湘潭2021年5月一次強降雨天氣過程診斷及預報偏差分析

張 悅 劉二影 游梟雄 何 寧 戴 勁 葉梓杰

（湘潭市氣象局，湖南 湘潭 411100）

0 引言

暴雨是中國南方地區(qū)影響范圍最廣、發(fā)生頻次最多、次生災害最為嚴重的自然災害之一，暴雨日數(shù)多、主汛期時間長是湖南雨季的重要特點［1-2］。精準的強降雨預報不僅需要總結(jié)分析歷史個例，也需要人為訂正數(shù)值天氣預報模式，因此結(jié)合多種數(shù)值天氣預報模式對強降雨預報進行有效訂正十分必要。很多研究指出，暴雨的發(fā)生多是中小尺度天氣系統(tǒng)作用的結(jié)果，在多普勒雷達徑向速度圖上，“輻合點”“中氣旋”的出現(xiàn)均有利于暴雨的發(fā)生［3-5］，而地面中度輻合線可以使強降雨對流云團得到觸發(fā)和加強［6-13］。王丹丹等［14］指出針對春季中小尺度強對流天氣過程，大尺度模式對冷暖空氣勢力準確把握度有限，需加強對區(qū)域數(shù)值預報模式的聯(lián)合應用；鐘琦等［15］指出高頻次和低強度降水偏差是模式預報的普遍問題。雖然前人已經(jīng)對暴雨和強對流天氣的發(fā)生機理和預報偏差進行了大量研究，但是此類天氣局地性強、可預報性有限，加強湘潭本地個例分析還是很有必要的。2021 年5 月湘潭因強降雨引發(fā)的地質(zhì)災害高達28 起，強降雨預報的落區(qū)和強度均偏差較大，5月10日至11日天氣過程就是一次典型的強降雨漏報過程，本研究通過對此次強降雨天氣過程進行診斷分析和預報偏差探討，研究結(jié)果可為今后強降雨的預報預警提供一定的參考依據(jù)。

1 資料與方法

本研究分析所使用的資料包括常規(guī)天氣資料、地面氣象觀測資料、雷達資料和再分析資料，時間長 度均為2021 年5 月10 日08 時 至11 日20 時。常規(guī)天氣資料來自從氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)（MICAPS）讀取的高空觀測和地面觀測資料；地面氣象觀測資料來自湘潭市3 個國家氣象觀測站和126 個區(qū)域自動站氣象站的小時雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)；雷達資料為湘潭多普勒天氣雷達資料，時間分辨率為6 min；再分析資料主要有兩種類型，一是使用了美國國家環(huán)境預報中心（NCEP/NCAR）提供的逐四小時數(shù)據(jù)分析水汽和動力條件，空間分辨率為2.5°×2.5°，二是使用了歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）提供的ERA5 小時數(shù)據(jù)分析熱力條件，空間分辨率為0.25°×0.25°。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要影響系統(tǒng)及天氣實況

從5 月10 日20 時高空天氣圖（圖略）分析發(fā)現(xiàn)，200 hPa 上湖南省位于高空急流右側(cè)的分流輻散區(qū)，利于上升運動的維持。500 hPa 高空槽位于四川省東部，湖南省受槽前西南暖濕氣流控制，具有較好的能量條件和濕度條件。700 hPa 及850 hPa 切變線均位于湘西北，位相重疊較好，西南急流旺盛，湘潭地區(qū)位于急流出口區(qū)左側(cè)，并在中低層顯著濕區(qū)內(nèi)，高能高濕的狀態(tài)利于強對流天氣的發(fā)生。從地面天氣圖（圖略）分析發(fā)現(xiàn)，湘潭市位于低壓倒槽內(nèi)，且10日17時至11日05時一直有地面輻合線存在，利于強對流天氣的觸發(fā)。因此，受高空槽、西南急流及地面輻合線共同影響，5 月10日至11 日湘潭市普降中到大雨、局地暴雨，并伴有雷電、短時強降雨和局地雷雨大風。據(jù)湘潭市3 個國家氣象觀測站和110 個區(qū)域自動氣象觀測站監(jiān)測顯示，5 月10 日08 時至11 日08 時共出現(xiàn)36 站大雨、11 站暴雨，平均降雨量為26.0 mm，最大降雨量為94.5 mm（湘潭縣白云小學）；強降雨時段主要為11 日凌晨，最大小時降雨量為37.7 mm（湘鄉(xiāng)市朱津渡，11日02時至03時）；湘潭縣梅林橋村出現(xiàn)17.4 m/s的雷雨大風（11日01時12分）。

2.2 物理量診斷

2.2.1 水汽條件。水汽是強降雨的燃料，只有源源不斷的水汽供應才能使降雨得以發(fā)生和維持。850 hPa 水汽通量散度和比濕綜合圖顯示，10 日白天至夜間，湘潭地區(qū)一直處于水汽通量輻合的高濕狀態(tài)，白天比濕均在11 g/kg 以上，夜間（圖1a）比濕開始逐漸增加，比濕梯度呈明顯的“東北—西南”向。02 時（圖1b）以后比濕增至13 g/kg 以上，且維持時間較長、大值區(qū)偏南。對應在雷達圖上，此時回波加強，南部地區(qū)出現(xiàn)大片45 dBz 以上強回波，標志著強降雨最強時段的開始，也是此次過程暴雨點出現(xiàn)的地方。前期的水汽通量強輻合為湘潭本地提供了良好的水汽條件，導致絕對濕度的持續(xù)偏高，對強降雨的發(fā)生有利。

圖1 850 hPa水汽通量散度（填色，單位：10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1）和比濕（等值線，單位：g·kg-1）分布

2.2.2 動力條件。動力抬升是暴雨發(fā)生的觸發(fā)條件，系統(tǒng)性的上升運動有利于暴雨天氣的發(fā)生和維持。從5 月10 日夜間的垂直速度經(jīng)向剖面圖可以看到，湘潭地區(qū)上空整層為負速度，為上升運動區(qū)。20時開始負速度中心自西向東影響湘潭市，11 日02 時（圖2a）為垂直運動最強時段，700 hPa 出現(xiàn)-0.25 m/s 的負速度中心，上升運動強烈，這樣的狀態(tài)一直持續(xù)到08 時。從散度（圖2b）的時間-高度剖面圖來看，5月10日至11日湘潭地區(qū)有著明顯的低層輻合、高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)，為低層暖濕空氣的抬升提供了良好的動力條件。特別在10 日20時以后，850 hPa以下低層輻合明顯加強，到了11日02時低層出現(xiàn)-1.2 s-1以下的強輻合中心，對應高層200 hPa出現(xiàn)1.5 s-1的強輻散中心，這樣的高低空配置持續(xù)至08 時，動力條件好，正好與強降雨發(fā)生時段對應。從渦度（圖略）垂直分布來看，500 hPa 以下均為正渦度區(qū)，抽吸作用有利于系統(tǒng)性上升運動的維持。由于上升運動強，且有低層輻合、高層輻散的高低空配置，利于能量的垂直傳輸，為強降雨提供了很好的動力條件，因此10 日夜間，湘潭市出現(xiàn)了短時強降雨，并伴有局地暴雨。

圖2 5月11日02時垂直速度沿27.5°N的經(jīng)向剖面圖和散度時間（UTC）-高度剖面圖

2.2.3 熱力條件。系統(tǒng)性的暴雨過程往往是伴隨強的對流降雨，此次暴雨過程發(fā)生在10 日夜間，有16 個區(qū)域站出現(xiàn)了20 mm/h 的短時強降雨。熱力條件是對流性降雨發(fā)生的有利因子，因此對熱力條件的分析很有必要。從10日20時長沙站探空圖（圖略）可以發(fā)現(xiàn)，K 指數(shù)為41.5，層結(jié)不穩(wěn)定，有一定的對流潛勢，利于強對流天氣的發(fā)生，且925 hPa附近有逆溫層存在，利于不穩(wěn)定能量的積聚。從再分析資料可以看出，10 日夜間湘潭地區(qū)CAPE 值一直維持在1 000 J/kg 以上，11 日00 時前后強降雨開始發(fā)展，02 時的對流有效位能（CAPE）分布上（圖3a）看，高值區(qū)位于中東部，到了05 時高值區(qū)東移，移動方向與強降雨回波的移動方向一致。對應地，K 指數(shù)也一致維持35 以上的高值狀態(tài)，02 時（圖3b）局地達到39～40，與降雨最強時段一致，湘鄉(xiāng)市朱津渡區(qū)域站在02時至03時小時雨強達37.7 mm。05 時全市K 指數(shù)仍在37 以上，仍然有30 dBz 以上的降雨回波不斷生成移動。由此可見，本次降雨過程的CAPE值和K指數(shù)都偏高，且層結(jié)不穩(wěn)定，加之低層有逆溫層存在，整體熱力條件有利于對流性降雨的發(fā)生。

圖3 5月11日02時對流有效位能和K指數(shù)分布

2.3 雷達回波診斷

通過對湘潭多普勒天氣雷達資料分析，發(fā)現(xiàn)湘中一帶10日午后就開始有多個對流單體發(fā)展，最大回波強度達74.5 dBz，并向東北方向移動，對湘潭市影響較小；20時之后西部開始有回波生成并向湘潭市移動，23 時回波東移加之本地回波生成發(fā)展，湘潭市西北部開始出現(xiàn)明顯降雨；11日01時雷暴系統(tǒng)快速移動至湘潭縣時，造成了17.4 m/s 的雷雨大風（湘潭縣梅林橋村）；隨著雷暴的生成發(fā)展，11 日03時左右湘潭東南部出現(xiàn)颮線，最大小時雨強為37.7 mm（湘鄉(xiāng)市朱津渡，11 日02 時至03 時）；之后隨著地面輻合線的南移，較強回波移出湘潭市，本地及上游地區(qū)無新生單體，此次過程趨于結(jié)束。分析風暴結(jié)構(gòu)特征可知，強度大于40 dBz的回波擴展到-20 ℃等溫線以上，此次降雨過程為典型的大陸強對流型降雨。由于夜間地面低壓倒槽的維持，不斷有雷暴單體沿輻合線生成并向東北方向移動發(fā)展，形成了“列車效應”，給湘潭地區(qū)帶來了持續(xù)的強降雨，強降雨落區(qū)與地面輻合線位置較吻合，地面輻合線對雷暴的觸發(fā)是此次強降雨產(chǎn)生的重要原因。

2.4 預報偏差分析

2.4.1 降雨落區(qū)和強度偏差分析。5 月10 日20 時至11 日08 時湘潭地區(qū)實況出現(xiàn)了中到大雨、湘鄉(xiāng)南部及湘潭縣局地出現(xiàn)暴雨，雖然不同數(shù)值模式對晴雨預報均準確把握，但在降雨落區(qū)和強度上偏差較大。歐洲中心數(shù)值模式（簡稱EC）降雨量預報與實況相比整體偏小，落區(qū)和強度均沒有體現(xiàn)，此次強降雨過程出現(xiàn)漏報；GRAPES-3KM 數(shù)值模式降雨量級有很好的指示作用，部分大雨、局地暴雨均有體現(xiàn)，但降雨落區(qū)偏差較大，雨量大值區(qū)預報在湘潭市西北部，而實況出現(xiàn)在湘潭市東南部；華東中尺度數(shù)值模式預報在量級與落區(qū)上都存在較大偏差，量級偏大、落區(qū)偏西，此次強降雨過程出現(xiàn)大面積空報；華南中尺度模式整體降雨量偏大，出現(xiàn)大暴雨降級空報，但是落區(qū)預報有一定的指示意義，最大降雨落區(qū)出現(xiàn)在湘潭市東南部，與實況較為接近?？傮w來說，對于此次強降雨天氣過程的預報，GRAPES-3KM 的降雨量級預報和華南模式的降雨落區(qū)預報有一定的指示意義。

2.4.2 天氣系統(tǒng)偏差分析。此次湘潭地區(qū)強降雨天氣過程預報主要參考EC模式預報，因此本研究對EC 高度場和風場預報進行偏差分析，為以后本地預報員進行天氣系統(tǒng)有效訂正提供一定參考依據(jù)。

對比500 hPa 高度場的EC 預報與實況，分析發(fā)現(xiàn)環(huán)流形勢基本一致，湘中以北處于高空槽前，但模式預報的高空槽偏淺、移速偏慢。日常制作天氣預報過程中，預報員多關(guān)注對副熱帶高壓有指示意義的588 hPa 等高線，對比發(fā)現(xiàn)模式預報的588 hPa等高線較實況相比位置偏南。因此此次強降雨過程在高度場預報上，環(huán)流形勢與實況較為接近，但對高空槽強度、移速以及副熱帶高壓的預報存在一定偏差。

對比700 hPa和850 hPa風場的EC預報與實況，可以發(fā)現(xiàn)700 hPa 低渦中心實況位于川渝交界，EC預報的低渦中心偏東北方向，低渦中心的位置偏差會對切變線位置影響較大。實況切變線位于湘西北，湘中及以南地區(qū)均位于切變線南側(cè)的西南急流區(qū)域內(nèi)，而EC 預報的切變線在鄂北地區(qū)，預報較實況切變線位置偏北。對比湖南省探空站的風向風速，西南風的風向預報正確，但風速有偏差。長沙站和郴州站均為20 m/s、預報偏小，懷化站為12 m/s、預報偏大。與700 hPa 類似，850 hPa 切變線實況位于湘西北，EC 預報在湖北南部，預報較實況切變線位置偏北。對于西南急流的預報，EC 預報強度總體偏強，導致了切變線預報偏北?？傮w來說，中低層的風場預報在湘中一帶偏差較大，表現(xiàn)為急流偏強、切變線偏北，是導致此次強降雨出現(xiàn)漏報的主要原因。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過對湘潭地區(qū)2021年5月10日至11日強降雨天氣過程診斷和預報偏差分析，主要得到以下結(jié)論。

①此次強降雨過程是在高能高濕環(huán)境下發(fā)生的，并伴有短時強降雨和局地雷雨大風等強對流天氣。高空槽和中低層切變線為此次強降雨過程提供了較好的動力條件，西南急流源源不斷地水汽輸送提供了良好的水汽條件，地面倒槽、輻合線的存在則是此次強天氣的觸發(fā)條件。

②物理量診斷發(fā)現(xiàn)，此次天氣過程期間絕對濕度持續(xù)偏高，且垂直高度上有深厚的濕層配合，有持續(xù)性的垂直上升運動存在，典型的低層輻合、高層輻散和正渦度區(qū)均為上升運動的維持提供了良好的環(huán)境條件。近地層逆溫利于不穩(wěn)定能量的積聚，使得CAPE值和K指數(shù)持續(xù)偏高，熱力條件有利于對流性降雨的發(fā)生。

③此次降雨過程為典型的大陸強對流型降雨，快速移動的雷達回波和颮線使得湘潭本地出現(xiàn)短時強降雨和雷雨大風，且伴有“列車效應”，利于出現(xiàn)降雨累積量偏大。地面輻合線與雷達回波位置較吻合，是此次強降雨產(chǎn)生的重要原因。

④目前業(yè)務工作中常用的大尺度數(shù)值模式對局地性強的對流性降雨可預報性較差，EC 預報的天氣系統(tǒng)在位置、強度和變化上均存在一定偏差，容易出現(xiàn)漏報。在降雨落區(qū)和強度的預報上可以適當參考中尺度模式，雖然有一定的空報，但對預報員有警示作用。此次天氣過程各家數(shù)值模式總體偏差較大，但GRAPES-3KM 的降雨量級預報和華南模式的降雨落區(qū)預報有一定的指示作用。

3.2 討論

春夏之交的強降雨過程均伴有強對流天氣的發(fā)生，降雨性質(zhì)多為對流性，局地性強、可預報性低，此次強降雨天氣就是一次典型的過程漏報，因此對該類強降雨天氣的診斷分析和偏差分析很有必要。通過對此次強降雨天氣過程診斷分析發(fā)現(xiàn)，即使數(shù)值模式對天氣系統(tǒng)的預報存在偏差，但是預報員可以利用當天的實況天氣圖進行結(jié)合判斷，對可能影響的天氣系統(tǒng)進行對比訂正，應特別關(guān)注地面輻合線等中小尺度天氣系統(tǒng)。同時加強天氣雷達資料的應用，可利用雷達組網(wǎng)回波拼圖分析，更好地了解降雨回波的發(fā)生、發(fā)展和移動過程，進行外推預判降雨回波對本地的影響程度。在今后的研究中，也需要繼續(xù)加強強降雨天氣過程的個例分析，不斷積累經(jīng)驗、凝練本地預報預警指標，切實增強湘潭強降雨天氣過程的可預報性。