引言

南海季风槽活跃于每年的5—9月，华南是我国最早受南海夏季风影响的地区，受季风槽影响，华南地区常出现暴雨甚至大暴雨以上的降雨，降雨的主中心位于广东和广西沿海(陈见等，2015)。梁必骐等(1985, 1993)早期对南海季风低压的活动特点、结构特征、时空分布、路径及其降水作了初步的研究。邹美恩等(1984)对比分析发现南海季风低压和南海台风的结构和环境场条件存在明显的差异。朱志伟等(2013)、赵欢等(2015)和卢山等(2008)认为气候态下季风爆发性低涡发生在南海季风爆发前10 d，南海季风爆发前后大尺度环流场对暴雨的影响具有典型差异，季风槽伴随热带气旋登陆对其产生的暴雨在空间、时间和强度上均有强烈增幅作用。黄忠等(2008)对广东后汛期季风槽暴雨的环流形势和天气系统进行了统计分析，发现广东后汛期的季风槽暴雨多数发生在西太平洋副高位置偏东或偏南的情况下，并与中纬西风槽或ITCZ有直接联系；季风槽多数位于华南地区上空或华南沿岸海面。冯文等(2015)通过分析近10 a海南岛后汛期极端强降水个例，发现北半球亚洲区内ITCZ异常活跃，南海季风槽南撤速度缓慢，比常年平均异常偏北偏强的天气系统配置为强降水的发生提供了有利的环流背景。蒋建莹等(2007)、陈绍河等(2017)、马学款等(2012)、蒙伟光等(2014)、刘晓梅等(2015)对季风低压产生持续性大暴雨的个例进行诊断分析发现，造成大暴雨的季风低压产生在有利的大尺度环流背景下，季风槽对流层低层有明显的辐合上升运动，且多个系统相互作用使热带低压移动缓慢，季风槽中中尺度对流系统的反复发生使暴雨得以维持；另外，季风槽的垂直厚度和降水之间也有着密切的相关。

除了有利的环流形势，持续的水汽输送也是产生暴雨的重要条件之一。谢义炳等(1959)、Murakami等(1959)早期研究发现中国夏季降水主要有两个水汽来源：一是从西太平洋高压南沿以南风及东南风的形式进入我国内陆，二是从印度低压东南方以西南风形式进入我国西南部。丁一汇等(2003)研究了1998年中国大洪水期间水汽收支与持续性大暴雨之间的关系，通过水汽通量流函数和势函数的分析揭示了水汽循环的一些规律。胡亮等(2007)总结出华南连续性暴雨三类水汽通量特征。陈明亚等(2014)发现华南持续性暴雨过程发生时，西太平洋地区存在异常反气旋，使西太平洋水汽输送较强，索马里和东印度洋向东输送的水汽较多，南海的水汽输送较弱。丁一汇等(1986)早期对孟加拉湾水气场的初步分析发现，水汽的最强辐合位于季风低压的西部和南部。李春辉等(2017)认为季风引起的持续性暴雨主要由于前期和同期热带中东太平洋异常海温持续偏暖，导致南海夏季风环流和水汽辐合异常增强。刘国忠等(2017)、张德苏等(2002)、孔期等(2005)分析季风低压产生的持续性暴雨个例时，发现南海季风爆发后，索马里越赤道气流和赤道印度洋西风明显增强，从索马里经赤道印度洋、孟加拉湾、中南半岛至南海北部地区的西南暖湿水汽通道建立，来自阿拉伯海的水汽直接输送到季风槽中。江志红(2011)、杨浩等(2014)利用HYSPLIT模式研究了江淮地区强降水的水汽主要源地和水汽输送通道。周玉淑等(2005)、陈晓红等(2007)、孙明生等(2013)、王婧羽等(2014)、吴凡等(2014)、张俊兰等(2016)、曾勇等(2017)、张云惠等(2018)分别针对不同地区的暴雨个例研究了强降水期间的水汽收支特征，揭示了大尺度水汽输送在暴雨降水发生发展过程中所发挥的重要作用。

以往对华南后汛期暴雨的研究多侧重于季风槽和台风引发的，而对由季风低压产生的持续性特大暴雨天气过程研究相对较少，尤其是对其水汽输送的专门分析更少。本文重点分析和探讨2018年8月底由季风低压产生的持续性(特)大暴雨过程中的水汽输送和维持特征，以加深对此次特大暴雨过程发生和维持机制的认知。

1 特大暴雨过程概况

2018年8月27日—9月1日，广东出现了持续强降水过程，此次过程具有“持续时间长、强降水落区集中、雨量超历史极值”的特点。8月27日08时—9月2日08时(北京时，下同)，全省平均降雨量195.9 mm，主雨带位于珠江三角洲南部和粤东地区，29—31日连续3 d部分市县出现了特大暴雨。大范围大暴雨出现时间主要集中在29日白天到30日夜间；其中29日夜间至30日早晨为降水最强时段；30日05时—31日05时，惠东高潭镇录得日雨量1 056.7 mm，刷新了广东省有气象记录以来日雨量极值(2013年8月17日，惠东高潭镇924.3 mm)，创造了中国大陆非台风降水日雨量极值。

2 资料与方法

使用的资料为NCEP的6 h一次、水平分辨率为1°×1°的再分析资料、常规地面观测资料和GDAS资料等。其中，GDAS资料是指利用全球资料同化系统(Global Data Assimilation System)将NCEP资料进行同化计算得到的结果，包括6 h一次的再分析资料以及3 h一次的预报资料，在垂直方向的21个层面上有位势高度、温度、经向风、纬向风、比湿以及垂直速度。NOAA的ARL(Air Resource Laboratory)将其处理为Hysplit模式可用格式作为模式主要输入资料。

文中的水汽通量流函数和势函数的计算采用朱乾根等(2007)分析水平流场的方法，将qv/g代替v，得到水汽通量流函数和非辐散分量以及水汽通量势函数和辐散分量。类比风场，可用水汽通量流函数和非辐散分量表征水汽源汇的分布，用水汽通量势函数和辐散分量表征水汽的辐合辐散。水汽收支计算公式和水汽输送路径模拟均根据王婧羽(2014)的研究方法，对文中所选区域进行计算和模拟。

3 环流形势

此次强降水是在中高层环流系统稳定，低层西南季风强盛、季风槽北抬的形势下发生的。高层200 hPa (图 2a)南亚高压位置稳定少动，其高压中心盘踞在青藏高原南部地区，我国大部为其环流控制，华南上空持续为辐散场，辐散大值区主要位于南部沿海，30日最大辐散区移至粤东沿海。中层500 hPa(图 2b)亚欧大陆中高纬为两槽两脊的形势，巴尔喀什湖附近的低槽稳定少动，有切断低压配合；贝加尔湖附近为一高压脊；副高位置偏北偏强，副高脊线位于30°N附近，并在30°—37°N之间的江淮、黄淮地区形成一带状高压坝，从贝加尔湖高脊东侧分裂的小槽基本在高压坝北侧移过；从低纬北上的西南季风被阻挡在30°N以南，季风低槽长时间维持在华南南部，使广东降水得以持续。850 hPa有一切变线持续北推(图略)，30日位于湖南南部，我省降水位于切变线南侧。与季风低压对应，低层850 hPa华南地区存在一个低涡，由于南亚高压稳定少动且西太平洋副热带高压呈异常双脊形态，既有利于季风低压气旋性环流的维持，又抑制了季风低压的北上东退，迫使椭圆形的季风低压沿其长轴方向缓慢西移(图 2c)并逐渐加强，于30日达最强(图 2d)。8月下旬，南海季风指数较常年同期偏强，此次降水过程发生在南海季风指数由偏强趋向正常的减弱阶段(图 2e)。

4 水汽输送和辐合对强降水产生和维持的作用 4.1 水汽通量流函数和势函数的演变

通过水汽通量势函数和流函数的分解，来讨论水汽输送状况对华南地区降水的影响。将水汽输送通过势函数和流函数的求取，最终分解为非辐散(旋转)部分和辐散部分。

图 3为8月27—31日整层大气(1 000—200 hPa)单位面积空气柱水汽通量流函数和非辐散分量的平均分布，从图中可以看出，强降水期间为华南强降水输送水汽的流函数高值区有两个，分别位于西北太平洋和赤道附近的印度季风区，其中位于西北太平洋地区的水汽通量流函数中心较强，最大中心值达250×10⁶ kg·s^-1以上，印度季风区的中心相较西北太平洋较弱。通过水汽通量的流线走向不难发现，西北太平洋水汽高值区中心南侧的偏东气流向西输送至130°E附近后向北转向流入东海地区，对华南地区的水汽贡献较小；在赤道附近及其以南地区也存在着一致向西的水汽输送，其中一支气流在90°E附近北上汇入东印度洋的水汽中心区，另一支气流继续西进至非洲索马里地区后越过赤道北上，一部分水汽汇入西印度洋的水汽中心区，另一部分水汽向东北方向经阿拉伯海、印度半岛、孟加拉湾、中南半岛进入南海，最终汇入华南地区，在图中表现为华南上空有一明显的水汽通量流函数负值区，其中心值达-50×10⁶ kg·s^-1，由此可见印度洋是此次华南强降水水汽的主要来源地。

由水汽通量流函数和势函数的定义可知，流函数反映的是大尺度的水汽输送情况，而势函数则表征的是区域内水汽的辐合辐散情况，下面将对势函数的分布进行讨论。图 4给出了强降水不同阶段整层大气水汽通量势函数和辐散分量的分布，对比图 3可知，势函数中辐散流场的纬向和经向分量量级基本相当，而流函数的非辐散分量则以纬向分量为主。

从图 4可以看出，8月28—31日，北半球有两个明显的势函数低值区，一个位于我国东南沿海，另一个位于150°E附近的西北太平洋上，其中心逐渐加强并向西移动，这两个地区为北半球最明显的水汽汇合区。其中，汇集到华南地区的水汽主要来源于南海地区，另一部分水汽经印度半岛北上至青藏高原南部后向东转向汇入华南地区，还有一小部分水汽由西北太平洋进入福建后转向西南进入华南上空。在辐合中心内部，华南上空有来自偏东、偏南、偏西和偏东北方向的水汽汇合，强的水汽辐合为华南地区的强降水提供了充沛的水汽条件。

对比强降水发生的不同时期可以看出，28日水汽辐合中心位于华南东部沿海，其中心值高于200×10⁶kg·s^-1；29到30日辐合中心随着低涡系统的西移逐渐向西移动，水汽通量势函数范围明显扩大，华南地区水汽的辐合最为强盛，对应着本次降水过程雨强最大的时期；到31日夜间，水汽辐合中心进一步西移并趋于减弱，此时经赤道北上流入南海的水汽分量减小，西北太平洋上的低值中心明显增强。因此，水汽通量势函数高值区的变化与华南强降水的发生有着较好的对应关系。

为了进一步说明广东地区水汽通量势函数的日变化与强降水之间的关系，图 5给出了20°—25°N，109°—117°E范围内整层大气(1 000—200 hPa)水汽通量势函数的区域平均(曲线图)和珠江三角洲及粤东沿海市县25—31日20时平均日雨量(柱状图)随时间的变化。在29日之前，区域平均水汽通量势函数基本在（180~210）×10⁶ kg·s^-1之间波动，在强降水发生前期积累了充沛的水汽，从29日开始水汽通量势函数明显增加，至29日20时达到整个降水过程的峰值，此时水汽辐合在广东地区达到最强，同时也是从29日开始珠三角和粤东沿海地区的降水开始明显增大，30日是此次降雨过程中日雨量最大的一天。31日白天开始随着低涡系统西移，广东地区的水汽通量势函数逐渐减小，水汽辐合趋于减弱，降水也逐渐减小。

4.2 水汽通量和水汽通量散度变化

图 6给出了8月28—31日低层925 hPa水汽通量的变化情况。从图中可以看出，整个华南地区低层水汽条件充沛，水汽来源有两支，一支由来自阿拉伯海和越赤道气流北上在孟加拉湾汇合后向东输送，经中南半岛输送到南海进而向东北方向输送至华南上空，是水汽来源的主要通道；另一支来源于西北太平洋副热带高压西南侧的偏东南气流。28日夜间，两支气流的辐合主要位于广东东部和福建南部沿海地区，29日夜间，孟加拉湾至中南半岛一带的水汽输送开始增大，水汽通量局地达25 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1以上，南海地区的偏西南风逐渐转为南风且风速随之加大，并由沿海逐渐推向内陆地区，强的水汽输送一直持续到30日夜间，直到31日白天越赤道气流趋于减弱，来自孟加拉湾的水汽进入南海的分量开始减小，西北太平洋向西的输送分量也明显变少，水汽输送逐渐减弱并西移至华南中西部地区。此时广东中东部沿海的降雨明显减弱，雨区西移至广东西部和广西一带。

图 7给出了8月29—31日整层大气(1 000—200 hPa)水汽通量散度的分布情况。可以看出，从29—31日夜间的水汽通量散度都较白天有明显的增大，表现出明显的季风降水特征。29日夜间开始，华南沿海的水汽辐合开始趋于明显，到30日达到顶峰，尤其是在30日夜间，整个华南沿海出现大范围的水汽辐合区，其中最强辐合中心位于粤东沿海地区，最大水汽通量辐合达70×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1以上，这与30日夜间粤东的强降雨区域一致。31日白天开始水汽辐合明显减弱，水汽辐合中心在31日夜间西移至北部湾地区，与之对应的降雨落区也随之西移减弱。

5 强降水期间的分区域分层次水汽收支演变 5.1 分区域水汽收支的演变

按图 8a将华南分为北部、西部和东部三个区域，分别计算华南区域和三块小区域中2018年8月27— 31日各边界整层水汽收支的逐日变化。对于华南区域来说，8月27日—29日白天，主要的水汽输入边界为南边界、西边界、北边界，但各边界的水汽输入值较小，均在10×10⁷ g·s^-1以内，东边界为水汽输出边界，此时全省的强降水区较分散。从29日夜间开始，随着西南季风的加强和南风分量的增大，南边界的水汽输入开始明显增大，并于30日夜间达到峰值。虽然31日白天开始南边界的水汽输入逐渐减小，但输入量依然维持在较高水平。另外从图中还可以看出，从29日夜间起，东边界的水汽输出开始逐渐减小，到30日中午前后转为水汽输入边界，表明此时西北太平洋对降水区域有着水汽输入的贡献，但水汽输送量远不如孟加拉湾和南海。而北边界和西边界则有着与东边界相反的变化趋势，由之前的水汽输入边界逐渐转为水汽输出边界，但总体上水汽净流入量明显大于净流出量，非常有利于华南地区强降水的维持。对北部区域来说，其东西边界的净流入流出量很小，27—30日水汽以北边界流入南边界流出为主，且水汽流入与流出量基本相当，水汽净流入量小。30日白天开始逐渐转为反位相，以南边界流入为主，但基本在10×10⁷g·s^-1以下，因此华南北部不是此次强降水过程的主要发生地区。西部区域各边界的水汽收支量有着与华南区域类似的变化特征，同样从30日中午前后开始南边界有明显的水汽输入，输入量为华南区域的三分之一左右。对于华南东部地区，也就是强降水发生的主要区域来说，其南边界从27日开始持续有水汽的输入，这对后期强降水的发生有一定的指示作用。从29—31日白天水汽输入一直维持在较高水平，且东边界从30日夜间开始水汽由输出转为输入，使水汽的净流出量进一步减小，而整个过程中西边界和北边界对水汽的贡献一直很小，因此总体上水汽净流入量较高，充足的水汽供应非常利于29—30日珠江三角洲和粤东地区强降水的发生。

5.2 分层次水汽收支的演变

为进一步说明各层次的水汽支出大小，表 1给出了强降水期间(8月29—31日)华南区域四边界各层次和整层的定量水汽收支分布情况。从表中可以看出，不同时期不同层次的水汽收支存在明显的差异。在降水的各个阶段南边界是主要的水汽输入边界，且水汽输入主要集中在1 000—700 hPa之间，越往高层水汽输入减小的越明显；西边界为主要的水汽输出边界，但输出较输入小一个量级，华南为水汽汇合区。从强降水的不同阶段来看，8月29日，除了南边界有水汽输入，其他三个边界中低层基本都为水汽输出边界。30日各边界的水汽收支情况与29日基本类似，但对比可以看出，中低层东西边界的水汽输出量较29日有所减小，东边界在1 000 hPa开始有水汽的输入，但北边界的水汽输出量明显增大，与此同时，南边界的水汽输入量也开始增大，这与华南低层的南风由沿海向内陆加大北推有关。整层水汽通量在这一天达到最大，同时30日也是此次强降水过程中日降水量最大的一天。到了31日，低层东西边界的水汽输出量进一步减少，南边界的水汽输入较30日也有所减小，而北边界的水汽输出继续加大，广东区域逐渐转为水汽通道区，降水也在31日趋于减弱。

5.3 水汽输送路径模拟

由于此次降水过程具有局地雨强大的特点，因此利用NOAA的HYSPLIT轨迹模式模拟了8月30—31日不同站点低层气柱内气团120 h后向追踪轨迹（图 9），图中可直观反映不同站点上水汽的来源和输送路径情况。

从降水实况可以看出，29—30日强降雨落区主要集中在珠江口两侧，30日夜间起东移至粤东地区，因此分别选取了30日深圳作为珠江口的代表站，以及31日惠东作为粤东地区的代表站来研究水汽的来源和输送情况。从图中可以看出，两站低层1 500 m(约850 hPa)和700 m(约925 hPa)的水汽主要来源于孟加拉湾，经中南半岛后北上进入南海，最终汇入强降水区。3 000 m (约700 hPa)高度的水汽来源与低层类似，但路径更为偏北偏西。从垂直方向上看，深圳的水汽在27日夜间之前都集中在1 500 m以下，从28日凌晨开始水汽厚度持续增加，并一直维持到30日夜间；惠东站的水汽厚度则在28日夜间到29日凌晨段显著增厚，且维持到31日夜间。水汽厚度增大的时段与各站点强降水开始的时间有着很好的对应关系，且较长的维持时间也有利于水汽源源不断的汇入降水中心，为持续强降雨的发生提供了十分有利的水汽条件。

6 结论

本文利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR的FNL 1°×1°逐6 h再分析资料和GDAS资料，以及NO⁃ AA的HYSPLIT气流三维轨迹模式诊断分析了2018年8月底广东沿海地区的一次持续性特大暴雨过程的水汽输送特征，主要结论如下：

(1) 强降水期间，为华南地区输送水汽的流函数高值区分别位于西北太平洋和赤道附近的印度季风区，其中西北太平洋地区的中心较强，印度季风区的中心相对较弱。但印度洋是此次华南强降水水汽的主要来源地，西北太平洋次之。

(2) 8月28—31日期间，我国华南沿海为北半球的水汽汇合区。降水发生前期水汽辐合中心位于华南东部沿海，29日开始其中心随着低涡系统逐渐向西移动，范围逐渐扩大，广东区域平均势函数至29日夜间达到整个降水过程的峰值，水汽辐合最为明显，为30日的强降水积累了充沛的水汽；31日夜间水汽辐合中心进一步西移并趋于减弱。水汽通量势函数高值区的变化与此次特大暴雨过程中降水峰值变化有着较好的对应关系，最大降水日出现在水汽通量势函数最高值的后一日。

(3) 水汽辐合表现出明显的日变化。白天水汽辐合减弱，至夜间明显加强，与季风降水特征对应较好。华南沿海的水汽辐合在29日夜间开始明显增大，至30日夜间达到顶峰，31日开始逐渐西移减弱，与强降水落区变化表现较为一致。

(4) 在此次强降水的各个阶段南边界是主要的水汽输入边界，且水汽输入主要集中在低层，越往高层水汽输入减小的越明显；东边界为主要的水汽输出边界。从29日夜间开始华南区域南边界的水汽输入量明显增大，整层水汽通量在30日达到最大，此时各个边界的水汽输入量均有增加，而水汽输出量趋于减小。华南东部南边界的水汽输入量一直维持在较高水平，非常利于29—30日粤东和珠江三角洲地区强降水的发生。

(5) 通过HYSPLIT轨迹模式模拟气团输送路径发现广东沿海低层的水汽主要来自于孟加拉湾；在强降水发生前期水汽主要集中在低层，强降水发生时水汽厚度开始明显增大且维持时间较长，为持续强降雨的发生提供了有利的水汽条件。