南平市一次暖區(qū)暴雨成因分析與預(yù)報(bào)反思

黃待靜 陳江平 王涵彧

(南平市氣象局，福建 南平 353000)

1 概述

暖區(qū)暴雨發(fā)生在低層吹偏南風(fēng)的形勢下，是華南前汛期暴雨的一個(gè)重要特色。與鋒面降水比較，這類降水的預(yù)報(bào)難度更大，因?yàn)榕瘏^(qū)暴雨局地性更強(qiáng)、降水量更大，起止時(shí)間很難把握，容易造成空報(bào)、漏報(bào)或者量級偏小，給預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)造成很大的挑戰(zhàn)[1-3]。因此近年來暖區(qū)暴雨的研究成為天氣預(yù)報(bào)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。付煒等[4]在研究強(qiáng)西南急流背景下湘桂邊界兩次預(yù)報(bào)失敗的暖區(qū)暴雨個(gè)例分析中發(fā)現(xiàn)，地形在兩次暖區(qū)暴雨過程中的降水增幅作用明顯，降水中心主要出現(xiàn)在山谷或盆地的迎風(fēng)坡位置，兩次暖區(qū)暴雨與邊界層的動(dòng)力輻合、水汽供應(yīng)關(guān)系密切，邊界層輻合抬升和地形的作用明顯，短期預(yù)報(bào)需重點(diǎn)關(guān)注邊界層輻合區(qū)及特殊地形位置，對數(shù)值預(yù)報(bào)進(jìn)行適當(dāng)訂正。蘇冉等[5]選取2015—2017年4～6月發(fā)生在廣東地區(qū)的20個(gè)暖區(qū)暴雨個(gè)例，通過引入集合動(dòng)力因子，建立了一種基于GFS預(yù)報(bào)場的權(quán)重指數(shù),利用權(quán)重指數(shù)可以較好地判斷降水的強(qiáng)度等級，尤其是對西南急流暴雨、鋒前低槽暴雨兩類降水中中雨以上降水預(yù)報(bào)能力有明顯提高。諶蕓等[6]在北方一次暖區(qū)大暴雨降水分析中發(fā)現(xiàn)，對于發(fā)生在深厚暖濕氣團(tuán)中的暖區(qū)降水的預(yù)報(bào)，需考慮高溫高濕環(huán)境下地面輻合線、冷池及中尺度渦旋的相互作用對對流的觸發(fā)及組織化發(fā)展導(dǎo)致的局地性、對流性強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

南平地處閩浙贛交界，地形復(fù)雜，在華南前汛期時(shí)，受大氣環(huán)流調(diào)整影響， 暴雨常有發(fā)生。2020年5月7日，南平市出現(xiàn)一次暴雨，局部大暴雨過程。數(shù)值預(yù)報(bào)模式對暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)能力有限，預(yù)報(bào)員主觀訂正能力不足，造成此次暴雨漏報(bào)。針對此次潮濕不穩(wěn)定西南季風(fēng)控制下可預(yù)報(bào)性較差的暖區(qū)暴雨，本文分析其成因，探究預(yù)報(bào)失敗的原因，希望對提高暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)診斷技術(shù)以及提高暖區(qū)暴雨訂正能力有所幫助。

2 過程概況及預(yù)報(bào)情況

2020年5月6日20時(shí)～7日08時(shí)，南平市出現(xiàn)一次局部大暴雨過程(圖1a)。12小時(shí)內(nèi)，南平市有82個(gè)站點(diǎn)累積雨量超過50mm， 12個(gè)站點(diǎn)累積雨量超過100mm，其中以建甌東峰鎮(zhèn)坪林村141.5mm為最大，城區(qū)以建陽110.9mm為最大。降水過程具有明顯的階段性特征，第一階段(圖1b，6日20時(shí)～7日01時(shí))為小颮線引發(fā)的強(qiáng)降水并伴有雷雨大風(fēng)和冰雹，此階段降水對流性質(zhì)非常明顯，造成南平市中南部大面積的大雨至暴雨。第二階段(圖1c，7日01時(shí)～08時(shí))為線狀對流單體引起降水。這一階段降水有明顯的列車效應(yīng)，線狀對流呈西北東南向穿過建陽、建甌，長時(shí)間停滯在南平市中部。

針對此次暴雨過程，無論是數(shù)值模式還是預(yù)報(bào)員主觀訂正都沒有準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出來。06日08時(shí)起報(bào)的各家模式(圖1d～i)，可看到ECMWF、GRAPES-GFS、GRAPES3KM、JMA全球尺度模式預(yù)報(bào)的是小雨量級，福建WRF區(qū)域模式報(bào)的是北部陣雨，華南區(qū)域模式降水量級為小到中雨，局部大雨到暴雨。福建省氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)(圖1j)和中央臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)(圖1k)南平市降水為陣雨，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)中雨。預(yù)報(bào)員根據(jù)預(yù)報(bào)的形勢以及參考以上預(yù)報(bào)訂正后的結(jié)論(圖1l)是南平時(shí)有中雨，局部大雨到暴雨。顯而易見，此次暖區(qū)暴雨漏報(bào)。

圖1 2020年5月6日20時(shí)至7日08時(shí)累積降水(a)及分階段降水(b,c)，各模式預(yù)報(bào)結(jié)果(d)～(i)，福建省氣象臺(tái)6日16時(shí)指導(dǎo)預(yù)報(bào)(j)，中央臺(tái)6日16時(shí)指導(dǎo)預(yù)報(bào)(k)，南平市氣象臺(tái)6日16時(shí)訂正預(yù)報(bào)(l)

3 多普勒雷達(dá)回波特征

下面通過雷達(dá)回波演變進(jìn)一步分析此次強(qiáng)降水的發(fā)展。5月6日20時(shí)左右，江西境內(nèi)有小颮線a發(fā)展(圖3a)，此回波受高空槽引導(dǎo)東移南壓。同時(shí)在颮線前側(cè)的西南急流中，有強(qiáng)塊狀回波b生成?；夭╝與b強(qiáng)中心反射率因子都超過50dBZ，強(qiáng)度強(qiáng)。小颮線東移南壓過程中有增強(qiáng)的趨勢,且與回波b逐漸靠近(圖3b)。受兩者影響，20-22時(shí)，南平市有三個(gè)雨量自動(dòng)站小時(shí)雨強(qiáng)超過50mm。小颮線移速很快，以每小時(shí)超過50km的速度移動(dòng)。在其影響下南平出現(xiàn)大范圍大風(fēng)天氣。5月6日22時(shí)左右(圖3c)，回波a與b位置已經(jīng)很接近，回波強(qiáng)度有所減弱，但是﹥35dBz的回波面積在增加。23時(shí)(圖3d)，南平境內(nèi)兩強(qiáng)回波已合并成大面積混合性降水回波c?；夭╟沒有持續(xù)太長時(shí)間，從5月7日00-01時(shí)(圖3e、圖3f)可以看到回波c迅速減弱，第一階段強(qiáng)降水已經(jīng)結(jié)束。01時(shí)的雷達(dá)拼圖(圖3f)中發(fā)現(xiàn)，光澤至邵武有新的塊狀回波移入，第二階段降水拉開序幕。從圖3(g)～(l)中可看到，此階段降水回波呈線狀，回波走向?yàn)槲鞅睎|南向，系統(tǒng)移動(dòng)方向與走向基本平行，在這個(gè)西北東南向上不斷有回波移入，形成明顯列車效應(yīng)。回波強(qiáng)度一直都維持在50dBZ以上。回波從02時(shí)-06時(shí)影響建陽、建甌等地長達(dá)5個(gè)小時(shí)，東移速度慢，平均移速只有6km/h左右。06時(shí)建甌出現(xiàn)兩雨量自動(dòng)站小時(shí)雨強(qiáng)超過50mm的降水。07時(shí)后，隨著700hPa西南風(fēng)加強(qiáng)，回波北抬減弱。

對6日21時(shí)(圖2b)和7日05時(shí)(圖2j)的回波沿著黑線做垂直剖面分析，發(fā)現(xiàn)兩處的回波質(zhì)心都比較低，特別是05時(shí)大于45dBZ的強(qiáng)回波接地，屬于典型低質(zhì)心降水。圖2(b)和圖2(j)中白色箭頭表示回波的移向，第一階段的小颮線移動(dòng)方向和單體排列方向垂直，不會(huì)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間長的降水。第二階段單體移動(dòng)方向與單體排列方向平行，降水單體依次經(jīng)過同一地點(diǎn)，產(chǎn)生了較大的累積雨量。南平市氣象臺(tái)根據(jù)監(jiān)測到的降水情況和回波情況，6日19時(shí)30分發(fā)布短時(shí)強(qiáng)天氣報(bào)告，提醒可能有短時(shí)強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣。并在21時(shí)發(fā)布暴雨藍(lán)色預(yù)警信號(hào)， 7日4時(shí)變更為暴雨黃色預(yù)警信號(hào)。指導(dǎo)建陽區(qū)氣象局在05時(shí)將暴雨預(yù)警信號(hào)提升至橙色，指導(dǎo)建甌市氣象局于06時(shí)升級為暴雨紅色預(yù)警信號(hào)，在一定程度上彌補(bǔ)了短期預(yù)報(bào)的失誤。

圖2 5月6日20時(shí)(a),21時(shí)(b),22時(shí)(c),23時(shí)(d)，5月7日00時(shí)(e),01時(shí)(f),02時(shí)(g),03時(shí)(h),04時(shí)(i),05時(shí)(j),06時(shí)(k),07時(shí)(l)組合反射率圖和6日21時(shí)(m)、5月7日05時(shí)(n)垂直剖面圖

4 影響系統(tǒng)分析

從大尺度環(huán)流背景看(圖3a)，此次暴雨過程發(fā)生在高空弱波動(dòng)?xùn)|移，低層暖切北抬，西南風(fēng)控制下的暖區(qū)中。6日20時(shí),200hPa福建省上空為氣流分流區(qū)，存在輻散條件，有高空抽吸作用。500hPa邵武站偏北風(fēng)轉(zhuǎn)偏西風(fēng)。江西境內(nèi)有一高空短波快速滑過。700hPa廣西-廣東-江西南部存在一條西南低空急流，此最大風(fēng)帶在閩北形成明顯風(fēng)速輻合，有能量水汽在南平堆積，700hPa小槽位于江西至南平北部。6日08時(shí)-20時(shí)，850hPa上貴州至南平北部為暖切控制，切變以南為西南風(fēng)，暖區(qū)控制了整個(gè)華南地區(qū)。20時(shí)地面輻合線正好位于贛閩交界，配合500hPa、700hPa小槽的東移為局地風(fēng)暴的發(fā)展提供了很好的觸發(fā)條件。

強(qiáng)對流發(fā)生期間，整個(gè)大氣是濕且不穩(wěn)定的。6日20時(shí)邵武站850hPa比濕為15g/kg，水汽含量大，南平位于溫度露點(diǎn)差≤2℃寬廣的濕區(qū)中，空氣飽和。露點(diǎn)曲線與層結(jié)曲線700hPa附近分離，有干空氣的侵入，加大環(huán)境的不穩(wěn)定性。邵武站的探空顯示，CAPE是2596J/kg，K指數(shù)41℃。925hPa附近為東風(fēng)，500hPa為西風(fēng)，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流。1km～6km垂直風(fēng)切變大小為22m/s，表明環(huán)境強(qiáng)的對流不穩(wěn)定。抬升凝結(jié)高度和自由對流高度都很低，在900m附近，配合上述輻合流場，不穩(wěn)定能量迅速釋放，轉(zhuǎn)化為上升氣塊的動(dòng)能。

南平受暖區(qū)控制，在高空短波和地面輻合線的觸發(fā)下，小颮線發(fā)展，產(chǎn)生第一階段的強(qiáng)降水。但是第二階段持續(xù)線狀對流從粗網(wǎng)格天氣資料中就很難找到成因。隨著科技的發(fā)展，風(fēng)廓線雷達(dá)布網(wǎng)能讓我們從中窺探一二。

5 風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析

對多部風(fēng)廓線雷達(dá)做水平風(fēng)處理，讓多部雷達(dá)同一時(shí)次探測資料在同一等壓面上顯示，可以更為細(xì)致地看到暴雨發(fā)生時(shí)的水平風(fēng)情況。

分析5月6日20時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)圖4(a)～(c)，發(fā)現(xiàn)這與前面大尺度環(huán)流背景分析結(jié)果一致。500hPa有短波槽東移，低層中尺度切變線影響，形成小颮線，引發(fā)強(qiáng)降水。7日01時(shí)，500hPa短波東移、中尺度切變線過境后，南平市500hPa和700hPa轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，第一階段強(qiáng)降水結(jié)束。下面詳細(xì)分析第二階段強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)環(huán)境風(fēng)場。從圖4(d)～(h)可以看出， 700hPa上光澤-建陽-建甌這一線為界，東北側(cè)為西北氣流，南側(cè)為西南風(fēng)急流。因此在光澤-建陽-建甌這一線形成西北東南走向的阻擋。此阻擋像一面“墻”一樣，在“墻”的北側(cè)為風(fēng)場表現(xiàn)為輻散，南側(cè)為西北風(fēng)與西南風(fēng)的輻合。但輻合區(qū)很窄，集中在光澤-建陽-建甌一線，屬于反氣旋式輻合情況。同時(shí)阻擋處以南，還存在風(fēng)速的輻合，南側(cè)的西南風(fēng)輸送水汽與不穩(wěn)定能量在輻合區(qū)形成堆積，一旦過了光澤-建陽-建甌一線為輻散，于是形成狹窄的線狀對流。再加上500hPa引導(dǎo)氣流為西北向，回波沿引導(dǎo)氣流方向形成明顯的列車效應(yīng)，發(fā)展出窄帶中尺度降水。這個(gè)狹窄的反氣旋式輻合線，維持時(shí)間較長，持續(xù)作用了近7個(gè)小時(shí)，在前6個(gè)小時(shí)內(nèi)，位置略微北抬了一點(diǎn)。07日07時(shí)，700hPa西南風(fēng)加強(qiáng)，輻合線快速北抬，降水也隨著北抬減弱。

(a) (b)圖3 2020年5月6日20時(shí)中分析(a)和6日20時(shí)邵武探空圖(b)

圖4 5月6日20時(shí)500hPa(a),700hPa (b),850hPa (c),5月7日700hPa02時(shí)(d),03時(shí)(e),04時(shí)(f),05時(shí)(g),06時(shí)(h),08時(shí)(i)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)

6 預(yù)報(bào)反思

了解了此次暖區(qū)暴雨的機(jī)理，可以反思此次暴雨預(yù)報(bào)出現(xiàn)失誤的原因。預(yù)報(bào)員下午16時(shí)制作短期預(yù)報(bào)的時(shí)候可供參考的資料主要有：當(dāng)日08時(shí)高空資料，16時(shí)之前的地面觀測資料、衛(wèi)星云圖和雷達(dá)資料，以及08時(shí)起報(bào)的數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品。選取EC細(xì)網(wǎng)格、JMA和GRAPES-GFS數(shù)值模式6日08時(shí)起報(bào)的6日20風(fēng)場與實(shí)況場對比中可看到。各個(gè)模式在500hPa南平的風(fēng)場預(yù)報(bào)都為北風(fēng)，但實(shí)況上，邵武站的探空為偏西風(fēng)，江西中部為西南風(fēng)，有短波東移影響南平。模式預(yù)報(bào)在700hPa上長江流域以南為一致的西南風(fēng)，但是江西南昌的探空為西北風(fēng)，也有小槽的影響南平。且華南地區(qū)的風(fēng)場預(yù)報(bào)偏弱，實(shí)際風(fēng)速比預(yù)報(bào)風(fēng)速要大3～4m/s。850hPa影響南平的暖式切變線的位置，實(shí)況大概在27°N附近。EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)在27°N，其他模式在29°N，EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確，其他模式預(yù)報(bào)偏北。 925hPa預(yù)報(bào)與850hPa情況類似， EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確，其他模式預(yù)報(bào)偏北。從以上三個(gè)全球模式的預(yù)報(bào)形勢上出發(fā)，預(yù)報(bào)員不會(huì)去預(yù)報(bào)暴雨。面對第二階段的降水卻更難把握。因?yàn)榈谝浑A段降水結(jié)束后，預(yù)報(bào)員都以為過程結(jié)束了，可陸陸續(xù)續(xù)還有線狀的對流，對比分析風(fēng)廓線和數(shù)值預(yù)報(bào)可看到，各個(gè)模式700hPa(圖5、圖6)02時(shí)以后預(yù)報(bào)為偏西風(fēng)，沒有報(bào)出南平境內(nèi)的輻合。

上述全球數(shù)值模式大多屬于靜力模式，且采用對流參數(shù)化處理，對中小尺度對流過程的描述明顯不足，因而很難對局地突發(fā)性暴雨的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，形成有效業(yè)務(wù)支撐。此次暴雨的過程預(yù)報(bào)員依賴數(shù)值模式，判斷為暖切南側(cè)暖區(qū)控制，環(huán)境高能高濕，但數(shù)值預(yù)報(bào)模式?jīng)]有提供出有利的觸發(fā)條件。再結(jié)合各家模式的降水預(yù)報(bào)，參考福建省氣象臺(tái)和中央臺(tái)的預(yù)報(bào)，南平市氣象臺(tái)預(yù)報(bào)員做了相應(yīng)的訂正。但訂正遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，造成暴雨的漏報(bào)。暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)確實(shí)有很多不確定因素?；鶎宇A(yù)報(bào)員也面臨一定的挑戰(zhàn)，這就要求預(yù)報(bào)員在短臨預(yù)警中要充分利用資料，特別是多普勒雷達(dá)、衛(wèi)星云圖、風(fēng)廓線雷達(dá)等，為短期預(yù)報(bào)做更好的補(bǔ)充。

(a)500hPa (b)700hPa

(a)02時(shí)700hPa (b)05時(shí)700hPa說明：黑色為風(fēng)廓線探測風(fēng)，藍(lán)色為EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)風(fēng)場，棕紅色為GRAPES-GFS預(yù)報(bào)風(fēng)場圖6 5月7日02時(shí)700hPa、05時(shí)700hPa預(yù)報(bào)風(fēng)與風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)對比

7 結(jié)論

本文從一次預(yù)報(bào)失敗的暖區(qū)暴雨入手，利用地面觀測資料、高空探測資料，多普勒雷達(dá)，風(fēng)廓線雷達(dá)等資料分析暖區(qū)暴雨的成因，再通過預(yù)報(bào)反思，得到以下結(jié)論：

①高空探測資料和風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析出暴雨發(fā)生的環(huán)流背景。暴雨分為兩階段，第一階段，貴州至南平北部為暖式切變，西南風(fēng)控制華南地區(qū)，在500hPa弱波動(dòng)和地面輻合線的觸發(fā)下，小颮線發(fā)展，產(chǎn)生暖區(qū)暴雨。第二階段降水是由700hPa反氣旋式輻合線造成的。此輻合線在光澤-建陽-建甌形成西北東南走向的阻擋。北側(cè)為輻散，南側(cè)為西北風(fēng)與西南風(fēng)的輻合，且有風(fēng)速的輻合，500hPa引導(dǎo)氣流為西北向，回波沿引導(dǎo)氣流方向形成明顯的列車效應(yīng)。此輻合線維持近7個(gè)小時(shí)，平均移速只有6km/h左右，為第二階段線狀對流提供有利條件。

②從雷達(dá)回波分析看，第一階段小颮線的降水呈現(xiàn)出回波強(qiáng)度強(qiáng)、回波移速快特點(diǎn)，第二階段為線狀對流，有明顯的列車效應(yīng)。

③暴雨發(fā)生期間，環(huán)境場極其不穩(wěn)定，CAPE是2596 J/kg，K指數(shù)41℃，中層有干空氣侵入，垂直風(fēng)切變大，水汽含量充足，這都是暖區(qū)環(huán)境下的特征。

④反思此次預(yù)報(bào)，數(shù)值模式對暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)能力有限，預(yù)報(bào)員依賴于數(shù)值預(yù)報(bào)，對其解釋應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不夠。因此預(yù)報(bào)員要多積累預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，提高預(yù)報(bào)能力。同時(shí)利用好更立體、更完善、布點(diǎn)更密集的多元資料，例如風(fēng)廓線雷達(dá)等資料，在短臨預(yù)警中彌補(bǔ)短期預(yù)報(bào)的不足。