一次多類(lèi)型降雨組成的暴雨成因及預(yù)報(bào)偏差分析

翟舒楠，黃伊曼，劉國(guó)忠，陳 見(jiàn)，黃 榮

（廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)，南寧 530022）

引言

受高空短波槽、低層切變線、偏南急流及地面弱冷空氣共同影響，2021 年5 月11 日20 時(shí)—13 日20 時(shí)（北京時(shí)，下同）桂東、桂南出現(xiàn)了大雨到暴雨、局地大暴雨到特大暴雨的強(qiáng)降雨過(guò)程并伴有短時(shí)雷暴大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，其中桂東北為鋒面暴雨，桂南為鋒前暖區(qū)暴雨。暴雨導(dǎo)致桂林、柳州、河池3 市15 縣（區(qū)）出現(xiàn)不同程度洪澇災(zāi)害。

數(shù)值模式能預(yù)報(bào)出此次暴雨過(guò)程的鋒面降雨但強(qiáng)降雨落區(qū)和強(qiáng)度出現(xiàn)了偏差，暖區(qū)暴雨出現(xiàn)了漏報(bào)，以至于預(yù)報(bào)中沒(méi)能充分認(rèn)識(shí)到桂南暖區(qū)暴雨過(guò)程的發(fā)生，給服務(wù)帶來(lái)了較大的影響，因此在前人研究成果的基礎(chǔ)上［1-13］，有必要深入分析此次過(guò)程的成因和預(yù)報(bào)偏差，揭示其機(jī)理，為精準(zhǔn)預(yù)報(bào)、精細(xì)服務(wù)提供支撐。

1 資料與方法

利用2021 年5 月10—13 日中尺度氣象站觀測(cè)、高空地面常規(guī)觀測(cè)、多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)及FY-4A 衛(wèi)星遙感等觀測(cè)資料及ECMWF 全球模式（以下簡(jiǎn)稱(chēng)EC）和CMA 廣東模式（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CMA_GD）5 月10 日20 時(shí)和11 日20 時(shí)起報(bào)的風(fēng)場(chǎng)、高度場(chǎng)、雷達(dá)組合反射率和12h 雨量預(yù)報(bào)資料，運(yùn)用天氣學(xué)原理和方法對(duì)此次過(guò)程的成因進(jìn)行多尺度綜合分析，利用誤差分析方法對(duì)兩家數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，分析暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)偏差原因。

2 降水實(shí)況特征

據(jù)統(tǒng)計(jì)，5 月11 日20 時(shí)—13 日20 時(shí)，全區(qū)出現(xiàn)399 站暴雨、172 站大暴雨、2 站特大暴雨，最大降雨量在融安長(zhǎng)安氣象觀測(cè)站達(dá)283.4mm，最大小時(shí)雨量在13 日07 時(shí)資源兩水氣象觀測(cè)站達(dá)88.8mm。百色、河池、桂林、崇左、南寧等市出現(xiàn)冰雹；11 市34縣（區(qū)）出現(xiàn)8 級(jí)以上大風(fēng)?？梢?jiàn)，此次強(qiáng)降水過(guò)程具有強(qiáng)對(duì)流天氣范圍廣、累計(jì)雨量大、局地降雨猛的特點(diǎn)。

3 天氣形勢(shì)及環(huán)境條件

3.1 天氣形勢(shì)分析

5 月10—13 日500hPa 亞歐中高緯為緯向環(huán)流，西太平洋副熱帶高壓（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“副高”）呈帶狀穩(wěn)定維持在南海北部，廣西位于副高西北側(cè)。由于副高阻擋南支槽東移，南支槽穩(wěn)定維持在孟加拉灣附近，寬槽上不斷有小槽分裂東移為暴雨的產(chǎn)生提供了有利的動(dòng)力條件。南支槽和副高的穩(wěn)定維持，有利于形成西南方向的水汽通道及槽前正渦度區(qū)的維持。

有利的大氣環(huán)流背景下，11 日夜間，500hPa 南支槽上小波動(dòng)?xùn)|移，槽前云系影響桂東北，850hPa切變線東段由黔桂交界處緩慢南壓，地面冷空氣滲透南下影響桂東北，強(qiáng)降水開(kāi)始。12 日白天，切變線在桂東北擺動(dòng)，使水汽得以不斷補(bǔ)充，其南側(cè)偏南氣流有所增強(qiáng)，有利于強(qiáng)降雨的持續(xù)。

12 日夜間，500hPa 南支槽上再次有小波動(dòng)?xùn)|移，影響桂東北云系增強(qiáng)，由于冷空氣較弱，850hPa切變線北抬至黔桂交界處，地面圖上暖濕氣流與冷空氣在桂東北對(duì)峙形成靜止鋒，降水再度加強(qiáng)。13日08 時(shí)，西南氣流加強(qiáng)為急流，桂林站測(cè)得風(fēng)速達(dá)20m·s-1，有利于熱量和水汽源源不斷地向暴雨區(qū)輸送。

值得注意的是，12 日夜間，云南蒙自為西北風(fēng)，與越南北部的西南風(fēng)形成氣旋性切變，同時(shí)西南風(fēng)與越南北部的喇叭口地形呈約45°夾角，地形的抬升作用有利于對(duì)流的觸發(fā)。13 日凌晨，東移的小波動(dòng)槽底偏南，與副高西側(cè)偏南氣流疊加，氣流輻合加強(qiáng)，并在同一區(qū)域疊加在850hPa 西南急流之上，形成線狀強(qiáng)回波，導(dǎo)致桂南暖區(qū)暴雨發(fā)生。

3.2 環(huán)境條件

分析每日暴雨中心附近探空站的物理量（表1），暴雨發(fā)生前對(duì)流有效位能（CAPE）為253.2～2931.8J·kg-1，積聚了較大的不穩(wěn)定能量，通過(guò)對(duì)比可以看出，冷鋒和暖區(qū)的CPAE 要遠(yuǎn)大于靜止鋒；對(duì)流抑制有效位能（CIN）為32.7～145.4J·kg-1，均較小，冷鋒和暖區(qū)的CIN 要小于靜止鋒，有利于能量聚集和對(duì)流發(fā)展突破自由對(duì)流高度；抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度均比較低，暖云層深厚，有利于暴雨的觸發(fā)和高效率降水；0～6km 垂直風(fēng)切變?yōu)?3.9～26.0m·s-1，較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于傾斜對(duì)流的發(fā)展和維持。

表1 暴雨前強(qiáng)降雨中心附近探空站物理量

暴雨發(fā)生前，廣西地面氣溫28～37℃，地面露點(diǎn)溫度22～27℃。850hPa 比濕15～18g·kg-1，有一定的濕層，且冷鋒暴雨前的濕層厚度要遠(yuǎn)小于暖區(qū)和靜止鋒暴雨前，在一定的觸發(fā)條件作用下很容易產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。從地面至低層，大氣處于高溫高濕、層結(jié)不穩(wěn)定的狀態(tài)，有利于暴雨的發(fā)生和持續(xù)。

4 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)、演變及特征

此次暴雨過(guò)程包含了冷鋒、靜止鋒及暖區(qū)三種暴雨類(lèi)型，由于冷鋒和靜止鋒暴雨具有類(lèi)似特征且靜止鋒暴雨相對(duì)降雨范圍小，因此著重分析12 日冷鋒暴雨及13 日暖區(qū)暴雨前后對(duì)流系統(tǒng)的演變和發(fā)展特征。

4.1 桂東北冷鋒暴雨對(duì)流系統(tǒng)演變及發(fā)展特征

11 日20∶15 在地形抬升作用下，元寶山附近和貴州東南部各有一中尺度對(duì)流云團(tuán)A 和對(duì)流云團(tuán)B 生成，云團(tuán)A 生成后迅速發(fā)展。21∶15 東移的云團(tuán)組合A 與桂林東北部的云團(tuán)C 合并。由于地面東北風(fēng)和東南風(fēng)輻合線作用，山前的弱回波地區(qū)不斷有新對(duì)流云團(tuán)生成并迅速發(fā)展匯入云團(tuán)A，雷達(dá)圖上表現(xiàn)為直線型回波帶的上風(fēng)方不斷有組合反射率（CR）≤45dBZ 的對(duì)流單體生成后合并匯入，強(qiáng)降雨區(qū)較局地。地面圖上，融水一帶出現(xiàn)了2～4℃的降溫，冷池的形成有利于對(duì)流的觸發(fā)和維持［12，14，15］。

隨著天氣系統(tǒng)加強(qiáng)緩慢東南移，云團(tuán)AC 及云團(tuán)B 在東移南壓過(guò)程中云蓋不斷向下風(fēng)方向擴(kuò)展，回波中心強(qiáng)度增大至55dBZ，云系發(fā)展為密實(shí)的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)。23∶00 云團(tuán)B 與云團(tuán)AC 合并為東西向中尺度對(duì)流系統(tǒng)云帶，云團(tuán)范圍繼續(xù)擴(kuò)大，云頂亮溫（TBB）最低值持續(xù)下降，雷達(dá)回波為直線型回波帶中鑲嵌強(qiáng)回波區(qū)，降雨為直線型雨帶中鑲嵌強(qiáng)降雨區(qū)。11 日23 時(shí)—12 日02 時(shí)云團(tuán)中分散的最低云頂亮溫≤200K 區(qū)域發(fā)展為連片密實(shí)的云頂亮溫帶，最低云頂亮溫為188～195K，云帶明顯增強(qiáng)，強(qiáng)降水區(qū)與TBB 梯度大值區(qū)重合，01 時(shí)桂東北出現(xiàn)最大小時(shí)雨量85.2mm·h-1，為當(dāng)日最大小時(shí)雨量。02—05 時(shí)云團(tuán)有所減弱，最低云頂亮溫逐漸升高至200K 以上，桂東北最大小時(shí)雨量減弱為40～60mm·h-1，在TBB 低值中心附近有偏北風(fēng)與偏南風(fēng)的地面中尺度輻合線，輻合線走向與鋒面幾乎垂直。雷達(dá)圖上最低云頂亮溫附近的回波為混合型回波，45～50dBZ 強(qiáng)回波呈弧形，與輻合線走向一致，降雨為寬雨帶前側(cè)弧型強(qiáng)降雨帶。08 時(shí)后，隨著云團(tuán)逐漸東移出桂東北，強(qiáng)降水趨于減弱結(jié)束。

分析12 日00∶18 沿鋒面的剖面可見(jiàn)，11 日20時(shí)桂林站0℃高度為5.1km，雷達(dá)回波強(qiáng)度30dBZ 伸展高度可達(dá)10km，45dBZ 以上的強(qiáng)回波從1.5～7.5km，最強(qiáng)回波55dBZ 位于4.5km 附近，強(qiáng)回波中心質(zhì)心位于4km 左右，對(duì)流發(fā)展高度高，強(qiáng)回波大部位于0℃附近，具有偏冷云回波的特征。冷鋒暴雨期間，強(qiáng)雷達(dá)回波區(qū)始終保持著東西走向，并在槽前西南偏西氣流引導(dǎo)下緩慢東傳，同時(shí)隨鋒面和切變線南壓，由于鋒面移動(dòng)緩慢，鋒面上不斷有對(duì)流觸發(fā)、合并、發(fā)展、消亡，列車(chē)效應(yīng)明顯，降雨時(shí)間長(zhǎng)，累積雨量大。

4.2 桂南暖區(qū)暴雨對(duì)流系統(tǒng)演變及發(fā)展特征

12 日22∶15 在越南北部距離憑祥西側(cè)大約150 km 處有對(duì)流云團(tuán)A 生成并在原地以團(tuán)狀形態(tài)迅速發(fā)展壯大。在槽前西南氣流引導(dǎo)下，云團(tuán)A 緩慢東北移，23∶30 與云南西南側(cè)的東北-—西南向帶狀云系首次合并加強(qiáng)，13 日01∶45 對(duì)流云團(tuán)迅速發(fā)展成中尺度對(duì)流復(fù)合體（MCC），最低云頂亮溫下降至180K。03 時(shí)MCC 強(qiáng)中心移入憑祥，MCC 進(jìn)入強(qiáng)盛階段，最低云頂亮溫為194K，雷達(dá)圖上可見(jiàn)南北向塊狀回波移入桂西，最強(qiáng)回波增強(qiáng)至50dBZ，強(qiáng)降水區(qū)與TBB低值中心重合，憑祥最大小時(shí)雨量驟升至60mm·h-1。05∶24 北部灣海面上有新的對(duì)流單體生成，其向東北方向移動(dòng)過(guò)程中迅速發(fā)展匯入MCC 形成二次合并加強(qiáng)。08 時(shí)桂東南850hPa 與地面場(chǎng)均存在風(fēng)向的輻合，在此有利的條件下，MCC 東南部再次加強(qiáng)，最低云頂亮溫迅速下降至192K，在輻合線附近有最大CR≥50dBZ 積云發(fā)展組織成的弓形雷達(dá)回波，回波后為大片層狀云回波區(qū)，08∶30 颮線形成，09 時(shí)桂南出現(xiàn)最大小時(shí)雨量86.4mm·h-1。新生單體不斷從強(qiáng)回波上風(fēng)方生成，表明中尺度對(duì)流系統(tǒng)具有后向傳播的特征，系統(tǒng)移速慢，列車(chē)效應(yīng)明顯。隨著邊界層急流和低空急流北推，09∶30MCC 開(kāi)始減弱，強(qiáng)降水趨于減弱結(jié)束。

分析13 日08∶18 沿颮線的剖面可見(jiàn)，13 日08時(shí)南寧站0℃高度為5.4km，雷達(dá)回波強(qiáng)度30dBZ 平均高度接近10km，45dBZ 以上的強(qiáng)回波從0～6km，最強(qiáng)回波50dBZ 大部位于5km 以下，強(qiáng)回波中心質(zhì)心位于2.5km 附近，對(duì)流發(fā)展高度高，強(qiáng)回波大部位于0℃以下，具有暖云回波的特征。暖區(qū)暴雨期間，中尺度對(duì)流系統(tǒng)具有后向傳播的特點(diǎn)，強(qiáng)雷達(dá)回波具有弓形特征，颮線東移速度較慢，列車(chē)效應(yīng)明顯，小時(shí)雨量大。

5 降水預(yù)報(bào)偏差及成因分析

5.1 強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)

對(duì)EC 和CMA-GD 不同起報(bào)時(shí)間的降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，EC 預(yù)報(bào)的降水范圍明顯偏大，桂東北暴雨以上量級(jí)降水預(yù)報(bào)明顯估計(jì)不足，且白天預(yù)報(bào)誤差較夜間大，桂南強(qiáng)降水完全漏報(bào)。值得一提的是，EC 對(duì)24—72h 時(shí)效均在越南北部預(yù)報(bào)了帶狀降水，這可能是模式對(duì)暖區(qū)對(duì)流初生的一個(gè)指示。與EC 相比，CMA-GD 對(duì)桂東北降水量級(jí)的預(yù)報(bào)更接近實(shí)況，夜間的降水把握較好，白天誤差較大，對(duì)于鋒面降水的預(yù)報(bào)要優(yōu)于暖區(qū)降水，13 日白天的降水預(yù)報(bào)效果最差，桂南強(qiáng)降水完全漏報(bào)。

5.2 預(yù)報(bào)偏差原因分析

5.2.1 桂東北鋒面降水預(yù)報(bào)偏差

EC 預(yù)報(bào)12 日南支槽緩慢東移，槽前西南風(fēng)偏弱，中空急流偏弱導(dǎo)致動(dòng)力輻合偏小，模式預(yù)報(bào)的降水偏弱。850hPa 切變線和地面冷鋒是12 日桂東北鋒面暴雨對(duì)流觸發(fā)的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)。EC 預(yù)報(bào)12 日切變線北抬，低層我區(qū)受偏南急流影響，桂北有風(fēng)速輻合，對(duì)流觸發(fā)機(jī)制以南風(fēng)急流脈動(dòng)為主，與實(shí)況差別較大。10m 風(fēng)場(chǎng)上EC 預(yù)報(bào)12 日08 時(shí)鋒面北抬至黔桂交界處，廣西轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)影響。鋒面北抬時(shí)間偏早，導(dǎo)致11 日夜間桂東北降水偏弱，12 日白天桂東北暴雨漏報(bào)。由此可見(jiàn)，EC 對(duì)低層對(duì)流觸發(fā)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)偏差是其降水偏弱的一個(gè)重要原因。

CMA-GD 預(yù)報(bào)對(duì)流在貴州觸發(fā)后南壓進(jìn)入桂北的時(shí)間偏晚且未預(yù)報(bào)出回波進(jìn)入廣西后南壓的過(guò)程，導(dǎo)致模式預(yù)報(bào)11 日夜間桂東北降水落區(qū)偏北偏東，12 日白天降水偏弱。對(duì)其500hPa 形勢(shì)場(chǎng)檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，CMA-GD 預(yù)報(bào)桂北主要受偏西氣流影響且風(fēng)速偏弱，中層引導(dǎo)氣流偏西導(dǎo)致對(duì)流以西行為主，南移分量較小，強(qiáng)降水落區(qū)偏北。從850hPa 風(fēng)場(chǎng)的檢驗(yàn)來(lái)看，CMA-GD 同樣預(yù)報(bào)12 日切變線北抬，低層廣西偏南氣流加強(qiáng)為急流，與實(shí)況相差較大。此外，CMA-GD 還預(yù)報(bào)桂西北有暖式切變線的存在，導(dǎo)致其強(qiáng)降水報(bào)在暖式切變線附近。由此可見(jiàn)，與EC 類(lèi)似，CMA-GD 對(duì)低層對(duì)流觸發(fā)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)偏差是其降水落區(qū)有偏差的一個(gè)重要原因。

5.2.2 桂東北鋒面降水及桂南暖區(qū)降水預(yù)報(bào)偏差

850hPa 偏南急流是13 日桂東北鋒面暴雨及桂南暖區(qū)暴雨對(duì)流觸發(fā)的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)之一。EC 預(yù)報(bào)急流軸偏西，出口區(qū)偏北且風(fēng)速偏小，急流偏弱導(dǎo)致動(dòng)力輻合和水汽輻合偏小，預(yù)報(bào)的降水偏弱。此外EC 預(yù)報(bào)桂西850hPa 比濕偏大，各層比濕大值區(qū)也均位于中南半島北部-桂西一帶，導(dǎo)致其較強(qiáng)降水報(bào)在比濕大值區(qū)附近。對(duì)于桂東北的鋒面暴雨，地面準(zhǔn)靜止鋒是另一主要影響系統(tǒng)。EC 預(yù)報(bào)12 日夜間鋒面位置偏北導(dǎo)致桂東北降水偏弱。對(duì)于桂南的暖區(qū)暴雨，地面輻合線的作用不可忽視。實(shí)況上13日白天桂南有兩條輻合線長(zhǎng)時(shí)間維持，這有利于對(duì)流不斷地觸發(fā)、發(fā)展，EC 未預(yù)報(bào)出輻合線的存在是桂南暖區(qū)暴雨漏報(bào)的重要原因之一。

對(duì)于桂東北的鋒面暴雨，CMA-GD 預(yù)報(bào)回波觸發(fā)位置偏西，南壓位置偏南，導(dǎo)致模式預(yù)報(bào)12 日夜間桂東北降水落區(qū)偏西偏南。對(duì)于桂南的暖區(qū)暴雨，模式并未預(yù)報(bào)出云南南部至越南北部觸發(fā)后東移進(jìn)入桂西南的對(duì)流回波，導(dǎo)致桂南暖區(qū)暴雨漏報(bào)。對(duì)其850hPa 風(fēng)場(chǎng)檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，CMA-GD 預(yù)報(bào)12 日夜間急流出口區(qū)偏南且南風(fēng)偏弱，導(dǎo)致模式預(yù)報(bào)12 日夜間桂東北降水落區(qū)偏南。對(duì)于桂南的暖區(qū)暴雨，與EC 類(lèi)似，CMA-GD 未預(yù)報(bào)出輻合線的存在，動(dòng)力輻合條件偏弱，導(dǎo)致桂南暖區(qū)暴雨漏報(bào)。

6 結(jié)論

利用多源氣象資料對(duì)2021 年5 月12—13 日暴雨過(guò)程進(jìn)行多尺度特征分析，獲得主要結(jié)論如下：

（1）此次暴雨過(guò)程包含冷鋒、靜止鋒及暖區(qū)三種降雨類(lèi)型。南支槽穩(wěn)定維持在孟加拉灣附近為暴雨提供了有利的環(huán)流背景；850hPa 切變線和地面冷空氣是冷鋒暴雨觸發(fā)的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)；暖濕氣流與冷空氣對(duì)峙形成靜止鋒觸發(fā)了靜止鋒暴雨；引起暖區(qū)暴雨的主要系統(tǒng)為偏南急流和地面輻合線。

（2）鋒面暴雨為東移南壓的帶狀云系和線狀回波，鋒面上對(duì)流不斷觸發(fā)、合并、發(fā)展、消亡，移動(dòng)緩慢，列車(chē)效應(yīng)明顯，影響時(shí)間長(zhǎng)是暴雨的主要原因。暖區(qū)暴雨為東移的團(tuán)狀云系和弓形回波，中尺度對(duì)流系統(tǒng)東移緩慢，對(duì)流主體具有低質(zhì)心的暖云強(qiáng)降水特點(diǎn)，小時(shí)雨量大是暴雨的主要原因。

（3）對(duì)于鋒面降水，EC 能預(yù)報(bào)出雨帶的位置和走向但量級(jí)偏小，CMA-GD 對(duì)降水量級(jí)的預(yù)報(bào)要較EC 準(zhǔn)確，但范圍偏大。因此，遇到相似形勢(shì)時(shí)可在全球模式預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，參考中尺度模式調(diào)整量級(jí)。模式對(duì)低層對(duì)流觸發(fā)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)偏差是降水落區(qū)和量級(jí)有偏差的一個(gè)重要原因。

（4）對(duì)于暖區(qū)暴雨，不論是全球模式還是中尺度模式可預(yù)報(bào)性都較差，若遇到相似形勢(shì)且EC 預(yù)報(bào)越南北部有帶狀降水時(shí)，需警惕越南北部至云南東部一帶是否有對(duì)流生成、發(fā)展并東移影響廣西。