一次连续性暴雨天气过程的分阶段对比分析

程晶晶　林　辉　洪彬彬

一次连续性暴雨天气过程的分阶段对比分析

程晶晶1林辉1洪彬彬2

（1.漳州市气象局，福建 漳州 363000；2.东山县气象局，福建 漳州 363400）

文章利用地面自动站、天气雷达等探测资料和ERA5逐小时再分析资料，对福建漳州一次连续性暴雨过程分阶段分析发现，该过程中三种性质不同的降水表现出的温湿场和不稳定性等方面存在明显差异。第一阶段降水对流性最强，属切变南侧高温高湿环境下的暖区暴雨，有强的对流不稳定，假相当位温场（）的水平和垂直分布均存在高能舌，强降水区域存在更为明显的上升运动和水汽辐合，并伴随列车效应；第二阶段对流不稳定有所减弱，为锋区南压导致的系统性降水，并存在和锋区相对应的密集等值线；第三阶段则为低涡东侧暖切造成的大范围层云降水，层结稳定，水汽、热力和动力条件较弱且配合较差。模式检验表明CMA-3KM数值预报在此次过程中表现最好，主观预报对暖区对流降水的预报准确率较低，但对锋面等系统性降水具有一定订正能力。

暴雨；暖区暴雨；假相当位温；对比分析

引言

暴雨预报涉及多尺度系统与其之间的关系，具有明显的中小尺度特征，预报难度大[1]。大量中尺度对流系统诊断与数值模拟研究表明，边界层的低层水汽辐合、侵入的浅薄冷空气以及高低空急流都可导致暴雨的发生[2,3]。沈桐立等[4]发现暴雨天气过程发生在高温高湿区，暴雨期间850 hPa的θse场呈现经典的“Ω”型，高能区的移动变化与降雨系统的变化一致。福建地处华南沿海，复杂的地形和季风环流相互作用导致暴雨频发，而锋前暖区暴雨是华南前汛期暴雨的重要特征[5]，具有降水强度大、时效性短、尺度小等特点[6]，多有明显的中尺度特征，强降水过程发生前预报信号弱，导致预报准确率低，常出现漏报空报现象，造成暴雨洪涝灾害，给人民群众的生命财产造成严重影响。因此对于不同类型尤其是暖区暴雨的预报问题有必要进一步探索研究，有助于提高预报员暴雨预报准确率，提升基层气象部门在防灾减灾救灾人民防线中的作用。

2021年5月29日至31日福建省漳州市出现连续性暴雨天气过程，此次降水过程阶段性差异显著，本文将利用地面自动站、天气雷达等常规探测资料和ERA5逐小时再分析资料（分辨率为0.25°×0.25°）对此次过程进行分阶段探讨，对比分析不同阶段强降水发生时的环境形势和物理量场的差异，加深对不同性质暴雨天气的认知，为预报员准确预报降水强度和强对流天气提供科学依据。

1　天气过程实况

如表1所示，2021年5月29日至31日漳州市出现连续性强降水过程，整个过程全市普降大到暴雨，中北部地区出现大范围大暴雨天气。此次连续性降水天气主要有以下三个特征。

（1）过程持续时间长，过程累积雨量大。5月29日至31日连续3天均出现暴雨天气，其中29日暴雨和大暴雨落区主要位于中部，30日则位于西北部，31日降水进一步减弱，仅西北部分乡镇出现暴雨。统计5月29日8时至6月1日8时自动站雨量，全市共有10个县区的132个自动站雨量达50 mm以上，其中有8个县区共83个自动站超过100 mm，最大累积过程雨量为南靖丰田镇永丰林场的194.8 mm。

（2）南北降水差异大。由表1中24h/过程累积降水分布可以看出，强降水区域主要集中在中北部，从大监站雨量来看，过程累积雨量在17.3 mm（东山）～151.2 mm（漳州）之间。

（3）阶段性差异明显。5月29日至30日降水时伴有短时强降水和短时大风，整个过程最大小时雨量为52.7 mm，极大风20.0 m/s（8级），均出现在29日。从三天降水情况对比来看，无论是从降水强度、强降水区域还是短时强降水和大风角度，29日降水的对流性最强，且整个过程中降水对流性逐日减弱，到31日几乎没有出现大风和短时降水等强对流天气。

表12021年5月29日至31日福建漳州市暴雨过程累积和逐日降水情况统计

2　分阶段对比分析

2.1　环流形势分析

5月29日500 hPa高空槽加深东移，副高南落，中低层切变位于福建省北部，华南受切变南侧西南急流影响，为暖区控制；30日至31日副高稳定维持在海上，华南一带多短波东传，30日切变东段南压至福建中部，漳州市仍受南侧西南急流控制，随着锋区南压，30日20时福建沿海转为冷中心控制；31日850 hPa上云贵高原有低涡发展并逐渐东移，低涡东侧切变位于漳州市北部，西南风减弱。925 hPa三天均有切变在福建中南部摆动，地面静止锋维持，从而导致闽南地区持续性强降水的发生。此次连续性暴雨过程和中低层切变关系密切，故根据850 hPa环流形势变化，将整个降水过程主要分为三个阶段（图1）。

第一阶段降水（图1第一行），即5月29日至30日前期。该时段切变位置偏北，主要是切变南侧西南暖湿区中的对流降水，因此对流性较强，全市出现较大范围的短时强降水和雷暴天气。29日12时左右的雷达拼图可以明显看出两种性质的降水回波，福建省北部的横向雨带为切变降水，而中南部离散的强回波则为暖区中发展的中尺度对流单体，同时刻的再分析资料风场可以看到，切变位置和福建省北部的雨带较为吻合，雨带主要位于切变右侧。如图1(b)所示，30日前期切变南压至福建省中部地区，漳州市在其南侧西南气流影响下仍有分散性对流发展。

图1　(a)2021年5月29日12时、(b)30日11时850 hPa风场和(c)29日12时24分福建雷达拼图，(d)30日15时、(e)30日20时850 hPa风场和(f)30日15时12分福建雷达拼图，(g)31日7时、(h)31日16时850 hPa风场和(i)31日13时00分福建雷达拼图。其中风场填色表示低层急流区（大于等于12 m/s）

第二阶段降水（图1第二行），即5月30日后期。随着切变进一步南压，切变造成的系统性降水雨带也南压至漳州市上空。如图1(d)和1(f)所示，15时左右位于漳州市北部的水平尺度较大的窄雨带和850 hPa切变对应比较好。与此同时，云贵高原有低涡生成，低涡东侧的暖切发展，冷切在南压的过程中不断减弱，29日切变雨带的水平尺度也显著小于30日，如图1(c)和图1(f)所示。

第三阶段降水（图1第三行），即5月31日。冷切在南压过程中减弱消失，随着低涡的发展，低涡东侧的暖切不断东伸并于31日凌晨完全替代冷切，造成大范围的层云降水。如图1(h)所示，31日16时低涡东移至江西境内，漳州市处于低层急流出口处大范围的风速辐合区，为强降水提供了有力的动力条件。该阶段降水以稳定性降水为主，对流性明显减弱。

2.2　物理量场分析

2.2.1不稳定条件

汕头站探空图显示5月29日湿层比较深厚，近地层有弱逆温层，利于不稳定能量的积聚，低层有弱暖平流，CAPE值超过2300 J/kg，K指数高达40℃，T85为26.3℃，沙氏指数为-1.15，各个对流参数均显示29日具有强的不稳定条件。而30日湿层变浅薄，CAPE值虽然达到2600 J/kg以上，但K指数和T85相比于29日有所下降。31日CAPE值等有利的能量条件和热力条件都显著减弱，和该时段较为稳定的层云降水相吻合。由此可见，在此次暴雨天气过程中K指数和T85值的大小对降水对流强度有一定的指示意义。

2.2.2水汽和动力条件

水汽和动力场的分布清晰显示了三天降水强度和落区的差异原因所在。如图2所示，5月29日至31日三天的湿度条件逐渐减弱。其中29日除沿海外大部分县区的比湿都达到16 g/kg以上，和当天大雨落区较为吻合，其中中部地区局部更是超过17 g/kg，925 hPa以西南气流风速辐合为主，多离散辐合区，漳州市中北部地区即为水汽辐合中心；而30日高湿区（q≥16 g/kg）位于西北部，以切变南压造成的偏北气流和西南气流的风向辐合为主，表现为显著的横向水汽辐合带；31日湿度条件则进一步减弱，925 hPa转为偏东风控制，中南部地区有较弱的水汽辐合区。在动力条件方面，29日和30日在500 hPa高度以下为深厚的辐合层和垂直上升运动，其中29日比较强的辐合中心和垂直上升运动位于中部，而30日在漳州市西北部中高层有较强的上升运动，低层辐合中心也位于西北部。结合比湿的分布特征，有利的动力抬升条件和充足的水汽导致29日的强降水中心位于中部地区，而30日则位于西北部。

图2　(a)2021年5月29日16时、(b)30日16时和(c)31日16时850 hPa比湿（单位：g/kg）和q≥15 g/kg的区域（填色），(d)29日13时、(e) 30日13时和(f)31日13时925 hPa水汽通量（箭头，单位：g/(cm*hPa*s)）和水汽通量辐合（填色，10-6 g/(cm2*hPa*s)）

2.2.3热力条件

假相当位温是综合表征大气温度和湿度的物理参数，反映了大气的能量分布[7]。如图3所示，假相当位温场的分布特征显示了此次暴雨过程中三个阶段性降水的不同性质。5月29日至福建省南部均为假相当位温大值区，特别是从广东向闽南伸出的高能舌，同时刻的雷达拼图可以看到高能区不断有对流发展；30日后期随着切变逐渐南压，假相当位温呈现北低南高的态势，密集的假相当位温等值线则指示能量锋所在；31日等值线变稀疏，锋区能量显著减弱，降水趋于稳定。

漳州站附近的单点时间剖面图综合显示了三个阶段降水过程的水汽、动力和热力条件差异。5月29日至白天漳州市处于高温高湿环境中，垂直上升运动贯穿整个对流层，850 hPa和500 hPa高度层附近均有上升运动中心，中低层湿层深厚，850 hPa以下存在由近地面向高层伸出的高能舌，近地面假相当位温大值中心高达384 K，500 hPa高层以下假相当位温随高度减小表明大气存在对流不稳定，因此29日多分散性对流单体结构生成。30日动力条件和相对湿度有所减小，前期锋区完全南压之前，漳州市仍处于高温高湿的对流不稳定状态，近地面假相当位温高值中心为372 K，而夜间锋区过境后能量明显减弱，一直到31日近地层均表现为344 K的假相当位温低值中心，层结转变为稳定状态，由于31日连续性稳定降水导致相对湿度较为明显，但如图2所示，31日比湿和水汽输送条件较差，因此累积降水少于前两日。此外图4显示31日的垂直上升运动仅存在于对流层高层或中低层，高低层动力条件配置不佳，对流无法发展到较高的高度，因此该日以稳定性降水为主，降水强度属三天最弱。

图4　漳州站附近格点（24.5°N，117.5°E）的单站时间剖面图。其中填色表示相对湿度（单位：%），黑色等值线为垂直运动（单位：Pa/s），红色等值线代表假相当位温（单位：K）

3　列车效应

降水对流性最强的第一阶段（5月29日）有较为明显的列车效应。从图5可以看出5月29日17时左右在广东梅州境内有多个对流单体生成呈带状分布并向东北方向移动，剖面显示该回波带由多个处于不同发展阶段的中尺度风暴单体组成，回波强度在40 dBz～50 dBz，回波顶高参差不齐，且雷暴单体的传播方向和雨带的移动方向一致，有利于回波在移动过程中加强并在雨带下游造成强雷暴天气。这种列车效应导致18时至19时期间漳州境内形成强度为50 dBz以上的积云带状回波，剖面显示回波顶高达12 km，有弱的悬垂结构，但强回波质心较低，45 dBz回波高度在6 km以下，这种混合型的降水效率高，导致漳州中部出现50 mm/h的短时强降水。

图5　2021年5月29日17时09分(a)组合反射率及其(b)剖面图，以及(c) 19时14分反射率剖面图

4　主客观预报质量检验

图6为各家客观数值模式和中央台以及福建省主观预报对此次过程中大雨以上量级降水的预报准确率。中央台精细化预报（SCMOC）和落区（城镇）预报对29日暖区暴雨把握最好，准确率超过0.8，中小尺度模式中CMA-3 km预报准确率最高，而大部分主观预报如省台指导和地市精细化预报准确率低于0.5；30日至31日预报准确率整体有所下降，准确率最高的均为CMA-GRAPES3KM数值模式，31日准确率更是达到0.8以上。虽然客观模式预报准确率逐日下降，但从主观预报来看，尤其是省台和地市精细化预报的准确率却是逐渐增大，说明预报员对系统性和稳定性降水具有一定的订正能力，但对暖区暴雨类型降水预报能力仍有待提高。

图6　不同模式的漳州逐日大雨以上量级降水预报准确率。起报时间和时效分别为8时和24小时

5　讨论与结论

本文利用地面自动站、天气雷达等常规探测资料和ERA5逐小时再分析资料对2021年5月29至31日福建省漳州市出现的连续性暴雨天气过程进行分阶段探讨分析，主要结论如下。

（1）此次降水过程主要分为三个阶段（见表2），第一阶段为切变南侧的暖区对流降水，高温高湿的环境下具有强的对流不稳定，并伴随明显的列车效应，较大的本地比湿条件、西南气流输送的水汽辐合区和动力抬升条件的相互配合导致该时段强降水落区主要位于中部地区；第二阶段冷切南压导致的系统性降水，温湿能量有所减弱，降水对流性也随之减弱，强降水落区位于水汽动力条件更为有利的西北部；第三阶段层结处于稳定状态，比湿较小，水汽通量较弱，因此以云贵高原低涡东侧暖切导致的稳定性层云降水为主。在此次过程中K指数和T85对降水的对流性具有一定的指示作用，且不同性质降水的假相当位温场具有明显差异，第一阶段为明显的高能舌，第二阶段存在和锋区相对应的密集等假相当位温线，第三阶段则是相比前两个阶段明显减弱的假相当位温场。

表2 2021年5月29日至31日连续性暴雨天气过程分阶段总结

（2）主客观预报检验显示CMA-GRAPES3KM数值预报和中央台落区预报对第一阶段的暖区暴雨把握较好，但暖区对流降水的主观预报准确率较低，反之预报员对锋面降水或稳定性层云降水的订正体现出一定的优势。因此预报员可以通过对环流形势的判断调整数值预报的参考性，以提高不同性质降水的主观预报准确率。

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A Phased Comparative Analysis of a Continuous Rainstorm Weather Process

Using the detection data of ground automatic station, weather radar and ERA5 hourly reanalysis data, this paper analyzes a continuous rainstorm process in Zhangzhou, Fujian province in stages. It is found that there are obvious differences in temperature and humidity field and instability of three kinds of precipitation with different properties in this process. In the first stage, the precipitation had the strongest convective character, which was a warm rainstorm in the high temperature and high humidity environment in the south side of shear, with strong convective instability. The horizontal and vertical distribution of pseudoequivalent potential temperature field (θse) had high-energy tongue, and the upward movement and moisture convergence were more obvious in the heavy precipitation region, accompanied by train effect. In the second stage, the convective instability was weakened, and the precipitation was caused by the southern pressure of the front area, and there were dense θse isolines corresponding to the front area. The third stage is large-scale stratus precipitation caused by the warm cutting of the east side of the vortex. The stratification is stable, and the water vapor, thermal and dynamic conditions are weak and poorly coordinated. The model test shows that CMA-3KM numerical prediction performs best in this process. The accuracy of subjective prediction for convective precipitation in warm area is low, but it has a certain correction ability for frontal and other systematic precipitation.

rainstorm; rainstorm in warm area; pseudo equivalent potential temperature; comparative analysis

P45; P46

A

1008-1151(2022)04-0048-04

2022-01-18

漳州市气象科学研究课题（2021001）；闽西南区域协同发展气象科技专项课题（2020MXN08）。

程晶晶（1994－），女，安徽黄山人，福建省漳州市气象局助理工程师，研究方向为天气预报与预警。