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淺談香港的暴雨產生機制

淺談香港的暴雨產生機制

黎宏駿、楊漢賢
2020年9月

踏入雨季,對於滂沱大雨的景象,香港人都不會陌生。視乎大雨的程度,天文台不時需要發出暴雨警告及其他與暴雨相關的警告。但大家又知不知道為什麼有些暴雨會較其他暴雨來的特別大、特別持久呢?讓我們一起看看有利暴雨發展的天氣形勢以及觸發暴雨的一些機制。
圖一
圖一   有利暴雨發展的天氣形勢及其觸發機制在大氣各層[1]的配置。
觸發暴雨的其中一個主要機制是大氣中有強對流活動,即如圖一灰色線所示,由近地面或低層出現向上衝往高層的上升氣流。若配合不穩定的大氣結構(即下熱上冷)及低層充沛的水汽輸送,就會出現降雨。簡單來說,若熱力及水汽條件充足,對流活動愈強烈、愈持久,地面錄得的雨量便愈多。在春夏季節,華南沿岸包括香港的大氣熱力和水汽條件配合大雨發展並不難。在這前提下,並簡化討論,下文只集中說明動力學上有利強對流發展的天氣形勢。
圖二
圖二   高空擾動對大氣環流的影響。藍色曲線代表西風帶的流線,其向南的大幅波動稱為西風槽,而紅色虛線標示槽軸的位置。槽軸前(以東)的風速較高,氣流不穩定甚至會形成急流,有利該區下方空氣向上抬升。至於槽軸後(以西)的區域,一般會出現下沉氣流。
近地面或低層氣流的匯聚(即輻合[2])可強迫氣流抬升。至於這些被「迫」上升的氣流可上衝至多高,往往取決於中、高層有沒有支持機制。高空擾動[3](指大氣中至高層,氣流在近水平方向大幅度的波動)是其一,高空輻散(即高層氣流擴散)是其二。若以流線描繪,擾動氣流就像波浪般傳遞,而波動前的氣流會抬升,波後的氣流會下沉(圖二)。由於大氣是連續流體,當高層氣流在某空域出現向四周擴散現象時,會對該下方產生向上抽吸作用,以填補因高空輻散而「流失」的空氣。如圖一所示,近地面或低層因輻合而被「迫」抬升的空氣,若能配合中層擾動,並加上高空輻散,便可往向上爬升至大氣頂層,形成對流。如果這些有利的大氣形勢持續一段長時間,上升氣流會愈來愈強,支持暴雨發展。
天氣形勢 / 觸發機制 例子
高層
(約6000米以上)
高空輻散 — 愈強烈愈有利抽吸作用,有助下方空氣上升至大氣層頂部 ♦高空反氣旋軸線附近
♦高空西風槽軸南端(圖三)
中層
(約2000米至6000米)
高空擾動 — 波動前的抬升氣流有利對流發展;若出現急流,會加劇氣流不穩定性 ♦南支西風槽及其槽軸前沿的西南急流(圖四)
低層
(地表至2000米左右)
低層輻合[3] — 空氣連水汽因匯聚而被迫抬升 ♦梅雨槽[4],或活躍低壓槽[5](圖五) — 槽上南北氣流匯聚的地方稱為輻合區,一般呈線狀(圖六)
♦颱風的環流 — 其氣流以逆時針方向轉動並往風眼方向匯聚,輻合區呈螺旋線狀(圖七)
其他條件
(假設成立)
水氣輸送 — 源源不絕
大氣不穩定 — 低層或地面較暖或熱,高空較冷
♦西南季候風[6](圖八)
♦高溫天氣(圖九)
在秋冬季較涼較乾的日子裏,以上的大氣條件和觸發機制往往難以同時出現和配合,廣泛而持續的暴雨因而顯著較少。話雖如此,這並不表示秋冬季沒有暴雨。此外,在初秋微風的日子裏,因海風匯聚配合高溫天氣而形成的局部地區驟雨及雷暴,其雨勢和影響也是不能低估的[7]。無論如何,隨著氣候變化,香港的寒冷日子會愈來愈少,近年在冬季一月、二月份亦曾發出過暴雨警告,大家對暴雨的防範意識絕不能鬆懈啊!
圖三
圖三   二零二零年六月六日早上八時,高空約12000米的流線及輻散分析。在香港及附近的空域,黑色箭嘴顯示氣流大致向三個方向擴散,橙紅色代表輻散程度較強。當日上午,天文台曾發出黑色暴雨警告信號。
圖四
圖四   二零一六年一月五日早上八時,高空約5000米的流線分析及衛星雲圖。紅色虛線代表南支西風槽的槽軸,槽前大範圍出現擾動氣流(往往風速大,風向有搖擺;黑色風羽符號中,愈多羽毛或出現三角型,代表風速愈高),令該區大氣變得不穩定,出現對流雲團(白色光亮部分);相反,槽後出現廣寬晴空區。當日下午,天文台曾發出黃色暴雨警告信號。
圖五
圖五   二零二零年六月七日地面天氣圖顯示一道梅雨槽在廣東沿岸徘徊。當日上午,天文台曾發出紅色暴雨警告信號。
圖六
圖六   二零二零年六月六日早上二時三十分,香港各自動氣象站錄得的風向和風速。紅色虛線標示南、北風輻合線的位置[8]。當日上午,天文台曾發出黑色暴雨警告信號。
圖七
圖七   二零二零年八月十九日颱風海高斯的雷達圖片。追蹤黃色的降雨區域(其中三段以黑色虛線標示)可見,海高斯較強、較接近風眼的雨帶皆呈螺旋狀,意味著其相關的風場輻合區亦呈螺旋線狀,並且向風眼方向靠攏。當日上午,天文台曾發出黃色暴雨警告信號。
圖八
圖八   活躍的西南季候風在二零二零年五月三十日為中南半島、南海北部、華南以至華東廣泛地區帶來潮濕的氣流(藍色襯底的流線),而廣東沿岸有大驟雨及雷暴。當日上午,天文台曾發出紅色暴雨警告信號。
圖九
圖九   在二零一八年九月五日的雷達圖片顯示因高溫天氣而觸發的對流活動,曾在當天下午短暫為香港東部地區帶來雷雨,西貢區錄得超過30毫米雨量。在雷雨發生前,各區風勢輕微,氣溫曾普遍上升至超過33度。