2020年春季莆田市一次暴雨成因初探

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.莆田市城廂區氣象局，福建 莆田 351100)

1 概述

福建是中國暴雨高頻區之一，莆田地處福建中部沿海，常因暴雨導致嚴重的洪澇災害。因此，對暴雨的持續時間和落區的準確把握是為防洪抗災工作提供決策服務的先決條件。然而，不同影響系統下，暴雨的觸發機制不同，強降水的持續時間、降水強度和落區都存在差異。福建省位于中國東南沿海，處于中緯度西風帶和熱帶東風帶交替影響的過渡地帶，暴雨成因復雜，既有前汛期的鋒面系統暴雨，也有臺風等熱帶系統影響造成的暴雨，其中前汛期暴雨主要是由西風帶系統造成的，包括高空槽、冷鋒、準靜止鋒、切變線、低空急流等[1]。目前對暴雨機制研究還不夠深入，有時看似明顯的暴雨形勢，實況卻只出現部分或者局部性的暴雨，預報的準確率還是較低。2020年5月21日(本文所提時間均為北京時)莆田市出現了一場部分性的暴雨，本文應用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、雷達回波資料和常規觀測資料，對這次暴雨過程的環流背景、中尺度特征和物理量場特征進行分析，對各家模式降水預報進行檢驗，探討暴雨的發生機制，加深對當地暴雨過程的認識。

1.1 實況分析

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

1.2 主客觀預報質量檢驗對比

從客觀預報分析來看(圖2)，各家模式對該過程的落區預報與實況相差較大，且各家模式之間的預報落區也相差較大，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，其中ECMWF暴雨落區偏小，其他三個模式的暴雨落區范圍均偏大。除了GRAPES-GFS、JMA-GSM、NCEP-GFS、華東區域沒有預報東南部沿海暴雨外，其他模式均預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，此次過程以穩定性降水為主，各種模式的暴雨落區參考性都不大，但是大雨以上的全球模式的參考性較大，區域模式的參考性較差。

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

(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時模式預報降水落區檢驗

莆田市臺21日10時發布的第5期《重要天氣預警報告》指出：“21日午后至夜里我市將出現暴雨。24小時累計雨量50～70mm，局部超過80mm，最大小時雨量20～30mm。”對莆田的主觀預報進行檢驗(圖3)，出現大范圍的空報，落區預報偏大，因此本文主要針對莆田市氣象臺這次空報過程進行分析。

(a)莆田市氣象臺 21日10時預報21日11時-22日11時時降水落區 (b)21日11時-22日11時實況

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

2 天氣過程分析

2.1 大尺度環流背景分析

此次暴雨過程發生期間，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，最大風速為16m/s，閩中有切變維持，14時臺灣海峽的偏南風急流往北推，切變依然維持在閩中沿海，方向、風速的輻合均在閩中沿海(圖略)。20時西南風和偏南風急流均減弱。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，閩中北和閩西北為偏東風，風速均為6 m/s，風向輻合十分顯著。地面有冷空氣從沿海擴散南下影響。

(a)21日08時500hPa環流形勢 (b)21日高低空系統配置(風場為21日20時925hPa)

2.2 中尺度系統分析

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

(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

由福建省雷達拼圖可知，21日08時-24日08時福建的強降水基本是混合性回波降水，且此次強降水在12∶00-17∶00相對較強。分析此時加強的原因，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，在13∶54組合反射率達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(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，2號單體減弱消失(圖6e)，使得12∶00-17∶00莆田出現較強的降水集中期，尤其是莆田站在15∶00-16∶00小時雨強出現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

從地面風場分析13時至16時回波移入莆田加強的原因，12∶00-13∶00在莆田出現一條東西向的偏東風和東南風形成的地面切變線(圖7a)，回波移動至切變線附近加強，且仙游西部屬于閩中山帶，地形與西南風風向的輻合，也對單體的發展有促進作用。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。

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

從大尺度環流背景和中尺度系統分析，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報，下面從物理量進一步分析。

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推，與850hPa海峽附近西南風急流北推對應，渦度中心的變化與西南急流關系比較密切，低空急流是暴雨對流不穩定層結的建立者和維持者。

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

假相當位溫θse是同時表征溫度和濕度的參數，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(或濕靜力能量高低能區)和能量鋒區的位置[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，高能舌中心強度在356K以上，能量鋒在閩浙交界，隨著沿海冷空氣的擴散南下，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，對應的午后至傍晚的明顯降水。18時，能量鋒區進一步南壓，高能舌南壓到閩南地區，說明冷空氣進一步從沿海擴散南下，莆田降水趨于減弱。

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

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的環流形勢與《福建省預報員手冊》的前汛期暴雨預報概念模型相一致[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，但是垂直上升運動條件一般，且濕度和能量條件有利于大范圍暴雨出現的時間也不長。另外從散度場分析(圖11)，沿強降水帶上[(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生。因此，日常預報不僅要關注大環流形勢、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 數值預報應用情況和檢驗分析

從華東區域(WARMSv2.0)風場與NCEP/NCAR 1°×1°逐6小時的全球再分析資料的風場對比，可知華東區域對此次天氣系統預報較好，850hPa低渦位置和切變線位置都對應的很好，而且風向預報與實況都一致，但是14時在臺灣海峽中部的西南風和東南風形成切變線的風速均偏小4m/s左右。925hPa切變線位置對應的較好，風向預報很好，但是14時在閩中北沿海陸地上的風向與實況有差距，實況是偏東風，而華東區域預報的是東北風，且風速也較大，說明華東區域模式預報的冷空氣可能滲透的更偏西。

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

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區域模式、GRAPES-MESO-25km、ECMWF-12.5km、NCEP-25km的降水檢驗，分析模式對于該過程的可預報性。

本次各家模式降水過程預報的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，尤其當雨量大于50mm時，GRAPES_MESO-9km、ECMWF-12.5km空報率最高達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，但是降水發生的落區和范圍偏差較大。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第三低，通過分析此次暴雨預報最好的是GRAPES-MESO-3km。

對于低渦型，熱力條件一般的穩定型降水全球模式會比區域模式預報得更好。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，但是暴雨預報能力還是較差，暴雨落區和多模式的一致性都不好，區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和東南風形成的切變線附近。

③本次暴雨過程的發生與中尺度系統密不可分，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，降水開始加大，受地面輻合線的地形共同影響，莆田出現集中降水時段。

④與低空急流對應的低層正渦度中心是降水加強的一個重要指標；θse的鋒區與冷空氣南下的位置對應，單體加強發生在θse的鋒區前沿，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暴雨，但是對暴雨落區和范圍的把握還是很難，要從中尺度和物理量進行全面分析，加強多源數據的應用，加強風廓線雷達、雨滴譜儀、自動站等非常規資料的監測、應用及檢驗。

⑥加強各家數值模式對暴雨的環流形勢、降水強度、降水落區預報的檢驗，預報中還需特別關注對低層中小尺度系統的預報；當數值模式預報環流形勢場低層有中小尺度系統影響時，在短時臨近時需加強風廓線雷達、雨滴譜儀、自動站等非常規資料的監測、應用及檢驗。

⑦在時間上加密對各家數值模式的檢驗分析，最好每日檢驗結果能讓預報員能便捷瀏覽，以便參考。