2022年广东“龙舟水”各历时强降水特征及成因分析

肖柳斯，许欢，张华龙，涂静

（1.广州市气象台，广东广州 511430；2.广东省气象台，广东广州 510640）

伴随着南海夏季风的爆发，端午节前后，广东省极易出现大范围、持续性的致洪暴雨，俗称“龙舟水”［1］。连续多场暴雨使得广东易发洪水、山体滑坡、城乡积涝等灾害，“龙舟水”的预报预警是每年气象应急服务关注重点之一，也是亟待深入探索的方向［2］。韶关［3］、广州［4］、揭阳［5］等地的“龙舟水”空间分布特征已得到充分研究，华南“龙舟水”可分3种优势降水型［6］，并存在明显的大气环流差异。对典型异常年诊断的工作也不少，如林良勋等［1］、王婷等［7］、谷德军等［8］分析了2008年广东“史上最强龙舟水”的气候或天气学成因；庞古乾等［9］对比了两次“龙舟水”的雷达特征；钱维宏等［10］、陈金星等［11］总结了2020年“龙舟水”过程的扰动形势及成因。

在气候变暖背景下，极端天气频发，“龙舟水”呈现出雨日增多、雨强增强的新特点［12］，2022年“龙舟水”再现极端性，广东省平均雨量显著偏多，并呈现“北多南少”的异常空间分布型态。叠加周边省份水体汇入，北江流域出现超100年一遇特大洪水，西江、韩江出现严重汛情。及时复盘异常个例，有助于加快认识“龙舟水”的复杂机理，提高预报预警能力，提升对城乡积涝、山洪等地质灾害的防御能力。本研究旨在充分认识2022年“龙舟水”期间的强降水特征和成因，分别从过程，日、小时和分钟等多时间维度挖掘降水分布规律，对比平均环流场、水汽和热力条件与气候态的差异，提炼和分析异常“龙舟水”的成因，为今后“龙舟水”过程的预报提供参考。

1 资料与方法

1.1 雨量观测数据说明及处理

2022年“龙舟水”时段为5月21日20：00—6月21日20：00（北京时，下同），观测资料为广东区域基本站和自动站2013—2021年3—9月的逐5 min雨量数据，其中小时、日和过程雨量由5 min雨量相加而得。为了保持统计样本的均一性，对数据预处理：（1）每年都有观测记录的站点才纳入统计；（2）5 min雨量超过50 mm的记录作为异常观测剔除［13］。极端小时（分钟）雨强阈值定义为该站点的2013—2021年小时（分钟）雨量的99.9百分位值，每个纳入统计的站点均可计算对应阈值。

1.2 ECMWF的再分析资料（ERA5）及处理

再分析观测资料来源于欧洲中期天气预报中心的再分析同化数据集（ERA5），地面要素空间分辨率为0.125°×0.125°、高空要素分辨率为0.25°×0.25°。气候态为1992—2021年资料合成。

2 降水特征分析

2.1 过程和逐日降水

该次“龙舟水”过程，广东省录得平均雨量514.5 mm（图1a），较历史同期偏多54%，是继2008年（612.6 mm）和2006年（572 mm）以来的第3多［1，14］。统计可知，广东“龙舟水”的雨量自沿海向内陆递减，集中于3大暴雨中心附近［12］。但本轮“龙舟水”呈现“北多南少”的异常空间分布（图1a），排名前10的站点均集中在粤北地区（图1b），并且降水持续时间长，每日均有站点出现暴雨，5月7日录得过程最大日雨量（308.4 mm／d）；过程中后期降水强度普遍增强，暴雨范围显著扩大，12日起主雨区自南向北扩展，13—21日大暴雨落区反复出现在粤北和珠三角北部地区。持续多日的强降水叠加周边省份的江河水体汇入，北江、西江、韩江出现严重汛情，其中北江流域出现1915年以来最大洪水，粤北地区内涝和山体滑坡等次生灾害严重。

图1 2022年5月20日20：00—6月21日20：00累计雨量分布（单位：mm）（a）、累计雨量排名前10的站点分布（填色为排名序号）（b）

2.2 小时雨量

“龙舟水”期间广东每个小时均有降雨，逐小时最大雨量所在的站点位置及量级分布（图2a）显示，最大时雨量达到短时强降水（20 mm／h）量级的时次高达81.5%，分布在全省各地，无显著分布规律；量级达到极端程度（50 mm／h）的时次占26.4%，集中在广东中部及粤东和粤西沿海地区；最大时雨量超过100 mm／h的站点分布在海岸线附近。

图2 过程期间逐时最大雨量空间分布（单位：mm／h）（a）；短时强降水（＞20 mm／h）比例（%）（b）；极端小时雨量（＞50 mm／h）的频次分布（c）；单站最大时雨量与2013—2021年极端降水阈值的正偏差（单位：mm）（d）

各站点短时强降水的占比统计显示（图2b），易发短时强降水（占比超过40%）的站点集中在沿海、珠三角中北部偏东地区和粤北中部地区，大致与广东3大暴雨中心位置相吻合［12］，因此“龙舟水”过程期间，尤需关注短时强降水的出现概率高的站点，容易诱发山洪、内涝等自然灾害。

出现极端短时强降水（＞50 mm／h）的站点中（图2c），多数站点仅有1次，珠江口东西两岸以及珠三角中北部至粤北中南部频次更高（2～3次），频次达到4～5次的站点集中在粤北、粤东沿海地区。利用2013—2021年时雨量的99.9百分位值指示单站的极端时雨强阈值［15］进行对比，对比结果显示，约15.2%的站点出现极端时雨强，部分站点甚至超过极端阈值30 mm以上（图2d）。

2.3 分钟级雨量

针对短时强降水统计分钟级雨量分布特征（图3a），随着时雨量逐级递增，高占比区的5 min雨量大小显著增加，大量值的5 min雨量占比增加，小量值降水的占比减少。20～40 mm／h区间中，超过1／2的分钟级雨量记录小于2 mm（5 min），分钟级雨量越大，占比越小，最大值不超过14 mm（5 min）。40～60 mm／h量级内，雨量低于2 mm（5 min）占比显著减少至29.6%，分钟降水效率在4 mm（5 min）以上的记录显著增加，最大雨强不超过18 mm（5 min）。60～80 mm／h量级内，4 mm（5 min）以下的降水比例显著减小，占比最高的分钟雨量介于4～8 mm（5 min），最强的分钟雨量不超过20 mm（5 min）。小时雨量增加至80～100 mm／h时，占比最高的分钟雨量进一步增强至6～10 mm（5 min），10 mm（5 min）以上的分钟雨量占比明显增加。当出现100 mm／h以上的极端强降水时，6～10 mm（5 min）的雨量占比仍最高，超过50%的分钟雨量均集中在该区间内，14mm（5min）以上分钟降水的占比明显提高。

图3 时雨量＞20 mm／h的短时强降水的分钟雨量分布（数字及填色为百分比（%））（a）和单站最大5 min雨量与2013—2021年极端降水阈值的正偏差（单位：mm）（b）

对比全省各站的5 min降水极值和极端阈值的差异（图3b），接近40%的站点出现了5 min极端降水事件，超过1 h极端降水站次的2.5倍。中北部地区的站点最大雨量较极端降水阈值偏高幅度更大，短时效降水效率的大幅提高对中北部山区的城乡积涝和地质灾害防御带来了更大难度。

3 环境特征分析

3.1 动力条件

图4给出了对流层高（200 hPa）、中（500 hPa）和低层（850 hPa）2022年“龙舟水”期间的平均位势高度场及其相对于30年气候态的异常分布场。200 hPa上（图4a）南亚高压位置偏北，其北侧的高度场较气候态显著偏高，在同纬度的西北太平洋上高度场偏低，平均位势高度差偏大，东亚急流增强。广东位于对流层高层偏强的西风急流入口区的右侧，有利于增强高层辐散，加剧垂直上升运动发展。500 hPa上（图4b）中高纬度系统的经向度偏高，东亚大槽向南加深，华南大部地区高度场偏低，此形势与王娟怀等［12］得到的广东“龙舟水”偏多年份的高度场特征相似。逐日的高度场演变表明，西风波动频繁影响华南北部地区，尤其是6月以后，西风波动的影响频率增加和强度增强，为华南北部暴雨的频繁出现提供了有利的中层动力条件。另一方面，副高形态与广东降水分布关系密切，5 880 gpm位势高度线西伸至南海地区，南海中北部地区位势高度较气候态偏高，抑制广东南部降水系统的发展，导致沿海降水强度相对较弱。中层的动力形势促使广东出现异于常年的“南少北多”的“龙舟水”分布态势。850 hPa上（图4c），受到偏强的中层副热带高压向下发展的影响，南海东部至西北太平洋平均位势高度场偏高，同时北部湾海域至华南大部地区低槽强度偏强，导致广东上空东西方向上的平均位势高度差较气候态偏强，形成了更加密集的等位势高度线，加强偏南气流，海上暖湿气流深入北上，输送到较气候态更北的地区，有利于华南北部暴雨发生。

图4 2022年5月20日至6月21日期间的200 hPa（a）、500 hPa（b）、850 hPa（c）平均位势高度场（等值线，单位：gpm）及其相对于气候态的异常场分布（填色，单位：gpm）

从图5a可见，2022年“龙舟水”期间，季风急流中心向东向北扩展，南海大部地区的西南偏南风速显著增强，海南岛东西两边两支双低空急流共同汇入广东地区，有利于加强该地区的低层动力条件以及边界层的水汽输送。同时，副热带高压南侧的偏东气流较气候态偏强，并且伴随着中层副高偏西的异常分布特征，边界层的偏东气流向偏西方向发展，因此在南海及西北太平洋上共同存在异常偏强的西南、偏南和偏东气流的汇入，为广东地区持续性强“龙舟水”的发生提供了稳定的辐合抬升运动背景以及增强边界层水汽的输入。

图5 2022年5月20日至6月21日期间的925 hPa风场（填色为风速标量，单位：m／s）（a）、925 hPa的u（b）和v（c）异常风场分布（单位：m／s）

通过分解纬向风（图5b）和经向风（图5c）及其与气候态的差异可见，广东上空这两个方向上，风速均较气候态有所增强，孟加拉湾至南海北部的偏西风显著增强，有利于偏西季风急流向东输送，同时西北太平洋上副高南侧的偏东气流异常偏强，增强了东-西风在华南上空的辐合强度，边界层风场的水平辐合对于水汽通量的辐合极为重要。而从经向风的差异（图5c）来看，南海大部地区的偏南气流显著偏强，其偏强的幅度较气候态可达到4 m／s，异常场的前沿辐合区位于华南北部地区，加强低层辐合抬升作用。

3.2 水汽输送

暴雨的发生不仅需要强烈的上升运动发展，同时需要充分的水汽供应。暴雨区的水汽供应主要来源于边界层的水汽通量辐合。925 hPa风场和水汽通量时间演变图（图6a）显示，5月20日开始，南海风速逐渐增大，尤其偏南风自南向北快速增强，27日达到过程第1次峰值。南海的水汽快速向大陆输送，水汽通量在25°N附近达到最大，恰好27日为第1次降水峰值，全省具有南北两条雨带，与水汽通量大值区域相匹配，可见顺畅的水汽通道为暴雨的加强提供了有利的条件。经历2 d的风速减弱期之后，31日起偏南风速快速增强，伴随着水汽通量显著增加，其中6月2—6日水汽通量大值区延伸至23°N—26°N，暴雨落区集中在粤北地区。其后随着偏西分量增大，偏南风量减弱，水汽通量高值区南落至20°N—24°N，广东地区的雨带整体南落。6月18—21日伴随着偏南分量显著增强，南海至广东内陆以顺畅的偏南风为主，水汽通量大值区再次向北推进，水汽通量标量值较前期显著增强，中心值可达20 g·cm-1·s-1·hPa-1，该时段内出现了“龙舟水”范围最广，强度最强的暴雨，主要落区集中在粤北地区，和水汽通量大值区位置吻合。

图6 2022年5月20日20：00至6月21日20：00通过114°E的风场（风向杆，单位：m·s-1）和水汽通量（填色，单位：g·cm-1·s-1·hPa-1）的时间变化（a）；平均水汽通量异常场分布（填色为其标量，单位：g·cm-1·s-1·hPa-1）（b）；平均大气可降水量（等值线，单位：kg·m-2）（c）；K指数（等值线，单位：℃）及其异常场分布（填色，单位：℃）（d）

2022年异常环流造成了“龙舟水”期间偏强的水汽输送，20°N附近经向风辐合增强，同时边界层偏南气流异常偏强，极利于暖湿气流向北输送，水汽汇聚丰富，导致暴雨长时间在华南北部维持。925 hPa水汽通量矢量相对于气候态的扰动场（图6b）表明，南海上有2条水汽通量异常带，其中西南水汽通量异常通道经北部湾传输至华南北部地区，另一条偏南水汽通量异常带位于副高边缘，穿越海岸线深入广东中北部大陆，扰动水汽通量达4 g·cm-1·s-1·hPa-1。在强盛的边界层水汽供应下，两广地区的平均可降水量达到60 kg·m-2，局部65 kg·m-2，超过气候态6 kg·m-2，广东北部地区甚至偏高8 kg·m-2（图6c）。广东大部地区平均可降水量值满足我国短时强降水发生的充分条件［16］，有利于降水效率增长。充分的水汽供应和本地极高的湿度条件为广东（尤其是粤北及珠三角北部）地区暴雨的发生发展提供有利的水汽条件。

综上所述，暴雨落区和强度变化与水汽输送的强度和中心位置密切相关，水汽通道的打通对于暴雨，尤其是粤北地区的暴雨发展起重要作用。该次过程由于水汽输送强度较常年异常偏强，为长时间和高效率的“龙舟水”提供了有利的水汽条件。

3.3 不稳定能量

暴雨往往伴随着不稳定能量的释放，K指数综合反映了中低层稳定度条件，对本地暴雨的发生有较好指示意义，K值越大，越有利于降水发生［17］。“龙舟水”期间，华南大部地区K指数平均值达34℃，较气候态偏高2℃以上，华南北部地区甚至偏高4～5℃（图6d）。长时间的降水往往伴有不稳定能量重建机制。如前所述，偏强的南海夏季风携带大量暖湿空气持续汇入到华南中北部，尤其在华南北部形成辐合，导致了持续的能量输入，使得广东上空形成高能高湿的不稳定层结，中低层的不稳定能量条件反复重建，过程期间平均不稳定能量（K指数）显著偏高，有利于暴雨落区能够反复维持在相邻区域。

4 结论

本研究详细分析了2022年“龙舟水”期间各历时强降水特征和异常环流特点，结果表明：

1）该过程具有“北多南少”的异常空间分布特征，降水持续时间长，后期的日雨量显著增加，范围扩大，易发短时强降水的站点集中在沿海、珠三角中北部偏东地区和粤北中部地区，随着时雨量逐级递大，高强度的5 min雨量占比增加，小量值降水的占比减小。

2）短时雨强具有极端性，粤北和粤东沿海地区的部分站点多次出现50 mm／h的极端雨强，全省15.2%的站点时雨强超99.9百分位极端阈值，分布无显著规律；接近40%的站点出现5min极端降水事件，中北部地区站点的最大雨量较极端阈值偏高幅度更大。

3）中高纬度系统的经向性较气候态更显著，东亚大槽向南加深，华南北部频繁受到西风波动影响，具有稳定的辐合抬升运动背景。西太副高活动偏西偏强，南海及西北太平洋上异常偏强的西南、偏南和偏东气流同时汇入，边界层水汽输送强度异常偏强偏北，为粤北地区长时间和高效率降水提供了有利的水汽辐合条件，有利于广东出现“南少北多”的异常“龙舟水”分布态势。

4）偏强的南海夏季风携带大量暖湿空气持续汇入，在华南北部形成辐合，导致了持续的能量输入，广东上空形成高能高湿的不稳定层结，中低层的不稳定能量条件反复重建，有利于暴雨落区能够反复维持在相邻区域。