李超，陳潛，趙春陽，張超

(1.深圳市氣象局，廣東 深圳 518040；2.深圳國家氣候觀象臺，廣東 深圳 518040；3.深圳市南方強天氣研究重點實驗室，廣東 深圳 518001)

引言

受靜止鋒和西南季風(fēng)影響，華南前汛期(4—6月)暴雨過程較為頻繁。前汛期中高緯度冷空氣仍較為活躍；隨著西太平洋副熱帶高壓北移，西南暖濕氣流輸送到華南地區(qū)，冷暖氣流常交匯在華南地區(qū)，形成華南準靜止鋒。前汛期早期的4月，暴雨過程主要受華南準靜止鋒影響，降水突發(fā)性強，持續(xù)時間相對較短[1]，常伴有雷暴大風(fēng)和冰雹等災(zāi)害天氣。鋒面暴雨還可以與環(huán)境場以及地形相互作用，在鋒面南側(cè)引發(fā)暖區(qū)暴雨[2-3]，因而華南前汛期鋒面暴雨過程有重要研究意義。

華南前汛期鋒面暴雨過程通常是多尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。大尺度天氣系統(tǒng)為暴雨發(fā)生提供有利的環(huán)流背景，張端禹等[1]使用500 hPa環(huán)流場將華南前汛期暴雨進行分類，并討論了天氣系統(tǒng)對不同類型暴雨過程的持續(xù)時間和水汽輸送等的影響。天氣尺度系統(tǒng)并不是導(dǎo)致暴雨的直接因素，中尺度對流系統(tǒng)(mesoscale convection system，MCS)往往是暴雨的直接制造者，而華南地區(qū)正是暴雨MCS高發(fā)區(qū)域之一[4]。MCS發(fā)生有三個必要條件：水汽供應(yīng)、不穩(wěn)定大氣層結(jié)和抬升機制[5-6]。西南低空急流有利于華南沿海地區(qū)的水汽輸送，較強的水汽輸送有利于濕不穩(wěn)定層結(jié)的建立，為暴雨MCS發(fā)生提供有利環(huán)境條件[7-9]，MCS對流核心由鋒面、地形分布和海陸風(fēng)等系統(tǒng)觸發(fā)[10-12]，對流核心觸發(fā)后在一定環(huán)境條件下最終組織發(fā)展成為中尺度對流系統(tǒng)(MCS)。MCS生成后和天氣尺度系統(tǒng)之間的耦合，還可能導(dǎo)致MCS的后向傳播和“列車效應(yīng)”，進而導(dǎo)致極端暴雨出現(xiàn)[13-14]。以上研究說明有利的動力條件和熱力條件是MCS發(fā)生發(fā)展的重要條件，Q矢量同時包含了動力學(xué)和熱力學(xué)信息，是診斷分析強降水等中尺度對流活動的有效工具[15-16]，Q矢量散度梯度大值區(qū)對應(yīng)于上升運動[17]，對強對流活動發(fā)生有較強的指示意義。以上研究對MCS活動以及暴雨影響進行了分析，但對相似的環(huán)流背景下MCS生成發(fā)展的差異性研究較少。

許多研究表明華南地區(qū)前汛期暴雨發(fā)生和MCS活動密切相關(guān)，2019年4月11日在珠三角地區(qū)西部出現(xiàn)MCS并加強東移，深圳等地區(qū)出現(xiàn)短時暴雨，局地小時雨量超過70 mm，并造成人員傷亡(以下簡稱為 “2019年過程”)。2020年4月11日，受高空槽和低層切變影響，深圳等地區(qū)僅出現(xiàn)穩(wěn)定性小雨天氣(以下簡稱“2020年過程”)。兩次天氣過程均發(fā)生在華南前汛期早期，環(huán)流背景有一定相似性，但2020年4月11日并未發(fā)生MCS活動。本文對兩次降水過程進行對比，著重分析2019年4月11日MCS發(fā)生條件及對強降水的影響，對比分析不同熱力和動力條件對前汛期華南沿海地區(qū)MCS發(fā)生的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文采用的分析數(shù)據(jù)主要包括：

1)降水?dāng)?shù)據(jù)選用廣東、香港和澳門地區(qū)共1 259個自動氣象站逐小時觀測數(shù)據(jù)，時間段包括2019年4月11日和2020年4月11日，文中24 h累計雨量為11日08時—12日08時。

2)歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)發(fā)布的ERA5再分析數(shù)據(jù)，新發(fā)布的ERA5數(shù)據(jù)較上一代ERA40再分析數(shù)據(jù)有較大改進，時間分辨率提高到逐小時，空間分辨率也有一定提高，水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向從1 000 hPa到1 hPa共37層，可以用于分析中小尺度系統(tǒng)的快速演變過程。使用的ERA5再分析數(shù)據(jù)的要素包含高度場z、水平風(fēng)場u和垂直速度w，水平散度d，其中垂直速度單位為Pa·s-1，垂直速度為負時表示上升運動，為正時表示下沉運動。

3)FY-4靜止氣象衛(wèi)星紅外云圖，選用波長為13.2 μm的紅外通道；并使用逐時FY-2G衛(wèi)星的相當(dāng)黑體亮溫(black body temperature，TBB)數(shù)據(jù)，用于分析MCS和強對流活動特征。

本文還利用ERA5再分析數(shù)據(jù)計算了Q矢量，對暴雨過程進行診斷，Q矢量通過公式(1)計算得到。Q矢量的輻合區(qū)有利于上升運動加強，Q矢量綜合動力和熱力條件，因而常用于診斷暴雨和MCS活動。

(1)

其中Q1和Q2分別為x和y方向上的Q矢量，R為氣體常數(shù)，σ為靜力穩(wěn)定參數(shù)，p為氣壓，u和v分別為緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)，T為溫度。

2 降水實況

2019年4月11日傍晚起廣東自西向東出現(xiàn)了大范圍降水，降水集中在廣東省西部到珠三角等地區(qū)(圖1a)，雨帶呈現(xiàn)東西向帶狀分布，西部云浮和肇慶等地區(qū)24 h累計雨量為20～40 mm；珠三角地區(qū)降水更為明顯，雨量為20～70 mm；深圳有72個自動氣象觀測站出現(xiàn)了50 mm以上的暴雨，最大雨量為106.4 mm。此次過程突發(fā)性強，降水持續(xù)時間短，大部分地區(qū)降水集中發(fā)生在1～2 h內(nèi)，深圳國家基本氣象站過程降水46 mm，僅21—22時小時雨量就達到43.4 mm(圖2a)；累計雨量最大站為深圳光明區(qū)新湖街道，其中20—22時雨量100.6 mm，占過程雨量95.9%；西部云浮和肇慶等地區(qū)的降水也集中發(fā)生在1～2 h內(nèi)(圖略)，以上說明2019年4月11日的降水過程以短時強降水為主，降水過程并伴有短時雷暴大風(fēng)(圖2a)。

2020年4月11日傍晚起廣東中北部到珠三角地區(qū)出現(xiàn)了大范圍降水，雨帶呈現(xiàn)東北—西南向分布(圖1b)，過程累計雨量相對較小，粵東地區(qū)局部雨量達到20 mm，其他大部地區(qū)累計雨量在10 mm以下，深圳自動氣象觀測站最大雨量為14.8 mm。2020年降水過程發(fā)生比較持續(xù)穩(wěn)定，深圳國家基本氣象站的降水持續(xù)長達6 h，其中12日01—02時為微量降水，整個過程小時雨量均在0.5 mm以下，以上說明2020年4月11日過程以穩(wěn)定性降水為主。降水過程結(jié)束后，部分站點觀測到持續(xù)時間較長的6級以上大風(fēng)(圖2b)，這可能和鋒面活動有關(guān)。

圖1 兩次降水過程24 h累計降水量分布(等值線，單位：mm；圖中“十”字代表深圳位置；a. 2019年4月11日08時—12日08時，b. 2020年4月11日08時—12日08時)Fig.1 Distribution of 24-h accumulated precipitation during the two precipitation processes (isoline, units: mm; cross denotes location of Shenzhen; a. from 08:00 BST 11 to 08:00 BST 12 April 2019, b. from 08:00 BST 11 to 08:00 BST 12 April 2020)

2019年過程中降水表現(xiàn)出較強對流性特征，2020年過程的降水以穩(wěn)定性為主，兩次過程降水性質(zhì)差異和溫度有一定關(guān)系。2019年上旬深圳無降水過程，氣溫持續(xù)偏高，2019年4月11日最高氣溫達到28.8 ℃(圖2a)。2020年4月6—7日深圳出現(xiàn)了明顯降水(圖略)，受降水影響氣溫持續(xù)偏低，2020年4月11日深圳最高氣溫僅為25.4 ℃(圖2b)。

3 成因分析

3.1 云圖特征

上述分析可見，兩次降水過程對流活動差異明顯。衛(wèi)星云圖的云頂亮溫和TBB數(shù)據(jù)等可以定量反映對流活動強度[4]，云頂亮溫和TBB越低說明對流云頂發(fā)展越高，對流活動越強烈，其中TBB小于-52 ℃常用作識別和表征MCS活動的重要定量分析指標(biāo)[4]。

2019年4月11日16時(圖3a)在廣西東部、珠三角北部和廣西北部存在分散發(fā)展的對流云團，分別標(biāo)記為A、B和C。A云團發(fā)展最為旺盛，云頂亮溫低于210 K，TBB低于-52 ℃區(qū)域在100 km以下，達到了β中尺度對流系統(tǒng)(MCSβ)標(biāo)準；B云團和C云團還是發(fā)展初期的對流性云團。16時廣東大部分地區(qū)為850 hPa切變南側(cè)偏西風(fēng)和副熱帶高壓西側(cè)的西南風(fēng)輻合，有利于對流云團組織發(fā)展增強。受到低空切變南側(cè)的輻合環(huán)境場影響，A、B和C云團東移發(fā)展增強，A云團東移過程中組織成為長軸達到250 km的橢圓形MCS(圖3b)。20時A、B和C三塊云團發(fā)展連為一片，粵東的B云團和廣西北部的C云團云頂亮溫升高，對流性減弱；A云團TBB低于-52 ℃的區(qū)域明顯擴大，進一步發(fā)展為近圓形的中尺度對流復(fù)合體(MCC)。20時A云團邊緣已經(jīng)東移至深圳西部地區(qū)，距深圳的強降水發(fā)生尚有一個小時，MCS的云圖特征對此次強降水有較強指示意義。20時MCS已經(jīng)位于高空切變后部，環(huán)境風(fēng)場不利于MCS后續(xù)發(fā)展，隨后MCS云團東移減弱，云頂亮溫明顯升高。2019年過程中MCS活動和深圳強降水發(fā)生時段是吻合的。

圖3 2019年4月11日FY-4A紅外云圖(色階為紅外通道亮溫，單位：K)、850 hPa風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)和-52 ℃黑體亮溫(等值線)演變(圖中“十”字代表深圳位置；a. 16時，b. 18時，c. 20時，d. 22時)Fig.3 Evolution of FY-4A infrared cloud imagery (color scale for infrared channel brightness temperature, units: K), wind (shaft, units: m·s-1) at 850 hPa, and -52 ℃ TBB (isoline) on 11 April 2019 (cross denotes location of Shenzhen; a. 16:00 BST, b. 18:00 BST, c. 20:00 BST, d. 22:00 BST)

2020年過程中，衛(wèi)星云圖以發(fā)展較低的層狀云為主(圖4)，云頂亮溫在270 K左右，TBB沒有達到MCS識別標(biāo)準，說明2020年過程以穩(wěn)定性降水為主。16時(圖4a)廣東境內(nèi)有兩條西南—東北向的帶狀云系：一條位于廣東沿海地區(qū)(云帶D)，云帶D東移過程中受到850 hPa輻散風(fēng)場影響減弱；另一條位于廣東西北部地區(qū)(云帶E)。云帶E和850 hPa的低空切變的輻合相關(guān)，隨著切變東移南壓，云帶E東移南壓過程有所加強，云頂亮溫降低到260 K左右。22時云帶E影響深圳地區(qū)，該時段深圳等地區(qū)出現(xiàn)了弱降水。和2019年過程不同，2020年過程中帶狀云系移動相對較慢，弱降水持續(xù)時間相對較長。

圖4 2020年4月11日FY-4A紅外云圖(色階為紅外通道亮溫，單位：K)、850 hPa風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)和-52 ℃黑體亮溫(等值線)演變(圖中“十”字代表深圳位置；a. 16時，b. 18時，c. 20時，d. 22時)Fig.4 The same asFig.3, but on 11 April 2020

3.2 大氣環(huán)流

兩次降水過程均發(fā)生在前汛期早期4月，發(fā)生時間和環(huán)流背景較為相似。2019年4月11日08時(圖略)，200 hPa高空急流位于長江流域，深圳上空為弱輻合區(qū)(圖5a)；500 hPa我國東部地區(qū)為橫槽前部，925 hPa華南北部為弱偏北風(fēng)；中低緯度588 dagpm等值線位于20°N附近，云南地區(qū)為較深的南支槽，受副熱帶高壓西北側(cè)和南支槽前的西南風(fēng)的共同水汽輸送，華南地區(qū)的比濕超過14 g·kg-1。20時200 hPa高空急流東移南壓，深圳為急流中心的后部，高空輻散加強(圖5a)；中高緯度的500 hPa橫槽轉(zhuǎn)豎并東移至東部沿海地區(qū)(圖6a)。伴隨高空槽東移，低層850 hPa切變東移南壓(圖3)，槽后低層偏北風(fēng)引導(dǎo)冷空氣到達珠三角地區(qū)，冷空氣在華南地區(qū)常表現(xiàn)為海平面氣壓(sea level pressure，SLP)正變壓，深圳SLP的24 h變壓16時以后轉(zhuǎn)為正變壓(圖5d)，說明地面有冷空氣影響到深圳。此次過程冷空氣強度較弱，降水發(fā)生前地面上沒有出現(xiàn)明顯的偏北風(fēng)。低緯度南支槽向東移動到云南東部地區(qū)，深圳地區(qū)的比濕進一步增加到16 g·kg-1(圖6a)，水汽條件的改善為MCS發(fā)展提供了有利的條件。受高空槽后偏北風(fēng)和南支槽前的西南風(fēng)共同影響，深圳低層流場呈現(xiàn)輻合，但輻合相對較弱(圖5d)。綜上,2019年過程熱力和水汽條件較好，有利于MCS發(fā)展,但低層輻合等動力條件相對較弱。

2020年過程200 hPa高空急流中心位于江南地區(qū)，隨著急流中心的加強深圳高空輻散15時以后有所加強，但較2019年過程偏弱(圖5a)。500 hPa上南支槽位于西藏附近(圖6b)，南支槽較淺且位置偏西，槽前西南風(fēng)和水汽輸送較弱，華南沿海地區(qū)比濕相對較低，在12～14 g·kg-1。中緯度我國東部地區(qū)上空為東北—西南向的高空槽(圖6b)，高空槽較2019年(圖6a)更深。伴隨著高空槽東移，低層切變東移南壓(圖4)，華南地區(qū)低層偏北風(fēng)增強(圖6b)，風(fēng)速達到6 m·s-1，較2019年過程風(fēng)速明顯偏大，對應(yīng)于廣東沿海低層存在較強的風(fēng)場輻合(圖5b)。低層的偏北風(fēng)引導(dǎo)冷空氣南下，但由于2020年過程的前期溫度較低，SLP相對較高(圖5c)，4月11日SLP為負變壓；但18時以后，負變壓幅度明顯變小，可能和弱冷空氣擴散到深圳有關(guān)。綜上，2020年過程的低層輻合動力條件較強，但熱力條件較弱。

圖5 兩次降水過程深圳地區(qū)(114°E，22.5°N)的200 hPa散度(a；單位：10-5 s-1)、925 hPa散度(b；單位：10-5 s-1)、海平面氣壓(c；單位：hPa)和24 h海平面氣壓變壓(d；單位：hPa)的時間演變(實線為2019年過程，虛線為2020年過程)Fig.5 Evolution of divergence (a; units: 10-5 s-1) at 200 hPa, divergence (b; units: 10-5 s-1) at 925 hPa, sea-level pressure (c; units: hPa), and 24-h variation of sea-level pressure (d; units: hPa) in Shenzhen (114°E, 22.5°N) during the two precipitation processes (solid line for the process in 2019, dash line for the process in 2020)

圖6 兩次降水過程500 hPa高度場(等值線，單位：dagpm)、925 hPa風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)和比濕(色階，單位：g·kg-1)分布(圖中“十”字代表深圳位置；a. 2019年過程，b. 2020年過程)Fig.6 Distribution ofgeopotential height (isoline, units: dagpm) at 500 hPa, wind (shaft, units: m·s-1) at 925 hPa, and specific humidity (color scale, units: g·kg-1) during the two precipitation processes (cross denotes location of Shenzhen; a. the process in 2019, b. the process in 2020)

兩次過程的環(huán)流差別在深圳地區(qū)的時間-垂直剖面非常明顯(圖7)。2019年4月11日早上起，深圳地區(qū)的假相當(dāng)位溫呈現(xiàn)出隨高度減小，為弱的層結(jié)不穩(wěn)定；低層為偏南風(fēng)(圖7a)，并不斷增強達到急流強度。隨著西南風(fēng)的水汽輸送，12時之后深圳地區(qū)低層900 hPa以下最大比濕超過了17 g·kg-1，低層的假相當(dāng)位溫升高，不穩(wěn)定層結(jié)發(fā)展。低層西南風(fēng)的暖濕氣流輸送，為MCS發(fā)展提供有利的不穩(wěn)定層結(jié)條件。不穩(wěn)定層結(jié)的加強有利于2019年過程中對流活動觸發(fā)和強的上升運動，19時以后深圳的上升運動明顯增強，且上升運動隨高度增強。2020年4月11日早上到上午，深圳受相對較弱的偏南風(fēng)影響(圖7b)，09時前為弱的下沉氣流，不利于比濕增加和不穩(wěn)定層結(jié)的建立，假相當(dāng)位溫隨高度變化較小，說明深圳地區(qū)處于近乎中性的層結(jié)條件。2020年過程深圳的中性層結(jié)環(huán)境下，上升運動相對較弱且隨高度減弱，對應(yīng)于2020年過程以穩(wěn)定性降水為主。

圖7 深圳地區(qū)(114°E，22.5°N)經(jīng)向風(fēng)-垂直風(fēng)(箭頭表示垂直速度，單位：-10-2 Pa·s-1)、溫度(色階，單位：℃)和假相當(dāng)位溫(等值線，單位：K)時間-高度剖面圖Fig.7 Time-height cross section of meridional-vertical wind (arrow for vertical velocity, units: -10-2 Pa·s-1), temperature (color scale, units: ℃), and pseudo-equivalent potential temperature (isoline, units: K) in Shenzhen (114°E, 22.5°N) during the two precipitation processes

3.3 物理量

大氣層結(jié)是影響強對流活動發(fā)生的重要影響因素，圖8給出距離深圳較近的香港的兩次過程20時探空圖進行對比。2019年過程溫度的垂直遞減率較大，地面溫度為27.0 ℃，700 hPa溫度降低到8.8 ℃，對應(yīng)的對流有效位能(convective available potential energy，CAPE)為1 565.3 J·kg-1；2020年過程溫度遞減率較小，地面溫度為22.6 ℃，700 hPa溫度降低到7.4 ℃，對應(yīng)20時CAPE值為96.7 J·kg-1。兩次過程溫度層結(jié)差異明顯，2019年過程低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定為MCS發(fā)展提供了不穩(wěn)定能量；2020年較低的CAPE不利于強對流以及MCS的發(fā)生發(fā)展。通過物理量對比，2019年過程中K指數(shù)、抬升指數(shù)等均對強對流發(fā)生有較好指示意義，2020年過程的對流抑制達到-24.4 J·kg-1，不利于強對流發(fā)生。

圖8 2019年4月11日20時(a)和2020年4月11日20時(b)香港探空圖Fig.8 Skew t-lnp chart at Hongkong at 20:00 BST 11 April 2019 (a) and 20:00 BST 11 April 2020 (b)

物理量CAPE主要考慮了熱力和水汽垂直分布對強對流活動的影響，降水過程是由熱力和動力條件共同作用的結(jié)果，Q矢量綜合考慮熱力和動力分布對垂直運動的影響。圖9給出了兩次降水過程的Q矢量及其散度分布。2019年4月11日08時，廣東中部到珠三角地區(qū)為明顯的Q矢量輻合區(qū)，20時Q矢量輻合的大值區(qū)和08時的區(qū)域較為一致，但輻合略有減弱，這可能和MCS已經(jīng)移過粵西地區(qū)有關(guān)。Q矢量輻合大值區(qū)和MCS發(fā)生區(qū)域是基本吻合的，說明Q矢量對MCS發(fā)生有一定指示意義。2020年4月11日08時，Q矢量輻合大值區(qū)位于粵西和珠三角北部地區(qū)，但矢量輻合相對較弱；20時Q矢量輻合強度進一步減弱并移到海上，珠三角北部地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)镼矢量的輻散區(qū)，不利于強對流的發(fā)生。

圖9 兩次降水過程925 hPa溫度場(等值線，單位：℃)、Q矢量(箭頭，單位：1017 hPa-1·s-1)和Q矢量散度(色階，單位：m·kg-1·s-1)分布(圖中“十”字代表深圳位置；a、b. 2019年過程，c、d. 2020年過程)Fig.9 Distribution of temperature (isoline, units: ℃), Q-vector (arrow, units: 1017 hPa-1·s-1), and divergence of Q-vector (color scale, units: m·kg-1·s-1) at 925 hPa during the two precipitation processes (cross denotes location of Shenzhen; a/b. the process in 2019, c/d. the process in 2020)

4 結(jié) 論

本文對比分析了前汛期深圳兩次降水過程特征以及強對流發(fā)生條件，兩次降水過程發(fā)生在較為相似的天氣背景下，但兩次過程的強對流特征有明顯差異，本研究對預(yù)報前汛期短時強降水以及MCS活動有一定參考意義。主要結(jié)論如下：

1)兩次降水過程發(fā)生背景較為相似，低緯度副熱帶高壓北側(cè)在20°N附近，副熱帶高壓和南支槽共同作用下，加強的西南風(fēng)有利于向華南水汽輸送增強；中高緯度高空槽后偏北風(fēng)引導(dǎo)弱冷空氣和西南風(fēng)輻合在珠三角地區(qū)，對流的觸發(fā)與邊界層輻合線有關(guān)，兩次過程發(fā)生均和地面弱冷空氣活動有關(guān)。

2)2019年過程南支槽較深且位置偏東，西南氣流較強，深圳等珠三角地區(qū)的溫度較高，濕度較大，層結(jié)不穩(wěn)定，深圳等珠三角地區(qū)CAPE較大，均有利于MCS活動的發(fā)生發(fā)展，并造成了大范圍強對流天氣；但由于低層輻合的動力條件相對較弱，過程持續(xù)時間較短，降水集中發(fā)生在1～2 h。

3)2020年過程中南支槽較淺且位置偏西，西南氣流相對較弱，深圳等珠三角地區(qū)溫度和濕度條件較弱，深圳等珠三角地區(qū)不穩(wěn)定層結(jié)條件較弱，CAPE也偏??；低層輻合條件相對較好，降水過程以穩(wěn)定性降水為主，持續(xù)時間相對較長。

4)華南前汛期降水發(fā)生是熱力和動力條件共同作用下產(chǎn)生的，Q矢量綜合考慮了熱力和動力條件，Q矢量散度在2019年4月11日的強對流發(fā)生前12 h珠三角地區(qū)較大，對MCS活動以及強對流發(fā)生有較好的指示意義。