沙潁河流域一次短時極端強降水預報失誤剖析

胡燕平，單鐵良，顧佳佳

(河南省漯河市氣象局，漯河 462300)

引言

短時強降水一般是指1 h 降水量大于等于20 mm的降水。中央氣象臺在強天氣監(jiān)測中，將短時強降水分為20～30 mm·h-1、30～50 mm·h-1、50～80 mm·h-1、80 mm·h-1以上四個等級，并將降水強度大、出現(xiàn)次數(shù)少的短時強降水稱為極端強降水。因極端強降水往往會造成嚴重氣象災害，氣象科研人員和預報員對其進行了大量研究。諶蕓等(2012)、孫軍等(2012)、徐明等(2018)研究指出，極端降水過程發(fā)生在有利于造成特大暴雨的中尺度對流系統(tǒng)的環(huán)境場和較強的中高層天氣系統(tǒng)強迫、強烈的上升運動及充沛的水汽條件下，低渦切變、低空急流、地面輻合線、地形作用等均可觸發(fā)強降水。肖遞祥等(2015)、楊康權等(2017)認為，高能、高濕和層結不穩(wěn)定為極端強降水提供了有利的環(huán)境條件。梁鈺等(2010)、宋清芝等(2010)分析認為，在水汽輸送和動力條件均較弱下，具有較強的不穩(wěn)定層結，中尺度特征明顯，弱冷空氣的入侵及地面中氣旋的生成，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，是特大暴雨產(chǎn)生的根源。栗晗等(2018)分析“7·19”豫北罕見特大暴雨表明，中尺度地形輻合線的生成、發(fā)展和維持以及多個地面中尺度氣旋移動形成的列車效應是導致局地特大暴雨的主要原因。王君(2019)通過對豫北兩次特大暴雨事件的分析揭示了其物理量極端性和中尺度特征。張家國等(2015)、王曉玲等(2016)、諶偉等(2017)、徐珺等(2018)的分析均表明特大暴雨的產(chǎn)生與中尺度對流系統(tǒng)密切相關。

上述總結和結論加深了對產(chǎn)生極端降水的天氣形勢、環(huán)境條件、物理機制的認識和理解，為提高強天氣預報業(yè)務水平提供了寶貴經(jīng)驗。但其中很多有意義的結果在預報業(yè)務中不能直接應用，從可預報性看，提高暴雨預報準確率離不開數(shù)值預報模式產(chǎn)品的應用。目前，模式對于暴雨的預報評分較低，特別是對暴雨以上量級降水存在明顯漏報(孫素琴等，2017)。李澤椿等(2015)認為，我國暴雨預報業(yè)務發(fā)展的主要思路包括加強極端性暴雨和局地突發(fā)性暴雨個例的分析研究、加深暴雨形成物理機制的認識、提高數(shù)值模式對暴雨預報的性能、加強對模式物理過程和預報性能的了解、增強多源資料綜合應用能力、提高短時臨近預報能力。另外，還有一些研究(何光碧等，2010；張宏芳等，2014；陳超君等，2015；張霞等，2018)表明，數(shù)值模式有一定的預報能力，對預報業(yè)務和預報員具有一定的參考價值，但也存在不同程度的誤差，如降水落區(qū)和降水強度偏差及影響系統(tǒng)偏離等，定點預報的偏差更明顯。

沙潁河流域地處河南中部南北氣候過渡帶，受季風影響，夏季降水量占年總降水量的近50%，其中大雨和暴雨的貢獻率呈上升趨勢，降雨有向極端化發(fā)展的趨勢(王新偉等，2018)。2017年8月18日夜間，受低層切變線和地面中尺度輻合線影響，地處沙潁河流域下游的漯河、周口兩地區(qū)發(fā)生一次明顯的強降水過程，造成多地嚴重積水，部分路段交通中斷長達24 h，農(nóng)作物受災面積6 606.0 hm2、成災面積3 844.3 hm2、絕收面積23.6 hm2，直接經(jīng)濟損失3 573.9萬元，其中農(nóng)業(yè)損失3 573.7萬元，轉移安置300人左右。由于本次過程的主要影響系統(tǒng)是低層切變線，而非低渦或臺風倒槽，動力和中高層水汽條件較差，僅熱力不穩(wěn)定和邊界層水汽輸送較強，同時業(yè)務預報中常用的數(shù)值模式預報的降水量級偏小，因此預報員判斷這是一次以雷暴大風為主、伴有中等強度降水的強對流天氣過程，從而造成暴雨、局地特大暴雨漏報。為此，本文利用常規(guī)氣象資料、區(qū)域自動站觀測資料、衛(wèi)星云圖資料、雷達產(chǎn)品、NCEP 1°×1°再分析資料、細網(wǎng)格模式資料以及華東區(qū)域中尺度模式，對本次強降水成因及預報失誤進行了分析，并探討了其可預報性，以期提高多源資料綜合分析能力，為減少強降水預報失誤提供參考。

1 降水實況

2017 年8 月18 日20 時(北京時，下同)—19 日20時，河南省出現(xiàn)一次局部大暴雨過程，暴雨區(qū)主要位于豫西局部以及河南中東部沙潁河流域下游(圖1a)，降水主要集中在18 日20 時—19 日08 時，沙潁河流域內有37 個區(qū)域自動站雨量超過100 mm，最大強降水中心(280.8 mm)位于漯河市召陵區(qū)實驗中學站(以下簡稱實驗中學站，圖1b)。強降水時段主要集中在19 日03—07 時，雨強均超過20 mm·h-1，其中19 日02—03時雨強達81.0 mm·h-1，3 h 雨量為161.3 mm，6 h 雨量為227.2 mm，該過程中尺度特征明顯，并伴有雷電、短時大風等強對流天氣。歷年統(tǒng)計資料顯示，沙潁河流域1 h最大降水量為85.5 mm(侯凱和邢辰飛，2015)，而本次過程該流域1 h 降水量高達81.0 mm，3 h 累積降水量達161.3 mm。結合中央氣象臺對短時強降水的劃分標準以及本地實況記錄，本次強降水過程具有一定的極端性，而強降水集中時段不足6 h，因此可將本次降水過程認定為短時極端強降水(以下簡稱“8·19”河南極端降水)。

圖1 2017年8月18日20時—19日20時河南省雨量分布圖(a)與18日20時—19日08時漯河市召陵區(qū)實驗中學自動站逐小時雨量(b)變化(單位:mm)Fig.1 (a)The 24-hour accumulated precipitation(unit:mm)in Henan Province from 20∶00 BT 18 to 20∶00 BT 19 and(b)hourly rainfall(unit:mm)at Zhaoling experimental middle school station in Luohe from 20∶00 BT 18 to 08∶00 BT 19 August 2017.

2 預報過程回顧

地市氣象臺每天制作16 時城鎮(zhèn)報參考的資料有當日08時高空觀測資料、14時地面觀測資料、16時衛(wèi)星雷達資料，以及前一日20時和當日08時起報的EC、NCEP_GFS、T639、Japan細網(wǎng)格模式資料等。2017年8月18 日08 時(圖略)，500 hPa 中高緯環(huán)流形勢維持兩槽一脊型，低槽分別位于新疆西部和東北地區(qū)，河套東部有一淺槽東移，副熱帶高壓(以下簡稱副高)主體位于華南地區(qū)，588 dagpm 線西伸脊點到達108°E、北界在30°N 附近，沙潁河流域處于副高邊緣和河套低槽前弱西南氣流中。700 hPa 切變線位于陜北、山西到河北北部一帶，華南大部為316 dagpm 線控制，沿316 dagpm線有一支西南低空急流，急流軸位于貴陽、懷化至武漢一線。850 hPa暖切變位于河南南部，西南急流軸位于懷化至武漢一線，河南處于溫度露點差(T－Td)≤4 ℃的濕區(qū)內。925 hPa 暖切變位于河南中部，西南急流軸位于長沙、安慶至南京一線，河南處于T－Td≤2 ℃的飽和濕區(qū)內。地面圖上(圖略)，貝加爾湖地區(qū)和我國東北地區(qū)為一高壓，青藏高原到四川盆地為一低壓區(qū)，弱倒槽位于湖北北部到河南南部。

分析8月18日08時距離沙潁河流域最近的鄭州、南陽兩個探空站實測資料(圖2)顯示，兩站700—400 hPa均存在明顯的干層，700 hPa以下為濕層，上干下濕，對流不穩(wěn)定層結明顯；中層干冷空氣侵入導致探空整體呈現(xiàn)上干冷、下暖濕的喇叭口形狀，表明對流不穩(wěn)定較強；水平風垂直分布均為一致的順時針旋轉，具有對流發(fā)展?jié)搫?。對比兩站環(huán)境對流參數(shù)(表1)可知，850 hPa的T－Td＜4 ℃，850 hPa 與500 hPa 溫度差(ΔT850-500)≥23 ℃，總溫度≥42 ℃，K指數(shù)≥31 ℃；鄭州站對流有效位能(CAPE)達1 846.5 J·kg-1，南陽站CAPE 為491.2 J·kg-1，說明河南北部更有利強對流天氣發(fā)生。

表1 2017年8月18日08時鄭州、南陽探空站對流參數(shù)Table 1 Convective parameters from the Zhengzhou and Nanyang sounding stations at 08∶00 BT on 18 August 2017.

圖2 2017年8月18日08時鄭州站(a)和南陽站(b)探空圖Fig.2 Sounding chart at(a)Zhengzhou and(b)Nanyang stations at 08:00 BT on 18 August 2017.

EC 細網(wǎng)格模式17 日20 時起報的24 h 即18 日20時形勢場、風場、物理量場預報如下：500 hPa河套淺槽移至111°E附近，副高穩(wěn)定；700 hPa河南黃河以南為一致的西南風，相對濕度60%～70%，比濕7～8 g·kg-1；850 hPa河南中部有一切變線，西南急流稍向東北移，相對濕度90%以上，比濕15～16 g·kg-1；925 hPa 河南中南部有一切變線，西南急流略有加強并北抬，相對濕度90%以上，比濕17～18 g·kg-1。海平面氣壓場上西南地區(qū)伸向河南為一倒槽，河南中部有東南風與偏東風輻合，散度與垂直速度均較弱。

分析EC、NCEP_GFS、T639 和Japan 細網(wǎng)格模式(圖3)17日20時起報的24—36 h降水預報，即18日20時—19日08時河南中東部降水量分別為10～12 mm、3～7 mm、6～11 mm、14～17 mm，為小雨或中雨量級，對暴雨均漏報。18日08時起報的12—24 h降水，即18日20 時—19 日08 時河南中東部降水量分別為15～30 mm、3～17 mm、10～12 mm、12～16 mm，為中雨量級，對暴雨也均漏報。漆梁波和徐珺(2018)反思豫北“7·9”特大暴雨預報指出，暴雨預報失敗的主要原因是預報員過分依賴全球模式，缺乏使用高分辨區(qū)域模式產(chǎn)品的經(jīng)驗或對這些模式產(chǎn)品的應用不足。預報員對“8·19”河南極端降水的預報失誤同樣存在這一問題。

圖3 EC(a,e)、NCEP_GFS(b,f)、T639(c,g)、Japan(d,h)模式2017年8月17日20時(a—d)和18日08時(e—h)起報的18日20時—19日08時12 h降水量(單位:mm)Fig.3 The 12-hour accumulated precipitation(unit:mm)during the period from 20∶00 BT 18 to 08∶00 BT 19 August forecasted by(a,e)EC,(b,f)NCEP_GFS,(c,g)T639 and(d,h)Japan models at(a-d)20∶00 BT 17 and(e-h)08∶00 BT 18 August 2017.

2017年8月18日08時常規(guī)觀測資料與EC細網(wǎng)格數(shù)值預報產(chǎn)品顯示，500 hPa淺槽攜帶弱冷空氣東移，與穩(wěn)定副高形成西低東高的環(huán)流背景下，850 hPa、925 hPa 切變線以及地面中尺度輻合線穩(wěn)定維持在河南中部的沙潁河流域，中層存在干空氣侵入，低層濕度條件較好，探空資料顯示河南存在一定的不穩(wěn)定能量，且EC、NCEP_GFS、T639 和Japan 細網(wǎng)格數(shù)值預報降水量級均為小雨、中雨量級。基于上述背景條件和模式指導預報，對“8·19”河南極端降水過程預報為一次以雷暴、局地大風為主并伴有中等強度降水的強對流天氣過程。漯河和周口氣象臺24 h 城鎮(zhèn)報對此次過程均預報為中雨量級，暴雨漏報。

3 實際天氣過程演變

3.1 環(huán)流形勢與影響系統(tǒng)

8 月18 日20 時(圖4a)，500 hPa 副高迅速西伸北抬，西伸脊點到達98°E、北界位于31°N附近，東北冷渦穩(wěn)定少動，渦后冷空氣沿西北氣流下滑與河套地區(qū)明顯加深北移的低槽后部冷空氣合并東移，并與副高邊緣西南暖濕氣流在河南交匯。700 hPa 西南低空急流軸(16 m·s-1)繼續(xù)向北伸展至阜陽，切變線南壓，沙潁河流域處于切變南部、西南急流左側T-Td≤2 ℃的輻合上升運動區(qū)和高濕區(qū)內。850 hPa和925 hPa暖切均位于河南中部沙潁河流域，西南低空急流和超低空急流有所減弱，但19日02—08時925 hPa超低空急流再次加強，沙潁河流域處于其左側輻合區(qū)和飽和濕區(qū)內。

圖4 2017年8月18日20時(a)500 hPa高度場(等值線，單位:dagpm)與925 hPa風場(風羽，單位:m·s-1)，以及18日14時(b)和20時(c)海平面氣壓場(等值線，單位:hPa)與10 m風場(風羽，單位:m·s-1)Fig.4 (a)Geopotential height field(contours,unit:dagpm)at 500 hPa and wind field(barbs,unit:m·s-1)at 925 hPa at 20∶00 BT on 18,and the sea level pressure(contours,unit:hPa)and 10 m wind field(barbs,unit:m·s-1)at(b)14∶00 BT and(c)20∶00 BT on 18 August 2017.

海平面氣壓場上，18 日14 時(圖4b)，自東北地區(qū)至華北南部不斷有弱冷空氣向南擴散，西南倒槽明顯加強北抬至河南中部。18日17時(圖略)，倒槽兩側風向風速輻合明顯加強。18 日20 時(圖4c)—19 日02 時(圖略)，中尺度輻合線位于沙潁河流域南部。19 日05時(圖略)，在漯河地區(qū)形成一中尺度輻合中心，并伴有人字形輻合線。19日08時(圖略)，中尺度輻合中心消失，輻合線南壓至信陽地區(qū)，降水趨于結束。

綜上可知，“8·19”河南極端降水發(fā)生在東北冷渦后部東移南下的冷空氣與低槽東移攜帶的冷空氣合并后與強盛發(fā)展的副高邊緣西南暖濕氣流在河南交匯而形成的西低東高環(huán)流背景下，低層和邊界層切變線穩(wěn)定維持、邊界層超低空急流強迫的輻合上升和水汽條件、地面中尺度輻合線是其觸發(fā)機制。

3.2 不穩(wěn)定參數(shù)的變化

分析8 月18 日20 時鄭州、南陽站探空曲線(圖5)表明，鄭州站18日14—17時出現(xiàn)雷陣雨，不穩(wěn)定能量有所釋放，且整層濕度條件轉好，有利于出現(xiàn)降水；南陽站500 hPa 以下濕層深厚，550—400 hPa 之間有干空氣侵入，與鄭州站相比，更有利對流發(fā)展，且環(huán)境對流參數(shù)較08時明顯增強，850 hPa的T－Td為1.0 ℃，850 hPa與500 hPa溫差達29.0 ℃，SI指數(shù)達到-8.4 ℃，K指數(shù)為48 ℃，CAPE為1 630.4 J·kg-1。1981—2016年河南省極端暴雨過程統(tǒng)計結果(張霞等，2020)顯示，環(huán)境參數(shù)在極端暴雨過程中的平均值遠偏離其氣候平均值，對極端暴雨預報有一定的指示意義，表2中給出“8·19”河南極端降水過程與一般暴雨的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的比較。

表2 “8·19”河南極端降水過程(18日20時)與一般暴雨過程對流參數(shù)及其極值Table 2 Convective parameters and their extreme values during the short-term extreme precipitation event in Shaying River Basin on 19 August 2017 and for common rainstorm events in Henan.

圖5 2017年8月18日20時鄭州站(a)和南陽站(b)探空圖Fig.5 Sounding chart at(a)Zhengzhou and(b)Nanyang stations at 20∶00 BT on 18 August 2017.

統(tǒng)計2010—2020 年沙潁河流域46 個暴雨個例對流參數(shù)表明，僅2018年7月26—27日暴雨過程南陽站SI 指數(shù)達到-6.0 ℃，2013 年7 月18—19 日暴雨過程K指數(shù)達42 ℃?？梢?，“8·19”河南極端降水過程發(fā)生前，CAPE已達到出現(xiàn)一般暴雨應具備的CAPE統(tǒng)計平均值，而該過程中SI、K指數(shù)均超過該流域暴雨歷史極值，具有一定的極端性，也反映出大氣層結極度不穩(wěn)定。因此，低層充沛的水汽和對流不穩(wěn)定能量為強降水發(fā)生發(fā)展提供了有利條件。

3.3 物理量診斷分析

為考察“8·19”河南極端降水過程動力因子的作用及水汽條件、熱力條件，作暴雨中心散度、垂直速度、水汽通量、水汽通量散度、假相當位溫的時間-高度垂直剖面圖(圖6)。從中可見，該過程動力條件較差(圖6a)，18日20時—19日08時暴雨區(qū)上空為輻合-輻散-輻合-輻散的配置，-3.0×10-5s-1最強輻合中心出現(xiàn)在19日02時600—500 hPa，上升運動最強出現(xiàn)在18日20 時—19日02時700 hPa以下中低層，強度僅-0.3 Pa·s-1。水汽通量和水汽通量散度時間變化(圖6b)顯示，18日20時—19日08時超低空急流明顯增強，900 hPa以下低層出現(xiàn)一9 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量中心，19日02—08時暴雨區(qū)上空水汽輻合逐漸增強，-40×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽輻合中心與大暴雨集中時段對應。假相當位溫(θse)時間變化(圖6c)表明，18日14時—20時700 hPa以下θse逐漸增強，≥356 K 的θse大值中心位于近地層900 hPa 以下，降水開始前θse密集帶位于850—700 hPa之間，700 hPa以上θse隨高度遞減，大氣層結為對流不穩(wěn)定。以925 hPa為例，對比“8·19”河南極端降水過程與一般暴雨的物理量因子閾值(表3)發(fā)現(xiàn)，此過程輻合強度偏弱，達不到一般暴雨發(fā)生的動力因子均值，水汽通量接近一般的平均值，水汽通量散度僅為一般暴雨平均值的一半，而θse則明顯超過一般暴雨，這與上述分析結果一致。

圖6 2017年8月18日08時—19日20時暴雨中心(114.0°E，33.6°N)不同物理量場時間-高度垂直剖面圖(a)散度(等值線，單位:10-5s-1)和垂直速度(陰影，單位:Pa·s-1)；(b)水汽通量(等值線，單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(陰影，單位:10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)；(c)假相當位溫(單位:K)Fig.6 Height-time cross section of(a)divergence(contours,unit:10-5s-1)and vertical velocity(shaded,unit:Pa·s-1),(b)water vapor flux(contours,unit:g·cm-1·hPa-·1s-1)and water vapor flux divergence(shaded,unit:10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)and(c)the pseudo-potential temperature(unit:K)at the severe precipitation center(114.0°E,33.6°N)from 08∶00 BT 18 to 20∶00 BT 19 August 2017.

表3 “8·19”河南極端降水過程(18日20時)與一般暴雨過程降水中心925 hPa物理量Table 3 Physical quantities at 925 hPa during the short-term extreme precipitation event in Shaying River Basin on 19 August 2017 and for common rainstorm events in Henan.

綜上所述，“8·19”河南極端降水過程的動力作用較弱，水汽主要集中在900 hPa以下邊界層，而熱力條件非常有利于對流性降水的發(fā)生發(fā)展。

3.4 中尺度對流系統(tǒng)的演變

由第3.3 節(jié)中的分析可知，“8·19”河南極端降水過程屬于對流性降水，其發(fā)展變化較快，本文利用高時空分辨率FY-2G 衛(wèi)星云圖對其對流發(fā)展特征分析如下。

圖7 給出8月18日22時—19日06時逐時FY-2G衛(wèi)星云頂亮溫(TBB)與其后1 h 累積降水量和地面10 m風場疊加圖。從中看到，18 日22 時(圖7a)，隨著低層西南暖濕氣流增強(圖4a)，豫西南附近到沙河上游的方城等地可見一對流云團(A)生成并加強發(fā)展，其TBB低值中心≤-43 ℃；同時該流域東部另有一對流云團(B)形成，其TBB≤-33 ℃。18 日23 時(圖7b)—19 日00時(圖7c)，云團A迅速發(fā)展，且伴有31.1 mm·h-1的強降水，并在強西南氣流(圖4a)引導下向北移動；云團B隨低層和邊界層切變線(圖4a)前側偏東氣流西移南壓，19日01時(圖7d)云團A、B逐漸合并。到19日02時(圖7e)，合并后的對流云團在沙潁河流域下游地區(qū)繼續(xù)發(fā)展，中心強度達-53 ℃，水平尺度達180 km，并發(fā)展成β中尺度對流系統(tǒng)(MβCS)即云團C，其橢圓結構清晰(圖7f)，受其影響，漯河本站出現(xiàn)51.8 mm·h-1強降水，同時實驗中學站產(chǎn)生81.0 mm極端小時雨量(圖7e中白三角所示)。19日04時—06時(圖7g—i)，上述MβCS 強度穩(wěn)定維持，冷云區(qū)范圍增大，主要影響沙潁河下游地區(qū)。

圖7 2017年8月18日22時(a)、23時(b)以及19日00時(c)、01時(d)、02時(e)、03時(f)、04時(g)、05時(h)、06時(i)FY-2G衛(wèi)星TBB(填色區(qū)，單位:℃)與其后1 h累積降水量(綠色數(shù)字，單位:mm)及地面正點10 m風場(風羽，單位:m·s-1)疊加圖(A、B、C表示對流云團，白三角表示最大1 h累積降水量位置)Fig.7 Superposition of temperature(TBB,color-filled areas,unit:℃)of brightness blackbody from FY-2G and the post-1 h accumulated precipitation(green numbers,unit:mm)and the 10 m wind field(barbs,unit:m·s-1)in ground level at(a)22∶00 BT and(b)23∶00 BT 18,and(c)00∶00 BT,(d)01∶00 BT,(e)02∶00 BT,(f)03∶00 BT,(g)04∶00 BT,(h)05∶00 BT,and(i)06∶00 BT 19 August 2017.Symbols A,B and C mark convective cloud clusters,and white triangle denotes the location of 1-h accumulated precipitation maximum.

綜上所述，沙潁河流域西南部中尺度對流云團隨槽前暖濕氣流東移北上，流域東北部另一中尺度對流云團沿低層切變線南壓，兩云團相向合并發(fā)展為MβCS，并在沙潁河流域下游的漯河、周口地區(qū)穩(wěn)定少動，維持時間長達6 h，是本次過程極端降水形成的重要原因之一。

3.5 地面中尺度特征分析

上文利用衛(wèi)星云圖資料分析揭示了“8·19”河南極端降水過程中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展演變特征，再結合區(qū)域自動站觀測資料對該過程中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)和維持機制分析如下。

8月18日23時之后，沙潁河流域中游附近開始逐漸出現(xiàn)降水，受降水的拖曳作用(俞小鼎，2006；俞小鼎等，2012)影響，該地區(qū)出現(xiàn)下沉氣流；同時，下沉氣流受到干冷空氣的夾卷作用，有利于雨滴蒸發(fā)冷卻，從而導致下沉氣流一方面逐漸變冷形成地面冷池，另一方面氣流加速下沉，在地面形成明顯的雷暴高壓。由8月19日不同時刻沙潁河流域地面溫度、輻合線及雷達反射率因子分布圖可見，19 日01 時(圖8a)，冷池東移至漯河北部，中心強度達23.5 ℃，其前側溫度梯度逐漸加大，有利于中尺度鋒區(qū)形成；中尺度鋒區(qū)前側為明顯的暖區(qū)與偏南暖濕氣流，后側伴有冷池及偏北氣流，冷暖氣團在該流域下游交匯形成明顯的中尺度輻合線，地面產(chǎn)生輻合導致對流單體發(fā)展。同時，中尺度鋒區(qū)前側暖濕氣流上升，冷池附近冷氣流下沉，在漯河及周口附近形成垂直于中尺度鋒區(qū)的次級正環(huán)流，上升運動進一步加強發(fā)展，使得位于該流域下游的漯河、周口等地強降水加強。19 日03 時(圖8b)，冷池隨偏北風南移，中心強度(23.4 ℃)略有增大，偏北風與東南風或偏北風與偏東風形成的輻合線穩(wěn)定維持在漯河東南部，此輻合線正好處于冷池前側的溫度密集帶，對流單體不斷加強發(fā)展并形成明顯的“列車效應”，有利于產(chǎn)生短時極端強降水。對應的實況是，實驗中學站出現(xiàn)81.0 mm·h-1極端降水，地面輻合線、中尺度溫度梯度大值區(qū)和強降水中心三者位置基本吻合，此后強回波不斷在中尺度冷池前側的溫度梯度大值區(qū)發(fā)展，強降水中心在該流域下游穩(wěn)定少動。19日05時(圖8c)，冷池穩(wěn)定維持在漯河東南部，其強度增至23.2 ℃，其前側溫度梯度大值區(qū)東移南下，對應強降水向中尺度鋒區(qū)前側緩慢移動，其大值區(qū)主要位于地面輻合線附近，沙潁河流域下游強降水得到加強并維持。

圖8 2017年8月19日01時(a)、03時(b)和05時(c)沙潁河流域的地面溫度(紅線，單位:℃)、輻合線(粗黑虛線)及雷達反射率因子(填色區(qū)，單位:dBz)分布(L為冷池，N為暖中心，“●”和“▲”分別表示漯河和周口站位置)Fig.8 Surface temperature(red line,unit:℃),convergence line(thick black dashed lines)and radar reflectivity factor(color-filled areas,unit:dBz)in Shaying River Basin at(a)01∶00 BT,(b)03∶00 BT and(c)05∶00 BT on 19 August 2017.Symbols“L”and“N”mark cold pool and warm center,respectively.Symbols“●”and“▲”mark Luohe and Zhoukou stations,respectively.

上述分析表明，此次短時極端強降水是在地面冷暖空氣交匯的有利環(huán)境下由冷池及其前側地面中尺度輻合線觸發(fā)；中尺度輻合線與冷池相互作用，強回波不斷在中尺度冷池前側溫度梯度大值區(qū)發(fā)展，有利于對流發(fā)展維持，且地面輻合線、冷池前側溫度梯度大值區(qū)以及強降水中心的位置基本吻合。

4 預報失誤原因和可預報性討論

4.1 邊界層切變線型暴雨個例較少

“8·19”河南極端降水過程的主要影響系統(tǒng)是中低層切變線，而真正觸發(fā)對流性極端降水的關鍵機制是925 hPa及以下邊界層切變線。此次強降水過程歷時短、強度大、中尺度對流特征明顯，不同于常見的切變線暴雨。根據(jù)本地的預報經(jīng)驗，造成沙潁河流域的常見切變線暴雨多是系統(tǒng)性的，700 hPa 和850 hPa 均存在切變線，兩層相對濕度均在85%以上，暴雨落區(qū)位于上下兩條切變線之間的高濕區(qū)。而“8·19”河南極端降水過程700 hPa 切變線偏北，相對濕度為60%～70%，由于東北冷渦后部東移南下的冷空氣與低槽東移攜帶的冷空氣同強盛發(fā)展的副高邊緣西南暖濕氣流在河南交匯，中層干冷空氣侵入，致使大氣層結極不穩(wěn)定，925 hPa切變線使得邊界層輻合加強，觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生強對流，造成強降水。

分析EC 細網(wǎng)格模式逐3 h 預報場可知，18 日夜間500 hPa 上588 dagpm 線穩(wěn)定，淺槽東移至河南中部，槽前西南風速加大，700 hPa沙潁河流域西北部有弱切變線形成，925 hPa河南中部切變線穩(wěn)定維持，18日23 時—19 日05 時地面上河南中部維持一中尺度輻合線。邊界層切變線或輻合線演變對18 日夜間強降水發(fā)生有一定指示意義。但由于700 hPa 切變較弱、尺度小，實時預報中未采信邊界層切變線或輻合線的指示性，再則邊界層切變線造成本地對流性短時強降水個例少，預報員經(jīng)驗不足，使此次極端降水預報失誤。

4.2 天氣尺度動力強迫作用弱

上述分析表明“8·19”河南極端降水過程發(fā)生在天氣尺度弱強迫條件下，大尺度動力條件較差，實況分析暴雨中心上升運動強度僅-0.3 Pa·s-1，水汽輸送集中在邊界層且主要由超低空急流輸送，與當?shù)爻Ｒ姳┯赀^程的物理量配置存在明顯不同。此過程只有不穩(wěn)定條件有利，前期中低層積聚了大量不穩(wěn)定能量，有利于發(fā)生大風、雷暴等對流性天氣。由于實況觀測資料時空分辨率低，對中小尺度上升運動把握不好，同時忽視了邊界層急流輸送作用以及近地層切變線和地面輻合線的抬升觸發(fā)作用，致使通過物理量指標分析預報極端強降水失誤。

EC細網(wǎng)格模式預報“8·19”河南極端降水過程沙潁河流域CAPE值在18日20時達800 J·kg-1以上，特大暴雨區(qū)大于1 000 J·kg-1，19日02時CAPE增至1 700 J·kg-1，中高層相對濕度為60%～70%，比濕7～8 g·kg-1，850 hPa以下低層相對濕度90%以上，比濕15 g·kg-1以上。據(jù)此判斷，18 日夜間CAPE急劇增加且存在上干下濕結構，也反映出這是一次強對流天氣過程，預報員只關注雷暴、大風的強度，卻忽略了短時強降水。

4.3 大尺度模式預報降水量級偏小

隨著全球模式的發(fā)展，模式預報的精度和準確率越來越高，預報員在實際工作中也越來越依賴模式預報，尤其是降水預報，通常是模式報多大量級，預報員一般就報同等量級，或略作調整至相鄰級別，缺乏對數(shù)值模式的訂正能力。對于“8·19”河南極端降水過程，EC、NCEP_GFS、T639和Japan數(shù)值預報17日20時起報的18日20時—19日08時12 h河南中東部累積降水量分別為10～12 mm、3～7 mm、6～11 mm、14～17 mm，為小雨或中雨量級，對暴雨均漏報。18日08時起報的18日20時—19日08時12 h河南中東部累積降水量分別調整為15～30 mm、3～17 mm、10～12 mm、12～16 mm。相比之下，只有EC模式的降水量級調整至中雨、大雨量級，其他幾家模式基本無變化。大尺度模式對暴雨尤其是對對流性暴雨的捕捉能力有限，這也是“8·19”河南極端降水預報失誤的一個原因。

分析華東中尺度數(shù)值模式17日20時起報的24—36 h(18日20時—19日08時)降水量分布(圖9)可知，河南西部、西南部、東南部有零散的強降水區(qū)，沙潁河流域為0～5 mm的弱降水，暴雨漏報。而18日08時起報的12—24 h(18日20時—19日08時)降水量分布，在河南中東部報出了50 mm、局部100 mm的強降水。華東中尺度模式提前12 h預報出了河南省中東部暴雨、局部大暴雨，可見中尺度模式對對流性暴雨具有較強的捕捉能力。

圖9 華東中尺度模式2017年8月17日20時(a)和18日08時(b)起報的18日20時—19日08時12 h降水量(單位:mm)Fig.9 The 12-hour accumulated precipitation(unit:mm)during the period from 20∶00 BT 18 to 08∶00 BT 19 August forecasted by the Huadong mesoscale model at(a)20∶00 BT 17 and(b)08∶00 BT 18 August 2017.

4.4 對中尺度對流系統(tǒng)的演變預估不足

“8·19”河南極端降水過程主要是由相向而行的兩個中尺度對流云團加強、合并發(fā)展成為MβCS 并穩(wěn)定維持在沙潁河流域下游長達6 h 所致，中尺度對流系統(tǒng)準靜止是降水加強的直接原因；對流系統(tǒng)由冷池及其前側地面中尺度輻合線觸發(fā)，強回波不斷在中尺度冷池前側溫度梯度高值帶中發(fā)展和維持，造成極端強降水。而目前模式資料和觀測資料對中小尺度系統(tǒng)發(fā)展演變的預報能力均存在明顯不足，預報員對中小尺度系統(tǒng)的演變缺乏預報經(jīng)驗，也是造成“8·19”河南極端降水預報失誤的主要原因。從其預報失誤可得到如下啟示：在實際預報服務中，預報員應重視中尺度云團、地面中尺度輻合線及強回波的演變，及時修正短時臨近預報，提前發(fā)布暴雨預警信息，才能最大限度減少災害造成的損失。

5 結論與討論

本文利用常規(guī)氣象資料、自動站加密觀測資料、衛(wèi)星雷達資料、NCEP再分析資料、細網(wǎng)格模式資料以及區(qū)域中尺度模式，對“8·19”河南極端降水的成因及預報失誤進行了分析，并探討了其可預報性。主要結論如下：

(1)這次短時極端強降水過程發(fā)生在西低東高環(huán)流背景下，由于東北冷渦后部冷空氣與低槽攜帶的冷空氣合并后東移同強盛發(fā)展的副高邊緣西南暖濕氣流在河南交匯，低層切變線穩(wěn)定維持，切變線兩側輻合明顯加強，以及超低空急流的建立，為本次過程提供了充沛水汽及輻合抬升條件。弱冷空氣沿華北侵入暖倒槽，在沙潁河流域形成中尺度輻合線且長時間維持，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，對暴雨有一定的可預報性。

(2)分析地面加密自動站觀測資料顯示，本次短時極端強降水是在地面冷暖空氣交匯的有利環(huán)境下，由冷池及其前側地面中尺度輻合線觸發(fā)。中尺度輻合線與冷池相互作用，強回波不斷在中尺度冷池前側溫度梯度高值帶中發(fā)展，有利于對流發(fā)展和維持。

(3)大尺度數(shù)值模式對本次降水量級預報明顯偏小，36 h 降水預報為小雨、中雨量級，對暴雨均漏報；24 h 降水預報只有EC 模式降水量級調整至中雨、大雨，其他幾家模式基本無變化。大尺度數(shù)值模式對暴雨尤其是對流性暴雨的預報能力不足是這次極端強降水預報失誤的原因之一。

(4)沙潁河流域西南部中尺度對流云團隨槽前暖濕氣流東移北上，流域東北部中尺度對流云團沿低層切變線南壓，二者相向而行合并發(fā)展為MβCS 且在沙潁河流域下游的漯河、周口地區(qū)穩(wěn)定少動并維持長達6 h，是本次過程極端降水形成的直接原因。而目前模式資料和觀測資料對中小尺度系統(tǒng)發(fā)展演變的預報能力存在明顯不足，預報員缺乏經(jīng)驗，是造成這次極端強降水預報失誤的主要原因。

“8·19”河南極端降水過程發(fā)生在弱天氣系統(tǒng)強迫和較強對流不穩(wěn)定條件下，主要由地面冷池與其前側中尺度輻合線觸發(fā)，對流單體在近地層高溫高濕強烈持續(xù)以及邊界層輻合抬升作用加強發(fā)展為中尺度對流系統(tǒng)，中尺度對流系統(tǒng)加強、維持，造成強降水。此類天氣的預報著眼點應聚焦在對中尺度對流系統(tǒng)生消、維持等特征的把握上，尤其是在中高層天氣尺度系統(tǒng)不明顯或弱強迫下，除了要關注低層特別是邊界層系統(tǒng)以及對短時極端強降水具有指示意義的環(huán)境參數(shù)如SI、K 指數(shù)等對流參數(shù)的變化和是否出現(xiàn)極值外，更不能忽略中小尺度對流系統(tǒng)的準靜止、列車效應等。另外，大尺度數(shù)值模式往往對類似“8·19”河南極端降水這樣的極端天氣的可預報性較差，而中尺度模式對此類降水預報的參考價值相對較高，尤其是在臨近預報中其效果更好，這也有待今后通過對更多個例的研究總結來驗證。

本文僅從預報應用角度出發(fā)，對產(chǎn)生此次過程的機理探討不夠深入，且所用EC模式是全球模式，中尺度區(qū)域模式僅為華東模式降水產(chǎn)品，缺乏對更多高分辨率區(qū)域模式的應用和分析。為了避免今后業(yè)務工作中出現(xiàn)類似的預報失誤，預報員一是要加強對短時強降水天氣的分析和總結，積累預報經(jīng)驗；二是要加強對數(shù)值模式產(chǎn)品的檢驗，掌握主要數(shù)值模式的不同特點，提高對模式誤差的訂正能力，加強對中尺度區(qū)域模式的應用和檢驗。例如，這次過程中EC 預報的形勢場、熱力因子和能量因子均較正確，如果對模式特點認識和把握較好，根據(jù)其預報的形勢場配置，參考高空和地面實況分析，對誤差較大產(chǎn)品即濕度條件和動力條件加以一定的訂正，再結合中尺度區(qū)域模式產(chǎn)品，完全有可能避免預報失誤。