2019年5月柳州一次预报失误的大暴雨成因与预报分析

蓝柳茹　刘蕾　苏小玲

摘要 利用地面和高空观测资料、自动站观测资料、多普勒天气雷达观测资料和NCEP的FNL再分析资料，科学诊断2019年5月柳州一次大暴雨成因，并剖析了预报失误的原因。

关键词 大暴雨;中尺度对流系统;边界层辐合;弱冷空气;降水预报误差

中图分类号：P458 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）06–0025–05

暴雨一直是华南地区主要的灾害性天气之一。华南地区前汛期不仅有锋面暴雨，还有锋前暖区暴雨[1-2]。在全球气候变暖的背景下，我国极端强降水事件也逐渐增多[3]。柳州位于广西中北部，属于华南地区的偏北一侧。柳州东、西、北三面环山，西北部的元宝山有主峰青云峰海拔，为广西第三高峰。由于地理位置特殊，地形复杂，柳州是广西的三大多雨区之一[4]。频发的暴雨容易给柳州带来洪涝、泥石流等次生灾害，给人民的生产和生活带来极大不便。

近年来，众多气象学者对华南和广西暴雨过程的水汽输送、动力和热力结构等特征进行了研究，并取得了一定的成果[5-7]。华南地区前汛期的锋面降水对锋前低压槽、低空急流等天气系统有较高的预报敏感性，而沿海暖区降水对上游入流区不稳定能量分布有更显著的敏感性[8]。孟加拉湾旺盛对流对广西连续暴雨有2～3 d的前兆增温信号[9]。刘蕾等[10]将柳州锋前暖区暴雨分为南风型、切变型、低涡型。王艳兰等[11]指出低层θse高能舌与水汽通量辐合对桂林暖区暴雨、低涡暴雨具有较好的指示意义，而冷锋强度和移速决定锋面暴雨发生的时间、地点。

目前，通过观测数据分析和数值模拟等手段对华南暴雨的发生和发展机理的研究较多，但在实际预报中还存在一些疑难暴雨过程的误报，对于误报的原因和大尺度模式预报偏差的分析研究仍然较少。2019年5月26—27日，柳州中部出现一次大暴雨天气过程。本次过程并非典型的暴雨过程，各级台站均漏报柳州中部的强降雨，对北部暴雨有较大空报。利用地面和高空观测资料、区域自动站观测资料、多普勒天气雷达观测资料、1°×1°逐6 h的NCEP的FNL再分析资料和业务预报中的数值预报产品，基于本次暴雨过程的天气实况以及大气环流背景，从水汽、动力、能量条件和中尺度对流系统的演变特征来分析此次暴雨的形成机理、预报失误原因，旨在为今后柳州相似类型的暴雨预报提供有效的参考。

1 天气概况及特点

2019年5月26日20：00～27日08：00，柳州市中部出现了一次大到暴雨，局地大暴雨的强降雨过程。据自动气象站资料统计，大暴雨共17个站、暴雨21个站、大雨28个站，最大雨量为199.7 mm（柳城大埔凉水山林场），最大1 h雨量为102.4 mm（柳城寨隆镇，27日05：00）。两个降雨中心分布位于融安与融水的南部交界处、柳城县西北部（图1）。过程瞬时最大风速为26.2 m/s（东北偏北风10级），出现在融水国家气象站（27日00：40）。

本次过程暴雨落区和强降雨时段集中，降水强度较大。27日02：00～05：00是短时强降水主要时段（图1），3 h共有9个站降雨量≥100 mm，3个站降雨量为50～100 mm。3 h降雨量最大的3个站为：柳城大埔凉水山林场，降雨量为185.3 mm;柳城龙头镇，降雨量为157.9 mm;融安潭头乡，降雨量为153.4 mm。

2 环流形势与影响系统

暴雨的发生与高低空天气系统的有利配置密切相关。过程开始前（图2），500 hPa欧亚中高纬度为“两槽一脊”型。西太平洋副热带高压（副高）西伸脊点到达115°E附近。滇黔交界有高原短波槽，低层东北地区低槽后部冷空气扩散南下，与高原槽前偏南暖湿气流在江南至贵州南部形成冷式切变线。925 hPa切变线位于黔桂交界的西南部，广西中部有偏南风和东南风的辐合。地面云贵高原西北部有一冷高压，弱冷空气已逐渐渗透南下，在柳州中北部形成东北-西南向的辐合线。柳州中部正位于高空槽前、低层切变线的右侧，处于边界层的南风辐合区和地面辐合线附近，对降水十分有利。

在过程中，副高、850 hPa和700 hPa切变线位置稳定，柳州中北部位于200 hPa南压高压东北侧的分流区。高原槽在夜间缓慢东移，引导925 hPa切变线和地面冷空气南下，促使不稳定能量释放，暴雨发生。26日20：00～27日05：00，辐合线在柳州中部移动缓慢（图3），冷暖气流强烈交汇，低层辐合抬升与高层南压高压的辐散抽吸作用互相耦合，有利于大尺度垂直上升运动增强。27日08：00，南支槽东移至桂东北，925 hPa低涡切变南压至柳州中部，地面辐合线南移到柳州南部，柳州大部处于槽后西北气流和地面冷空气控制，降水趋于减弱。上述分析表明，500 hPa高空槽、925 hPa切变线和地面辐合线是直接影响这次过程的天气系统，200 hPa南压高压、副高、850 hPa切變线的位置有利于降水的发生和维持。

3 水汽与动力条件

充足的水汽是暴雨形成的必要条件[12]。从过程平均比湿场来看，广西大部分925 hPa、850 hPa比湿分别达到14 g/kg以上，水汽充沛。柳州中北部的700 hPa比湿高于南部，说明其湿层更深厚。水汽通量散度表示水汽集中程度。26日20：00 925 hPa水汽辐合中心位于切变线附近的桂西北，柳州中南部由于偏南风和东南风的汇合形成次强的水汽辐合（图4）。27日02：00～08：00（图4），随着925 hPa切变线缓慢东移南压到柳州中西部，偏北风与偏南风、东南风形成的水汽辐合中心移至柳州中部，强度明显增强，中心值大于-8×10-8 g/（cm2·hpa·s），此阶段柳州中部降水强度达到最大。此后水汽辐合强度减弱，柳州降雨明显减弱。北部湾和南海北部是本次过程的主要水汽源地，偏南气流和东南气流形成两条稳定持续的水汽输送通道，是暴雨持续发展的关键因子。

暴雨发生还需强的上升运动。26日20：00，浅薄冷空气向南侵入暖区，促使暖湿气流抬升，低层辐合和高层辐散逐渐增强，上升运动也增强并向上伸展（图5）。27日02：00左右，高层辐散中心出现在400～300 hPa，达到3×10-5/s最强，低层辐合区伸展到700 hPa，并在925 hPa最强，垂直运动变得更加深厚，中心位于400 hPa，强度达到-1.20 Pa/s以上。上升运动的增强使水汽不断向上空输送并凝结成雨，从而降水增幅、强度达到最大（图6）。27日05：00后，低层辐合区下降，高层辐散强度明显减弱，上升运动对应减弱，雨强也随之减弱。雨强的变化与高层的辐散强度、垂直速度演变有较好的对应关系，尤其是高层辐散抽吸对于暴雨的增强至关重要。

4 对流不稳定条件

柳州无探空站，取附近的河池站进行分析。5月26日20：00，对流有效位能（CAPE）的形态呈狭长型，低层露点值较大，湿层较厚，可从地面延伸到600 hPa左右，中高层存在干区，表明对应的强烈天气除了短时强降水外，還伴随雷暴大风。风向从1 000 hPa至200 hPa顺转，暖平流输送较为深厚。从表1可知，CAPE高达2 500 J/kg以上，有强不稳定能量，K指数≥37℃，SI指数小于-2，不稳定层结明显，抬升凝结高度低于1 km，对流易于触发抬升。暖云层厚度达到4 000 m以上，小的垂直风切变有利于产生高降水效率。27日08：00，随着边界层弱冷空气侵入，触发对流性，不稳定能量得到释放，CAPE值迅速下降到300以下，SI指数变为-0.9，大气对流稳定度增强（图7）。

从CPAE空间演变看，26日20：00，地面冷空气逐渐渗透南下，CAPE高值区向南收缩，柳州北部能量已下降。27日02：00后，随着对流性降水增强，不稳定能量迅速释放，CAPE高值区已明显减弱南退。过程中柳州西部的CAPE强于东部，有利于强雨带偏向西侧。

5 中尺度对流系统演变特征

中小尺度系统（MCS）的发展状态将直接影响降水的强度和持续时间[13]。初期，偏南暖湿气流辐合和地形抬升作用在柳州南部和中部触发分散对流单体向东南方向移动，同时冷空气在柳州北界触发线状对流性降水向东南方向移动。26日11：35，线状回波与元宝山前的分散对流合并加强后继续快速南下，表现为尾随层状降水MCS[14]。27日02：00～05：00是短时强降水集中时段，图8为该时段雷达组合反射率（CR）和0.5°仰角径向速度的演变。27日02：08，在柳州中西部出现东北-西南向的地面辐合线，分散的对流单体逐渐在辐合线周围形成回波带，此后辐合线稳定维持，辐合线处有多单体回波不断新生，新生单体在高空槽前西南气流引导下向东北移并发展。较强单体的CR在45～55 dBz之间，列车效应使柳城寨隆-龙头-融安谭头不断有强回波经过造成强降水。回波为后向传播，合并加强的回波呈准静止的状态，强雨带沿着地面辐合线稳定少动。尤其在04：30，自罗城的强对流单体移到柳城寨龙，并入辐合线后对流得到进一步发展，使寨隆在04：00～05：00出现102.4 mm的最大雨强。05：00后，地面辐合线减弱，强回波的范围缩小和强度逐渐减弱，被层状云回波环绕其中，呈现出层状云环绕类MCS形态特征[15]。

强辐合区在径向速度图上（图8）现为逆风区在柳州中西部稳定维持，表明对流回波将一直处于持续发展态势，对应在CR上也是45 dBz以上强回波。短时强降水出现在逆风区前沿，径向速度辐合最大的区域。对04：30位于寨隆的强回波单体的风暴趋势分析表明，对流单体的垂直液体水含量基本在20～30 kg/m2，质心一直保持55 dBz左右，高度在2～3 km，低于零度层高度，具有低质心的热带型暖云降水特征，降水效率高。

地面中尺度辐合线对对流系统的触发、增强和组织发挥着重要作用，对流单体不断在地面辐合线生消合并形成中尺度雨带，对流回波具有准静止、后向传播、列车效应的特征，降水效率高，从而导致局地短时强降水。

6 主观预报与数值预报的误差分析

各级台站对柳州北部的降水预报偏强（图9），出现空报，而对中部的强降水考虑不足，出现较大漏报。欧洲中心数值模式（EC）25日20：00起报的预报场对500 hPa环流形势和700～850 hPa的切变线位置预报较准确，但在925 hPa上柳州中部和南部始终受偏南气流控制，未预报出对降水起关键作用的东南气流，偏南气流在夜间也较实况弱，预报27日08：00 925 hPa切变线比实况偏北。因此，EC模式预报的强降水主要位于黔桂交界的天气尺度切变线附近，导致预报的雨带较实况明显偏北，降雨强度明显偏弱，以稳定性降雨为主，对流性质明显错误。预报员在业务中常过于信任和依赖EC预报的环流形势，从而影响了主观预报。

实际上，本次强降雨对流性明显，主要是MCS的作用。虽然700～850 hPa的切变线始终维持在柳州北部边界，但边界层弱冷空气南下触发对流后快速南压至柳州中部，偏北气流与偏南气流、东南气流交汇剧烈，地面辐合线稳定维持，降雨在此发展并增强。柳州北部由于能量快速消耗，持续时间短，因此实况降雨较弱。然而大尺度全球模式很难正确描述出MCS的发生发展。对于本次过程，华东9 km中尺度数值模式25日20：00起报的雨量预报在柳州北部的降水与实况最接近，同时在中部报出了暴雨到大暴雨的强降雨带，这为预报提供了有效信息，但预报员考虑与全球模式预报的量级差别较大，最终没有采用。

7 结论与讨论

（1）本次过程发生在中高纬度“两槽一脊”、低纬“西低东高”的环流背景下，由500 hPa高空槽、925 hPa切变线和地面辐合线共同造成，200 hPa南压高压、西太副高和850 hPa切变线的位置有利于降水的发生和维持。弱冷空气和地形抬升触发对流发生发展，强降水主要出现在地面辐合线附近。

（2）925 hPa的水汽辐合强度和范围决定了降水强度和范围，偏南气流、东南气流不仅分别将北部湾和南海北部的水汽输送到暴雨区，两支气流的辐合对强降水的维持尤为关键。暴雨与边界层的动力辐合、水汽供应关系密切。南压高压东侧的分流辐散与低层辐合相互耦合促使上升运动增强，强降水发生时高层辐散强度和上升速度快速增强。

（3）中低层的暖平流为暴雨积蓄了不稳定能量，K指数较高，配合较低的抬升凝结高度和适中的垂直风切变。对流单体不断在地面辐合线生消合并形成中尺度雨带，对流回波具有准静止、后向传播、质心低、列车效应的特征，降水效率极高，对流性明显，从而导致局地出现较强的短时强降水。

（4）在EC预报的925 hPa切变线离本地较远、东南风与偏南风辐合不明显的情况下，预报员空报柳州北部的暴雨，漏报中部的强雨带。大尺度全球模式对由中尺度对流系统造成的强降雨过程预报能力有限，而华东中尺度数值模式对柳州北部的弱降水預报把握较好，对中部的强雨带也有一定体现，但未采用。

在今后短期预报工作中，应根据预报的强降雨性质和尺度综合考虑全球模式和中尺度模式的预报结果，当有可能出现中尺度对流性降水时，应重视和仔细分析中尺度模式的预报，及时修正强降雨落区，提高预报的准确率。

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责任编辑：黄艳飞

Abstract Based on the ground and high altitude observation data， automatic weather station observation data， Doppler weather radar observation data and NCEP FNL reanalysis data， the cause of a heavy rainstorm in Liuzhou in May 2019 was diagnosed by synoptic method， and the prediction error was analyzed.

Key words Rainstorm; Mesoscale conv-ective system; Boundary layer convergence; Weak cold air; Precipitation forecast error