“23·6”北海極端暴雨特征與成因分析

彭定宇，劉國忠，何啟玄

（1.北海市氣象局，廣西 北海 536000；2.廣西壯族自治區氣象臺，南寧 530022）

暴雨是我國常見的災害性天氣之一［1］，極易引發山洪、泥石流、山體滑坡、城市內澇等災害，給人民群眾生命和財產安全帶來極大威脅。全球氣候變暖背景下，極端暴雨天氣事件頻發，其成因機理與預報服務方法一直是天氣預報的重點和難點，因此對其研究成為各方關注的熱點。目前對極端暴雨的成因展開了許多研究，2012 年北京“7·21”和2021 年河南鄭州“7·20”極端暴雨事件均具有一定的代表性，對其從不同角度的研究取得系列研究成果［2-8］。周云霞等［9］研究2019 年廣西靖西市極端暴雨時發現，低質心降水回波產生的“列車效應”是造成極端暴雨的直接原因。李向紅等［10］分析表明2022 年桂林“龍舟水”暴雨觸發與低空急流加強、切變線、低渦系統的控制以及副熱帶高壓加強有關。黃芳等［11］總結極端低空急流下，低層強烈輻合高層強烈輻散、深厚正渦度柱及充沛水汽是極端暴雨形成的重要原因。張丁丁等［12］研究2020 年廣西南寧一次極端暴雨特征發現，極端暴雨過程發生前高溫高濕高能區及深厚濕度層配合不穩定層結，非常有利于極端暴雨的發生。這些研究成果對于提高廣西暴雨特別是極端暴雨天氣預報水平具有很好的借鑒和促進作用。

2023 年6 月7—10 日，廣西北海市連續2 d 出現特大暴雨的極端暴雨天氣，打破當地多項降水歷史極值并引發嚴重洪澇災害。本文研究此次極端暴雨過程特征及成因，以加深此類極端暴雨的認識，為今后類似極端暴雨預報提供參考思路。

1 資料與方法

本文采用中國氣象局氣象信息綜合分析處理系統（MICAPS）地面、高空常規氣象觀測資料、0.25°×0.25°水平分辨率的歐洲中期天氣預報中心（ECWMF）模式資料、逐小時區域自動站觀測資料、風云氣象衛星FY-4 觀測資料、雙偏振多普勒天氣雷達資料等資料。

2 結果與分析

2.1 降水特征分析

2023 年6 月7 日08 時—10 日20 時，廣西北海市出現極端持續性暴雨天氣，強降水主要分布在北海市南部，連續2 d 出現特大暴雨。據統計，過程累積降雨量500 mm 以上有18 個氣象觀測站點（以下簡稱站點，北海共計53 個站點），250 mm 以上有41個站點，最大累積降雨量出現在鐵山港石頭埠國家氣象觀測站（以下簡稱石頭埠站）達820.5 mm（見圖1）。過程降水主要集中在兩個階段:（1）7 日22 時—8 日11 時，雨強大于50 mm·h-1的有14 個站次，最強達到59.5 mm·h-1；累積降雨量大于250 mm 有11個站點，其中最大累積降雨量出現在北海站達392.5 mm。（2）8 日20 時—9 日08 時，此階段降雨強度最大，極端短時強降水最多，雨強大于50 mm·h-1有31個站次，最強達到119.0 mm·h-1；累積降雨量大于250 mm 有7 個站點，其中最大累積降雨量出現在石頭埠站達542.6 mm，歷時降雨量打破北海市多項歷史極值，最大3 h 雨量272.3 mm（9 日01—04 時），打破北海市歷史極值（243.7 mm）；最大6 h 雨量440.5 mm（8 日22 時—9 日04 時），打破廣西歷史極值（427.6 mm）；最大24 h 雨量614.7 mm（8 日05時—9 日05 時），打破北海市歷史極值（585.7 mm）?？梢?，本次極端暴雨天氣過程具有小時降雨強度大、累積降雨量大，強降雨集中等顯著極端性特征。

圖1 7 日08 時—10 日20 時北海市累積降水量（單位：mm）分布圖

2.2 環流背景分析

暴雨過程期間，亞洲中高緯500 hPa 環流呈現兩槽兩脊型，貝加爾湖一帶為強高壓脊，鄂霍次克海為弱的高壓脊，兩低槽分別位于西西伯利亞和我國東北地區，東槽槽線向南延伸至長江中下游一帶。6—7 日，云南附近有大陸高壓少動，西太平洋副熱帶高壓（副高）588 dagpm 線長時間維持在兩廣交界處，受588 dagpm 線邊緣偏南氣流影響，季風低壓從海南島東部西移到北部灣海面后一直往北抬到北部灣北部海面，8—9 日其中心進一步北抬，并在桂南沿海一帶停滯徘徊，此時588 dagpm 線明顯東退到西太平洋，季風低壓處于兩高之間，無明顯的引導氣流導致季風低壓在桂南沿海長時間停滯少動。

7—10 日，200 hPa 南亞高壓控制中國大陸南方地區到南海北部，桂南上空均為西北風和東北風形成的反氣旋環流分流輻散區，有利于低層輻合上升運動發展。

7 日850 hPa 季風低壓有閉合環流在桂南到海南島北部，廣東有一支偏東南氣流，風速較大（10～12 m·s-1）；8—9 日850～925 hPa 季風低壓閉合環流在桂南沿海穩定維持，偏南風加大成急流，風速最大達12～14 m·s-1，850 hPa 以下邊界層內持續偏南急流給桂南地區輸送豐沛的水汽和充足的不穩定能量，穩定的水汽和不穩定能量供給有利于長時間強降雨的維持。

從地面形勢分析，7—10 日，西南地區冷高壓控制，除了桂南沿海外，廣西以東北到偏北風為主，顯示有弱冷空氣侵入，桂南季風低壓處于均壓場下基本維持少動，疊加冷空氣的觸發極有利于極端暴雨出現。

2.3 物理量場分析

文中采用0.25°×0.25°水平分辨率的ECWMF 模式資料初始場對本次極端暴雨天氣過程的物理量進行分析。

2.3.1 水汽條件

強降水發生期間，低層850 hPa 有一條來自印度洋的西南急流水汽通道向桂南沿海一帶輸送水汽。7—9 日850 hPa 北海上空對應的水汽通量均在18 g·cm-1·hPa-1·s-1以上，整層可降水量≥70 mm。其中8—9 日整層可降水量在80 mm 以上（圖2），與暴雨區相對應存在水汽通量散度輻合區位于北海上空，其輻合中心≤-8×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1（圖3），2 d輻合區位置基本重疊，配合充沛穩定持續的水汽條件有利于強降水的形成。

圖2 2023 年6 月8 日08 時850 hPa 可降水量（單位：mm）

圖3 2023 年6 月8 日08 時850 hPa 水汽通量散度（單位：g·cm－2·hPa－1·s－1）

2.3.2 熱力條件

過程期間，7—8 日K 指數≥35 ℃，有一定的熱力不穩定條件。7—9 日08 時CAPE 值為300 左右，晚上升到1 000 以上，表明白天有不穩定能量的積累，晚上有不穩定能量的釋放，而本次暴雨天氣過程強降水時段主要出現在夜間，白天降水減弱，跟CAPE 值的變化基本吻合。

2.4 中尺度特征分析

2.4.1 對流云圖演變特征

分析FY-4 紅外云圖云頂亮溫（TBB）演變可見（圖4），7 日10 時華南沿海地區有兩塊中α 尺度對流云團分別位于北部灣海面及粵西沿海一帶。7 日11—14 時北部灣海面對流云團不斷往北移動，逐漸進入北海上空，粵西沿海對流云團原地逐漸減弱消散，部分云團分裂西移與北抬的北部灣海面對流云團在北海上空合并，TBB 降低，對流活動增強，7 日15 時對流發展達到最強，TBB 有多個低于-75 ℃的負值中心，北海對應有大于50 mm·h-1的短時強降水但持續時間不長。7 日17 時對流云團迅速減弱，北海降水明顯減弱。7 日22 時重新發展，對流云團面積擴大，TBB 降低。7 日23 時—8 日08 時，對流云團逐漸發展為近橢圓形，結構更為緊密，組織性得到加強，TBB 長時間維持在-70 ℃以下，北海多個站點多個時次出現大于40 mm·h-1的強降水。8 日12時，隨著對流云團減弱西移，北海第一階段強降水基本趨于結束。8 日21 時，北海原地有中β 尺度對流云團快速發展壯大，對流云團中心基本在北海上空穩定少動。9 日03 時已經發展為長軸約250 km 成熟的橢圓形中α 尺度對流云團，位于北海鐵山港區附近的TBB 負值中心達到-80 ℃，鐵山港區內出現3 個站點大于100 mm·h-1的極端強降水，降雨強度達到過程最強。9 日04—05 時，TBB 負值中心仍位于北海南部，附近區域小時雨強在50 mm·h-1以上。9 日06 時開始，對流云團主體逐漸東北移動并分裂，北海上空TBB 逐漸增大，對流減弱，第二階段強降水基本趨于結束。

圖4 FY－4 紅外云圖

以上分析表明，此次極端暴雨主要是由中α 尺度和中β 尺度對流系統造成，且云團位置在北海上空穩定少動，加上充沛的水汽供給和極低的TBB，是北海出現此次極端暴雨的重要原因。

2.4.2 雷達回波演變特征

7 日22 時—8 日11 時，隨著低壓北上移入北海境內，低壓東南側強風速切變區不斷有螺旋狀回波帶出現，雷達回波主要表現為層積混合型降水回波，其中北海站附近反射率因子在50 dBZ 以上，徑向速度圖上有東南風和偏東風輻合，ZDR在1～3 dB 之間，CC 在0.97 以上，KDP在1～3°·km-1之間，均有利于強降水的產生。受低壓東側螺旋型雨帶影響，源源不斷有回波生成并往北海方向移動，產生“列車效應”。對北海站南部強回波帶沿著東北至西南走向做反射率因子剖面可以看出，反射率因子大于50 dBZ 區域接地，且延伸高度均小于6 km，位于0 ℃層高度以下，屬于低質心強降水回波，降水效率高，持續長時間影響形成強降水，小時雨強為20～60 mm·h-1。

8 日20 時—9 日09 時，低壓穩定少動，強度減弱，但受低壓南部暖切的影響仍有對流云團發展，其中鐵山港區石頭埠站反射率因子在50 dBZ 以上，徑向速度圖上有匯合，為輻合流場，ZDR在1～2 dB 之間，CC 在0.97 以上，KDP在2～4°·km-1之間，均有利于強降雨的產生。受“列車效應”影響，鐵山港區和合浦縣東部出現極端強降水，小時雨強在50 mm·h-1以上的強降水持續3～5 h，最長持續時間出現在石頭埠站，從反射率剖面圖可以看出，8 日20 時—9 日08 時該站附近的低質心強降雨回波明顯強于7 日22 時—8 日11 時的回波，時段對應的石頭埠站累積降雨量也明顯偏大。

綜上所述，本次過程雷達回波為層積混合型降水回波，“列車效應” 與低質心強回波長時間維持是造成極端降雨的直接原因。

2.4.3 多普勒雷達風廓線產品

風廓線VWP（VAD WIND PROFILE）產品為多普勒雷達的48 號產品，它是用雷達每個體掃資料在不同高度上通過VAD 技術得到該高度上的風向風速［13］。VWP 產品可實時提供觀測站高空風隨時間的變化。夏文梅等［14］分析降水過程中VWP 產品特征，發現VWP 產品反演的風場總體上是可信的；VWP產品常用于分析急流的變化，冷暖平流的變化及空氣濕度的變化等［15］；劉淑媛等［16］研究發現華南大暴雨常伴有低空急流的加強過程。

對此次強降水過程分析，7 日VWP 產品0.3～5.0 km 主要為東到東南風，低層300 m 基本維持8～10 m·s-1的東南風，7 日22:26 開始300 m 東南風逐漸加大，最大達16 m·s-1，加強為超低空急流，而實況強降水在7 日22 時起有加強的趨勢，超低空急流的形成與強降水實況基本吻合，可以判斷超低空急流的形成對強降水有一定的指示作用。

3 結論

利用常規氣象觀測、0.25°×0.25°水平分辨率ECWMF 模式、逐小時區域自動氣象站觀測、FY-4衛星遙感、雙偏振多普勒天氣雷達探測等資料，對北?！?3·6”極端暴雨過程分析，得到以下主要結論:

（1）此次暴雨過程由兩個階段的短時強降水組成，具有雨強大、過程累積雨量大、強降雨集中等顯著極端性特征。

（2）高層輻散、中層副高位于兩廣交界、低層偏南急流強、季風低壓停滯少動及地面弱冷空氣入侵是此次極端暴雨形成的主要天氣系統。

（3）極端暴雨主要由中尺度對流系統造成，云團穩定少動，對應的雷達回波為層積混合型降水回波，“列車效應”與低質心強回波長時間維持是造成極端降雨的直接原因。

（4）風廓線VWP 產品超低空急流的形成對強降水有一定的指示作用。