貴州西部極端對流性暴雨預報失敗案例剖析

吳古會 ，彭 芳 ，張艷梅

(1.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

0 引言

在貴州特殊的地理位置和復雜的地形地貌條件下，對流性暴雨尤其是極端對流性暴雨天氣頻繁發生。極端對流性暴雨包括1 h雨量≥50 mm或3 h雨量≥100 mm或24 h雨量≥200 mm的降水事件[1]，極易造成暴洪、滑坡泥石流等災害，嚴重威脅人民的生命財產安全。針對極端強降水，氣象工作者對其成因展開了大量而深入的研究：一方面，采用診斷分析和數值模擬方法，對直接導致暴雨的中尺度對流系統結構、觸發對流的原因等進行分析[2-6]；另一方面，利用多普勒雷達產品和高時空分辨率的氣象衛星云圖資料，研究造成極端強降水的中尺度對流系統的組織形式與演變特征[7-10]。已取得的眾多研究成果為我國極端強降水預報預警服務提供了參考依據。

對貴州的極端強降水，氣象工作者也進行了很多有意義的研究。杜小玲等[11-12]對2010年6月28日關嶺特大滑坡泥石流過程和2014年7月13—17日貴州持續性暴雨過程及貴陽極端降水的研究指出，極端降水過程中的中小尺度系統起到重要作用。池再香等[13]分析了2009年6月28日貴州省水城縣發耳鄉特大暴雨，指出中小尺度天氣系統對此次強降水雨團的形成和加強起到了重要作用。聶云等[14]對2015年6月18日梅雨鋒西段的強降水，冉仙果等[15]對貴州沿河縣2016年6月19日和2019年6月22日特大暴雨天氣都進行了詳細的分析，表明在有利的形勢背景之下，極端強降水的發生與地形對中小尺度系統的增幅作用有關。由于極端強降水局地性強、生命史短和降水強度大的特點，對極端強降水的預報預警仍然是氣象業務的重點和難點。本文對2020年6月1日發生的1次南支淺槽背景下貴州西部極端對流性暴雨過程的預報失敗案例進行剖析，希望對未來此類天氣的預報提供借鑒。

1 天氣實況

受南支波動以及強盛偏南氣流影響，2020年6月1日08時—2日08時(北京時，下同)，貴州發生了暴雨天氣過程。強降水集中在西部地區，其中，1個區域站出現特大暴雨，40個區域站出現大暴雨，5縣站133個區域站出現暴雨，以關嶺縣谷目鄉328.4 mm最大；同時，晴隆、水城、關嶺出現雷暴大風，以晴隆縣長流鄉38.2 m·s-1為最大，過程強對流特征明顯，1日16時—2日07時，均有20 mm以上的短時強降水發生，最強時段為1日18時—2日01時，小時雨強增加至50 mm以上，最強小時雨強達144.9 mm，具有持續時間長，強度大，局地性強的特點(圖1)。

圖1 2020年6月1日08時—2日08時24 h累積降水量Fig.1 24 h accumulated precipitation from 08∶00 on June 1 to 08∶00 on Jun 2,2020

2 預報過程回顧

2.1 預報情況

5月31日對外發布的服務產品考慮的降水主要時段為2日白天到夜間，6月1日根據最新的起始場(5月31日20時)資料對預報進行更新調整。由于本文討論的過程主要降水時段是6月1日傍晚至夜間，故使用了6月1日的常規高空、地面實況資料和5月31日20時起始場的模式資料對這次過程的預報進行梳理分析。從各模式5月31日20時起始場對6月1日08時—2日08時的24 h累計降水預報來看(預報的主要降水時段也是在1日夜間，1日白天降水較弱)，大尺度模式都在貴州預報了中—大雨，其中，歐洲中心細網格模式(EC)在貴州南部地區預報了分散的大雨區，北支的強降水區位于川渝之間，還未進入貴州(圖2a)；GFS模式(圖略)的大雨區考慮在貴州北部地區，結合60 h時效的24 h降水預報，是1次自北向南的強降水天氣過程；JP模式(圖略)的趨勢與EC模式一致，都預報北支系統主要影響時段為2日08時—3日08時，1日08時—2日08時主要考慮南支波動前偏南氣流中的暖區對流性降水。中尺度模式預報分歧也較大，Grapes-meso(圖2b)對于6月1日的降水預報較弱，華南3 km模式(圖2c)對于北支系統的影響也主要考慮在2日08時以后，除了西北部地區以外，其余地區預報的強降水較分散，范圍也較小，具有暖區降水預報的特點；華東中尺度模式(圖2d)對于北支系統影響的時間稍早，至2日08時，北支系統強降水區已移至貴州北部地區，對貴州其余地區也考慮了分散的中—大雨。預報員根據實況形勢以及大尺度模式在對流性降水天氣中強度偏弱的特點，微調了模式預報，結合中尺度模式預報，考慮北支系統于1日后半夜開始影響進入貴州，強降水時段主要在2日午后至夜間，影響區域為貴州的偏東和偏南部地區；北支南下之前的時段，結合暖區對流的特點，考慮了分散的中—大雨，個別站暴雨天氣(實況有179站暴雨)。由于暖區對流的預報難度大，地面沒有明顯的觸發系統，漏報了此次貴州西部的暴雨過程。

圖2 2020年5月31日20時起始場多模式對1日08時—2日08時24 h降水預報:EC細網格(a)、Grapes-meso(b)、華南-3 km(c)和華東中尺度(d)Fig.2 Comparison of 24 h accumulated precipitation predicted by different NWP models with 36 h lead time starting from 20∶00 on May 31,2020： EC-Thin Model(a)、Grapes-meso(b)、Guangzhou Mesoscale NWP Model(c)、Shanghai Mesoscale NWP Model(d)

2.2 大尺度環流形勢

預報員主要參考了EC細網格模式和JP模式的趨勢，結合中尺度模式和暖區降水特點，對模式產品作了調整，但由于數值模式對暖區降水的預報能力不足[16]，故在預報過程中，預報員只能從產生暴雨的大尺度環境條件著手分析。

1日08時，500 hPa高緯為兩脊一槽的環流形勢，低值中心位于貝加爾湖西北側，中緯度多波動，中亞地區低值系統分裂低槽東移，低槽位于河西走廊沿線，槽后有明顯的冷平流，相應低層切變位于川陜地區，斜壓特征明顯；低緯地區副熱帶高壓588 dagpm線控制25°N以南地區，南支波動位于95°E附近，貴州受該波動影響，700 hPa也主要受槽前偏西氣流控制，850 hPa貴州中部的貴陽站為偏東風，廣西的白色和河池站為西南氣流，風速都不強(2～6 m·s-1)，即貴州南部地區低層為弱輻合區(圖3)。結合地面場資料，冷鋒1日08時位于甘肅中部—四川北部一線，于2日05時前后進入貴州，在受冷鋒影響之前，貴州為均壓區控制。

圖3 2020年6月1日08時高低空系統配置Fig.3 Upper-and low-level impact systems at 08∶00 on June 1，2020

2.3 水汽和不穩定條件

6月1日08時，貴州850 hPa比濕達到14 g·kg-1，700 hPa比濕為8～11 g·kg-1，都滿足貴州強降水對水汽的要求，并且有高比濕的水汽從廣西向北輸送。另一方面，貴州西部(威寧)700 hPa與500 hPa的溫差達到16 ℃，具有較明顯的熱力不穩定特征；貴陽探空K指數達37 ℃，SI指數貴州位于<0 ℃的不穩定區，從實況資料的分析可知貴州處于高能高濕的環境中，不穩定潛勢較高。

2.4 預報結果

綜合考慮大尺度環流形勢、水汽及不穩定條件，結合各模式產品，得出的預報結論為：北支高空槽、低層切變和冷鋒主要于2日凌晨到夜間影響貴州，重點考慮的時段為2日午后到夜間，強降水及強對流的范圍為貴州中部及以東以南地區，而1日受南支波動影響，配合低層暖濕氣流條件，貴州的大部地區可能會有對流性降水，但因地面系統不明顯，對流性降水的落區和量級都不好把握，考慮了分散的中—大雨，個別站暴雨的天氣。

3 實際天氣過程演變

從圖4可以看出，6月1日16—17時，貴州西北部降水開始增強，雨團A發展并向南移動，同時位于其西南側有雨團B生成發展。至19時，雨團A和B合并形成東西向雨帶，小時雨強增至50 mm以上。20時，雨帶南移，雨團A強度減弱，雨團B增強，小時雨強達到76.9 mm，同時，在雨帶的南側有新的雨團C生成。21—22時，雨團C強烈發展，并與北側雨帶相接。至22時，發展到最強盛階段，小時雨強達到144.9 mm。23時，雨團C維持影響，在其西北側有新的雨團生成。至2日02時，雨團C南移，強度減弱，其西北側的雨團D也向東南方向移動。03時，C雨團和D雨團合并，強度有所加強，繼續南移影響至06時。貴州北部由鋒面帶來的系統性降水在2日02—08時影響貴州的北部邊緣地區，最大小時雨強49 mm(2日02—03時)，對流強度比西部地區弱。

圖4 2020年6月1日16時—2日03時小時雨量分布圖(填色，單位：mm)Fig.4 Evolution of automatic weather station hourly precipitation from 16∶00 on June 1 to 03∶00 on June 2,2020(shaded area,unit:mm)

最大小時雨強在自動站之間位置的變化規律(圖5)與雨團的蹤跡一致，從貴州西北部自北向南先后影響貴州的西部地區；從最大小時雨強的強度變化可知，6月1日20時—2日01時最強，最大小時雨強超過70 mm，其中，21時前后最強，超過90 mm，最大雨量站均在貴州西南部較狹小的范圍內，并且伴隨著38.2 m·s-1強度的雷暴大風天氣。對流性強、降水強度大、集中在較小區域內，中尺度特征明顯。06時以后，貴州北部邊緣由于受到切變及鋒面的影響，降水開始加強。

圖5 2020年6月1日16時—2日07時最大小時雨量自動站位置變化Fig.5 Location of automatic weather station of the heaviest hourly precipitation form 16∶00 on June 1 to 07∶00 on June 2，2020

4 預報失敗原因分析

在此次過程中，針對大尺度環流背景的預報，預報員對模式產品作出了正確的分析判斷，但對于在高空槽擾動的有利條件下，強盛偏南暖濕氣流中的局地對流性降水估計不足，造成貴州西部地區暴雨過程漏報。以下主要分析6月1日午后到夜間時段貴州西部地區降水預報失敗的原因。

4.1 中尺度對流系統的環境場

4.1.1 低層輻合的演變 經檢驗，EC模式5月31日20時起始場對6月1日08時和20時的高空形勢預報(圖略)與實況的形勢一致。考慮到高空實況時空精度較粗，且主要從預報角度復盤此次漏報過程，因此使用了模式預報的高空要素場而非再分析資料進行分析。1日17時—2日08時(圖6)，700h Pa低槽位于云南中部，其中，17—23時貴州西部地區為西南氣流與偏南氣流的輻合區，且20—23時前后，風速加強，輻合相應也加強。23時之后低槽東移減弱，偏西氣流與偏南氣流的輻合區也隨之東移。結合逐時降水的分布可知，降水區位置和強度的變化與低槽前西南風與偏南風的輻合區演變有關。850 hPa上，17時前后在貴州東南部形成南風與偏東風間的切變輻合線。2日02時，南風增強(風速≥10 m·s-1的范圍擴大)，急流軸位于廣西東部至湘西，切變輻合北抬，貴州西部及云南東部地區受4～6 m·s-1的南風控制。2日05時，貴州西部為西南風與偏南風的輻合區，同時受到偏南風的風速切變影響。700 hPa和850 hPa上貴州西部的輻合區都呈南北走向，與強降水區的形態一致，表明槽前的西南氣流與偏南風輻合區是造成此次貴州西部強降水的原因之一。由于貴州西部地區平均海拔較高，地形地貌特征復雜，模式預報常有輻合區的存在，在短時間內判斷輻合區是否具有天氣學意義比較困難，這也是漏報的原因之一。

4.1.2 對流不穩定條件的發展演變 從1日08時實況探空可知(圖略)，貴州西部(威寧探空)為上干下濕的不穩定層結，SI指數為-1.4 ℃，按照當天最高氣溫24 ℃的預報訂正探空，得到的CAPE為850 J·kg-1，具有較高的不穩定潛勢，且抬升凝結高度接近近地層(763 hPa-2.4 km)，易于對流天氣的觸發；垂直風切變不大，0 ℃層高度為4.8 km，故判斷的強對流天氣包括雷電、短時強降水或冰雹。從預報的CAPE演變來看(圖7)，1日14—23時高能區位于貴州的西部和南部，14—20時貴州西北部CAPE由1500～2000 J·kg-1降至500 J·kg-1以下，20—23時強降水中心的CAPE值也明顯減小，說明模式也在貴州西部地區考慮了強天氣的發生，并且CAPE明顯釋放與實況強天氣的發生時段一致。但預報難點依然在于如何迅速判斷模式產品反映的信息與強天氣的聯系，以及會帶來的強天氣的強度。

4.2 中尺度對流系統的觸發及發展演變

4.2.1 MCS的觸發 此次過程開始前，無論是地面實況還是模式預報的地面風場變化，都沒有清晰的風場輻合線影響。通過加密自動站資料分析可知(圖8)，1日14—16時，滇黔之間沿著地面露點鋒開始有降水發生，17時之后，隨著貴州西北部降水增強形成冷池，在冷池的南部形成輻合線并產生強降水，逐漸向南傳播，使得貴州西部的強降水區呈南北向分布。而在1日08時地面圖上露點鋒并不明顯，模式對露點場的預報也分析不出露點鋒的存在，也沒有明顯的露點變化，10 m風場上貴州西部也沒有明顯的輻合影響，加上在高溫高濕的不穩定環境中，微小的擾動就能觸發對流，由此增加了預報難度。

圖6 歐洲中心模式2020年5月31日20時起報的27 h(a)和30 h(b)時效的700 hPa風場,30 h(c)和33 h(d)時效的850 hPa風場(填色區風速≥10 m·s-1)Fig.6 The wind predicted by ECWMF high-resolution model with lead time of 700 hPa 27 h(a),700 hPa 30 h(b),850 hPa 30 h(c)and 850 hPa 33 h (d)starting from 20∶00 on May 31,2020(shaded area ≥10 m·s-1)

圖7 歐洲中心模式2020年5月31日20時起報的18 h(a)、21 h(b)、24 h(c)和27 h(d) 時效的對流有效位能(紅線CAPE≥1000 J·kg-1，藍線CAPE<1000 J·kg-1)Fig.7 The CAPE predicted by ECWMF high-resolution model with lead time of 18 h(a)、21 h(b)、 24 h(c)and 27 h (d) starting from 20∶00 on May 31,2020(red lines CAPE≥1000 J·kg-1,blue lines CAPE<1000 J·kg-1)

4.2.2 MCS的發展演變 由于強降水中心位于安順市、六盤水市和黔西南州的交界地區，超出了單部雷達的探測范圍，所以結合FY-2E的TBB資料對此次過程中的MCS進行分析。從逐時TBB的演變可知(圖9)，1日16時貴州西北部有對流單體生成，至19時，對流沿地面輻合線發展成東西向的云帶，中心TBB<-70 ℃。21時對流云團已發展成MCC，至2日03時，MCC逐漸南移影響貴州西南部地區，強降水位于MCC中心TBB低值中心附近。結合多普勒雷達資料可知(圖10)，1日20時前回波結構較松散，20—22時多單體風暴發展，單體中心強度都超過60 dBz，且位于晴隆、關嶺附近的強單體合并，對應該時段對流及降水的明顯增強。

圖8 2020年6月1日16時露點溫度(a)、17時(b)、20時(c)、21時(d)和22時(e)地面溫度場和風場分布圖(藍色等值線代表露點溫度，紅色等值線代表氣溫，單位： ℃；黑線為地面輻合線，陰影為小時降水，單位：mm)Fig.8 Surface dew-temperature at 16∶00(a),surface temperature and wind at 17∶00(b),20∶00(c),21∶00(d),22∶00 (e)on June 1,2020(blue lines show the dew-temperature,red lines show the temperature,unit:℃, black line shows the surface convergence line,and shaded area indicated hourly precipitation,unit:mm)

圖9 2020年6月1日21時—2日02時TBB演變Fig.9 Evolution of TBB from 21∶00 on June 1 to 02∶00 on June 2,2020

圖10 2020年6月1日組合反射率拼圖：20時30分(a)、21時(b)、21時30分(c)(單位：dBz)Fig.10 Radar composite Reflectivity at 20∶30(a)、21∶00(b)、21∶30 (c)on June 1,2020(unit:dBz)

5 結論和討論

①此次對流性暴雨過程是在弱天氣尺度強迫背景下，主要由地面露點鋒，低空偏西風與偏南風的輻合、冷池及地面輻合線共同作用，配合高溫高濕的環境產生的。具有局地性強，雨強大、對流旺盛等中尺度特征。

②此次局地性暴雨過程的預報難點在于對觸發系統的判斷。由于當天早上實況和模式預報都沒有顯示將有露點鋒的出現，僅憑模式預報的偏西風和偏南風之間的輻合區的天氣學意義難以作出迅速準確的判斷，繼而不能確定是否會有組織性較好的對流發生，加上缺乏對流天氣發生后由冷池造成輻合等方面的認識，難以判斷對流的強度和強降水落區。另一方面，難以在較短時間內精細分析風場、能量場的變化并對其天氣學意義作出判別。導致漏報該次暴雨過程。

③由于貴州特殊的地理位置及復雜的地形地貌特征，高溫高濕環境是夏季貴州的常態，在短期時效內，無論模式預報還是預報員的主觀預報，對流性暴雨預報在落區和強度都存在明顯的偏差。要提高暴雨過程預報準確率，除了繼續研究對流性暴雨的形成機制，分析對流觸發和組織化發展的條件以外，還應開展數值模式尤其是中尺度模式在強降水預報中的應用檢驗，并加強短時臨近的預報預警工作。