由于华南地区所处的特殊地理位置，地形复杂，频发暴雨容易造成洪涝、泥石流等次生灾害。前汛期期间北方的冷空气势力逐渐减弱，但仍频繁南下入侵华南地区；另一方面副高逐渐北抬，夏季偏南季风开始盛行，大量的热带海洋暖湿气流向华南地区输送，冷暖空气的频繁交汇，使这一时期成为华南地区暴雨的频发季节。华南暴雨的预警预报一直是防汛抗洪的工作重点，该地区暴雨发生、发展的机制十分复杂，不仅与地理环境有关，还与中、低纬天气系统息息相关，往往有突发性强、强度大、持续时间长和破坏力大等特点^[1-2]。受热带季风和副热带季风的共同影响，华南是我国雨量最充沛的区域，许多学者对华南地区降水的研究取得一定成果。谢安等^[3]指出南海夏季风爆发的早晚与南海地区的水汽条件密切相关，对我国降水有重要影响。史学丽等^[4]在研究华南暴雨的形成过程与南海夏季风活动关系时指出，强劲的季风气流向暴雨区输送水汽，与暴雨的发生密切相关。迟艳珍等^[5]指出华南前汛期的降水可分为锋前降水和夏季风降水，两者的水汽来源不同。强对流过程不稳定机制的研究一直受重视，实践证明，倾斜位涡发展理论和湿位涡守恒理论在中尺度天气现象的分析中具有一定的应用价值^[6-7]。国外对位涡在锋面分析、降水机理和气旋发展等方面进行了许多研究，Hoskins等^[8]发现湿位涡为负时大气可能产生对称不稳定，平流层或者对流层上层位涡的扰动以及高值位涡的下传会引起低层温度扰动，高低层的共同作用可造成低层气旋的发生、发展。Molinari等^[9]提出在热带风暴发展过程中，风暴中心和正PV异常间的叠加原理。在国内，位涡被广泛应用于暴雨、强对流和台风等过程的分析和诊断^[10-12]。文莉娟等^[13]在“98.5”暴雨的湿位涡诊断中指出，质量强迫和热力强迫共同作用引起湿位涡异常变化，两者的作用大小相当。

华南暖区暴雨一直是预报的难点，本文的目的就是对2015年5月暖区暴雨个例，对过程降水特征，水汽收支进行计算分析，借助湿位涡守恒等理论，深入分析此次暴雨过程的动力和热力特征，加深对华南暴雨机制的了解，为业务预报提供更可信的理论支持，同时也为后面暖区暴雨数值模拟的开展做准备。

本文采用的资料包括广东省的逐时降水资料和ECMWF_FINE 0.125 °×0.125 °再分析资料，实况降水原始资料为站点资料。为了方便处理，将其插值到3 km格距进行分析。

图 1a为2015年5月19日12时—20日12时（世界时，下同）广东省自动气象站网观测到的24 h累积降水分布。降水区呈西北-蛳东南带状走向，24 h最大过程雨量出现在汕尾海丰可塘镇，达542.4 mm，各站的累计降水量可达到100~250 mm，清远北部、海陆丰等地达250 mm以上，江门-蛳佛山一带为另一强降水中心，粤东、粤西南的的雨势较弱。从6 h分段降水分布来看（图略），开始时降水位于清远-蛳河源地区，呈小块和零散分布，19日18时之后，降水范围开始扩大，19日18时—20日00时6 h累积降水连成雨带，强降水中心覆盖清远、惠州、河源和汕尾等市县，6 h累积降水量超过100 mm。20日00时之后，全省基本有雨，但强降水范围缩小，主要位于珠江三角洲-蛳粤东沿海地区。

图 1

图 1 2015年5月19日12 UTC—20日12 UTC广东省的累积雨量分布 a. 19日12 UTC—20日12 UTC；b. 19日12 UTC—20日00 UTC；c. 20日00 UTC—20日12 UTC；d.暴雨区代表站点的分布。

此次暴雨过程具有中尺度特征，20日05时广东省有122站次出现大于30 mm/h的降水，过程最强雨团出现50~60 mm/h强降水，对流性暴雨主要发生在19日17时—20日08时，最强在20日早晨（图 2c）。从降水的时间分布上看具有明显的日变化特征，粤北强降水主要出现在前12 h，连州、清远和韶关一带呈片状分布；后12 h逐渐扩展到南部沿海一带，强度有所增强（图 1b、1c）。位于粤北的59071观测站从19日15时开始出现40 mm/h以上的强降水，18时后其南部测站G8543也开始出现强降水，连续8 h降水超过25 mm/h。而位于珠三角地区的59285测站的强降水出现在20日凌晨，强度超过60 mm/h。相比而言，粤东沿海的G1827测站观测到连续的强降水，且强度更强，降水主要在19日夜晚至20日凌晨，过程累计降水达到542.4 mm（图 2a）。降水结果平均雨量的分布上看具有显著的双峰特征（图 2b），最强时区域平均降水超过20 mm/h，也可明显看到南北区域出现最强降水的时间先后关系。

图 2

图 2 暴雨区代表站点观测到的降水演变（a）、南北强降水区域（图 1b、1c中矩形区）的小时平均雨量分布（b）和广东省≥30 mm/h降水站数的时间序列（c）

从大尺度流场特征来看，2015年5月18—21日华南地区处于较稳定的大尺度环流形势下（图 3a），500 hPa上西太平洋副高稳定维持，平均脊线位于15 °N以南，孟加拉湾地区为宽广的低槽，华南地区受槽前稳定的西南气流控制。在逐日形势演变上（图略）孟加拉湾地区不断有小槽分裂东移，影响我国华南地区。200 hPa上30 °N以北为高空西风急流，华南地区位于高空急流南侧，100 hPa上南亚高压持续向东发展，中心位于中南半岛上空，南海-蛳华南沿海上空受高压控制，为整个暴雨过程提供有利的高空辐散流场。850 hPa上从广西东部-蛳广东-蛳福建-蛳台湾海峡维持一横向低空急流，19日12时对流发展之前850 hPa上切变线位于南岭一带，呈东北-蛳西南走向，其风场结构为暖式切变，华南沿海受一致的西南暖湿气流控制，对流系统是在切变线南侧的西南气流中发展起来的，之后切变线逐渐南压（图 3b）。对比降水实况（图 1b、1c）来看，南北两个强降水中心分布有所区别，北边降水位于锋面附近，属于锋面降水；南边降水位于锋面以南200~300 km的西南暖湿气流中，为华南地区特有的锋前暖区降水。

图 3

图 3 a. 2015年5月18—21日平均主要天气系统（等值线为500 hPa等高线，填色表示850 hPa全风速≥12 m/s区域，凤羽表示200 hPa西风急流，红色虚线为100 hPa南亚高压特征线）；b. 5月19日00时华南地区850 hPa形势场

充足的水汽存储是暴雨发生的必要条件，但还需要来自上游源源不断的水汽向暴雨区输入。以往研究表明，边界层的水汽输送对华南暴雨的发展至关重要，水汽主要来自孟加拉湾和南海，而且水汽的经向输送往往是造成华南旱涝的原因^[14-15]。从整层水汽通量积分可见，19—20日（图 4a）平均整层水汽通量有两个大值区，一个在孟加拉湾地区，另一个在南海北部-蛳我国华南沿海地区。华南沿海大值区超过50 kg/(m·s)，广东省整层水汽通量普遍超过40 kg/(m·s)，珠江三角洲-蛳粤东沿海一带的值比粤北地区大，基本与实况降水分布一致。从整层平均水汽输送方向可见往暴雨区的水汽输送主要为孟加拉湾气流经中南半岛到达北部湾再进入我国华南沿海，这支气流直接向两广地区输送水汽；另外该气流经过中南半岛向南海补充水汽，与南海南部偏南气流在112 °E附近汇合向华南地区输送水汽。21日（图 4b）暴雨区整层水汽通量显著减小，降水也随之减弱，从孟加拉湾向西的水汽输送带整体南移。可见，孟加拉湾和南海是本次暴雨的主要水汽供应源。

图 4

图 4 2015年5月19—20日（a）、21日（b）的平均整层水汽通量积分 单位：kg/(m·s)。填色为1 000~300 hPa水汽通量积分，箭头表示整层水汽平均的输送方向，方框为过程暴雨区。

为了更好了解水汽的垂直输送情况，沿暴雨区做水汽通量散度的垂直剖面（图 5），结果发现此次暴雨水汽的输送有一个显著特征：水汽通量辐合基本集中在850 hPa以下，在925 hPa沿暴雨区有两个大值中心值超过-18×10^-5g/(cm²·hPa·s)，分别位于粤北地区（113.1 °E，24.3 °N）和（113.8 °E，24 °N），另外粤东（115.5 °E，23 °N）处存在一个辐合次大值中心，分布情况与暴雨中心有较好的对应关系。从各边界水汽输送情况上看（表 1），暴雨期间南边界为强的水汽流入边界；东边界为水汽流入，20日12时转为水汽流出；北边界和西边界为水汽输出。相比而言，南边界的水汽输入比北边界的水汽输出大，暴雨区域内水汽的净经向输送为正值，19日12时—20日00时，区域内水汽的经向输送和纬向输送都为正值，暴雨区的净水汽流入量达到过程最大值，超过85 kg/(m·s)（图 5b），区域水汽净流入量达到最大值后12h连续出现6 h平均降水超过28 mm。分别对南、北两个强降水中心分析发现（图略），南、北两个区域在水汽输送上均以经向输入为主，纬向大部分时间为水汽输出。有所不同的是南边强降水区域各边界的水汽输送量远大于北侧区域，也具有更大的水汽净输送量，说明南侧暖区锋前降水区域处于较强的水汽平流环境中，同时也造成大气的可降水量大，这也解释了南侧区域出现更大的降水量。

图 5

图 5 a. 5月19—20日沿暴雨区（沿图 1a中AB线）平均水汽通量散度垂直剖面（单位：10-5 g/(cm2·hPa·s)）b.暴雨区水汽净流入量（右纵坐标，单位：kg/(m·s)）与6 h累计降水量（左纵坐标，单位：mm）的时间序列

表 1

表 1 暴雨区域整层（地表~300 hPa）水汽的输送情况 单位：kg/(m·s)。 时间 南边界 北边界 东边界 西边界 经向输送 纬向输送 18日12时 74.720 -109.801 49.935 -38.776 -35.081 11.159 19日00时 97.432 -81.025 63.062 -79.567 16.407 -16.505 19日12时 55.09 -0.029 30.296 -5.784 55.061 24.512 20日00时 89.569 -21.554 54.454 -36.840 68.051 17.614 20日12时 70.127 -50.137 -35.561 -12.014 19.990 -47.575 21日00时 21.688 -21.197 17.439 -13.529 19.990 3.910

表 1 暴雨区域整层（地表~300 hPa）水汽的输送情况

从南北降水区域的区域平均涡度剖面（图 6a、6b）可看到，粤北降水区域对流层中低层为正涡度带，随着暴雨对流系统的发展，气旋性相对涡度逐渐从对流层低层向中层发展，19日12时—20日12时暴雨区上空正涡度柱高达550 hPa，气旋性扰动最强出现在800~700 hPa，中心强度超过8×10^-5s^-1，对流系统发展达到强盛。这与很多关于梅雨锋和非典型梅雨锋暴雨的研究结论一致：暴雨发生在低层正涡度带上，暴雨中心上空通常存在正涡度柱^[16]。不同的是在南侧锋前暖区降水过程中对流层中低层也存在正涡度带，但基本集中在900 hPa以下，且强度明显小于北侧降水区域。这是南、北降水动力机制的区别之一，粤北降水正好处于切变线附近，而800~700 hPa之间的切变最强。粤东沿海的降水受锋前一致的偏西南气流控制，流场的旋转效应明显不如北侧的锋前附近强。

图 6

图 6 粤北降水（a、c）、粤东沿海（b、d）降水区域平均相对涡度（a、b）、散度（c、d）垂直剖面 单位：10-5 s-1。

从前面分析可知，在暴雨过程中广东省高层受南亚高压影响，与图 6c、6d中200~100 hPa的7×10^-5 s^-1以上的强辐散中心相对应。对于南、北强降水中心而言，粤北降水区域过程能维持较好的对流层中低层辐合、高层辐散的形势，900~800 hPa间存在强辐合中心达-5×10^-5 s^-1，而南侧暖区降水除高层辐散中心外，在400~300 hPa间有一辐合中心，对流层低层辐合、辐散不明显。由此可见，此次降水过程，粤东沿海对流层低层的辐合远小于粤北地区，粤北锋面降水中的低层辐合比高层辐散可能起着更重要的作用，而粤东的暖区降水高层的辐散显得更为重要。

暴雨的形成需要具备有利的热力和动力条件，湿位涡可综合反映大气的热力、动力属性，还考虑了水汽的作用，可以寻求热力、动力和水汽条件与降水的关系，更全面、有效地描述暴雨的发生、发展。在P坐标系中绝热无摩擦的饱和大气中的湿位涡具有守恒性，当忽略垂直速度的水平变化时，湿位涡（MPV）守恒方程可表示为^[17]：

其中，

${\rm{MPV1 = }} - g\left( {{\zeta _p}{\rm{ + }}f} \right)\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial p}},{\rm{MPV2 = }}g\left( {\frac{{\partial v}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial x}} - \frac{{\partial u}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial y}}} \right)$，ζ_p为垂直涡度，f为地转参数，θ_e为相当位温，其他为气象惯用量。MPV1、MPV2分别为湿位涡的湿正压项和湿斜压项，计算结果单位为PVU，=10⁶ m²·s^-1·K·kg^-1。式（1）表明，单位质量垂直涡度的变化与对流稳定度$\frac{\partial {{\theta }_{e}}}{\partial p}$、水平风的垂直切变、湿斜压度△θ_e有关。一般来说，暴雨区上空为正的ζ_p+f，若MPV1＜0，则$\frac{\partial {{\theta }_{e}}}{\partial p}$＞0，大气为对流不稳定，若MPV1＞0，则$\frac{\partial {{\theta }_{e}}}{\partial p}$＜0，大气为对流稳定。MPV2与θ_e面的倾斜有关，在等高或等压坐标系下，对流稳定度的减少，水平风垂直切变或湿斜压度的增加都可以引起气旋性涡度的增加，主要是由于θ_e面的倾斜造成的，倾斜越大气旋性涡度增长越剧烈。

相当位温θ_e表征大气的温度、湿度和气压的状况，其分布与对流发生、发展有密切关系，同时也反映了大气的能量分布。从相当位温的垂直剖面（图略）可见，从18日开始，暴雨区112~116 °E上空的相当位温高值区从低层向高层伸展，中心值超过355 K；19日12时开始（图 7）θ_e梯度增大，在暴雨区上空1 000~700 hPa之间θ_e密集，等θ_e线几乎与等压面垂直，对流稳定度呈中性（$\frac{\partial {{\theta }_{e}}}{\partial p}$≈0），暴雨区南侧的暖湿气流和北侧的干冷空气经过该区时，都会经历对流稳定度减弱的过程，受湿位涡守恒的限制，这一区域低层有气旋性涡度剧烈发展，促使低层中尺度低涡和气旋的发展。涡旋的发展有利于对流性降水发生，这一过程中凝结潜热释放造成的对流稳定度的减少将进一步促进气旋性涡度的增长。

图 7

图 7 19日12时θe沿图 1a中AB线的垂直剖面 横坐标上的粗黑线为广东省暴雨区域。

图 8a、8b为湿位涡正压项MPV1沿暴雨区垂直剖面。19日00时开始暴雨区上空为负值控制，整个暴雨区850 hPa以下MPV1＜0，中心最强低于-1.2 PVU，粤北地区负值区一直延伸至500 hPa附近，表明暴雨区上空对流层中低层为对流不稳定区，一旦有不稳定能量释放的触发机制，将发生强对流天气。20日00时低层负值区范围扩大至600 hPa以下，其上为正值区控制，中心超过1 PVU，位于河源-蛳惠州一带，大值中心对应着低层负值中心，有利于低层不稳定能量的释放，对流迅速发展。在对流层低层MPV2正值区的移动可以作为低空急流和暖湿气流的示踪^[18]，暴雨发生之前MPV2正值区的增强表示低层暖湿气流的加强过程。从850 hPa上MPV1的分布（图 9a）可以看到，19日12时连州、韶关以南大范围区域MPV1＜0，大气处于对流不稳定状态。粤北-蛳湖南一带为MPV1正值区控制，该区域基本为对流稳定或者弱对流不稳定的干冷空气，正、负值区对峙正是冷暖空气的激烈交汇处，有利于该区域辐合和垂直涡度的剧烈发展。

图 8

图 8 19日00时（a、c）和20日00时（b、d）的MPV1（a、b）、MPV2（c、d）沿暴雨区的垂直剖面

图 9

图 9 19日12时850 hPa上MPV1（a、c）、MPV2（b、d）的水平分布（a、b）和MPV的垂直剖面（c、d，纵坐标单位：hPa，横坐标上的粗黑线为广东省暴雨区域）

对应MPV2的垂直分布可以看到，从19日00时开始暴雨区出现正、负区相间分布，到20日00时负值区范围扩大，中心增强至-0.06 PVU，粤中地区存在一个超过0.04 PVU的正值中心，雨带上空MPV2等值线密集（图 8c、8d），大气的斜压性非常强，有利于强对流的发生、发展。

从MPV的垂直分布（图 9c、9d）可以看到，MPV强的负值区与暴雨区的分布相对应，对流强盛阶段，暴雨区（112~116 °E）上空MPV强度超过1.0PVU，同时西北方向的MPV负值大区也对应同时间段的广西北部、湖南南部的强降水区。

分析850 hPa上湿位涡的分布可揭示低层暖湿水汽输送特征，从过程演变上看，从暴雨对流发展前到过程结束前，850 hPa上广东省地区基本为MPV负值区控制。19日12时（图 10a），清远、肇庆、广州一带为MPV负值中心，达-0.6 PVU，同时在广东、江西交界-蛳河源一带也存在负值中心，粤北地区存在MPV等值线密集区，过程雨带正是位于MPV两个负值中心之间。到20日12时（图 10b）广东省内MPV负值区范围显著缩小，粤北-蛳粤东基本转为MPV正值区控制，原先粤中地区的负值中心仍存在，中心强度减弱至-0.2 PVU。综上所述，湿位涡的分布对降水落区有较好的指示作用，MPV负值中心和强降水中心存在一定对应关系，暴雨区出现明显的湿位涡负值带，大气处于条件性不稳定状态，同时华南沿海的湿位涡负值区为暴雨过程提供充足的水汽来源，这是强对流系统发生、发展的重要原因。

图 10

图 10 19日12时（a）和20日12时（b）的850 hPa上湿位涡的分布 单位：1 PVU。

本文利用广东省自动气象站观测资料、ECMWF_FINE再分析资料，借助水汽通量、湿位涡等物理量对华南前汛期一次强降水过程的热力和动力特征进行分析。

（1）此次强降水过程具有降水集中、强度大、局地性强的特点，从时空分布上看，存在明显的日变化和中尺度强对流特征。对流层高层的南亚高压维持强的辐散流场，中层副高稳定维持，孟加拉湾地区宽广的低槽，广东省位于槽前的有利形势，粤北地区对流层低层受切变线控制，切变线以南的一致西南暖湿气流向暴雨区输送水汽，这些大尺度特征为强降水提供有利的环境条件。

（2）粤北地区降水属于锋面降水，粤东沿海降水属于锋前暖区降水，两者在水汽输送和动力机制上具有显著区别。整个孟加拉湾和南海输送的水汽在强降水过程中占主导地位，对流层低层存在强水汽辐合中心，南边界和东边界为水汽流入边界，整体水汽输送以经向输入为主。暖区锋前降水区域处于较强的水汽平流环境中，也具有更大的水汽净输送量，致使粤东地区出现更大的过程降水量。对流层高层辐散比中低层辐合更为重要是粤东暖区降水重要的动力属性，粤北锋前降水则是中低层的辐合作用更重要，且暖区降水中低层流场的旋转效应弱，有区别于典型的梅雨锋降水。

（3）对湿位涡的诊断表明，对流不稳定可能是此次强降水发展的重要机制。南北气流汇合区对流稳定度的减小，对降水的形成有较大贡献。对流层中低层湿位涡的垂直分量和水平分量的综合演变反映了对流不稳定和大气斜压性的发展，暴雨发生区域对应着垂直分量的负值，水平分量的正值。降水区对流层低层受负湿位涡控制，低层湿位涡负值区与强降水落区有较好的对应关系。

本文针对此次暴雨过程进行诊断分析，对暖区暴雨的物理机制有一定的了解，但未采用数值模拟手段做进一步研究。目前对暖区暴雨的量级和落区预报仍存在很大的误差，业务上使用3 km精度进行预报还存在较大争议，属于灰色地带。对于暖区暴雨过程，提高模式的精度很有必要。后续工作正在针对模式预报精度和初始场的改进进行研究，将在后续文章中体现。