2021年8月20日商丘市暴雨成因及模式誤差分析

摘要 利用常規(guī)觀測資料、ERA5逐小時再分析資料、多普勒雷達、FY4A衛(wèi)星云圖等氣象資料，對2021年8月20日商丘市暴雨過程的特點、成因及模式誤差進行分析。結(jié)果表明：此次過程降水總量大、強度強、范圍廣、降水時段集中。受低渦切變線影響，高濕區(qū)冷暖空氣交匯產(chǎn)生不穩(wěn)定，地面輻合線是其抬升觸發(fā)機制。雷達回波表現(xiàn)為混合性降水回波，徑向速度場上表現(xiàn)為風速輻合、大風區(qū)、中氣旋等中尺度系統(tǒng)。紅外云圖上中尺度對流云團自西北向東南移動產(chǎn)生，列車效應(yīng)明顯。針對此次過程，上海模式預(yù)報參考價值最大;EC細網(wǎng)格預(yù)報降水量級明顯偏小，在落區(qū)上雖然可以體現(xiàn)商丘地區(qū)西部大、東部小的降水分布特征，但預(yù)報暴雨區(qū)與實況偏差較大，主要是預(yù)報低渦位置有所偏差的緣故。

關(guān)鍵詞 暴雨;低渦切變線;中尺度特征;模式誤差

中圖分類號：P458.121.1 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）04–0077–05

暴雨是一種主要的災(zāi)害性天氣，一直是國內(nèi)外的研究重點[1-4]。暴雨形成需要充分的水汽供應(yīng)、強烈的上升運動、較長的持續(xù)時間[5]。我國氣象工作者對暴雨發(fā)生的天氣形勢[6-7]、環(huán)境條件[8-9]、中尺度特征[10-11]做了大量研究和總結(jié)。

商丘位于河南省東部，地勢平坦，夏季是暴雨集中的季節(jié)，也是對流性天氣多發(fā)季節(jié)，尤其是短時強降水易致災(zāi)、突發(fā)性局地性強、預(yù)報難度大[12-15]，目前仍是天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中的重點和難點。

2021年8月20日商丘出現(xiàn)了一次低渦切變線型暴雨過程，并伴有短時強降水天氣，引起城市內(nèi)澇、農(nóng)田積水，對交通出行和設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等非常不利，造成了重大的經(jīng)濟損失，而各家數(shù)值模式對其預(yù)報結(jié)果與實況均有所偏差。為提高對此類暴雨天氣過程的認識，利用常規(guī)觀測資料、分辨率為0.25°×0.25°的ERA5逐小時再分析資料、多普勒雷達、FY4A衛(wèi)星等氣象資料，對該過程的天氣形勢、物理量場、中尺度特征等進行了細致研究，并討論了此次過程的模式誤差及其成因，以期更清楚地揭示此次暴雨的成因，為今后此類過程的精細化預(yù)報提供借鑒和參考。

1 天氣實況

2021年8月20日00：00～12：00商丘市出現(xiàn)區(qū)域性大到暴雨，局地大暴雨天氣，并伴有短時強降水、局地雷暴大風等強對流天氣（圖1a）。降水自西向東，雨量分布不均，暴雨多集中在商丘中西部，主要有以下特點：

（1）降水總量大。20日00：00～12： 00，最大降水量出現(xiàn)在商丘市睢陽區(qū)古宋站，為114.1 mm，國家站降水量為27.4～80.9 mm，平均降水量58.4 mm。

（2）降水強度強。最大小時雨強出現(xiàn)在柘城馬集，為62.7 mm（22日05：00～ 06：00），商丘1小時最大降水為24.6 mm，民權(quán)1小時最大降水為35.1 mm（圖1b）。

（3）降水范圍廣。全市達到暴雨及以上量級的站點有123個（占65 %），其中暴雨118個（占62 %）、大暴雨5個（占3 %）。

（4）降水時段集中。本次強降水集中時段為20日03：00～06：00（圖1b）。

2 形勢分析

2.1 高空形勢分析

8月20日02：00，200 hPa南亞高壓向東延伸至110°E左右，河南省位于南亞高壓前側(cè)分流區(qū)，輻散抽吸作用明顯，有利于上升運動;500 hPa上河南省上空被西北氣流控制，冷空氣向下入侵，588 dagpm線位于河南省西南部;700 hPa有東北—西南向的切變線自山東北部延伸至河南西部，商丘處在低渦切變線前部;低層850、925 hPa上低渦中心位于河南省東北部，商丘處在低渦東南象限和低空切變線前部的西南暖濕氣流中，有充沛的水汽和明顯的垂直上升運動，低渦切變線附近風速輻合加大，同時邊界層輻合線觸發(fā)對流，高層冷平流、低層暖平流交綏產(chǎn)生不穩(wěn)定，有利于強對流天氣的發(fā)展（圖2）。隨著低渦切變線逐漸東移，商丘不在其控制范圍內(nèi)，降水逐漸減弱結(jié)束。

2.2 地面形勢分析

8月20日05：00海平面氣壓場上（圖3），商丘地區(qū)溫度露點差T-Td< 2℃，處于飽和區(qū)，水汽條件較好。商丘處于地面氣旋底部，被低壓控制，商丘中西部存在偏北風與偏南風的輻合，地面輻合線是其抬升觸發(fā)機制，在有利的高空形勢共同作用下產(chǎn)生暴雨天氣。

3 物理量分析

3.1 水汽和動力條件疊加分析

20日05：00，低層（850 hPa）商丘西部存在比濕>16 g/kg高值區(qū)。商丘地區(qū)低層（850 hPa）散度為負，高層（200 hPa）散度為正，低層輻合高層輻散，動力抬升作用明顯，有利于上升運動的發(fā)展，促使暴雨的形成和發(fā)展（圖4）。

此外，從商丘站的綜合廓線可以看出，19日23：00—20日08：00，中低層濕度明顯增大，相對濕度>95%，且濕層深厚，為暴雨的發(fā)生提供了充足的水汽條件。20日08：00以后，低層還存在一定的濕度條件，垂直上升運動明顯減弱，降水也明顯減弱。此次過程雖未出現(xiàn)明顯的水汽通道，但強降水時段低層濕度較大，對暴雨的發(fā)生發(fā)展有利，同時濕層深厚對短時強降水的出現(xiàn)十分有利，因此本次過程不僅出現(xiàn)暴雨，還伴有短時強降水天氣。

3.2 熱力不穩(wěn)定條件分析

從20日05：00的K指數(shù)分布（圖5a）發(fā)現(xiàn)，K指數(shù)極值中心分布在商丘西部，達40℃以上，中東部K指數(shù)37℃～39℃，大面積的K指數(shù)高值區(qū)說明大氣層結(jié)不穩(wěn)定，具備暴雨、強對流天氣所需要的不穩(wěn)定能量。同時，從20日05：00 850 hPa假相當位溫分布（圖5b）也可以看出，有一個θse >336 K的高能舌從西南伸向東北，控制了商丘西部地區(qū)。K指數(shù)>39℃、θse >336 K的高值區(qū)與暴雨落區(qū)吻合。

3.3 探空分析

圖6為19日20：00鄭州站和徐州站的T-lnP圖，商丘西部的鄭州站具有較強對流不穩(wěn)定能量，CAPE值達1 237.7 J/kg，K指數(shù)達37.2℃，沙氏指數(shù)SI為-1.23℃，對流潛勢大。濕度層深厚，有利于短時強降水的產(chǎn)生。低層1 000～850 hPa偏南風與偏東風形成明顯風切變，低層風隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，500 hPa附近風隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流。0～6 km垂直風切變?yōu)?6 m/s，屬于中等強度風切變，有利于出現(xiàn)強對流天氣。而商丘東部的徐州站CAPE值僅為8.5 J/kg，對流抑制CIN遠大于CAPE，且700 hPa以下濕度小，不具備對流潛勢。綜上，商丘西部具有較強的對流潛勢，因而西部出現(xiàn)對流降水，東部不具有對流潛勢，降水較弱。

4 中尺度特征分析

4.1 衛(wèi)星云圖分析

從紅外云圖演變可知（圖7），20日02：00對流云團主要分布在商丘西部，并不斷加強，逐漸發(fā)展成中尺度對流云團，發(fā)展旺盛的中尺度對流云團自西北向東南移動。03：30、04：30的中尺度對流云團控制整個商丘上空，且在商丘西部不斷有對流云團生成、合并、加強，緩慢向東南方向移動（圖7c），列車效應(yīng)明顯，對應(yīng)該時段出現(xiàn)短時強降水天氣。商丘西部的對流云團與東部的對流云團合并，06：00左右在柘城附近加強，造成柘城馬集最大小時雨強為62.7 mm的降水（圖7d）。

4.2 雷達回波分析

從雷達回波1.5°仰角反射率因子可以看出，03：30在大片穩(wěn)定降水回波中鑲嵌著對流降水回波，為層積混合性降水回波，回波強度為40～45 dBZ，強中心達55 dBZ，回波移向與高空引導氣流方向基本一致，即整體回波由西北向東南方向移動。04：30的強回波幾乎覆蓋整個商丘中西部地區(qū)。徑向速度圖上有風速輻合，低層輻合、高層輻散，零速度線“S”型，大風區(qū)等特征，04：54的徑向速度圖顯示在睢縣、柘城交界有中氣旋出現(xiàn)。07：00左右強回波主要位于夏邑，逐漸東南移動并減弱，降水隨之減弱，08：30以后強回波逐漸移出商丘。20日02：00～08：00分商丘本站降水量76 mm，商丘睢陽區(qū)古宋站113.8 mm，商丘境內(nèi)多站小時雨強超過20 mm，出現(xiàn)短時強降水天氣。

5 模式誤差分析

5.1 各家數(shù)值模式預(yù)報與實況對比

根據(jù)上述分析，20日02：00～08：00是強降水的主要集中時間段，進一步分析各家數(shù)值模式不同時次起預(yù)報的該時段降水量與實況的差異。從該時段的降水量實況（圖8）可知，商丘西部有暴雨，東部中到大雨。EC細網(wǎng)格不同時次均對商丘地區(qū)預(yù)報小到中雨，預(yù)報商丘地區(qū)的降水量級明顯比實況偏小，預(yù)報暴雨落區(qū)在豫東北，與實況偏差較大。

CMA_MESO模式18日20：00、19日08：00起預(yù)報商丘有中到大雨，略優(yōu)于EC細網(wǎng)格。

上海模式18日08：00和19日20：00起預(yù)報商丘西部有中到大雨，局地暴雨，東部小雨;18日20：00起預(yù)報在商丘西部報大暴雨;19日08：00起預(yù)預(yù)報大暴雨點在虞城北部。北京模式18日08：00、18日20：00、19日08：00起預(yù)報商丘地區(qū)有小到中雨，暴雨落區(qū)在豫東北，與實況偏差較大，19日20：00起預(yù)報與實況最為接近（但獲取該時刻資料的時間較晚）。因此，此次過程上海模式預(yù)報降水落區(qū)和降水量級與實況都比較接近，預(yù)報參考價值最大。

5.2 EC細網(wǎng)格預(yù)報誤差分析

通過上述的分析可知，EC模式預(yù)報暴雨區(qū)在豫東北，雖然在落區(qū)上可以體現(xiàn)商丘西部大、東部小的降水分布特征，但是，對本次過程降水量級的預(yù)報結(jié)果不夠理想，預(yù)報降水量級均明顯偏小。下面簡要分析EC細網(wǎng)格預(yù)報誤差，對比EC細網(wǎng)格預(yù)報20日02：00 850 hPa形勢場與實況場可以發(fā)現(xiàn)（圖9），18日08：00和19日08：00起報低渦中心明顯偏西，18日20：00起報低渦中心明顯偏北，19日20：00起報低渦位置偏北更顯著，低渦位置預(yù)報偏差導致預(yù)報暴雨落區(qū)有明顯偏差。EC細網(wǎng)格預(yù)報商丘地區(qū)降水量級明顯偏小，原因可能是EC是全球模式，預(yù)報不出局地強對流導致的強降水，從而導致預(yù)報降水量級明顯偏小，而上海中尺度模式預(yù)報降水量級與實況更為接近，以后遇到類似的過程預(yù)報員應(yīng)注意綜合參考，并應(yīng)用全球模式和中尺度模式。

6 總結(jié)與討論

利用常規(guī)觀測資料、ERA5逐小時資料、多普勒雷達、FY4A衛(wèi)星等氣象資料，對2021年8月20日商丘暴雨成因及模式誤差進行診斷分析，結(jié)果如下。

（1）此次降水過程自西向東，雨量分布不均，西部暴雨，局地大暴雨，東部大雨，降水總量大、強度強、范圍廣、降水時段集中。500 hPa有冷空氣入侵，925～700 hPa上有深厚的低渦切變線穩(wěn)定維持，地面存在偏北風與偏南風的輻合，地面輻合線是其抬升觸發(fā)機制，邊界層偏南風入流，將暖濕水汽源源不斷地向暴雨區(qū)輸送并聚集，在高濕區(qū)高低空冷暖空氣交匯產(chǎn)生不穩(wěn)定，促使暴雨天氣發(fā)展和維持。

（2）此次過程雖未出現(xiàn)明顯的水汽通道，但中低層水汽充沛，為暴雨的發(fā)生提供了水汽條件。低層散度為負，高層散度為正，低層輻合高層輻散，垂直上升運動強，為此次過程提供了動力不穩(wěn)定條件。K指數(shù)和假相當位溫均在商丘西部出現(xiàn)高值區(qū)，說明商丘西部具備暴雨、強對流天氣所需要的不穩(wěn)定能量。

（3）紅外云圖上不斷有對流云團生成、合并、加強，列車效應(yīng)明顯。雷達回波上表現(xiàn)為層積混合降水回波;徑向速度場上表現(xiàn)為風速輻合，低層輻合、高層輻散，零速度線“S”型，大風區(qū)，中氣旋等特征。

（4）此次過程上海模式預(yù)報參考價值最大。EC細網(wǎng)格雖在落區(qū)上可以體現(xiàn)出商丘西部大、東部小的降水分布特征，但預(yù)報暴雨區(qū)與實況偏差較大，主要是預(yù)報低渦位置存在偏差的緣故;降水量級預(yù)報明顯偏小，原因可能是EC是全球模式，預(yù)報不出局地強對流導致的強降水，從而導致預(yù)報降水量級明顯偏小。

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責任編輯：黃艷飛

Analysis of Causes and Model Errors of Rainstorm in Shangqiu City on August 20， 2021

SONG Qianqian （Shangqiu Meteorolo-gical Bureau， Shangqiu， Henan 476000）

Abstract Based on conventional observation data， ERA5 hourly reanalysis data， Doppler radar data and FY4A satellite cloud image， the characteristics， causes and model errors of the rainstorm process in Shangqiu city on August 20， 2021 was analyzed. The results showed that the total precipitation was large， the intensity was strong， the range was wide and the precipitation period was concentrated. Affected by the low vortex shear line， the intersection of cold and warm air in the high humidity area produced instability. The ground convergence line was its lifting trigger mechanism. The radar echo image showed mixed precipitation echoes and the radial velocity image showed mesoscale systems such as wind speed convergence zone， gale area and mesocyclone. The mesoscale convective cloud cluster on the infrared cloud image moved from Northwest to Southeast， and the train effect was obvious. For this process， the Shanghai model had the greatest reference value for the forecast. The precipitation magnitude predicted by EC fine grid model was obviously small. Although it could reflect the distribution characteristics of large precipitation in the west and small precipitation in the east of Shangqiu area， there was a large deviation between the predicted rainstorm area and the actual situation， mainly dued to the position deviation of the predicted vortex.

Key words Rainstorm; Low vortex shear line; Mesoscale characteristics; Model errors

基金項目 商丘市氣象局氣象科學技術(shù)研究項目（SQ202101）。

作者簡介 宋倩倩（1995—），女，河南商丘人，助理工程師，主要從事短期天氣預(yù)報研究。

收稿日期 2022-01-05