2014年春末华南一次暖区暴雨的成因初探及数值预报检验

林修栋，于 超，张芳华，王 冰，王培涛

(1.山东省石岛气象台，山东 石岛 264309；2.国家气象中心，北京 100081；3.山东省烟台市气象局，山东 烟台 264003；4.山东省滨州市气象局，山东 滨州 256600)



2014年春末华南一次暖区暴雨的成因初探及数值预报检验

林修栋1，于 超2，张芳华2，王 冰3，王培涛4

(1.山东省石岛气象台，山东 石岛 264309；2.国家气象中心，北京 100081；3.山东省烟台市气象局，山东 烟台 264003；4.山东省滨州市气象局，山东 滨州 256600)

利用常规气象观测资料、自动站加密观测资料和NCEP 1°×1°逐6 h的再分析资料以及卫星云图、雷达探测资料，对2014年5月8—10日华南暖区暴雨过程的成因进行了初步探讨，同时对这次暴雨过程的EC、T639、JAPAN模式的预报性能也进行了检验等，结果表明：①边界层西南急流、东南风急流造成的强烈辐合与广东珠三角地区的强降水关系密切；②在有利的天气尺度环境条件下，相继发展的MCS具有明显的Back-Building特征，MCS的低质心结构表明对流系统具有明显的热带季风暖云对流性质，具有极高的降水效率，有利于造成局地较高的累积降水量；③数值模式对影响系统及降水量级的预报存在一定偏差，尤其对强降水落区和强度的预报仍需进一步订正，预报员受数值模式预报结果影响，对暴雨和大暴雨在华南中东部存在明显的空报。对8日的暴雨过程的中尺度数值模拟表明，降水物理方案的选择对于暖区对流系统的发生发展影响明显，试验结果表明在采用WM6的微物理方案下，母网格采用Grell对流参数化方案的Run02试验降水模拟结果最为理想，一定程度上反映了暖区对流系统演变状况。

华南暖区暴雨；MCS；LLJ；数值模式检验

1 引言

华南暖区暴雨一般是指发生在地面锋面南侧暖区里或是南岭附近至南海北部没有锋面存在，华南没有受冷空气或变性冷高脊控制时产生的暴雨。20世纪70年代末开展的华南暴雨实验研究肯定了华南前汛期暴雨和大暴雨主要是暖区暴雨的观测事实[1]。经过多年的研究，人们对华南暖区暴雨的认识逐渐深入，所取得的研究成果为更加准确地预报此类暴雨事件提供了依据。如从影响系统的角度出发，华南的预报员常把暖区暴雨分为3类：①“回流暴雨”，即由变性冷高脊后部气流辐合或暖湿切变引起的暴雨；②由强西南季风爆发或强西南急流引起的暴雨；③由高空槽前和副热带急流共同作用引起的暴雨等。针对这些不同类型暴雨形势及成因进行分析和研究所取得的成果，已成为目前暴雨预报的重要依据[2]。

暖区暴雨的形成与中尺度对流系统MCS的活动关系密切， 大多是由中β尺度对流系统直接影响造成的。马禹等[3]在对1993—1995年我国夏季中尺度对流系统活动进行普查分析时发现，期间中β尺度对流系统的个数比中尺度对流系统个数多一倍以上。因此相对于中α尺度对流系统来说，中β尺度对流系统的活动对我国暴雨有着更重要的作用。目前针对这些直接引发暴雨的中β尺度对流系统的研究已成为暴雨研究中一项十分重要的内容[4]，这些中β尺度对流系统的形成，除了有利的大尺度环境条件之外，与地形、边界层过程(如重力流、中尺度辐合线、露点锋、海陆风)、中尺度重力波等的触发作用有着更密切的关系[5-6]，其中一部分影响因子在数值模拟实验中得到了验证[7]。对MCS的触发和组织机制的研究方面，多数成果都强调了低空西南急流(LLJ)、对流不稳定、对流凝结加热的重要作用[8]，蒙伟光等[9]认为MCS造成的潜热加热对于中低层涡旋的形成具有决定性作用，并通过位涡反演进行了定量分析。此外，陈敏[10]等研究指明华南地区至少存在有锋面对流系统、锋前暖区对流系统两类中尺度暴雨对流系统，但两者在发展机制上也存在明显差异[11]。

2014年5月8—10日，在多种天气系统作用下，我国江南、华南地区出现一次大范围的强降雨过程，针对此次过程的业务数值模式预报和主观预报都出现了一定偏差。华南地区受到锋面、LLJ、低层切变线等多种尺度天气系统的共同作用，同时受到复杂的中尺度地形、海陆分布等外界因素影响，具有极大的预报难度和研究价值。本文利用常规气象观测资料、自动站加密观测资料和NCEP1°×1°逐6 h的再分析资料以及卫星云图、雷达探测资料，重点分析此次过程中中尺度对流系统的演变特征和天气尺度的环境条件，包括与强降水相关的MCS活动特征、强对流发生前后雷达显著特征、水汽条件分析等，初步总结此次强降雨过程成因。同时，从业务预报需要出发，针对此次暖区暴雨过程中EC和T639模式预报性能进行了检验分析，并利用中尺度数值模拟检验了暖区暴雨对于降水物理过程的敏感性。

2 天气实况

2014年5月8—10日，华南地区出现大范围强降雨天气，该过程覆盖范围广、持续时间长、累积降雨量大、局地降雨强度强，其中，广西东部、广东西北部和南部降雨量为100～200 mm，广东中部沿海部分地区、广西东北部局地有250～350 mm，广东深圳、中山、珠海、江门和阳江局地达400～600 mm，江门台山市端芬镇达834 mm。此外，局地降雨强度强，其中汕尾5月8日降雨180 mm，为该站历史5月日雨量第6位；5月10日，广东省台山市上川岛降雨272.9 mm，突破该站历史5月日雨量极值[12]。

3 天气尺度系统分析

3.1 暴雨主要影响系统

2014年5月7—8日，华南西部的200 hPa高空槽快速东移入海，从8日起，青藏高原东部上空200 hPa又生成一个新的高空槽，此后该槽缓慢东移，8日20时，该高空槽移至广西上空，至10日14时，该槽缓慢东移至粤西地区，华南中东部地区始终处于槽前辐散区域中，此后该高空槽快速东移，整个华南地区转为槽后西北气流控制。南亚高压位置较典型华南前汛期南亚高压位置偏南，华南地区整体仍然处于西风带控制下。500 hPa上副热带高压脊线位于南海中部，与历史同期相比较为偏南，西脊点位置较为偏西，整体不太利于西南季风的爆发(图略)。

在西风带控制下，华南地区上空气流相对平直，500 hPa短波槽活动频繁，从天气尺度上还是有利于低层暖湿气流的增强。8日起随着高空短波槽从华南西部东移，低层切变线北抬到江南中部，华南地区低空始终处于偏南气流控制下，降雨具有明显的暖区暴雨性质。从850 hPa的θse分析，华南中南部已经高于季风指标定义的340 K，表明西南气流具有高水汽含量以及内在的对流不稳定属性，有利于华南地区水汽输送，并出现具有高降水效率的热带季风性质对流。从阳江单站低层探空风速的时间演变看，8日下午850 hPa和925 hPa低空急流也同时开始加强，在急流其出口区的右侧强降雨也几乎同步加强，阳江站(由于阳江站降水资料缺测，以离其最近的恩平站代替)6 h雨量达120 mm以上(图1a)。在整个过程期间，低层LLJ虽然在最大风速上有一定波动，但低层显著的暖湿平流输送条件始终没有发生大的变化(图略)，高θse的气流输送导致的水汽输送、局地对流不稳定性的增强都有利于暖区中对流系统的发生发展，最终导致持续性暴雨出现。

3.2 水汽条件分析

LLJ的建立机制相对复杂。从天气尺度系统分析，随着短波槽东移发展，与副高之间气压梯度增强，有利于LLJ的建立。从8日20时地面气压场可见(图略)，在云贵桂三省交界高原山地地区，在日间辐射加热作用下，地面出现了明显的热低压系统，在热低压东部边缘气压梯度增强，也有利于LLJ的形成。

低空急流(LLJ)加强有利于低空水汽输送和辐合生成，有利于强降雨的发生发展。图3表明广东南部LLJ在8日14时建立，20时达到最强。由广东阳江和深圳(探空资料采用香港站)850 hPa和925 hPa风速与其后6 h降水量可知，8日14—20时，阳江850 hPa风速迅速增大到16 m·s-1，925 hPa风速增大到12 m·s-1，同一时段深圳站850 hPa风速迅速增大到14 m·s-1，925 hPa风速增大到12 m·s-1,在上述风速增大过程中，降雨也相应加强，风速减小，降雨强度也减弱。925 hPa上广东中南部沿海地区出现西南、东南两支急流汇合造成强烈辐合，由此引起的低层抬升对广东中东部沿海区域性暴雨的产生有关键作用。

从绝对水汽条件看，8日14时两广大部区域的850 hPa比湿都>12 g·kg-1(图2a)，整层可降水含量>40 mm，沿海地区>55 mm。在强盛的西南气流持续水汽输送作用下，两广地区一直保持较高的整层可降水含量。从水汽动力条件看，8—9日来自南海和中南半岛的两支西南气流，在华南中南部地区产生较强的水汽通量辐合，持续时间较长，有利于产生持续性暴雨。分析区域平均的水汽通量散度垂直分布的时间演变特征发现(图2b)，水汽通量辐合集中在850 hPa以下，中心在975 hPa，强度达-3×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，持续的水汽输送和辐合为暴雨的产生提供了充沛的水汽条件。

图1 恩平(a)和深圳(b)5月8日14时—9日08时850 hPa、925 hPa风速及其后6 h雨量Fig.1 a and b respectively are wind speed of 850 hPa and 925 hPa and Rainfall in 6 hours later of Enping and Shenzhen from 2 p.m. on May 8th to 8 a.m. on May 9th

图2 8日14时850 hPa比湿(实线，单位：g·kg-1)与风场(a)，阴影区为整层可降水含量(单位：mm)；区域平均(107～119°E，19～25°N)水汽通量散度(b)(单位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)垂直分布随时间的变化Fig.2 a is the specific humidity (real lines, unit: g·kg-1) and wind field at 2 p.m. on 8th，Shadow zone is the precipitation of entire layer(unit: mm)；b is change of the vertical distribution of regional average divergence of moisture flux (unit: 10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)as time

4 MCS活动特征分析

4.1 MCS红外云图特征

8日对流活动自午后13时00分开始爆发(图4a)，持续性发展MCS激发的地点有3处，一处从两广交界附近的十万大山附近开始迅速发展，其余两处位于广东沿海。从两广交界处的发展的MCS-A1在东移动过程中迅速发展，其水平尺度迅速增大，并与附近激发的中β尺度的MCS有合并过程。8日20时对流系统到达广东东部，具有明显的近圆状冷云云顶，其外围尺度接近MCC的水平，组织方式具有明显的Back-Building特征。该MCS的生命史极长，东移入海以后还延续了相当长的时间。

图3 MCS移动路径和华南区地形Fig.3 MCS mobile path and the topography of Southern China

9日03时(图4b)，MCS-A1主体已经移出广东到达海面，广东珠江口附近的降水基本停止。受到MCS-A1后部冷池出流影响，从珠江口西岸到近海出现一系列中β尺度的MCS，构成明显的弧状对流线，其中在珠江口附近的对流系统MCS-A2发展最快，持续时间也较长，该MCS的组织特征具有也明显的Back-Building特征，其系统中心在珠江口西部停滞长达8 h，造成珠江口西岸的强降雨，MCS-A2在9日夜间后减弱并缓慢南压，9日22时左右趋于结束。

图4 8日13时(a)和9日03时(b)红外云图Fig.4 a and b respectively are Infrared cloud image at 1 p.m. on 8th and at 3 a.m. on 9th

10日08时，华南大部地区位于200 hPa槽后，受大尺度下沉气流影响，对流发展受到抑制，华南大部地区以浅薄对流为主，没有出现强的降水。10日14时之后华南地区转受200 hPa高空急流出流区辐散气流控制，广东阳江附近又开始有局地对流开始发展(图5a-b)，造成阳江局地出现了186 mm的单日累积降水。11日早上冷锋自江南地区南下，当冷锋尾部进入广西后，受到高空槽系统影响，广西北部低层有低涡生成，伴随MCS迅速发展并向东移动。对流系统进入广东后有一定减弱趋势；随着锋面接近，锋区暖区中广东西南部沿海的对流开始活跃，从阳江附近逐步东移的MCS发展较快，并逐步取代了减弱的锋面对流系统(图5c)；到了11日17时，在广东南部沿海出现的较强的MCS-A3(图5d)，入夜以后MCS-A3逐渐减弱消亡。

4.2 MCS形成强降雨的成因

Doswell(1996)分析了构成暴洪的MCS特征[13]，指出总降雨量实质是降雨效率与系统持续时间的乘积。对于相继发生发展并影响珠江口地区的MCS-A1、MCS-A2、MCS-A3而言，系统整体移动的速度都相当慢，在局地停留的时间较长，每个MCS都形成了较大的降水量。从MCS-A1的成熟期反射率因子剖面图分析(图略)，对应30 dBz的回波顶高一般不超过5 km，低质心型分布的对流具备显著的热带降水性质，对流单体的降水效率极高，观测表明线状对流附近的降水强度可能高达50～90 mm，1～2 h就能够形成暴雨或者大暴雨。

强降水的形成不但依赖于对流系统移动，也依赖于对流系统的内部结构。具体到每个单独MCS，组织结构中的MBE具有最高的降水效率，当MCS中的MBE形成与海岸线平行的线状对流结构后，对流线中的多个MBE相继稳定东移经过珠江口周边地区，对提高总降雨量起到关键性作用，这在成熟阶段的MCS-A1、MCS-A3、阳江附近的暖区对流系统中都表现的相当显著。梁巧倩(2002)针对华南地区的MCS统计分析也表明[14]，在华南地区形成强降雨的对流系统多以线状对流系统为主。

5 模式与QPF预报检验分析及中尺度数值模拟

5.1 模式与QPF预报检验

以8日20时—9日20时较强降雨时段的降水预报为例，QPF主观预报的暴雨区较实况降水量明显偏大，而对珠三角地区的大暴雨区预报量级偏弱(图略)；EC模式对珠三角地区的大暴雨中心有所体现但量级偏弱，对广东东部沿海的暴雨预报量级偏弱(图略)；T639和JAPAN模式对强降水中心预报存在较大偏差，量级明显偏弱(图略)。

图5 10日08时(a)500 hPa探空与10日16时云图，10日20时(b)850 hPa探空与11日02时红外云图，11日08时(c)500 hPa探空云图，11日08时(d)850 hPa探空与11日17时云图Fig.5 a)500 hPa upper-air observations at 8 a.m. on 10th and satellite images at 4 p.m. on 10th，b)850 hPa upper-air observations at 8 p.m. on 10th and satellite images at 2 a.m. on 11th，c) 500 hPa upper-air observations and satellite images at 8 a.m. on 11th，d) 850 hPa upper-air observations at 8 a.m. on 11th and satellite images at 5 a.m. on 11th

对850 hPa风场预报进行检验(图略)发现，T639、EC模式对阳江和深圳站的风速预报均比实况偏弱4 m·s-1,且预报深圳站为西南风，而实况为东南风，从而导致辐合区存在严重误差，对降水预报有较大的影响。对925 hPa风场预报的检验结果与850 hPa预报结果类似，对广东中南部的辐合区预报效果较差。

5.2 中尺度数值模拟

利用WRFV3.5.1模式，对7日20时—9日08时之间的降水过程进行中尺度数值模拟，模式模拟采用三重双向嵌套，最细分辨率为4 km。从模拟采用的4 km地形看(图略)，对应触发对流有关键作用的两广交界处的云开大山、云雾山脉，已有了足够的细节表现，但阳江附近的小尺度地形，4 km的模式分辨率还不足以体现。数值模拟时段对应于MCS第1次爆发期间，重点分析中尺度数值模式在反映从8日中午前后的对流触发、入夜后MCS在珠江口附近组织发展的状况表现。模式主要参数、对流参数化和微物理过程方案的选择如表1、表2所示。微物理过程(MP)：1=Kessler scheme，2=Lin et al. scheme，5=Ferrier (new Eta) microphysics，6=WSM 6-class graupel scheme。对流参数化(CU)：1=Kain-Fritsch (new Eta)；2=Betts-Miller-Janjic scheme；3=Grell-Freitas ensemble scheme

表1 模式的主要参数

表2 数值模拟试验使用的物理方案

8日08时—9日08时在广东河源—龙川一带、沿海地区出现了两条主要的暴雨带，其中广东恩平(207 mm)、汕尾(180 mm)出现了极大降雨中心。采用表2所示5种方案进行模拟的结果显示(图6)，虽然4 km-WRF模式对雨强和落区的表现不尽相同，但都不同程度体现了对于两条强降雨带的模拟能力，由此可见，对于暖区强降水，具有较高分辨率的中尺度模较全球模式可能具备一定优势。

由于采用双向嵌套方案，4 km网格的降水结果显然应主要受微物理过程影响，但模拟结果表明在其他物理过程一致的情况下，母网格对流参数化方案也能够在相当大的程度上影响细网格的模拟结果，这显然与母网格的对流参数化方案的水汽、热量调整处理方法以及通过细网格边界的平流过程直接相关。从同样采用WM6微物理方案的Run00-Run01-Run02方案看，其中在母网格KF和Grell方案影响下的降水结果较为接近，而母网格BM方案导致在细网格有较强的降水量出现，产生了较大范围的200 mm以上的强降水带，位置也相对偏北一些，与实况相比显然属于相对虚假的降水。

图6 4 km-WRF 5种不同方案数值模拟8日08时—9日08时累积降水Fig.6 Five different schemes numerical simulation of 4 km-WRF Model for accumulated precipitation from 8 a.m. on 8th to 8 a.m. on 9th

从微物理过程对比的角度分析，采用WM6微物理方案的Run00-Run01-Run02、采用Kessler暖云微物理方案的Run03在模拟结果中均在珠江口附近出现超过200 mm的降水，kessler方案超过200 mm的降雨范围过大，高估了降水量，但降水带的位置与实况分布较为一致。采用Ferrier方案的Run04试验最大降水量为100 mm左右，显然是低估了降水量，降水带位置也偏在珠江口西侧，整体上是效果最佳的模拟结果。综合数值试验结果来看，针对8日的暖区暴雨过程，在采用WM6的微物理方案下，母网格采用Grell方案的Run02试验模拟结果最为理想。

图7 8日14时(a)、8日20时(b)Run02试验组合反射率Fig.7 a is the combinatorial reflectance of Run02 test at 2 p.m. on 8th，b is combinatorial reflectance of Run02 test at 8 p.m. on 8th

从Run02的模拟结果看(图7)，8日午后14时有若干对流系统首先在广东西南部云雾山附近触发，在东移过程中增强较为明显，与其它相对小尺度MCS有合并增强过程。8日20时MCS移动到珠江口，其组织结构具有明显的Back-Building特征，因此模式还是一定程度上反映了实际MCS的演变过程，其结果有待于进一步分析。

6 结论及讨论

6.1 结论

①8—10日的强降雨过程发生在华南前汛期季风接近爆发之时，具有典型的暖区暴雨性质。

②此次强降雨过程中有3次较为清楚的MCS发生发展过程，由于低层LLJ或者边界层LLJ的维持，保证了环境场上大尺度水汽输送以及对流不稳定能量的维持；MCS的发展具有明显的Back-Building特征，低质心的暖云对流结构表明降水具有明显的热带季风对流降水性质，具有极高的降水效率，有利于造成局地较高的累积降水量。

③数值模式对影响系统及降水量级的预报存在一定偏差，尤其对强降水落区和强度的预报仍需进一步订正；预报员受模式影响，对暴雨和大暴雨在华南中东部存在明显的空报；对8日的暖区暴雨过程，中尺度数值模拟表明Grell对流参数化方案下降水模拟结果最为理想，一定程度上反映了暖区对流系统的演变特征。

6.2 讨论

广东珠三角及东部沿海的暴雨和大暴雨落区和强度难以把握。此次过程中，华南中南部高层不断有短波槽东移，中低层则处于切变系统南侧的偏南气流控制下，这种暖区内暴雨强度和落区的预报难度较大。基于本文的分析及结论，对业务预报改进提出以下建议：

①加强对数值预报天气形势分析和应用。从本次大暴雨过程数值模式的应用情况来看，EC和T639模式对中高纬大气环流形势和副高位置的预报与实况较为接近，但对低层风场的预报存在偏差。因此需检验数值模式预报的稳定性，加强多模式的比较分析，利用实况场及时订正环流形势、风场、物理量场与降水落区、强度预报。

②进一步加强中尺度数值模式产品的应用。相对于低分辨率全球模式，4 km-WRF中尺度模式对5月8日强降水过程的暴雨量级、落区预报有一定的指示意义，不同的参数化方案和微物理过程的选取会得到不同的结果，因此，在今后类似的强降水预报服务中，应加强对中尺度数值模式的应用，并及时改进调整模式的参数化方案，提高模式的降水预报能力。

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Preliminary analysis of cause and numerical forecast verification of a warm zone rainstorm occurred in South China from May 8thto 10th

LIN Xiudong1，YU Chao2，ZHANG Fanghua2，WANG Bing3，WANG Peitao4

(1.Meteorological Bureau of Shidao of Shandong Province, Weihai 264309, China；2.National Meteorological Center,Beijing 100081, China；3.Meteorological Bureau of Yantai，Yantai 264003, China；4.Meteorological Observatory of Binzhou，Binzhou 256600, China)

From May 8th to 10th，a large area heavy rain appeared in South China，which covered large area，lasted long time，had local rainfall intensity and had the obvious rainstorm characteristics of warm area. The rainstorm of warm area was directly related to multiple successive development of mesoscale convective system (MCS) activity. From 8thto 9th，short wave disturbance in middle and high altitude went through the area of Southern China，southwesterly flowed in low altitude enhanced，of which the humidity increased significantly in the boundary layer for the warm and moist advection transported，convective instability enhanced，was conducive to the development of convection system in warm zone. During the period from afternoon to night on 10th，South China was controlled by divergent flow in upper westerly jet exit region，convection in warm zone near Yangjiang and in front of the cold front were significantly developed. Synoptic analysis indicated that the strong convergence caused by southwesterly and southeasterly jet in boundary was closely related to the heavy rainfall in Guangdong Pearl River Delta region. Under the favorably synoptic environment condition，satellite and radar observations indicated obviously Back-building characteristics of successive development of MCS. Low barycenter fabric of MCS indicated that convection system had obvious tropical monsoon warm cloud convection nature，which had a very high precipitation efficiency and was conducive to result in higher local accumulation of precipitation. Numerical model had a level of bias to forecast precipitation and affecting systems，in particular，the prediction of strong precipitation area and intensity needed further correction；There was obvious false alarm for the prediction of storms and heavy rain making by forecasters whom were influenced by numerical model in the central and eastern of Southern China. Mesoscale numerical simulation for the storm on 8th indicated that the development of convection system in warm area was significantly affected by the Selection of precipitation physics program. The results show that Run02 rainfall simulation experiment mother grid using Grell convective parameterization scheme was most ideal，and to a certain extent reflected the evolution in warm area convection system status in the case of micro-physics program WM6.

Warm zone rainstorm; MCS; upper trough; low-level jet

1003-6598(2016)04-0044-08

2016-03-05

林修栋(1983—)，男，助工，主要从事天气预报、防灾减灾服务等工作，E-mail:441833302@qq.com。

中国气象局气象关键技术集成与应用项目“气象预报科研业务结合”(CMAGJ2013ZX-ZH1)资助。

P426.62

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