2021年4·26华南区域性暴雨过程的特征

蔡孙平，陈海亮，符靖茹，邵端舟

（1.廉江市气象局，广东廉江 524400；2.湛江市气象局，广东湛江 524000；3.广东海洋大学南海海洋气象研究院，广东湛江 524088）

华南汛期受西风带系统、低纬度和热带天气系统影响，降雨充沛，暴雨频发，汛期暴雨天气成为华南最主要灾害性天气之一［1-2］。

有许多气象工作者从大气动力过程、热力过程诊断分析多类暴雨系统结构、形成机理、物理过程，讨论华南前汛期暴雨、台风暴雨等不同类型暴雨的特征差异［3-8］，如徐碧裕等［3］对广东阳春至恩平一带的局地特大暴雨分析发现局地经圈环流的正反馈触发机制使得强降水维持，垂直方向温度平流零线、等θse线密集区、垂直上升速度中心区，均与强降水落区有较好对应关系；贺发胜等［4］对广东河源一次连续暴雨过程诊断，发现连续性暴雨过程一般发生在暖区，且强降雨与低空急流脉动密切相关；梁洁华等［5］对“2018·8”特大暴雨过程进行诊断，应用湿位涡讨论了大气的斜压性强弱与暴雨触发机制关系；彭端等［6］对华南两次强台风暴雨过程水汽与湿位涡对比分析表明，湿位涡与台风暴雨落区有一定关系；钟雄炎等［7］曾对粤西南沿海一次暴雨过程从形势环境场、水汽、热力和动力物理量诊断方面做过详细分析；蔡晶等［8］通过研究发现广东西南部的湛江、茂名地区是广东的短时强降水多发区之一。

本研究使用常规资料、ECMWF第5代全球大气再分析逐小时数据集（0.25°×0.25°），对2021年4月26日华南一次区域性暴雨天气过程进行分析，探讨该次强降水过程的发生发展机制。

1 天气过程概况

2021年4月26日05：00—08：00（北京时，下同），广西南部到广东西南部首先开始出现降水，降水主要落区在广西西南部，在广西钦州-北海-广东廉江一线出现局地强降水，其中广东廉江气象局大院区域站1 h雨量达103.6 mm，在其周围10 km范围有4个测站录得60～80 mm的小时雨强。08：00—14：00，主雨区从广西西南部向东移动，14：00影响广西贵港到广东湛江一带。此过程中，强降水中心从广西北海往东南方向移动，经过两广交界和北部湾上空进入广东雷州半岛，11：00—14：00上述区域内有13个站点1 h雨量超50 mm，其中广西铁山港站点1 h雨量达102mm。14：00—20：00，暴雨区逐渐向雷州半岛到海南岛推进。该次过程区域内录得1 h雨量超50 mm的站点有130个，日雨量超过100 mm站点达到59个（图1）。

图1 2021年4月25日20：00—26日20：00累计降水散点图（单位：mm）

2 环流流场特征分析

2.1 高低空环流形势演变

4月25日20：00，500 hPa高空欧亚中高纬是两槽一脊环流型（图略），西风槽在河套南部不断加深东移，槽后势力较强的冷空气沿河套从中路南下；高原东侧有西风急流活动，同时高原南部到孟加拉湾有南支槽发展，南支槽前有多个南支波动向东传播，槽后西北气流引导冷空气从广西西北部向南渗透；副高脊线在18°N附近，西脊点在102°E中南半岛上空，两广南部处于副高北侧偏西流场控制。在850 hPa上，云南到中南半岛北部110°E附近上空有一闭合低涡系统，低涡气旋性环流带来的偏南气流与上游槽后西北气流在广西北部形成切变辐合。26日08：00（图2a），随着高空槽进一步东移南压，500 hPa高原东侧上空风速脉动明显增强，在28°N—30°N形成宽广的西风急流轴，急流轴南侧的短波槽得到增强；副高西伸加强过程中，脊线南移到15°N一线，北部湾处于副高西北侧边缘区。分析850 hPa形势场（图2b）表明，受副高加强过程西南风速脉动影响，26日08：00—12：00，北部湾有一支不断增强的西南到偏南急流输送带，与东南急流和冷空气偏北气流在广西南部到北部湾一带上空形成“人”字形切变结构。到26日20：00，500 hPa华南南部转南支槽过境后一致的西北风场控制，850～925 hPa受冷空气的东到东北风场影响，降水形势趋于结束。

图2 2021年4月26日08：00 500 hPa形势场（等值线，单位：dagpm）与风场（风向杆，单位：m／s）（a）和850 hPa温度场（填色，单位：℃）与风场（风向杆，单位：m／s）（b）

2.2 地面系统特征

分析4月25日20：00地面形势场表面，云南一带存在一低压中心，向东南伸出低槽延伸至中南半岛，受其影响广东西南部到广西南部盛行东南风；低压与东侧的冷高压中心在云贵交界一带形成密集气压梯度，有利于地面冷空气大风快速南下。26日08：00（图略），冷空气前锋偏北风已经渗透到广西中部，中南半岛的低槽向东横向伸出，雷州半岛受横槽的东南到偏东风场控制，在广西南部形成中尺度风场辐合线，存在弱锋面低槽形势。受地面辐合风场影响，大气边界层产生正涡度扰动有利于低空位势不稳定能量释放。

3 低涡切变特征分析

从环流特征分析可见，低涡切变是该次区域性暴雨发生的直接触发系统，其中北侧和南侧分别是冷空气东北气流与东南急流和西南急流与冷空气东北到偏北气流形成的冷锋式切变，东侧是东南急流与西南急流形成的暖锋式切变，中尺度暴雨云团系统主要出现在低涡东侧和南侧切变线附近。26日08：00，北部湾上空处于副高西北边缘和南支槽前不断加强的西南气流控制，850～925 hPa受低涡辐合气流逼近影响（图3），明显的地转偏差是形成低空西南急流的主要原因。

图3 2021年4月26日08：00 925 hPa水汽通量（填色，单位：g·cm-1·hPa-1·s-1）和风矢量场（单位：m／s）

低涡东侧是低空东南急流与西南急流轴出口左侧的正切变涡度区，加上较大湿度平流水汽输送，有利中尺度暴雨云团维持和增强。从切变线分布类型可见，北侧冷锋式切变由较强东北气流占主导，切变快速南移过程中，降水量并不大；南侧冷锋式切变则是不断增强的暖湿西南风场占主导，在与冷空气前锋渗透的北风辐合交汇维持时间长，降水量和降水范围都明显较大；而东侧的暖锋式切变是两支偏南暖湿气流强烈辐合形成的，为暴雨发生提供有利动力条件。

4 水汽条件

水汽条件是产生暴雨的主要物理条件之一。从21°N—22°N，108°E—111°E区域平均比湿垂直-时间剖面图（图4a）可见，暴雨发生前期，低层水汽累积时间长，水汽垂直结构深厚，25日08：00—26日08：00暴雨区800 hPa以下比湿保持在12 g／kg以上，高湿核位于925 hPa以下，对流层低层处于高湿饱和状态。26日08：00—12：00低层到中层比湿出现垂直突增现象，突增大值恰好与暴雨发生主要时段较吻合，14：00达到峰值后逐渐下降，17：00后冷锋主体过境，湿度条件明显转干。

分析环境流场及水汽通量散度场（图4b）表明，华南南部低层水汽辐合带呈现人字形，与低涡切变线位置基本重叠，925 hPa水汽辐合带出现在暴雨区域附近，表现出3个水汽通量散度负值中心，其中南侧暖式切变附近的负值中心持续时间较长，在暴雨发生期间强度维持在-25×10-6～-15×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1之间，水汽通量散度大负值区域与强降水点分布较为吻合，西南急流与东南急流在低空产生强切变辐合可能是造成区域强降水显著增强的重要原因。

图4 2021年4月25日08：00—27日08：00 108°E—111°E，21°N—22°N区域平均比湿垂直-时间剖面

5 广义湿位涡特征

高守亭等［9］推导了非均衡饱和湿空气广义湿位涡（GMPV），认为正负广义湿位涡生成，湿空气中斜压增强，又因斜压项在绝对涡度中的重要作用，认为非均衡饱和湿空气广义湿位涡生消变化与绝对涡度有密切关系。本研究尝试利用广义湿位涡进行分析，探讨该物理量在该次暴雨过程的特征表现（图5）。GMPV单位为PVU，其中1 PVU＝1×10-6m-6·s-1·K·kg-1。

图5 2021年4月26日08：00（a）和14：00（b）850 hPa广义湿位涡（单位：PVU）

从08：00 850 hPa的GMPV分布来看，华南南部沿海有连片的GMPV正异常区，雷州半岛两侧海区各有1个强度在3～4 PVU正值中心（图5a）；10：00—12：00，雷州半岛南部到海南岛东北部一带GMPV值迅速升至1～3 PVU，北部湾转为负异常区控制；14：00—16：00，在海南岛东北部和雷州半岛西南部先后出现2个正异常中心，之后逐渐转为负异常区。随着雨带南压，GMPV负异常区向粤西南和琼北靠近，北部湾到海南岛一带逐渐从正异常区转为负异常区，到14：00—15：00，负异常中心移到海南北部（图5b），对应此时段降水分析，GMPV异常中心较好反映雨带分布。分析表明，GMPV能较好反映暴雨点分布，暴雨区一般在正负GMPV水平梯度较大区域附近。

6 湿涡度与湿散度场特征

以往已有大量运用涡度场、散度场等物理量诊断天气过程个例，但部分个例对暴雨落区诊断性能较差。钱维宏等［10］将动力和水汽作用结合，在常规涡度、散度和比湿因子基础上提出2个新的物理诊断量，湿涡度（MV）和湿散度（MD），计算定义为

其中，u、v分别是纬向、经向风分量（m／s）；q、qs分别是比湿和饱和比湿（g／kg）；k是水汽贡献经验常数，本研究k＝10。本研究尝试利用MV与θse综合分析，探讨该物理量在该次暴雨过程的特征表现。

从沿110°E纬向湿涡度与θse剖面分析看，26日14：00前后（图6a）在20°N以北暴雨区低层850～925 hPa不断有正负湿涡度对发展，表现为多个上升支流和下沉支流，在20°N以南低层是积聚大量对流不稳定能量暖湿区，20°N以北中层有干冷平流向暴雨区上空推进，中高空形成θse锋区。

14：00前后（图6b）在650～200 hPa有一个湿涡度中心强度＞5 s-1的深厚正涡管缓慢南移，在22°N低层有一个负湿散度强中心，表明此处附近气流的低层辐合、上层抽吸作用显著，暴雨区上空湿散度负值气柱水平方向有收缩趋势，说明旋度作用显著，这种高低空次级动力环流水汽能量垂直交换特征，表明有利暴雨对流系统发生和维持，对应粤西南一片多个站点出现暴雨点，有多个站点1 h雨量达50 mm以上。

7 结论

1）该次暴雨过程主要是500 hPa高空槽、南支槽波动、低层人字形低涡切变线和地面弱锋面低槽共同作用下发生的，低槽槽前正涡度平流和切变线强辐合是触发中尺度暴雨系统的主要动力机制。

2）低涡切变是这次区域性暴雨发生的直接触发系统，水汽辐合主要发生在850～925 hPa低空急流切变区域附近，副高的加强和南支槽风速脉动是驱动西南急流突变增强的主要原因。

3）暴雨区水汽主要集中在中层大气以下，水汽来源于南海暖湿东南气流和孟加拉湾西南气流输送；该次过程925 hPa水汽辐合带与暴雨区域较吻合，暴雨点主要出现在西南急流与东南急流辐合形成的暖式切变线附近。

4）广义湿位涡异常区在该次过程中对暴雨落区有较好示踪作用，暴雨区一般出现在正负GMPV水平梯度较大区域附近。

5）具有湿度因子的湿涡度、湿散度物理量能较清晰描述对流层水汽辐合辐散状况，也能较好反映暴雨落区上空动力、水汽特征，在今后应用探索发展上有一定意义。