陳艷真 陳詩琳 梁寶元

(1.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；2.莆田市城廂區(qū)氣象局，福建 莆田 351100)

1 概述

福建是中國暴雨高頻區(qū)之一，莆田地處福建中部沿海，常因暴雨導(dǎo)致嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。因此，對暴雨的持續(xù)時間和落區(qū)的準(zhǔn)確把握是為防洪抗災(zāi)工作提供決策服務(wù)的先決條件。然而，不同影響系統(tǒng)下，暴雨的觸發(fā)機(jī)制不同，強(qiáng)降水的持續(xù)時間、降水強(qiáng)度和落區(qū)都存在差異。福建省位于中國東南沿海，處于中緯度西風(fēng)帶和熱帶東風(fēng)帶交替影響的過渡地帶，暴雨成因復(fù)雜，既有前汛期的鋒面系統(tǒng)暴雨，也有臺風(fēng)等熱帶系統(tǒng)影響造成的暴雨，其中前汛期暴雨主要是由西風(fēng)帶系統(tǒng)造成的，包括高空槽、冷鋒、準(zhǔn)靜止鋒、切變線、低空急流等[1]。目前對暴雨機(jī)制研究還不夠深入，有時看似明顯的暴雨形勢，實(shí)況卻只出現(xiàn)部分或者局部性的暴雨，預(yù)報的準(zhǔn)確率還是較低。2020年5月21日(本文所提時間均為北京時)莆田市出現(xiàn)了一場部分性的暴雨，本文應(yīng)用ERA 50.25°×0.25°逐小時的全球再分析資料、NCEP/NCAR 1°×1°逐六小時的全球再分析資料、雷達(dá)回波資料和常規(guī)觀測資料，對這次暴雨過程的環(huán)流背景、中尺度特征和物理量場特征進(jìn)行分析，對各家模式降水預(yù)報進(jìn)行檢驗(yàn)，探討暴雨的發(fā)生機(jī)制，加深對當(dāng)?shù)乇┯赀^程的認(rèn)識。

1.1 實(shí)況分析

5月21日08時至22日08時，福建省出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降水天氣，福建省大部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨天氣，共有55個縣市、528個自動站達(dá)到暴雨標(biāo)準(zhǔn)(50.0～99.9mm)，3個縣市，3個自動站達(dá)到大暴雨標(biāo)準(zhǔn)(100.0～249.9mm)，其中平潭白青鄉(xiāng)白青小學(xué)達(dá)到了116.8mm(為最大)，沿海出現(xiàn)9～10級東北大風(fēng)。21日白天暴雨出現(xiàn)在中北部，以穩(wěn)定性降水為主，夜間開始，強(qiáng)降水有所減弱，僅龍巖東部出現(xiàn)暴雨(圖略)。21日08時至22日08時，莆田市共有37個站出現(xiàn)暴雨，占全市32.5%。其中秀嶼區(qū)埭頭鎮(zhèn)大蚶山75.1mm為最大，降水主要集中在21日白天(圖1)，有20個站出現(xiàn)暴雨，以穩(wěn)定性降水為主。

1.2 主客觀預(yù)報質(zhì)量檢驗(yàn)對比

從客觀預(yù)報分析來看(圖2)，各家模式對該過程的落區(qū)預(yù)報與實(shí)況相差較大，且各家模式之間的預(yù)報落區(qū)也相差較大，多模式的一致性很差，中北部的暴雨僅ECMWF、EC-EPS、GRAPES-GFS、GRAPESmeso有體現(xiàn)，其中ECMWF暴雨落區(qū)偏小，其他三個模式的暴雨落區(qū)范圍均偏大。除了GRAPES-GFS、JMA-GSM、NCEP-GFS、華東區(qū)域沒有預(yù)報東南部沿海暴雨外，其他模式均預(yù)報了閩東南沿海的暴雨，基本空報；大雨以上的降水全球模式的參考性較大，此次過程以穩(wěn)定性降水為主，各種模式的暴雨落區(qū)參考性都不大，但是大雨以上的全球模式的參考性較大，區(qū)域模式的參考性較差。

從福建省氣象臺的主觀預(yù)報來看(圖略)，無論是48小時還是24小時暴雨落區(qū)都出現(xiàn)偏差，暴雨落區(qū)偏大，強(qiáng)度偏強(qiáng)，實(shí)況暴雨落區(qū)出現(xiàn)在福建中部和西南部，而主觀預(yù)報整個中南部均為暴雨。從主觀預(yù)報來看，暴雨以上的降水落區(qū)偏大，強(qiáng)度偏強(qiáng)，且越臨近暴雨落區(qū)的預(yù)報越大，與實(shí)況偏差越大，大雨以上的落區(qū)基本正確，因此這種穩(wěn)定性降水過程的暴雨落區(qū)通常比預(yù)報偏大，但是大雨以上的準(zhǔn)確率較高，整個服務(wù)過程還是較好的。

(a)21日08時至22日08時降水量(莆田市) (b)21日08時至21日20時降水量(莆田市) (c)21日20時至22日08時降水量(莆田市)

圖2 24小時時效21日08時至22日08時模式預(yù)報降水落區(qū)檢驗(yàn)

莆田市臺21日10時發(fā)布的第5期《重要天氣預(yù)警報告》指出：“21日午后至夜里我市將出現(xiàn)暴雨。24小時累計雨量50～70mm，局部超過80mm，最大小時雨量20～30mm?！睂ζ翁锏闹饔^預(yù)報進(jìn)行檢驗(yàn)(圖3)，出現(xiàn)大范圍的空報，落區(qū)預(yù)報偏大，因此本文主要針對莆田市氣象臺這次空報過程進(jìn)行分析。

(a)莆田市氣象臺 21日10時預(yù)報21日11時-22日11時時降水落區(qū) (b)21日11時-22日11時實(shí)況

從主客觀預(yù)報質(zhì)量檢驗(yàn)對比分析可知，數(shù)值預(yù)報常對穩(wěn)定性降水大雨以上量級預(yù)報能力還不錯，對暴雨的預(yù)報能力較差，多模式的一致性也差，但是全球模式對大雨以上的預(yù)報參考性較高，暴雨落區(qū)有一定偏差。

2 天氣過程分析

2.1 大尺度環(huán)流背景分析

此次暴雨過程發(fā)生期間，500hPa亞歐大陸中高緯為兩槽一脊形勢，貝加爾湖-鄂霍茨克海以西為寬槽，槽底到30°N附近，烏拉爾山-巴爾喀什湖以西為低槽，貝加爾湖-巴爾喀什湖為高壓脊，且有阻塞高壓；南方多波動，南支槽活躍(圖4a)。

從低層系統(tǒng)來看(圖4b)，700hPa低渦位于安徽省，低渦切變分別維持在閩浙交界和江西至廣東西部，21日08時，850hPa低渦中心位于江西中南部，華南有西南急流維持，最大風(fēng)速為16m/s，閩中有切變維持，14時臺灣海峽的偏南風(fēng)急流往北推，切變依然維持在閩中沿海，方向、風(fēng)速的輻合均在閩中沿海(圖略)。20時西南風(fēng)和偏南風(fēng)急流均減弱。21日08時至20時，925hPa在廣西中部-江西南部-福建中部有切變線維持，閩南為東南風(fēng)，閩中北和閩西北為偏東風(fēng)，風(fēng)速均為6 m/s，風(fēng)向輻合十分顯著。地面有冷空氣從沿海擴(kuò)散南下影響。

(a)21日08時500hPa環(huán)流形勢 (b)21日高低空系統(tǒng)配置(風(fēng)場為21日20時925hPa)

2.2 中尺度系統(tǒng)分析

由仙游站和莆田站逐小時降水量分析可知，21日白天以穩(wěn)定降水為主，降水在12時起略有加強(qiáng)，較強(qiáng)降水持續(xù)到17時(圖5)，回波從西往東移動，移動過程中有所加強(qiáng)，但雨強(qiáng)都不強(qiáng)。

(a)5月21日08時～5月22日08時仙游[58936]小時雨量

(b)5月21日08時～5月22日08時莆田[58936]小時雨量

由福建省雷達(dá)拼圖可知，21日08時-24日08時福建的強(qiáng)降水基本是混合性回波降水，且此次強(qiáng)降水在12∶00-17∶00相對較強(qiáng)。分析此時加強(qiáng)的原因，在13時有A、B兩個單體往莆田市移動(圖6a)，移動過程中略有加強(qiáng)，在13∶54組合反射率達(dá)40dBz(圖6b)。15∶00，A單體移出莆田市，B單體在東移的過程中與北面的回波合并加強(qiáng)(圖6c)。15∶30在仙游又有3個單體生成(圖6d)，1號和3號單體在東移的過程中加強(qiáng)，2號單體減弱消失(圖6e)，使得12∶00-17∶00莆田出現(xiàn)較強(qiáng)的降水集中期，尤其是莆田站在15∶00-16∶00小時雨強(qiáng)出現(xiàn)本次過程中的最大值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

從地面風(fēng)場分析13時至16時回波移入莆田加強(qiáng)的原因，12∶00-13∶00在莆田出現(xiàn)一條東西向的偏東風(fēng)和東南風(fēng)形成的地面切變線(圖7a)，回波移動至切變線附近加強(qiáng)，且仙游西部屬于閩中山帶，地形與西南風(fēng)風(fēng)向的輻合，也對單體的發(fā)展有促進(jìn)作用。15時開始，切變線略有南壓，但是仍然維持在莆田市中部(圖7b、c)，切變線一直維持到20時，地面切變線的維持和地形的作用，使得回波移動至莆田加強(qiáng)。

(a)21日12-13時地面風(fēng)場 (b)16-17時地面風(fēng)場 (c)地面切變線位置圖

從大尺度環(huán)流背景和中尺度系統(tǒng)分析，莆田有一次明顯的降水過程，但是否為全市性的暴雨還較難預(yù)報，下面從物理量進(jìn)一步分析。

2.3 物理量診斷分析

2.3.1 動力條件分析

從低層渦度場(圖8a、b)分析可以明顯看出，21日14時1000hPa和850hPa開始在福建中部沿海有正的渦度中心，中心值為6×10-5S-1和20×10-5S-1，渦度中心與925hPa和850hPa的切變位置較一致。21日20時，850hPa渦度中心往臺灣海峽北側(cè)推，與850hPa海峽附近西南風(fēng)急流北推對應(yīng)，渦度中心的變化與西南急流關(guān)系比較密切，低空急流是暴雨對流不穩(wěn)定層結(jié)的建立者和維持者。

從21日14時沿強(qiáng)降水帶上((25.0°N，19.3°E)～(26.8°N，117.7°E))的垂直速度剖面(圖8c)可見，較強(qiáng)降水發(fā)生期間，降水區(qū)上空有一定的垂直上升運(yùn)動，最高上升到200hPa，莆田市附近較強(qiáng)降水帶上[(25.6°N，118.75°E)～(26.8°N，117.7°E)]垂直上升運(yùn)動最強(qiáng)是在500～400hPa，中心值大于-1Pa/s，上升運(yùn)動條件不錯，20時,600hPa以下垂直速度轉(zhuǎn)為正值，變成下運(yùn)動，降水停止。

(a)21日14時850hPa渦度 (b)21日14時1000hPa渦度

(c)21日14時垂直速度剖面 (d)21日20時垂直速度剖面

2.3.2 水汽條件

分析該次暴雨過程850hPa的水汽通量分布(圖9)，21日華南上空盛行西南風(fēng)，水汽源源不斷從南海向華南沿海輸送，且9～17時莆田上空850hPa水汽通量在14 g/(cm·hPa·s)。受切變線的影響，水汽在閩中地區(qū)聚集，18時水汽通量下降比較明顯，且莆田市的水汽通量低于12 g/(cm·hPa·s)，19時莆田市降水減弱明顯。

(a)14時850hPa比濕 (b)20時850hPa比濕

2.3.3 能量條件

假相當(dāng)位溫θse是同時表征溫度和濕度的參數(shù)，因而在中尺度天氣圖上可以繪制等θse線，分析確定高低θse值區(qū)(或濕靜力能量高低能區(qū))和能量鋒區(qū)的位置[2]。從θse場分布看(圖10)可以看到，21日08-14時在850hPa上粵東-臺灣海峽一帶一個高濕高能軸，高能舌中心強(qiáng)度在356K以上，能量鋒在閩浙交界，隨著沿海冷空氣的擴(kuò)散南下，能量鋒逐步南壓到福建北部。16時，高能舌也西移南縮至閩東北，莆田市850hPa的θse值在346K左右，對應(yīng)的午后至傍晚的明顯降水。18時，能量鋒區(qū)進(jìn)一步南壓，高能舌南壓到閩南地區(qū)，說明冷空氣進(jìn)一步從沿海擴(kuò)散南下，莆田降水趨于減弱。

(a)21日12時850hPa假相當(dāng)位溫 (b)21日16時850hPa假相當(dāng)位溫 (c)21日18時850hPa假相當(dāng)位溫

2.4 莆田市大范圍暴雨空報原因初探

通過以上分析，500hPa和850hPa的環(huán)流形勢與《福建省預(yù)報員手冊》的前汛期暴雨預(yù)報概念模型相一致[3]，但是地面形勢不是很有利。同時從物理量分析，渦度場時比較有利，但是垂直上升運(yùn)動條件一般，且濕度和能量條件有利于大范圍暴雨出現(xiàn)的時間也不長。另外從散度場分析(圖11)，沿強(qiáng)降水帶上[(25.0°N,119.3°E)～(26.8°N，117.7°E)]的散度垂直剖面可以看出,莆田市附近較強(qiáng)降水帶上[(25.6°N，118.75°E)～(26.8°N，117.7°E)]近地層(925hPa以下)為輻合，中低層(500～925hPa)為輻散，高層為輻合，整個條件都不利于大范圍暴雨的發(fā)生。因此，日常預(yù)報不僅要關(guān)注大環(huán)流形勢、中尺度分析，也要注重地面形勢和多個物理量的綜合分析。

(a)21日06時 (b)21日20時

2.5 數(shù)值預(yù)報應(yīng)用情況和檢驗(yàn)分析

從華東區(qū)域(WARMSv2.0)風(fēng)場與NCEP/NCAR 1°×1°逐6小時的全球再分析資料的風(fēng)場對比，可知華東區(qū)域?qū)Υ舜翁鞖庀到y(tǒng)預(yù)報較好，850hPa低渦位置和切變線位置都對應(yīng)的很好，而且風(fēng)向預(yù)報與實(shí)況都一致，但是14時在臺灣海峽中部的西南風(fēng)和東南風(fēng)形成切變線的風(fēng)速均偏小4m/s左右。925hPa切變線位置對應(yīng)的較好，風(fēng)向預(yù)報很好，但是14時在閩中北沿海陸地上的風(fēng)向與實(shí)況有差距，實(shí)況是偏東風(fēng)，而華東區(qū)域預(yù)報的是東北風(fēng)，且風(fēng)速也較大，說明華東區(qū)域模式預(yù)報的冷空氣可能滲透的更偏西。

華東區(qū)域模式(WARMSv2.0)除了風(fēng)速偏弱外，其形勢場總體預(yù)報的較好，但降水落區(qū)和強(qiáng)度卻出現(xiàn)較大出入，雨量明顯偏小，可能與物理量配置和熱力條件有關(guān)，且更能體現(xiàn)出中尺度模式對穩(wěn)定性降水的預(yù)報能力不是很好。

通過分析以下GRAPES-MESO-9km、GRAPES-MESO-3km、上海SMS-WARMS-9km、上海SMS-WARR-3km東部、廣州GRAPES-GD-3km區(qū)域模式、GRAPES-MESO-25km、ECMWF-12.5km、NCEP-25km的降水檢驗(yàn)，分析模式對于該過程的可預(yù)報性。

本次各家模式降水過程預(yù)報的TS評分中，大雨量級(25～50mm)的降水GRAPES-MESO-3km評分最高(0.471)，其次GRAPES-MESO-9km、廣州GRAPES-GD-3km區(qū)域模式、ECMWF-12.5km評分較高(均在0.4以上)，而大于50mm的降水中ECMWF-12.5km評分較高(0.225)，其次是GRAPES-MESO-3km評分0.2。對以上幾家TS評分較高的模式通過空報率和漏報率進(jìn)行分析，大于25mm降水中GRAPES_MESO-9km、ECMWF-12.5km的空報率明顯偏高，尤其當(dāng)雨量大于50mm時，GRAPES_MESO-9km、ECMWF-12.5km空報率最高達(dá)0.9左右，ECMWF-12.5km的空報率偏高，漏報率在以上幾家全球模式中是最低的，說明GRAPES_MESO-9km、ECMWF-12.5km能夠在一定程度上反映本次大雨以上的降水過程，但是降水發(fā)生的落區(qū)和范圍偏差較大。對TS 評分最高的GRAPES-MESO-3km模式大于50mm量級的空報率和漏報率分析，其空報率0.677，漏報率0.655，其空報率在各家模式中最低，漏報率在各家模式中倒數(shù)第三低，通過分析此次暴雨預(yù)報最好的是GRAPES-MESO-3km。

對于低渦型，熱力條件一般的穩(wěn)定型降水全球模式會比區(qū)域模式預(yù)報得更好。綜合此次過程看，暴雨以上降水GRAPES-MESO-3km的TS 評分和空報率時最好，ECMWF-12.5km的TS和漏報率都不錯。

3 結(jié)果與討論

①大雨以上的降水全球模式的參考性較大，但是暴雨預(yù)報能力還是較差，暴雨落區(qū)和多模式的一致性都不好，區(qū)域模式大雨以上的降水參考性較差。

②本次暴雨過程是低渦型降水，主要的影響系統(tǒng)是高空槽、南支槽、低渦、低層切變線和低層急流，降水主要位于低層西南風(fēng)和東南風(fēng)形成的切變線附近。

③本次暴雨過程的發(fā)生與中尺度系統(tǒng)密不可分，在大尺度背景下回波生成東移，在移近地面中尺度輻合線附近時，單體開始加強(qiáng)，降水開始加大，受地面輻合線的地形共同影響，莆田出現(xiàn)集中降水時段。

④與低空急流對應(yīng)的低層正渦度中心是降水加強(qiáng)的一個重要指標(biāo)；θse的鋒區(qū)與冷空氣南下的位置對應(yīng)，單體加強(qiáng)發(fā)生在θse的鋒區(qū)前沿，高濕高能舌里。

⑤此次莆田的暴雨空報，從形勢上分析還是會出現(xiàn)暴雨，但是對暴雨落區(qū)和范圍的把握還是很難，要從中尺度和物理量進(jìn)行全面分析，加強(qiáng)多源數(shù)據(jù)的應(yīng)用，加強(qiáng)風(fēng)廓線雷達(dá)、雨滴譜儀、自動站等非常規(guī)資料的監(jiān)測、應(yīng)用及檢驗(yàn)。

⑥加強(qiáng)各家數(shù)值模式對暴雨的環(huán)流形勢、降水強(qiáng)度、降水落區(qū)預(yù)報的檢驗(yàn)，預(yù)報中還需特別關(guān)注對低層中小尺度系統(tǒng)的預(yù)報；當(dāng)數(shù)值模式預(yù)報環(huán)流形勢場低層有中小尺度系統(tǒng)影響時，在短時臨近時需加強(qiáng)風(fēng)廓線雷達(dá)、雨滴譜儀、自動站等非常規(guī)資料的監(jiān)測、應(yīng)用及檢驗(yàn)。

⑦在時間上加密對各家數(shù)值模式的檢驗(yàn)分析，最好每日檢驗(yàn)結(jié)果能讓預(yù)報員能便捷瀏覽，以便參考。