孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”對我國華南地區(qū)強(qiáng)降水的影響

柳龍生，許映龍

(國家氣象中心，北京 100081)

引 言

孟加拉灣作為熱帶季風(fēng)活躍區(qū)和熱帶風(fēng)暴頻發(fā)區(qū)，是我國重要的水汽源區(qū)。5月是孟加拉灣風(fēng)暴活動(dòng)的高峰期[1-3]，也是孟加拉灣季風(fēng)爆發(fā)時(shí)期[4]，活躍的赤道輻合帶及擴(kuò)增的南亞高壓為孟加拉灣風(fēng)暴的生成和發(fā)展提供良好的高、低空條件，水平風(fēng)切變產(chǎn)生的正壓不穩(wěn)定為風(fēng)暴的生成和發(fā)展提供能量[5-6]。孟加拉灣風(fēng)暴對我國的影響主要表現(xiàn)為降水，影響區(qū)主要在西藏、云貴高原和西南地區(qū)[7-9]。孟加拉灣風(fēng)暴通常與副熱帶西風(fēng)急流或南支槽相結(jié)合，低空輻合上升的水汽通過副熱帶西風(fēng)急流向我國低緯高原和西南地區(qū)輸送，進(jìn)一步增大了大氣的不穩(wěn)定度，在適當(dāng)?shù)母叩涂障到y(tǒng)配合下或冷空氣南下時(shí)，致使大氣斜壓性增強(qiáng)，觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，形成強(qiáng)雨雪天氣。

我國華南地區(qū)緊鄰南海和西北太平洋，與孟加拉灣相距上千公里，未受到孟加拉灣風(fēng)暴直接影響。5月孟加拉灣季風(fēng)和南海季風(fēng)爆發(fā)后[10]，我國華南地區(qū)5—6月的降水主要受夏季風(fēng)系統(tǒng)影響[11-14]，季風(fēng)槽和副高脊線控制著華南雨帶的分布[15-18]。此外，大氣低頻振蕩對華南地區(qū)的強(qiáng)降水具有一定調(diào)制作用[19]，華南地區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生期間低層大氣環(huán)流異常并伴有氣旋生成[20-21]。2016年5月18日(世界時(shí)，下同)生成的1號孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”(ROANU) 沿著斯里蘭卡東部沿岸緩慢北上，于21日在孟加拉國吉大港(Chittagong)登陸，受該風(fēng)暴外圍云系影響，斯里蘭卡和孟加拉國發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，分別造成201、26人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失近20億美元。與此同時(shí)，5月19—21日，我國江南、華南及江淮等地出現(xiàn)明顯降雨過程，此次降水過程累計(jì)雨量大，廣西中東部和南部、廣東等部分地區(qū)累計(jì)雨量達(dá)100～200 mm，廣東信宜、陽江、深圳和廣西北流等局地超過300 mm，其中廣東信宜局地最大雨強(qiáng)達(dá)133 mm·h-1(20日03:00—04:00)，20日日雨量達(dá)455 mm，均破當(dāng)?shù)赜袣庀笥^測記錄以來極值。受此次強(qiáng)降水過程影響，廣東、廣西等地受災(zāi)嚴(yán)重，死亡11人，失蹤4人，直接經(jīng)濟(jì)損失約14億元人民幣。5月是我國華南地區(qū)強(qiáng)降水多發(fā)期，也是孟加拉灣風(fēng)暴活躍期，孟加拉灣風(fēng)暴對我國降水影響主要發(fā)生在西藏、云貴高原和西南地區(qū)，而華南地區(qū)強(qiáng)降水是否與之關(guān)聯(lián)？為此，本文針對此次極端強(qiáng)降水過程進(jìn)行診斷分析，這對未來華南地區(qū)同時(shí)期降水預(yù)報(bào)具有重要的參考意義。

1 資料和方法

所用資料包括NCEP/NCAR FNL逐6 h再分析環(huán)流場資料(空間分辨率為1°×1°)、FY-2G衛(wèi)星云頂亮溫(TBB)逐時(shí)資料(空間分辨率為0.1°×0.1°)，以及基于中國自動(dòng)站觀測降水量和CMORPH(CPC MORPHing technique)衛(wèi)星反演降水資料，采用PDF(probability density function)和OI(optimal interpolation)兩步融合方法生成的中國區(qū)域逐時(shí)降水量融合產(chǎn)品(空間分辨率為0.1°×0.1°)[22-23]。水汽源地分析采用NOAA空氣資源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的拉格朗日軌跡模式HYSPLIT v4.9。

2 “羅納”活動(dòng)期間降水概況

孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”(ROANU)生成后逐漸向北偏東方向移動(dòng)，2016年5月19日00:00—12:00，湖南和江西等省850 hPa上有氣旋性渦旋活動(dòng)，在低層輻合抬升作用下出現(xiàn)局地強(qiáng)降水，12 h累計(jì)降水量超過100 mm[圖1(a)]；19日12:00至20日00:00，隨著低渦系統(tǒng)的南壓和發(fā)展加深，孟加拉灣風(fēng)暴在高空槽牽引下進(jìn)一步北上，雨帶逐漸東移南壓，廣東北部和廣西北部開始出現(xiàn)強(qiáng)降水，局地12 h累計(jì)降水量超過100 mm[圖1(b)]；20日00:00—12:00，在兩廣北部和南部各有一條雨帶，南部雨帶局地降水量超過300mm[圖1(c)]，發(fā)展加深的低渦系統(tǒng)伴隨孟加拉灣風(fēng)暴帶來的強(qiáng)水汽輸送，給華南地區(qū)降水持續(xù)不斷地提供水汽輸送和動(dòng)力抬升作用；20日12:00至21日00:00，低渦系統(tǒng)移至廣東中部，伴隨南海季風(fēng)的共同作用，廣東南部出現(xiàn)一條較強(qiáng)雨帶，局地12 h累計(jì)降水量超過250 mm[圖1(d)]。由此可見，在孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”北上活動(dòng)期間，華南地區(qū)出現(xiàn)不同程度的強(qiáng)降水過程，雨帶自北向南呈帶狀分布[圖1(e)]，孟加拉灣風(fēng)暴是否對華南地區(qū)暴雨有一定的促進(jìn)作用？下文將通過對動(dòng)力和熱力因子的分析進(jìn)行初步探討。

圖1 2016年5月19日00:00至21日00:00不同時(shí)段華南地區(qū)累計(jì)降水量分布(單位:mm)(a)19日00:00—12:00，(b) 19日12:00至20日00:00，(c)20日00:00—12:00，(d)20日12:00至21日00:00，(e)19日00:00至21日00:00( 為孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”的移動(dòng)路徑，下同)Fig.1 The distribution of cumulative precipitation in different stages from 00:00 UTC 19 to 00:00 UTC 21 May 2016 in South China (Unit: mm)(a) from 00:00 UTC to 12:00 UTC 19 May, (b) from 12:00 UTC 19 to 00:00 UTC 20 May, (c) from 00:00 UTC to 12:00 UTC 20 May, (d) from 12:00 UTC 20 to 00:00 UTC 21 May, (e) from 00:00 UTC 19 to 00:00 UTC 21 May (The symbols for the moving track of ‘ROANU’ storm over the Bengal Bay, the same as below)

3 環(huán)流背景特征

3.1 500 hPa環(huán)流場

圖2是2016年5月19—21日“羅納”風(fēng)暴活動(dòng)期間500 hPa高度場和水平風(fēng)場分布?？梢钥闯?，19日12:00[圖2(a)]，“羅納”在500 hPa高空槽和副熱帶高壓牽引下向北偏東方向移動(dòng)，此時(shí)云貴高原上空有高空槽活動(dòng)，并東移發(fā)展加深；20日00:00[圖2(b)]，華南地區(qū)處于孟加拉灣高空槽前，槽前不斷有正渦度平流向華南地區(qū)輸送，華南地區(qū)高空槽在500 hPa出現(xiàn)閉合等值線；20日12:00[圖2(c)]，隨著“羅納”不斷東移北上，華南地區(qū)高空槽進(jìn)一步加深，且移動(dòng)緩慢，這為強(qiáng)對流的發(fā)生提供了有利的環(huán)流背景[24]；21日00:00[圖2(d)]，華南地區(qū)處于高空槽后，降水強(qiáng)度開始逐漸減弱。

3.2 高低空系統(tǒng)配置

從高低空系統(tǒng)配置來看，19日12:00[圖3(a)]，200 hPa上高空急流軸位于28°N附近，中心風(fēng)速達(dá)52 m·s-1，在廣西北部存在弱輻散區(qū)，高空西風(fēng)急流出口區(qū)北側(cè)為強(qiáng)輻散區(qū)[25]，在強(qiáng)風(fēng)速切變和水平切變作用下850 hPa上出現(xiàn)氣旋性渦旋。當(dāng)急流軸呈現(xiàn)西北—東南向傾斜時(shí)，其出口區(qū)南側(cè)表現(xiàn)為輻散區(qū)，有利于強(qiáng)降水的發(fā)生[26]。20日00:00[圖3(b)]，隨著高空急流的逐步南壓，其強(qiáng)度略有減弱，中心風(fēng)速為48 m·s-1，華南地區(qū)位于急流軸下方，高層強(qiáng)輻散促使低層渦旋進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)，在110°E、25°N和113°E、26°N附近分裂出兩個(gè)氣旋性環(huán)流，并呈現(xiàn)東北—西南向分布，這種高層輻散、低層輻合的配置有利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)[27]。20日12:00[圖3(c)]，高空急流自北向南侵入華南地區(qū)，位于廣西北部的渦旋也向東南方向移至廣西東部，與此同時(shí)，“羅納”風(fēng)暴的一支西南低空急流將水汽和熱量向華南地區(qū)輸送，使得華南地區(qū)低層對流不穩(wěn)定度加大，上升運(yùn)動(dòng)和凝結(jié)潛熱釋放加強(qiáng)，為暴雨發(fā)生提供有利條件。21日00:00[圖3(d)]，高空急流強(qiáng)度進(jìn)一步減弱，中心風(fēng)速降至44 m·s-1，廣西北部的渦旋持續(xù)東移，對華南的影響逐漸減弱。

圖3 2016年5月19日12:00(a)、20日00:00(b)、20日12:00(c)和21日00:00(d)200 hPa急流(紅色虛線)和850 hPa風(fēng)場(矢量)分布(單位：m·s-1)(紅色虛線為200 hPa上大于30 m·s-1的風(fēng)速；陰影區(qū)為200 hPa上大于2×10-5 s-1的輻散區(qū))Fig.3 The distribution of 200 hPa jet stream (red dotted lines) and 850 hPa wind field (vectors) at 12:00 UTC 19 (a), 00:00 UTC 20 (b), 12:00 UTC 20 (c) and 00:00 UTC 21 (d) May 2016 (Unit: m·s-1)(The red dotted lines for the wind speed more than 30 m·s-1 on 200 hPa, the shaded area for divergence more than 2×10-5 s-1 on 200 hPa)

3.3 TBB特征

研究表明，TBB大值區(qū)與強(qiáng)降水落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系[28]。從TBB的時(shí)間演變(圖4)來看，19日12:00，廣西東北部出現(xiàn)線狀的MCS(中尺度對流系統(tǒng))，18:00該MCS東移并進(jìn)一步發(fā)展，范圍擴(kuò)至廣西中東部和廣東中西部地區(qū)。20日00:00，廣西東南部和廣東西部地區(qū)對流再次發(fā)展加強(qiáng)，局地云頂亮溫低于-70 ℃，此時(shí)降水開始增強(qiáng)；03:00，對流持續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，并逐漸向東南方向移動(dòng)，北部灣北部海域局地出現(xiàn)強(qiáng)對流云團(tuán)，云頂亮溫低于-80 ℃，廣東信宜03:00—04:00的133 mm強(qiáng)降水可能與強(qiáng)對流云團(tuán)的加強(qiáng)密切相關(guān)；06:00，MCS進(jìn)一步東移南壓且呈現(xiàn)帶狀分布，廣東東部和南部地區(qū)局地云頂亮溫低于-70 ℃，強(qiáng)對流過程維持；09:00，MCS基本移出華南地區(qū)，降水開始逐漸減弱。結(jié)合圖1看出，TBB大值區(qū)與主雨帶分布有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 2016年5月19—20日FY-2G衛(wèi)星TBB的演變 (單位:℃)(a)19日12:00, (b)19日18:00, (c)20日00:00, (d)20日03:00, (e)20日06:00, (f)20日09:00Fig.4 The evolution of TBB from FY-2G satellite from 19 to 20 May 2016 (Unit: ℃) (a) 12:00 UTC 19, (b) 18:00 UTC 19, (c) 00:00 UTC 20, (d) 03:00 UTC 20,(e) 06:00 UTC 20, (f) 09:00 UTC 20

4 水汽輸送特征

暴雨的發(fā)生需要源源不斷的水汽輸送[29]。為了更好地描述暴雨發(fā)生期間的水汽來源，選取廣東信宜(22.1°N、111°E)為強(qiáng)降水代表站點(diǎn)，分別以500、1500和3000 m為初始高度，采用HYSPLIT模式對20日00:00和12:00該點(diǎn)水汽粒子進(jìn)行72 h后向軌跡追蹤。從圖5看出，19日12:00[圖5(a)]，來自孟加拉灣和南海的水汽在華南上空匯合，廣西北部有一條顯著的水汽輻合帶，大值中心的散度達(dá)-7×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1。20日00:00[圖5(b)]，隨著孟加拉灣風(fēng)暴的東移，其向我國華南地區(qū)的水汽輸送更為顯著，在廣西東部地區(qū)水汽輻合中心的散度達(dá)-10×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，華南地區(qū)低層渦旋形成的輻合促使水汽進(jìn)一步聚集，這是該地區(qū)降水增幅的重要原因。高溫高濕的水汽進(jìn)一步使華南地區(qū)的大氣不穩(wěn)定度增大，在高層輻散抽吸作用下，對流不穩(wěn)定能量釋放，觸發(fā)強(qiáng)降水的發(fā)生。另外還發(fā)現(xiàn)，孟加拉灣水汽輸送是3000 m(700 hPa)高度上主要的水汽來源，1500 m(850 hPa)上以越中南半島的西南季風(fēng)帶來的水汽輸送為主，而500 m(925 hPa)上有一支來自西北太平洋的重要水汽通道，這可能與副熱帶高壓南側(cè)的東風(fēng)急流有關(guān)。20日12:00[圖5(c)]，在廣東北部依然有一顯著的輻合中心，水汽通量散度為-6×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，孟加拉灣風(fēng)暴南側(cè)的西南風(fēng)穿過中南半島以后北上進(jìn)入華南地區(qū)，形成一條穩(wěn)定的水汽輸送帶。隨著孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”的東進(jìn)及副熱帶高壓的東退，3000 m和1500 m高度的水汽通道依然來源于孟加拉灣，顯然華南地區(qū)暴雨的持續(xù)與“羅納”的水汽輸送密切相關(guān)；500 m高度上以來自南海的偏南氣流為主，這主要是孟加拉灣的西南風(fēng)在南海與副熱帶高壓南側(cè)的東南風(fēng)匯合后形成的一支強(qiáng)偏南氣流向華南地區(qū)輸送。21日00:00[圖5(d)]，隨著低層系統(tǒng)進(jìn)一步東移南壓，廣東東部依舊為一水汽輻合中心。綜上可見，在華南地區(qū)強(qiáng)降水期間，來自孟加拉灣-中南半島-南海的西南風(fēng)源源不斷地向華南地區(qū)輸送水汽，其中孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”帶來的暖濕空氣是華南地區(qū)暴雨持續(xù)的重要原因。

5 強(qiáng)降水的動(dòng)力因子

在穩(wěn)定層結(jié)大氣中，低層輻合導(dǎo)致的整層大氣上升運(yùn)動(dòng)往往形成層狀云降水，其降水強(qiáng)度一般在10 mm·h-1以下，而超過20 mm·h-1的降水一般認(rèn)為是對流性降水[27]。本次強(qiáng)降水過程中，廣東信宜局地最大雨強(qiáng)達(dá)133 mm·h-1，是一次較強(qiáng)的對流性降水過程。對流性降水一般發(fā)生在絕對或條件性不穩(wěn)定環(huán)境中，常用對流有效位能(CAPE)和對流抑制能量(CIN)來衡量。CAPE是氣塊在自由對流高度和平衡高度之間受環(huán)境浮力累積做的功，是一種潛在能量，該能量是否真正轉(zhuǎn)化為氣塊的動(dòng)能取決于氣塊在自由對流高度是否具備向上的初速度，低層的輻合抬升可以使氣塊在到達(dá)自由對流高度時(shí)獲得初速度。從廣東信宜站20日00:00的T-lnP圖(圖6)看出，抬升指數(shù)LI小于0，大氣處于條件不穩(wěn)定[30]，800 hPa以下風(fēng)隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有暖平流輸送；由于孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”持續(xù)不斷地輸送水汽，500 hPa以上大氣層結(jié)飽和濕度達(dá)到最大，盡管最低層局部有弱對流抑制(CIN=5 J·kg-1)，但當(dāng)溫暖濕潤的氣塊到達(dá)抬升凝結(jié)高度(LCL)以上后獲得了大量的CAPE(1178 J· kg-1)[31]，從而觸發(fā)深對流過程的發(fā)展。

位渦(potential vorticity，PV)是反映大氣熱力、動(dòng)力性質(zhì)的一個(gè)綜合物理量，在絕熱、斜壓、無粘性的大氣中沿著氣塊的運(yùn)動(dòng)方向具有守恒性，它不僅有效描述氣塊的軌跡，還能揭示大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，因此等熵面上位渦ζp和水平流場分布特征對暴雨落區(qū)和強(qiáng)度具有指示作用。從315 K(700～600 hPa)等熵面上位渦、渦度和風(fēng)場來看，19日18:00[圖7(a)]，孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”對應(yīng)的氣旋性環(huán)流ζp中心值達(dá)2.4 PVU，同時(shí)也是渦度大值區(qū)，正渦度達(dá)24×10-5s-1，在其北側(cè)副熱帶西風(fēng)急流作用下，低層有正渦度向華南地區(qū)輸送，并伴隨正ζp平流。20日00:00[圖7(b)]，在110°E、25°N和113°E、26°N附近出現(xiàn)兩個(gè)氣旋性低渦，ζp強(qiáng)度為1.2 PVU，中心渦度為8×10-5s-1，華南地區(qū)降水開始增加；06:00[圖7(c)]，孟加拉灣風(fēng)暴進(jìn)一步加強(qiáng)，ζp中心值增至2.8 PVU，同時(shí)向華南地區(qū)輸送的正ζp平流也增強(qiáng)，強(qiáng)度增至1.4 PVU，中心渦度增為10×10-5s-1，且兩個(gè)渦耦合為一渦，低層氣旋式渦度的增強(qiáng)和高空急流的輻散抽吸，致使暴雨區(qū)輻合上升運(yùn)動(dòng)更為強(qiáng)烈；12:00[圖7(d)]，低渦中心東移，雨帶也隨之向東發(fā)展。由此可見，孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”通過向華南地區(qū)輸送正ζp平流，在高空急流的耦合作用下，低層有氣旋性渦旋生成，低層氣旋性渦度的增大配合高層輻散抽吸作用，促進(jìn)華南地區(qū)氣旋性輻合上升運(yùn)動(dòng)，為強(qiáng)降水的發(fā)生提供動(dòng)力條件。

圖6 廣東信宜探空站2016年5月20日00:00的T-ln P圖Fig.6 The T-lnP diagram at 00:00 UTC 20 May 2016 at Xinyi radiosonde station of Guangdong Province

圖7 2016年5月19—20日不同時(shí)刻315 K等熵面上位渦(陰影，單位:PVU) 、渦度(等值線，單位:10-5 s-1)和風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)分布(a)19日18:00，(b)20日00:00，(c)20日06:00，(d)20日12:00Fig.7 The distribution of potential vorticity (shadows, Unit: PVU), vorticity (contours, Unit: 10-5 s-1) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 315 K isentropic surface at different times from 19 to 20 May 2016(a) 18:00 UTC 19, (b) 00:00 UTC 20, (c) 06:00 UTC 20, (d) 12:00 UTC 20

圖8是過強(qiáng)降水站點(diǎn)信宜(22.1°N、111°E)的MPV2和MPV1高度-時(shí)間剖面。可以看出，19日12:00開始，廣東信宜900 hPa以下MPV2>0、MPV1<0，在低空急流作用下水平風(fēng)的垂直切變增大，且暖濕氣流使得低層大氣不穩(wěn)定度開始建立，而900～800 hPa之間MPV2<0、MPV1>0，大氣斜壓性開始增強(qiáng)，這種濕位渦的正負(fù)疊加形式有利于垂直渦度的增大；20日00:00—12:00，800 hPa以下同樣呈現(xiàn)濕位渦正負(fù)疊加分布；20日12:00至21日00:00，900 hPa以下MPV2<0、MPV1>0，降水釋放潛熱，使得低層大氣逐漸趨于穩(wěn)定，而900～800 hPa之間MPV2>0、MPV1<0，對流不穩(wěn)定層結(jié)顯著，說明孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”外圍云團(tuán)給強(qiáng)降水區(qū)帶來水汽輸送，同時(shí)高溫高濕的大氣進(jìn)一步加劇降水區(qū)的層結(jié)不穩(wěn)定性，積累了不穩(wěn)定能量。

圖8 過廣東信宜站MPV2(彩色陰影)和MPV1(等值線)的高度-時(shí)間剖面(單位:PVU)Fig.8 The height-time section of MPV2 (color shadows) and MPV1 (contours) along heavy precipitation point at Xinyi station of Guangdong Province (Unit: PVU)

6 結(jié) 論

(1)孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”通過偏南低空急流向華南地區(qū)輸送不穩(wěn)定的暖濕空氣，同時(shí)在高低空急流的耦合作用下激發(fā)局地MCS發(fā)展，促使降水增幅。

(2)20日華南地區(qū)處于孟加拉灣高空槽前，槽前不斷有正渦度平流向華南地區(qū)上空輸送，使得華南地區(qū)高空槽進(jìn)一步加深且移動(dòng)緩慢，為暴雨發(fā)生提供重要的大尺度環(huán)境背景。

(3)暴雨發(fā)生前期水汽輸送主要來源于孟加拉灣風(fēng)暴，隨著副熱帶高壓的東退，其引導(dǎo)的東南氣流是華南暴雨區(qū)的另一個(gè)重要水汽通道。

(4)在孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”東移過程中，315 K等熵面上正位渦平流東傳顯著，在高空急流耦合作用下華南地區(qū)低層出現(xiàn)氣旋性渦旋，為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了動(dòng)力條件。

5月，華南地區(qū)暴雨受多尺度天氣系統(tǒng)影響，而此次北上的孟加拉灣風(fēng)暴“羅納”對華南地區(qū)動(dòng)力和熱力方面的影響代表性有限，這種影響是否具有普適性還需在今后的工作中尋找相似個(gè)例進(jìn)行更為細(xì)致的探討。