1. 引言
海南2021年4月26日16时~19时出现与2020年4月22日类似云带持续的积雨云带强降水天气过程，其具有局地性、破坏力强、时间短等特点；2021年4月26日的积雨云带强降水天气过程，与2020年4月22日相隔一年，它们之间出现了很多相似性，这是值得深入研究的问题，探求其降水机理，对人们的生产生活具有重要意义 [1] - [9]。本文利用地面、高空观测资料、卫星云图、普通多普勒雷达和差分多普勒雷达资料，研究了强降水的形势背景，高低空配置，雷达回波特征及其它物理量特征；主要研究NCEP/NCAR再分析资料FNL 1˚ × 1˚的各高度层的相对湿度、温度、风场、涡度场、位势高度等影响；还分析了最大风层、对流层、对流有效位能、云水、可降水等物理量；最后把2021年4月26日与2020年4月22日进行对比分析。
2. 形势背景和地面降水
2021年4月26日，受冷空气偏东下锋消天气过程 [10] (ES)和低空切变线的影响，08时~20时，地面仍旧有弱冷空气扩散；850 hPa切变线位于长江中下游到贵州南部一带，以西南风为主，切变线逐日减弱；500 hPa副高控制南海大部海域，本岛位于副高西北侧，588线压在本岛上空，以西到西南气流为主。全岛北半部地区有雷阵雨，局地伴有雷雨大风、短时强降水等强对流天气，南半部地区多云，五指山以北最高气温略下降。
Figure 1. Statistics of ground observation at related areas (16:00 to 19:00 on April 26)
图1. 市县地面要素统计(04月26日16时~19时)
由降水实况显示，4月26日16时~19时，降水主要集中在海南岛北部、东部和中部地区，以屯昌(最大雨量146.2 mm、平均雨量36.7 mm、温度25.0℃、湿度79%~95%，如图1)、琼海、海口、万宁、文昌、澄迈、定安、琼中一带降水量较大，其中最大的屯昌木色水库146.2 mm，平均雨量最大的是海口市50.6 mm。平均气温24.2℃~29.9℃，地面湿度64%~98%。
3. 卫星产品分析
FY-4卫星产品分析表明，2021年4月26日18时00分，海南岛北部和东部地区有大面积混合云系持续发展(如图2)。a) 可见光云图和b) 彩色云图在文昌、海口、定安、屯昌、琼中、白沙、昌江、乐东、东方的一条带上，卫星云图显示最明显；c) 云类型，除了澄迈和三亚有少量的卷云外，全岛都是厚冰云；d) 对流强度，海南西部海面有快速发展的对流云，陵水有初生的对流云。
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 2. FY-4 satellite cloud imagery (18:00 on April 26). (a) Visible imagery; (b) Colorful cloud imagery; (c) Cloud types; (d) Convective intensity
图2. FY-4卫星云图(4月26日18:00)。(a) 可见光云图；(b) 彩色云图；(c) 云类型；(d) 对流强度
4. 探空数据分析
根据4月26日海口和三亚站探空监测(表1)数据分析。
Table 1. The radiosonde data of Haikou and Sanya
表1. 海口和三亚站探空监测数据
海口和三亚的探空，08时湿对流有效位能CAPE在586.7~2212.5 J/kg之间，降雨过后，20时湿对流有效位能CAPE在340.6~2280.6 J/kg之间，海口湿对流有效位能变小，三亚的变大。08~20时，K指数在36.2℃~42.3℃之间；抬升凝结高度TCL_P在962.9~994.6 m；0℃层高度在4775~5282 m之间；−20℃层高度在8131.1~8537.8 m之间；−30℃层高度在9541.1~9801.2 m之间。
5. 云系雷达分析
受冷空气偏东下锋消天气过程(ES)和低空切变线的影响，地面仍旧有弱冷空气扩散；850 hPa切变线位于长江中下游到贵州南部一带，以西南风为主；500 hPa副高控制南海大部海域，本岛位于副高西北侧，588线压在本岛上空，以西到西南气流为主。14~21时，雷达监测到海南岛西部及北部地区有大面积混合云系持续发展，且有一条雷达回波带呈西南–东北向，从西边往东边移过海南岛，移动过程中，地面有强降水发生。
5.1. 多普勒雷达回波
2021年4月26日14~15时，海南岛西北部地区存在辐合和对流，云带主要位于海南岛北部和西部区域。16时03分~19时01分的时段降水最大，如图3所示，分析如下：
16:03的雷达回波在澄迈、临高、儋州、白沙、昌江和东方的一条带上，澄迈的基本反射率回波最强达55 db；回波顶高最高在澄迈达16 km；垂直累积液态水含量最大在澄迈达34 kg/m2；基本速度最大达7 m/s，由西向东移。
17:00雷达回波由西向东移动到海口、澄迈、屯昌、白沙、昌江和东方的一条带上，海口的回波最强达58 db；回波顶高达15 km也在澄迈，高度有所下降；垂直累积液态水含量达33 kg/m2也在澄迈；基本速度最大达11 m/s在澄迈和海口。
18:03雷达回波由西向东移动到文昌、海口、定安、屯昌、琼中、白沙、昌江、乐东、东方的一条带上，回波最强的屯昌达60 db，回波强度有所增强；回波顶高最高达16 km，高度有所升高；垂直累积液态水含量达32 kg/m2在海口；基本速度最大达17 m/s在海口和文昌。
19:01雷达回波由西向东移动到海南岛的东面边缘的文昌、琼海、万宁和琼中的一条带上，回波强度减弱，岛上最强的回波在琼海，达56 db；岛上回波顶高在文昌也达16 km；垂直累积液态水含量达32 kg/m2在文昌和万宁；基本速度最大达16 m/s在琼海。
5.2. 差分多普勒雷达回波
为了更细致地研究回波的结构，用双偏振雷达回波来对2021年4月26日18:03进行研究，如图4。
a) 18:03雷达回波由西向东移动到文昌、海口、定安、屯昌、琼中、白沙、昌江、乐东、东方的一条带上，回波最强的屯昌达60 db，回波强度有所增强；差分反射率最大达3.2 db在屯昌，水平通道的强度比垂直通道的强度大，即横轴大；径向速度最大达17 m/s在海口和文昌，回波强度有所增强；相关系数达0.97，表征的是同一时刻回波水平通道和垂直通道的相似性，规则降水的气象回波，其相关系数很高。
b) 18:03雷达回波由西向东移动到文昌、海口、定安、屯昌、琼中、白沙、昌江、乐东、东方的一条带上，差分传播频率最大2.3 km在海口，该参量和液态水含量直接相关，一般来说，该值越大，对应的降水也就越大；差分传播相移最大140度在文昌和琼海，表示水平通道和垂直通道的相位差，降水粒子浓度越高，对应差分传播相移值越大；在文昌、海口、定安、屯昌、琼海的一条回波带上，相态显示有小雹和雨夹雹，降水率在17%~22%之间。
6. FNL再分析资料分析
2021年4月26日，雷达回波显示16时03分~19时01分的时段降水最大，所以用最接近这个时段NCEP/NCAR的FNL 1˚ × 1˚的2021年4月26日20时(资料12 h)资料进行分析。主要研究各高度层的相对湿度、温度、风场、涡度场、位势高度等等影响；还分析了最大风层、对流层、对流有效位能、云水、可降水等物理量。
6.1. 降水过程特征分析
分析各层(1000 hPa、925 hPa、850 hPa、500 hPa和300 hPa)的湿度、温度、风速、涡度场和高度物理量。
6.1.1. 湿度
RHprs1000 (Relative Humidity, pressure = 1000 hPa [%])、RHprs925低层海南岛的相对湿度在77%~97%之间；RHprs850在58%~98%之间；RHprs500中层的西北部相对湿度较高，在55%~86%之间；东南部相对湿度较低，在11%~15%之间；RHprs300湿度的梯度由西北到东南减少；南部相对湿度较低，在51%~58%间；其余的相对湿度较高，达到96%~100%之间。从低层到上层，中下层的相对湿度变化不大，上层有水汽补充。如图5所示(RHprs300图略)。
(a) RHprs1000 [%] (b) RHprs925 [%]
(c) RHprs850 [%] (d) RHprs500 [%]
Figure 5. Analysis of relative humidity. (a) 1000 hPa; (b) 925 hPa; (c) 850 hPa; (d) 500 hPa
图5. 相对湿度分析。(a) 1000 hPa；(b) 925 hPa；(c) 850 hPa；(d) 500 hPa
6.1.2. 温度
TMPprs1000 (Temperature, pressure = 1000 hPa [℃])、海南岛的温度在23℃~26℃之间，在西北方向的海面上有冷空气，温度低于22℃，温度梯度增加方向为西北向东南；TMPprs925温度在20℃~22℃之间，TMPprs850温度在17℃~18℃之间，TMPprs500温度在−5℃~−4℃之间，TMPprs300温度在−29℃~−30℃之间。如图6所示(TMPprs300图略)。
(a) TMPprs1000 [˚C] (b) TMPprs925 [˚C]
(c) TMPprs850 [˚C] (d) TMPprs500 [˚C]
Figure 6. Analysis of temperature. (a) 1000 hPa; (b) 925 hPa; (c) 850 hPa; (d) 500 hPa
图6. 温度分析。(a) 1000 hPa；(b) 925 hPa；(c) 850 hPa；(d) 500 hPa
6.1.3. 风速
U_VGRDprs1000 (U-V of Wind, pressure = 1000 hPa [m/s])海南岛的中西部风速度较低，在0.4~4.0 m/s之间；东部、南部风速较高，达到6.2~9.1 m/s间；全岛风向为东风；U_VGRDprs925海南岛下层中西部风速较低0.3 m/s；其余的风速较高，在4.7~7.9 m/s之间；除了岛西部为东风，其余风向为东南风；U_VGRDprs850的除东部为西南风，速度为1.2 m/s外，全岛大部分风向为东南风，在1.2~3.8 m/s之间；U_VGRDprs500北部、中部风速较高，在8.8~18.5 m/s之间；南部风速较低，在4.9~6.0 m/s之间；全岛风向为偏西风；U_VGRDprs300上层北部风速较高，在11.1~15.4 m/s之间；中部、南部风速在10.4~14.4 m/s之间；全岛风向为西风。如图7所示(VGRDprs300图略)。
6.1.4. 涡度
ABSVprs1000 (Absolute Vorticity, pressure = 1000 hPa [1/s])海南岛的西北部海面，有负涡度，西部海面中心值−14.5 [10−5 1/s]；正涡度区处在海南岛的西部为2.6~13.6 [10−5 1/s]之间。ABSVprs925海南岛西北部海面的正涡度区南伸，中心值40 [10−5 1/s]；正涡度区在岛上的为2.7~17.8 [10−5 1/s]之间；在西部海面有负涡度，中心值−11.1 [10−5 1/s]。ABSVprs850正涡度区在2.2~11.6 [10−5 1/s]之间；海南岛的北部向西部延伸的负涡度，中心值为−11.6 [10−5 1/s]，形成东西的一正一负2个涡度。ABSVprs500海南岛东北部有一个负涡度中心，负涡度区在岛上为−24.4~−22.1 [10−5 1/s]之间。ABSVprs300海南岛西部的正涡度区在岛上的为1.5~23.5 [10−5 1/s]之间，西北部的正涡度区影响减少；东部的负涡度在岛上的为−19.8~−5.0 [10−5 1/s]之间。如图8所示(ABSVprs300图略)。
(a) U_VGRDprs1000 [m/s] (b) U_VGRDprs925 [m/s]
(c) U_VGRDprs850 [m/s] (d) U_VGRDprs500 [m/s]
Figure 7. Analysis of wind speed. (a) 1000 hPa; (b) 925 hPa; (c) 850 hPa; (d) 500 hPa
图7. 风速分析。(a) 1000 hPa；(b) 925 hPa；(c) 850 hPa；(d) 500 hPa
(a) ABSVprs1000 [10−5 1/s] (b) ABSVprs925 [10−5 1/s]
(c) ABSVprs850 [10−5 1/s] (d) ABSVprs500 [10−5 1/s]
Figure 8. Analysis of vorticity. (a) 1000 hPa; (b) 925 hPa; (c) 850 hPa; (d) 500 hPa
图8. 涡度分析。(a) 1000 hPa；(b) 925 hPa；(c) 850 hPa；(d) 500 hPa
6.1.5. 位势高度
HGTprs1000 (Geopotential Height, pressure = 1000 hPa [m])位势高度在94.9~103.5 m之间，HGTprs925在774.5~783.6 m之间，HGTprs850在1504~1513 m之间，HGTprs500在5866~5883 m之间，HGTprs300在9701~9710 m之间。与2020年4月22日相比低层的位势高度有所增高，中高层的位势高度相差不大。
6.2. 最大风和对流风及温度和高度
6.2.1. 最大风及温度和高度
U_VGRDmwl (max wind U-V of Wind [m/s])最大风为西风，风速在14~15 m/s之间，如图9(a)所示；TMPmwl (max wind Temperature [℃])环海南岛的海面上的北部、西部和南部最大风温度较低，在−80℃~−69℃之间；海南岛和东部海面的最大风温度较高，在−26℃~−14℃之间，如图9(b)所示；HGTmwl (max wind Geopotential Height [gpm])海南岛和东部海面的最大风位势高度较低，在7439~8742 m之间；环海南岛的海面上的北部、西部和南部最大风位势高度较高，在11,245~16,334 m之间。
(a) U_VGRDmwl [m/s] (b) TMPmwl [℃]
Figure 9. (a) Maximum wind; (b) Temperature
图9. (a) 最大风；(b) 温度
6.2.2. 对流风及温度和高度
U_VGRDtrop (tropopause U-V of Wind [m/s])对流风为西风，风速在4~8 m/s之间，如图10(a)所示；TMPtrop (tropopause Temperature [℃])对流风温度在−83℃~−81℃之间，如图10(b)所示；HGTtrop (tropopause Geopotential Height [gpm])对流风位势高度在16,640~17,889 m之间。
(a) U_VGRDtrop [m/s] (b) TMPtrop [˚C]
Figure 10. (a) Convection wind; (b) Temperature
图10. (a) 对流风；(b) 温度
6.2.3. 对流有效位能、对流冰点位势高度、柱体云水和可降水量
CAPEsfc (Convective Available Potential Energy [J/kg])对流有效位能在海南岛的西北部较低，在126~263 J/kg之间；东北部在679~987 J/kg之间，中部在462~703 J/kg之间，东南部在987~1901 J/kg之间；在西南部较高，在1574~2266 J/kg之间，如图11(a)所示。
HGTtop0C (highest tropospheric freezing level Geopotential Height [gpm])对流冰点位势高度在4844~5158 m之间，如图11(b)所示。
CWATclm (Cloud Water [kg/m2])海南岛整个柱体云水，北部在0.14~1.59 kg/m2，中部在0.02~0.08 kg/m2，南部在0~0.05 kg/m2，如图11(c)所示。
pwatclm (Precipitable Water [kg/m2])整个柱体可降水量为49.5~63.2 kg/m2之间，如图11(d)所示。
(a) CAPEsfc [J/kg] (b) HGTtop0C [m]
(c) CWATclm [kg/m2] (d) pwatclm [kg/ m2]
Figure 11. Factor analyses. (a) CAPE; (b) Convective ice point geopotential height; (c) Air column cloud water; (d) Air column geopotential precipitation
图11. 要素分析。(a) 对流有效位能；(b) 对流冰点位势高度；(c) 柱体云水；(d) 柱体可降水量
7. 对比分析
2021年4月26日16时~19时出现持续性短时强降水天气过程，与2020年4月22日(该日的强降水天气过程详细分析，见本作者论文 [11] )，相隔一年，它们之间有很多相似性，现在通过对它们的形势背景、降水实况、卫星产品、探空数据、多普勒雷达回波、高度(1000、925、850、500、300) hPa层、最大风及其温度和高度、对流风及其温度和高度、对流有效位能、对流冰点位势高度、柱体云水和可降水量等，作对比分析。如下表2：
对比分析可知：2021年4月26日与2020年4月22日相比，相隔一年，但它们之间有很多相似性：
冷空气偏东(西)下锋消天气过程。降水实况16时~19时，降水主要集中在海南岛北部、东(西)部和中部地区，一条雨带呈西南–东北向降水量较大；卫星产品显示，海南岛西部陆地及北部地区有大面积混合云系持续发展。
探空数据表明K指数、抬升凝结高度TCL_P、0℃层、−20℃层、−30℃层高度的数值几乎相近。
16时~19时，有一条雷达回波带呈西南–东北向，从西边往东边移过海南岛，移动过程中，地面有强降水发生。
各高度层，2021年4月26日与2020年4月22日相比：从低层到高层，中下层的相对湿度变化不大，上层有水汽补充；位势高度低层有所增高，中高层的位势高度的数值几乎相近；各层温度的数值也几乎相近。
2021年4月26日与2020年4月22日相比，对流风温度和位势高度的数值也几乎相近；对流冰点位势高度的数值也几乎相近。
8. 结语
海南2021年4月26日出现与2020年4月22日类似的强降水天气过程，相隔一年，它们之间有很多相似性，这是值得探讨的问题；本文主要分析海南2021年4月26日的天气过程，再把2021年4月26日与2020年4月22日作对比分析。
1) 16时~19时，海南岛西部及北部地区有大面积混合云系持续发展，且有一条回波带呈西南–东北向，从西边往东边移过海南岛，移动过程中，地面伴有强降水发生。
2) 双偏振雷达显示，18:03回波由西向东移动到文昌、海口、定安、屯昌、琼中、白沙、昌江、乐东、东方的一条带上，回波强度有所增强；差分反射率水平通道的强度比垂直通道的强度大；径向速度最大达17 m/s在海口和文昌；相关系数达0.97，表征的是同一时刻回波水平通道和垂直通道的相似性；差分传播频率最大2.3 K/m在海口，对应的降水也就越大；差分传播相移最大140度在文昌和琼海，降水粒子浓度越高，对应差分传播相移值越大；在文昌、海口、定安、屯昌、琼海的一条回波带上，相态显示有小雹和雨夹雹，降水率在17%~22%之间。
3) FNL再分析资料26日20时(资料12 h)分析表明
a) 海南岛的相对湿度RHprs从低层到上层，中下层的相对湿度变化不大，上层有水汽补充；TMPprs1000温度在23℃~26℃之间，TMPprs925温度在20℃~22℃之间，TMPprs850温度在17℃~18℃之间，TMPprs500温度在−5℃~−4℃之间，TMPprs300温度在−29℃~−30℃之间；HGTprs1000海南岛的位势高度在94.9~103.5 m之间，HGTprs925在774.5~783.6 m之间，HGTprs850在1504~1513 m之间，HGTprs500在5866~5883 m之间，HGTprs300在9701~9710 m之间。
b) U_VGRDmwl最大风为西风，风速在14~15 m/s之间；TMPmwl海南岛和东部海面的最大风温度在−26℃~−14℃之间。HGTmwl海南岛和东部海面的最大风位势高度较低，在7439~8742 m之间；U_VGRDtrop海南岛的对流风为西风，风速在4~8 m/s之间；TMPtrop对流风温度在−83℃~−81℃之间；HGTtrop对流风的位势高度在16,640~178,89 m之间。
c) CAPEsfc对流有效位能在海南岛的西北部较低，在126~263 J/kg之间；东北部在679~987 J/kg之间，中部在462~703 J/kg之间，东南部在987~1901 J/kg之间；在西南部较高，在1574~2266 J/kg之间。
d) HGTtop0C对流冰点位势高度在4844~5158 m之间，探空的0℃层高度在4775~5282 m之间，数值几乎一样。
e) CWATclm柱体云水海南岛北部在0.14~1.59 kg/m2，中部在0.02~0.08 kg/m2，南部在0~0.05 kg/m2。pwatclm柱体可降水海南岛为49.5~63.2 kg/m2之间；16:03~19:01雷达回波垂直累积液态水含量达32~34 kg/m2之间；柱体可降水比垂直累积液态水含量接近大一倍，但都可以很好反应降水的潜力。
4) 对比分析可知：2021年4月26日与2020年4月22日相比，相隔一年，但它们之间有很多相似性：
冷空气偏东(西)下锋消天气过程。探空数据表明K指数、抬升凝结高度TCL_P、0℃层高度、−20℃层高度、−30℃层高度的数值几乎相近。卫星产品显示，海南岛西部陆地及北部地区有大面积混合云系持续发展。16时~19时，有一条雷达回波带呈西南–东北向，从西边往东边移过海南岛，移动过程中，地面有强降水发生。降水实况16时~19时，降水主要集中在海南岛北部、东(西)部和中部地区，一条雨带呈西南–东北向降水量较大；
各高度层，2021年4月26日与2020年4月22日相比：从低层到高层，中下层的相对湿度变化不大，上层有水汽补充；位势高度低层有所增高，中高层的位势高度的数值几乎相近；各层温度的数值也几乎相近。对流风温度和位势高度的数值也几乎相近；对流冰点位势高度的数值也几乎相近。
基金项目
海南省气象局科研项目：海南云水资源评估技术方法研究(hnqxZC202107)；
国家自然科学基金地区基金项目：热带暖底积雨云人工播撒吸湿性催化剂机制与效果研究(41865009)。