(圖4)。由圖4可知,2023年9月7日傍晚珠江口附近不斷有對流單體生成發(fā)展,20:00珠江口東側(cè)深圳龍崗有南北長約為100 km、東西寬約為20 km 的β中尺度系統(tǒng)發(fā)展,TBB為-68～-62 ℃,深圳東部(龍崗)降水強度超過60 mm·h-1,為第1階段強降水。

圖4 2023年9月7—8日FY-4B長波紅外通道TBB

同時香港及珠江口西南部也有β中尺度對流單體發(fā)展,2023年9月7日20:00由于急流的建立和中尺度輻合線的形成,位于香港及珠江口西南側(cè)的多個對流單體與深圳東部的系統(tǒng)合并,并隨著低空急流加強,對流系統(tǒng)向北推進,于22:00在香港—深圳—東莞—廣州一帶形成穩(wěn)定維持的塊狀β中尺度對流復(fù)合體,直徑超過100 km,冷云頂TBB由-68 ℃ 快速下降至-72 ℃。9月7日夜間—8日早晨海上不斷有中尺度強對流系統(tǒng)新生加強合并,塊狀β中尺度對流復(fù)合體控制香港—深圳—東莞—廣州,云頂TBB持續(xù)維持在-72～-68 ℃,形成列車效應(yīng),造成持續(xù)強降水,多數(shù)站點40～60 mm·h-1的降水強度持續(xù)時間達6 h。第2階段降水是本次極端暴雨的主要降水時段。McAnelly等[28]表明構(gòu)成對流系統(tǒng)的β中尺度對流單體的移向和移速與最強降水的位置有關(guān)。Doswell等[29]指出某地的總降水量嚴(yán)重依賴于產(chǎn)生降水的對流系統(tǒng)類型和移動方式。

由圖4可知,2023年9月8日04:00隨著低空急流減弱以及殘渦中心西移,β中尺度對流單體同步西移,塊狀中尺度對流復(fù)合體覆蓋珠海、中山等地區(qū),造成上述地區(qū)出現(xiàn)第3階段降水。午后TBB低值區(qū)南落至南海北部,陸地強降水減弱(圖略)。

4.2 對流系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征

利用廣東S波段多普勒天氣雷達組合反射率因子分析本次極端暴雨過程3個階段的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征(圖5～圖6)。第1階段是2023年9月7日16:00—21:00,為降水初始階段,?？麣垳u中心位于廣州附近,距離深圳約為100 km;16:00—17:00深圳東部出現(xiàn)分散對流,18:00發(fā)展合并為塊狀回波,覆蓋深圳龍崗大部分地區(qū),強度加強;19:00深圳羅湖一帶發(fā)展的塊狀回波并入(圖5),20:00在深圳東部形成南北長約為100 km、東西寬約為30 km的對流帶,與FY-4B衛(wèi)星觀測到的β中尺度系統(tǒng)對應(yīng),不低于45 dBZ 的強回波在6 km高度以下,最強52 dBZ的回波在3 km高度附近,深圳東部地區(qū)記錄到8～9級陣風(fēng)。20:30對流帶移入東莞惠州,21:00該降水回波在上述地區(qū)減弱,第1階段降水結(jié)束。第1階段為大陸性和海洋性相結(jié)合的降水回波特征,深圳龍崗降水強度超過 70mm·h-1,?？麣垳u南側(cè)130～160 km的珠江口近海處生成弧狀隊列回波,該回波的持續(xù)北上及新生加強導(dǎo)致了第2、第3階段的持續(xù)強降水。

圖5 2023年9月7—8日廣東多普勒天氣雷達組合反射率因子

圖6 2023年9月7日18:00—8日20:00深圳小梧桐站組合反射率因子時間-高度剖面(填色)和降水強度(黑色實線)

第2階段是2023年9月7日21:00—8日04:00,為過程最強降水時段,持續(xù)時間約為7 h。該階段?？麣垳u從廣州—佛山—云浮南部以10 km·h-1的速度緩慢移動,距離深圳為120～180 km,其東南側(cè)的中尺度輻合線及南側(cè)暖濕氣流觸發(fā)了降水。9月7日20:00珠江口附近東莞—廣州邊界層出現(xiàn)長度約為100 km的東西向中尺度輻合線,21:00輻合線南側(cè)的邊界層低空東南急流建立,急流軸南側(cè)香港一帶南北走向的塊狀γ中尺度對流回波(東西水平尺度約為20 km)不斷生成、發(fā)展、加強并北抬,不斷移向深圳以及東莞、廣州南部,22:00—23:00最強回波為53 dBZ(圖5),深圳羅湖區(qū)記錄到116.8 mm·h-1的極端短時強降水,香港記錄到超歷史紀(jì)錄的降水強度(158.1 mm·h-1)。9月8日00:00—04:00香港南側(cè)珠江口外海的帶狀對流系統(tǒng)內(nèi)不斷有γ中尺度回波新生成,并持續(xù)移進香港合并加強,強度不小于40 dBZ的對流單體不斷北移影響深圳,經(jīng)過東莞—廣州中部后向西擴展,強度明顯減弱,期間降水強度均在40 mm·h-1以上,04:00影響深圳、東莞和廣州的對流系統(tǒng)減弱。

本次強降水與邊界層?xùn)|南急流的加強發(fā)展密切相關(guān),強降水回波在急流附近生成、發(fā)展和加強,并不斷北移,在香港—深圳—東莞—廣州一帶聚集、合并、加強、停滯,具有明顯的后向傳播特征,形成列車效應(yīng),使降水長時間維持和增強[30-31]。由深圳小梧桐站雷達組合反射率因子演變(圖略)可知,深圳小梧桐站持續(xù)受到回波影響,不小于30 dBZ的強回波影響持續(xù)時間為21 h,不低于20 mm·h-1的降水強度長達11 h,降水持續(xù)時間極長、降水量極大。對流系統(tǒng)在珠三角地區(qū)的聚集、合并、加強、停滯造成本次極端暴雨過程。

由2023年9月7日18:00—8日20:00深圳小梧桐站雷達反射率因子垂直剖面(圖6)可知,強降水期間不低于30 dBZ的回波頂高約為6 km。第2降水階段不低于45 dBZ的強回波質(zhì)心高度位于4 km以下,其低層最強回波在2 km高度以下。由9月7日20:00香港探空綜合分析(圖略)可知,珠三角具有較高的環(huán)境相對濕度、濕層深厚、較低的抬升凝結(jié)高度和自由對流高度,0 ℃層高度接近5 km,強回波在0 ℃層高度以下。低的強回波質(zhì)心高度也反映對流系統(tǒng)內(nèi)極大的液態(tài)水含量和極高的降水效率。俞小鼎等[30,32]指出高降水效率降水系統(tǒng)的回波強度一般為45～50 dBZ,這類系統(tǒng)僅需持續(xù)30 min～1 h就可導(dǎo)致局地暴雨甚至大暴雨。本次過程雷達回波質(zhì)心低,具有典型列車效應(yīng)和暖云降水特點[33],不低于30 dBZ的強回波在深圳持續(xù)時間長達21 h,是導(dǎo)致本次極端暴雨的直接原因。

4.3 極端降水的微物理特征

研究表明雨滴譜特征因氣候區(qū)、季節(jié)和降水類型不同而存在明顯差異[31,34-35]。利用深圳石巖站雨滴譜資料分析本次極端暴雨的微物理演變特征。由圖7可知,大部分降水時段雨滴譜數(shù)濃度lgN(D)為1.6～3.6 mm-1·m-3,最大lgN(D)達到4 mm-1·m-3,雨滴直徑為1.5～4 mm,最大雨滴直徑達到5 mm。lgN(D)與降水強度大體一致,即2023年9月7日16:00—19:00強降水發(fā)生前,lgN(D)較低,最大雨滴直徑為1～2 mm,7日20:00 隨著lgN(D)和最大雨滴直徑增大,降水強度隨之增大,20:00深圳石巖站降水強度達到24.1 mm·h-1,21:00—22:00 lgN(D)和雨滴直徑均明顯減小,降水短暫間歇,7日22:00—8日01:00 lgN(D)持續(xù)超過3.2 mm-1·m-3,最大數(shù)濃度為4 mm-1·m-3,最大雨滴直徑超過4 mm,是該站本次過程降水最強時段,最大降水強度達44.9 mm·h-1。8日01:00—05:00 lgN(D)減小,多為2.4～2.8 mm-1·m-3,最大雨滴直徑減小為1～2 mm,降水減弱。8日05:00—13:00 lgN(D)和雨滴直徑有所增大,降水有所增強,13:00 lgN(D)和雨滴直徑逐漸減弱,降水過程結(jié)束。高雨滴譜數(shù)濃度的持續(xù)時間越長,最大雨滴直徑越大,降水強度也越強。

圖7 2023年9月7日16:00—8日16:00深圳石巖站雨滴譜數(shù)濃度lgN(D)(填色)、雨滴直徑(填色高度)和降水強度(黑色實線)

圖8為2023年9月7日16:00—8日16:00深圳石巖站雨滴質(zhì)量加權(quán)平均直徑(Dm)、標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)(Nw)與降水強度的散點分布。由圖8可知,降水強度較小時(不大于20 mm·h-1),Dm為0.4～2 mm,以小雨滴為主且數(shù)量較多,當(dāng)降水強度大于20 mm·h-1時,Dm普遍超過2 mm,且Dm隨降水強度增大而增加,雨滴密度變得稀疏,Dm大于2 mm的大粒子數(shù)量明顯減少,但隨著降水強度繼續(xù)增大,雨滴直徑達到平衡態(tài),不再繼續(xù)增長,這是由于降水強度達到一定強度時,雨滴直徑由于碰撞作用和破碎作用達到平衡,直徑增加緩慢,因此降水強度的增大主要通過雨滴數(shù)濃度的提高實現(xiàn)[36-37]。通常雨滴直徑小于1 mm為小雨滴,3 mm以上為大雨滴,介于兩者間為中雨滴[34],本次強降水以中小雨滴為主且分布集中,雨滴直徑達到平衡狀態(tài)時,Dm為2.0～2.5 mm,與北京雨滴平衡狀態(tài)時的Dm(2.0～2.5 mm)相似[38],均低于河南“21·7”極端暴雨的2.6～3.0 mm[36]。由圖8可知,降水強度與Nw呈正相關(guān),降水強度不超過20 mm·h-1時,Nw普遍小于1×103mm-1·m-3;隨著降水強度增大,Nw緩慢增大,當(dāng)降水強度不低于40 mm·h-1時,Nw普遍超過1×103mm-1·m-3。

圖8 2023年9月7日16:00—8日16 :00深圳石巖站降水強度與雨滴質(zhì)量加權(quán)平均直徑(a)和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)濃度(b)的散點分布

5 珠三角極端暴雨成因

5.1 海葵殘渦長時間停滯

2023年8月28日?？谖魈窖笊刹⑾蚱鞣较蛞苿?分別登陸我國臺灣、福建,9月5日在廣東潮州再次登陸, 繼續(xù)向偏西方向移動,5日08:00減弱為熱帶低壓,6日14:00停止編號。9月6日20:00殘渦中心位于惠州市境內(nèi),7日08:00移入東莞境并向西北行進,19:00進入廣州,殘渦中心近12 h移動距離僅有60 km。殘渦中心以10 km·h-1的速度緩慢向西南方向移動,先后穿過順德、云浮、陽江,9月8日20:00移入茂名境內(nèi)。?？麣垳u在珠三角滯留時間超過16 h,是導(dǎo)致此次極端暴雨的直接原因。

5.2 西南季風(fēng)增強及超低空急流發(fā)生發(fā)展和維持

風(fēng)廓線雷達可實時獲得測站上空高時空分辨率的風(fēng)向風(fēng)速等信息,可彌補常規(guī)高空探測資料時空密度不足。風(fēng)廓線雷達資料不僅可以實時監(jiān)測鋒面、短波波動、氣旋、高空槽和低空急流等天氣系統(tǒng)連續(xù)和翔實的演變過程,還能獲得中小尺度氣旋性波動、輻合線等中尺度系統(tǒng)的出現(xiàn)和演變[39]。本文采用風(fēng)廓線雷達資料分析此次天氣過程西南季風(fēng)增強、超低空急流及中尺度系統(tǒng)的演變。由于降水條件下風(fēng)廓線雷達返回信號受降水粒子散射影響,導(dǎo)致風(fēng)場反演資料出現(xiàn)缺失或失真,風(fēng)廓線雷達資料采用廖菲等[40]的方法進行質(zhì)量控制,得到較為可信的觀測結(jié)果。

2023年9月7日08:00—17:00海葵殘渦由東莞緩慢移入廣州境內(nèi),西南季風(fēng)明顯加強北抬,降水云團發(fā)展,粵西沿海至珠三角地區(qū)下午至傍晚降水增強,伴隨殘渦西行,其東側(cè)東到東南氣流強度亦明顯增強。由圖9可知,9月7日20:00—8日14:00粵西至珠江口西側(cè)1.5 km高度為6～8 m·s-1穩(wěn)定西南季風(fēng),珠江口東側(cè)深圳—東莞—廣州為東南氣流,7日20:00東南風(fēng)明顯加大,21:00超低空急流建立,珠三角大范圍出現(xiàn)強降水。7日23:00深圳東部龍崗站急流伸展高度為2.5 km,急流最大風(fēng)速為20.0 m·s-1,急流核位于深圳東部龍崗—東莞—廣州一線。8日00:30廣州花都站風(fēng)速加大至19.6 m·s-1,該東南急流在7日夜間至8日中午始終維持,珠三角處于西南季風(fēng)和東南急流兩支氣流的輻合區(qū);廣州—東莞一帶水平尺度約為100 km的準(zhǔn)東西向中尺度輻合線維持時間超過18 h,降水主要出現(xiàn)在該中尺度輻合線南側(cè)及附近地區(qū),該時段為珠三角強降水發(fā)展維持階段。

圖9 2023年9月7—8日850 hPa 風(fēng)場(紅色實線為輻合線)

垂直風(fēng)廓線高度-時間剖面可以更清晰地反映東南氣流的演變與強降水的關(guān)系。由圖10a可知,9月7日14:00前近地面至3 km高度為一致西南風(fēng),14:00近地面轉(zhuǎn)偏東風(fēng),風(fēng)速較小,為2 m·s-1,之后東到東南風(fēng)逐漸加大,并向高層伸展,21:00東南風(fēng)向上伸展至2.5 km高度,1 km高度風(fēng)速超過12 m·s-1,達到急流標(biāo)準(zhǔn),21:30 風(fēng)廓線雷達探測范圍內(nèi)(3 km高度以下)均轉(zhuǎn)為東至東南風(fēng),且急流厚度增加,2～5.5 km高度均是風(fēng)速超過12 m·s-1的急流區(qū),深圳降水強度增強,小梧桐站降水最強,降水強度為116.8 mm·h-1,之后超低空急流進一步增強,23:30達到最強,為20 m·s-1,急流核位于720 m高度,550～2500 m高度均為風(fēng)速不小于16 m·s-1的急流區(qū),龍崗站東南風(fēng)急流一直持續(xù)至8日中午。與廣東南沙站相比(圖略),龍崗站急流自東南向西北傳播但強度緩減弱。與此對應(yīng),珠三角強降水帶自香港—深圳經(jīng)東莞向廣州緩慢移動,強降水的強度、落區(qū)、降水持續(xù)時間與東南急流的建立、急流核的位置對應(yīng)。9月8日14:00東南急流明顯減小,珠三角降水隨之減弱(圖10b)。

圖10 2023年9月7—8日深圳龍崗的雷達風(fēng)廓線(填色表示風(fēng)速不低于12 m·s-1)(a)和低空急流指數(shù)和降水強度(b)

由圖10b可知,2023年9月 7日14:00—8日14:00低空急流指數(shù)與降水量逐時變化顯示此次天氣過程是低空急流的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程。9月7日傍晚低空急流指數(shù)初顯,21:00低空急流穩(wěn)定增強,22:00低空急流指數(shù)陡升至72.2,7日22:00—8日00:00低空急流指數(shù)穩(wěn)定在70以上,表明低空急流已穩(wěn)定建立,強度明顯加強,23:00降水強度猛增至98.3 mm·h-1。8日01:00低空急流指數(shù)下降,雨勢減弱,13:00低空急流指數(shù)減弱為0,低空急流消失。由此可見,低空急流指數(shù)的脈動與強降水的發(fā)生有密切關(guān)系,強降水出現(xiàn)在低空急流指數(shù)迅速加強后1～2 h,低空急流指數(shù)下降對應(yīng)降水減弱,因此低空急流指數(shù)對強降水發(fā)生和降水強度的預(yù)報有一定指示意義。

綜上,中尺度輻合線的穩(wěn)定維持,增強的西南季風(fēng)和東南超低空急流兩支氣流的匯合為極端暴雨的發(fā)生、發(fā)展和維持提供了水汽和動力條件。本次極端暴雨持續(xù)時間、強度及落區(qū)均與超低空急流的脈動、急流核區(qū)位置對應(yīng)很好,邊界層低空急流的發(fā)展、急流從近地面逐漸向高層擴展、邊界層內(nèi)中尺度輻合均對對流活動的發(fā)展和組織化起重要作用。

5.3 中尺度輻合的觸發(fā)作用

為進一步揭示邊界層中尺度輻合在本次天氣過程中的作用,利用ERA5逐小時、水平分辨率為0.25°×0.25°再分析資料研究降水最強時段(2023年9月7日18:00—8日04:00)中尺度輻合與對流活動發(fā)生發(fā)展的關(guān)系。由圖11可知,9月7日18:00 海葵殘渦進入廣州中部,殘渦中心東南部的深圳、東莞附近出現(xiàn)輻合,來自臺灣海峽的東北氣流和來自南海的偏南氣流形成一條準(zhǔn)南北向的β中尺度輻合區(qū),南北長約為200 km,東西寬為30～50 km。對流云團在輻合區(qū)附近加強發(fā)展,造成50 mm以上的強降水。雷達回波(圖略)顯示深圳—東莞出現(xiàn)一條東南—西北向的細(xì)長強回波帶,其形狀、分布和尺度均與輻合區(qū)非常接近,回波強度不低于40 dBZ。22:00輻合區(qū)發(fā)生逆時針傾斜,強輻合中心發(fā)展加強,中心值達-10×10-5s-1,雷達回波帶加強,23:00 強降水落區(qū)亦與輻合區(qū)對應(yīng)并逆時針推移,降水量增幅明顯,降水強度超過100 mm·h-1。9月8日02:00—05:00強輻合中心移至廣州—佛山,強降水回波帶進一步向北推進,強輻合區(qū)的分布和暴雨的走向基本一致,并和暴雨中心對應(yīng)。由此可見,強降水的落區(qū)和強度與輻合區(qū)的移動、強度對應(yīng)。

圖11 2023年9月7—8日975 hPa風(fēng)場(矢量)和散度場(填色區(qū)散度小于-2×10-5 s-1)

5.4 極端暴雨過程水汽輸送特征

分析2023年9月7日16:00—8日04:00對流層中下層水汽通量分布可以了解水汽來源。由圖12可知,本次極端暴雨過程主要有兩條水汽輸送帶,分別是來自臺風(fēng)鴛鴦(2313)西側(cè)途徑臺灣海峽的東北水汽輸送帶和經(jīng)孟加拉灣、中南半島、南海的西南季風(fēng)水汽輸送帶。?？Ｖ咕幪柡笃鋿|側(cè)始終存在的明顯水汽通量大值區(qū)經(jīng)臺灣海峽—福建沿海—粵東后卷入殘渦環(huán)流,9月7日20:00水汽通量明顯加大,珠江口東側(cè)深圳—東莞附近出現(xiàn)水汽通量不小于25 g·cm-1·hPa·s-1的大值區(qū)。9月8日00:00雖然來自東北氣流的水汽有所減弱,但西南季風(fēng)暖濕氣流增強北推,并在珠江口附近與東北氣流輻合,水汽通量大值區(qū)穩(wěn)定少動,充足的水汽不僅有利于殘渦停滯期間重新活躍,而且在珠三角附近850 hPa以下的邊界層內(nèi)輻合,中心強度維持在25 g·cm-1·hPa·s-1以上。兩條水汽帶將來自西北太平洋和南海的水汽源源不斷地輸送到珠三角地區(qū),為本次極端暴雨提供了充沛的水汽條件和不穩(wěn)定能量,這對殘渦的維持和珠三角地區(qū)中尺度對流系統(tǒng)及極端暴雨的發(fā)生具有重要意義。

6 結(jié)論與討論

本文利用多源資料深入分析珠三角“9·7”極端暴雨過程的降水特征、環(huán)流背景、中尺度系統(tǒng)及微物理精細(xì)結(jié)構(gòu)演變等特征,并探討其發(fā)生發(fā)展的成因。得到主要結(jié)論如下:

1) 本次過程是一次極端降水事件,打破多項紀(jì)錄。極端暴雨由多尺度天氣系統(tǒng)共同造成,200 hPa高層輻散為極端暴雨提供動力條件,弱引導(dǎo)氣流導(dǎo)致?？麣垳u緩慢移動,低層西南氣流長時間卷入以供應(yīng)豐富的水汽和能量,致使殘渦長時間維持。

2) 本次過程由長時間維持的水平尺度約為100 km 的帶狀中尺度對流復(fù)合體產(chǎn)生,與珠江口海面不斷生成的中尺度新生單體北上合并加強形成列車效應(yīng)有關(guān)。具有典型暖云降水特征,雷達回波質(zhì)心低,最強降水階段不低于45 dBZ的強回波質(zhì)心高度位于4 km以下,不低于30 dBZ的強回波在深圳持續(xù)時間長達21 h,本次極端暴雨過程以中小雨滴為主,且數(shù)濃度較大,當(dāng)降水強度大于20 mm·h-1,雨滴粒徑增大但數(shù)濃度明顯降低。

3) 強降水發(fā)生前,低層?xùn)|南風(fēng)加強并向高層伸展,極端暴雨持續(xù)時間、強度和落區(qū)與超低空急流的脈動、急流核區(qū)位置對應(yīng)很好。強降水出現(xiàn)在低空急流指數(shù)迅速加強后1～2 h內(nèi),低空急流指數(shù)下降后,降水強度隨之減弱,低空急流、低空急流指數(shù)的變化對于強降水發(fā)生有一定指示意義。

4) ?？麣垳u在珠三角長時間滯留是本次極端暴雨的天氣尺度原因。急劇加強深厚的邊界層低空急流和西南季風(fēng)兩支氣流在珠江口長時間匯合,為極端暴雨提供了良好的動力和水汽輸送條件,對流風(fēng)暴的持續(xù)發(fā)生和維持是導(dǎo)致極端暴雨的直接原因。極端暴雨的水汽主要來源于臺風(fēng)鴛鴦(2313)西側(cè)東北氣流帶來的西北太平洋水汽和途經(jīng)孟加拉灣、中南半島、南海的西南季風(fēng)水汽。

珠三角暴雨精細(xì)化預(yù)報,特別是極端降水的準(zhǔn)確預(yù)報一直是業(yè)務(wù)重點和難點,本文對珠三角“9·7”極端暴雨過程觀測事實及極端事件原因的分析仍不足以提煉足夠的極端事件預(yù)報指示因子;珠三角地區(qū)復(fù)雜的海岸線和沿岸眾多低矮的山脈地形與暴雨強度和分布密切相關(guān),深圳梧桐山、香港大帽山的海拔高度均超過900 m,地形對降水的增幅作用不可忽視。但鑒于地形復(fù)雜性,地形對本次極端暴雨強度和落區(qū)的作用尚需深入診斷分析和數(shù)值模擬。此外,本次極端暴雨發(fā)生在珠三角城市群(深圳、香港等地),城市下墊面對于極端降水是否存在影響也值得深入探討。

需要指出的是,極端暴雨是多尺度大氣系統(tǒng)共同作用的產(chǎn)物,環(huán)流異常不僅表現(xiàn)在單個系統(tǒng)的強度上,還表現(xiàn)在系統(tǒng)位置上,這種復(fù)雜性使得難以將環(huán)流系統(tǒng)異常與降水量異常程度的相關(guān)性定量化。因此,提高我國極端暴雨的預(yù)報水平,亟須發(fā)展和提高數(shù)值模式預(yù)報能力。目前主流的業(yè)務(wù)模式對“9·7”極端暴雨過程無論是量級還是位置的預(yù)報均與實況有較大偏差,這可能與模式對中小尺度系統(tǒng)的模擬能力不足有關(guān),進一步找出模擬不足的原因可為改進模式提供參考。

致 謝：感謝深圳市國家氣候觀象臺盧超高級工程師提供深圳雨滴譜資料。