一次盛夏極端暴雨中尺度特征分析及模式檢驗

摘 要：2023年8月1—5日受連續強降雨影響，舒蘭市金馬鎮、開原鎮和七里鄉等地出現洪水漫灌、部分橋梁垮塌、道路受損等險情，大量農田受災。利用MICAPS常規資料、國家級自動站與區域加密自動站逐小時降水資料、多種數值預報產品、FY4G風云衛星產品、多普勒天氣雷達探測產品等探測資料，對此次極端暴雨天氣過程進行了中短期分析、中尺度分析，衛星圖像和雷達圖像分析。結果表明：多尺度多系統之間作用產生了強的北部中尺度切變，穩定的大尺度環流決定了切變位置；冷渦與副熱帶高壓后部暖濕空氣匯合產生能量鋒區，產生強迫抬升，切變與急流交匯處集中了大量級降水；地面輻合線是此次對流的中尺度觸發機制；較好的能量和整層高濕高能的條件，為短時強降水提供有利環境。

關鍵詞：極端降水；中尺度，模式檢驗；暴雨

中圖分類號：P458.121.1 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–00-03

暴雨雖由不同天氣尺度系統的相互作用產生，但一般產生暴雨尤其是極端暴雨的天氣系統為中尺度對流系統[1]。中尺度系統直接啟動強對流系統，大尺度系統又對中尺度系統提供環境條件，地面中尺度低壓是輻合維持和水汽集中的重要機制，其中，尺度特征及形成機制等都是值得研究的問題。著重分析了極端強降水的中尺度特征和條件，檢驗了不同數值模式，提高對此類暴雨過程的認識，為此類暴雨預報提供參考。

1 降水實況及特點

受臺風“杜蘇芮”殘余水汽北上和副熱帶高壓后部切變的共同影響，吉林市出現了入汛以來最強一場區域性暴雨，2023年8月1—5日平均降水量為59.6 mm，

位列全省第一。各地區累計降雨量如下：舒蘭114.5 mm，

蛟河67.0 mm，樺甸66.5 mm，吉林37.9 mm，永吉34.8 mm，

磐石28.9 mm。全市出現累計降水量＞250 mm有3站，

100.0～249.9 mm有20站，50.0～99.9 mm有76站。過程降水量最大的站點出現在舒蘭永勝林場，累計降水量為501.1 mm，為全省第一，遠超歷史極值。3 d累計雨量超過常年汛期總量，超過全年降雨量的70%。小時雨強最大站出現在舒蘭金馬鎮，累計降水量為

95.7 mm。極端強降水站點落區均在舒蘭市東部。

此次降水范圍廣，持續時間長，維持3 d以上，降水梯度較大，呈東多西少，北多南少，強降水中心位于舒蘭市東部山區。7站次出現小時雨強＞50 mm短時強降水，3站次出現小時雨強＞70 mm短時強降水。強降雨時段集中，出現在傍晚到前夜，具有明顯的階段性的日變化特點。8月2日17：00～22：00降水量超過150 mm；3日17：00～22：00降水量超過240 mm；2次強降水量占總降水的78%。雨帶穩定，雷達回波呈現“列車效應”，最強的兩段降水落區重復，導致局地極端性強，致災性強。

2 成因分析

2.1 環流背景

此次極端降水由多尺度多系統共同作用下發生的。2023年8月1日08：00過程發生前，歐亞大陸呈兩槽一脊形勢，吉林省受副熱帶高壓外圍控制，位于584 dagpm和588 dagpm線之間。20：00，副熱帶高壓西伸增強西脊點位于80°E以西，中心值達592 gpm，副熱帶高壓南部有臺風北上，將使副熱帶高壓收縮減弱。隨著時間的推移，大興安嶺以北的冷渦逐漸加強，冷渦西部的橫槽集聚了冷空氣，緩慢旋轉東移。8月2日08：00，588 dagpm線已南退至吉林省外，降水逐漸開始。8月2日20：00，副熱帶高壓加快速收縮，西南急流逐漸加寬加強，帶來暖濕空氣，吉林省處于暖區，北部有高空槽影響，槽后脊不斷發展加強，東北風加強，源源不斷地帶來冷空氣。冷空氣與副熱帶高壓外部西南急流帶來的暖濕空氣在黑龍江和吉林兩省交界處交匯，兩股強盛氣流使斜壓性增強，形成了穩定少動的切變，抬升運動顯著加強，降水區正位于西南急流頭部和北部切變的交匯處。8月3日降水區受暖鋒控制，暖區中存在中尺度輻合，8月4日轉為冷鋒后部，中尺度對流系統后部的入流作用是中尺度低壓槽的形成

原因。

2.2 中尺度分析

2023年8月2日20：00的中分析來看，500 hPa有弱冷空氣，全區底層水汽條件好且伴有切變，中低層明顯的西南氣流將暖濕空氣輸送至北部切變線附近，切變線自低層到高層向暖區略有傾斜。8月3日20：00，

高空冷空氣下沉形成干線，相較于前日高層有明顯的大風速帶呈輻散，干冷空氣從西北部入侵黑龍江和吉林交界，斜壓性增強，中低層有多個層次的暖脊配合，低層呈現高溫高濕的狀態，上干冷下暖濕，有利于強對流的發生，北側暖切變穩定維持，有利于水汽的積聚以及觸發不穩定能量。

8月4日20：00，整層水汽較好，700 hPa也可以分析出較飽和水汽，西北部有高空槽，槽后有較強干冷空氣入侵，鋒生效果明顯，低層有暖濕空氣，降水區由暖鋒變為冷鋒控制，地面有“人”字形切變線，觸發了強降水。此外，從散度場垂直剖面圖上可以看到，高層有明顯的輻散，底層有輻合，抽吸作用加強了上升運動。高低空急流的耦合有利于上升運動的維持和發展。

2.3 水汽條件

從相對濕度垂直剖面圖可以看出，整層大氣水汽很深厚，飽和水汽發展到200 hPa以上，配合了深厚的上升運動。本地水汽充足，大氣可降水量達到70 kg/m2

以上，925 hPa比濕達到18 g/kg。水汽通道的建立，存在西南－東北向的水汽輸送帶，數值都在18 g/（hPa

·cm·s）以上，及時補充被強降水消耗的大量水汽，為暴雨發生提供了極好的水汽條件。

2.4 熱力條件

假相當位溫能在一定程度上反映不穩定能量的大小。當低層位溫水平梯度足夠大時，說明強水平能量峰區存在，有利于強對流天氣的發生發展，水平梯度越大鋒生越強[2-5]。8月2—4日的假相當位溫梯度大，并隨高度向東伸展，頭部位于兩省交界處，暖空氣強盛，等值線密集，斜壓性增強，鋒生顯著。垂直速度加快，發展迅速，并且十分深厚，對流有效位能在不同時次也有相應的大值區對應。

2.5 探測產品分析

2023年8月2日夜間，低空氣流頭部位于降水區南部，風速有輻合，自降水區西部生成的低質心回波，沿切變線不斷東移，形成“列車效應”影響北部地區，探空圖上來看，整層水汽近飽和，并伴有一定能量，底層風場存在較強暖平流，形成了1條帶狀中尺度對流系統，19：00開始舒蘭市東部受其影響出現了

90 mm/h以上的強降水。19：00～22：00持續新生的對流單體有序組織化排列，整體向東發展成水平尺度約100 km，呈東西走向的帶狀多單體風暴，有明顯后向傳播。強度高于40 dBz的反射率因子在7 km高度以下，具有暖云降水的特征，質心較低，有利于產生高效率的降水。

8月3日夜間，切變線東移南壓，低空急流加強，邊界層風向對峙邊的地面中尺度輻合線穩定維持，雷達回波沿著切變線方向形成帶狀對流系統，帶狀云系中鑲嵌著多個對流單體，呈東西走向的多單體帶狀風暴，后向傳播特征明顯。對流單體呈“列車效應”不斷向東移動和發展，到達舒蘭東部形成超級單體，可以看到底層明顯弱回波區，質心較高。8月4日夜間，冷空氣逐漸南壓形成切變，自西向東影響降水區，探空圖呈喇叭口形態，中層有干冷空氣侵入，CAPE值增大，雷達回波形成組織結構更強的超級單體，吉林城郊站出現20.6 m/s的雷暴大風。從雷達速度圖上可以看到，清晰的零速度線在低空呈反“S”形，入流急流和風向輻合明顯。并且可以看到入流風速的大值中心達到-32 m/s。

風云4衛星產品具較高的時空分辨率，是強對流天氣監測和臨近預報的重要技術手段，通過衛星云圖可以實時和預判中尺度對流系統的變化規律[6-7]。從

8月2日的風云衛星真彩云圖可以看到，云團從初生發展到成熟階段約為2.0 h，成熟階段維持時間約為4 h，減弱消散期約為2 h（圖1）。云團從初生到消亡的整個生命史平均約為8 h。云團在發展過程中結構密實，云團范圍擴大且強度發展快，形成較為強大的對流單體，此階段就會出現短歷時強降水。到成熟階段云團強度達到最強，溫度遞減率增大，平均高度下降，云團覆蓋面積達到最大，而且穩定少動，短歷時強降水的范圍擴大，云團最強中心的云頂平均溫度在-50 ℃左右，最強發展到-60 ℃左右。到減弱消散階段云團開始分解，強度迅速減弱，外輪廓呈絲縷狀，云團結構松散，降水迅速減少[8-11]。

圖1" 2023年8月2日18：00～22：00 FY4A真彩云圖變化（a）、18：00～21：00云團覆蓋面積、溫度遞減率、高度、亮溫（b）

2.6 地形及前期降水影響

此次降水落區分布與地形聯系緊密，在東部長白山地形增幅作用的影響下，對流云團被觸發，東移至山體被迫抬升，產生了對流。此次受災較嚴重地區集中在北部的舒蘭市，受地形和河道等因素的共同影響，舒蘭市洪水致災機理復雜，尤其是山谷中的平原地帶易于受災。此外，前期雨量集中，從7月27—31日舒蘭市平均降水量為63.7 mm，土壤飽和，降水中心仍位于舒蘭市東部山區。此次降水雨強大，落區重復，產生疊加影響，增加山洪和中小河流風險[12-14]。

3 模式檢驗

模式檢驗可以從模式預報穩定性分析、模式對比檢驗2個方面進行分析。

從ECMWF預報2023年8月1日08：00、2日20：00、3

日08：00 3個時次起報的8月3日20：00的形勢場與實況對比來看，環流形勢預報比較穩定，黑龍江和吉林交界處的槽脊及切變線位置偏北，隨著預報時次的刷新，略向南調整。但8月1日前的起報時次，平均降水量和極大值落區預報與實況存在一定差距。將降水

分成4個階段，選取ECMWF、CMA-GFS、CMA-TYM、

CMA-MESO、CMA-BJ、CMA-TRAMS共6家數值模式分別對落區，降水量級和極大值對比。對比結果表明，落區預報最好的是CMA-TRAMS，量級是CMA-GFS，極大值是CMA-MESO。此外，在強降水階段TYM綜合預報能力也較強，從前夏冷渦對流過程中各家模式的檢驗經驗來看，中尺度模式對局地對流性極端降水預報能力相對較強。

4 結論

（1）持續的降水時間，充沛的水汽條件，深厚的上升運動是此次區域暴雨的主要成因。穩定少動的形勢也使得中尺度的降水落區重復，形成了局地的極端降水。大尺度環流系統有利于形成強天氣的環境條件：它不僅可以決定中尺度系統的種類和變化進程，還可以影響中尺度云團的組織結構、強度和移動擴展。中尺度系統的發展變化也對大尺度系統產生影響，兩者相互依賴、相互制約。

（2）冷渦與副熱帶高壓后部暖濕空氣匯合產生能量鋒區，產生強迫抬升，切變與急流交匯處集中了大量級降水。此次大暴雨過程的對流觸發機制如下：整個環境場存在高能、高濕條件，底層有東北風與西南風形成的輻合線，是對流觸發機制。低空急流入夜后開始加強，氣流遇山體輻合和地形增幅作用，上升運動也有所加強，將輻合線穩定維持在適宜的層結高度。中低層垂直風切變較強，使對流能在較低的高度迅速發展，形成高組織化的對流云團。

（3）臺風外圍大量水汽隨著副熱帶高壓后部急流不斷輸送到降水區，能及時補充被強降水消耗的大量水汽。高低空急流的存在產生高層輻合底層輻散，使降水維持較長的時間。多尺度多系統之間作用產生了強的北部中尺度切變，穩定的大尺度環流決定了切變位置。

（4）較好的能量，整層高濕高能的條件，中尺度輻合線觸發深厚的上升運動，為短時強降水提供有利環境。

（5）極端的強降水難以預報，中尺度數值模式雖有一定指示意義，但極值的量級的把握仍存在較大偏差，應在服務過程中不斷訂正預報結論，彌補模式的不足。

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收稿日期：2024-06-19

作者簡介：段家月（1991—），女，吉林扶余人，工程師，研究方向為短期天氣預報。