張凌云，劉 蕾，蘇小玲

(廣西壯族自治區(qū)柳州市氣象局，廣西 柳州 545001)

0 引言

桂北地處華南西北部，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，汛期暴雨多發(fā)，而持續(xù)性暴雨則是引發(fā)江河洪澇的直接原因，造成的災害損失巨大。對于持續(xù)性暴雨的成因和機制，氣象工作者做了較多的研究，取得了很多有意義的重大成果。丁一匯[1]認為，我國暴雨的發(fā)生主要受夏季風、副熱帶高壓和北半球異常大氣環(huán)流等3個大尺度因子的影響。丁治英等[2]認為，我國南方的連續(xù)性暴雨與南亞高壓和高空急流的穩(wěn)定維持有關，其他學者也有類似的研究結果[3-4]。許多專家學者研究認為[5-9]，季風涌是引發(fā)我國南方持續(xù)性暴雨的重要環(huán)流系統。華南持續(xù)性暴雨的水汽來源主要有3個，分別是西太平洋的東風轉向輸送、南海上空的西南風輸送、索馬里越赤道氣流的西風轉向輸送[10-15]。有些學者[16-19]對2005年6月華南的特大持續(xù)性暴雨進行了深入研究，認為此次持續(xù)性暴雨與南半球冷空氣爆發(fā)、南亞高壓、阻塞高壓、副高強度位置等密切相關。關于廣西區(qū)域的持續(xù)性暴雨，一些學者也做了研究，李向紅等[20]認為，孟加拉灣旺盛對流對廣西持續(xù)性暴雨具有前兆信號。劉國忠等[21]等認為，副高強度偏強、位置偏西偏南，有利于暖濕氣流向廣西輸送。

本文運用常規(guī)資料、區(qū)域自動站資料以及NECP再分析資料，運用天氣學診斷分析方法，對2017年8月發(fā)生在桂北地區(qū)的一次持續(xù)性暴雨過程進行深入分析，研究其水汽和動力條件，以期為該區(qū)域后汛期發(fā)生的持續(xù)性暴雨預測提供一些參考。

1 暴雨過程概況

2017年8月9—15日，桂北地區(qū)出現了一次持續(xù)性暴雨天氣過程，暴雨主要集中在柳州、桂林兩市，其中14—15日是暴雨范圍最廣、強度最強的降雨時段，14日共有261個區(qū)域站出現暴雨、109站出現大暴雨、12站出現特大暴雨，15日共有200個區(qū)域站出現暴雨、63站出現大暴雨、1站出現特大暴雨。據統計，此次持續(xù)暴雨過程最大累積雨量達到873.6 mm(圖1a)，出現在融水縣香粉鄉(xiāng)，最大24 h雨量達到482.1 mm(圖1b)，最大小時雨量為14日03時的93.4 mm，出現在融安縣泗維河水庫自動站。持續(xù)暴雨造成柳州、桂林兩地出現嚴重洪澇災害，柳江流域多條支流、干流超警戒水位，災情損失慘重。據民政部門統計，此次暴雨、洪澇災害共造成15萬人受災，9人傷亡，直接經濟損失3.2億元。

圖1 2017年8月9—15日廣西累積雨量(a)及13日20時—14日20時融安縣泗維河水庫逐小時降雨量分布(b)Fig.1 Accumulated rainfall in Guangxi on August 9-15, 2017 (a) and hourly rainfall distribution of Siweihe reservior in Rong'an county from 20∶00 on the 13th to 20∶00 on the 14th (b)

2 環(huán)流背景分析

2.1 500 hPa環(huán)流形勢

從8月9—15日500 hPa高度平均場(圖2a)可以看出，此次持續(xù)暴雨過程期間，亞歐中高緯地區(qū)為兩槽一脊型，西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高，下同)呈帶狀分布，脊線位于15°N附近，西脊點接近90°E，到達孟加拉灣東部，副高強大且位置偏西、偏南。8月1—20日500 hPa沿15°N的高度—時間演變圖(圖2b)顯示，在持續(xù)暴雨過程前期，副高先是減弱東退，10—11日東退到110°E附近，12日加強西伸，在暴雨強度最大、范圍最廣的14—15日，副高甚至西伸到了80°E附近。由于副高的阻擋，使得中高緯地區(qū)兩槽一脊的環(huán)流形勢得以穩(wěn)定維持，槽自東北冷渦一直延伸到云南南部，桂北地區(qū)始終處于西風槽前和副高西北側的西南氣流帶中，為持續(xù)暴雨提供源源不斷的水汽輸送通道。8月16日，副高迅速減弱東退到120°E附近，此次持續(xù)暴雨過程隨之結束。

圖2 2017年8月9—15日500 hPa高度平均場(a)及其8月1—20日500 hPa沿15°N高度—時間演變(b)(單位：dagpm)Fig.2 Mean height field of 500 hPa from August 9th to 15th , 2017 (a) and 500hPa evolved along the height-time of 15°N from August 1st to 20th (b) (Unit:dagpm)

2.2 低層環(huán)流形勢

從850 hPa(圖3a)和925 hPa(圖3b)水汽通量及水汽通量散度平均場來看，此次持續(xù)暴雨過程低層水汽主要來源于孟加拉灣，越過中南半島，進入南海后北上到達桂北地區(qū)。850 hPa廣西以西南氣流水汽輸送為主，桂北地區(qū)水汽輻合較弱，較大的水汽通量輻合區(qū)偏北，位于貴州、湖南、江西境內，而925 hPa則在桂北地區(qū)有較明顯的水汽輻合，說明此次持續(xù)暴雨過程中，低層的輻合抬升條件主要位于邊界層內。

圖3 2017年8月9—15日850 hPa(a)、925 hPa(a)平均水汽通量、水汽通量矢量(帶箭頭短線)，水汽通量輻合區(qū)(陰影，單位：10-5g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.3 Mean water vapor flux, water vapor flux vector (short line with arrow) and water vapor flux convergence area (shadow, Unit:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1 ) at 850 hPa (a) and 925 hPa (b) on August 9-15, 2017

2.3 地面形勢場

從8月9—15日平均海平面氣壓場(圖4a)可以看出，持續(xù)暴雨期間桂北處于小于1 005 hPa的低壓區(qū)。從逐日氣壓場變化來看，持續(xù)暴雨前期(9—12日)桂北位于低壓槽區(qū)(圖4b)，持續(xù)暴雨后期(13—15日)桂北位于低壓前部(圖4c)，地面低壓槽或低壓前部的偏南暖濕氣流，為持續(xù)暴雨的發(fā)生提供了較好的熱力和能量條件，期間桂北地區(qū)又不斷有中尺度輻合線生成(圖略)，為持續(xù)暴雨的發(fā)生提供了較好的觸發(fā)條件。

3 水汽和熱力條件分析

3.1 季風涌

大量的研究結果[5-9]已經表明，持續(xù)暴雨過程一般與季風涌有一定的聯系。為了解此次持續(xù)暴雨過程中季風涌的活動情況，沿110°E 作850 hPa風場的緯度—時間演變圖(圖5)，從圖中可以看出，在此次暴雨過程開始前，南海西南季風較弱。從8月7日開始，西南季風逐漸增強，特別是在11—15日期間，西南季風顯著增強，出現季風涌，強勁的西南季風一直吹到27°N左右，并達到急流強度，為桂北地區(qū)的持續(xù)暴雨提供源源不斷的水汽輸送。16日以后，西南季風減弱，持續(xù)暴雨過程結束。

圖4 2017年8月9—15日平均海平面氣壓場(a，陰影區(qū)為<1 005 hPa區(qū)域，單位：hPa)和8月9日08時(b)、15日08時(c)地面形勢場(陰影區(qū)為持續(xù)暴雨區(qū))Fig.4 Mean sea level pressure field (a, The shadow area is <1 005 hPa , Unit: hPa) on August 9-15, 2017 and surface situation field (The shaded area is a continuous rainstorm area)at 08∶00 on August 9 (b) and 08∶00 on 15 (c)

圖5 2017年8月1—20日850 hPa沿110°E風場緯度—時間演變(陰影區(qū)為風速≥8 m·s-1的區(qū)域)Fig.5 Evolution of 850 hPa wind field with latitude-time along 110°E during August 1-20, 2017 (The shadow area is the area with wind speed≥8 m·s-1)

3.2 越赤道氣流

有文獻[13]研究認為，南半球冷空氣爆發(fā)，使越赤道氣流明顯增強，是華南地區(qū)持續(xù)性暴雨的主要水汽來源之一。為了解南半球冷空氣爆發(fā)和越赤道氣流對此次持續(xù)性暴雨的影響，分析925 hPa的風矢量場和500 hPa高度場(圖6)可以看出，從8月7日08時開始(圖6a)，在30°～50°S、60°～80°E地區(qū)已經形成了一個完整的馬斯克林高壓，其中心位于70°E左右，與500 hPa高空槽區(qū)接近重疊，在西風槽的引導下，冷空氣進入馬斯克林地區(qū)，此后高壓穩(wěn)定維持并逐漸向東移動。9日08時(圖6b)高壓中心移到了95°E附近，同時，在40°E以東又有一個新的高壓開始生成。10日08時(圖6c)舊的高壓已經減弱，新的高壓中心則移到了50°E附近，氣旋式環(huán)流完整，高壓隨西風槽緩慢東移，且冷空氣不斷增強， 15日08時(圖6d)高壓中心仍位于80°E附近。持續(xù)暴雨期間，馬斯克林高壓東側不斷增強的東南氣流沿非州東部海域越過赤道后，轉向為西南氣流，進入索馬里地區(qū)，使得索馬里越赤道氣流持續(xù)增強，并穩(wěn)定維持。從40°～60°E赤道地區(qū)平均經向風的高度—時間演變圖(圖7)也可以看出，8月15日以前該地區(qū)的低層經向風明顯偏強，說明索馬里越赤道氣流明顯增強。強勁的索馬里越赤道氣流穿越阿拉伯海灣，橫跨印度半島，越過孟加拉灣和中南半島，到達南海與西太平洋副熱帶高壓西北側的西南急流匯合，繼續(xù)北上進入華南地區(qū)，最終為桂北地區(qū)的持續(xù)暴雨提供水汽輸送通道。

圖6 2017年8月7日08時(a)、9日08時(b)、10日08時(c)、15日08時(d)925 hPa風矢量場(箭頭，單位：m·s-1)與500 hPa高度場(實線，單位：dagpm)Fig.6 Wind vector field at 925 hPa (the arrow, Unit: m·s-1 ) and height field at 500 hPa (the solid line, Unit: dagpm) at 08∶00 on August 7(a), 9(b), 10(c) and 15(d), 2017

圖7 2017年8月1—20日40° ～60°E赤道地區(qū)平均經向風的高度—時間演變(單位：m·s-1)Fig.7 The height-time evolution of the average meridional wind in the equatorial region of 40°～60°E on August 1-20, 2017 (Unit:m·s-1)

3.3 穩(wěn)定度條件分析

穩(wěn)定度指數對暴雨的發(fā)生有較好的指示作用。利用探空資料，統計了此次持續(xù)暴雨過程期間暴雨中心區(qū)桂林站各項穩(wěn)定度指數(表1)發(fā)現，過程開始前(8日20時)，桂林站K指數、CAPE值突增Δθse(θ850-θ500)，達到25 ℃以上，SI指數出現較大負值，說明對流不穩(wěn)定和大氣層結不穩(wěn)定加強。此后，從8日20時—14日20時，桂林站的K指數一直維持在33 ℃以上，且大部分時段在40 ℃以上，SI指數維持較大的負值，CAPE值絕大部分時段在1 000 J·kg-2以上，最大時段(12日20時)CAPE值甚至達到了3 397.4 J·kg-2，Δθse(θ850-θ500)始終居高不下，為此次持續(xù)暴雨的發(fā)生提供了較好的不穩(wěn)定條件。15日以后，K指數、CAPE值明顯下降，SI指數回升到正值，不穩(wěn)定條件轉差，暴雨過程趨于結束。

表1 2017年8月8—15日桂林穩(wěn)定度指數和降水量(mm)變化Tab.1 Variation of stability index and precipitation (mm) in Guilin from August 8 to 15, 2017

4 動力條件分析

4.1 南亞高壓及高低空急流耦合

南亞高壓所提供的高層輻散形式，是持續(xù)暴雨的重要動力條件之一。從8月9—15日200 hPa高度平均場(圖8a)來看，持續(xù)暴雨過程期間，南亞高壓中心位于青藏高原上空，桂北地區(qū)位于南亞高壓東部脊線上，是偏北氣流強輻散區(qū)，為高空輻散產生抽吸作用提供了很好的動力條件。同時，桂北地區(qū)位于高空急流右側、低空急流左側(圖略)，是低層輻合、高層輻散區(qū)，這一點，從持續(xù)暴雨區(qū)(108°～111°E，24°～27°N)平均散度的高度—時間演變圖(圖8b)也可以看出。持續(xù)暴雨過程后期(12—15日)，也就是暴雨強度最強、范圍最廣的時段內，低層強輻合、高層強輻散的形式尤其明顯。這種高低空急流耦合、低層輻合高層輻散的環(huán)流形勢場，為持續(xù)暴雨的發(fā)生提供了非常好的動力條件。

圖8 2017年8月9—15日200 hPa高度平均場(單位：dagpm)(a)及桂北暴雨區(qū)(108°～111°E、24°～27°N)平均散度的高度—時間演變(單位：10-5·s-1)(b)Fig.8 The average height field of 200 hPa (a, unit: dagpm) and the height-time evolution of average divergence (b, unit: 10-5·s-1) in northern Guangxi Heavy rain Area (108°-111°E、24°-27°N ) from August 9-15, 2017

4.2 明顯的垂直上升運動

垂直上升運動是暴雨發(fā)生的必要條件。為了解持續(xù)暴雨區(qū)的垂直運動情況，沿110°E作8月9—15日的垂直速度剖面圖(圖9a)和平均局地經向垂直環(huán)流剖面圖(圖9b)，從圖9a可以看出，在桂北地區(qū)(24°～27°N)確實存在明顯的上升運動，垂直速度負值區(qū)延伸到150 hPa左右，從圖9b可以看到，在25°N以北地區(qū)輻合上升明顯，說明暴雨過程期間，上升運動十分強烈。同時，對105°～115°E、20°～25°N分別作經向風(圖10a)和緯向風(圖10b)的時間剖面圖，可以看出，在持續(xù)暴雨過程期間，緯向風增強明顯，應該是緯向風對垂直運動的貢獻更大一些，表明高空西風槽對持續(xù)暴雨的動力作用更大一些。

5 結論與討論

①此次持續(xù)暴雨過程發(fā)生在500 hPa中高緯兩槽一脊的形勢下，副熱帶高壓脊線穩(wěn)定維持在15°N附近、西脊點穩(wěn)定在110°E以西，副高的阻擋使西風槽前與副高西北側的西南暖濕氣流形勢得以長時間維持，為桂北持續(xù)暴雨的發(fā)生提供了不穩(wěn)定條件。

②季風涌增強北推，與南半球冷空氣爆發(fā)造成的索馬里越赤道氣流增強，共同為此次持續(xù)暴雨提供了源源不斷的水汽供應。

③南亞高壓強大、穩(wěn)定地維持在青藏高原上空，桂北地區(qū)位于南亞高壓東部脊線上的強輻散區(qū)，低層位于低空西南風急流左側強輻合區(qū)，形成很好的低層輻合上升、高層輻散下沉的垂直環(huán)流形勢，與高低空急流耦合共同為此次持續(xù)暴雨提供了較好的動力機制。

圖9 2017年8月9—15日沿110°E的垂直速度剖面圖(a，單位：10-2·Pa.s-1)和平均局地經向垂直環(huán)流剖面圖(b，單位：10-2·Pa·s-1)Fig.9 Vertical velocity profile (a, unit: 10-2·Pa·s-1) and Average meridional vertical circulation profile (b, unit: 10-2·Pa·s-1) along 110°E from 9 to 15 August 2017

圖10 2017年8月9—15日105°～115°E、20°～25°N區(qū)域平均經向風(a)、緯向風(b)的高度—時間演變(單位：m·s-1)Fig.10 Height-time evolution of regions mean meridional wind (a) and zonal wind (b) in 105°～115°E and 20°～25°N on August 9-15, 2017 (unit: m·s-1)

④本文從水汽、熱力、動力條件等方面分析了此次持續(xù)暴雨過程，對桂北地區(qū)持續(xù)暴雨的發(fā)生背景有了初步了解，關于桂北地區(qū)持續(xù)暴雨更深層次的觸發(fā)和維持機制，還需要開展大量的個例分析，有待在今后的工作中進一步研究。