2020年10月海南一次持续强降雨过程分析

刘瑾 许向春

(1海南省三亚市气象局 海南三亚 572000;2海南省气象局 海南海口 570203;3海南省南海气象防灾减灾重点实验室 海南海口 570203)

海南频发持续性暴雨天气［1］，给当地农业带来巨大损失。海南暴雨频次、降雨总量以及强度近年均有上升趋势，后汛期尤为明显［2］。秋季，是夏季风向冬季风过渡的季节，冷空气频繁，强度逐渐增大，西北太平洋副热带高压（简称副高）南退，脊线逐渐移至华南沿海至南海北部一带，在副高南侧热带辐合带活跃，冷空气南压至华南沿海一带与热带低值系统相互作用可引发暴雨。海南秋季的强降雨与热带低值系统的活动密切相关，由热带低值系统直接引起——直接型［3-8］，或由热带低值系统与冷空气相互作用造成——间接型［9］。在实际业务预报中，间接型暴雨多在短临预报中进行监测、实时发布预警，相比直接型暴雨，较难提前把握其降雨强度及持续时间，开展间接型暴雨具体的天气分析对业务工作有重要的现实意义。国内外学者针对冷空气与热带系统相互作用开展了相关研究。Chang等［10］结果表明，冷涌进入南海的初始阶段可促进热带扰动的增强。Srock等［11］认为，热带气旋通过输送暖湿空气，与大陆北侧冷空气产生锋生，激发中尺度对流系统的发生。针对海南秋季持续性暴雨天气过程，符式红等［12］研究结果表明，中纬冷高压、南海热低压和副高三者相互作用，诱发的低空急流有利于气流在海南岛辐合，高层辐散、低层辐合的高低空天气系统配置是海南岛后汛期特大暴雨发生的主要环流特征。马学款等［13］报道，冷、热气团相互作用导致持续锋生，强迫产生的热力直接环流上升与低空急流是对流系统发展的主要动力。周海霞等［14］应用w方程对热带低压的不对称结构进行诊断，解释了海南暴雨分布不均的特征。简茂球等［15］认为，加里曼丹岛和菲律宾南部附近地区的大气准双周低频振荡对海南岛持续性暴雨过程有重要影响。暴雨的形成机制一直是业内探讨的热点问题，针对海南岛秋季持续强降雨，现有研究大多是对整个天气过程进行天气学诊断，暴雨不同阶段的成因可能不同，对比持续性暴雨不同阶段的成因，将进一步加深对多系统相互作用下持续性暴雨形成机制的认识。本研究对海南2020年10月15－19日持续强降雨过程进行分析，重点讨论冷空气频繁诱发的持续东北急流，及其与南海辐合带相互作用造成的持续强降雨过程，并对比2个强降雨时段（16日20时至17日08时和18日08时至20时）的天气学机制。

1 资料与方法

1.1 数据来源

利用海南岛区域自动站、探空等常规观测资料，海口站和三亚站多普勒雷达和NCEP FNL数据，NCEP FNL数据是空间分辨率为1°×1°的再分析资料，时间分辨率为6 h，从NCAR数据库免费获取（rda.ucar.edu/）。

1.2 方法

为讨论海南岛不同时段的降水分布特征，运用北部、中部和南部地区站点1小时降雨、3小时气压与变压数据绘制时序图。为突出主要降雨特点，选择北部、中部和南部地区最大累计雨量站点，分别为海口旧州镇政府站、琼中马场站与三亚大茅山庄站点。对雷达、再分析数据进行再处理，通过计算相关物理量诊断其分布特征，进一步讨论降雨成因。其中，对本研究有重要意义的是对湿位涡的诊断。吴国雄等［16］将湿位涡定义为单位质量气块的绝对涡度在相当位温梯度方向的投影与这一梯度绝对值的乘积，对无摩擦、湿绝热的饱和大气满足湿位涡守恒。将湿位涡在等压面上展开，定义其垂直和水平分量分别为MPV1，MPV2。

MPV1是湿正压项，北半球大气对流不稳定时，MPV1＜0；在大气对流稳定时，MPV1＞0。MPV2是湿斜压项，它的数值由风的垂直切变（水平涡度）和θe的水平梯度决定，在湿位涡守恒的制约下，θe面倾斜越大，气旋性涡度越强烈，这种涡度的增长称为倾斜涡度发展。

2 结果与分析

2.1 强降雨分布情况

继2020年第22号台风“环高”于2020年10月15日中午登陆越南，南海季风槽仍然活跃，虽未加强为热带低压，但与冷空气持续相互作用，导致海南岛2020年10月15日08时至19日08时（北京时间，下同）出现持续强降雨天气。如图1-a所示，过程累计雨量呈中部地区最大（600～740 mm）、东部和南部地区次之（200～500 mm）、西部和北部最小（100 mm以下）的分布特征，其中最大累计雨量为747 mm，位于琼中地区马场站点。分析北部、中部和南部地区过程最大雨量站点的1小时降雨时序图，图1-b表明，整个天气过程有2个强降雨时段：16日20时至17日08时，主要位于海南岛中部地区，小时雨量达到20 mm及以上的强降水过程持续达10 h，12小时累计雨量最大值位于琼中地区马场站点，为265 mm；18日08时至20时，主要位于海南岛中部和南部地区，12小时累计雨量最大值位于三亚地区凤凰岛站点，为164 mm。

图1 强降雨分布情况

此次强降雨过程影响范围广、降水强度大、持续时间长，给海南岛造成了严重的洪涝灾害。

2.2 环流背景与影响系统的演变特征

分析2020年10月15－19日平均环流形势场（图2-a），500 hPa高度场亚欧中高纬为一槽一脊形势，东亚槽从鄂霍次克海经日本海南伸至中国东部地区，贝加尔湖受弱脊控制。副高较弱，呈块状，脊线位于20°N附近，西伸至广西沿海一带。中国中东部地区850 hPa呈反气旋环流，东部海域至华南沿海维持东北气流，海南岛至南海北部有大范围偏东急流，结合温度密集带，表明低层有冷空气入侵。中南半岛至南海中部有热带辐合带，热带对流云团发展活跃。

14日起，东北冷涡及低槽缓慢东移，贝加尔湖高压脊前不断有短波槽并入冷涡，其冷平流的动力加压作用使低层东部地区维持反气旋环流，出现东北急流，副高多位于西太平洋至中国东部一带。16日（图2-b），蒙古西部冷高压加强并向我国中部和东部地区扩散，温度密集区南压至两广沿海地区，副高位于在两广一带，呈带状，低层长时间东北急流的维持为海南岛中部地区带来辐合，200 hPa高层辐散，为海南岛中部地区带来强降雨天气。18日（图2-c），青藏高原北部有短波槽东移发展并引导弱冷空气南下，副高加强至块状，南海辐合带由12°N北抬至15°N附近海域，出现较明显气旋式环流，水汽输送增强，东南急流和东北急流的辐合造成海南岛中部和南部地区的第二次强降雨过程。19日之后，南海辐合带西移至中南半岛，海南岛全部被东北气流控制，动力与水汽条件不足，海南大范围强降雨过程结束。

分析海口、琼中、三亚最大累积降雨站点三小时气压和变压时序图，结果（图2-d）表明，15日起海南岛北部和中部地区气压逐日缓慢上升，南部地区18日之前缓慢下降，18日之后明显上升；17日海南岛北部和中部地区变压达到峰值，18日南部地区变压达到峰值，说明前期受地形阻挡作用，冷空气主要影响中部地区，18日冷空气补充南下，与北移的南海辐合带共同作用，影响南部地区。

图2 环境背景、气压和变压时序图

从以上分析可知，冷空气频发导致低空急流长时间维持并南压，与南海辐合带相互作用，是此次强降雨过程的主要天气学成因，也是海南秋季持续强降雨的重要预报着眼点。因此，有必要对二者相互作用的物理机制作进一步探讨。

2.3 冷空气与南海辐合带相互作用

2.3.1 冷空气引发持续低空急流

冬季风期间，中国北部主要盛行西北气流，30°N以南则为东北气流控制，当中高纬大陆冷空气向南爆发，南海和热带西太平洋一带东北风风速加强的一种低层大气现象一般称为冷涌［17］。有关学者［18］指出，东亚和东南亚的冷涌是浅薄的，主要限于700 hPa以下。目前关于冷涌的定义尚无统一标准，Lau等［19］将冷涌定义为：（1）南海北部海域（15－20°N，110－115°E）偏北风增大到8 m/s以上；（2）偏北风增大前0～24 h内，中国香港（或广州）与武汉的气压差大于等于8 hPa。本次过程冷空气爆发于华北和华东地区，造成了地面明显降温（最大降温近11℃/d）和大风天气，南海北部海域1 000 hPa垂直运动和偏北分量风速的平均值和最大值见图3。平均值均较小，偏北分量在16日夜间逐渐加强至10.5 m/s，直至19日均大于8 m/s，广州与武汉气压差10月14日达到10 hPa，直至16日气压差达到最大，为11 hPa。因此，冷涌是此次过程东北急流长时间维持的主要原因。由图3可知，偏北分量风速最大值的出现时段较最大上升气流提前一天，表明东北急流有利于触发强降雨过程。

图3 南海北部海面（15～20°N，110～115°E）1 000 hPa垂直运动和偏北分量风速

2.3.2 冷空气入侵的影响

14日，低纬地区受东南风控制，干冷空气维持在25°N附近，南海辐合带活跃于12°N一带。受较强冷空气影响，16日中纬地区出现东北急流，冷空气南压，于16日夜间到达两广一带（图4-a），假相当位温经向梯度达到6 K/（100 km），925 hPa海南岛陆地的偏东急流风速达到24 m/s，与东北急流辐合带来强上升运动，并在海南岛中部形成明显水汽辐合（图4-b），造成第一次强降雨。之后，弱冷空气继续向南扩散（图4-c），整个海南岛受东北急流控制，17日夜间925 hPa风速第二次达到24 m/s，南海辐合带北移西收，位于14°N附近，气旋式环流加强，为海南岛南部沿岸带来暖湿的东南气流，与东北急流辐合，为海南岛南部陆地带来良好的动力抬升和水汽条件，此时水汽辐合中心南移至海南岛南部陆地至南部海面区域（图4-d），在海南岛南部陆地发生第二次强降雨过程。冷空气与南海辐合带及水汽条件的发展与移动见图4-e、图4-f。杨薇［20］指出，偏东气流影响下，海南岛“中间高、四周低”环形层状分布的地形［21］促使东部地区出现有利于水汽抬升的环流配置，同时阻挡水汽向西输送，导致海南岛中部地区长时间维持水汽辐合。18日夜间，随着冷空气继续扩散，南海辐合带西退并逐渐减弱，抬升与水汽条件不足，强降雨过程结束。结合雷达组合反射率因子和径向速度图像（图5-a、图5-b），16日夜间，径向速度图呈“S”型，由于地形阻挡，在海南岛中部陆地形成范围较大、东西走向的回波带。17日夜间，最大径向速度达到34 m/s，速度模糊范围较大，并维持较长时间。

图4 冷空气入侵情况

图5 反射率和径向速度

以上结合风场与地形分析了冷空气对此次过程2个强降雨时段的影响，此次过程在暴雨的维持、南海辐合带的发展与北移方面的物理机制需要进一步思考。

2.4 湿位涡与倾斜位涡发展

低层湿位涡分析和倾斜涡度发展理论是持续暴雨动力天气和动力气候研究的一个重要内容［22］，湿位涡是能表征大气动力、热力和水汽性质的综合物理量。

暴雨前期冷空气主体位于海南岛中层（图6-a），“上冷下暖”为暴雨的持续发生积累不稳定能量，海南岛中低层MPV1＜0，大气呈对流不稳定（图6-b）；MPV2在中层为弱负值，低层为弱正值，在近地面冷暖空气交界、约23°N附近区域有明显较大正值，与上升运动对应。第一次强降雨时段（16日20时至17日08时），海南岛中层冷空气下沉，直至低层并侵入暖湿的对流不稳定区，不稳定能量有所释放，假相当位温等值线接近垂直，MPV1呈弱负值，低层MPV2大正值区移至海南岛（图6-c、6-d）。第二次强降雨时段（18日08时至18日20时）垂直运动、假相当位温、湿位涡的分布与第一次强降雨时段类似，与之不同的是，海南岛南部海域偏南风大值区由12°N北抬至16°N（图6-e、6-f），偏南分量加大与涡度正值区的北移密不可分（图6-g），对比图6-b、6-d、6-f可知，正涡度的强度和延伸高度逐渐增大。

吴国雄等［16］指出，在湿位涡守恒的制约下，假相当位温面倾斜越大，气旋性涡度越强烈，这种涡度的增长称为倾斜涡度发展，为垂直涡度增长的充分条件：当MPV1＜0且MPV2＞0时，倾斜涡度发展。暴雨发生时段海南岛低层不稳定能量释放，暖湿气流沿着干冷空气爬升，与沿等假相当位温面下滑的干冷空气发生强烈辅合，低空急流的加强，导致MPV2增加，涡度发展（图6-h）。崔晓鹏等［23］指出，气旋的发展和移动与等熵面的倾斜密切相关，南海辐合带的北移很可能与海南岛上空涡度发展有关（二者详细的动力学方面的机制仍需进一步研究），为第二次强降雨过程带来南海暖湿气流，补充了不稳定能量，再加上地形的强迫抬升，形成强烈的垂直上升运动，导致持续强降雨。

图6 湿位涡与倾斜位涡发展情况

续图6 湿位涡与倾斜位涡发展情况

3 结论

本研究从倾斜湿位涡发展的视角解释南海辐合带的北移，为研究此类天气过程的学者提供思路。低压北移与众多因子有关，比如引导气流的强弱、对流的分布、中尺度系统相互作用等等。暴雨形成与地形和急流的日变化关系密切，仍需进一步研究。

本研究运用常规观测资料、多普勒雷达和NCEP FNL1°×1°再分析数据，对海南岛2020年10月15－19日持续强降雨过程进行分析，着眼频发冷空气与南海辐合带之间的相互作用，对比分析两个强降雨时段（16日20时至17日08时和18日08时至20时）的天气学机制。

（1）此次持续强降雨过程发生在副热带高压环流较弱的环流背景下，冷空气与南海辐合带相互作用，低层持续出现东北急流，先后与偏东、东南急流辐合，为对流的发展提供有利的动力和水汽条件。

（2）冷涌是东北急流长时间维持的主要原因。由于地形阻挡，在海南岛中部地区发生长时间东北急流与偏东急流的辐合，有利于不稳定能量释放，是第一阶段暴雨形成的主要机制。

（3）运用湿位涡与倾斜位涡发展理论，强降雨发生之前海南岛MPV1明显为负值，冷空气南下为海南岛造成“上冷下暖”的对流不稳定层结。随第一次暴雨过程冷空气下沉，释放不稳定能量，假相当位温面接近垂直，海南岛低层有MPV2较大正值区，斜压不稳定加强，同时倾斜涡度发展，导致南海辐合带略有加强并逐渐北移，为海南岛南部陆地带来东南急流，与南压的东北急流辐合，不稳定能量得以重建，造成第二次暴雨过程。