闽西2019年“5·27”暖区暴雨过程成因分析

曾凡辉 倪 悦 林 辉

(1.福建省龙岩市气象局，福建 龙岩 364000；2.福建省漳州市气象局，福建 漳州 363000)

暴雨是福建省最主要的气象灾害之一，极易造成洪涝灾害，常常给人民生命财产和社会经济带来巨大损失。尤其是暖区暴雨，其具有降水强度大、时效性短、尺度小等特点。暖区暴雨通常发生在弱天气尺度强迫形势下，其抬升触发机制较为复杂[1]，中小尺度对流系统活动频繁，目前对其成因还不十分清楚，预报难度较大，业务上常出现漏报和空报现象。

长期以来，我国气象工作者对暴雨的机理[2-3]、环流特征[4]、中尺度特征[5]、水汽输送[6]、雷达特征[7-8]及预报应用[9]做了大量研究，这其中不乏诸多福建气象工作者的一些研究成果。比如赵玉春等[10]对华南双雨带特征进行分析，探究锋面和锋前暖区暴雨的主要物理差异，发现暖区暴雨高层辐散作用比中低层辐合更为重要；白龙等[11]基于多种拟合方法对暴雨强度公式进行研究，进一步提升暴雨设计标准；庄毅斌等[12]采用多元观测资料探究暴雨过程发生机理，并获得基于风廓线和雷达产品等一系列暴雨预报指标；黄待静等[13]通过对一次副高控制下的暴雨过程进行分析，发现中小尺度的高空波动配合干冷空气的侵入，大气能量短时间释放，最终激发出短时强降水。伴随中尺度数值模式的迅速发展，利用数值模式对暴雨过程的中尺度对流系统、低空急流、下垫面地形以及云微物理过程进行大量数值模拟研究，使得气象工作者对暖区暴雨的认识不断提高[14-16]。

目前，对暖区暴雨的研究主要集中于华南沿海地区[10-13]，对发生于福建内陆山区的暖区暴雨过程分析较少，特别是针对该地区暴雨过程动力、热力等物理特征的研究相对匮乏，因此本文基于发生于闽西山区一次暴雨过程，分析其物理演变特征，并对业务预报模式结果进行检验分析，以期为今后闽西山区暖区暴雨天气的预报提供有益的参考。

1 资料来源与处理

资料包括：福建省龙岩市境内的国家级和区域级逐小时自动站观测资料；常规地面和探空观测数据；时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°的欧洲中心ECWMF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的ERA5再分析资料；龙岩S波段双偏振多普勒雷达数据(25.06°N、117.19°E，海拔高度1504.9 m)。

2 天气过程分析

2.1 天气概况

2019年5月27日午后，闽西山区境内出现区域性短时强降水天气，据区域自动站降水统计，27日08∶00～28日08∶00(北京时，下同)共计14个站点24 h累计雨量超过50 mm，24h累计雨量以长汀县长汀一中站点97.0 mm为最大。强降水落区可划分为南(上杭溪口镇)、北(长汀一中)两个强降水区。27日18∶00北部开始出现超过40 mm/h的短时强降水，此后3 h内降水持续，降水范围较为集中，整体累计降水量较大，4h累计降水超过90 mm。南部降水分布则表现为局地且分散，持续时间短(1～2h)，但降水强度大，小时雨强接近50 mm，与北部降水特征有所区别。

图1 2019年5月27日08∶00～28日08∶00降水量分布(a)与2个代表站点小时雨量分布图(b)

2.2 环流背景分析

此次暴雨过程500 hPa中高纬地区呈两槽一脊经向环流形势，乌拉尔山、鄂霍次克海分别为低压槽区，槽区内高空槽较深，贝加尔湖地区受高压脊控制。中低纬多短槽波动，高原槽与东传的南支槽结合对福建西北部降水产生影响(图2a)。副高脊线(588线，红色粗线)维持于南海北部，其北侧持续的西南气流有利于暖湿水汽向暴雨区上空输送。暴雨发生前(14∶00)，雨区位于中低层(700～850 hPa)切变南侧(约两个纬距)，低层切变是此次暴雨过程的主要影响系统。雨区低层主要受西南风控制，上游广东境内风速达急流(风速>12 m·s-1)，在闽西境内未达急流，但存在明显的风速辐合(图2c～2d)；中低层主要为暖脊控制，温度达10.5～19.2℃。雨区地面受到冷高压控制，闽西境内发展至1010.4 hPa，表明暴雨发生前地面存在弱冷空气的配合，具体详见3.2热力条件分析部分。

(a)500hPa (b)海平面气压

3 物理量场分析

3.1 水汽条件分析

充足的水汽供应对暴雨的形成与维持有重要作用[17]。由图3可知，27日午后雨区上空比湿条件开始增强，925hPa水汽通量散度为负极值中心，低层水汽存在辐合，暴雨区上空存在水汽输送。27日15∶00～20∶00，水汽条件进一步增强，地面至925hPa比湿增至18～19 g·kg-1，中低层700和850 hPa比湿达9 g·kg-1和14 g·kg-1，湿舌上升至300 hPa；湿层愈变深厚，地面至500 hPa均存在水汽辐合(其中925 hPa水汽辐合强度最大，超过-14 g·cm-1·hPa-1·s-1)，且比湿大值区与水汽辐合区重合，水汽的强烈辐合为强降水发生、发展提供有利条件。

强降水时段为27日17∶00～19∶00(图1)，着重分析此强降水时段内水汽条件(图3c～3d)，发现西南方向的南海和孟加拉湾地区为此次暴雨过程的主要水汽源地；暴雨区主要位于低层切变南侧且受偏南气流控制，上游(西南方向广东境内)风速达急流(风速>12 m·s-1)有利于水汽输送，雨区主要位于急流右前侧出流辐合区内，水汽通量达10～12 g·cm-1·hPa-1·s-1，闽西西部为其大值区(局部超过14 g·cm-1·hPa-1·s-1)。陈德花[18]认为，暴雨的增量与水汽通量的辐合辐散密切相关，在大暴雨过程中，有较大辐合中心向暴雨产生区输送。因此中低层持续的水汽辐合有利于水汽的上升凝结与潜热释放，从而对降水产生一定的正反馈作用。

(a)水汽通量散度时间-高度分布 (b)比湿时间-高度分布

3.2 热力条件分析

27日午后，闽西境内最高温度升至28～30 ℃，不稳定能量得到一定积累。上游广东河源和广东汕头探空呈现出较典型的“上干下湿”分布特征(图略)，对流有效位能基本维持在2000 J·kg-1以上；K指数均大于33℃；沙氏指数SI均较小，两地大气层结处于不稳定状态，具有一定热力与动力抬升条件，有利于暖区暴雨的发生发展。

结合我国以往对华南暴雨的研究，锋面活动可利用能反映大气能量分布情况[19]的假相当位温θse场表示，通过分析θse值可确定能量锋区的位置。由图4(a)可知，暴雨发生时(13∶00～20∶00)雨区上空925hPa至地面存在θse极值中心(其中925 hPa超过360 K)，500～600hPa的θse在344～348 K范围，为相对小值区域，且可以看出，高度愈高θse值愈小，能量锋区主要集中于低层925hPa至地面；暴雨发生前大气处于对流不稳定层结，925 hPa至地面存在冷平流(蓝色，超过-2×10-5K·s-1)，存在弱冷空气的入侵，中高层为暖平流(红色)，略小于地层冷平流强度(小于1×10-5K·s-1)。结合前文分析可知，27日午后暴雨区上空大气已处于不稳定层结，低层弱冷空气的入侵有利于进一步强降水天气的触发。此外，图4(b)显示在暴雨发生前(13∶00～17∶00)，850 hPa和925h Pa的θse值(θse850和θse925)均存在明显激增，并于暴雨发生前约1 h达到峰值(分别超过361 K、367 K)，θse的激增表明存在能量迅速堆积，有利于强降水天气的触发；伴随降水的产生，能量被消耗，不同高度θse均明显迅速减小。对不同高度层的θse差值Δθse进行分析可知，此次暴雨过程中850 hPa与500 hPa的假相当位温差Δθse(850-500)(红实线)随时间的变化不显著(变化幅度小于5 K)；但925 hPa与500 hPa的假相当位温差Δθse(925-500)(黑实线)则在暴雨发生前(17∶00)存在跃增(变化幅度超过35 K)，其变化特征与925 hPa假相当位温θse925的变化特征较一致，即Δθse(925-500)与θse925均提前于暴雨发生时间约1 h发生激增并达到峰值，表明θse925和Δθse(925-500)随时间的变化特征对暴雨的预报具有一定指示意义。

(a) (b)

3.3 动力条件分析

分析暴雨区动力结构垂直分布，发现雨区边界层内(975～925 hPa)有强辐合中心，其中心强度超过-8×10-5K·s-1；在850～600 hPa之间存在一个稍弱的辐合中心(强度约为-4×10-5K·s-1)。对流层高层(400～200 hPa)则为强辐散中心，其强度超过8×10-5K·s-1，且相较低层辐合而言，对流层高层的辐散强度和范围均大于低层，表明此次暖区暴雨过程中，高层辐散比低层辐合对暴雨发展起到更加重要的作用，与赵玉春[13]研究结论相一致。此外，暴雨区中底层(925～1000 hPa)存在与低空急流相对应的正涡度区(0～2×10-5K·s-1)，此正低涡中心是此次暖区暴雨的一个重要指标；700 hPa存在负涡度中心，其强度达-6×10-5K·s-1以上。强降水期间低层辐合及高层的辐散抽吸，有利于形成强烈上升运动，从而有利于水汽和热量的垂直输送与不稳定能量的释放[20-22]，从而产生强降雨。

(a)散度 (b)涡度

3.4 雷达回波反射率因子特征

27日上午，闽西境内西南部有分散性对流触发，小时雨强普遍小于5 mm/h，雨强较小。受热力作用影响，午后对流活动明显加强，14∶00～16∶00时段，中东部(对流A)和西南部(对流B)存在对流触发并东移，造成新罗白沙镇和上杭溪口镇较强的南部分散性对流降水(小时降水极值分别达38.3、47.9 mm·h-1)，但回波分散且无明显强回波列车效应。

27日午后，北部持续受上游江西移入回波的影响，至17∶00，回波(对流D)后向发展迅速增强(最大回波强度超过45 dBz)并长时间(>2h)维持在长汀、连城(对流E)，回波具有明显列车效应，造成长汀城区及周边乡镇出现小时雨强接近50 mm的短时强降水。沿图6c黑线做回波垂直剖面(图6d)，发现回波的高度基本超过10 km，且≥40 dBz的强回波主要集中于4～5 km，强回波中心紧密排列，存在明显列车效应；质心高度较低，属于降水效率较高的暖区云降水。至22∶00，回波基本移出，强降水趋于结束。

(a)15∶40 (b)17∶15

4 结论

本文对2019年5月27日发生在闽西山区一次暖区暴雨过程的环流背景、水汽和动力条件、降水雷达回波特征进行了分析，得出以下结论。

①此次强降水过程发生于500 hPa短波槽波动、850 hPa切变辐合等有利大尺度背景下，其主要影响系统为西南低空急流和近地层辐合，在低层辐合线的东南侧不断有回波生成，回波在偏西引导气流作用下往东移动，同时急流强度增强的过程也是回波有组织发展和往东北移动的过程。

②近地层辐合线的抬升作用有利于上升运动冲破弱辐散层，与此同时，近地层弱冷空气的入侵则进一步加大对流不稳定能力，有利于强对流天气的触发，进而导致强降水发生。高层辐散抽吸，低层辐合，形成强烈上升运动，有利于水汽和热量的垂直输送与不稳定能量的释放。

③与西南急流对应的低层正涡度中心是此次暖区暴雨的一个重要指标；θse锋区和上干下湿的对流不稳定有利于激发释放大量不稳定能量，进而产生暴雨天气，925 hPa假相当位温θse925及其与500hPa的假相当位温差Δθse(925-500)对强降水具有约1 h的变化提前量，对短时强降水具有一定可预报性，可将其作为暖区暴雨的一个短时预报因子。