湘潭2021年5月一次强降雨天气过程诊断及预报偏差分析

张 悦 刘二影 游枭雄 何 宁 戴 劲 叶梓杰

（湘潭市气象局，湖南 湘潭 411100）

0 引言

暴雨是中国南方地区影响范围最广、发生频次最多、次生灾害最为严重的自然灾害之一，暴雨日数多、主汛期时间长是湖南雨季的重要特点［1-2］。精准的强降雨预报不仅需要总结分析历史个例，也需要人为订正数值天气预报模式，因此结合多种数值天气预报模式对强降雨预报进行有效订正十分必要。很多研究指出，暴雨的发生多是中小尺度天气系统作用的结果，在多普勒雷达径向速度图上，“辐合点”“中气旋”的出现均有利于暴雨的发生［3-5］，而地面中度辐合线可以使强降雨对流云团得到触发和加强［6-13］。王丹丹等［14］指出针对春季中小尺度强对流天气过程，大尺度模式对冷暖空气势力准确把握度有限，需加强对区域数值预报模式的联合应用；钟琦等［15］指出高频次和低强度降水偏差是模式预报的普遍问题。虽然前人已经对暴雨和强对流天气的发生机理和预报偏差进行了大量研究，但是此类天气局地性强、可预报性有限，加强湘潭本地个例分析还是很有必要的。2021 年5 月湘潭因强降雨引发的地质灾害高达28 起，强降雨预报的落区和强度均偏差较大，5月10日至11日天气过程就是一次典型的强降雨漏报过程，本研究通过对此次强降雨天气过程进行诊断分析和预报偏差探讨，研究结果可为今后强降雨的预报预警提供一定的参考依据。

1 资料与方法

本研究分析所使用的资料包括常规天气资料、地面气象观测资料、雷达资料和再分析资料，时间长 度均为2021 年5 月10 日08 时 至11 日20 时。常规天气资料来自从气象信息综合分析处理系统（MICAPS）读取的高空观测和地面观测资料；地面气象观测资料来自湘潭市3 个国家气象观测站和126 个区域自动站气象站的小时雨量监测数据；雷达资料为湘潭多普勒天气雷达资料，时间分辨率为6 min；再分析资料主要有两种类型，一是使用了美国国家环境预报中心（NCEP/NCAR）提供的逐四小时数据分析水汽和动力条件，空间分辨率为2.5°×2.5°，二是使用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA5 小时数据分析热力条件，空间分辨率为0.25°×0.25°。

2 结果与分析

2.1 主要影响系统及天气实况

从5 月10 日20 时高空天气图（图略）分析发现，200 hPa 上湖南省位于高空急流右侧的分流辐散区，利于上升运动的维持。500 hPa 高空槽位于四川省东部，湖南省受槽前西南暖湿气流控制，具有较好的能量条件和湿度条件。700 hPa 及850 hPa 切变线均位于湘西北，位相重叠较好，西南急流旺盛，湘潭地区位于急流出口区左侧，并在中低层显著湿区内，高能高湿的状态利于强对流天气的发生。从地面天气图（图略）分析发现，湘潭市位于低压倒槽内，且10日17时至11日05时一直有地面辐合线存在，利于强对流天气的触发。因此，受高空槽、西南急流及地面辐合线共同影响，5 月10日至11 日湘潭市普降中到大雨、局地暴雨，并伴有雷电、短时强降雨和局地雷雨大风。据湘潭市3 个国家气象观测站和110 个区域自动气象观测站监测显示，5 月10 日08 时至11 日08 时共出现36 站大雨、11 站暴雨，平均降雨量为26.0 mm，最大降雨量为94.5 mm（湘潭县白云小学）；强降雨时段主要为11 日凌晨，最大小时降雨量为37.7 mm（湘乡市朱津渡，11日02时至03时）；湘潭县梅林桥村出现17.4 m/s的雷雨大风（11日01时12分）。

2.2 物理量诊断

2.2.1 水汽条件。水汽是强降雨的燃料，只有源源不断的水汽供应才能使降雨得以发生和维持。850 hPa 水汽通量散度和比湿综合图显示，10 日白天至夜间，湘潭地区一直处于水汽通量辐合的高湿状态，白天比湿均在11 g/kg 以上，夜间（图1a）比湿开始逐渐增加，比湿梯度呈明显的“东北—西南”向。02 时（图1b）以后比湿增至13 g/kg 以上，且维持时间较长、大值区偏南。对应在雷达图上，此时回波加强，南部地区出现大片45 dBz 以上强回波，标志着强降雨最强时段的开始，也是此次过程暴雨点出现的地方。前期的水汽通量强辐合为湘潭本地提供了良好的水汽条件，导致绝对湿度的持续偏高，对强降雨的发生有利。

图1 850 hPa水汽通量散度（填色，单位：10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1）和比湿（等值线，单位：g·kg-1）分布

2.2.2 动力条件。动力抬升是暴雨发生的触发条件，系统性的上升运动有利于暴雨天气的发生和维持。从5 月10 日夜间的垂直速度经向剖面图可以看到，湘潭地区上空整层为负速度，为上升运动区。20时开始负速度中心自西向东影响湘潭市，11 日02 时（图2a）为垂直运动最强时段，700 hPa 出现-0.25 m/s 的负速度中心，上升运动强烈，这样的状态一直持续到08 时。从散度（图2b）的时间-高度剖面图来看，5月10日至11日湘潭地区有着明显的低层辐合、高层辐散的垂直结构，为低层暖湿空气的抬升提供了良好的动力条件。特别在10 日20时以后，850 hPa以下低层辐合明显加强，到了11日02时低层出现-1.2 s-1以下的强辐合中心，对应高层200 hPa出现1.5 s-1的强辐散中心，这样的高低空配置持续至08 时，动力条件好，正好与强降雨发生时段对应。从涡度（图略）垂直分布来看，500 hPa 以下均为正涡度区，抽吸作用有利于系统性上升运动的维持。由于上升运动强，且有低层辐合、高层辐散的高低空配置，利于能量的垂直传输，为强降雨提供了很好的动力条件，因此10 日夜间，湘潭市出现了短时强降雨，并伴有局地暴雨。

图2 5月11日02时垂直速度沿27.5°N的经向剖面图和散度时间（UTC）-高度剖面图

2.2.3 热力条件。系统性的暴雨过程往往是伴随强的对流降雨，此次暴雨过程发生在10 日夜间，有16 个区域站出现了20 mm/h 的短时强降雨。热力条件是对流性降雨发生的有利因子，因此对热力条件的分析很有必要。从10日20时长沙站探空图（图略）可以发现，K 指数为41.5，层结不稳定，有一定的对流潜势，利于强对流天气的发生，且925 hPa附近有逆温层存在，利于不稳定能量的积聚。从再分析资料可以看出，10 日夜间湘潭地区CAPE 值一直维持在1 000 J/kg 以上，11 日00 时前后强降雨开始发展，02 时的对流有效位能（CAPE）分布上（图3a）看，高值区位于中东部，到了05 时高值区东移，移动方向与强降雨回波的移动方向一致。对应地，K 指数也一致维持35 以上的高值状态，02 时（图3b）局地达到39～40，与降雨最强时段一致，湘乡市朱津渡区域站在02时至03时小时雨强达37.7 mm。05 时全市K 指数仍在37 以上，仍然有30 dBz 以上的降雨回波不断生成移动。由此可见，本次降雨过程的CAPE值和K指数都偏高，且层结不稳定，加之低层有逆温层存在，整体热力条件有利于对流性降雨的发生。

图3 5月11日02时对流有效位能和K指数分布

2.3 雷达回波诊断

通过对湘潭多普勒天气雷达资料分析，发现湘中一带10日午后就开始有多个对流单体发展，最大回波强度达74.5 dBz，并向东北方向移动，对湘潭市影响较小；20时之后西部开始有回波生成并向湘潭市移动，23 时回波东移加之本地回波生成发展，湘潭市西北部开始出现明显降雨；11日01时雷暴系统快速移动至湘潭县时，造成了17.4 m/s 的雷雨大风（湘潭县梅林桥村）；随着雷暴的生成发展，11 日03时左右湘潭东南部出现飑线，最大小时雨强为37.7 mm（湘乡市朱津渡，11 日02 时至03 时）；之后随着地面辐合线的南移，较强回波移出湘潭市，本地及上游地区无新生单体，此次过程趋于结束。分析风暴结构特征可知，强度大于40 dBz的回波扩展到-20 ℃等温线以上，此次降雨过程为典型的大陆强对流型降雨。由于夜间地面低压倒槽的维持，不断有雷暴单体沿辐合线生成并向东北方向移动发展，形成了“列车效应”，给湘潭地区带来了持续的强降雨，强降雨落区与地面辐合线位置较吻合，地面辐合线对雷暴的触发是此次强降雨产生的重要原因。

2.4 预报偏差分析

2.4.1 降雨落区和强度偏差分析。5 月10 日20 时至11 日08 时湘潭地区实况出现了中到大雨、湘乡南部及湘潭县局地出现暴雨，虽然不同数值模式对晴雨预报均准确把握，但在降雨落区和强度上偏差较大。欧洲中心数值模式（简称EC）降雨量预报与实况相比整体偏小，落区和强度均没有体现，此次强降雨过程出现漏报；GRAPES-3KM 数值模式降雨量级有很好的指示作用，部分大雨、局地暴雨均有体现，但降雨落区偏差较大，雨量大值区预报在湘潭市西北部，而实况出现在湘潭市东南部；华东中尺度数值模式预报在量级与落区上都存在较大偏差，量级偏大、落区偏西，此次强降雨过程出现大面积空报；华南中尺度模式整体降雨量偏大，出现大暴雨降级空报，但是落区预报有一定的指示意义，最大降雨落区出现在湘潭市东南部，与实况较为接近。总体来说，对于此次强降雨天气过程的预报，GRAPES-3KM 的降雨量级预报和华南模式的降雨落区预报有一定的指示意义。

2.4.2 天气系统偏差分析。此次湘潭地区强降雨天气过程预报主要参考EC模式预报，因此本研究对EC 高度场和风场预报进行偏差分析，为以后本地预报员进行天气系统有效订正提供一定参考依据。

对比500 hPa 高度场的EC 预报与实况，分析发现环流形势基本一致，湘中以北处于高空槽前，但模式预报的高空槽偏浅、移速偏慢。日常制作天气预报过程中，预报员多关注对副热带高压有指示意义的588 hPa 等高线，对比发现模式预报的588 hPa等高线较实况相比位置偏南。因此此次强降雨过程在高度场预报上，环流形势与实况较为接近，但对高空槽强度、移速以及副热带高压的预报存在一定偏差。

对比700 hPa和850 hPa风场的EC预报与实况，可以发现700 hPa 低涡中心实况位于川渝交界，EC预报的低涡中心偏东北方向，低涡中心的位置偏差会对切变线位置影响较大。实况切变线位于湘西北，湘中及以南地区均位于切变线南侧的西南急流区域内，而EC 预报的切变线在鄂北地区，预报较实况切变线位置偏北。对比湖南省探空站的风向风速，西南风的风向预报正确，但风速有偏差。长沙站和郴州站均为20 m/s、预报偏小，怀化站为12 m/s、预报偏大。与700 hPa 类似，850 hPa 切变线实况位于湘西北，EC 预报在湖北南部，预报较实况切变线位置偏北。对于西南急流的预报，EC 预报强度总体偏强，导致了切变线预报偏北。总体来说，中低层的风场预报在湘中一带偏差较大，表现为急流偏强、切变线偏北，是导致此次强降雨出现漏报的主要原因。

3 结论与讨论

3.1 结论

通过对湘潭地区2021年5月10日至11日强降雨天气过程诊断和预报偏差分析，主要得到以下结论。

①此次强降雨过程是在高能高湿环境下发生的，并伴有短时强降雨和局地雷雨大风等强对流天气。高空槽和中低层切变线为此次强降雨过程提供了较好的动力条件，西南急流源源不断地水汽输送提供了良好的水汽条件，地面倒槽、辐合线的存在则是此次强天气的触发条件。

②物理量诊断发现，此次天气过程期间绝对湿度持续偏高，且垂直高度上有深厚的湿层配合，有持续性的垂直上升运动存在，典型的低层辐合、高层辐散和正涡度区均为上升运动的维持提供了良好的环境条件。近地层逆温利于不稳定能量的积聚，使得CAPE值和K指数持续偏高，热力条件有利于对流性降雨的发生。

③此次降雨过程为典型的大陆强对流型降雨，快速移动的雷达回波和飑线使得湘潭本地出现短时强降雨和雷雨大风，且伴有“列车效应”，利于出现降雨累积量偏大。地面辐合线与雷达回波位置较吻合，是此次强降雨产生的重要原因。

④目前业务工作中常用的大尺度数值模式对局地性强的对流性降雨可预报性较差，EC 预报的天气系统在位置、强度和变化上均存在一定偏差，容易出现漏报。在降雨落区和强度的预报上可以适当参考中尺度模式，虽然有一定的空报，但对预报员有警示作用。此次天气过程各家数值模式总体偏差较大，但GRAPES-3KM 的降雨量级预报和华南模式的降雨落区预报有一定的指示作用。

3.2 讨论

春夏之交的强降雨过程均伴有强对流天气的发生，降雨性质多为对流性，局地性强、可预报性低，此次强降雨天气就是一次典型的过程漏报，因此对该类强降雨天气的诊断分析和偏差分析很有必要。通过对此次强降雨天气过程诊断分析发现，即使数值模式对天气系统的预报存在偏差，但是预报员可以利用当天的实况天气图进行结合判断，对可能影响的天气系统进行对比订正，应特别关注地面辐合线等中小尺度天气系统。同时加强天气雷达资料的应用，可利用雷达组网回波拼图分析，更好地了解降雨回波的发生、发展和移动过程，进行外推预判降雨回波对本地的影响程度。在今后的研究中，也需要继续加强强降雨天气过程的个例分析，不断积累经验、凝练本地预报预警指标，切实增强湘潭强降雨天气过程的可预报性。