桂北地區前汛期兩次極端強降水成因對比分析

潘仕球，唐小琴，唐 熠，歐陽榮謙，陽 薇，李向紅*

（1.桂林市氣象局，廣西 桂林 541000；2.恭城縣氣象局，廣西 桂林 542500）

隨著全球氣候變暖，極端性天氣事件發生的概率顯著增加，降水作為常見的天氣現象，近年來也日漸趨向極端化，極端強降水發生的概率越來越大［1-3］。極端強降水事件發生概率相比于氣候平均態顯著偏小，常導致比較嚴重的災害，可能造成重大經濟損失和人員傷亡，是氣象工作者的重要研究方向。國內學者對極端強降水的熱力、動力成因、環境場特征、中尺度特征、觸發和維持機制等方面進行較為系統的研究［4-9］。冀翠華等［10］研究發現副熱帶高壓（簡稱“副高”，下同）穩定加強、高空低槽東移加深，引導中低層低渦切變線加強，誘發中小尺度輻合中心及輻合線的形成有利于大暴雨天氣的發生；大暴雨主要出現在氣旋中心至移向右前部的倒槽內和在低空急流的前端、地面輻合線附近［11］；張江濤等［12］研究表明對流層高、中、低層以及中低緯度多尺度大氣系統共同作用，并疊加地形的輻合抬升為極端降水提供強盛的動力機制；張入財等［13］研究發現α 中尺度低渦在移動的過程中配合高空位渦變化、低層切變的作用下，有利于生成深厚穩定的β 中尺度低渦，有利于觸發強對流的發生，進而導致極端強降水的發生；吳乃庚等［14］對華南前汛期暖區暴雨研究發現，4月南海夏季風的前沿推至南海北部，5 月進入華南，帶來充沛高溫高濕的水汽條件，假相當位溫在348 K 以上，有利于形成不穩定的大氣層結，進而導致暴雨發生；何立富等［15］將華南暖區暴雨分為邊界層輻合線型、偏南風風速輻合型、強西南急流型三類，并給出相應的綜合天氣形勢配置。劉泳濤等［16］研究發現切變線、低空急流、低渦、（西）南風風速脈動和風向輻合可作為潮汕暖區暴雨中低層天氣系統的主要預報著眼點。田付友等［17］研究發現，在有利的天氣形勢下，單點動力、水汽和熱力條件以及850 hPa 動力抬升和整層可降水量的差異，可導致極端暴雨的量級發生巨大的變化。錢卓蕾等［18］研究發現，在弱天氣強迫背景下，邊界層急流的作用配合β 中尺度輻合線發展以及地形的抬升作用，是造成暖區大暴雨的主要原因。陳芳麗等［19］進一步研究表明，邊界層急流為強降水提供充沛的、源源不斷的水汽條件，配合地形的摩擦阻擋作用，易形成水汽通量輻合大值區，造成持續性的強降水。雙低空急流的耦合作用促進強降水的降水效率，是產生極端強降水的重要原因［20-21］。低空急流特征量和垂直風切變大小對強降水的發生具有重要的指示意義［22-24］。極端暴雨中的“列車效應”多發生在緩慢移動的季風低壓區，中尺度輻合線以及邊界層偏南暖濕氣流脈動是極端強降水過程中“列車效應”形成的主要原因［25-27］。上述國內工作者的研究從不同的角度分析極端強降水發生發展過程，為業務工作提供理論依據和技術支撐，起到良好的指導作用。但每次發生的暴雨過程其中尺度觸發機制都不盡相同，因此局地突發性的極端暴雨仍是預報中的難點。

2022 年4 月25—30 日（“4·25”過程）和2023年5 月21—22 日（“5·22”過程），桂林地區出現突發性特大暴雨過程，過程造成桂林部分地區道路交通中斷，低洼地帶出現嚴重內澇。不同模式對落區有較大偏差、量級預估偏小，且業務數值模式和預報員對強降水發生的時段和極端性預估不足，導致2022 年4 月25 日21—22 時、2023 年5 月22 日01 時—08時的時段出現漏報。本文擬通過環流形勢、不穩定條件、動力結構和不穩定層結以及低空急流等，對“4·25”過程最強階段（25 日08 時—26 日08 時）與“5·22”過程桂林地區突發性的特大暴雨過程進行詳細分析，探討觸發機制，以期對桂林地區暴雨的強度、落區精細化訂正提供一定理論基礎，為地方防災減災服務提供技術支撐。

1 資料與方法

利用地面高空常規觀測資料和歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA5 再分析資料（時間分辨率為1 h，水平分辨率為0.25°×0.25°），采用天氣學診斷分析方法，對2022 年4 月25—30 日（“4·25”過程）和2023 年5 月21—22 日（“5·22”過程）兩個極端強降水過程的環流形勢、不穩定條件、熱力、動力結構和不穩定層結以及超低空急流進行分析與研究。

2 結果與分析

2.1 降水特征對比分析

2022 年4 月25—30 日和2023 年5 月21—22日桂林地區出現突發性特大暴雨過程。這兩次過程降雨中心分別位于桂林的北部和中部地區?！?·25”過程發生在低渦暖濕氣流影響，高空槽和冷空氣都不是很明顯的天氣形勢下，從24 日夜間開始一直持續到30 日，最強階段主要集中在25 日08 時—26日08 時。本次過程有四個特點:一是過境慢，持續時間久，自24 日20 時開始，到28 日20 時基本結束；二是范圍大，降水中心停留在中北部，南部幾乎沒有明顯降水；三是短時強度大，最大小時雨強出現在25 日22 時龍勝平等氣象觀測站為102.8 mm，24 h最大雨量為172.0 mm（龍勝平等）；四是夜雨特征明顯，強降雨主要集中在前半夜至凌晨階段，白天小雨甚至無雨?！?·22”過程發生在中高層小槽發展東移引導切變線南下，西南暖低壓發展的天氣形勢下，本次過程有以下幾個主要特點: 一是持續時間短，22日01 時開始，到09 時左右基本結束；二是降水中心主要集中在中部地區；三是短時強度大，主要集中在22 日05—08 時，最大小時雨強出現在22 日06 時秀峰甲山琴潭氣象觀測站為160.6 mm，24 h 最大雨量為329.9 mm（秀峰甲山琴潭）；四是夜雨特征明顯，強降雨主要集中在凌晨階段。

“4·25”過程為暖區暴雨，而“5·22”過程為鋒面暴雨，二者存在比較明顯的差異，相同點則是夜雨特征異常顯著。由于這兩次降水過程均發生在過程性降水前的南風氣流里，模式對“4·25”暖區對流的刻畫和捕捉能力有限以及對鋒面暴雨量級考慮偏小，市級預報員對其降水的極端性也估計不足，均對這兩次暴雨的預報存在較大偏差。

2.2 環流形勢對比分析

分析“4·25” 過程發生前高低層的環流形勢（4月25 日20 時，圖1a），廣西上空500 hPa 為偏西氣流控制，副熱帶高壓脊線位于南海北部，廣西北部達到急流標準為20～28 m·s-1；850 hPa 低渦切變從山東半島一直延伸到云南中南部地區，華南地區處于切變線南側的西南氣流中；925 hPa 為4～8 m·s-1的偏南氣流控制。25 日白天低渦切變東移，500～700 hPa 桂林為槽后西偏北氣流控制，低層為低切變南側強西南氣流控制，桂林站西南風增至18 m·s-1；25日20 時到26 日08 時500～700 hPa 西北部高空槽東移影響我市北部，副高北部減弱，850 hPa 切變線由東北-西南向順轉成東北偏東-西南偏西走向，從貴州-湖南南部及廣西北部東移，并于25 日20—23時在桂林市西北部形成切變線及低壓環流，地面桂林市處于倒槽頂端低壓環流中?！?·22”過程發生前（5 月21 日20 時，圖1b）廣西上空500 hPa 大部為副高控制；850 hPa 低渦切變從江蘇一直延伸到云南中南部地區，華南地區處于切變線南側的西南氣流中；925 hPa 為偏南氣流控制，地面處于低壓倒槽中；21 日白天，西南暖低壓發展，中低層西南急流加強，桂林、芷江達18～20 m·s-1。受副高西北側偏南暖濕氣流影響，桂林出現晴熱天氣，最高氣溫達34 ℃，西南急流為夜間強對流暴雨提供強不穩定能量和水汽條件。21 日夜間，700 hPa 小槽發展東移，850 hPa 偏北氣流南移，推動切變線南壓影響桂林，由于切變兩側偏南偏北氣流都較強，造成的輻合抬升作用強，為桂林大暴雨提供強的動力條件；上半夜桂林仍維持高溫高濕不穩定層結，為后半夜強降水提供對流不穩定條件。

圖1 500hPa 位勢高度（等值線，單位：dagpm）及850hPa 風場（風羽）

從環流形勢分析可知，兩次過程發生時500～700 hPa 高原東側均有小波動發展，“4·25”過程副高強度弱，脊線位置位于南海南部，588 dagpm 線位于20°N，而“5·22”過程副高強度強，脊線位置位于南海北部，副高控制了廣西大部地區，588 dagpm 線位于25°N?！?·25”過程冷空氣較弱，而“5·22”過程冷空氣較強；暴雨前低層切變線雖未南下進入廣西境內，但其南側的西南氣流均在夜間出現增強，大暴雨出現在切變線南側西南氣流增強的過程中。暴雨前地面均處于低壓倒槽中?！?·25”為暖區暴雨，盡管最強時段也有冷空氣入侵但很弱，所以降雨強度相對較弱，但持續時間長，但“5·22”過程為鋒面系統影響，冷空氣強度強，鋒面過境快，降雨強度強，持續時間短。

2.3 不穩定條件對比分析

“4·25”過程發生前桂林站T-lnP 圖（2022 年4月25 日20 時，圖2a）顯示，700 hPa 以下為偏南氣流控制，風隨高度順轉；溫濕層結曲線從800 hPa 向上開口形成喇叭狀，呈上干冷下暖濕特征。對流有效位能CAPE 值由4 月25 日08 時119.6 J·kg-1增加到25 日20 時1749 J·kg-1，CIN 值從119.6 J·kg-1下降到42.5 J·kg-1，K 指數由38.9 ℃下降到31.3 ℃，SI指數由-1.4 ℃上升到-0.1 ℃，自由對流高度（LFC）從692.7 hPa 下降到873.7 hPa，平衡高度（EL）344.7 hPa 上升到161.7 hPa（表1）。

表1 2022 年4 月25 日08—20 時和2023 年5 月21 日08—20 時桂林探空站物理量

圖2 2022 年4 月25 日20 時（a）和2023 年5 月21 日20 時（b）桂林站T－lnP 圖

“5·22”過程發生前桂林站T-lnP 圖（2023 年5月21 日20 時，圖2b）顯示，600 hPa 以下為偏南氣流控制，風隨高度順轉；溫濕層結曲線從850 hPa 向上開口形成喇叭狀，呈上干冷下暖濕特征。對流有效位能CAPE 值由5 月21 日08 時776.2 J·kg-1增加到21 日20 時2 398.9 J·kg-1，CIN 值從38.0 J·kg-1下降到29.6 J·kg-1，K 指數由36.0 ℃下降到28.8 ℃，SI指數由0.89 ℃下降到-1.16 ℃，0 ℃高度（WBZ）從4 754.4 m 下降到3 747.9 m，平衡高度（EL）由207.5 hPa 上升到143.0 hPa（表1）。

從T-lnP 圖及探空物理量演變可以看出，兩次過程低層均為偏南氣流控制，中低層水汽飽和，中高層有干冷空氣侵入；兩次過程發生前能量在白天均存在大量積聚的過程，對流抑制有效位能均顯著下降，具備良好的熱力不穩定條件，表明在高能不穩定的狀態下，無需太強的動力強迫即可觸發對流；平衡高度（EL）的升高說明對流能達到的最大高度在增大，也就是說在桂林探空站附近云體的理論伸展高度在增加。上述分析表明良好的環境條件為暴雨的形成提供較好的水汽和熱力不穩定條件。

2.4 動力結構和不穩定層結對比分析

2.4.1 散度對比分析

分析“4·25”過程最強階段降水中心龍勝平等和“5·22” 過程桂林站上空的散度隨時間演變可以看出，“4·25”過程（圖3a）龍勝平等上空25 日20 時850 hPa 以下為散度負值區，850 hPa 至450 hPa 為散度正值區，20 時當低空急流開始發展加強時，龍勝平等上空轉為低層輻合高層輻散的結構，龍勝平等降水開始加強，中低層最大輻合中心位于700 hPa出現在21—22 時，與龍勝平等地區降水最強烈的時段對應?！?·22”過程（圖3b）桂林站上空從22 日00時開始850 hPa 以下一直維持散度負值區，高層維持散度正值區，22 日00 時—08 時，維持低層輻合高層輻散的結構，桂林地區從22 日00 時開始出現降水，低層最大輻合中心出現在05 時—07 時，與桂林地區降水最強階段對應。

圖3 2022 年4 月25 日19 時—26 日00 時（a）和2023 年5 月22 日00 時—09 時（b）散度（單位：10－5 s－1）

2.4.2 渦度對比分析

分析“4·25”過程最強階段降水中心龍勝平等和“5·22” 過程桂林站上空的渦度隨時間演變可以看出，“4·25”過程（圖4a）25 日19 時—26 日00 時龍勝平等上空900～350 hPa 始終維持深厚的正渦度層，隨時間發展渦度加強，25 日23 時渦度大值中心下移至低層，龍勝平等上空相伴出現較強的正渦度區和負散度區，對暴雨產生和維持十分有利?！?·22”過程（圖4b）22 日00 時—09 時桂林站上空850 hPa以下為正渦度層，隨著時間發展至22 日06 時出現最大渦度中心位于850 hPa，桂林上空相伴出現強的正渦度大值區和負散度區，有利于強降水的產生與發展，這與桂林地區降水最強時段對應吻合。

圖4 2022 年4 月25 日19 時—26 日00 時（a）和2023 年5 月22 日00 時—09 時（b）渦度（單位：10－5s－1）

2.4.3 假相當位溫對比分析

分析“4·25”過程龍勝平等25 日08 時—26 日08 時的θse 場高度隨時間變化的剖面圖（圖5a）可以看出，龍勝平等25 日14 時—19 時近地面為強暖濕中心，θse 中心強度達到350 K，對流層中低層為位勢不穩定層結，中高層有弱干冷空氣侵入，到20時前后位勢不穩定增強，隨后觸發對流，產生降水；“5·22”過程桂林21 日08 時—22 日08 時θse 場高度隨時間變化的剖面圖（圖5b）可見，桂林地區從21日10 時—22 日00 時，地面為高溫高濕中心，θse 中心強度＞355 K，最強中心＞365 K，對流層中低層為位勢不穩定層結，中高層有強干冷空氣侵入，到22 日00時前后位勢不穩定增強，隨后觸發對流，產生降水。

圖5 2022 年4 月25 日19 時—26 日00 時（a）和2023 年5 月22 日00 時—09 時（b）假相當位溫（單位：K）

從動力結構和不穩定層結分析，兩次過程發生前后，暴雨中心地區均一直維持低層輻合高層輻散的結構，并且相伴出現強的正渦度區，且對流層中低層均為位勢不穩定層結，中高層有干冷空氣侵入。這樣有利的動力不穩定和層結不穩定條件，有利于對流觸發，為強降水的發展提供有利條件:層結不穩定和抬升作用?！?·22”過程相較于“4·25”過程，異常強的層結不穩定和抬升作用對極端強降水觸發起到十分重要的作用。

2.5 低空急流的水汽輸送對比分析

分析“4·25”過程最強階段降水發生前（25 日20時，圖6a）925 hPa 水汽通量及水汽通量散度可以看出，925 hPa 低空急流形成顯著的水汽通道，急流對應的水汽通量≥16 g·cm-1·hPa-1·s-1，急流核對應的水汽通量≥22 g·cm-1·hPa-1·s-1，給暴雨的產生和維持提供充沛的水汽輸送。龍勝平等處于急流前端，20時在平等上空存在一個明顯的水汽通量輻合大值區，水汽通量散度中心≤-12 g·cm-2·hPa-1·s-1?！?·22”過程最強階段降水發生前（22 日05 時，圖6b）廣西上空925 hPa 為西南急流，所形成的水汽通道對應的水汽通量≥21 g·cm-1·hPa-1·s-1，急流核中心的水汽通量≥27 g·cm-1·hPa-1·s-1，桂林處在急流前端，從水汽通量散度可以看出，桂林地區上空存在≤-16 g·cm-2·hPa-1·s-1水汽輻合中心，說明最強降水發生前低層水汽非常充足，為極端強降水產生提供了十分有利的水汽條件。

圖6 2022 年4 月25 日20 時（a）和2023 年5 月22 日05 時（b）925hPa 水汽通量（陰影，單位：g·cm－1·hPa－1·s－1）、水汽通量散度（等值線，單位：10－8 g·cm－2·hPa－1·s－1）、全風速圖（風羽，單位：m·s－1）

兩次暴雨過程發生前及過程中廣西上空一直維持西南氣流。超低空急流輸送的暖濕氣流不斷在龍勝平等地區和桂林市區輻合，可見，超低空急流為極端強降水的產生提供穩定持續的水汽條件?！?·25”過程相較于“4·25”過程，超低空急流所帶來的水汽條件更強。

3 結論與討論

利用地面高空常規觀測資料和歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA5 再分析資料（時間分辨率為1h，水平分辨率為0.25°×0.25°），對2022 年4 月25—30 日（“4·25”過程）和2023 年5 月21—22 日（“5·22”過程）兩個極端強降水過程進行詳細分析，得到以下主要結論:

（1）“4·25”過程為暖區暴雨過程，“5·22”過程為鋒面暴雨過程；兩次過程均發生在高溫高濕的環境條件下，“4·25”過程具有持續時間久、范圍大、短時雨強大和夜雨特征明顯的特征；“5·22” 過程具有持續時間短、降水中心范圍小、短時雨強大和夜雨特征明顯的特征。

（2）兩次過程均發生在500～700 hPa 高原東側有小波動發展的天氣尺度下，有利的環境條件為極端暴雨的形成提供較好的水汽和熱力不穩定條件，異常強的層結不穩定和抬升作用對極端強降水的發展提供有利條件?！?·25”過程存在弱冷空氣在中層侵入，而“5·22”過程是地面冷鋒攜帶深厚的冷空氣南壓引起。這是“4·25”暖區暴雨過程與“5·22”鋒面暴雨過程的重要區別之一。

（3）超低空急流建立強勁的水汽通道，水汽輸送強度與急流強度正相關。兩次過程的強降水中心存在水汽通量輻合大值區，超低空急流輸送的暖濕氣流為強降水的產生提供穩定持續的水汽條件。兩次過程相同特征是夜雨特征顯著，這可能與急流的時間脈動相關，在暴雨最強時段出現時，“5·22” 過程925 hPa 急流比“4·25”過程更強，但“4·25”過程持續時間較長，可能存在多次脈動。

僅針對“4·25”暖區暴雨過程和“5·22”鋒面暴雨過程，“4·25”過程范圍廣、持續時間長，是中高層不斷有小槽過境，對低層暖濕氣流的抬升作用以及低空急流持續脈動的影響；而“5·22”過程范圍更集中、持續時間短，則是高空槽東移引導切變線南下，地面冷鋒過境所造成的，因此持續時間短，但強度更大。此外，本研究分析發現，“5·22”過程的環流形勢、環境條件、熱力、動力結構和不穩定層結以及低空急流等條件較“4·25”過程更為有利，還需通過大量類似個例的總結分析，才能探明鋒面暴雨和暖區暴雨的形成機理，進而找到鋒面暴雨和暖區暴雨的預報著眼點和預報思路。