閩西2019年“5·27”暖區暴雨過程成因分析

曾凡輝 倪 悅 林 輝

(1.福建省龍巖市氣象局，福建 龍巖 364000；2.福建省漳州市氣象局，福建 漳州 363000)

暴雨是福建省最主要的氣象災害之一，極易造成洪澇災害，常常給人民生命財產和社會經濟帶來巨大損失。尤其是暖區暴雨，其具有降水強度大、時效性短、尺度小等特點。暖區暴雨通常發生在弱天氣尺度強迫形勢下，其抬升觸發機制較為復雜[1]，中小尺度對流系統活動頻繁，目前對其成因還不十分清楚，預報難度較大，業務上常出現漏報和空報現象。

長期以來，我國氣象工作者對暴雨的機理[2-3]、環流特征[4]、中尺度特征[5]、水汽輸送[6]、雷達特征[7-8]及預報應用[9]做了大量研究，這其中不乏諸多福建氣象工作者的一些研究成果。比如趙玉春等[10]對華南雙雨帶特征進行分析，探究鋒面和鋒前暖區暴雨的主要物理差異，發現暖區暴雨高層輻散作用比中低層輻合更為重要；白龍等[11]基于多種擬合方法對暴雨強度公式進行研究，進一步提升暴雨設計標準；莊毅斌等[12]采用多元觀測資料探究暴雨過程發生機理，并獲得基于風廓線和雷達產品等一系列暴雨預報指標；黃待靜等[13]通過對一次副高控制下的暴雨過程進行分析，發現中小尺度的高空波動配合干冷空氣的侵入，大氣能量短時間釋放，最終激發出短時強降水。伴隨中尺度數值模式的迅速發展，利用數值模式對暴雨過程的中尺度對流系統、低空急流、下墊面地形以及云微物理過程進行大量數值模擬研究，使得氣象工作者對暖區暴雨的認識不斷提高[14-16]。

目前，對暖區暴雨的研究主要集中于華南沿海地區[10-13]，對發生于福建內陸山區的暖區暴雨過程分析較少，特別是針對該地區暴雨過程動力、熱力等物理特征的研究相對匱乏，因此本文基于發生于閩西山區一次暴雨過程，分析其物理演變特征，并對業務預報模式結果進行檢驗分析，以期為今后閩西山區暖區暴雨天氣的預報提供有益的參考。

1 資料來源與處理

資料包括：福建省龍巖市境內的國家級和區域級逐小時自動站觀測資料；常規地面和探空觀測數據；時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°的歐洲中心ECWMF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的ERA5再分析資料；龍巖S波段雙偏振多普勒雷達數據(25.06°N、117.19°E，海拔高度1504.9 m)。

2 天氣過程分析

2.1 天氣概況

2019年5月27日午后，閩西山區境內出現區域性短時強降水天氣，據區域自動站降水統計，27日08∶00～28日08∶00(北京時，下同)共計14個站點24 h累計雨量超過50 mm，24h累計雨量以長汀縣長汀一中站點97.0 mm為最大。強降水落區可劃分為南(上杭溪口鎮)、北(長汀一中)兩個強降水區。27日18∶00北部開始出現超過40 mm/h的短時強降水，此后3 h內降水持續，降水范圍較為集中，整體累計降水量較大，4h累計降水超過90 mm。南部降水分布則表現為局地且分散，持續時間短(1～2h)，但降水強度大，小時雨強接近50 mm，與北部降水特征有所區別。

圖1 2019年5月27日08∶00～28日08∶00降水量分布(a)與2個代表站點小時雨量分布圖(b)

2.2 環流背景分析

此次暴雨過程500 hPa中高緯地區呈兩槽一脊經向環流形勢，烏拉爾山、鄂霍次克海分別為低壓槽區，槽區內高空槽較深，貝加爾湖地區受高壓脊控制。中低緯多短槽波動，高原槽與東傳的南支槽結合對福建西北部降水產生影響(圖2a)。副高脊線(588線，紅色粗線)維持于南海北部，其北側持續的西南氣流有利于暖濕水汽向暴雨區上空輸送。暴雨發生前(14∶00)，雨區位于中低層(700～850 hPa)切變南側(約兩個緯距)，低層切變是此次暴雨過程的主要影響系統。雨區低層主要受西南風控制，上游廣東境內風速達急流(風速>12 m·s-1)，在閩西境內未達急流，但存在明顯的風速輻合(圖2c～2d)；中低層主要為暖脊控制，溫度達10.5～19.2℃。雨區地面受到冷高壓控制，閩西境內發展至1010.4 hPa，表明暴雨發生前地面存在弱冷空氣的配合，具體詳見3.2熱力條件分析部分。

(a)500hPa (b)海平面氣壓

3 物理量場分析

3.1 水汽條件分析

充足的水汽供應對暴雨的形成與維持有重要作用[17]。由圖3可知，27日午后雨區上空比濕條件開始增強，925hPa水汽通量散度為負極值中心，低層水汽存在輻合，暴雨區上空存在水汽輸送。27日15∶00～20∶00，水汽條件進一步增強，地面至925hPa比濕增至18～19 g·kg-1，中低層700和850 hPa比濕達9 g·kg-1和14 g·kg-1，濕舌上升至300 hPa；濕層愈變深厚，地面至500 hPa均存在水汽輻合(其中925 hPa水汽輻合強度最大，超過-14 g·cm-1·hPa-1·s-1)，且比濕大值區與水汽輻合區重合，水汽的強烈輻合為強降水發生、發展提供有利條件。

強降水時段為27日17∶00～19∶00(圖1)，著重分析此強降水時段內水汽條件(圖3c～3d)，發現西南方向的南海和孟加拉灣地區為此次暴雨過程的主要水汽源地；暴雨區主要位于低層切變南側且受偏南氣流控制，上游(西南方向廣東境內)風速達急流(風速>12 m·s-1)有利于水汽輸送，雨區主要位于急流右前側出流輻合區內，水汽通量達10～12 g·cm-1·hPa-1·s-1，閩西西部為其大值區(局部超過14 g·cm-1·hPa-1·s-1)。陳德花[18]認為，暴雨的增量與水汽通量的輻合輻散密切相關，在大暴雨過程中，有較大輻合中心向暴雨產生區輸送。因此中低層持續的水汽輻合有利于水汽的上升凝結與潛熱釋放，從而對降水產生一定的正反饋作用。

(a)水汽通量散度時間-高度分布 (b)比濕時間-高度分布

3.2 熱力條件分析

27日午后，閩西境內最高溫度升至28～30 ℃，不穩定能量得到一定積累。上游廣東河源和廣東汕頭探空呈現出較典型的“上干下濕”分布特征(圖略)，對流有效位能基本維持在2000 J·kg-1以上；K指數均大于33℃；沙氏指數SI均較小，兩地大氣層結處于不穩定狀態，具有一定熱力與動力抬升條件，有利于暖區暴雨的發生發展。

結合我國以往對華南暴雨的研究，鋒面活動可利用能反映大氣能量分布情況[19]的假相當位溫θse場表示，通過分析θse值可確定能量鋒區的位置。由圖4(a)可知，暴雨發生時(13∶00～20∶00)雨區上空925hPa至地面存在θse極值中心(其中925 hPa超過360 K)，500～600hPa的θse在344～348 K范圍，為相對小值區域，且可以看出，高度愈高θse值愈小，能量鋒區主要集中于低層925hPa至地面；暴雨發生前大氣處于對流不穩定層結，925 hPa至地面存在冷平流(藍色，超過-2×10-5K·s-1)，存在弱冷空氣的入侵，中高層為暖平流(紅色)，略小于地層冷平流強度(小于1×10-5K·s-1)。結合前文分析可知，27日午后暴雨區上空大氣已處于不穩定層結，低層弱冷空氣的入侵有利于進一步強降水天氣的觸發。此外，圖4(b)顯示在暴雨發生前(13∶00～17∶00)，850 hPa和925h Pa的θse值(θse850和θse925)均存在明顯激增，并于暴雨發生前約1 h達到峰值(分別超過361 K、367 K)，θse的激增表明存在能量迅速堆積，有利于強降水天氣的觸發；伴隨降水的產生，能量被消耗，不同高度θse均明顯迅速減小。對不同高度層的θse差值Δθse進行分析可知，此次暴雨過程中850 hPa與500 hPa的假相當位溫差Δθse(850-500)(紅實線)隨時間的變化不顯著(變化幅度小于5 K)；但925 hPa與500 hPa的假相當位溫差Δθse(925-500)(黑實線)則在暴雨發生前(17∶00)存在躍增(變化幅度超過35 K)，其變化特征與925 hPa假相當位溫θse925的變化特征較一致，即Δθse(925-500)與θse925均提前于暴雨發生時間約1 h發生激增并達到峰值，表明θse925和Δθse(925-500)隨時間的變化特征對暴雨的預報具有一定指示意義。

(a) (b)

3.3 動力條件分析

分析暴雨區動力結構垂直分布，發現雨區邊界層內(975～925 hPa)有強輻合中心，其中心強度超過-8×10-5K·s-1；在850～600 hPa之間存在一個稍弱的輻合中心(強度約為-4×10-5K·s-1)。對流層高層(400～200 hPa)則為強輻散中心，其強度超過8×10-5K·s-1，且相較低層輻合而言，對流層高層的輻散強度和范圍均大于低層，表明此次暖區暴雨過程中，高層輻散比低層輻合對暴雨發展起到更加重要的作用，與趙玉春[13]研究結論相一致。此外，暴雨區中底層(925～1000 hPa)存在與低空急流相對應的正渦度區(0～2×10-5K·s-1)，此正低渦中心是此次暖區暴雨的一個重要指標；700 hPa存在負渦度中心，其強度達-6×10-5K·s-1以上。強降水期間低層輻合及高層的輻散抽吸，有利于形成強烈上升運動，從而有利于水汽和熱量的垂直輸送與不穩定能量的釋放[20-22]，從而產生強降雨。

(a)散度 (b)渦度

3.4 雷達回波反射率因子特征

27日上午，閩西境內西南部有分散性對流觸發，小時雨強普遍小于5 mm/h，雨強較小。受熱力作用影響，午后對流活動明顯加強，14∶00～16∶00時段，中東部(對流A)和西南部(對流B)存在對流觸發并東移，造成新羅白沙鎮和上杭溪口鎮較強的南部分散性對流降水(小時降水極值分別達38.3、47.9 mm·h-1)，但回波分散且無明顯強回波列車效應。

27日午后，北部持續受上游江西移入回波的影響，至17∶00，回波(對流D)后向發展迅速增強(最大回波強度超過45 dBz)并長時間(>2h)維持在長汀、連城(對流E)，回波具有明顯列車效應，造成長汀城區及周邊鄉鎮出現小時雨強接近50 mm的短時強降水。沿圖6c黑線做回波垂直剖面(圖6d)，發現回波的高度基本超過10 km，且≥40 dBz的強回波主要集中于4～5 km，強回波中心緊密排列，存在明顯列車效應；質心高度較低，屬于降水效率較高的暖區云降水。至22∶00，回波基本移出，強降水趨于結束。

(a)15∶40 (b)17∶15

4 結論

本文對2019年5月27日發生在閩西山區一次暖區暴雨過程的環流背景、水汽和動力條件、降水雷達回波特征進行了分析，得出以下結論。

①此次強降水過程發生于500 hPa短波槽波動、850 hPa切變輻合等有利大尺度背景下，其主要影響系統為西南低空急流和近地層輻合，在低層輻合線的東南側不斷有回波生成，回波在偏西引導氣流作用下往東移動，同時急流強度增強的過程也是回波有組織發展和往東北移動的過程。

②近地層輻合線的抬升作用有利于上升運動沖破弱輻散層，與此同時，近地層弱冷空氣的入侵則進一步加大對流不穩定能力，有利于強對流天氣的觸發，進而導致強降水發生。高層輻散抽吸，低層輻合，形成強烈上升運動，有利于水汽和熱量的垂直輸送與不穩定能量的釋放。

③與西南急流對應的低層正渦度中心是此次暖區暴雨的一個重要指標；θse鋒區和上干下濕的對流不穩定有利于激發釋放大量不穩定能量，進而產生暴雨天氣，925 hPa假相當位溫θse925及其與500hPa的假相當位溫差Δθse(925-500)對強降水具有約1 h的變化提前量，對短時強降水具有一定可預報性，可將其作為暖區暴雨的一個短時預報因子。