程晶晶　林　輝　洪彬彬

一次連續(xù)性暴雨天氣過程的分階段對(duì)比分析

程晶晶1林輝1洪彬彬2

（1.漳州市氣象局，福建 漳州 363000；2.東山縣氣象局，福建 漳州 363400）

文章利用地面自動(dòng)站、天氣雷達(dá)等探測資料和ERA5逐小時(shí)再分析資料，對(duì)福建漳州一次連續(xù)性暴雨過程分階段分析發(fā)現(xiàn)，該過程中三種性質(zhì)不同的降水表現(xiàn)出的溫濕場和不穩(wěn)定性等方面存在明顯差異。第一階段降水對(duì)流性最強(qiáng)，屬切變南側(cè)高溫高濕環(huán)境下的暖區(qū)暴雨，有強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定，假相當(dāng)位溫場（）的水平和垂直分布均存在高能舌，強(qiáng)降水區(qū)域存在更為明顯的上升運(yùn)動(dòng)和水汽輻合，并伴隨列車效應(yīng)；第二階段對(duì)流不穩(wěn)定有所減弱，為鋒區(qū)南壓導(dǎo)致的系統(tǒng)性降水，并存在和鋒區(qū)相對(duì)應(yīng)的密集等值線；第三階段則為低渦東側(cè)暖切造成的大范圍層云降水，層結(jié)穩(wěn)定，水汽、熱力和動(dòng)力條件較弱且配合較差。模式檢驗(yàn)表明CMA-3KM數(shù)值預(yù)報(bào)在此次過程中表現(xiàn)最好，主觀預(yù)報(bào)對(duì)暖區(qū)對(duì)流降水的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低，但對(duì)鋒面等系統(tǒng)性降水具有一定訂正能力。

暴雨；暖區(qū)暴雨；假相當(dāng)位溫；對(duì)比分析

引言

暴雨預(yù)報(bào)涉及多尺度系統(tǒng)與其之間的關(guān)系，具有明顯的中小尺度特征，預(yù)報(bào)難度大[1]。大量中尺度對(duì)流系統(tǒng)診斷與數(shù)值模擬研究表明，邊界層的低層水汽輻合、侵入的淺薄冷空氣以及高低空急流都可導(dǎo)致暴雨的發(fā)生[2,3]。沈桐立等[4]發(fā)現(xiàn)暴雨天氣過程發(fā)生在高溫高濕區(qū)，暴雨期間850 hPa的θse場呈現(xiàn)經(jīng)典的“Ω”型，高能區(qū)的移動(dòng)變化與降雨系統(tǒng)的變化一致。福建地處華南沿海，復(fù)雜的地形和季風(fēng)環(huán)流相互作用導(dǎo)致暴雨頻發(fā)，而鋒前暖區(qū)暴雨是華南前汛期暴雨的重要特征[5]，具有降水強(qiáng)度大、時(shí)效性短、尺度小等特點(diǎn)[6]，多有明顯的中尺度特征，強(qiáng)降水過程發(fā)生前預(yù)報(bào)信號(hào)弱，導(dǎo)致預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率低，常出現(xiàn)漏報(bào)空報(bào)現(xiàn)象，造成暴雨洪澇災(zāi)害，給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。因此對(duì)于不同類型尤其是暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)問題有必要進(jìn)一步探索研究，有助于提高預(yù)報(bào)員暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，提升基層氣象部門在防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)人民防線中的作用。

2021年5月29日至31日福建省漳州市出現(xiàn)連續(xù)性暴雨天氣過程，此次降水過程階段性差異顯著，本文將利用地面自動(dòng)站、天氣雷達(dá)等常規(guī)探測資料和ERA5逐小時(shí)再分析資料（分辨率為0.25°×0.25°）對(duì)此次過程進(jìn)行分階段探討，對(duì)比分析不同階段強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)的環(huán)境形勢和物理量場的差異，加深對(duì)不同性質(zhì)暴雨天氣的認(rèn)知，為預(yù)報(bào)員準(zhǔn)確預(yù)報(bào)降水強(qiáng)度和強(qiáng)對(duì)流天氣提供科學(xué)依據(jù)。

1　天氣過程實(shí)況

如表1所示，2021年5月29日至31日漳州市出現(xiàn)連續(xù)性強(qiáng)降水過程，整個(gè)過程全市普降大到暴雨，中北部地區(qū)出現(xiàn)大范圍大暴雨天氣。此次連續(xù)性降水天氣主要有以下三個(gè)特征。

（1）過程持續(xù)時(shí)間長，過程累積雨量大。5月29日至31日連續(xù)3天均出現(xiàn)暴雨天氣，其中29日暴雨和大暴雨落區(qū)主要位于中部，30日則位于西北部，31日降水進(jìn)一步減弱，僅西北部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨。統(tǒng)計(jì)5月29日8時(shí)至6月1日8時(shí)自動(dòng)站雨量，全市共有10個(gè)縣區(qū)的132個(gè)自動(dòng)站雨量達(dá)50 mm以上，其中有8個(gè)縣區(qū)共83個(gè)自動(dòng)站超過100 mm，最大累積過程雨量為南靖豐田鎮(zhèn)永豐林場的194.8 mm。

（2）南北降水差異大。由表1中24h/過程累積降水分布可以看出，強(qiáng)降水區(qū)域主要集中在中北部，從大監(jiān)站雨量來看，過程累積雨量在17.3 mm（東山）～151.2 mm（漳州）之間。

（3）階段性差異明顯。5月29日至30日降水時(shí)伴有短時(shí)強(qiáng)降水和短時(shí)大風(fēng)，整個(gè)過程最大小時(shí)雨量為52.7 mm，極大風(fēng)20.0 m/s（8級(jí)），均出現(xiàn)在29日。從三天降水情況對(duì)比來看，無論是從降水強(qiáng)度、強(qiáng)降水區(qū)域還是短時(shí)強(qiáng)降水和大風(fēng)角度，29日降水的對(duì)流性最強(qiáng)，且整個(gè)過程中降水對(duì)流性逐日減弱，到31日幾乎沒有出現(xiàn)大風(fēng)和短時(shí)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。

表12021年5月29日至31日福建漳州市暴雨過程累積和逐日降水情況統(tǒng)計(jì)

2　分階段對(duì)比分析

2.1　環(huán)流形勢分析

5月29日500 hPa高空槽加深東移，副高南落，中低層切變位于福建省北部，華南受切變南側(cè)西南急流影響，為暖區(qū)控制；30日至31日副高穩(wěn)定維持在海上，華南一帶多短波東傳，30日切變東段南壓至福建中部，漳州市仍受南側(cè)西南急流控制，隨著鋒區(qū)南壓，30日20時(shí)福建沿海轉(zhuǎn)為冷中心控制；31日850 hPa上云貴高原有低渦發(fā)展并逐漸東移，低渦東側(cè)切變位于漳州市北部，西南風(fēng)減弱。925 hPa三天均有切變在福建中南部擺動(dòng)，地面靜止鋒維持，從而導(dǎo)致閩南地區(qū)持續(xù)性強(qiáng)降水的發(fā)生。此次連續(xù)性暴雨過程和中低層切變關(guān)系密切，故根據(jù)850 hPa環(huán)流形勢變化，將整個(gè)降水過程主要分為三個(gè)階段（圖1）。

第一階段降水（圖1第一行），即5月29日至30日前期。該時(shí)段切變位置偏北，主要是切變南側(cè)西南暖濕區(qū)中的對(duì)流降水，因此對(duì)流性較強(qiáng)，全市出現(xiàn)較大范圍的短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴天氣。29日12時(shí)左右的雷達(dá)拼圖可以明顯看出兩種性質(zhì)的降水回波，福建省北部的橫向雨帶為切變降水，而中南部離散的強(qiáng)回波則為暖區(qū)中發(fā)展的中尺度對(duì)流單體，同時(shí)刻的再分析資料風(fēng)場可以看到，切變位置和福建省北部的雨帶較為吻合，雨帶主要位于切變右側(cè)。如圖1(b)所示，30日前期切變南壓至福建省中部地區(qū)，漳州市在其南側(cè)西南氣流影響下仍有分散性對(duì)流發(fā)展。

圖1　(a)2021年5月29日12時(shí)、(b)30日11時(shí)850 hPa風(fēng)場和(c)29日12時(shí)24分福建雷達(dá)拼圖，(d)30日15時(shí)、(e)30日20時(shí)850 hPa風(fēng)場和(f)30日15時(shí)12分福建雷達(dá)拼圖，(g)31日7時(shí)、(h)31日16時(shí)850 hPa風(fēng)場和(i)31日13時(shí)00分福建雷達(dá)拼圖。其中風(fēng)場填色表示低層急流區(qū)（大于等于12 m/s）

第二階段降水（圖1第二行），即5月30日后期。隨著切變進(jìn)一步南壓，切變造成的系統(tǒng)性降水雨帶也南壓至漳州市上空。如圖1(d)和1(f)所示，15時(shí)左右位于漳州市北部的水平尺度較大的窄雨帶和850 hPa切變對(duì)應(yīng)比較好。與此同時(shí)，云貴高原有低渦生成，低渦東側(cè)的暖切發(fā)展，冷切在南壓的過程中不斷減弱，29日切變雨帶的水平尺度也顯著小于30日，如圖1(c)和圖1(f)所示。

第三階段降水（圖1第三行），即5月31日。冷切在南壓過程中減弱消失，隨著低渦的發(fā)展，低渦東側(cè)的暖切不斷東伸并于31日凌晨完全替代冷切，造成大范圍的層云降水。如圖1(h)所示，31日16時(shí)低渦東移至江西境內(nèi)，漳州市處于低層急流出口處大范圍的風(fēng)速輻合區(qū)，為強(qiáng)降水提供了有力的動(dòng)力條件。該階段降水以穩(wěn)定性降水為主，對(duì)流性明顯減弱。

2.2　物理量場分析

2.2.1不穩(wěn)定條件

汕頭站探空圖顯示5月29日濕層比較深厚，近地層有弱逆溫層，利于不穩(wěn)定能量的積聚，低層有弱暖平流，CAPE值超過2300 J/kg，K指數(shù)高達(dá)40℃，T85為26.3℃，沙氏指數(shù)為-1.15，各個(gè)對(duì)流參數(shù)均顯示29日具有強(qiáng)的不穩(wěn)定條件。而30日濕層變淺薄，CAPE值雖然達(dá)到2600 J/kg以上，但K指數(shù)和T85相比于29日有所下降。31日CAPE值等有利的能量條件和熱力條件都顯著減弱，和該時(shí)段較為穩(wěn)定的層云降水相吻合。由此可見，在此次暴雨天氣過程中K指數(shù)和T85值的大小對(duì)降水對(duì)流強(qiáng)度有一定的指示意義。

2.2.2水汽和動(dòng)力條件

水汽和動(dòng)力場的分布清晰顯示了三天降水強(qiáng)度和落區(qū)的差異原因所在。如圖2所示，5月29日至31日三天的濕度條件逐漸減弱。其中29日除沿海外大部分縣區(qū)的比濕都達(dá)到16 g/kg以上，和當(dāng)天大雨落區(qū)較為吻合，其中中部地區(qū)局部更是超過17 g/kg，925 hPa以西南氣流風(fēng)速輻合為主，多離散輻合區(qū)，漳州市中北部地區(qū)即為水汽輻合中心；而30日高濕區(qū)（q≥16 g/kg）位于西北部，以切變南壓造成的偏北氣流和西南氣流的風(fēng)向輻合為主，表現(xiàn)為顯著的橫向水汽輻合帶；31日濕度條件則進(jìn)一步減弱，925 hPa轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)控制，中南部地區(qū)有較弱的水汽輻合區(qū)。在動(dòng)力條件方面，29日和30日在500 hPa高度以下為深厚的輻合層和垂直上升運(yùn)動(dòng)，其中29日比較強(qiáng)的輻合中心和垂直上升運(yùn)動(dòng)位于中部，而30日在漳州市西北部中高層有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，低層輻合中心也位于西北部。結(jié)合比濕的分布特征，有利的動(dòng)力抬升條件和充足的水汽導(dǎo)致29日的強(qiáng)降水中心位于中部地區(qū)，而30日則位于西北部。

圖2　(a)2021年5月29日16時(shí)、(b)30日16時(shí)和(c)31日16時(shí)850 hPa比濕（單位：g/kg）和q≥15 g/kg的區(qū)域（填色），(d)29日13時(shí)、(e) 30日13時(shí)和(f)31日13時(shí)925 hPa水汽通量（箭頭，單位：g/(cm*hPa*s)）和水汽通量輻合（填色，10-6 g/(cm2*hPa*s)）

2.2.3熱力條件

假相當(dāng)位溫是綜合表征大氣溫度和濕度的物理參數(shù)，反映了大氣的能量分布[7]。如圖3所示，假相當(dāng)位溫場的分布特征顯示了此次暴雨過程中三個(gè)階段性降水的不同性質(zhì)。5月29日至福建省南部均為假相當(dāng)位溫大值區(qū)，特別是從廣東向閩南伸出的高能舌，同時(shí)刻的雷達(dá)拼圖可以看到高能區(qū)不斷有對(duì)流發(fā)展；30日后期隨著切變逐漸南壓，假相當(dāng)位溫呈現(xiàn)北低南高的態(tài)勢，密集的假相當(dāng)位溫等值線則指示能量鋒所在；31日等值線變稀疏，鋒區(qū)能量顯著減弱，降水趨于穩(wěn)定。

漳州站附近的單點(diǎn)時(shí)間剖面圖綜合顯示了三個(gè)階段降水過程的水汽、動(dòng)力和熱力條件差異。5月29日至白天漳州市處于高溫高濕環(huán)境中，垂直上升運(yùn)動(dòng)貫穿整個(gè)對(duì)流層，850 hPa和500 hPa高度層附近均有上升運(yùn)動(dòng)中心，中低層濕層深厚，850 hPa以下存在由近地面向高層伸出的高能舌，近地面假相當(dāng)位溫大值中心高達(dá)384 K，500 hPa高層以下假相當(dāng)位溫隨高度減小表明大氣存在對(duì)流不穩(wěn)定，因此29日多分散性對(duì)流單體結(jié)構(gòu)生成。30日動(dòng)力條件和相對(duì)濕度有所減小，前期鋒區(qū)完全南壓之前，漳州市仍處于高溫高濕的對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)，近地面假相當(dāng)位溫高值中心為372 K，而夜間鋒區(qū)過境后能量明顯減弱，一直到31日近地層均表現(xiàn)為344 K的假相當(dāng)位溫低值中心，層結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，由于31日連續(xù)性穩(wěn)定降水導(dǎo)致相對(duì)濕度較為明顯，但如圖2所示，31日比濕和水汽輸送條件較差，因此累積降水少于前兩日。此外圖4顯示31日的垂直上升運(yùn)動(dòng)僅存在于對(duì)流層高層或中低層，高低層動(dòng)力條件配置不佳，對(duì)流無法發(fā)展到較高的高度，因此該日以穩(wěn)定性降水為主，降水強(qiáng)度屬三天最弱。

圖4　漳州站附近格點(diǎn)（24.5°N，117.5°E）的單站時(shí)間剖面圖。其中填色表示相對(duì)濕度（單位：%），黑色等值線為垂直運(yùn)動(dòng)（單位：Pa/s），紅色等值線代表假相當(dāng)位溫（單位：K）

3　列車效應(yīng)

降水對(duì)流性最強(qiáng)的第一階段（5月29日）有較為明顯的列車效應(yīng)。從圖5可以看出5月29日17時(shí)左右在廣東梅州境內(nèi)有多個(gè)對(duì)流單體生成呈帶狀分布并向東北方向移動(dòng)，剖面顯示該回波帶由多個(gè)處于不同發(fā)展階段的中尺度風(fēng)暴單體組成，回波強(qiáng)度在40 dBz～50 dBz，回波頂高參差不齊，且雷暴單體的傳播方向和雨帶的移動(dòng)方向一致，有利于回波在移動(dòng)過程中加強(qiáng)并在雨帶下游造成強(qiáng)雷暴天氣。這種列車效應(yīng)導(dǎo)致18時(shí)至19時(shí)期間漳州境內(nèi)形成強(qiáng)度為50 dBz以上的積云帶狀回波，剖面顯示回波頂高達(dá)12 km，有弱的懸垂結(jié)構(gòu)，但強(qiáng)回波質(zhì)心較低，45 dBz回波高度在6 km以下，這種混合型的降水效率高，導(dǎo)致漳州中部出現(xiàn)50 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。

圖5　2021年5月29日17時(shí)09分(a)組合反射率及其(b)剖面圖，以及(c) 19時(shí)14分反射率剖面圖

4　主客觀預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)

圖6為各家客觀數(shù)值模式和中央臺(tái)以及福建省主觀預(yù)報(bào)對(duì)此次過程中大雨以上量級(jí)降水的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。中央臺(tái)精細(xì)化預(yù)報(bào)（SCMOC）和落區(qū)（城鎮(zhèn)）預(yù)報(bào)對(duì)29日暖區(qū)暴雨把握最好，準(zhǔn)確率超過0.8，中小尺度模式中CMA-3 km預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高，而大部分主觀預(yù)報(bào)如省臺(tái)指導(dǎo)和地市精細(xì)化預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率低于0.5；30日至31日預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率整體有所下降，準(zhǔn)確率最高的均為CMA-GRAPES3KM數(shù)值模式，31日準(zhǔn)確率更是達(dá)到0.8以上。雖然客觀模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率逐日下降，但從主觀預(yù)報(bào)來看，尤其是省臺(tái)和地市精細(xì)化預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率卻是逐漸增大，說明預(yù)報(bào)員對(duì)系統(tǒng)性和穩(wěn)定性降水具有一定的訂正能力，但對(duì)暖區(qū)暴雨類型降水預(yù)報(bào)能力仍有待提高。

圖6　不同模式的漳州逐日大雨以上量級(jí)降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。起報(bào)時(shí)間和時(shí)效分別為8時(shí)和24小時(shí)

5　討論與結(jié)論

本文利用地面自動(dòng)站、天氣雷達(dá)等常規(guī)探測資料和ERA5逐小時(shí)再分析資料對(duì)2021年5月29至31日福建省漳州市出現(xiàn)的連續(xù)性暴雨天氣過程進(jìn)行分階段探討分析，主要結(jié)論如下。

（1）此次降水過程主要分為三個(gè)階段（見表2），第一階段為切變南側(cè)的暖區(qū)對(duì)流降水，高溫高濕的環(huán)境下具有強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定，并伴隨明顯的列車效應(yīng)，較大的本地比濕條件、西南氣流輸送的水汽輻合區(qū)和動(dòng)力抬升條件的相互配合導(dǎo)致該時(shí)段強(qiáng)降水落區(qū)主要位于中部地區(qū)；第二階段冷切南壓導(dǎo)致的系統(tǒng)性降水，溫濕能量有所減弱，降水對(duì)流性也隨之減弱，強(qiáng)降水落區(qū)位于水汽動(dòng)力條件更為有利的西北部；第三階段層結(jié)處于穩(wěn)定狀態(tài)，比濕較小，水汽通量較弱，因此以云貴高原低渦東側(cè)暖切導(dǎo)致的穩(wěn)定性層云降水為主。在此次過程中K指數(shù)和T85對(duì)降水的對(duì)流性具有一定的指示作用，且不同性質(zhì)降水的假相當(dāng)位溫場具有明顯差異，第一階段為明顯的高能舌，第二階段存在和鋒區(qū)相對(duì)應(yīng)的密集等假相當(dāng)位溫線，第三階段則是相比前兩個(gè)階段明顯減弱的假相當(dāng)位溫場。

表2 2021年5月29日至31日連續(xù)性暴雨天氣過程分階段總結(jié)

（2）主客觀預(yù)報(bào)檢驗(yàn)顯示CMA-GRAPES3KM數(shù)值預(yù)報(bào)和中央臺(tái)落區(qū)預(yù)報(bào)對(duì)第一階段的暖區(qū)暴雨把握較好，但暖區(qū)對(duì)流降水的主觀預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低，反之預(yù)報(bào)員對(duì)鋒面降水或穩(wěn)定性層云降水的訂正體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。因此預(yù)報(bào)員可以通過對(duì)環(huán)流形勢的判斷調(diào)整數(shù)值預(yù)報(bào)的參考性，以提高不同性質(zhì)降水的主觀預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

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A Phased Comparative Analysis of a Continuous Rainstorm Weather Process

Using the detection data of ground automatic station, weather radar and ERA5 hourly reanalysis data, this paper analyzes a continuous rainstorm process in Zhangzhou, Fujian province in stages. It is found that there are obvious differences in temperature and humidity field and instability of three kinds of precipitation with different properties in this process. In the first stage, the precipitation had the strongest convective character, which was a warm rainstorm in the high temperature and high humidity environment in the south side of shear, with strong convective instability. The horizontal and vertical distribution of pseudoequivalent potential temperature field (θse) had high-energy tongue, and the upward movement and moisture convergence were more obvious in the heavy precipitation region, accompanied by train effect. In the second stage, the convective instability was weakened, and the precipitation was caused by the southern pressure of the front area, and there were dense θse isolines corresponding to the front area. The third stage is large-scale stratus precipitation caused by the warm cutting of the east side of the vortex. The stratification is stable, and the water vapor, thermal and dynamic conditions are weak and poorly coordinated. The model test shows that CMA-3KM numerical prediction performs best in this process. The accuracy of subjective prediction for convective precipitation in warm area is low, but it has a certain correction ability for frontal and other systematic precipitation.

rainstorm; rainstorm in warm area; pseudo equivalent potential temperature; comparative analysis

P45; P46

A

1008-1151(2022)04-0048-04

2022-01-18

漳州市氣象科學(xué)研究課題（2021001）；閩西南區(qū)域協(xié)同發(fā)展氣象科技專項(xiàng)課題（2020MXN08）。

程晶晶（1994－），女，安徽黃山人，福建省漳州市氣象局助理工程師，研究方向?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)與預(yù)警。