伍 靜，李向紅，李海燕，王艷蘭*，何珊珊，王 娟

（1.桂林市氣象局，廣西 桂林 540001；2.廣州市氣象臺，廣東 廣州 511430；3.廣西氣象臺，廣西 南寧 530001）

暴雨是廣西的主要災害性天氣之一， 多發(fā)生于汛期（4—9 月），尤其是華南前汛期（4—6 月）。 對于廣西非汛期（主要是秋冬季）而言，暴雨出現(xiàn)的頻率顯著降低。如1980—2016 年，廣西秋冬季（9 月—次年2 月） 暴雨僅出現(xiàn)33 次， 即平均每年出現(xiàn)0.89次，這是由于秋冬季我國大陸主要受冷高壓控制，抑制了對流性天氣發(fā)生的同時， 有利于北方干冷空氣南下，可顯著減少暴雨發(fā)生的概率。 盡管如此，與汛期暴雨相比， 因秋冬季暴雨存在著突發(fā)性和預報預警難等特點，更易給當?shù)厝嗣駧砭薮鬄碾y和損失，所以近年來引起了學者們的關注， 從暴雨分析及預報技術等不同的角度進行了研究[1-11]。 但是，與汛期暴雨研究[12-22]相比，廣西非汛期暴雨的研究仍相對較少，且集中在單次暴雨過程及其成因的分析，仍缺乏基于長期數(shù)據(jù)的系統(tǒng)、全面的剖析。 因此，本文利用廣西37 a 站點觀測數(shù)據(jù)及NCEP 再分析資料，分析影響廣西秋冬季暴雨發(fā)生的主要高空系統(tǒng)， 在此基礎上對各類暴雨的主要特征和形成原因進行分析，為廣西秋冬暴雨預測及成因分析提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

本文所用資料包括：（1）1980—2016 年秋冬季廣西90 個雨量站日降雨量數(shù)據(jù)。（2）同時段每日4次NCEP（水平分辨率2.5°×2.5°）再分析資料的位勢高度、氣溫、相對濕度等數(shù)據(jù)。

1.2 暴雨定義、個例挑選及分類

根據(jù)《廣西天氣預報技術和方法》[22]，將每日雨量圖上（20—20 時）廣西境內90 個市縣氣象觀測站中有20 個站以上日雨量≥50 mm 定義為全區(qū)性暴雨，一次全區(qū)性暴雨記作一次廣西大范圍暴雨過程。

利用兩步法對暴雨個例進行篩選。第一步：通過反查日降水量選出秋冬季暴雨過程，與此同時，根據(jù)這些過程的主要影響系統(tǒng)進行分類；第二步：將相同系統(tǒng)影響的過程進行合成分析其平均場和距平場。平均場合成時采用格點對格點的加權平均， 而距平場合成時， 先用實際值減去對應日期的氣候平均值得到距平場，然后按分類對距平場進行加權平均。

按照上述標準共挑選出33 次大范圍秋冬季暴雨個例， 從500、850 hPa 主要影響系統(tǒng)分析，33 次個例主要由3 類組成， 分別為臺風類（11 次，占33.3%）、切變類（16 次，占48.5%）和副熱帶高壓（簡稱“副高”）邊緣類（6 次，占18.2%）。 而從不同季節(jié)發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計可見（圖1），秋季暴雨發(fā)生25 次，占總次數(shù)的75.8%，冬季暴雨僅發(fā)生8 次，占24.2%。其中，臺風類和切變類暴雨主要出現(xiàn)在9—10 月，且臺風類只出現(xiàn)在秋季，6 次副高邊緣類暴雨過程主要發(fā)生在9 月—次年1 月。

圖1 廣西大范圍秋冬季暴雨月分布

2 不同暴雨類型發(fā)生的環(huán)流背景

2.1 臺風類

通過分析臺風類暴雨的合成環(huán)流可知，200 hPa高空急流位于35°N 以北，最大風速超過48 m·s-1，南亞高壓中心位于廣西和廣東上空，氣流輻散。500 hPa中緯地區(qū)暴雨前期為緯向環(huán)流，588 副高脊線從廣西中部穿過，副高強盛，隨著臺風從海上向西北方向移動，副高減弱東退，臺風在海南登陸后減弱，繼續(xù)向西北方向移動，可達廣西的西南沿海一帶，隨后強度繼續(xù)減弱。 副高在暴雨前1d 減弱斷裂，臺風開始從沿海向西北影響廣西。 暴雨當日整個廣西西部都為臺風環(huán)流控制， 尤其是廣西西南部位于臺風環(huán)流中心附近。500 hPa 位勢高度距平場（圖2a）顯示，隨著臺風向西北移動，廣西上空的負距平顯著增強，這也是臺風影響廣西的環(huán)流異常信號。 暴雨當日850 hPa合成風場（圖2b）顯示在廣西區(qū)域，尤其是桂南有明顯渦旋結構，風向風速都存在強烈的輻合。低層環(huán)流形勢也可以看到，暴雨前2 日開始，廣西西南部逐漸受臺風環(huán)流影響并控制。另外，從地面至500 hPa 都可以看到完整的渦旋結構， 說明廣西上空存在深厚的輻合上升運動，有利于暴雨形成。

圖2 臺風類合成500 hPa 位勢高度距平演變（a）和暴雨當日850 hPa（b）合成風場

與汛期相比，南亞高壓中心、高空急流以及副高脊線均要稍偏南一些。隨著臺風向西北移動，廣西上空500 hPa 位勢高度的負距平亦顯著增強， 從地面至500 hPa 也可以看到完整的渦旋結構。

2.2 切變類

切變類暴雨的合成環(huán)流背景顯示，200 hPa 南亞高壓位于20°N 的南海一帶，28°N 以北為高空急流控制，急流核位于35°N 附近，暴雨日可增至48 m·s-1左右。廣西位于急流入口區(qū)右側，根據(jù)高空急流入口區(qū)右側、出口區(qū)左側為輻散區(qū)的原理推斷，廣西處在較強抽氣區(qū)域，有利于低層輻合，上升運動加強。與汛期切變類暴雨不同，南亞高壓中心在中南半島北部，在暴雨前后幾天穩(wěn)定少動，在35°～40°N有一個準緯向的最大西風帶，最大風速約36 m·s-1，高空急流明顯比秋冬季弱。

暴雨前3 d，500 hPa 副高位于華南沿海， 到暴雨日則逐漸向東南方向撤退， 中緯度環(huán)流由偏西氣流演變?yōu)闅庑原h(huán)流， 暴雨前1 d 到暴雨日廣西上空為淺槽控制， 說明500 hPa 以下開始轉為氣旋性輻合流場， 有利于形成低層輻合高層輻散的強降水環(huán)流形勢。 700 hPa 環(huán)流形勢場與500 hPa 相似，副高中心位于華南沿海， 暴雨日廣西上空氣旋性流場更加明顯，但風速較小。 850 hPa 反氣旋性環(huán)流轉變?yōu)闅庑原h(huán)流，風切變線橫亙廣西，但風速＜4 m·s-1，即廣西低層受切變系統(tǒng)影響，存在明顯的風向輻合，與高層輻散相配合，有利于增強氣流的垂直運動。而汛期切變類暴雨500 hPa 華北、 華東地區(qū)有短波槽東移，移動和更替速度較快。暴雨當天華北槽槽底向南延伸到30°N 左右，迫使副高東撤，廣西區(qū)域以一致的偏西氣流為主， 沒有明顯的波動影響。 700、850 hPa 廣西區(qū)域為西南風。 華北地區(qū)在暴雨前1 d至暴雨當天維持著一個強大的高壓環(huán)流。 北風推動切變線快速南壓，暴雨當天影響廣西北部。

對流層中層500 hPa 位勢高度距平場（圖3a）與汛期相似， 暴雨前2 d 到暴雨日廣西由正距平轉成負距平，在暴雨當日的850 hPa 合成風場（圖3b）也顯示在廣西區(qū)域風向風速都存在明顯的輻合，但在汛期輻合位置主要位于桂北。 這種輻合有利于低值系統(tǒng)的加強，說明對流層暴雨日為低值系統(tǒng)影響，其低值系統(tǒng)為暴雨提供輻合上升運動等動力條件。

圖3 切變類合成500 hPa 位勢高度距平演變（a）和暴雨當日850 hPa（b）合成風場

2.3 副高邊緣類

由副高邊緣類暴雨高空環(huán)流場合成結果可知，200 hPa 南亞高壓位于南海一帶，與切變類相似。 高空急流的分布與臺風類相似， 即廣西處于高空急流右側的入口區(qū)，為南亞高壓控制，有利于氣流的輻散和上升。但該類暴雨的高空急流風速比臺風類更大，暴雨當日最大風速達56 m·s-1。500 hPa 副高位于華南沿海一帶，暴雨前2 d 至當日，副高加強西伸，脊線穩(wěn)定在23°N 左右，穿過廣西。 副高脊線往往伴有低層逆溫層[19]，特別是當高壓脊向西伸展的過程中，逆溫更明顯。低層逆溫可使低層更暖更濕，高層更冷更干，有利于不穩(wěn)定能量的儲存，為暴雨的觸發(fā)提供了有利的水汽和不穩(wěn)定能量。 500 hPa 位勢高度距平場顯示（圖4a），廣西上空由負距平轉為正距平，說明副高加強西伸。 而暴雨前3 d 至當日廣西低層一直由副高邊緣的東南氣流控制， 說明暴雨前期不斷有水汽從南海輸送到廣西上空，到暴雨當日，廣西區(qū)域低層的風速增大到8 m·s-1，存在明顯的風速輻合（圖4b），易于形成強上升運動。

圖4 副高邊緣類500 hPa 位勢高度距平演變（a）和暴雨當日850 hPa（b）合成風場

該類型的暴雨與汛期差異較大，在汛期，南亞高壓中心位于菲律賓群島附近，急流位于30°N 附近，強度＞50 m·s-1，相對秋冬季節(jié)稍弱一些。 500 hPa 有南支槽配合，副高位置偏南，脊線位于15°N 以南，廣西區(qū)域為副高邊緣的西南氣流控制，但700～850 hPa為一致的西南偏西氣流。

3 不同暴雨類型形成的水汽條件

充足的水汽供應是暴雨形成的必要條件。 無論是汛期或是非汛期，各類暴雨事件發(fā)生前期，廣西的相對濕度基本維持在55%左右。 當各類暴雨相應系統(tǒng)開始影響廣西時（圖5），相對濕度都快速增大到80%， 其中臺風類和切變類的相對濕度局部區(qū)域超過了90%，濕層深度直抵300 hPa，但汛期相對濕度達到70%就能造成暴雨， 濕層也沒有秋冬季深厚，說明水汽條件在非汛期比汛期要嚴格。

圖5 合成的700 hPa 暴雨日相對濕度（單位：%）

低層暖平流對天氣尺度不穩(wěn)定對流的發(fā)生和局地水汽的生成起促進作用， 有利于局地降水增強進而增加暴雨發(fā)生幾率。暴雨當日，廣西低層大部地區(qū)由暖平流控制， 且這種暖平流的控制范圍隨高度增加而增大。 北上的暖濕氣流與南下的冷空氣在廣西相遇， 使得這3 類天氣形勢在廣西低層都出現(xiàn)冷暖平流交匯現(xiàn)象， 表現(xiàn)為較強的溫度梯度和充足的水汽供應，促進了暴雨的形成。 相比之下，秋冬季暴雨中，臺風類暖平流最強，切變類次之，副高邊緣類較弱。 汛期暴雨中，暖平流強度相對更強，依次為臺風類、副高邊緣類、切變類。

水汽輸送及其輻合輻散條件可以更好地揭示各類暴雨事件發(fā)生時廣西的水汽源地（圖6）。 與汛期臺風暴雨類似， 秋冬季臺風類暴雨事件水汽主要集中在臺風前進方向的右前方輻合區(qū)（圖6a），隨著臺風系統(tǒng)將西太平洋豐富水汽向西北輸送， 使得孟加拉灣和南海成為廣西暴雨的主要水汽源地， 南海是其最大水汽源地。 暴雨前1 d 廣西上空開始出現(xiàn)水汽輻合，水汽通量達15～20×10-6g·cm-2·hPa-1，暴雨當日水汽通量輻合中心位于在廣西西南部， 輻合強中心超過20×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1， 其強度與汛期臺風類暴雨相當。

秋冬季切變類暴雨前期， 廣西上空以東南氣流影響為主，而汛期切變類暴雨以西南氣流為主。暴雨前1 d 至當日， 廣西西南到東北出現(xiàn)一個氣旋性風切變，此外，廣東風速比廣西風速大，使得廣西有風速輻合。 低層風切變和風速輻合為暴雨發(fā)生提供動力條件的同時，偏南氣流將南海的水汽輸送到廣東、廣西及貴州一帶。此外，南支槽前的西南氣流有利于將孟加拉灣水汽輸送至廣西， 最終在廣西形成水汽輻合高值區(qū)（圖6b）。

秋冬季副高邊緣類暴雨前2 d，廣西區(qū)域的水汽通量并不高，而且處于輻散狀態(tài)，直到暴雨前1 d 才轉為輻合狀態(tài)， 副高南側的東南氣流將西太平洋和南海地區(qū)的水汽輸送到廣西， 形成一條東南西北向的水汽輸送帶（圖6c），使得廣西水汽通量逐漸增大，而汛期此類暴雨的水汽源地還有孟加拉灣。 至暴雨的當日，水汽通量散度大值區(qū)超過了-8×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1，為廣西秋冬季暴雨提供了充足的水汽條件。

圖6 暴雨當日合成850 hPa 風場、水汽通量（陰影，單位：10-6 g·cm-2·hPa-1）和水汽通量散度（等值線，單位：10-6 g·cm-2 hPa-1·s-1）

3 類秋冬季暴雨發(fā)生時廣西上空的暖濕條件表明，臺風類的暖濕條件最好，切變類和副高邊緣類相對較弱。臺風類和切變類具有風速和風向的輻合，副高邊緣類以風速輻合為主。3 類暴雨中，臺風類水汽通量最大，輻合最強，副高邊緣類次之，切變類相對較弱。 3 類暴雨除了具有南海這一共同水汽源地之外，西太平洋和孟加拉灣也是臺風類暴雨的源地，孟加拉灣是切變類另一源地， 西太平洋則是副高邊緣類的另外源地。

4 不同類型暴雨形成的大氣穩(wěn)定條件

定義500 hPa 與850 hPa 的假相當位溫差值為Δθse：

Δθse可以反映大氣層結是否穩(wěn)定。 Δθse＜0 ℃為對流性不穩(wěn)定，Δθse＞0 ℃則為對流性穩(wěn)定。

3 類秋冬季暴雨前期廣西上空θse數(shù)值皆維持在較高水平，汛期暴雨的θse相對較低一點。 越臨近暴雨日臺風類和切變類的θse數(shù)值越大，與之不同的是， 副高邊緣類暴雨的θse值雖然前期也一直增大，但其在暴雨當天則略有減小。 對比3 種類型暴雨當天的Δθse和850 hPa 的θse發(fā)現(xiàn)（圖7），臺風類最高，即不穩(wěn)定能量最強，切變類次之，副高邊緣類最低。說明廣西低層的不穩(wěn)定能量在暴雨前期已經不斷積累，這也是暴雨形成的一個潛在條件。

圖7 Δθse（陰影）與850 hPa θse 合成值（直線）（單位：℃）

秋冬季節(jié)， 臺風暴雨前期廣西區(qū)域Δθse＜0 ℃，說明廣西上空處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)， 在廣西西部Δθse＜-5 ℃，對流比較旺盛，至暴雨當日，臺風抵達廣西西南部沿海時，在有利的暖濕空氣配合下，不穩(wěn)定能量被迫抬升并釋放，形成暴雨。切變類暴雨的Δθse變化與臺風暴雨相似，在暴雨前期廣西上空的Δθse＜0 ℃，也為弱對流不穩(wěn)定層結，暴雨前1 d 到暴雨日廣西東北上空Δθse＞0 ℃，大氣是對流穩(wěn)定的，只有廣西西部Δθse＜0 ℃為弱對流不穩(wěn)定層結，說明秋冬季切變類暴雨過程中多數(shù)過程的對流性較弱。 而副高邊緣暴雨的Δθse在暴雨前2 d 至暴雨當日廣西上空Δθse＞0 ℃，這可能與逆溫有關，進一步分析110°E的絕對地轉動量（M）和位溫（θ）的垂直剖面[23]發(fā)現(xiàn)（圖8），廣西上空（22°～26°N）等M 線的斜率小于等于θ 線的斜率， 表明這類暴雨是由對稱性不穩(wěn)定引起的。

圖8 副高邊緣類沿110°E 的M-θ 的垂直剖面

秋冬季3 類暴雨的降水機制與汛期是一致的，即臺風類暴雨和切變類暴雨以對流性不穩(wěn)定機制影響為主， 而副高邊緣類暴雨則以對稱性不穩(wěn)定機制為主。

5 不同類型暴雨發(fā)生發(fā)展的動力作用機制

低空輻合、高空輻散有利于強降水的產生。秋冬季臺風類合成散度場顯示（圖9a），廣西上空850 hPa在暴雨前1 d 由輻散轉為輻合，并不斷增強，至暴雨當日，輻合中心強度增至15×10-6s-1，強的輻合容易形成上升運動。200 hPa 流場顯示暴雨前1 d 至當日廣西位于南亞高壓西側的分流區(qū)， 為反氣旋輻散流場； 高空急流位置東移后廣西位于急流入口的右側區(qū)域，進一步加強了高層輻散。 200 hPa 散度場表現(xiàn)出與流場演變相配合的特征， 暴雨當日南亞高壓在華南地區(qū)維持時，在廣西高空形成超過6×10-6s-1的正輻散中心，且與850 hPa 的輻合中心垂直，這種高層輻散在垂直方向上通過抽吸作用， 激發(fā)和維持廣西區(qū)域的上升運動，對降水有很大的貢獻。

圖9 3 類暴雨合成的散度場（a～c，陰影為200 hPa，線條為850 hPa，單位：10-6 s-1）、渦度平流（d～f，陰影為500 hPa，線條為850 hPa，單位：10-11 s-2）及90°～120°E垂直速度剖面（g：22°N，h：25°N，i：25°N，單位：10-2 hPa·s-1）

相比之下， 秋冬季的切變類暴雨和副高邊緣類暴雨無論是低層輻合還是高層輻散都比臺風類暴雨要弱得多（圖9b、9c），但在整個廣西區(qū)域也存在明顯的低層輻合與高層輻散相疊加的結構， 有利于暴雨的產生。而與汛期暴雨的輻合輻散相比，各類秋冬季暴雨散度絕對值要稍大一點， 說明秋冬季暴雨的動力條件比汛期暴雨要強。

合成秋冬季3 類暴雨發(fā)生當日500、850 hPa 位勢高度上渦度平流（圖9d～9f）可知，500 hPa 正渦度平流和850 hPa 負渦度區(qū)都與暴雨落區(qū)分布呈現(xiàn)很好的對應關系，即在廣西區(qū)域低層呈負渦度平流，高層為正渦度平流。 根據(jù)ω 方程，渦度平流隨位勢高度增加有利于產生上升運動和激發(fā)暴雨災害性天氣，這也是形成暴雨的一個強信號。與切變類和副高邊緣類暴雨較相比， 無論是低層負渦度平流還是高層正渦度平流，臺風類暴雨都要強得多。暴雨期間低層均為負渦度平流加強，反氣旋性環(huán)流加強，高層均為正渦度平流加強，氣旋性環(huán)流加強，這種高低空配置有利于形成強上升運動進而觸發(fā)暴雨天氣。此外，3 類暴雨在廣西的渦度平流都隨高度增加， 其中臺風類最強、切變類次之、副高邊緣類最弱。 汛期暴雨亦是如此，但渦度平流稍弱，這也說明了秋冬季暴雨的動力條件比汛期暴雨要強。

由秋冬季暴雨合成垂直速度沿90°～120°E 的緯向剖面圖（圖9g～9i）可知，各類暴雨在廣西區(qū)域的上升速度都很強，均超過了0.2×10-2hPa·s-1，且上升的高度都超過了200 hPa，其中臺風類、動變類的最強上升速度在850 hPa 上下， 而副高邊緣類的最強上升速度位于500～600 hPa， 這與主要影響系統(tǒng)相對應。 這種強上升運動為暴雨的發(fā)展提供了充分的動力保障。除了臺風類暴雨外，另兩類暴雨在汛期的上升速度要稍小一點， 再一次證明秋冬季暴雨的動力條件比汛期暴雨要強。 500 hPa 以下垂直速度隨著高度增大， 這將會使得等M 面的坡度更小（圖8），因此容易產生對稱不穩(wěn)定[24]。

6 結論

廣西秋冬季暴雨的形成機制與汛期暴雨基本相同，但也有所不同。 主要結論如下：

（1）按天氣學分型，廣西秋季暴雨可分為3 類：臺風類、切變類和副高邊緣類。其中臺風類和切變類暴雨發(fā)生次數(shù)最多，且主要出現(xiàn)在9—10 月，副高邊緣類暴雨最少，時間分布比較均勻。

（2）環(huán)流形勢上高層都有高空急流，但臺風類的高空急流要偏北一些， 切變類和副高邊緣類的則要偏南一些，致使廣西處于分流區(qū)；中層在暴雨期間，前兩者副高減弱東退，而第三者副高是加強西伸；低層主要影響系統(tǒng)存在明顯的差異。

（3）水汽源地不盡相同。3 類暴雨具有南海這一共同水汽源地，此外，臺風類暴雨的源地還有西太平洋和孟加拉灣，孟加拉灣是切變類另一源地，西太平洋則是副高邊緣類的另外源地。 3 類暴雨的相對濕度都很高，其中臺風類水汽通量最大，輻合最強，副高邊緣類次之，切變類相對較弱。

（4）3 類暴雨在形成暴雨過程中廣西低層大部地區(qū)由暖平流控制， 且這種暖平流的控制范圍隨高度增加而增大， 其中臺風類暖平流最強， 切變類次之，副高邊緣類較弱。

（5）臺風類暴雨和切變類暴雨具有風速和風向的輻合，副高邊緣類以風速輻合為主。暴雨形成機制也不同， 臺風類暴雨和切變類暴雨以對流性不穩(wěn)定機制為主， 副高邊緣類暴雨則以對稱性不穩(wěn)定機制為主。

（6）秋冬季暴雨與汛期暴雨的主要影響系統(tǒng)位置稍有差異，無論是水汽條件，還是動力條件，秋冬季暴雨比汛期暴雨的要求都要嚴格。 其中副高邊緣類暴雨500 hPa 氣流有所不同， 秋冬季暴雨為東南氣流影響，汛期暴雨為西南氣流影響，其水汽源地也略有不同，在汛期還多了一處孟加拉灣水源地。