孟加拉湾风暴“罗纳”对我国华南地区强降水的影响

柳龙生，许映龙

(国家气象中心，北京 100081)

引 言

孟加拉湾作为热带季风活跃区和热带风暴频发区，是我国重要的水汽源区。5月是孟加拉湾风暴活动的高峰期[1-3]，也是孟加拉湾季风爆发时期[4]，活跃的赤道辐合带及扩增的南亚高压为孟加拉湾风暴的生成和发展提供良好的高、低空条件，水平风切变产生的正压不稳定为风暴的生成和发展提供能量[5-6]。孟加拉湾风暴对我国的影响主要表现为降水，影响区主要在西藏、云贵高原和西南地区[7-9]。孟加拉湾风暴通常与副热带西风急流或南支槽相结合，低空辐合上升的水汽通过副热带西风急流向我国低纬高原和西南地区输送，进一步增大了大气的不稳定度，在适当的高低空系统配合下或冷空气南下时，致使大气斜压性增强，触发不稳定能量的释放，形成强雨雪天气。

我国华南地区紧邻南海和西北太平洋，与孟加拉湾相距上千公里，未受到孟加拉湾风暴直接影响。5月孟加拉湾季风和南海季风爆发后[10]，我国华南地区5—6月的降水主要受夏季风系统影响[11-14]，季风槽和副高脊线控制着华南雨带的分布[15-18]。此外，大气低频振荡对华南地区的强降水具有一定调制作用[19]，华南地区强降水发生期间低层大气环流异常并伴有气旋生成[20-21]。2016年5月18日(世界时，下同)生成的1号孟加拉湾风暴“罗纳”(ROANU) 沿着斯里兰卡东部沿岸缓慢北上，于21日在孟加拉国吉大港(Chittagong)登陆，受该风暴外围云系影响，斯里兰卡和孟加拉国发生严重洪涝灾害，分别造成201、26人死亡，直接经济损失近20亿美元。与此同时，5月19—21日，我国江南、华南及江淮等地出现明显降雨过程，此次降水过程累计雨量大，广西中东部和南部、广东等部分地区累计雨量达100～200 mm，广东信宜、阳江、深圳和广西北流等局地超过300 mm，其中广东信宜局地最大雨强达133 mm·h-1(20日03:00—04:00)，20日日雨量达455 mm，均破当地有气象观测记录以来极值。受此次强降水过程影响，广东、广西等地受灾严重，死亡11人，失踪4人，直接经济损失约14亿元人民币。5月是我国华南地区强降水多发期，也是孟加拉湾风暴活跃期，孟加拉湾风暴对我国降水影响主要发生在西藏、云贵高原和西南地区，而华南地区强降水是否与之关联？为此，本文针对此次极端强降水过程进行诊断分析，这对未来华南地区同时期降水预报具有重要的参考意义。

1 资料和方法

所用资料包括NCEP/NCAR FNL逐6 h再分析环流场资料(空间分辨率为1°×1°)、FY-2G卫星云顶亮温(TBB)逐时资料(空间分辨率为0.1°×0.1°)，以及基于中国自动站观测降水量和CMORPH(CPC MORPHing technique)卫星反演降水资料，采用PDF(probability density function)和OI(optimal interpolation)两步融合方法生成的中国区域逐时降水量融合产品(空间分辨率为0.1°×0.1°)[22-23]。水汽源地分析采用NOAA空气资源实验室开发的拉格朗日轨迹模式HYSPLIT v4.9。

2 “罗纳”活动期间降水概况

孟加拉湾风暴“罗纳”(ROANU)生成后逐渐向北偏东方向移动，2016年5月19日00:00—12:00，湖南和江西等省850 hPa上有气旋性涡旋活动，在低层辐合抬升作用下出现局地强降水，12 h累计降水量超过100 mm[图1(a)]；19日12:00至20日00:00，随着低涡系统的南压和发展加深，孟加拉湾风暴在高空槽牵引下进一步北上，雨带逐渐东移南压，广东北部和广西北部开始出现强降水，局地12 h累计降水量超过100 mm[图1(b)]；20日00:00—12:00，在两广北部和南部各有一条雨带，南部雨带局地降水量超过300mm[图1(c)]，发展加深的低涡系统伴随孟加拉湾风暴带来的强水汽输送，给华南地区降水持续不断地提供水汽输送和动力抬升作用；20日12:00至21日00:00，低涡系统移至广东中部，伴随南海季风的共同作用，广东南部出现一条较强雨带，局地12 h累计降水量超过250 mm[图1(d)]。由此可见，在孟加拉湾风暴“罗纳”北上活动期间，华南地区出现不同程度的强降水过程，雨带自北向南呈带状分布[图1(e)]，孟加拉湾风暴是否对华南地区暴雨有一定的促进作用？下文将通过对动力和热力因子的分析进行初步探讨。

图1 2016年5月19日00:00至21日00:00不同时段华南地区累计降水量分布(单位:mm)(a)19日00:00—12:00，(b) 19日12:00至20日00:00，(c)20日00:00—12:00，(d)20日12:00至21日00:00，(e)19日00:00至21日00:00( 为孟加拉湾风暴“罗纳”的移动路径，下同)Fig.1 The distribution of cumulative precipitation in different stages from 00:00 UTC 19 to 00:00 UTC 21 May 2016 in South China (Unit: mm)(a) from 00:00 UTC to 12:00 UTC 19 May, (b) from 12:00 UTC 19 to 00:00 UTC 20 May, (c) from 00:00 UTC to 12:00 UTC 20 May, (d) from 12:00 UTC 20 to 00:00 UTC 21 May, (e) from 00:00 UTC 19 to 00:00 UTC 21 May (The symbols for the moving track of ‘ROANU’ storm over the Bengal Bay, the same as below)

3 环流背景特征

3.1 500 hPa环流场

图2是2016年5月19—21日“罗纳”风暴活动期间500 hPa高度场和水平风场分布。可以看出，19日12:00[图2(a)]，“罗纳”在500 hPa高空槽和副热带高压牵引下向北偏东方向移动，此时云贵高原上空有高空槽活动，并东移发展加深；20日00:00[图2(b)]，华南地区处于孟加拉湾高空槽前，槽前不断有正涡度平流向华南地区输送，华南地区高空槽在500 hPa出现闭合等值线；20日12:00[图2(c)]，随着“罗纳”不断东移北上，华南地区高空槽进一步加深，且移动缓慢，这为强对流的发生提供了有利的环流背景[24]；21日00:00[图2(d)]，华南地区处于高空槽后，降水强度开始逐渐减弱。

3.2 高低空系统配置

从高低空系统配置来看，19日12:00[图3(a)]，200 hPa上高空急流轴位于28°N附近，中心风速达52 m·s-1，在广西北部存在弱辐散区，高空西风急流出口区北侧为强辐散区[25]，在强风速切变和水平切变作用下850 hPa上出现气旋性涡旋。当急流轴呈现西北—东南向倾斜时，其出口区南侧表现为辐散区，有利于强降水的发生[26]。20日00:00[图3(b)]，随着高空急流的逐步南压，其强度略有减弱，中心风速为48 m·s-1，华南地区位于急流轴下方，高层强辐散促使低层涡旋进一步发展加强，在110°E、25°N和113°E、26°N附近分裂出两个气旋性环流，并呈现东北—西南向分布，这种高层辐散、低层辐合的配置有利于上升运动的加强[27]。20日12:00[图3(c)]，高空急流自北向南侵入华南地区，位于广西北部的涡旋也向东南方向移至广西东部，与此同时，“罗纳”风暴的一支西南低空急流将水汽和热量向华南地区输送，使得华南地区低层对流不稳定度加大，上升运动和凝结潜热释放加强，为暴雨发生提供有利条件。21日00:00[图3(d)]，高空急流强度进一步减弱，中心风速降至44 m·s-1，广西北部的涡旋持续东移，对华南的影响逐渐减弱。

图3 2016年5月19日12:00(a)、20日00:00(b)、20日12:00(c)和21日00:00(d)200 hPa急流(红色虚线)和850 hPa风场(矢量)分布(单位：m·s-1)(红色虚线为200 hPa上大于30 m·s-1的风速；阴影区为200 hPa上大于2×10-5 s-1的辐散区)Fig.3 The distribution of 200 hPa jet stream (red dotted lines) and 850 hPa wind field (vectors) at 12:00 UTC 19 (a), 00:00 UTC 20 (b), 12:00 UTC 20 (c) and 00:00 UTC 21 (d) May 2016 (Unit: m·s-1)(The red dotted lines for the wind speed more than 30 m·s-1 on 200 hPa, the shaded area for divergence more than 2×10-5 s-1 on 200 hPa)

3.3 TBB特征

研究表明，TBB大值区与强降水落区有较好的对应关系[28]。从TBB的时间演变(图4)来看，19日12:00，广西东北部出现线状的MCS(中尺度对流系统)，18:00该MCS东移并进一步发展，范围扩至广西中东部和广东中西部地区。20日00:00，广西东南部和广东西部地区对流再次发展加强，局地云顶亮温低于-70 ℃，此时降水开始增强；03:00，对流持续发展加强，并逐渐向东南方向移动，北部湾北部海域局地出现强对流云团，云顶亮温低于-80 ℃，广东信宜03:00—04:00的133 mm强降水可能与强对流云团的加强密切相关；06:00，MCS进一步东移南压且呈现带状分布，广东东部和南部地区局地云顶亮温低于-70 ℃，强对流过程维持；09:00，MCS基本移出华南地区，降水开始逐渐减弱。结合图1看出，TBB大值区与主雨带分布有较好的对应关系。

图4 2016年5月19—20日FY-2G卫星TBB的演变 (单位:℃)(a)19日12:00, (b)19日18:00, (c)20日00:00, (d)20日03:00, (e)20日06:00, (f)20日09:00Fig.4 The evolution of TBB from FY-2G satellite from 19 to 20 May 2016 (Unit: ℃) (a) 12:00 UTC 19, (b) 18:00 UTC 19, (c) 00:00 UTC 20, (d) 03:00 UTC 20,(e) 06:00 UTC 20, (f) 09:00 UTC 20

4 水汽输送特征

暴雨的发生需要源源不断的水汽输送[29]。为了更好地描述暴雨发生期间的水汽来源，选取广东信宜(22.1°N、111°E)为强降水代表站点，分别以500、1500和3000 m为初始高度，采用HYSPLIT模式对20日00:00和12:00该点水汽粒子进行72 h后向轨迹追踪。从图5看出，19日12:00[图5(a)]，来自孟加拉湾和南海的水汽在华南上空汇合，广西北部有一条显著的水汽辐合带，大值中心的散度达-7×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1。20日00:00[图5(b)]，随着孟加拉湾风暴的东移，其向我国华南地区的水汽输送更为显著，在广西东部地区水汽辐合中心的散度达-10×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，华南地区低层涡旋形成的辐合促使水汽进一步聚集，这是该地区降水增幅的重要原因。高温高湿的水汽进一步使华南地区的大气不稳定度增大，在高层辐散抽吸作用下，对流不稳定能量释放，触发强降水的发生。另外还发现，孟加拉湾水汽输送是3000 m(700 hPa)高度上主要的水汽来源，1500 m(850 hPa)上以越中南半岛的西南季风带来的水汽输送为主，而500 m(925 hPa)上有一支来自西北太平洋的重要水汽通道，这可能与副热带高压南侧的东风急流有关。20日12:00[图5(c)]，在广东北部依然有一显著的辐合中心，水汽通量散度为-6×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，孟加拉湾风暴南侧的西南风穿过中南半岛以后北上进入华南地区，形成一条稳定的水汽输送带。随着孟加拉湾风暴“罗纳”的东进及副热带高压的东退，3000 m和1500 m高度的水汽通道依然来源于孟加拉湾，显然华南地区暴雨的持续与“罗纳”的水汽输送密切相关；500 m高度上以来自南海的偏南气流为主，这主要是孟加拉湾的西南风在南海与副热带高压南侧的东南风汇合后形成的一支强偏南气流向华南地区输送。21日00:00[图5(d)]，随着低层系统进一步东移南压，广东东部依旧为一水汽辐合中心。综上可见，在华南地区强降水期间，来自孟加拉湾-中南半岛-南海的西南风源源不断地向华南地区输送水汽，其中孟加拉湾风暴“罗纳”带来的暖湿空气是华南地区暴雨持续的重要原因。

5 强降水的动力因子

在稳定层结大气中，低层辐合导致的整层大气上升运动往往形成层状云降水，其降水强度一般在10 mm·h-1以下，而超过20 mm·h-1的降水一般认为是对流性降水[27]。本次强降水过程中，广东信宜局地最大雨强达133 mm·h-1，是一次较强的对流性降水过程。对流性降水一般发生在绝对或条件性不稳定环境中，常用对流有效位能(CAPE)和对流抑制能量(CIN)来衡量。CAPE是气块在自由对流高度和平衡高度之间受环境浮力累积做的功，是一种潜在能量，该能量是否真正转化为气块的动能取决于气块在自由对流高度是否具备向上的初速度，低层的辐合抬升可以使气块在到达自由对流高度时获得初速度。从广东信宜站20日00:00的T-lnP图(图6)看出，抬升指数LI小于0，大气处于条件不稳定[30]，800 hPa以下风随高度顺时针旋转，有暖平流输送；由于孟加拉湾风暴“罗纳”持续不断地输送水汽，500 hPa以上大气层结饱和湿度达到最大，尽管最低层局部有弱对流抑制(CIN=5 J·kg-1)，但当温暖湿润的气块到达抬升凝结高度(LCL)以上后获得了大量的CAPE(1178 J· kg-1)[31]，从而触发深对流过程的发展。

位涡(potential vorticity，PV)是反映大气热力、动力性质的一个综合物理量，在绝热、斜压、无粘性的大气中沿着气块的运动方向具有守恒性，它不仅有效描述气块的轨迹，还能揭示大气运动的动力学性质，因此等熵面上位涡ζp和水平流场分布特征对暴雨落区和强度具有指示作用。从315 K(700～600 hPa)等熵面上位涡、涡度和风场来看，19日18:00[图7(a)]，孟加拉湾风暴“罗纳”对应的气旋性环流ζp中心值达2.4 PVU，同时也是涡度大值区，正涡度达24×10-5s-1，在其北侧副热带西风急流作用下，低层有正涡度向华南地区输送，并伴随正ζp平流。20日00:00[图7(b)]，在110°E、25°N和113°E、26°N附近出现两个气旋性低涡，ζp强度为1.2 PVU，中心涡度为8×10-5s-1，华南地区降水开始增加；06:00[图7(c)]，孟加拉湾风暴进一步加强，ζp中心值增至2.8 PVU，同时向华南地区输送的正ζp平流也增强，强度增至1.4 PVU，中心涡度增为10×10-5s-1，且两个涡耦合为一涡，低层气旋式涡度的增强和高空急流的辐散抽吸，致使暴雨区辐合上升运动更为强烈；12:00[图7(d)]，低涡中心东移，雨带也随之向东发展。由此可见，孟加拉湾风暴“罗纳”通过向华南地区输送正ζp平流，在高空急流的耦合作用下，低层有气旋性涡旋生成，低层气旋性涡度的增大配合高层辐散抽吸作用，促进华南地区气旋性辐合上升运动，为强降水的发生提供动力条件。

图6 广东信宜探空站2016年5月20日00:00的T-ln P图Fig.6 The T-lnP diagram at 00:00 UTC 20 May 2016 at Xinyi radiosonde station of Guangdong Province

图7 2016年5月19—20日不同时刻315 K等熵面上位涡(阴影，单位:PVU) 、涡度(等值线，单位:10-5 s-1)和风场(矢量，单位：m·s-1)分布(a)19日18:00，(b)20日00:00，(c)20日06:00，(d)20日12:00Fig.7 The distribution of potential vorticity (shadows, Unit: PVU), vorticity (contours, Unit: 10-5 s-1) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 315 K isentropic surface at different times from 19 to 20 May 2016(a) 18:00 UTC 19, (b) 00:00 UTC 20, (c) 06:00 UTC 20, (d) 12:00 UTC 20

图8是过强降水站点信宜(22.1°N、111°E)的MPV2和MPV1高度-时间剖面。可以看出，19日12:00开始，广东信宜900 hPa以下MPV2>0、MPV1<0，在低空急流作用下水平风的垂直切变增大，且暖湿气流使得低层大气不稳定度开始建立，而900～800 hPa之间MPV2<0、MPV1>0，大气斜压性开始增强，这种湿位涡的正负叠加形式有利于垂直涡度的增大；20日00:00—12:00，800 hPa以下同样呈现湿位涡正负叠加分布；20日12:00至21日00:00，900 hPa以下MPV2<0、MPV1>0，降水释放潜热，使得低层大气逐渐趋于稳定，而900～800 hPa之间MPV2>0、MPV1<0，对流不稳定层结显著，说明孟加拉湾风暴“罗纳”外围云团给强降水区带来水汽输送，同时高温高湿的大气进一步加剧降水区的层结不稳定性，积累了不稳定能量。

图8 过广东信宜站MPV2(彩色阴影)和MPV1(等值线)的高度-时间剖面(单位:PVU)Fig.8 The height-time section of MPV2 (color shadows) and MPV1 (contours) along heavy precipitation point at Xinyi station of Guangdong Province (Unit: PVU)

6 结 论

(1)孟加拉湾风暴“罗纳”通过偏南低空急流向华南地区输送不稳定的暖湿空气，同时在高低空急流的耦合作用下激发局地MCS发展，促使降水增幅。

(2)20日华南地区处于孟加拉湾高空槽前，槽前不断有正涡度平流向华南地区上空输送，使得华南地区高空槽进一步加深且移动缓慢，为暴雨发生提供重要的大尺度环境背景。

(3)暴雨发生前期水汽输送主要来源于孟加拉湾风暴，随着副热带高压的东退，其引导的东南气流是华南暴雨区的另一个重要水汽通道。

(4)在孟加拉湾风暴“罗纳”东移过程中，315 K等熵面上正位涡平流东传显著，在高空急流耦合作用下华南地区低层出现气旋性涡旋，为暴雨的发生发展提供了动力条件。

5月，华南地区暴雨受多尺度天气系统影响，而此次北上的孟加拉湾风暴“罗纳”对华南地区动力和热力方面的影响代表性有限，这种影响是否具有普适性还需在今后的工作中寻找相似个例进行更为细致的探讨。