珠江三角洲“9·7”极端暴雨精细观测特征及成因

陈训来 徐 婷 王 蕊3) 李 媛3) 张舒婷 王书欣3) 王明洁 陈元昭*

1)(深圳市气象局, 深圳 518040) 2)(深圳南方强天气研究重点实验室, 深圳 518040) 3)(深圳市国家气候观象台, 深圳 518040)

引 言

极端暴雨是小概率事件,具有罕见的降水量、极高致灾风险和极低可预报性,极易引发山洪、泥石流等重大灾难性事件,严重威胁人民生命财产安全,难以提前防范,是预报业务的重点和难点。气候变暖背景下我国极端强降水增多增强已取得广泛共识[1-5]。近年我国极端暴雨及其引起的灾难性事件频发,如北京2012年“7·21”和2016年“7·20”极端暴雨、广州2017年“5·7”极端强降水、河南2021年“7·20”极端暴雨等,均造成严重的经济损失和人员伤亡[6-9]。

我国南北方极端暴雨在天气尺度系统配置、中低纬度系统相互作用、水汽输送等方面存在显著差异,但台风及其残余环流是影响南北方极端暴雨的主要系统之一[10-15]。国内外学者对登陆台风及其残余环流的结构演变、强降水特别是极端暴雨的特征、动力热力成因等开展了深入研究,取得了大量研究成果[16-23]。台风降水是多尺度系统相互作用的结果,登陆台风维持时间、水汽输送、台风与季风(涌)的相互作用、中尺度对流系统的活动以及地形效应等是造成台风暴雨的重要因素[20]。台风登陆后的残涡与其他系统相互作用可导致残涡复苏或环流长时间维持,导致持续暴雨。河南“75·8”、“21·7”极端暴雨、华北“23·7”极端暴雨、台风碧利斯(0604)和台风尤特(1311)引发的华南极端暴雨均与台风登陆后的残涡长期维持有关[20-23]。登陆后台风残留系统长时间维持与西南季风急流卷入的水汽、不稳定能量以及高层辐散密切相关[24-26]。程正泉等[26]指出引发强持续暴雨的登陆台风东南部往往伴有强的水汽输送带。台风极端暴雨常伴有中尺度对流系统,杨舒楠等[15]指出台风艾云尼(1804)中尺度对流系统活跃,伴随5个阶段的中尺度对流雨带的发生、发展,造成广东极端暴雨。降水与后向传播、列车效应或对流雨带合并,导致单体生命周期延长并反复生消有关。何立富等[23]认为在台风利奇马(1909)影响期间列车效应是导致山东中部远距离暴雨的直接原因。

2023年9月5日台风海葵(2311)(简称海葵)先后在福建、广东登陆后继续西行,9月6日停止编号后其残涡长时间滞留广东,导致强降水影响范围广、极端性显著、灾害损失严重。受其影响,9月7—8日珠江三角洲(简称珠三角)发生极端暴雨(简称“9·7”极端暴雨),深圳、广州、东莞、佛山等地29站次突破当地历史降水极值,香港天文台1 h降水量达到158.1 mm,打破香港1884年以来的观测纪录。极端暴雨造成珠三角大范围受灾,出现严重内涝,引发社会广泛关注。登陆台风极端降水的准确预报是业务的重点和难点,全球模式和中尺度模式对此次极端暴雨的预报均明显偏弱。本文分析此次珠三角极端暴雨的精细观测特征并探讨其成因,期望为台风极端暴雨的预报提供参考。

1 资料和方法

1.1 资 料

本文所用观测资料是2023年9月6—8日珠三角高密度地面自动气象站观测资料(时间分辨率为5 min)、深圳石岩雨滴谱资料、香港探空资料、广东省雷达反演资料、FY-4B静止气象卫星逐15 min高分辨率AGRI(advanced geosynchronous radiation imager)长波红外通道(10.8 μm )相当黑体温度(TBB)和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)ERA5再分析资料(the Fifth generation of ECMWF atmospheric reanalysis of the global climate),时间分辨率为1 h,空间分辨率为0.25°×0.25°,垂直方向为1000 hPa至100 hPa(共21层)。

1.2 方 法

华南大暴雨常伴有低空急流的加强,强降水与低空急流轴上风速的脉动密切相关[27]。为了揭示此次极端暴雨过程中低空急流与强降水发生发展的关系,基于广东省风廓线雷达资料计算低空急流指数I[27]:

I=V/D。

(1)

式(1)中:V为2 km 高度以下边界层急流中心最大风速(单位:m·s-1) ,D为12 m·s-1风速的最低高度(单位:km)。I可以定量表示低空急流向下扩展的程度和风速脉动的强度,I越大,低空急流越强,急流高度越低,越容易触发对流不稳定能量的释放,对降水就越有利。

本文插图所涉及的国界和行政区域界线基于审图号为GS(2019)3082号标准地图制作,底图无修改。

2 极端暴雨精细特征

2023年9月6日停止编号后的海葵残涡长时间滞留广东,受其影响,9月7—8日珠三角出现极端暴雨。选取珠三角地区强降水最为集中的9月7日16:00(北京时,下同)—8日16:00进行分析,本次降水过程的特点:①极端暴雨强降水范围广、降水量大。珠三角普遍发生暴雨到大暴雨局部特大暴雨(图1a),特大暴雨落区主要在香港、深圳、东莞、广州、佛山等地,形成东南—西北走向的特大暴雨带,雨带长100～200 km;珠三角1415个站(67.4%)的降水量超过100 mm, 445个站(21.2%)的降水量超过250 mm,15个站的降水量超过500 mm。②降水强度极强,刷新多项当地历史降水纪录。珠三角大部分地区发生降水强度超过50 mm·h-1的短时强降水,其中香港、深圳、东莞等地7个站次出现强度为100 mm·h-1的降水(图1b),香港天文台9月7日23:00—8日00:00的降水量达到158.1 mm,创下自1884年香港有记录以来的小时降水量极值;深圳的降水量打破了自1952年有气象记录以来的5项历史极值:盐田区正坑站2 h和3 h降水量分别为195.8 mm和246.8 mm,罗湖区东门站6 h降水量为355.2 mm,罗湖区小梧桐站12 h和24 h降水量分别为465.5 mm和560.3 mm,均创极值纪录;佛山禅城区石湾镇街道9月7日14:00—8日14:00降水量为512.5 mm,打破了佛山历史最大24 h降水量纪录,珠三角共29站次短历时降水强度突破当地历史降水极值。③强降水持续时间长,387个站降水强度超过20 mm·h-1的累计时间超过5 h,主要出现在深圳、香港、东莞,以及佛山和广州南部地区,最大值是香港跑马地,累计持续12 h,另外深圳罗湖口岸降水强度超过50 mm·h-1的持续时间为4 h。

图1 2023年9月7日16:00—8日16:00降水量(单位:mm)(a)和最大降水强度(单位:mm·h-1)(b)

为全面分析此次降水过程的极端性,选取深圳爱联站、深圳小梧桐站、东莞长安职业中学站、广州番禺南村中学站、中山东凤镇政府站和香港天文台站6个代表站。图2是代表站的逐小时降水量。由图2可知,此次极端强降水可分为3个阶段:第1阶段是2023年9月7日18:00—21:00,为强降水初始阶段,强降水主要集中在珠三角东南部(深圳),单点降水强度由不足5 mm·h-1加强至20 mm·h-1以上;第2阶段是9月7日21:00—8日04:00,为最强降水时段,强降水带自香港—深圳向东莞—广州扩展并伴随明显列车效应,单点降水强度为40～60 mm·h-1,其中深圳小梧桐站最大小时降水量达116.8 mm,香港最大小时降水量高达158.1 mm;第3阶段是9月8日04:00—16:00,为强降水减弱阶段,强降水区西移至珠三角西部(中山),降水强度从40 mm·h-1减弱至10 mm·h-1以下。本次珠三角极端暴雨过程大致为由南向北、自东到西的推进演变。

图2 2023年9月7日17:00—8日16:00代表站逐小时降水量

3 极端暴雨大气环流特征

本次极端暴雨是多尺度天气系统共同作用的结果。西北太平洋副热带高压(简称副高)稳定维持在中国东南部,海葵残涡在副高内缓慢移动,华南上空200 hPa为辐散气流,低层850 hPa为西南季风卷入。

由500 hPa环流(图略)可以看到,2023年8月28日海葵在西北太平洋生成,在副高南侧偏东气流引导下以15～25 km·h-1的速度向偏西方向移动。受日本南面台风鸳鸯(2313)影响,副高逐渐减弱。随着引导气流减弱,8月5日海葵进入台湾海峡后移速减慢为10 km·h-1。与此同时,位于广西、贵州、四川的大陆高压发展。图3为2023年9月5—8日的环流场。由图3可知,9月5日20:00大陆副热带高压与海葵东侧的副高叠加,副高加强。6日20:00我国中东部—西北太平洋均被副高控制。9月7日20:00—8日20:00海葵及其残涡在副高内移动,引导气流偏弱导致其在广东境内移动缓慢,造成残涡长时间滞留。

综上所述，我国大多的水利工程均存在不同程度的渗水问题，因此，堤坝防渗加固施工是水利工程施工中的重要内容，对水利设施的使用质量有着重要的影响，而对于堤坝防渗加固技术的选择，则应该在分析渗漏原因以及类型的基础上，合理选择施工技术，秉着具体问题具体治理的原则，做好堤坝渗水病害的防渗施工。

图3 2023年9月5—8日风场(风羽)、风速(填色)和位势高度(红色等值线,单位:dagpm)

在高层(200 hPa),2023年9月5日20:00我国中北部为两槽一脊环流型(图略),高压脊位于我国新疆东北部到内蒙古东北部,高压脊东西两侧为南北向低槽,华南上空为弱反气旋控制,风速为2～4 m·s-1。9月6日20:00中高纬系统东移,东侧低槽移出我国东北地区,槽底位于长江中游一带,华南弱反气旋维持(图略)。由图3可知,9月7日20:00 高压脊顶部东移至我国东北一带,东侧低压槽位于日本海到我国东部地区,槽底位于湖南一带,华南上空维持反气旋环流,且处在东侧低槽底部偏西南气流中,风速达20 m·s-1,南海北部到中南半岛为偏东北气流,风速为8～10 m·s-1,华南上空高层辐散明显加强。位于华南的海葵残涡处于高层加强的气流辐散区。

在低层(850 hPa),2023年9月5日海葵进入台湾海峡,从台风中心到西北太平洋均为东西向的辐合带控制。辐合带东端发展为台风鸳鸯(2313),西侧为海葵残涡。在副高引导下台风鸳鸯(2313)向偏北方向移动趋向日本,海葵残涡移动缓慢,辐合带逐渐转为东北东走向,9月7日20:00辐合带西端偏东气流不断卷入海葵残涡,最大风速达16 m·s-1。同时,辐合带南侧的南海中北部不断有低层西南气流卷入,最大风速为8～10 m·s-1。这两条气流是本次极端暴雨的主要水汽来源。9月8日08:00残涡中心移至广东云浮境内,午后卷入残涡的气流减弱。

综上,大尺度环流背景有利于此次极端暴雨发生。高层辐散为极端暴雨提供了动力条件,弱引导气流导致海葵残涡缓慢移动,在广东中西部长时间滞留。低层卷入的西南气流和偏东气流供应丰富的水汽和能量,致使残涡长时间维持,是极端暴雨的直接参与者。

4 极端特大暴雨对流系统演变和结构特征

4.1 对流系统发生发展和演变

利用FY-4B TBB观测资料可以直观呈现本次极端暴雨过程中尺度对流系统发生发展及结构演变特征(图4)。由图4可知,2023年9月7日傍晚珠江口附近不断有对流单体生成发展,20:00珠江口东侧深圳龙岗有南北长约为100 km、东西宽约为20 km 的β中尺度系统发展,TBB为-68～-62 ℃,深圳东部(龙岗)降水强度超过60 mm·h-1,为第1阶段强降水。

图4 2023年9月7—8日FY-4B长波红外通道TBB

同时香港及珠江口西南部也有β中尺度对流单体发展,2023年9月7日20:00由于急流的建立和中尺度辐合线的形成,位于香港及珠江口西南侧的多个对流单体与深圳东部的系统合并,并随着低空急流加强,对流系统向北推进,于22:00在香港—深圳—东莞—广州一带形成稳定维持的块状β中尺度对流复合体,直径超过100 km,冷云顶TBB由-68 ℃ 快速下降至-72 ℃。9月7日夜间—8日早晨海上不断有中尺度强对流系统新生加强合并,块状β中尺度对流复合体控制香港—深圳—东莞—广州,云顶TBB持续维持在-72～-68 ℃,形成列车效应,造成持续强降水,多数站点40～60 mm·h-1的降水强度持续时间达6 h。第2阶段降水是本次极端暴雨的主要降水时段。McAnelly等[28]表明构成对流系统的β中尺度对流单体的移向和移速与最强降水的位置有关。Doswell等[29]指出某地的总降水量严重依赖于产生降水的对流系统类型和移动方式。

由图4可知,2023年9月8日04:00随着低空急流减弱以及残涡中心西移,β中尺度对流单体同步西移,块状中尺度对流复合体覆盖珠海、中山等地区,造成上述地区出现第3阶段降水。午后TBB低值区南落至南海北部,陆地强降水减弱(图略)。

4.2 对流系统的精细结构特征

利用广东S波段多普勒天气雷达组合反射率因子分析本次极端暴雨过程3个阶段的精细结构特征(图5～图6)。第1阶段是2023年9月7日16:00—21:00,为降水初始阶段,海葵残涡中心位于广州附近,距离深圳约为100 km;16:00—17:00深圳东部出现分散对流,18:00发展合并为块状回波,覆盖深圳龙岗大部分地区,强度加强;19:00深圳罗湖一带发展的块状回波并入(图5),20:00在深圳东部形成南北长约为100 km、东西宽约为30 km的对流带,与FY-4B卫星观测到的β中尺度系统对应,不低于45 dBZ 的强回波在6 km高度以下,最强52 dBZ的回波在3 km高度附近,深圳东部地区记录到8～9级阵风。20:30对流带移入东莞惠州,21:00该降水回波在上述地区减弱,第1阶段降水结束。第1阶段为大陆性和海洋性相结合的降水回波特征,深圳龙岗降水强度超过 70mm·h-1,海葵残涡南侧130～160 km的珠江口近海处生成弧状队列回波,该回波的持续北上及新生加强导致了第2、第3阶段的持续强降水。

图5 2023年9月7—8日广东多普勒天气雷达组合反射率因子

图6 2023年9月7日18:00—8日20:00深圳小梧桐站组合反射率因子时间-高度剖面(填色)和降水强度(黑色实线)

第2阶段是2023年9月7日21:00—8日04:00,为过程最强降水时段,持续时间约为7 h。该阶段海葵残涡从广州—佛山—云浮南部以10 km·h-1的速度缓慢移动,距离深圳为120～180 km,其东南侧的中尺度辐合线及南侧暖湿气流触发了降水。9月7日20:00珠江口附近东莞—广州边界层出现长度约为100 km的东西向中尺度辐合线,21:00辐合线南侧的边界层低空东南急流建立,急流轴南侧香港一带南北走向的块状γ中尺度对流回波(东西水平尺度约为20 km)不断生成、发展、加强并北抬,不断移向深圳以及东莞、广州南部,22:00—23:00最强回波为53 dBZ(图5),深圳罗湖区记录到116.8 mm·h-1的极端短时强降水,香港记录到超历史纪录的降水强度(158.1 mm·h-1)。9月8日00:00—04:00香港南侧珠江口外海的带状对流系统内不断有γ中尺度回波新生成,并持续移进香港合并加强,强度不小于40 dBZ的对流单体不断北移影响深圳,经过东莞—广州中部后向西扩展,强度明显减弱,期间降水强度均在40 mm·h-1以上,04:00影响深圳、东莞和广州的对流系统减弱。

本次强降水与边界层东南急流的加强发展密切相关,强降水回波在急流附近生成、发展和加强,并不断北移,在香港—深圳—东莞—广州一带聚集、合并、加强、停滞,具有明显的后向传播特征,形成列车效应,使降水长时间维持和增强[30-31]。由深圳小梧桐站雷达组合反射率因子演变(图略)可知,深圳小梧桐站持续受到回波影响,不小于30 dBZ的强回波影响持续时间为21 h,不低于20 mm·h-1的降水强度长达11 h,降水持续时间极长、降水量极大。对流系统在珠三角地区的聚集、合并、加强、停滞造成本次极端暴雨过程。

由2023年9月7日18:00—8日20:00深圳小梧桐站雷达反射率因子垂直剖面(图6)可知,强降水期间不低于30 dBZ的回波顶高约为6 km。第2降水阶段不低于45 dBZ的强回波质心高度位于4 km以下,其低层最强回波在2 km高度以下。由9月7日20:00香港探空综合分析(图略)可知,珠三角具有较高的环境相对湿度、湿层深厚、较低的抬升凝结高度和自由对流高度,0 ℃层高度接近5 km,强回波在0 ℃层高度以下。低的强回波质心高度也反映对流系统内极大的液态水含量和极高的降水效率。俞小鼎等[30,32]指出高降水效率降水系统的回波强度一般为45～50 dBZ,这类系统仅需持续30 min～1 h就可导致局地暴雨甚至大暴雨。本次过程雷达回波质心低,具有典型列车效应和暖云降水特点[33],不低于30 dBZ的强回波在深圳持续时间长达21 h,是导致本次极端暴雨的直接原因。

4.3 极端降水的微物理特征

研究表明雨滴谱特征因气候区、季节和降水类型不同而存在明显差异[31,34-35]。利用深圳石岩站雨滴谱资料分析本次极端暴雨的微物理演变特征。由图7可知,大部分降水时段雨滴谱数浓度lgN(D)为1.6～3.6 mm-1·m-3,最大lgN(D)达到4 mm-1·m-3,雨滴直径为1.5～4 mm,最大雨滴直径达到5 mm。lgN(D)与降水强度大体一致,即2023年9月7日16:00—19:00强降水发生前,lgN(D)较低,最大雨滴直径为1～2 mm,7日20:00 随着lgN(D)和最大雨滴直径增大,降水强度随之增大,20:00深圳石岩站降水强度达到24.1 mm·h-1,21:00—22:00 lgN(D)和雨滴直径均明显减小,降水短暂间歇,7日22:00—8日01:00 lgN(D)持续超过3.2 mm-1·m-3,最大数浓度为4 mm-1·m-3,最大雨滴直径超过4 mm,是该站本次过程降水最强时段,最大降水强度达44.9 mm·h-1。8日01:00—05:00 lgN(D)减小,多为2.4～2.8 mm-1·m-3,最大雨滴直径减小为1～2 mm,降水减弱。8日05:00—13:00 lgN(D)和雨滴直径有所增大,降水有所增强,13:00 lgN(D)和雨滴直径逐渐减弱,降水过程结束。高雨滴谱数浓度的持续时间越长,最大雨滴直径越大,降水强度也越强。

图7 2023年9月7日16:00—8日16:00深圳石岩站雨滴谱数浓度lgN(D)(填色)、雨滴直径(填色高度)和降水强度(黑色实线)

图8为2023年9月7日16:00—8日16:00深圳石岩站雨滴质量加权平均直径(Dm)、标准化参数(Nw)与降水强度的散点分布。由图8可知,降水强度较小时(不大于20 mm·h-1),Dm为0.4～2 mm,以小雨滴为主且数量较多,当降水强度大于20 mm·h-1时,Dm普遍超过2 mm,且Dm随降水强度增大而增加,雨滴密度变得稀疏,Dm大于2 mm的大粒子数量明显减少,但随着降水强度继续增大,雨滴直径达到平衡态,不再继续增长,这是由于降水强度达到一定强度时,雨滴直径由于碰撞作用和破碎作用达到平衡,直径增加缓慢,因此降水强度的增大主要通过雨滴数浓度的提高实现[36-37]。通常雨滴直径小于1 mm为小雨滴,3 mm以上为大雨滴,介于两者间为中雨滴[34],本次强降水以中小雨滴为主且分布集中,雨滴直径达到平衡状态时,Dm为2.0～2.5 mm,与北京雨滴平衡状态时的Dm(2.0～2.5 mm)相似[38],均低于河南“21·7”极端暴雨的2.6～3.0 mm[36]。由图8可知,降水强度与Nw呈正相关,降水强度不超过20 mm·h-1时,Nw普遍小于1×103mm-1·m-3;随着降水强度增大,Nw缓慢增大,当降水强度不低于40 mm·h-1时,Nw普遍超过1×103mm-1·m-3。

图8 2023年9月7日16:00—8日16 :00深圳石岩站降水强度与雨滴质量加权平均直径(a)和标准化数浓度(b)的散点分布

5 珠三角极端暴雨成因

5.1 海葵残涡长时间停滞

2023年8月28日海葵在西太平洋生成并向偏西方向移动,分别登陆我国台湾、福建,9月5日在广东潮州再次登陆, 继续向偏西方向移动,5日08:00减弱为热带低压,6日14:00停止编号。9月6日20:00残涡中心位于惠州市境内,7日08:00移入东莞境并向西北行进,19:00进入广州,残涡中心近12 h移动距离仅有60 km。残涡中心以10 km·h-1的速度缓慢向西南方向移动,先后穿过顺德、云浮、阳江,9月8日20:00移入茂名境内。海葵残涡在珠三角滞留时间超过16 h,是导致此次极端暴雨的直接原因。

5.2 西南季风增强及超低空急流发生发展和维持

风廓线雷达可实时获得测站上空高时空分辨率的风向风速等信息,可弥补常规高空探测资料时空密度不足。风廓线雷达资料不仅可以实时监测锋面、短波波动、气旋、高空槽和低空急流等天气系统连续和翔实的演变过程,还能获得中小尺度气旋性波动、辐合线等中尺度系统的出现和演变[39]。本文采用风廓线雷达资料分析此次天气过程西南季风增强、超低空急流及中尺度系统的演变。由于降水条件下风廓线雷达返回信号受降水粒子散射影响,导致风场反演资料出现缺失或失真,风廓线雷达资料采用廖菲等[40]的方法进行质量控制,得到较为可信的观测结果。

2023年9月7日08:00—17:00海葵残涡由东莞缓慢移入广州境内,西南季风明显加强北抬,降水云团发展,粤西沿海至珠三角地区下午至傍晚降水增强,伴随残涡西行,其东侧东到东南气流强度亦明显增强。由图9可知,9月7日20:00—8日14:00粤西至珠江口西侧1.5 km高度为6～8 m·s-1稳定西南季风,珠江口东侧深圳—东莞—广州为东南气流,7日20:00东南风明显加大,21:00超低空急流建立,珠三角大范围出现强降水。7日23:00深圳东部龙岗站急流伸展高度为2.5 km,急流最大风速为20.0 m·s-1,急流核位于深圳东部龙岗—东莞—广州一线。8日00:30广州花都站风速加大至19.6 m·s-1,该东南急流在7日夜间至8日中午始终维持,珠三角处于西南季风和东南急流两支气流的辐合区;广州—东莞一带水平尺度约为100 km的准东西向中尺度辐合线维持时间超过18 h,降水主要出现在该中尺度辐合线南侧及附近地区,该时段为珠三角强降水发展维持阶段。

图9 2023年9月7—8日850 hPa 风场(红色实线为辐合线)

垂直风廓线高度-时间剖面可以更清晰地反映东南气流的演变与强降水的关系。由图10a可知,9月7日14:00前近地面至3 km高度为一致西南风,14:00近地面转偏东风,风速较小,为2 m·s-1,之后东到东南风逐渐加大,并向高层伸展,21:00东南风向上伸展至2.5 km高度,1 km高度风速超过12 m·s-1,达到急流标准,21:30 风廓线雷达探测范围内(3 km高度以下)均转为东至东南风,且急流厚度增加,2～5.5 km高度均是风速超过12 m·s-1的急流区,深圳降水强度增强,小梧桐站降水最强,降水强度为116.8 mm·h-1,之后超低空急流进一步增强,23:30达到最强,为20 m·s-1,急流核位于720 m高度,550～2500 m高度均为风速不小于16 m·s-1的急流区,龙岗站东南风急流一直持续至8日中午。与广东南沙站相比(图略),龙岗站急流自东南向西北传播但强度缓减弱。与此对应,珠三角强降水带自香港—深圳经东莞向广州缓慢移动,强降水的强度、落区、降水持续时间与东南急流的建立、急流核的位置对应。9月8日14:00东南急流明显减小,珠三角降水随之减弱(图10b)。

图10 2023年9月7—8日深圳龙岗的雷达风廓线(填色表示风速不低于12 m·s-1)(a)和低空急流指数和降水强度(b)

由图10b可知,2023年9月 7日14:00—8日14:00低空急流指数与降水量逐时变化显示此次天气过程是低空急流的发生、发展和消亡过程。9月7日傍晚低空急流指数初显,21:00低空急流稳定增强,22:00低空急流指数陡升至72.2,7日22:00—8日00:00低空急流指数稳定在70以上,表明低空急流已稳定建立,强度明显加强,23:00降水强度猛增至98.3 mm·h-1。8日01:00低空急流指数下降,雨势减弱,13:00低空急流指数减弱为0,低空急流消失。由此可见,低空急流指数的脉动与强降水的发生有密切关系,强降水出现在低空急流指数迅速加强后1～2 h,低空急流指数下降对应降水减弱,因此低空急流指数对强降水发生和降水强度的预报有一定指示意义。

综上,中尺度辐合线的稳定维持,增强的西南季风和东南超低空急流两支气流的汇合为极端暴雨的发生、发展和维持提供了水汽和动力条件。本次极端暴雨持续时间、强度及落区均与超低空急流的脉动、急流核区位置对应很好,边界层低空急流的发展、急流从近地面逐渐向高层扩展、边界层内中尺度辐合均对对流活动的发展和组织化起重要作用。

5.3 中尺度辐合的触发作用

为进一步揭示边界层中尺度辐合在本次天气过程中的作用,利用ERA5逐小时、水平分辨率为0.25°×0.25°再分析资料研究降水最强时段(2023年9月7日18:00—8日04:00)中尺度辐合与对流活动发生发展的关系。由图11可知,9月7日18:00 海葵残涡进入广州中部,残涡中心东南部的深圳、东莞附近出现辐合,来自台湾海峡的东北气流和来自南海的偏南气流形成一条准南北向的β中尺度辐合区,南北长约为200 km,东西宽为30～50 km。对流云团在辐合区附近加强发展,造成50 mm以上的强降水。雷达回波(图略)显示深圳—东莞出现一条东南—西北向的细长强回波带,其形状、分布和尺度均与辐合区非常接近,回波强度不低于40 dBZ。22:00辐合区发生逆时针倾斜,强辐合中心发展加强,中心值达-10×10-5s-1,雷达回波带加强,23:00 强降水落区亦与辐合区对应并逆时针推移,降水量增幅明显,降水强度超过100 mm·h-1。9月8日02:00—05:00强辐合中心移至广州—佛山,强降水回波带进一步向北推进,强辐合区的分布和暴雨的走向基本一致,并和暴雨中心对应。由此可见,强降水的落区和强度与辐合区的移动、强度对应。

图11 2023年9月7—8日975 hPa风场(矢量)和散度场(填色区散度小于-2×10-5 s-1)

5.4 极端暴雨过程水汽输送特征

分析2023年9月7日16:00—8日04:00对流层中下层水汽通量分布可以了解水汽来源。由图12可知,本次极端暴雨过程主要有两条水汽输送带,分别是来自台风鸳鸯(2313)西侧途径台湾海峡的东北水汽输送带和经孟加拉湾、中南半岛、南海的西南季风水汽输送带。海葵停止编号后其东侧始终存在的明显水汽通量大值区经台湾海峡—福建沿海—粤东后卷入残涡环流,9月7日20:00水汽通量明显加大,珠江口东侧深圳—东莞附近出现水汽通量不小于25 g·cm-1·hPa·s-1的大值区。9月8日00:00虽然来自东北气流的水汽有所减弱,但西南季风暖湿气流增强北推,并在珠江口附近与东北气流辐合,水汽通量大值区稳定少动,充足的水汽不仅有利于残涡停滞期间重新活跃,而且在珠三角附近850 hPa以下的边界层内辐合,中心强度维持在25 g·cm-1·hPa·s-1以上。两条水汽带将来自西北太平洋和南海的水汽源源不断地输送到珠三角地区,为本次极端暴雨提供了充沛的水汽条件和不稳定能量,这对残涡的维持和珠三角地区中尺度对流系统及极端暴雨的发生具有重要意义。

6 结论与讨论

本文利用多源资料深入分析珠三角“9·7”极端暴雨过程的降水特征、环流背景、中尺度系统及微物理精细结构演变等特征,并探讨其发生发展的成因。得到主要结论如下:

1) 本次过程是一次极端降水事件,打破多项纪录。极端暴雨由多尺度天气系统共同造成,200 hPa高层辐散为极端暴雨提供动力条件,弱引导气流导致海葵残涡缓慢移动,低层西南气流长时间卷入以供应丰富的水汽和能量,致使残涡长时间维持。

2) 本次过程由长时间维持的水平尺度约为100 km 的带状中尺度对流复合体产生,与珠江口海面不断生成的中尺度新生单体北上合并加强形成列车效应有关。具有典型暖云降水特征,雷达回波质心低,最强降水阶段不低于45 dBZ的强回波质心高度位于4 km以下,不低于30 dBZ的强回波在深圳持续时间长达21 h,本次极端暴雨过程以中小雨滴为主,且数浓度较大,当降水强度大于20 mm·h-1,雨滴粒径增大但数浓度明显降低。

3) 强降水发生前,低层东南风加强并向高层伸展,极端暴雨持续时间、强度和落区与超低空急流的脉动、急流核区位置对应很好。强降水出现在低空急流指数迅速加强后1～2 h内,低空急流指数下降后,降水强度随之减弱,低空急流、低空急流指数的变化对于强降水发生有一定指示意义。

4) 海葵残涡在珠三角长时间滞留是本次极端暴雨的天气尺度原因。急剧加强深厚的边界层低空急流和西南季风两支气流在珠江口长时间汇合,为极端暴雨提供了良好的动力和水汽输送条件,对流风暴的持续发生和维持是导致极端暴雨的直接原因。极端暴雨的水汽主要来源于台风鸳鸯(2313)西侧东北气流带来的西北太平洋水汽和途经孟加拉湾、中南半岛、南海的西南季风水汽。

珠三角暴雨精细化预报,特别是极端降水的准确预报一直是业务重点和难点,本文对珠三角“9·7”极端暴雨过程观测事实及极端事件原因的分析仍不足以提炼足够的极端事件预报指示因子;珠三角地区复杂的海岸线和沿岸众多低矮的山脉地形与暴雨强度和分布密切相关,深圳梧桐山、香港大帽山的海拔高度均超过900 m,地形对降水的增幅作用不可忽视。但鉴于地形复杂性,地形对本次极端暴雨强度和落区的作用尚需深入诊断分析和数值模拟。此外,本次极端暴雨发生在珠三角城市群(深圳、香港等地),城市下垫面对于极端降水是否存在影响也值得深入探讨。

需要指出的是,极端暴雨是多尺度大气系统共同作用的产物,环流异常不仅表现在单个系统的强度上,还表现在系统位置上,这种复杂性使得难以将环流系统异常与降水量异常程度的相关性定量化。因此,提高我国极端暴雨的预报水平,亟须发展和提高数值模式预报能力。目前主流的业务模式对“9·7”极端暴雨过程无论是量级还是位置的预报均与实况有较大偏差,这可能与模式对中小尺度系统的模拟能力不足有关,进一步找出模拟不足的原因可为改进模式提供参考。

致 谢：感谢深圳市国家气候观象台卢超高级工程师提供深圳雨滴谱资料。