2014年春末華南一次暖區暴雨的成因初探及數值預報檢驗

林修棟，于 超，張芳華，王 冰，王培濤

(1.山東省石島氣象臺，山東 石島 264309；2.國家氣象中心，北京 100081；3.山東省煙臺市氣象局，山東 煙臺 264003；4.山東省濱州市氣象局，山東 濱州 256600)

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2014年春末華南一次暖區暴雨的成因初探及數值預報檢驗

林修棟1，于 超2，張芳華2，王 冰3，王培濤4

(1.山東省石島氣象臺，山東 石島 264309；2.國家氣象中心，北京 100081；3.山東省煙臺市氣象局，山東 煙臺 264003；4.山東省濱州市氣象局，山東 濱州 256600)

利用常規氣象觀測資料、自動站加密觀測資料和NCEP 1°×1°逐6 h的再分析資料以及衛星云圖、雷達探測資料，對2014年5月8—10日華南暖區暴雨過程的成因進行了初步探討，同時對這次暴雨過程的EC、T639、JAPAN模式的預報性能也進行了檢驗等，結果表明：①邊界層西南急流、東南風急流造成的強烈輻合與廣東珠三角地區的強降水關系密切；②在有利的天氣尺度環境條件下，相繼發展的MCS具有明顯的Back-Building特征，MCS的低質心結構表明對流系統具有明顯的熱帶季風暖云對流性質，具有極高的降水效率，有利于造成局地較高的累積降水量；③數值模式對影響系統及降水量級的預報存在一定偏差，尤其對強降水落區和強度的預報仍需進一步訂正，預報員受數值模式預報結果影響，對暴雨和大暴雨在華南中東部存在明顯的空報。對8日的暴雨過程的中尺度數值模擬表明，降水物理方案的選擇對于暖區對流系統的發生發展影響明顯，試驗結果表明在采用WM6的微物理方案下，母網格采用Grell對流參數化方案的Run02試驗降水模擬結果最為理想，一定程度上反映了暖區對流系統演變狀況。

華南暖區暴雨；MCS；LLJ；數值模式檢驗

1 引言

華南暖區暴雨一般是指發生在地面鋒面南側暖區里或是南嶺附近至南海北部沒有鋒面存在，華南沒有受冷空氣或變性冷高脊控制時產生的暴雨。20世紀70年代末開展的華南暴雨實驗研究肯定了華南前汛期暴雨和大暴雨主要是暖區暴雨的觀測事實[1]。經過多年的研究，人們對華南暖區暴雨的認識逐漸深入，所取得的研究成果為更加準確地預報此類暴雨事件提供了依據。如從影響系統的角度出發，華南的預報員常把暖區暴雨分為3類：①“回流暴雨”，即由變性冷高脊后部氣流輻合或暖濕切變引起的暴雨；②由強西南季風爆發或強西南急流引起的暴雨；③由高空槽前和副熱帶急流共同作用引起的暴雨等。針對這些不同類型暴雨形勢及成因進行分析和研究所取得的成果，已成為目前暴雨預報的重要依據[2]。

暖區暴雨的形成與中尺度對流系統MCS的活動關系密切， 大多是由中β尺度對流系統直接影響造成的。馬禹等[3]在對1993—1995年我國夏季中尺度對流系統活動進行普查分析時發現，期間中β尺度對流系統的個數比中尺度對流系統個數多一倍以上。因此相對于中α尺度對流系統來說，中β尺度對流系統的活動對我國暴雨有著更重要的作用。目前針對這些直接引發暴雨的中β尺度對流系統的研究已成為暴雨研究中一項十分重要的內容[4]，這些中β尺度對流系統的形成，除了有利的大尺度環境條件之外，與地形、邊界層過程(如重力流、中尺度輻合線、露點鋒、海陸風)、中尺度重力波等的觸發作用有著更密切的關系[5-6]，其中一部分影響因子在數值模擬實驗中得到了驗證[7]。對MCS的觸發和組織機制的研究方面，多數成果都強調了低空西南急流(LLJ)、對流不穩定、對流凝結加熱的重要作用[8]，蒙偉光等[9]認為MCS造成的潛熱加熱對于中低層渦旋的形成具有決定性作用，并通過位渦反演進行了定量分析。此外，陳敏[10]等研究指明華南地區至少存在有鋒面對流系統、鋒前暖區對流系統兩類中尺度暴雨對流系統，但兩者在發展機制上也存在明顯差異[11]。

2014年5月8—10日，在多種天氣系統作用下，我國江南、華南地區出現一次大范圍的強降雨過程，針對此次過程的業務數值模式預報和主觀預報都出現了一定偏差。華南地區受到鋒面、LLJ、低層切變線等多種尺度天氣系統的共同作用，同時受到復雜的中尺度地形、海陸分布等外界因素影響，具有極大的預報難度和研究價值。本文利用常規氣象觀測資料、自動站加密觀測資料和NCEP1°×1°逐6 h的再分析資料以及衛星云圖、雷達探測資料，重點分析此次過程中中尺度對流系統的演變特征和天氣尺度的環境條件，包括與強降水相關的MCS活動特征、強對流發生前后雷達顯著特征、水汽條件分析等，初步總結此次強降雨過程成因。同時，從業務預報需要出發，針對此次暖區暴雨過程中EC和T639模式預報性能進行了檢驗分析，并利用中尺度數值模擬檢驗了暖區暴雨對于降水物理過程的敏感性。

2 天氣實況

2014年5月8—10日，華南地區出現大范圍強降雨天氣，該過程覆蓋范圍廣、持續時間長、累積降雨量大、局地降雨強度強，其中，廣西東部、廣東西北部和南部降雨量為100～200 mm，廣東中部沿海部分地區、廣西東北部局地有250～350 mm，廣東深圳、中山、珠海、江門和陽江局地達400～600 mm，江門臺山市端芬鎮達834 mm。此外，局地降雨強度強，其中汕尾5月8日降雨180 mm，為該站歷史5月日雨量第6位；5月10日，廣東省臺山市上川島降雨272.9 mm，突破該站歷史5月日雨量極值[12]。

3 天氣尺度系統分析

3.1 暴雨主要影響系統

2014年5月7—8日，華南西部的200 hPa高空槽快速東移入海，從8日起，青藏高原東部上空200 hPa又生成一個新的高空槽，此后該槽緩慢東移，8日20時，該高空槽移至廣西上空，至10日14時，該槽緩慢東移至粵西地區，華南中東部地區始終處于槽前輻散區域中，此后該高空槽快速東移，整個華南地區轉為槽后西北氣流控制。南亞高壓位置較典型華南前汛期南亞高壓位置偏南，華南地區整體仍然處于西風帶控制下。500 hPa上副熱帶高壓脊線位于南海中部，與歷史同期相比較為偏南，西脊點位置較為偏西，整體不太利于西南季風的爆發(圖略)。

在西風帶控制下，華南地區上空氣流相對平直，500 hPa短波槽活動頻繁，從天氣尺度上還是有利于低層暖濕氣流的增強。8日起隨著高空短波槽從華南西部東移，低層切變線北抬到江南中部，華南地區低空始終處于偏南氣流控制下，降雨具有明顯的暖區暴雨性質。從850 hPa的θse分析，華南中南部已經高于季風指標定義的340 K，表明西南氣流具有高水汽含量以及內在的對流不穩定屬性，有利于華南地區水汽輸送，并出現具有高降水效率的熱帶季風性質對流。從陽江單站低層探空風速的時間演變看，8日下午850 hPa和925 hPa低空急流也同時開始加強，在急流其出口區的右側強降雨也幾乎同步加強，陽江站(由于陽江站降水資料缺測，以離其最近的恩平站代替)6 h雨量達120 mm以上(圖1a)。在整個過程期間，低層LLJ雖然在最大風速上有一定波動，但低層顯著的暖濕平流輸送條件始終沒有發生大的變化(圖略)，高θse的氣流輸送導致的水汽輸送、局地對流不穩定性的增強都有利于暖區中對流系統的發生發展，最終導致持續性暴雨出現。

3.2 水汽條件分析

LLJ的建立機制相對復雜。從天氣尺度系統分析，隨著短波槽東移發展，與副高之間氣壓梯度增強，有利于LLJ的建立。從8日20時地面氣壓場可見(圖略)，在云貴桂三省交界高原山地地區，在日間輻射加熱作用下，地面出現了明顯的熱低壓系統，在熱低壓東部邊緣氣壓梯度增強，也有利于LLJ的形成。

低空急流(LLJ)加強有利于低空水汽輸送和輻合生成，有利于強降雨的發生發展。圖3表明廣東南部LLJ在8日14時建立，20時達到最強。由廣東陽江和深圳(探空資料采用香港站)850 hPa和925 hPa風速與其后6 h降水量可知，8日14—20時，陽江850 hPa風速迅速增大到16 m·s-1，925 hPa風速增大到12 m·s-1，同一時段深圳站850 hPa風速迅速增大到14 m·s-1，925 hPa風速增大到12 m·s-1,在上述風速增大過程中，降雨也相應加強，風速減小，降雨強度也減弱。925 hPa上廣東中南部沿海地區出現西南、東南兩支急流匯合造成強烈輻合，由此引起的低層抬升對廣東中東部沿海區域性暴雨的產生有關鍵作用。

從絕對水汽條件看，8日14時兩廣大部區域的850 hPa比濕都>12 g·kg-1(圖2a)，整層可降水含量>40 mm，沿海地區>55 mm。在強盛的西南氣流持續水汽輸送作用下，兩廣地區一直保持較高的整層可降水含量。從水汽動力條件看，8—9日來自南海和中南半島的兩支西南氣流，在華南中南部地區產生較強的水汽通量輻合，持續時間較長，有利于產生持續性暴雨。分析區域平均的水汽通量散度垂直分布的時間演變特征發現(圖2b)，水汽通量輻合集中在850 hPa以下，中心在975 hPa，強度達-3×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，持續的水汽輸送和輻合為暴雨的產生提供了充沛的水汽條件。

圖1 恩平(a)和深圳(b)5月8日14時—9日08時850 hPa、925 hPa風速及其后6 h雨量Fig.1 a and b respectively are wind speed of 850 hPa and 925 hPa and Rainfall in 6 hours later of Enping and Shenzhen from 2 p.m. on May 8th to 8 a.m. on May 9th

圖2 8日14時850 hPa比濕(實線，單位：g·kg-1)與風場(a)，陰影區為整層可降水含量(單位：mm)；區域平均(107～119°E，19～25°N)水汽通量散度(b)(單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)垂直分布隨時間的變化Fig.2 a is the specific humidity (real lines, unit: g·kg-1) and wind field at 2 p.m. on 8th，Shadow zone is the precipitation of entire layer(unit: mm)；b is change of the vertical distribution of regional average divergence of moisture flux (unit: 10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)as time

4 MCS活動特征分析

4.1 MCS紅外云圖特征

8日對流活動自午后13時00分開始爆發(圖4a)，持續性發展MCS激發的地點有3處，一處從兩廣交界附近的十萬大山附近開始迅速發展，其余兩處位于廣東沿海。從兩廣交界處的發展的MCS-A1在東移動過程中迅速發展，其水平尺度迅速增大，并與附近激發的中β尺度的MCS有合并過程。8日20時對流系統到達廣東東部，具有明顯的近圓狀冷云云頂，其外圍尺度接近MCC的水平，組織方式具有明顯的Back-Building特征。該MCS的生命史極長，東移入海以后還延續了相當長的時間。

圖3 MCS移動路徑和華南區地形Fig.3 MCS mobile path and the topography of Southern China

9日03時(圖4b)，MCS-A1主體已經移出廣東到達海面，廣東珠江口附近的降水基本停止。受到MCS-A1后部冷池出流影響，從珠江口西岸到近海出現一系列中β尺度的MCS，構成明顯的弧狀對流線，其中在珠江口附近的對流系統MCS-A2發展最快，持續時間也較長，該MCS的組織特征具有也明顯的Back-Building特征，其系統中心在珠江口西部停滯長達8 h，造成珠江口西岸的強降雨，MCS-A2在9日夜間后減弱并緩慢南壓，9日22時左右趨于結束。

圖4 8日13時(a)和9日03時(b)紅外云圖Fig.4 a and b respectively are Infrared cloud image at 1 p.m. on 8th and at 3 a.m. on 9th

10日08時，華南大部地區位于200 hPa槽后，受大尺度下沉氣流影響，對流發展受到抑制，華南大部地區以淺薄對流為主，沒有出現強的降水。10日14時之后華南地區轉受200 hPa高空急流出流區輻散氣流控制，廣東陽江附近又開始有局地對流開始發展(圖5a-b)，造成陽江局地出現了186 mm的單日累積降水。11日早上冷鋒自江南地區南下，當冷鋒尾部進入廣西后，受到高空槽系統影響，廣西北部低層有低渦生成，伴隨MCS迅速發展并向東移動。對流系統進入廣東后有一定減弱趨勢；隨著鋒面接近，鋒區暖區中廣東西南部沿海的對流開始活躍，從陽江附近逐步東移的MCS發展較快，并逐步取代了減弱的鋒面對流系統(圖5c)；到了11日17時，在廣東南部沿海出現的較強的MCS-A3(圖5d)，入夜以后MCS-A3逐漸減弱消亡。

4.2 MCS形成強降雨的成因

Doswell(1996)分析了構成暴洪的MCS特征[13]，指出總降雨量實質是降雨效率與系統持續時間的乘積。對于相繼發生發展并影響珠江口地區的MCS-A1、MCS-A2、MCS-A3而言，系統整體移動的速度都相當慢，在局地停留的時間較長，每個MCS都形成了較大的降水量。從MCS-A1的成熟期反射率因子剖面圖分析(圖略)，對應30 dBz的回波頂高一般不超過5 km，低質心型分布的對流具備顯著的熱帶降水性質，對流單體的降水效率極高，觀測表明線狀對流附近的降水強度可能高達50～90 mm，1～2 h就能夠形成暴雨或者大暴雨。

強降水的形成不但依賴于對流系統移動，也依賴于對流系統的內部結構。具體到每個單獨MCS，組織結構中的MBE具有最高的降水效率，當MCS中的MBE形成與海岸線平行的線狀對流結構后，對流線中的多個MBE相繼穩定東移經過珠江口周邊地區，對提高總降雨量起到關鍵性作用，這在成熟階段的MCS-A1、MCS-A3、陽江附近的暖區對流系統中都表現的相當顯著。梁巧倩(2002)針對華南地區的MCS統計分析也表明[14]，在華南地區形成強降雨的對流系統多以線狀對流系統為主。

5 模式與QPF預報檢驗分析及中尺度數值模擬

5.1 模式與QPF預報檢驗

以8日20時—9日20時較強降雨時段的降水預報為例，QPF主觀預報的暴雨區較實況降水量明顯偏大，而對珠三角地區的大暴雨區預報量級偏弱(圖略)；EC模式對珠三角地區的大暴雨中心有所體現但量級偏弱，對廣東東部沿海的暴雨預報量級偏弱(圖略)；T639和JAPAN模式對強降水中心預報存在較大偏差，量級明顯偏弱(圖略)。

圖5 10日08時(a)500 hPa探空與10日16時云圖，10日20時(b)850 hPa探空與11日02時紅外云圖，11日08時(c)500 hPa探空云圖，11日08時(d)850 hPa探空與11日17時云圖Fig.5 a)500 hPa upper-air observations at 8 a.m. on 10th and satellite images at 4 p.m. on 10th，b)850 hPa upper-air observations at 8 p.m. on 10th and satellite images at 2 a.m. on 11th，c) 500 hPa upper-air observations and satellite images at 8 a.m. on 11th，d) 850 hPa upper-air observations at 8 a.m. on 11th and satellite images at 5 a.m. on 11th

對850 hPa風場預報進行檢驗(圖略)發現，T639、EC模式對陽江和深圳站的風速預報均比實況偏弱4 m·s-1,且預報深圳站為西南風，而實況為東南風，從而導致輻合區存在嚴重誤差，對降水預報有較大的影響。對925 hPa風場預報的檢驗結果與850 hPa預報結果類似，對廣東中南部的輻合區預報效果較差。

5.2 中尺度數值模擬

利用WRFV3.5.1模式，對7日20時—9日08時之間的降水過程進行中尺度數值模擬，模式模擬采用三重雙向嵌套，最細分辨率為4 km。從模擬采用的4 km地形看(圖略)，對應觸發對流有關鍵作用的兩廣交界處的云開大山、云霧山脈，已有了足夠的細節表現，但陽江附近的小尺度地形，4 km的模式分辨率還不足以體現。數值模擬時段對應于MCS第1次爆發期間，重點分析中尺度數值模式在反映從8日中午前后的對流觸發、入夜后MCS在珠江口附近組織發展的狀況表現。模式主要參數、對流參數化和微物理過程方案的選擇如表1、表2所示。微物理過程(MP)：1=Kessler scheme，2=Lin et al. scheme，5=Ferrier (new Eta) microphysics，6=WSM 6-class graupel scheme。對流參數化(CU)：1=Kain-Fritsch (new Eta)；2=Betts-Miller-Janjic scheme；3=Grell-Freitas ensemble scheme

表1 模式的主要參數

表2 數值模擬試驗使用的物理方案

8日08時—9日08時在廣東河源—龍川一帶、沿海地區出現了兩條主要的暴雨帶，其中廣東恩平(207 mm)、汕尾(180 mm)出現了極大降雨中心。采用表2所示5種方案進行模擬的結果顯示(圖6)，雖然4 km-WRF模式對雨強和落區的表現不盡相同，但都不同程度體現了對于兩條強降雨帶的模擬能力，由此可見，對于暖區強降水，具有較高分辨率的中尺度模較全球模式可能具備一定優勢。

由于采用雙向嵌套方案，4 km網格的降水結果顯然應主要受微物理過程影響，但模擬結果表明在其他物理過程一致的情況下，母網格對流參數化方案也能夠在相當大的程度上影響細網格的模擬結果，這顯然與母網格的對流參數化方案的水汽、熱量調整處理方法以及通過細網格邊界的平流過程直接相關。從同樣采用WM6微物理方案的Run00-Run01-Run02方案看，其中在母網格KF和Grell方案影響下的降水結果較為接近，而母網格BM方案導致在細網格有較強的降水量出現，產生了較大范圍的200 mm以上的強降水帶，位置也相對偏北一些，與實況相比顯然屬于相對虛假的降水。

圖6 4 km-WRF 5種不同方案數值模擬8日08時—9日08時累積降水Fig.6 Five different schemes numerical simulation of 4 km-WRF Model for accumulated precipitation from 8 a.m. on 8th to 8 a.m. on 9th

從微物理過程對比的角度分析，采用WM6微物理方案的Run00-Run01-Run02、采用Kessler暖云微物理方案的Run03在模擬結果中均在珠江口附近出現超過200 mm的降水，kessler方案超過200 mm的降雨范圍過大，高估了降水量，但降水帶的位置與實況分布較為一致。采用Ferrier方案的Run04試驗最大降水量為100 mm左右，顯然是低估了降水量，降水帶位置也偏在珠江口西側，整體上是效果最佳的模擬結果。綜合數值試驗結果來看，針對8日的暖區暴雨過程，在采用WM6的微物理方案下，母網格采用Grell方案的Run02試驗模擬結果最為理想。

圖7 8日14時(a)、8日20時(b)Run02試驗組合反射率Fig.7 a is the combinatorial reflectance of Run02 test at 2 p.m. on 8th，b is combinatorial reflectance of Run02 test at 8 p.m. on 8th

從Run02的模擬結果看(圖7)，8日午后14時有若干對流系統首先在廣東西南部云霧山附近觸發，在東移過程中增強較為明顯，與其它相對小尺度MCS有合并增強過程。8日20時MCS移動到珠江口，其組織結構具有明顯的Back-Building特征，因此模式還是一定程度上反映了實際MCS的演變過程，其結果有待于進一步分析。

6 結論及討論

6.1 結論

①8—10日的強降雨過程發生在華南前汛期季風接近爆發之時，具有典型的暖區暴雨性質。

②此次強降雨過程中有3次較為清楚的MCS發生發展過程，由于低層LLJ或者邊界層LLJ的維持，保證了環境場上大尺度水汽輸送以及對流不穩定能量的維持；MCS的發展具有明顯的Back-Building特征，低質心的暖云對流結構表明降水具有明顯的熱帶季風對流降水性質，具有極高的降水效率，有利于造成局地較高的累積降水量。

③數值模式對影響系統及降水量級的預報存在一定偏差，尤其對強降水落區和強度的預報仍需進一步訂正；預報員受模式影響，對暴雨和大暴雨在華南中東部存在明顯的空報；對8日的暖區暴雨過程，中尺度數值模擬表明Grell對流參數化方案下降水模擬結果最為理想，一定程度上反映了暖區對流系統的演變特征。

6.2 討論

廣東珠三角及東部沿海的暴雨和大暴雨落區和強度難以把握。此次過程中，華南中南部高層不斷有短波槽東移，中低層則處于切變系統南側的偏南氣流控制下，這種暖區內暴雨強度和落區的預報難度較大。基于本文的分析及結論，對業務預報改進提出以下建議：

①加強對數值預報天氣形勢分析和應用。從本次大暴雨過程數值模式的應用情況來看，EC和T639模式對中高緯大氣環流形勢和副高位置的預報與實況較為接近，但對低層風場的預報存在偏差。因此需檢驗數值模式預報的穩定性，加強多模式的比較分析，利用實況場及時訂正環流形勢、風場、物理量場與降水落區、強度預報。

②進一步加強中尺度數值模式產品的應用。相對于低分辨率全球模式，4 km-WRF中尺度模式對5月8日強降水過程的暴雨量級、落區預報有一定的指示意義，不同的參數化方案和微物理過程的選取會得到不同的結果，因此，在今后類似的強降水預報服務中，應加強對中尺度數值模式的應用，并及時改進調整模式的參數化方案，提高模式的降水預報能力。

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Preliminary analysis of cause and numerical forecast verification of a warm zone rainstorm occurred in South China from May 8thto 10th

LIN Xiudong1，YU Chao2，ZHANG Fanghua2，WANG Bing3，WANG Peitao4

(1.Meteorological Bureau of Shidao of Shandong Province, Weihai 264309, China；2.National Meteorological Center,Beijing 100081, China；3.Meteorological Bureau of Yantai，Yantai 264003, China；4.Meteorological Observatory of Binzhou，Binzhou 256600, China)

From May 8th to 10th，a large area heavy rain appeared in South China，which covered large area，lasted long time，had local rainfall intensity and had the obvious rainstorm characteristics of warm area. The rainstorm of warm area was directly related to multiple successive development of mesoscale convective system (MCS) activity. From 8thto 9th，short wave disturbance in middle and high altitude went through the area of Southern China，southwesterly flowed in low altitude enhanced，of which the humidity increased significantly in the boundary layer for the warm and moist advection transported，convective instability enhanced，was conducive to the development of convection system in warm zone. During the period from afternoon to night on 10th，South China was controlled by divergent flow in upper westerly jet exit region，convection in warm zone near Yangjiang and in front of the cold front were significantly developed. Synoptic analysis indicated that the strong convergence caused by southwesterly and southeasterly jet in boundary was closely related to the heavy rainfall in Guangdong Pearl River Delta region. Under the favorably synoptic environment condition，satellite and radar observations indicated obviously Back-building characteristics of successive development of MCS. Low barycenter fabric of MCS indicated that convection system had obvious tropical monsoon warm cloud convection nature，which had a very high precipitation efficiency and was conducive to result in higher local accumulation of precipitation. Numerical model had a level of bias to forecast precipitation and affecting systems，in particular，the prediction of strong precipitation area and intensity needed further correction；There was obvious false alarm for the prediction of storms and heavy rain making by forecasters whom were influenced by numerical model in the central and eastern of Southern China. Mesoscale numerical simulation for the storm on 8th indicated that the development of convection system in warm area was significantly affected by the Selection of precipitation physics program. The results show that Run02 rainfall simulation experiment mother grid using Grell convective parameterization scheme was most ideal，and to a certain extent reflected the evolution in warm area convection system status in the case of micro-physics program WM6.

Warm zone rainstorm; MCS; upper trough; low-level jet

1003-6598(2016)04-0044-08

2016-03-05

林修棟(1983—)，男，助工，主要從事天氣預報、防災減災服務等工作，E-mail:441833302@qq.com。

中國氣象局氣象關鍵技術集成與應用項目“氣象預報科研業務結合”(CMAGJ2013ZX-ZH1)資助。

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