2015年11月广西秋季连续性暴雨研究

2018-05-16黄翠银赖雨薇陈剑飞

气象研究与应用 2018年1期

黄翠银，赖雨薇，陈剑飞

（1.广西区气候中心，广西南宁 530022；2.南宁市气象局，广西南宁 530022；3.广西区气象服务中心，广西南宁 530022）

1 引言

2015年11月7-13日，广西出现持续性强降雨。7日20时-9日20时，全区有10站次暴雨3站次大暴雨，暴雨区位于桂东北和桂东南。11月9日20时-11日20时，全区出现6站次暴雨，强降雨落区在桂东北。11月11日20时-13日20时，全区出现44站次大雨、44站次暴雨和11站次大暴雨，强降雨区在桂北和桂中。强降雨期间，共有19站次打破当地建站以来11月最大日降水量历史记录。

本次强降雨过程历时较久，范围较大，尤其11日至13日，强范围之广历史少见，产生的灾害较为严重。这次强降雨过程的环流形势如何，影响系统是怎么生消、更替的？为什么引起这么长时间的强降雨，桂东北为什么一直是强降雨中心？本文利用NCEP1×1、2.5×2.5资料以及常规观测资料来分析揭示引起本次秋季长时间强降雨的原因。

2 环流形势

强降水前期，500hPa中高纬是两槽一脊的形势。我国中纬度有两次华北槽的东移过程，一次是7-8日，一次是12-13日；期间配合有两次南支槽的东移，第一次以东移北收为主，第二次加深东移，13日晚与华北槽合并东移出海。另外，10-11日，高原有低槽东移影响桂北。强降水前期，副热带高压（以下简称副高）588dagpm等值线伸展到桂北，南海处于592dagpm的控制下，副高强盛控制范围大；9日之后副高稍减弱南落，588dagpm等值线在桂中和华南沿海之间摆动。由于副高减弱，高原槽和第二次南支槽伸展到桂中，强降雨落区向南扩到桂中。

11月6日850hPa形成强劲的西南急流延伸到长江中下游，桂北处于西南急流入口区。8日，随着华北槽的东移，切变线逐渐南压到桂林南部。9日夜间切变线进一步南压过桂东，白天北抬减弱。10日冷空气变性出海，广西转为偏南气流影响，风力加大形成急流。11日南风稍减弱，切变线在黔桂之间摆动，12日随着第二次华北槽东移，新一轮切变线南下影响广西。由于副高强盛850hPa南风较强，切变线南压到桂中后即减弱北抬，强降雨在桂中以北地区。

地面，7日晚，第一次冷空气从桂东北侵入影响广西。10-11日，冷高变性出海，广西由变性高压脊控制转为高压后部影响。11日晚开始第二轮冷空气南下影响。

3 南北风演变特征

从强降雨落区和850hPa切变线的演变可以看出，强降雨落区和850hPa切变线位置息息相关，强降雨落区一般位于切变线的南侧。通过850hPa南北风变化情况分析切变线的演变。桂林位于110.30°E、25.33°N，一直处于强降雨中心，因而沿25°N作经向风的经度-时间剖面图。从图中看出（图1），8日之前广西受偏南气流影响，风速很大，6日形成急流，8日08时后由南风转为北风，但仅影响到108°E以东地区，以西仍然是南风控制，说明第一次切变线南下仅影响桂东北地区，水汽和不稳定能量在桂东北大量辐合，因而8日强降雨落在桂东北。此时北风风速很小，仅2m·s-1，切变线强度较弱。9日晚上到11日白天，广西受南风控制，风速大部在8-10m·s-1之间，较强的南风有利于洋面水汽和能量的往北输送。11日晚上，南风再次被北风替换，切变线第二次南压，从受影响的经度发现，切变线第二次南压影响的区域更广，影响到了104°E附近，宽度上影响了整个广西，且强度更强，北风最大有6m·s-1，比第一次强得多，使强降雨落区向南扩展。

图1 沿25°N作经向风的经度－时间剖面图（单位：m·s－1）

4 500hPa高度场及其距平特征

图2 2015年11月7－13日500hPa平均高度场（等值线）及其距平（阴影）（单位：dagpm）

分析2015年11月7-13日500hPa高度场及距平场（图2）可见，副高588dagpm等值线北界控制到广西中部23°N附近，比历年同期偏强，有利于西南气流携带暖湿气流在副高边缘的广西上空辐合；在巴尔喀什湖北侧有一个宽广强大的负距平中心，高度场上该地是低涡低槽，说明强降水期间低涡深厚西风槽活跃，西风槽分裂小槽东移引导低层切变线和地面冷空气南下；距平场上在我国东北和日本北部之间有一个18dagpm的正距平中心，2015年11月强降水期间对应正距平中心的是很弱的高压脊，高压脊与强盛的副高一起阻止低涡和西风槽快速东移和南压，使得切变线只能南压到桂北、桂中一带摆动，地面冷空气不能大举南下，在东移南压过程中强度被削弱从而只能缓慢扩散南下。海平面气压距平图上（图略）华南是-3dagpm的距平，证实了2015年11月强降雨期间冷空气强度比往年弱。活跃的西风槽、副高的阻挡、较弱的冷空气使得冷暖干湿空气长时间在副高北界附近对峙，造成桂东北及桂中长时间强降雨。

5 副高减弱原因分析

副高强度和位置对强降雨落区有很大影响［1］。强降水期间副高北界588dagpm等值线有两次明显的减弱南落过程：9日南落到桂中，10日进一步退到沿海。从位势倾向方程来分析副高北界变化的原因。如不考虑非绝热加热，位势倾向方程如下：

简化后，位势高度的变化主要取决于相对涡度平流和厚度平流（或温度平流）随高度的变化。计算相对涡度平流和温度平流分析副高减弱的原因。

11月8日08时，华北槽移到110°E以西，高原槽和南支槽合并到四川东部和云南西部；涡度平流场中（图3），槽前有大范围的正涡度平流，在副高北侧的河南东部经湖北、湖南一直到贵州南部都是正的涡度平流区。沿110°E作温度平流剖面，8日08时，26°N 以北 900hPa下是冷平流；14 时（图 4），冷平流扩展到25°N以南，副高北侧800hPa以下是冷平流，其上暖平流随高度增强。槽前的正涡度平流向东南方向输送，冷平流向南向上扩展，迫使500hPa26°N以南的等压面下降，因此9日副高减弱，北界南退到桂中。10日，中低纬小波动东移，10日20时低槽位于四川东部-广西西北部，槽前正涡度平流随低槽东移南压，桂东北到粤中有条正涡度带，正涡度中心位于桂东北。温度平流场上，10日14时前，桂中以北的对流层低层仍是冷平流控制，20时，广西上空500hPa附近是冷平流，-4×10-5K·s-1位于25°N的500hPa上空，650hPa以下广西受暖平流影响，暖平流随高度增强。受10日涡度平流和温度平流配置影响，500hPa等压面进一步降低，副高北界再次向南撤退，在华南沿海维持，为11日晚到13日大范围强降雨能够向南深入创造了条件。

图 3 500hPa 涡度平流（单位：10－10s－2），（a）：2015 年 11 月 8 日 08 时；（b）：10 日 20 时

图 4 500hPa 温度平流（单位：10－5K·s－1），（a）：2015 年 11 月 8 日 14 时；（b）：10 日 20 时

6 锋面分析

锋生是指密度不连续性形成的一种过程，或是指已有的一条锋面，其温度（或位温）水平梯度加大的过程。锋生函数由三部分组成：空气水平运动对锋生的作用，垂直运动对锋生的作用，非绝热加热对锋生的作用。

图 5 沿 110°E 的锋生函数（单位：10－10K·m－1·s－1）和假相当位温（单位：K）的纬度－高度剖面，（a）：2015年 11月 7日 20时；（b）：2015年 11月 12日 02时

计算分析锋生函数和假相当位温的演变。沿110°E作锋生函数和假相当位温的纬度-高度剖面，广西处于21-26°N纬度范围内。6日开始，27°N附近开始有正的锋生函数，假相当位温线逐渐加密，7日20时正的锋生函数区域开始南压进入广西，等假相当位温线更加密集，锋区在900hPa以下，600hPa以下假相当位温随高度减小，有弱的位势不稳定（图5）。 8日，正锋生函数移到 23°N，数值稍减小，等假相当位温线密集度减小。9日，锋生函数和假相当位温线密集度减小，锋区减弱。11日，锋区从900hPa附近重新加强，并向上向下延伸，12日02时，锋区从30°N的400hPa伸展到地面的22°N，锋生函数有两个正值中心，一个是 18×10-10K·m-1·s-1在 500-400hPa 间，另一个 12×10-10K·m-1·s-1在 900hPa，结合天气图可知，这是新一轮天气系统影响广西，此时广西上空是位势稳定层结，假相当位温等值线没有8日的密集。13日白天，高低空锋生函数正值断开，广西上空750-500hPa无锋区，最大值位于近地层的21°N，地面锋区已压到沿海，高空天气系统对广西的影响结束。

从锋生函数和假相当位温剖面演变可以看出，8日广西上空存在位势不稳定区，高低空锋区不连在一起；9-11日白天，锋区减弱，影响广西强降雨的主要是925-850hPa之间的锋区；11日晚到13日，高低空锋区相连，高低空天气系统耦合共同影响广西，造成广西大范围强降雨。锋区函数和假相当位温的剖面图很好地反映了高低空各层次锋面的生消和移动情况，由此可以判断强降雨未来走向和落区。

7 物理量分析

7.1 水汽条件

秋冬季强降雨水汽条件至关重要［2-10］。从相对湿度的演变看到，强降水区水汽饱和，强降水区外水汽迅速降低，从高度上看，11日08时之前，90%以上的水汽饱和区在600hPa以下，11日之后饱和区升高到300hPa。与相对湿度相似，水汽通量散度剖面图上，11日之前，水汽辐合在700hPa下，11日晚上开始，辐合量增多，辐合层增高，12日08时辐合量最多。整个强降水期间，广西上空的925hPa大部都是水汽辐合区。

从850hPa水汽通量来看，水汽来源在降水的各个阶段不尽相同。强降水前期，水汽来源于西北太平洋和南海；中期水汽通道最多，除了西北太平洋、南海的水汽通道外，还有黄海、东海和孟加拉湾；后期，水汽来源于西北太平洋、南海和孟加拉湾，辐合量比前期中期多，因而降雨更明显，水汽辐合区和强降雨带明显对应。

7.2 动力条件

沿25°N做散度、垂直速度的经度-高度剖面。强降雨过程中，桂林低层是负值，气流辐合，上升气流中心自北向南压，8日20时（图6），桂林上空500hPa以下有一对散度场的正负中心，800hPa是分界线，其下是-4×10-5s-1，其上是 5×10-5s-1，200hPa 桂林处于西南气流和偏西到西北气流的分散区，高层辐散低层辐合配置形成抽吸作用引起气流强烈上升。垂直速度场上，上升气流逐渐加强，8日20时，对应正负散度中心有一个-1.5Pa·s-1的上升气流中心，上升气流伸展到600hPa。强降雨过程中，随着天气系统的移动、更替，桂林上空的散度场所变化，但低层一直存在垂直上升运动。12日02时，第二次切变线南下，400hPa以下产生一对5×10-5s-1的正负散度中心，负中心就在桂林上空的750hPa，正中心倾斜到104°E的550hPa上，倾斜的散度场使得上升气流也向西倾斜，-3Pa·s-1的上升气流中心位于桂林上空的700hPa上，强烈的大范围的上升气流引起广西强降雨。

图 6 沿 25°N 的散度（等值线，单位 10－5s－1）、垂直速度（阴影，单位：Pa·s－1）的经度－高度剖面，左：2015年11月8日20时；右：12日02时

7.3 热力条件

7日08时强降水前一天，桂林K指数为36℃，cape 值为 545J·kg-1，20 时骤升到 1081J·kg-1；8 日 08时，K值增加到38℃，SI指数为-1.55℃，这在秋季是相当不稳定的。8日白天850hPa切变线南下造成桂东北5站暴雨2站大暴雨的强降雨天气，桂林本站12小时降雨量为97.5mm，接近大暴雨。强降雨后，8日20时，桂林 K指数仍然有 37℃，SI指数为-0.61℃；梧州K指数为38℃，SI指数为-2.31℃，cape值为2139J·kg-1，各个数值均显示其上空为极不稳定的状态。9日，3站暴雨出现在梧州附近的桂东南。11月是深秋，经过2天的强降雨，cape基本为0，但10-13日桂林、梧州k指数仍大于35℃，SI大部分时候仍然是负值，说明还存在不稳定的状况，有触发机制仍会引发强降水。