陳艷真 陳詩(shī)琳 梁寶元

(1.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；2.莆田市城廂區(qū)氣象局，福建 莆田 351100)

1 概述

福建是中國(guó)暴雨高頻區(qū)之一，莆田地處福建中部沿海，常因暴雨導(dǎo)致嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。因此，對(duì)暴雨的持續(xù)時(shí)間和落區(qū)的準(zhǔn)確把握是為防洪抗災(zāi)工作提供決策服務(wù)的先決條件。然而，不同影響系統(tǒng)下，暴雨的觸發(fā)機(jī)制不同，強(qiáng)降水的持續(xù)時(shí)間、降水強(qiáng)度和落區(qū)都存在差異。福建省位于中國(guó)東南沿海，處于中緯度西風(fēng)帶和熱帶東風(fēng)帶交替影響的過(guò)渡地帶，暴雨成因復(fù)雜，既有前汛期的鋒面系統(tǒng)暴雨，也有臺(tái)風(fēng)等熱帶系統(tǒng)影響造成的暴雨，其中前汛期暴雨主要是由西風(fēng)帶系統(tǒng)造成的，包括高空槽、冷鋒、準(zhǔn)靜止鋒、切變線(xiàn)、低空急流等[1]。目前對(duì)暴雨機(jī)制研究還不夠深入，有時(shí)看似明顯的暴雨形勢(shì)，實(shí)況卻只出現(xiàn)部分或者局部性的暴雨，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率還是較低。2020年5月21日(本文所提時(shí)間均為北京時(shí))莆田市出現(xiàn)了一場(chǎng)部分性的暴雨，本文應(yīng)用ERA 50.25°×0.25°逐小時(shí)的全球再分析資料、NCEP/NCAR 1°×1°逐六小時(shí)的全球再分析資料、雷達(dá)回波資料和常規(guī)觀(guān)測(cè)資料，對(duì)這次暴雨過(guò)程的環(huán)流背景、中尺度特征和物理量場(chǎng)特征進(jìn)行分析，對(duì)各家模式降水預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，探討暴雨的發(fā)生機(jī)制，加深對(duì)當(dāng)?shù)乇┯赀^(guò)程的認(rèn)識(shí)。

1.1 實(shí)況分析

5月21日08時(shí)至22日08時(shí)，福建省出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降水天氣，福建省大部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨天氣，共有55個(gè)縣市、528個(gè)自動(dòng)站達(dá)到暴雨標(biāo)準(zhǔn)(50.0～99.9mm)，3個(gè)縣市，3個(gè)自動(dòng)站達(dá)到大暴雨標(biāo)準(zhǔn)(100.0～249.9mm)，其中平潭白青鄉(xiāng)白青小學(xué)達(dá)到了116.8mm(為最大)，沿海出現(xiàn)9～10級(jí)東北大風(fēng)。21日白天暴雨出現(xiàn)在中北部，以穩(wěn)定性降水為主，夜間開(kāi)始，強(qiáng)降水有所減弱，僅龍巖東部出現(xiàn)暴雨(圖略)。21日08時(shí)至22日08時(shí)，莆田市共有37個(gè)站出現(xiàn)暴雨，占全市32.5%。其中秀嶼區(qū)埭頭鎮(zhèn)大蚶山75.1mm為最大，降水主要集中在21日白天(圖1)，有20個(gè)站出現(xiàn)暴雨，以穩(wěn)定性降水為主。

1.2 主客觀(guān)預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)對(duì)比

從客觀(guān)預(yù)報(bào)分析來(lái)看(圖2)，各家模式對(duì)該過(guò)程的落區(qū)預(yù)報(bào)與實(shí)況相差較大，且各家模式之間的預(yù)報(bào)落區(qū)也相差較大，多模式的一致性很差，中北部的暴雨僅ECMWF、EC-EPS、GRAPES-GFS、GRAPESmeso有體現(xiàn)，其中ECMWF暴雨落區(qū)偏小，其他三個(gè)模式的暴雨落區(qū)范圍均偏大。除了GRAPES-GFS、JMA-GSM、NCEP-GFS、華東區(qū)域沒(méi)有預(yù)報(bào)東南部沿海暴雨外，其他模式均預(yù)報(bào)了閩東南沿海的暴雨，基本空?qǐng)?bào)；大雨以上的降水全球模式的參考性較大，此次過(guò)程以穩(wěn)定性降水為主，各種模式的暴雨落區(qū)參考性都不大，但是大雨以上的全球模式的參考性較大，區(qū)域模式的參考性較差。

從福建省氣象臺(tái)的主觀(guān)預(yù)報(bào)來(lái)看(圖略)，無(wú)論是48小時(shí)還是24小時(shí)暴雨落區(qū)都出現(xiàn)偏差，暴雨落區(qū)偏大，強(qiáng)度偏強(qiáng)，實(shí)況暴雨落區(qū)出現(xiàn)在福建中部和西南部，而主觀(guān)預(yù)報(bào)整個(gè)中南部均為暴雨。從主觀(guān)預(yù)報(bào)來(lái)看，暴雨以上的降水落區(qū)偏大，強(qiáng)度偏強(qiáng)，且越臨近暴雨落區(qū)的預(yù)報(bào)越大，與實(shí)況偏差越大，大雨以上的落區(qū)基本正確，因此這種穩(wěn)定性降水過(guò)程的暴雨落區(qū)通常比預(yù)報(bào)偏大，但是大雨以上的準(zhǔn)確率較高，整個(gè)服務(wù)過(guò)程還是較好的。

(a)21日08時(shí)至22日08時(shí)降水量(莆田市) (b)21日08時(shí)至21日20時(shí)降水量(莆田市) (c)21日20時(shí)至22日08時(shí)降水量(莆田市)

圖2 24小時(shí)時(shí)效21日08時(shí)至22日08時(shí)模式預(yù)報(bào)降水落區(qū)檢驗(yàn)

莆田市臺(tái)21日10時(shí)發(fā)布的第5期《重要天氣預(yù)警報(bào)告》指出：“21日午后至夜里我市將出現(xiàn)暴雨。24小時(shí)累計(jì)雨量50～70mm，局部超過(guò)80mm，最大小時(shí)雨量20～30mm。”對(duì)莆田的主觀(guān)預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)(圖3)，出現(xiàn)大范圍的空?qǐng)?bào)，落區(qū)預(yù)報(bào)偏大，因此本文主要針對(duì)莆田市氣象臺(tái)這次空?qǐng)?bào)過(guò)程進(jìn)行分析。

(a)莆田市氣象臺(tái) 21日10時(shí)預(yù)報(bào)21日11時(shí)-22日11時(shí)時(shí)降水落區(qū) (b)21日11時(shí)-22日11時(shí)實(shí)況

從主客觀(guān)預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)對(duì)比分析可知，數(shù)值預(yù)報(bào)常對(duì)穩(wěn)定性降水大雨以上量級(jí)預(yù)報(bào)能力還不錯(cuò)，對(duì)暴雨的預(yù)報(bào)能力較差，多模式的一致性也差，但是全球模式對(duì)大雨以上的預(yù)報(bào)參考性較高，暴雨落區(qū)有一定偏差。

2 天氣過(guò)程分析

2.1 大尺度環(huán)流背景分析

此次暴雨過(guò)程發(fā)生期間，500hPa亞歐大陸中高緯為兩槽一脊形勢(shì)，貝加爾湖-鄂霍茨克海以西為寬槽，槽底到30°N附近，烏拉爾山-巴爾喀什湖以西為低槽，貝加爾湖-巴爾喀什湖為高壓脊，且有阻塞高壓；南方多波動(dòng)，南支槽活躍(圖4a)。

從低層系統(tǒng)來(lái)看(圖4b)，700hPa低渦位于安徽省，低渦切變分別維持在閩浙交界和江西至廣東西部，21日08時(shí)，850hPa低渦中心位于江西中南部，華南有西南急流維持，最大風(fēng)速為16m/s，閩中有切變維持，14時(shí)臺(tái)灣海峽的偏南風(fēng)急流往北推，切變依然維持在閩中沿海，方向、風(fēng)速的輻合均在閩中沿海(圖略)。20時(shí)西南風(fēng)和偏南風(fēng)急流均減弱。21日08時(shí)至20時(shí)，925hPa在廣西中部-江西南部-福建中部有切變線(xiàn)維持，閩南為東南風(fēng)，閩中北和閩西北為偏東風(fēng)，風(fēng)速均為6 m/s，風(fēng)向輻合十分顯著。地面有冷空氣從沿海擴(kuò)散南下影響。

(a)21日08時(shí)500hPa環(huán)流形勢(shì) (b)21日高低空系統(tǒng)配置(風(fēng)場(chǎng)為21日20時(shí)925hPa)

2.2 中尺度系統(tǒng)分析

由仙游站和莆田站逐小時(shí)降水量分析可知，21日白天以穩(wěn)定降水為主，降水在12時(shí)起略有加強(qiáng)，較強(qiáng)降水持續(xù)到17時(shí)(圖5)，回波從西往東移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中有所加強(qiáng)，但雨強(qiáng)都不強(qiáng)。

(a)5月21日08時(shí)～5月22日08時(shí)仙游[58936]小時(shí)雨量

(b)5月21日08時(shí)～5月22日08時(shí)莆田[58936]小時(shí)雨量

由福建省雷達(dá)拼圖可知，21日08時(shí)-24日08時(shí)福建的強(qiáng)降水基本是混合性回波降水，且此次強(qiáng)降水在12∶00-17∶00相對(duì)較強(qiáng)。分析此時(shí)加強(qiáng)的原因，在13時(shí)有A、B兩個(gè)單體往莆田市移動(dòng)(圖6a)，移動(dòng)過(guò)程中略有加強(qiáng)，在13∶54組合反射率達(dá)40dBz(圖6b)。15∶00，A單體移出莆田市，B單體在東移的過(guò)程中與北面的回波合并加強(qiáng)(圖6c)。15∶30在仙游又有3個(gè)單體生成(圖6d)，1號(hào)和3號(hào)單體在東移的過(guò)程中加強(qiáng)，2號(hào)單體減弱消失(圖6e)，使得12∶00-17∶00莆田出現(xiàn)較強(qiáng)的降水集中期，尤其是莆田站在15∶00-16∶00小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)本次過(guò)程中的最大值11.4mm。

(a)21日13∶00 (b)21日13∶54 (c)24日15∶00

(d)21日15∶30 (e)21日16∶00

從地面風(fēng)場(chǎng)分析13時(shí)至16時(shí)回波移入莆田加強(qiáng)的原因，12∶00-13∶00在莆田出現(xiàn)一條東西向的偏東風(fēng)和東南風(fēng)形成的地面切變線(xiàn)(圖7a)，回波移動(dòng)至切變線(xiàn)附近加強(qiáng)，且仙游西部屬于閩中山帶，地形與西南風(fēng)風(fēng)向的輻合，也對(duì)單體的發(fā)展有促進(jìn)作用。15時(shí)開(kāi)始，切變線(xiàn)略有南壓，但是仍然維持在莆田市中部(圖7b、c)，切變線(xiàn)一直維持到20時(shí)，地面切變線(xiàn)的維持和地形的作用，使得回波移動(dòng)至莆田加強(qiáng)。

(a)21日12-13時(shí)地面風(fēng)場(chǎng) (b)16-17時(shí)地面風(fēng)場(chǎng) (c)地面切變線(xiàn)位置圖

從大尺度環(huán)流背景和中尺度系統(tǒng)分析，莆田有一次明顯的降水過(guò)程，但是否為全市性的暴雨還較難預(yù)報(bào)，下面從物理量進(jìn)一步分析。

2.3 物理量診斷分析

2.3.1 動(dòng)力條件分析

從低層渦度場(chǎng)(圖8a、b)分析可以明顯看出，21日14時(shí)1000hPa和850hPa開(kāi)始在福建中部沿海有正的渦度中心，中心值為6×10-5S-1和20×10-5S-1，渦度中心與925hPa和850hPa的切變位置較一致。21日20時(shí)，850hPa渦度中心往臺(tái)灣海峽北側(cè)推，與850hPa海峽附近西南風(fēng)急流北推對(duì)應(yīng)，渦度中心的變化與西南急流關(guān)系比較密切，低空急流是暴雨對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立者和維持者。

從21日14時(shí)沿強(qiáng)降水帶上((25.0°N，19.3°E)～(26.8°N，117.7°E))的垂直速度剖面(圖8c)可見(jiàn)，較強(qiáng)降水發(fā)生期間，降水區(qū)上空有一定的垂直上升運(yùn)動(dòng)，最高上升到200hPa，莆田市附近較強(qiáng)降水帶上[(25.6°N，118.75°E)～(26.8°N，117.7°E)]垂直上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)是在500～400hPa，中心值大于-1Pa/s，上升運(yùn)動(dòng)條件不錯(cuò)，20時(shí),600hPa以下垂直速度轉(zhuǎn)為正值，變成下運(yùn)動(dòng)，降水停止。

(a)21日14時(shí)850hPa渦度 (b)21日14時(shí)1000hPa渦度

(c)21日14時(shí)垂直速度剖面 (d)21日20時(shí)垂直速度剖面

2.3.2 水汽條件

分析該次暴雨過(guò)程850hPa的水汽通量分布(圖9)，21日華南上空盛行西南風(fēng)，水汽源源不斷從南海向華南沿海輸送，且9～17時(shí)莆田上空850hPa水汽通量在14 g/(cm·hPa·s)。受切變線(xiàn)的影響，水汽在閩中地區(qū)聚集，18時(shí)水汽通量下降比較明顯，且莆田市的水汽通量低于12 g/(cm·hPa·s)，19時(shí)莆田市降水減弱明顯。

(a)14時(shí)850hPa比濕 (b)20時(shí)850hPa比濕

2.3.3 能量條件

假相當(dāng)位溫θse是同時(shí)表征溫度和濕度的參數(shù)，因而在中尺度天氣圖上可以繪制等θse線(xiàn)，分析確定高低θse值區(qū)(或濕靜力能量高低能區(qū))和能量鋒區(qū)的位置[2]。從θse場(chǎng)分布看(圖10)可以看到，21日08-14時(shí)在850hPa上粵東-臺(tái)灣海峽一帶一個(gè)高濕高能軸，高能舌中心強(qiáng)度在356K以上，能量鋒在閩浙交界，隨著沿海冷空氣的擴(kuò)散南下，能量鋒逐步南壓到福建北部。16時(shí)，高能舌也西移南縮至閩東北，莆田市850hPa的θse值在346K左右，對(duì)應(yīng)的午后至傍晚的明顯降水。18時(shí)，能量鋒區(qū)進(jìn)一步南壓，高能舌南壓到閩南地區(qū)，說(shuō)明冷空氣進(jìn)一步從沿海擴(kuò)散南下，莆田降水趨于減弱。

(a)21日12時(shí)850hPa假相當(dāng)位溫 (b)21日16時(shí)850hPa假相當(dāng)位溫 (c)21日18時(shí)850hPa假相當(dāng)位溫

2.4 莆田市大范圍暴雨空?qǐng)?bào)原因初探

通過(guò)以上分析，500hPa和850hPa的環(huán)流形勢(shì)與《福建省預(yù)報(bào)員手冊(cè)》的前汛期暴雨預(yù)報(bào)概念模型相一致[3]，但是地面形勢(shì)不是很有利。同時(shí)從物理量分析，渦度場(chǎng)時(shí)比較有利，但是垂直上升運(yùn)動(dòng)條件一般，且濕度和能量條件有利于大范圍暴雨出現(xiàn)的時(shí)間也不長(zhǎng)。另外從散度場(chǎng)分析(圖11)，沿強(qiáng)降水帶上[(25.0°N,119.3°E)～(26.8°N，117.7°E)]的散度垂直剖面可以看出,莆田市附近較強(qiáng)降水帶上[(25.6°N，118.75°E)～(26.8°N，117.7°E)]近地層(925hPa以下)為輻合，中低層(500～925hPa)為輻散，高層為輻合，整個(gè)條件都不利于大范圍暴雨的發(fā)生。因此，日常預(yù)報(bào)不僅要關(guān)注大環(huán)流形勢(shì)、中尺度分析，也要注重地面形勢(shì)和多個(gè)物理量的綜合分析。

(a)21日06時(shí) (b)21日20時(shí)

2.5 數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用情況和檢驗(yàn)分析

從華東區(qū)域(WARMSv2.0)風(fēng)場(chǎng)與NCEP/NCAR 1°×1°逐6小時(shí)的全球再分析資料的風(fēng)場(chǎng)對(duì)比，可知華東區(qū)域?qū)Υ舜翁鞖庀到y(tǒng)預(yù)報(bào)較好，850hPa低渦位置和切變線(xiàn)位置都對(duì)應(yīng)的很好，而且風(fēng)向預(yù)報(bào)與實(shí)況都一致，但是14時(shí)在臺(tái)灣海峽中部的西南風(fēng)和東南風(fēng)形成切變線(xiàn)的風(fēng)速均偏小4m/s左右。925hPa切變線(xiàn)位置對(duì)應(yīng)的較好，風(fēng)向預(yù)報(bào)很好，但是14時(shí)在閩中北沿海陸地上的風(fēng)向與實(shí)況有差距，實(shí)況是偏東風(fēng)，而華東區(qū)域預(yù)報(bào)的是東北風(fēng)，且風(fēng)速也較大，說(shuō)明華東區(qū)域模式預(yù)報(bào)的冷空氣可能滲透的更偏西。

華東區(qū)域模式(WARMSv2.0)除了風(fēng)速偏弱外，其形勢(shì)場(chǎng)總體預(yù)報(bào)的較好，但降水落區(qū)和強(qiáng)度卻出現(xiàn)較大出入，雨量明顯偏小，可能與物理量配置和熱力條件有關(guān)，且更能體現(xiàn)出中尺度模式對(duì)穩(wěn)定性降水的預(yù)報(bào)能力不是很好。

通過(guò)分析以下GRAPES-MESO-9km、GRAPES-MESO-3km、上海SMS-WARMS-9km、上海SMS-WARR-3km東部、廣州GRAPES-GD-3km區(qū)域模式、GRAPES-MESO-25km、ECMWF-12.5km、NCEP-25km的降水檢驗(yàn)，分析模式對(duì)于該過(guò)程的可預(yù)報(bào)性。

本次各家模式降水過(guò)程預(yù)報(bào)的TS評(píng)分中，大雨量級(jí)(25～50mm)的降水GRAPES-MESO-3km評(píng)分最高(0.471)，其次GRAPES-MESO-9km、廣州GRAPES-GD-3km區(qū)域模式、ECMWF-12.5km評(píng)分較高(均在0.4以上)，而大于50mm的降水中ECMWF-12.5km評(píng)分較高(0.225)，其次是GRAPES-MESO-3km評(píng)分0.2。對(duì)以上幾家TS評(píng)分較高的模式通過(guò)空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率進(jìn)行分析，大于25mm降水中GRAPES_MESO-9km、ECMWF-12.5km的空?qǐng)?bào)率明顯偏高，尤其當(dāng)雨量大于50mm時(shí)，GRAPES_MESO-9km、ECMWF-12.5km空?qǐng)?bào)率最高達(dá)0.9左右，ECMWF-12.5km的空?qǐng)?bào)率偏高，漏報(bào)率在以上幾家全球模式中是最低的，說(shuō)明GRAPES_MESO-9km、ECMWF-12.5km能夠在一定程度上反映本次大雨以上的降水過(guò)程，但是降水發(fā)生的落區(qū)和范圍偏差較大。對(duì)TS 評(píng)分最高的GRAPES-MESO-3km模式大于50mm量級(jí)的空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率分析，其空?qǐng)?bào)率0.677，漏報(bào)率0.655，其空?qǐng)?bào)率在各家模式中最低，漏報(bào)率在各家模式中倒數(shù)第三低，通過(guò)分析此次暴雨預(yù)報(bào)最好的是GRAPES-MESO-3km。

對(duì)于低渦型，熱力條件一般的穩(wěn)定型降水全球模式會(huì)比區(qū)域模式預(yù)報(bào)得更好。綜合此次過(guò)程看，暴雨以上降水GRAPES-MESO-3km的TS 評(píng)分和空?qǐng)?bào)率時(shí)最好，ECMWF-12.5km的TS和漏報(bào)率都不錯(cuò)。

3 結(jié)果與討論

①大雨以上的降水全球模式的參考性較大，但是暴雨預(yù)報(bào)能力還是較差，暴雨落區(qū)和多模式的一致性都不好，區(qū)域模式大雨以上的降水參考性較差。

②本次暴雨過(guò)程是低渦型降水，主要的影響系統(tǒng)是高空槽、南支槽、低渦、低層切變線(xiàn)和低層急流，降水主要位于低層西南風(fēng)和東南風(fēng)形成的切變線(xiàn)附近。

③本次暴雨過(guò)程的發(fā)生與中尺度系統(tǒng)密不可分，在大尺度背景下回波生成東移，在移近地面中尺度輻合線(xiàn)附近時(shí)，單體開(kāi)始加強(qiáng)，降水開(kāi)始加大，受地面輻合線(xiàn)的地形共同影響，莆田出現(xiàn)集中降水時(shí)段。

④與低空急流對(duì)應(yīng)的低層正渦度中心是降水加強(qiáng)的一個(gè)重要指標(biāo)；θse的鋒區(qū)與冷空氣南下的位置對(duì)應(yīng)，單體加強(qiáng)發(fā)生在θse的鋒區(qū)前沿，高濕高能舌里。

⑤此次莆田的暴雨空?qǐng)?bào)，從形勢(shì)上分析還是會(huì)出現(xiàn)暴雨，但是對(duì)暴雨落區(qū)和范圍的把握還是很難，要從中尺度和物理量進(jìn)行全面分析，加強(qiáng)多源數(shù)據(jù)的應(yīng)用，加強(qiáng)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、雨滴譜儀、自動(dòng)站等非常規(guī)資料的監(jiān)測(cè)、應(yīng)用及檢驗(yàn)。

⑥加強(qiáng)各家數(shù)值模式對(duì)暴雨的環(huán)流形勢(shì)、降水強(qiáng)度、降水落區(qū)預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)，預(yù)報(bào)中還需特別關(guān)注對(duì)低層中小尺度系統(tǒng)的預(yù)報(bào)；當(dāng)數(shù)值模式預(yù)報(bào)環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)低層有中小尺度系統(tǒng)影響時(shí)，在短時(shí)臨近時(shí)需加強(qiáng)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、雨滴譜儀、自動(dòng)站等非常規(guī)資料的監(jiān)測(cè)、應(yīng)用及檢驗(yàn)。

⑦在時(shí)間上加密對(duì)各家數(shù)值模式的檢驗(yàn)分析，最好每日檢驗(yàn)結(jié)果能讓預(yù)報(bào)員能便捷瀏覽，以便參考。