桂北山区一次持续性暴雨的水汽输送特征

刘 蕾 , 张凌云 , 李宜爽 , 蓝柳茹 , 赖锡柳

（广西壮族自治区柳州市气象局, 柳州 545001）

引言

华南地区的持续性暴雨由于其特殊的地理条件，既有中国暴雨的共有特征，又与江淮地区的梅雨存在差异。基于其特殊性，华南暴雨一直是研究热点[1-6]。谢炯光等[7]研究广东前汛期连续性暴雨的气候背景及环流形势表明，中高纬稳定的“东阻”和低纬120°E以东的正距平区叠加，使得低纬维持稳定“东高西低”的环流形势，有利于出现持续性暴雨过程。持续性暴雨是多种尺度天气系统相互作用的结果，中纬东移的低槽和西太平洋副高位置的稳定等行星尺度环流形势是连续性暴雨的基本形势特征[8-10]。刘国忠等[11]分析“15.7”广西超长持续性暴雨过程发现，暴雨发生在有利的大尺度环流背景和天气系统配置下的中小尺度系统频繁发生处，地形对暴雨的助推作用明显。除了稳定的环流形势配置，持续的水汽输送是产生持续性暴雨的重要条件。何立富等[12]研究发现，南海夏季风的活动与“05.6”华南特大暴雨过程水汽输送有密切关系，水汽净流入量以行星边界层的水汽输入最大。郭姿佑等[13]研究发现，稳定、持续水汽通道的建立有利于形成范围广、持续时间长的特大暴雨。陈专红等[14]通过分析2017年盛夏湖南持续性暴雨过程的水汽输送和收支特征发现，暴雨区的水汽主要来自南边界和西边界，且主要由低层输入暴雨区，降水的强弱与边界水汽输入和区域水汽辐合的强弱变化一致。陈永仁等[15]、马文倩等[16]分析四川西部突发性暴雨以及云南一次极端降水过程发现，与区域地形相关的动力条件的建立和加强对暴雨的增幅有重要作用。另外，孙建华等[17]、武敬锋等[18]、邓文剑等[19]、李玉婷等[20]针对不同区域的持续性暴雨进行研究，均发现孟加拉湾和南海的水汽输送是暴雨区的主要水汽来源。

柳州地处广西北部，其境内复杂地形导致柳州北部山区持续性暴雨偏多，而近年来全球气候变暖进一步造成该区域极端天气事件频发，对社会生产和人民生活造成了严重影响。王艳兰等[21]对2000～2009年桂东北5～8月持续性暴雨过程进行分析与预报总结，指出桂东北持续性暴雨主要发生在5月下旬～6月下旬，持续时间为2～4 d，大多数持续2 d。2021年6月下旬～7月初，受南支槽，低涡切变线共同影响，柳州北部地区出现了一次罕见的持续性暴雨天气，过程长达7 d，最大累计雨量达833.9 mm。本文拟利用常规观测资料、区域自动站资料和NCEP/NCAR 再分析资料，对此次持续性暴雨的环流形势和水汽输送特征进行深入分析，以期加深对柳州持续性暴雨成因的认识，为提升山区持续性暴雨业务预报水平提供科技支撑。

1 过程概况

2021年6月下旬～7月初，受南支槽，低涡切变线共同影响柳州出现了持续性暴雨过程，强降水主要集中在柳州北部地区（图1a）。过程从6月27日20 时（北京时，下同）开始，至7月4日20 时结束，持续影响柳州北部地区长达7 d。按24 h（20 时～20 时，北京时）雨量计，过程期间柳州市自动站共出现暴雨262站次、大暴雨98 站次、特大暴雨8 站次(出现在7月2日）。柳州大部地区过程雨量在100 mm 以上，元宝山脉的南部及东部累计雨量超过400 mm，最大雨量出现在融水大浪，达833.9 mm。从逐日降水情况（表1）来看，区域性暴雨特征明显且暴雨区与前期高度重叠，暴雨落区主要出现在融水、融安北部以及三江南部；日最大降水量均出现在融水元宝山地区，7月2日在融水大浪出现日降水量极大值（386.5 mm）。分析累计雨量最大站融水大浪（元宝山东侧）、次大站香粉（元宝山南侧）自动站逐时雨量变化（图1b）可知，降水具有明显的日变化特征，强降水主要出现在后半夜到次日上午，夜雨特征明显。

图1 柳州市2021年6月27日20 时～7月4日20 时累计雨量空间分布（a）和累计雨量大值站逐时雨量变化（b）

表1 6月28日～7月4日（20 时～20 时）逐日暴雨情况

2 持续性暴雨的环流形势

图2a 给出了6月27日20 时～7月4日20 时平均的200 hPa 位势高度和散度的空间分布。如图所示，南亚高压盘踞在青藏高原上空，我国南部地区为其环流控制；柳州位于其脊线南部，其上空为持续的辐散场，平均辐散强度达1.5×10-5s-1，高层持续的抽吸作用致使柳州北部地区维持长时间上升运动，为柳州北部出现长达7 d 连续性暴雨提供了有利的行星尺度环流背景。如图2b 所示，500 hPa 中高纬为两脊一槽的形势，贝加尔湖附近为低压槽，巴尔喀什湖以西地区和俄罗斯东部为高压脊控制；低纬副热带高压呈带状分布位于118°E 以东洋面上，脊线位于22°N 附近；南支槽位于100°E 附近，槽前西南气流强盛。过程期间，副高位置比较少动，西北侧为一稳定的水汽输送带，柳州地区位于南支槽前与副高西北侧强的水汽输送带中。南支槽和副高位置的稳定维持导致850 hPa 低涡长期盘踞在贵州境内，切变线在贵州到长江流域一带摆动维持。低涡切变南侧的西南暖湿气流不断在柳州北部地区辐合抬升，致使柳州北部持续性暴雨的发生。后期随着副高西伸控制广西以及低层切变线北抬减弱，降雨结束。综上可知，此次持续性暴雨是在副热带高压、南支槽和低涡切变影响下产生的，三个系统共同配合将水汽和能量源源不断地输送到柳州地区。那暴雨区水汽的输送和收支情况又如何呢？

图2 6月27日20 时～7月4日20 时平均的（a）200 hPa 位势高度（等值线，单位：dagpm）和散度（阴影，单位：10-5s-1）、（b）500 hPa环流形势（等值线表示位势高度，单位：dagpm；风矢表示风场，单位：m/s）和850 hPa 水汽通量（阴影，单位：10-2 g·cm-1 hPa -1·s-1）空间分布

3 水汽输送和辐合对持续性暴雨的维持作用

3.1 水汽通道建立与低空急流维持

已有研究[12]指出华南持续性暴雨过程的水汽输送与南海夏季风爆发有一定关系。据国家气候中心监测，2021年南海夏季风于5月第6侯爆发（5月29日），6月第1 侯全面爆发。南海夏季风爆发意味着西南水汽输送明显增强，6月28日～7月4日的持续性暴雨过程正好发生在南海夏季风爆发后，西南气流将洋面上暖湿气流源源不断向东亚大陆输送。分析过程平均的850 hPa 风矢量水平分布（图3a）可知，孟加拉湾到华南一带有一条“S”型的水汽通道。但从南风风速大值区（图3a 阴影）来看，对柳州地区而言，来自南海的水汽输送通道比孟加拉湾的西南气流水汽输送通道更为重要。另外从850 hPa 风场沿110°E 的时间-纬度剖面（图3b）来看，过程前一周，急流位于20°N 以南，21日进一步减弱并南落到10°N 南海南部；6月27日开始，随着南海夏季风的加强和北进，西南气流增强，在18°～25°N 维持急流强度，并出现了5 次脉动。结合图1b 逐时自动站雨量情况可知，西南急流的5 次增强对应持续性暴雨期间5 次夜间的强降水。低层急流的加强北上显示持续性暴雨期间来自南海的夏季风携带大量水汽进入柳州地区，低空急流的长时间维持为持续性暴雨提供了源源不断的水汽和能量输送。与此相反，过程期间中南半岛上空的西南风速就比较弱（图3c），说明来自孟加拉湾经中南半岛抵达华南地区的水汽输送量很少，这也从另一方面证实造成柳州地区持续性暴雨的水汽主要来自南海。

图3 2021年6月27日20 时～7月4日20 时平均的850 hPa 风场空间分布（箭头表示风场，填色表示南风≥2 m/s，单位：m/s）；过程期间850 hPa 风场沿110°E（b）和100°E（c）的时间-纬度剖面（单位：m/s）

3.2 水汽输送和辐合情况

分析过程平均沿110°E 的水汽通量垂直剖面（图4a）可知，华南地区水汽通量输送接近500 hPa，水汽输送大值中心主要位于850 hPa 以下，中心值达20×10-2g·cm-1·hPa-1·s-1，位 于925 hPa 附 近。水 汽 通 量输送带随高度向北倾斜，显示偏南方向的水汽输送特征。由于柳州北部元宝山脉（25.5°N 附近）的阻挡，水汽输送带在25°N 附近被整层抬升到925 hPa 以上。从水汽通量散度随时间的变化（（图4b））看，过程期间850 hPa 以下一直维持较强的水汽辐合，强辐合中心主要位于925 hPa 附近，过程期间辐合中心强 度 在-2×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1以上，最强时达-3×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。据统计，6月30日柳州市57.1%的区域自动站出现了暴雨以上等级降水，7月1～2日在融水大浪出现了24 h 雨量达386.5 mm 的特大暴雨，7月4日以后低层水汽转为辐散，降水过程结束。

图4 （a）2021年6月27日20 时～7月4日20 时平均的沿110°E 水汽通量垂直剖面（单位：10-2 g·cm-1·hPa -1·s-1）和（b）柳州区域（108.5°～110.5°E、24.5°～26.5°N）平均的水汽通量散度的时间-高度剖面（单位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1）

4 区域水汽收支情况分析

为探讨此次降水过程期间柳州区域的水汽收支情况，将水汽通量沿边界积分，求出各边界上的平均水汽流量Q，计算公式如下：

式中：g为重力加速度（单位：m/s2），V为各层大气风速矢量（包括纬向风u，经向风v，单位：m/s），q为各层大气比湿（单位：g/kg），Pt，Ps分别为上界气压和下界气压（单位：hPa），D为各边界长度，t为时间。边界为一个矩形区域，计算范围是23°～26°N、108°～111°E。规定西边界、南边界为水汽流入边界，东边界、北边界则为水汽流出边界。水汽通量差定义为：Q东西方向=Q西-Q东，Q南北方向=Q南-Q北，最后得到水汽总收支A=Q南北方向-Q东西方向。

分析边界层（地面～925 hPa）各个边界水汽通量积分（图5a），过程期间整个南边界的水汽流入为20×107g·s-1，北边界的水汽流出为1.55×107g·s-1，Q南北方向为净流入18.45×107g·s-1；西、东边界均为水汽流出，Q东西方向为水汽净流出3.63×107g·s-1；故边界层为水汽的净流入14.8×107g·s-1。分析地面～850 hPa（图5b）、地面～700 hPa（图5c）各个边界的水汽收支情况可知，随着积分高度的升高，尽管南边界和西边界的水汽流入增大，但北边界和东边界的水汽流出也明显增大，特别是在850～700 hPa，北边界和东边界的流出值从16.6 ×107g·s-1、15.0×107g·s-1分别增大到60.5×107g·s-1、60.3×107g·s-1。区域水汽的净流入随高度的增加而逐步减少，700 hPa 以上区域总的水汽收支转为净流出（图略），这是因为高层气流主要以纬向为主，而东边界作为水汽的主要流出边界越往高层净流出越明显。从整层的水汽区域收支（图5d）来看，由于北侧和东侧的水汽流出大于南侧、西侧的水汽流入，因此区域水汽为净流出（-4.4×107g·s-1）。

从过程期间整层水汽各边界收支的时间变化趋势（图6a）来看，南边界为水汽主要输入边界，而东边界为水汽主要输出边界。各边界水汽变化趋势为单峰型，7月2日14 时前，各边界的水汽输入和输出均为波动上升，后期随着西北太平洋副高加强西伸，南边界和西边界的水汽流入减少，北边界和东边界的水汽流出也随之减少。分析各层水汽收支随时间的变化可知，随着水汽通量积分高度的升高，北边界和东边界的水汽输出也进一步增大，700 hPa 以上区域水汽总收支转为净输出，这和高层气流以纬向气流为主有关。南边界水汽输入作为区域水汽净流入的贡献者主要在700 hPa 以下，且越往低层南边界水汽贡献越明显。以边界层为例（地面～925 hPa，图6d），过程期间西边界、北边界、东边界均为水汽输出边界且变化趋势较平稳，这三个边界的水汽输出均低于2.21×106g·s-1；南边界在6月27日08 时～7月2日08 时水汽输入呈波动上升，其中6月30日02～14 时，水汽输入有较明显的增长，从5.88×106g·s-1增长到8.91×106g·s-1，柳州区域也在30日这一天出现了全市性的暴雨到大暴雨，全市57.1%的区域自动站出现暴雨以上量级的降水；7月2日08 时以后，随着副高西伸，南边界的水汽输入逐渐呈下降趋势，柳州降雨范围缩小，过程趋于结束。

图6 2021年6月27日08 时～7月4日20 时各边界水汽收支情况（a. 整层，b. 地面～700 hPa，c. 地面～850 hPa，d. 地面～925 hPa，单位：106 g·s-1）

从上文分析可知，水汽净流入量以低层南北向为主，主要流入量位于700 hPa 以下，地面～850 hPa 的水汽输入最大，925 hPa 以下次之。可见，除了南海上水汽的平流输送外，还有边界层的湍流输送。元宝山脉位于广西柳州市融水苗族自治县北部，平均海拔高度1000～2000 m，主峰青云峰海拔2084.7 m，区域面积4220.7 hm2。山脉呈东西走向横亘在融水县北部，平均海拔高度在925 hPa 以上，元宝山脉的存在一定程度上阻挡了近地层水汽的出流，这可能也是925 hPa以下的北边界水汽流出比南边界水汽流入少一个量级的重要原因之一。图4a 中水汽通量随纬度的垂直分布也证实了这一点，水汽通量大值输送带位于在25°N 附近，随高度垂直向上，并抬升至925 hPa 以上 ，说明水汽在元宝山脉南侧不断汇集，源源不断的水汽输送及汇集导致了融水一带持续性暴雨的发生。

5 结论

本文利用常规观测资料、区域自动站资料、NCEP/NCAR 逐6 h 再分析资料，对2021年6月28日～7月4日柳州持续性暴雨的环流形势和水汽输送特征进行了分析，得到如下主要结论：

（1）200 hPa 南亚高压长时间盘踞，500 hPa 副热带高压和南支槽的对峙为持续性暴雨提供了有利的行星尺度和天气尺度环流背景；南支槽和副热带高压位置的稳定维持导致850 hPa 低涡切变移动缓慢，并在副高北侧和南支槽前维持一稳定的水汽输送带。

（2）南海夏季风的爆发为暴雨区提供了源源不断的水汽，南海中北部洋面是水汽主要源地。在系统的相互配合下，将南海的水汽和能量源源不断输送到柳州地区。

（3）过程水汽输入主要集中在低层，低层南边界为主要水汽输入边界；越往高层，水汽流出越明显，东边界为主要水汽输出边界。南边界水汽输入对于区域水汽净流入的贡献主要在850 hPa 以下，且越往低层南边界水汽贡献越明显。柳州北部元宝山脉对水汽的流出有一定阻挡作用，925 hPa 以下北边界的水汽流出比南边界的水汽流入小一个量级。