一次华南低涡西移引发防城港大暴雨的诊断分析

陈绍河,黄　滢

(广西壮族自治区防城港市气象局,广西　防城港　538001)



一次华南低涡西移引发防城港大暴雨的诊断分析

陈绍河,黄滢

(广西壮族自治区防城港市气象局,广西防城港538001)

利用常规气象资料和1°×1°NCEP再分析资料，采用天气学诊断方法，从大气环流形势和物理量特征方面对广西防城港市沿海地区9月3日一次华南低涡影响下产生大暴雨的原因进行诊断分析，结果表明：①副高西伸引导华南低涡西移是造成此次大范围暴雨的直接原因；②低涡右侧辐合上升气流诱发副高边缘不稳定能量释放，有利于增加降雨强度；③本次华南低涡非对称结构，左侧风小，右侧风大，但系统深厚，西移过程中发展并在防城港沿海一带形成明显的气旋性拐点；④低空急流带随着低涡西移而向西移动，强降水出现在低涡右侧和低空急流左侧的重叠区域；⑤垂直方向上的螺旋度在强降水产生期间和产生后量级相差10-3hPa·s-2，在强降雨预报中有很好的指示作用。

大暴雨；华南低涡；副高边缘；低空急流；螺旋度

1　引言

低涡是影响华南地区较为强烈的暴雨系统，其造成的强降雨常常可引起山洪爆发、滑坡、泥石流等自然灾害，给国民经济和人民生命财产造成巨大损失。影响华南地区的低涡主要分为两类，一类是西南低涡，一类是华南低涡。对于西南低涡，很多专家和学者进行了较为全面的深入研究。顾欣等[1]通过对西南低涡与黔东南州强降水的关系分析得出西南低涡是西南地区低值系统中最活跃的系统，它的加强、发展、移动，常产生强降水天气。彭本贤等[2]指出，汛期华南西部发生大暴雨，尤其是特大暴雨，大多数也与西南低涡有关。还有很多学者[3-5]对西南低涡影响下产生暴雨的环流形势以及水汽通量、散度、螺旋度等物理量方面进行了全面研究。对于华南低涡，韦统建等[6]在对有、无暴雨的华南低涡的流场与降水分布进行了对比分析，并提出了华南低涡的流场结构特征和暴雨分布形式。王海东等[7]则指出华南低涡在沿海和内陆地区的水汽输送源地有差异；来自西太平洋的偏东气流在沿海地区对华南低涡暴雨有增幅作用。分析大量文献发现，相比西南低涡，对华南低涡研究较少，而且很少有对华南低涡造成暴雨的环流形势、物理量等方面进行分析。因此很有必要对华南低涡进行深入研究。

本次暴雨过程就是副高西伸引导华南低涡西移造成了防城港沿海地区出现一次大范围暴雨过程。由于华南低涡前期降水较弱，从省台至市台预报其西移影响时降水不会太强，结果造成暴雨的漏报。通过分析本次过程的环流形势、影响系统和具有代表性特征的物理量等资料，找出其出现强降雨的本质原因，为下次预报提供基础。

2　暴雨过程实况

2015年9月3日，防城港市沿海地区普遍出现了暴雨，局部大暴雨，沿海地区42个自动站中雨量超过200 mm有3站，100～200 mm有16站，50～100 mm有16站，其中江平镇、城北社区和那梭镇单日雨量均超过200 mm。防城港沿海中部地区出现大暴雨，强降水主要出现在9月2日晚—3日早上，其中暴雨中心江平镇1 h雨量达到了51.9 mm。

3　环流形势特征

3.1低涡触发副高边缘不稳定能量释放

500 hPa 9月1日高纬度地区大气环流呈两槽一脊的环流形势，弱低涡环流还在桂东南地区，随着副高西伸，低涡环流逐渐西移南落；2日20时(图1a)，副高进一步西伸北抬，防城港正好处于副高边缘，脊点位于25°N、106°E附近，脊点下方附近存在低涡，非常有利于触发副高边缘不稳定能量，同时副高与低涡之间由于气压差使得低涡右侧偏南气流明显加大，有利于水汽辐合和不稳定能量源源不断往防城港上空输送。3日02时(图1b)，副高控制华南地区，低涡西移南落到北部湾，但588线却形成闭合将低涡包裹，这种形势非常少见，少见之处在于588线范围内一般是高压系统，而现在却是一个低涡，查找大量文献表明，这种形势配置仍未有专家或学者深入研究；分析防城港附近的北海探空站T-logp图(图略)可以看到，9月2日02时北海探空站cape值为1 017.25 J/kg，而到3日08时北海探空站cape值增大到2 282.0 J/kg，说明暴雨期间有源源不断的能量往防城港上空输送；自动气象站资料显示，1 h雨强最大值出现的时间在3日03时，1 h雨强达到了51.9 mm，表明副高边缘巨大的不稳定能量得到释放。3日08时，副高仍控制华南，低涡继续西移到越南北部，防城港仍受西南与东北辐合气流影响，有利于抬升运动，但已经不处于副高边缘，降雨强度呈减弱趋势；3日14时，低涡已经西移到越南中部地区，防城港转为一致偏南气流控制，3日20时北海探空站cape值已经减弱到1 259.5 J/kg，降雨强度缓慢趋于结束。

可见，副高西伸北抬过程中，华南低涡右侧辐合上升气流触发副高边缘巨大的不稳定能量释放，为暴雨的发生发展提供了强大的动力和能量条件。

图1　2015年9月2日20时(a)和9月3日02时(b)500 hPa位势高度(单位:dagpm)和风场图(单位:m/s)(*为防城港市)Fig.1　The superposition chart of potential height(unit: dagpm)and wind field (unit: m/s)at 500 hPa at 20∶00 ,September 2,2015(a) and at 2∶00 ,September 3,2015(b).(The"*"is the location of Fangchenggang.)

3.2低涡系统深厚

刘国忠等[8]研究指出，在移动过程中维持和发展的低涡，才会带来大范围的致洪暴雨。

分析925～500 hPa的环流形势(图2)，可以明显看到这次华南低涡有个特点，就是低涡左侧风速较小，右侧气流逐渐加大，并不对称，较为少见，没有经验的预报员有可能觉得这样的低涡强度偏弱，造成降水也偏弱。但仔细再分析可以看到，暴雨期间整个中低层一直存在低涡系统，说明低涡系统并不弱，较为深厚，而且随着副高西伸，低涡与副高之间风速明显加大，使得低涡右侧气流达到了急流12 m/s左右的强度，有学者认为低涡东南侧的西南急流的加强，引起低层强辐合是低涡得以发展和维持的重要原因，为暴雨的发生提供了动力条件和水汽输送[9-11]，也就是说在这次低涡西移的过程中，华南低涡是发展加强的。此外，这支低涡右侧气流到达广西南部时在防城港一带形成明显的气旋性拐点，气流辐合强，负散度小，正涡度大，有利于大量的水汽汇集到沿海地区，为防城港大范围强降雨的产生提供重要的动力抬升作用。实况降水资料表明，华南低涡在桂东南地区时，降水不大，以中雨降水为主；当其西移发展经过西南地区时，大部地区出现暴雨，降水明显增大；而且低涡东南象限就是强降雨落区，防城港正好位于东南象限内。

华南低涡非对称结构，左侧风小，右侧风大，低涡右侧气流到达广西南部时在防城港一带形成明显的气旋性拐点；并且系统深厚，西移过程中发展，为防城港大范围强降雨的产生提供重要的动力抬升作用。

3.3防城港位于低涡右侧和低空急流左侧重叠区域

许多学者认为[12-13]：低空急流对于暴雨的形成，一方面起着输送水汽和能量的作用，另一方面又有助于维持必要的动力学条件。

9月3日02时(图3a)，在华南低涡的右侧，925 hPa出现一支12 m/s左右的东南低空急流带，它从南海经过海南，再穿过北部湾海面，到达桂南沿海地区；并且低空急流带随着低涡西移而向西移动；3日08时(图3b)，850 hPa偏南急流带已经移到防城港上空，防城港处于低空急流的左侧。有研究指出，低空急流左侧是正涡度、层结不稳定和辐合对应的上升运动区。此次过程低空急流处于低涡右侧，而低涡右侧往往又是水汽供应和辐合抬升集中区域，防城港恰恰位于两者重叠区域内，显然这种形势配置非常有利于强降雨的发展发生。

图2　2015年9月3日08时925 hPa(a)风场(单位:m/s)和700 hPa(b)风场(单位:m/s)(*为防城港市)Fig.2　Wind field (unit: m/s) at 925 hPa(a) and at 700 hPa(b) at 8∶00 ,September 3,2015.(The"*"is the location of Fangchenggang.)

图3　2015年9月3日02时(a)925 hPa风场(单位:m/s)和9月3日08时(b)850 hPa 风场(单位:m/s)(*为防城港市；↑为急流)Fig.3　Wind field (unit: m/s) at 925 hPa at 2∶00 ,September 3,2015(a)and at 850 hPa at 8∶00,September 3,2015(b). (The"*"is the location of Fangchenggang; The"↑"is low-level jet.)

3.4南北向等压线

地面形势可以看到，原位于广西东南部和广东西南部的弱低压逐渐西移，2日低压中心在桂西南地区，防城港刚好位于中心附近，降水不大；当其西移南落到越南北部时，防城港正处于其右侧，同时在广西有明显的南北向等压线生成，并一直维持到3日20时。有研究指出[14]，地面形成南北向等压线有利于南北热量交换，形成不稳定能量，对降雨有增幅作用。

4　理量场特征

4.1水汽通量分析

2015年9月3日02时(图4a)，925 hPa水汽通量大值区位于海南以东的南海上，强度达到了18 g·s-1· hPa-1·cm-1，大值区呈东南-西北走向，其走向与华南低涡右侧的流场方向基本一致；还可以看到一条“湿舌”从南海经过雷州半岛到达桂东南地区，此时防城港市水汽通量散度较弱，小值只有6 g·s-1· hPa-1·cm-1，水汽通量等值线密集带正好就在防城港市范围内，自动站监测资料表明，9月2日20时—3日02时防城港已经有2个自动气象观测站出现大暴雨，5个自动气象观测站出现暴雨；3日08时水汽通量中心分为两支，一支略微向东移动，一支向西移动到北部湾海面，强度仍然维持，形成的两条“湿舌”均指向广西沿海地区，表明有源源不断水汽从南海和北部湾输送到防城港上空，防城港仍位于水汽通量等值线密集带内，此时降雨强度维持，这也证明强降水的落区不是水汽通量最大值中心区域，而是水汽通量梯度较大区域附近[7]；3日14时(图4b)以后水汽通量中心大值区在防城港市上空，强度为14 g·s-1· hPa-1·cm-1，水汽通量梯度大的地方位于越南北部，强降水落区也西移，防城港市强降水也趋于减弱。

图4　2015年9月3日02时(a)和3日14时(b)925 hPa水汽通量(单位: g·s-1· hPa-1·cm-1)(*为防城港市)Fig.4　The water vapor flux(unit: g·s-1· hPa-1·cm-1) at 925 hPa at 2∶00 ,September 3,2015(a) and at 14∶00,September 3,2015(b).(The"*"is the location of Fangchenggang.)

4.2水汽通量散度垂直剖面分析

如果没有水汽辐合集结，将难以形成持续性的强降水。沿107°E作暴雨期间水汽通量散度垂直剖面图，发现2015年9月2日20时(图5a)，在20～21°N间，900 hPa以下有水汽通量散度负值中心区，强度达到-40×10-6g·s-1·hPa-1·cm-2,并且700 hPa以下都有水汽辐合存在，表明暴雨前期防城港中低层水汽充沛；3日08时(图5b)，在20～21°N间，水汽通量散度负值中心仍在900 hPa以下，但水汽辐合层结上升到了500 hPa，表明华南低涡西移过程中发展，湿层随之上升；3日14时以后，700 hPa以下都转为正的水汽通量散度，只有500 hPa仍有弱的水汽辐合，此时降水也趋于减弱。可见，低层的水汽通量散度较好地反映这次过程的水汽辐合程度，暴雨期间水汽辐合层结随着华南低涡西移发展而增大，湿层厚，有利于强降水发生。

4.3垂直速度垂直剖面分析

沿华南低涡移动方向(21°N，自东向西)作垂直速度剖面图，2015年9月2日20时，在107～109°E之间，垂直上升运动深厚，达到了100 hPa以上，但数值较弱，中心只有-4×10-3hPa·s-1；3日02时(图6a)，107°～109°E之间，600 hPa以上上升运动加强，600 hPa以下减弱，并且在111°E附近出现一个强度-10×10-3hPa·s-1上升运动中心；3日08时(图6b)，随着华南低涡西移，上升运动中心西移至107°E附近，强度高达-38×10-3hPa·s-1，中心在700 hPa，达到了桂南大暴雨上升运动10-2hPa·s-1这个量级；3日14时，600～800 hPa已经为下沉气流控制，系统进一步减弱破坏。以上分析表明，华南低涡西移时，强度是发展加强的，系统较为深厚。

4.4垂直螺旋度分析

螺旋度是一个描述环境风场气流沿运动方向的旋转程度和运动强弱的物理参数，它反映了大气的运动场特征，能够很好地描述大气运动的性质和特点[15]。在 P坐标系中展开后,垂直方向上的螺旋度计算方法为：

图5　2015年9月2日20时(a)和3日08时(b)水汽通量散度沿107°E垂直剖面图(单位：g·s-1·hPa-1·cm-2)Fig.5　The vertical cross-section of water vapor flux divergence along 107°E at 20∶00 ,September 2,2015(a) and at 8∶00,September 3,2015. (unit: g·s-1·hPa-1·cm-2)

图6　2015年9月3日02时(a)和3日08时(b)垂直速度沿21°N垂直剖面图(单位：hPa·s-1)Fig.6　The vertical cross-section of vertical velocity along 21°N at 02∶00 ,September 3,2015(a) and at 8∶00,September 3,2015. (unit: hPa·s-1)

Hp= -ξ×w

式中ξ表示涡度，w表示垂直速度，Hp表示垂直螺旋度，单位为：10-6Pa·s-2。

沿华南低涡移动方向(21°N，自东向西)做垂直螺旋度剖面图，9月2日20时(图7a)，107～109°E之间，300 hPa以下有一个强度为20×10-6hPa·s-2正垂直螺旋中心，300 hPa以上位于-15×10-6hPa·s-2负垂直螺旋中心，此时防城港市强降水还未开始。随着副高西伸引导低涡西移，3日02时，正垂直螺旋中心在500 hPa，并加强到-50×10-6hPa·s-2。3日08时(图7b)，垂直螺旋中心在600 hPa附近，但强度已经高达160×10-6hPa·s-2，较强降雨前期相差10-3hPa·s-2左右；自动气象站资料统计显示，3日02时—08时这个时段共出现6站大暴雨，18站暴雨，其中防城那梭镇9月3日03时降雨量最强达到了59.5 mm，这表明防城港此时段降雨范围均在加大，降雨强度最强；3日14时，原正垂直螺旋中心变为负垂直螺旋，强度为-10×10-6hPa·s-2，雨量资料显示，此时降水主要以小雨为主。

图7　2015年9月2日20时(a)和3日08时(b)螺旋度沿21°N垂直剖面图(单位：10-6 Pa·s-2)Fig.7　The vertical cross-section of helicity along 21°N at 20∶00 ,September 2,2015(a) and at 8∶00,September 3,2015(b).(unit: 10-6 Pa·s-2)

以上分析表明，垂直方向上的螺旋度在强降水产生期间和产生后量级相差很大，在10-3hPa·s-2左右，这在以后的强降雨预报中有很好的指示作用。

5　小结

①副高西伸北抬过程中，华南低涡右侧辐合上升气流触发副高边缘巨大的不稳定能量释放，为暴雨的发生发展提供了强大的动力和能量条件。

②华南低涡非对称结构，左侧风小，右侧风大，低涡右侧气流到达广西南部时在防城港一带形成明显的气旋性拐点；并且系统深厚，西移过程中发展，为防城港形成大范围强降雨的产生提供重要的动力抬升作用，有利于增加降雨强度。

③低空急流处于低涡的右侧，而低涡右侧往往又是水汽供应和辐合抬升集中区域，这种形势配置非常有利于强降雨的发生；低空急流带随着低涡西移而向西移动，强降水出现在低涡的右侧和低空急流的左侧。

④水汽主要来源地有2个：南海和北部湾；水汽通量梯度较大区域附近往往是强降水中心，也对应水汽通量散度中心。

⑤暴雨期间，垂直上升运动随着低涡西移而加强，中心强度达到了桂南大暴雨上升运动10-2hPa·s-1量级，为强降雨提供强大的动力。

⑥垂直方向上的螺旋度在强降水产生期间和产生后量级相差很大，在10-3hPa·s-2左右，在强降雨预报中有很好的指示作用。

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Diagnostic Analysis of a Heavy Rainstorm Initiated by the Vortex of South China Moved Westward in Fangchenggang

CHEN Shaohe,HUANG Ying

(Guangxi Fangchenggang Meteorological Bureau, Fangchenggang 538001, China)

Based on the conventional meteorological data and 1°×1°NCEP 6 hour reanalysis data, using synoptic diagnosis method，the reasons of a heavy rainstorm caused by the vortex of South China were diagnosed from the atmospheric circulation situation，physics diagnostic field in Guangxi Fangchanggang in September 3, 2015. The conclusions are as follows:①Large scale rainstorm caused directly by the westward extension of subtropical high which guided the vortex of South China to the west; ②Convergence and upward air current on the right side of the vortex Induced instability energy on the edge of subtropical high to release what can increase rainfall intensity;③The vortex of South China had unsymmertrical structure, small wind speed on left side and high wind speed on right side. The vortex of South China developed in the Western-moving Process and it produced obvious inflection point in Guangxi Fangchanggang.④The belt of low level jet moved westward along with the vortex of South China which moved westward. Heavy precipitation occurred in overlapping area of the right side of the vortex and the left hand side of the low-level jet.⑤The order of magnitude of vertical helicity during and after the strong precipitation differed 10-3hPa·s-2,what is a good indicator in rainstorm forecast.

heavy rainstorm; vortex of South China; edge of subtropical high; low-level jet; helicity

1003-6598(2016)03-0043-06

2015-12-11

陈绍河(1986-)，男，工程师，主要从事短期天气预报及气候分析工作,E-mail:csh2005nuist@163.com。

P458.1+21.1

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