廣西一次持續性暴雨過程中低空急流的作用及其特征

覃皓，劉樂，農孟松，黃伊曼，屈梅芳

(廣西壯族自治區氣象臺，南寧 530022)

引言

廣西位于我國華南沿海，前汛期(4—6 月)暴雨頻發、災害頻出。由于前汛期正值端午龍舟競渡，此期間出現的強降水亦稱“龍舟水”。多年來，不少學者對前汛期暴雨機理展開了一系列研究，認為低空急流的熱動力作用非常重要，包括其作為水汽輸送通道提供大量不穩定暖濕空氣、急流出口區的輻合抬升以及與地形的相互作用等(何立富等，2016；董良淼等，2021)。隨著研究深入，學者將低空急流進一步劃分為高度位于1～4 km之間的與天氣系統相關的天氣尺度低空急流以及1 km以下的邊界層急流(Du et al.，2014；Du and Chen，2019)。葉朗明和苗峻峰(2014)研究指出，夜間邊界層急流增強帶來強暖濕輸送，受地形強迫抬升有利于觸發中尺度對流系統啟動暴雨。曾智琳等(2019)認為夜間西南風急流的建立有利于邊界層垂直風切變增強，促進水平渦度向垂直渦度轉換，進而與風速水平切變造成的垂直渦度疊加，造成華南沿海強降水長時間維持。智協飛等(2022)通過對華南地區急流事件進行客觀篩選，發現廣西中北部夜間降水與天氣尺度低空急流發展的關系更為密切，降水落區主要位于急流左前方山區。除此之外，邊界層急流低層輻合與天氣尺度低空急流入口區中低層輻散的耦合機制被認為是華南沿海暖區暴雨的重要觸發機制之一(Du and Chen，2019)?？梢?，兩類低空急流對華南暴雨分布具有不同影響，其影響機理與地形作用、天氣擾動和水汽輸送過程密切相關，但共同點是兩者均在暴雨發生發展過程中扮演了重要角色。

關于低空急流的形成與增強，目前主要通過慣性振蕩理論(Blackadar，1957)和傾斜地形的斜壓理論(Holton，1967)來解釋，前者強調了邊界層的湍流混合作用而后者主要考慮了傾斜地形造成的熱力差異。王東阡和張耀存(2012)通過2000—2009年期間共10 a的再分析資料探討了中國東部西南低空急流的日變化規律，認為西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)強度和位置的變化、青藏高原大地形加熱效應和晝夜海陸熱力性質差異是造成經向非地轉風夜間加強的重要原因。Kong等(2020)基于WRF模式研究發現，由于中南半島湍流混合強烈，安南山脈上游風在白天較弱，無法通過山脈；在日落后，由于湍流混合減弱，氣流風速迅速增大并越過安南山脈，通過平流作用向下游傳播，使得北部灣西部在暖季夜間盛行西南低空急流。Dong等(2021)也認為慣性振蕩機制對于夜間北部灣西部低空急流的形成具有顯著貢獻，而急流的水汽輸送及動力抬升作用是導致兩廣(即廣西壯族自治區和廣東省)夜間降水峰值的重要原因。

綜上，目前已有研究對華南低空急流的影響及成因進行了探討，但多集中于兩廣沿海以及北部灣一帶，而對于兩廣內陸地區的關注相對較少，其中的熱動力機制值得研究。2022 年廣西遭遇新中國成立以來最強“龍舟水”(黃雪松等，2023)，其中6 月17—22日的持續性暴雨過程屬當年“龍舟水”期間最強(劉國忠等，2023)。持續性強降水導致全區9 市多個縣區出現洪澇、山洪及滑坡等災害，湘江、桂江、西江等多條河流水位超警。本文選取此次過程，探討其中低空急流的配置及其對暴雨的影響，并分析其演變的機制，以期為預報提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料說明

使用資料包括：(1)常規氣象觀測資料(包括廣西全區89 個國家站，2 821 個區域站的降水數據)，風云2G 衛星的相當黑體溫度(Top Blackbody Brightness temperature，TBB)資料(分辨率0.1°×0.1°)。(2) 歐洲中期天氣預報中心第五代大氣再分析數據(ERA5，從https://cds.climate.copernicus.eu 獲取)，ERA5 水平分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h，變量包括位勢高度、溫度、比濕、水平風場、邊界層高度以及地表凈輻射等(Hersbach et al.，2020)，其中溫度、比濕用于計算假相當位溫(θse)。文中時間均為北京時。

1.2 急流的定義

基于ERA5風場資料，將600～900 hPa上風速超過12 m·s-1視為出現低空急流，將900 hPa高度以下風速超過12 m·s-1視為出現邊界層急流(趙強等，2017；李青春等，2022)。

1.3 水平動量收支診斷

為定量分析各因素對低空急流變化的影響，利用水平動量收支方程(Du et al.，2014)進行診斷，計算公式為

其中，方程左側項為風速變化趨勢項(簡稱趨勢項)，右邊第1～3 項分別為水平平流項(簡稱平流項)、作用于非地轉風的科氏力項(簡稱科氏力項)以及殘差項。殘差項包含摩擦、垂直輸送以及其余影響。由于低空急流方向并不與x或y軸平行，需將水平動量收支方程應用于轉化后的右手坐標系(x′,y′)，這里y′指向低空急流方向?；谏鲜鲎儞Q得到

其中,v′為y′方向風速，即急流強度，φ為y′與y軸夾角。因此方程(1)中的趨勢項(f1)、平流項(f2)、科氏力項(f3)以及殘差項(f4)分別為

2 降水實況與環流背景

2.1 降水實況

2022 年6 月17—22 日廣西遭遇了一次持續性暴雨過程，過程累積雨量大、降水落區在桂東北一帶重疊(圖1a)，17 日08∶00—22 日08∶00 累計雨量最大達907.3 mm，出現在臨桂宛田十二灘漂流景區站(簡稱景區站)。過程以暖區暴雨為主，并且具有明顯的對流性質，共8個區域自動站觀測到100 mm以上的極端小時雨量，景區站最大小時雨量達110.3 mm(圖1b)。選取累計雨量大于600 mm 的9 個站點(景區站，臨桂宛田站,靈川九屋站,靈川蘭田站,興安華江水廠站,融水香粉站,興安華江斧子口水庫站,興安溶江司門站,靈川三街小溶江水庫站)作為代表站，由各代表站中的最大小時雨量時間序列可見，該過程降水強度夜間明顯強于白天，降水基本在20∶00 左右開始逐漸增強。

圖1 2022年6月17日08∶00—6月22日08∶00廣西累積雨量(a,單位:mm)的空間分布以及代表站逐小時雨量變化(b,單位:mm)Fig.1 (a)Spatial distribution of accumulated rainfall from 08∶00 BT on 17 June to 08∶00 BT on 22 June 2022(unit:mm)and(b)hourly rainfall of representative stations(unit:mm)

2.2 環流背景

2022 年6 月17—22 日過程期間，200 hPa 上南亞高壓控制青藏高原南側，東伸脊點位于115°E附近，廣西北部位于南亞高壓東側扇形分流區，維持有利降水的高層輻散形勢。500 hPa上，廣西處于586 dagpm線西北側，副高脊線位于20°N 以南，西脊點位于120°E附近。高原東南側110°E 附近有低槽維持，廣西位于槽底(圖2a)。副高較常年平均偏南、偏西，這一方面有利于其西北側的西南風向廣西輸送水汽，另一方面有利于阻擋上游低值系統東移。過程期間低槽穩定少動，與副高形成“西低東高”的對峙形勢，為此次過程提供有利的天氣尺度抬升背景。

圖2 2022年6月17日08∶00—22日08∶00平均的200 hPa散度(填色,單位:10-5s-1;粗實線為200 hPa的1 250 dagpm等值線)和500 hPa高度場(等值線,單位:dagpm)(a),850 hPa高度場(等值線,單位:dagpm)、風場(矢量,單位:m·s-1)和925 hPa散度(填色,單位:10-5s-1)(b),108°—112°E平均的850 hPa(c)、925 hPa(d)風速(填色,單位:m·s-1)、風場(矢量,單位:m·s-1)和TBB(等值線表示TBB小于等于32℃)的緯度-時間剖面Fig.2 Distribution of(a)divergence(shaded,unit:10-5 s-1,thick solid line indicate 1 250 dagpm at 200 hPa)at 200 hPa and geopotential height(contour,unit:dagpm)at 500 hPa,(b)geopotential height(contour,unit:dagpm)and wind(vector,unit:m·s-1)at 850 hPa,divergence(shaded,unit:10-5 s-1)at 925 hPa averaged from 08∶00 BT on 17 June to 08∶00 BT on 22 June 2022,time-latitude cross sections of wind speed(shaded,unit:m·s-1),wind field(vector,unit:m·s-1)and TBB(contour indicates TBB ≤-32℃)at(c)850 hPa and at(d)925 hPa,averaged during 108°-112°E

低層850 hPa上云貴高原東側有低渦發展，廣西位于低渦暖式切變南側的偏南風暖區中。廣西上空等高線密集，西南風強盛，過程期間平均風速12～16 m·s-1，有利于暖濕氣流輸送，為強降水發展提供充足水汽(圖2b)。邊界層925 hPa廣西受偏南風控制，風速自南向北減小，在桂東北一帶為風速輻合，有利于對流觸發。地面形勢上廣西位于西南暖低壓底前部均壓場中，無明顯冷空氣影響(圖略)。

3 低空急流對暴雨的影響

由強降水落區108°—112°E 平均的850 hPa 風速及風場的時間-緯度剖面(圖2c)可見，6 月17—22 日強降水區域均維持較強的西南低空急流，風速超過12 m·s-1。夜間西南急流存在明顯增強，中心強度達到18 m·s-1。由TBB 演變可以看到，夜間在急流核北側不斷有對流系統發生發展，TBB達到-52 ℃以下，對應于該時段降水增強(圖1b)。日間隨著急流減弱對流系統也逐漸消亡，TBB 增大，表明過程中急流變化與強對流系統發生發展密切相關。類似地，925 hPa 的邊界層急流也存在明顯的日變化特征，但可能由于地形影響，日變化特征主要出現在23°N以南的低海拔平坦地區及海區(圖2d)，該區域邊界層急流日變化常與華南沿岸夜間暖區暴雨相聯系(Du and Chen，2019)。該層次以偏南風為主，急流強度較850 hPa弱并且位置偏南，急流出口區的輻合為對流發展提供了一定條件。

3.1 對動力輻合抬升的影響

在急流位置的匹配關系上(以降水較強時段19—20日為例)，850 hPa急流軸位于桂東，夜間急流軸強度超過16 m·s-1，其左側桂東北一帶為強氣旋式水平風切變的正渦度區，有利于上升運動發展(圖3a)。925 hPa急流軸位于桂南沿海一帶，桂東北為急流出口區(圖3b)。925 hPa 急流出口區與850 hPa 急流左側正渦度區相重合，這種較為深厚的低層輻合配置有利于桂東北一帶出現明顯的上升運動。上述850 hPa與925 hPa急流相耦合的錯位分布配置與Du 和Chen(2019)提出的華南沿海地區雙低空急流相互作用機制有所不同(即邊界層急流出口區輻合與天氣尺度急流入口區輻散耦合)。本次過程急流配置類似于Luo 和Du(2022)研究“21.7”河南極端暴雨時提出的一類耦合機制，即950 hPa邊界層急流出口區輻合與700 hPa天氣尺度急流左側正渦度區輻合耦合。但與之相比，垂直方向上本次過程僅有一個位于850 hPa高度附近的強風速中心，而不是在950 hPa和700 hPa分別存在強中心。

圖3 2022年6月19日20∶00—20日08∶00平均的850 hPa垂直渦度(填色,單位:10-4 s-1),風速(等值線表示大于等于8 m·s-1,下同)及環流分布(a),925 hPa水平散度(填色,單位:10-5 s-1),風速(等值線,≥8 m·s-1)及環流分布(b),20日03∶00沿圖3a中AB虛線上的水平散度(填色,單位:10-5 s-1)、風速(等值線,單位:m·s-1)以及環流的垂直剖面(c)Fig.3 Distribution of(a)vertical vorticity(shaded,unit:10-4 s-1),wind(contour,≥8 m·s-11)and circulation distribution at 850 hPa,(b)horizontal divergence(shaded,unit:10-5 s-1),wind(contour indicates ≥8 m·s-1)and circulation at 925 hPa averaged from 20∶00 BT on 19 June to 08∶00 BT on 20 June 2022,(c)vertical cross sections of horizontal divergence(shaded,unit:10-5 s-1),wind(contour,unit:m·s-1)and circulation along AB in Fig.3a at 03∶00 BT on 20 June 2022

進一步分析垂直方向上的動力過程。沿850 hPa急流方向(圖3a中AB虛線)作垂直剖面(圖3c)。6月19日14∶00，此時850 hPa急流強度較弱，925 hPa急流受山脈地形阻擋(存在弱水平輻合)，產生弱抬升造成山前迎風坡10～20 mm·h-1的降水(圖略)。隨后850 hPa急流逐漸增強，14∶00—22∶00 急流強度由12 m·s-1增強至14 m·s-1，此時迎風坡上輻合明顯增強，上升運動由700 hPa以下發展至600 hPa以上(圖略)。到了20日03∶00，急流發展至最強，850 hPa附近出現16 m·s-1的強風速核，山前迎風坡之上的低對流層存在等風速線密集帶。山脈地形阻擋和急流出口區輻合的共同作用使得輻合層由近地面發展至700 hPa，強度超過-10×10-5s-1(圖3c)，上升運動進一步發展至200 hPa，造成更多水汽凝結至雨，該時刻觀測到110.3 mm·h-1的極端強降水。

3.2 對不穩定層結建立及維持的影響

選取θse平流來表征暖濕輸送。19日21∶00，850 hPa上顯示桂西北存在θse大于356 K的高溫高濕區并且向東擴展(圖略)。隨后至20日03∶00(圖4a)，低空急流不斷增強，暖濕空氣被逐漸向桂東北一帶輸送，θse平流強度超過6×10-4K·s-1，低層暖濕平流有利于不穩定層結的建立。

圖4 2022年6月20日03∶00的850 hPa風場(矢量,單位:m·s-1),θse(等值線,單位:K)及其平流(填色,單位:10-4K·s-1)(a),經暴雨中心(110.07°E,25.58°N,圖4a中三角形)θse(等值線,單位:K)及對流穩定度(填色,單位:K·hPa-1)的高度-時間剖面(b)Fig.4 (a)Distribution of 850 hPa wind(vector,unit:m·s-1),θse(contour,unit:K)and its advection(shaded,unit:10-4K·s-1)at 03∶00 BT on 20 June 2022,(b)time-height cross sections of θse(contour,unit:K)and (shaded,unit:K·hPa-1) along rainstorm center(110.07°E,25.58°N,triangle in Fig.4a)

分析過程累積雨量最大站點(景區站，110.07°E，25.58°N)附近的對流穩定度(-?θse/?p)時間演變，在925 hPa 至600 hPa 的低對流層，θse基本維持隨高度遞減的特征，表明過程伴隨顯著的低層對流不穩定。不僅如此，暖濕氣流的持續輸送及補充使得大氣低層-?θse/?p＜0 貫穿整個降水過程(圖4b)，不穩定大氣結構未因為強降水發生而遭受破壞。不僅如此，夜間隨著低空急流暖濕輸送的增強，大氣低層的對流不穩定度也迅速增大，不穩定能量積聚，為強降水提供有利的發生發展環境。

4 低空急流的非地轉特征及變化原因

以上分析表明，急流具有明顯的日間減弱夜間增強的特征，夜間發展的低空急流為對流系統以及降水的發展提供了有利熱、動力條件，以下對急流的上述變化成因進行討論。

4.1 低空急流的超、次地轉特征

以往研究常通過氣壓梯度力的變化來解釋風場的日變化現象，由地轉關系可知，氣壓梯度力決定了地轉風分量的變化。選取與對流系統發生發展更為密切并且變化更為明顯的850 hPa 急流進行分析。圖5給出急流區平均(108°—112°E，22°—25°N，下同)的850 hPa實際風速和地轉風演變，可以看到過程期間風速存在明顯波動，每日夜間至第二日早晨具有明顯的超地轉特征，而在早晨至傍晚則轉為次地轉。進一步給出108°—112°E 平均的850 hPa 位勢高度水平梯度和地轉風場(圖6a)。過程期間由于廣西處于副高和云貴高原東側低渦之間，地轉風對應為西南風，水平氣壓梯度與地轉風速無明顯日間減弱夜間增強趨勢，甚至還存在夜間減弱現象(如19—20日、21—22日)，這可能與夜間海陸熱力差異減小有關(智協飛等，2022)。綜上，此次過程低空急流的變化無法完全由地轉風變化來解釋，因此以下進一步討論非地轉風的作用。

圖5 2022年6月17日08∶00—6月22日08∶00低空急流區區域平均(108°—112°E，22°—25°N)的850 hPa風速演變(紅色為超地轉,藍色為次地轉)Fig.5 Evolution of low-level jet area-averaged（108°—112°E，22°—25°N）wind(unit:m·s-1)at 850 hPa(red and blue shaded indicate upergeostrophic and subgeostrophic respectively)from 08∶00 BT on 17 June to 08∶00 BT on 22 June 2022

圖6 2022年6月17日08∶00—6月22日08∶00期間108°—112°E平均的850 hPa位勢高度水平梯度(填色,單位:10-5 dagpm·m-1)和地轉風場(風向桿,實線為等風速線，單位:m·s-1)(a),對流有效位能(等值線,≥1 000 J·kg-1)和地表凈短波輻射(填色,單位:106 J·m-2)(b),地表2 m溫度(等值線,≥298 K)和邊界層高度(填色,單位:m)(c)的緯度-時間剖面Fig.6 Time-latitude cross sections of(a)horizontal gradient of geopotential height(shaded,unit:10-5 dagpm·m-1)and geostrophic wind fields(barb,unit:m·s-1,solid line indicates isotach)at 850 hPa,(b)convective available potential energy(contour,≥1 000 J·kg-1)and surface net shortwave radiation(shaded,unit:106 J·m-2),(c)2 meter surface temperature(contour,≥298 K)and boundary layer height(shaded,unit:m)averaged along 108°—112°E from 08∶00 BT on 17 June to 08∶00 BT on 22 June 2022

4.2 慣性振蕩機制

大氣邊界層湍流混合引起的摩擦效應是驅動急流日變化的另一個重要原因，其主要貢獻于非地轉風分量(Blackadar，1957)。過程期間日間地表被太陽短波加熱，表現為地表凈短波輻射加熱，強度超過2.4×106J·m-2。日間太陽短波加熱使得大氣對流有效位能不斷累積(圖6b)，為夜間對流觸發蓄勢。同時，地表溫度日間平均增溫達2～4 K，對流層低層湍流混合增強，大氣邊界層高度在午后由于湍流混合而達到最高，基本維持在1.2 km以上，夜間大氣邊界層高度隨著湍流混合減弱而降低(圖6c)。在上述邊界層熱力狀況的變化下，日間湍流混合增強造成急流減速，表現為次地轉特征；夜間湍流摩擦作用減弱，急流加速并逐漸呈現出超地轉特征(圖5)。

上述特征與Blackadar(1957)提出的慣性振蕩理論相似。為進一步分析急流的慣性振蕩特征，以各時刻風場和日平均風場的差表征非地轉風的變化(Dong et al.，2020)。圖7給出不同時刻(以6月19—20日為例)非地轉風場及實際風速分布。午后地表被加熱導致湍流混合摩擦力逐漸增強，非地轉風與背景西南風反向，使急流減弱(圖7a)。夜間湍流混合摩擦力減弱，850 hPa 非地轉風矢量在北半球科氏力作用下順時針旋轉，在次日午夜至深夜，非地轉風矢量轉變為西南風(圖7b、c)，從而增強了背景風，使急流增強(Blackadar，1957)。這種非地轉風場的慣性旋轉特征在我國華北平原(Pan and Chen，2019)和四川盆地(Zhang et al.，2019)也有相關研究報道，此次過程低空急流演變特征以及降雨峰值時間（約在02∶00左右）均與后者相似。但相較而言，桂東北山區地形不如上述地區陡峭（太行山脈、青藏高原以及云貴高原），因此研究中未具體討論由于地形導致的熱力對比變化的影響。

進一步計算急流區水平動量收支方程各項演變并對其進行定量分析。結果如圖8 所示，趨勢項在夜間20∶00—次日06∶00 呈現規律地加速特征，而在日間為減速，其中最強加速和減速趨勢分別為3.17×10-4m·s-2和-3.21×10-4m·s-2。整個過程中科氏力項為主要貢獻項，平均強度為2.16×10-4m·s-2，并且在加速趨勢最強時段科氏力項基本維持在峰值附近，體現了科氏力作用下非地轉風對急流變化的影響。相對地，包含摩擦、垂直輸送等過程的殘差項在整個過程均為負貢獻，為急流動量匯，即急流動量一方面由強度最大的850 hPa 向其他層次轉移，另一方面由摩擦作用耗散，體現在垂直運動較強的05∶00 以及湍流較強的17∶00附近存在殘差項負的極大值。上述科氏力項主導動量平衡且殘差項耗散急流動量的特征，進一步驗證了此次過程低空急流變化主要是由慣性振蕩機制引發。相較而言平流項振幅較小，其變化較趨勢項存在一定的滯后，這是由于研究區域的上游也存在同位相的風場變化，但其增強或減弱均稍晚于研究區，使得平流作用的貢獻落后于趨勢項。有研究表明，廣西北部灣(Kong et al.，2020)以及我國中東部地區(Zeng et al.，2019)低空急流變化受平流項影響顯著，而本研究關注的廣西內陸地區則為原地發展型為主，平流項貢獻相對較弱。

綜上，本次過程中低空急流的變化可以由慣性振蕩機制較好解釋。

5 結論與討論

基于多源觀測資料及ERA5再分析資料，對2022年6月17—22日廣西持續性暴雨過程中低空急流的影響及其變化成因進行了診斷分析，得出以下主要結論：

(1)高層南亞高壓東側輻散“抽吸”、中層低槽前的天氣尺度抬升以及低層急流頂端的輻合為此次持續性強降水提供有利環流背景。夜間低空急流明顯增強，急流核北側不斷有對流系統發生發展，而日間隨著低空急流減弱對流系統也逐漸消亡，造成強降水主要集中于夜間。

(2)動力條件上，925 hPa急流與850 hPa急流呈錯位分布，850 hPa 急流左側正渦度區與925 hPa 急流出口區在桂東北一帶重合。夜間急流增強后桂北的山脈地形阻擋以及深厚的低層急流輻合使得上升運動向更高層次發展，造成更多水汽凝結至雨。熱力方面，隨著低空急流暖濕輸送夜間增強，大氣低層對流不穩定度也迅速增大，不穩定能量積聚，為強降水提供了有利的發生發展環境。

(3) 低空急流變化可以由慣性振蕩機制較好解釋。日間桂中至桂南地區地表被太陽短波輻射加熱，湍流混合摩擦力逐漸增強，造成急流減速。夜間湍流摩擦作用減弱，急流加速并逐漸呈現出超地轉特征。在上述機制下，午后非地轉風指向西南方向，減弱背景風；次日午夜至深夜，非地轉風順時針旋轉為西南風，增強了背景風，使急流增強。動量收支方程診斷表明，科氏力對非地轉風的影響是急流動量的主要貢獻者，而摩擦耗散、垂直輸送等過程為急流動量匯。

本文主要關注了低層風場慣性振蕩對低空急流演變的影響，未考慮傾斜地形的熱力作用。廣西北部地區山嶺連綿，地形復雜，坡地上由輻射作用造成的熱力改變對低空急流的影響需要進一步通過高分辨率模式來探討。