海南島春季一次特大暴雨過程的成因及其預報偏差

石 娟，鄭 艷，吳 俞

（1.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 ?？?570203；2.海南省氣象臺，海南 ?？?570203）

海南島是華南暴雨多發地區，雨季時間跨度大，從每年5月持續到10月［1］.暴雨往往引發局部地質災害，城市內澇和泥石流等災害.海南島的非臺極端暴雨多發生在秋季［2-5］，一般和熱帶輻合帶有關，同時受海南島東岸特殊地形影響，強降水中心多集中在東部地區.影響海南島春季的災害性天氣一般是強對流伴隨的冰雹，龍卷，雷雨大風，短時強降水等［6］，如2016 年4 月11 日凌晨海南島西北部近海的雷暴大風造成儋州市北部附近海域人員傷亡.4～6 月為華南前汛期，華南前汛期的暴雨，多與南下冷空氣活動有關［7-9］.也有一類降水不伴隨鋒面或其他明顯天氣系統，稱之為暖區暴雨［10］，暖區暴雨具有突發性強，小時雨強大等特點，多和中小尺度系統的演變有關.海南島春末夏初的極端暴雨發生頻率相對較低，2022年4月30日夜間至2022年5月1日白天，海南島東半部大部分地區出現100 mm 以上的大暴雨天氣過程，局地出現200 mm以上的特大暴雨，降水時間段集中.各家數值模式對此次暴雨過程的天氣形勢和暴雨落區雖然有一定的預報能力，但是對4 月30 日夜間海南島東部的局地極端暴雨和5 月1 日白天北部的大暴雨預報均比實況明顯偏小，預報員在發暴雨預警的時候也未能預判出降水將達到紅色暴雨預警級別，因此有必要深入分析此次極端降水和預報偏差的原因，總結預報服務的經驗和不足，為今后精準預報提供支撐.

本文利用海南島區域自動站資料、衛星TBB 資料、海南雷達產品資料和歐洲中心ERA5 再分析資料，從環流形勢、降水分布與變化、系統演變、模式預報偏差等方面對2022年4月30日夜間至2022年5月1日白天的暴雨過程進行分析.

1 資料

本文采用的資料包括：①海南島高分辨率地面自動站資料（包括自動站小時雨量和風場資料）；②間隔為6 min的?？诘貐^雷達組合反射率因子資料；③葵花8衛星資料；④歐洲中期數值預報中心（ECMWF）時間間隔為1 h、空間分辨率為0.25°×0.25°的第五代全球再分析資料（ERA5資料）和相同空間分辨率、時間間隔為6 h的歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）和中國氣象局廣州數值預報模式資料（CMA-GD）.

2 降水實況

2022 年4月30日20時至2022年5月1日20時，受冷空氣和低層切變線等系統共同影響，海南島東半部地區出現大暴雨過程，大暴雨帶主要位于文昌、定安、瓊海和萬寧地區.瓊海和萬寧兩個市縣共15個鄉鎮雨量超過200 mm，其中4個鄉鎮雨量超過300 mm，最大日降水量中心為瓊海市博鰲鎮349.2 mm，定安、瓊海、萬寧三個國家基本站日降水量突破同期歷史極值，降水落區呈東北-西南向分布（圖1a）.此次降水過程分為兩個階段，第一階段從5月1日0時開始，1日09時強降水趨于結束.第二階段從1日12時開始，15 時趨于結束.分別從兩個時段海南島累積降水分布圖（圖1b、圖1c）可看出，第一階段的降水落區主要分布海南島東部的瓊海和萬寧的沿海地區，降水極大值位于瓊海博鰲鎮，累積雨量達233.3 mm.第二階段的降水落區位于?？诘哪喜亢投ò驳谋辈康貐^，北部的定安縣城3小時累積雨量達107.8 mm.

圖1 海南島不同時間段累積降水量分布（a、b、c）和部分站點逐小時降水直方圖（d）

從此次過程強降水中心的逐時降雨直方圖（圖1d）可以發現，第一階段的降水具有小時雨強強，強降水范圍大的特點.第二階段強降水中心主要位于定安地區，14時與15時兩個小時的小時雨強均超過40 mm.

3 強降水成因及模式預報偏差分析

3.1 環流背景和大氣層結條件分析暴雨發生期間的環流形勢，從圖2 可以看出，4 月30 日23 時（圖2a），副熱帶高壓加強西伸，海南島受副高西南側的東南氣流影響，鋒面位于華南沿海，中南半島東部有低渦發展，海南島東部和南部的水汽通量大值區在15～18 g·（cm·hPa·s）-1.5月1日04時（圖2b），925 hPa上，輻合帶從12° N 北抬至15° N，海南島東部海面的偏東氣流風速加大，在島上有東南和偏東氣流的輻合.5月1 日11 時（圖2c），海南島北部等壓線梯度明顯加大，925 hPa 出現東北氣流，最大風速達到22 m·s-1，另一方面東北急流伴隨著較好的水汽條件，水汽通量中心達30 g·（cm·hPa·s）-1，將南海北部的水汽輸送至海南島東北部地區.5 月1 日15 時（圖2d），925 hPa 上，海南島上有明顯的東北和東南氣流的輻合，且北部維持水汽通量大值區.低層輻合和較好的水汽輸送為此次暴雨提供有利的動力和水汽條件.

圖2 500 hPa高度場、925風場和水汽通量疊加

從?？诘奶娇請D來看，4 月30 日20 時（圖3a）和5 月1 日08 時（圖3b）兩個時刻，兩個時刻抬升凝結高度（LCL）較低，暖云層厚度到600 hPa 附近，說明可降水量高，降水效率高，溫度廓線和濕絕熱線從低層到中高層都非常接近，形狀呈狹長形，說明其整層濕度較大，K 指數達34 和36.9，30 日20 時對流有效位能（CAPE）為1 171 J·kg-1，對流抑制能（CIN）僅為0 J·kg-1，對短時強降水發生十分有利.低層0～3 km 垂直風切變為5 m·s-1，中層0～6 km垂直風切變明顯增大至10 m·s-1，有利于對流的組織和發展［11］.

圖3 ?？诘貐^T-logP圖

3.2 強降水系統發展演變

3.2.1 對流系統演變特征分析?？诶走_資料和衛星TBB 演變發展（圖4）可知，5 月1 日02 時（圖4a），對流云團在海南島東部海面發展，沿著海岸線向東北方向移動，云頂亮溫最低中心達212 K.02～03時強回波主要停留在萬寧地區，04 時開始向北部移動（圖4b），04～06 時短時強降水落區主要分布在海南島的瓊海地區.5 月1 日白天海南島北部強降水的中尺度對流系統前期表現為東北西南走向的帶狀對流伴有列車效應，后期表現為準靜止塊狀對流，對流持續時間長達4 h.

圖4 雷達組合反射率因子和葵花-8衛星紅外云頂亮溫演變圖

1日11時，海南島定安北部地區對流單體A開始發展，隨后，海南島西南部地區的對流開始活躍，沿著700 hPa 西南向引導氣流不停地向東北部地區移動，發展成近西南—東北走向的對流帶，對流回波垂直剖面顯示≥45 dBZ強回波集中在0o層以下（圖略），呈現低質心暖云特征，降水效率高.

1日13時（圖4d），在定安西南部局地觸發新的對流單體B，14時（圖4e），云頂亮溫最低中心達220 K，對流單體B 向東北移動，和A 合并成C，云團在定安縣城發展增強；造成14 時、15 時定安縣城小時雨量分別達48.1 mm 和43.9 mm.16時之后，隨著低層切變線減弱，云團減弱，云頂亮溫升高，海南島北部的降水趨于減弱結束.可見，海南島北部的暴雨主要由中尺度對流云團連續影響造成，“列車效應”顯著.

3.2.2 渦旋演變特征分析地面自動觀測站風場可知，5 月1 日01 至5 月1 日03 時（圖5a、b），萬寧地區東部沿海的測站風速明顯加大，最大風速達22 m·s-1，萬寧地區西部海拔高，東部為平原，處于迎風坡，地形可使中低層暖濕氣流在迎風坡聚集，使暴雨有增幅作用［12］.當東北風朝著萬寧的喇叭口地形灌進時，由于地形的收縮，引起輻合上升運動加強，同時，海岸線附近，由于海陸摩擦的差別，沿海岸造成了輻合線，該輻合線長期維持，對流得以組織并發展，造成強降水的發生［13］.5 月1 日12 時（圖5c），受南下冷空氣影響，在海南島定安的西部地區已經開始出現偏北風和西南風的切變，隨后隨著東北氣流的加大，切變線向東南方向推進，定安地區北部轉成偏北氣流（圖5d），引導地面冷池氣體繼續向南入侵，中低空西南暖濕氣流持續加大疊加在冷池之上，促使風速輻合輻散區繼續發展，因而列車效應得到長時間維持.同時定安西部地區風向轉為偏西風，東部為東南氣流，三支氣流在定安地區形成了中尺度渦旋.慕建利等［14］對2005年6月一次華南特大持續性暴雨過程中的中尺度擾動進行分析發現，強降水主要發生在地面靜止鋒、鋒前暖區的中尺度切變線和中尺度渦旋附近.許愛華等［15］研究表明，邊界層輻合線的動力擾動往往是強對流天氣的重要觸發者.此次定安地區對流主要位于中尺度渦旋附近，顯然也和中尺度渦旋伴隨的輻合有密切關系.

圖5 海南島自動站地面風場

3.3 關鍵物理量診斷分析

3.3.1 異常度分析文中用標準化距平進行異常氣象因子分析，定義物理量x的氣候平均標準差σ為：

式中，F為某一變量在一個時刻的值，M為1991—2020年30 a同期氣候平均值，則標準化距平I為

標準化距平可以表示觀測樣本與氣候平均狀況的偏差程度［16］.通常認為，標準化距平超出±0.5σ為較為異常，±2.5σ以上可用于判定極端天氣實踐中因子異常特征.海南島自動站降水資料統計顯示，5月1日01時至5月1日05時，東部的瓊海和萬寧地區共有17個自動站累積降水達100 mm以上，最大出現在萬寧山根鎮為160.6 mm.基于ERA5逐小時資料（空間分辨率0.25°×0.25°），計算了整層大氣可降水量和水汽通量的異常度.結果顯示，5月1日01時至5月1日05時，海南島整層大氣可降水量整體高于50 mm，標準化距平大于0.5σ（圖6a），環境水汽條件非常有利于強降水；850 hPa 上，海南島東南部海面有明顯的高水汽通量區（圖6b），中心值達20×10-6g·(cm·hPa·s)-1，標準化正距平達2σ以上，有利于形成極端強降水.

圖6 2022年5月1日01時至05時疊加標準化距平圖

3.3.2 物理量演變特征分析4 月30 日夜間萬寧香車水庫（圖7a）和5 月1 日白天定安（圖7b）暴雨中心的風場及垂直速度隨高度時間剖面圖（圖中時間為北京時），4月30日20時至5月1日0時和5月1日04時至5 月1 日08 時分別有強垂直上升運動，700 hPa 到300 hPa 出現東南風—西南風的暖式切變，600 hPa 以上為西南風輸送，最強達10 m·s-1.5 月1 日14 時，低層的風向轉為偏北風，隨后，風速明顯加大，并向上延伸至800 hPa附近，700 hPa以上為西南氣流輸送，風速最大達12 m·s-1，13-16時，從低層到高層300 hPa附近有強烈的上升運動，15時最強中心達-3 Pa·s-1，為暴雨提供了有利的動力條件.

圖7 風場和垂直速度高度-時間演變和風場、假相當位溫、散度（陰影區）剖面圖

沿海南島西北-東南向過暴雨落區做剖面，結果顯示，5 月1 日12 時（圖7c），定安（19.6°N，110.3°E）西側1 000—900 hPa開始吹偏北風，偏北風分量中心達16 m·s-1，其東側為東南氣流，說明冷空氣還未影響定安地區，而冷空氣經過之處低層有較強的輻合中心，900—700 hPa有較強的輻散.5月1日15時（圖7d），110.4°E以西低層均轉為東北風，風速繼續加大，定安地區附近的輻合中心向上延伸至950 hP附近，800—600 hPa 的輻散也有所加強.從熱力條件分析可知，110.3°E 以東的地區900 hPa 以下大氣中的θse均大于348 K，中心值達356 K，從地面到600 hPa，-?θse/?p＜0，大氣層結不穩定，在110.3° E 以西800 hPa 以下大氣有近似垂直的等θse線鋒區，說明此時冷空氣在此處堆積，在東北風的引導下，不斷向海南島東部地區傳輸，冷暖氣流在北部地區交匯促使定安14 h—15 h出現43.9 mm·h-1的短時強降水.

3.4 模式預報偏差分析目前，數值模式對大尺度降水主體落區的預報能力提高較快，但對中小尺度降水的預報仍不理想.分析業務預報中參考權重較大的EC模式對此次暴雨過程的預報，發現其對暴雨的落區預報趨勢基本正確，但是對降水預報量級比實況明顯偏小.ECMWF確定性預報和CMA-GD 中尺度模式對暴雨落區預報分歧較大，確定性預報48 h 預報海南島東部局地有暴雨（圖8a），而中尺度模式48 h 預報暴雨落區出現在海南島西半部地區（圖8b），預報員根據天氣形勢，對模式預報做出了調整，48 h預報海南島北部和東部局地有50～100 mm 左右的降水（圖8c），相對實況較為接近，但是對暴雨極大值中心缺乏預報能力.EC 確定性預報30 日20 時起報的未來24 h 降水與提前48 h 起報的變化不大（圖8d），而中尺度模式做出了較大調整（圖8e），EC 確定性預報對海南島的降水預報趨勢有一定的指導意義，但其往往預報暴雨量級偏小，預報員根據經驗對模式預報進行了訂正，50 mm 以上的暴雨落區與實況基本接近（圖8f），但是對100 mm以上的降水同樣缺乏預報能力.

圖8 不同模式48 h（a-c）和24 h（d-f）降水預報與實際觀測情況比較圖

本文主要針對第二階段冷空氣影響的強降水的模式預報性能進行分析，ECMWF 模式的預報降水量級比實況明顯偏小，而CMA-GD 模式4 月30 日20 時起報的預報效果較好.對比分析發現，4 月29 日20 時和30 日20 時ECMWF 模式對5 月1 日14 時副熱帶高壓位置的預報與實況基本一致（圖略），對925 hPa 風場預報偏差較大，從（圖9b）可以看出，5月1日14時，海南島中部有東北—西南走向的倒槽，與實況較為一致，但西北方向的東北急流比實況偏小，其西側和東南側的水汽通量也比實況明顯偏小.而CMA-GD模式無論是從急流中心數值和水汽通量條件來看，與實況均比較接近，但是其預報的925 hP 的切變線位置比實況略偏東，偏南風偏大，預報出瓊海和萬寧地區比較大范圍（250～400 mm以上）的降水，比實況偏大.

圖9 2022年5月1日14時925 hPa風場疊加水汽通量（a-c）和2022年5月1日08時10 m風場（d-f）

從10米風場來看，5月1日08時（圖9d），華南沿海到北部灣海面已經開始受冷空氣影響，風向轉為一致的偏北風，海南島仍然受東到東南氣流影響，說明此時海南島還未受冷空入侵，而ECMWF 模式4 月30日20時起報的5月1日08時10 m風場（圖9e），海南島東北部海面已經轉為東北氣流，風力比實況偏大，并伴隨有明顯的切變線，海南島西部沿海陸地逐漸轉為偏北風，說明ECMWF 模式預報的冷空氣提前到來，因此熱力條件轉差.CMA-GD 模式也預報出海南島東北部海面開始轉為東北風，但是風速比ECMWF模式略偏小，值得注意的是CMA-GD 模式在海南島東部沿海存在東北—西南走向的切變線，因此CMA-GD 模式對海南島東部沿海地區的降水預報比實況明顯偏大.

4 總結和討論

本文針對此次暴雨過程從大尺度環流背景、物理演變特征，模式預報偏差等方面進行分析，得到以下主要結論.本次強降水過程表現為兩個階段，影響系統也有所不同.

（1）第一階段發生在4月30日夜間，偏東、東南、東北三支氣流在海南島東部地區有明顯的風向、風速輻合，水汽條件較氣候平均偏高2 個標準差，地面風場上有切變線較長時間的維持，雷達回波上看回波在海南島東部海面生成沿著東部海岸線移動，形成列車效應，具有暖云降水特征，降水效率高，造成了海南島東部局部地區夜間的降雨量超過了200 mm.

（2）5月1白天海南島受冷空下南下影響，冷暖氣流在海南島東北部地區交匯，在北部地區形成東北-西南走向的切變，同時海南島西南部海面有低渦發展，倒槽和海南島北部的切變線合并加強，維持時間長達4個小時，其原因和機理有待進一步研究.

（3）實際業務中，預報員比較常用的ECMWF 模式對大的環流背景和降水趨勢有參考意義，但是其對對流性降水的預報能力不足，中尺度模式尤其是CMA-GD模式在海南島的極端降水預報有較好的指示意義，但大暴雨落區范圍比實況偏大，預報員需要結合兩者，并結合低層風場和衛星、雷達等資料對強降水量級進行調整.

在日常天氣預報中，受限于模式預報能力，天氣系統本身的多變性，提前24h對極端降水做出準確的定量預報是目前面臨的難題.預報員平時需加強對高分辨率觀測資料和數值模式的分析應用，關注中尺度輻合線，加強對流系統的短時臨近監測預報，產生極端降水的機理還需要通過高分辨率數值模擬實驗來進一步論證.