“7.29”廈門局地短時強降水的成因和預(yù)報誤差分析*

張妤晴 張 偉,2 崔夢雪,2 趙玉春,3 陳德花,2

(1．廈門市海峽氣象開放重點實驗室，福建 廈門 361012；2．廈門市氣象臺，福建 廈門 361012；3.福建省災(zāi)害天氣重點實驗室，福建 福州 350007)

1 概述

強對流天氣是常見的氣象災(zāi)害，有時甚至?xí)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生命財產(chǎn)安全造成威脅。而這其中短時強降水引起的暴洪和地質(zhì)災(zāi)害所造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失則在所有氣象災(zāi)害中是最大的[1]。為加強短時強降水的分析和預(yù)報，氣象工作者們從機理、成因、影響系統(tǒng)、數(shù)值模擬等方面進行了大量研究，并取得一定進展[2-5]。例如，鄭媛媛等[6]發(fā)現(xiàn)強對流天氣的發(fā)生發(fā)展與一定的大尺度環(huán)流背景場有關(guān)；田付友等[7]則對我國中東部不同級別短時強降水天氣的環(huán)境物理量分布特征進行分析，得出不同級別短時強降水的必要條件和不同物理量的高概率密度區(qū)間。

然而，夏季局地短時強降水的預(yù)報與分析仍然具有較大的困難和復(fù)雜性。因此，隨著氣象觀測儀器的布設(shè)和探測手段的增強，一些專家學(xué)者開始嘗試利用風(fēng)廓線雷達、多普勒天氣雷達等探測資料，對強對流天氣的臨近預(yù)報與發(fā)展演變進行研究[8-10]。例如，董保舉等[11]分析了風(fēng)廓線雷達產(chǎn)品與暴雨之間的關(guān)系，指出其水平風(fēng)資料可以直觀反映出暴雨過程中的風(fēng)場變化特征，清楚顯示風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)及其變化特點。也有學(xué)者利用多普勒雷達資料進行四維變分，以此討論短時臨近預(yù)報的關(guān)鍵點[12]。伍志方等[13]則將多普勒速度和反射率因子及其導(dǎo)出產(chǎn)品特征進行分型，詳細描述了各種類型多普勒速度特征的特點和分類方法。

近幾年，隨著科技的進一步發(fā)展，依托于S波段雙偏振雷達、X波段相控陣雷達等新型遙感探測技術(shù)和手段的支撐，我國對暴雨監(jiān)測和中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的研究更是增添了不少成果。廣州率先完成4部具有雙線偏振功能的X波段相控陣天氣雷達組網(wǎng)，用以監(jiān)測本地生消的小尺度對流單體、線狀對流系統(tǒng)的強度變化[14]。例如已有的研究中，傅佩玲等人[15]使用了相控陣雷達進行龍卷觀測，發(fā)現(xiàn)相控陣雷達網(wǎng)獲取的高分辨率探測數(shù)據(jù)不僅能觀測到超級單體的發(fā)展過程，還能呈現(xiàn)出龍卷渦旋的演變特征。但相對地，相控陣雷達在局地強降水的監(jiān)測和分析方面的應(yīng)用研究還比較少。為了提高短時臨近預(yù)報預(yù)警水平，廈門市氣象局2020年相繼在翔安、海滄、同安三地布設(shè)X波段雙極化相控陣雷達，并在4月26日首先完成翔安雷達的吊裝。其實，就降水估計的精確度而言，S波段雙偏振雷達相對單偏振雷達已有較大提高[16]，但其最高分辨率僅為250m，體掃周期為6分鐘。而相控陣雷達空間分辨率可達到格點30m×30m，高密度支撐局地雨量準確估計，30秒的時間分辨率則能有效應(yīng)對強對流以及分鐘級降水累積估計。

2020年7月29日，廈門市發(fā)生了一次較明顯的局地性強對流過程，這次過程范圍小、局地性強、短時雨強大，造成集美區(qū)巖內(nèi)村出現(xiàn)短暫停電，部分路段有積水。7月29日20時，廈門市氣象臺變更發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號，也是當(dāng)年發(fā)布的首個暴雨紅色預(yù)警信號，雨情受到市民群眾的廣泛關(guān)注。而歐洲中心細網(wǎng)格、華東模式、GRAPES、日本模式等多家數(shù)值模式和省市兩級預(yù)報員對此次局地短時強降水過程均有明顯的漏報和低估。本文通過對此次局地短時強降水過程的回顧，結(jié)合常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)、美國氣象環(huán)境預(yù)報中心/美國國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的全球再分析資料(FNL)以及風(fēng)廓線雷達、X波段相控陣雷達等新型雷達產(chǎn)品，剖析其成因和預(yù)報誤差的原因，為后續(xù)此類局地短時強降水天氣預(yù)報提供參考。

2 研究資料

本文使用資料如下：區(qū)域自動站資料、NCEP/NCAR FNL再分析資料、micaps探空資料、閃電觀測資料、風(fēng)廓線雷達、X波段相控陣天氣雷達、EC細網(wǎng)格和華東模式預(yù)報資料等。其中，使用的自動站及觀測設(shè)備分布圖如圖1所示。

圖1 廈門自動站及觀測設(shè)備分布

3 過程概況

7月29日廈門市的局地性強對流過程，以短時強降水、雷電為主，并伴有 6-7級雷雨大風(fēng)。統(tǒng)計29日14時-22時廈門市累計雨量(圖2)，共有14個站點達到暴雨及以上量級，其中最大雨量出現(xiàn)在集美區(qū)巖內(nèi)村101.4mm。過程中各區(qū)均出現(xiàn)了降水，但降水分布不均勻，強降水主要集中在同安區(qū)和集美區(qū)，平均雨量分別為23.4mm和27.3mm。對比全市出現(xiàn)較大降水的站點，排名前三的站點均出現(xiàn)在集美區(qū)，而前十五名站點中，同安區(qū)有8個，集美區(qū)有7個。由此可見，雖然同安區(qū)降水強度略小于集美區(qū)，強降水范圍卻更大些。

圖2 7月29日14-22時廈門累計降水實況

實況顯示有21個站點1小時降水極值超過20mm，最大為19～20時集美區(qū)巖內(nèi)村61mm/h，最大5分鐘雨量達到15.7mm。詳細分析兩個區(qū)域較大降水站點的逐時降水動態(tài)，以集美區(qū)巖內(nèi)村及同安區(qū)小坪村為例(圖3)，發(fā)現(xiàn)短時強降水出現(xiàn)的時段也存在差異，其中集美區(qū)小時雨強更大，降水主要集中在傍晚到夜間，同安區(qū)則降水持續(xù)時間更長，較強降水分別出現(xiàn)在午后和傍晚兩個階段。

圖3 29日小坪村和巖內(nèi)村5分鐘(柱狀)和滑動逐小時(紅線)雨量動態(tài)圖

并且，29日全市中北部出現(xiàn)了雷電活動(圖4a)，多出現(xiàn)在傍晚，其中集美區(qū)和同安區(qū)北部尤為密集，較強閃電集中在集美區(qū)及兩區(qū)交界處。過程出現(xiàn)大風(fēng)較弱，廈門市內(nèi)有11個站點出現(xiàn)6級及以上大風(fēng)(圖4b)，過程極大風(fēng)速出現(xiàn)在同安區(qū)白交祠村17m/s(7級，ENE)。

圖4 29日雷電和瞬時極大風(fēng)分布圖

4 天氣形勢分析

7月29日08時(圖略)，200hPa福建省處于偏北氣流控制，福建內(nèi)陸多為弱輻合，沿海出現(xiàn)弱輻散。500hpa高緯地區(qū)為兩槽一脊形勢，副熱帶高壓西伸至兩廣交界，控制華南東部，700hPa到925hPa均為東北氣流影響。此時并未出現(xiàn)明顯有利于降水的天氣形勢。

到了20時(圖5)，200hPa福建大部均轉(zhuǎn)為輻散場，輻散中心位于廈門北側(cè)。500hPa副高繼續(xù)西伸北抬，588線控制整個華南地區(qū)，700hPa偏東氣流加強，850hPa臺灣海峽中部有低渦出現(xiàn)，廈門由沿海到內(nèi)陸為東北轉(zhuǎn)偏東氣流，并伴有風(fēng)速輻合。低層偏東氣流加強是造成降水比預(yù)報偏大的因素之一。850hPa廈門北側(cè)存在明顯的假相當(dāng)位溫密集帶，表明在850hPa存在鋒區(qū)，并且比濕達到14g/kg，K指數(shù)大于38，這些轉(zhuǎn)變都有利于短時強降水的發(fā)展。

圖5 29日20時200hPa風(fēng)場和散度、500 hPa高度場(等值線)和風(fēng)場；750hPa風(fēng)場和850hPa風(fēng)場、假相當(dāng)位溫和比濕

5 物理量診斷分析

5.1 水汽條件

從850hpa水汽通量和水汽通量散度場疊加圖上看， 29日08時(圖6)廈門上空水汽條件一般，水汽通量及水汽通量輻合均較小。到了20時，廈門處于水汽通量大值區(qū)，此時的水汽通量散度負值中心位于廈門上空及北側(cè)，水汽條件明顯加強。水汽的變化與降水時間匹配較好，前期水汽條件較差也是當(dāng)天午后到夜間的局地強降水被低估的原因之一。

(a)08時

5.2 熱力條件

分析廈門站的T-lnp圖(圖7)可以發(fā)現(xiàn)，其反映的環(huán)境場特征有以下特點：29日08時，近地面層到700hPa條件不穩(wěn)定特征明顯，自由對流高度較低，對流有效位能適當(dāng)；但整層相對濕度較小，僅在近地面水汽接近飽和；中低層風(fēng)速都較小，850hPa以下風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，有一定強度的垂直風(fēng)切變。29日20時，環(huán)境場特征趨向有利，濕度明顯增大，近地面到600hPa水汽接近飽和，自由對流高度更低，仍有較強的對流有效位能。

(a)08時 (b)20時圖7 29日探空曲線圖

表1是廈門站29日08時、20時實況以及EC預(yù)報14時的對流參數(shù)和特征高度。可以發(fā)現(xiàn)，08時對流層中低層的熱力狀態(tài)較為穩(wěn)定，K值僅有28.8，SI為2.16，A為3.9，除CAPE值達到1305.2 J/kg 較適當(dāng)以外，對流條件并不理想；午后預(yù)報的大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定，K值達到36.1，SI轉(zhuǎn)為負值，A為8.9；到了20時前后，熱力不穩(wěn)定明顯，K值增大到38.4，SI為-2.17，A則增大到14.9。

表1 廈門站29日08時、14時、20時對流參數(shù)和特征高度

此外，對比發(fā)現(xiàn)，整層比濕積分(IQ)也有明顯增大，20時已大于6000g/kg，梁維亮等[17]曾發(fā)現(xiàn)IQ和K的值越大，則越有利于雷暴天氣出現(xiàn)。而出現(xiàn)降水時的T850-T500略大于22.5°C，溫度直減率大，構(gòu)成層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)，也有利于雷暴大風(fēng)的發(fā)生。

中低層較為深厚的水汽飽和層、強熱力不穩(wěn)定、一定強度的風(fēng)向垂直切變以及較低的自由對流高度等特征有利于脈沖風(fēng)暴的發(fā)展，引發(fā)濕下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生[18]。這些都為本次局地短時強降水和雷暴大風(fēng)的形成提供了水汽條件和熱力、動力不穩(wěn)定條件。

5.3 動力條件

29日08時200hPa散度場沿海為正值(圖略)，低層850hpa為輻合區(qū)，廈門上空為高層弱輻散低層輻合的高低空配置；20時廈門島外上空200hPa出現(xiàn)強輻散中心，500hPa垂直速度場上為負速度中心，位置與高層輻散中心對應(yīng)較好，并且低層850hPa也出現(xiàn)明顯輻合，低層輻合，高層輻散，垂直上升運動強烈，這使得對流強烈發(fā)展，有利于強降水的出現(xiàn)。

6 雷達資料應(yīng)用分析

從雷達分析來看，這次局地強對流過程出現(xiàn)了典型的列車效應(yīng)。結(jié)合925hPa風(fēng)廓線雷達和X波段相控陣雷達來回顧本次過程的雷達回波情況(圖8)，回波主要有三個發(fā)展階段：第一波在下午14時前后開始，生成于同安區(qū)中北部，925hPa廈門到平和出現(xiàn)偏東風(fēng)和偏北風(fēng)的弱輻合，回波不斷生成，并向西北方向移動，出現(xiàn)列車效應(yīng)，造成同安區(qū)午后階段的短時強降水。16時左右平和轉(zhuǎn)南風(fēng)，隨后南風(fēng)不斷加強，廈門到平和出現(xiàn)明顯的東北風(fēng)與偏南風(fēng)的輻合，此時第二波回波分別出現(xiàn)在同安區(qū)南部和北部山區(qū)，而后向集美南壓；南側(cè)生成的回波不斷向北發(fā)展，列車效應(yīng)明顯，這是回波和降水發(fā)展的最強階段，集美區(qū)和同安區(qū)均出現(xiàn)局地的短時強降水，最大雨強出現(xiàn)在19～20時，集美區(qū)巖內(nèi)村1小時降水達到61mm。到了20時，廈門和平和站均為一致的偏北風(fēng)，回波和降水均有明顯消減；第三波回波生成于翔安區(qū)中南部，雖然移動緩慢，但強度較弱，且因列車效應(yīng)而降水疊加較大的區(qū)域主要位于內(nèi)海，因此體現(xiàn)的降水相對前兩個階段較弱，而后回波在南壓過程中逐漸消散。

圖8 29日三個階段對應(yīng)的925hPa風(fēng)廓線雷達及X波段相控陣雷達

運用X波段相控陣雷達進行雙偏振特征分析，發(fā)現(xiàn)29日最強降水時段集美區(qū)上空回波中心的反射率因子達到60dBZ以上(圖9a)；ZDR達到4dB以上，KDP為3°～7°/km，局部超過7°/km(圖略)，說明粒子為扁平的大水滴且降水強度非常強。沿強對流回波移動方向(圖9a黑線)所作的雷達反射率因子垂直剖面，顯示質(zhì)心位置較低，50dBZ以上強回波以及KDP大值區(qū)都位于6km高度以下，ZDR大于3dB的區(qū)域也主要集中在3km以下，表明大水滴集中在低層。此次過程屬于暖云主導(dǎo)的熱帶降水型，對應(yīng)雨強較大，降水效率較高[18-20]。

(a)反射率因子(仰角4.5°) (b)反射率因子剖面

7 模式降水及強降水潛勢檢驗

本文還回顧了7月29日強對流天氣潛勢預(yù)報(圖略)、以及08時起報的多模式(以上海區(qū)域中尺度模式和EC細網(wǎng)格模式為例)降水預(yù)報(圖10)，強對流天氣預(yù)報以及各模式對廈門的降水預(yù)報均不理想，預(yù)報降水量偏小，對強對流落區(qū)出現(xiàn)了漏報和低估。以EC細網(wǎng)格為例，進行預(yù)報和實況風(fēng)場對比分析(圖略)，發(fā)現(xiàn)模式對于低層?xùn)|風(fēng)的預(yù)報偏弱，700hPa實況偏東風(fēng)為6m/s而模式預(yù)報為4m/s；850hPa以及925hPa的東北風(fēng)風(fēng)速實況達到8m/s，有預(yù)報的2倍大。并且對比風(fēng)廓線雷達實況和模式預(yù)報，發(fā)現(xiàn)模式對于16～20時925hPa平和較強的偏南風(fēng)顯示并不明顯。因此，模式對于低層?xùn)|風(fēng)的預(yù)報偏弱以及925hPa風(fēng)向輻合的顯示不清晰，是此次過程低估的重要原因。

(a)上海區(qū)域中尺度模式 (b)EC細網(wǎng)格模式12小時降水圖10 29日多模式降水預(yù)報

8 結(jié)論

受副高底部偏東氣流影響，2020年7月29日,廈門市出現(xiàn)一次較明顯的局地短時強降水過程，具有范圍小、局地性強、短時雨強大等特點。本文對該過程的成因和預(yù)報誤差進行分析，結(jié)論如下：

(1)高層輻散低層輻合配置的強垂直上升運動是此次局地短時強降水產(chǎn)生的動力機制，中低層較為深厚的水汽飽和層、強熱力不穩(wěn)定、一定強度的風(fēng)向垂直切變以及較低的自由對流高度等為局地短時強降水和雷暴大風(fēng)的形成提供了水汽條件和熱力、動力不穩(wěn)定條件。

(2)副高底部偏東氣流加強，超低空出現(xiàn)風(fēng)場輻合，水汽、動力條件轉(zhuǎn)好，熱力不穩(wěn)定條件趨向有利，這些都是當(dāng)天午后到夜間的局地強降水較預(yù)估偏強的原因。

(3)925hPa風(fēng)廓線雷達對本次過程有較好的指示作用，較強的雷達回波發(fā)展階段基本都對應(yīng)有明顯的風(fēng)場輻合特征。

(4)相控陣雷達的高時空分辨率在臨近預(yù)報及監(jiān)測預(yù)警方面具有較大優(yōu)勢，清楚顯示了本次過程出現(xiàn)的列車效應(yīng)，對于局地性的短時強降水可提供更精細的監(jiān)測數(shù)據(jù)和降水估計。雙偏振參量表明回波有明顯的ZDR、KDP異常大值區(qū)，表明降水以扁平大水滴為主，回波質(zhì)心較低，是屬于暖云主導(dǎo)的熱帶降水型，對應(yīng)雨強較大，降水效率較高。

模式預(yù)報出現(xiàn)偏差時，結(jié)合雷達產(chǎn)品進行當(dāng)天的短時臨近預(yù)報和監(jiān)測預(yù)警服務(wù)顯得尤為重要。過程發(fā)生時由于僅有翔安相控陣雷達完成建設(shè)，所以同安北部山區(qū)等部分區(qū)域仍在相控陣雷達監(jiān)測范圍之外。單部相控陣雷達對于中小尺度對流天氣的觀測有較大改善作用，卻難以對短時臨近天氣預(yù)警預(yù)報產(chǎn)生顛覆性的改變，仍需要加入準確的云體內(nèi)外流場信息，在不同地方同時觀測同一目標以獲得較準確的目標物速度及風(fēng)速，得到真實的三維風(fēng)場，從而在本質(zhì)上提升短時臨近預(yù)報預(yù)警的水平。廈門市氣象局已在9月26日完成三地相控陣雷達建設(shè)，實現(xiàn)協(xié)同組網(wǎng)觀測，不僅覆蓋全市，還包括周邊地區(qū)。相信在未來“S波段天氣雷達組網(wǎng)警戒+X波段相控陣雷達組網(wǎng)監(jiān)測”的模式下，能進一步提高災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警水平。