广东西部沿海一次致灾暴雨的中尺度分析

余兴湛，刘升源，黄国斌,叶朗明

(1.广东省台山市气象局，广东 台山 529200, 2.广东省江门市气象局，广东 江门 529000)

0 引言

华南是我国暴雨灾害最为频繁的地区，研究表明，华南地区的暴雨具有降水量集中、雨强大、降水持续时间长、累积雨量大等特点，华南地区一年四季都可能出现暴雨，但主要发生在4—9月份[1]。前汛期是华南降水的集中、多发期，暴雨往往会带来内涝、山洪、泥石流等气象次生灾害，因此受到不少气象学者的关注，并取得了许多研究成果[2-4]。何立富等[5]在研究华南地区一次持续大暴雨过程中指出，700 hPa中纬度冷空气入侵可能是华南暴雨产生、维持的重要特征，高低空急流耦合的正反馈机制是华南暴雨异常的成因之一。吴乃庚等[6]指出在前倾槽形势下，低层暖湿不稳定配合高空槽后干冷空气的下传，对华南上空不稳定能量释放起到加强作用，强降水主要发生在锋区南侧。陈见等[7]对发生区域性以上暴雨过程与不明显降水过程的高低空环流形势场进行对比分析，发现它们环流系统配置相似,但环流系统位置、强度及干湿特征存在差异。陈元昭等[8]指出大多数降水过程中有利于重大短时强降水发生的环境条件的关键点不是强对流预报中常关注的 “高空冷空气的侵入”，而是低层暖湿气流的输送。周芯玉等[9]发现华南暴雨是在有利的大尺度环流背景下,与若干个中尺度降水系统相互配合持续影响所造成,是多尺度天气系统相互作用的产物,而中尺度系统对暴雨有明显的触发作用。胡萍等[10]通过研究发现冷性低涡切变暴雨主要发生在低涡的右前方，急流的顶部，地面辐合线的北侧和副高边缘，而暖性低涡切变暴雨主要发生在低涡的东南部，急流的顶部和地面热低压底部。2016年5月28日在广东省西部沿海出现了一次暴雨过程，此次强降水造成广东省江门市台山市端芬镇凤凰峡突发山洪，造成8人死亡、10人受伤。本文利用区域自动站、多普勒雷达等常规观测资料以及NCEP/NCAR 再分析资料，分析此次降水过程的中尺度天气系统演变特征和维持机制，以期为本地暴雨分析和预报提供一定的参考作用。

1 资料来源

本文所用资料包括：①2016年5月28日江门、阳江地区的区域自动站G2108(开平东山水库)、G6643(恩平马山水库)、G6523(台山联合村)等160个站点和8个国家级自动站逐时观测资料，观测资料包括降水量、气温和风向风力等；②NCEP/NCAR再分析资料(时间分辨率为6 h，空间分辨率为0.25°×0.25°)；③FY-2G气象卫星反演的逐小时平均相当黑体亮度温度(TBB)资料；④阳江多普勒天气雷达观测资料以及阳江站探空资料。

2 分析与讨论

2.1 天气实况及雨量分析

2016年5月26日14时南海西沙群岛附近海面的季风云团发展为热带低压，并于27日16时15分在阳江市阳东区东平镇沿海地区登陆，20时在江门市鹤山市境内减弱为低压区后继续北上减弱消失。受其残余云系和季风槽影响，27日20时—28日20时，广东西部江门、阳江沿海一带出现了暴雨到大暴雨，其余地区普降中到大雨，局部暴雨(图1a)。最大日雨量出现在开平东山水库站224.7 mm，主要降水时段在28日07—14时，并出现了雷暴。此次降水过程降水时段集中，局地性强，并且引起台山市端芬凤凰峡突发山洪。

从小时降水量演变来看(图1b)，主要降水时段有两个：第1个阶段发生在27日20时—28日07时，降水比较平缓。第2个阶段发生在28日07—14时，其主要特点是短时雨强大、强度变化波动显著。采用1 h降雨量≥10 mm 的降雨区域作为1个中尺度雨团，在5月28日第2阶段降水期间，一共有18个中尺度雨团出现在广东西部沿海 3个最大雨量的区域站，最大时雨量为61.9 mm，在07—14时期间每个小时都有区域站的雨量超过35 mm，说明此次降水过程降水强度强，并且比较集中，有很明显的中尺度对流系统活动特征。本文重点讨论强降水第2阶段(28日07—14时)的天气背景和中尺度对流系统产生机制。

图1 (a)2016年5月27日20时—28日20 时江门雨量分布图；(b)27日20时—28日20时G2108、G6643、G6523站逐小时雨量分布图

2.2 大尺度环流形势演变

在暴雨发生整个阶段，2016年5月27日20时—28日20时，200 hPa南亚高压中心一直位于华南上空，反气旋性强大，期间中心和强度基本无变化，为暴雨的发展提供了有利的高空辐散抽吸作用。5月27日20时—28日20时，500 hPa亚洲中高纬地区表现为一槽一脊的形势，槽脊比较浅薄，东北冷涡活跃，呈现出西高东低的形势，贝加尔湖槽后有冷空气分裂东移南下。副高脊线北跳到26°N，较常年偏强，位置明显偏北，在27日前控制广东省大部，热带低压在其西南缘生成，建立了强大的西南急流，并沿着副高的外围北上，迫使副高东退到珠江口附近，热带低压继续北上消失后，558 m等高线并没有马上西伸控制加强，而是停留在珠江口附近徘徊，江门市上空处于副高的西侧边缘，有利于暴雨的发生。850 hPa在孟加拉湾附近有热带低值系统的发展，其东南侧强大的暖湿气流沿着东南半岛沿海上空北上输送到南海中北部，并于26日下午逐渐在副高西侧边缘发展成热带低压，热带低压东侧生成一条西南急流与之相连，并随着热带低压北上，始终保持着相接，为热带低压的环流提供了不稳定能量和水汽来源，登陆后急流后部减弱，但其前部依旧维持较强的状态(图2a)。在925 hPa上热带低压消散后，在其附近演变成一条切变线，暴雨期间一直维持在广东中北部，另外在暴雨落区的西边存在着明显的风向和风速的辐合(图2b)。925 hPa上存在的切变线以及风速风向辐合，有利于水汽和热量在底层集中并积累，是触发此次暴雨的重要系统。

图2 (a)2016年5月28日02时 500 hPa位势高度和850 hPa风场；(b)28日08时 500 hPa位势高度和925 hPa风场，(阴影部分为风速填图，单位：m/s)

2.3 物理量场分析

2.3.1 水汽条件 2016年5月28日02时起本地暴雨区850～700 hPa水汽辐合明显增强，在112°E附近存在一个显著水汽辐合区，其中心散度大于-6×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1(图3a)，从比湿来看(图 4a)，02时的暴雨落区的上空700 hPa 比湿大于10 g/kg，850 hPa比湿大于12 g/kg，925 hPa比湿大于15 g/kg，可见暴雨区上空水汽含量比较充足，水汽辐合明显，达到产生暴雨和大暴雨的条件。此外，28日暴雨区边界层的相对湿度都在 95%以上。综上所述，热带地区充足的水汽和显著的水汽辐合为广东西部沿海暴雨的发生提供了非常有利的条件。

2.3.2 垂直螺旋度 螺旋度通常表征环境风场旋转程度和沿旋转轴方向运动强弱的物理量，而垂直螺旋度(Hp)则反映涡度与垂直速度的耦合情况，即Hp=-ζ×ω(ζ表示涡度，ω表示垂直速度)[11]。5月28日08时Hp在112.2～113.6°E从750～600 hPa表现为正的螺旋度，中心值达20×10-6hPa·s-2，强度很强，有利于强对流系统生成、发展和维持，表明本次降雨的动力条件显著(图3b)。

图3 (a)2016年5月28日02时 沿22°N的经向剖面上的水汽通量散度和风场(阴影区为水汽通量散度，单位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1，箭矢为风，单位: m/s)；(b)28日08时 沿22°N的经向剖面上的垂直螺旋度和垂直速度图(阴影区为垂直螺旋度，单位：10-6hPa·s-2；等值线为垂直速度图，单位：Pa/s)

2.3.3 假相当位温 假相当位温 θse 是能综合表征大气的温度、湿度条件的物理参数[12]。从假相当位温剖面图(图4a)可以看到，5月28日08时等值线密集区位于26°N附近，可以近似认为锋区在26°N附近。而此次降雨主要分布在21.8～22.6°N之间，可以认为这是一次锋前暖区降水过程。近地层800 hPa以下，暖舌从地面向上伸展，等θse线随高度递减，形成位势不稳定区域。在暴雨发生前，24°N以南中低层θse都大于350 K，这个区域对暴雨生成有利。

2.3.4 探空资料 从阳江站5月28日08时的探空图来看(图4b)，400 hPa以下的露点曲线和层结曲线整层都比较接近，说明测站上空的水汽十分的深厚。从垂直风场来看，中低层盛行较强的西南风，在中低层都是风随高度顺转，但不明显，有暖平流的存在，同时也能看出在低层风速随高度的变化不大，说明垂直风切变比较弱，降水效率较高。0 ℃层都在550 hPa以上，抬升凝结高度LCL和自由对流高度LCF也很低，说明暖云层厚度较厚，而近地面空气对流抑制能量很小，对流有效位能CAPE呈“瘦弱”的长形分布，这些条件都有利于暴雨的发生。

图4 (a)2016年5月28日02时沿122°N的纬向剖面上假相当位温和比湿剖面图(实线为假相当位温，单位：K，虚线为比湿，单位：g/kg)；(b)28日08时阳江气象要素探空图

2.4 中尺度对流系统发展演变特征

2.4.1 卫星云图特征分析 根据相关文献的定义[13]，将水平尺度在20～250 km之间、生命史为3 h或以上、云顶亮温TBB≤-32 ℃的中尺度对流云团定义为β中尺度对流系统。为揭示此次暴雨过程的中尺度系统的演变特征，利用FY-2G卫星TBB资料对其进行分析。本次降水过程一共受3个MCS(中尺度对流系统)影响(按时间顺序编为a、b、c)，MCS(a)为第1阶段在中山境内产生蔓延过来的，对本地降水影响不大，而造成本地降水主要是MCS(b)和MCS(c)。MCS(b)和MCS(c)同一时间在江门到阳江沿海一带由小云团逐渐发展起来，5月28日07—08时迅速增强，08时(图 5a)对流云团中心气温已降至-62 ℃，随着两个云团的继续发展，09时两者合并，形成了一个更大的对流系统MCS(bc)，中心气温下降至-72 ℃以下，合并后强度中心面积继续发展，在12时之前云团基本维持在原地。12时在东边的MCS(a)重新发展起来，随着MCS(bc)向东缓慢移动，14时MCS(a)和MCS(bc)合并在一起，形成了对流系统MCS(abc)，MCS(abc)的东西向长度超过200 km，覆盖江门和阳江的沿海地区(图5b)。在09—15时，云团中心的气温一直维持在-72 ℃以下；16 时对流系统开始减弱,17时后对流系统明显减弱并逐渐东移消散(图5c)。可见MCS(b)和MCS(c)是造成此次降水的主要系统，两者同时生成后，迅速合并和加强，并维持在原地少动。分析云团和降水的关系，可以发现在降水的主要时段(07—14时)，降水落区主要发生在对流系统东北向的最大梯度区，两者有很好的对应关系。

图5 2016年5月28日08、14、17时(a、b、c)TBB逐时演变(单位: ℃，阴影区TBB<-32 ℃)

2.4.2 雷达回波特征分析 从第2阶段影响暴雨区期间阳江多普勒天气雷达组合反射率因子图上发现，从5月28日05时开始，有小片层状云降水回波在江门沿海生成并缓慢北移，07—08时在江门、阳江沿海一带有多个对流单体生成并加强，表明初始对流开始形成(图6a)。到 09时12分，在江门沿海地区形成了一条西南—东北走向的β中尺度对流系统，尺度达到40 km，其传播路径上的顶端回波加强明显。10时30分中尺度对流系统的顶端有所减弱，但在对流系统的西偏南侧不断有尺度10～20 km的γ对流系统生成，并缓慢向东偏北移动补充原来的β中尺度对流系统，使β中尺度对流系统维持发展，并影响暴雨区，可以看到本次暴雨的雷达回波具有明显的后向传播性和列车降水效应。到了12时30分，β中尺度对流系统发展到最强，最大回波强度达70 dBz，半小时后回波开始缓慢减弱，并向东北方向缓慢移动，16时江门—阳江一带降水开始明显减弱消散，17时后降水基本结束(图6c)。整个过程，回波大值区都位于江门、阳江沿海地区，其余地区基本为层云性降水。过图6b中AB处作线状雷暴垂直结构图(图6d)，通过分析发现，线状雷暴的垂直发展高度基本在10 km以下，同时回波主体质心大部分在5 km以下，最高延伸到8 km左右，且回波质心强度大部分在45 dBz以上，是以积状云为主的混合性降水回波，具有效率高，时间长的特征。

图6 阳江雷达2016年5月28日08时(a)、12时30分(b)、17时(c)组合反射率因子图以及12时30分AB处的线状雷暴垂直结构图(d)

2.5 中尺度对流系统的触发机制

在有利的天气环境条件下，每个暴雨过程往往还需要一定的触发条件，如低层中尺度辐合抬升、高低空急流抬升、锋面抬升等[14]。在暴雨发生前，5月27日20时海岸线一带以西南风为主，平均风速维持在5～6级左右，随着热带低压的减弱消散，28日03时海岸线一带风速已降至1～2级，整个风场都以西南到南风为主。05时海岸线一带西南风开始逐渐增大，并在其北推的过程中与江门中部陆地上的静风或弱的东北风逐渐形成风向和风速的辐合，06—07时在江门沿海一带形成了一条中尺度辐合线(图7a)，此时辐合线两侧的地面气温相差2 ℃左右(图7e)，南侧多为大于4 m·s-1偏南风，北侧风速很小，在辐合线南侧有较强风速的辐合，此时在辐合线南侧开始出现初始对流云团，并随着西南风的北推，对流云团移到辐合线附近处时得到发展和增强，1 h后在辐合线附近出现20～30 mm·h-1的降水(图7a)。此后随着对流云团发展进入成熟阶段，辐合线附近区域受降水冷却的作用影响，气温下降至25 ℃左右，而在辐合线以南海岸线一带气温略有上升到29 ℃左右，两区域间的温差增加到4 ℃左右(图3f)，这种较大的地面温差梯度利于降水的维持和加强，08时后辐合线附近逐渐出现40～50 mm·h-1的降水，此后辐合线南侧一直有新的对流单体生成发展并逐渐东北抬，形成对流后向传播和列车效应，导致了这场强降水的发生。在强降水期间，中尺度辐合线一直稳定少动停滞在关键区域，直到14时后辐合线才逐渐减弱消失，对应的降水也开始逐渐减弱消散(图7b～7d)。从图中可以发现，强降水落区与中尺度辐合线均有较好的对应关系，强降水随着中尺度辐合线的生成而发生，且强降水中心出现在中尺度辐合线附近，可见，在这次天气过程中中尺度辐合线对不稳定能量的释放发挥了重要作用，为对流风暴的发生发展提供了较好的抬升触发条件。

另外，地形的抬升作用也是触发此次暴雨的重要条件。由图7g可见，阳江到江门一带是北高南低的地形,在22°N、112.5°E附近存在着一明显的比东西两边矮的缺口，这就是典型的喇叭口地形，暴雨强中心落区刚好在22°N、112.5°E附近。当沿海西南暖湿气流从海边北上时，由于北边高山的阻挡，西南暖湿气流大部分进入了江门恩平到江门台山一带，由于喇叭口效应和迎风坡的作用导致气流强迫抬升，同时由于山顶高空辐散，气柱形成强烈的抽吸作用，抬升与抽吸相结合形成强烈的上升运动，从而有利于充沛水汽垂直输送，降水得到增强。而当气流在经过江门西南部高低不平的山地时，因其摩擦作用而产生的湍流上升也会加强降水。此外，迎风坡能使惯性重力波在爬坡的扰动振幅增大，也能使降水得到加强。

图7 2016年5月28日07、09、11、14时(a、b、c、d)江门市区域自动站风场和其后1 h累积雨量(单位: mm)分布(阴影区为降水区；红线所指为地面辐合线),(e、f)为28日07、09时江门市区域自动站气温距平，(g)为21～24°N，110～114°E三维地形图

3 结果与讨论

①此次暴雨过程发生在季风槽西南急流中，西南急流为暴雨提供了不稳定能量，500 hPa中高纬为一槽一脊的形势，槽后有冷空气南下，588 m等高线在暴雨落区边缘徘徊。925 hPa上在广东中北部有一切变线维持，暴雨落区的西边存在着明显的风向和风速的辐合，这些环流形势都利于暴雨的发生。

②分析物理量场发现，暴雨发生前本地上空水汽含量比较充足，水汽辐合明显，近地层位势不稳定，对暴雨的生成有利。垂直螺旋度值达到20×10-6hPa·s-2，有利于强对流系统生成、发展和维持，表明本次降雨的动力条件显著。

③分析β中尺度对流系统表明，MCS(b)和 MCS(c)是造成此次降水的主要系统，两者同时生成后，迅速合并和加强，并维持在原地少动。分析雷达资料表明，此次强降水具有明显的后向传播性和列车效应，雷达回波性质是以积状云为主的混合性降水回波，该类回波具有效率高，时间长的特征。

④分析区域自动站地面资料特征表明，沿海中尺度辐合线上不断激发新对流云团和辐合线南北两侧较大的温差梯度，对强降水的发生发展提供了较好的抬升触发条件，同时江门和阳江沿海的“喇叭口”地形使得对流加强，是造成此次致灾暴雨的重要原因之一。