珠三角北部一次暖區強降水過程中的地形作用

陳芳麗，劉顯通，曾丹丹,3，姜帥,4，甘泉，梁家杰,5

(1.惠州市氣象局，廣東 惠州516001；2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州510641；3.河源市氣象局，廣東 河源517000；4.惠州市突發事件預警信息發布中心，廣東 惠州516001；5.陽江市氣象局，廣東 陽江529599)

1 引 言

不同于鋒面和臺風等產生的暴雨，高溫、高濕環境背景下產生的華南暖區暴雨具有降水效率高、強度大、影響范圍小、突發性強、地域性明顯和降水時段集中等特點，其形成條件往往呈現為環境大氣水汽含量充沛、熱動力不穩定性強和天氣尺度斜壓性強迫不明顯等，同時由于特殊地形和海陸熱力差異的外強迫作用顯著，以及海上邊界層西南（偏南）氣流觀測數據的不足等，導致對影響系統的分析和掌握容易出現時間和空間上的偏差，而目前我國預報業務中使用的全球數值預報模式對暖區暴雨的預報能力十分有限，高分辨率中尺度數值模式的預報效果也不盡人意[1-2]，雖然在實際業務中預報人員會根據經驗等進行主觀訂正，但對其落區、量級、影響時間等仍不能很好地把握，預報結論與實況往往存在較大的偏差，甚至出現完全漏報等情況，因此暖區暴雨一直是預報業務中的難點問題之一。

暖區暴雨發生在較復雜的背景下，地形的外強迫作用不可忽視[3-7]，暖區暴雨發生頻率最高的華南地區更是如此[8-11]，因此，很多學者對于地形在華南暖區暴雨中的作用研究給予高度重視，對其進行數值模擬實驗是重要的研究方向之一，如王堅紅等[12]通過WRF數值模擬結果指出粵西地形偏南暖濕氣流的正面阻擋和狹管效應造成暴雨頻繁特征，粵東沿海山脈的側向阻擋與摩擦效應不僅增強西南輻合線強度也加強垂直上升運動強度；Du等[13]通過敏感性試驗模擬了華南沿海地區地形、海岸線等對對流觸發和發展的影響，指出局部小地形可以調控對流觸發和發展的位置和時間；孫健等[14]指出華南地區復雜的地形為暴雨提供主要的動力作用；孫建華等[15]指出中尺度地形尤其是喇叭口地形對強暴雨的強度和落區有一定的影響；劉蕾等[16]指出地形重力波拖曳可以使能量在中層輻散，導致氣流的垂直上升運動加強，從而使降水出現明顯增幅；李博等[17]指出華南地區數百米的山地可影響到對流層中上層環流變化。也有學者利用觀測數據和再分析資料研究了暖區暴雨個例中地形的作用，如夏如娣等[18]指出南嶺山脈的喇叭口地形對偏南暖濕氣流有明顯的輻合抬升作用；于鑫等[19]指出地形的動力抬升和輻合作用在有的粵西沿海局地短時大暴雨個例中并不明顯；葉朗明等[20]則指出地形對一次弱天氣背景下粵西沿海暖區局地特大暴雨的觸發起重要作用；汪海恒等[21]指出峽谷和喇叭口地形加強了偏南氣流的匯入和輻合作用?？梢姾０毒€、沿海地形、喇叭口地形和峽谷等對暖區降水強度和落區的重要作用，同時，不同尺度地形對降水的作用不同[22]。

2020年6月5—9日，廣東省出現了自2005年（“05.6”特大暴雨洪澇）以來最強的一次“龍舟水”降水過程，具有持續時間長、暴雨范圍廣、累積雨量大、短時強度強、強降水區域集中的特點，惠州龍門龍潭錄得了全省過程最大降水量974.3 mm，其中7日夜間到8日為此輪降水峰值期，珠三角北部降水量級達大暴雨到特大暴雨，該區域最大24 h累積降水量為廣州增城正果何屋377.5 mm，期間主雨帶沿南嶺南側的迎風坡緩慢移動，體現了地形對強降水的增幅作用，因此，本研究通過對7日夜間到8日強降水過程中大氣環流背景場和雷達回波等特征，以及珠三角北部地形作用的分析，旨在闡釋弱高空短波槽、強盛低空西南暖濕氣流和邊界層西南（偏南）氣流共同影響下，珠三角北部地形在此次強降水過程中的重要作用，以期為今后此類重大天氣過程的預報預測服務提供更詳細的理論依據。

2 資料與方法

本研究主要通過天氣學統計進行分析。所用數據包括2020年6月7—8日ERA5（the fifth generation ECMWF reanalysis）逐小時全球再分析數據，水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直分辨率17層；地面實況觀測和探空資料，廣東風廓線雷達產品和雷達拼圖產品。地形數據來自satellite geodesy全球地形數據和MICAPS中國矢量地形。

3 強降水的時空演變和大氣環流背景特征分析

3.1 強降水的時空演變特征

2020年6月7日20:00—8日20:00（北京時，下同），珠三角北部≥200 mm的強降水落區主要出現在清遠南部-廣州東北部-惠州西北部，大致呈西北-東南向的弧形分布（圖1），其中以從化鰲頭和增江流域的龍門永漢、麻榨-增城正果附近地區累計雨量最大。從地形分布特征來看，珠三角地區是一個達數百公里范圍、向東南開口的“喇叭口”地形[22]，其南臨南海，北端的清遠、從化一帶與南嶺相接，交界處最高山峰海拔不足1 300 m，其中北回歸線上的南昆山位于從化、增城和龍門交界處，平均海拔約600 m。結合地形與強降水落區可以明顯的看出，強降水落區位于珠三角北部與南嶺南側，主雨帶沿南嶺山脈南側地形分布，即地形對此次強降水落區等具有重要影響。

進一步分析珠三角北部強降水的空間變化特征，標示出降水強度≥50 mm/h的雨團位置（圖2a），根據雨團移動路徑時間演變劃分，大致可分為3個階段：第1階段，強降水主要出現在清遠南部到廣州東北部一帶；第2階段，雨帶逐漸東移南壓，至南昆山西側邊緣的增江流域附近，為最強降水時段；第3階段，強降水落區處于南昆山山脈東南側邊緣地帶，呈減弱趨勢。根據3個階段內各氣象監測站降水量大小，選取代表站點逐時降水量來分析強降水的時間變化特征（圖2b），代表站位置如圖1所示，第1階段代表站點為從化鰲頭，強降水主要發生在7日20:00—8日02:00；第2階段為點線表示的5個站點，累積降水量均超過300 mm，強降水集中在8日凌晨和上午，持續時間最長；實線為第3階段降水量排名前2的站點，強降水主要發生8日中午前后，持續時間最短。

圖1 2020年6月7日20:00—8日20:00珠三角北部累積降水量(等值線)和地形分布(陰影區，單位：m)

圖2 2020年6月7日20:00—8日20:00珠三角北部雨團移動路徑(a)和代表站點逐時降水量(b)a中陰影為地形，單位：m；閉合細線構成區域為降水強度超過50 mm/h區域，線上的值為時間，黑色斷線箭頭為雨團移動方向；①②③橢圓形粗紅色線區域表征雨團移動的三個階段區域。

3.2 大氣環流背景特征

此次強降水發生在典型的廣東暖區暴雨大氣環流形勢背景下，主要影響系統為對流層中層弱短波槽、低空西南氣流和邊界層西南（偏南）氣流等。

7日夜間—8日早晨，華南地區地面受低壓槽控制，廣東境內海平面等壓線呈東北偏北-西南偏南向（圖略）；500 hPa多弱短波槽活動（圖3a、3b、3c），其中湘西南-桂東北的弱短波槽東移南壓至粵北-珠三角一帶，8日白天弱短波槽移出珠三角地區后，強降水區及其上游以偏西風為主。結合MICAPS數據分析可知（圖略），7日生成于云貴高原東部的低渦，在向偏東北方向移動過程中引起其東南側邊界層風場氣旋式彎曲，使得珠江口附近偏南風風量增加，如圖3d所示，7日20:00珠三角處于850 hPa為低空西南氣流控制，950 hPa上南海西北部西南急流輸送至珠三角區域時轉為偏南風風向，珠三角地區由南向北風速逐漸減小，形成明顯風速輻合，沿23.5°N經強降水區的垂直風場和散度場（圖4a）上可以看出，113°E附近的對流層低層為輻合區，邊界層為較淺薄的偏南風，即此時暖濕氣流在珠三角北部形成了輻合抬升，導致第1階段強降水的發生發展。

8日02:00（圖3e），對流層低層風速出現明顯增大，950 hPa珠三角上空風向氣旋式曲率減小，珠三角北部邊界層風速輻合明顯加強（圖4b），并向東擴展，第2階段區域內降水強度逐漸增強。隨著高空短波槽繼續向粵北-珠三角一帶東移南壓，層低層暖濕氣流的輻合抬升，利于強降水的發生發展。即，隨著短波槽的東移南壓和對流層低層風向的順時針偏轉，使得雨區沿地形逐漸南壓，形成了第2和第3階段的強降水。08:00，850 hPa風向已轉為向西南偏西風（圖3f），950 hPa珠江口也轉為西南風，邊界層強輻合區繼續東擴（圖4c），同時垂直向上延伸，呈現出顯著的低層輻合-高層輻散的高低空配置形勢，造成對流

圖3 2020年6月7日20:00(a、d)和8日02:00(b、e)和08:00(c、f)500 hPa風場和高度場(等值線，間隔2 dagpm)（a、b、c）以及850 hPa風場(紅色風向桿)、950 hPa風場(藍色風向桿)和950 hPa全風速(等值線，≥10 m/s（)d、e、f）紅色斷線框為強降水區，a、b、c中深紅色實線為槽線。

圖4 2020年6月7日20:00(a)、8日02:00(b)和08:00(c)沿23.5°N的風場(風向桿)和散度場(陰影區為負值，單位：10-1 s-1)垂直-經向剖面

上述分析指出，除高空短波槽對強降水的動力抬升作用，對流層低層暖濕氣流的演變起著至關重要的作用，不同于再分析資料和實況數據，時空分辨率更高的風廓線雷達產品可清晰地顯示出對流層低層暖濕氣流，尤其是邊界層氣流演變的時空特征。珠海風廓線雷達位于珠江口西側沿海，強降水區南側西南（偏南）風的上風區，分析該站垂直風場（圖5）可以發現，7日夜間—8日850 hPa層上西南急流強度變化不明顯，但在925~1 000 hPa邊界層上風速變化顯著，存在明顯的日變化特征[23]，超過10 m/s大風速的下邊界3次明顯的向下擴展至460 m以下，時間大致為7日23:00、8日04:00和07:00前后，表明邊界層西南（偏南）風風速明顯的增大過程。8日早晨至上午大風速下邊界緩慢抬升，但始終維持在460 m以下，結合圖2b中降水逐時變化可以看出，每次大風速下邊界出現明顯下擴時，珠三角北部的雨強也隨之增強。

圖5 2020年6月7日19:30—8日14:00珠海風廓線雷達風羽 時間間隔30 min，紅色箭頭或線段表示10.8 m/s風速的下邊界擴展方向、高度位置。

在上述天氣尺度系統影響下，分析7日20:00強降水區西側的清遠探空（圖6）可以看出，400 hPa以下存在深厚的濕層，對流有效位能（CAPE）為1 228.1 J/kg，對流抑制能量（CIN）為15.9 J/kg，K指數高達41.9℃，通過計算可知大氣可降水量為77.9 kg/m2，表明大氣層結處于不穩定狀態，且水汽充沛，對流易被觸發，對流類型以短時強降水為主。

圖6 2020年6月7日20:00清遠探空圖

綜上所述，東移南壓的短波槽為此次強降水提供了動力抬升條件，而低空西南暖濕氣流和邊界層西南（偏南）氣流形成的風速輻合及脈動等為強降水的發生發展提供了充沛的水汽和熱力不穩定條件，利于珠三角北部強降水的發生發展。

4 雷達回波演變特征

不同于梅雨期間地形作用下產生的具有組織化帶狀特征回波[24]，如圖7所示，此次過程中強降水回波表現為團狀結構，多以對流單體形態生消，并伴隨明顯的“列車效應”現象。為便于表述和歸納，根據對流單體生成和主要活動區域大致劃分了4個區，分別標以A、B、C、D區，其中A區為清遠南部-廣州北部地區，B區為增城-龍門西部-博羅西部地區，C區為在珠江口西側沿海觸發后發展起來的降水回波活動區，D區為佛山至清遠佛岡一帶生成東移的降水回波活動區，其中A、B區為此次過程的珠三角北部至南嶺南側的主雨帶區域。

圖7 2020年6月7日20:00—8日14:00廣東省雷達拼圖的組合反射率特征(單位：dBZ，A~D為對流活動區域編號)

隨著邊界層偏南氣流增強，輸送至清遠南部-廣州北部一帶，A區內對流單體不斷生成，其中7日22:00—23:00期間對流單體具有明顯的后向傳播特征（圖略），最大回波強度超過50 dBZ。7日23:00—8日02:00清遠南部-廣州北部對流單體東移緩慢，強度變化不大，期間清遠清城區最大時雨量達121.9 mm，即不斷生成和緩慢東移的對流單體造成了第1階段的強降水；8日02:00后，隨著弱高空短波槽東移南壓，以及邊界層風速再次加強和風向漸轉為西南風，A區西側清新至鰲頭的強回波逐漸減弱，降水回波逐漸向南昆山附近匯聚，第2階段強降水逐漸加強。8日凌晨至08:00，降水回波的活躍區域主要在B區和C區，凌晨珠江口的東莞附近有回波不斷生成、發展，并向東北向移動匯入B區，04:00—05:00博羅北部出現明顯“列車效應”現象（圖略），而C區生成并加強的回波在東移過程中，北段06:00后并入B區，加強了正果-麻榨-永漢的降水強度，增城正果最大時雨量為80.1 mm；D區降水回波在8日上午生成，東移加強后11:00并入B區，此時博羅境內最大時雨量也達88.7 mm，12:00后回波主要位于南昆山南側，回波移速加快，呈減弱態勢，形成了第3階段強降水。上述分析表明強降水回波主要分布在珠三角北部和南嶺南側，但3個階段內強降水回波的持續時間、強度，以及回波觸發地、傳播和移動方向等存在差異。

5 地形對強降水的增幅作用

上述分析可知，在有利的大氣環流背景下，此次過程中主雨帶與地形走勢一致，強降水的發生發展與地形和影響系統的演變密切相關。

5.1 珠三角北部地形對強降水的輻合抬升和攔截作用

當邊界層西南（偏南）風從南海西北部向珠三角平原輸送時，受粗糙下墊面摩擦，風速由南向北呈減小趨勢，形成急流前側的風速輻合，疊加珠三角北部地形對氣流抬升和阻擋等作用，造成珠三角北部對流觸發和發展。

第1階段，隨著邊界層偏南暖濕氣流加速，珠三角北部水汽通量輻合強度隨之不斷增大（圖8a），且最大值中心位于南嶺南側的清遠南部和從化西部，該區域垂直速度負值區強度亦不斷增強（圖8d），地面實況10 m風場上也可以分析出較明顯東南風與東北風形成的中尺度輻合線（圖略），利于對流的發展和維持，表明地形對邊界層偏南暖濕氣流起到抬升和阻攔作用[22]，雷達圖上強降水回波平行于山脈緩慢東移。同時，7日22:00—23:00珠三角西北側有新對流單體生成，并沿地形較快速向東北移動，與強降水區內對流單體合并。另外，由于邊界層偏南風速脈動和珠江口海岸地形的共同作用，珠江口東側東莞附近也有新的對流單體不斷生成，隨后向東北移至增城到博羅一帶地區。

第2階段，8日02:00—04:00南海北部至珠三角上空邊界層偏南風風速再次出現脈沖，使得珠三角地區水汽通量輻合和垂直上升運動明顯增強，二者最大值中心均位于珠三角與南嶺交界處附近（圖8b、8e），即在海岸地形和南嶺山脈的動力抬升作用下，不僅觸發了沿海新的對流單體生成，同時也使得A、B區降水增強，其中B區降水更為顯著（圖2b）。8日06:00—08:00邊界層西南風風速再次出現脈沖，水汽輻合區隨著風向的轉變已移至南昆山西南側的從化-增城，亦為山前最強（圖8c），垂直方向表現為對流層低層水汽輻合區厚度增大、強度增強，垂直速度負值中心顯著增強（圖8f），此時，不同方向的對流單體向增城-南昆山一帶匯集，回波強度維持在50 dBZ左右，小時雨強超過80 mm，當對流回波翻過南昆山繼續東移時，強度則呈明顯的減弱趨勢，因此，第2階段在增城東北部至南昆山西南側地形對邊界層西南氣流的抬升和攔截作用，使得該區域出現了此過程的最強降水中心。

圖8 2020年6月7日20:00(a、c)和8日02:00(b、d)和08:00(c、f)950 hPa水汽通量散度場（a~c，間隔5×10-8 g/(cm2?hPa?s)和沿113.5°E垂直-緯向水汽通量散度場(填色)和垂直速度場(等值線，間隔2×10-1 Pa/s)剖面圖（d~f） 黑色三角形為南嶺南側位置。

第3階段，強降水主要由D區的降水回波東移加強并入B區后形成。8日10:00開始邊界層大風速下邊界逐漸抬高，11:30后邊界層西南風風速明顯減弱，氣流輻合和抬升條件趨于減弱（圖略）。當回波移至南昆山南側，進入博羅西部后，下墊面變為丘陵和平原，山脈阻擋作用減弱，在影響系統作用下，回波移速加快，東移南壓至惠州中部地區時，回波強度已減弱到40 dBZ左右。

綜上所述，在高空短波槽東移南壓、低空西南急流和邊界層西南（偏南）急流演變下，南海西北部邊界層偏南（西南）急流出現多次脈動，沿海地形的抬升作用使得新的對流單體在珠江口附近生成和發展，同時由于南嶺南側地形對邊界層氣流的阻擋和攔截，邊界層西南（偏南）急流在山前形成明顯的輻合抬升，造成了珠三角北側新對流單體不斷生成，并沿地形減慢移動和不斷匯聚，增強了珠三角北部降水強度，導致了此次強降水的發生、發展。

5.2 珠三角北部地形對強降水的維持作用

此次強降水過程具有持續時間長的特點，這與海陸熱力差異、冷池和邊界層偏南（西南）暖濕氣流脈沖等有關。從第3.2節對大氣環流背景的分析可知，此次過程并無冷空氣南下滲入廣東。分析地面2 m露點溫度（圖9）和氣溫（圖略）可知，強降水區存在西北-東南向的露點鋒，露點鋒附近T-Td小于1℃。珠三角地區露點溫度一直維持26℃以上，呈現出由珠江口向北部伸展的暖舌，同時南嶺山區由于降水和夜間大陸氣溫下降等形成氣溫和露點溫度低值區，24℃等露點溫度線在早晨南壓最明顯，08:00露點鋒梯度達到最大（圖9c），龍門至增城之間的溫差約4℃/（100 km），即隨著邊界層暖濕氣流的不斷脈沖，使得珠三角地區暖舌維持，而強降水區北側23～24℃等溫線逐漸南壓，由于邊界層暖濕氣流的頂托作用，使得南嶺南部至珠三角北部露點鋒強度不斷增強，且長時間維持，露點鋒的增強和維持使得該區域內一直處于大氣層結不穩定狀態，利于強降水的發展和維持。

圖9 2020年6月7日20:00(a)和8日02:00(b)和08:00(c)2 m露點溫度場(等值線，間隔1℃)和10 m風場(風向桿)紅色斷線框為強降水區，填色為地形。

此外，分析地面高時空分辨率的氣象監測站實況風場，可以發現，第2階段內由于降水產生的冷池出流與邊界層增強的西南-偏南氣流，在龍門永漢-增城正果附近形成了明顯的地面輻合線，04:00和07:00最顯著（圖10），而該區域處于南昆山與羅浮山之間的河谷、丘陵地帶，從增城風廓線雷達垂直風場（圖11）也可以看出，8日上午該站邊界層轉為東北-偏北風。對應于圖2降水的時空分布，地面輻合線的出現和增強與該區域內強降水的維持和增強時間一致。

圖10 2020年6月8日04:00(a)和07:00(b)地面氣象監測站風場 藍色實線箭頭為東北和偏北流線，紅色實線箭頭為西南和偏南流線，藍色雙斷線為風向輻合線。填色為地形。圓點為代表站點。

圖11 2020年6月7日20:00—8日14:00增城風廓線雷達風羽(時間間隔：30 min)

因此，露點鋒的增強和維持使得珠三角北部大氣層結長時間處于不穩定狀態，為該區域內強降水的發展和維持提供了熱力不穩定條件，而地面輻合線的存在加強了對流層底層氣流的輻合抬升，進一步增強了強降水區的降水強度。

6 小 結

（1）6月7日夜間—8日白天珠三角北部強降水發生在廣東“龍舟水”期間，強降雨帶沿南嶺南部山脈邊緣呈西北-東南向弧形分布，體現了地形對強降水的重要影響。

（2）此次珠三角北部強降水過程是在典型的暖區暴雨環流特征的背景下發生的，主要影響系統為對流層中層弱短波槽擾動、低空急流和邊界層急流脈沖等，東移南壓的短波槽為此次強降水提供了有利的動力抬升條件，而低空西南暖濕氣流和邊界層西南（偏南）氣流形成的風速輻合及脈動等為強降水的發生發展提供了充沛的水汽和熱力不穩定條件，利于珠三角北部強降水的發生發展。

（3）此次過程中強降水回波表現為團狀結構，多以對流單體形態生消，伴隨明顯的“列車效應”現象。3個不同發展階段內強降水回波的持續時間、強度，以及回波觸發地、傳播和移動方向等存在差異。

（4）在有利的天氣尺度系統影響下，南嶺南側地形對邊界層氣流的阻擋和攔截，使得氣流在珠三角北部形成明顯的輻合抬升，造成對流單體在南嶺南側移速減慢和匯聚，增強了降水強度，導致了此次強降水的發生、發展。

（5）強降水長時間的持續與海陸熱力差異、冷池和邊界層暖濕氣流脈沖等引起的地面露點鋒和中尺度輻合線長時間維持有關。露點鋒不斷增強和維持使得珠三角北部大氣層結長時間處于不穩定狀態，為該區域內強降水的發展和維持提供了熱力不穩定條件，而地面輻合線的存在加強了對流層底層氣流的輻合抬升，進一步增強了強降水區的降水強度。