廣西防城港山區(qū)“6·16”大暴雨成因機(jī)制及數(shù)值模式誤差分析

陳紹河，蔣承志，林文樺，曾 琪，彭光固

（防城港市氣象局，廣西 防城港 538000）

引言

突發(fā)性局地暴雨以范圍小，發(fā)展迅速、歷時(shí)短、強(qiáng)度強(qiáng)為特點(diǎn)，預(yù)報(bào)難度非常大，造成災(zāi)害損失非常嚴(yán)重。近年來，隨著全球氣候變暖，近地面氣溫的升高，突發(fā)性局地暴雨明顯增多，這也引起了很多學(xué)者的關(guān)注。暴雨的形成需要三個(gè)條件，即充足的水汽供應(yīng)、強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)和較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間［1］。不少學(xué)者從局地大暴雨的觸發(fā)機(jī)制、水汽輸送以及中尺度特征等多方面進(jìn)行深入分析，取得頗多研究成果［2-10］。郭虎等［11］對(duì)“0679”香山局地大暴雨的中小尺度天氣分析表明，地形輻合回波帶是造成此過程的主要影響系統(tǒng)。汪海恒等［12］分析認(rèn)為地形對(duì)于對(duì)流觸發(fā)和暴雨的增幅有重要影響，山前迎風(fēng)坡除了地形抬升作用外，位于山前的地面輻合線對(duì)于對(duì)流既有觸發(fā)又有加強(qiáng)與維持的作用。楊芳園等［13］研究發(fā)現(xiàn)地面中尺度輻合線對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生有1～2h 的提前預(yù)報(bào)實(shí)效，主城特殊的喇叭口地形對(duì)降水的增幅作用明顯。此外，還有不少學(xué)者從地形動(dòng)力數(shù)值模擬和熱島效應(yīng)方面探討局地大暴雨［14-16］。這些研究從不同方面分析了突發(fā)性暴雨，提高了預(yù)報(bào)員對(duì)局地強(qiáng)降水的認(rèn)識(shí)。

防城港山區(qū)既不缺乏水汽，也有地形抬升條件，往往容易出現(xiàn)突發(fā)性強(qiáng)降雨。由于防城港復(fù)雜的地形地貌和缺乏高時(shí)空分辨率資料，以往對(duì)防城港山區(qū)局地突發(fā)性大暴雨過程分析較少，對(duì)其機(jī)制還缺乏清晰的認(rèn)識(shí)，因而很有必要對(duì)這類暴雨過程做深入研究分析。

1 資料與方法

利用1°×1°美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心氣象科研計(jì)劃（NCEP）再分析、廣西地面氣象自動(dòng)站觀測(cè)、FY4A衛(wèi)星云圖、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心高分辨率模式（ECMWF_HR）和多普勒雷達(dá)探測(cè)等多源氣象資料，應(yīng)用天氣學(xué)診斷分析方法，對(duì)2021 年6 月16日廣西防城港山區(qū)一次局地大暴雨過程進(jìn)行分析，從多視角探討此次局地暴雨的成因機(jī)制以及數(shù)值模式誤差，為預(yù)報(bào)此類局地暴雨提供一些預(yù)報(bào)思路或依據(jù)。

2 過程概況

2021 年6 月15 日20 時(shí)—16 日20 時(shí)，廣西大部地區(qū)以陣雨天氣為主，而防城港十萬大山中北部山區(qū)出現(xiàn)一次強(qiáng)降雨過程，有5 站出現(xiàn)大暴雨，2 站出現(xiàn)暴雨，最大降雨出現(xiàn)在防城區(qū)灘營(yíng)平旺氣象觀測(cè)站（225.1mm）。從暴雨中心平旺逐小時(shí)降雨量演變來看，強(qiáng)降雨從凌晨開始，早上逐漸結(jié)束，小時(shí)最大雨強(qiáng)高達(dá)82.9mm·h-1。綜合來看，此次降雨過程具有突發(fā)性強(qiáng)，局地性明顯，小時(shí)雨強(qiáng)強(qiáng)，雨帶呈西南-東北向，強(qiáng)降雨主要出現(xiàn)在凌晨到早上等特征。

3 環(huán)流形勢(shì)分析

16 日02 時(shí)200hPa 北部灣海面到防城港大暴雨中心處于輻散區(qū)，500hPa 長(zhǎng)江以南地區(qū)受584dagpm 控制，廣西大部為6～8m·s-1的弱偏南氣流影響；16 日08 時(shí)，200hPa 北部灣海面仍處于輻散區(qū)，防城港轉(zhuǎn)為輻合區(qū)，500hPa 副高西伸北抬到廣東東部，距離防城港仍較遠(yuǎn)，長(zhǎng)江以南地區(qū)仍受584dagpm 控制，廣西維持弱偏南氣流影響?？梢?，500hPa 氣流偏弱，副高位置偏東，并不利于出現(xiàn)大暴雨。

16 日02 時(shí)，孟加拉灣經(jīng)中南半島北部到桂東南地區(qū)風(fēng)速突然加強(qiáng)到急流12～14m·s-1，暴雨中心位于西南急流左側(cè)，北部灣海面CAPE 值也增加到1500～2000J·kg-1，大暴雨中心仍維持500～1000J·kg-1；16 日08 時(shí)，急流帶逐漸往東移，大暴雨中心仍位于西南急流左側(cè)，北部灣北部海面對(duì)流有效位能（CAPE）值增加到2000～2500J·kg-1，大暴雨中心CAPE 值加大到1000～1500J·kg-1，16 日05 時(shí)灘營(yíng)平旺村小時(shí)最大雨強(qiáng)高達(dá)82.9mm·h-1；16 日14 時(shí)，中南半島經(jīng)北部灣到廣西大部的西南氣流明顯減弱到6～8m·s-1，此時(shí)暴雨過程結(jié)束。

4 物理量診斷

16 日02 時(shí)北部灣海面到桂東南整層（1000～300hPa，下同）水汽輸送帶中心強(qiáng)度加強(qiáng)到60g·s-1·hPa-1·cm-1，大暴雨區(qū)域整層水汽通量增加到50～60g·s-1·hPa-1·cm-1，同時(shí)水汽輻散轉(zhuǎn)為水汽輻合，整層水汽通量散度突然加強(qiáng)到（-2～-4）×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2；16 日08 時(shí)（圖略），水汽輸送帶強(qiáng)度維持，范圍減小，暴雨中心整層水汽通量維持在40～50g·s-1·hPa-1·cm-1，水汽通量散度減弱到（0～-2）×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2；16 日08—14 時(shí)整層水汽輻散，降水趨于結(jié)束。

16 日02 時(shí)，垂直速度沿大暴雨中心的垂直剖面（圖1）表明，強(qiáng)降雨期間大暴雨中心大尺度環(huán)境場(chǎng)800hpa 以下及700hpa 以上都是下沉運(yùn)動(dòng)，只在700～800hPa 有弱上升運(yùn)動(dòng)，最大出現(xiàn)僅有-4×10-3Pa·s-1，達(dá)不到廣西夏季大暴雨上升運(yùn)動(dòng)量級(jí)。

圖1 2021 年6 月16 日02 時(shí)垂直速度沿大暴雨中心21.9°E 垂直剖面圖（單位：10-3Pa·s-1，△為大暴雨中心）

大暴雨區(qū)域有源源不斷的水汽輸送，并在暴雨區(qū)域輻合集結(jié)，也具備有強(qiáng)的不穩(wěn)定能量，但大尺度環(huán)流背景條件弱，僅有低層西南急流存在，環(huán)境場(chǎng)上升運(yùn)動(dòng)條件也非常弱，然而在上述條件下依然出現(xiàn)了大暴雨量級(jí)降水，而且暴雨范圍小，局地性強(qiáng)，很明顯是中小尺度系統(tǒng)觸發(fā)造成。

5 雷達(dá)回波演變和中小尺度特征分析

5.1 雷達(dá)回波演變

6 月15 日23∶11，越南北部靠近東興西南部新生出一個(gè)小的塊狀回波，隨后該地區(qū)不斷有新生γ尺度對(duì)流回波出現(xiàn)，并向東北方向移動(dòng)發(fā)展；16 日01∶31 在東興西北部-桂壩-平旺一帶發(fā)展成長(zhǎng)約80km、寬約7km、最大強(qiáng)度為40～45dBZ 的β 尺度窄帶回波；16 日04∶26 越南北部仍有對(duì)流回波生成，使得帶狀對(duì)流回波中心強(qiáng)度加強(qiáng)到45～50dBZ，不斷經(jīng)過暴雨中心區(qū)域形成列車效應(yīng)，導(dǎo)致16 日05 時(shí)大暴雨中心出現(xiàn)82.9mm·h-1的強(qiáng)降雨；16 日06∶35 越南北部無新生對(duì)流回波，但東興附近新生出一個(gè)小的塊狀回波，向東北方向移動(dòng)并迅速發(fā)展；16日06∶58 與北部線狀對(duì)流回波合并成新的線狀對(duì)流回波，并不斷向暴雨區(qū)域移動(dòng)；16 日08∶55 以層狀云回波為主。

6 月16 日02∶24，防城港近海白須公礁附近出現(xiàn)分散性強(qiáng)度-15～-17m·s-1的徑向速度，暴雨區(qū)域東南側(cè)大部為10～12m·s-1的徑向速度，表明低空急流建立；16 日04∶26 防城港近海已經(jīng)出現(xiàn)較大范圍度-15～-17m·s-1的徑向速度，暴雨區(qū)域東南側(cè)徑向速度加強(qiáng)到15～17m·s-1，說明低空急流明顯加強(qiáng)，此時(shí)降水回波強(qiáng)度明顯增大；16 日06∶29 暴雨區(qū)域東南側(cè)徑向速度減小為10～12m·s-1，16 日09∶36 低空急流消失，降雨結(jié)束。

5.2 中小尺度特征

利用廣西地面自動(dòng)站逐小時(shí)資料和FY4A 衛(wèi)星云圖分析此次暴雨過程的中小尺度系統(tǒng)變化特征。16 日01∶00 防城港近海海面為一致弱偏西南氣流，大暴雨區(qū)域西南方向有弱偏南與偏北氣流輻合，此時(shí)輻合線附近有弱對(duì)流云團(tuán)開始生成；16 日05∶00防城港近海海面仍維持偏南急流影響，有利于水汽和能量輸送，但大暴雨區(qū)域由弱西南氣流轉(zhuǎn)為西北氣流控制，輻合線整體略南壓，范圍擴(kuò)大強(qiáng)度加強(qiáng)，其特點(diǎn)西南風(fēng)強(qiáng)，偏北風(fēng)弱，此輻合形勢(shì)維持到16日07∶00，期間對(duì)流云團(tuán)也加強(qiáng)發(fā)展呈橢圓狀，云系位置少動(dòng)，范圍擴(kuò)大，邊界清晰，云系緊密結(jié)實(shí)，此時(shí)大暴雨中心持續(xù)出現(xiàn)82.9mm·h-1和56.3mm·h-1的強(qiáng)降雨；16 日08∶00—09∶00，防城港大部轉(zhuǎn)為一致的西南氣流控制，輻合線消失，對(duì)流云團(tuán)向西南方向移動(dòng)并減弱消失，降雨結(jié)束。

綜上分析，此次大暴雨的出現(xiàn)與地面輻合線、低層西南急流關(guān)系密切，初始對(duì)流的觸發(fā)與地面輻合線出現(xiàn)時(shí)間吻合，降雨減弱停止與輻合線和低空急流消失一致。暴雨成因機(jī)制是地面輻合線觸發(fā)初始對(duì)流，低空西南急流持續(xù)提供水汽和不穩(wěn)定能量，中尺度輻合線長(zhǎng)時(shí)間維持提供強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)條件，并不斷觸發(fā)新生成中小尺度對(duì)流回波，在西南氣流引導(dǎo)下不斷經(jīng)過暴雨區(qū)域形成列車效應(yīng)導(dǎo)致大暴雨產(chǎn)生。

6 模式誤差分析

6.1 中尺度數(shù)值模式預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

中國(guó)中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式（CMA-MESO）、華東區(qū)域中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式（CMA-SH）和華南區(qū)域中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式（CMA-GD）三家中尺度降水?dāng)?shù)值模式都沒有預(yù)報(bào)出此次防城港十萬山區(qū)局地大暴雨過程，GUANGZHOU_HR 預(yù)報(bào)這一帶有中雨到大雨，相對(duì)其它模式效果較好，有一定的參考價(jià)值，但量級(jí)仍相差比較大。

6.2 ECMWF_HR 大尺度環(huán)流形勢(shì)誤差

實(shí)際預(yù)報(bào)工作中，預(yù)報(bào)員參考環(huán)流形勢(shì)預(yù)報(bào)主要以ECMWF_HR 大尺度模式為主，且習(xí)慣用前一天20 時(shí)ECMWF_HR 資料來分析第二天天氣，因此檢驗(yàn)ECMWF_HR 模式48h 預(yù)報(bào)誤差更符合實(shí)際業(yè)務(wù)。從ECMWF_HR 模式6 月14 日20 時(shí)起報(bào)6 月16 日最強(qiáng)降雨時(shí)段環(huán)流形勢(shì)主要系統(tǒng)與實(shí)況比較：（1）500hPa 西太平洋副熱帶高壓形態(tài)基本一致，都呈方頭狀，但西脊點(diǎn)偏西5 個(gè)經(jīng)度；（2）16 日02 時(shí)850hPa 孟加拉灣經(jīng)北部灣到廣西東部急流帶位置和形態(tài)基本也吻合，但范圍略偏廣偏北；16 日08 時(shí)急流帶東移和范圍明顯減小也基本預(yù)報(bào)出來。

7 結(jié)論

通過多角度對(duì)2021 年6 月16 日廣西防城港山區(qū)一次局地大暴雨過程進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

（1）降雨具有突發(fā)性強(qiáng)，局地性明顯，小時(shí)雨強(qiáng)強(qiáng)，雨帶呈西南-東北向，強(qiáng)降雨主要出現(xiàn)在頭日凌晨到次日早上等特征。

（2）暴雨過程不缺乏水汽和能量，但大尺度環(huán)流背景條件弱，僅有低層西南急流存在，環(huán)境場(chǎng)上升運(yùn)動(dòng)非常弱，給這次大暴雨量級(jí)降水預(yù)報(bào)帶來非常大挑戰(zhàn)。

（3）局地大暴雨的出現(xiàn)與地面輻合線、低層西南急流關(guān)系密切，初始對(duì)流的觸發(fā)與地面輻合線出現(xiàn)時(shí)間吻合，降雨減弱停止與輻合線和低空急流消失一致。

（4）此次暴雨過程成因機(jī)制是地面輻合線觸發(fā)初始對(duì)流，低空西南急流持續(xù)提供水汽和不穩(wěn)定能量，中尺度輻合線長(zhǎng)時(shí)間維持提供強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)條件，并不斷觸發(fā)新生成中小尺度對(duì)流回波，在西南氣流引導(dǎo)下不斷經(jīng)過暴雨區(qū)域形成列車效應(yīng)才導(dǎo)致大暴雨產(chǎn)生。

（5）ECMWF_HR 模式基本預(yù)報(bào)出過程大尺度環(huán)流形勢(shì)，但目前各家數(shù)值模式包括主觀訂正都很難預(yù)報(bào)出這類突發(fā)性局地大暴雨，主要原因還是中小尺度系統(tǒng)難以預(yù)報(bào)。因此，在業(yè)務(wù)中對(duì)這類暴雨的預(yù)報(bào)目前只能加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，利用高分辨資料如地面加密自動(dòng)站和雷達(dá)風(fēng)廓線等資料通過中尺度分析或天氣學(xué)診斷做好短時(shí)臨近預(yù)報(bào)服務(wù)。