沙颍河流域一次短时极端强降水预报失误剖析

胡燕平，单铁良，顾佳佳

(河南省漯河市气象局，漯河 462300)

引言

短时强降水一般是指1 h 降水量大于等于20 mm的降水。中央气象台在强天气监测中，将短时强降水分为20～30 mm·h-1、30～50 mm·h-1、50～80 mm·h-1、80 mm·h-1以上四个等级，并将降水强度大、出现次数少的短时强降水称为极端强降水。因极端强降水往往会造成严重气象灾害，气象科研人员和预报员对其进行了大量研究。谌芸等(2012)、孙军等(2012)、徐明等(2018)研究指出，极端降水过程发生在有利于造成特大暴雨的中尺度对流系统的环境场和较强的中高层天气系统强迫、强烈的上升运动及充沛的水汽条件下，低涡切变、低空急流、地面辐合线、地形作用等均可触发强降水。肖递祥等(2015)、杨康权等(2017)认为，高能、高湿和层结不稳定为极端强降水提供了有利的环境条件。梁钰等(2010)、宋清芝等(2010)分析认为，在水汽输送和动力条件均较弱下，具有较强的不稳定层结，中尺度特征明显，弱冷空气的入侵及地面中气旋的生成，触发不稳定能量释放，是特大暴雨产生的根源。栗晗等(2018)分析“7·19”豫北罕见特大暴雨表明，中尺度地形辐合线的生成、发展和维持以及多个地面中尺度气旋移动形成的列车效应是导致局地特大暴雨的主要原因。王君(2019)通过对豫北两次特大暴雨事件的分析揭示了其物理量极端性和中尺度特征。张家国等(2015)、王晓玲等(2016)、谌伟等(2017)、徐珺等(2018)的分析均表明特大暴雨的产生与中尺度对流系统密切相关。

上述总结和结论加深了对产生极端降水的天气形势、环境条件、物理机制的认识和理解，为提高强天气预报业务水平提供了宝贵经验。但其中很多有意义的结果在预报业务中不能直接应用，从可预报性看，提高暴雨预报准确率离不开数值预报模式产品的应用。目前，模式对于暴雨的预报评分较低，特别是对暴雨以上量级降水存在明显漏报(孙素琴等，2017)。李泽椿等(2015)认为，我国暴雨预报业务发展的主要思路包括加强极端性暴雨和局地突发性暴雨个例的分析研究、加深暴雨形成物理机制的认识、提高数值模式对暴雨预报的性能、加强对模式物理过程和预报性能的了解、增强多源资料综合应用能力、提高短时临近预报能力。另外，还有一些研究(何光碧等，2010；张宏芳等，2014；陈超君等，2015；张霞等，2018)表明，数值模式有一定的预报能力，对预报业务和预报员具有一定的参考价值，但也存在不同程度的误差，如降水落区和降水强度偏差及影响系统偏离等，定点预报的偏差更明显。

沙颍河流域地处河南中部南北气候过渡带，受季风影响，夏季降水量占年总降水量的近50%，其中大雨和暴雨的贡献率呈上升趋势，降雨有向极端化发展的趋势(王新伟等，2018)。2017年8月18日夜间，受低层切变线和地面中尺度辐合线影响，地处沙颍河流域下游的漯河、周口两地区发生一次明显的强降水过程，造成多地严重积水，部分路段交通中断长达24 h，农作物受灾面积6 606.0 hm2、成灾面积3 844.3 hm2、绝收面积23.6 hm2，直接经济损失3 573.9万元，其中农业损失3 573.7万元，转移安置300人左右。由于本次过程的主要影响系统是低层切变线，而非低涡或台风倒槽，动力和中高层水汽条件较差，仅热力不稳定和边界层水汽输送较强，同时业务预报中常用的数值模式预报的降水量级偏小，因此预报员判断这是一次以雷暴大风为主、伴有中等强度降水的强对流天气过程，从而造成暴雨、局地特大暴雨漏报。为此，本文利用常规气象资料、区域自动站观测资料、卫星云图资料、雷达产品、NCEP 1°×1°再分析资料、细网格模式资料以及华东区域中尺度模式，对本次强降水成因及预报失误进行了分析，并探讨了其可预报性，以期提高多源资料综合分析能力，为减少强降水预报失误提供参考。

1 降水实况

2017 年8 月18 日20 时(北京时，下同)—19 日20时，河南省出现一次局部大暴雨过程，暴雨区主要位于豫西局部以及河南中东部沙颍河流域下游(图1a)，降水主要集中在18 日20 时—19 日08 时，沙颍河流域内有37 个区域自动站雨量超过100 mm，最大强降水中心(280.8 mm)位于漯河市召陵区实验中学站(以下简称实验中学站，图1b)。强降水时段主要集中在19 日03—07 时，雨强均超过20 mm·h-1，其中19 日02—03时雨强达81.0 mm·h-1，3 h 雨量为161.3 mm，6 h 雨量为227.2 mm，该过程中尺度特征明显，并伴有雷电、短时大风等强对流天气。历年统计资料显示，沙颍河流域1 h最大降水量为85.5 mm(侯凯和邢辰飞，2015)，而本次过程该流域1 h 降水量高达81.0 mm，3 h 累积降水量达161.3 mm。结合中央气象台对短时强降水的划分标准以及本地实况记录，本次强降水过程具有一定的极端性，而强降水集中时段不足6 h，因此可将本次降水过程认定为短时极端强降水(以下简称“8·19”河南极端降水)。

图1 2017年8月18日20时—19日20时河南省雨量分布图(a)与18日20时—19日08时漯河市召陵区实验中学自动站逐小时雨量(b)变化(单位: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 预报过程回顾

地市气象台每天制作16 时城镇报参考的资料有当日08时高空观测资料、14时地面观测资料、16时卫星雷达资料，以及前一日20时和当日08时起报的EC、NCEP_GFS、T639、Japan细网格模式资料等。2017年8月18 日08 时(图略)，500 hPa 中高纬环流形势维持两槽一脊型，低槽分别位于新疆西部和东北地区，河套东部有一浅槽东移，副热带高压(以下简称副高)主体位于华南地区，588 dagpm 线西伸脊点到达108°E、北界在30°N 附近，沙颍河流域处于副高边缘和河套低槽前弱西南气流中。700 hPa 切变线位于陕北、山西到河北北部一带，华南大部为316 dagpm 线控制，沿316 dagpm线有一支西南低空急流，急流轴位于贵阳、怀化至武汉一线。850 hPa暖切变位于河南南部，西南急流轴位于怀化至武汉一线，河南处于温度露点差(T－Td)≤4 ℃的湿区内。925 hPa 暖切变位于河南中部，西南急流轴位于长沙、安庆至南京一线，河南处于T－Td≤2 ℃的饱和湿区内。地面图上(图略)，贝加尔湖地区和我国东北地区为一高压，青藏高原到四川盆地为一低压区，弱倒槽位于湖北北部到河南南部。

分析8月18日08时距离沙颍河流域最近的郑州、南阳两个探空站实测资料(图2)显示，两站700—400 hPa均存在明显的干层，700 hPa以下为湿层，上干下湿，对流不稳定层结明显；中层干冷空气侵入导致探空整体呈现上干冷、下暖湿的喇叭口形状，表明对流不稳定较强；水平风垂直分布均为一致的顺时针旋转，具有对流发展潜势。对比两站环境对流参数(表1)可知，850 hPa的T－Td＜4 ℃，850 hPa 与500 hPa 温度差(ΔT850-500)≥23 ℃，总温度≥42 ℃，K指数≥31 ℃；郑州站对流有效位能(CAPE)达1 846.5 J·kg-1，南阳站CAPE 为491.2 J·kg-1，说明河南北部更有利强对流天气发生。

表1 2017年8月18日08时郑州、南阳探空站对流参数Table 1 Convective parameters from the Zhengzhou and Nanyang sounding stations at 08∶00 BT on 18 August 2017.

图2 2017年8月18日08时郑州站(a)和南阳站(b)探空图Fig.2 Sounding chart at(a)Zhengzhou and(b)Nanyang stations at 08:00 BT on 18 August 2017.

EC 细网格模式17 日20 时起报的24 h 即18 日20时形势场、风场、物理量场预报如下：500 hPa河套浅槽移至111°E附近，副高稳定；700 hPa河南黄河以南为一致的西南风，相对湿度60%～70%，比湿7～8 g·kg-1；850 hPa河南中部有一切变线，西南急流稍向东北移，相对湿度90%以上，比湿15～16 g·kg-1；925 hPa 河南中南部有一切变线，西南急流略有加强并北抬，相对湿度90%以上，比湿17～18 g·kg-1。海平面气压场上西南地区伸向河南为一倒槽，河南中部有东南风与偏东风辐合，散度与垂直速度均较弱。

分析EC、NCEP_GFS、T639 和Japan 细网格模式(图3)17日20时起报的24—36 h降水预报，即18日20时—19日08时河南中东部降水量分别为10～12 mm、3～7 mm、6～11 mm、14～17 mm，为小雨或中雨量级，对暴雨均漏报。18日08时起报的12—24 h降水，即18日20 时—19 日08 时河南中东部降水量分别为15～30 mm、3～17 mm、10～12 mm、12～16 mm，为中雨量级，对暴雨也均漏报。漆梁波和徐珺(2018)反思豫北“7·9”特大暴雨预报指出，暴雨预报失败的主要原因是预报员过分依赖全球模式，缺乏使用高分辨区域模式产品的经验或对这些模式产品的应用不足。预报员对“8·19”河南极端降水的预报失误同样存在这一问题。

图3 EC(a,e)、NCEP_GFS(b,f)、T639(c,g)、Japan(d,h)模式2017年8月17日20时(a—d)和18日08时(e—h)起报的18日20时—19日08时12 h降水量(单位: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时常规观测资料与EC细网格数值预报产品显示，500 hPa浅槽携带弱冷空气东移，与稳定副高形成西低东高的环流背景下，850 hPa、925 hPa 切变线以及地面中尺度辐合线稳定维持在河南中部的沙颍河流域，中层存在干空气侵入，低层湿度条件较好，探空资料显示河南存在一定的不稳定能量，且EC、NCEP_GFS、T639 和Japan 细网格数值预报降水量级均为小雨、中雨量级。基于上述背景条件和模式指导预报，对“8·19”河南极端降水过程预报为一次以雷暴、局地大风为主并伴有中等强度降水的强对流天气过程。漯河和周口气象台24 h 城镇报对此次过程均预报为中雨量级，暴雨漏报。

3 实际天气过程演变

3.1 环流形势与影响系统

8 月18 日20 时(图4a)，500 hPa 副高迅速西伸北抬，西伸脊点到达98°E、北界位于31°N附近，东北冷涡稳定少动，涡后冷空气沿西北气流下滑与河套地区明显加深北移的低槽后部冷空气合并东移，并与副高边缘西南暖湿气流在河南交汇。700 hPa 西南低空急流轴(16 m·s-1)继续向北伸展至阜阳，切变线南压，沙颍河流域处于切变南部、西南急流左侧T-Td≤2 ℃的辐合上升运动区和高湿区内。850 hPa和925 hPa暖切均位于河南中部沙颍河流域，西南低空急流和超低空急流有所减弱，但19日02—08时925 hPa超低空急流再次加强，沙颍河流域处于其左侧辐合区和饱和湿区内。

图4 2017年8月18日20时(a)500 hPa高度场(等值线，单位:dagpm)与925 hPa风场(风羽，单位:m·s-1)，以及18日14时(b)和20时(c)海平面气压场(等值线，单位:hPa)与10 m风场(风羽，单位: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.

海平面气压场上，18 日14 时(图4b)，自东北地区至华北南部不断有弱冷空气向南扩散，西南倒槽明显加强北抬至河南中部。18日17时(图略)，倒槽两侧风向风速辐合明显加强。18 日20 时(图4c)—19 日02 时(图略)，中尺度辐合线位于沙颍河流域南部。19 日05时(图略)，在漯河地区形成一中尺度辐合中心，并伴有人字形辐合线。19日08时(图略)，中尺度辐合中心消失，辐合线南压至信阳地区，降水趋于结束。

综上可知，“8·19”河南极端降水发生在东北冷涡后部东移南下的冷空气与低槽东移携带的冷空气合并后与强盛发展的副高边缘西南暖湿气流在河南交汇而形成的西低东高环流背景下，低层和边界层切变线稳定维持、边界层超低空急流强迫的辐合上升和水汽条件、地面中尺度辐合线是其触发机制。

3.2 不稳定参数的变化

分析8 月18 日20 时郑州、南阳站探空曲线(图5)表明，郑州站18日14—17时出现雷阵雨，不稳定能量有所释放，且整层湿度条件转好，有利于出现降水；南阳站500 hPa 以下湿层深厚，550—400 hPa 之间有干空气侵入，与郑州站相比，更有利对流发展，且环境对流参数较08时明显增强，850 hPa的T－Td为1.0 ℃，850 hPa与500 hPa温差达29.0 ℃，SI指数达到-8.4 ℃，K指数为48 ℃，CAPE为1 630.4 J·kg-1。1981—2016年河南省极端暴雨过程统计结果(张霞等，2020)显示，环境参数在极端暴雨过程中的平均值远偏离其气候平均值，对极端暴雨预报有一定的指示意义，表2中给出“8·19”河南极端降水过程与一般暴雨的历史统计数据的比较。

表2 “8·19”河南极端降水过程(18日20时)与一般暴雨过程对流参数及其极值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.

图5 2017年8月18日20时郑州站(a)和南阳站(b)探空图Fig.5 Sounding chart at(a)Zhengzhou and(b)Nanyang stations at 20∶00 BT on 18 August 2017.

统计2010—2020 年沙颍河流域46 个暴雨个例对流参数表明，仅2018年7月26—27日暴雨过程南阳站SI 指数达到-6.0 ℃，2013 年7 月18—19 日暴雨过程K指数达42 ℃。可见，“8·19”河南极端降水过程发生前，CAPE已达到出现一般暴雨应具备的CAPE统计平均值，而该过程中SI、K指数均超过该流域暴雨历史极值，具有一定的极端性，也反映出大气层结极度不稳定。因此，低层充沛的水汽和对流不稳定能量为强降水发生发展提供了有利条件。

3.3 物理量诊断分析

为考察“8·19”河南极端降水过程动力因子的作用及水汽条件、热力条件，作暴雨中心散度、垂直速度、水汽通量、水汽通量散度、假相当位温的时间-高度垂直剖面图(图6)。从中可见，该过程动力条件较差(图6a)，18日20时—19日08时暴雨区上空为辐合-辐散-辐合-辐散的配置，-3.0×10-5s-1最强辐合中心出现在19日02时600—500 hPa，上升运动最强出现在18日20 时—19日02时700 hPa以下中低层，强度仅-0.3 Pa·s-1。水汽通量和水汽通量散度时间变化(图6b)显示，18日20时—19日08时超低空急流明显增强，900 hPa以下低层出现一9 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量中心，19日02—08时暴雨区上空水汽辐合逐渐增强，-40×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽辐合中心与大暴雨集中时段对应。假相当位温(θse)时间变化(图6c)表明，18日14时—20时700 hPa以下θse逐渐增强，≥356 K 的θse大值中心位于近地层900 hPa 以下，降水开始前θse密集带位于850—700 hPa之间，700 hPa以上θse随高度递减，大气层结为对流不稳定。以925 hPa为例，对比“8·19”河南极端降水过程与一般暴雨的物理量因子阈值(表3)发现，此过程辐合强度偏弱，达不到一般暴雨发生的动力因子均值，水汽通量接近一般的平均值，水汽通量散度仅为一般暴雨平均值的一半，而θse则明显超过一般暴雨，这与上述分析结果一致。

图6 2017年8月18日08时—19日20时暴雨中心(114.0°E，33.6°N)不同物理量场时间-高度垂直剖面图(a)散度(等值线，单位:10-5s-1)和垂直速度(阴影，单位:Pa·s-1)；(b)水汽通量(等值线，单位:g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(阴影，单位:10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)；(c)假相当位温(单位: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”河南极端降水过程(18日20时)与一般暴雨过程降水中心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.

综上所述，“8·19”河南极端降水过程的动力作用较弱，水汽主要集中在900 hPa以下边界层，而热力条件非常有利于对流性降水的发生发展。

3.4 中尺度对流系统的演变

由第3.3 节中的分析可知，“8·19”河南极端降水过程属于对流性降水，其发展变化较快，本文利用高时空分辨率FY-2G 卫星云图对其对流发展特征分析如下。

图7 给出8月18日22时—19日06时逐时FY-2G卫星云顶亮温(TBB)与其后1 h 累积降水量和地面10 m风场叠加图。从中看到，18 日22 时(图7a)，随着低层西南暖湿气流增强(图4a)，豫西南附近到沙河上游的方城等地可见一对流云团(A)生成并加强发展，其TBB低值中心≤-43 ℃；同时该流域东部另有一对流云团(B)形成，其TBB≤-33 ℃。18 日23 时(图7b)—19 日00时(图7c)，云团A迅速发展，且伴有31.1 mm·h-1的强降水，并在强西南气流(图4a)引导下向北移动；云团B随低层和边界层切变线(图4a)前侧偏东气流西移南压，19日01时(图7d)云团A、B逐渐合并。到19日02时(图7e)，合并后的对流云团在沙颍河流域下游地区继续发展，中心强度达-53 ℃，水平尺度达180 km，并发展成β中尺度对流系统(MβCS)即云团C，其椭圆结构清晰(图7f)，受其影响，漯河本站出现51.8 mm·h-1强降水，同时实验中学站产生81.0 mm极端小时雨量(图7e中白三角所示)。19日04时—06时(图7g—i)，上述MβCS 强度稳定维持，冷云区范围增大，主要影响沙颍河下游地区。

图7 2017年8月18日22时(a)、23时(b)以及19日00时(c)、01时(d)、02时(e)、03时(f)、04时(g)、05时(h)、06时(i)FY-2G卫星TBB(填色区，单位:℃)与其后1 h累积降水量(绿色数字，单位:mm)及地面正点10 m风场(风羽，单位:m·s-1)叠加图(A、B、C表示对流云团，白三角表示最大1 h累积降水量位置)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.

综上所述，沙颍河流域西南部中尺度对流云团随槽前暖湿气流东移北上，流域东北部另一中尺度对流云团沿低层切变线南压，两云团相向合并发展为MβCS，并在沙颍河流域下游的漯河、周口地区稳定少动，维持时间长达6 h，是本次过程极端降水形成的重要原因之一。

3.5 地面中尺度特征分析

上文利用卫星云图资料分析揭示了“8·19”河南极端降水过程中尺度对流系统发生发展演变特征，再结合区域自动站观测资料对该过程中尺度对流系统的触发和维持机制分析如下。

8月18日23时之后，沙颍河流域中游附近开始逐渐出现降水，受降水的拖曳作用(俞小鼎，2006；俞小鼎等，2012)影响，该地区出现下沉气流；同时，下沉气流受到干冷空气的夹卷作用，有利于雨滴蒸发冷却，从而导致下沉气流一方面逐渐变冷形成地面冷池，另一方面气流加速下沉，在地面形成明显的雷暴高压。由8月19日不同时刻沙颍河流域地面温度、辐合线及雷达反射率因子分布图可见，19 日01 时(图8a)，冷池东移至漯河北部，中心强度达23.5 ℃，其前侧温度梯度逐渐加大，有利于中尺度锋区形成；中尺度锋区前侧为明显的暖区与偏南暖湿气流，后侧伴有冷池及偏北气流，冷暖气团在该流域下游交汇形成明显的中尺度辐合线，地面产生辐合导致对流单体发展。同时，中尺度锋区前侧暖湿气流上升，冷池附近冷气流下沉，在漯河及周口附近形成垂直于中尺度锋区的次级正环流，上升运动进一步加强发展，使得位于该流域下游的漯河、周口等地强降水加强。19 日03 时(图8b)，冷池随偏北风南移，中心强度(23.4 ℃)略有增大，偏北风与东南风或偏北风与偏东风形成的辐合线稳定维持在漯河东南部，此辐合线正好处于冷池前侧的温度密集带，对流单体不断加强发展并形成明显的“列车效应”，有利于产生短时极端强降水。对应的实况是，实验中学站出现81.0 mm·h-1极端降水，地面辐合线、中尺度温度梯度大值区和强降水中心三者位置基本吻合，此后强回波不断在中尺度冷池前侧的温度梯度大值区发展，强降水中心在该流域下游稳定少动。19日05时(图8c)，冷池稳定维持在漯河东南部，其强度增至23.2 ℃，其前侧温度梯度大值区东移南下，对应强降水向中尺度锋区前侧缓慢移动，其大值区主要位于地面辐合线附近，沙颍河流域下游强降水得到加强并维持。

图8 2017年8月19日01时(a)、03时(b)和05时(c)沙颍河流域的地面温度(红线，单位:℃)、辐合线(粗黑虚线)及雷达反射率因子(填色区，单位:dBz)分布(L为冷池，N为暖中心，“●”和“▲”分别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，此次短时极端强降水是在地面冷暖空气交汇的有利环境下由冷池及其前侧地面中尺度辐合线触发；中尺度辐合线与冷池相互作用，强回波不断在中尺度冷池前侧温度梯度大值区发展，有利于对流发展维持，且地面辐合线、冷池前侧温度梯度大值区以及强降水中心的位置基本吻合。

4 预报失误原因和可预报性讨论

4.1 边界层切变线型暴雨个例较少

“8·19”河南极端降水过程的主要影响系统是中低层切变线，而真正触发对流性极端降水的关键机制是925 hPa及以下边界层切变线。此次强降水过程历时短、强度大、中尺度对流特征明显，不同于常见的切变线暴雨。根据本地的预报经验，造成沙颍河流域的常见切变线暴雨多是系统性的，700 hPa 和850 hPa 均存在切变线，两层相对湿度均在85%以上，暴雨落区位于上下两条切变线之间的高湿区。而“8·19”河南极端降水过程700 hPa 切变线偏北，相对湿度为60%～70%，由于东北冷涡后部东移南下的冷空气与低槽东移携带的冷空气同强盛发展的副高边缘西南暖湿气流在河南交汇，中层干冷空气侵入，致使大气层结极不稳定，925 hPa切变线使得边界层辐合加强，触发对流不稳定能量释放，产生强对流，造成强降水。

分析EC 细网格模式逐3 h 预报场可知，18 日夜间500 hPa 上588 dagpm 线稳定，浅槽东移至河南中部，槽前西南风速加大，700 hPa沙颍河流域西北部有弱切变线形成，925 hPa河南中部切变线稳定维持，18日23 时—19 日05 时地面上河南中部维持一中尺度辐合线。边界层切变线或辐合线演变对18 日夜间强降水发生有一定指示意义。但由于700 hPa 切变较弱、尺度小，实时预报中未采信边界层切变线或辐合线的指示性，再则边界层切变线造成本地对流性短时强降水个例少，预报员经验不足，使此次极端降水预报失误。

4.2 天气尺度动力强迫作用弱

上述分析表明“8·19”河南极端降水过程发生在天气尺度弱强迫条件下，大尺度动力条件较差，实况分析暴雨中心上升运动强度仅-0.3 Pa·s-1，水汽输送集中在边界层且主要由超低空急流输送，与当地常见暴雨过程的物理量配置存在明显不同。此过程只有不稳定条件有利，前期中低层积聚了大量不稳定能量，有利于发生大风、雷暴等对流性天气。由于实况观测资料时空分辨率低，对中小尺度上升运动把握不好，同时忽视了边界层急流输送作用以及近地层切变线和地面辐合线的抬升触发作用，致使通过物理量指标分析预报极端强降水失误。

EC细网格模式预报“8·19”河南极端降水过程沙颍河流域CAPE值在18日20时达800 J·kg-1以上，特大暴雨区大于1 000 J·kg-1，19日02时CAPE增至1 700 J·kg-1，中高层相对湿度为60%～70%，比湿7～8 g·kg-1，850 hPa以下低层相对湿度90%以上，比湿15 g·kg-1以上。据此判断，18 日夜间CAPE急剧增加且存在上干下湿结构，也反映出这是一次强对流天气过程，预报员只关注雷暴、大风的强度，却忽略了短时强降水。

4.3 大尺度模式预报降水量级偏小

随着全球模式的发展，模式预报的精度和准确率越来越高，预报员在实际工作中也越来越依赖模式预报，尤其是降水预报，通常是模式报多大量级，预报员一般就报同等量级，或略作调整至相邻级别，缺乏对数值模式的订正能力。对于“8·19”河南极端降水过程，EC、NCEP_GFS、T639和Japan数值预报17日20时起报的18日20时—19日08时12 h河南中东部累积降水量分别为10～12 mm、3～7 mm、6～11 mm、14～17 mm，为小雨或中雨量级，对暴雨均漏报。18日08时起报的18日20时—19日08时12 h河南中东部累积降水量分别调整为15～30 mm、3～17 mm、10～12 mm、12～16 mm。相比之下，只有EC模式的降水量级调整至中雨、大雨量级，其他几家模式基本无变化。大尺度模式对暴雨尤其是对对流性暴雨的捕捉能力有限，这也是“8·19”河南极端降水预报失误的一个原因。

分析华东中尺度数值模式17日20时起报的24—36 h(18日20时—19日08时)降水量分布(图9)可知，河南西部、西南部、东南部有零散的强降水区，沙颍河流域为0～5 mm的弱降水，暴雨漏报。而18日08时起报的12—24 h(18日20时—19日08时)降水量分布，在河南中东部报出了50 mm、局部100 mm的强降水。华东中尺度模式提前12 h预报出了河南省中东部暴雨、局部大暴雨，可见中尺度模式对对流性暴雨具有较强的捕捉能力。

图9 华东中尺度模式2017年8月17日20时(a)和18日08时(b)起报的18日20时—19日08时12 h降水量(单位: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 对中尺度对流系统的演变预估不足

“8·19”河南极端降水过程主要是由相向而行的两个中尺度对流云团加强、合并发展成为MβCS 并稳定维持在沙颍河流域下游长达6 h 所致，中尺度对流系统准静止是降水加强的直接原因；对流系统由冷池及其前侧地面中尺度辐合线触发，强回波不断在中尺度冷池前侧温度梯度高值带中发展和维持，造成极端强降水。而目前模式资料和观测资料对中小尺度系统发展演变的预报能力均存在明显不足，预报员对中小尺度系统的演变缺乏预报经验，也是造成“8·19”河南极端降水预报失误的主要原因。从其预报失误可得到如下启示：在实际预报服务中，预报员应重视中尺度云团、地面中尺度辐合线及强回波的演变，及时修正短时临近预报，提前发布暴雨预警信息，才能最大限度减少灾害造成的损失。

5 结论与讨论

本文利用常规气象资料、自动站加密观测资料、卫星雷达资料、NCEP再分析资料、细网格模式资料以及区域中尺度模式，对“8·19”河南极端降水的成因及预报失误进行了分析，并探讨了其可预报性。主要结论如下：

(1)这次短时极端强降水过程发生在西低东高环流背景下，由于东北冷涡后部冷空气与低槽携带的冷空气合并后东移同强盛发展的副高边缘西南暖湿气流在河南交汇，低层切变线稳定维持，切变线两侧辐合明显加强，以及超低空急流的建立，为本次过程提供了充沛水汽及辐合抬升条件。弱冷空气沿华北侵入暖倒槽，在沙颍河流域形成中尺度辐合线且长时间维持，触发不稳定能量释放，对暴雨有一定的可预报性。

(2)分析地面加密自动站观测资料显示，本次短时极端强降水是在地面冷暖空气交汇的有利环境下，由冷池及其前侧地面中尺度辐合线触发。中尺度辐合线与冷池相互作用，强回波不断在中尺度冷池前侧温度梯度高值带中发展，有利于对流发展和维持。

(3)大尺度数值模式对本次降水量级预报明显偏小，36 h 降水预报为小雨、中雨量级，对暴雨均漏报；24 h 降水预报只有EC 模式降水量级调整至中雨、大雨，其他几家模式基本无变化。大尺度数值模式对暴雨尤其是对流性暴雨的预报能力不足是这次极端强降水预报失误的原因之一。

(4)沙颍河流域西南部中尺度对流云团随槽前暖湿气流东移北上，流域东北部中尺度对流云团沿低层切变线南压，二者相向而行合并发展为MβCS 且在沙颍河流域下游的漯河、周口地区稳定少动并维持长达6 h，是本次过程极端降水形成的直接原因。而目前模式资料和观测资料对中小尺度系统发展演变的预报能力存在明显不足，预报员缺乏经验，是造成这次极端强降水预报失误的主要原因。

“8·19”河南极端降水过程发生在弱天气系统强迫和较强对流不稳定条件下，主要由地面冷池与其前侧中尺度辐合线触发，对流单体在近地层高温高湿强烈持续以及边界层辐合抬升作用加强发展为中尺度对流系统，中尺度对流系统加强、维持，造成强降水。此类天气的预报着眼点应聚焦在对中尺度对流系统生消、维持等特征的把握上，尤其是在中高层天气尺度系统不明显或弱强迫下，除了要关注低层特别是边界层系统以及对短时极端强降水具有指示意义的环境参数如SI、K 指数等对流参数的变化和是否出现极值外，更不能忽略中小尺度对流系统的准静止、列车效应等。另外，大尺度数值模式往往对类似“8·19”河南极端降水这样的极端天气的可预报性较差，而中尺度模式对此类降水预报的参考价值相对较高，尤其是在临近预报中其效果更好，这也有待今后通过对更多个例的研究总结来验证。

本文仅从预报应用角度出发，对产生此次过程的机理探讨不够深入，且所用EC模式是全球模式，中尺度区域模式仅为华东模式降水产品，缺乏对更多高分辨率区域模式的应用和分析。为了避免今后业务工作中出现类似的预报失误，预报员一是要加强对短时强降水天气的分析和总结，积累预报经验；二是要加强对数值模式产品的检验，掌握主要数值模式的不同特点，提高对模式误差的订正能力，加强对中尺度区域模式的应用和检验。例如，这次过程中EC 预报的形势场、热力因子和能量因子均较正确，如果对模式特点认识和把握较好，根据其预报的形势场配置，参考高空和地面实况分析，对误差较大产品即湿度条件和动力条件加以一定的订正，再结合中尺度区域模式产品，完全有可能避免预报失误。