廣東省冬季暴雨及其環流形勢特征分析

麥健華 于玲玲 紀忠萍 吳道航 陳柏林

(1 廣東省中山市氣象局，中山 528400；2 廣東省氣象臺，廣州 510080)

引言

廣東省北靠南嶺，南望南海，每年暴雨頻發，危害大，致災重，影響系統多且復雜，因此廣東暴雨一直是氣象專家研究的重點。絕大多數對暴雨的研究把重點集中于發生在汛期的鋒面暴雨[1-2]、季風暴雨[3-4]和臺風暴雨[5-6]上，近年來對汛期暴雨的研究取得了不少成果，業務上對暴雨的預報預警準確率不斷提高。

每年的10月至次年的3月為廣東的非汛期，暴雨發生的頻率相比汛期大為減小，而發生在冬季的暴雨過程則更為少見。在全球氣候變化的背景下，廣東最近10年冬季暴雨的發生頻率與過去30年相比達到了一個高峰，一些關于廣東冬季暴雨方面的研究逐漸出現。例如鄧文劍等人對2013年12月廣東的冬季連續暴雨作了分析，指出高層輻散、低層冷暖交匯是這次暴雨過程的成因，并把這次暴雨過程跟2008年華南的持續低溫雨雪冰凍過程進行了比較[7]。楊雨軒等人通過環流分析和物理量診斷研究了2015年12月廣東暴雨過程的機理，指出鋒生與次級環流是暴雨區上升運動發展的重要機制[8]，并采用四維集合變分同化方法對這次暴雨過程進行了模擬，探討了同化不同雷達觀測要素對暴雨模擬的影響[9]。更多對于廣東冬季暴雨的研究均是集中于對暴雨個例的分析和診斷上，這些研究指出，穩定的大氣環流背景、充沛的水汽、有利的動力條件和天氣形勢配合是廣東冬季暴雨出現的重要條件[10-16]。這些研究的出現加深了對廣東冬季暴雨的認識，但與汛期暴雨相比，對冬季暴雨研究的深度和廣度仍遠遠不足，且冬季暴雨由于發生概率小，往往更難進行預報，漏報現象時有發生。因此，對廣東冬季暴雨進行更深入的研究很有必要。本文利用降雨觀測資料、NCEP再分析資料、MICAPS探空資料，對1981—2019年廣東的冬季暴雨時空分布特征進行了研究，并對造成冬季暴雨的天氣形勢和探空指數特征進行了分析和歸納，期望可以為今后廣東冬季暴雨的分析和預報提供參考依據。

1 資料選取

氣候學上把每年的12月至次年2月定義為冬季，因此本文把發生在12月至次年2月，某地區人工觀測站日降雨量(北京時08:00至次日08:00)大于或等于50 mm的降水事件定義為該站點當天出現冬季暴雨，記為一個冬季暴雨站次，而暴雨過程的定義則依照表1的廣東省氣象臺預報片區劃分，當預報片區內額定站數的人工觀測站出現暴雨，或者是不連片大于等于5個觀測站出現暴雨，則定義為一個暴雨過程；當暴雨過程的連續出現日數大于1 d時，稱為連續暴雨過程[17]。另外，把某年12月至次年2月的暴雨稱為該年的冬季暴雨，例如1981年12月至1982年2月出現的暴雨稱為1981年的冬季暴雨，如此類推。

表1 廣東省氣象觀測站點片區劃分及暴雨過程額定站數

本文選取廣東省氣象局提供的廣東21地市86個人工觀測站1981—2019年冬季每天的日降水量數據和同期NCEP再分析資料(分辨率2.5°×2.5°)的500 hPa高度場、850 hPa風場以及海平面氣壓場，以及中國氣象局氣象探測中心提供的2005—2020年廣東站點的MICAPS探空數據，對廣東近40年的冬季暴雨作時空分布、天氣形勢和探空指數特征的分析。

2 廣東冬季暴雨時空分布特征分析

2.1 空間分布特征

圖1為廣東省內21個地市從1981年到2019年共39年間冬季暴雨出現的總站次數，若地市內人工觀測站大于一個，則取地市內各個觀測站冬季暴雨出現站次數的平均。可以看出廣東省不同地區冬季暴雨的出現頻次存在很大的地域差異，出現最多的是陽江市15.5站次，最少的是湛江市6.0站次，39年間全省各站點平均出現冬季暴雨9.9站次，即各站平均每年出現冬季暴雨0.25站次。總體上冬季暴雨的出現站次數東部比西部多，北部比南部多。相鄰地市冬季暴雨出現的站次數也能差別很大，例如陽江、茂名和江門同樣位于廣東西部沿海，但江門和茂名冬季暴雨出現的站次數分別為8.3和9.2站次，與陽江相比明顯偏少。

圖1 廣東21個地市人工觀測站1981—2019年39年間冬季暴雨出現總站次數

2.2 時間分布特征

經統計，從1981—2019年廣東省86個人工觀測站累計出現冬季暴雨848站次和64次冬季暴雨過程。圖2是1981—2019年間廣東冬季暴雨站次數和暴雨過程數的年際變化，可以看出廣東在不同年代冬季暴雨及暴雨過程出現的次數差別很大，1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年和2011—2019年的年均暴雨站次數分別為24.6、17.2、7.5和39.4個，年均暴雨過程數分別為2.1、1.5、0.9和2.1次，暴雨站次數和暴雨過程數均體現出兩邊高、中間低的分布趨勢，即20世紀80年代和21世紀10年代冬季暴雨多，20世紀90年代和21世紀00年代冬季暴雨出現少，且2010年后冬季暴雨站點的出現頻次達到了最高峰。在這39年中出現冬季暴雨最多的年份是2015年的159站次，其次是1982年的99站次和1997年的61站次，1983、1986、1987、1990、1993、1998、2008和2010年沒有站點出現冬季暴雨；大暴雨出現最多的年份為2015年的39站次，其次是2013年的4站次，絕大部分年份沒有出現過冬季大暴雨，說明廣東省冬季出現大暴雨的概率較低。在暴雨過程方面，1982年出現了8次暴雨過程，為39年最多的年份，排名第2的是2015年的6次；有14個年份沒有出現暴雨過程，占總年數的36%。連續暴雨過程出現最多的年份是1982和2015年，這兩年都出現了4次，其次是1984年的3次，39年中僅有12個年份出現過連續冬季暴雨過程。連續暴雨持續最多的天數為3天，出現在1985年2月6—8日。暴雨站次數和暴雨過程數的相關系數達到了0.83，說明兩者的變化趨勢較為一致。

圖2 廣東1981—2019年冬季暴雨站次數和暴雨過程數年際變化

廣東省冬季暴雨不僅年際變化大，不同月份暴雨出現的情況差別也很明顯。表2是冬季各個月份暴雨出現的情況。從出現冬季暴雨的站次數來看，1月出現的站次數最多，其次是2月，12月出現暴雨的站次數最少；從大暴雨站次數來看，1月出現次數最多，2月出現大暴雨的站次數最少。從暴雨過程數來看，2月出現的暴雨過程最多，共29次；其次是1月的21次，12月暴雨過程最少，僅有14次。在連續暴雨過程方面，同樣是2月最多，12月最少。冬季暴雨也會出現如閃電、雷暴、大風等對流天氣現象，當暴雨出現當天觀測站點有記錄到閃電、雷暴、雷雨大風、冰雹等對流天氣現象時，稱站點出現對流。2月份由于是從非汛期到汛期的過渡階段，因此對流出現的次數比其他月份明顯要多，有36%的站次在出現暴雨時同時伴隨對流天氣現象；12月的對流出現次數最少，僅有4%的站次在暴雨同時伴有對流天氣。綜上，1月出現冬季暴雨的站次數比其他月份明顯要多，2月的暴雨過程數比1月多，但暴雨站次數比1月少，說明2月的冬季暴雨局地性較強，且暴雨時對流天氣比其他月份明顯要多，12月的冬季暴雨出現最少，對流最不明顯。

表2 冬季各月份暴雨出現情況

2.3 暴雨過程區域性特征

在廣東省1981—2019年出現的64次冬季暴雨過程中，暴雨過程站次數在5個或以下、6～10個、11～20個、20個以上的分別有22次(34.3%)、20次(31.3%)、13次(20.3%)和9次(14.1%)，可見暴雨站次數在10個以下的區域性暴雨占比最大，達到了65.6%，大范圍冬季暴雨出現較少。暴雨站次數在20個以上的9次冬季暴雨過程中，出現在1月的有6次，12月3次，即1月出現大范圍冬季暴雨的機率更大，其中范圍最大的冬季暴雨出現在2016年1月28日，該日廣東全省共有71個站點出現了暴雨或大暴雨量級的降水。

3 廣東冬季暴雨探空和環流特征分析

3.1 廣東冬季暴雨探空特征

探空資料對暴雨的潛勢預報有重要的指示作用，本文利用2005—2019年共26個廣東冬季暴雨過程的探空資料，選取與降雨密切相關的K指數、對流有效位能(CAPE)、沙氏指數(SI)、整層比濕積分(IQ)、850 hPa和500 hPa的垂直溫差(ΔT)進行分析，并與2017—2019年25個冬季中到大雨日(當天在表1劃分的片區內額定站點出現10.0～49.9 mm降水)及72個無雨日(當天86個人工觀測站無出現降雨，或5個以下觀測站出現1.0 mm以下降雨)的探空指數進行對比。若降雨出現站點無高空觀測，則取距離該站點最近的探空站點資料代替，而無雨日的探空指數則取全省5個探空站點指數的平均值。由于探空指數在降雨出現前、出現中和出現后差異大，因此本文對探空指數的選擇為取降雨日或無雨日08:00和20:00探空指數的最大值(其中SI取當天的最小值)。

圖3是2005—2019年廣東省冬季暴雨過程和2017—2019年冬季中到大雨日及無雨日在K指數、對流有效位能CAPE、沙氏指數SI、整層比濕積分IQ、 850 hPa和500 hPa垂直溫差ΔT5個指標不同區間下的出現比例，其中橫坐標是各個指數的取值范圍，縱坐標代表在不同取值范圍下冬季暴雨過程、中到大雨日和無雨日出現次數的百分比。從圖3a可知，當K指數在31～35 ℃范圍下冬季暴雨過程所占比例最大，達到46.5%；其次是K指數在26～30 ℃范圍下的20.7%；K指數在25 ℃以下時出現的冬季暴雨比例最少，僅為13.8%。在中到大雨日中K指數在25 ℃以下的天數占比最大，為40%，其次是31～35 ℃范圍下的32%；而在無雨日中有71天的K指數在25 ℃以下，占比98.6%，僅有1天的K指數達到26 ℃，與暴雨日對比明顯。圖3b為CAPE值的分布，86.2%的冬季暴雨出現在CAPE值小于100 J·kg-1的條件下，其中CAPE值為0時的比例高達36.2%，僅有1.7%的冬季暴雨出現在CAPE值大于500 J·kg-1的條件下，說明以CAPE值的大小對冬季暴雨進行潛勢預報效果可能并不理想。與暴雨日類似，中到大雨日中有88%的天數出現在CAPE值小于100 J·kg-1的條件下；在無雨日中，CAPE指數均在100 J·kg-1以下，其中72.2%的無雨日CAPE值為0。圖3c為SI指數的分布，SI小于0 ℃和大于0 ℃下出現的冬季暴雨比例分別為22.4%和77.6%，其中SI指數在0～3 ℃時比例最高，達到55.2%；出現在SI小于-3 ℃下的冬季暴雨僅占總數的1.7%。在中到大雨日中，SI在0～3 ℃和3 ℃以上的天數比例分別為32%和52%；而在無雨日中，所有無雨日的SI指數均在3 ℃以上，占比100%。冬季暴雨的出現需要充足的水汽，如圖3d所示，大部分冬季暴雨過程中IQ值都較大，僅15.5%的冬季暴雨出現在IQ小于3000 g·kg-1的情況下，而無雨日這一范圍的占比高達98.6%，中到大雨日占比則為32%，介于暴雨日和無雨日之間；當IQ在4000～5000 g·kg-1范圍下冬季暴雨所占比例最高，達到46.6%；而中到大雨日則是IQ在3000～4000 g·kg-1范圍下最高，占比52%；僅有1次冬季暴雨出現在IQ大于5000 g·kg-1下，但冬季由于大氣總體較為干燥，出現大于5000 g·kg-1的樣本較少，因此總體上冬季暴雨出現的概率隨著IQ的增大而增大。圖3e為850 hPa和500 hPa垂直溫差的分布，冬季暴雨出現在ΔT為23～25 ℃的占比高達46.6%，其次為21～22 ℃的27.5%，當ΔT過高或者過低時，冬季暴雨的比例明顯減小。與暴雨日類似，中到大雨日在ΔT為23～25 ℃范圍時占比最大，達44%，其次為20 ℃以下的28%；無雨日中ΔT均在22 ℃或以下，其中溫差在20 ℃以下的天數占比達到86.1%，說明中低層溫差較小時不利于形成明顯降雨；而ΔT大于25 ℃時暴雨比例減小，這可能是由于冬季并不容易形成較大的中低層溫差，導致大溫差下冬季暴雨的占比變小。

圖3 廣東省冬季暴雨過程、中到大雨日和無雨日在K(a)、CAPE(b)、SI(c)、IQ(d)、ΔT(e)5個指標不同區間下的出現比例

綜上，冬季暴雨出現時的探空層結條件與中到大雨量級降雨和無降雨時相比有著明顯的不同，而與汛期強天氣的探空特征相比差異也很明顯。在汛期，理論上K指數和CAPE值越大、SI指數越小、IQ值越大時出現強天氣的機會就越大[18-19]，但冬季暴雨大多出現在K指數適中、CAPE值較小、SI值和IQ值較大的層結條件下；而在垂直溫差方面，冬季暴雨與汛期強降水相似，適中的垂直溫差最有利于降水，其中850 hPa與500 hPa溫差在23～25 ℃時強降水出現的機會最大，當垂直溫差過高或過低時降水出現機會減少[20]。說明與汛期的對流降水相比，冬季暴雨大多屬于穩定性降水，雨強與汛期相比較小，穩定的天氣形勢和大氣層結使降水能夠長時間維持，從而達到暴雨級別。

3.2 廣東冬季暴雨影響系統

暴雨的出現是各層天氣系統互相配合的結果[21-22]。表3是引起廣東冬季暴雨過程的500 hPa、850 hPa和海平面天氣系統及各個系統引起的暴雨過程次數。

表3 引起廣東冬季暴雨過程的500 hPa、850 hPa及海平面天氣系統及各系統造成的暴雨次數

500 hPa上對冬季暴雨造成影響的天氣形勢比較簡單，主要分為南支槽東移、多波動偏西風和槽前西南風3類。在這3類形勢中，南支槽東移形勢造成的冬季暴雨占絕大多數，廣東39年的64場冬季暴雨過程中，有45次(70.3%)500 hPa上的天氣形勢為南支槽東移，其次為多波動偏西風形勢的14次(21.9%)，槽前西南風為5次(7.8%)。沒有出現過在副熱帶高壓主體或高空槽后西北風影響下的冬季暴雨過程。

850 hPa上造成廣東冬季暴雨的天氣形勢主要有南風類、切變線類和偏東氣流類。其中南風類又分為西南氣流、偏南氣流和東南氣流，分別出現20次(31.3%)、18次(28.1%)和3次(4.7%)。切變線類中，冷式切變和暖式切變分別出現19次(29.7%)和3次(4.7%)。偏東氣流類僅造成了1次(1.5%)冬季暴雨過程。可見，850 hPa上最容易造成冬季暴雨的天氣形勢為西南氣流、冷式切變和偏南氣流，這3類形勢引起的冬季暴雨過程占總數的89.1%。

廣東冬季暴雨地面形勢絕大多數與冷空氣活動有關。在64次冬季暴雨過程中，由西路冷空氣南下造成的有23次(35.9%)，東路冷空氣南下造成的有20次(31.3%)；冷空氣減弱出海變性后，在變性高壓脊影響下出現的冬季暴雨過程有12次(18.8%)；三者總和占總數的86.0%。另外，有9次(14.0%)冬季暴雨過程由西南低壓的發展所造成。

3.3 廣東冬季暴雨天氣形勢類型及暴雨引發機制

把引發暴雨的天氣形勢進行歸納和分型是暴雨研究和預報中的有效手段。根據上文對850 hPa和海平面影響廣東冬季暴雨的天氣系統及其出現次數進行分型，把引起廣東冬季暴雨過程最主要的天氣形勢分為4類(圖4)，表4是這4種天氣形勢所占冬季暴雨過程的比例及各項探空指數的平均值。

表4 廣東冬季暴雨4類天氣形勢所占比例及探空指數

圖4 廣東冬季暴雨過程的4類主要天氣形勢:(a)切變-冷空氣型,(b)南風-冷空氣型,(c)南風-變性高壓脊型,(d)南風-西南低壓型(圖中實線代表海平面氣壓，風桿代表850 hPa風向風速)

(1)切變-冷空氣型(圖4a)。這種形勢占廣東冬季暴雨天氣形勢的32.8%，占比排名第1。這種形勢的暴雨多由冷式切變線在南壓過程中引發，一般是影響廣東的冷空氣有所減弱，或是冷空氣較為淺薄，850 hPa上吹南風，但北方有冷空氣補充南下，北風遇南風形成冷式切變，冷暖交匯引發暴雨，當冷空氣完全控制廣東省，廣東省上空由北風控制，切變線南壓到南海洋面上，降雨結束。也有少數的切變線暴雨是由暖式切變所引起的，形勢是前期控制廣東的冷空氣強度逐漸減弱，850 hPa上南海北部的南風逐漸上岸，與原來控制廣東的北風形成對峙引發暴雨。切變-冷空氣型暴雨在冬季各個月份均可出現，暴雨點的位置取決于切變線停留的位置和時間。若切變線搭配的是東路冷空氣，一般會影響廣東的北部和東部；由于冷空氣對廣東西南部的影響較小，因此西南部基本不會出現這種類型的冬季暴雨。這種暴雨類型的K指數和ΔT是4種類型中最小的，SI指數最大，不利于對流的出現。

(2)南風-冷空氣型(圖4b)。這種形勢所占的比例和切變-冷空氣型同為32.8%，是廣東冬季暴雨最常見的天氣形勢。廣東省地面被冷空氣所控制，當冷空氣較為淺薄時，850 hPa吹南風，南風中的水汽被冷空氣抬升引發降水形成暴雨。這種類型的暴雨多由偏南氣流和西南氣流的增強所引發，東南氣流引發的暴雨相對較少。在廣東范圍內有明顯的風速輻合，部分個例南風風速可達到急流級別，當南風較小時，如果降水時間足夠長，也能形成暴雨。這種類型的暴雨在冬季的各個月份均有出現，影響地區取決于冷空氣前鋒和南風產生輻合的位置，若南風搭配的是東路冷空氣，暴雨多出現在北部，其次是東部和中南部沿海，西南部出現這種暴雨的機會相對較小。探空指數顯示這種類型的熱力條件比切變-冷空氣型好，不穩定層結條件和水汽條件與切變-冷空氣型相當，總體上仍不太有利于對流的出現。

(3)南風-變性高壓脊型(圖4c)。這種天氣類型所占比例為17.2%，在4種天氣類型中排第3。當影響廣東的冷空氣出海變性并逐漸減弱后，廣東多受變性高壓脊影響，高壓后部低層轉為南風，有時南風較弱，有時南風能迅速增強并達到急流級別，降水出現引發暴雨。這類暴雨在冬季各個月份都有出現；在落點上，西南部出現的次數較少，但這類暴雨一般以局地性暴雨為主，范圍較小且較為分散，是預報上的一大難點。從探空指數看，這種類型的水汽條件在四種類型中是最差的。

(4)南風-西南低壓型(圖4d)。這種類型占比14.2%，是四種類型中最少的。冬季到春季的過渡期，冷空氣勢力逐漸減弱，在我國的西南部經常會有低壓系統強烈發展，廣東范圍內等壓線呈南北向，其伴隨的西南氣流或偏南氣流迅速增強并達到急流級別，大量的水汽向廣東輸送，在強位勢不穩定下引發暴雨。西南低壓在冬季的其他月份不容易發展，因此這種類型的暴雨全部出現在2月，由于低壓的存在時間較長，因此容易引發連續暴雨過程。這種暴雨多出現在廣東南部特別是東南部，在廣東北部出現的機會較少。由于出現時間接近廣東汛期，這種暴雨的K指數、CAPE、IQ和ΔT均明顯大于其他3種暴雨類型，而SI指數則是4種類型中唯一的負值，有利于對流的發生，因此這種類型的暴雨往往有對流性質，與前文所述2月的冬季暴雨常伴隨對流天氣現象相對應。2020年2月14日在廣東河源市就出現了典型的強對流冬季暴雨過程，伴有雷雨大風和冰雹等強對流天氣現象。

4 結論

本文利用了1981—2019年冬季(12月至次年2月)廣東省86個人工氣象觀測站的降水數據和NCEP再分析資料，2005—2019年MICAPS探空資料，對廣東省冬季暴雨的時空分布、天氣形勢和探空指數特征進行了研究，結論如下：

(1)廣東冬季暴雨地域分布不均勻，總體上東多西少、北多南少，39年間各個站點平均每年會出現冬季暴雨0.25站次，其中冬季暴雨出現最多的是陽江15.5站次，最少的是湛江6.0站次。

(2)不同年份冬季暴雨出現的次數差別很大，其中2011—2019年年均冬季暴雨站次數39.4站次，1981—1990年、2011—2019年年均暴雨過程數2.1次，均為近4個年代中最大。2月出現的冬季暴雨過程最多，為29次；12月最少，僅有14次。2月有36%的暴雨過程伴隨有對流天氣現象，比其他月份明顯要多。暴雨站點數在10個及以下的冬季暴雨過程占比65.6%，大范圍冬季暴雨出現較少。

(3)冬季暴雨大多出現在K指數和ΔT適中，CAPE值較小，SI指數和IQ較大的層結條件下，以穩定性降水為主，其探空指數特征與冬季中到大雨日、無雨日和汛期強天氣相比有著明顯的不同。

(4)廣東冬季暴雨最常見的天氣形勢為500 hPa南支槽東移、850 hPa偏南氣流和冷式切變、地面西路冷空氣和東路冷空氣的補充。按照影響系統的不同，可把冬季暴雨天氣形勢分為切變-冷空氣型、南風-冷空氣型、南風-變性高壓脊型和南風-西南低壓型4類。切變-冷空氣型、南風-冷空氣型和南風-變性高壓脊型在冬季各月份均可出現，廣東西南部出現這3種類型的冬季暴雨較少；南風-西南低壓型全部出現在2月，其探空指數特征最有利于對流天氣的發生。