2020年7月8—11日柳州持續(xù)性暴雨過程的環(huán)境條件及模式可預(yù)報性分析

李宜爽

摘要 利用常規(guī)觀測資料、區(qū)域自動站資料、歐洲中期天氣預(yù)報中心開發(fā)的時間分辨率1 h，水平分辨率0.25°×0.25°的新一代再分析資料ERA5，分析了柳州2020年7月8—11日一次持續(xù)性強降水的特征及其成因。結(jié)果表明：西太平洋副熱帶高壓和高空槽的穩(wěn)定維持是出現(xiàn)持續(xù)性暴雨的天氣尺度原因;整個過程期間，柳州地區(qū)700 hPa以下有西南風(fēng)急流并伴隨風(fēng)速的脈動，低空以及超低空急流輸送的暖濕氣流不斷在柳州地區(qū)輻合，為暴雨的產(chǎn)生提供了源源不斷的水汽;南風(fēng)風(fēng)速在柳州北部地區(qū)的輻合致使強降水在柳州北部地區(qū)維持。在低層偏南氣流增強的情況下，應(yīng)尤其注意元寶山地區(qū)可能出現(xiàn)的強降水，加強短臨監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警。

關(guān)鍵詞 持續(xù)性暴雨;地形;水汽輻合;模式預(yù)報

中圖分類號：P458.121.1 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）04–0051–05

0 引言

持續(xù)性暴雨過程是一種高影響的強降水事件，相較于普通短時暴雨過程，具有強度大、持續(xù)時間長、落區(qū)穩(wěn)定的特點，具有極強的致災(zāi)能力，嚴(yán)重威脅著人們的生命財產(chǎn)安全，一直以來都是氣象工作者研究的重點，也是社會防災(zāi)減災(zāi)的重要任務(wù)。

我國的持續(xù)性暴雨多發(fā)生在江南、華南及西南地區(qū)[1-2]。研究表明，持續(xù)性暴雨常常是若干個中小尺度系統(tǒng)的不斷產(chǎn)生、合并加強及持續(xù)影響所致的[3-4]。劉國忠等[5]對2015年一次廣西持續(xù)性暴雨過程進行了多尺度特征分析，得出長時間持續(xù)性暴雨過程是一個多尺度和多天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，暴雨發(fā)生在有利的大尺度環(huán)流背景和天氣系統(tǒng)配置下的中小尺度系統(tǒng)頻繁發(fā)生處，地形助推暴雨作用明顯。林開平等[6]對廣西致洪暴雨過程的要素場演變特征和物理量進行了診斷分析，得出有利暴雨出現(xiàn)的溫濕、動力及熱力環(huán)境場。羅建英等[7]分析廣西汛期暴雨過程的水汽特征指出，暴雨期廣西地區(qū)的水汽來源主要為孟加拉灣、南海、西太平洋，暴雨期水汽收入遠大于非暴雨期。還有許多氣象工作者對廣西暴雨過程進行了研究[8-12]，發(fā)現(xiàn)廣西大范圍持續(xù)性暴雨過程與西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓、高原低渦、急流、水汽輸送等配置有關(guān)。雖然針對持續(xù)性暴雨的研究已取得很大的進展[13-15]，但由于其致災(zāi)性強、預(yù)報難度大，目前仍是氣象預(yù)報業(yè)務(wù)中的重點和難點。

2020年7月8—11日，受高空槽、低層切變線及西南急流的共同影響，柳州市出現(xiàn)了持續(xù)性的暴雨天氣過程。據(jù)統(tǒng)計，此次過程共造成約2.3萬人受災(zāi)、房屋受損和倒塌303間、農(nóng)作物受災(zāi)面積達536.75 hm2、部分地區(qū)道路交通中斷，其中，融水縣城城南片區(qū)低洼地帶出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇，經(jīng)濟損失高達7 758.94萬元。氣象臺雖較好地預(yù)報了此次暴雨過程，但對降雨的時段和極端性預(yù)報均存在較大的不足，7月8日20：00—9日08：00融水中北部出現(xiàn)的大暴雨就出現(xiàn)了漏報。通過對此次連續(xù)性的暴雨過程從環(huán)流形勢、水汽、熱力及動力條件等方面進行了詳細分析，探討了預(yù)報失誤的原因，以期為今后此類過程的預(yù)報提供一定的參考。

1 降水特征

2020年7月8日20：00—11日20：00，柳州出現(xiàn)了持續(xù)性的暴雨天氣過程。區(qū)域自動站累計雨量分布圖（圖1）顯示，強降水主要位于柳州市北部地區(qū)，其中融水的元寶山地區(qū)為此次過程的最強降水中心。結(jié)合自動站小時雨量演變圖（圖2），此次過程具有如下特點。

（1）累計雨量大。據(jù)區(qū)域自動站統(tǒng)計，7月8日20：00—11日20：00累計雨量超過200 mm的有35站次（占全市站點17.1%），最大累計雨量641.2 mm（出現(xiàn)在融水縣四榮東田村）。

（2）強降雨區(qū)高度重疊。強降雨主要出現(xiàn)在柳州市北部地區(qū)，9—11日，融水縣連續(xù)3 d出現(xiàn)大暴雨，三江縣連續(xù)2 d出現(xiàn)大暴雨。

（3）局地雨強大。最大小時雨量高達90.0 mm（融水縣三防拉川村），最大3 h雨量188.3 mm（融水縣四榮鄉(xiāng)）。

（4）具有明顯夜雨特征和階段特征。強降水主要出現(xiàn)在后半夜至凌晨階段，有3個明顯的降雨集中時段，柳州北部地區(qū)在3個階段都維持較強的降水，南部的降水產(chǎn)生于第3階段。

2 天氣背景和環(huán)境條件分析

2.1 環(huán)流形勢分析

結(jié)合天氣形勢以及圖2小時雨量演變圖，此次過程可分為3個階段。

第一階段，即8日20：00—9日08：00，8日20：00 500 hPa 588線控制廣西南部，并呈閉合環(huán)流盤踞在南海到中南半島一帶，廣西北部地區(qū)有小波動?xùn)|移;中低層廣西上空的西南氣流在9日08：00加強為急流。這一階段的大暴雨主要出現(xiàn)在融水縣元寶山山脈南部地區(qū)，12 h最大雨量為245.7 mm，小時最大雨量為74.4 mm（融水縣四榮鄉(xiāng)東田村）。屬于南風(fēng)氣流疊加地形效應(yīng)后的暖區(qū)降水。

第二階段，9日20：00—10日20：00，隨著高空槽的發(fā)展東移，副高有所減弱東退，柳州處于槽前和副高西北側(cè)的西南暖濕氣流中;850、925 hPa切變線在南嶺附近，柳州位于切變線南側(cè)的西南急流中，隨著中低層偏南氣流增強，10日20：00 850、925 hPa切變線北抬至貴州、湖南北部地區(qū)，整個廣西上空為一致的偏南氣流控制。此階段的降水屬于高空槽、低層切變線以及西南急流共同影響下產(chǎn)生的降水，由于切變線的位置較北且沒有南壓的動力，強降水仍維持在柳州的北部地區(qū)，小時最大雨量為90.9 mm（融水縣三防鎮(zhèn)拉川村）。

第三階段，10日20：00—11日20：00，副高呈塊狀穩(wěn)定維持在110°E以東的洋面，廣西上空高空槽不斷發(fā)展加深，槽底一直延伸到廣西沿海地區(qū);850 hPa的西南急流進一步增強，其中桂林探空站由16 m/s增強至20 m/s。柳州處于槽前西南急流控制的高溫高濕區(qū)中。高空槽的進一步發(fā)展導(dǎo)致柳州市南部地區(qū)也出現(xiàn)暴雨，此階段的降水為高空槽，西南急流共同影響下產(chǎn)生的降水。副高和高空槽相對穩(wěn)定的維持是柳州北部出現(xiàn)持續(xù)性暴雨重要的天氣尺度原因。

2.2 環(huán)境條件分析

2.2.1 水汽條件 充沛的水汽輸送是持續(xù)性暴雨發(fā)生的必要條件，而低層水汽輻合的強弱則起到關(guān)鍵作用[16-17]。從上述分析可知，本次持續(xù)性暴雨過程期間最大小時雨量達90.9 mm，而短時強降水需要非常充沛的水汽。有文獻指出，當(dāng)大氣可降水量（PW）達到60 mm時，接近我國短時強降水發(fā)生的充分條件（≥20 mm/h）[18]。

分析7月8日21：00—11日20：00桂林站（代表柳州北部地區(qū)）、柳州站（代表柳州南部地區(qū)）的大氣可降水量，整個過程期間2個站的大氣可降水量都在60 mm以上。結(jié)合圖2第一階段融水縣四榮鄉(xiāng)東田村發(fā)生強降水時（7月9日02：00～05：00），北部的桂林站大氣可降水量維持在73 mm左右;第三階段柳州南部發(fā)生強降水時，7月10日20：00～23：00柳州站大氣可降水量維持在72 mm左右。

鄭永光等[19]指出，大氣可降水量在70 mm以上是大氣中非常極端的水汽條件，說明此次強降水過程的水汽條件方面具有一定的極端性。本次持續(xù)性降雨發(fā)生前和整個過程期間，柳州地區(qū)700 hPa以下均有西南風(fēng)急流并伴隨風(fēng)速的脈動;低空和超低空急流輸送的暖濕氣流不斷在柳州地區(qū)輻合，為暴雨的產(chǎn)生提供了源源不斷的水汽。

圖3a是7月8日20：00—11日08：00柳州北部強降水區(qū)域（108°E，110°E;24.5°N，25.5°N）水汽通量散度與風(fēng)場的區(qū)域平均時間—高度演變圖，可以看到過程期間柳州的北部區(qū)域在850 hPa以下維持較強的水汽輻合，其中，9日02：00～05：00、9日22：00—10日08：00、10日20：00—11日05：00分別出現(xiàn)了4個較強的水汽通量散度輻合中心，與圖2小時雨量的分布有較好的對應(yīng)關(guān)系。

分析第一階段融水縣強降水發(fā)生前9日00：00的950 hPa水汽通量散度圖（圖3b），廣西境內(nèi)從百色到桂林有一條東北—西南向的帶狀水汽輻合中心，強的水汽輻合中心剛好位于融水縣元寶山地區(qū)，中心強度超過了-20×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，融水四榮地區(qū)的降水從9日00：00開始逐漸增強，9日05：00 小時雨量達到最強74.4 mm;圖3c是第三階段南部也出現(xiàn)降水時水汽通量散度圖（10日22：00），可以看到柳州南部地區(qū)和北部地區(qū)分別有強的水汽輻合中心，中心強度達-25×10-7g·cm-2·hPa-1 ·s-1，10日22：00市區(qū)石碑坪出現(xiàn)了小時雨量42 mm的強降水。從上述分析可知，低層強烈的水汽輻合和水汽輻合中心在柳州北部地區(qū)長時間的維持是柳州出現(xiàn)持續(xù)性暴雨的原因之一?

2.2.2 不穩(wěn)定條件 由于柳州沒有探空站，為分析柳州地區(qū)的層結(jié)結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件，選取就近的河池、桂林探空站進行分析，分析7月8日20：00 河池站、桂林站T-log P（圖4）， 850 hPa以下為一致的偏南風(fēng)，露點曲線與層結(jié)曲線非常接近，濕層深厚，有利于出現(xiàn)強降水。

河池站CAPE值由8日8：00的1 639.2 J/kg增加到8日20：00的1 767.4 J/kg、桂林站CAPE值由8日8：00的591.7 J/kg突增至8日20：00的2 635.6 J/kg;K指數(shù)分別由7月8日08：00的32.8、37.4℃增加至37、41.2℃;說明能量在8日白天有個大量積聚的過程，熱力條件非常不穩(wěn)定。

桂林站自由對流高度（LFC）由867.6 hPa下降至886.4 hPa，幾乎沒有對流抑制能量，表明觸發(fā)抬升條件向有利于降水的方向發(fā)展，無需太強的動力強迫即可觸發(fā)對流。平衡高度（EL）175.6 hPa上升至114.1 hPa，表明桂林探空站附近云體的理論伸展高度在增大。此外，過程期間，河池、桂林探空站都維持較高的對流有效位能（CAPE）和K指數(shù)，以及較低的SI指數(shù)，11日兩站的探空圖均顯示對流有效位能（CAPE）急劇下降，SI指數(shù)轉(zhuǎn)為正值，對流條件變差，實況也是11日過程趨于結(jié)束。

2.2.3 動力條件 圖6a、b分別給出的是過程期間7月8日20：00—11日20：00柳州北部強降水區(qū)域（108.5°E～109.5°E，25°E～26°E）和南部降水區(qū)域（109°E～ 110°E，24°E～24.5°E）渦度的區(qū)域平均時間—高度演變圖。分析圖6a可以看到，過程期間，850 hPa以下一直維持正渦度，且有多個正渦度中心。過程第一階段（7月8日20：00—9日08：00），正渦度柱伸展到300 hPa附近，在925、400 hPa附近分別出現(xiàn)了0.6×10-4 s 的渦度大值中心，強降雨主要出現(xiàn)在融水縣元寶山地區(qū)，9日05：00融水四榮東田村出現(xiàn)了74.4 mm小時雨量。

過程第二、第三階段，隨著高空槽的進一步發(fā)展，正渦度柱一直伸展至100 hPa附近，低層925 hPa渦度大值中心分別出現(xiàn)在9日后半夜至10日凌晨、10日晚上至11日凌晨，與強降水時段對應(yīng)較好。分析南部渦度區(qū)域平均時間—高度演變圖6b，7月10日以前，柳州南部地區(qū)正渦度區(qū)較弱，10日20：00—11日04：00，正渦度區(qū)中心值增大至0.8×10-4 s，且正渦度柱的高度一直延伸到200 hPa附近，柳州南部地區(qū)的強降水也正是出現(xiàn)在這一階段，其中，柳江區(qū)的屯兵村10日21：00的小時雨強達68.1 mm，柳城縣的沙浦鎮(zhèn)10日22：00出現(xiàn)了52 mm的小時雨強。結(jié)合11日02：00 500 hPa（圖6c）和低層925 hPa（圖5d）渦度平流與風(fēng)場疊加圖可以看到，柳州地區(qū)處于正的渦度平流區(qū)，且低層正渦度平流值大于南部地區(qū)，這也是柳州北部地區(qū)降水強度強于南部的原因。

3 預(yù)報過程回顧及可預(yù)報性分析

首先，回顧第一階段降水的預(yù)報情況：7月20日20：00起報的36 h實效預(yù)報未來12 h（8日20：00—9日08：00）累積降雨的多模式（圖6a-g）對比可知，全球模式和EC的集合預(yù)報均未預(yù)報出柳州北部的大暴雨，預(yù)報中到大雨量級降水，比實況明顯偏弱。相對于模式預(yù)報區(qū)，氣象臺對柳州市北部的降水調(diào)大了量級，預(yù)報暴雨（圖6f），但市級訂正的城鎮(zhèn)預(yù)報把量級往下調(diào)了（圖6g），預(yù)報理由是：500 hPa副高維持，柳州市處于副高北側(cè)偏西氣流中，貴州、湖南境內(nèi)為槽后西北氣流控制;700、850 hPa一致西南氣流、850 hPa切變線位置偏北。低層沒有明顯輻合形勢，高層動力條件相對較弱。

此外，結(jié)合華東中尺模式的雷達反射率因子預(yù)報（圖7），夜間時段柳州北部均沒有報出強對流回波，綜合分析后只在柳州北部報了陣雨，南部沒有預(yù)報降水。但實況是融安縣國家氣象站出現(xiàn)大雨，融水縣國家氣象站出現(xiàn)暴雨，融水縣中部地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨，柳州市南部沒出現(xiàn)降水，柳州南部的降水相比區(qū)氣象臺預(yù)報有正訂正技巧的。由于第一階段的降水其局地性較強，屬于暖區(qū)降水，全球模式對暖區(qū)對流的刻畫和捕捉能力有限，加上市級預(yù)報員對其降水的極端性估計不足，降水強度上出現(xiàn)了較大偏差。

第二、三階段降水的預(yù)報情況：8月20日20：00起報的未來24 h（9日20：00—10日20：00）（圖9）和9日20：00起報的未來24 h（10日20：00—11日20：00）（圖6）累積降雨的多模式對比可知，各家全球模式和EC的集合預(yù)報雖然報出了柳州北部的暴雨，但雨量還是較實況偏弱，均未預(yù)報出柳州北部大范圍的大暴雨，而且漏報了第三階段南部的暴雨。

從區(qū)氣象臺指導(dǎo)預(yù)報和市級氣象臺訂正的城鎮(zhèn)預(yù)報來看，2個階段柳州北部降水量級均預(yù)報偏小，區(qū)氣象臺空報了第二階段柳州南部的暴雨，區(qū)氣象臺和市級氣象臺均漏報了第三階段柳州南部的暴雨。

從形勢上看，第二階段500 hPa、700 hPa有小槽東移，850 hPa切變線有所南壓且有急流，在第二階段的降水預(yù)報中，市級氣象臺在強降水的范圍預(yù)報中北部地區(qū)，南部預(yù)報中雨，整體把握還是可以。但是，第三階段市級降水預(yù)報是失誤的，預(yù)報員以為低層切變線北抬了，輻合條件變差，只報了北部大雨，南部小雨，但實況是北部仍有大暴雨，南部出現(xiàn)了暴雨。

總體來看，EC模式預(yù)報的形勢大體較好，但各家全球模式對降水的量級仍偏弱，尤其針對暖區(qū)降水，基本預(yù)報不出。市級預(yù)報員只抓住了此次過程第二階段的降水，第一階段和第三階段的降水預(yù)報結(jié)果不太理想，區(qū)氣象臺的指導(dǎo)預(yù)報在量級和強降水范圍上要好于地市級預(yù)報。在今后的預(yù)報過程中，地市級預(yù)報員要加強對南風(fēng)氣流中暖區(qū)降水強度和落區(qū)的分析總結(jié);在高空有槽加深發(fā)展、低層南風(fēng)氣流加強導(dǎo)致切變線北抬情況下，一定要注意有可能出現(xiàn)全市性的暴雨或局部大暴雨，因為這種形勢下水汽、能量、動力條件都不缺。

4 結(jié)論

采用常規(guī)觀測資料、區(qū)域自動站資料、歐洲中期天氣預(yù)報中心開發(fā)的時間分辨率1 h，水平分辨率0.25°×0.25°新一代再分析資料ERA5對2020年7月8—11日柳州的連續(xù)性暴雨過程進行了分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）此次過程具有累計雨量大、強降雨區(qū)高度重疊、局地雨強大、夜雨特征明顯等特點。

（2）副高和高空槽的穩(wěn)定維持是出現(xiàn)持續(xù)性暴雨的天氣尺度原因，環(huán)境條件非常有利于持續(xù)性暴雨的發(fā)生;在偏南暖濕氣流持續(xù)輸送的前提下，柳州地區(qū)700 hPa以下有西南風(fēng)急流并伴隨風(fēng)速的脈動;低空和超低空急流輸送的暖濕氣流不斷在柳州地區(qū)輻合，為暴雨的產(chǎn)生提供了源源不斷的水汽;南風(fēng)風(fēng)速在柳州北部地區(qū)的輻合致使強降水在柳州北部地區(qū)維持。

（3）目前，模式和預(yù)報員對有地形影響的南風(fēng)氣流中暖區(qū)暴雨的預(yù)報存在較大困難，尤其是針對落區(qū)和強度的預(yù)報。在今后的預(yù)報過程中，地市級預(yù)報員要加強對南風(fēng)氣流中暖區(qū)降水強度和落區(qū)的分析總結(jié)，在高層有波動、低層偏南氣流持續(xù)增強的情況下應(yīng)尤為注意山脈南側(cè)的降水，加強短臨監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警;在高空有槽加深發(fā)展、低層南風(fēng)氣流加強導(dǎo)致切變線北抬情況下應(yīng)注意有可能出現(xiàn)全市范圍的暴雨或局部大暴雨，因為在這種形勢下，水汽、能量、動力條件都不缺。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

The Analysis of Enviro-nmental Conditions and Model Predictability of Continuous Rainstorm in Liuzhou on July 8—11， 2020

LI Yishuang （Liuzhou Meteorological Bureau， Liuzhou， Guangxi 545001）

Abstract Analysed the characters and reasons of heavy precipitation happened in Liuzhou on July 8—11， 2020， making use of conventional observational data， data from regional automatic weather station， and ERA5 reanalysis （Temporal Resolution： 1 h; horizontal resolution： 0.25°×0.25°）. As a result， the synoptic scale reason of the continuous rainstorm was the stable maintenance of subtropical high and upper trough over the Western Pacific. During the entire process， there was a southwest jet stream with wind speed fluctuation below 700 hPa in Liuzhou area， and the warm and humid air carried by low and ultra-low jet stream continued to converge in Liuzhou area， providing a steady flow of water vapor for the generation of rainstorm. What’s more， the convergence due to the wind speed of south wind in the northern part of Liuzhou， resulted in the continuous heavy precipitation. In the case of the strengthening of southerly airstream at the lower layer， special attention should be paid to the possible heavy precipitation in Yuanbaoshan area， and short-impending and monitor， and prediction and early warming should be beefed up.

Key words Continuous rainstorm; Terrain; Convergence; Model Prediction