桂北后汛期一次持续性暴雨天气过程分析

张凌云，刘 蕾，苏小玲

(广西壮族自治区柳州市气象局，广西 柳州 545001)

0 引言

桂北地处华南西北部，属亚热带季风气候区，汛期暴雨多发，而持续性暴雨则是引发江河洪涝的直接原因，造成的灾害损失巨大。对于持续性暴雨的成因和机制，气象工作者做了较多的研究，取得了很多有意义的重大成果。丁一汇[1]认为，我国暴雨的发生主要受夏季风、副热带高压和北半球异常大气环流等3个大尺度因子的影响。丁治英等[2]认为，我国南方的连续性暴雨与南亚高压和高空急流的稳定维持有关，其他学者也有类似的研究结果[3-4]。许多专家学者研究认为[5-9]，季风涌是引发我国南方持续性暴雨的重要环流系统。华南持续性暴雨的水汽来源主要有3个，分别是西太平洋的东风转向输送、南海上空的西南风输送、索马里越赤道气流的西风转向输送[10-15]。有些学者[16-19]对2005年6月华南的特大持续性暴雨进行了深入研究，认为此次持续性暴雨与南半球冷空气爆发、南亚高压、阻塞高压、副高强度位置等密切相关。关于广西区域的持续性暴雨，一些学者也做了研究，李向红等[20]认为，孟加拉湾旺盛对流对广西持续性暴雨具有前兆信号。刘国忠等[21]等认为，副高强度偏强、位置偏西偏南，有利于暖湿气流向广西输送。

本文运用常规资料、区域自动站资料以及NECP再分析资料，运用天气学诊断分析方法，对2017年8月发生在桂北地区的一次持续性暴雨过程进行深入分析，研究其水汽和动力条件，以期为该区域后汛期发生的持续性暴雨预测提供一些参考。

1 暴雨过程概况

2017年8月9—15日，桂北地区出现了一次持续性暴雨天气过程，暴雨主要集中在柳州、桂林两市，其中14—15日是暴雨范围最广、强度最强的降雨时段，14日共有261个区域站出现暴雨、109站出现大暴雨、12站出现特大暴雨，15日共有200个区域站出现暴雨、63站出现大暴雨、1站出现特大暴雨。据统计，此次持续暴雨过程最大累积雨量达到873.6 mm(图1a)，出现在融水县香粉乡，最大24 h雨量达到482.1 mm(图1b)，最大小时雨量为14日03时的93.4 mm，出现在融安县泗维河水库自动站。持续暴雨造成柳州、桂林两地出现严重洪涝灾害，柳江流域多条支流、干流超警戒水位，灾情损失惨重。据民政部门统计，此次暴雨、洪涝灾害共造成15万人受灾，9人伤亡，直接经济损失3.2亿元。

图1 2017年8月9—15日广西累积雨量(a)及13日20时—14日20时融安县泗维河水库逐小时降雨量分布(b)Fig.1 Accumulated rainfall in Guangxi on August 9-15, 2017 (a) and hourly rainfall distribution of Siweihe reservior in Rong'an county from 20∶00 on the 13th to 20∶00 on the 14th (b)

2 环流背景分析

2.1 500 hPa环流形势

从8月9—15日500 hPa高度平均场(图2a)可以看出，此次持续暴雨过程期间，亚欧中高纬地区为两槽一脊型，西太平洋副热带高压(简称副高，下同)呈带状分布，脊线位于15°N附近，西脊点接近90°E，到达孟加拉湾东部，副高强大且位置偏西、偏南。8月1—20日500 hPa沿15°N的高度—时间演变图(图2b)显示，在持续暴雨过程前期，副高先是减弱东退，10—11日东退到110°E附近，12日加强西伸，在暴雨强度最大、范围最广的14—15日，副高甚至西伸到了80°E附近。由于副高的阻挡，使得中高纬地区两槽一脊的环流形势得以稳定维持，槽自东北冷涡一直延伸到云南南部，桂北地区始终处于西风槽前和副高西北侧的西南气流带中，为持续暴雨提供源源不断的水汽输送通道。8月16日，副高迅速减弱东退到120°E附近，此次持续暴雨过程随之结束。

图2 2017年8月9—15日500 hPa高度平均场(a)及其8月1—20日500 hPa沿15°N高度—时间演变(b)(单位：dagpm)Fig.2 Mean height field of 500 hPa from August 9th to 15th , 2017 (a) and 500hPa evolved along the height-time of 15°N from August 1st to 20th (b) (Unit:dagpm)

2.2 低层环流形势

从850 hPa(图3a)和925 hPa(图3b)水汽通量及水汽通量散度平均场来看，此次持续暴雨过程低层水汽主要来源于孟加拉湾，越过中南半岛，进入南海后北上到达桂北地区。850 hPa广西以西南气流水汽输送为主，桂北地区水汽辐合较弱，较大的水汽通量辐合区偏北，位于贵州、湖南、江西境内，而925 hPa则在桂北地区有较明显的水汽辐合，说明此次持续暴雨过程中，低层的辐合抬升条件主要位于边界层内。

图3 2017年8月9—15日850 hPa(a)、925 hPa(a)平均水汽通量、水汽通量矢量(带箭头短线)，水汽通量辐合区(阴影，单位：10-5g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.3 Mean water vapor flux, water vapor flux vector (short line with arrow) and water vapor flux convergence area (shadow, Unit:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1 ) at 850 hPa (a) and 925 hPa (b) on August 9-15, 2017

2.3 地面形势场

从8月9—15日平均海平面气压场(图4a)可以看出，持续暴雨期间桂北处于小于1 005 hPa的低压区。从逐日气压场变化来看，持续暴雨前期(9—12日)桂北位于低压槽区(图4b)，持续暴雨后期(13—15日)桂北位于低压前部(图4c)，地面低压槽或低压前部的偏南暖湿气流，为持续暴雨的发生提供了较好的热力和能量条件，期间桂北地区又不断有中尺度辐合线生成(图略)，为持续暴雨的发生提供了较好的触发条件。

3 水汽和热力条件分析

3.1 季风涌

大量的研究结果[5-9]已经表明，持续暴雨过程一般与季风涌有一定的联系。为了解此次持续暴雨过程中季风涌的活动情况，沿110°E 作850 hPa风场的纬度—时间演变图(图5)，从图中可以看出，在此次暴雨过程开始前，南海西南季风较弱。从8月7日开始，西南季风逐渐增强，特别是在11—15日期间，西南季风显著增强，出现季风涌，强劲的西南季风一直吹到27°N左右，并达到急流强度，为桂北地区的持续暴雨提供源源不断的水汽输送。16日以后，西南季风减弱，持续暴雨过程结束。

图4 2017年8月9—15日平均海平面气压场(a，阴影区为<1 005 hPa区域，单位：hPa)和8月9日08时(b)、15日08时(c)地面形势场(阴影区为持续暴雨区)Fig.4 Mean sea level pressure field (a, The shadow area is <1 005 hPa , Unit: hPa) on August 9-15, 2017 and surface situation field (The shaded area is a continuous rainstorm area)at 08∶00 on August 9 (b) and 08∶00 on 15 (c)

图5 2017年8月1—20日850 hPa沿110°E风场纬度—时间演变(阴影区为风速≥8 m·s-1的区域)Fig.5 Evolution of 850 hPa wind field with latitude-time along 110°E during August 1-20, 2017 (The shadow area is the area with wind speed≥8 m·s-1)

3.2 越赤道气流

有文献[13]研究认为，南半球冷空气爆发，使越赤道气流明显增强，是华南地区持续性暴雨的主要水汽来源之一。为了解南半球冷空气爆发和越赤道气流对此次持续性暴雨的影响，分析925 hPa的风矢量场和500 hPa高度场(图6)可以看出，从8月7日08时开始(图6a)，在30°～50°S、60°～80°E地区已经形成了一个完整的马斯克林高压，其中心位于70°E左右，与500 hPa高空槽区接近重叠，在西风槽的引导下，冷空气进入马斯克林地区，此后高压稳定维持并逐渐向东移动。9日08时(图6b)高压中心移到了95°E附近，同时，在40°E以东又有一个新的高压开始生成。10日08时(图6c)旧的高压已经减弱，新的高压中心则移到了50°E附近，气旋式环流完整，高压随西风槽缓慢东移，且冷空气不断增强， 15日08时(图6d)高压中心仍位于80°E附近。持续暴雨期间，马斯克林高压东侧不断增强的东南气流沿非州东部海域越过赤道后，转向为西南气流，进入索马里地区，使得索马里越赤道气流持续增强，并稳定维持。从40°～60°E赤道地区平均经向风的高度—时间演变图(图7)也可以看出，8月15日以前该地区的低层经向风明显偏强，说明索马里越赤道气流明显增强。强劲的索马里越赤道气流穿越阿拉伯海湾，横跨印度半岛，越过孟加拉湾和中南半岛，到达南海与西太平洋副热带高压西北侧的西南急流汇合，继续北上进入华南地区，最终为桂北地区的持续暴雨提供水汽输送通道。

图6 2017年8月7日08时(a)、9日08时(b)、10日08时(c)、15日08时(d)925 hPa风矢量场(箭头，单位：m·s-1)与500 hPa高度场(实线，单位：dagpm)Fig.6 Wind vector field at 925 hPa (the arrow, Unit: m·s-1 ) and height field at 500 hPa (the solid line, Unit: dagpm) at 08∶00 on August 7(a), 9(b), 10(c) and 15(d), 2017

图7 2017年8月1—20日40° ～60°E赤道地区平均经向风的高度—时间演变(单位：m·s-1)Fig.7 The height-time evolution of the average meridional wind in the equatorial region of 40°～60°E on August 1-20, 2017 (Unit:m·s-1)

3.3 稳定度条件分析

稳定度指数对暴雨的发生有较好的指示作用。利用探空资料，统计了此次持续暴雨过程期间暴雨中心区桂林站各项稳定度指数(表1)发现，过程开始前(8日20时)，桂林站K指数、CAPE值突增Δθse(θ850-θ500)，达到25 ℃以上，SI指数出现较大负值，说明对流不稳定和大气层结不稳定加强。此后，从8日20时—14日20时，桂林站的K指数一直维持在33 ℃以上，且大部分时段在40 ℃以上，SI指数维持较大的负值，CAPE值绝大部分时段在1 000 J·kg-2以上，最大时段(12日20时)CAPE值甚至达到了3 397.4 J·kg-2，Δθse(θ850-θ500)始终居高不下，为此次持续暴雨的发生提供了较好的不稳定条件。15日以后，K指数、CAPE值明显下降，SI指数回升到正值，不稳定条件转差，暴雨过程趋于结束。

表1 2017年8月8—15日桂林稳定度指数和降水量(mm)变化Tab.1 Variation of stability index and precipitation (mm) in Guilin from August 8 to 15, 2017

4 动力条件分析

4.1 南亚高压及高低空急流耦合

南亚高压所提供的高层辐散形式，是持续暴雨的重要动力条件之一。从8月9—15日200 hPa高度平均场(图8a)来看，持续暴雨过程期间，南亚高压中心位于青藏高原上空，桂北地区位于南亚高压东部脊线上，是偏北气流强辐散区，为高空辐散产生抽吸作用提供了很好的动力条件。同时，桂北地区位于高空急流右侧、低空急流左侧(图略)，是低层辐合、高层辐散区，这一点，从持续暴雨区(108°～111°E，24°～27°N)平均散度的高度—时间演变图(图8b)也可以看出。持续暴雨过程后期(12—15日)，也就是暴雨强度最强、范围最广的时段内，低层强辐合、高层强辐散的形式尤其明显。这种高低空急流耦合、低层辐合高层辐散的环流形势场，为持续暴雨的发生提供了非常好的动力条件。

图8 2017年8月9—15日200 hPa高度平均场(单位：dagpm)(a)及桂北暴雨区(108°～111°E、24°～27°N)平均散度的高度—时间演变(单位：10-5·s-1)(b)Fig.8 The average height field of 200 hPa (a, unit: dagpm) and the height-time evolution of average divergence (b, unit: 10-5·s-1) in northern Guangxi Heavy rain Area (108°-111°E、24°-27°N ) from August 9-15, 2017

4.2 明显的垂直上升运动

垂直上升运动是暴雨发生的必要条件。为了解持续暴雨区的垂直运动情况，沿110°E作8月9—15日的垂直速度剖面图(图9a)和平均局地经向垂直环流剖面图(图9b)，从图9a可以看出，在桂北地区(24°～27°N)确实存在明显的上升运动，垂直速度负值区延伸到150 hPa左右，从图9b可以看到，在25°N以北地区辐合上升明显，说明暴雨过程期间，上升运动十分强烈。同时，对105°～115°E、20°～25°N分别作经向风(图10a)和纬向风(图10b)的时间剖面图，可以看出，在持续暴雨过程期间，纬向风增强明显，应该是纬向风对垂直运动的贡献更大一些，表明高空西风槽对持续暴雨的动力作用更大一些。

5 结论与讨论

①此次持续暴雨过程发生在500 hPa中高纬两槽一脊的形势下，副热带高压脊线稳定维持在15°N附近、西脊点稳定在110°E以西，副高的阻挡使西风槽前与副高西北侧的西南暖湿气流形势得以长时间维持，为桂北持续暴雨的发生提供了不稳定条件。

②季风涌增强北推，与南半球冷空气爆发造成的索马里越赤道气流增强，共同为此次持续暴雨提供了源源不断的水汽供应。

③南亚高压强大、稳定地维持在青藏高原上空，桂北地区位于南亚高压东部脊线上的强辐散区，低层位于低空西南风急流左侧强辐合区，形成很好的低层辐合上升、高层辐散下沉的垂直环流形势，与高低空急流耦合共同为此次持续暴雨提供了较好的动力机制。

图9 2017年8月9—15日沿110°E的垂直速度剖面图(a，单位：10-2·Pa.s-1)和平均局地经向垂直环流剖面图(b，单位：10-2·Pa·s-1)Fig.9 Vertical velocity profile (a, unit: 10-2·Pa·s-1) and Average meridional vertical circulation profile (b, unit: 10-2·Pa·s-1) along 110°E from 9 to 15 August 2017

图10 2017年8月9—15日105°～115°E、20°～25°N区域平均经向风(a)、纬向风(b)的高度—时间演变(单位：m·s-1)Fig.10 Height-time evolution of regions mean meridional wind (a) and zonal wind (b) in 105°～115°E and 20°～25°N on August 9-15, 2017 (unit: m·s-1)

④本文从水汽、热力、动力条件等方面分析了此次持续暴雨过程，对桂北地区持续暴雨的发生背景有了初步了解，关于桂北地区持续暴雨更深层次的触发和维持机制，还需要开展大量的个例分析，有待在今后的工作中进一步研究。