2018年广西东南部一次暴雨过程分析

董良淼，翟丽萍，覃月凤，梁依玲

（广西气象台，广西 南宁530022）

广西地处华南西部高原向沿海的过渡带，西临云贵高原、南临北部湾，地形地貌复杂。在西风带系统和热带天气系统的交替影响下，易出现暴雨天气。区域内局地暴雨过程往往具有明显的中小尺度特征，突发性强、极端降水频发，业务预报难度较大。

近年来，随着气象监测手段的不断丰富，高分辨率云图、新一代天气雷达和风廓线雷达产品、区域加密自动站观测数据等非常规资料越来越多地被应用于局地、突发性暴雨的预报、预警和分析研究中，成效显著。周文志等[1]对2002—2010年广西12个低空急流暴雨个例进行了普查分析，发现广西大范围低空急流暴雨是在大尺度背景下，由天气系统和中小尺度系统共同影响的结果，在有低空急流存在的情况下，对降水量有明显的增幅作用。王珊珊等[2]利用多种资料对红安“7·21”特大暴雨分析发现，大别山复杂地形对降水有显著增幅作用，地形影响气流理论很好地解释了此次特大暴雨降水分布。王芬等[3]对一次低涡切变型暴雨进行中尺度分析，指出大暴雨中心的两个MCS是由沿低涡前侧的切变线移到暴雨区上空形成的，强降水主要出现在MCS的中部冷云区及梯度大值区。罗王军等[4]对一次弱垂直风切变环境条件下发生在两个592 dagpm副热带高压之间切变区的短时大暴雨分析，发现其对流触发是地面冷锋、露点锋以及地形抬升。沈武等[5]将地面逐时加密观测资料与卫星云图、物理量诊断相结合进行分析，揭示出突发性局地特大暴雨与地面辐合场、能量场分布有密切关系。肖安等[6]对比分析南方一次暴雨空报原因和实际暴雨个例发现，中低层较高比湿（高于平均值2～3 g·kg-1）、较好的边界层触发条件、较深厚的上升气流与更强对流不稳定都可能是我国南方春季暖区暴雨重要的预报思路。易新民等[7]运用四要素自动站资料分析，指出地面中小尺度在强降水落区短时预报的指示意义。方翀等[8-10]进一步结合应用天气雷达、风廓线雷达探测资料及NECP再分析资料对造成北京特大暴雨的对流系统“列车效应”进行了研究，指出低层切变线和地面辐合线交汇处是对流单体初生和强烈发展区域，有助于低质心、高效率降雨形成。伍志方等[11-12]利用多种探测资料详细剖析了2017年5月7日广州特大暴雨对流系统各个发展阶段的演变过程，强调了各个阶段均呈现出“低质心暖云降水”的特点，同时指出目前数值模式尚难做出暖区弱风场环境下的暴雨以上降水预报。叶朗明[13]等对典型回流暖区暴雨的研究表明，超低空东南急流遇到喇叭口地形产生强烈辐合抬升是局地暴雨的启动机制之一。这些成果均为分析、研究广西区域的局地突发性强降水过程提供了重要参考。

2018年5月10日，广西东南部出现了一次大到暴雨、局地大暴雨的突发性强降水天气过程，其中有2个国家气象观测站实测降水量超过了当月历史极值。区、市气象台业务预报对这次过程的强降水落区把握较好，但对降水的极端性估计不足。事后初步分析表明：各数值预报模式对此次暴雨过程的雨带位置、强度量级及时间预报均存在明显偏差；加之主观订正预报对东路冷空气侵入强度估计不足、对东南风加强及地形抬升作用导致的暴雨增幅重视不够，最终导致过程量级预报失误。鉴于此，本文借助雷达、卫星和地面中尺度自动站观测资料等非常规资料，结合NCEP再分析资料对此次暴雨过程的天气尺度背景、环境场特征及中尺度对流系统特征进行全面分析，试图揭示出该类突发性天气过程的关键触发因子及其业务预报预警着眼点，以便今后更有针对性地解决实际预报问题。

1 过程概况

2018年5月9日20时—10日20时（北京时，下同），广西东南部出现了一次大到暴雨、局部大暴雨的强降雨天气过程（图1a），其中陆川、博白两个国家气象观测站24 h累积降雨量分别达232.9、184.5 mm，打破了当地建站以来5月最大日降雨量记录，陆川站连续5个时次小时雨强超过了20mm·h-1。本次降雨过程在当地持续时间只有2～5 h，但小时雨强较强，≥50mm·h-1的区域覆盖了广西东南部的浦北到北流一带，包括5个国家气象观测站（图1b），其中最大雨强达到94.2 mm·h-1，可见强降雨落区分布非常集中，时空局地性较强。局地极端性强降雨导致流域内江河水位急速上涨，局地出现洪涝、地质灾害及城镇内涝，共造成受灾人口3.73万人，紧急转移安置4435人，且因灾死亡3人，直接经济损失4202.57万元。

图1 5月9日20时—10日20时广西24 h累计雨量分布（a）和小时雨量≥50mm/h的国家观测站点雨量时序（b，单位：mm）

2 天气背景及环境条件

2.1 环流形势分析

2018年5月10日08时，200 hPa南亚高压仍在中南半岛到南海北部，广西上空受脊前西北气流控制，高空辐散条件不明显。500、700 hPa青藏高原东南侧到华南上空为多小波动，广西上空有南北两支弱短波缓慢东移，其中南支短波槽前的弱正涡度平流为强降水的发生发展提供了一定的上升条件（图2a）。副热带高压控制广西南部沿海地区，广西东南部处于副高边缘，高温高湿环境明显，有利于降水出现。850 hPa盛行弱偏南气流、风速≤8 m·s-1，广西中部一带有弱的暖性切变线。925 hPa（图2b）和地面形势场类似，北方有弱冷空气补充南下，与来自南海北部回流东南风在广西东南部形成切变线及地面辐合线，且切变线偏北于地面辐合线，过程中地面辐合线与925 hPa加强的东南风风速辐合区重叠，这是广西典型的回流降水形势，根据以往经验，类似形势下可能出现局地暴雨，但大暴雨的情况极为罕见。

图2 5月10日08时500 hPa（a）和925 hPa（b）环流形势

2.2 物理量环境条件分析

2.2.1 水汽条件分析

分析5月9—10日的中低层湿度场，广西区域呈现出一条明显的东北—西南向湿度锋区，其中桂东南处于湿度锋区东侧的大湿度区顶部（即湿舌顶端）。5月9日20时—10日08时，桂东南地区850、925 hPa比湿（图3a）由13、14 g·kg-1迅速增大到14、16 g·kg-1，与历年同期850 hPa广西东南部平均比湿（11.8 g·kg-1）相比，低层增湿明显，表明此次过程低层具备了暴雨所需的水汽条件。

图3 2018年5月10日08时925 hPa比湿场（a，绿色矩形方框为极端暴雨区，单位：g·kg-1）和沿110°E极端暴雨附近水汽通量散度垂直分布（b，单位：g·cm-2·hPa-1·s-1，▲为22.3°N陆川站所在纬度）

进一步对反映降水系统水汽输送、汇聚能力的水汽通量及水汽通量散度进行分析发现，10日08时850、925 hPa水汽通量图上可清楚看到由南海北部经粤西向桂东南有一条强水汽输送带。沿110°E做水汽通量散度剖面（图3b），800 hPa以下大气层均为水汽辐合区、最大辐合中心出现在925 hPa层上下、23°N附近，即桂东南玉林市境内的陆川、博白一带，水汽通量散度值达-40×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。研究表明：此次强降水天气的水汽来源于南海北部，暴雨区出现在水汽通量中心的前端。强降水中心和低层水汽辐合中心有非常好的对应关系。

2.2.2 不稳定条件和垂直风切变分析

选取暴雨中心陆川站附近格点（110°E，22°N）作探空曲线T-log P分析，10日08时广西东南部对流有效位能（CAPE）小（图4a），边界层露点在22℃左右。14时，随着时间演变，温度升高、能量条件转好：CAPE为1850 J·kg-1、LI指数为-5，0℃层在600 hPa以上且湿层条件较好。中心区K指数有37℃（一般K≥35℃时易出现强降水），850～500 hPa温度差为22℃，满足广西短时强降水发生条件。850 hPaθse场，桂东南处于高能湿舌前端θse锋区前方偏暖区一侧。参考暖云层厚度理论，进一步对该区域抬升凝结高度（LCL）到0℃层高度之间厚度进行分析，LCL层到0℃层的高度近5000 m，如此厚的暖云层有利于提升过程降水效率。

图4 5月10日08时（a）和14时（b）（110°E，22°N）的探空曲线

由垂直风切变分析可知，0～700 hPa、0～500 hPa的风切变数值分别为3.5×10-3、2.1×10-3s-1，与2017年5月7日广东局地特大暴雨的风切变值（清远：2.51×10-3、2.10×10-3s-1，河源：2.30×10-3、1.49×10-3s-1）[11]基本相似，各层风切变均不明显。这种弱垂直风切变条件虽不利于高度组织化的强烈风暴的形成，不易出现雷暴大风、冰雹等强对流天气，但对低质心对流风暴的形成发展非常有利。2018年5月10日过程的雷达产品分析可以看出，强回波带集中在0℃层附近、对流单体主体位于0℃层以下，云中粒子以水滴为主，表明该过程是一次低质心、高效率的暖云强降水过程。

3 触发机制及维持

3.1 初生对流触发机制

车俊辉等[14]在研究山东一次较为罕见的边界层辐合线活动过程中指出，天气尺度过程同地面辐合线发展演变关系密切，辐合线成为鲁西北对流天气过程的触发系统。本次暴雨过程中，从广西逐时加密自动站风场演变可以看出，9日晚开始，北方弱冷空气沿着博白、陆川北面山谷南下渗透，与来自海上冷高压后部的东南风回流交汇，在桂东南一带形成一条东北风和东南风的中尺度辐合线，这条辐合线两侧水平温度差最初只有1℃，随着冷空气的不断补充南下，辐合线北侧的温度下降2～3℃，南面的暖湿气流北上造成1℃的增温，即导致10日凌晨，地面辐合线两侧的温度差达到5℃（图5a），表明该处水平温度梯度明显加强。在强的水平温度梯度影响下，暖空气一侧出现上升、冷空气一侧出现下沉环流，这种强水平温度梯度有利于边界层垂直风切变增强，在辐合抬升运动的触发下极易形成初始对流，10日06时的可见光云图已可清晰监测到桂东南一带有初生对流云团发生发展。

3.2 地面辐合线维持

10日06时强降水发生后，地面辐合线后部的东北风与南侧的东南风风速相当，因此地面辐合线稳定少动，且辐合线附近仍存在3～4℃的水平温度梯度区，新生对流生成后并没有远离主体对流，而是直接并入主体系统使得强降水回波面积快速增大，导致陆川、博白一带的雨强增大。另外，陆川、博白地处喇叭口地形（图5b），对南面暖湿气流的强迫抬升又加剧了对流发生、发展，对暴雨有明显的增幅作用。在南北气流对峙下，地面中尺度辐合线从06—11时都基本维持不动，使得降水云系在陆川、博白一带不断发展和维持，形成极端累计降水。10日12时后，随着辐合线缓慢东南移，降水系统也随之减弱并移出广西。

图5 5月10日05时地面分析

综上所述，北方弱冷空气南下，与来自海上冷高压后部的东南风回流交汇，在广西东南部一带形成地面中尺度辐合线，辐合线附近强的水平温度梯度在辐合抬升触发下极易形成初始对流，而地面中尺度辐合线的长时间稳定维持及地形抬升作用，使得降水系统在陆川、博白一带不断发展和维持，造成了极端累计降水。

4 中尺度对流系统特征分析

4.1 卫星资料分析

通过FY-4A红外云图分析可知，中-β尺度对流系统MCS是造成这次强降水过程的主要系统。10日清晨（图6a），桂东南一带中尺度辐合线附近开始有零星中-γ尺度对流单体生成，小时雨强在20～40mm·h-1；其后08—10时（图6b、6c、6d），对流单体在原地不断发展并合并增强，云体面积持续膨胀，-32℃冷云区面积从4773 km2扩大至13428 km2，最低云顶亮温从-61℃迅速降低至-76℃，造成东面的陆川站连续两个时次出现超过60mm·h-1的雨强。与此同时，西侧有对流云团逐渐东移靠近，11时（图6e），两个云团合并在原地增强发展，-32℃冷云区面积进一步扩大至38743 km2，最低云顶亮温维持在-76℃，12时（图6f）形成中-β尺度的MCS，10—12时，降水中心区的小时雨强均超过了70mm·h-1。

图6 5月10日FY-4A气象卫星IR1演变示意

4.2 雷达资料分析

应用玉林新一代天气雷达逐6 min观测资料对2018年5月10日桂东南极端暴雨的对流系统阶段性演变过程和结构特征进行分析，全过程可分为3个主要阶段。

第一阶段是对流初生和发展阶段。雷达组合反射率演变表明，10日04时左右在玉林市陆川、博白附近以及钦州市浦北附近分别开始有两簇由若干对流组成的对流云团在原地生成，08：02已迅速发展成熟（图7a），回波强度在35～50 dBZ；对应该时刻的速度图（图8a）上，与浦北这个云团对应有一条中尺度辐合线，陆川、博白对应的有若干小尺度的逆风区。陈鲍发[15]研究表明，逆风区为前方辐合上升、后方下沉的涡管结构，它不仅是暴雨判据，也是强对流天气的判据。本阶段中尺度辐合线和逆风区的存在说明有中小尺度的扰动辐合使得对流单体得到发展。09时，雷达反射率因子增强，最强回波超过55 dBZ，在此期间陆川站的降水达到了67.5 mm·h-1，与此同时，西面云团也缓慢东移靠近东面云团。

第二阶段为浦北—博白东西向带状回波强降水阶段。10时（图7b），东西2个云团相互靠近合并发展，形成一条呈东西向的带状回波，降水云团得到明显增强，回波强度在45～55 dBZ，对应该时刻的速度图上（图8b），在陆川和博白之间存在一个明显中尺度气旋性辐合，其明显的旋转流场带来的辐合是非常有利于降水的增强和维持。此外，在西面云团缓慢向东移的过程中，其移向与回波带的走向基本平行，形成了“列车”效应，造成浦北—博白一带的强降水。

第三阶段为回波带与弓形回波合并发展阶段。11时雷达反射率因子图上显示，在回波带的西南面有一条弓形回波逐渐靠近，随着弓形回波的靠近，博白附近的降水回波得到加强。11：21（图7c），弓形回波移近，博白附近的降水回波强度在45～50 dBZ，且＞45 dBZ回波范围增大，此时降水强度达到最大（5 min雨强达到13mm），这可能是随着弓形回波的移近，弓形回波前侧的中尺度低压使得回波得到辐合加强，从而增强上升运动，增大降水效率。对应该时刻的速度图上（图8c）也表现出在博白附近的强降水回波区域存在中尺度气旋性辐合，此时出现了过程最大小时雨强94.2 mm·h-1。12时以后，随着弓形回波与强回波合并，形成了一条东北—西南向的线状回波向东南方向移动并逐渐移出广西，过程降水趋于结束。

图7 5月10日广西玉林新一代天气雷达组合放射率因子

图8 5月10日广西玉林新一代天气雷达1.5°仰角径向速度

对产生最强降水回波沿径向213°进行垂直剖面（图9），发现该降水回波反射率因子强度不是很强（图9a），最大仅为45～50 dBZ，强回波分布在6 km高度以下、处于0℃层高度以下，回波质心较低且接地，呈现出明显的低质心降水回波特征，这种低质心降水回波往往能够产生很高的降水效率。对应该时刻的径向速度图上（图9b），中低层存在明显的入流，这种上升入流气流使得垂直上升运动加强，有利于强降水的发生。

图9 5月10日11：21广西玉林新一代天气雷达沿暴雨附近垂直剖面

5 可预报性分析

本次过程主、客观预报在24 h降水量级上明显偏小。广西气象台在24 h预报中只在广西南部报了部分地区有中到大雨，局部暴雨的量级。ECMWF、Japan等全球模式及中国区域模式Grapes中尺度模式、华东区域模式和华南模式对陆川、博白、浦北3个国家站的降水量级预报（图10）较实况偏小，表明不论是全球模式还是中尺度模式，确定性模式预报对这次大暴雨过程尚缺乏直接预报能力。

图10 5月8日20时起报5月9日20时—10日20时各家全球模式（a）和中尺度模式对陆川、博白、浦北的雨量预报（b）结论对比

全球模式ECMWF（5月8日20时起报）的24 h降水预报量级达到大暴雨，过程量级与实况接近，但强降水中心落区有偏差，位置较实况偏西偏北超过100 km。进一步对该模式的预报能力进行跟踪对比，发现8日20时起报的10日08时预报场的500、700 hPa上成功预报出广西南部上空有短波槽活动、槽的位置与实况较为吻合。925 hPa切变线也与实况基本一致，但是切变线东南侧的广东西南部一带的模式风场（图11a）预报东南风风速仅为10 m·s-1，较实况12 m·s-1偏弱，很可能就是这个风速预报偏弱的原因最终导致了模式系统对风速辐合强度以及由此造成的对流上升运动强度、云系发展的程度及可能带来的降水量级预报偏弱。此外，对应时次地面图上（图11b），北方弱冷空气的实况影响势力较模式预报结果更为明显、冷空气南下纬度也更为偏南，即地面中尺度辐合线的实况位置南压到了具有特殊喇叭口地形的陆川、博白一带，而模式地面场的辐合线不明显且系统影响偏晚。另外模式对地形的刻画以及边界层和地形共同作用的模拟效果也不理想，使得实况中东南气流辐合和地形抬升作用的共同影响导致的过程降雨增幅未能预报出来。因此，在实际工作中，预报员应敏锐捕捉到这种预报场与实况的偏差并及时根据模式前期的评估进行适时订正，同时叠加地形，将风场与局地地形地貌结合分析，对降水落区和量级进行订正预报，能在很大程度上改善过程预报的准确率。

图11 10日08时925 hPa实况与对应时刻9日08时起报预报对比（a）和地面实况与预报对比（b）

此外，在9日08时起报的预报中，华东快速同化模式成功预报出广西东南部在10日08—20时将出现明显的大暴雨，强降雨中心也由早前预报的桂西北调整到桂东南区域，呈现出较好的预报能力，这体现出循环同化最新实况观测资料能够显著改善模式初始场、提高局地极端强降水过程预报效果。遗憾的是，尽管华东模式预报在滚动更新预报中呈现出此次过程广西东南部将出现大暴雨，但并未引起值班业务员的足够重视、未在发布预报中予以有效采用。

综上所述，提高类似过程可预报性的可行做法如图12。首先，在中短期时效内对比分析各家全球数值模式预报结果，若发现有一家或多家产品呈现出异常量级，应引起值班预报员足够的警觉。进而，须细致分析一两种在业务中表现较为稳定的数值模式（如ECMWF）产品，辨析其预报出的天气尺度背景场、中小尺度环境场以及关键影响系统是否与最新实况观测资料有偏差？若存在明显偏差，应及时根据模式前期评估结果进行适时且适当的落区和量级订正。最后，在短时临近预报上要充分利用中尺度数值模式（如Grapes_meso、华东数值模式等）的输出结果，参考其反映出的中尺度影响系统信息及各物理量场的极端值表现，同时还要重视局地地形地貌特征在地面及边界层天气形势分析和预报订正中的重要作用、在预报结论中叠加上地形因素影响，从而更加精细化和精准地做出短时临近预报订正决策。

图12 局地突发强对流过程可预报性分析流程

6 结论

对2018年5月10日短波东传形势下广西东南部暴雨过程的综合分析，得出以下结论：

（1）本次过程高层辐散条件不明显，但中低层环流形势有利，尤其是具有高压后部“回流”降水形势、配合加强的超低空东南气流及地形抬升作用导致暴雨明显增幅。

（2）水汽输送、水汽辐合在低层集中的特征明显，高温、高湿环境条件有利。在地面中尺度辐合线抬升触发下，有利于产生低质心的对流风暴，提升降雨效率。

（3）强的水平温度梯度有利于边界层垂直风切变增强，在辐合抬升运动触发下易引发初始对流；而地面辐合线的长时间稳定维持使得降水回波在陆川、博白一带不断发展和维持，雷达回波形成“列车”效应，是造成暴雨天气的直接原因。

（4）强回波分布在＜6 km高度的0℃层高度以下，为低质心、高效率的暖云降水。径向速度图上有明显的辐合、使得垂直上升运动加强，有利于强降水单体发生发展。

（5）ECMWF、Japan等全球数值模式对天气尺度背景场把握较好，GRAPES、华东模式等中尺度模式能够提供类似系统形成、发展等有价值的参考信息。通过中尺度模式产品发现暴雨天气过程苗头，及时根据同化最新实况观测资料的模式预报结论进行系统位置和降水量级精细化订正，并注意叠加局地地形地貌特征信息来辅助短时临近预报订正决策。