河源市秋季锋面暴雨的概念模型和物理量分析

段海花，单雪珂，肖建军

（河源市气象局，广东河源 517000）

华南暴雨一直是气象工作者关注的重点，如黄士松等［1］1977—1982年的华南前汛期暴雨试验验证了华南暴雨具有明显的暖区暴雨特点；王立琨 等［2］、孙 建 华 等［3］、倪 允 琪 等［4］、蒙 伟 光等［5］通过5年的攻关，在华南致洪暴雨的机理、监测与预测理论和方法研究上取得了一系列重要成果；李真光等［6］的统计分析指出92.5%的华南前汛期暴雨过程与南下冷空气活动有关；林爱兰等［7］的研究发现广东前汛期持续性暴雨过程的主要水汽来源随月份发生变化，持续性暴雨是各类中高纬度环流的稳定维持与来源于热带的水汽输送共同作用的结果；谢炯光等［8］针对广东省前汛期连续暴雨过程的气候背景及中期环流特征进行了分析，归纳、总结出两类造成连续暴雨过程的中期环流概念模型，并利用数值预报产品进行动力-统计释用，做出有无连续暴雨过程的中期趋势预报。

迄今为止，广东暴雨的研究多侧重于汛期暴雨［1-10］，对秋季暴雨的研究较少，陈炳洪等［11］、蔡蕊等［12］、李彩玲等［13］、郑清等［14］从个例的角度探讨了广东秋季暴雨形成的环流背景和物理机制，发现秋季暴雨的发生、维持和消失与冷空的侵入、副高脊的进退以及南海低值系统密切相关，强烈的垂直上升运动和持续的水汽输送为暴雨的发生和维持提供有利条件。但是，系统地分析秋季暴雨的大尺度环流背景和天气系统方面的研究还很少。本研究通过分析1964—2013年河源市秋季锋面暴雨的环流背景，总结和归纳出其概念模型，同时对出现个例较多的类型进行水汽通量、水汽通量散度、散度、垂直速度、假相当位温等物理量的诊断分析，从而提高对秋季暴雨的认识，为今后的预报提供参考。

1 资料和统计结果

本研究选取1964—2013年9—11月为统计分析时间段，使用的资料有：（1）河源市5个国家气象观测站（东源、连平、和平、龙川、紫金）日降水量资料；（2）NCEP／NCAR逐日4次2.5°×2.5°再分析资料。

定义24 h雨量（20：00—20：00（北京时，下同））≥25 mm为大雨、≥50 mm为暴雨。河源市5个国家气象观测站中有2个及以上站点同时出现暴雨或有3个及以上站点同时出现大雨及以上量级降水，且其中有1个站点出现暴雨即定义河源市1个暴雨日。根据河源市暴雨日的定义，统计出1964—2013年河源市9—11月典型锋面暴雨共有10例（表略）。

2 锋面暴雨的概念模型

利用NCEP／NCAR的2.5°×2.5°再分析资料对河源市10例秋季锋面暴雨的影响系统进行分析，得出5种类型的概念模型（图1）：丁字槽型、南北槽型、阶梯槽型、蒙古低槽型和纬向多波动型。其中，南北槽型有4例，丁字槽和阶梯槽型各有2例，蒙古低槽型和纬向多波动型各有1例。

图1 河源市秋季锋面暴雨概念模型

2.1 南北槽型

该型环流特点为200 hPa副热带高空急流轴线位于贵州东南部到华东北部沿海，呈西南-东北向，中心最大风速达58～62 m／s，粤北地区处于30 m／s的大风区内。500 hPa高纬地区乌拉尔山以东到堪察加半岛一带为低压带，中低纬在巴尔喀什湖附近为弱高压脊，短波槽自高原北部经高原下滑东移，高原南侧有明显南支槽活动；前期副热带高压完全控制广东，并随着高空槽东移而逐渐减弱东退，但主体位置偏北，在日本南部西北太平洋海面上形成高压脊，受其阻挡，高空槽东移的速度较为缓慢。850 hPa有切变线配合东移南压，其南侧存在西南气流与东南气流的辐合；地面前期西南低槽发展，广东处脊后槽前。此型在河源市的暴雨落区位于中部偏西和北部地区，均出现在11月。

2.2 丁字槽型

该型环流特点为200 hPa副热带高空急流轴位于长江流域，急流核中心最大风速达66～72 m／s，其中30 m／s的大风区最南到达粤北地区，南亚高压呈带状分布，中心（或其中一个中心）位于南海北部海南岛东侧附近。500 hPa中高纬为两槽一脊，巴尔喀什湖到贝加尔湖之间为高压脊，乌拉尔山附近和东亚地区有大槽，东亚槽尤为明显，槽线在105°E—110°E之间，槽底伸至25°N—30°N之间，低纬在滇桂交界有南支槽活动，二者构成“丁字槽”；副热带高压呈带状分布，在孟加拉湾、南海-西太平洋分别有一个断裂中心，南海北部588 dagpm等高线位于20°N—24°N之间；850 hPa有切变线配合东移南压，切变线南侧为6～12 m／s的西南风；地面前期西南低槽发展，并向华东到华北一带伸展，广东处弱低压槽区，冷空气经河套地区、两湖盆地从中路南下影响广东。此型在河源市的暴雨落区位于北部地区，均出现在10月下旬。

2.3 阶梯槽型

该型环流特点为200 hPa西风槽位置偏北，南亚高压控制中南半岛到孟加拉湾北部地区，华南处南亚高压东北侧的西北气流扇形辐散区。500 hPa前期乌拉尔山阻塞高压稳定，60°N附近横槽稳定少动，30°N附近西风环流平直，西太平洋副热带高压呈“带状”控制华南。随着阻塞高压崩溃，高纬度横槽下摆东移转竖，副热带高压东退南落，西风槽以阶梯形式东移。由于短波槽分裂引导冷空气南下，冷暖空气在广东上空相遇造成暴雨。850 hPa有切变线东移南压影响，广东处切变线南侧的东南风与西南风辐合区。前期地面西南低槽发展，并向河套地区伸展，广东处其南侧弱低压槽区；冷空气从中路偏西路径南下影响。此型在河源市的暴雨落区位于中部和北部地区，均出现在11月。

2.4 蒙古低槽型

该型环流特点为200 hPa南亚高压在高原南侧和南海到中南半岛一带各有一个中心，其北侧多西风小槽东移，强降水时段广东处西风槽前和南亚高压东北侧的扇形辐散区。500 hPa中高纬为两槽一脊向两脊一槽的调整过程，巴尔喀什湖脊前有低涡自蒙古高原西部向东南方向移动，与之配合的西风槽不断加深，槽底南伸，并与高原东部下滑的短波槽合并，高空槽从内蒙古东部一直伸展到广西上空。副热带高压前期“带状”分布控制华南，后期随高空槽东南移断裂为东西两环，东环副高逐渐减弱东退。850 hPa前期华南受一致的东南风控制，广东上空风速达到12 m／s，南海到中南半岛地区有热带辐合带活跃，其中有一热带扰动西移登陆中南半岛，同时南岭北侧有东北-西南向切变线逐渐东南移，进入广东境内后与位于中南半岛中部的热带扰动北侧的倒槽型环流连接，形成自江南经广东西部至中南半岛的切变线，但其南侧风速明显减弱，并转为偏南风；地面前期西南低槽发展，广东处于低槽区内。该型在河源市的暴雨落区位于中部和南部地区，出现在10月中旬。

2.5 纬向多波动型

该型环流特点为200 hPa副热带高空急流轴自四川到江西中部呈西北-东南走向的“倾斜”状，广东处其急流轴出口处右侧辐散区。500 hPa中低纬环流较为平直，多波动东传。副热带高压脊线位于18°N以南，华南处副高北侧不稳定区域，随着短波槽的频繁东传，副高也频繁东退。从青藏高原东移的短波槽所携带的弱冷空气与南支槽前暖湿气流在广东相遇，引发广东产生强降水。850 hPa配合有切变线南压，切变线南侧广东上空西南气流强盛（风速达16 m／s）。地面前期西南低槽发展，广东处脊后槽前，由于冷空气势力较弱，锋面难以到达南海。该型在河源市的暴雨落区位于中部地区，出现在11月下旬。

3 物理量合成诊断分析

由于南北槽型、丁字槽型和阶梯槽型是造成河源秋季锋面暴雨天数最多的类型，因此重点对这3种类型的水汽通量、水汽通量散度、散度、垂直速度、假相当位温等物理量合成场进行分析。

3.1 水汽条件

分析3种类型850 hPa水汽通量合成场（图2），发现低层的水汽输送主要来源于孟加拉湾的输送、西太平洋副高南侧东风在南海地区转向进入华南地区的输送、中纬度绕青藏高原南侧的西南风的输送、西太平洋的东南风经南海进入华南的输送。其中，南北槽型的水汽主要来源于西太平洋的东南风经南海进入华南的输送；丁字槽型的水汽主要来源于青藏高原南侧和孟加拉湾西南风的汇合；阶梯槽型的水汽主要来源于西太平洋副高南侧东风在南海地区转向进入华南地区的输送和青藏高原南侧的西南风的输送。

3种类型中阶梯槽的水汽通量最大，最大达到11 g·cm-1·hPa-1·s-1，丁字槽型和南北槽型相当，为6～8 g·cm-1·hPa-1·s-1。分析850 hPa水汽通量散度合成图（图略），发现在暴雨发生期间，河源上空均有水汽辐合，阶梯槽型河源所在区域的平均水汽通量散度达到-14×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1、丁字槽型为-7.3×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1、南北槽型为-7.1×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。

图2 三种类型850 hPa水汽通量（阴影区，单位：g·cm-1·hPa-1·s-1）和风场（风向杆，单位：m／s）分布

3.2 散度

分析3种类型沿24°N散度的垂直剖面合成图（图3），发现在南北槽型中，河源地区最强的辐合层在600 hPa以下，最大值达-0.82×10-5s-1，最强辐散层在300～200 hPa附近，最大值达1.06×10-5s-1；丁字槽型中，河源地区最强的辐合层在850 hPa以下的边界层中，最大值达-1.6×10-5s-1，最强辐散层在400 hPa附近，最大值达0.71×10-5s-1；阶梯槽型中，河源地区最强的辐合层均在850 hPa以下的边界层中，最大值达-2.1×10-5s-1，最强辐散层在500～400 hPa之间，最大值达1.1×10-5s-1。由此可见，暴雨期间，河源地区上空均存辐散中心，高层的辐散气流形成抽吸作用，有利于低层空气辐合抬升，有利于暴雨的持续，但相较于华南前汛期暴雨低层辐合中心值（-3～-8）×10-5s-1和高层辐散中心值（3～12）×10-5s-1要明显偏弱［15］（表1）。另外，从3种类型暴雨过程中低层辐合高层辐散的维持时间（图略）来看，丁字槽型的持续时间较短，一般6 h后都会减弱，但南北槽型和阶梯槽型均能维持近12 h。

图3 沿24°N散度纬向垂直剖面（单位：10-5 s-1）

3.3 垂直速度

分析各型沿115°E垂直速度剖面合成图（图略），发现河源地区上空丁字槽型垂直速度中心在850～500 hPa附近；南北槽型和阶梯槽型的垂直速度中心在700～400 hPa附近，垂直速度最大值达-0.24～-0.29 Pa·s-1。从3种类型上升运动中心的高度来看，丁字槽型的中低层大气上升运动明显，南北槽型和阶梯槽型的中高层大气上升运动较其他层次明显，这种特征与华南前汛期的典型情况（垂直运动的最大值在500～300 hPa附近）有所差异，中心值也比其-0.8～-1.6 Pa·s-1小得多［19］（表1）。另外，3种类型中最强垂直上升运动均出现在河源市北部地区附近，这与暴雨落区多发生在河源市北部地区的观测事实相一致。

3.4 假相当位温

分析3种类型沿115°E假相当位温的垂直剖面合成图（图略），发现在25°N以北均存在明显的θse锋区，大气层结转干冷，25°N以南的地区为θse大值区，大气较为湿热，河源地区上空高温高湿的大气层结，为暴雨形成提供有利的对流不稳定条件。相比较而言，丁字槽型大气最湿热，850 hPa河源上空θse达到341 K，与汛期暴雨常出现在850 hPa的θse≥70℃（即343 K）的范围内的统计特征相比［15］，南北槽型和阶梯槽型的温湿条件要差一些（表1）。

从3种类型的500与850 hPa的θse差值分布及演变情况，也发现丁字槽型的差值最大，气层最不稳定，阶梯槽型次之。

表1 河源市秋季锋面暴雨与华南前汛期锋面暴雨物理量对比

4 结论

1）河源市秋季锋面暴雨可划分为5种环流类型：南北槽型、丁字槽型、阶梯槽型、蒙古低槽型和纬向多波动型，其中南北槽型出现最多，其次是丁字槽型和阶梯槽型。

2）南北槽型、丁字槽型和阶梯槽型的主要水汽来源分别为西太平洋的东南风经南海进入华南的输送、青藏高原南侧和孟加拉湾的的西南风的汇合、西太平洋副高南侧东风在南海地区转向进入华南地区的输送及青藏高原南侧的西南风的输送；暴雨过程中，河源地区均存在水汽辐合区。

3）南北槽型、丁字槽型和阶梯槽型中，河源地区低层辐合、高层辐散的配置为暴雨的产生和维持提供了所需的动力条件。从其维持时间来看，丁字槽型的持续时间较短，一般6 h后都会减弱，但南北槽型和阶梯槽型均能维持近12 h。

4）在南北槽型、丁字槽型和阶梯槽型中，河源地区上空高温高湿的大气层结，为暴雨形成提供有利的对流不稳定条件，其中属丁字槽型的大气最为湿热。

5）南北槽型、丁字槽型和阶梯槽型中的低层辐合、高层辐散及垂直速度中心的最大值均较华南汛期暴雨偏小，且南北槽型和阶梯槽型的温湿条件也差一些。

本研究的环流分型和物理量合成分析揭示了秋季锋面暴雨产生的共性，可为今后预报此类暴雨提供参考，但此方法同时可能会平滑部分个性特征，在分析和预报过程中，系统强弱和物理量上可能存在一定的差异。由于河源市秋季锋面暴雨的出现几率小，所以本研究的分析因个例较少而存在一定的局限性，还需在今后的工作中做进一步的研究。