一次連續性暴雨天氣過程的分階段對比分析

程晶晶　林　輝　洪彬彬

一次連續性暴雨天氣過程的分階段對比分析

程晶晶1林輝1洪彬彬2

（1.漳州市氣象局，福建 漳州 363000；2.東山縣氣象局，福建 漳州 363400）

文章利用地面自動站、天氣雷達等探測資料和ERA5逐小時再分析資料，對福建漳州一次連續性暴雨過程分階段分析發現，該過程中三種性質不同的降水表現出的溫濕場和不穩定性等方面存在明顯差異。第一階段降水對流性最強，屬切變南側高溫高濕環境下的暖區暴雨，有強的對流不穩定，假相當位溫場（）的水平和垂直分布均存在高能舌，強降水區域存在更為明顯的上升運動和水汽輻合，并伴隨列車效應；第二階段對流不穩定有所減弱，為鋒區南壓導致的系統性降水，并存在和鋒區相對應的密集等值線；第三階段則為低渦東側暖切造成的大范圍層云降水，層結穩定，水汽、熱力和動力條件較弱且配合較差。模式檢驗表明CMA-3KM數值預報在此次過程中表現最好，主觀預報對暖區對流降水的預報準確率較低，但對鋒面等系統性降水具有一定訂正能力。

暴雨；暖區暴雨；假相當位溫；對比分析

引言

暴雨預報涉及多尺度系統與其之間的關系，具有明顯的中小尺度特征，預報難度大[1]。大量中尺度對流系統診斷與數值模擬研究表明，邊界層的低層水汽輻合、侵入的淺薄冷空氣以及高低空急流都可導致暴雨的發生[2,3]。沈桐立等[4]發現暴雨天氣過程發生在高溫高濕區，暴雨期間850 hPa的θse場呈現經典的“Ω”型，高能區的移動變化與降雨系統的變化一致。福建地處華南沿海，復雜的地形和季風環流相互作用導致暴雨頻發，而鋒前暖區暴雨是華南前汛期暴雨的重要特征[5]，具有降水強度大、時效性短、尺度小等特點[6]，多有明顯的中尺度特征，強降水過程發生前預報信號弱，導致預報準確率低，常出現漏報空報現象，造成暴雨洪澇災害，給人民群眾的生命財產造成嚴重影響。因此對于不同類型尤其是暖區暴雨的預報問題有必要進一步探索研究，有助于提高預報員暴雨預報準確率，提升基層氣象部門在防災減災救災人民防線中的作用。

2021年5月29日至31日福建省漳州市出現連續性暴雨天氣過程，此次降水過程階段性差異顯著，本文將利用地面自動站、天氣雷達等常規探測資料和ERA5逐小時再分析資料（分辨率為0.25°×0.25°）對此次過程進行分階段探討，對比分析不同階段強降水發生時的環境形勢和物理量場的差異，加深對不同性質暴雨天氣的認知，為預報員準確預報降水強度和強對流天氣提供科學依據。

1　天氣過程實況

如表1所示，2021年5月29日至31日漳州市出現連續性強降水過程，整個過程全市普降大到暴雨，中北部地區出現大范圍大暴雨天氣。此次連續性降水天氣主要有以下三個特征。

（1）過程持續時間長，過程累積雨量大。5月29日至31日連續3天均出現暴雨天氣，其中29日暴雨和大暴雨落區主要位于中部，30日則位于西北部，31日降水進一步減弱，僅西北部分鄉鎮出現暴雨。統計5月29日8時至6月1日8時自動站雨量，全市共有10個縣區的132個自動站雨量達50 mm以上，其中有8個縣區共83個自動站超過100 mm，最大累積過程雨量為南靖豐田鎮永豐林場的194.8 mm。

（2）南北降水差異大。由表1中24h/過程累積降水分布可以看出，強降水區域主要集中在中北部，從大監站雨量來看，過程累積雨量在17.3 mm（東山）～151.2 mm（漳州）之間。

（3）階段性差異明顯。5月29日至30日降水時伴有短時強降水和短時大風，整個過程最大小時雨量為52.7 mm，極大風20.0 m/s（8級），均出現在29日。從三天降水情況對比來看，無論是從降水強度、強降水區域還是短時強降水和大風角度，29日降水的對流性最強，且整個過程中降水對流性逐日減弱，到31日幾乎沒有出現大風和短時降水等強對流天氣。

表12021年5月29日至31日福建漳州市暴雨過程累積和逐日降水情況統計

2　分階段對比分析

2.1　環流形勢分析

5月29日500 hPa高空槽加深東移，副高南落，中低層切變位于福建省北部，華南受切變南側西南急流影響，為暖區控制；30日至31日副高穩定維持在海上，華南一帶多短波東傳，30日切變東段南壓至福建中部，漳州市仍受南側西南急流控制，隨著鋒區南壓，30日20時福建沿海轉為冷中心控制；31日850 hPa上云貴高原有低渦發展并逐漸東移，低渦東側切變位于漳州市北部，西南風減弱。925 hPa三天均有切變在福建中南部擺動，地面靜止鋒維持，從而導致閩南地區持續性強降水的發生。此次連續性暴雨過程和中低層切變關系密切，故根據850 hPa環流形勢變化，將整個降水過程主要分為三個階段（圖1）。

第一階段降水（圖1第一行），即5月29日至30日前期。該時段切變位置偏北，主要是切變南側西南暖濕區中的對流降水，因此對流性較強，全市出現較大范圍的短時強降水和雷暴天氣。29日12時左右的雷達拼圖可以明顯看出兩種性質的降水回波，福建省北部的橫向雨帶為切變降水，而中南部離散的強回波則為暖區中發展的中尺度對流單體，同時刻的再分析資料風場可以看到，切變位置和福建省北部的雨帶較為吻合，雨帶主要位于切變右側。如圖1(b)所示，30日前期切變南壓至福建省中部地區，漳州市在其南側西南氣流影響下仍有分散性對流發展。

圖1　(a)2021年5月29日12時、(b)30日11時850 hPa風場和(c)29日12時24分福建雷達拼圖，(d)30日15時、(e)30日20時850 hPa風場和(f)30日15時12分福建雷達拼圖，(g)31日7時、(h)31日16時850 hPa風場和(i)31日13時00分福建雷達拼圖。其中風場填色表示低層急流區（大于等于12 m/s）

第二階段降水（圖1第二行），即5月30日后期。隨著切變進一步南壓，切變造成的系統性降水雨帶也南壓至漳州市上空。如圖1(d)和1(f)所示，15時左右位于漳州市北部的水平尺度較大的窄雨帶和850 hPa切變對應比較好。與此同時，云貴高原有低渦生成，低渦東側的暖切發展，冷切在南壓的過程中不斷減弱，29日切變雨帶的水平尺度也顯著小于30日，如圖1(c)和圖1(f)所示。

第三階段降水（圖1第三行），即5月31日。冷切在南壓過程中減弱消失，隨著低渦的發展，低渦東側的暖切不斷東伸并于31日凌晨完全替代冷切，造成大范圍的層云降水。如圖1(h)所示，31日16時低渦東移至江西境內，漳州市處于低層急流出口處大范圍的風速輻合區，為強降水提供了有力的動力條件。該階段降水以穩定性降水為主，對流性明顯減弱。

2.2　物理量場分析

2.2.1不穩定條件

汕頭站探空圖顯示5月29日濕層比較深厚，近地層有弱逆溫層，利于不穩定能量的積聚，低層有弱暖平流，CAPE值超過2300 J/kg，K指數高達40℃，T85為26.3℃，沙氏指數為-1.15，各個對流參數均顯示29日具有強的不穩定條件。而30日濕層變淺薄，CAPE值雖然達到2600 J/kg以上，但K指數和T85相比于29日有所下降。31日CAPE值等有利的能量條件和熱力條件都顯著減弱，和該時段較為穩定的層云降水相吻合。由此可見，在此次暴雨天氣過程中K指數和T85值的大小對降水對流強度有一定的指示意義。

2.2.2水汽和動力條件

水汽和動力場的分布清晰顯示了三天降水強度和落區的差異原因所在。如圖2所示，5月29日至31日三天的濕度條件逐漸減弱。其中29日除沿海外大部分縣區的比濕都達到16 g/kg以上，和當天大雨落區較為吻合，其中中部地區局部更是超過17 g/kg，925 hPa以西南氣流風速輻合為主，多離散輻合區，漳州市中北部地區即為水汽輻合中心；而30日高濕區（q≥16 g/kg）位于西北部，以切變南壓造成的偏北氣流和西南氣流的風向輻合為主，表現為顯著的橫向水汽輻合帶；31日濕度條件則進一步減弱，925 hPa轉為偏東風控制，中南部地區有較弱的水汽輻合區。在動力條件方面，29日和30日在500 hPa高度以下為深厚的輻合層和垂直上升運動，其中29日比較強的輻合中心和垂直上升運動位于中部，而30日在漳州市西北部中高層有較強的上升運動，低層輻合中心也位于西北部。結合比濕的分布特征，有利的動力抬升條件和充足的水汽導致29日的強降水中心位于中部地區，而30日則位于西北部。

圖2　(a)2021年5月29日16時、(b)30日16時和(c)31日16時850 hPa比濕（單位：g/kg）和q≥15 g/kg的區域（填色），(d)29日13時、(e) 30日13時和(f)31日13時925 hPa水汽通量（箭頭，單位：g/(cm*hPa*s)）和水汽通量輻合（填色，10-6 g/(cm2*hPa*s)）

2.2.3熱力條件

假相當位溫是綜合表征大氣溫度和濕度的物理參數，反映了大氣的能量分布[7]。如圖3所示，假相當位溫場的分布特征顯示了此次暴雨過程中三個階段性降水的不同性質。5月29日至福建省南部均為假相當位溫大值區，特別是從廣東向閩南伸出的高能舌，同時刻的雷達拼圖可以看到高能區不斷有對流發展；30日后期隨著切變逐漸南壓，假相當位溫呈現北低南高的態勢，密集的假相當位溫等值線則指示能量鋒所在；31日等值線變稀疏，鋒區能量顯著減弱，降水趨于穩定。

漳州站附近的單點時間剖面圖綜合顯示了三個階段降水過程的水汽、動力和熱力條件差異。5月29日至白天漳州市處于高溫高濕環境中，垂直上升運動貫穿整個對流層，850 hPa和500 hPa高度層附近均有上升運動中心，中低層濕層深厚，850 hPa以下存在由近地面向高層伸出的高能舌，近地面假相當位溫大值中心高達384 K，500 hPa高層以下假相當位溫隨高度減小表明大氣存在對流不穩定，因此29日多分散性對流單體結構生成。30日動力條件和相對濕度有所減小，前期鋒區完全南壓之前，漳州市仍處于高溫高濕的對流不穩定狀態，近地面假相當位溫高值中心為372 K，而夜間鋒區過境后能量明顯減弱，一直到31日近地層均表現為344 K的假相當位溫低值中心，層結轉變為穩定狀態，由于31日連續性穩定降水導致相對濕度較為明顯，但如圖2所示，31日比濕和水汽輸送條件較差，因此累積降水少于前兩日。此外圖4顯示31日的垂直上升運動僅存在于對流層高層或中低層，高低層動力條件配置不佳，對流無法發展到較高的高度，因此該日以穩定性降水為主，降水強度屬三天最弱。

圖4　漳州站附近格點（24.5°N，117.5°E）的單站時間剖面圖。其中填色表示相對濕度（單位：%），黑色等值線為垂直運動（單位：Pa/s），紅色等值線代表假相當位溫（單位：K）

3　列車效應

降水對流性最強的第一階段（5月29日）有較為明顯的列車效應。從圖5可以看出5月29日17時左右在廣東梅州境內有多個對流單體生成呈帶狀分布并向東北方向移動，剖面顯示該回波帶由多個處于不同發展階段的中尺度風暴單體組成，回波強度在40 dBz～50 dBz，回波頂高參差不齊，且雷暴單體的傳播方向和雨帶的移動方向一致，有利于回波在移動過程中加強并在雨帶下游造成強雷暴天氣。這種列車效應導致18時至19時期間漳州境內形成強度為50 dBz以上的積云帶狀回波，剖面顯示回波頂高達12 km，有弱的懸垂結構，但強回波質心較低，45 dBz回波高度在6 km以下，這種混合型的降水效率高，導致漳州中部出現50 mm/h的短時強降水。

圖5　2021年5月29日17時09分(a)組合反射率及其(b)剖面圖，以及(c) 19時14分反射率剖面圖

4　主客觀預報質量檢驗

圖6為各家客觀數值模式和中央臺以及福建省主觀預報對此次過程中大雨以上量級降水的預報準確率。中央臺精細化預報（SCMOC）和落區（城鎮）預報對29日暖區暴雨把握最好，準確率超過0.8，中小尺度模式中CMA-3 km預報準確率最高，而大部分主觀預報如省臺指導和地市精細化預報準確率低于0.5；30日至31日預報準確率整體有所下降，準確率最高的均為CMA-GRAPES3KM數值模式，31日準確率更是達到0.8以上。雖然客觀模式預報準確率逐日下降，但從主觀預報來看，尤其是省臺和地市精細化預報的準確率卻是逐漸增大，說明預報員對系統性和穩定性降水具有一定的訂正能力，但對暖區暴雨類型降水預報能力仍有待提高。

圖6　不同模式的漳州逐日大雨以上量級降水預報準確率。起報時間和時效分別為8時和24小時

5　討論與結論

本文利用地面自動站、天氣雷達等常規探測資料和ERA5逐小時再分析資料對2021年5月29至31日福建省漳州市出現的連續性暴雨天氣過程進行分階段探討分析，主要結論如下。

（1）此次降水過程主要分為三個階段（見表2），第一階段為切變南側的暖區對流降水，高溫高濕的環境下具有強的對流不穩定，并伴隨明顯的列車效應，較大的本地比濕條件、西南氣流輸送的水汽輻合區和動力抬升條件的相互配合導致該時段強降水落區主要位于中部地區；第二階段冷切南壓導致的系統性降水，溫濕能量有所減弱，降水對流性也隨之減弱，強降水落區位于水汽動力條件更為有利的西北部；第三階段層結處于穩定狀態，比濕較小，水汽通量較弱，因此以云貴高原低渦東側暖切導致的穩定性層云降水為主。在此次過程中K指數和T85對降水的對流性具有一定的指示作用，且不同性質降水的假相當位溫場具有明顯差異，第一階段為明顯的高能舌，第二階段存在和鋒區相對應的密集等假相當位溫線，第三階段則是相比前兩個階段明顯減弱的假相當位溫場。

表2 2021年5月29日至31日連續性暴雨天氣過程分階段總結

（2）主客觀預報檢驗顯示CMA-GRAPES3KM數值預報和中央臺落區預報對第一階段的暖區暴雨把握較好，但暖區對流降水的主觀預報準確率較低，反之預報員對鋒面降水或穩定性層云降水的訂正體現出一定的優勢。因此預報員可以通過對環流形勢的判斷調整數值預報的參考性，以提高不同性質降水的主觀預報準確率。

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A Phased Comparative Analysis of a Continuous Rainstorm Weather Process

Using the detection data of ground automatic station, weather radar and ERA5 hourly reanalysis data, this paper analyzes a continuous rainstorm process in Zhangzhou, Fujian province in stages. It is found that there are obvious differences in temperature and humidity field and instability of three kinds of precipitation with different properties in this process. In the first stage, the precipitation had the strongest convective character, which was a warm rainstorm in the high temperature and high humidity environment in the south side of shear, with strong convective instability. The horizontal and vertical distribution of pseudoequivalent potential temperature field (θse) had high-energy tongue, and the upward movement and moisture convergence were more obvious in the heavy precipitation region, accompanied by train effect. In the second stage, the convective instability was weakened, and the precipitation was caused by the southern pressure of the front area, and there were dense θse isolines corresponding to the front area. The third stage is large-scale stratus precipitation caused by the warm cutting of the east side of the vortex. The stratification is stable, and the water vapor, thermal and dynamic conditions are weak and poorly coordinated. The model test shows that CMA-3KM numerical prediction performs best in this process. The accuracy of subjective prediction for convective precipitation in warm area is low, but it has a certain correction ability for frontal and other systematic precipitation.

rainstorm; rainstorm in warm area; pseudo equivalent potential temperature; comparative analysis

P45; P46

A

1008-1151(2022)04-0048-04

2022-01-18

漳州市氣象科學研究課題（2021001）；閩西南區域協同發展氣象科技專項課題（2020MXN08）。

程晶晶（1994－），女，安徽黃山人，福建省漳州市氣象局助理工程師，研究方向為天氣預報與預警。