一次盛夏極端暴雨中尺度特征分析及模式檢驗(yàn)

摘 要：2023年8月1—5日受連續(xù)強(qiáng)降雨影響，舒蘭市金馬鎮(zhèn)、開原鎮(zhèn)和七里鄉(xiāng)等地出現(xiàn)洪水漫灌、部分橋梁垮塌、道路受損等險情，大量農(nóng)田受災(zāi)。利用MICAPS常規(guī)資料、國家級自動站與區(qū)域加密自動站逐小時降水資料、多種數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品、FY4G風(fēng)云衛(wèi)星產(chǎn)品、多普勒天氣雷達(dá)探測產(chǎn)品等探測資料，對此次極端暴雨天氣過程進(jìn)行了中短期分析、中尺度分析，衛(wèi)星圖像和雷達(dá)圖像分析。結(jié)果表明：多尺度多系統(tǒng)之間作用產(chǎn)生了強(qiáng)的北部中尺度切變，穩(wěn)定的大尺度環(huán)流決定了切變位置；冷渦與副熱帶高壓后部暖濕空氣匯合產(chǎn)生能量鋒區(qū)，產(chǎn)生強(qiáng)迫抬升，切變與急流交匯處集中了大量級降水；地面輻合線是此次對流的中尺度觸發(fā)機(jī)制；較好的能量和整層高濕高能的條件，為短時強(qiáng)降水提供有利環(huán)境。

關(guān)鍵詞：極端降水；中尺度，模式檢驗(yàn)；暴雨

中圖分類號：P458.121.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–00-03

暴雨雖由不同天氣尺度系統(tǒng)的相互作用產(chǎn)生，但一般產(chǎn)生暴雨尤其是極端暴雨的天氣系統(tǒng)為中尺度對流系統(tǒng)[1]。中尺度系統(tǒng)直接啟動強(qiáng)對流系統(tǒng)，大尺度系統(tǒng)又對中尺度系統(tǒng)提供環(huán)境條件，地面中尺度低壓是輻合維持和水汽集中的重要機(jī)制，其中，尺度特征及形成機(jī)制等都是值得研究的問題。著重分析了極端強(qiáng)降水的中尺度特征和條件，檢驗(yàn)了不同數(shù)值模式，提高對此類暴雨過程的認(rèn)識，為此類暴雨預(yù)報提供參考。

1 降水實(shí)況及特點(diǎn)

受臺風(fēng)“杜蘇芮”殘余水汽北上和副熱帶高壓后部切變的共同影響，吉林市出現(xiàn)了入汛以來最強(qiáng)一場區(qū)域性暴雨，2023年8月1—5日平均降水量為59.6 mm，

位列全省第一。各地區(qū)累計(jì)降雨量如下：舒蘭114.5 mm，

蛟河67.0 mm，樺甸66.5 mm，吉林37.9 mm，永吉34.8 mm，

磐石28.9 mm。全市出現(xiàn)累計(jì)降水量＞250 mm有3站，

100.0～249.9 mm有20站，50.0～99.9 mm有76站。過程降水量最大的站點(diǎn)出現(xiàn)在舒蘭永勝林場，累計(jì)降水量為501.1 mm，為全省第一，遠(yuǎn)超歷史極值。3 d累計(jì)雨量超過常年汛期總量，超過全年降雨量的70%。小時雨強(qiáng)最大站出現(xiàn)在舒蘭金馬鎮(zhèn)，累計(jì)降水量為

95.7 mm。極端強(qiáng)降水站點(diǎn)落區(qū)均在舒蘭市東部。

此次降水范圍廣，持續(xù)時間長，維持3 d以上，降水梯度較大，呈東多西少，北多南少，強(qiáng)降水中心位于舒蘭市東部山區(qū)。7站次出現(xiàn)小時雨強(qiáng)＞50 mm短時強(qiáng)降水，3站次出現(xiàn)小時雨強(qiáng)＞70 mm短時強(qiáng)降水。強(qiáng)降雨時段集中，出現(xiàn)在傍晚到前夜，具有明顯的階段性的日變化特點(diǎn)。8月2日17：00～22：00降水量超過150 mm；3日17：00～22：00降水量超過240 mm；2次強(qiáng)降水量占總降水的78%。雨帶穩(wěn)定，雷達(dá)回波呈現(xiàn)“列車效應(yīng)”，最強(qiáng)的兩段降水落區(qū)重復(fù)，導(dǎo)致局地極端性強(qiáng)，致災(zāi)性強(qiáng)。

2 成因分析

2.1 環(huán)流背景

此次極端降水由多尺度多系統(tǒng)共同作用下發(fā)生的。2023年8月1日08：00過程發(fā)生前，歐亞大陸呈兩槽一脊形勢，吉林省受副熱帶高壓外圍控制，位于584 dagpm和588 dagpm線之間。20：00，副熱帶高壓西伸增強(qiáng)西脊點(diǎn)位于80°E以西，中心值達(dá)592 gpm，副熱帶高壓南部有臺風(fēng)北上，將使副熱帶高壓收縮減弱。隨著時間的推移，大興安嶺以北的冷渦逐漸加強(qiáng)，冷渦西部的橫槽集聚了冷空氣，緩慢旋轉(zhuǎn)東移。8月2日08：00，588 dagpm線已南退至吉林省外，降水逐漸開始。8月2日20：00，副熱帶高壓加快速收縮，西南急流逐漸加寬加強(qiáng)，帶來暖濕空氣，吉林省處于暖區(qū)，北部有高空槽影響，槽后脊不斷發(fā)展加強(qiáng)，東北風(fēng)加強(qiáng)，源源不斷地帶來冷空氣。冷空氣與副熱帶高壓外部西南急流帶來的暖濕空氣在黑龍江和吉林兩省交界處交匯，兩股強(qiáng)盛氣流使斜壓性增強(qiáng)，形成了穩(wěn)定少動的切變，抬升運(yùn)動顯著加強(qiáng)，降水區(qū)正位于西南急流頭部和北部切變的交匯處。8月3日降水區(qū)受暖鋒控制，暖區(qū)中存在中尺度輻合，8月4日轉(zhuǎn)為冷鋒后部，中尺度對流系統(tǒng)后部的入流作用是中尺度低壓槽的形成

原因。

2.2 中尺度分析

2023年8月2日20：00的中分析來看，500 hPa有弱冷空氣，全區(qū)底層水汽條件好且伴有切變，中低層明顯的西南氣流將暖濕空氣輸送至北部切變線附近，切變線自低層到高層向暖區(qū)略有傾斜。8月3日20：00，

高空冷空氣下沉形成干線，相較于前日高層有明顯的大風(fēng)速帶呈輻散，干冷空氣從西北部入侵黑龍江和吉林交界，斜壓性增強(qiáng)，中低層有多個層次的暖脊配合，低層呈現(xiàn)高溫高濕的狀態(tài)，上干冷下暖濕，有利于強(qiáng)對流的發(fā)生，北側(cè)暖切變穩(wěn)定維持，有利于水汽的積聚以及觸發(fā)不穩(wěn)定能量。

8月4日20：00，整層水汽較好，700 hPa也可以分析出較飽和水汽，西北部有高空槽，槽后有較強(qiáng)干冷空氣入侵，鋒生效果明顯，低層有暖濕空氣，降水區(qū)由暖鋒變?yōu)槔滗h控制，地面有“人”字形切變線，觸發(fā)了強(qiáng)降水。此外，從散度場垂直剖面圖上可以看到，高層有明顯的輻散，底層有輻合，抽吸作用加強(qiáng)了上升運(yùn)動。高低空急流的耦合有利于上升運(yùn)動的維持和發(fā)展。

2.3 水汽條件

從相對濕度垂直剖面圖可以看出，整層大氣水汽很深厚，飽和水汽發(fā)展到200 hPa以上，配合了深厚的上升運(yùn)動。本地水汽充足，大氣可降水量達(dá)到70 kg/m2

以上，925 hPa比濕達(dá)到18 g/kg。水汽通道的建立，存在西南－東北向的水汽輸送帶，數(shù)值都在18 g/（hPa

·cm·s）以上，及時補(bǔ)充被強(qiáng)降水消耗的大量水汽，為暴雨發(fā)生提供了極好的水汽條件。

2.4 熱力條件

假相當(dāng)位溫能在一定程度上反映不穩(wěn)定能量的大小。當(dāng)?shù)蛯游粶厮教荻茸銐虼髸r，說明強(qiáng)水平能量峰區(qū)存在，有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展，水平梯度越大鋒生越強(qiáng)[2-5]。8月2—4日的假相當(dāng)位溫梯度大，并隨高度向東伸展，頭部位于兩省交界處，暖空氣強(qiáng)盛，等值線密集，斜壓性增強(qiáng)，鋒生顯著。垂直速度加快，發(fā)展迅速，并且十分深厚，對流有效位能在不同時次也有相應(yīng)的大值區(qū)對應(yīng)。

2.5 探測產(chǎn)品分析

2023年8月2日夜間，低空氣流頭部位于降水區(qū)南部，風(fēng)速有輻合，自降水區(qū)西部生成的低質(zhì)心回波，沿切變線不斷東移，形成“列車效應(yīng)”影響北部地區(qū)，探空圖上來看，整層水汽近飽和，并伴有一定能量，底層風(fēng)場存在較強(qiáng)暖平流，形成了1條帶狀中尺度對流系統(tǒng)，19：00開始舒蘭市東部受其影響出現(xiàn)了

90 mm/h以上的強(qiáng)降水。19：00～22：00持續(xù)新生的對流單體有序組織化排列，整體向東發(fā)展成水平尺度約100 km，呈東西走向的帶狀多單體風(fēng)暴，有明顯后向傳播。強(qiáng)度高于40 dBz的反射率因子在7 km高度以下，具有暖云降水的特征，質(zhì)心較低，有利于產(chǎn)生高效率的降水。

8月3日夜間，切變線東移南壓，低空急流加強(qiáng)，邊界層風(fēng)向?qū)χ胚叺牡孛嬷谐叨容椇暇€穩(wěn)定維持，雷達(dá)回波沿著切變線方向形成帶狀對流系統(tǒng)，帶狀云系中鑲嵌著多個對流單體，呈東西走向的多單體帶狀風(fēng)暴，后向傳播特征明顯。對流單體呈“列車效應(yīng)”不斷向東移動和發(fā)展，到達(dá)舒蘭東部形成超級單體，可以看到底層明顯弱回波區(qū)，質(zhì)心較高。8月4日夜間，冷空氣逐漸南壓形成切變，自西向東影響降水區(qū)，探空圖呈喇叭口形態(tài)，中層有干冷空氣侵入，CAPE值增大，雷達(dá)回波形成組織結(jié)構(gòu)更強(qiáng)的超級單體，吉林城郊站出現(xiàn)20.6 m/s的雷暴大風(fēng)。從雷達(dá)速度圖上可以看到，清晰的零速度線在低空呈反“S”形，入流急流和風(fēng)向輻合明顯。并且可以看到入流風(fēng)速的大值中心達(dá)到-32 m/s。

風(fēng)云4衛(wèi)星產(chǎn)品具較高的時空分辨率，是強(qiáng)對流天氣監(jiān)測和臨近預(yù)報的重要技術(shù)手段，通過衛(wèi)星云圖可以實(shí)時和預(yù)判中尺度對流系統(tǒng)的變化規(guī)律[6-7]。從

8月2日的風(fēng)云衛(wèi)星真彩云圖可以看到，云團(tuán)從初生發(fā)展到成熟階段約為2.0 h，成熟階段維持時間約為4 h，減弱消散期約為2 h（圖1）。云團(tuán)從初生到消亡的整個生命史平均約為8 h。云團(tuán)在發(fā)展過程中結(jié)構(gòu)密實(shí)，云團(tuán)范圍擴(kuò)大且強(qiáng)度發(fā)展快，形成較為強(qiáng)大的對流單體，此階段就會出現(xiàn)短歷時強(qiáng)降水。到成熟階段云團(tuán)強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，溫度遞減率增大，平均高度下降，云團(tuán)覆蓋面積達(dá)到最大，而且穩(wěn)定少動，短歷時強(qiáng)降水的范圍擴(kuò)大，云團(tuán)最強(qiáng)中心的云頂平均溫度在-50 ℃左右，最強(qiáng)發(fā)展到-60 ℃左右。到減弱消散階段云團(tuán)開始分解，強(qiáng)度迅速減弱，外輪廓呈絲縷狀，云團(tuán)結(jié)構(gòu)松散，降水迅速減少[8-11]。

圖1" 2023年8月2日18：00～22：00 FY4A真彩云圖變化（a）、18：00～21：00云團(tuán)覆蓋面積、溫度遞減率、高度、亮溫（b）

2.6 地形及前期降水影響

此次降水落區(qū)分布與地形聯(lián)系緊密，在東部長白山地形增幅作用的影響下，對流云團(tuán)被觸發(fā)，東移至山體被迫抬升，產(chǎn)生了對流。此次受災(zāi)較嚴(yán)重地區(qū)集中在北部的舒蘭市，受地形和河道等因素的共同影響，舒蘭市洪水致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，尤其是山谷中的平原地帶易于受災(zāi)。此外，前期雨量集中，從7月27—31日舒蘭市平均降水量為63.7 mm，土壤飽和，降水中心仍位于舒蘭市東部山區(qū)。此次降水雨強(qiáng)大，落區(qū)重復(fù)，產(chǎn)生疊加影響，增加山洪和中小河流風(fēng)險[12-14]。

3 模式檢驗(yàn)

模式檢驗(yàn)可以從模式預(yù)報穩(wěn)定性分析、模式對比檢驗(yàn)2個方面進(jìn)行分析。

從ECMWF預(yù)報2023年8月1日08：00、2日20：00、3

日08：00 3個時次起報的8月3日20：00的形勢場與實(shí)況對比來看，環(huán)流形勢預(yù)報比較穩(wěn)定，黑龍江和吉林交界處的槽脊及切變線位置偏北，隨著預(yù)報時次的刷新，略向南調(diào)整。但8月1日前的起報時次，平均降水量和極大值落區(qū)預(yù)報與實(shí)況存在一定差距。將降水

分成4個階段，選取ECMWF、CMA-GFS、CMA-TYM、

CMA-MESO、CMA-BJ、CMA-TRAMS共6家數(shù)值模式分別對落區(qū)，降水量級和極大值對比。對比結(jié)果表明，落區(qū)預(yù)報最好的是CMA-TRAMS，量級是CMA-GFS，極大值是CMA-MESO。此外，在強(qiáng)降水階段TYM綜合預(yù)報能力也較強(qiáng)，從前夏冷渦對流過程中各家模式的檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來看，中尺度模式對局地對流性極端降水預(yù)報能力相對較強(qiáng)。

4 結(jié)論

（1）持續(xù)的降水時間，充沛的水汽條件，深厚的上升運(yùn)動是此次區(qū)域暴雨的主要成因。穩(wěn)定少動的形勢也使得中尺度的降水落區(qū)重復(fù)，形成了局地的極端降水。大尺度環(huán)流系統(tǒng)有利于形成強(qiáng)天氣的環(huán)境條件：它不僅可以決定中尺度系統(tǒng)的種類和變化進(jìn)程，還可以影響中尺度云團(tuán)的組織結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和移動擴(kuò)展。中尺度系統(tǒng)的發(fā)展變化也對大尺度系統(tǒng)產(chǎn)生影響，兩者相互依賴、相互制約。

（2）冷渦與副熱帶高壓后部暖濕空氣匯合產(chǎn)生能量鋒區(qū)，產(chǎn)生強(qiáng)迫抬升，切變與急流交匯處集中了大量級降水。此次大暴雨過程的對流觸發(fā)機(jī)制如下：整個環(huán)境場存在高能、高濕條件，底層有東北風(fēng)與西南風(fēng)形成的輻合線，是對流觸發(fā)機(jī)制。低空急流入夜后開始加強(qiáng)，氣流遇山體輻合和地形增幅作用，上升運(yùn)動也有所加強(qiáng)，將輻合線穩(wěn)定維持在適宜的層結(jié)高度。中低層垂直風(fēng)切變較強(qiáng)，使對流能在較低的高度迅速發(fā)展，形成高組織化的對流云團(tuán)。

（3）臺風(fēng)外圍大量水汽隨著副熱帶高壓后部急流不斷輸送到降水區(qū)，能及時補(bǔ)充被強(qiáng)降水消耗的大量水汽。高低空急流的存在產(chǎn)生高層輻合底層輻散，使降水維持較長的時間。多尺度多系統(tǒng)之間作用產(chǎn)生了強(qiáng)的北部中尺度切變，穩(wěn)定的大尺度環(huán)流決定了切變位置。

（4）較好的能量，整層高濕高能的條件，中尺度輻合線觸發(fā)深厚的上升運(yùn)動，為短時強(qiáng)降水提供有利環(huán)境。

（5）極端的強(qiáng)降水難以預(yù)報，中尺度數(shù)值模式雖有一定指示意義，但極值的量級的把握仍存在較大偏差，應(yīng)在服務(wù)過程中不斷訂正預(yù)報結(jié)論，彌補(bǔ)模式的不足。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁一匯.中國暴雨理論的發(fā)展歷程與重要進(jìn)展[J].暴雨災(zāi)害，2019（5）：395-406.

[2] 黃娟，王米吉，唐明暉，等.湖南夏季2次暖區(qū)暴雨的對比分析[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2021，11（10）：51-54.

[3] 沈永生，卜銀軍，方曉潔，等.低空急流在福建山區(qū)暖區(qū)大暴雨發(fā)生發(fā)展中的作用研究[J].海峽科學(xué)，2024（1）：1-5，38.

[4] 張凌藝，曾進(jìn)，李育喬.2023年4月閩南沿海一次暖區(qū)暴雨過程中尺度分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2024（5）：135-138，146.

[5] 沈曉玲，馮博，李鋒，等.一次弱天氣背景下浙江局地暖區(qū)暴雨成因分析[J].氣象，2024，50（2）：170-180.

[6] 云天，楊紫超，孫妍，等.吉林省短時強(qiáng)降雨衛(wèi)星云圖特征分析[J].氣象災(zāi)害防御，2015，22（4）：1-5.

[7] 曲良璐，譚甜甜，王雨思.阿克蘇地區(qū)短時強(qiáng)降雨時空分布和衛(wèi)星云圖特征[J].陜西氣象，2022（1）：22-27.

[8] 錢憲，諶蕓，肖天貴.“8·12”隨州極端暴雨的中尺度特征分析[J].成都信息工程大學(xué)學(xué)報，2023，38（4）：450-458.

[9] 希熱娜依·鐵里瓦爾地，瑪依熱·艾海提，孟凡雪，等.南疆西部兩次極端暴雨中尺度特征對比分析[J].沙漠與綠洲氣象，2022，16（5）：47-55.

[10] 胡振菊，黎璐，黃小玉，等.一次典型東風(fēng)波極端暴雨的中尺度特征及地形影響分析[J].干旱氣象，2022，40（1）：73-83.

[11] 楊春，諶蕓，方之芳，等.“07.6”廣西柳州極端暴雨過程的多尺度特征分析[J].氣象，2009，35（6）：54-62.

[12] 農(nóng)孟松，董良淼，曾小團(tuán)，等.“070613”廣西柳州極端暴雨中尺度環(huán)境場特征和預(yù)報技術(shù)分析[J].氣象研究與應(yīng)用，2008（S2）：5-7，15.

[13] 吳古會，彭芳，齊大鵬，等.貴州一次輻合線鋒生極端暴雨過程的中尺度特征分析[J].干旱氣象，2023，41（5）：753-763.

[14] 張桂蓮，仲夏，韓經(jīng)緯，等.內(nèi)蒙古中西部地區(qū)一次極端大暴雨特征分析[J].干旱氣象，2018，36（1）：17-26.

收稿日期：2024-06-19

作者簡介：段家月（1991—），女，吉林扶余人，工程師，研究方向?yàn)槎唐谔鞖忸A(yù)報。