石 娟，鄭 艷，吳 俞

（1.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，海南 ?？?570203；2.海南省氣象臺，海南 ?？?570203）

海南島是華南暴雨多發(fā)地區(qū)，雨季時間跨度大，從每年5月持續(xù)到10月［1］.暴雨往往引發(fā)局部地質(zhì)災(zāi)害，城市內(nèi)澇和泥石流等災(zāi)害.海南島的非臺極端暴雨多發(fā)生在秋季［2-5］，一般和熱帶輻合帶有關(guān)，同時受海南島東岸特殊地形影響，強(qiáng)降水中心多集中在東部地區(qū).影響海南島春季的災(zāi)害性天氣一般是強(qiáng)對流伴隨的冰雹，龍卷，雷雨大風(fēng)，短時強(qiáng)降水等［6］，如2016 年4 月11 日凌晨海南島西北部近海的雷暴大風(fēng)造成儋州市北部附近海域人員傷亡.4～6 月為華南前汛期，華南前汛期的暴雨，多與南下冷空氣活動有關(guān)［7-9］.也有一類降水不伴隨鋒面或其他明顯天氣系統(tǒng)，稱之為暖區(qū)暴雨［10］，暖區(qū)暴雨具有突發(fā)性強(qiáng)，小時雨強(qiáng)大等特點，多和中小尺度系統(tǒng)的演變有關(guān).海南島春末夏初的極端暴雨發(fā)生頻率相對較低，2022年4月30日夜間至2022年5月1日白天，海南島東半部大部分地區(qū)出現(xiàn)100 mm 以上的大暴雨天氣過程，局地出現(xiàn)200 mm以上的特大暴雨，降水時間段集中.各家數(shù)值模式對此次暴雨過程的天氣形勢和暴雨落區(qū)雖然有一定的預(yù)報能力，但是對4 月30 日夜間海南島東部的局地極端暴雨和5 月1 日白天北部的大暴雨預(yù)報均比實況明顯偏小，預(yù)報員在發(fā)暴雨預(yù)警的時候也未能預(yù)判出降水將達(dá)到紅色暴雨預(yù)警級別，因此有必要深入分析此次極端降水和預(yù)報偏差的原因，總結(jié)預(yù)報服務(wù)的經(jīng)驗和不足，為今后精準(zhǔn)預(yù)報提供支撐.

本文利用海南島區(qū)域自動站資料、衛(wèi)星TBB 資料、海南雷達(dá)產(chǎn)品資料和歐洲中心ERA5 再分析資料，從環(huán)流形勢、降水分布與變化、系統(tǒng)演變、模式預(yù)報偏差等方面對2022年4月30日夜間至2022年5月1日白天的暴雨過程進(jìn)行分析.

1 資料

本文采用的資料包括：①海南島高分辨率地面自動站資料（包括自動站小時雨量和風(fēng)場資料）；②間隔為6 min的?？诘貐^(qū)雷達(dá)組合反射率因子資料；③葵花8衛(wèi)星資料；④歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心（ECMWF）時間間隔為1 h、空間分辨率為0.25°×0.25°的第五代全球再分析資料（ERA5資料）和相同空間分辨率、時間間隔為6 h的歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）和中國氣象局廣州數(shù)值預(yù)報模式資料（CMA-GD）.

2 降水實況

2022 年4月30日20時至2022年5月1日20時，受冷空氣和低層切變線等系統(tǒng)共同影響，海南島東半部地區(qū)出現(xiàn)大暴雨過程，大暴雨帶主要位于文昌、定安、瓊海和萬寧地區(qū).瓊海和萬寧兩個市縣共15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量超過200 mm，其中4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量超過300 mm，最大日降水量中心為瓊海市博鰲鎮(zhèn)349.2 mm，定安、瓊海、萬寧三個國家基本站日降水量突破同期歷史極值，降水落區(qū)呈東北-西南向分布（圖1a）.此次降水過程分為兩個階段，第一階段從5月1日0時開始，1日09時強(qiáng)降水趨于結(jié)束.第二階段從1日12時開始，15 時趨于結(jié)束.分別從兩個時段海南島累積降水分布圖（圖1b、圖1c）可看出，第一階段的降水落區(qū)主要分布海南島東部的瓊海和萬寧的沿海地區(qū)，降水極大值位于瓊海博鰲鎮(zhèn)，累積雨量達(dá)233.3 mm.第二階段的降水落區(qū)位于海口的南部和定安的北部地區(qū)，北部的定安縣城3小時累積雨量達(dá)107.8 mm.

圖1 海南島不同時間段累積降水量分布（a、b、c）和部分站點逐小時降水直方圖（d）

從此次過程強(qiáng)降水中心的逐時降雨直方圖（圖1d）可以發(fā)現(xiàn)，第一階段的降水具有小時雨強(qiáng)強(qiáng)，強(qiáng)降水范圍大的特點.第二階段強(qiáng)降水中心主要位于定安地區(qū)，14時與15時兩個小時的小時雨強(qiáng)均超過40 mm.

3 強(qiáng)降水成因及模式預(yù)報偏差分析

3.1 環(huán)流背景和大氣層結(jié)條件分析暴雨發(fā)生期間的環(huán)流形勢，從圖2 可以看出，4 月30 日23 時（圖2a），副熱帶高壓加強(qiáng)西伸，海南島受副高西南側(cè)的東南氣流影響，鋒面位于華南沿海，中南半島東部有低渦發(fā)展，海南島東部和南部的水汽通量大值區(qū)在15～18 g·（cm·hPa·s）-1.5月1日04時（圖2b），925 hPa上，輻合帶從12° N 北抬至15° N，海南島東部海面的偏東氣流風(fēng)速加大，在島上有東南和偏東氣流的輻合.5月1 日11 時（圖2c），海南島北部等壓線梯度明顯加大，925 hPa 出現(xiàn)東北氣流，最大風(fēng)速達(dá)到22 m·s-1，另一方面東北急流伴隨著較好的水汽條件，水汽通量中心達(dá)30 g·（cm·hPa·s）-1，將南海北部的水汽輸送至海南島東北部地區(qū).5 月1 日15 時（圖2d），925 hPa 上，海南島上有明顯的東北和東南氣流的輻合，且北部維持水汽通量大值區(qū).低層輻合和較好的水汽輸送為此次暴雨提供有利的動力和水汽條件.

圖2 500 hPa高度場、925風(fēng)場和水汽通量疊加

從?？诘奶娇請D來看，4 月30 日20 時（圖3a）和5 月1 日08 時（圖3b）兩個時刻，兩個時刻抬升凝結(jié)高度（LCL）較低，暖云層厚度到600 hPa 附近，說明可降水量高，降水效率高，溫度廓線和濕絕熱線從低層到中高層都非常接近，形狀呈狹長形，說明其整層濕度較大，K 指數(shù)達(dá)34 和36.9，30 日20 時對流有效位能（CAPE）為1 171 J·kg-1，對流抑制能（CIN）僅為0 J·kg-1，對短時強(qiáng)降水發(fā)生十分有利.低層0～3 km 垂直風(fēng)切變?yōu)? m·s-1，中層0～6 km垂直風(fēng)切變明顯增大至10 m·s-1，有利于對流的組織和發(fā)展［11］.

圖3 ?？诘貐^(qū)T-logP圖

3.2 強(qiáng)降水系統(tǒng)發(fā)展演變

3.2.1 對流系統(tǒng)演變特征分析?？诶走_(dá)資料和衛(wèi)星TBB 演變發(fā)展（圖4）可知，5 月1 日02 時（圖4a），對流云團(tuán)在海南島東部海面發(fā)展，沿著海岸線向東北方向移動，云頂亮溫最低中心達(dá)212 K.02～03時強(qiáng)回波主要停留在萬寧地區(qū)，04 時開始向北部移動（圖4b），04～06 時短時強(qiáng)降水落區(qū)主要分布在海南島的瓊海地區(qū).5 月1 日白天海南島北部強(qiáng)降水的中尺度對流系統(tǒng)前期表現(xiàn)為東北西南走向的帶狀對流伴有列車效應(yīng)，后期表現(xiàn)為準(zhǔn)靜止塊狀對流，對流持續(xù)時間長達(dá)4 h.

圖4 雷達(dá)組合反射率因子和葵花-8衛(wèi)星紅外云頂亮溫演變圖

1日11時，海南島定安北部地區(qū)對流單體A開始發(fā)展，隨后，海南島西南部地區(qū)的對流開始活躍，沿著700 hPa 西南向引導(dǎo)氣流不停地向東北部地區(qū)移動，發(fā)展成近西南—東北走向的對流帶，對流回波垂直剖面顯示≥45 dBZ強(qiáng)回波集中在0o層以下（圖略），呈現(xiàn)低質(zhì)心暖云特征，降水效率高.

1日13時（圖4d），在定安西南部局地觸發(fā)新的對流單體B，14時（圖4e），云頂亮溫最低中心達(dá)220 K，對流單體B 向東北移動，和A 合并成C，云團(tuán)在定安縣城發(fā)展增強(qiáng)；造成14 時、15 時定安縣城小時雨量分別達(dá)48.1 mm 和43.9 mm.16時之后，隨著低層切變線減弱，云團(tuán)減弱，云頂亮溫升高，海南島北部的降水趨于減弱結(jié)束.可見，海南島北部的暴雨主要由中尺度對流云團(tuán)連續(xù)影響造成，“列車效應(yīng)”顯著.

3.2.2 渦旋演變特征分析地面自動觀測站風(fēng)場可知，5 月1 日01 至5 月1 日03 時（圖5a、b），萬寧地區(qū)東部沿海的測站風(fēng)速明顯加大，最大風(fēng)速達(dá)22 m·s-1，萬寧地區(qū)西部海拔高，東部為平原，處于迎風(fēng)坡，地形可使中低層暖濕氣流在迎風(fēng)坡聚集，使暴雨有增幅作用［12］.當(dāng)東北風(fēng)朝著萬寧的喇叭口地形灌進(jìn)時，由于地形的收縮，引起輻合上升運動加強(qiáng)，同時，海岸線附近，由于海陸摩擦的差別，沿海岸造成了輻合線，該輻合線長期維持，對流得以組織并發(fā)展，造成強(qiáng)降水的發(fā)生［13］.5 月1 日12 時（圖5c），受南下冷空氣影響，在海南島定安的西部地區(qū)已經(jīng)開始出現(xiàn)偏北風(fēng)和西南風(fēng)的切變，隨后隨著東北氣流的加大，切變線向東南方向推進(jìn)，定安地區(qū)北部轉(zhuǎn)成偏北氣流（圖5d），引導(dǎo)地面冷池氣體繼續(xù)向南入侵，中低空西南暖濕氣流持續(xù)加大疊加在冷池之上，促使風(fēng)速輻合輻散區(qū)繼續(xù)發(fā)展，因而列車效應(yīng)得到長時間維持.同時定安西部地區(qū)風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，東部為東南氣流，三支氣流在定安地區(qū)形成了中尺度渦旋.慕建利等［14］對2005年6月一次華南特大持續(xù)性暴雨過程中的中尺度擾動進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降水主要發(fā)生在地面靜止鋒、鋒前暖區(qū)的中尺度切變線和中尺度渦旋附近.許愛華等［15］研究表明，邊界層輻合線的動力擾動往往是強(qiáng)對流天氣的重要觸發(fā)者.此次定安地區(qū)對流主要位于中尺度渦旋附近，顯然也和中尺度渦旋伴隨的輻合有密切關(guān)系.

圖5 海南島自動站地面風(fēng)場

3.3 關(guān)鍵物理量診斷分析

3.3.1 異常度分析文中用標(biāo)準(zhǔn)化距平進(jìn)行異常氣象因子分析，定義物理量x的氣候平均標(biāo)準(zhǔn)差σ為：

式中，F(xiàn)為某一變量在一個時刻的值，M為1991—2020年30 a同期氣候平均值，則標(biāo)準(zhǔn)化距平I為

標(biāo)準(zhǔn)化距平可以表示觀測樣本與氣候平均狀況的偏差程度［16］.通常認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)化距平超出±0.5σ為較為異常，±2.5σ以上可用于判定極端天氣實踐中因子異常特征.海南島自動站降水資料統(tǒng)計顯示，5月1日01時至5月1日05時，東部的瓊海和萬寧地區(qū)共有17個自動站累積降水達(dá)100 mm以上，最大出現(xiàn)在萬寧山根鎮(zhèn)為160.6 mm.基于ERA5逐小時資料（空間分辨率0.25°×0.25°），計算了整層大氣可降水量和水汽通量的異常度.結(jié)果顯示，5月1日01時至5月1日05時，海南島整層大氣可降水量整體高于50 mm，標(biāo)準(zhǔn)化距平大于0.5σ（圖6a），環(huán)境水汽條件非常有利于強(qiáng)降水；850 hPa 上，海南島東南部海面有明顯的高水汽通量區(qū)（圖6b），中心值達(dá)20×10-6g·(cm·hPa·s)-1，標(biāo)準(zhǔn)化正距平達(dá)2σ以上，有利于形成極端強(qiáng)降水.

圖6 2022年5月1日01時至05時疊加標(biāo)準(zhǔn)化距平圖

3.3.2 物理量演變特征分析4 月30 日夜間萬寧香車水庫（圖7a）和5 月1 日白天定安（圖7b）暴雨中心的風(fēng)場及垂直速度隨高度時間剖面圖（圖中時間為北京時），4月30日20時至5月1日0時和5月1日04時至5 月1 日08 時分別有強(qiáng)垂直上升運動，700 hPa 到300 hPa 出現(xiàn)東南風(fēng)—西南風(fēng)的暖式切變，600 hPa 以上為西南風(fēng)輸送，最強(qiáng)達(dá)10 m·s-1.5 月1 日14 時，低層的風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，隨后，風(fēng)速明顯加大，并向上延伸至800 hPa附近，700 hPa以上為西南氣流輸送，風(fēng)速最大達(dá)12 m·s-1，13-16時，從低層到高層300 hPa附近有強(qiáng)烈的上升運動，15時最強(qiáng)中心達(dá)-3 Pa·s-1，為暴雨提供了有利的動力條件.

圖7 風(fēng)場和垂直速度高度-時間演變和風(fēng)場、假相當(dāng)位溫、散度（陰影區(qū)）剖面圖

沿海南島西北-東南向過暴雨落區(qū)做剖面，結(jié)果顯示，5 月1 日12 時（圖7c），定安（19.6°N，110.3°E）西側(cè)1 000—900 hPa開始吹偏北風(fēng)，偏北風(fēng)分量中心達(dá)16 m·s-1，其東側(cè)為東南氣流，說明冷空氣還未影響定安地區(qū)，而冷空氣經(jīng)過之處低層有較強(qiáng)的輻合中心，900—700 hPa有較強(qiáng)的輻散.5月1日15時（圖7d），110.4°E以西低層均轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，風(fēng)速繼續(xù)加大，定安地區(qū)附近的輻合中心向上延伸至950 hP附近，800—600 hPa 的輻散也有所加強(qiáng).從熱力條件分析可知，110.3°E 以東的地區(qū)900 hPa 以下大氣中的θse均大于348 K，中心值達(dá)356 K，從地面到600 hPa，-?θse/?p＜0，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，在110.3° E 以西800 hPa 以下大氣有近似垂直的等θse線鋒區(qū)，說明此時冷空氣在此處堆積，在東北風(fēng)的引導(dǎo)下，不斷向海南島東部地區(qū)傳輸，冷暖氣流在北部地區(qū)交匯促使定安14 h—15 h出現(xiàn)43.9 mm·h-1的短時強(qiáng)降水.

3.4 模式預(yù)報偏差分析目前，數(shù)值模式對大尺度降水主體落區(qū)的預(yù)報能力提高較快，但對中小尺度降水的預(yù)報仍不理想.分析業(yè)務(wù)預(yù)報中參考權(quán)重較大的EC模式對此次暴雨過程的預(yù)報，發(fā)現(xiàn)其對暴雨的落區(qū)預(yù)報趨勢基本正確，但是對降水預(yù)報量級比實況明顯偏小.ECMWF確定性預(yù)報和CMA-GD 中尺度模式對暴雨落區(qū)預(yù)報分歧較大，確定性預(yù)報48 h 預(yù)報海南島東部局地有暴雨（圖8a），而中尺度模式48 h 預(yù)報暴雨落區(qū)出現(xiàn)在海南島西半部地區(qū)（圖8b），預(yù)報員根據(jù)天氣形勢，對模式預(yù)報做出了調(diào)整，48 h預(yù)報海南島北部和東部局地有50～100 mm 左右的降水（圖8c），相對實況較為接近，但是對暴雨極大值中心缺乏預(yù)報能力.EC 確定性預(yù)報30 日20 時起報的未來24 h 降水與提前48 h 起報的變化不大（圖8d），而中尺度模式做出了較大調(diào)整（圖8e），EC 確定性預(yù)報對海南島的降水預(yù)報趨勢有一定的指導(dǎo)意義，但其往往預(yù)報暴雨量級偏小，預(yù)報員根據(jù)經(jīng)驗對模式預(yù)報進(jìn)行了訂正，50 mm 以上的暴雨落區(qū)與實況基本接近（圖8f），但是對100 mm以上的降水同樣缺乏預(yù)報能力.

圖8 不同模式48 h（a-c）和24 h（d-f）降水預(yù)報與實際觀測情況比較圖

本文主要針對第二階段冷空氣影響的強(qiáng)降水的模式預(yù)報性能進(jìn)行分析，ECMWF 模式的預(yù)報降水量級比實況明顯偏小，而CMA-GD 模式4 月30 日20 時起報的預(yù)報效果較好.對比分析發(fā)現(xiàn)，4 月29 日20 時和30 日20 時ECMWF 模式對5 月1 日14 時副熱帶高壓位置的預(yù)報與實況基本一致（圖略），對925 hPa 風(fēng)場預(yù)報偏差較大，從（圖9b）可以看出，5月1日14時，海南島中部有東北—西南走向的倒槽，與實況較為一致，但西北方向的東北急流比實況偏小，其西側(cè)和東南側(cè)的水汽通量也比實況明顯偏小.而CMA-GD模式無論是從急流中心數(shù)值和水汽通量條件來看，與實況均比較接近，但是其預(yù)報的925 hP 的切變線位置比實況略偏東，偏南風(fēng)偏大，預(yù)報出瓊海和萬寧地區(qū)比較大范圍（250～400 mm以上）的降水，比實況偏大.

圖9 2022年5月1日14時925 hPa風(fēng)場疊加水汽通量（a-c）和2022年5月1日08時10 m風(fēng)場（d-f）

從10米風(fēng)場來看，5月1日08時（圖9d），華南沿海到北部灣海面已經(jīng)開始受冷空氣影響，風(fēng)向轉(zhuǎn)為一致的偏北風(fēng)，海南島仍然受東到東南氣流影響，說明此時海南島還未受冷空入侵，而ECMWF 模式4 月30日20時起報的5月1日08時10 m風(fēng)場（圖9e），海南島東北部海面已經(jīng)轉(zhuǎn)為東北氣流，風(fēng)力比實況偏大，并伴隨有明顯的切變線，海南島西部沿海陸地逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，說明ECMWF 模式預(yù)報的冷空氣提前到來，因此熱力條件轉(zhuǎn)差.CMA-GD 模式也預(yù)報出海南島東北部海面開始轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，但是風(fēng)速比ECMWF模式略偏小，值得注意的是CMA-GD 模式在海南島東部沿海存在東北—西南走向的切變線，因此CMA-GD 模式對海南島東部沿海地區(qū)的降水預(yù)報比實況明顯偏大.

4 總結(jié)和討論

本文針對此次暴雨過程從大尺度環(huán)流背景、物理演變特征，模式預(yù)報偏差等方面進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論.本次強(qiáng)降水過程表現(xiàn)為兩個階段，影響系統(tǒng)也有所不同.

（1）第一階段發(fā)生在4月30日夜間，偏東、東南、東北三支氣流在海南島東部地區(qū)有明顯的風(fēng)向、風(fēng)速輻合，水汽條件較氣候平均偏高2 個標(biāo)準(zhǔn)差，地面風(fēng)場上有切變線較長時間的維持，雷達(dá)回波上看回波在海南島東部海面生成沿著東部海岸線移動，形成列車效應(yīng)，具有暖云降水特征，降水效率高，造成了海南島東部局部地區(qū)夜間的降雨量超過了200 mm.

（2）5月1白天海南島受冷空下南下影響，冷暖氣流在海南島東北部地區(qū)交匯，在北部地區(qū)形成東北-西南走向的切變，同時海南島西南部海面有低渦發(fā)展，倒槽和海南島北部的切變線合并加強(qiáng)，維持時間長達(dá)4個小時，其原因和機(jī)理有待進(jìn)一步研究.

（3）實際業(yè)務(wù)中，預(yù)報員比較常用的ECMWF 模式對大的環(huán)流背景和降水趨勢有參考意義，但是其對對流性降水的預(yù)報能力不足，中尺度模式尤其是CMA-GD模式在海南島的極端降水預(yù)報有較好的指示意義，但大暴雨落區(qū)范圍比實況偏大，預(yù)報員需要結(jié)合兩者，并結(jié)合低層風(fēng)場和衛(wèi)星、雷達(dá)等資料對強(qiáng)降水量級進(jìn)行調(diào)整.

在日常天氣預(yù)報中，受限于模式預(yù)報能力，天氣系統(tǒng)本身的多變性，提前24h對極端降水做出準(zhǔn)確的定量預(yù)報是目前面臨的難題.預(yù)報員平時需加強(qiáng)對高分辨率觀測資料和數(shù)值模式的分析應(yīng)用，關(guān)注中尺度輻合線，加強(qiáng)對流系統(tǒng)的短時臨近監(jiān)測預(yù)報，產(chǎn)生極端降水的機(jī)理還需要通過高分辨率數(shù)值模擬實驗來進(jìn)一步論證.