广东前汛期锋面强降水和后汛期季风强降水特征对比分析

梁巧倩，蒙伟光，孙喜艳，张艳霞

(1.广东省气象台，广东广州510640；2.中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室，广东广州510640)

1 前 言

暴雨是导致广东洪涝的主要原因，前汛期主要受锋面低槽影响，广东中北部的降水量可占全年的40%～50%[1]。后汛期的降水主要由热带系统包括季风造成。前后汛期降水从天气尺度来看，环流形势和影响系统不同，季节不同，造成的降水落区也有区别，但是其造成的降水致灾性是一致的。近年来，华南前后汛期降水的特征及预报问题从天气尺度到中小尺度等方面已成为学者和业务人员关注和研究的重点。

华南前汛期的锋面降水多发生在华南地区高空受平直副热带西风急流影响的环境中[2]。广东后汛期的季风槽暴雨多数发生在西太平洋副高位置偏东或偏南的情况下，并与中纬西风槽或ITCZ有直接关系[3]。热带季风降水为辐合带降水，而副热带季风降水多为锋面降水。根据左瑞亭等[4]的研究，热带降水主要受控于大气层结，为对流性降水；而副热带降水多为锋面降水，受控于大尺度抬升凝结降水，与西风带密切相关。从观测事实来看，华南前汛期降水也有小时雨量超过50 mm的强降水和其他的强对流天气。锋面降水和季风降水在广东地区的落区分布也少有分析。因此认为从天气尺度来区别锋面降水和季风降水的系统配置、强度和落区将为短期天气的精细化预报提供依据，并为进一步进行中尺度特征研究提供天气背景基础。

无论是前汛期的锋面降水，还是后汛期的季风降水，都是在有利的天气尺度系统配置下由多个中尺度对流系统(MCS)产生。如2005年6月一次珠江(西江)流域致洪暴雨，就具有明显的多尺度特征，至少有4个β中尺度对流雨团发生发展[5]。2007年5月26日华南一次暖区暴雨过程与三个连续生消的中尺度对流活动有直接关系，这些中尺度对流系统形成于850 hPa西南低空急流左侧的辐合区和高层200 hPa的辐散气流中[6]。2005年6月20日的一次华南暴雨过程中影响两广地区局地强降水的两个主要中尺度对流系统对流上升速度都很大，引起的局地降水量相差不多但性质不同，一个为锋面云团，一个为暖性云团，具有锋面特征的MCS以对称不稳定机制来维持对流运动的，而具有非锋面结构的MCS维持机制主要是湿对流不稳定[7]。

中尺度系统是暴雨的直接制造者，其发生发展决定了暴雨的落区及强度。积云对流是中尺度系统发生、发展的重要物理过程。积云对流在数值模式中的描述是通过参数化来实现。国内外积云参数化研究一直是备受关注的前沿问题。目前国际最新研究开始强调在中尺度模式中对组织化对流过程的描述，这为东亚区域中尺度积云参数化方案的研究提供了可借鉴的思路[8]。从观测和物理量诊断方面对暴雨的中尺度特征进行研究将能给模式对流参数化的改进提供依据。

因此，本文针对华南前汛期锋面暴雨和后汛期季风暴雨两类，从近二十年的资料中挑选两组暴雨个例，从天气形势、暴雨/短时强降水落区、对流活动相关的物理量特征进行对比分析，为同类天气的短期和短临主客观预报提供预报思路和依据。

2 资料说明及个例选择

本文所用的资料包括：(1)1998—2012年广东省86个基准测站20—20点(北京时，下同)的24小时累积雨量及相应的历史天气图；(2)1998—2012年 EC ERA-interim 0.125 °×0.125 °再分析资料[9]；(3)1998—2012年GMS红外云图及其冷云顶TBB(Black-body Temperature Equivalent)资料，时间间隔为1 h，水平分辨率0.25°×0.125°；(4)2008—2015年广东省近千个数据采集稳定的自动站小时雨量。

定义广东省86个测站范围内24 h累积雨量≥50 mm的站次多于17个(约为广东省站点的1/5)的日子为全省性暴雨日。根据定义选出前汛期(3－6月)和后汛期(7－9月)的全省性暴雨日，然后根据降水过程中地面是否有锋面影响，选出前汛期降水10例；根据降水过程前后850 hPa是否有一致的偏西南风影响，选出后汛期降水10例(表 1)。

表1 前汛期锋面暴雨个例和后汛期季风槽暴雨个例

3 环流形势合成分析

将个例的前一日20时、当日08时、20时定义为前后汛期个例降水开始、进行和结束时刻，对10个个例的环流形势进行合成分析，图1和图2给出了08时合成的前后汛期垂直各层风场及涡度/散度场，前汛期锋面降水的天气尺度影响系统主要是地面锋面、850 hPa切变线和500 hPa西风短波槽，后汛期的主要是季风低槽和500 hPa西风槽。

根据定义，前汛期个例的天气系统地面是有锋面的，但是锋面在华南的表现非常弱，极少有典型的锋面结构，有的在热力场如温差和露点差是有反映的，有的仅仅是风场表现为南北风在南岭地区的对峙(图1a)。降水期间低层冷空气前锋逐渐南下影响华南，随着北风自北向南推进并控制广东，降水结束。850 hPa有东北-西南向的冷性切变线或者低涡切变线自江南逐渐南压至广东中部。切变线南压之前，广东受一致的强西南风场控制，平均风速一般达到8 m/s以上。切变线经过广东西北部时伴有明显的风场辐合，最强的辐合中心有-2×10-5～-5×10-5s-1的散度值 (图 1b)。500 hPa，中国大陆上空是北脊南槽，槽脊汇合的偏西流场位于江南到南岭地区，南支槽底位于20°N附近，广东位于槽底平直的偏西环流中，受快速东移的短波槽影响。500 hPa的环流形势与前汛期两槽一脊型的暴雨形势相似[1]。过程中，广东上游的云贵地区一直有较强的正涡度维持，表明青藏高原东侧的正涡度随南支西风带的短波槽东传(图1c)。200 hPa，华南上空处于西风槽宽槽底的西南西流场中，副热带西风急流位于115°E以东、30～40°N之间，华南处于急流入口右侧，有大范围的辐散区相配合。降水期间，华南北部是绝对值大于2×10-5s-1的强辐散区(图1d)。

后汛期个例合成的主要特征是850 hPa上华南受一致的西南气流控制(图2b)。西南气流来源于经孟加拉湾(简称“孟湾”)过来的越赤道气流，在孟湾维持10 m/s以上的风速，中心最大风速达到急流强度，越赤道气流在孟湾分两支，一支北上卷入孟湾北部的气旋区，另一支越过中南半岛到达华南。西南风近乎与粤西海岸线平行，然后从粤东气旋性弯曲折向陆地，形成的季风槽线位于南岭地区，表现为暖性切变，其西端也可能和位于广西境内的低涡相连，呈低涡切变的形式存在。广东大部分地区受8～10 m/s的西南风影响，近海风速可达10 m/s以上。地面上是低压槽与之配合，风场上表现为强的西南风上岸后迅速减弱形成的风速辐合，辐合线位于广东韶关-肇庆一带(图2a)。500 hPa，华北到北部湾东北-西南向是低槽区，北槽槽底位于长江流域，南槽低涡中心位于两广交界，广东到南海北部处于低涡东侧强的西南气流中，西南气流自中南半岛经海南岛和广东沿海往东北方向北上，该支气流和低层850 hPa的西南风(急流)垂直方向上是对应的，广东中南部有大于3×10-5s-1的正涡度相对应。副高较弱，维持在125°E以东的西北太平洋上。200 hPa，副热带西风急流已经北抬至40°N附近，华南上空是南亚高压东南侧的扇形辐散区(图2d)。这样的高低层系统配置和华南地区强西南季风爆发的暖区暴雨形势[1]非常相似。

4 降水落区和强度分析

将10前后汛期个例的24 h降水总量进行合成平均如图3所示。从图3a中可见，前汛期锋面降水的最大日降水量介于50～80 mm之间，降水中心位于西北部偏南和东北部偏北的阳山-英德-韶关-翁源-新丰-和平-蕉岭一带。较大降水区域往南向珠三角延伸，广佛地区有38 mm以上的日降水量。恩平-斗门是次中心，最大降水量介于50～60 mm之间。

后汛期季风降水(图3b)的中心分布在粤东沿海地区，最大降水量出现在汕尾附近，可达120 mm以上。较大降水区域呈西北东南向往珠江三角洲(以下简称“珠三角”)延伸，清远、广佛（广州佛山）和珠海中山等地都有38 mm以上的日降水量。

相较后汛期的日降水量合成分布可见，前汛期降水的主雨区集中在北部，而后汛期集中在东南沿海。邱军等[10]的研究也表明后汛期的持续性暴雨主要以海丰、南澳为中心。前后汛期的一个共同特点是珠三角地区都是次降水中心，其中广佛地区都有大雨到暴雨的降水量级，其次是珠江口西侧。广东全省来看，大雨以上的降水前汛期分布得更广一些。

为了进一步探究前后汛期降水在强度和性质方面是否有区别，引入了云图资料进行分析。参照MCS分类统计时的云图分析方法[11]，依据云团形状大小、生命周期、偏心率、TBB等要素，逐时考察个例的TBB资料，并进行统计分析。结果显示，前后汛期的个例降水都是由2个或以上的线状或长条状中尺度对流系统(PECS)产生，前汛期每例平均有2.4个PECS发生发展，后汛期则有3个，比前汛期略多。表明前后汛期降水都是以对流性降水为主。从TBB来看，不论前后汛期，大多数PECS发展成熟阶段TBB都＜-52℃，发展最强盛时TBB能＜-62℃。故从TBB来看前后汛期的对流强度没有明显区别。从对流云团发展的时间来看，前汛期的对流活动从夜间(20点)开始，下半夜到早晨时段(02—08点)会有短暂的间歇，早晨到下午(05—17点)这一段又重新发展，第3个活跃时段是傍晚到下半夜(17—02点)。后汛期大部分个例的对流活动全天都有发生，其中20点—次日05点前后是一个高发期，05点到傍晚前后是次高发期。次高发期在早晨开始，而高发期的发展末期也在凌晨05时前后，这和季风降水的夜雨特征[12]相吻合。

由上述的云图分析可见，前汛期锋面降水和后汛期季风降水都是以对流性降水为主，产生降水的中尺度对流云团发展成熟时大多有＜-52℃的TBB。林长城等[13]利用1998—1999年前汛期GMS-5红外云图探讨了云顶亮温与地面雨强关系，选取了-46℃作为判断福建地区前汛期强降水出现的亮温阈值。广东汛期的降水尤其是暴雨降水也多伴有短时强降水发生，后者的致灾性更为明显。为进一步探究致灾性的短时强降水在前后汛期的落区区别，引入了广东省自动站加密观测资料。由于该资料和前述的前后汛期20例个例的时间不匹配，历史自动站资料不全但要确保采样数量等原因，仅利用2009—2015年共6年的全省自动站资料，定义全省有10个以上站点小时雨量≥50 mm为一例短时强降水天气。分为前汛期西风带降水和后汛期热带系统降水两类，统计在满足如上定义的个例中，全省各自动站出现短时强降水的频次，并做标准化处理后如图4所示。其中西风带降水是指500 hPa西风槽过境或西风槽前配合低层切变线或冷空气活动导致的降水，包含了前述的锋面降水，热带系统降水包括季风降水和台风降水。

由图4a可见，前汛期西风带系统影响下的短时强降水最常出现在北至清远英德，东至汕尾市，西至阳江的珠三角地区，其中短时强降水出现得最多的是阳江东部和江门西部沿海一带，其次是广州南部到东莞西部一带。可见前汛期斜压系统自北越过南岭后造成广东的短时强降水并不在北部山区，而是在偏南的珠三角平原地区，对比图3a发现，锋面系统影响下24 h累积雨量最大的区域并不与西风带系统影响下频发的短时强降水中心相一致，后者位置更偏南。后汛期热带系统影响下的短时强降水(图4b)最常出现的地区相较前汛期有点分散，除了东北部、韶关北部、三连地区和肇庆地区外，几乎都有短时强降水发生，其中东至揭阳、西至阳江市、北至广州佛山的珠三角南部地区是主要的短时强降水频发区，东莞的频发短时强降水中心较前汛期偏东，位于阳江的中心则较前汛期的偏西，两个中心的频次强度都较前汛期偏弱，最强的频次中心位于汕尾市北部。最大的24 h雨量中心(图3b)与最频发的短时强降水中心几乎一致，集中在东南沿海地区和珠江口附近，表明雨强和总雨量都是该地区的致灾原因。

5 前后汛期降水期间的物理量分析

由前面的分析可见，前汛期锋面降水和后汛期季风降水都以对流性质为主，但从TBB来看二者的对流强度没有明显区别。因此，本小节拟从物理量计算中发现二者对流过程中的一些区别。5.1显热源Q1和水汽汇Q2的垂直廓线分析

由于物理量计算所用的EC ERA-interim 0.125°×0.125°再分析资料只有20点和08点两个时刻的资料，故将逐小时的TBB资料划分为三个时段，分别是1阶段(个例前一天的20点到当天的04点)，2阶段(个例当天的05—16点)，3阶段(个例当天的17—20点)，分别对应物理量计算中个例开始的20点、进行中的08点和结束时的20点。分别找出3个时段TBB的最大值，逐层次取出TBB≤-52℃的格点上Q1和Q2，计算其平均值，分别前后汛期和3个时段得到Q1和Q2的垂直廓线如图5所示。其中Q1和Q2计算方法参照文献[14]。

前汛期锋面降水的显热源(图5a)垂直伸展高度介于925～200 hPa之间，最强中心位于400 hPa。降水开始的20点对流性降水比重大，显热源分别在500 hPa和850 hPa有弱中心。这和前汛期的对流活动从夜间开始的时间是一致的。随后显热源中心上移，稳定在400 hPa，层云降水贡献加大。对应的水汽汇(图5c)垂直伸展高度介于925～400 hPa之间，个例开始的20点在近地面和850 hPa分别有弱中心，最高伸展高度约700 hPa，随后低层中心减弱并转为水汽源，850 hPa的中心增强，于降水结束的20点达到最强，中心值达到0.8 K/h，约为开始时的4倍，水汽汇往上伸展最高达到400 hPa。

后汛期季风降水的显热源垂直伸展高度(图5b)与前汛期的一致，但强中心高度略低，位于500 hPa，说明层云降水的比重较前汛期的大。对应早晨前后的夜雨特征，08时的显热源中心抬高到400 hPa，低层850 hPa有一个弱的次中心，相对降水开始时刻的20点，700～500 hPa的值是减弱的，说明08时较其他时次层云降水的贡献提高，对流性降水减少。对应的水汽汇于降水开始时刻的20点在近地层和500 hPa是弱的水汽汇，08时水汽汇达到最强，介于地面～400 hPa之间，中心位于500 hPa，伸展高度较前汛期的高，但水汽汇最强的强度仅及前汛期的四分之一，约0.2 K/h。对比前后汛期的上述Q1和Q2特征可知，前汛期锋面对流活跃的夜间对流性降水比重较大，随后减少，后汛期季风降水则层云降水所占比重始终较前汛期的要大。前汛期的水汽汇中心在850 hPa，强度远强于后汛期，但后汛期水汽汇垂直伸展高度更高，中心约位于500 hPa。

5.2 物理量的对比分析

分别前后汛期，对表2所列的41个物理量进行逐个例分析，甄别出26个在前后汛期个例中都有特征性表现的物理量，然后依照上述Q1和Q2的计算方法，分为三个时次对该26个物理量计算其前后汛期个例的均值及其前后汛期差异。其中前汛期有三例因计算范围内格点TBB＞-52℃，故没有获得该个例的物理量均值。根据三个时次均值的差异超过50%来认为该物理量在前后汛期的特征有显著差异，并综合考量三时次个例序列变化、单位量级和正负号方向变化等因素，认为风暴相对螺旋度(SRH)、抬升指数(LI)、6 km垂直风切变(SH3)、3 km 垂直风切变(SH2)、925 hPa 的 y 方向的温度梯度 (TTY925)、500hPa位温(Thetase500)、925 hPa水汽通量散度(Qfluxdiv925)和抬升凝结高度(LCL)共8个物理量具有较明显的前后汛期特征区别。

SRH在前后汛期的对流活动中有较大区别。后汛期的对流活动具有较小的SRH，多数个例的SRH＜50 m2/s2，表明后汛期对流系统的旋转性和沿着旋转方向运动的性质是较弱的；前汛期的对流活动SRH多数＞50 m2/s2，最大可达300 m2/s2以上，较后汛期明显偏大，个例间的变化幅度也较大(图 6)。Davics-Jones[15]将 SRH＝150 m2/s2界定为有利于产生超级单体风暴的最低值。因此，前汛期的对流活动伴有剧烈天气的可能性更大。罗聪等[16]分析了锋面和暖区两类短时强降水特征，也发现锋面强降水更容易伴随有灾害性大风出现，且锋面强降水风暴具有强度更大和更为深厚的强回波核心区，决定了此类风暴的对流性更明显。李丽平等[17]研究了华南前汛期降水年代际异常的时空特征及其可能成因。

前汛期个例有比较强的SH3(图7a)，一般大于10 m/s，个例中最大可达25 m/s以上。SH3在后汛期个例中多介于3～6 m/s之间(图7b)。广东西南部和珠三角地区更弱。SH2也有类似SH3的特点，但数值小于SH3。强的垂直风切变可以使得发展起来的对流更容易维持，因此前汛期个例的对流活动更易于发展和维持。

TTY925在前后汛期的个例中也有明显区别(图8)，其中前汛期个例中TTY925多介于-1×10-5～-3×10-5K/m之间，极端小值接近-6×10-5K/m，说明前汛期个例的对流活动在热力方面存在南北差异，和锋面系统相联系。相较而言，后汛期TTY925绝对数值仅介于0～-1×10-5K/m之间，表明后汛期个例的对流活动多发展在南北热力分布较均匀的环境场中。但是从925 hPa的温度平流来看，后汛期多对应着弱的正温度平流，这可能和低层南风来自更热更潮湿的低纬度有关。

表2 41个物理量及其在前后汛期对流系统发展期间的表现

水汽方面，前汛期925 hPa U方向的水汽通量多集中在-10×10-3～6×10-3kg/(m·hPa·s)之间，正值居多，表明西风分量带来的水汽为主，后汛期多集中在-2×10-3～10×10-3kg/(m·hPa·s)之间。故从数值上看，前后汛期水汽通量没有明显区别。后汛期个例的对流活动普遍有0～-2×10-8kg/(m2·hPa·s) 的低层水汽通量辐合Qfluxdiv925(图9)，也就是说对流发生在相对弱的水汽辐合环境中。前汛期则强弱辐合环境都可能发生对流，强的辐合可达-1.2×10-7kg/(m2·hPa·s)以上，较后汛期可以相差一个数量级，一般在-1×10-8～-7×10-8kg/(m2·hPa·s)之间。前后汛期个例均值分别是-3.2×10-8和-1.0×10-8kg/(m2·hPa·s)(表 3)，前汛期的水汽通量辐合约为后汛期的3倍，这和Q2的对比结果一致。垂直方向来看，前汛期低层的水汽辐合中心伴有较大的水汽辐合梯度的地方对应着对流发展的地方，辐合中心随高度往上减小；后汛期925～700 hPa都是弱的辐合区，介于-2×10-8～2×10-8kg/(m2·hPa·s)之间，越往上越接近于 0。

分别计算了8个物理量在前后汛期10例的均值，以上分析的4个物理量均值在前后汛期的比较中也有显著差异(表3)。此外，LI尽管在过程开始的20时均值差异没有超过50%，但其在后汛期有一致的负值，集中在-2左右(图10b)。前汛期则不然，其值在4～-7之间变化(图10a)。表明对流不稳定的条件在后汛期的对流活动中表现得更一致性的明显。

从前后汛期差异的绝对值来看(表3)，抬升凝结高度和500 hPa位温在前后汛期的个例中也是有明显区别的。500 hPa位温在前汛期的平均值约334 K，后汛期约344 K，相较前汛期约高10 K。这可能和前后汛期所处的季节有关。从个例均值来看，前汛期的抬升凝结高度约1 143 m，介于900～850 hPa，后汛期的约 855 m，介于 950～925 hPa，二者约有300 m的高度差，可见前后汛期的LCL是有明显区别的，后汛期的对流触发高度更低，意味着其他条件支持的前提下低层到地面层的弱辐合系统就能启动对流活动。

此外，K指数、自由对流高度、对流抑制指数、对流有位效和总指数都和前后汛期个例的对流活动有对应关系，但前后汛期的区别不明显。

表3 物理量在前后汛期的均值及差异

综上所述，从物理量的表征意义来看，前汛期对流活动的抬升凝结高度约在900～850 hPa，低层的辐合线或者低空急流容易使不稳定的抬升到达这个高度从而启动对流；南北方向的温度梯度提供了斜压不稳定能量，强的SH3值有利于对流维持和发展；低层风场，特别是西风分量所携带的水汽是对流区域水汽的主要来源，对流区域有较强的水汽通量辐合，水汽的来源和输送都是充足的；SRH较大，对流的旋转性和沿着旋转方向的移动特征明显。相较而言，后汛期的对流凝结高度更低，且对流活动可以在弱的正温度平流环境中发生，对流活动更倾向于正压的热带性质；对流区域低层水汽通量辐合约为前汛期的1/3，对流活动可以在弱的水汽通量辐合和垂直风切变环境中维持，但对流强度较前汛期弱。

6 结 论

根据前汛期锋面特征和后汛期850 hPa西南季风特征，挑选出前后汛期各10个代表个例，总结了前汛期锋面降水和后汛期季风降水的天气系统和环流特征，并分析了前后汛期的降水落区和降水强度，认为前汛期锋面降水和后汛期季风降水的共同特点是珠三角地区都是次降水中心，广佛地区有大雨到暴雨的降水量级；降水都是由2个或以上的线状或长条状中尺度对流系统(PECS)产生。小时雨量≥50 mm的短时强降水前后汛期都多出现在珠三角平原地区，其中前汛期短时强降水出现得最多的是阳江东部和江门西部沿海一带，其次是广州南部到东莞西部一带，后汛期最强的频次中心位于汕尾市北部。

Q1和Q2的廓线特征表明前汛期锋面对流活跃的夜间对流性降水比重较大，后汛期季风降水则层云降水所占比重始终较前汛期的要大。前汛期的水汽汇中心在850 hPa，强度远强于后汛期，但后汛期水汽汇垂直伸展高度更高。

多个物理量的分析表明，风暴相对螺旋度、抬升指数、6 km垂直风切变、3 km垂直风切变、925 hPa的y方向的温度梯度、500 hPa位温、925 hPa水汽通量散度和抬升凝结高度在前汛期锋面降水和后汛期季风降水期间都有明显特征，并且前后汛期的特征有显著差异。

前汛期对流活动的抬升凝结高度约在900～850 hPa，后汛期的更低；前汛期锋面降水期间有强的垂直风切变和风暴相对螺旋度，表明对流活动更容易维持和发展，并且对流强度更强，后汛期则相对弱一些；前汛期锋面降水期间对流区域有较强的水汽通量辐合中心，后汛期的仅为前汛期的约1/3。