肖柳斯，許歡，張華龍，涂靜

（1.廣州市氣象臺，廣東廣州 511430；2.廣東省氣象臺，廣東廣州 510640）

伴隨著南海夏季風(fēng)的爆發(fā)，端午節(jié)前后，廣東省極易出現(xiàn)大范圍、持續(xù)性的致洪暴雨，俗稱“龍舟水”［1］。連續(xù)多場暴雨使得廣東易發(fā)洪水、山體滑坡、城鄉(xiāng)積澇等災(zāi)害，“龍舟水”的預(yù)報預(yù)警是每年氣象應(yīng)急服務(wù)關(guān)注重點之一，也是亟待深入探索的方向［2］。韶關(guān)［3］、廣州［4］、揭陽［5］等地的“龍舟水”空間分布特征已得到充分研究，華南“龍舟水”可分3種優(yōu)勢降水型［6］，并存在明顯的大氣環(huán)流差異。對典型異常年診斷的工作也不少，如林良勛等［1］、王婷等［7］、谷德軍等［8］分析了2008年廣東“史上最強龍舟水”的氣候或天氣學(xué)成因；龐古乾等［9］對比了兩次“龍舟水”的雷達(dá)特征；錢維宏等［10］、陳金星等［11］總結(jié)了2020年“龍舟水”過程的擾動形勢及成因。

在氣候變暖背景下，極端天氣頻發(fā)，“龍舟水”呈現(xiàn)出雨日增多、雨強增強的新特點［12］，2022年“龍舟水”再現(xiàn)極端性，廣東省平均雨量顯著偏多，并呈現(xiàn)“北多南少”的異?？臻g分布型態(tài)。疊加周邊省份水體匯入，北江流域出現(xiàn)超100年一遇特大洪水，西江、韓江出現(xiàn)嚴(yán)重汛情。及時復(fù)盤異常個例，有助于加快認(rèn)識“龍舟水”的復(fù)雜機(jī)理，提高預(yù)報預(yù)警能力，提升對城鄉(xiāng)積澇、山洪等地質(zhì)災(zāi)害的防御能力。本研究旨在充分認(rèn)識2022年“龍舟水”期間的強降水特征和成因，分別從過程，日、小時和分鐘等多時間維度挖掘降水分布規(guī)律，對比平均環(huán)流場、水汽和熱力條件與氣候態(tài)的差異，提煉和分析異?！褒堉鬯钡某梢颍瑸榻窈蟆褒堉鬯边^程的預(yù)報提供參考。

1 資料與方法

1.1 雨量觀測數(shù)據(jù)說明及處理

2022年“龍舟水”時段為5月21日20：00—6月21日20：00（北京時，下同），觀測資料為廣東區(qū)域基本站和自動站2013—2021年3—9月的逐5 min雨量數(shù)據(jù)，其中小時、日和過程雨量由5 min雨量相加而得。為了保持統(tǒng)計樣本的均一性，對數(shù)據(jù)預(yù)處理：（1）每年都有觀測記錄的站點才納入統(tǒng)計；（2）5 min雨量超過50 mm的記錄作為異常觀測剔除［13］。極端小時（分鐘）雨強閾值定義為該站點的2013—2021年小時（分鐘）雨量的99.9百分位值，每個納入統(tǒng)計的站點均可計算對應(yīng)閾值。

1.2 ECMWF的再分析資料（ERA5）及處理

再分析觀測資料來源于歐洲中期天氣預(yù)報中心的再分析同化數(shù)據(jù)集（ERA5），地面要素空間分辨率為0.125°×0.125°、高空要素分辨率為0.25°×0.25°。氣候態(tài)為1992—2021年資料合成。

2 降水特征分析

2.1 過程和逐日降水

該次“龍舟水”過程，廣東省錄得平均雨量514.5 mm（圖1a），較歷史同期偏多54%，是繼2008年（612.6 mm）和2006年（572 mm）以來的第3多［1，14］。統(tǒng)計可知，廣東“龍舟水”的雨量自沿海向內(nèi)陸遞減，集中于3大暴雨中心附近［12］。但本輪“龍舟水”呈現(xiàn)“北多南少”的異?？臻g分布（圖1a），排名前10的站點均集中在粵北地區(qū)（圖1b），并且降水持續(xù)時間長，每日均有站點出現(xiàn)暴雨，5月7日錄得過程最大日雨量（308.4 mm／d）；過程中后期降水強度普遍增強，暴雨范圍顯著擴(kuò)大，12日起主雨區(qū)自南向北擴(kuò)展，13—21日大暴雨落區(qū)反復(fù)出現(xiàn)在粵北和珠三角北部地區(qū)。持續(xù)多日的強降水疊加周邊省份的江河水體匯入，北江、西江、韓江出現(xiàn)嚴(yán)重汛情，其中北江流域出現(xiàn)1915年以來最大洪水，粵北地區(qū)內(nèi)澇和山體滑坡等次生災(zāi)害嚴(yán)重。

圖1 2022年5月20日20：00—6月21日20：00累計雨量分布（單位：mm）（a）、累計雨量排名前10的站點分布（填色為排名序號）（b）

2.2 小時雨量

“龍舟水”期間廣東每個小時均有降雨，逐小時最大雨量所在的站點位置及量級分布（圖2a）顯示，最大時雨量達(dá)到短時強降水（20 mm／h）量級的時次高達(dá)81.5%，分布在全省各地，無顯著分布規(guī)律；量級達(dá)到極端程度（50 mm／h）的時次占26.4%，集中在廣東中部及粵東和粵西沿海地區(qū)；最大時雨量超過100 mm／h的站點分布在海岸線附近。

圖2 過程期間逐時最大雨量空間分布（單位：mm／h）（a）；短時強降水（＞20 mm／h）比例（%）（b）；極端小時雨量（＞50 mm／h）的頻次分布（c）；單站最大時雨量與2013—2021年極端降水閾值的正偏差（單位：mm）（d）

各站點短時強降水的占比統(tǒng)計顯示（圖2b），易發(fā)短時強降水（占比超過40%）的站點集中在沿海、珠三角中北部偏東地區(qū)和粵北中部地區(qū)，大致與廣東3大暴雨中心位置相吻合［12］，因此“龍舟水”過程期間，尤需關(guān)注短時強降水的出現(xiàn)概率高的站點，容易誘發(fā)山洪、內(nèi)澇等自然災(zāi)害。

出現(xiàn)極端短時強降水（＞50 mm／h）的站點中（圖2c），多數(shù)站點僅有1次，珠江口東西兩岸以及珠三角中北部至粵北中南部頻次更高（2～3次），頻次達(dá)到4～5次的站點集中在粵北、粵東沿海地區(qū)。利用2013—2021年時雨量的99.9百分位值指示單站的極端時雨強閾值［15］進(jìn)行對比，對比結(jié)果顯示，約15.2%的站點出現(xiàn)極端時雨強，部分站點甚至超過極端閾值30 mm以上（圖2d）。

2.3 分鐘級雨量

針對短時強降水統(tǒng)計分鐘級雨量分布特征（圖3a），隨著時雨量逐級遞增，高占比區(qū)的5 min雨量大小顯著增加，大量值的5 min雨量占比增加，小量值降水的占比減少。20～40 mm／h區(qū)間中，超過1／2的分鐘級雨量記錄小于2 mm（5 min），分鐘級雨量越大，占比越小，最大值不超過14 mm（5 min）。40～60 mm／h量級內(nèi)，雨量低于2 mm（5 min）占比顯著減少至29.6%，分鐘降水效率在4 mm（5 min）以上的記錄顯著增加，最大雨強不超過18 mm（5 min）。60～80 mm／h量級內(nèi)，4 mm（5 min）以下的降水比例顯著減小，占比最高的分鐘雨量介于4～8 mm（5 min），最強的分鐘雨量不超過20 mm（5 min）。小時雨量增加至80～100 mm／h時，占比最高的分鐘雨量進(jìn)一步增強至6～10 mm（5 min），10 mm（5 min）以上的分鐘雨量占比明顯增加。當(dāng)出現(xiàn)100 mm／h以上的極端強降水時，6～10 mm（5 min）的雨量占比仍最高，超過50%的分鐘雨量均集中在該區(qū)間內(nèi)，14mm（5min）以上分鐘降水的占比明顯提高。

圖3 時雨量＞20 mm／h的短時強降水的分鐘雨量分布（數(shù)字及填色為百分比（%））（a）和單站最大5 min雨量與2013—2021年極端降水閾值的正偏差（單位：mm）（b）

對比全省各站的5 min降水極值和極端閾值的差異（圖3b），接近40%的站點出現(xiàn)了5 min極端降水事件，超過1 h極端降水站次的2.5倍。中北部地區(qū)的站點最大雨量較極端降水閾值偏高幅度更大，短時效降水效率的大幅提高對中北部山區(qū)的城鄉(xiāng)積澇和地質(zhì)災(zāi)害防御帶來了更大難度。

3 環(huán)境特征分析

3.1 動力條件

圖4給出了對流層高（200 hPa）、中（500 hPa）和低層（850 hPa）2022年“龍舟水”期間的平均位勢高度場及其相對于30年氣候態(tài)的異常分布場。200 hPa上（圖4a）南亞高壓位置偏北，其北側(cè)的高度場較氣候態(tài)顯著偏高，在同緯度的西北太平洋上高度場偏低，平均位勢高度差偏大，東亞急流增強。廣東位于對流層高層偏強的西風(fēng)急流入口區(qū)的右側(cè)，有利于增強高層輻散，加劇垂直上升運動發(fā)展。500 hPa上（圖4b）中高緯度系統(tǒng)的經(jīng)向度偏高，東亞大槽向南加深，華南大部地區(qū)高度場偏低，此形勢與王娟懷等［12］得到的廣東“龍舟水”偏多年份的高度場特征相似。逐日的高度場演變表明，西風(fēng)波動頻繁影響華南北部地區(qū)，尤其是6月以后，西風(fēng)波動的影響頻率增加和強度增強，為華南北部暴雨的頻繁出現(xiàn)提供了有利的中層動力條件。另一方面，副高形態(tài)與廣東降水分布關(guān)系密切，5 880 gpm位勢高度線西伸至南海地區(qū)，南海中北部地區(qū)位勢高度較氣候態(tài)偏高，抑制廣東南部降水系統(tǒng)的發(fā)展，導(dǎo)致沿海降水強度相對較弱。中層的動力形勢促使廣東出現(xiàn)異于常年的“南少北多”的“龍舟水”分布態(tài)勢。850 hPa上（圖4c），受到偏強的中層副熱帶高壓向下發(fā)展的影響，南海東部至西北太平洋平均位勢高度場偏高，同時北部灣海域至華南大部地區(qū)低槽強度偏強，導(dǎo)致廣東上空東西方向上的平均位勢高度差較氣候態(tài)偏強，形成了更加密集的等位勢高度線，加強偏南氣流，海上暖濕氣流深入北上，輸送到較氣候態(tài)更北的地區(qū)，有利于華南北部暴雨發(fā)生。

圖4 2022年5月20日至6月21日期間的200 hPa（a）、500 hPa（b）、850 hPa（c）平均位勢高度場（等值線，單位：gpm）及其相對于氣候態(tài)的異常場分布（填色，單位：gpm）

從圖5a可見，2022年“龍舟水”期間，季風(fēng)急流中心向東向北擴(kuò)展，南海大部地區(qū)的西南偏南風(fēng)速顯著增強，海南島東西兩邊兩支雙低空急流共同匯入廣東地區(qū)，有利于加強該地區(qū)的低層動力條件以及邊界層的水汽輸送。同時，副熱帶高壓南側(cè)的偏東氣流較氣候態(tài)偏強，并且伴隨著中層副高偏西的異常分布特征，邊界層的偏東氣流向偏西方向發(fā)展，因此在南海及西北太平洋上共同存在異常偏強的西南、偏南和偏東氣流的匯入，為廣東地區(qū)持續(xù)性強“龍舟水”的發(fā)生提供了穩(wěn)定的輻合抬升運動背景以及增強邊界層水汽的輸入。

圖5 2022年5月20日至6月21日期間的925 hPa風(fēng)場（填色為風(fēng)速標(biāo)量，單位：m／s）（a）、925 hPa的u（b）和v（c）異常風(fēng)場分布（單位：m／s）

通過分解緯向風(fēng)（圖5b）和經(jīng)向風(fēng)（圖5c）及其與氣候態(tài)的差異可見，廣東上空這兩個方向上，風(fēng)速均較氣候態(tài)有所增強，孟加拉灣至南海北部的偏西風(fēng)顯著增強，有利于偏西季風(fēng)急流向東輸送，同時西北太平洋上副高南側(cè)的偏東氣流異常偏強，增強了東-西風(fēng)在華南上空的輻合強度，邊界層風(fēng)場的水平輻合對于水汽通量的輻合極為重要。而從經(jīng)向風(fēng)的差異（圖5c）來看，南海大部地區(qū)的偏南氣流顯著偏強，其偏強的幅度較氣候態(tài)可達(dá)到4 m／s，異常場的前沿輻合區(qū)位于華南北部地區(qū)，加強低層輻合抬升作用。

3.2 水汽輸送

暴雨的發(fā)生不僅需要強烈的上升運動發(fā)展，同時需要充分的水汽供應(yīng)。暴雨區(qū)的水汽供應(yīng)主要來源于邊界層的水汽通量輻合。925 hPa風(fēng)場和水汽通量時間演變圖（圖6a）顯示，5月20日開始，南海風(fēng)速逐漸增大，尤其偏南風(fēng)自南向北快速增強，27日達(dá)到過程第1次峰值。南海的水汽快速向大陸輸送，水汽通量在25°N附近達(dá)到最大，恰好27日為第1次降水峰值，全省具有南北兩條雨帶，與水汽通量大值區(qū)域相匹配，可見順暢的水汽通道為暴雨的加強提供了有利的條件。經(jīng)歷2 d的風(fēng)速減弱期之后，31日起偏南風(fēng)速快速增強，伴隨著水汽通量顯著增加，其中6月2—6日水汽通量大值區(qū)延伸至23°N—26°N，暴雨落區(qū)集中在粵北地區(qū)。其后隨著偏西分量增大，偏南風(fēng)量減弱，水汽通量高值區(qū)南落至20°N—24°N，廣東地區(qū)的雨帶整體南落。6月18—21日伴隨著偏南分量顯著增強，南海至廣東內(nèi)陸以順暢的偏南風(fēng)為主，水汽通量大值區(qū)再次向北推進(jìn)，水汽通量標(biāo)量值較前期顯著增強，中心值可達(dá)20 g·cm-1·s-1·hPa-1，該時段內(nèi)出現(xiàn)了“龍舟水”范圍最廣，強度最強的暴雨，主要落區(qū)集中在粵北地區(qū)，和水汽通量大值區(qū)位置吻合。

圖6 2022年5月20日20：00至6月21日20：00通過114°E的風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m·s-1）和水汽通量（填色，單位：g·cm-1·s-1·hPa-1）的時間變化（a）；平均水汽通量異常場分布（填色為其標(biāo)量，單位：g·cm-1·s-1·hPa-1）（b）；平均大氣可降水量（等值線，單位：kg·m-2）（c）；K指數(shù)（等值線，單位：℃）及其異常場分布（填色，單位：℃）（d）

2022年異常環(huán)流造成了“龍舟水”期間偏強的水汽輸送，20°N附近經(jīng)向風(fēng)輻合增強，同時邊界層偏南氣流異常偏強，極利于暖濕氣流向北輸送，水汽匯聚豐富，導(dǎo)致暴雨長時間在華南北部維持。925 hPa水汽通量矢量相對于氣候態(tài)的擾動場（圖6b）表明，南海上有2條水汽通量異常帶，其中西南水汽通量異常通道經(jīng)北部灣傳輸至華南北部地區(qū)，另一條偏南水汽通量異常帶位于副高邊緣，穿越海岸線深入廣東中北部大陸，擾動水汽通量達(dá)4 g·cm-1·s-1·hPa-1。在強盛的邊界層水汽供應(yīng)下，兩廣地區(qū)的平均可降水量達(dá)到60 kg·m-2，局部65 kg·m-2，超過氣候態(tài)6 kg·m-2，廣東北部地區(qū)甚至偏高8 kg·m-2（圖6c）。廣東大部地區(qū)平均可降水量值滿足我國短時強降水發(fā)生的充分條件［16］，有利于降水效率增長。充分的水汽供應(yīng)和本地極高的濕度條件為廣東（尤其是粵北及珠三角北部）地區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展提供有利的水汽條件。

綜上所述，暴雨落區(qū)和強度變化與水汽輸送的強度和中心位置密切相關(guān)，水汽通道的打通對于暴雨，尤其是粵北地區(qū)的暴雨發(fā)展起重要作用。該次過程由于水汽輸送強度較常年異常偏強，為長時間和高效率的“龍舟水”提供了有利的水汽條件。

3.3 不穩(wěn)定能量

暴雨往往伴隨著不穩(wěn)定能量的釋放，K指數(shù)綜合反映了中低層穩(wěn)定度條件，對本地暴雨的發(fā)生有較好指示意義，K值越大，越有利于降水發(fā)生［17］。“龍舟水”期間，華南大部地區(qū)K指數(shù)平均值達(dá)34℃，較氣候態(tài)偏高2℃以上，華南北部地區(qū)甚至偏高4～5℃（圖6d）。長時間的降水往往伴有不穩(wěn)定能量重建機(jī)制。如前所述，偏強的南海夏季風(fēng)攜帶大量暖濕空氣持續(xù)匯入到華南中北部，尤其在華南北部形成輻合，導(dǎo)致了持續(xù)的能量輸入，使得廣東上空形成高能高濕的不穩(wěn)定層結(jié)，中低層的不穩(wěn)定能量條件反復(fù)重建，過程期間平均不穩(wěn)定能量（K指數(shù)）顯著偏高，有利于暴雨落區(qū)能夠反復(fù)維持在相鄰區(qū)域。

4 結(jié)論

本研究詳細(xì)分析了2022年“龍舟水”期間各歷時強降水特征和異常環(huán)流特點，結(jié)果表明：

1）該過程具有“北多南少”的異?？臻g分布特征，降水持續(xù)時間長，后期的日雨量顯著增加，范圍擴(kuò)大，易發(fā)短時強降水的站點集中在沿海、珠三角中北部偏東地區(qū)和粵北中部地區(qū)，隨著時雨量逐級遞大，高強度的5 min雨量占比增加，小量值降水的占比減小。

2）短時雨強具有極端性，粵北和粵東沿海地區(qū)的部分站點多次出現(xiàn)50 mm／h的極端雨強，全省15.2%的站點時雨強超99.9百分位極端閾值，分布無顯著規(guī)律；接近40%的站點出現(xiàn)5min極端降水事件，中北部地區(qū)站點的最大雨量較極端閾值偏高幅度更大。

3）中高緯度系統(tǒng)的經(jīng)向性較氣候態(tài)更顯著，東亞大槽向南加深，華南北部頻繁受到西風(fēng)波動影響，具有穩(wěn)定的輻合抬升運動背景。西太副高活動偏西偏強，南海及西北太平洋上異常偏強的西南、偏南和偏東氣流同時匯入，邊界層水汽輸送強度異常偏強偏北，為粵北地區(qū)長時間和高效率降水提供了有利的水汽輻合條件，有利于廣東出現(xiàn)“南少北多”的異?！褒堉鬯狈植紤B(tài)勢。

4）偏強的南海夏季風(fēng)攜帶大量暖濕空氣持續(xù)匯入，在華南北部形成輻合，導(dǎo)致了持續(xù)的能量輸入，廣東上空形成高能高濕的不穩(wěn)定層結(jié)，中低層的不穩(wěn)定能量條件反復(fù)重建，有利于暴雨落區(qū)能夠反復(fù)維持在相鄰區(qū)域。