高层动力强迫对回流型华南暖区暴雨影响的个例研究

张亚妮，姚秀萍，于超

(1.中国气象局国家气象中心，北京100081；2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京100081；3.中国气象局气象干部培训学院，北京100081)

1 引 言

我国地处世界最大的亚澳季风区[1]，暴雨多发，具有明显不同的地域特征。华南位于我国大陆南端，每年汛期开始早、持续时间长、暴雨频繁发生。李真光等[2]的统计分析指出92.5%的华南暴雨过程与南下冷空气活动有关。尽管如此，但大多数前汛期暴雨没有发生在锋面上或锋面后，而是位于锋面前的暖空气一侧，即华南地区特有的暖区暴雨。暖区暴雨一般发生在地面锋面系统前200～300 km的位置，有时发生在西南风和东南风的汇合气流中，甚至无明显切变的西南气流里[3]，其与华南的地形和海陆分布也有密切关系[4-6]，具有明显的地域性特征。

华南暖区暴雨是华南前汛期暴雨最显著的特点[7-8]，具有范围小、强度强、局地性显著、灾害影响严重等特点[4]。许多小范围局地性的大暴雨、特大暴雨多发生在暖区里，这使得暖区暴雨预报难度加大。牛本璐等[9]采用AREMv2.3k中尺度模式对2006年华南前汛期一次暴雨过程进行模拟，发现小振幅初始扰动误差非线性增长迅速，表明短期的较小尺度降水可预报性小。陈茂钦等[10]利用WRF中尺度天气研究和预报模式讨论了江淮暴雨和华南暖区暴雨的可预报性问题，从误差增长和集合预报的角度讲，微小的随机初始扰动误差在华南暴雨模拟过程中增长更快，其模式可预报性较江淮暴雨差。

暖区降水与锋面降水在触发条件、形成机制、降水特征等方面显著不同，且其危害严重，预报准确率显著偏低。因此，长期以来，对华南暴雨的研究工作始终受到气象工作者的高度重视。早在1970年代末，我国开展了第1次较大规模的华南前汛期暴雨试验。黄士松等[3]总结了试验研究成果，指出对流层低层环流形势对华南暖区暴雨形成的重要性。近年来有不少针对华南暖区暴雨的个例研究。孙健等[5]研究了1998年6月一次华南强降雨，结果表明该暖区暴雨过程的主要影响系统为西南低空急流，在海南岛的阻挡和绕流作用下，西南暖湿气流在海南岛东北侧出现了一个200 km左右的气旋性环流，加强了气旋东北部低层水汽辐合。张晓美等[11]对一次典型的华南暖区暴雨的研究指出，引发暴雨的β中尺度对流系统形成于850 hPa急流左侧的辐合区。夏如娣等[12-13]对一次暴雨过程中粤桂两地锋前暖区暴雨进行了分析，强调低层风场辐合的重要性，并说明了地面辐合线上的扰动及地面较强的温湿对比区的热力作用对于β中尺度系统的触发可能有重要影响。徐燚等[14]研究揭示了沿锋前浅薄稳定层内传播的低层重力波对暖区暴雨的作用。此外，某些情况下，中高层对暖区暴雨有触发作用，闫敬华等[15]曾提出一种中高层重力波的触发机制，解释了一类华南暖区暴雨的形成机理。叶朗明等[16]对2014年5月8—12日发生在华南的两次不同类型暖区暴雨进行对比分析，指出高空辐散在回流型暖区暴雨中起着比锋前暖区暴雨更加重要的作用，且两次暴雨的触发机制显著不同。本文针对此次暴雨过程，着重研究中高层系统对回流型暖区暴雨的强迫作用。

2 资料与暴雨过程概况

本文所用资料为一日4次、1°×1°的NCEP（National Centers of Environmental Prediction）再分析资料，FY-2E卫星云图资料，中国气象局台站观测的降水资料以及逐日（CMPA_Daily）融合降水产品。融合降水产品是由国家气象信息中心基于国家级2 400多个台站观测日降水量和CMORPH（Climate Prediction Center Morphing Technique）卫星反演降水产品，采用概率密度匹配和最优插值相结合的两步数据融合方法研制的中国区域降水资料[17-18]，水平分辨率为0.25°×0.25°。文中时间均采用北京时。

2014年5月8—10日，广东南部出现了大范围大雨或暴雨天气，珠江口以西至阳江一带日降水量在100 mm以上（图1），斗门、台山和阳江等地三天累积雨量在250 mm以上，其中沿海地区局地有400～600 mm，台山市赤溪镇达702 mm。图2给出了台山市赤溪镇、江门市罗坑镇和中山市三乡镇三个自动站1 h雨量随时间的变化，台山市赤溪镇（图2a）降水从9日04时开始，主要发生在9日06—15时，最大小时雨强达100 mm。江门市罗坑镇和中山市三乡镇降水分别发生在8日20时和21时，降水时段集中。

图1 2014年5月8—10日逐日降水量分布 单位：mm/d。a.5月8日08时—9日08时；b.5月9日08时—10日08时；c.5月10日08时—11日08时。

此次降水过程雨量集中、降雨强度大、局地性显著，具有暖区降水的特征。林良勋等[19]根据环流特征，将华南暖区暴雨归纳为回流暴雨型、高空槽型和强西南风型。回流暴雨型一般出现在4月初—5月中旬，主要表现为暖区边界层存在一定斜压性，回流东风与西南风辐合所触发的中尺度暴雨。从本次降水发生前1 000 hPa风场与地面气压场（图3a）分布看出，5月8日14时（图3a）冷高压已经东移入海变性，高压脊经福建沿海伸向珠江口附近，广东大部地区受冷高压后部的东南风控制，北部湾及广西南部吹偏南风。925 hPa珠江口以东为东南风，以西为西南风（图3c），850 hPa上整个华南地区受偏南气流控制（图3d），此时华南处于典型回流暖区暴雨形势场中，具有回流型暖区暴雨特征[20-21]。并且，直至5月11日02时（图3b），后一股冷空气才开始影响华南地区（冷高压主体位于西北地区东部），锋区位于江南中部至华南西北部一带，为影响5月10日湖南、广西北部和广东北部等地降水(图1c)的天气尺度系统。在此之前无明显天气尺度锋面系统影响广东。

图2 自动站1小时降水量 a.台山市赤溪镇（712187）；b.江门市罗坑镇(712103)；c.中山市三乡镇 (712053)。

图 3 2014 年 5 月 8 日 14 时(a、c、d)和 11 日 02 时(b)1 000 hPa(a)与地面(b)风场(单位：m/s)与气压场(单位：hPa)925 hPa(c)和 850 hPa(d)风场（单位：m/s）与温度场（单位：℃）

3 降水阶段

对于此次降水，可根据中尺度对流系统（MCS）的生消发展特征将其分为两个阶段[22]。降水发生前后雷达组合反射率演变（图4）显示，第一阶段从8日午后开始逐渐发展。8日14时（图4a），在两广交界（回波A）、广东西南部近海海面（回波B）及珠江口附近海面（回波C）分别有对流活动，8日17时三处回波区均东移发展（图4b），之后至8日20时（图4c），C处回波减弱，A处回波显著增强并南压东移，逐渐发展为具有线状特征的β中尺度对流系统。红外云图（图略）显示其具有明显的近圆状冷云云顶，水平尺度接近MCC。该MCS（称为MCS1）是8日广东暴雨天气的影响系统，9日06时对广东的影响基本结束（图4e）。该时段降水移动性显著，单站降水时段集中，江门市罗坑镇（图2b）和中山市三乡镇（图2c）8日20时前后的降水属于这一阶段。

图4 2014年5月8日不同时次雷达组合反射率拼图

第二阶段最早可追溯到9日03时（图略），MCS1线状对流回波位于广东东南部海面，珠江口附近降水停止。此时，在珠江口以西有新的对流系统发展，9日04时（图4d）出现弧状对流线，后逐渐发展为β中尺度MCS（称为MCS2，图4f）。MCS2移动缓慢，强回波在珠江口西部停滞，造成珠江口西岸的强降雨。该阶段降水局地性强，单站降水持续时间长，台山市赤溪镇（图2a）9日白天降水属于本阶段。

另外，从10日上午开始至20时，在珠江口西岸有明显降水（图2a），叶朗明等[16]将其归为锋前暖区暴雨，与8日回流型暴雨的环流特征明显不同。

4 高低空环流系统

4.1 低层浅薄偏东风气流

研究表明，回流型暖区暴雨通常形成于变性高压脊后部，与低层偏东风有关[16,19-21]。在本次暖区暴雨发生的第一阶段，华南地区地面受偏东风影响（图3a）。从地面常规观测的地面风场看（图5），8日 08时（图 5a），除广西西南部偏南风较明显外（都安（59037）、百色（59211）、平果（59228）、扶遂（59431）以西），华南地区基本上为偏东气流。8日11时（图5b）北部湾偏南风分量开始增大，海南岛大部已经转为西南风或南风，至8日14时（图5c）北部湾、海南岛基本上被南风控制，且向北发展，在广西东南部形成中尺度地面辐合线，为暴雨发生提供了低层辐合条件。8日14时在广西西北部还存在另一个地面辐合线，来宾站（59242）于14时转为偏南风，但由于南风风速较小，并与北部湾南风没有打通，该辐合线较广西东南部的辐合线偏弱，925 hPa的散度场（图略）清楚显示出较强辐合出现在广西东南部，且从08时（图略）至14时（图略）明显增强，对应回波A的发展。

现代木结构建筑设计应遵循模数协调原则，建立标准化结构体系，优化建筑空间尺寸[13]。项目建筑设计未严格遵循选材的模数要求，在项目围护体系制作过程中，材料出现多次裁剪，造成了一定的浪费。通过项目实践深切体会到，模数化是建筑工业化的基础，实现预制构件和内装部品的标准化、系列化和通用化[9]13，有利于组织生产、提高效率、降低成本。

图5 2014年5月8日08时(a)、11时(b)和14时(c)地面常规观测的地面风场 单位：m/s。

4.2 高层东移短波槽

5月7—8日，200 hPa上有短波槽沿南亚高压东北侧向东南移动，8日08时位于云南东部（图6a），14时到达广西西部（图6b），并略有加强。8日20时—9日02时（图6c、6d），该槽明显向南发展，但北段发展不显著。

从风场看，该槽东移时明显加深，槽前/后的南/北风不断加强并向北/南伸展。尤其是槽前偏南风的加强，与高层辐散场增强密切相关。8日08—14时（图 6a、6b），随着槽东移加深，南风加强，槽前辐散增大，最大值由08时约4×10-5s-1增强至14时约6×10-5s-1，且由广西西部东移至广西东部，500 hPa主要上升区位于辐散大值区东侧。8日20时—9日02时（图6c、6d），偏南风继续增大，辐散进一步加强，500 hPa上升运动也快速发展，基本与辐散区重合。叶朗明等[16]对该过程的分析指出中高层小股冷空气叠加在低层暖湿空气上形成不稳定层结，造成中尺度对流的发生，并强调200 hPa的辐散气流进一步触发了对流的发展。总之，高层短波槽东移，槽前南风加强，高层辐散增强，为对流发展提供了有利的高层条件。MCS1正是8日06时前后在槽前（广西东部）由对流云A发展并快速加强的。

图6 2014年5月8日200 hPa风场（单位：m/s）、高度场（实线，单位：dagpm）、散度场（阴影区为散度大于等于 2×10-5s-1的区域，单位：10-5s-1）及 500 hPa垂直速度（虚线，单位：Pa/s）的演变

5 深对流发展的高层辐散强迫

图7给出了5月8日14时—9日02时垂直速度和散度的垂直剖面。8日14时在23°N（图7a）有明显上升区，对应图4a中A处回波。该上升运动区主要集中在600～400 hPa的中上层，400 hPa以上存在明显的辐散气流（大于2×10-5s-1）。8日20时，高层辐散区进一步向下向南伸展（图7b、7e），大于2×10-5s-1的区域可达500 hPa附近，上升运动大值区仍位于中上层。另外，随着高层辐散的增强，低层强辐合区明显增大，尤其在800～700 hPa，辐合较14时显著增强（图7b、7e）。此时对流A已经发展为MCS1，回波主要位于23°N以北，强回波区位置略偏南，约处于珠江口以西22～23°N之间（图4c）。之后，MCS1南压东移迅速发展，到9日02时，高层辐散显著加强，最大值达12×10-5s-1，垂直上升运动也显著增强，尤其在116°E，23°N（图7c）附近，上升运动从对流层低层直达200 hPa。在本次暖区暴雨过程中，上升运动比较深厚，有别于锋前暖区暴雨，与高层辐散强迫密切相关[16]。

图7 2014年5月8日纬向风(单位：m/s)与垂直速度(单位：Pa/s)的风矢场(u,-ω×20)以及散度场(红实线，等值线间隔为 2×10-5s-1)沿23 °N(a～c)和 22 °N(d～f)的垂直剖面 第1～3列依序分别为8日14时、8日20时、9日02时，阴影区为垂直速度小于等于-0.2 Pa/s的区域。

6 等熵位涡异常对高层辐散发展的作用

6.1 平流作用引起的等熵位涡异常

在对流层高层摩擦力可以忽略，并且在绝热情况下，Ertel位涡是守恒的[23]。下面将从位涡（PV）的角度进行分析。Ertel位涡定义为：

其中，θ为位温，ηa是单位质量的绝对涡度。等熵位涡（IPV）表示为[24]：

位温的垂直分布（图略）显示在华南南部345 K等熵面位于约200 hPa附近，该等熵面位涡的变化可代表对流层高层系统的活动。图8是5月8日345 K等熵面上位涡、风场及高度场的水平演变。5月8日08时（图8a）在云南东北部有一高PV区，与200 hPa等压面上槽的位置一致（图6a）。此外，从该高PV区至广西西部附近存在西北-东南走向的位势高度密集带，345 K等熵面在此处有明显的倾斜，且气流沿倾斜等熵面爬升显著。 8日14时（图8b），该高PV区东移到广西西北部，且等熵面倾斜程度略有加强。8日20时—9日02时，高PV区向东北方向收缩，等熵面倾斜区移至广东境内，在高PV区的东侧负位涡明显增强，尤其是9日02时，广东东部被负位涡控制。

在不考虑加热和摩擦的情况下，沿等熵面位涡守恒，其变化主要由平流引起。图9是345 K等熵面上的位涡平流，8日14时在广西东部有正PV平流（图9a），与8日20时此处的高PV中心相对应（图8c）。8日20时，正PV平流区东移至湖南南部至广东北部（图9b），其位置与9日02时广东北部、湖南南部一带的高PV区（图8d）基本一致。对于9日02时广东东部的负PV区，上一时刻并无负PV平流，而且此处还有弱的正PV平流，表明该处负PV异常可能与非绝热加热强迫有关。

6.2 潜热加热反馈引起的等熵位涡异常

由位涡方程[23-24]，当不计摩擦时有：

其中，下标z和s分别表示垂直和水平方向，Q表示非绝热加热。一般情况下，非绝热加热水平梯度引起的位涡制造往往比垂直梯度引起的位涡制造小一个量级[27]，因此重点分析式（3）右端第一项。潜热加热中心位于中层，分别向地面和高层递减，在加热中心以上的对流层中上层，∂Q/∂z＜0，有负位涡制造[28]。图10a显示8日14时之后非绝热加热明显加强，对流层中上层非绝热加热随高度减弱，有负位涡生成，这是9日02时广东东部上空负位涡增强的主要原因。

图8 2014年5月8日08时(a)、14时(b)、20时(c)和9日02时(d)345 K等熵面上位涡（阴影，单位：PVU）、风场（单位：m/s）和高度场（实线，单位：100 gpm）的水平分布

图9 2014年5月8日14时(a)、20时(b)345 K等熵面上位涡平流（单位：10-10K·m2/(s2·kg)）水平分布

图 10 2014年 5月 7—10日广东附近区域（112～116 °E，21～23 °N）平均的视热源(a)和视水汽汇(b)随时间变化 单位：℃/(6 h)。

6.3 等熵位涡异常对高层辐散的强迫作用

根据Hoskins等[24]的等熵位涡思想，对流层高层正（负）位涡异常（图8中东移的高PV区）会诱生出围绕异常区的气旋式（反气旋式）环流，即高（低）PV区东（西）侧的南风加强，正（负）位涡异常越大，诱生的南风越强。因此，在高（低）PV区中心附近的东（西）侧，南风达最大（图8c）。345 K等熵面上异常位涡及异常风场分布显示（图11），随着正PV异常区的东移加强，其东侧的南风异常也东移加强。8日14时，正PV异常中心位于贵州南部，其东侧诱生出南风异常，并在广西东南部形成明显的风速辐散区（图11a）。8日20时正PV异常区东移加强，位于广西东北部至湖南西南部一带，其东侧南风异常最大可达20 m/s，在南风异常区南侧（即广东中部至北部地区）形成明显的辐散区。8日20时以后，由于降水导致的热力反馈作用增强，在其强迫下9日02时高层辐散气流进一步加强，此时，辐散增强是对流发展的结果。总之，在暴雨发生前期，位涡异常诱生出风场异常，导致上层辐散增强，在其抽吸作用下对流发展加强。

图11 2014年5月8日345 K等熵面位涡(阴影，单位：PVU)、风场及经向风速(实线，单位：m/s)的异常场分布

7 结论与讨论

本文以2014年5月8—9日华南强降水为个例，分析了高层动力强迫对一次华南暖区暴雨的重要作用，主要结论如下。

2014年5月8—9日广东出现的暴雨过程发生在变性冷高压后部，低层为浅薄偏东气流，850 hPa受偏南风控制，无明显天气尺度锋面系统影响，属于华南暖区暴雨。根据MCS的生消发展特征将此次过程分为5月8日与9日两个阶段，第一阶段具有明显的回流型暖区暴雨特征，本文主要研究第一阶段。

此次强降水发生在低层浅薄偏东风向西入侵及高层短波槽西移的环流背景下。研究发现高纬度高PV扰动沿对流层高层南亚高压东北侧的西北气流下滑东移，导致IPV正异常，其东侧的辐散气流显著发展，在高层辐散的抽吸作用下，上升运动首先从中上层发展起来，随着辐散抽吸作用的加强，850～700 hPa辐合明显增强，最终形成从底层直指高层的深对流。在过程前期，高层辐散气流的发展加强与等熵位涡异常密切相关。在平流作用下，高位涡区沿南亚高压东北侧自西北向东南进而向东北方向移动，引起正位涡异常，诱生出气旋式环流，高位涡区东侧的南风加强，从而导致南风异常区南侧出现风速辐散。降水发生之后，潜热加热的热力反馈作用加强，降水上空高层负位涡的发展与潜热释放的非绝热加热强迫有关，该强迫使高层辐散进一步加强，但此时辐散气流的增强是对流发展的结果而非原因。

本文的结论仅是针对一个个例进行研究所得，还有待于今后的进一步研究。