2020年10月海南一次持續強降雨過程分析

劉瑾 許向春

(1海南省三亞市氣象局 海南三亞 572000;2海南省氣象局 海南?？?570203;3海南省南海氣象防災減災重點實驗室 海南?？?570203)

海南頻發持續性暴雨天氣［1］，給當地農業帶來巨大損失。海南暴雨頻次、降雨總量以及強度近年均有上升趨勢，后汛期尤為明顯［2］。秋季，是夏季風向冬季風過渡的季節，冷空氣頻繁，強度逐漸增大，西北太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）南退，脊線逐漸移至華南沿海至南海北部一帶，在副高南側熱帶輻合帶活躍，冷空氣南壓至華南沿海一帶與熱帶低值系統相互作用可引發暴雨。海南秋季的強降雨與熱帶低值系統的活動密切相關，由熱帶低值系統直接引起——直接型［3-8］，或由熱帶低值系統與冷空氣相互作用造成——間接型［9］。在實際業務預報中，間接型暴雨多在短臨預報中進行監測、實時發布預警，相比直接型暴雨，較難提前把握其降雨強度及持續時間，開展間接型暴雨具體的天氣分析對業務工作有重要的現實意義。國內外學者針對冷空氣與熱帶系統相互作用開展了相關研究。Chang等［10］結果表明，冷涌進入南海的初始階段可促進熱帶擾動的增強。Srock等［11］認為，熱帶氣旋通過輸送暖濕空氣，與大陸北側冷空氣產生鋒生，激發中尺度對流系統的發生。針對海南秋季持續性暴雨天氣過程，符式紅等［12］研究結果表明，中緯冷高壓、南海熱低壓和副高三者相互作用，誘發的低空急流有利于氣流在海南島輻合，高層輻散、低層輻合的高低空天氣系統配置是海南島后汛期特大暴雨發生的主要環流特征。馬學款等［13］報道，冷、熱氣團相互作用導致持續鋒生，強迫產生的熱力直接環流上升與低空急流是對流系統發展的主要動力。周海霞等［14］應用w方程對熱帶低壓的不對稱結構進行診斷，解釋了海南暴雨分布不均的特征。簡茂球等［15］認為，加里曼丹島和菲律賓南部附近地區的大氣準雙周低頻振蕩對海南島持續性暴雨過程有重要影響。暴雨的形成機制一直是業內探討的熱點問題，針對海南島秋季持續強降雨，現有研究大多是對整個天氣過程進行天氣學診斷，暴雨不同階段的成因可能不同，對比持續性暴雨不同階段的成因，將進一步加深對多系統相互作用下持續性暴雨形成機制的認識。本研究對海南2020年10月15－19日持續強降雨過程進行分析，重點討論冷空氣頻繁誘發的持續東北急流，及其與南海輻合帶相互作用造成的持續強降雨過程，并對比2個強降雨時段（16日20時至17日08時和18日08時至20時）的天氣學機制。

1 資料與方法

1.1 數據來源

利用海南島區域自動站、探空等常規觀測資料，海口站和三亞站多普勒雷達和NCEP FNL數據，NCEP FNL數據是空間分辨率為1°×1°的再分析資料，時間分辨率為6 h，從NCAR數據庫免費獲?。╮da.ucar.edu/）。

1.2 方法

為討論海南島不同時段的降水分布特征，運用北部、中部和南部地區站點1小時降雨、3小時氣壓與變壓數據繪制時序圖。為突出主要降雨特點，選擇北部、中部和南部地區最大累計雨量站點，分別為海口舊州鎮政府站、瓊中馬場站與三亞大茅山莊站點。對雷達、再分析數據進行再處理，通過計算相關物理量診斷其分布特征，進一步討論降雨成因。其中，對本研究有重要意義的是對濕位渦的診斷。吳國雄等［16］將濕位渦定義為單位質量氣塊的絕對渦度在相當位溫梯度方向的投影與這一梯度絕對值的乘積，對無摩擦、濕絕熱的飽和大氣滿足濕位渦守恒。將濕位渦在等壓面上展開，定義其垂直和水平分量分別為MPV1，MPV2。

MPV1是濕正壓項，北半球大氣對流不穩定時，MPV1＜0；在大氣對流穩定時，MPV1＞0。MPV2是濕斜壓項，它的數值由風的垂直切變（水平渦度）和θe的水平梯度決定，在濕位渦守恒的制約下，θe面傾斜越大，氣旋性渦度越強烈，這種渦度的增長稱為傾斜渦度發展。

2 結果與分析

2.1 強降雨分布情況

繼2020年第22號臺風“環高”于2020年10月15日中午登陸越南，南海季風槽仍然活躍，雖未加強為熱帶低壓，但與冷空氣持續相互作用，導致海南島2020年10月15日08時至19日08時（北京時間，下同）出現持續強降雨天氣。如圖1-a所示，過程累計雨量呈中部地區最大（600～740 mm）、東部和南部地區次之（200～500 mm）、西部和北部最小（100 mm以下）的分布特征，其中最大累計雨量為747 mm，位于瓊中地區馬場站點。分析北部、中部和南部地區過程最大雨量站點的1小時降雨時序圖，圖1-b表明，整個天氣過程有2個強降雨時段：16日20時至17日08時，主要位于海南島中部地區，小時雨量達到20 mm及以上的強降水過程持續達10 h，12小時累計雨量最大值位于瓊中地區馬場站點，為265 mm；18日08時至20時，主要位于海南島中部和南部地區，12小時累計雨量最大值位于三亞地區鳳凰島站點，為164 mm。

圖1 強降雨分布情況

此次強降雨過程影響范圍廣、降水強度大、持續時間長，給海南島造成了嚴重的洪澇災害。

2.2 環流背景與影響系統的演變特征

分析2020年10月15－19日平均環流形勢場（圖2-a），500 hPa高度場亞歐中高緯為一槽一脊形勢，東亞槽從鄂霍次克海經日本海南伸至中國東部地區，貝加爾湖受弱脊控制。副高較弱，呈塊狀，脊線位于20°N附近，西伸至廣西沿海一帶。中國中東部地區850 hPa呈反氣旋環流，東部海域至華南沿海維持東北氣流，海南島至南海北部有大范圍偏東急流，結合溫度密集帶，表明低層有冷空氣入侵。中南半島至南海中部有熱帶輻合帶，熱帶對流云團發展活躍。

14日起，東北冷渦及低槽緩慢東移，貝加爾湖高壓脊前不斷有短波槽并入冷渦，其冷平流的動力加壓作用使低層東部地區維持反氣旋環流，出現東北急流，副高多位于西太平洋至中國東部一帶。16日（圖2-b），蒙古西部冷高壓加強并向我國中部和東部地區擴散，溫度密集區南壓至兩廣沿海地區，副高位于在兩廣一帶，呈帶狀，低層長時間東北急流的維持為海南島中部地區帶來輻合，200 hPa高層輻散，為海南島中部地區帶來強降雨天氣。18日（圖2-c），青藏高原北部有短波槽東移發展并引導弱冷空氣南下，副高加強至塊狀，南海輻合帶由12°N北抬至15°N附近海域，出現較明顯氣旋式環流，水汽輸送增強，東南急流和東北急流的輻合造成海南島中部和南部地區的第二次強降雨過程。19日之后，南海輻合帶西移至中南半島，海南島全部被東北氣流控制，動力與水汽條件不足，海南大范圍強降雨過程結束。

分析海口、瓊中、三亞最大累積降雨站點三小時氣壓和變壓時序圖，結果（圖2-d）表明，15日起海南島北部和中部地區氣壓逐日緩慢上升，南部地區18日之前緩慢下降，18日之后明顯上升；17日海南島北部和中部地區變壓達到峰值，18日南部地區變壓達到峰值，說明前期受地形阻擋作用，冷空氣主要影響中部地區，18日冷空氣補充南下，與北移的南海輻合帶共同作用，影響南部地區。

圖2 環境背景、氣壓和變壓時序圖

從以上分析可知，冷空氣頻發導致低空急流長時間維持并南壓，與南海輻合帶相互作用，是此次強降雨過程的主要天氣學成因，也是海南秋季持續強降雨的重要預報著眼點。因此，有必要對二者相互作用的物理機制作進一步探討。

2.3 冷空氣與南海輻合帶相互作用

2.3.1 冷空氣引發持續低空急流

冬季風期間，中國北部主要盛行西北氣流，30°N以南則為東北氣流控制，當中高緯大陸冷空氣向南爆發，南海和熱帶西太平洋一帶東北風風速加強的一種低層大氣現象一般稱為冷涌［17］。有關學者［18］指出，東亞和東南亞的冷涌是淺薄的，主要限于700 hPa以下。目前關于冷涌的定義尚無統一標準，Lau等［19］將冷涌定義為：（1）南海北部海域（15－20°N，110－115°E）偏北風增大到8 m/s以上；（2）偏北風增大前0～24 h內，中國香港（或廣州）與武漢的氣壓差大于等于8 hPa。本次過程冷空氣爆發于華北和華東地區，造成了地面明顯降溫（最大降溫近11℃/d）和大風天氣，南海北部海域1 000 hPa垂直運動和偏北分量風速的平均值和最大值見圖3。平均值均較小，偏北分量在16日夜間逐漸加強至10.5 m/s，直至19日均大于8 m/s，廣州與武漢氣壓差10月14日達到10 hPa，直至16日氣壓差達到最大，為11 hPa。因此，冷涌是此次過程東北急流長時間維持的主要原因。由圖3可知，偏北分量風速最大值的出現時段較最大上升氣流提前一天，表明東北急流有利于觸發強降雨過程。

圖3 南海北部海面（15～20°N，110～115°E）1 000 hPa垂直運動和偏北分量風速

2.3.2 冷空氣入侵的影響

14日，低緯地區受東南風控制，干冷空氣維持在25°N附近，南海輻合帶活躍于12°N一帶。受較強冷空氣影響，16日中緯地區出現東北急流，冷空氣南壓，于16日夜間到達兩廣一帶（圖4-a），假相當位溫經向梯度達到6 K/（100 km），925 hPa海南島陸地的偏東急流風速達到24 m/s，與東北急流輻合帶來強上升運動，并在海南島中部形成明顯水汽輻合（圖4-b），造成第一次強降雨。之后，弱冷空氣繼續向南擴散（圖4-c），整個海南島受東北急流控制，17日夜間925 hPa風速第二次達到24 m/s，南海輻合帶北移西收，位于14°N附近，氣旋式環流加強，為海南島南部沿岸帶來暖濕的東南氣流，與東北急流輻合，為海南島南部陸地帶來良好的動力抬升和水汽條件，此時水汽輻合中心南移至海南島南部陸地至南部海面區域（圖4-d），在海南島南部陸地發生第二次強降雨過程。冷空氣與南海輻合帶及水汽條件的發展與移動見圖4-e、圖4-f。楊薇［20］指出，偏東氣流影響下，海南島“中間高、四周低”環形層狀分布的地形［21］促使東部地區出現有利于水汽抬升的環流配置，同時阻擋水汽向西輸送，導致海南島中部地區長時間維持水汽輻合。18日夜間，隨著冷空氣繼續擴散，南海輻合帶西退并逐漸減弱，抬升與水汽條件不足，強降雨過程結束。結合雷達組合反射率因子和徑向速度圖像（圖5-a、圖5-b），16日夜間，徑向速度圖呈“S”型，由于地形阻擋，在海南島中部陸地形成范圍較大、東西走向的回波帶。17日夜間，最大徑向速度達到34 m/s，速度模糊范圍較大，并維持較長時間。

圖4 冷空氣入侵情況

圖5 反射率和徑向速度

以上結合風場與地形分析了冷空氣對此次過程2個強降雨時段的影響，此次過程在暴雨的維持、南海輻合帶的發展與北移方面的物理機制需要進一步思考。

2.4 濕位渦與傾斜位渦發展

低層濕位渦分析和傾斜渦度發展理論是持續暴雨動力天氣和動力氣候研究的一個重要內容［22］，濕位渦是能表征大氣動力、熱力和水汽性質的綜合物理量。

暴雨前期冷空氣主體位于海南島中層（圖6-a），“上冷下暖”為暴雨的持續發生積累不穩定能量，海南島中低層MPV1＜0，大氣呈對流不穩定（圖6-b）；MPV2在中層為弱負值，低層為弱正值，在近地面冷暖空氣交界、約23°N附近區域有明顯較大正值，與上升運動對應。第一次強降雨時段（16日20時至17日08時），海南島中層冷空氣下沉，直至低層并侵入暖濕的對流不穩定區，不穩定能量有所釋放，假相當位溫等值線接近垂直，MPV1呈弱負值，低層MPV2大正值區移至海南島（圖6-c、6-d）。第二次強降雨時段（18日08時至18日20時）垂直運動、假相當位溫、濕位渦的分布與第一次強降雨時段類似，與之不同的是，海南島南部海域偏南風大值區由12°N北抬至16°N（圖6-e、6-f），偏南分量加大與渦度正值區的北移密不可分（圖6-g），對比圖6-b、6-d、6-f可知，正渦度的強度和延伸高度逐漸增大。

吳國雄等［16］指出，在濕位渦守恒的制約下，假相當位溫面傾斜越大，氣旋性渦度越強烈，這種渦度的增長稱為傾斜渦度發展，為垂直渦度增長的充分條件：當MPV1＜0且MPV2＞0時，傾斜渦度發展。暴雨發生時段海南島低層不穩定能量釋放，暖濕氣流沿著干冷空氣爬升，與沿等假相當位溫面下滑的干冷空氣發生強烈輔合，低空急流的加強，導致MPV2增加，渦度發展（圖6-h）。崔曉鵬等［23］指出，氣旋的發展和移動與等熵面的傾斜密切相關，南海輻合帶的北移很可能與海南島上空渦度發展有關（二者詳細的動力學方面的機制仍需進一步研究），為第二次強降雨過程帶來南海暖濕氣流，補充了不穩定能量，再加上地形的強迫抬升，形成強烈的垂直上升運動，導致持續強降雨。

圖6 濕位渦與傾斜位渦發展情況

續圖6 濕位渦與傾斜位渦發展情況

3 結論

本研究從傾斜濕位渦發展的視角解釋南海輻合帶的北移，為研究此類天氣過程的學者提供思路。低壓北移與眾多因子有關，比如引導氣流的強弱、對流的分布、中尺度系統相互作用等等。暴雨形成與地形和急流的日變化關系密切，仍需進一步研究。

本研究運用常規觀測資料、多普勒雷達和NCEP FNL1°×1°再分析數據，對海南島2020年10月15－19日持續強降雨過程進行分析，著眼頻發冷空氣與南海輻合帶之間的相互作用，對比分析兩個強降雨時段（16日20時至17日08時和18日08時至20時）的天氣學機制。

（1）此次持續強降雨過程發生在副熱帶高壓環流較弱的環流背景下，冷空氣與南海輻合帶相互作用，低層持續出現東北急流，先后與偏東、東南急流輻合，為對流的發展提供有利的動力和水汽條件。

（2）冷涌是東北急流長時間維持的主要原因。由于地形阻擋，在海南島中部地區發生長時間東北急流與偏東急流的輻合，有利于不穩定能量釋放，是第一階段暴雨形成的主要機制。

（3）運用濕位渦與傾斜位渦發展理論，強降雨發生之前海南島MPV1明顯為負值，冷空氣南下為海南島造成“上冷下暖”的對流不穩定層結。隨第一次暴雨過程冷空氣下沉，釋放不穩定能量，假相當位溫面接近垂直，海南島低層有MPV2較大正值區，斜壓不穩定加強，同時傾斜渦度發展，導致南海輻合帶略有加強并逐漸北移，為海南島南部陸地帶來東南急流，與南壓的東北急流輻合，不穩定能量得以重建，造成第二次暴雨過程。