黄玉蓉 黄绮君 郭炳瑶 葛旭阳 陈明诚

摘要 利用NCEP／FNL再分析资料和中尺度数值模拟方法探讨2018年8月27日—9月1日季风低压环境下广东特大暴雨过程的形成成因。利用扰动天气图方法分析发现，季风低压和西南急流为此次广东暴雨过程提供了有利的水汽条件和能量条件。熵变零线位置与降水落区位置有较好的对应，零线处能量有最大累积，有利于暴雨的发生发展，对预报暴雨降水落区有一定的指示意义。为进一步验证季风低压的影响机制，构建不同季风低压尺度的敏感性试验，即通过滤去季风低压环流中的扰动分量来改变季风低压的强度。结果表明：暴雨强度与季风低压尺度和强度存在密切的关系。当季风低压强度较强时，暴雨过程总雨量强;当季风低压强度较弱时，降水大为减少甚至无降水。诊断分析指出，能量螺旋度指数能够较好反映出不同情形下降水发生发展，在季风低压背景下，暴雨区能量螺旋度指数较大，降水强度较强。反之，随着季风低压强度减弱，能量螺旋度指数减小，降水减弱。

关键词季风低压;暴雨;能量螺旋度;水汽条件

华南地区是我国遭受暴雨袭击最频繁的地区之一，全年极端降水量主要发生于4—6月的华南前汛期以及7—9月的后汛期（田莹等，2022）。广东省在华南前汛期的累积降水量可占全年的40％～50％（王遵娅和丁一汇，2008;Zhang et al.，2011;張艳霞等，2020），其中由于受到锋面低槽等影响而发生的暖区暴雨是华南前汛期暴雨重要特点。由于暖区暴雨一般对应弱的天气背景强迫，其预报难度相对较大，因此被当前业务部门视为挑战。而华南后汛期降水主要受到季风槽、台风以及季风低压等系统的影响。黄忠等（2005）对后汛期暴雨研究发现，受季风槽影响的暴雨多发生在西太平洋副高偏东或者偏南，与中纬度西风槽或者赤道辐合带有一定联系。登陆台风与环境场相互作用可以为暴雨提供有利的水汽、能量以及动力环境条件，有利于暴雨的产生和加强（程正泉等，2009;吴海英等，2015）。

季风低压一般发生于南海季风槽中，是与西南季风有关的气旋性扰动。季风低压登陆华南之后，在有利的环流背景下，为华南地区带来充沛的水汽和充足的能量，影响华南地区产生强对流天气过程。研究发现，南海季风低压中心移动方向偏北100～200 km处对应着强降水落区（梁必骐和刘四臣，1988），季风低压强度随时间变化的范围与降水落区范围的分布有较好的对应关系（蔡景就等，2019）。在季风低压的低层常有西南季风低空急流出现，低空急流的向北传送可以为华南地区提供良好的水汽条件，能量以及不稳定条件，以维持暴雨的发生发展（史学丽和丁一汇，2000）。由于季风低压的结构与台风结构相比较为松散，在其作用下产生的降水极值往往小于台风影响，因此对季风低压下的暴雨过程机理研究相对较少。2018年8月27日至9月1日（世界时，下同），广东省沿海地区发生了一场特大暴雨过程，此次暴雨过程维持时间长达5 d，多个站点降水量超过站点的历史极值。本文拟开展热力学和动力学分析研究，以此揭示季风低压对此次暴雨过程发生发展的影响。

1 资料方法与模式设计

1.1 资料方法

本文观测降水数据选取自中国自动站与CMORPH（Climate Precipitation Center Morphing）逐小时降水融合资料，分辨率为1°×1°。此外，利用NCEP／FNL（National Center of Environment Prediction／Final Operational Analysis）逐6 h的1°×1°再分析资料进行环流背景分析。

前人研究指出，水平螺旋度的正值与强对流过程有着一定的联系，稳定的强对流系统往往发生在螺旋度正值较大的地方，而较大的螺旋度也往往是暴雨及低层中尺度低涡和地面气旋系统发生发展的机制之一（Davies，1993;陆慧娟和高守亭，2003）。鉴于上述考虑，本文计算了低层的局地水平螺旋度对此次暴雨过程的影响。局地水平螺旋度（林确略等，2015）的计算公式为：

其中：h为风暴入流高度;V为环境场风速;C为风暴的移动速度。前人研究发现当EHI>2时，出现强对流天气的可能性较大，EHI可以较为有效的预报强对流的发生发展（Davies，1993;陈艳等，2005;王咏微等，2005;周伟灿和罗丽君，2021;栗晗等，2022）。

1.2 数值试验设计

数值模式采用WRF-ARWV3.9.1版本（The Advanced Research Weather Research and Forecasting model version 3.9.1），利用NCEP／FNL逐6 h的1°×1°再分析资料提供初始场及侧边界条件。模式区域设计为两重嵌套，分辨率分别为27 km和9 km。微物理方案采用的是WSM6方案（Hong and Lim，2006），长波辐射方案采用的是快速辐射传输模式（RRTM；Mlawer et al.，1997），短波辐射方案为Dudhia短波辐射方案（Dudhia，1989）;模式中第1重网格使用Betts-Mille积云对流参数化方案（Betts and Miller，1993），第2重网格不适用积云参数化方案。

为对比研究不同季风低压尺度、强度对暴雨过程影响，本文设计了4组数值试验。在控制试验（CTL）完好再现此次暴雨过程的特征基础上，敏感性试验（EXP_500，EXP_700，EXP_1000）则改变季风低压尺度及强度。具体步骤如下：1）通过低通滤波进行空间滤波（Hendricks et al.，2011）得到季风低压环流对应的扰动风场（U，V），扰动温度场（T），扰动相对湿度（RH）以及位势高度场（GHT）;2）改变上述扰动分量来调整季风涡旋尺度和强度。如：在EXP_500试验中，我们滤除季风低压中心500 km半径内的扰动分量;EXP_700试验则滤去季风低压中心700 km半径内的扰动分量;类似的，EXP_1000试验滤去季风低压中心1 000 km半径内的扰动分量。四组模拟试验从2018年8月28日12时开始积分，积分至8月30日18时，覆盖了此次暴雨事件的最大雨强时段。需要指出的是，本文也进行改变地形的敏感性试验，结果表明降水强度略有差异，但落区变化不明显。考虑到篇幅，本文暂不涉及地形影响。

2 暴雨概况

图1给出了2018年8月27—30日暴雨过程期间的逐日降水量空间分布特征。27日暴雨处于发展阶段，此时降水分布较为分散，日降水量最大为80 mm／d。从28日起，强降水开始向南移至珠三角地区，降水落区趋于集中，最大日降水量超过100 mm／d。 在29日，暴雨发展到强盛阶段，最大降水量超过200 mm／d，且降水落区集中于广东东南沿海地区，呈带状分布。30日降水强度持续，日降水量仍超过200 mm／d，降水落区开始东移，仍维持在珠三角地区东部的沿海地区。至31日，降水开始减弱，但日降水量仍较强（图略）。上述分析表明，此次暴雨过程降水量大，维持时间长，强降水落区较为集中，是较为罕见的一次特大暴雨过程。

3 季风低压环流

前人研究指出，本次暴雨过程主要受到低层西南季风低压的影响（蔡景就等，2019;郭姿佑等，2019）。为更好反映出季风低压系统的时空变化特征，本文采用扰动天气图分析法（钱维宏等，2013），其分解得到的扰动气流可以较准确地反映环流场与降水落区的关系（图2）。由图可见，在8月23—30日低层扰动风场，存在一明显的气旋性环流（即季风低压）。具体来说，23日00时—26日00时，季风低压中心主在台湾岛附近活动，然后在福建省登陆，登陆之后缓慢西移，于27日00时西移至广东省附近。27日00时至30日00时主要在广东省附近缓慢移动。在这种环流配置下，在暴雨发生前期，20°N以南的西南季风可以将南部暖湿气流持续向季风低压中心输送，改变东南沿海地区的热力学条件，有利于不稳定能量的累积，最终诱发强降水发生。图3为29日00时—30日06时，暴雨最强盛阶段850 hPa的扰动环流场。在季风低压南侧及东南侧有一显著的西南急流，该西南急流可以为暴雨的发生发展带来充沛的水汽、能量和不稳定条件。29日00时，115°E附近急流的急流核主要位于20°～25°N，急流核主要发生在低层（1 km），但强风速区垂直高度可以达到7 km。这种垂直深厚系统有别于与一些暖区暴雨相关联的低空急流或边界层急流（Du and Chen，2018，2019a，2019b），意味着这次过程强风速区受到季风低压的影响较为深厚（图4）。

随时间推移，急流逐步向东北方向推进，强度略微增强。30日00时，暴雨区附近上空受16 m·s-1左右的急流控制，此时急流强度最强可以超过20 m·s-1，急流达到过程最强，对应着暴雨发展到最盛阶段（图3c）。30日06时，季风低压减弱并缓慢西移，低空急流强度也同时开始减弱（图3d）。综观此次暴雨过程，受到季风低压的影响，强盛的急流有利于水汽的输送，为暴雨提供了充足的水汽条件，即为此次暴雨过程带来了能量和不稳定条件。郭姿佑等（2019）研究也指出，此次暴雨过程的低层水汽条件充沛，主要的水汽来源时从孟加拉湾附近向东途经中南半岛最后向东北方向输送至华南上空。

4 暴雨期间热力、动力学特征

一般而言，暴雨过程受到大气稳定度的影响。为此，图5给出了8月29日00时暴雨区上空的T-lnP图。由图可知，暴雨区上空相对湿度大于75％的层次达到300 hPa以上，湿层深厚。对流有效位能相对较强，达到了1 994 J·kg-1，且此时的对流抑制能为0，抬升凝结高度较低，有利于不稳定能量的累积以及暴雨的发生发展。此外，暴雨过程往往伴随中尺度对流系统，这些系统的发生、维持同时受到环境场动力条件制约（Maddox et al.，1979;Takemi，2006，2007）。为了更清楚反映垂直风变化特征，图6绘制了此次暴雨过程的低层（1 000～700 hPa）的风速矢端。可以清楚发现，此次过程低层大气具有较大的环境场垂直风切变。在29日00时，600 hPa以下高度主要受到西风影响，600 hPa以上主要是东风。低层垂直风切变可以达到10 m／s，且低层风向随高度顺时针转变。根据热成风原理，随高度顺转风切变对应着低层暖平流，而暖平流有利于不稳定能量累积。

从动力学来看，环境场垂直风切变意味着系统具有一定的螺旋度，而强的螺旋度有利于对流系统的发展及维持。由于此次暴雨过程低层主要受到西南季风低空急流控制，经向风强，本文仅分析1 000～700 hPa高度上经向水平螺旋度hy（图7）。从经向水平螺旋度的演变可知，29日00时至30日18时，水平螺旋度正值区中心主要从台湾岛附近缓慢西移至广东省地区，且在29日06时在海南岛以南地区出现了第二个大值区，随时间向北移动至海南岛附近。水平螺旋度的正值区与西南季风低空急流的位置有着较好的对应，暴雨区同时也在水平螺旋度正值区的范围内。水平螺旋度正值区在暴雨过程中始终维持着较高值，29日至30日暴雨发展到了强盛阶段，其日降水量也超过200 mm（图1c、d）。当系统的水平螺旋度较大时可以有利于强对流系统的维持，水平螺旋度的正值强度与暴雨的生命史有着良好的对应关系，但是正值区的中心位置和暴雨区位置对应关系并不好，这值得进一步研究。

上文指出，水平螺旋度并不能很好地反映暴雨落區。而准确暴雨落区预报对业务部门来说具有重要意义。强对流过程一般属于一种典型的“耗散结构”，系统发生发展趋向于增熵，失去稳定性，更趋向于一种无序状态;而通过减熵过程从环境场中获得负熵恢复到有序状态（Li et al.，2014）。图8给出了暴雨期间熵变分布的演变特征。在整个暴雨强盛阶段，暴雨区南侧总是处于负熵变，北侧总是处于正熵变，熵变零线位置处表示加速度为零，即熵值为极大值，这意味着该地区能量累聚最大，有利于对流的发生发展。从物理过程来看，暴雨北侧熵增意味着不稳定能量持续增加，而南侧发生降水，释放不稳定能量，即熵减并趋向于稳定。在暴雨过程中降水落区也基本维持在熵变的“零线”位置附近。因此，熵变的零线位置可以对于暴雨落区有较好的指示意义。需要指出的是，这种对应关系仅仅是本次特定个例所得，为得到普适结论，还需要大批量个例进行验证。

5 数值试验对比分析

以上分析针对季风低压系统在本次暴雨过程中的可能影响，为进一步验证其所起的可能作用，本文设计了4组试验进行对比分析。图9对比分析了4组模拟试验中8月30日单日总降水量分布特征。在CTL试验中，30日的日降水主要集中在广东和福建沿海，呈带状分布，日降水量可超过200 mm／d。与观测结果相比较，降水强度基本一致，降水位置略为偏东1°左右。在EXP_500试验中，由于季风低压强度的减弱，降水强度明显要弱于CTL试验，且降水落区开始分散，但主体仍带状分布于广东东南沿海附近。进一步扩大减弱季风低压强度和范围，如：EXP_700试验中，降水强度急剧减小，降水主体已移至海洋，陆地日降水量最大值低于100 mm／d。相类似，EXP_1000试验中基本无降水。综上可知，季风低压的强度和范围对此次暴雨的发生发展有着重要影响。

由上文分析表明，水汽条件的建立与季风低压相伴随的西南急流强度有密切关系。为此，我们首先对比分析初始时刻四组试验低层环流场差异情况（图10）。通过850 hPa环流对比清楚可见，CTL试验在20°～25°N有一明显的季风低压存在，且西南急流强度较强;EXP_500试验中季风低压环流仍存在，但是强度比CTL试验略有减弱（图10b，c）。EXP_700试验中季风低压环流强度明显减弱，同时低层的西南急流强度也有所减弱，急流位置相对偏东。在EXP_1000试验中，季风低压基本被去除，广东东部沿海地区不再受到季风低压的控制，即西南急流基本不存在，切断了水汽向暴雨区输送通道。

图11进一步研究分析了此次暴雨主要落区（113°～120°E）平均经向大气可降水量随时间的演变。图中蓝色实线是海陆边界的大致纬度范围，降水落区主要集中于23°～25°N。进一步分析可知，CTL试验由于西南急流将充沛的水汽向华南地区输送，在整个暴雨过程中降水落区的水汽条件较好，大气可降水量基本维持在61 mm以上，最高可达到67 mm，有利于暴雨的发展维持。随着季风低压强度的减弱，暴雨落区的大气可降水量也发生了显著改变（图11b—d），如：EXP_500和EXP_700试验中，季风低压和低空急流强度减弱，暴雨区的大气可降水量减少，降水减弱。EXP_1000试验中，由于移除季风低压影响，大气可降水量比CTL试验减小约8 mm，这导致基本没有降水的出现。从4组模拟试验8月29日18时的大气可降水量水平分布图中可以发现（图12），CTL试验中降水落区的大气可降水量明显高于其他三组试验，最大可以达到68 mm。当减弱季风低压强度时，季风低压中心基本没有发生位置上的变化（图10），大气可降水量大值区仍主要沿广东东南沿海呈条带状分布，但是大气可降水量的强度随季风低压强度相应减少。上述数值试验结果进一步表明，季风低压强度的减弱伴随着西南急流强度的改变，进一步改变其对华南地区的水汽输送，影响暴雨区的水汽条件，不利于暴雨的发生发展。

图13为降水落区（115°～118°E，22.5°～24°N）的平均能量螺旋度指数随时间的变化，CTL试验的平均能量螺旋度始终高于EXP_500，EXP_700，EXP_1000试验，且EXP_1000试验中的能量螺旋度指数最小，在整个模拟阶段EHI不超过1。CTL试验中，28日18时起，EHI>2，在29日06时达到最强，超过3.5，之后又开始减弱，于29日18时再次加强，于30日06时达到最强。对比该区域逐小时平均降水发现（图略），4组试验中能量螺旋度的极小值与降水强度的极大值相对应。在降水发生之前，不稳定能量存在积累，这意味着CAPE为大值;而随着降水过程的发生，不稳定能量释放，即CAPE逐渐减小。因此，能量螺旋度峰值与降水强度峰值之间存在着反相关。EHI峰值略超前降水峰值，能够较好地判断暴雨的发展过程，为强对流天气过程的预报起到了一定的指示作用。

6 结论与讨论

利用NECP／FNL再分析资料，中国自动站与CMORPH逐小时降水融合产品，利用扰动天气图分析方法探讨季风低压对2018年8月广东一次特大暴雨过程的影响。由于季风低压的存在，其东南侧强盛的西南急流为此次暴雨过程提供了有利的动力、热力和水汽条件，使得此次暴雨过程能够维持较长的时间，降水量大，降水落区主要集中于广东东南沿海地区。熵变零线位置与降水落区位置有较好的对应，零线处能量有最大累积，有利于暴雨的发生发展，对预报暴雨降水落区有一定的指示意义。

为进一步验证季风低压的影响机制，构建不同季风低压尺度的敏感性试验，结果表明：暴雨强度与季风低压尺度和强度存在密切的关系。当季风低压强度较强时，暴雨过程总雨量强;当季风低压强度较弱时，降水大为减少甚至无降水。能量螺旋度指数能够较好地反映出降水演变特征，在季风低压背景下，暴雨区能量螺旋度指数较大，降水强度较强。反之，随着季风低压强度减弱，能量螺旋度指数减小，降水减弱。

总而言之，强对流天气过程的发生发展仍然是一个预报难点，特别是暖区暴雨触发机制的认识。本文仅通过对一次季风低压下的广东暴雨过程进行了研究分析，因此，所得结论是否具有普遍性还需要做更进一步的研究。此外，季风低压作为一种特殊形式的环流系统，其形成、维持、移动等具有一定的独特性，这些问题在本文尚未涉及。而理解这些问题有助于对这类背景系统下强降水的预报，后续工作将针对这些科学问题开展细致研究。

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·ARTICLE·

Analysis of a rainstorm associated with monsoon depression in Guangdong

HUANG Yurong，HUANG Qijun，GUO Bingyao，GE Xuyang，CHEN Mingcheng

Key laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Abstract In this study，NCEP／FNL reanalysis and WRFV3.9.1 are used to investigate the influence of the intensity of the monsoon depression on the rainstorm process in Guangdong from 27 August to 1 September，2018.On August 27，the rainstorm was in the development stage，the precipitation distribution was relatively scattered，and the maximum value of the daily precipitation was 80 mm／day.Starting from August 28，the heavy rainfall was concentrated and tended to shift southward to the Pearl River Delta region，with a maximum daily precipitation exceeding 100 mm／day.The rainstorm reached a mature phase between 29 and 30 August，with a maximum of daily precipitation more than 200 mm／day，and the location of the precipitation area was concentrated in the southeast coastal area of Guangdong，with a northeast-southwest spatial distribution.On 31 August，the rainfall began to weaken，but the daily precipitation remained strong.Above all，this rainstorm process involved much precipitation，a long duration，and a concentrated area，making it a rare extraordinary heavy rainstorm event.Using the physical decomposition method indicates that the monsoon depression and low-level jet provided sufficient water vapor and energy for the rainstorm process.In the mature phase of the rainstorm process，there was a negative entropy anomaly to the south of the rainstorm area，and a positive one to the north.The zero line of entropy anomaly indicates that the tendency of entropy was zero，that is，the value of entropy reached its peak，which means that the accumulation of energy had a maximum value in this area.On the north side of the rainstorm，the increase of the entropy means that the unstable energy continued to grow，while the precipitation on the south side released the unstable energy，that is，the entropy decreased and tended to be stable.The location of the zero line of the entropy change corresponded closely with the spatial distribution of the precipitation.Energy accumulating at the zero line of the entropy change was favorable to the development of the rainstorm.To further verify the influence of the monsoon depression，sensitivity experiments （EXP_500，EXP_700，and EXP_1000） were constructed.Sensitivity experiments were conducted by filtering out the perturbation component in the monsoon depression to change the intensity of the monsoon depression.The results show that when the monsoon depression was strong，the rainstorm was likely to occur and the precipitation was strong，and when the monsoon depression was weak，the precipitation was reduced or even absent.The diagnostic analysis shows that the energy helicity had implications for the development of the rainfall：when the energy helicity was greater，the intensity of precipitation was stronger，and when the intensity of the monsoon depression weakened，the energy helicity decreased and the precipitation weakened.

Keywords monsoon depression;rainstorm;energy helicity;water vapor condition

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20210415001

（責任编辑：袁东敏）