引言

近年来，海南频频出现秋季持续性暴雨天气^[1-3]，给当地造成了严重的洪涝灾害。张维等^[4]研究表明：海南暴雨频次、降水总量以及强度均有上升趋势，后汛期尤为明显。相对前汛期而言，海南后汛期强降水尤其是对近年秋季出现的持续性暴雨的相关研究尚不多见^[5-6]。在此背景下，研究海南秋季持续性暴雨形成的天气学机理至关重要。

秋季(9—11月)是夏季风向冬季风过渡的季节，冷空气势力逐渐增强，西北太平洋副热带高压(简称为副高)南退，脊线逐渐移至华南沿海至南海北部一带，副高南侧热带辐合带仍较活跃，低层冷空气常可抵达华南沿海与热带系统相互作用引发暴雨。海南秋季强降水与热带气旋活动密切相关，或由登陆热带气旋直接引起——直接型^{[2, 7]}，或由热带气旋与冷空气相互作用造成——间接型^[8]。所谓间接型，是指强降水并非由热带气旋直接引起，而是由其外围环流与其他天气系统相互作用而产生，导致强降水的云系与热带气旋自身云系相互分离，亦称为“离心型”暴雨。已有研究对直接型海南秋季强降水过程关注较多^[9]，而对间接型强降水个例的研究涉及较少。黄萍^[1]对2008年10月12—14日海南暴雨的大尺度天气环流特征进行了分析，认为冷空气、热带低压为此次大暴雨提供了有力的天气背景条件。国外一些学者针对秋季冷空气与热带系统相互作用造成的强降水开展了相关研究。Yokoi等^[10]通过个例分析表明越南秋季大暴雨主要是由寒潮过程异常东北风与热带低压偏南风辐合引起。Chang等^[11]指出东北风冷涌进入南海的初始阶段可促进热带扰动的增强。Srock等^[12]分析了1990年10月9—13日美国东南部地区强降水过程，认为热带气旋通过输送暖湿空气，与大陆北侧冷空气产生锋生过程，激发中尺度对流系统(MCS)的发展，从而使得强降水落区远离热带气旋中心位置。Galarneau等^[13]通过合成分析总结出美国南部冷空气与热带低压相互作用形成的外围降水天气过程的天气学概念模型。

暴雨产生需要具备三个基本条件：充沛的水汽供应、强烈的垂直上升运动和较长的持续时间。对于身处热带且四面环海的海南来说，水汽条件无需作过多讨论。垂直上升运动与动力抬升和层结不稳定有关，其大小取决于对流发展的强弱，而长时间持续暴雨往往意味着多个对流系统的反复影响，即对流不稳定有多次快速重建的过程。因此，研究不稳定能量的持续建立和对流触发机制，尤其是多系统相互作用下形成该机制的天气学机理，对间接型海南秋季持续暴雨预报实践具有现实意义。本文利用常规地面及探空资料、自动站资料、卫星观测资料、1°×1° NCEP FNL分析资料、逐日及气候平均2.5°×2.5° NCEP/NCAR再分析OLR资料以及上海台风研究所提供的2008年热带气旋最佳路径数据集等资料，以2008年10月12—14日海南强降水过程为例，重点探讨热带低压、冷空气和副热带高压之间的相互作用，低空急流与锋生过程的形成机理，分析海南秋季间接性持续暴雨的天气学成因及其物理机制。

1 降水实况

2008年10月11日20时至15日20时(北京时，下同)海南出现持续暴雨，过程累计雨量海南西部为100~200 mm，中东部为300~500 mm，琼中和文昌部分地区达500~640 mm(图 1a)。强降水主要集中在12—14日，全岛平均降水达到暴雨量级，13日甚至超过100 mm(图略)。文昌、澄迈两地24小时降水量分别达到255和220 mm，突破了近30年历史同期最高值，海口自1951年以来首次出现连续3天的大暴雨，为海南省30年来10月气象记录所罕见。与以往相比，此次强降水过程影响范围广、降水强度大、持续时间长，给海南造成了严重的洪涝灾害，据统计共有9个市县217个村庄受淹，经济损失高达5亿多元。

此次降水过程中，热带低压并没有直接登陆海南，强降水主要由低压外围环流云系产生，并非是由热带低压云系本身所造成的，具有明显的离心型特征(图 1b)。降水量分布呈现出明显的地域地形特点，累计雨量超过500 mm的降水区分别位于海南岛东北部沿海以及五指山东部地区，说明有利地形的辐合与抬升作用对强降水具有明显增幅作用(图 1c)。

2 环流背景和影响系统的演变特征

10月12—14日(图 2a)，500 hPa平均高度场亚欧中高纬为两槽一脊形势，东亚槽从鄂霍茨克海经日本海南伸至我国东部沿海地区，贝加尔湖受高压脊控制。副热带高压脊线西伸至南海北部，副高南侧多东风波动。我国中东部地区850 hPa被反气旋环流所控制，东部海域至华南沿海维持东北气流，表明低层有冷空气入侵。南海中北部至菲律宾附近OLR为负距平，说明热带对流云团异常活跃。期间，对流层高层反气旋环流西伸，海南位于200 hPa高压强辐散区下方(图 2b)。

10日起，东北低涡及低槽缓慢东移北缩，贝加尔湖高压脊前不断有短波槽下滑并入低涡中，其冷平流的动力加压作用使我国东部地区低空维持反气旋环流。12—13日，青藏高原北部先后有两个短波槽东移发展并引导弱冷空气南下。12日前，副热带高压呈带状分布，控制中南半岛北部至西北太平洋地区。受扩散南下的冷空气及逐渐发展北上的热带扰动影响，12日08时副高断裂成东西两环，海南低空偏东气流逐渐加强，东部地区开始出现强降水。13日14时，热带扰动在海南西南部海域发展成热带低压(0809号)，并缓慢向北偏西方向移动，海南降水进入最强时段。13日14时至15日02时的36小时间，热带低压移动距离只有160 km，平均移速仅约4.5 km·h^-1，且一直位于海南岛西南部不足100 km的近海海面上，使海南低空长时间维持强盛的偏东急流(图 2c)。15日热带低压转向西行，副高恢复东西带状分布，海南大范围强降水过程逐渐结束。

图 2c显示13日14时华南沿海低空急流(东北、东南)与锋区得到加强，海南低层受强辐合区控制。热带低压、冷空气及副高三者间的相互作用导致低空急流加强和锋生过程，是此次强降水过程的主要天气学成因，也是海南秋季持续暴雨的重要预报着眼点。因此，有必要对三者间相互作用的物理机制作进一步探讨。

3 热带扰动、冷空气和副热带高压的相互作用 3.1 冷空气侵入对热带扰动发展的影响

从图 3a可以看出，12—13日有两股弱冷空气补充南下，华南沿海东北风明显增强，20℃等温线基本控制在雷州半岛至海南岛北部地区，14日冷空气变性减弱。副高西南侧东风波从吕宋岛西北部海域西行发展，12日海南岛东部海域出现闭合环流，13日14时热带低压在南海西部生成并缓慢西行北上，14日夜间起逐渐转向偏西方向移动(图 3b)，中心气压始终维持在1004 hPa。

Yokoi等^[14]研究表明：从华北地区南下的冷空气导致中南半岛至孟加拉湾东风涌的形成，其前部伴随着强的辐合运动与对流系统的发展，触发热带气旋的发展。韩瑛等^[15]指出，冷空气的入侵会增强热带气旋北侧的北风，形成指向热带气旋中心的推力, 即辐合增强。通过分析热带扰动附近最大垂直涡度值的演变特征发现(图 3c)：东风波在西移过程中受南海中北部东北风冷涌的影响，气旋式涡度逐渐增大，12日其涡度值由之前的8×10^-5 s^-1左右增加到10×10^-5 s^-1。13日，一股新的冷空气南下造成东北风进一步加强，热带扰动附近涡度值甚至达到了20×10^-5 s^-1以上，逐渐发展为热带低压。最大涡度值均位于热带扰动北侧或东北侧，即冷空气与热带扰动结合的部位。南下冷空气使热带扰动正涡度增大、辐合上升加强，积云对流进一步发展，强潜热释放又使CISK机制得到增强。由此可见，南海东北风冷涌对热带扰动的发展起到明显促进作用^[14]。

3.2 热带扰动、冷空气、副高相互作用——东北风和东南风急流的发展

11日，925 hPa南海北部受东北偏东气流控制，副高南侧东风波西移发展，东风波动与冷空气相互作用使其北侧及西侧温度及位势梯度加大，地转风加强(图 4a)。Zhang等^[16]通过数值模拟也认为低空急流发展的初始阶段与地转风增加有直接关系。进一步分析表明，此时地转偏差风为北风(图略)，非地转北风通过惯性振荡可使低空急流得以发展与维持^[17-18]，东北风急流主要维持在边界层内，急流核高度约为950 hPa(图略)。

11—14日，辐合中心主要位于低空东北风急流核左前侧与低压倒槽的风向切变区(图 4a)，由红外云图可以看出，强辐合区与对流云系覆盖区对应较好(图 5a)。已有研究证实急流核左前侧辐合区的次级环流上升支是对流系统产生的触发机制之一^[19-21]，可见华南沿海低空急流前侧风速辐合为对流发展提供了重要的抬升触发条件。

不断发展的热带扰动与南下冷空气及缓慢西伸的副高相互作用，使海南低空偏东和东南急流逐渐加强。这两支急流不仅向海南低空输送了大量暖湿空气，其在海南东部沿海形成的强烈向岸风辐合及地形强迫抬升也是MCS的重要触发机制。同时，东风和东南风急流在海南上空形成的较强切变辐合亦有利于对流的发展(图 4c和4d)。本次暴雨过程中，MCS相继由海南东部和南部沿海生成并北移发展(图 5c和5d)，造成海南东部尤其是东北部的强降雨。

3.3 冷空气、热带低压相互作用——锋生过程

12日02时，南下弱冷空气与热带扰动相互作用使华南南部出现锋生(图 6a)，偏东低空急流相应增强，急流核及强辐合区分别位于海南东部沿海及南海东北部海域(图 4b)，海南东北部及以东海域有对流云系发展(图 5b)，此时海南东部沿海降水开始。13日02时，另一股弱冷空气补充南下，使锋区加强南压，至14日02时锋区移至雷州半岛南部至海南北部一带，强辐合区位于锋生区与低空东北急流左侧，辐合中心位于海南上空及其西南海域(图 4c)。此时，除海南西南部海域强辐合区对应的热带低压云系外，在有利动力与地形条件下，海南中东部地区不断有对流发展(图 5c和5d)。

12—13日两次弱冷空气活动使锋区增强并南压。从348 K等假相当位温线演变可以看出，热带扰动附近东南风、南风的发展有利于海南上空暖湿空气的输送与锋区两侧气流的汇合(图 7a和7b)。利用式(1) 分析了925 hPa水平风场锋生过程：冷空气与热带扰动相互作用下东北、东南急流同时发展(图 7b和7c)，水平风场的切变及形变迅速增强，12日20时最强锋生区位于海南东部海域(图 6b)，13日14时位于雷州半岛至海南北部地区(图 6c)，此时锋区中心强度增强至7 K·(100 km)^-1(图略)。

$ \begin{array}{l} \frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left| {\nabla {\theta _{{\rm{se}}}}} \right| = \frac{1}{{\nabla {\theta _{{\rm{se}}}}}}\left[{\frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial x}}\left( {-\frac{{\partial u}}{{\partial x}}\frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial x}}-\frac{{\partial v}}{{\partial x}}\frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial y}}} \right)} \right. + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left. {\frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial y}}\left( {-\frac{{\partial u}}{{\partial y}}\frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial x}}-\frac{{\partial v}}{{\partial y}}\frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial y}}} \right)} \right] \end{array} $

(1)

$ \left| {{\nabla _h}{V_h}} \right| = \sqrt {\frac{1}{2}\sum\limits_{i = 1}^2 {\sum\limits_{j = 1}^2 {{{\left( {\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}}} \right)}^2}} } } $

(2)

Stonitsch等^[22]利用水平风梯度张量[简称VTEN，式(2)]分析锋区附近动力学特征。Srock等^[12]认为锋区与VTEN大值重合区，即具有最有利动力条件的锋区是潜在对流活跃区。12日02时，华南沿海及海南南部海域VTEN较大，表明该地区水平风场存在较强的辐合与气旋式切变(图 7a)，同时，由水平风场产生的锋生过程也主要位于上述两个区域(图 6a)。准地转理论认为锋生强迫将通过热成风平衡来激发非地转垂直环流，即暖空气上升、冷空气下沉的热力直接环流^[23-24]。此时边界层锋区位于华南中南部地区，800 hPa以上锋区位于雷州半岛至海南北部地区，锋区呈陡直状，上升支位于华南沿海及南海中北部地区，因锋前上升运动较弱(图 8a)，海南大部仅有弱降水产生。12日20时锋区强度增强，VTEN值进一步增大(图 7b)，海南边界层内对流不稳定加剧(图 8b)，上升支明显发展，此时不断有对流云系在海南南部沿海生成并发展北上，海南东部与北部开始出现强降水(图略)。13日14时，锋区进一步增强，锋面坡度减小(图 8c)，VTEN继续增大，海南上空为强锋区和VTEN大值区的重合区(图 7c)，对流更加活跃。从雨量实况看，13日海南全岛平均降水也是此次过程最强的一天。

综上可见，南海东北风冷涌促进了热带扰动的发展，热带扰动在发展过程中与冷空气、副高的相互作用使低空急流不断加强，东北风急流核左前侧的风速辐合、东北和东南急流的切变辐合及其伴随的锋生过程，触发了南海北部及海南岛上空对流的发展。另外，低空东风、东南风急流加强后，在海南东部沿海以及山前迎风坡等有利地形作用下形成的辐合及抬升，也是导致海南中东部强降水的主要对流触发机制之一。

4 大暴雨长时间维持的物理机制

此次强降水过程之所以持续了3天之久，显然与热带低压移动缓慢、对流系统反复生成发展有关，因此有必要对热带低压在海南近海强度维持且稳定少动的原因、不稳定能量不断释放后快速重建的物理机制作进一步讨论。

4.1 热带低压移动缓慢和强度维持的天气学原因

12日热带扰动发展北上，北侧带状副高断裂为东西两环高压，东环高压逐渐东退呈方头状，对流层中层这种环流形势的转变，有利于热带低压北移分量的加大。但在对流层低层，南下冷空气与热带扰动相互作用，在两广南部沿海形成强盛的东北或偏东气流。对流层低层东北气流与中层西南气流，对热带低压引导作用的相互制约，使得热带低压在海南西南部近海移动缓慢。

从图 9a可以看出，13—14日，热带低压附近900~700 hPa低层维持较强的凝结潜热加热率，有利于热带低压低层暖心结构的维持及不稳定能量的积累与组织^[25]，同时也使边界层内的气旋性环流得到维持或加强。另外，对流层高层辐散气流抽吸作用也是热带低压强度得以维持的有利因素^[26](图 9b)。

4.2 不稳定能量快速重建机制

12—14日先后有6个β中尺度对流云团影响海南岛，平均时间间隔约12 h，每次对流的发展必然对应着一个不稳定能量的积蓄和释放过程。分析表明，持续暴雨期间，对流层中高层干湿或冷暖平流均不明显，那么不稳定能量“释放—快速重建”机制必然与低层系统密切相关。从图 10中925~500 hPa的θ_se差值可以看出，11日之前，海南受副高南侧东风波携带的暖湿气流影响，不稳定能量逐渐积聚，11日夜间降水开始，不稳定能量逐渐被释放，13日又出现缓慢增加的趋势。13日14时海南中南部925 hPa处于高能舌区，低空东南急流对海南有较强的高θ_se平流输送作用(图 7c)，而对流层中层冷暖平流较弱，使得12—14日925~500 hPa基本维持正的温度差动平流。可见，低空急流的暖湿输送作用，是海南持续暴雨期间不稳定能量维持和建立的主要机制。另外，12—14日海南上空抬升凝结高度均在960~1000 hPa之间，较低的抬升凝结高度使降水产生的潜热加热中心主要位于900~700 hPa的低层，700 hPa层以上潜热加热率随高度递减(图略)。期间850~500 hPa潜热加热率之差为正值，也表明低层加热较中高层更加明显，从而有利于对流不稳定的维持与加强，并促使对流向更深层次发展。

5 小结

通过对2008年10月12—14日海南持续性大暴雨过程的分析表明：多系统相互作用使热带低压长时间维持在海南西南部近海，从而导致低空持续的东风、东南风急流，为对流的不断发展提供了有利条件。具体结论如下。

(1) 海南此次强降水过程发生在热带低压、冷空气以及副热带高压相互作用背景下的间接型持续暴雨，强降水云系具有明显离心型特征，降水区主要位于热带低压外围环流，降水分布呈现出明显的地域地形分布特点。

(2) 南下弱冷空气对热带扰动的发展起到明显促进作用。南海东北风冷涌使热带扰动气旋性涡度增大、辐合加强，积云对流进一步发展，从而使CISK机制运行效果增强。对流层高层辐散气流抽吸作用也是热带低压强度得以维持的有利因素。

(3) 热带低压、冷空气和副热带高压间存在相互作用，并通过地转强迫与惯性振荡机制促使低空急流发展，强辐合中心主要集中在东北急流核左前侧以及东北、东南两支急流的切变区。锋区附近水平风场切变及形变导致强锋生过程，锋生强迫的热力直接环流与低空急流左侧次级环流上升支是南海北部及海南岛上空对流系统发展的主要动力触发机制。

(4) 多系统的相互作用使热带低压在海南西南部近海移动缓慢，进而导致海南低空出现持续的东(东南)风急流。该急流在海南东部沿海形成的向岸风辐合及地形强迫抬升是MCS的重要触发机制，其暖湿输送作用也是暴雨区不稳定能量释放后得以快速重建的主要途径。