“23·6”北海极端暴雨特征与成因分析

2023-02-19彭定宇刘国忠何启玄

气象研究与应用 2023年4期

彭定宇，刘国忠，何启玄

（1.北海市气象局，广西北海 536000；2.广西壮族自治区气象台，南宁 530022）

暴雨是我国常见的灾害性天气之一［1］，极易引发山洪、泥石流、山体滑坡、城市内涝等灾害，给人民群众生命和财产安全带来极大威胁。全球气候变暖背景下，极端暴雨天气事件频发，其成因机理与预报服务方法一直是天气预报的重点和难点，因此对其研究成为各方关注的热点。目前对极端暴雨的成因展开了许多研究，2012 年北京“7·21”和2021 年河南郑州“7·20”极端暴雨事件均具有一定的代表性，对其从不同角度的研究取得系列研究成果［2-8］。周云霞等［9］研究2019 年广西靖西市极端暴雨时发现，低质心降水回波产生的“列车效应”是造成极端暴雨的直接原因。李向红等［10］分析表明2022 年桂林“龙舟水”暴雨触发与低空急流加强、切变线、低涡系统的控制以及副热带高压加强有关。黄芳等［11］总结极端低空急流下，低层强烈辐合高层强烈辐散、深厚正涡度柱及充沛水汽是极端暴雨形成的重要原因。张丁丁等［12］研究2020 年广西南宁一次极端暴雨特征发现，极端暴雨过程发生前高温高湿高能区及深厚湿度层配合不稳定层结，非常有利于极端暴雨的发生。这些研究成果对于提高广西暴雨特别是极端暴雨天气预报水平具有很好的借鉴和促进作用。

2023 年6 月7—10 日，广西北海市连续2 d 出现特大暴雨的极端暴雨天气，打破当地多项降水历史极值并引发严重洪涝灾害。本文研究此次极端暴雨过程特征及成因，以加深此类极端暴雨的认识，为今后类似极端暴雨预报提供参考思路。

1 资料与方法

本文采用中国气象局气象信息综合分析处理系统（MICAPS）地面、高空常规气象观测资料、0.25°×0.25°水平分辨率的欧洲中期天气预报中心（ECWMF）模式资料、逐小时区域自动站观测资料、风云气象卫星FY-4 观测资料、双偏振多普勒天气雷达资料等资料。

2 结果与分析

2.1 降水特征分析

2023 年6 月7 日08 时—10 日20 时，广西北海市出现极端持续性暴雨天气，强降水主要分布在北海市南部，连续2 d 出现特大暴雨。据统计，过程累积降雨量500 mm 以上有18 个气象观测站点（以下简称站点，北海共计53 个站点），250 mm 以上有41个站点，最大累积降雨量出现在铁山港石头埠国家气象观测站（以下简称石头埠站）达820.5 mm（见图1）。过程降水主要集中在两个阶段:（1）7 日22 时—8 日11 时，雨强大于50 mm·h-1的有14 个站次，最强达到59.5 mm·h-1；累积降雨量大于250 mm 有11个站点，其中最大累积降雨量出现在北海站达392.5 mm。（2）8 日20 时—9 日08 时，此阶段降雨强度最大，极端短时强降水最多，雨强大于50 mm·h-1有31个站次，最强达到119.0 mm·h-1；累积降雨量大于250 mm 有7 个站点，其中最大累积降雨量出现在石头埠站达542.6 mm，历时降雨量打破北海市多项历史极值，最大3 h 雨量272.3 mm（9 日01—04 时），打破北海市历史极值（243.7 mm）；最大6 h 雨量440.5 mm（8 日22 时—9 日04 时），打破广西历史极值（427.6 mm）；最大24 h 雨量614.7 mm（8 日05时—9 日05 时），打破北海市历史极值（585.7 mm）。可见，本次极端暴雨天气过程具有小时降雨强度大、累积降雨量大，强降雨集中等显著极端性特征。

图1 7 日08 时—10 日20 时北海市累积降水量（单位：mm）分布图

2.2 环流背景分析

暴雨过程期间，亚洲中高纬500 hPa 环流呈现两槽两脊型，贝加尔湖一带为强高压脊，鄂霍次克海为弱的高压脊，两低槽分别位于西西伯利亚和我国东北地区，东槽槽线向南延伸至长江中下游一带。6—7 日，云南附近有大陆高压少动，西太平洋副热带高压（副高）588 dagpm 线长时间维持在两广交界处，受588 dagpm 线边缘偏南气流影响，季风低压从海南岛东部西移到北部湾海面后一直往北抬到北部湾北部海面，8—9 日其中心进一步北抬，并在桂南沿海一带停滞徘徊，此时588 dagpm 线明显东退到西太平洋，季风低压处于两高之间，无明显的引导气流导致季风低压在桂南沿海长时间停滞少动。

7—10 日，200 hPa 南亚高压控制中国大陆南方地区到南海北部，桂南上空均为西北风和东北风形成的反气旋环流分流辐散区，有利于低层辐合上升运动发展。

7 日850 hPa 季风低压有闭合环流在桂南到海南岛北部，广东有一支偏东南气流，风速较大（10～12 m·s-1）；8—9 日850～925 hPa 季风低压闭合环流在桂南沿海稳定维持，偏南风加大成急流，风速最大达12～14 m·s-1，850 hPa 以下边界层内持续偏南急流给桂南地区输送丰沛的水汽和充足的不稳定能量，稳定的水汽和不稳定能量供给有利于长时间强降雨的维持。

从地面形势分析，7—10 日，西南地区冷高压控制，除了桂南沿海外，广西以东北到偏北风为主，显示有弱冷空气侵入，桂南季风低压处于均压场下基本维持少动，叠加冷空气的触发极有利于极端暴雨出现。

2.3 物理量场分析

文中采用0.25°×0.25°水平分辨率的ECWMF 模式资料初始场对本次极端暴雨天气过程的物理量进行分析。

2.3.1 水汽条件

强降水发生期间，低层850 hPa 有一条来自印度洋的西南急流水汽通道向桂南沿海一带输送水汽。7—9 日850 hPa 北海上空对应的水汽通量均在18 g·cm-1·hPa-1·s-1以上，整层可降水量≥70 mm。其中8—9 日整层可降水量在80 mm 以上（图2），与暴雨区相对应存在水汽通量散度辐合区位于北海上空，其辐合中心≤-8×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1（图3），2 d辐合区位置基本重叠，配合充沛稳定持续的水汽条件有利于强降水的形成。

图2 2023 年6 月8 日08 时850 hPa 可降水量（单位：mm）

图3 2023 年6 月8 日08 时850 hPa 水汽通量散度（单位：g·cm－2·hPa－1·s－1）

2.3.2 热力条件

过程期间，7—8 日K 指数≥35 ℃，有一定的热力不稳定条件。7—9 日08 时CAPE 值为300 左右，晚上升到1 000 以上，表明白天有不稳定能量的积累，晚上有不稳定能量的释放，而本次暴雨天气过程强降水时段主要出现在夜间，白天降水减弱，跟CAPE 值的变化基本吻合。

2.4 中尺度特征分析

2.4.1 对流云图演变特征

分析FY-4 红外云图云顶亮温（TBB）演变可见（图4），7 日10 时华南沿海地区有两块中α 尺度对流云团分别位于北部湾海面及粤西沿海一带。7 日11—14 时北部湾海面对流云团不断往北移动，逐渐进入北海上空，粤西沿海对流云团原地逐渐减弱消散，部分云团分裂西移与北抬的北部湾海面对流云团在北海上空合并，TBB 降低，对流活动增强，7 日15 时对流发展达到最强，TBB 有多个低于-75 ℃的负值中心，北海对应有大于50 mm·h-1的短时强降水但持续时间不长。7 日17 时对流云团迅速减弱，北海降水明显减弱。7 日22 时重新发展，对流云团面积扩大，TBB 降低。7 日23 时—8 日08 时，对流云团逐渐发展为近椭圆形，结构更为紧密，组织性得到加强，TBB 长时间维持在-70 ℃以下，北海多个站点多个时次出现大于40 mm·h-1的强降水。8 日12时，随着对流云团减弱西移，北海第一阶段强降水基本趋于结束。8 日21 时，北海原地有中β 尺度对流云团快速发展壮大，对流云团中心基本在北海上空稳定少动。9 日03 时已经发展为长轴约250 km 成熟的椭圆形中α 尺度对流云团，位于北海铁山港区附近的TBB 负值中心达到-80 ℃，铁山港区内出现3 个站点大于100 mm·h-1的极端强降水，降雨强度达到过程最强。9 日04—05 时，TBB 负值中心仍位于北海南部，附近区域小时雨强在50 mm·h-1以上。9 日06 时开始，对流云团主体逐渐东北移动并分裂，北海上空TBB 逐渐增大，对流减弱，第二阶段强降水基本趋于结束。

图4 FY－4 红外云图

以上分析表明，此次极端暴雨主要是由中α 尺度和中β 尺度对流系统造成，且云团位置在北海上空稳定少动，加上充沛的水汽供给和极低的TBB，是北海出现此次极端暴雨的重要原因。

2.4.2 雷达回波演变特征

7 日22 时—8 日11 时，随着低压北上移入北海境内，低压东南侧强风速切变区不断有螺旋状回波带出现，雷达回波主要表现为层积混合型降水回波，其中北海站附近反射率因子在50 dBZ 以上，径向速度图上有东南风和偏东风辐合，ZDR在1～3 dB 之间，CC 在0.97 以上，KDP在1～3°·km-1之间，均有利于强降水的产生。受低压东侧螺旋型雨带影响，源源不断有回波生成并往北海方向移动，产生“列车效应”。对北海站南部强回波带沿着东北至西南走向做反射率因子剖面可以看出，反射率因子大于50 dBZ 区域接地，且延伸高度均小于6 km，位于0 ℃层高度以下，属于低质心强降水回波，降水效率高，持续长时间影响形成强降水，小时雨强为20～60 mm·h-1。

8 日20 时—9 日09 时，低压稳定少动，强度减弱，但受低压南部暖切的影响仍有对流云团发展，其中铁山港区石头埠站反射率因子在50 dBZ 以上，径向速度图上有汇合，为辐合流场，ZDR在1～2 dB 之间，CC 在0.97 以上，KDP在2～4°·km-1之间，均有利于强降雨的产生。受“列车效应”影响，铁山港区和合浦县东部出现极端强降水，小时雨强在50 mm·h-1以上的强降水持续3～5 h，最长持续时间出现在石头埠站，从反射率剖面图可以看出，8 日20 时—9 日08 时该站附近的低质心强降雨回波明显强于7 日22 时—8 日11 时的回波，时段对应的石头埠站累积降雨量也明显偏大。

综上所述，本次过程雷达回波为层积混合型降水回波，“列车效应” 与低质心强回波长时间维持是造成极端降雨的直接原因。

2.4.3 多普勒雷达风廓线产品

风廓线VWP（VAD WIND PROFILE）产品为多普勒雷达的48 号产品，它是用雷达每个体扫资料在不同高度上通过VAD 技术得到该高度上的风向风速［13］。VWP 产品可实时提供观测站高空风随时间的变化。夏文梅等［14］分析降水过程中VWP 产品特征，发现VWP 产品反演的风场总体上是可信的；VWP产品常用于分析急流的变化，冷暖平流的变化及空气湿度的变化等［15］；刘淑媛等［16］研究发现华南大暴雨常伴有低空急流的加强过程。

对此次强降水过程分析，7 日VWP 产品0.3～5.0 km 主要为东到东南风，低层300 m 基本维持8～10 m·s-1的东南风，7 日22:26 开始300 m 东南风逐渐加大，最大达16 m·s-1，加强为超低空急流，而实况强降水在7 日22 时起有加强的趋势，超低空急流的形成与强降水实况基本吻合，可以判断超低空急流的形成对强降水有一定的指示作用。