热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (6): 791-805  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.008
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引用本文  

曾智琳, 谌芸, 朱克云, 等. 2017年“5.7”广州特大暴雨的中尺度特征分析与成因初探[J]. 热带气象学报, 2018, 34(6): 791-805. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.008.
ZENG Zhi-lin, CHEN Yun, ZHU Ke-yun, et al. Mesoscale characteristic analysis and primary discussion on the formation of the 7 may 2017 torrential rainfall in guangzhou[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(6): 791-805. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.008.

基金项目

国家重点研发计划专项项目(2017YFC1502501);公益性行业专项(GYHY201206004、GYHY201406003);国家自然科学基金面上项目(41175048)共同资助

通讯作者

谌芸, 女, 四川省人, 研究员级高级工程师,主要从事中尺度天气研究,Email: chenyun@cma.gov.cn

文章历史

收稿日期:2017-11-26
修订日期:2018-09-13
2017年“5.7”广州特大暴雨的中尺度特征分析与成因初探
曾智琳 1, 谌芸 2,1, 朱克云 1, 李晟祺 3     
1. 成都信息工程大学,四川 成都 610225;
2. 国家气象中心,北京 100081;
3. 南京信息工程大学,江苏 南京 210044
摘要:2017年5月7日发生在广州北部的特大暴雨,局地性强,最大雨强达184.4 mm/h,3 h雨量突破了广东省历史极值,强降水持续时间长,具有明显的中尺度特征。特大暴雨有A区(花都)和B区(增城、黄埔)两个中心,它们在降水特点、地面中尺度特征及触发、对流的发展演变等方面各有特点。由于天气尺度强迫背景弱,数值模式无明显反映,给预报带来了很大的挑战。利用常规及加密自动站、多普勒雷达、风廓线、地基GPS等非常规观测资料,结合ERA-Interim 0.125 °×0.125 °逐6 h再分析资料重点分析和讨论了此次过程的中尺度特征、对流的触发与演变,以期为今后这类暴雨预报提供着眼点。结果表明:(1)此次过程突发性强,降水强度大,A区降水开始时间早,范围较B区小,但B区小时雨强更强,强降水持续时间更长;(2)次天气尺度边界层“7”字型的风压场形势下,脊后回流并加强的偏南风使暖层和湿层增厚,“下密上疏”的温度垂直结构,为强降水的发生提供了有利的环境条件。进入对流云中水汽质量无异常但产生了大量降水,极高的降水效率很可能是对流系统内部云水高效转化的结果,云的微物理过程在形成此次高强度的降水发挥着重要作用;(3)A区强降水发生前暖空气在山前堆积造成升温升压,东、西两支绕流广州城区的气流汇合并在工业区暖中心、山前暖空气堆积具有较高的对流边界层位置触发了对流;(4)B区强降水发生前持续降压并形成中尺度低压槽,A区中尺度对流系统前方入流造成的负变压,与地形强迫造成的风速辐合共同作用触发了B区对流。中尺度反气旋底部的偏北风与偏南、东南两支气流辐合稳定,使强降水长时间维持;(5)回波具有后向传播,垂直顶高低、质心低的热带对流回波特征,降水效率高。降水的拖曳下沉及蒸发冷却使边界层形成冷池,并与前侧暖湿空气相互作用,不断激发新的对流,冷池出流是持续抬升机制,是强降水持续时间长的重要原因。B区冷池厚度、暖湿气流爬升的高度与坡度比A区更大,冷池出流与暖湿气流辐合强度也比A区更强,造成B区雨强更强、持续时间更长,累积雨量更大。
关键词强降水    中尺度特征    触发与维持    β-MCS    冷池    
MESOSCALE CHARACTERISTIC ANALYSIS AND PRIMARY DISCUSSION ON THE FORMATION OF THE 7 MAY 2017 TORRENTIAL RAINFALL IN GUANGZHOU
ZENG Zhi-lin 1, CHEN Yun 2,1, ZHU Ke-yun 1, LI Sheng-qi 3     
1. Chengdu University of Information technology, Chengdu 610225, China;
2. National Meteorological Center, Beijing 100081, China;
3. Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
Abstract: A torrential rainfall that occurred on 7 May 2017 in Guangzhou was only in a small range, but the strongest rainfall intensity reached 184.4mm/h, and 3h precipitation broke the historical record of Guangdong province. The torrential rainfall lasted for a long time, with obvious mesoscale characteristics and two centers in region A(Huadu) and region B(Huangpu, Zengcheng). They had their own features in precipitation, surface mesoscale field, triggering mechanism and convection evolution. Due to unfavorable weather conditions and unsatisfactory capabilities of numerical models, forecasters were faced with a great challenge. With analysis and discussion of mesoscale convective system environment, triggering conditions and evolution to the torrential rainfall by using conventional data, encrypted automatic meteorological observations, Doppler weather radar, wind profile, ground-based GPS and ERA-Interim 0.125 °×0.125 ° 6h reanalysis data, it is shown as follows. Firstly, the torrential rainfall is characteristic of suddenness and high intensity. Precipitation started initially in region A, but hourly precipitation intensity in region B is stronger and precipitation duration is longer than that of region A. Secondly, atmospheric circulation in boundary layer of sub-synoptic scale is similar to the shape of '7', and vertical temperature gradient is dense at the low level but sparse at the upper level, a southerly thickens the warm layer and humid layer, being favorable for the torrential rainfall. Highly efficient precipitation is closely associated with efficient condensation inside of convective systems, despite lacking considerable water vapor inflow. Micro-physical processes of cloud played an important role in it. Thirdly, warm air accumulated in front of the hill lead to temperature and pressure rising before the rainfall in region A, and two warm air flows around Guangzhou city became confluent and were uplifted by the two warm centers with high convective boundary layer height, triggering the convection. Fourthly, pressure kept dropping and a mesoscale trough formed before rainfall in region B. The inflow to MCS of region A caused the pressure to drop in region B, and local wind speed convergence by the forcing of complex underlying surface was the main triggering mechanism in region B. Northerly wind from the mesoscale high pressure in region B was convergent with the southeasterly and southerly wind for a long time. Fifthly, backward propagation, low-echo top and low-echo-centroid resulted in highly efficient precipitation. A mesoscale cold pool was formed due to the drag and descent of rainfall and cooling from evaporation, and the outflow from the cold pool was the main uplifting mechanism for long-lived precipitation, which continuously generated convective cells. In region B, the cold pool is remarkably thicker and the warm-humid flow ascended higher on a larger slope than in region A, which is the reason why the duration was longer and the accumulated rainfall was larger in region B.
Key words: torrential rainfall    mesoscale characteristics    triggering and evolution    β-MCS    cold pool    
1 引言

广东前汛期暴雨是西风带系统与热带天气系统共同作用的结果,加之珠江三角洲(简称“珠三角”)城市群、密布的水网及低山丘陵等复杂下垫面因素,使暴雨业务预报难度很大,尤其是在弱天气形势背景下产生的暴雨,往往具有突发性、历时短和强度高的特点,容易因防御不及而引发严重内涝,威胁人民的生命财产安全。2017年5月7日凌晨到中午,广州突降大暴雨到特大暴雨,有7个自动站雨量超过250 mm,其中黄埔区九龙镇雨量达542.3 mm(00—14时),打破了广州有气象记录以来的日雨量极值,增城区新塘镇永宁街荔湖高尔夫球场3 h降水量382.6 mm,刷新了广东省3 h雨量的历史极值。本次强降水过程具有突发性、局地性、极端性和强降水持续时间长的特点,但由于天气尺度背景的前兆信号弱,数值模式及主观预报对此次暴雨过程预报效果并不理想,造成了广州多地严重内涝和经济损失,并引起了社会各界的广泛关注。

不少专家、学者对华南前汛期暴雨形势背景特征进行过统计和提炼总结[1-4],绝大部分暴雨都发生在高空槽前的不稳定区,有时配合有环流形势调整或中低纬天气系统的相互作用,但这些暴雨过程大多是区域性、持续性的,局地的暴雨有时在形势环流上表现不明显。研究表明,强降水分布的不均匀与各种物理量的中尺度特征密切相关,低层水汽输送、不稳定能量等的差异是造成暴雨落区具有局地性的关键[5-6]。不少专家学者对近年来的一些极端强降水个例进行了较深入的分析并试图找出一些异常因子,极端性暴雨常伴随水汽含量及其相关物理量因子的异常,可作为判断强降水的重要因子[7-8]。降水强度和降水持续时间是造成暴雨极端性的两个重要因素,数值模拟方法诊断台风暴雨的宏微观降水效率发现,降水强度与降水效率呈正相关,水成物粒子的转化对降水效率有重要影响[9],此次广州特大暴雨有许多科学问题有待斟酌研究。很多统计及个例研究都表明,降水持续时间长与后向传播、列车效应或锋面与暖区两个对流雨带合并,导致单体生命周期延长并反复生消有关[10-11]。前汛期广东的不稳定大气与水汽条件常处于时刻准备着发生暴雨的状态,暴雨是否出现并在何时何地出现,与触发条件密切相关。不少学者指出,冷空气入侵对华南暴雨起主要触发作用[12-13],而地形抬升,迎风坡对低层水汽的阻挡,喇叭口、向风敞开的谷地等对暖湿空气强迫抬升,并能在有利的地区诱生中尺度切变线、中尺度低涡,对暴雨有增幅作用[14]。广东与南海经向的海陆热力差异能驱动海陆风环流,使暴雨发生有日变化特征[15]。另外,重力波也是暴雨的一种触发机制[16-19],重力波的振荡传播是造成暴雨局地性、突发性的重要因素[20-21]

然而,目前已有的对突发性、极端性和局地性暴雨的发生发展、形成机制尚不完全清晰,数值模式对这类暴雨的预报能力依然十分有限,暴雨常被漏报。MCS在何种环境条件发生发展,对其过程特征及形成机理等方面的分析是这类暴雨预报的关键。2017年5月7日发生在广州北部的特大暴雨是这类暴雨的典型极端的个例,本文通过多种资料着重分析了此次过程的中尺度特征,并探讨暴雨的触发与维持机制,以期为这类暴雨预报提供思路与着眼点。

2 数据与资料

此次广州特大暴雨局地性强,降水落区集中,过程分析需要多源的数据资料,本文使用的数据资料可分为三部分。(1)ERA-Interim 0.125 °×0.125 °时间间隔为6 h的再分析资料,主要用于次天气尺度形势与环境场条件的分析。(2)地面与高空的常规观测资料,主要是地面国家级自动站逐小时观测及08时、20时两个时次的常规高空观测。(3)非常规观测资料,主要包括广东区域加密自动站、分钟雨量、广州多普勒天气雷达基数据、花都与深圳风廓线雷达、珠海地基GPS以及清远、河源、阳江和梧州的加密探空数据,以弥补常规观测资料对中尺度分析的不足。

3 过程概况与降水特点

2017年5月7日凌晨到中午(北京时,下同),广州局地突发特大暴雨,从降水量分布(图 1a)可见,14 h内250 mm以上的暴雨中心分布在面积仅为25 km2和50 km2的花都(A区)及黄埔、增城(B区)两个小范围区域内,强降水局地特征明显。A区雨量超过250 mm有3个自动站,主要降水时段在02—09时,雨强最强时段在02—04时(图 1b),花都区花东镇花都大道北站最大小时雨强为120.6 mm/h,降水开始时(02时)达100.1 mm/h,突发性很强。B区雨量超过250 mm的有4个自动站,主要降水时段在04—12时,其中≥50 mm/h的强降水时段长达5 h(05—09时),增城区新塘镇永宁街荔湖高尔夫球场站最大小时雨强达184.4 mm/h,为广东有气象记录以来小时雨强的次高值,3 h雨量382.6 mm,突破了广东省历史极值,整个过程持续时间超过12 h,期间在7日02—08时出现≥100 mm/h雨强的多达6站次,具有极端性。

图 1 2017年5月7日00—14时广州地区累积降水量(a)及花都区花山镇两龙墟(711059)、花都区花东镇花都大道北(713024)、增城区新塘镇永宁街荔湖高尔夫球场(713322)、增城区中新镇政府(711022)、黄埔区九龙镇金坑村(713229)、黄埔区九龙镇洋田村(713160)逐小时雨量(b)

A区强降水开始时间早、持续时间较B区短、范围较B区小,B区的强降水开始时间稍晚,持续时间长,累计雨量更大。A、B区的强降水具有差异和各自特点,本文将利用广东精细的观测资料,对引发两区强降水的中尺度对流系统(MCS)的触发及发展演变特征进行分析,探讨A、B区强降水产生的原因。

4 β-MCS的多尺度环境特征

此次暴雨发生前南支槽较弱,西太平洋副热带高压(以下简称“副高”)呈带状分布,强度较强、西脊点偏西,广州处于槽前副高北缘多波动的西风环流中,低层为南海弱反气旋北侧的偏南风控制,风速较小,暖式切变位于广州以北(图 2),大尺度环流形势对此次特大暴雨无明显的强迫信号。但是,在华南925 hPa以下的边界层特征及层结稳定度、中尺度环境场的湿度与水汽等条件中能捕捉到一些有利于暴雨发生的信息。

图 2 2017年5月7日02时500 hPa位势高度(等值线)与850 hPa风场 方框为发生特大暴雨的位置。
4.1 边界层“7”字型风压场

6日20时925 hPa华东有一弱的冷高压,其脊线经东南沿海伸到珠江口附近,冷空气在南岭以北堆积,高压西侧为T-Td≥8 ℃的相对干的区域,地面江南南部有弱静止锋活动。强降雨发生前,925 hPa到地面为北高南低、东高西低的气压场,形成“7”字型的边界层形势(图 3a等值线),与广东特定的“三合点”锢囚锋暴雨形势类似[2],在次天气尺度上广州属于弱辐合场,有偏北、偏东和偏南三股气流汇合。7日08时925 hPa过去12、24 h温压湿变化(图 3b)分析发现,广州以东过去12 h为弱正变高,而过去24 h存在明显的负变温,表明冷高压脊在减弱东移时,有冷空气向南渗透。随着冷高压脊东移,广州以东地区比湿下降,高压底部的偏东气流则使广州附近的比湿上升。

图 3 6日20时925 hPa形势和地面准静止锋(a),7日08时925 hPa 12 h、24 h变温(单位: ℃)、变高(单位: dagpm)和比湿变化(单位: g/kg)(b), 6日20时—7日04时深圳风廓线(c)及7日00时—08时花都风廓线(d) 等值线为等位势高度线(单位:dagpm), 圆点线区域内T-Td≥8 ℃, 点划虚线为高压脊, 双实线为暖式切变线, 方框为发生特大暴雨的位置。深圳风廓线经度114.00 °E, 花都风廓线经度113.23 °E。

深圳风廓线分析发现:6日20时后1 000 m以下由东南风逐渐转为偏南风,厚度变大,风速有所增强(图 3c箭头)。花都风廓线则从7日00时起低层由偏南风顺转为西南风(图 3d),A区和B区(113.3~113.7 °E)处于花都与深圳之间的风向辐合区,两支气流汇合能为A、B区对流的触发提供一定的动力条件,但这种次天气尺度风场形成的辐合并不能直接力证触发A、B区降水的根本原因,后文将通过加密自动站及雷达资料做更为细致的分析。

在边界层“7”字型的特定形势下,6日夜间到7日凌晨冷高压脊东移造成了沿海风向风速的变化,偏南风风速的增大及南风分量的增大与珠三角北部低山丘陵的交角近于垂直,对珠三角北部形成局地辐合有利。

4.2 层结特征对产生高效降水有利

强降水发生前,6日20时广东950 hPa θse呈北高南低分布,高θse舌从广西伸往广东西北部(图 4a),中心超过352 K,A、B区处在高θse舌边缘位置,介于346~349 K之间,表明近地层大气具有明显的暖湿性质,暖湿空气一旦遇到珠三角北部的中尺度地形的强迫容易出现停滞堆积现象,为局地强降水的发生提供较好的温湿条件。7日02时950 hPa风向由偏南风转为西南风(图 4b),故在6日20时—7日02时风向顺转期间,近地面冷高压东移减弱,从深圳以东回流到珠三角的东南气流具有相对“冷”的性质,本身的水汽条件较差,图 4a到4b,A、B区θse逐渐下降,但同时结合图 5c分析,A、B区降水发生前6 h,在偏南风上游的珠海GPS水汽和深圳TCWV均反映出水汽是增加的。因此,可认为偏南气流在回流并顺转过程中经过台湾海峡、南海东北部海面,近地层所携带的水汽逐渐增加,θse下降主要是回流气流相对较冷,导致温度下降造成的。回流气流具有相对“冷”的性质,取代A、B区附近原本相对“暖”的空气,风廓线反映出两股气流在深圳与花都之间的A、B区汇合,但实况在两股气流交汇附近并没有产生大范围的对流,表明回流的“冷”性回流气流逐渐变性,并不足以抬升暖湿空气形成对流。另外,在强降水发生前,A、B区的垂直方向一直存在强的θse梯度(图略),θse从地面到600 hPa递减,中低层有明显的对流不稳定,为对流的触发提供了有利的层结条件。

图 4 2017年5月6日20时(a)和5月7日02时(b)950 hPa假相当位温(单位: K)和风及6日20时—7日20时A区(黑线)、B区(灰线)950~700 hPa(虚线)和700~500 hPa(实线)温度差随时间变化(c, 单位: ℃)
图 5 6日20时(a)和7日02时(b)清远站探空及6日08时—7日14时珠海地基GPS反演TPW(整层可降水量)与ERA-Interim再分析资料深圳TCWV整层气柱水汽含量(c,单位:mm),6日08时—7日08时逐6小时22 ℃等露点线位置(d,单位: ℃) 方框为A、B区特大暴雨发生时段。

图 4c是A区和B区低层(950~700 hPa)与中层(700~500 hPa)的温差随时间变化,从强降水发生前(6日20时)到强降水开始出现(7日02时)低层的温差都明显大于中层,表明700 hPa以下的低层温度垂直递减率大,降水发生前的温度梯度垂直分布具有“低层密,中层疏”的特点,故对流在这样的温度层结下触发,有利于气块在低层出现强的垂直上升运动,潜热在低层快速释放,并形成高效的水汽凝结,对流在低空快速加强,这从后文雷达回波分析得到的强回波质心低得到印证。伴随着强降水的发生,低层的温差快速减小并低于中层,是近地层冷空气的回流以及A、B区强降水造成的蒸发冷却与空气下沉导致近地面温度下降的结果。

4.3 高湿环境与降水效率

此次特大暴雨3 h雨量打破了广东历史极值,如此高强度的降水是在何种环境条件下形成,与凝结及降水效率有关。降水率的大小与有效凝结率、低层比湿和云底的垂直上升速度有直接关系[22],它们对强降雨的发生有重要指示意义。中高层夹卷效应、低层水汽辐合及蒸发作用则是影响凝结率高低的主要因子,故相对湿度大、无干冷空气通过夹卷进入系统等有利于水汽的高效凝结。位于A区西北方向40 km的清远探空表明(图 5a5b),6日20时—7日02时探空温湿廓线由“上干下湿”的喇叭口形态转变为接近饱和的整层高湿状态,6日20时925 hPa以下的层结曲线接近干绝热状态、露点曲线的浅薄逆湿层在7日02时均消失,温湿层结的变化对暴雨发生的指示明显。另外,6日20时LCL、LFC分别为893.8 hPa、809.6 hPa,7日02时均降至1 005 hPa,接近地面,且CIN由80.8 J/kg降为0,故对流一旦触发,便能在很低的高度迅速发展。同时,温湿廓线的变化可知无冷空气活动,期间对流层中层为偏西风,A、B区位于清远下游,无明显干冷空气入侵,有利于形成高效的凝结率。

分析发现6日20时起A、B区东南偏南方向100 km的深圳、偏南方向120 km的珠海PWAT不断升高(图 5c),充沛的水汽随加强并顺转的偏南风涌向珠三角腹地,与7日02时清远探空深厚高湿结构建立对应,与此同时地面22 ℃等露点线6日14时起也不断北推,至7日02时达到最北(图 5d),显然强降水发生前6 h有明显增湿过程。另外,不少研究指出,对流有效位能适中,云底垂直上升速度越大,暖云层厚度(抬升凝结高度到零度层)越大,降水效率越高[23-24]。清远站探空发现,6日20时、7日02时CAPE分别为714 J/kg和529 J/kg,对流有效位能较小,零度层高度分别为4.79 km和4.93 km,零度层升高表明对流层中层有弱的暖平流活动,7日02时暖云层厚度达4.83 km,明显高于珠三角重大短时强降水的暖云层的普遍厚度4.1 km[25],环境大气层结有利于A、B区形成高的降水效率。

将降水效率R定义为到达地面的降水质量与进入云中的水汽质量之比,利用式(1)计算A区降水效率RA,其中Mp为地面降水质量,Mw为进入云中水汽质量。通过多普勒天气雷达对A区对流回波及速度的水平与垂直结构分析,7日02—03时A区≥40 dBz的对流回波平均呈椭圆状(图略),准东西向的长轴约23 km,准南北向的短轴约13 km,计算对流云面积接近2.3×107 m2。由于大气中的水汽主要分布在低层,绝大部分暴雨过程入流的水汽通量集中在700 hPa以下的低层[26-27],故式(2)利用ERA-Interim再分析资料对02时的低层积分水汽通量进行计算:

(1)
(2)

其中qpVp分别为该层的比湿、风矢量,取P=12(1000、975、950、925、900、875、850、825、800、775、750、700 hPa),结果可见A、B区位于珠江口附近的水汽通量高值区(图 6a),进入A区对流云的水汽质量FH为30 kg/(m·s),进一步可计算进入云中单位时间平均单位面积的水汽质量:

(3)
图 6 7日02时925 hPa风场与低层(1 000~700 hPa)积分水汽通量(a,单位:kg/(m·s)),7日05—06时B区新塘永宁街荔湖高尔夫球场(713322)垂直积分液态水含量(b,单位: 10 kg/m2)与分钟雨量(单位: mm)

而对流云下方7个自动站小时平均降水量为38 mm/h(02—03时),即有地面降水质量Mp为38 kg/(m2·h),得到A区降水效率RA为35.2%,Braham[28]通过大量统计得到带有闪电的对流云的平均降水效率为11%,A区比其高出三倍多。张端禹等[29]在华南前汛期暴雨环流的分型研究发现,4种暴雨类型的积分水汽通量FH基本都超过40 kg/(m·s),故进入A区对流云内的水汽质量Mw并无异常,但凝结并降落到地面的降水质量Mp却很大,这从侧面反映了对流系统内云滴向雨滴的相态转化效率可能很高,造成了A区局地出现了比较极端的雨强。同时应当指出,对流云内部尺度更小、更为复杂的云的微物理在如此高强度的降水中应当发挥重要作用,现有的探测手段依然很受限制,日后需要更丰富的观测数据开展深入研究。

图 6b为B区过程雨强最强的站点(713322,新塘镇永宁街荔湖高尔夫球场)在05—06时的分钟雨量,以及该站上空逐6 min多普勒雷达的垂直积分液态水含量(VIL)。分析发现VIL变化波峰与分钟雨量的波峰存在6 min左右的提前量(图 6d虚线),05时24分VIL突然涌升到105 kg/m2,随后在05时30分记录到4.8 mm/min的密集的降水。虽然VIL与分钟雨量二者在具体数值上不能直接建立线性对应关系,但业务上应当关注深厚湿层、深厚暖层环境条件下形成的强对流单体,回波顶高及质心都较低时,高VIL值一般是数浓度高、直径较小的水滴反射的结果,尤其是短临预报应重视层结不利于大冰雹产生时高VIL对产生局地极端短时强降水的可能性。

5 地面中尺度特征及对流触发 5.1 A区地面气象要素演变的三个阶段

花都整体地势北高南低,呈阶梯式向南倾斜,南部平原海拔低于50 m,北部为呈东西走向的倒“V”形的低山丘陵,属于广东北部九连山余脉,主峰海拔581.2 m的王子山位于A区北部(图 7a)。A区加密自动站的温、压、湿、风等气象要素的演变特征(图 7)可分为三个阶段。第Ⅰ阶段(6日20时—7日00时):珠三角地区偏南风加强,20时在广州城区附近形成一风速辐合线,并逐渐向北推,23时受阻于王子山而停滞(图 7a红色点虚线)。期间A区王子山南侧的自动站在21时起自南向北先后出现了0.5~1.7 ℃的小幅升温(图 7l红虚线框),偏南风加强伴有弱的暖平流向北输送,暖空气在王子山南侧堆积,密度增大,有0.5~0.6 hPa/h的升压(图 7k)。该阶段王子山丘陵区的自动站风速仅0~2 m/s,无固定风向,没有出现流向南部平原的山风。

图 7 A、B区地形位置和地面辐合线位置(a),7日00—08时逐小时地面温度场、风场和流场(b~i),02时地面气压场和风(j),A区地面自动站1 h变压(k, 单位: hPa)及自动站温度(l, 单位: ℃) 等值线为等温线,蓝色箭头线为流线, 黄色箭头为反气旋。褐色线为等压线,黄箭头为风向。

第Ⅱ阶段(7日00—04时):00时偏南风在广州城区与白云山丘陵的东、西两侧形成了明显绕流,两支绕流气流在A区南部汇合,此时对流已经开始触发降水,偏南风与偏东风在王子山南侧形成辐合线(图 7b黑色虚线),开始出现降水,由于王子山海拔较高,原本即为一冷中心(≤23 ℃),因南侧的降雨蒸发冷却,王子山的冷中心范围开始向南扩展。01时A区温度场表现为冷中心的温度槽向南凸,同时南侧的温度脊也向北凸,A区三个特大暴雨站(①②③)转为弱东北风(图 7c),与偏南风辐合,花山镇两龙墟(①)迅速出现100.1 mm/h的降水,A区降水开始进入最强时段。02时A区南部有一中尺度高压(图 7j),其南侧为一辐合线,东南入流使A区东南侧气压降低,形成一入流低压槽。03时风场辐合加强,降水蒸发冷却加上王子山冷中心使A区南北的温度梯度增加至4~5 ℃,冷中心形成的偏北风为2~6 m/s,略强于偏南风,花东镇花都大道北(③)出现了120.6 mm/h的雨强峰值,随着辐合线逐渐南压,04时A区等温线梯度疏散,辐合线移至A区以南,地面为低温区,降水开始减弱。该阶段地面降温降压,辐合线南移。

第Ⅲ阶段(7日04—08时):04—06时绕流广州城区的两支气流分离(图 7f),辐合线移至A区以南,A区地面仍为低温区,有弱东北风、正变压和弱变温,降水明显减弱。06—08时B区辐散出的一支东南风入侵到A区东南部,与东北风再形成辐合线(图 7h),07—08时A区花东镇花都大道北站的降水再度增强,连续2 h出现20~30 mm/h的雨强。

5.2 对流边界层抬升触发A区对流

地面自动站分析发现,6日22时暖湿偏南气流受阻于广州城区,产生了两支绕流气流,在下游的A区形成风向辐合,但此时降水并未发生,表明了风向辐合产生的动力作用比较弱,不足以直接触发A区对流,但汇合的两支气流使暖空气在王子山的山前堆积升温,加剧了A区边界层不稳定。位于A区以南的白云区人和镇属于工业与人口的密集区,23时20分气温仍在28 ℃以上,为一暖中心(图 8a实线框),由于低层无明显急流加之地面为暖中心,该处的对流边界层高度较高[30-31],暖湿偏南风受到弱的强迫抬升,23时18分该处开始形成了15 dBz的弱回波(图 8a虚线框),但未能形成降水。同时,暖空气堆积在王子山南侧也形成暖中心,抬高了对流边界层高度,23时54分当弱回波北移此处时突然加强,对流迅速加强至45 dBz以上,开始触发降水。因此,A区南侧的工业区暖中心及王子山对暖空气阻挡的共同作用,分别抬高了对流边界层高度,两支汇合的绕流气流受到抬升,触发了A区对流(图 8b)。

图 8 A区雷达回波位置与地形(a)和对流触发过程示意图(b) 灰色阴影区为地形, 实线框为白云区人和镇工业区, 虚线框为相应时间的雷达回波中心位置。
5.3 B区地面气象要素及中尺度系统的演变

强降水发生前,B区(图 7a~7d虚线框)地面自动站气温波动在0.4 ℃以内,无明显的风向变化,风速在0~4 m/s,但B区南部的两个自动站逐5 min气压持续下降(图 9a),2 h内均下降了1.2 hPa,该处逐渐形成一中尺度低压槽(图 7j)。同时,由于02时A区对流强烈发展,其地面辐合线向东伸至B区西北部(图 7d黑色虚线),使该处出现东北、东南风辐合,但未观测到降水。02时后东南气流开始加强并进入B区南部(图 7d蓝色箭头),B区开始出现降水。04—08时B区进入降水最强时段,期间降水物拖曳的下沉气流及蒸发作用使地面温度不断下降,B区内等温线变密集,南北温度梯度由原来的2 ℃增大至4 ℃,04时40分起B区四个特大暴雨站(④⑤⑥⑦)的西侧有一中尺度高压形成,直径15 km左右,风场反气旋辐散明显(图 7g7h9c),随后05—07时B区雨强达到峰值,位于该反气旋南部的荔湖高尔夫球场(⑦)连续出现184.4 mm/h、150.3 mm/h的雨强,该反气旋风场一直持续到08时(图 9b)。反气旋底部的偏北风与东南、偏南两支气流平均风速均为2~4 m/s,最大阵风也仅8~10 m/s,使辐合线一直维持在B区西南部(图 7f~7i黑色虚线),故辐合线北侧的站点≥50 mm/h雨强维持时间长达5 h之久(05—09时)。

图 9 B区南部地面自动站逐5 min气压(a,单位:hPa), B区④⑤⑥⑦特大暴雨站逐20 min风向风速(单位:m/s)及气温(单位:℃)(b),05时40分B区中尺度反气旋示意图(c) 灰色阴影区为地形,双实线为地面辐合线。
5.4 负变压与风速辐合触发B区对流

B区西部散乱分布有众多水平尺度0.5~2.0 km、海拔高度仅200 m左右的低矮丘陵,小尺度地形复杂(图 10a灰色阴影)。B区对流发生前,地面温度、风向风速等气象要素变化不明显,但受到A区中尺度对流系统的东南风入流作用,B区西部形成了中尺度低压槽(图 7j),并伴有局地负变压(图 9a),低槽负变压产生辐合上升,加之B区南部的东南风开始加强(图 7d),受到低山丘陵的下垫面摩擦而形成风速辐合,02时06分开始触发B区的对流(图 10a虚线圈)。因此,B区的对流是由A区中尺度对流系统的入流形成的负变压与B区地形强迫作用下近地层风速辐合共同触发(图 10b)。值得注意的是,有模拟研究[32]指出暴雨出现前3 h 950~850 hPa存在的浅薄稳定层满足低层重力波的传播,能促使暖区中低层的不稳定能量释放并产生暴雨。B区900~850 hPa在7日01时存在浅薄稳定层(图略),此时降水尚未开始,故A区的对流激发出的低层重力波是B区对流的一种可能的触发机制。B区对流的触发问题仍然有许多科学问题有待深入研究,日后应通过高分辨率的数值模拟作进一步探讨。

图 10 B区雷达回波中心位置及地形分布(a)和B区对流触发过程示意图(b) 灰色阴影区为地形, 虚线框为相应时间的雷达回波中心位置。
6 A、B区对流系统的组织演变与垂直结构 6.1 β-MCS组织与演变特征

中尺度对流系统(MCS)组织及演变过程直接决定着降水强度与持续时间,广州雷达演变过程(图 11)可见:A区在7日0时左右开始有明显对流发展,随后迅速增强到50 dBz以上的强回波,对流单体的层状云回波不断向东北方向扩展,是上升的降水粒子被中低层平均气流带离对流云区的结果,层状云与对流云的相对位置与Parker等提出的PS型[33]相似,强降水在对流云下方长时间维持极为有利。01时30分强回波呈单体形态发展为直径约25 km的中β尺度的MCS,03时30分前位置少动,形态稳定,造成了A区①③站连续2 h100 mm/h以上的强降水。03时30分后强回波逐渐向东偏南移动,靠近广州城区,两支偏南绕流气流的水汽输送分离,A区对流开始减弱。02时30分在A区东南侧的入流方向上B区的对流先是孤立发展,短时间内增强到50 dBz以上,随后多个单体组织形成B区的β-MCS,尺度范围不断扩大,04时48分与A区的β-MCS合并,随后B区降水开始进入最强时段。

图 11 广州0.5 °仰角雷达基本反射率演变 白色实线、虚线分别圈注A区和B区。

A区的β-MCS南移并入B区β-MCS后,05时30分强回波结构明显变密实,B区的回波由艳红向暗红演变,A区的回波则趋于减弱,这与东南暖湿气流集中流入合并后的β-MCS,提供热力和充足的水汽条件有关,是造成B区比A区雨强更强的原因之一。另外,A、B两区MCS单体的移动方向与700 hPa风向基本一致,但对流传播方向则与其接近相反,且新生对流的传播速度快于单体移动,整体具有典型的后向传播特征,且B区的这种特征比A区更明显,单体在同一个地方反复生消,导致了B区强降水长时间持续。

6.2 β-MCS垂直结构特点

结合加密自动站的分钟雨量资料,选取A、B区分钟雨强最强(A区:3.0 mm/min;B区:4.8 mm/min)时次的雷达回波剖面分析发现:A、B区50 dBz以上的强回波垂直高度较低(图 12b12f),都在5 km以下,最强回波区均处于零度层以下,具有热带海洋的低质心回波特征,期间地闪监测显示(图略),两区回波活动最强时段的闪电活动弱,仅捕捉到几个负地闪,表明强对流云团中冰相态粒子少,冰晶效应弱,暖云过程以液态水滴的碰撞合并为主,是形成高效率降水的重要原因之一。同时,A、B区强回波下方均有负速度区,与地面强降水区及温度较低区域(冷池)对应,A区冷池浅薄,厚度不足1 km,且负速度区与王子山附近低空负速度区并无连接(图 12c),表明A区强降水的维持与近地面冷池持续抬升暖湿气流有关,而近地面冷池的形成则是对流触发后产生降水蒸发冷却的结果。B区地面辐合线位于对流回波的南缘,沿辐合线方向(CD)剖面可见,负速度很弱且仅出现在0.8 km以下,呈正负交替的不连续分布,说明辐合线有南北气流的交汇。而沿入流方向(EF)剖面可见(图 12f),在2 km高度附近有一超过60 dBz的强核区,且回波有前伸悬垂的结构,对流强度明显比A区更强,其速度剖面的冷池厚度达2 km,前方与暖湿东南气流的速度辐合达20 m/s(图 12g)。由于东南暖湿气流稳定,与冷池出流的偏北风辐合,冷暖空气交汇位置少动,使新的对流单体在冷池南缘不断产生,B区强降雨稳定落在了辐合线北侧的冷池位置。B区冷池的垂直厚度、暖湿气流的爬升坡度与高度均高于A区,且B区最强的速度辐合达20 m/s,A区则只有10 m/s,故B区冷池出流与暖湿气流的辐合更强、更持久,使B区比A区雨强更强,强降水持续时间更长。

图 12 A区02:18雷达强度回波(a),过AB线雷达强度剖面(b),速度剖面(c)、B区05:30雷达强度回波(d),过CD线雷达速度剖面(e),过EF线雷达强度剖面(f)和速度剖面(g) 白色虚线框为王子山所处位置。
6.3 β-MCS的准静止性与维持机制

图 13给出了A、B区β-MCS的移动与传播,两区生成后的对流单体的移动方向与700 hPa风向基本一致,A区对流向南偏西方向新生传播,整个MCS则向东偏南移动。与A区不同的是,B区整个MCS向南偏西移动。关于强降水的为何能如此长时间维持这一问题,结合前文地面中尺度特征及雷达回波垂直结构进一步发现,A、B区最初的对流触发产生降水,降水粒子拖拽空气下沉及蒸发冷却使边界层冷池,冷池出流的偏北风不断抬升前方不稳定的暖湿空气,使南缘不断有新的对流被激发,而冷池与前侧暖湿空气温差并不大,只有2~4 ℃,而冷池出流风速与前方的暖湿气流风速差异也不大,均在2~6 m/s,故冷池前沿不能造成明显的出流大风,使暖湿空气被抬升的速度不至于太快,水汽上升过程中能充分凝结,产生密集降水。正是由于冷池出流与偏南风的风速相当,使β-MCS南移缓慢,尤以B区表现出的后向传播特征更明显。因此,边界层冷池与前侧暖湿空气这样的温度与风速对比,可能是使抬升机制能较长时间持续并稳定的原因之一,导致β-MCS具备了准静止性、移动缓慢的特点,强降水长时间并稳定地落在同一个地区,造成此次破纪录的极端降水。

图 13 A、B区β-MCS后向传播的示意图

关于边界层中尺度冷池对降水的维持机制,Davis等[34]、Xu等[35]在西南气流与地形对季风降水试验(SoWMEX/TiMREX)以及Wang等[36]和Wu等[37]在华南季风降水试验(SCMREX)期间对极端降水事件的中尺度研究也有类似的结论。因此,在无明显冷空气参与及天气尺度系统强迫,深厚暖湿层环境条件下,中尺度对流系统从局地触发到强烈发展,地面加密自动站与雷达资料能较好地揭示其过程表现出的长生命史、准静止性等特点的原因,以及其与边界层过程的密切关系,同化更多高时空分辨率的非常规观测资料到数值模式的初始场,将有助于提高对此类极端降水事件预报的能力与水平。

7 结论与讨论

(1) 此次特大暴雨是在弱天气背景下产生的,A区(花都)和B区(黄埔、增城)两个特大暴雨中心的降水特点、中尺度特征和触发及发展演变各有特点。边界层“7”字形风压场,回流的东南风与偏南风的风向辐合形成了次天气尺度上的辐合形势,“低层密,中层疏”的温度垂直分布、强降水前6 h大气明显增湿、深厚湿层与暖层的建立为形成高效率降水提供有利的环境条件。降水效率诊断表明,进入A区对流云的水汽质量未有异常但却产生了很大的降水质量,对流系统内高效的云水转化可能是产生极高降水效率的重要原因,但更为细致的云和降水的微物理过程仍有待深究。B区垂直积分液态水含量与数分钟后的降水增强有一定的关系。

(2) A区地面中尺度特征演变分三个阶段:强降水发生前,偏南风加强,辐合线受王子山阻挡停滞,暖空气堆积造成升温升压并抬高对流边界层高度;强降水期间,两支绕流气流在A区南部汇合后,在王子山南侧与偏东风形成辐合线,随后不断加强并南压,强降水蒸发冷却使王子山冷中心扩大,地面降温降压;强降水过后,地面为低温区,气压升高,辐合线南移,降水减弱。东、西两支绕流气流在A区南部形成风向辐合,受工业区暖中心较高的对流边界层抬升触发对流,形成弱回波,王子山南侧的暖空气堆积抬高了对流边界层,使触发后北移的弱回波迅速加强。

(3) B区强降水发生前,地面有持续稳定的降压,A区对流处于旺盛阶段,东南风的入流作用使B区形成中尺度低压槽,槽内负变压配合东南风受地形摩擦作用形成风速辐合的共同作用,触发了B区的对流。强降水期间,B区地面温度下降,南北温度梯度加大,并形成一个直径15 km左右的中尺度反气旋,风场上辐散明显,反气旋底部的偏北风与偏南、东南两支气流形成的辐合线稳定少动,导致B区强降水持续时长超过5 h。

(4) A、B区特大暴雨中心分别由两个β-MCS造成,垂直剖面反映出两个β-MCS具备顶高低、质心低的热带对流回波特征,是产生高效率降水的重要原因之一。A、B区对流触发降水后,使边界层冷池形成,冷池出流的偏北风与前方不稳定的暖湿空气辐合,对流系统南缘不断有新的对流单体被激发,新生对流传播方向与旧单体移动方向接近相反,造成β-MCS具有后向传播特征,尤其B区更明显,导致强降水具有很强的局地性。A区的β-MCS向B区β-MCS合并后加强,B区边界层冷池厚度、暖湿气流爬升坡度比A区的更大,且冷池出流与暖湿气流的辐合强度也比A区的更强,造成了B区比A区雨强更强、持续时间更长、累积雨量更大。

(5) 边界层冷池与前侧暖湿空气温差较小、出流边界风速不大,能更稳定并持续地抬升前方不稳定的暖湿空气,这种边界层过程使β-MCS具备了准静止性、移动缓慢的特点,故使强降水长时间并稳定地落在同一个地区,造成此次破纪录的极端降水。

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