“海葵”臺(tái)風(fēng)殘渦極端暴雨的對(duì)流組織特征及成因

摘要 基于多源觀測(cè)數(shù)據(jù)揭示了臺(tái)風(fēng)“海葵”殘渦極端降水過程中的對(duì)流組織和發(fā)展特征，并從環(huán)流熱動(dòng)力特征和渦度收支分析了大灣區(qū)極端降水成因。粵港澳大灣區(qū)極端暴雨發(fā)生在“海葵”減弱殘渦環(huán)流背景下，在累計(jì)降水量、短時(shí)雨強(qiáng)等方面具有顯著極端性特征。2023年9月7—8日臺(tái)風(fēng)殘渦環(huán)流在珠江口北側(cè)停滯回旋并重新增強(qiáng)，珠江口地區(qū)附近出現(xiàn)罕見的準(zhǔn)靜止“人”字形的組織化對(duì)流結(jié)構(gòu)，對(duì)流單體在港島南側(cè)合并增強(qiáng)，并自南向北經(jīng)過港深地區(qū)造成極端強(qiáng)降水。雨滴譜觀測(cè)表明降水具有高粒子密度的海洋型對(duì)流降水特征，在降水增強(qiáng)時(shí)段雨滴直徑顯著增加，有效提升了暖云降水強(qiáng)度。雷達(dá)觀測(cè)表明對(duì)流垂直結(jié)構(gòu)具有低質(zhì)心特征，云頂高度超過8 km，深厚暖云中的降水粒子的碰并增長(zhǎng)特征明顯，產(chǎn)生了高數(shù)密度、大直徑的雨滴特征。在弱環(huán)境場(chǎng)引導(dǎo)氣流下臺(tái)風(fēng)殘渦移動(dòng)緩慢，殘渦低層環(huán)流的復(fù)蘇增強(qiáng)與對(duì)流層中層潛熱垂直梯度有直接關(guān)系;7日夜間開始粵東沿海邊界層?xùn)|風(fēng)急流快速增強(qiáng)，在殘渦旋轉(zhuǎn)作用下與來自南海的西南暖濕季風(fēng)氣流匯合為渦旋東部的東南急流，邊界層中尺度東南風(fēng)急流脈動(dòng)風(fēng)速超過20 m·s-1，急流出口區(qū)的中尺度輻合和鋒生作用導(dǎo)致了氣流交匯點(diǎn)附近出現(xiàn)持續(xù)性的對(duì)流觸發(fā)和增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞臺(tái)風(fēng)殘余環(huán)流;極端暴雨;對(duì)流;低空急流

臺(tái)風(fēng)是影響我國(guó)的最主要災(zāi)害性天氣之一，平均每年有7～8個(gè)臺(tái)風(fēng)在我囯登陸，登陸地點(diǎn)集中在華南至華東南部沿海地區(qū)，一般情況下臺(tái)風(fēng)登陸后受摩擦等因素影響而趨于衰亡，但在特定天氣環(huán)流系統(tǒng)配置條件下，部分登陸臺(tái)風(fēng)衰減后的殘余低壓獲得復(fù)蘇加強(qiáng)，造成比登陸時(shí)更為嚴(yán)重的暴雨洪澇災(zāi)害（陳聯(lián)壽和許映龍，2017）。我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)歷史極端降水事件往往與熱帶氣旋活動(dòng)相關(guān)，歷史上7503號(hào)臺(tái)風(fēng)Nia登陸福建后深入內(nèi)陸，在河南省林莊造成了1 062 mm的中國(guó)大陸地區(qū)日雨量極值（陶詩言，1980）;9608號(hào)臺(tái)風(fēng)Herb（孫建華等，2006）、0613號(hào)臺(tái)風(fēng)“碧利斯”（錢傳海等，2009）、0808號(hào)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”（姚晨等，2010;周冠博等，2012）登陸后在內(nèi)陸地區(qū)移動(dòng)緩慢或者停滯，都導(dǎo)致了極端強(qiáng)降水并誘發(fā)嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。2023年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”登陸福建后持續(xù)北上，殘余環(huán)流深入至華北地區(qū)，造成京津冀地區(qū)大范圍極端性暴雨過程，太行山前局地累計(jì)降水量超過1 000 mm，海河流域出現(xiàn)特大洪水災(zāi)害（陳濤等，2024）。熱帶氣旋一直以來都是全球變化的研究熱點(diǎn)，近年《Nature》刊文表明在全球變暖背景下，上升的海面溫度導(dǎo)致熱帶氣旋登陸后具有持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間的趨勢(shì)（Chavas and Chen，2020;Chan et al.，2022），深入內(nèi)陸臺(tái)風(fēng)造成的災(zāi)害影響引起了科學(xué)界廣泛重視。

臺(tái)風(fēng)暴雨形成機(jī)制復(fù)雜，臺(tái)風(fēng)渦旋環(huán)流內(nèi)結(jié)構(gòu)特征、臺(tái)風(fēng)周圍環(huán)流和天氣系統(tǒng)影響、下墊面地形強(qiáng)迫作用是與臺(tái)風(fēng)暴雨相關(guān)的最主要三類影響因子（陳聯(lián)壽和孟智勇，2001）;臺(tái)風(fēng)移動(dòng)特征也影響到降水持續(xù)時(shí)間以及累計(jì)降水量時(shí)空分布，如在多尺度天氣系統(tǒng)影響或弱環(huán)境引導(dǎo)氣流下的2106號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”（王海平，2023）、2212號(hào)臺(tái)風(fēng)“梅花”（王皘等，2023）的移向、移速具有明顯預(yù)報(bào)不確定性，增加了臺(tái)風(fēng)降水預(yù)報(bào)的復(fù)雜性。當(dāng)?shù)顷懪_(tái)風(fēng)與季風(fēng)涌相互作用，臺(tái)風(fēng)渦旋獲得大量水汽潛熱和渦度輸送，能使登陸臺(tái)風(fēng)維持不消或使殘渦復(fù)蘇從而增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)暴雨，與臺(tái)風(fēng)相連的西南急流強(qiáng)度和垂直分布被認(rèn)為是影響暴雨強(qiáng)度、落區(qū)的重要因子（程正泉等，2009）;當(dāng)弱冷空氣侵入導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)變性為強(qiáng)烈發(fā)展的溫帶氣旋，或臺(tái)風(fēng)環(huán)流移入有利的高空輻散區(qū)情況下，也有利于登陸臺(tái)風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)維持較長(zhǎng)時(shí)間并形成強(qiáng)降雨（李英等，2004;吳海英等，2015）。臺(tái)風(fēng)內(nèi)核眼墻的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、內(nèi)外中尺度螺旋雨帶的精細(xì)特征也導(dǎo)致了臺(tái)風(fēng)降水時(shí)空分布的復(fù)雜性（Dong et al.，2010;朱佩君等，2010;丁治英等，2018;王詠青等，2018;），1909號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”極端暴雨與臺(tái)風(fēng)內(nèi)核對(duì)流精細(xì)結(jié)構(gòu)、以及中緯度鋒生導(dǎo)致的持續(xù)性臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶相關(guān)（向純怡等，2020;陳濤等，2021;Dai et al.，2021;劉希等，2023）;1513號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”登陸次日的分散性強(qiáng)降水與低層風(fēng)場(chǎng)非均勻輻合、中緯度冷空氣影響過程相關(guān)（楊舒楠等，2019）;基于遙感觀測(cè)和高分辨率數(shù)值模擬，地形及重力波也被認(rèn)為對(duì)臺(tái)風(fēng)渦旋的對(duì)流結(jié)構(gòu)和組織產(chǎn)生了復(fù)雜影響（Tang et al.，2012;Yu and Cheng，2013）。目前大氣科學(xué)界對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)極端降水機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍然有限，數(shù)值模式對(duì)臺(tái)風(fēng)極端降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和提前量存在明顯不足，臺(tái)風(fēng)以及臺(tái)風(fēng)殘渦誘發(fā)的極端降雨機(jī)制仍然是大氣科學(xué)領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)的難題（李澤椿等，2020）。

2023年9月4—12日，2311號(hào)臺(tái)風(fēng)“海葵”在福建東部沿海登陸后橫掃整個(gè)華南，形成大范圍、持續(xù)性、極端強(qiáng)度的降水過程，其中9月7—8日，“海葵”殘余環(huán)流在隸屬粵港澳大灣區(qū)的香港、深圳、澳門、珠海、佛山等地造成大暴雨到特大暴雨，導(dǎo)致嚴(yán)重城鎮(zhèn)內(nèi)澇災(zāi)害及其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心（ECMWF，European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）評(píng)估（Tim，2023）表明，多家高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)和集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)于“海葵”極端暴雨強(qiáng)度預(yù)報(bào)均顯著偏弱。本文將利用多源觀測(cè)資料分析此次極端降水精細(xì)特征，闡明極端降水過程中的對(duì)流觸發(fā)和組織過程;從熱動(dòng)力角度分析殘渦復(fù)蘇并造成極端暴雨的熱動(dòng)力條件，尤其是邊界層急流對(duì)極端暴雨的影響，深化對(duì)此次臺(tái)風(fēng)殘渦極端暴雨預(yù)報(bào)科學(xué)認(rèn)識(shí)。

1 資料和方法

本文采用的數(shù)據(jù)時(shí)間段為2023年9月7日08時(shí)—8日20時(shí)（北京時(shí)，下同），降水觀測(cè)資料采用國(guó)家氣象信息中心整編的全國(guó)區(qū)域氣象自動(dòng)站觀測(cè)小時(shí)級(jí)和分鐘級(jí)降水量觀測(cè)數(shù)據(jù);基于華南地區(qū)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站雨滴譜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)程序計(jì)算了降雨粒子歸一化數(shù)濃度（lgNw）、粒子質(zhì)量平均直徑（Dm）等雨滴譜DSD（drop size dsitribution）參數(shù)。在對(duì)層云降水和對(duì)流性降水分類方法以及統(tǒng)計(jì)結(jié)果基礎(chǔ)上（Bringi et al.，2003），新增了10、15、20、50 mm·h-1降水強(qiáng)度閾值診斷DSD參數(shù)［Dm，lgNw］。

基于ERA5再分析資料（時(shí)間分辨率1 h，水平分辨率0.25°×0.25°，垂直方向37層）進(jìn)行臺(tái)風(fēng)殘渦復(fù)蘇機(jī)制分析，應(yīng)用包含潛熱作用的相對(duì)渦度傾向方程（Shen et al.，2020）進(jìn)行診斷，垂直相對(duì)渦度傾向取決于方程右側(cè)的平流項(xiàng)ADV、垂直輸送項(xiàng)VERT、伸展項(xiàng)或散度項(xiàng)STR、傾側(cè)項(xiàng)TILT以及潛熱項(xiàng)LH：

2 “海葵”極端降水的精細(xì)特征

2.1 降水分布多尺度特征

2311號(hào)臺(tái)風(fēng)“海葵”（Haikui）于8月28日上午在西北太平洋洋面生成，9月3日15時(shí)30分前后在臺(tái)灣地區(qū)臺(tái)東市沿海登陸（登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力15級(jí)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)）;穿越臺(tái)灣島后在臺(tái)灣海峽內(nèi)回旋滯留長(zhǎng)達(dá)24 h，9月5日早晨“海葵”在福建省東山縣沿海登陸（熱帶風(fēng)暴級(jí)，8級(jí)風(fēng)）。“海葵”登陸福建后強(qiáng)度迅速減弱，5日08時(shí)減弱為熱帶低壓，6日17時(shí)臺(tái)風(fēng)渦旋中心西移至廣東東部，強(qiáng)度減弱至熱帶低壓強(qiáng)度以下，降水也有明顯減弱。臺(tái)風(fēng)“海葵”具有顯著的“風(fēng)小雨大”特征，登陸福建時(shí)強(qiáng)度不大，但在福建省福州、寧德等地造成了極端性降水，9月5日寧德日降水量超過600 mm并突破歷史紀(jì)錄。

9月7—8日，“海葵”殘余環(huán)流在珠江口地區(qū)停滯回旋并復(fù)蘇增強(qiáng)，珠江口周邊廣州、深圳、香港、珠海、澳門等地普遍出現(xiàn)大暴雨到特大暴雨。9月7日08時(shí)—8日20時(shí)珠江口地區(qū)累計(jì)降水量普遍超過100 mm（圖1），其中珠江口東側(cè)的香港、深圳、廣州南部等部分地區(qū)降水250～400 mm，局地超過700 mm，香港24 h雨量最大達(dá)842 mm突破歷史紀(jì)錄，被公眾稱為“世紀(jì)暴雨”，深圳24、48、72 h累計(jì)降雨量均打破1952年有氣象記錄以來的歷史極值。珠江口地區(qū)大部自動(dòng)站都出現(xiàn)了20 mm·h-1以上的短時(shí)強(qiáng)降水（圖2a），深圳、香港局部站點(diǎn)超過100 mm·h-1，香港天文臺(tái)錄得最大1 h雨量158.1 mm（9月7日23—24時(shí)），為1884年有記錄以來香港最高紀(jì)錄。深圳羅湖區(qū)小梧桐站（圖2b）從9月7日傍晚開始降水迅速增強(qiáng)，最大小時(shí)降水為108.6 mm（7日21—22時(shí)），20 mm·h-1以上短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)了10 h，累計(jì)降水量568.3 mm;香港黃竹坑站（圖2c）自7日21時(shí)—8日07時(shí)11個(gè)連續(xù)時(shí)次的降水強(qiáng)度都達(dá)到20 mm·h-1以上，8日00時(shí)出現(xiàn)最大短時(shí)強(qiáng)降水129 mm·h-1;累計(jì)降水量達(dá)636 mm。因此，此次過程不但具有極端性的短時(shí)降水強(qiáng)度，持續(xù)性的高強(qiáng)度降水時(shí)長(zhǎng)也是導(dǎo)致累計(jì)降水量極端性的重要原因。

2.2 極端降水雨滴譜特征

基于珠江口降水核心區(qū)域（112.5°～114.5°E，22.0～24.5°N）16個(gè)國(guó)家站雨滴譜觀測(cè)計(jì)算表明，在20～50 mm·h-1降水強(qiáng)度閾值區(qū)間上，DSD參數(shù)［Dm，lgNw］平均為［1.59 mm，3.79 mm-1·m-3］;在50 mm·h-1以上降水強(qiáng)度區(qū)間上的DSD平均參數(shù)為［1.84 mm，3.81 mm-1·m-3］，雨滴直徑增大15.7％，但雨滴數(shù)濃度變化不大。

深圳國(guó)家站DSD參數(shù)分布（圖3a）表明，在超過50 mm·h-1雨強(qiáng)區(qū)間上Dm為1.73 mm，lgNw為4.03 mm-1·m-3，接近Chen et al.（2013）對(duì)梅雨暴雨過程的DSD參數(shù)估計(jì)［1.71 mm，3.8 mm-1·m-3］。深圳國(guó)家站分鐘級(jí)降水觀測(cè)（圖3b）表明降水具有顯著陣性、對(duì)流性特征，在5次中小尺度降水脈動(dòng)過程中，8日00時(shí)前后出現(xiàn)最大分鐘級(jí)降水量1.9 mm·min-1。

對(duì)比同時(shí)段雨滴譜分鐘級(jí)觀測(cè)（圖3c），在每次降水增強(qiáng)階段，都伴有降水?dāng)?shù)濃度和直徑譜寬的同步增長(zhǎng)，大于3 mm直徑的大雨滴在降水強(qiáng)度峰值階段出現(xiàn)頻率最高，其中最大雨滴直徑可達(dá)4 mm左右;速度譜表明降水增強(qiáng)階段伴有降水粒子末速度的迅速增長(zhǎng)（圖3d），在超過1 mm·min-1降水強(qiáng)度區(qū)間上，速度譜寬中心閾值出現(xiàn)在1～5 m·s-1之間，最大粒子末速度可超過10 m·s-1。上述觀測(cè)表明在高降水強(qiáng)度區(qū)間上，小直徑降水粒子數(shù)密度將趨于飽和，但大直徑高速降水粒子明顯增多，在單位時(shí)間內(nèi)能夠碰并結(jié)合更多的小水滴，對(duì)于提升富含水汽的暖云降水效率極為重要（林文等，2016）。根據(jù)經(jīng)典降雨粒子重力碰并增長(zhǎng)理論（Bowen，1950），雨滴直徑增長(zhǎng)速度與自身直徑、粒子末速度正相關(guān)，在云內(nèi)2 m·s-1的垂直上升運(yùn)動(dòng)和4 km暖云厚度條件下，1 h就足以使初始胚胎云滴通過重力碰并形成3 mm直徑的大雨滴，在定性估計(jì)上與本研究觀測(cè)較為一致。

3 極端降水對(duì)流發(fā)展精細(xì)特征

3.1 極端降水的對(duì)流發(fā)展過程

根據(jù)華南地區(qū)多普勒雷達(dá)網(wǎng)監(jiān)測(cè)，此次大灣區(qū)極端暴雨過程的對(duì)流發(fā)展過程可分為3個(gè)階段，其中9月7日白天為對(duì)流系統(tǒng)組織加強(qiáng)階段，9月7日夜間至8日早晨為降水對(duì)流系統(tǒng)的穩(wěn)定維持階段，9月8日午后降水逐步減弱。

7日08時(shí)珠江口殘渦環(huán)流附近的對(duì)流活動(dòng)分散（圖4a），14時(shí)起珠江口陸上地區(qū)CR增強(qiáng)（圖4b），渦旋中心東側(cè)為層積混合降水區(qū)，渦旋中心西側(cè)區(qū)域內(nèi)的分散性對(duì)流活躍，珠江口西部海岸附近的多個(gè)對(duì)流單體逐步組織為準(zhǔn)東西向的線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS，mesoscale convective system）S1，其緩慢的移動(dòng)速度明顯區(qū)別于快速移動(dòng)的颮線對(duì)流系統(tǒng)。7日20時(shí)（圖4c）S1緩慢推進(jìn)至廣東近海，S1東側(cè)出現(xiàn)了新生的東南-西北走向離散回波帶S2，S2由多個(gè)向西北方向移動(dòng)的對(duì)流單體構(gòu)成，相繼與S1回波帶在港深地區(qū)發(fā)生合并，合并后降水回波范圍增大、強(qiáng)度增強(qiáng)。

7日夜間至8日早上渦旋中心在珠江口北側(cè)原地回旋，強(qiáng)降水穩(wěn)定維持在渦旋中心的東南側(cè)地區(qū)。7日23時(shí)至8日05時(shí)（圖4d—f）渦旋系統(tǒng)中的S1和S2回波帶構(gòu)成穩(wěn)定維持的“人”字形結(jié)構(gòu)，S2與S1的交匯點(diǎn)維持在香港深圳上空，來自西南、東南兩個(gè)方向的對(duì)流單體在港島南側(cè)近海地區(qū)合并增強(qiáng)至45 dBZ以上，由南向北陸續(xù)經(jīng)過香港-深圳地區(qū)從而形成“列車效應(yīng)”（Doswell et al.，1996），形成超過100 mm·h-1極端短時(shí)強(qiáng)降雨以及極端累計(jì)降水量。此次渦旋環(huán)流背景下出現(xiàn)的準(zhǔn)靜止“人”型組織化的對(duì)流結(jié)構(gòu)較為罕見，既不同于一般臺(tái)風(fēng)的內(nèi)核或外圍螺旋雨帶，也與造成中緯度地區(qū)極端降水的TL/AS型（trainning line/adjoining stratiform）、準(zhǔn)靜止Back Building型等MCS結(jié)構(gòu)（Schumacher and John，2005;Schumacher and Rasmussen，2020）存在明顯差異。

8日08—11時(shí)（圖4g—h）臺(tái)風(fēng)殘渦中心略有西移，S1和S2對(duì)流帶合并為長(zhǎng)達(dá)400 km的東南-西北走向的線狀對(duì)流系統(tǒng)Sn，空間位置維持穩(wěn)定，殘渦中心附近還出現(xiàn)了復(fù)雜的多線狀對(duì)流結(jié)構(gòu)，在其南側(cè)的季風(fēng)暖濕氣流中多新生對(duì)流單體，香港深圳地區(qū)的降水持續(xù)但強(qiáng)度開始減弱，8日14時(shí)后（圖4i）隨著渦旋中心西移，降水回波跟隨渦旋系統(tǒng)向西推進(jìn)，珠江口東側(cè)香港和深圳地區(qū)的降水過程基本結(jié)束。

3.2 對(duì)流合并增強(qiáng)觀測(cè)特征

7日20時(shí)前后香港附近出現(xiàn)的對(duì)流合并是線狀MCS得以穩(wěn)定和增強(qiáng)的重要特征。根據(jù)深圳多普勒雙偏振雷達(dá)7日19時(shí)30分0.5°仰角上的基本反射率因子表明（圖5a），港島南側(cè)洋面上的3個(gè)初生對(duì)流系統(tǒng)C0、C1、C2逐步向港島南岸靠近，在其后部陸續(xù)出現(xiàn)新生對(duì)流單體。20時(shí)30分C0范圍增大（圖5b），并與C2基本結(jié)合，其后C1又與C2發(fā)生對(duì)流合并（圖5c）。21時(shí)00分（圖5d）合并后的中尺度對(duì)流系統(tǒng)P0位于港島上方，基本反射率因子超過50 dBZ，從P0西南側(cè)、東南側(cè)都不斷有對(duì)流單體并入，P0整體穩(wěn)定維持在港深地區(qū)上空;21時(shí)后從西南方向、東南方向分布有新生的C4、C5對(duì)流單體向港島靠近，并最終與港島上空的強(qiáng)降水回波區(qū)融合（圖5e—f），導(dǎo)致了港深地區(qū)的持續(xù)性強(qiáng)降水。

3.3 極端雨強(qiáng)雙偏振雷達(dá)觀測(cè)特征

7日23—24時(shí)港深地區(qū)多站出現(xiàn)超過100 mm·h-1的極端短時(shí)強(qiáng)降水。7日23時(shí)30分香港上空維持準(zhǔn)穩(wěn)定的β中尺度帶狀MCS，0.5°仰角上基本反射率因子R超過50 dBZ（圖6a），對(duì)應(yīng)差分相移率KDP超過3.1 ℃/km（圖6b），差分反射率ZDR超過2.5 dBZ（圖6c），表征有強(qiáng)降水信號(hào)。

從0.5°仰角徑向速度產(chǎn)品看（圖6d），港島東側(cè)1 km高度附近出現(xiàn)大范圍超過20 m·s-1的東南低空急流，港島南側(cè)線狀MCS附近出現(xiàn)小范圍逆風(fēng)區(qū)，形成中尺度氣旋性切變和中尺度輻合。1.5°仰角上港島南側(cè)的逆風(fēng)區(qū)略有縮小，但在3.3°（圖6e）、4.3°（圖6f）仰角上出現(xiàn)了多處疑似γ尺度中氣旋的正負(fù)速度對(duì)，最強(qiáng)正負(fù)速度強(qiáng)度達(dá)±27 m·s-1，渦旋水平尺度在1～5 km之間。β到γ尺度的中尺度渦旋在多次極端降水過程中都有出現(xiàn)，其強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)和輻合有助于形成強(qiáng)的中小尺度上升運(yùn)動(dòng)，形成極端降水強(qiáng)度（Zhang et al.，2022）。

經(jīng)過圖6a中AB垂直剖面上的回波結(jié)構(gòu)具有層積混合降水性質(zhì)（圖7a），0 ℃高度位于5.5 km，30 dBZ高度可達(dá)7 km，R最大45 dBZ，對(duì)應(yīng)KDP為0.75 ℃／km，在0 ℃層附近ZDR可達(dá)1～2 dBZ，而在2 km以下一般低于1 dBZ，表明降水粒子在下落過程中出現(xiàn)破碎，但較高的數(shù)密度導(dǎo)致R在近地層仍然接近45 dBZ。在經(jīng)過圖6a中CD直線的垂直剖面（圖7b）上，30 dBZ回波高度達(dá)8.7 km，MCS具有清晰的低質(zhì)心結(jié)構(gòu)（Vitale and Ryan，2013），50 dBZ以上的對(duì)流核在0～4.5 km之間保持直立，對(duì)應(yīng)KDP可達(dá)1.7～2.4 ℃／km，而0 ℃層附近的ZDR可達(dá)1～2 dBZ，在0～1 km之間ZDR還略有增強(qiáng)，表明降水粒子在下落過程中，碰并增長(zhǎng)過程導(dǎo)致了高數(shù)密度、大直徑的雨滴特征，這一特征與前文地面雨滴譜觀測(cè)分析一致，在降水增強(qiáng)階段往往伴隨有降水粒子數(shù)濃度和雨滴直徑的同步增長(zhǎng)。

4 大灣區(qū)極端暴雨對(duì)流發(fā)展成因

4.1 “海葵”殘渦環(huán)流的維持與增強(qiáng)

臺(tái)風(fēng)殘渦環(huán)流維持是造成長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性降水，進(jìn)而導(dǎo)致局地極端累計(jì)降水量的重要原因之一。7日08時(shí)500 hPa高度場(chǎng)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)（圖8a）表明，紅色方框內(nèi)的“海葵”臺(tái)風(fēng)殘渦環(huán)流處于大陸高壓、西太平洋副熱帶高壓、赤道輻合帶與中緯度冷渦形成的鞍形場(chǎng)控制下;而在200 hPa上“海葵”臺(tái)風(fēng)殘渦環(huán)流處于赤道東風(fēng)帶與中緯度西風(fēng)環(huán)流之間的弱風(fēng)區(qū)內(nèi)（圖8b），中高層整體處于弱環(huán)境動(dòng)力場(chǎng)中，臺(tái)風(fēng)殘渦引導(dǎo)氣流弱，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)殘渦環(huán)流西移速度整體緩慢。

臺(tái)風(fēng)殘渦環(huán)流（113.0°～115°E，21.5°～23.5°N）區(qū)域平均相對(duì)渦度的時(shí)間-高度變化（圖9a）表明，從7日08時(shí)開始，925～500 hPa之間的相對(duì)渦度明顯增強(qiáng)，表征了臺(tái)風(fēng)殘渦的復(fù)蘇增強(qiáng)特征。7日20時(shí)后600 hPa相對(duì)渦度增強(qiáng)，正渦度分布表現(xiàn)為高低雙中心特征，與典型臺(tái)風(fēng)深厚正渦度柱結(jié)構(gòu)有明顯差異。

圖9b—f為相對(duì)渦度傾向方程右側(cè)各項(xiàng)隨時(shí)間變化，對(duì)于中層600～400 hPa渦度增長(zhǎng)而言，ADV和TILT均為負(fù)貢獻(xiàn)，VERT和STR正貢獻(xiàn)相對(duì)明顯，LH項(xiàng)正貢獻(xiàn)相對(duì)較小。在925～850 hPa，ADV和VERT項(xiàng)表現(xiàn)為負(fù)貢獻(xiàn)，渦度增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)來自STR、TILT和LH項(xiàng)，其中LH項(xiàng)對(duì)邊界層渦度增長(zhǎng)具有決定性作用。根據(jù)LH項(xiàng)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，相對(duì)渦度增長(zhǎng)最快的區(qū)域位于QLH高梯度區(qū)，因此潛熱加熱中心下方將出現(xiàn)最快的相對(duì)渦度增長(zhǎng)。圖9f中QLH中心位于大氣中層400～500 hPa，7日夜間至8日早上500 hPa的QLH超過2 K·h-1，LH項(xiàng)高值區(qū)位于QLH中心下方700 hPa至近地面之間的飽和水汽環(huán)境中。根據(jù)7日20時(shí)渦度方程各項(xiàng)的垂直廓線（圖9g），渦度傾向正峰值出現(xiàn)在925和750 hPa左右，合成渦度傾向廓線特征與LH廓線基本一致，因此LH項(xiàng)對(duì)邊界層頂部的相對(duì)渦度增長(zhǎng)起到?jīng)Q定性作用。ERA5再分析數(shù)據(jù)直接計(jì)算的渦度傾向峰值位于900 hPa以及600～400 hPa之間，其中在925～700 hPa再分析數(shù)據(jù)與診斷計(jì)算基本一致，偏差不足30％，

但再分析數(shù)據(jù)直接計(jì)算的中高層渦度傾向遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出渦度方程分項(xiàng)診斷合成結(jié)果，產(chǎn)生上述偏差的可能原因在于潛熱診斷計(jì)算較為簡(jiǎn)化，高估了低層顯式凝結(jié)潛熱并低估了中高層對(duì)流加熱，有待于進(jìn)一步研究。

4.2 臺(tái)風(fēng)殘渦精細(xì)結(jié)構(gòu)及對(duì)對(duì)流發(fā)展影響

大灣區(qū)極端降水與臺(tái)風(fēng)“海葵”殘渦環(huán)流中出現(xiàn)的“人”字形對(duì)流結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，其中7日14—20時(shí)之間的CI和組織化過程對(duì)極端暴雨形成有關(guān)鍵影響。7日14時(shí)925 hPa“海葵”殘渦環(huán)流中心位于珠江口東側(cè)（圖10a），渦旋環(huán)流具有復(fù)雜的中尺度熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)，其中渦旋中心北側(cè)有倒槽切變線，渦旋東側(cè)由偏東風(fēng)與南海西南風(fēng)之間構(gòu)成風(fēng)場(chǎng)切變線，渦旋西側(cè)的偏北風(fēng)與南海西南氣流之間構(gòu)成風(fēng)場(chǎng)切變線。結(jié)合相當(dāng)位溫（θe）以及地面自動(dòng)站降水、10 m風(fēng)場(chǎng)和2 m溫度觀測(cè)的Cressman客觀分析（圖10b）表明，渦旋內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)切變線可視為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)不同性質(zhì)氣團(tuán)的分界線，其中：

1）Ⅰ區(qū)位于渦旋中心東側(cè)θe高值舌頂端，來自南海的西南暖濕氣流與粵東偏東氣流之間形成θe梯度區(qū)。ICI分布表明倒槽輻合區(qū)東側(cè)區(qū)域內(nèi)多CI事件;降水集中出現(xiàn)在I區(qū)東南氣流與西南氣流交匯區(qū)附近，降水強(qiáng)度一般在5～20 mm·h-1;

2）Ⅱ區(qū)由渦旋西側(cè)的干暖偏北氣流控制，θe低于346 K，在午后熱力不穩(wěn)定影響下出現(xiàn)了較多CI事件，ICI指數(shù)高，以分散對(duì)流性降水為主，降水量普遍不大；

3）Ⅲ區(qū)內(nèi)盛行南海季風(fēng)暖濕氣流，θe普遍大于350 K，在Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū)之間形成強(qiáng)θe鋒區(qū)，廣東西南部地面觀測(cè)上存在2 m氣溫鋒區(qū)，具有類似冷鋒的斜壓結(jié)構(gòu)，鋒區(qū)附近出現(xiàn)了集中CI事件，初始分散的對(duì)流逐步構(gòu)成渦旋西側(cè)的中尺度線狀對(duì)流S1。

7日20時(shí)（圖10c）至23時(shí)（圖10e）925 hPa渦旋中心位置沒有明顯移動(dòng)，自廣東東部沿海至珠江口地區(qū)建立10～14 m·s-1偏東風(fēng)急流，在渦旋卷入的南海季風(fēng)氣流作用下，渦旋中心東側(cè)的θe高值舌區(qū)梯度有明顯加強(qiáng)，I區(qū)東南氣流內(nèi)的CI事件增多。同時(shí)刻地面10 m風(fēng)場(chǎng)上（圖10d、f），珠江口東側(cè)沿海出現(xiàn)偏東風(fēng)轉(zhuǎn)東南風(fēng)的高風(fēng)速區(qū)，珠江口東側(cè)海岸至邊界層的強(qiáng)輻合有利于強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展。進(jìn)入夜間后渦旋西側(cè)Ⅱ區(qū)內(nèi)CI事件減少，渦旋西側(cè)的風(fēng)場(chǎng)切變線推進(jìn)至華南近海海面，θe鋒區(qū)上密集分布的CI事件有利于S1對(duì)流降水帶的穩(wěn)定和增強(qiáng)；在Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)之間偏東風(fēng)與西南風(fēng)之間的風(fēng)場(chǎng)切變線上也出現(xiàn)了集中的CI事件，構(gòu)成S2線狀對(duì)流。渦旋中心東南側(cè)的港深地區(qū)處于西南暖濕氣流與東南風(fēng)急流的交匯點(diǎn)，形成類似于風(fēng)場(chǎng)三合點(diǎn)的準(zhǔn)靜止結(jié)構(gòu)（Wakimoto et al.，2006），由于南海西南季風(fēng)和粵東偏東風(fēng)急流之間的邊界維持穩(wěn)定，風(fēng)場(chǎng)三合點(diǎn)附近產(chǎn)生強(qiáng)烈而持續(xù)的低層輻合抬升，在近飽和水汽環(huán)境下有利于對(duì)流的觸發(fā)和維持，形成極端性的累計(jì)降水量。

4.3 邊界層?xùn)|風(fēng)急流性質(zhì)和作用

7日夜間東風(fēng)急流的建立和快速增強(qiáng)是導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)殘渦出現(xiàn)極端降水的重要原因之一。根據(jù)圖10c—e，相對(duì)于南海季風(fēng)而言，廣東東部至大灣區(qū)的偏東急流是具有相對(duì)干冷性質(zhì)的高動(dòng)量氣流，925 hPa比濕表明珠江口地區(qū)高濕舌主要源自南海季風(fēng)高濕區(qū)（圖11a）;在臺(tái)風(fēng)殘渦旋以珠江口東側(cè)風(fēng)場(chǎng)切變系統(tǒng)影響下，南海西南季風(fēng)氣流在渦旋中心東側(cè)轉(zhuǎn)向，并與粵東東風(fēng)急流匯合為東南急流，形成具有高動(dòng)量、高濕度、高θe性質(zhì)的邊界層急流。邊界層?xùn)|南急流在出口區(qū)的強(qiáng)烈輻合是造成渦度快速增長(zhǎng)的重要?jiǎng)恿C(jī)制。在渦旋內(nèi)部不同熱力性質(zhì)的氣團(tuán)影響下，鋒生函數(shù)呈現(xiàn)為“人”字形分布，對(duì)于對(duì)流系統(tǒng)的空間分布結(jié)構(gòu)具有指示性意義。在經(jīng)過渦旋中心的垂直剖面上（圖11b），低θe偏東急流與高θe南海季風(fēng)氣流在114°E香港附近匯合，近地面至850 hPa出現(xiàn)最強(qiáng)的鋒生強(qiáng)迫，出現(xiàn)強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng);由于渦旋東側(cè)的垂直環(huán)流更為強(qiáng)大，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)殘渦相對(duì)渦度發(fā)展向西傾斜。

深圳龍崗邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)表明（圖12），7日20時(shí)后邊界層風(fēng)速迅速增大，7日22時(shí)—8日01時(shí)邊界層?xùn)|南風(fēng)急流脈動(dòng)風(fēng)速達(dá)18～20 m·s-1，其中中尺度急流核高度位于600 m與900 m之間，持續(xù)時(shí)間大于2 h，與雷達(dá)徑向速度（圖6d）觀測(cè)基本一致。對(duì)比圖11，ERA5再分析數(shù)據(jù)925 hPa風(fēng)速最大僅為14 m·s-1，對(duì)邊界層?xùn)|南風(fēng)急流強(qiáng)度低估30％以上，并由此嚴(yán)重低估了高θe東南風(fēng)急流在渦旋東側(cè)的輻合、水汽輸送以及對(duì)不穩(wěn)定能量的重建，是造成ECMWF數(shù)值降水預(yù)報(bào)嚴(yán)重偏弱的重要原因之一。

5 結(jié)論和討論

“海葵”臺(tái)風(fēng)殘渦環(huán)流誘發(fā)了歷史罕見的粵港澳大灣區(qū)特大暴雨過程，大灣區(qū)多地24 h降水量超過600 mm，局地雨強(qiáng)達(dá)100～158 m·h-1。圖13概括總結(jié)了大灣區(qū)強(qiáng)降水期間的“海葵”殘渦環(huán)流熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)及對(duì)流組織特征。9月7日至8日渦旋中心在珠江口北側(cè)停滯回旋，7日午后渦旋西側(cè)形成組織化線狀對(duì)流，南海西南季風(fēng)與粵東沿海邊界層?xùn)|風(fēng)急流之間也形成對(duì)流帶，兩條對(duì)流帶在珠江口地區(qū)附近連接為準(zhǔn)靜止“人”字形回波帶，兩路對(duì)流單體在港島南側(cè)合并增強(qiáng)，并自南向北陸續(xù)經(jīng)過港深地區(qū)造成極端降水。追蹤港深地區(qū)垂直剖面上的質(zhì)點(diǎn)軌跡表明，富含水汽的南海西南季風(fēng)轉(zhuǎn)向后，匯同粵東沿海東風(fēng)急流成為渦旋東部的東南急流，急流出口區(qū)中尺度輻合和鋒生作用明顯，有利于在氣流交匯點(diǎn)附近產(chǎn)生CI或者對(duì)流增強(qiáng)。

1）雨滴譜觀測(cè)分析表明降水具有海洋性對(duì)流降水性質(zhì)，在降水高峰時(shí)段雨滴直徑有顯著增加，有效提升了富含水汽的暖云降水效率。雷達(dá)觀測(cè)表明深厚暖云中對(duì)流結(jié)構(gòu)具有低質(zhì)心特征，云頂高度超過8 km，冰相過程參與可能進(jìn)一步增強(qiáng)降水強(qiáng)度;降水粒子在下落過程中的碰并增長(zhǎng)特征明顯，產(chǎn)生了高數(shù)密度、大直徑雨滴的降水特征。

2）“海葵”殘渦環(huán)流整體處于弱環(huán)境動(dòng)力場(chǎng)中，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)殘渦環(huán)流西移速度整體緩慢。渦度診斷表明7日白天開始?xì)垳u開始明顯增強(qiáng)，其中潛熱加熱梯度對(duì)于邊界層頂部的渦度增長(zhǎng)起決定性作用，但診斷明顯低估了中高層的對(duì)流加熱。

3）深圳風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)表明7日夜間出現(xiàn)邊界層?xùn)|南風(fēng)急流脈動(dòng)，風(fēng)速達(dá)20 m·s-1;再分析數(shù)據(jù)對(duì)渦旋東側(cè)邊界層?xùn)|南風(fēng)急流風(fēng)速低估30％以上，并由此嚴(yán)重低估了高θe東南風(fēng)急流在渦旋東側(cè)的造成邊界層輻合、水汽輸送以及對(duì)不穩(wěn)定能量的重建，是造成降水預(yù)報(bào)嚴(yán)重偏弱的重要原因之一。

在未來的工作中將從殘渦暴雨發(fā)展機(jī)理方面入手，進(jìn)一步分析邊界層急流的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，通過數(shù)值模擬等方法分析中尺度急流脈動(dòng)對(duì)臺(tái)風(fēng)殘渦暴雨強(qiáng)度和落區(qū)影響，深入極端降水的數(shù)值可預(yù)報(bào)性研究。

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·ARTICLE·

Structure and organization of convection during extreme precipitation associated with the remnant vortex of typhoon Haikui

CHEN Tao 2，3，LI Jiarui XU Xianhuang CHEN Yun

National Meteorological Center，China Meteorological Administration，Beijing 100081，China;

2State Key Laboratory of Severe Weather Meteorological Science and Technology，Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China;

3Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory（Zhuhai），Zhuhai 519082，China

Abstract On September 7，extreme torrential rainstorms struckthe Greater Bay Area（GBA），including Hong Kong，Macau，and parts of Guangdong Province near the Peal River Estuary in South China.This event resulted in historical accumulated precipitation exceeding 800 mm within 24 hours in Hong Kong，causing severe social and economic losses.Operational numerical forecast models showed limited skill in predicting the intensity and location of this extreme rainfall.Using multi-source meteorological observations，this study analyzed the precipitation characteristics，convection initiation，organization，and underlying causes of the extreme precipitation through circulation diagnostics，thermodynamic analysis，and vorticity budgeting.The rainfall was primarily associated with remnant vortex of the decayed typhoon Haikui.Synoptic analysis revealed that the typhoon vortex decayed rapidly after landfall in Fujian Province，South China.Due to weak mid-level environmental steering，the westward-moving remnant vortex stagnated over the GBA，north of the Pearl River Estuary，from the morning of September 7 until early evening on September 8.On the night of September 7，an enhanced easterly boundary layer jet combined with southwesterly monsoon airflowfrom the South China Sea，forming an intensified southeast jets tronger than predicted in numerical models.This southeast jet injected large amounts of moist，unstable air into the remnant vortex circulation over the GBA，triggering excessive precipitation.Significant low-level convergence and frontogenesis provided favorable conditions for mesoscale lifting.Late on September 7，a mesoscale jet pulse with boundary-layer wind speeds exceeding 20 m／s was detected by a wind profiler in Shenzhen.The mesoscale convergence and frontogenesis near the jet exit intensified convection initiation and precipitation.Revival of the remnant vortex in the boundary layer was closely linked to latent heat gradients below the mid-level maximum heating center.Weather radar observations revealed that from 14：00 BST on September 7，convection and precipitation intensified，forming a quasi-linear convective belt composed of rapidly growing discrete convective cells along the west shore of the GBA.A secondary，weaker convective line formed along the east shore，organized along the boundary between shallow easterly airflow and southwesterly monsoon winds.These two linear mesoscale convective systems （MCS） merged near Hong Kong’s southern coast，persisting for over 12 hours.A series of northward-moving convective cells repeatedly passed over Hong Kong and Shenzhen along similar tracks，inducing localized extreme rainfall.A maximum rainfall intensity of 158 mm／h was recorded in Hong Kong.After 14：00 BST on September 8，the remnant vortex of Haikui gradually moved westward toward Guangxi Province，leading to weakened rainfall in the GBA.Observation of raindrop size distributions showed that the precipitation had characteristics typical of maritime convection，with significant increases in raindrop size during periods of enhanced rainfall.This increased precipitation efficiency in the deep moist layer.The convection exhibited a low echo centroid structure withstorm tops exceeding 8 km，facilitating rapid growth of raindrops through coalescence during descent.Embedded β- and γ-mesoscale vortices within the linear MCS contributed to the extreme rainfall intensity.These vortices，identified using Doppler radar observations in Shenzhen，warrant further investigations.

Keywords typhoon remnant;extreme precipitation;convection;low-level jet

DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240418002

（責(zé)任編輯：張福穎）