一次強雷暴天氣過程分析和數(shù)值預(yù)報模式檢驗

程巍 張智超

【摘 要】文章利用常規(guī)的天氣圖和雷達圖分析2015年5月16日福州長樂國際機場較長時間雷暴和暴雨過程的成因，并結(jié)合面向公眾系統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報模式探討其對強對流天氣預(yù)報的可行性。分析結(jié)果表明，此次強對流天氣過程為地面冷空氣南下與福建中部高溫高濕的暖氣團交匯而誘發(fā)，數(shù)值預(yù)報對此次大范圍暴雨和強對流的發(fā)展過程有很好的反映，對降水中心落區(qū)預(yù)報略微偏北，在實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合雷達徑向速度、區(qū)域自動站數(shù)據(jù)等實時資料訂正暴雨落區(qū)。

【關(guān)鍵詞】強雷暴；數(shù)值預(yù)報；預(yù)報檢驗

【中圖分類號】P458.2 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）01-0093-04

0 引言

2015年5月16日福州遭遇強對流天氣，上午烈日炎炎，午后普降暴雨，閩侯、福州金山等地出現(xiàn)強雷暴并伴有冰雹，福州市區(qū)多路段出現(xiàn)內(nèi)澇，福州長樂機場亦受雷暴和暴雨影響，造成大面積航班備降和返航。本文利用天氣圖和雷達圖分析此次大范圍暴雨的成因，并結(jié)合面向公眾系統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)探討其對強對流天氣預(yù)報的可行性。

1 長樂機場天氣實況和雷達資料分析

1.1 天氣實況

2015年5月16日午后06：58（UTC時間，下同），福州長樂機場開始出現(xiàn)小陣雨，之后間歇性出現(xiàn)中到大陣雨，降水一直持續(xù)到17日凌晨；07：12機場開始間歇性出現(xiàn)雷暴天氣，至夜里12：43逐漸減弱消散。統(tǒng)計16日長樂機場日降水量57.9 mm，達到暴雨等級，09～10時單小時降水達20.9 mm，雷暴總時間段接近4 h（如圖1所示）。

1.2 雷達資料分析

選取當(dāng)日幾個典型時間點，分析此次雷暴發(fā)生發(fā)展及消散的演變過程。由圖2可見，上午03：40，福建北部有較強雨帶，福州地區(qū)天氣狀況良好，永泰和閩清一帶，局地有對流云團開始生成，僅僅不到1 h，04：33，閩清、永泰地區(qū)對流云團已發(fā)展成片并向東北偏東方向移動，此時天氣雷達的最強反射率達到60DBZ，至04：56，對流進一步增強，閩侯附近雷達回波反射率達到70DBZ，查看雷達產(chǎn)品的“垂直積分液體含水量”分布看到，04：56～05：38期間閩侯南部到福州市區(qū)數(shù)值均大于50 kg/m2，最大值達66 kg/m2，閩侯出現(xiàn)強對流伴冰雹的惡劣天氣。隨著強對流云團的緩慢東移，強雨帶橫掃整個福州地區(qū)，至06：43此次強對流云團開始有減弱的趨勢。

但緊接著，長樂西南局地也開始有新的對流云團生成向東偏北方向移動，07：13左右移到機場上空，機場開始出現(xiàn)雷暴天氣，至08：48，機場上空對流云團減弱，雷暴暫時中止。09：11機場西南生成的對流云再次移至機場上空，直至10：48，機場均被強對流回波覆蓋（最強達60DBZ），期間持續(xù)雷暴并伴有中到大陣雨。長樂西南不斷有對流云團生成發(fā)展并向機場方向移動，11：57～12：43機場再次出現(xiàn)雷暴天氣。之后對流減弱，機場轉(zhuǎn)為小陣雨天氣。

此次雷暴過程為兩次對流云團生成、發(fā)展、消散。一次為03：40左右開始閩清和永泰一帶發(fā)展的對流云團與其西側(cè)的對流單體合并加強為超級對流云團，影響閩侯、福州和長樂等地區(qū)，此次對流強盛，局地伴有冰雹現(xiàn)象；另一次為長樂西南側(cè)多個對流單體發(fā)展東移，主要影響福州西南地區(qū)和長樂機場，由于不斷有對流單體生成，持續(xù)時間較長，對機場的影響更大。

2 天氣形勢分析

5月14～15日，地面西南倒槽發(fā)展東伸，靜止鋒在長江流域一線，高空西南急流發(fā)展并建立，福建地區(qū)受此影響，出現(xiàn)濕熱天氣，多地出現(xiàn)了35 ℃高溫天氣。

分析16日天氣圖（如圖3所示）看出，00時地面鋒面位于福建北部地區(qū)，冷空氣前沿南壓至浙閩交界處，浙江南部受冷空氣影響溫度已降至21～22 ℃，福州、廈門站在00時溫度高達28 ℃和27 ℃。高空850 hPa切變線處贛中到桂南一線，廣東到福建南部受強盛的西南急流控制，但邵武至福州西南風(fēng)僅4～6 m/s，福建中部存在明顯的西南風(fēng)速輻合，500 hPa東亞大槽槽底在北緯30°附近，福建地區(qū)處副高邊緣，588線與東南沿海線基本重合，福建地區(qū)受較強的西南急流控制。

到夜里12時，500 hPa南支槽略有東移，副高位置變化不明顯，福建地區(qū)中高層仍為西南氣流影響，850hPa切變線東移南壓至福建中部，地面鋒面明顯南壓到達福建中南部地區(qū)，隨著冷空氣從海上南下至福建中部，福州站點氣溫此降至21 ℃。

綜合分析16日天氣形勢，福建上午處于地面鋒面南側(cè)的暖區(qū)，為高濕高溫的不穩(wěn)定區(qū)域。中午前后時段，受低層切變東移南壓影響，地面鋒面南壓迅速，冷暖空氣在福建中東部交匯，誘發(fā)了強對流天氣，局部對流發(fā)展旺盛產(chǎn)生了冰雹。福建中部輻合明顯，不斷有對流云團生成發(fā)展向東北方向移動，造成了福州西南和長樂機場長時間間歇性的強對流天氣。隨著夜間輻射能量減弱，對流逐漸減弱為降水為主，冷空氣南下，西南氣流減弱后，降水逐漸停止。

3 數(shù)值預(yù)報模式分析

選用互聯(lián)網(wǎng)上公開提供的中國海洋大學(xué)“區(qū)域大氣與海洋短期實時預(yù)報系統(tǒng)（V8.0）”的WRF數(shù)值模擬的部分輸出氣象參數(shù)，探討數(shù)值模式對強對流天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性。此次預(yù)報初始場為16日00時，采用兩重嵌套，粗細網(wǎng)格水平分辨率為30 km和10 km，微物理過程方案為LIN方案，長波輻射為rrtm方案，短波輻射為Dudhia方案，陸面過程為Noah方案，邊界層為YSU方案[1]。

3.1 地面CAPE值

CAPE即對流有效位能，反映對流上升運動可能發(fā)展的最大強度，根據(jù)CAPE值的大小，可以判斷氣塊上升運動所具有的不穩(wěn)定能量[2]。由16日03～12時地面CAPE分布（圖略）可以看到，03時福建地區(qū)地面CAPE值為500～900，此時為輕微不穩(wěn)定[3]；06和09時CAPE明顯上升，達1 000～1 500，不穩(wěn)定程度明顯加強，且不穩(wěn)定區(qū)東移南壓，12時CAPE又下降至輕微不穩(wěn)定程度。

依據(jù)葉磊等人的《華東地區(qū)雷暴天氣對流有效位能統(tǒng)計分析》中“華東南部地區(qū)5月份雷暴發(fā)生時CAPE值中位數(shù)約為1 100 J/kg”，可以看出，16日午后06～09時對流能量十分有利于對流天氣的發(fā)生[4]。

3.2 垂直速度

強對流發(fā)生的條件需要有持續(xù)強盛的上升氣流。分析數(shù)值模式06和09時850 hPa、700 hPa和500 hPa三個層次的垂直速度分布（如圖4所示）可以看到，06時福建內(nèi)陸地區(qū)垂直上升運動旺盛，垂直速度最大達50～100 cm/s，高空三層垂直速度的最大值均出現(xiàn)在閩西北地區(qū)；到09時上升運動區(qū)域明顯東移，垂直速度的大值中心移至福建中東部沿海。由此可以看出，06～09時，福建內(nèi)陸地區(qū)存在大范圍強盛的上升運動，并隨著高空槽的東移而向福建沿海東移，因此福建地區(qū)將會出現(xiàn)一次自北向南、從西往東的強降水過程。

3.3 流場和比濕

源源不斷的水汽輸送是大范圍暴雨發(fā)生和持續(xù)的必要條件。16日機場高空受南支槽前和副高西側(cè)強盛的西南急流控制，850 hPa福建地區(qū)比濕達13～16 g/kg，925 hPa達16～18 g/kg（如圖5所示），水汽含量非常大，而根據(jù)強對流發(fā)生的水汽條件來看，低層比濕大于14 g/kg即十分有利于強對流的發(fā)展[5-6]。隨著高空槽和切變位置的東移南壓，混合比極大值區(qū)域也隨之南壓，受西南急流影響，不斷有水汽輸送補充，整個福建地區(qū)維持高濕條件。由此看出，福建上空大范圍高濕層深厚且持續(xù)，強盛的西南急流保證了水汽不斷輸送，大范圍降水的水汽條件良好。

3.4 實況和數(shù)值模式的降水量對比

對比分析16日00～24時實況降水量和數(shù)值模式的降水量（如圖6所示）看出，此次數(shù)值模式較好地指示了福建中北部地區(qū)強降水過程，在降水中心的預(yù)報上略有偏差：實況中降水中心位于福州到閩侯地區(qū)，數(shù)值預(yù)報的降水中心在閩西北地區(qū)。在24 h累積降水量的預(yù)報上，降水量偏大，實況中最大降水量等級在70～140 mm，預(yù)報降水量為100～200 mm。分析數(shù)值預(yù)報的3小時降水量（圖略）看出，預(yù)報降水集中在06～12時，而實況強降水時段在04～10時，對強降水的時段預(yù)報偏遲2～3 h。

3.5 結(jié)論

通過分析數(shù)值模式輸出的地面CAPE、垂直速度和比濕等參數(shù)，可以看出16日福建地區(qū)不穩(wěn)定能量高，濕度大且濕層深厚，高空存在大范圍明顯的上升運動，綜合以上條件很利于大范圍強對流天氣的發(fā)生和維持，由此可斷定16日午后福建地區(qū)將出現(xiàn)一次自北向南、從西往東的大范圍降水和強對流過程。

對比實況天氣情況，最強降水發(fā)生于福州閩侯一帶，而數(shù)值預(yù)報顯示降水中心位于古田建甌一帶。分析造成誤差的原因如下：數(shù)值預(yù)報模式預(yù)報此次強降水主要集中在切變和西南急流之間即閩北地區(qū)，而實況中淺層福建中北部西南風(fēng)4～6 m/s，未達急流強度，由于受高空槽東移和低層切變南壓影響，中午前后中高空有少量冷空氣擴散南下（長樂雷達站風(fēng)廓線顯示04：30～05：00時段內(nèi)6 km以上高空西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)），地面冷空氣也比預(yù)期強，南下擴散到了福州以南，所以最大降水出現(xiàn)在福州地區(qū)。

綜上分析，面向公眾的“區(qū)域大氣與海洋短期實時預(yù)報系統(tǒng)（V8.0）”數(shù)值模擬對此次自北向南的大范圍暴雨過程有很好的指示，但對降水中心落區(qū)的預(yù)報略微偏北，降水強度稍微偏大，在實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合雷達徑向速度、區(qū)域自動站數(shù)據(jù)等實時資料訂正暴雨落區(qū)和強度。

4 小結(jié)

5月16日，福建午前處于地面鋒面南側(cè)的暖區(qū)，高空西南氣流旺盛，午后受低層切變東移南壓和地面鋒面南壓影響，福建地區(qū)出現(xiàn)自北向南、從西往東的大范圍降水過程，冷暖空氣在福建中東部交匯，誘發(fā)了強對流天氣，局部對流發(fā)展旺盛產(chǎn)生了冰雹。結(jié)合數(shù)值預(yù)報的地面CAPE值、垂直速度和比濕的分布，可以看出在午后福建西北到中東部有一次強對流發(fā)展的過程；對比數(shù)值預(yù)報和實況的降水量看出，數(shù)值預(yù)報對此次大范圍暴雨過程有很好的指示，但對降水中心落區(qū)的預(yù)報略微偏北，降水強度稍微偏大，在實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合雷達徑向速度、區(qū)域自動站數(shù)據(jù)等實時資料訂正暴雨落區(qū)和強度。

參 考 文 獻

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[2]劉健文，郭虎，李耀東.天氣分析預(yù)報物理量計算基礎(chǔ)[M].北京：氣象出版社，2005.

[3]慶鋒，莊子波.飛行氣象及應(yīng)用[M].北京：中國民航出版社，2016.

[4]葉磊，張梅，趙定池，等.華東地區(qū)雷暴天氣對流有效位能統(tǒng)計分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（31）：160-162，285.

[5]劉峰，放淑珍，林鍺，等.影響廣州白云機場的一次強對流天氣過程[J].廣東氣象，2008，30（3）：17-20.

[6]鄭炳智，吳風(fēng)波，黃奕銘.2014年5月17日廣東強對流天氣過程分析[J].廣東氣象，20l5，37（1）：10-14.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]