一次燕山南麓局地大暴雨的成因分析及數值預報檢驗

崔粉娥 暢巨崢2 燕成玉 張晨宇

（1 河北省秦皇島市氣象局，秦皇島 066001；2 河北省青龍滿族自治縣氣象局,秦皇島 066500）

0 引言

致災暴雨一直是廣大氣象工作者關注的重點[1-3]。大范圍對流性暴雨多數是由中尺度對流系統或中尺度對流復合體而產生[4-5]，由對流風暴引起的強天氣很容易漏報而成為眾多學者關注和研究的重點[6-16]。而對數值預報產品進行評估、檢驗，是數值預報產品在實際預報業務中有效應用，提高天氣預報準確率的途徑之一。許多學者從不同角度做了大量的檢驗工作[17-27]，孟英杰等[17]認為，在武漢區域降水預報中，JAPAN模式的綜合預報性能好于T213、AREM、GRE模式。肖明靜等[19]對汛期山東降水預報進行了多模式檢驗，結果認為一般性降水和小雨預報，24 h、48 h降水MM5模式評分結果均為最差，T639模式預報效果最好；中雨及以上量級，兩個區域模式均不如T639模式預報效果好。蔡薌寧[26]認為ECMWF模式對各影響系統及要素的預報最接近實況JAPAN模式和T639模式次之。程錦霞[27]對主要物理量因子的T639預報場進行檢驗，結果認為垂直速度預報最優，其次是渦度、散度、渦度平流預報，水汽通量、假相當位溫24～72 h預報產品參考價值較大。本文通過對基層氣象臺（站）常用的幾家數值模式在一次局地大暴雨過程中的預報情況進行檢驗，為預報工作者正確使用數值模式產品提供依據。

2013年6月28—29日，秦皇島市各縣區出現強降雨天氣，降水分布不均勻，北部青龍為大暴雨，盧龍為暴雨，昌黎、撫寧為大雨，其他地區為中雨，并伴有較強雷電。5個區域氣象站降水量超過100 mm，26個區域氣象站超過50 mm，最大出現在青龍土門子為132.6 mm。強降水時段出現在28日22時至29日00時，小時雨強最大為59.7 mm，3 h累計降水量超過100 mm，達短時暴雨標準。本次過程降水時段集中，降水強度大，且強降水出現在北部山區，跟燕山南麓地形關系較大。

1 環流背景及影響系統分析

500 hPa環流形勢中高緯度呈一槽一脊型，2013年6月27日08時貝加爾湖附近形成一低渦，在鄂霍次克海存在一阻塞高壓，該低渦系統穩定少動，強度不斷加強，到28日20時低渦中心強度從544 dagpm增強至542 dagpm，并配合有-20℃的冷溫度中心。由于渦后部冷空氣不斷分裂南下，在28日20時形成階梯槽，一支位于貝加爾湖南部，另一支位于華北北部，這種形勢有利于冷空氣補充南下影響秦皇島地區。在相應的200 hPa上，秦皇島地區受高壓脊控制，脊前呈疏散狀，表明高空存在輻散，有利于中低層氣流輻合上升。

在28日20時的700 hPa和850 hPa上，秦皇島受西南氣流和溫度脊控制，700 hPa在河北西北部至內蒙古一帶溫度露點差小于2℃，說明水汽充沛。850 hPa在河北、山西、內蒙古交界處存在一切變。

本次強降水過程的影響系統是高空短波槽和東蒙低渦。由中尺度環境場（圖1）可知：由于東蒙冷渦穩定少動，且不斷發展加強，冷空氣不斷分裂南下影響河北東北部地區。秦皇島位于高空冷溫度槽和低空暖脊之間，且為K指數大值區，該區域為不穩定區域，有利于產生對流活動。強降水落區位于高空急流出口右側和低空急流入口左側，850 hPa顯著濕區，且K指數大于32 ℃。切變線和地面輻合線觸發了秦皇島北部短時強降水。

圖1 2013年6月28日20時高低空系統配置圖（其中紫色線條代表K指數場，綠色區域為暴雨區）Fig. 1 Configuration of high and low weather system at 2000 BT on 28 June 2013(The purple line represents K exponential field, and the green area represents the rainstorm area)

由圖2可知，28日20時秦皇島受低壓控制，輻合線位于河北和內蒙交界，青龍站小時降水量為1.9 mm。到23時隨著系統東移和冷空氣補充，輻合區位于河北北部，并在河北東部產生新的輻合區，河北西北部處于氣旋性曲率大值區，青龍站小時雨量達到32.2 mm，說明該區域輻合強，有利于對流活動的發展。到29日02時河北東北部轉為反氣旋環流，秦皇島北部受東北氣流控制，降水明顯減弱，04時降水基本結束。

2 中尺度特征分析

2.1 衛星云圖演變分析

從紅外云圖動態分析可知：28日08:30在河北西北部有一低渦云系，該云系范圍較寬廣（圖3a）。由于高空冷空氣補充南下及日本海阻塞高壓的存在，有利于對流云團加強發展和維持，在22:30低渦云系發展為中尺度對流復合體MCC（圖3b），該云系結構密實，青龍縣區位于TBB梯度最大處，該時刻與最大小時降水量相吻合（圖3e）。隨著系統東移和低層輻合減弱，從00:30開始，對流云團東南部的云系逐漸減弱與主體分離，云團結構開始松散（圖3c），至03:30對流云團基本移出秦皇島（圖3d），強降水明顯減弱，后期轉為分散的降水云系影響，降水趨于結束（圖3e）。

圖2 2013年6月28日20時和23時加密站風場疊加小時雨量（紅色區域代表青龍站）Fig. 2 Wind field and hourly rainfall (The red area represents Qinglong station)(a) 2000 BT on 28 June; (b) 2300 BT on 28 June 2013

2.2 多普勒雷達組合反射率演變分析

本次過程的強降水時段出現在28日22時至29日04時，由組合反射率因子的動態變化（圖4）可知：28日20時青龍上空開始有弱降水回波，在興隆到寬城一帶存在一窄帶回波，大片降水回波中鑲嵌著超級單體，中心強度值為50～60 dBz，該回波帶緩慢向東南方向移動。位于秦皇島上空的回波帶呈線狀，線狀回波中不斷有超級單體影響秦皇島市北部縣區，類似“列車效應”。21時青龍上空降水回波中心強度最大值為60 dBz，由于秦皇島市西北部位于切變線附近，且低層濕度條件較好，并且在北京—天津一帶不斷有帶狀降水回波生成，使該回波帶經過降水區時回波中心強度值穩定維持在55～65 dBz，青龍最大小時降水量達到44.3 mm。29日02時降水回波的線狀結構開始松散，秦皇島市轉為零散的降水回波影響，該降水回波影響秦皇島市長達4～5 h，從而造成北部山區暴雨到大暴雨。04時以后降水明顯減弱，降水趨于結束。

2.3 閃電資料及自動站資料分析

分析強降水時段基本徑向速度圖和閃電實況圖（圖略）可知：秦皇島市降水出現在28日20時至29日04時，北部山區為雷電極高密度區域。速度圖在低空有明顯的東南氣流輸送水汽，青龍縣區附近低層為輻合，高層為輻散，有利于上升運動的維持，且中低層為大范圍正速度區包圍有負速度區，有“逆風區”存在，該區域與強降水區域吻合。5 min加密自動站風場顯示（圖略）：28日21：30青龍縣區有明顯的風場輻合，29日01：30青龍轉為南到東南風，中尺度風場輻合減弱、消失，降水開始明顯減弱。

3 物理量診斷分析

3.1 水汽條件分析

分析可知：水汽通量散度輻合區位于河北東部，最大值為-3×10-6g·s-1，同時次的水汽通量場顯示有東南和西南兩支氣流輸送水汽，水汽主要來源于渤海和黃海（圖5a）。850 hPa比濕大于12 g·kg-1，這充分說明中低層充沛的水汽條件，對降水起到增幅作用，有利于產生短時強降水（圖5b）。

3.2 熱力條件分析

相當位溫θe是一個重要的溫濕特征參數，由相當位溫的徑向剖面圖（圖6a）可知：秦皇島上空在900 hPa附近存在一閉合暖區，中心值達342 K，且850 hPa以下為位勢不穩定區域，與徑向分量大正值區相對應，偏南風有利于暖濕氣流輸送。

在T-lnP圖上（圖6b），濕層較厚，高濕區達700 hPa高度，925 hPa 存在一淺薄的逆溫層，并且存在風切變。K指數為34，SI指數為-9.12，CAPE值為2766.1，整層比濕積分為4682.7，這說明大氣為層結不穩定狀態，蘊含著不穩定能量，為強降水的產生提供了不穩定條件。同時，-20 ℃層高度為5.8 km，0 ℃層高度為4.3 km，但由于中低層濕層深厚，且風切變小，不滿足大風、冰雹等強對流天氣的條件。

圖3 2013年6月28—29日紅外云圖（其中白圓圈代表秦皇島）：（a）28日08:30，（b）28日22:30，（c）29日00:30,（d）29日03:30和（e）青龍站逐小時降水量Fig. 3 Infrared cloud image (a) 0830 BT on 28 June, (b) 2230 BT on 28 June, (c) 0030 BT on 29 June and (d) 0330 BT on 29 June 2013 and hourly precipitation (e) at Qinglong station (The white circle represents Qinhuangdao)

3.3 動力條件分析

從垂直速度剖面可以看出秦皇島北部地區600 hPa以下為上升運動區，最大上升速度中心值為-40×10-3m·s-1（圖7a），對應散度場在300 hPa以下為輻合區（圖7b），中心值為-16×10-6s-1，高層為輻散區，中心值為24×10-6s-1，正散度明顯大于負散度，說明高空急流抽吸作用明顯，有利于降水增強。

4 數值預報產品檢驗分析

4.1 環流形勢檢驗（T639模式/EC模式）

圖4 2013年6月28日21時—29日02時組合反射率（單位：dBz）與小時降水量（單位：mm）配置圖（a）28日2100 BT；（b）28日2200 BT；（c）28日2300 BT；（d）29日0000 BT；（e）29日0100 BT；（f）29日0200 BTFig. 4 Combined reflectance (unit: dBZ) and hourly precipitation (unit: mm) from 2100BST 28th to 0200BST 29th(a) 2100BST on 28 June; (b) 2200BST on 28 June; (c) 2300BST on 28 June; (d) 0000BST on 29 June; (e) 0100BST on 29 June; (f) 0200BST on 29 June

圖5 2013年6月28日20時850 hPa（a）水汽通量散度（單位：10-6 g·s-1）和（b）比濕場（單位：g·kg-1）Fig. 5 Moisture flux divergence field (units: 10-6 g·s-1) and specific humidity (units: g·kg-1) at 850 hPa at 2000 BT on 28 Jun 2013

對比EC、T639模式500 hPa高度場預報穩定性（圖8），可以看出：對東蒙冷渦系統，EC模式和T639模式各時效均預報出544 dagpm低渦中心，EC模式和T639模式24 h、48 h預報接近實況場，72 h預報EC模式較實況場略偏強，T639模式較實況場略偏弱；對副熱帶高壓584 dagpm特征線時次的預報，EC模式的預報比較穩定，跟實況基本一致，T639模式誤差較大。對日本海阻塞高壓T639模式各時效均預報偏弱，且時效越長穩定性越差，EC模式各時效預報效果較好。

4.2 850 hPa風場檢驗

對影響華北東北部的低空急流系統（圖9），兩家模式24 h時效預報的風速均較實況偏弱，對850 hPa切變線預報均偏弱、偏北，EC模式對秦皇島北部的風向預報偏差較大。

4.3 降水強度及落區檢驗

對降水落區進行檢驗（圖10），本次強降水過程，各家數值預報對雨帶的走向把握較好，從預報量級上看，均存在預報偏小的情況，特別是對大暴雨的落區預報效果均不理想，穩定性差。對華北地區東北部中雨以上量級的降水，各家模式預報均偏北，強度偏弱。各家指導產品強降水中心為大雨到暴雨，比較一致，但強降水中心都偏北，且未能體現出大于100 mm的大暴雨區域。T639預報偏差較大，量級為大雨并且中心在河北張家口一帶，偏差較大。日本細網格和省臺指導預報對強降水落區偏差較小，中心略偏北，更接近實況。

圖6 2013年6月28日20時（a）相當位溫沿119°E徑向剖面（單位：K）疊加風速徑向分量和（b）北京探空圖（黑色：相當位溫；紅色：風速徑向分量）Fig. 6 The vertical cross-section of potential equivalent temperature (units: K) along 119°E with the radial component of the wind velocity (a) and sounding figure from Beijing station at 2000 BT on 28 June 2013 (b)(The black represents potential equivalent temperature; the red represents radial component of the wind velocity)

圖7 2013年6月28日20時沿119°E徑向剖面的（a）垂直速度（單位：m·s-1）和（b）散度（單位：s-1）Fig. 7 The vertical cross-section of vertical velocity (a, units: m/s) and divergence (b, units: s-1) along 119°E at 2000 BT on 28 June 2013

圖8 2013年6月6月28日20時500 hPa高度實況場及對應24 h、48 h、72 h預報（a）EC模式；（b）T639模式（其中黑色為實況場，紅色表示24 h預報，黃色表示48 h預報，藍色表示72 h預報）Fig. 8 The actual field at 500 hPa and the corresponding forecasts at 24 h, 48 h and 72 h: (a) EC model;(b) T639 model (black: actual field, red: 24 h forecast, yellow: 48 h forecast, blue: 72 h forecast)

圖9 2013年6月28日20時850 hPa風場實況及EC（a）、T639（b）模式24 h時效預報圖（其中黑色表示觀測值，紅色表示預報值大于觀測值，藍色表示預報值小于觀測值）Fig. 9 Wind field at 850 hPa and 24 h forecast from EC (a) and T639 (b) models (black: observed value, red:Larger than observed values, blue: Less than observed values)

圖10 2013年6月28日08時至6月29月08時累積降水量預報及實況（單位：mm）（a）T639；（b）EC；（c）日本細網格；（d）日本傳真圖FAX；（e）GRAPES；（f）省臺預報；（g）實況Fig. 10 Forecast and reality of cumulative precipitation (unit: mm) from 0800 BT on 28 June to 0800 BT on 29 June 2013(a) T639；(b) EC；(c) Jap-thin；(d) FAX；(e) GRAPES；(f) Provincial forecast；(g) Actual

上圖的基本結論是：各家預報均預報了一次大到暴雨過程（即雨量在25～50 mm），只有省臺綜合預報為暴雨到大暴雨過程（即雨量為50～100 mm），但位置普遍偏北。總之各家模式對這次過程的預報能力基本相同。造成位置偏北的原因可能與大尺度流場的預報存在缺陷有關。

整體而言，EC模式的預報對亞洲地區中高空環流預報的結果更為準確，對弱高空槽系統預報偏差較大。日本細網格和省臺指導預報對暴雨落區的預報偏差較小，而降水極值預報需結合強對流工具、實況加密資料及時更新預報，發布短臨預報。

冷渦天氣形勢下，各種數值預報模式均預報有降水，且降水量級一致或相差不多時，考慮地形作用，秦皇島北部山區降水量級可增加一個量級或稍大一些；當細網格預報有大雨，數值接近暴雨時，應考慮有暴雨或局地暴雨出現。

5 結論

（1）本次暴雨過程是由于東蒙冷渦穩定少動，影響系統是高空低渦和高空槽，觸發機制是切變線和中尺度風場輻合。強降水落區位于水汽通量大值區，600 hPa以下強上升運動區和850 hPa以下位勢不穩定區域。

（2）對500 hPa中高緯環流場、槽線進行檢驗，對東蒙冷渦預報T639和EC兩模式預報都比較穩定，但對日本海阻高預報T639預報偏弱，且時效越長穩定性越差。EC模式對弱高空槽系統預報偏差較大，需重點關注。

（3）降水強度和落區檢驗：各家數值模式預報產品對雨帶走向把握較好，但對降水的強度把握均較實況偏弱、偏北。在降水量級上，日本細網格和省臺指導預報偏差較小。

綜上所述，檢驗結果由于其局限性并不能全面精確地評述每種模式的預報性能，只能從典型個例給相似天氣過程的模式預報解釋應用提供一個參考。