一次盛夏极端暴雨中尺度特征分析及模式检验

摘 要：2023年8月1—5日受连续强降雨影响，舒兰市金马镇、开原镇和七里乡等地出现洪水漫灌、部分桥梁垮塌、道路受损等险情，大量农田受灾。利用MICAPS常规资料、国家级自动站与区域加密自动站逐小时降水资料、多种数值预报产品、FY4G风云卫星产品、多普勒天气雷达探测产品等探测资料，对此次极端暴雨天气过程进行了中短期分析、中尺度分析，卫星图像和雷达图像分析。结果表明：多尺度多系统之间作用产生了强的北部中尺度切变，稳定的大尺度环流决定了切变位置；冷涡与副热带高压后部暖湿空气汇合产生能量锋区，产生强迫抬升，切变与急流交汇处集中了大量级降水；地面辐合线是此次对流的中尺度触发机制；较好的能量和整层高湿高能的条件，为短时强降水提供有利环境。

关键词：极端降水；中尺度，模式检验；暴雨

中图分类号：P458.121.1 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–00-03

暴雨虽由不同天气尺度系统的相互作用产生，但一般产生暴雨尤其是极端暴雨的天气系统为中尺度对流系统[1]。中尺度系统直接启动强对流系统，大尺度系统又对中尺度系统提供环境条件，地面中尺度低压是辐合维持和水汽集中的重要机制，其中，尺度特征及形成机制等都是值得研究的问题。着重分析了极端强降水的中尺度特征和条件，检验了不同数值模式，提高对此类暴雨过程的认识，为此类暴雨预报提供参考。

1 降水实况及特点

受台风“杜苏芮”残余水汽北上和副热带高压后部切变的共同影响，吉林市出现了入汛以来最强一场区域性暴雨，2023年8月1—5日平均降水量为59.6 mm，

位列全省第一。各地区累计降雨量如下：舒兰114.5 mm，

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

磐石28.9 mm。全市出现累计降水量＞250 mm有3站，

100.0～249.9 mm有20站，50.0～99.9 mm有76站。过程降水量最大的站点出现在舒兰永胜林场，累计降水量为501.1 mm，为全省第一，远超历史极值。3 d累计雨量超过常年汛期总量，超过全年降雨量的70%。小时雨强最大站出现在舒兰金马镇，累计降水量为

95.7 mm。极端强降水站点落区均在舒兰市东部。

此次降水范围广，持续时间长，维持3 d以上，降水梯度较大，呈东多西少，北多南少，强降水中心位于舒兰市东部山区。7站次出现小时雨强＞50 mm短时强降水，3站次出现小时雨强＞70 mm短时强降水。强降雨时段集中，出现在傍晚到前夜，具有明显的阶段性的日变化特点。8月2日17：00～22：00降水量超过150 mm；3日17：00～22：00降水量超过240 mm；2次强降水量占总降水的78%。雨带稳定，雷达回波呈现“列车效应”，最强的两段降水落区重复，导致局地极端性强，致灾性强。

2 成因分析

2.1 环流背景

此次极端降水由多尺度多系统共同作用下发生的。2023年8月1日08：00过程发生前，欧亚大陆呈两槽一脊形势，吉林省受副热带高压外围控制，位于584 dagpm和588 dagpm线之间。20：00，副热带高压西伸增强西脊点位于80°E以西，中心值达592 gpm，副热带高压南部有台风北上，将使副热带高压收缩减弱。随着时间的推移，大兴安岭以北的冷涡逐渐加强，冷涡西部的横槽集聚了冷空气，缓慢旋转东移。8月2日08：00，588 dagpm线已南退至吉林省外，降水逐渐开始。8月2日20：00，副热带高压加快速收缩，西南急流逐渐加宽加强，带来暖湿空气，吉林省处于暖区，北部有高空槽影响，槽后脊不断发展加强，东北风加强，源源不断地带来冷空气。冷空气与副热带高压外部西南急流带来的暖湿空气在黑龙江和吉林两省交界处交汇，两股强盛气流使斜压性增强，形成了稳定少动的切变，抬升运动显著加强，降水区正位于西南急流头部和北部切变的交汇处。8月3日降水区受暖锋控制，暖区中存在中尺度辐合，8月4日转为冷锋后部，中尺度对流系统后部的入流作用是中尺度低压槽的形成

原因。

2.2 中尺度分析

2023年8月2日20：00的中分析来看，500 hPa有弱冷空气，全区底层水汽条件好且伴有切变，中低层明显的西南气流将暖湿空气输送至北部切变线附近，切变线自低层到高层向暖区略有倾斜。8月3日20：00，

高空冷空气下沉形成干线，相较于前日高层有明显的大风速带呈辐散，干冷空气从西北部入侵黑龙江和吉林交界，斜压性增强，中低层有多个层次的暖脊配合，低层呈现高温高湿的状态，上干冷下暖湿，有利于强对流的发生，北侧暖切变稳定维持，有利于水汽的积聚以及触发不稳定能量。

8月4日20：00，整层水汽较好，700 hPa也可以分析出较饱和水汽，西北部有高空槽，槽后有较强干冷空气入侵，锋生效果明显，低层有暖湿空气，降水区由暖锋变为冷锋控制，地面有“人”字形切变线，触发了强降水。此外，从散度场垂直剖面图上可以看到，高层有明显的辐散，底层有辐合，抽吸作用加强了上升运动。高低空急流的耦合有利于上升运动的维持和发展。

2.3 水汽条件

从相对湿度垂直剖面图可以看出，整层大气水汽很深厚，饱和水汽发展到200 hPa以上，配合了深厚的上升运动。本地水汽充足，大气可降水量达到70 kg/m2

以上，925 hPa比湿达到18 g/kg。水汽通道的建立，存在西南－东北向的水汽输送带，数值都在18 g/（hPa

·cm·s）以上，及时补充被强降水消耗的大量水汽，为暴雨发生提供了极好的水汽条件。

2.4 热力条件

假相当位温能在一定程度上反映不稳定能量的大小。当低层位温水平梯度足够大时，说明强水平能量峰区存在，有利于强对流天气的发生发展，水平梯度越大锋生越强[2-5]。8月2—4日的假相当位温梯度大，并随高度向东伸展，头部位于两省交界处，暖空气强盛，等值线密集，斜压性增强，锋生显著。垂直速度加快，发展迅速，并且十分深厚，对流有效位能在不同时次也有相应的大值区对应。

2.5 探测产品分析

2023年8月2日夜间，低空气流头部位于降水区南部，风速有辐合，自降水区西部生成的低质心回波，沿切变线不断东移，形成“列车效应”影响北部地区，探空图上来看，整层水汽近饱和，并伴有一定能量，底层风场存在较强暖平流，形成了1条带状中尺度对流系统，19：00开始舒兰市东部受其影响出现了

90 mm/h以上的强降水。19：00～22：00持续新生的对流单体有序组织化排列，整体向东发展成水平尺度约100 km，呈东西走向的带状多单体风暴，有明显后向传播。强度高于40 dBz的反射率因子在7 km高度以下，具有暖云降水的特征，质心较低，有利于产生高效率的降水。

8月3日夜间，切变线东移南压，低空急流加强，边界层风向对峙边的地面中尺度辐合线稳定维持，雷达回波沿着切变线方向形成带状对流系统，带状云系中镶嵌着多个对流单体，呈东西走向的多单体带状风暴，后向传播特征明显。对流单体呈“列车效应”不断向东移动和发展，到达舒兰东部形成超级单体，可以看到底层明显弱回波区，质心较高。8月4日夜间，冷空气逐渐南压形成切变，自西向东影响降水区，探空图呈喇叭口形态，中层有干冷空气侵入，CAPE值增大，雷达回波形成组织结构更强的超级单体，吉林城郊站出现20.6 m/s的雷暴大风。从雷达速度图上可以看到，清晰的零速度线在低空呈反“S”形，入流急流和风向辐合明显。并且可以看到入流风速的大值中心达到-32 m/s。

风云4卫星产品具较高的时空分辨率，是强对流天气监测和临近预报的重要技术手段，通过卫星云图可以实时和预判中尺度对流系统的变化规律[6-7]。从

8月2日的风云卫星真彩云图可以看到，云团从初生发展到成熟阶段约为2.0 h，成熟阶段维持时间约为4 h，减弱消散期约为2 h（图1）。云团从初生到消亡的整个生命史平均约为8 h。云团在发展过程中结构密实，云团范围扩大且强度发展快，形成较为强大的对流单体，此阶段就会出现短历时强降水。到成熟阶段云团强度达到最强，温度递减率增大，平均高度下降，云团覆盖面积达到最大，而且稳定少动，短历时强降水的范围扩大，云团最强中心的云顶平均温度在-50 ℃左右，最强发展到-60 ℃左右。到减弱消散阶段云团开始分解，强度迅速减弱，外轮廓呈丝缕状，云团结构松散，降水迅速减少[8-11]。

图1" 2023年8月2日18：00～22：00 FY4A真彩云图变化（a）、18：00～21：00云团覆盖面积、温度递减率、高度、亮温（b）

2.6 地形及前期降水影响

此次降水落区分布与地形联系紧密，在东部长白山地形增幅作用的影响下，对流云团被触发，东移至山体被迫抬升，产生了对流。此次受灾较严重地区集中在北部的舒兰市，受地形和河道等因素的共同影响，舒兰市洪水致灾机理复杂，尤其是山谷中的平原地带易于受灾。此外，前期雨量集中，从7月27—31日舒兰市平均降水量为63.7 mm，土壤饱和，降水中心仍位于舒兰市东部山区。此次降水雨强大，落区重复，产生叠加影响，增加山洪和中小河流风险[12-14]。

3 模式检验

模式检验可以从模式预报稳定性分析、模式对比检验2个方面进行分析。

从ECMWF预报2023年8月1日08：00、2日20：00、3

日08：00 3个时次起报的8月3日20：00的形势场与实况对比来看，环流形势预报比较稳定，黑龙江和吉林交界处的槽脊及切变线位置偏北，随着预报时次的刷新，略向南调整。但8月1日前的起报时次，平均降水量和极大值落区预报与实况存在一定差距。将降水

分成4个阶段，选取ECMWF、CMA-GFS、CMA-TYM、

CMA-MESO、CMA-BJ、CMA-TRAMS共6家数值模式分别对落区，降水量级和极大值对比。对比结果表明，落区预报最好的是CMA-TRAMS，量级是CMA-GFS，极大值是CMA-MESO。此外，在强降水阶段TYM综合预报能力也较强，从前夏冷涡对流过程中各家模式的检验经验来看，中尺度模式对局地对流性极端降水预报能力相对较强。

4 结论

（1）持续的降水时间，充沛的水汽条件，深厚的上升运动是此次区域暴雨的主要成因。稳定少动的形势也使得中尺度的降水落区重复，形成了局地的极端降水。大尺度环流系统有利于形成强天气的环境条件：它不仅可以决定中尺度系统的种类和变化进程，还可以影响中尺度云团的组织结构、强度和移动扩展。中尺度系统的发展变化也对大尺度系统产生影响，两者相互依赖、相互制约。

（2）冷涡与副热带高压后部暖湿空气汇合产生能量锋区，产生强迫抬升，切变与急流交汇处集中了大量级降水。此次大暴雨过程的对流触发机制如下：整个环境场存在高能、高湿条件，底层有东北风与西南风形成的辐合线，是对流触发机制。低空急流入夜后开始加强，气流遇山体辐合和地形增幅作用，上升运动也有所加强，将辐合线稳定维持在适宜的层结高度。中低层垂直风切变较强，使对流能在较低的高度迅速发展，形成高组织化的对流云团。

（3）台风外围大量水汽随着副热带高压后部急流不断输送到降水区，能及时补充被强降水消耗的大量水汽。高低空急流的存在产生高层辐合底层辐散，使降水维持较长的时间。多尺度多系统之间作用产生了强的北部中尺度切变，稳定的大尺度环流决定了切变位置。

（4）较好的能量，整层高湿高能的条件，中尺度辐合线触发深厚的上升运动，为短时强降水提供有利环境。

（5）极端的强降水难以预报，中尺度数值模式虽有一定指示意义，但极值的量级的把握仍存在较大偏差，应在服务过程中不断订正预报结论，弥补模式的不足。

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收稿日期：2024-06-19

作者简介：段家月（1991—），女，吉林扶余人，工程师，研究方向为短期天气预报。