海南岛春季一次特大暴雨过程的成因及其预报偏差

石 娟，郑 艳，吴 俞

（1.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203；2.海南省气象台，海南 海口 570203）

海南岛是华南暴雨多发地区，雨季时间跨度大，从每年5月持续到10月［1］.暴雨往往引发局部地质灾害，城市内涝和泥石流等灾害.海南岛的非台极端暴雨多发生在秋季［2-5］，一般和热带辐合带有关，同时受海南岛东岸特殊地形影响，强降水中心多集中在东部地区.影响海南岛春季的灾害性天气一般是强对流伴随的冰雹，龙卷，雷雨大风，短时强降水等［6］，如2016 年4 月11 日凌晨海南岛西北部近海的雷暴大风造成儋州市北部附近海域人员伤亡.4～6 月为华南前汛期，华南前汛期的暴雨，多与南下冷空气活动有关［7-9］.也有一类降水不伴随锋面或其他明显天气系统，称之为暖区暴雨［10］，暖区暴雨具有突发性强，小时雨强大等特点，多和中小尺度系统的演变有关.海南岛春末夏初的极端暴雨发生频率相对较低，2022年4月30日夜间至2022年5月1日白天，海南岛东半部大部分地区出现100 mm 以上的大暴雨天气过程，局地出现200 mm以上的特大暴雨，降水时间段集中.各家数值模式对此次暴雨过程的天气形势和暴雨落区虽然有一定的预报能力，但是对4 月30 日夜间海南岛东部的局地极端暴雨和5 月1 日白天北部的大暴雨预报均比实况明显偏小，预报员在发暴雨预警的时候也未能预判出降水将达到红色暴雨预警级别，因此有必要深入分析此次极端降水和预报偏差的原因，总结预报服务的经验和不足，为今后精准预报提供支撑.

本文利用海南岛区域自动站资料、卫星TBB 资料、海南雷达产品资料和欧洲中心ERA5 再分析资料，从环流形势、降水分布与变化、系统演变、模式预报偏差等方面对2022年4月30日夜间至2022年5月1日白天的暴雨过程进行分析.

1 资料

本文采用的资料包括：①海南岛高分辨率地面自动站资料（包括自动站小时雨量和风场资料）；②间隔为6 min的海口地区雷达组合反射率因子资料；③葵花8卫星资料；④欧洲中期数值预报中心（ECMWF）时间间隔为1 h、空间分辨率为0.25°×0.25°的第五代全球再分析资料（ERA5资料）和相同空间分辨率、时间间隔为6 h的欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和中国气象局广州数值预报模式资料（CMA-GD）.

2 降水实况

2022 年4月30日20时至2022年5月1日20时，受冷空气和低层切变线等系统共同影响，海南岛东半部地区出现大暴雨过程，大暴雨带主要位于文昌、定安、琼海和万宁地区.琼海和万宁两个市县共15个乡镇雨量超过200 mm，其中4个乡镇雨量超过300 mm，最大日降水量中心为琼海市博鳌镇349.2 mm，定安、琼海、万宁三个国家基本站日降水量突破同期历史极值，降水落区呈东北-西南向分布（图1a）.此次降水过程分为两个阶段，第一阶段从5月1日0时开始，1日09时强降水趋于结束.第二阶段从1日12时开始，15 时趋于结束.分别从两个时段海南岛累积降水分布图（图1b、图1c）可看出，第一阶段的降水落区主要分布海南岛东部的琼海和万宁的沿海地区，降水极大值位于琼海博鳌镇，累积雨量达233.3 mm.第二阶段的降水落区位于海口的南部和定安的北部地区，北部的定安县城3小时累积雨量达107.8 mm.

图1 海南岛不同时间段累积降水量分布（a、b、c）和部分站点逐小时降水直方图（d）

从此次过程强降水中心的逐时降雨直方图（图1d）可以发现，第一阶段的降水具有小时雨强强，强降水范围大的特点.第二阶段强降水中心主要位于定安地区，14时与15时两个小时的小时雨强均超过40 mm.

3 强降水成因及模式预报偏差分析

3.1 环流背景和大气层结条件分析暴雨发生期间的环流形势，从图2 可以看出，4 月30 日23 时（图2a），副热带高压加强西伸，海南岛受副高西南侧的东南气流影响，锋面位于华南沿海，中南半岛东部有低涡发展，海南岛东部和南部的水汽通量大值区在15～18 g·（cm·hPa·s）-1.5月1日04时（图2b），925 hPa上，辐合带从12° N 北抬至15° N，海南岛东部海面的偏东气流风速加大，在岛上有东南和偏东气流的辐合.5月1 日11 时（图2c），海南岛北部等压线梯度明显加大，925 hPa 出现东北气流，最大风速达到22 m·s-1，另一方面东北急流伴随着较好的水汽条件，水汽通量中心达30 g·（cm·hPa·s）-1，将南海北部的水汽输送至海南岛东北部地区.5 月1 日15 时（图2d），925 hPa 上，海南岛上有明显的东北和东南气流的辐合，且北部维持水汽通量大值区.低层辐合和较好的水汽输送为此次暴雨提供有利的动力和水汽条件.

图2 500 hPa高度场、925风场和水汽通量叠加

从海口的探空图来看，4 月30 日20 时（图3a）和5 月1 日08 时（图3b）两个时刻，两个时刻抬升凝结高度（LCL）较低，暖云层厚度到600 hPa 附近，说明可降水量高，降水效率高，温度廓线和湿绝热线从低层到中高层都非常接近，形状呈狭长形，说明其整层湿度较大，K 指数达34 和36.9，30 日20 时对流有效位能（CAPE）为1 171 J·kg-1，对流抑制能（CIN）仅为0 J·kg-1，对短时强降水发生十分有利.低层0～3 km 垂直风切变为5 m·s-1，中层0～6 km垂直风切变明显增大至10 m·s-1，有利于对流的组织和发展［11］.

图3 海口地区T-logP图

3.2 强降水系统发展演变

3.2.1 对流系统演变特征分析海口雷达资料和卫星TBB 演变发展（图4）可知，5 月1 日02 时（图4a），对流云团在海南岛东部海面发展，沿着海岸线向东北方向移动，云顶亮温最低中心达212 K.02～03时强回波主要停留在万宁地区，04 时开始向北部移动（图4b），04～06 时短时强降水落区主要分布在海南岛的琼海地区.5 月1 日白天海南岛北部强降水的中尺度对流系统前期表现为东北西南走向的带状对流伴有列车效应，后期表现为准静止块状对流，对流持续时间长达4 h.

图4 雷达组合反射率因子和葵花-8卫星红外云顶亮温演变图

1日11时，海南岛定安北部地区对流单体A开始发展，随后，海南岛西南部地区的对流开始活跃，沿着700 hPa 西南向引导气流不停地向东北部地区移动，发展成近西南—东北走向的对流带，对流回波垂直剖面显示≥45 dBZ强回波集中在0o层以下（图略），呈现低质心暖云特征，降水效率高.

1日13时（图4d），在定安西南部局地触发新的对流单体B，14时（图4e），云顶亮温最低中心达220 K，对流单体B 向东北移动，和A 合并成C，云团在定安县城发展增强；造成14 时、15 时定安县城小时雨量分别达48.1 mm 和43.9 mm.16时之后，随着低层切变线减弱，云团减弱，云顶亮温升高，海南岛北部的降水趋于减弱结束.可见，海南岛北部的暴雨主要由中尺度对流云团连续影响造成，“列车效应”显著.

3.2.2 涡旋演变特征分析地面自动观测站风场可知，5 月1 日01 至5 月1 日03 时（图5a、b），万宁地区东部沿海的测站风速明显加大，最大风速达22 m·s-1，万宁地区西部海拔高，东部为平原，处于迎风坡，地形可使中低层暖湿气流在迎风坡聚集，使暴雨有增幅作用［12］.当东北风朝着万宁的喇叭口地形灌进时，由于地形的收缩，引起辐合上升运动加强，同时，海岸线附近，由于海陆摩擦的差别，沿海岸造成了辐合线，该辐合线长期维持，对流得以组织并发展，造成强降水的发生［13］.5 月1 日12 时（图5c），受南下冷空气影响，在海南岛定安的西部地区已经开始出现偏北风和西南风的切变，随后随着东北气流的加大，切变线向东南方向推进，定安地区北部转成偏北气流（图5d），引导地面冷池气体继续向南入侵，中低空西南暖湿气流持续加大叠加在冷池之上，促使风速辐合辐散区继续发展，因而列车效应得到长时间维持.同时定安西部地区风向转为偏西风，东部为东南气流，三支气流在定安地区形成了中尺度涡旋.慕建利等［14］对2005年6月一次华南特大持续性暴雨过程中的中尺度扰动进行分析发现，强降水主要发生在地面静止锋、锋前暖区的中尺度切变线和中尺度涡旋附近.许爱华等［15］研究表明，边界层辐合线的动力扰动往往是强对流天气的重要触发者.此次定安地区对流主要位于中尺度涡旋附近，显然也和中尺度涡旋伴随的辐合有密切关系.

图5 海南岛自动站地面风场

3.3 关键物理量诊断分析

3.3.1 异常度分析文中用标准化距平进行异常气象因子分析，定义物理量x的气候平均标准差σ为：

式中，F为某一变量在一个时刻的值，M为1991—2020年30 a同期气候平均值，则标准化距平I为

标准化距平可以表示观测样本与气候平均状况的偏差程度［16］.通常认为，标准化距平超出±0.5σ为较为异常，±2.5σ以上可用于判定极端天气实践中因子异常特征.海南岛自动站降水资料统计显示，5月1日01时至5月1日05时，东部的琼海和万宁地区共有17个自动站累积降水达100 mm以上，最大出现在万宁山根镇为160.6 mm.基于ERA5逐小时资料（空间分辨率0.25°×0.25°），计算了整层大气可降水量和水汽通量的异常度.结果显示，5月1日01时至5月1日05时，海南岛整层大气可降水量整体高于50 mm，标准化距平大于0.5σ（图6a），环境水汽条件非常有利于强降水；850 hPa 上，海南岛东南部海面有明显的高水汽通量区（图6b），中心值达20×10-6g·(cm·hPa·s)-1，标准化正距平达2σ以上，有利于形成极端强降水.

图6 2022年5月1日01时至05时叠加标准化距平图

3.3.2 物理量演变特征分析4 月30 日夜间万宁香车水库（图7a）和5 月1 日白天定安（图7b）暴雨中心的风场及垂直速度随高度时间剖面图（图中时间为北京时），4月30日20时至5月1日0时和5月1日04时至5 月1 日08 时分别有强垂直上升运动，700 hPa 到300 hPa 出现东南风—西南风的暖式切变，600 hPa 以上为西南风输送，最强达10 m·s-1.5 月1 日14 时，低层的风向转为偏北风，随后，风速明显加大，并向上延伸至800 hPa附近，700 hPa以上为西南气流输送，风速最大达12 m·s-1，13-16时，从低层到高层300 hPa附近有强烈的上升运动，15时最强中心达-3 Pa·s-1，为暴雨提供了有利的动力条件.

图7 风场和垂直速度高度-时间演变和风场、假相当位温、散度（阴影区）剖面图

沿海南岛西北-东南向过暴雨落区做剖面，结果显示，5 月1 日12 时（图7c），定安（19.6°N，110.3°E）西侧1 000—900 hPa开始吹偏北风，偏北风分量中心达16 m·s-1，其东侧为东南气流，说明冷空气还未影响定安地区，而冷空气经过之处低层有较强的辐合中心，900—700 hPa有较强的辐散.5月1日15时（图7d），110.4°E以西低层均转为东北风，风速继续加大，定安地区附近的辐合中心向上延伸至950 hP附近，800—600 hPa 的辐散也有所加强.从热力条件分析可知，110.3°E 以东的地区900 hPa 以下大气中的θse均大于348 K，中心值达356 K，从地面到600 hPa，-∂θse/∂p＜0，大气层结不稳定，在110.3° E 以西800 hPa 以下大气有近似垂直的等θse线锋区，说明此时冷空气在此处堆积，在东北风的引导下，不断向海南岛东部地区传输，冷暖气流在北部地区交汇促使定安14 h—15 h出现43.9 mm·h-1的短时强降水.

3.4 模式预报偏差分析目前，数值模式对大尺度降水主体落区的预报能力提高较快，但对中小尺度降水的预报仍不理想.分析业务预报中参考权重较大的EC模式对此次暴雨过程的预报，发现其对暴雨的落区预报趋势基本正确，但是对降水预报量级比实况明显偏小.ECMWF确定性预报和CMA-GD 中尺度模式对暴雨落区预报分歧较大，确定性预报48 h 预报海南岛东部局地有暴雨（图8a），而中尺度模式48 h 预报暴雨落区出现在海南岛西半部地区（图8b），预报员根据天气形势，对模式预报做出了调整，48 h预报海南岛北部和东部局地有50～100 mm 左右的降水（图8c），相对实况较为接近，但是对暴雨极大值中心缺乏预报能力.EC 确定性预报30 日20 时起报的未来24 h 降水与提前48 h 起报的变化不大（图8d），而中尺度模式做出了较大调整（图8e），EC 确定性预报对海南岛的降水预报趋势有一定的指导意义，但其往往预报暴雨量级偏小，预报员根据经验对模式预报进行了订正，50 mm 以上的暴雨落区与实况基本接近（图8f），但是对100 mm以上的降水同样缺乏预报能力.

图8 不同模式48 h（a-c）和24 h（d-f）降水预报与实际观测情况比较图

本文主要针对第二阶段冷空气影响的强降水的模式预报性能进行分析，ECMWF 模式的预报降水量级比实况明显偏小，而CMA-GD 模式4 月30 日20 时起报的预报效果较好.对比分析发现，4 月29 日20 时和30 日20 时ECMWF 模式对5 月1 日14 时副热带高压位置的预报与实况基本一致（图略），对925 hPa 风场预报偏差较大，从（图9b）可以看出，5月1日14时，海南岛中部有东北—西南走向的倒槽，与实况较为一致，但西北方向的东北急流比实况偏小，其西侧和东南侧的水汽通量也比实况明显偏小.而CMA-GD模式无论是从急流中心数值和水汽通量条件来看，与实况均比较接近，但是其预报的925 hP 的切变线位置比实况略偏东，偏南风偏大，预报出琼海和万宁地区比较大范围（250～400 mm以上）的降水，比实况偏大.

图9 2022年5月1日14时925 hPa风场叠加水汽通量（a-c）和2022年5月1日08时10 m风场（d-f）

从10米风场来看，5月1日08时（图9d），华南沿海到北部湾海面已经开始受冷空气影响，风向转为一致的偏北风，海南岛仍然受东到东南气流影响，说明此时海南岛还未受冷空入侵，而ECMWF 模式4 月30日20时起报的5月1日08时10 m风场（图9e），海南岛东北部海面已经转为东北气流，风力比实况偏大，并伴随有明显的切变线，海南岛西部沿海陆地逐渐转为偏北风，说明ECMWF 模式预报的冷空气提前到来，因此热力条件转差.CMA-GD 模式也预报出海南岛东北部海面开始转为东北风，但是风速比ECMWF模式略偏小，值得注意的是CMA-GD 模式在海南岛东部沿海存在东北—西南走向的切变线，因此CMA-GD 模式对海南岛东部沿海地区的降水预报比实况明显偏大.

4 总结和讨论

本文针对此次暴雨过程从大尺度环流背景、物理演变特征，模式预报偏差等方面进行分析，得到以下主要结论.本次强降水过程表现为两个阶段，影响系统也有所不同.

（1）第一阶段发生在4月30日夜间，偏东、东南、东北三支气流在海南岛东部地区有明显的风向、风速辐合，水汽条件较气候平均偏高2 个标准差，地面风场上有切变线较长时间的维持，雷达回波上看回波在海南岛东部海面生成沿着东部海岸线移动，形成列车效应，具有暖云降水特征，降水效率高，造成了海南岛东部局部地区夜间的降雨量超过了200 mm.

（2）5月1白天海南岛受冷空下南下影响，冷暖气流在海南岛东北部地区交汇，在北部地区形成东北-西南走向的切变，同时海南岛西南部海面有低涡发展，倒槽和海南岛北部的切变线合并加强，维持时间长达4个小时，其原因和机理有待进一步研究.

（3）实际业务中，预报员比较常用的ECMWF 模式对大的环流背景和降水趋势有参考意义，但是其对对流性降水的预报能力不足，中尺度模式尤其是CMA-GD模式在海南岛的极端降水预报有较好的指示意义，但大暴雨落区范围比实况偏大，预报员需要结合两者，并结合低层风场和卫星、雷达等资料对强降水量级进行调整.

在日常天气预报中，受限于模式预报能力，天气系统本身的多变性，提前24h对极端降水做出准确的定量预报是目前面临的难题.预报员平时需加强对高分辨率观测资料和数值模式的分析应用，关注中尺度辐合线，加强对流系统的短时临近监测预报，产生极端降水的机理还需要通过高分辨率数值模拟实验来进一步论证.