張佳華, 羅亞麗,2,, 高艷宇, 肖天貴, 張 宇, 陳楊瑞雪

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院 四川 成都 610225;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;3.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

0 引言

華南前汛期(4-6月)是東亞季風(fēng)主雨季的第一階段,其間華南地區(qū)強(qiáng)降雨頻發(fā),累積降水量占當(dāng)?shù)啬昕傆炅康囊话隱1-2]。華南沿海的珠江三角洲城市群地區(qū)小時(shí)極端降水(小時(shí)雨量超過第95 百分位)發(fā)生頻次呈升高趨勢[3],有時(shí)會發(fā)生特別極端的短時(shí)強(qiáng)降水,如著名的廣州“5·7”事件:2017年5月17日廣州市錄得最大小時(shí)降水量219 mm、最大3 小時(shí)降水量383 mm,導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)害和損失[4]。

大尺度天氣系統(tǒng)影響下,極端短時(shí)降水的產(chǎn)生與濕對流的活動、中尺度組織模態(tài)及強(qiáng)降水對流內(nèi)部的動力結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。對流單體排列起來形成一條β中尺度強(qiáng)回波帶,如果其移動方向與單體排列方向幾乎平行,則容易在幾小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)降水[5-6]；多條中尺度強(qiáng)回波帶準(zhǔn)平行地排列起來、緩慢移動,10 h左右可產(chǎn)生400 ～500 mm極端降水[7-9]。美國大約50%極端小時(shí)降水(＞75 mm/h)與鑲嵌在中尺度對流系統(tǒng)(MCS)內(nèi)部的γ-中尺度渦旋有關(guān)[10],在造成休斯頓2016年4月18日洪澇災(zāi)害的極端降水事件中,γ-中尺度旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動力加速對產(chǎn)生最大的累積降水有重要貢獻(xiàn)[11]。數(shù)值模擬研究表明,在相同的熱力條件下,強(qiáng)的低空(0 ～1 km)垂直風(fēng)切變(VWS；約15 m/s)會產(chǎn)生強(qiáng)的低層γ-中尺度旋轉(zhuǎn),強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的非線性動力垂直加速作用在低層超過浮力加速,造成低層更多水汽被吸入抬升,顯著提升模擬的“點(diǎn)最大”雨量和面雨量[12]。

中國也觀測到極端小時(shí)降水有時(shí)伴隨低層γ-中尺度旋轉(zhuǎn),如廣州“5·7”事件的最強(qiáng)小時(shí)雨量伴隨一個較淺的γ-中尺度渦旋[13-15],東北地區(qū)一次降水事件中錄得96 mm/h降水也跟一個直徑20 ～30 km的中尺度渦旋有關(guān)[16]。Zhang 等[17]分析2017年5月15日珠三角地區(qū)強(qiáng)降水事件,在極端小時(shí)降水站次最多的時(shí)候識別到一個弱的中渦旋(最強(qiáng)的方位角切變僅3.1×10-3/s),該渦旋生命期約54 min,始終維持在極端雨強(qiáng)區(qū)域內(nèi)部,在渦旋中心附近(距離約1 ～3 km)3個雨量計(jì)觀測6 min累積雨量達(dá)到峰值之后渦旋快速增強(qiáng),約12 min內(nèi)渦旋達(dá)到最強(qiáng),隨后,隨著極端雨強(qiáng)區(qū)域移走渦旋迅速減弱消亡。Zhang 等[17]將中渦旋強(qiáng)度偏弱歸因于弱的0 ～1 km VWS(4 ～5 m/s),并推測活躍的暖雨過程產(chǎn)生強(qiáng)的凝結(jié)潛熱釋放可以增強(qiáng)低層輻合從而對形成弱的渦旋有貢獻(xiàn),而渦旋與極端雨強(qiáng)區(qū)域并存時(shí)一定程度上促進(jìn)強(qiáng)降水的作用也不能排除。

關(guān)于東亞季風(fēng)區(qū)極端雨強(qiáng)與γ-中尺度旋轉(zhuǎn)的關(guān)系的認(rèn)識仍然十分有限,有必要從觀測角度進(jìn)一步弄清楚一些根本性的問題:在其他極端降水事件中是否也伴隨著低層γ-中尺度旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)度如何,在分鐘級時(shí)間尺度上中尺度旋轉(zhuǎn)與極端雨強(qiáng)的時(shí)空配置關(guān)系怎樣。

2020年5月21日夜間至22日清晨,珠江三角洲地區(qū)發(fā)生特大暴雨事件,廣州市最大累積雨量378.6 mm,百年一遇,小時(shí)降水最大值為153.2 mm/h,48 個地面氣象站錄得＞75 mm/h的極端小時(shí)降水(本文定義的EXHP),造成4 個中小河流水文站點(diǎn)水位超警戒,對廣州市造成極大的影響,4 人遇難,多個區(qū)域停水停電,大批車輛被淹。本研究聚焦在此次災(zāi)難性極端降水事件(簡稱廣州“5·22”特大暴雨事件),利用雨量計(jì)逐分鐘觀測、多普勒雷達(dá)逐6 min觀測,以及先進(jìn)的雙偏振雷達(dá)定量降水估計(jì)算法和定量識別中渦旋的方法,建立了分鐘-公里尺度分辨率的觀測數(shù)據(jù)集,結(jié)合再分析資料,分析此次事件發(fā)生的天氣背景、環(huán)境動熱力狀況、地面中尺度特征,以及與EXHP 相伴出現(xiàn)的γ-中尺度旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間等特征。通過對觀測事實(shí)的細(xì)致剖析,為將來深入探討東亞季風(fēng)區(qū)極端雨強(qiáng)與γ-中尺度旋轉(zhuǎn)之間的物理關(guān)聯(lián)奠定一定的基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

利用中國氣象局提供的地面氣象觀測站小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù),以及逐分鐘降水、溫度、風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù),分析廣州“5·22”事件的降水時(shí)空演變,及近地面中尺度冷池和輻合線等。廣東省地面氣象站的站間距離大多5 ～10 km,在城市群地區(qū)分布更加密集(圖1a)。

圖1 降水實(shí)況的時(shí)空分布圖和極端小時(shí)降水總站次的時(shí)空分布

廣州S 波段雙偏振雷達(dá)探測半徑約為230 km,徑向方向具有很高的分辨率,為250 m,每6 min完成一次體掃,共9 個掃描仰角。其基數(shù)據(jù)被用于定量降水估計(jì)(QPE)。采用基于衰減率和差分相移率(Kdp)的方法[18],與傳統(tǒng)采用雷達(dá)反射率和差分反射率的QPE方法相比,該方法能夠更準(zhǔn)確地反演強(qiáng)降水[19-20]。格點(diǎn)化QPE 數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為6 min,水平網(wǎng)格格距250 m,垂直方向0.5 ～15 km(間隔為500 m)。采用75 mm/h為EXHP 閾值,該閾值略大于2016-2021年4-9月珠三角城市群地區(qū)雨量計(jì)觀測的小時(shí)降水率累積密度函數(shù)的第99 百分位(73 mm/h；第99.9百分位為104 mm/h)。

利用ERA5 再分析資料(0.25°×0.25°,垂直37 層,逐小時(shí))分析降水事件的天氣背景。利用香港探空和清遠(yuǎn)探空資料計(jì)算與濕對流觸發(fā)發(fā)展和中渦旋形成關(guān)系密切的環(huán)境動熱力條件,如對流有效位能(CAPE)、0 ～1 km VWS、0 ～3 km風(fēng)暴相對螺旋度(SRH)。

1.2 識別渦旋

廣東雷達(dá)觀測的徑向速度被用于識別γ-中尺度渦旋(MV)。MV 在雷達(dá)徑向速度圖上表現(xiàn)為正負(fù)速度偶。目前國內(nèi)外還沒有形成基于雷達(dá)觀測的MV 的判別標(biāo)準(zhǔn),因此,本研究參考中氣旋判別標(biāo)準(zhǔn)[21-23]來識別中渦旋。首先判斷是否存在雷達(dá)觀測的徑向速度偶,進(jìn)而判斷是否滿足以下條件:旋轉(zhuǎn)直徑(最大徑向速度和最小徑向速度之間的距離)介于2 ～10 km,旋轉(zhuǎn)速度(最大徑向速度和最小徑向速度差值的1/2)達(dá)到或超過5 m/s。本文采用的最大直徑和最小旋轉(zhuǎn)速度對應(yīng)的最小切變值為0.001/s,這與Tang 等[24]統(tǒng)計(jì)中國南方γ-中尺度渦旋采用的切變閾值相一致。

采用計(jì)算機(jī)和人工判斷相結(jié)合的方法識別MV。首先對雷達(dá)徑向速度觀測進(jìn)行質(zhì)量控制,包括退速度模糊和九點(diǎn)中值平滑。定量識別渦旋的程序,參考以往研究[22,25-26],主要包括以下4 步:

(1)選取雷達(dá)觀測的分析區(qū)域。以某一EXHP 記錄所在的站點(diǎn)為中心,得到它與廣州雷達(dá)的徑向距離為R、方位角為ψ,對應(yīng)該EXHP 記錄的分析區(qū)域?yàn)镽±20 km、ψ±45°。

(2)識別“類型矢徑”。在分析區(qū)域內(nèi),尋找每個雷達(dá)相同徑向距離處具有速度值順時(shí)針方向連續(xù)增加的相鄰方位角的距離庫,直到速度值不再增加,構(gòu)成一維距離序列,稱為一個類型矢徑,要求角動量達(dá)到60 m·s-1·km或者切變值達(dá)到0.001/s。

(3)識別對稱的二維特征。將相鄰的類型矢徑組合在一起構(gòu)成二維特征,要求一個二維特征至少包含6 個類型矢徑,并且徑向尺度與方位尺度之比＜2。

(4)計(jì)算二維特征的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)中心和旋轉(zhuǎn)直徑,要求旋轉(zhuǎn)速度≥5 m/s,并且旋轉(zhuǎn)中心和EXHP記錄的站點(diǎn)之間距離＜10 km。

將上述方法應(yīng)用于最低的兩個掃描仰角(0.5°和1.5°)觀測數(shù)據(jù)。相同掃描仰角上,如果前、后2 個時(shí)次都識別出旋轉(zhuǎn),并且其中直徑較小的旋轉(zhuǎn)的中心位于直徑較大的旋轉(zhuǎn)的半徑范圍之內(nèi),則認(rèn)為前、后2 個時(shí)次的旋轉(zhuǎn)為同一個旋轉(zhuǎn)。連續(xù)出現(xiàn)至少3 個時(shí)次(即持續(xù)至少18 min)的旋轉(zhuǎn)被認(rèn)為是中渦旋。最后,對定量識別出來的渦旋逐一進(jìn)行人工檢查,進(jìn)一步排除由于雜波而造成的虛假渦旋。

2 降水概況、天氣背景與環(huán)境條件

廣州2020年“5·22”事件的降水發(fā)生在2020年5月21日17 時(shí)至22日10 時(shí)(當(dāng)?shù)貢r(shí)；LST),強(qiáng)降水集中在21日22 時(shí)至22日06 時(shí),此8 h累積降水達(dá)100 mm以上的站點(diǎn)分布在珠三角城市群北部及下游約60 km內(nèi)(圖1a),其中:黑色十字為累積雨量最大處,黑色三角為廣州雷達(dá)位置,兩個黑色正方形分別為清遠(yuǎn)、香港探空站位置,黑色矩形框?yàn)楸狙芯康膹?qiáng)降水關(guān)鍵區(qū)。8 h 累積降水量最大達(dá)到397.5 mm(東莞G1936 站)。從關(guān)鍵區(qū)平均的降水時(shí)間演變來看(圖1b),灰色柱表示關(guān)鍵區(qū)小時(shí)面雨量,折線為最大小時(shí)降水發(fā)生在22-06 時(shí)8 個站點(diǎn)的小時(shí)雨量。降水從21 時(shí)開始較明顯地增幅,01 時(shí)開始迅速增強(qiáng),02-03 時(shí)達(dá)到峰值,然后持續(xù)減弱,22日10 時(shí)關(guān)鍵區(qū)內(nèi)降水結(jié)束。從站點(diǎn)小時(shí)降水來看,在強(qiáng)降水集中發(fā)生的8 h 內(nèi), 共有48 站次觀測到＞75 mm/h 的 EXHP(圖1c),其中15 站次超過100 mm/h,最大的小時(shí)降水達(dá)到153.2 mm(02-03 時(shí)；東莞G1971 站)。選擇極端短時(shí)降水發(fā)生的8 h為重點(diǎn)分析時(shí)段。

圖2 是利用再分析資料得到的天氣背景場,圖2(a)、(b)表示500 hPa溫度(填色；單位:K),位勢高度(等值線；單位:位勢米)和水平風(fēng)場(風(fēng)羽；單位:m/s)分布情況；圖2(c)、(d)為850 hPa相當(dāng)位溫(等值線；單位:K； 藍(lán)色實(shí)線為≤350 K 部分,橙色實(shí)線為≥355 K部分)和水平風(fēng)場(風(fēng)羽；單位:m/s；大風(fēng)速區(qū)(≥10 m/s)用填色表示)分布情況；圖2(e)～(f)為925 hPa比濕(藍(lán)色等值線；單位:g/kg；只顯示了高比濕區(qū)(18 ～20 g/kg)),相當(dāng)位溫(填色；單位:K),散度(紫色等值線；單位:-5×10-5/s；只顯示了輻合區(qū))和水平風(fēng)場(風(fēng)羽；單位:10 m/s)分布情況?？梢钥吹?極端降水發(fā)生時(shí),關(guān)鍵區(qū)位于500 hPa槽后(圖2a,b),風(fēng)向西北,風(fēng)速約10 ～13 m/s,588 dagpm位勢高度等值線準(zhǔn)東西向分布于20 °N ～25 °N,關(guān)鍵區(qū)位于暖區(qū),溫度水平梯度小。850 hPa(圖2c,d)有一條西南—東北走向的切變線,從廣西中部延伸到廣東北部,它向南移動進(jìn)入關(guān)鍵區(qū),強(qiáng)降水中心出現(xiàn)在850 hPa切變線南側(cè)的暖濕區(qū)(相當(dāng)位溫θe＞355 K),關(guān)鍵區(qū)上風(fēng)方存在西南風(fēng)急流帶,中心最大風(fēng)速超過12 m/s。925 hPa(圖2e,f)也有一條東北—西南走向的切變線,其位置相對850 hPa切變線略偏南,約02 時(shí)切變線進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)北部,沿著切變線存在明顯的暖濕帶(θe＞360 K)和輻合帶,關(guān)鍵區(qū)處于暖濕輻合帶的東段,925 hPa比濕超過18 g/kg。對流層低層沒有出現(xiàn)明顯輻散,故不存在以往研究發(fā)現(xiàn)的華南海岸線附近暴雨過程中邊界層輻合和對流層低層輻散的垂直耦合[27]?？傊?此次極端降水事件發(fā)生在夜間,強(qiáng)的低空西南氣流向著珠三角地區(qū)輸送暖濕空氣,與低空切變線有關(guān)的邊界層輻合提供了有利的抬升條件,關(guān)鍵區(qū)內(nèi)具備有利于濕對流發(fā)生和發(fā)展的動力抬升條件和暖濕不穩(wěn)定條件。

圖2 2020年5月21日21 時(shí)和22日02 時(shí)的天氣背景場

關(guān)鍵區(qū)內(nèi)的清遠(yuǎn)探空站位于強(qiáng)降水中心的西北邊,8 h累積降水不超過50 mm(圖1a),其21日20 時(shí)和22日02 時(shí)探空分別觀測到了降水即將發(fā)生時(shí)和降水影響后的大氣狀態(tài)；香港天文臺的2 次探空觀測則大致代表強(qiáng)降水對流上游的大氣狀況。20 時(shí)(圖3a、b),香港和清遠(yuǎn)上空的可降水量都超過70 mm(香港73 mm,清遠(yuǎn)79 mm),從近地面至500 hPa的溫度和濕度廓線接近重合,溫度露點(diǎn)差＜4 ℃,發(fā)生強(qiáng)降水的水汽條件十分充足；近地面空氣的對流有效勢能(CAPE)較高(香港2849 J/kg,清遠(yuǎn)3664 J/kg),對流抑制能量(CIN)均不超過10 J/kg(香港10 J/kg,清遠(yuǎn)3 J/kg),抬升凝結(jié)高度(LCL)和自由對流高度(LFC)都較低(距地面不到400 m),有利于強(qiáng)降水對流的觸發(fā)和發(fā)展。02 時(shí)(圖3c,d),清遠(yuǎn)上空明顯受到了降水影響,盡管PW 仍然維持極高(81 mm),400 hPa以下大氣幾乎飽和,但是CAPE 顯著下降,CIN、LCL 和LFC 都大幅升高,熱力條件難以支撐對流發(fā)展維持,且觸發(fā)對流的動力抬升要求卻提升了；而處于強(qiáng)降水上游的香港探空仍然顯示PW 極高、濕層深厚、CAPE大、CIN 小、LCL 和LFC 極低的特點(diǎn),表明邊界層入流空氣仍然具備有利于強(qiáng)降水對流維持發(fā)展的熱力條件。當(dāng)?shù)涂涨凶兙€南移掃過關(guān)鍵區(qū)(大約08 時(shí))之后,整個關(guān)鍵區(qū)內(nèi)的動、熱力條件不再利于對流維持(圖略),此次降水過程結(jié)束。

圖3 香港和清遠(yuǎn)探空

3 對流演變與地面中分析

圖4 是2020年5月21日22 時(shí)至5月22日05 時(shí)逐時(shí)雷達(dá)組合反射率(填色；單位:dBZ),地面10 m高度的水平風(fēng)場(箭頭；單位:m/s)和地面2 m高度的位溫場(紅色等值線；單位:K)分布情況。其中黑色方框?yàn)殛P(guān)鍵區(qū),黑色小圓圈表示以該時(shí)刻為起始的一小時(shí)內(nèi)發(fā)生EXHP 的站點(diǎn)位置,藍(lán)色粗短線表示地面切變線。如圖4所示,從大約22 時(shí)00 分開始,關(guān)鍵區(qū)內(nèi)超過50 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)域逐漸匯聚,約23 時(shí)00 分呈現(xiàn)準(zhǔn)團(tuán)狀,其南邊界與來自南海北部的偏南暖濕氣流相連,強(qiáng)回波區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)EXHP 及與降水蒸發(fā)冷卻有關(guān)的偏東北風(fēng),風(fēng)速最大不超過5 m/s,沒有形成組織化的強(qiáng)出流,在偏南氣流的北緣附近偏北風(fēng)極弱,但是形成一條明顯的中尺度切變線,沿切變線為位溫梯度的相對大值區(qū)(約0.05 K/km),即較弱的中尺度鋒區(qū),EXHP 主要出現(xiàn)在切變線附近。隨后幾小時(shí),上述地面中尺度特征仍然清晰可見,弱的中尺度鋒區(qū)與強(qiáng)回波區(qū)域一起緩慢地向南移動,移速不超過10 km/h,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中國東部颮線的平均移速[28](約54 km/h)。強(qiáng)回波的移速緩慢有利于產(chǎn)生EXHP 和極端的累積雨量,顯然這與中尺度冷出流較弱直接有關(guān),而冷出流不強(qiáng)則主要由于關(guān)鍵區(qū)內(nèi)大氣極為潮濕、濕層深厚(圖3),不利于發(fā)生強(qiáng)的雨滴蒸發(fā)冷卻進(jìn)而形成強(qiáng)下沉氣流和地面中尺度冷高壓。

圖4 2020年5月21日22 時(shí)至22日05 時(shí)逐小時(shí)雷達(dá)組合反射率,地面10 m 水平風(fēng)場和地面2 m 位溫場分布

利用地面自動站逐分鐘觀測,分析EXHP 站點(diǎn)逐5 min積雨量、2 m溫度和10 m風(fēng)的時(shí)間演變,作為例子給出3 個EXHP 站的情況(圖5)。當(dāng)站點(diǎn)上觀測到降水,風(fēng)向由偏南轉(zhuǎn)偏北,溫度驟降大約2 K,降溫幅度僅為華南前汛期一次颮線個例[29]的一半,而江淮地區(qū)35 次颮線過境造成的平均降溫大約為6 K[30]；降水持續(xù)過程中,風(fēng)向以偏北為主,有時(shí)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)或東南風(fēng),偏北風(fēng)影響時(shí)溫度緩慢降低,偏南風(fēng)影響時(shí)溫度略有回升；當(dāng)降水基本停止、雨強(qiáng)極弱時(shí),基本靜風(fēng),溫度維持較低。整個過程中,10 m 風(fēng)速基本沒有超過5 m/s。

圖5 3 個代表性EXHP 站點(diǎn)的5 min 累計(jì)降水量(綠色)、2 m 溫度(橙色)和10 m 風(fēng)(僅顯示風(fēng)速＞1 m/s)22 時(shí)至06 時(shí)的逐5 min 時(shí)間演變圖

上述分析結(jié)果一致表明,此次事件中極端降水產(chǎn)生的近地面降溫幅度小、冷池及其出流均很弱,冷空氣與暖濕偏南氣流對峙交匯,較弱的中尺度鋒區(qū)處暖濕空氣沿等熵面上升,在200 ～300 m高度就發(fā)生凝結(jié),并達(dá)到自由對流高度,對流得以持續(xù)發(fā)展且位置少動,產(chǎn)生EXHP 和特大暴雨。

4 γ-中尺度旋轉(zhuǎn)特征

在上述有利于發(fā)生強(qiáng)降水的大尺度環(huán)境條件和對流反饋形成的近地面準(zhǔn)靜止中尺度鋒區(qū)作用下,自動氣象站(AWS)錄得總計(jì)48 站次EXHP,其中36 站次(75%)伴隨有γ-中尺度渦旋,MV 總數(shù)為6,渦旋中心與至少一個EXHP 站點(diǎn)的距離不超過10 km。按照MV 出現(xiàn)的時(shí)間先后,將其編號為MV-1 ～MV-6。本節(jié)將描述分鐘級時(shí)間尺度上,渦旋特征及其與極端雨強(qiáng)的時(shí)空配置。

MV 的強(qiáng)度、尺度、持續(xù)時(shí)間等基本特征見表1。本研究識別出與AWS 錄得的EXHP 相伴隨的5 個氣旋性渦旋和1 個反氣旋性渦旋,跟國際上統(tǒng)計(jì)中氣旋的強(qiáng)度[21]相比,它們的強(qiáng)度整體偏弱,僅一個渦旋(MV-4)的最大切變(4.5×10-3/s)超過弱中氣旋的強(qiáng)度閾值(約3.5×10-3/s),其余5 個渦旋的強(qiáng)度都為弱切變(最小1.6×10-3/s,最大3.0×10-3/s)；中渦旋的最大旋轉(zhuǎn)速度最小值為6.25 m/s(MV-1),最大值為11.50 m/s(MV-4),其次是9.25 m/s(MV-2),而廣州“5·7”事件中伴隨最大小時(shí)累積降雨(200 mm/60 min)的MV 的旋轉(zhuǎn)速度維持在大約12.5 m/s,強(qiáng)于本研究的MV。渦旋生命期內(nèi)的直徑介于5 ～10 km,最大直徑均超過9 km,平均直徑8.3 ～9.5 km。渦旋維持時(shí)間最短18 min,最長102 min,平均40 min。

表1 識別出的6 個中渦旋的強(qiáng)度、尺度、持續(xù)時(shí)間

以往國際上研究北美地區(qū)產(chǎn)生地面大風(fēng)的準(zhǔn)線狀對流系統(tǒng)內(nèi)部的低層中渦旋得出,強(qiáng)的低層VWS 和SRH 有利于強(qiáng)的水平渦度被扭轉(zhuǎn)為垂直渦度形成中渦旋,此外,風(fēng)暴系統(tǒng)產(chǎn)生的斜壓渦度被上升或下沉運(yùn)動扭轉(zhuǎn),地面摩擦產(chǎn)生的渦度被輸入發(fā)展中的低層中渦旋,以及科氏力增強(qiáng)氣旋性渦度也都是低層中渦旋的可能形成機(jī)制[31]?！?·22”事件的低層VWS 很弱,21日20 時(shí)和22日02 時(shí)香港探空、21日20 時(shí)清遠(yuǎn)探空顯示0 ～1 km VWS 僅6.5 m/s、4.4 m/s、3.4 m/s(22日02 時(shí)清遠(yuǎn)站探空受到降水影響,故不作討論),0 ～3 km SRH 為47 m2/s2、60 m2/s2、29 m2/s2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于美國伴隨中渦旋的極端小時(shí)降水(＞75 mm/h)的0 ～3 km SRH 平均值(約175 m2/s2[11])；并且,由于“5·22”事件降水產(chǎn)生的冷池偏弱,與其有關(guān)的斜壓渦度也不會強(qiáng)。因此,本研究個例的環(huán)境動熱力條件和降水的反饋特征(弱的雨滴蒸發(fā)冷卻)均不利于生成強(qiáng)的低層中渦旋,推測如此弱的中尺度旋轉(zhuǎn)的動力垂直加速作用可能不強(qiáng)[12]。

識別出的中渦旋持續(xù)時(shí)間最長的是MV-4,首次和末次出現(xiàn)的時(shí)間分別是01:00 和02:42。選取01:00-02:00,展示逐6 min渦旋與1 km高度雷達(dá)反射率因子、雷達(dá)QPE 結(jié)果、錄得EXHP 的AWS 觀測6 min累積雨量、以及地面切變線的空間配置(圖6)。圖6 中,第(i)列為1 km高度的雷達(dá)反射率因子(填色；單位:dBZ)、地面風(fēng)(箭頭；單位:m/s)和地面切變線(藍(lán)色曲線)的逐6 min 演變,其中,黑框表示第(ii)列和第(iii)列的繪圖范圍,黑色十字代表錄得EXHP 的AWS 位置,黑色三角形為雷達(dá)站點(diǎn)位置；第(ii)列表示0.5°仰角雷達(dá)QPE(灰色填色；單位:mm/h)和地面切變線(藍(lán)色曲線)逐6 min演變,其中,紅色圓圈表示對應(yīng)時(shí)刻中渦旋位置(中渦旋的切變值標(biāo)注在圓圈下方),圓點(diǎn)表示發(fā)生EXHP 的AWS 位置(彩色代表該站點(diǎn)錄得的對應(yīng)時(shí)刻過去6 min 累積降水量；單位:mm/h)；第iii 列表示0.5°仰角的徑向速度(彩色填色；單位:m/s)的逐6 min演變,其中,紅色圓圈表示對應(yīng)時(shí)刻中渦旋位置(中渦旋的切變值標(biāo)注在圓圈下方),黑色×符號表示01:00-02:00 錄得EXHP 的AWS 位置。圓弧分別代表距離廣州雷達(dá)30 km和60 km的位置。MV-4 首次出現(xiàn)時(shí),位于地面切變線的西段(圖6i-a),中尺度鋒區(qū)內(nèi)靠近暖濕偏南氣流一側(cè)(對比圖4d和圖6i-a),此處容易發(fā)生斜壓渦度(盡管強(qiáng)度很可能不強(qiáng))被上升氣流扭轉(zhuǎn)而形成渦旋,同時(shí)這里也對應(yīng)著地面西南風(fēng)、南風(fēng)、東南風(fēng)匯聚的輻合中心(圖6i-a),拉升作用也有利于低層渦旋的形成和增強(qiáng)。隨后直到其消亡,MV-4與地面切變線一起緩慢南移,始終位于中尺度鋒區(qū)內(nèi),多數(shù)時(shí)候略微靠近地面偏南暖濕氣流一側(cè)(圖6i-a 至6i-k)。

圖6 22日01:00-02:00 伴隨中尺度渦旋的EXHP 個例相關(guān)觀測事實(shí)示意圖

從EXHP 的AWS 位置及其6 min累積雨量(圖6中間一列用彩色圓點(diǎn)表示)來看,強(qiáng)的6 min累積雨量大多數(shù)時(shí)刻并不在MV-4內(nèi)部或10 km距離之內(nèi),二者的空間相關(guān)性不高,例如,01:54 之前,在地面切變線東段附近沒有識別出中渦旋,但是卻產(chǎn)生了比較多的極端強(qiáng)的6 min累積雨量。逐6 min雷達(dá)QPE 提供了空間連續(xù)的雨強(qiáng)分布(圖6 中間一列用灰度表示),代表強(qiáng)雨強(qiáng)的高亮度區(qū)域在大多數(shù)時(shí)刻并不與渦旋位置重合,這也說明中渦旋不是產(chǎn)生“5·22”事件中EXHP的6 min累積雨量大值的關(guān)鍵因素。雖然,在二者重合度較高的少數(shù)時(shí)次(圖6ii-k),不能排除低層中渦旋的動力垂直加速作用一定程度上可能促進(jìn)了低層上升運(yùn)動,進(jìn)而提升了局地降雨率。

6 個中渦旋中持續(xù)時(shí)間第二長的是MV-2,共60 min(首次出現(xiàn)于00:00,最后于00:54)。與MV-4類似,MV-2 生命期的大多數(shù)時(shí)刻都位于地面中尺度鋒區(qū)內(nèi),偏南氣流前緣,偏南風(fēng)、東南風(fēng)、偏北風(fēng)匯聚的輻合中心(圖7i-a 至圖7i-j)；MV-2 與6 min累積雨量的大值區(qū)有時(shí)重合靠近(圖7ii-a,7ii-b,7ii-e),有時(shí)分離較遠(yuǎn),空間相關(guān)性不高。其余4 個中渦旋維持時(shí)間短(3 個18 min,另1 個24 min),強(qiáng)度相對MV-4和MV-2更弱(表1),它們有些出現(xiàn)在地面中尺度切變線附近,有些位于遠(yuǎn)離切變線的強(qiáng)回波區(qū)域內(nèi),與6 min累積雨量的大值區(qū)空間相關(guān)性不高(圖略)。

圖7 22日00:00-00:54 伴隨中尺度渦旋的EXHP 個例相關(guān)觀測事實(shí)示意圖

5 結(jié)論

東亞季風(fēng)區(qū)雨強(qiáng)大,華南前汛期小時(shí)累積雨量達(dá)到100 mm左右并不罕見,但是,與極端短時(shí)降水相伴隨的低層γ-中尺度渦旋特征和作用仍認(rèn)識不清。2020年5月21日夜間至22日清晨珠江三角洲地區(qū)發(fā)生造成嚴(yán)重災(zāi)害的特大暴雨事件,即廣州“5·22”事件,本研究利用地面AWS 逐分鐘降水、氣溫和風(fēng)向風(fēng)速觀測,廣州多普勒雷達(dá)逐6 min基數(shù)據(jù),香港、清遠(yuǎn)高空觀測站的探空觀測,以及0.25°×0.25°ERA5 再分析資料,采用先進(jìn)的雙偏振雷達(dá)定量降水估計(jì)方法,并借鑒中氣旋識別方法建立了定量識別中渦旋的方法,分析廣州“5·22”事件的多尺度特征與成因機(jī)制,包括天氣尺度背景、地面中尺度特征、中尺度環(huán)境動熱力狀態(tài),以及伴隨EXHP 的低層γ-中尺度渦旋。主要結(jié)論如下:

(1)本次特大暴雨過程的雨強(qiáng)極端。21日22 時(shí)至22日06 時(shí),共有48 站次觀測到＞75 mm/h的EXHP,其中15 站次超過100 mm/h,最大的小時(shí)降水達(dá)到153.2 mm(02-03 時(shí)；G1971 站),8 h累積降水量最大達(dá)到397.5 mm。

(2)主導(dǎo)天氣尺度系統(tǒng)為低空切變線及其南側(cè)強(qiáng)勁的暖濕西南氣流,沿切變線南側(cè)存在輻合抬升,來自南海北部的空氣CAPE 大、CIN 小、LCL 和LFC 低,為濕對流觸發(fā)和發(fā)展提供了有利的環(huán)境動、熱力條件；PW 超過70 mm的深厚的潮濕大氣中,降水產(chǎn)生的近地面弱偏北氣流和來自熱帶洋面的偏南氣流對峙交匯,形成準(zhǔn)靜止的中尺度鋒區(qū),發(fā)揮穩(wěn)定的中尺度抬升機(jī)制,強(qiáng)降水對流得以維持。

(3)48 站次EXHP 中36 站次(75%)伴隨γ-中尺度渦旋。共識別出6 個低層中渦旋,僅1 個達(dá)到弱中氣旋的切變強(qiáng)度,與廣州“5·7”事件伴隨最大小時(shí)累積降雨的中渦旋的旋轉(zhuǎn)速度大致相當(dāng)(11.5 m/s對比12.5 m/s),其余5 個渦旋均為弱切變強(qiáng)度,渦旋強(qiáng)度弱的主要原因歸結(jié)為弱的0 ～1 km VWS 和0 ～3 km SRH,以及弱的雨滴蒸發(fā)冷卻形成的冷池較弱,導(dǎo)致斜壓渦度不強(qiáng)。中渦旋主要出現(xiàn)在地面切變線附近、降水蒸發(fā)冷卻產(chǎn)生的中尺度冷池的南緣、地面中尺度輻合中心,弱的斜壓渦度被上升或下沉氣流扭轉(zhuǎn)、輻合拉伸作用都是渦旋形成的可能機(jī)制。

(4)盡管不能排除低層中渦旋的動力垂直加速作用一定程度上可能促進(jìn)了低層上升運(yùn)動,進(jìn)而提升了局部的降雨率,但大多數(shù)時(shí)刻中渦旋與EXHP 的6 min累積雨量的大值沒有空間相關(guān),中渦旋不是形成EXHP 的關(guān)鍵因素。

未來可分析東亞季風(fēng)區(qū)更多的極端短時(shí)降水事件,包括華南、江淮、華北等子區(qū)域的事件,從個例剖析和大樣本統(tǒng)計(jì)角度,揭示與極端短時(shí)降水相伴的γ 中尺度旋轉(zhuǎn)的出現(xiàn)頻次、特征及其與極端雨強(qiáng)的關(guān)系。