2020年春季莆田市一次暴雨成因初探

2021-08-04陈艳真陈诗琳梁宝元

海峡科学 2021年6期

陈艳真陈诗琳梁宝元

(1.福建省莆田市气象局，福建莆田 351100；2.莆田市城厢区气象局，福建莆田 351100)

1 概述

福建是中国暴雨高频区之一，莆田地处福建中部沿海，常因暴雨导致严重的洪涝灾害。因此，对暴雨的持续时间和落区的准确把握是为防洪抗灾工作提供决策服务的先决条件。然而，不同影响系统下，暴雨的触发机制不同，强降水的持续时间、降水强度和落区都存在差异。福建省位于中国东南沿海，处于中纬度西风带和热带东风带交替影响的过渡地带，暴雨成因复杂，既有前汛期的锋面系统暴雨，也有台风等热带系统影响造成的暴雨，其中前汛期暴雨主要是由西风带系统造成的，包括高空槽、冷锋、准静止锋、切变线、低空急流等[1]。目前对暴雨机制研究还不够深入，有时看似明显的暴雨形势，实况却只出现部分或者局部性的暴雨，预报的准确率还是较低。2020年5月21日(本文所提时间均为北京时)莆田市出现了一场部分性的暴雨，本文应用ERA 50.25°×0.25°逐小时的全球再分析资料、NCEP/NCAR 1°×1°逐六小时的全球再分析资料、雷达回波资料和常规观测资料，对这次暴雨过程的环流背景、中尺度特征和物理量场特征进行分析，对各家模式降水预报进行检验，探讨暴雨的发生机制，加深对当地暴雨过程的认识。

1.1 实况分析

5月21日08时至22日08时，福建省出现大范围强降水天气，福建省大部分地区出现暴雨天气，共有55个县市、528个自动站达到暴雨标准(50.0～99.9mm)，3个县市，3个自动站达到大暴雨标准(100.0～249.9mm)，其中平潭白青乡白青小学达到了116.8mm(为最大)，沿海出现9～10级东北大风。21日白天暴雨出现在中北部，以稳定性降水为主，夜间开始，强降水有所减弱，仅龙岩东部出现暴雨(图略)。21日08时至22日08时，莆田市共有37个站出现暴雨，占全市32.5%。其中秀屿区埭头镇大蚶山75.1mm为最大，降水主要集中在21日白天(图1)，有20个站出现暴雨，以稳定性降水为主。

1.2 主客观预报质量检验对比

从客观预报分析来看(图2)，各家模式对该过程的落区预报与实况相差较大，且各家模式之间的预报落区也相差较大，多模式的一致性很差，中北部的暴雨仅ECMWF、EC-EPS、GRAPES-GFS、GRAPESmeso有体现，其中ECMWF暴雨落区偏小，其他三个模式的暴雨落区范围均偏大。除了GRAPES-GFS、JMA-GSM、NCEP-GFS、华东区域没有预报东南部沿海暴雨外，其他模式均预报了闽东南沿海的暴雨，基本空报；大雨以上的降水全球模式的参考性较大，此次过程以稳定性降水为主，各种模式的暴雨落区参考性都不大，但是大雨以上的全球模式的参考性较大，区域模式的参考性较差。

从福建省气象台的主观预报来看(图略)，无论是48小时还是24小时暴雨落区都出现偏差，暴雨落区偏大，强度偏强，实况暴雨落区出现在福建中部和西南部，而主观预报整个中南部均为暴雨。从主观预报来看，暴雨以上的降水落区偏大，强度偏强，且越临近暴雨落区的预报越大，与实况偏差越大，大雨以上的落区基本正确，因此这种稳定性降水过程的暴雨落区通常比预报偏大，但是大雨以上的准确率较高，整个服务过程还是较好的。

(a)21日08时至22日08时降水量(莆田市) (b)21日08时至21日20时降水量(莆田市) (c)21日20时至22日08时降水量(莆田市)

图2 24小时时效21日08时至22日08时模式预报降水落区检验

莆田市台21日10时发布的第5期《重要天气预警报告》指出：“21日午后至夜里我市将出现暴雨。24小时累计雨量50～70mm，局部超过80mm，最大小时雨量20～30mm。”对莆田的主观预报进行检验(图3)，出现大范围的空报，落区预报偏大，因此本文主要针对莆田市气象台这次空报过程进行分析。

(a)莆田市气象台 21日10时预报21日11时-22日11时时降水落区 (b)21日11时-22日11时实况

从主客观预报质量检验对比分析可知，数值预报常对稳定性降水大雨以上量级预报能力还不错，对暴雨的预报能力较差，多模式的一致性也差，但是全球模式对大雨以上的预报参考性较高，暴雨落区有一定偏差。

2 天气过程分析

2.1 大尺度环流背景分析

此次暴雨过程发生期间，500hPa亚欧大陆中高纬为两槽一脊形势，贝加尔湖-鄂霍茨克海以西为宽槽，槽底到30°N附近，乌拉尔山-巴尔喀什湖以西为低槽，贝加尔湖-巴尔喀什湖为高压脊，且有阻塞高压；南方多波动，南支槽活跃(图4a)。

从低层系统来看(图4b)，700hPa低涡位于安徽省，低涡切变分别维持在闽浙交界和江西至广东西部，21日08时，850hPa低涡中心位于江西中南部，华南有西南急流维持，最大风速为16m/s，闽中有切变维持，14时台湾海峡的偏南风急流往北推，切变依然维持在闽中沿海，方向、风速的辐合均在闽中沿海(图略)。20时西南风和偏南风急流均减弱。21日08时至20时，925hPa在广西中部-江西南部-福建中部有切变线维持，闽南为东南风，闽中北和闽西北为偏东风，风速均为6 m/s，风向辐合十分显著。地面有冷空气从沿海扩散南下影响。

(a)21日08时500hPa环流形势 (b)21日高低空系统配置(风场为21日20时925hPa)

2.2 中尺度系统分析

由仙游站和莆田站逐小时降水量分析可知，21日白天以稳定降水为主，降水在12时起略有加强，较强降水持续到17时(图5)，回波从西往东移动，移动过程中有所加强，但雨强都不强。

(a)5月21日08时～5月22日08时仙游[58936]小时雨量

(b)5月21日08时～5月22日08时莆田[58936]小时雨量

由福建省雷达拼图可知，21日08时-24日08时福建的强降水基本是混合性回波降水，且此次强降水在12∶00-17∶00相对较强。分析此时加强的原因，在13时有A、B两个单体往莆田市移动(图6a)，移动过程中略有加强，在13∶54组合反射率达40dBz(图6b)。15∶00，A单体移出莆田市，B单体在东移的过程中与北面的回波合并加强(图6c)。15∶30在仙游又有3个单体生成(图6d)，1号和3号单体在东移的过程中加强，2号单体减弱消失(图6e)，使得12∶00-17∶00莆田出现较强的降水集中期，尤其是莆田站在15∶00-16∶00小时雨强出现本次过程中的最大值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

从地面风场分析13时至16时回波移入莆田加强的原因，12∶00-13∶00在莆田出现一条东西向的偏东风和东南风形成的地面切变线(图7a)，回波移动至切变线附近加强，且仙游西部属于闽中山带，地形与西南风风向的辐合，也对单体的发展有促进作用。15时开始，切变线略有南压，但是仍然维持在莆田市中部(图7b、c)，切变线一直维持到20时，地面切变线的维持和地形的作用，使得回波移动至莆田加强。

(a)21日12-13时地面风场 (b)16-17时地面风场 (c)地面切变线位置图

从大尺度环流背景和中尺度系统分析，莆田有一次明显的降水过程，但是否为全市性的暴雨还较难预报，下面从物理量进一步分析。

2.3 物理量诊断分析

2.3.1 动力条件分析

从低层涡度场(图8a、b)分析可以明显看出，21日14时1000hPa和850hPa开始在福建中部沿海有正的涡度中心，中心值为6×10-5S-1和20×10-5S-1，涡度中心与925hPa和850hPa的切变位置较一致。21日20时，850hPa涡度中心往台湾海峡北侧推，与850hPa海峡附近西南风急流北推对应，涡度中心的变化与西南急流关系比较密切，低空急流是暴雨对流不稳定层结的建立者和维持者。

从21日14时沿强降水带上((25.0°N，19.3°E)～(26.8°N，117.7°E))的垂直速度剖面(图8c)可见，较强降水发生期间，降水区上空有一定的垂直上升运动，最高上升到200hPa，莆田市附近较强降水带上[(25.6°N，118.75°E)～(26.8°N，117.7°E)]垂直上升运动最强是在500～400hPa，中心值大于-1Pa/s，上升运动条件不错，20时,600hPa以下垂直速度转为正值，变成下运动，降水停止。

(a)21日14时850hPa涡度 (b)21日14时1000hPa涡度

2.3.2 水汽条件

分析该次暴雨过程850hPa的水汽通量分布(图9)，21日华南上空盛行西南风，水汽源源不断从南海向华南沿海输送，且9～17时莆田上空850hPa水汽通量在14 g/(cm·hPa·s)。受切变线的影响，水汽在闽中地区聚集，18时水汽通量下降比较明显，且莆田市的水汽通量低于12 g/(cm·hPa·s)，19时莆田市降水减弱明显。

(a)14时850hPa比湿 (b)20时850hPa比湿

2.3.3 能量条件

假相当位温θse是同时表征温度和湿度的参数，因而在中尺度天气图上可以绘制等θse线，分析确定高低θse值区(或湿静力能量高低能区)和能量锋区的位置[2]。从θse场分布看(图10)可以看到，21日08-14时在850hPa上粤东-台湾海峡一带一个高湿高能轴，高能舌中心强度在356K以上，能量锋在闽浙交界，随着沿海冷空气的扩散南下，能量锋逐步南压到福建北部。16时，高能舌也西移南缩至闽东北，莆田市850hPa的θse值在346K左右，对应的午后至傍晚的明显降水。18时，能量锋区进一步南压，高能舌南压到闽南地区，说明冷空气进一步从沿海扩散南下，莆田降水趋于减弱。

(a)21日12时850hPa假相当位温 (b)21日16时850hPa假相当位温 (c)21日18时850hPa假相当位温

2.4 莆田市大范围暴雨空报原因初探

通过以上分析，500hPa和850hPa的环流形势与《福建省预报员手册》的前汛期暴雨预报概念模型相一致[3]，但是地面形势不是很有利。同时从物理量分析，涡度场时比较有利，但是垂直上升运动条件一般，且湿度和能量条件有利于大范围暴雨出现的时间也不长。另外从散度场分析(图11)，沿强降水带上[(25.0°N,119.3°E)～(26.8°N，117.7°E)]的散度垂直剖面可以看出,莆田市附近较强降水带上[(25.6°N，118.75°E)～(26.8°N，117.7°E)]近地层(925hPa以下)为辐合，中低层(500～925hPa)为辐散，高层为辐合，整个条件都不利于大范围暴雨的发生。因此，日常预报不仅要关注大环流形势、中尺度分析，也要注重地面形势和多个物理量的综合分析。

(a)21日06时 (b)21日20时

2.5 数值预报应用情况和检验分析

从华东区域(WARMSv2.0)风场与NCEP/NCAR 1°×1°逐6小时的全球再分析资料的风场对比，可知华东区域对此次天气系统预报较好，850hPa低涡位置和切变线位置都对应的很好，而且风向预报与实况都一致，但是14时在台湾海峡中部的西南风和东南风形成切变线的风速均偏小4m/s左右。925hPa切变线位置对应的较好，风向预报很好，但是14时在闽中北沿海陆地上的风向与实况有差距，实况是偏东风，而华东区域预报的是东北风，且风速也较大，说明华东区域模式预报的冷空气可能渗透的更偏西。

华东区域模式(WARMSv2.0)除了风速偏弱外，其形势场总体预报的较好，但降水落区和强度却出现较大出入，雨量明显偏小，可能与物理量配置和热力条件有关，且更能体现出中尺度模式对稳定性降水的预报能力不是很好。

通过分析以下GRAPES-MESO-9km、GRAPES-MESO-3km、上海SMS-WARMS-9km、上海SMS-WARR-3km东部、广州GRAPES-GD-3km区域模式、GRAPES-MESO-25km、ECMWF-12.5km、NCEP-25km的降水检验，分析模式对于该过程的可预报性。

本次各家模式降水过程预报的TS评分中，大雨量级(25～50mm)的降水GRAPES-MESO-3km评分最高(0.471)，其次GRAPES-MESO-9km、广州GRAPES-GD-3km区域模式、ECMWF-12.5km评分较高(均在0.4以上)，而大于50mm的降水中ECMWF-12.5km评分较高(0.225)，其次是GRAPES-MESO-3km评分0.2。对以上几家TS评分较高的模式通过空报率和漏报率进行分析，大于25mm降水中GRAPES_MESO-9km、ECMWF-12.5km的空报率明显偏高，尤其当雨量大于50mm时，GRAPES_MESO-9km、ECMWF-12.5km空报率最高达0.9左右，ECMWF-12.5km的空报率偏高，漏报率在以上几家全球模式中是最低的，说明GRAPES_MESO-9km、ECMWF-12.5km能够在一定程度上反映本次大雨以上的降水过程，但是降水发生的落区和范围偏差较大。对TS 评分最高的GRAPES-MESO-3km模式大于50mm量级的空报率和漏报率分析，其空报率0.677，漏报率0.655，其空报率在各家模式中最低，漏报率在各家模式中倒数第三低，通过分析此次暴雨预报最好的是GRAPES-MESO-3km。

对于低涡型，热力条件一般的稳定型降水全球模式会比区域模式预报得更好。综合此次过程看，暴雨以上降水GRAPES-MESO-3km的TS 评分和空报率时最好，ECMWF-12.5km的TS和漏报率都不错。