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这种数分钟至数十分钟内倒水般的凶猛降雨究竟怎么产生的？
在暖区里发生的极端强降雨，通常具有很强的局地性、突发性和短历时性，且往往发生在弱天气尺度强迫的背景下，这决定了其低可预报性的特点。正因降雨毫无征兆突然发生、来势凶猛，容易杀个措手不及，极易酿成灾害。但是，同一次强降雨过程，在相距不远的两个地方降雨强度有着很大差异，与之相关的对流结构和特征又会有多大差异呢？而决定着更短的时间尺度内发展起来的倾盆暴雨，其背后的中小尺度物理过程有何特征、如何演变呢？针对前述问题，最近的两项研究以2017年5月7日发生在广州的局地突发型暖区极端强降雨事件为例，从分钟尺度对比研究了两个极端强降雨中心[Rainfall Core#1（花都中心）、Rainfall Core#2（黄埔-增城中心）]的对流结构特征与差异，并揭示了其与分钟雨率演变的关系，重点探索了黄埔-增城中心分钟雨率快速上升阶段对流系统内部结构的演化及其与中γ尺度涡旋的联系。从观测累积雨量可见两个极端强降雨中心，6个地面自动站在16小时内记录到超过300 mm的雨量，相较于花都中心，黄埔-增城中心的累积雨量更大（图1）。位于黄埔-增城中心的新塘镇1小时雨量184.4 mm，滑动60分钟最大雨量217.3 mm，3小时雨量382.6 mm，均刷新有气象观测记录以来截至当年的广东省历史最高纪录。图1 2017年5月6日22时—5月7日14时地面观测累积降雨量(单位: mm)基于对分钟雨率的强度分级发现，相比于花都中心，黄埔-增城中心的分钟级降雨具有更明显的极端性（图2）。图2 两个极端强降雨中心(a)不同等级分钟雨率的百分比堆积条形图，(b)不同百分位及其对应的分钟雨率值对比两个极端强降雨中心上空的对流反射率因子，发现大部分对流（超过99%）活跃在冻结层高度以下，二者均为由暖雨过程主导的高效率降水。然而，尽管两个极端强降雨中心距离仅30 km左右，但它们之间不同强度对流的出现频率在垂直结构上有着较明显的差异，相较于花都中心（图3a），黄埔-增城中心整体上强反射率因子（例如超过56 dBZ）频率高度更低，且分布更为集中（图3b），这些结构特征可能潜在决定着二个极端强降雨中心在分钟雨率极端性表现上的差异。图3 两个极端强降雨中心不同强度的雷达反射率因子(间隔为2 dBZ)在不同高度上的出现频率从0.5 km高度处对流强度与地面观测到的强-极端级别分钟雨率（超过1.5 mm/min）的累积分布函数（CDF）来看，黄埔-增城中心比例更低的强反射率因子造成了更多的强烈降雨（图4）。例如，黄埔-增城中心46 dBZ以上的对流强度比例不足50%，但造成的强-极端级别分钟雨率比例却接近80%，这远高于花都中心。图4 两个极端强降雨中心(a)0.5 km高度处超过40 dBZ雷达反射率因子的累积分布函数，(b)超过1.5 mm/min的强-极端级别分钟雨率对应于雷达反射率因子的累积分布函数
综合而言，即使低仰角/近地面（如0.5 km高度处）观测到的雷达反射率因子更多、更强，甚至过程出现比例更高，也不意味着其能产生最极端的分钟雨率，对流的垂直结构及其频率分布也起着重要作用。
上述研究成果于2021年发表在国际著名期刊Atmospheric Research，题目为“An investigation of convective features and Z-R relationships for a local extreme precipitation event”。第一作者为中山大学大气科学学院博士研究生曾智琳，通讯作者为王东海教授，国家气象中心正研级高级工程师谌芸为合作作者。另一项研究聚焦到黄埔-增城中心的极端分钟雨率产生的物理过程与机制，从黄埔-增城中心提取雨量前4位的地面自动站，其分钟雨率演变（图5b）可见，5月7日04时30分—05时30分存在明显的分钟雨率上升过程，05时30分新塘镇（XT）观测到该次过程的分钟雨率峰值4.8 mm。图5 黄埔-增城中心雨量前4位的地面自动站(a)逐小时降雨量和(b)分钟雨率，单位: mm接着前述研究，我们首先诊断了4个地面自动站分钟雨率与其上空对流的关系，观测到的分钟雨率与站点上空距离地面2 km高度以内的最大反射率因子以及反射率质心（超过50 dBZ）厚度是密切相关的（图6），但其相关系数并没有因考虑时间滞后而提升，这是由于与雨滴相关的雷达反射率尽管在低仰角被识别，但其距地面仍有数百米距离，其粒子直径、数浓度等依然会在下落过程中与上升气流或环境相互作用而发生变化，从而影响反射率因子-分钟雨率的相关系数。图6 黄埔-增城中心4个地面自动站分钟雨率对应于(a)距离地面2 km以内的最大反射率因子和(b)反射率质心厚度(即超过50 dBZ反射率因子的垂直厚度)的散点图，不同符号和颜色表示考虑不同时间滞后，灰色框表示不同自动站散点的范围分钟雨率上升阶段，相关的中尺度对流系统在分钟雨率峰值前12—6分钟发展为类超级单体风暴形态，具有入流缺口（inflow notch）、侧翼线（flanking line）等典型结构特征，但持续时间非常短。与此同时，基于地面观测诊断计算的涡度快速下降、散度迅速增加，风场呈现明显的反气旋结构（图见论文内），表明风暴内部下沉以及降雨强度增加引起了地面反气旋式气流辐散。冷池相关的中尺度出流边界则逐渐变的弯曲（图7），这与局地雨强增加造成的近地面出流不均匀有关。在非均匀的中尺度出流边界上可识别到明显的中γ尺度涡旋，本研究给出了涡旋的识别与判断标准，定量计算了涡旋在不同雷达仰角上的尺度直径。研究还发现，与分钟雨率上升有关的中γ尺度涡旋与很多龙卷所伴随的中气旋相似，但其形成过程存在显著差别。一般来说，龙卷相关的中气旋首先在对流层中层形成，并逐渐向低层发展延伸，但该过程的中γ尺度涡旋则起源于近地面，自下而上发展，并局限在5.5 km以下高度，最强的旋转特征维持在近地面，表明造成局地极端强降雨的中尺度涡旋至少在物理机制和形成过程上区别于产生龙卷的中气旋。![]()
图7 广州雷达1.5°仰角的径向速度(填色，单位: m/s)，地面2 m观测温度(灰色等值线，单位: ℃)，蓝色虚线表示中尺度出流边界，圆圈表示识别的中γ尺度涡旋
中γ尺度涡旋虽然直接在非均匀的出流边界上产生，但其形成和发展亦与在风暴上游识别到的、并逐渐靠近的中尺度低空急流有关。此外，研究还诊断计算了该涡旋的生命史、入流和出流强度、垂直伸展高度及其发展期间风暴内部液态水密度变化。值得提及的是，一小尺度鞍部地形缺口有助于近地面冷出流迅速向前涌出（图8），该地形缺口或是助推该涡旋发展的一个潜在因素。图8 广州雷达0.5°和1.5°仰角的径向速度(填色，单位: m/s)，反射率因子(灰色和白色等值线分别表示50 dBZ和55 dBZ)，圆圈表示识别的中γ尺度涡旋，粉色渐变等值线表示海拔50 m，100 m和200 m地形廓线
图9给出了该风暴增强、出流边界结构变化以及与中γ尺度涡旋发展的物理概念示意图。我们的研究结果强调了中γ尺度涡旋起源于形变的中尺度出流边界，尽管其形成和发展过程与极端降雨的产生几乎是同步的，但这些结果将有助于加深局地极端强降雨成因在物理过程上的理解，也为未来探索与讨论中γ尺度涡旋与局地短历时极端降雨的潜在联系提供了新思路。图9 与风暴增强、分钟雨率上升、中尺度出流边界演变以及中γ尺度涡旋发展过程的物理概念示意图第二项研究成果于2022年发表在天气学领域国际顶级期刊Monthly Weather Review，题目为“On the local rain rate extreme associated with a mesovortex over South China: Observational structures, characteristics, and evolution”，目前为Early Online Releases状态，即将出版。第一作者为中山大学大气科学学院博士研究生曾智琳，通讯作者为王东海教授。![]()
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https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.105372
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https://doi.org/10.1175/MWR-D-21-0033.1
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