2021年8月20日商丘市暴雨成因及模式误差分析

摘要 利用常规观测资料、ERA5逐小时再分析资料、多普勒雷达、FY4A卫星云图等气象资料，对2021年8月20日商丘市暴雨过程的特点、成因及模式误差进行分析。结果表明：此次过程降水总量大、强度强、范围广、降水时段集中。受低涡切变线影响，高湿区冷暖空气交汇产生不稳定，地面辐合线是其抬升触发机制。雷达回波表现为混合性降水回波，径向速度场上表现为风速辐合、大风区、中气旋等中尺度系统。红外云图上中尺度对流云团自西北向东南移动产生，列车效应明显。针对此次过程，上海模式预报参考价值最大;EC细网格预报降水量级明显偏小，在落区上虽然可以体现商丘地区西部大、东部小的降水分布特征，但预报暴雨区与实况偏差较大，主要是预报低涡位置有所偏差的缘故。

关键词 暴雨;低涡切变线;中尺度特征;模式误差

中图分类号：P458.121.1 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）04–0077–05

暴雨是一种主要的灾害性天气，一直是国内外的研究重点[1-4]。暴雨形成需要充分的水汽供应、强烈的上升运动、较长的持续时间[5]。我国气象工作者对暴雨发生的天气形势[6-7]、环境条件[8-9]、中尺度特征[10-11]做了大量研究和总结。

商丘位于河南省东部，地势平坦，夏季是暴雨集中的季节，也是对流性天气多发季节，尤其是短時强降水易致灾、突发性局地性强、预报难度大[12-15]，目前仍是天气预报业务中的重点和难点。

2021年8月20日商丘出现了一次低涡切变线型暴雨过程，并伴有短时强降水天气，引起城市内涝、农田积水，对交通出行和设施农业生产等非常不利，造成了重大的经济损失，而各家数值模式对其预报结果与实况均有所偏差。为提高对此类暴雨天气过程的认识，利用常规观测资料、分辨率为0.25°×0.25°的ERA5逐小时再分析资料、多普勒雷达、FY4A卫星等气象资料，对该过程的天气形势、物理量场、中尺度特征等进行了细致研究，并讨论了此次过程的模式误差及其成因，以期更清楚地揭示此次暴雨的成因，为今后此类过程的精细化预报提供借鉴和参考。

1 天气实况

2021年8月20日00：00～12：00商丘市出现区域性大到暴雨，局地大暴雨天气，并伴有短时强降水、局地雷暴大风等强对流天气（图1a）。降水自西向东，雨量分布不均，暴雨多集中在商丘中西部，主要有以下特点：

（1）降水总量大。20日00：00～12： 00，最大降水量出现在商丘市睢阳区古宋站，为114.1 mm，国家站降水量为27.4～80.9 mm，平均降水量58.4 mm。

（2）降水强度强。最大小时雨强出现在柘城马集，为62.7 mm（22日05：00～ 06：00），商丘1小时最大降水为24.6 mm，民权1小时最大降水为35.1 mm（图1b）。

（3）降水范围广。全市达到暴雨及以上量级的站点有123个（占65 %），其中暴雨118个（占62 %）、大暴雨5个（占3 %）。

（4）降水时段集中。本次强降水集中时段为20日03：00～06：00（图1b）。

2 形势分析

2.1 高空形势分析

8月20日02：00，200 hPa南亚高压向东延伸至110°E左右，河南省位于南亚高压前侧分流区，辐散抽吸作用明显，有利于上升运动;500 hPa上河南省上空被西北气流控制，冷空气向下入侵，588 dagpm线位于河南省西南部;700 hPa有东北—西南向的切变线自山东北部延伸至河南西部，商丘处在低涡切变线前部;低层850、925 hPa上低涡中心位于河南省东北部，商丘处在低涡东南象限和低空切变线前部的西南暖湿气流中，有充沛的水汽和明显的垂直上升运动，低涡切变线附近风速辐合加大，同时边界层辐合线触发对流，高层冷平流、低层暖平流交绥产生不稳定，有利于强对流天气的发展（图2）。随着低涡切变线逐渐东移，商丘不在其控制范围内，降水逐渐减弱结束。

2.2 地面形势分析

8月20日05：00海平面气压场上（图3），商丘地区温度露点差T-Td< 2℃，处于饱和区，水汽条件较好。商丘处于地面气旋底部，被低压控制，商丘中西部存在偏北风与偏南风的辐合，地面辐合线是其抬升触发机制，在有利的高空形势共同作用下产生暴雨天气。

3 物理量分析

3.1 水汽和动力条件叠加分析

20日05：00，低层（850 hPa）商丘西部存在比湿>16 g/kg高值区。商丘地区低层（850 hPa）散度为负，高层（200 hPa）散度为正，低层辐合高层辐散，动力抬升作用明显，有利于上升运动的发展，促使暴雨的形成和发展（图4）。

此外，从商丘站的综合廓线可以看出，19日23：00—20日08：00，中低层湿度明显增大，相对湿度>95%，且湿层深厚，为暴雨的发生提供了充足的水汽条件。20日08：00以后，低层还存在一定的湿度条件，垂直上升运动明显减弱，降水也明显减弱。此次过程虽未出现明显的水汽通道，但强降水时段低层湿度较大，对暴雨的发生发展有利，同时湿层深厚对短时强降水的出现十分有利，因此本次过程不仅出现暴雨，还伴有短时强降水天气。

3.2 热力不稳定条件分析

从20日05：00的K指数分布（图5a）发现，K指数极值中心分布在商丘西部，达40℃以上，中东部K指数37℃～39℃，大面积的K指数高值区说明大气层结不稳定，具备暴雨、强对流天气所需要的不稳定能量。同时，从20日05：00 850 hPa假相当位温分布（图5b）也可以看出，有一个θse >336 K的高能舌从西南伸向东北，控制了商丘西部地区。K指数>39℃、θse >336 K的高值区与暴雨落区吻合。

3.3 探空分析

图6为19日20：00郑州站和徐州站的T-lnP图，商丘西部的郑州站具有较强对流不稳定能量，CAPE值达1 237.7 J/kg，K指数达37.2℃，沙氏指数SI为-1.23℃，对流潜势大。湿度层深厚，有利于短时强降水的产生。低层1 000～850 hPa偏南风与偏东风形成明显风切变，低层风随高度顺转，有暖平流，500 hPa附近风随高度逆转，有冷平流。0～6 km垂直风切变为16 m/s，属于中等强度风切变，有利于出现强对流天气。而商丘东部的徐州站CAPE值仅为8.5 J/kg，对流抑制CIN远大于CAPE，且700 hPa以下湿度小，不具备对流潜势。综上，商丘西部具有较强的对流潜势，因而西部出现对流降水，东部不具有对流潜势，降水较弱。

4 中尺度特征分析

4.1 卫星云图分析

从红外云图演变可知（图7），20日02：00对流云团主要分布在商丘西部，并不断加强，逐渐发展成中尺度对流云团，发展旺盛的中尺度对流云团自西北向东南移动。03：30、04：30的中尺度对流云团控制整个商丘上空，且在商丘西部不断有对流云团生成、合并、加强，缓慢向东南方向移动（图7c），列车效应明显，对应该时段出现短时强降水天气。商丘西部的对流云团与东部的对流云团合并，06：00左右在柘城附近加强，造成柘城马集最大小时雨强为62.7 mm的降水（圖7d）。

4.2 雷达回波分析

从雷达回波1.5°仰角反射率因子可以看出，03：30在大片稳定降水回波中镶嵌着对流降水回波，为层积混合性降水回波，回波强度为40～45 dBZ，强中心达55 dBZ，回波移向与高空引导气流方向基本一致，即整体回波由西北向东南方向移动。04：30的强回波几乎覆盖整个商丘中西部地区。径向速度图上有风速辐合，低层辐合、高层辐散，零速度线“S”型，大风区等特征，04：54的径向速度图显示在睢县、柘城交界有中气旋出现。07：00左右强回波主要位于夏邑，逐渐东南移动并减弱，降水随之减弱，08：30以后强回波逐渐移出商丘。20日02：00～08：00分商丘本站降水量76 mm，商丘睢阳区古宋站113.8 mm，商丘境内多站小时雨强超过20 mm，出现短时强降水天气。

5 模式误差分析

5.1 各家数值模式预报与实况对比

根据上述分析，20日02：00～08：00是强降水的主要集中时间段，进一步分析各家数值模式不同时次起预报的该时段降水量与实况的差异。从该时段的降水量实况（图8）可知，商丘西部有暴雨，东部中到大雨。EC细网格不同时次均对商丘地区预报小到中雨，预报商丘地区的降水量级明显比实况偏小，预报暴雨落区在豫东北，与实况偏差较大。

CMA_MESO模式18日20：00、19日08：00起预报商丘有中到大雨，略优于EC细网格。

上海模式18日08：00和19日20：00起预报商丘西部有中到大雨，局地暴雨，东部小雨;18日20：00起预报在商丘西部报大暴雨;19日08：00起预预报大暴雨点在虞城北部。北京模式18日08：00、18日20：00、19日08：00起预报商丘地区有小到中雨，暴雨落区在豫东北，与实况偏差较大，19日20：00起预报与实况最为接近（但获取该时刻资料的时间较晚）。因此，此次过程上海模式预报降水落区和降水量级与实况都比较接近，预报参考价值最大。

5.2 EC细网格预报误差分析

通过上述的分析可知，EC模式预报暴雨区在豫东北，虽然在落区上可以体现商丘西部大、东部小的降水分布特征，但是，对本次过程降水量级的预报结果不够理想，预报降水量级均明显偏小。下面简要分析EC细网格预报误差，对比EC细网格预报20日02：00 850 hPa形势场与实况场可以发现（图9），18日08：00和19日08：00起报低涡中心明显偏西，18日20：00起报低涡中心明显偏北，19日20：00起报低涡位置偏北更显著，低涡位置预报偏差导致预报暴雨落区有明显偏差。EC细网格预报商丘地区降水量级明显偏小，原因可能是EC是全球模式，预报不出局地强对流导致的强降水，从而导致预报降水量级明显偏小，而上海中尺度模式预报降水量级与实况更为接近，以后遇到类似的过程预报员应注意综合参考，并应用全球模式和中尺度模式。

6 总结与讨论

利用常规观测资料、ERA5逐小时资料、多普勒雷达、FY4A卫星等气象资料，对2021年8月20日商丘暴雨成因及模式误差进行诊断分析，结果如下。

（1）此次降水过程自西向东，雨量分布不均，西部暴雨，局地大暴雨，东部大雨，降水总量大、强度强、范围广、降水时段集中。500 hPa有冷空气入侵，925～700 hPa上有深厚的低涡切变线稳定维持，地面存在偏北风与偏南风的辐合，地面辐合线是其抬升触发机制，边界层偏南风入流，将暖湿水汽源源不断地向暴雨区输送并聚集，在高湿区高低空冷暖空气交汇产生不稳定，促使暴雨天气发展和维持。

（2）此次过程虽未出现明显的水汽通道，但中低层水汽充沛，为暴雨的发生提供了水汽条件。低层散度为负，高层散度为正，低层辐合高层辐散，垂直上升运动强，为此次过程提供了动力不稳定条件。K指数和假相当位温均在商丘西部出现高值区，说明商丘西部具备暴雨、强对流天气所需要的不稳定能量。

（3）红外云图上不断有对流云团生成、合并、加强，列车效应明显。雷达回波上表现为层积混合降水回波;径向速度场上表现为风速辐合，低层辐合、高层辐散，零速度线“S”型，大风区，中气旋等特征。

（4）此次过程上海模式预报参考价值最大。EC细网格虽在落区上可以体现出商丘西部大、东部小的降水分布特征，但预报暴雨区与实况偏差较大，主要是预报低涡位置存在偏差的缘故;降水量级预报明显偏小，原因可能是EC是全球模式，预报不出局地强对流导致的强降水，从而导致预报降水量级明显偏小。

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责任编辑：黄艳飞

Analysis of Causes and Model Errors of Rainstorm in Shangqiu City on August 20， 2021

SONG Qianqian （Shangqiu Meteorolo-gical Bureau， Shangqiu， Henan 476000）

Abstract Based on conventional observation data， ERA5 hourly reanalysis data， Doppler radar data and FY4A satellite cloud image， the characteristics， causes and model errors of the rainstorm process in Shangqiu city on August 20， 2021 was analyzed. The results showed that the total precipitation was large， the intensity was strong， the range was wide and the precipitation period was concentrated. Affected by the low vortex shear line， the intersection of cold and warm air in the high humidity area produced instability. The ground convergence line was its lifting trigger mechanism. The radar echo image showed mixed precipitation echoes and the radial velocity image showed mesoscale systems such as wind speed convergence zone， gale area and mesocyclone. The mesoscale convective cloud cluster on the infrared cloud image moved from Northwest to Southeast， and the train effect was obvious. For this process， the Shanghai model had the greatest reference value for the forecast. The precipitation magnitude predicted by EC fine grid model was obviously small. Although it could reflect the distribution characteristics of large precipitation in the west and small precipitation in the east of Shangqiu area， there was a large deviation between the predicted rainstorm area and the actual situation， mainly dued to the position deviation of the predicted vortex.

Key words Rainstorm; Low vortex shear line; Mesoscale characteristics; Model errors

基金项目 商丘市气象局气象科学技术研究项目（SQ202101）。

作者简介 宋倩倩（1995—），女，河南商丘人，助理工程师，主要从事短期天气预报研究。

收稿日期 2022-01-05