廣東西部沿海一次致災暴雨的中尺度分析

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

華南是我國暴雨災害最為頻繁的地區，研究表明，華南地區的暴雨具有降水量集中、雨強大、降水持續時間長、累積雨量大等特點，華南地區一年四季都可能出現暴雨，但主要發生在4—9月份[1]。前汛期是華南降水的集中、多發期，暴雨往往會帶來內澇、山洪、泥石流等氣象次生災害，因此受到不少氣象學者的關注，并取得了許多研究成果[2-4]。何立富等[5]在研究華南地區一次持續大暴雨過程中指出，700 hPa中緯度冷空氣入侵可能是華南暴雨產生、維持的重要特征，高低空急流耦合的正反饋機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，低層暖濕不穩定配合高空槽后干冷空氣的下傳，對華南上空不穩定能量釋放起到加強作用，強降水主要發生在鋒區南側。陳見等[7]對發生區域性以上暴雨過程與不明顯降水過程的高低空環流形勢場進行對比分析，發現它們環流系統配置相似,但環流系統位置、強度及干濕特征存在差異。陳元昭等[8]指出大多數降水過程中有利于重大短時強降水發生的環境條件的關鍵點不是強對流預報中常關注的 “高空冷空氣的侵入”，而是低層暖濕氣流的輸送。周芯玉等[9]發現華南暴雨是在有利的大尺度環流背景下,與若干個中尺度降水系統相互配合持續影響所造成,是多尺度天氣系統相互作用的產物,而中尺度系統對暴雨有明顯的觸發作用。胡萍等[10]通過研究發現冷性低渦切變暴雨主要發生在低渦的右前方，急流的頂部，地面輻合線的北側和副高邊緣，而暖性低渦切變暴雨主要發生在低渦的東南部，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了一次暴雨過程，此次強降水造成廣東省江門市臺山市端芬鎮鳳凰峽突發山洪，造成8人死亡、10人受傷。本文利用區域自動站、多普勒雷達等常規觀測資料以及NCEP/NCAR 再分析資料，分析此次降水過程的中尺度天氣系統演變特征和維持機制，以期為本地暴雨分析和預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、陽江地區的區域自動站G2108(開平東山水庫)、G6643(恩平馬山水庫)、G6523(臺山聯合村)等160個站點和8個國家級自動站逐時觀測資料，觀測資料包括降水量、氣溫和風向風力等；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氣象衛星反演的逐小時平均相當黑體亮度溫度(TBB)資料；④陽江多普勒天氣雷達觀測資料以及陽江站探空資料。

2 分析與討論

2.1 天氣實況及雨量分析

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

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

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 大尺度環流形勢演變

在暴雨發生整個階段，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，反氣旋性強大，期間中心和強度基本無變化，為暴雨的發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亞洲中高緯地區表現為一槽一脊的形勢，槽脊比較淺薄，東北冷渦活躍，呈現出西高東低的形勢，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，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，熱帶低壓繼續北上消失后，558 m等高線并沒有馬上西伸控制加強，而是停留在珠江口附近徘徊，江門市上空處于副高的西側邊緣，有利于暴雨的發生。850 hPa在孟加拉灣附近有熱帶低值系統的發展，其東南側強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邊緣發展成熱帶低壓，熱帶低壓東側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，為熱帶低壓的環流提供了不穩定能量和水汽來源，登陸后急流后部減弱，但其前部依舊維持較強的狀態(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，另外在暴雨落區的西邊存在著明顯的風向和風速的輻合(圖2b)。925 hPa上存在的切變線以及風速風向輻合，有利于水汽和熱量在底層集中并積累，是觸發此次暴雨的重要系統。

圖2 (a)2016年5月28日02時 500 hPa位勢高度和850 hPa風場；(b)28日08時 500 hPa位勢高度和925 hPa風場，(陰影部分為風速填圖，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850～700 hPa水汽輻合明顯增強，在112°E附近存在一個顯著水汽輻合區，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，可見暴雨區上空水汽含量比較充足，水汽輻合明顯，達到產生暴雨和大暴雨的條件。此外，28日暴雨區邊界層的相對濕度都在 95%以上。綜上所述，熱帶地區充足的水汽和顯著的水汽輻合為廣東西部沿海暴雨的發生提供了非常有利的條件。

2.3.2 垂直螺旋度 螺旋度通常表征環境風場旋轉程度和沿旋轉軸方向運動強弱的物理量，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表現為正的螺旋度，中心值達20×10-6hPa·s-2，強度很強，有利于強對流系統生成、發展和維持，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的經向剖面上的水汽通量散度和風場(陰影區為水汽通量散度，單位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1，箭矢為風，單位: m/s)；(b)28日08時 沿22°N的經向剖面上的垂直螺旋度和垂直速度圖(陰影區為垂直螺旋度，單位：10-6hPa·s-2；等值線為垂直速度圖，單位：Pa/s)

2.3.3 假相當位溫 假相當位溫 θse 是能綜合表征大氣的溫度、濕度條件的物理參數[12]。從假相當位溫剖面圖(圖4a)可以看到，5月28日08時等值線密集區位于26°N附近，可以近似認為鋒區在26°N附近。而此次降雨主要分布在21.8～22.6°N之間，可以認為這是一次鋒前暖區降水過程。近地層800 hPa以下，暖舌從地面向上伸展，等θse線隨高度遞減，形成位勢不穩定區域。在暴雨發生前，24°N以南中低層θse都大于350 K，這個區域對暴雨生成有利。

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以下的露點曲線和層結曲線整層都比較接近，說明測站上空的水汽十分的深厚。從垂直風場來看，中低層盛行較強的西南風，在中低層都是風隨高度順轉，但不明顯，有暖平流的存在，同時也能看出在低層風速隨高度的變化不大，說明垂直風切變比較弱，降水效率較高。0 ℃層都在550 hPa以上，抬升凝結高度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生。

圖4 (a)2016年5月28日02時沿122°N的緯向剖面上假相當位溫和比濕剖面圖(實線為假相當位溫，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 中尺度對流系統發展演變特征

2.4.1 衛星云圖特征分析 根據相關文獻的定義[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 ℃的中尺度對流云團定義為β中尺度對流系統。為揭示此次暴雨過程的中尺度系統的演變特征，利用FY-2G衛星TBB資料對其進行分析。本次降水過程一共受3個MCS(中尺度對流系統)影響(按時間順序編為a、b、c)，MCS(a)為第1階段在中山境內產生蔓延過來的，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逐漸發展起來，5月28日07—08時迅速增強，08時(圖 5a)對流云團中心氣溫已降至-62 ℃，隨著兩個云團的繼續發展，09時兩者合并，形成了一個更大的對流系統MCS(bc)，中心氣溫下降至-72 ℃以下，合并后強度中心面積繼續發展，在12時之前云團基本維持在原地。12時在東邊的MCS(a)重新發展起來，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(圖5b)。在09—15時，云團中心的氣溫一直維持在-72 ℃以下；16 時對流系統開始減弱,17時后對流系統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，兩者同時生成后，迅速合并和加強，并維持在原地少動。分析云團和降水的關系，可以發現在降水的主要時段(07—14時)，降水落區主要發生在對流系統東北向的最大梯度區，兩者有很好的對應關系。

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TBB<-32 ℃)

2.4.2 雷達回波特征分析 從第2階段影響暴雨區期間陽江多普勒天氣雷達組合反射率因子圖上發現，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，表明初始對流開始形成(圖6a)。到 09時12分，在江門沿海地區形成了一條西南—東北走向的β中尺度對流系統，尺度達到40 km，其傳播路徑上的頂端回波加強明顯。10時30分中尺度對流系統的頂端有所減弱，但在對流系統的西偏南側不斷有尺度10～20 km的γ對流系統生成，并緩慢向東偏北移動補充原來的β中尺度對流系統，使β中尺度對流系統維持發展，并影響暴雨區，可以看到本次暴雨的雷達回波具有明顯的后向傳播性和列車降水效應。到了12時30分，β中尺度對流系統發展到最強，最大回波強度達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時后降水基本結束(圖6c)。整個過程，回波大值區都位于江門、陽江沿海地區，其余地區基本為層云性降水。過圖6b中AB處作線狀雷暴垂直結構圖(圖6d)，通過分析發現，線狀雷暴的垂直發展高度基本在10 km以下，同時回波主體質心大部分在5 km以下，最高延伸到8 km左右，且回波質心強度大部分在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構圖(d)

2.5 中尺度對流系統的觸發機制

在有利的天氣環境條件下，每個暴雨過程往往還需要一定的觸發條件，如低層中尺度輻合抬升、高低空急流抬升、鋒面抬升等[14]。在暴雨發生前，5月27日20時海岸線一帶以西南風為主，平均風速維持在5～6級左右，隨著熱帶低壓的減弱消散，28日03時海岸線一帶風速已降至1～2級，整個風場都以西南到南風為主。05時海岸線一帶西南風開始逐漸增大，并在其北推的過程中與江門中部陸地上的靜風或弱的東北風逐漸形成風向和風速的輻合，06—07時在江門沿海一帶形成了一條中尺度輻合線(圖7a)，此時輻合線兩側的地面氣溫相差2 ℃左右(圖7e)，南側多為大于4 m·s-1偏南風，北側風速很小，在輻合線南側有較強風速的輻合，此時在輻合線南側開始出現初始對流云團，并隨著西南風的北推，對流云團移到輻合線附近處時得到發展和增強，1 h后在輻合線附近出現20～30 mm·h-1的降水(圖7a)。此后隨著對流云團發展進入成熟階段，輻合線附近區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，08時后輻合線附近逐漸出現40～50 mm·h-1的降水，此后輻合線南側一直有新的對流單體生成發展并逐漸東北抬，形成對流后向傳播和列車效應，導致了這場強降水的發生。在強降水期間，中尺度輻合線一直穩定少動停滯在關鍵區域，直到14時后輻合線才逐漸減弱消失，對應的降水也開始逐漸減弱消散(圖7b～7d)。從圖中可以發現，強降水落區與中尺度輻合線均有較好的對應關系，強降水隨著中尺度輻合線的生成而發生，且強降水中心出現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定能量的釋放發揮了重要作用，為對流風暴的發生發展提供了較好的抬升觸發條件。

另外，地形的抬升作用也是觸發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，暴雨強中心落區剛好在22°N、112.5°E附近。當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入了江門恩平到江門臺山一帶，由于喇叭口效應和迎風坡的作用導致氣流強迫抬升，同時由于山頂高空輻散，氣柱形成強烈的抽吸作用，抬升與抽吸相結合形成強烈的上升運動，從而有利于充沛水汽垂直輸送，降水得到增強。而當氣流在經過江門西南部高低不平的山地時，因其摩擦作用而產生的湍流上升也會加強降水。此外，迎風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。

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

3 結果與討論

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

②分析物理量場發現，暴雨發生前本地上空水汽含量比較充足，水汽輻合明顯，近地層位勢不穩定，對暴雨的生成有利。垂直螺旋度值達到20×10-6hPa·s-2，有利于強對流系統生成、發展和維持，表明本次降雨的動力條件顯著。

③分析β中尺度對流系統表明，MCS(b)和 MCS(c)是造成此次降水的主要系統，兩者同時生成后，迅速合并和加強，并維持在原地少動。分析雷達資料表明，此次強降水具有明顯的后向傳播性和列車效應，雷達回波性質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新對流云團和輻合線南北兩側較大的溫差梯度，對強降水的發生發展提供了較好的抬升觸發條件，同時江門和陽江沿海的“喇叭口”地形使得對流加強，是造成此次致災暴雨的重要原因之一。