張妤晴 張 偉,2 崔夢雪,2 趙玉春,3 陳德花,2

(1．廈門市海峽氣象開放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361012；2．廈門市氣象臺(tái)，福建 廈門 361012；3.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007)

1 概述

強(qiáng)對(duì)流天氣是常見的氣象災(zāi)害，有時(shí)甚至?xí)?duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。而這其中短時(shí)強(qiáng)降水引起的暴洪和地質(zhì)災(zāi)害所造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失則在所有氣象災(zāi)害中是最大的[1]。為加強(qiáng)短時(shí)強(qiáng)降水的分析和預(yù)報(bào)，氣象工作者們從機(jī)理、成因、影響系統(tǒng)、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了大量研究，并取得一定進(jìn)展[2-5]。例如，鄭媛媛等[6]發(fā)現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展與一定的大尺度環(huán)流背景場有關(guān)；田付友等[7]則對(duì)我國中東部不同級(jí)別短時(shí)強(qiáng)降水天氣的環(huán)境物理量分布特征進(jìn)行分析，得出不同級(jí)別短時(shí)強(qiáng)降水的必要條件和不同物理量的高概率密度區(qū)間。

然而，夏季局地短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)與分析仍然具有較大的困難和復(fù)雜性。因此，隨著氣象觀測儀器的布設(shè)和探測手段的增強(qiáng)，一些專家學(xué)者開始嘗試?yán)蔑L(fēng)廓線雷達(dá)、多普勒天氣雷達(dá)等探測資料，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的臨近預(yù)報(bào)與發(fā)展演變進(jìn)行研究[8-10]。例如，董保舉等[11]分析了風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品與暴雨之間的關(guān)系，指出其水平風(fēng)資料可以直觀反映出暴雨過程中的風(fēng)場變化特征，清楚顯示風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)及其變化特點(diǎn)。也有學(xué)者利用多普勒雷達(dá)資料進(jìn)行四維變分，以此討論短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的關(guān)鍵點(diǎn)[12]。伍志方等[13]則將多普勒速度和反射率因子及其導(dǎo)出產(chǎn)品特征進(jìn)行分型，詳細(xì)描述了各種類型多普勒速度特征的特點(diǎn)和分類方法。

近幾年，隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，依托于S波段雙偏振雷達(dá)、X波段相控陣?yán)走_(dá)等新型遙感探測技術(shù)和手段的支撐，我國對(duì)暴雨監(jiān)測和中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的研究更是增添了不少成果。廣州率先完成4部具有雙線偏振功能的X波段相控陣天氣雷達(dá)組網(wǎng)，用以監(jiān)測本地生消的小尺度對(duì)流單體、線狀對(duì)流系統(tǒng)的強(qiáng)度變化[14]。例如已有的研究中，傅佩玲等人[15]使用了相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行龍卷觀測，發(fā)現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)網(wǎng)獲取的高分辨率探測數(shù)據(jù)不僅能觀測到超級(jí)單體的發(fā)展過程，還能呈現(xiàn)出龍卷渦旋的演變特征。但相對(duì)地，相控陣?yán)走_(dá)在局地強(qiáng)降水的監(jiān)測和分析方面的應(yīng)用研究還比較少。為了提高短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警水平，廈門市氣象局2020年相繼在翔安、海滄、同安三地布設(shè)X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)，并在4月26日首先完成翔安雷達(dá)的吊裝。其實(shí)，就降水估計(jì)的精確度而言，S波段雙偏振雷達(dá)相對(duì)單偏振雷達(dá)已有較大提高[16]，但其最高分辨率僅為250m，體掃周期為6分鐘。而相控陣?yán)走_(dá)空間分辨率可達(dá)到格點(diǎn)30m×30m，高密度支撐局地雨量準(zhǔn)確估計(jì)，30秒的時(shí)間分辨率則能有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)對(duì)流以及分鐘級(jí)降水累積估計(jì)。

2020年7月29日，廈門市發(fā)生了一次較明顯的局地性強(qiáng)對(duì)流過程，這次過程范圍小、局地性強(qiáng)、短時(shí)雨強(qiáng)大，造成集美區(qū)巖內(nèi)村出現(xiàn)短暫停電，部分路段有積水。7月29日20時(shí)，廈門市氣象臺(tái)變更發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號(hào)，也是當(dāng)年發(fā)布的首個(gè)暴雨紅色預(yù)警信號(hào)，雨情受到市民群眾的廣泛關(guān)注。而歐洲中心細(xì)網(wǎng)格、華東模式、GRAPES、日本模式等多家數(shù)值模式和省市兩級(jí)預(yù)報(bào)員對(duì)此次局地短時(shí)強(qiáng)降水過程均有明顯的漏報(bào)和低估。本文通過對(duì)此次局地短時(shí)強(qiáng)降水過程的回顧，結(jié)合常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)、美國氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心/美國國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的全球再分析資料(FNL)以及風(fēng)廓線雷達(dá)、X波段相控陣?yán)走_(dá)等新型雷達(dá)產(chǎn)品，剖析其成因和預(yù)報(bào)誤差的原因，為后續(xù)此類局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣預(yù)報(bào)提供參考。

2 研究資料

本文使用資料如下：區(qū)域自動(dòng)站資料、NCEP/NCAR FNL再分析資料、micaps探空資料、閃電觀測資料、風(fēng)廓線雷達(dá)、X波段相控陣天氣雷達(dá)、EC細(xì)網(wǎng)格和華東模式預(yù)報(bào)資料等。其中，使用的自動(dòng)站及觀測設(shè)備分布圖如圖1所示。

圖1 廈門自動(dòng)站及觀測設(shè)備分布

3 過程概況

7月29日廈門市的局地性強(qiáng)對(duì)流過程，以短時(shí)強(qiáng)降水、雷電為主，并伴有 6-7級(jí)雷雨大風(fēng)。統(tǒng)計(jì)29日14時(shí)-22時(shí)廈門市累計(jì)雨量(圖2)，共有14個(gè)站點(diǎn)達(dá)到暴雨及以上量級(jí)，其中最大雨量出現(xiàn)在集美區(qū)巖內(nèi)村101.4mm。過程中各區(qū)均出現(xiàn)了降水，但降水分布不均勻，強(qiáng)降水主要集中在同安區(qū)和集美區(qū)，平均雨量分別為23.4mm和27.3mm。對(duì)比全市出現(xiàn)較大降水的站點(diǎn)，排名前三的站點(diǎn)均出現(xiàn)在集美區(qū)，而前十五名站點(diǎn)中，同安區(qū)有8個(gè)，集美區(qū)有7個(gè)。由此可見，雖然同安區(qū)降水強(qiáng)度略小于集美區(qū)，強(qiáng)降水范圍卻更大些。

圖2 7月29日14-22時(shí)廈門累計(jì)降水實(shí)況

實(shí)況顯示有21個(gè)站點(diǎn)1小時(shí)降水極值超過20mm，最大為19～20時(shí)集美區(qū)巖內(nèi)村61mm/h，最大5分鐘雨量達(dá)到15.7mm。詳細(xì)分析兩個(gè)區(qū)域較大降水站點(diǎn)的逐時(shí)降水動(dòng)態(tài)，以集美區(qū)巖內(nèi)村及同安區(qū)小坪村為例(圖3)，發(fā)現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的時(shí)段也存在差異，其中集美區(qū)小時(shí)雨強(qiáng)更大，降水主要集中在傍晚到夜間，同安區(qū)則降水持續(xù)時(shí)間更長，較強(qiáng)降水分別出現(xiàn)在午后和傍晚兩個(gè)階段。

圖3 29日小坪村和巖內(nèi)村5分鐘(柱狀)和滑動(dòng)逐小時(shí)(紅線)雨量動(dòng)態(tài)圖

并且，29日全市中北部出現(xiàn)了雷電活動(dòng)(圖4a)，多出現(xiàn)在傍晚，其中集美區(qū)和同安區(qū)北部尤為密集，較強(qiáng)閃電集中在集美區(qū)及兩區(qū)交界處。過程出現(xiàn)大風(fēng)較弱，廈門市內(nèi)有11個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)6級(jí)及以上大風(fēng)(圖4b)，過程極大風(fēng)速出現(xiàn)在同安區(qū)白交祠村17m/s(7級(jí)，ENE)。

圖4 29日雷電和瞬時(shí)極大風(fēng)分布圖

4 天氣形勢分析

7月29日08時(shí)(圖略)，200hPa福建省處于偏北氣流控制，福建內(nèi)陸多為弱輻合，沿海出現(xiàn)弱輻散。500hpa高緯地區(qū)為兩槽一脊形勢，副熱帶高壓西伸至兩廣交界，控制華南東部，700hPa到925hPa均為東北氣流影響。此時(shí)并未出現(xiàn)明顯有利于降水的天氣形勢。

到了20時(shí)(圖5)，200hPa福建大部均轉(zhuǎn)為輻散場，輻散中心位于廈門北側(cè)。500hPa副高繼續(xù)西伸北抬，588線控制整個(gè)華南地區(qū)，700hPa偏東氣流加強(qiáng)，850hPa臺(tái)灣海峽中部有低渦出現(xiàn)，廈門由沿海到內(nèi)陸為東北轉(zhuǎn)偏東氣流，并伴有風(fēng)速輻合。低層偏東氣流加強(qiáng)是造成降水比預(yù)報(bào)偏大的因素之一。850hPa廈門北側(cè)存在明顯的假相當(dāng)位溫密集帶，表明在850hPa存在鋒區(qū)，并且比濕達(dá)到14g/kg，K指數(shù)大于38，這些轉(zhuǎn)變都有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)展。

圖5 29日20時(shí)200hPa風(fēng)場和散度、500 hPa高度場(等值線)和風(fēng)場；750hPa風(fēng)場和850hPa風(fēng)場、假相當(dāng)位溫和比濕

5 物理量診斷分析

5.1 水汽條件

從850hpa水汽通量和水汽通量散度場疊加圖上看， 29日08時(shí)(圖6)廈門上空水汽條件一般，水汽通量及水汽通量輻合均較小。到了20時(shí)，廈門處于水汽通量大值區(qū)，此時(shí)的水汽通量散度負(fù)值中心位于廈門上空及北側(cè)，水汽條件明顯加強(qiáng)。水汽的變化與降水時(shí)間匹配較好，前期水汽條件較差也是當(dāng)天午后到夜間的局地強(qiáng)降水被低估的原因之一。

(a)08時(shí)

5.2 熱力條件

分析廈門站的T-lnp圖(圖7)可以發(fā)現(xiàn)，其反映的環(huán)境場特征有以下特點(diǎn)：29日08時(shí)，近地面層到700hPa條件不穩(wěn)定特征明顯，自由對(duì)流高度較低，對(duì)流有效位能適當(dāng)；但整層相對(duì)濕度較小，僅在近地面水汽接近飽和；中低層風(fēng)速都較小，850hPa以下風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，有一定強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變。29日20時(shí)，環(huán)境場特征趨向有利，濕度明顯增大，近地面到600hPa水汽接近飽和，自由對(duì)流高度更低，仍有較強(qiáng)的對(duì)流有效位能。

(a)08時(shí) (b)20時(shí)圖7 29日探空曲線圖

表1是廈門站29日08時(shí)、20時(shí)實(shí)況以及EC預(yù)報(bào)14時(shí)的對(duì)流參數(shù)和特征高度?？梢园l(fā)現(xiàn)，08時(shí)對(duì)流層中低層的熱力狀態(tài)較為穩(wěn)定，K值僅有28.8，SI為2.16，A為3.9，除CAPE值達(dá)到1305.2 J/kg 較適當(dāng)以外，對(duì)流條件并不理想；午后預(yù)報(bào)的大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定，K值達(dá)到36.1，SI轉(zhuǎn)為負(fù)值，A為8.9；到了20時(shí)前后，熱力不穩(wěn)定明顯，K值增大到38.4，SI為-2.17，A則增大到14.9。

表1 廈門站29日08時(shí)、14時(shí)、20時(shí)對(duì)流參數(shù)和特征高度

此外，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，整層比濕積分(IQ)也有明顯增大，20時(shí)已大于6000g/kg，梁維亮等[17]曾發(fā)現(xiàn)IQ和K的值越大，則越有利于雷暴天氣出現(xiàn)。而出現(xiàn)降水時(shí)的T850-T500略大于22.5°C，溫度直減率大，構(gòu)成層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)，也有利于雷暴大風(fēng)的發(fā)生。

中低層較為深厚的水汽飽和層、強(qiáng)熱力不穩(wěn)定、一定強(qiáng)度的風(fēng)向垂直切變以及較低的自由對(duì)流高度等特征有利于脈沖風(fēng)暴的發(fā)展，引發(fā)濕下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生[18]。這些都為本次局地短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)的形成提供了水汽條件和熱力、動(dòng)力不穩(wěn)定條件。

5.3 動(dòng)力條件

29日08時(shí)200hPa散度場沿海為正值(圖略)，低層850hpa為輻合區(qū)，廈門上空為高層弱輻散低層輻合的高低空配置；20時(shí)廈門島外上空200hPa出現(xiàn)強(qiáng)輻散中心，500hPa垂直速度場上為負(fù)速度中心，位置與高層輻散中心對(duì)應(yīng)較好，并且低層850hPa也出現(xiàn)明顯輻合，低層輻合，高層輻散，垂直上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，這使得對(duì)流強(qiáng)烈發(fā)展，有利于強(qiáng)降水的出現(xiàn)。

6 雷達(dá)資料應(yīng)用分析

從雷達(dá)分析來看，這次局地強(qiáng)對(duì)流過程出現(xiàn)了典型的列車效應(yīng)。結(jié)合925hPa風(fēng)廓線雷達(dá)和X波段相控陣?yán)走_(dá)來回顧本次過程的雷達(dá)回波情況(圖8)，回波主要有三個(gè)發(fā)展階段：第一波在下午14時(shí)前后開始，生成于同安區(qū)中北部，925hPa廈門到平和出現(xiàn)偏東風(fēng)和偏北風(fēng)的弱輻合，回波不斷生成，并向西北方向移動(dòng)，出現(xiàn)列車效應(yīng)，造成同安區(qū)午后階段的短時(shí)強(qiáng)降水。16時(shí)左右平和轉(zhuǎn)南風(fēng)，隨后南風(fēng)不斷加強(qiáng)，廈門到平和出現(xiàn)明顯的東北風(fēng)與偏南風(fēng)的輻合，此時(shí)第二波回波分別出現(xiàn)在同安區(qū)南部和北部山區(qū)，而后向集美南壓；南側(cè)生成的回波不斷向北發(fā)展，列車效應(yīng)明顯，這是回波和降水發(fā)展的最強(qiáng)階段，集美區(qū)和同安區(qū)均出現(xiàn)局地的短時(shí)強(qiáng)降水，最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在19～20時(shí)，集美區(qū)巖內(nèi)村1小時(shí)降水達(dá)到61mm。到了20時(shí)，廈門和平和站均為一致的偏北風(fēng)，回波和降水均有明顯消減；第三波回波生成于翔安區(qū)中南部，雖然移動(dòng)緩慢，但強(qiáng)度較弱，且因列車效應(yīng)而降水疊加較大的區(qū)域主要位于內(nèi)海，因此體現(xiàn)的降水相對(duì)前兩個(gè)階段較弱，而后回波在南壓過程中逐漸消散。

圖8 29日三個(gè)階段對(duì)應(yīng)的925hPa風(fēng)廓線雷達(dá)及X波段相控陣?yán)走_(dá)

運(yùn)用X波段相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行雙偏振特征分析，發(fā)現(xiàn)29日最強(qiáng)降水時(shí)段集美區(qū)上空回波中心的反射率因子達(dá)到60dBZ以上(圖9a)；ZDR達(dá)到4dB以上，KDP為3°～7°/km，局部超過7°/km(圖略)，說明粒子為扁平的大水滴且降水強(qiáng)度非常強(qiáng)。沿強(qiáng)對(duì)流回波移動(dòng)方向(圖9a黑線)所作的雷達(dá)反射率因子垂直剖面，顯示質(zhì)心位置較低，50dBZ以上強(qiáng)回波以及KDP大值區(qū)都位于6km高度以下，ZDR大于3dB的區(qū)域也主要集中在3km以下，表明大水滴集中在低層。此次過程屬于暖云主導(dǎo)的熱帶降水型，對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)較大，降水效率較高[18-20]。

(a)反射率因子(仰角4.5°) (b)反射率因子剖面

7 模式降水及強(qiáng)降水潛勢檢驗(yàn)

本文還回顧了7月29日強(qiáng)對(duì)流天氣潛勢預(yù)報(bào)(圖略)、以及08時(shí)起報(bào)的多模式(以上海區(qū)域中尺度模式和EC細(xì)網(wǎng)格模式為例)降水預(yù)報(bào)(圖10)，強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)以及各模式對(duì)廈門的降水預(yù)報(bào)均不理想，預(yù)報(bào)降水量偏小，對(duì)強(qiáng)對(duì)流落區(qū)出現(xiàn)了漏報(bào)和低估。以EC細(xì)網(wǎng)格為例，進(jìn)行預(yù)報(bào)和實(shí)況風(fēng)場對(duì)比分析(圖略)，發(fā)現(xiàn)模式對(duì)于低層?xùn)|風(fēng)的預(yù)報(bào)偏弱，700hPa實(shí)況偏東風(fēng)為6m/s而模式預(yù)報(bào)為4m/s；850hPa以及925hPa的東北風(fēng)風(fēng)速實(shí)況達(dá)到8m/s，有預(yù)報(bào)的2倍大。并且對(duì)比風(fēng)廓線雷達(dá)實(shí)況和模式預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)模式對(duì)于16～20時(shí)925hPa平和較強(qiáng)的偏南風(fēng)顯示并不明顯。因此，模式對(duì)于低層?xùn)|風(fēng)的預(yù)報(bào)偏弱以及925hPa風(fēng)向輻合的顯示不清晰，是此次過程低估的重要原因。

(a)上海區(qū)域中尺度模式 (b)EC細(xì)網(wǎng)格模式12小時(shí)降水圖10 29日多模式降水預(yù)報(bào)

8 結(jié)論

受副高底部偏東氣流影響，2020年7月29日,廈門市出現(xiàn)一次較明顯的局地短時(shí)強(qiáng)降水過程，具有范圍小、局地性強(qiáng)、短時(shí)雨強(qiáng)大等特點(diǎn)。本文對(duì)該過程的成因和預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

(1)高層輻散低層輻合配置的強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)是此次局地短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生的動(dòng)力機(jī)制，中低層較為深厚的水汽飽和層、強(qiáng)熱力不穩(wěn)定、一定強(qiáng)度的風(fēng)向垂直切變以及較低的自由對(duì)流高度等為局地短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)的形成提供了水汽條件和熱力、動(dòng)力不穩(wěn)定條件。

(2)副高底部偏東氣流加強(qiáng)，超低空出現(xiàn)風(fēng)場輻合，水汽、動(dòng)力條件轉(zhuǎn)好，熱力不穩(wěn)定條件趨向有利，這些都是當(dāng)天午后到夜間的局地強(qiáng)降水較預(yù)估偏強(qiáng)的原因。

(3)925hPa風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)本次過程有較好的指示作用，較強(qiáng)的雷達(dá)回波發(fā)展階段基本都對(duì)應(yīng)有明顯的風(fēng)場輻合特征。

(4)相控陣?yán)走_(dá)的高時(shí)空分辨率在臨近預(yù)報(bào)及監(jiān)測預(yù)警方面具有較大優(yōu)勢，清楚顯示了本次過程出現(xiàn)的列車效應(yīng)，對(duì)于局地性的短時(shí)強(qiáng)降水可提供更精細(xì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和降水估計(jì)。雙偏振參量表明回波有明顯的ZDR、KDP異常大值區(qū)，表明降水以扁平大水滴為主，回波質(zhì)心較低，是屬于暖云主導(dǎo)的熱帶降水型，對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)較大，降水效率較高。

模式預(yù)報(bào)出現(xiàn)偏差時(shí)，結(jié)合雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行當(dāng)天的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)和監(jiān)測預(yù)警服務(wù)顯得尤為重要。過程發(fā)生時(shí)由于僅有翔安相控陣?yán)走_(dá)完成建設(shè)，所以同安北部山區(qū)等部分區(qū)域仍在相控陣?yán)走_(dá)監(jiān)測范圍之外。單部相控陣?yán)走_(dá)對(duì)于中小尺度對(duì)流天氣的觀測有較大改善作用，卻難以對(duì)短時(shí)臨近天氣預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)生顛覆性的改變，仍需要加入準(zhǔn)確的云體內(nèi)外流場信息，在不同地方同時(shí)觀測同一目標(biāo)以獲得較準(zhǔn)確的目標(biāo)物速度及風(fēng)速，得到真實(shí)的三維風(fēng)場，從而在本質(zhì)上提升短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警的水平。廈門市氣象局已在9月26日完成三地相控陣?yán)走_(dá)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同組網(wǎng)觀測，不僅覆蓋全市，還包括周邊地區(qū)。相信在未來“S波段天氣雷達(dá)組網(wǎng)警戒+X波段相控陣?yán)走_(dá)組網(wǎng)監(jiān)測”的模式下，能進(jìn)一步提高災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警水平。