华南暖区暴雨的水汽输送与局地对流特征研究
作者与发表信息
本研究由Guicai Ning、Ming Luo、Xueyan Bi、Zhizhao Liu等多位学者合作完成，主要作者分别来自香港理工大学土地测量及地理资讯学系、中山大学地理科学与规划学院、中国气象局广州热带海洋气象研究所以及南京信息工程大学大气物理学院等机构。该研究发表于学术期刊 Atmospheric Research 第285卷，于2023年1月31日在线发表。
研究背景与目的
华南地区是我国暴雨最为频发的区域之一，其强降水事件根据与天气尺度强迫的关系可分为锋面暴雨、暖区暴雨和台风暴雨三类。其中，暖区暴雨（warm-sector heavy rainfall，WSHR）通常在弱天气尺度强迫环境下发生，具有降水强度大、集中度高、突发性强的特点，常引发严重洪涝灾害，造成巨大经济损失和人员伤亡。由于暖区暴雨主要由中尺度甚至微尺度系统触发，数值模式对其可预报性明显低于锋面暴雨和台风暴雨。因此，深入理解华南暖区暴雨的水汽来源、输送路径及其触发机制，对于提高预报能力和减轻灾害影响具有重要意义。
已有研究表明，华南地区夏季水汽主要来源于印度洋、西北太平洋和南海，分别由印度夏季风、副热带季风和南海季风输送。然而，以往关于水汽输送的讨论多基于气候平均时间尺度，缺乏针对具体强降水事件的定量评估。近年来，基于拉格朗日框架的轨迹模型被广泛应用于追踪降水事件的水汽来源和输送路径，但针对华南暖区暴雨的水汽来源与路径的定量、客观评估仍然较少。基于此，本研究旨在通过客观识别华南暖区暴雨的主导水汽输送路径簇，定量评估不同水汽来源的重要性与比例，并揭示水汽路径与关键环流型对暖区暴雨的共同影响机制。
研究数据与方法
本研究使用了1982年至2015年4月至9月期间华南地区177个暖区暴雨事件。这些事件来源于刘瑞和孙建华发布的“广东、广西及周边地区强降水分型数据集”，该数据集利用124个气象站的逐小时降水资料，采用客观方法识别了暖区暴雨事件，并提供了每个事件的开始时间、持续时间、总降水量和降水中心站点位置。同时，研究还利用相同的124个站点逐日降水记录，识别出同期207个锋面强降水事件用于对比分析。
在方法上，研究采用美国国家海洋和大气管理局空气资源实验室开发的在线混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型（HYSPLIT-web v4）来识别暖区暴雨事件的所有可能大气轨迹。该模型的输入数据为NCEP/NCAR再分析资料，时间分辨率为6小时，空间分辨率为2.5°×2.5°，包括位势高度、比湿和三维风场。对于每个暖区暴雨事件，选取降水中心的站点位置作为初始位置，以降水开始时间作为初始时间，在1500米高度上对到达华南的气团进行后向追踪，追踪时长为7天，每6小时输出一次轨迹位置。选择1500米高度是因为该层次的环流能够较好地代表低层水汽输送的主要特征。
随后，研究采用K均值聚类分析方法，根据总空间方差的变化客观确定聚类数，将177条轨迹分为三类主导输送路径簇。为了对比暖区暴雨与锋面强降水事件在水汽输送上的差异，研究同样利用HYSPLIT-web v4模型对207个锋面强降水事件进行了轨迹追踪和聚类分析，最终将其分为四类。
在揭示与暖区暴雨相关的天气尺度环流特征方面，研究使用了ERA5再分析资料（1981—2015年，空间分辨率0.75°×0.75°），分析了位势高度、水平风、垂直速度和水汽通量等变量的合成异常。具体做法为：首先从原始逐日序列中去除气候周期以获得逐日异常，气候周期由1981—2010年逐日多年平均并进行31天滑动平均得到；然后对每个暖区暴雨事件期间的所有天数求平均得到事件平均异常；最后对每个轨迹簇内所有事件的平均异常进行合成。统计显著性采用0.05显著性水平的双尾学生t检验进行评估。
主要结果
轨迹聚类结果显示，177个华南暖区暴雨事件的大气轨迹被客观分为三类主导簇。第一类轨迹（簇1）的气团主要源自印度洋，从广西西南部进入华南，与西南气流对应，共78个事件，占比最高。第二类轨迹（簇2）的气团源自西北太平洋，从广东东南部进入华南，部分气团源自东海从广东东北部进入，与偏东气流对应，共66个事件。第三类轨迹（簇3）的气团主要来自南海，从广东和广西南部进入华南，与偏南气流对应，共33个事件。这一结果与以往关于华南夏季水汽主要来自印度洋、西北太平洋和南海的认识一致。
在降水空间分布上，与簇1相关的暖区暴雨主要集中在华南西部，特别是广西沿海的北部湾地区，78个事件中有46个（占59.00%）降水中心位于广西。与簇2相关的事件主要发生在华南东部，尤其是广东沿海地区。与簇3相关的事件在华南分布相对均匀，54.55%和45.45%的降水中心分别位于广东和广西。此外，研究发现177个暖区暴雨事件中有33个同时伴随锋面强降水，其中17个、9个和7个分别与簇1、簇2和簇3轨迹相关。
在降水强度和持续时间方面，三类事件呈现簇1>簇2>簇3的排序。簇1的总降水中位数为136.75毫米，高于簇2的131.85毫米和簇3的118.60毫米；持续时间方面，簇1的中位数为12小时，簇2和簇3分别为10.5小时和10小时。在日变化特征上，三类暖区暴雨均主要在协调世界时00：00至08：00之间开始，但峰值开始时间存在差异：簇1为01：00，簇3为03：00，簇2为05：00。逐小时降水分析进一步表明，簇1和簇3的降水集中在协调世界时20：00至10：00，峰值出现在早晨；而簇2的降水峰值出现在午后。
在天气尺度环流方面，簇1事件中，250百帕上东北亚存在异常高压系统，华南南部有反气旋异常；中低层高压异常更强且位置更偏东南，同时在华南西北部存在异常低压系统。受这两个系统共同影响，华南上空盛行强异常西南气流，这与源自印度洋的轨迹特征一致。簇2事件属于深厚的整层系统，250百帕上华南存在异常低压，东北侧有高压异常；高压异常从高层向低层逐渐向东南移动，至925百帕位于华南东侧，诱发强异常偏东气流吹向华南东部沿海；同时异常低压逐渐向西北移动，导致低层华南东部出现异常西南气流，二者在华南东部辐合，有利于西北太平洋气团侵入。簇3事件中，250百帕上中国东北存在显著高压异常，随高度降低逐渐向东南移动；500百帕上华南东北侧有高压异常，华南上空受气旋异常控制；低层高压进一步南移，诱发源自南海的强异常偏南气流，两条偏南气流在华南低层辐合。
在水汽条件方面，簇1中强异常西南气流将印度洋水汽输送至华南西南部，大量水汽在华南西部辐合，为西部暖区暴雨提供充足水汽。簇2中异常偏东气流与西南气流的辐合有利于将西北太平洋水汽输送至华南东部沿海。簇3中水汽主要由南海经强异常偏南气流输送至华南。值得注意的是，簇1的水汽输送通量明显大于簇2和簇3，这与其底层至中层更强的西南风异常以及更强的边界层急流有关，也是簇1暖区暴雨强度更强、持续时间更长的主要原因。
在垂直结构方面，簇1事件中，华南东部和南部存在强高压异常，低层最强；西北侧为异常低压系统，中层最强。两个系统引发的辐合流覆盖华南西部整个对流层，导致异常上升运动，为西部暖区暴雨提供了有利的动力条件。簇2事件中，华南西北侧为深厚低压异常，东南侧为高压异常，由此产生的辐合流在华南东部沿海整层存在，形成异常上升气柱，有利于东部沿海暖区暴雨的触发。簇3事件中，华南东南侧为高中低层高压异常，西北侧为浅薄低压异常，两系统之间的强异常偏南风盛行，辐合流控制整个华南并诱发强上升运动，为全区域暖区暴雨提供动力条件。
锋面强降水与暖区暴雨水汽输送的对比
通过对207个锋面强降水事件的轨迹进行聚类，研究发现其四类主导轨迹中，有三类与暖区暴雨的水汽来源和输送路径高度一致，即印度洋路径、西北太平洋路径和南海路径。这表明印度洋、西北太平洋和南海是触发华南暖区暴雨和锋面强降水的三个共同主导水汽来源。然而，与暖区暴雨不同，锋面强降水事件的水汽还受到来自北方大陆路径的显著贡献，这与锋面降水受北方冷空气强烈影响的特征相符。此外，在暖区暴雨中，源自印度洋的西南气流路径频率最高；而在锋面强降水中，源自南海的偏南气流路径在海洋来源路径中频率最高。
结论与意义
本研究首次系统揭示了大规模水汽输送路径与关键环流型对华南暖区暴雨的共同影响机制。研究将1982—2015年华南177个暖区暴雨事件的水汽来源和输送路径客观分为三类主导簇，发现不同轨迹簇对暖区暴雨的空间分布具有显著调控作用。具体而言，簇1（印度洋西南气流路径）的暖区暴雨主要集中在华南西部，簇2（西北太平洋偏东气流路径）的事件主要发生在华南东部沿海，簇3（南海偏南气流路径）的事件在华南分布相对均匀。气旋与反气旋空间分布的差异在形成三类水汽来源和输送路径中起关键作用，并通过调控局地对流模式进一步影响暖区暴雨的空间分布。
本研究的科学价值在于：首次定量、客观地评估了不同水汽输送路径对华南暖区暴雨的贡献，揭示了三类主导水汽路径与关键环流型的对应关系及其对降水空间分布和强度的调控机制。在应用价值方面，研究结果为改进华南暖区暴雨的预报提供了科学依据，有助于预报员根据大气环流特征判断水汽来源和输送路径，从而提高对暖区暴雨发生区域和强度的预判能力，为减轻暴雨灾害损失提供支持。
研究亮点
本研究的亮点主要体现在三个方面：第一，首次将华南暖区暴雨的水汽来源和输送路径进行客观聚类分析，定量揭示了印度洋、西北太平洋和南海三条主导水汽路径及其对降水空间分布的差异化影响；第二，通过对比暖区暴雨与锋面强降水的水汽输送差异，发现锋面强降水还受大陆来源路径的显著贡献，而暖区暴雨水汽几乎全部来自海洋路径，这一对比深化了对不同类型强降水水汽来源异同的认识；第三，研究将轨迹聚类结果与天气尺度环流异常诊断和垂直结构分析相结合，不仅识别了水汽路径，还揭示了形成不同路径的环流机制及其触发对流的过程，形成了从水汽来源到降水落区的完整物理链条。