宜豐縣短時(shí)強(qiáng)降水云圖回波數(shù)值產(chǎn)品特征分析

洪麗霞，馬中元，羅 燕，黎輝文，辛瑋琦，范小軍

(1.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046；2.宜豐縣氣象局，宜豐 336300)

0 引言

短時(shí)強(qiáng)降水是指1 h≥20 mm的降水。在江西，由于降水頻繁且雨量較大，短時(shí)強(qiáng)降水被定義為：1 h≥30 mm或2 h≥50 mm的降水。江西是暴雨頻發(fā)省份，尤其是短時(shí)強(qiáng)降水，具有明顯的局地性和地域性，開展當(dāng)?shù)囟虝r(shí)強(qiáng)降水研究具有十分重要的意義。

國內(nèi)外專家學(xué)者對暴雨中短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行了大量研究。毛冬艷[1]等(2018)分析表明西南地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在4-10月。任麗[2]等研究表明暴雨是由MCS活動造成的，每次短時(shí)強(qiáng)降水均與TBB低值中心相對應(yīng)。王玨[3]等研究歸納了湖北省6類極端短時(shí)強(qiáng)降水MCS模態(tài)，其中包括4類線狀(尾隨層狀云、平行層狀云、后向擴(kuò)建類、鄰近層狀云類)和2類非線狀(渦旋狀類和層狀云環(huán)繞類)MCS模態(tài)。燕亞菲[4]等研究表明衛(wèi)星估算與地面實(shí)測的降水落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系。蘇俐敏[5]等研究指出短時(shí)強(qiáng)降水是由若干個(gè)10 min超短時(shí)強(qiáng)降水(≥10 mm·10 min-1)組成。這些研究成果為開展宜豐縣短時(shí)強(qiáng)降水天氣的研究，提供了可以借鑒的理論依據(jù)。但大多數(shù)研究在雷達(dá)回波分析上，主要使用單部雷達(dá)產(chǎn)品資料，較少應(yīng)用多部雷達(dá)拼圖資料來研究短時(shí)強(qiáng)降水的回波特征。因此，文章中雷達(dá)回波分析和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，使用組合反射率CR產(chǎn)品資料。實(shí)踐證明，雷達(dá)拼圖資料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品范圍更大，便于短時(shí)強(qiáng)降水的分析與預(yù)報(bào)[6]。

文章使用江西省自動氣象站數(shù)據(jù)、MICAPS系統(tǒng)云圖、江西WebGIS雷達(dá)拼圖和武漢數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品等資料，對2017-2019年宜豐縣4次暴雨和大暴雨過程中的短時(shí)強(qiáng)降水特征進(jìn)行分析，試圖總結(jié)出宜豐縣短時(shí)強(qiáng)降水的特征，為做好監(jiān)測預(yù)警預(yù)報(bào)和開展氣象服務(wù)提供依據(jù)。

1 降水實(shí)況

1.1 暴雨和大暴雨

2017-2019年汛期，宜豐縣出現(xiàn)4次暴雨和大暴雨天氣過程，24 h雨量最小為58.0 mm，最大為152.7 mm，4次暴雨天氣都出現(xiàn)了≥30 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水天氣(表1)?？梢?，在宜豐縣暴雨或大暴雨過程中都伴有短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)。

表1 2017-2019年宜豐縣4次暴雨和大暴雨與短時(shí)強(qiáng)降水統(tǒng)計(jì)

此次暴雨和大暴雨過程，宜豐縣都在暴雨的中心位置。2017年，江西省有1個(gè)暴雨中心，宜豐縣雨量為58.0 mm，降水維持時(shí)間10 h；2018-04-12-2018-04-13，江西省只有1個(gè)暴雨中心，宜豐縣雨量為63.1 mm，降水維持時(shí)間11 h；2019-05-18-2019-05-19，江西省有2個(gè)暴雨中心，宜豐縣雨量為70.7 mm，降水維持時(shí)間9 h；2019-06-18-2019-06-09，江西省大范圍暴雨和大暴雨，宜豐縣雨量最大為152.7 mm，降水維持時(shí)間19 h。

小時(shí)平均雨量Rp是日雨量R24與維持時(shí)間T24的均值，小時(shí)均值越大雨強(qiáng)越大。此次暴雨和大暴雨過程的小時(shí)平均雨量Rp分別為：5.80 mm、5.74 mm、7.86 mm和8.04 mm，顯然，最后一次大暴雨的小時(shí)平均雨量Rp最大。

1.2 短時(shí)強(qiáng)降水

從全國范圍來講，短時(shí)強(qiáng)降水被定義為≥20 mm/h(國家氣象中心)；江西降水頻繁，雨量較大，短時(shí)強(qiáng)降水被定義為≥30 mm/h或≥50 mm/2 h。在宜豐縣4次暴雨和大暴雨過程中都出現(xiàn)了1 h≥30 mm的短時(shí)強(qiáng)降水。

可見，≥30 mm短時(shí)強(qiáng)降水容易形成宜豐縣暴雨或大暴雨天氣過程。

1.3 超短時(shí)強(qiáng)降水

在1 h≥30 mm的短時(shí)強(qiáng)降水中，是由1個(gè)或幾個(gè)≥10 mm超短時(shí)強(qiáng)降水[15]組成，連續(xù)幾個(gè)超短時(shí)強(qiáng)降水必將形成短時(shí)強(qiáng)降水(表2)。把握超短時(shí)強(qiáng)降水的變化，可以不必等到小時(shí)整點(diǎn)即可發(fā)布短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)警，提高了短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)警時(shí)效。

10 min平均雨量R10是1 h中6段10 min平均雨量R10與短時(shí)強(qiáng)降水雨量的比值。4次暴雨和大暴雨過程的10 min平均雨量R10分別為：0.186 mm、0.181 mm、0.233 mm和0.208 mm，可見，R10均超過了0.18 mm，R10越大，表明短時(shí)強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)率越大。

由此可見，江西汛期宜豐縣常出現(xiàn)暴雨或大暴雨，并伴隨出現(xiàn)≥30 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。在≥30 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水中，≥10 mm/10 min的超短時(shí)強(qiáng)降水是形成1 h短時(shí)強(qiáng)降水的6個(gè)基本時(shí)間段。雷達(dá)拼圖與降水資料統(tǒng)一為10 min間隔，根據(jù)10 min雷達(dá)拼圖回波強(qiáng)度和10 min超短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)，不必等到1 h整點(diǎn)就能確定是否出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，則可以提前發(fā)布該小時(shí)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)警預(yù)報(bào)。

2 短時(shí)強(qiáng)降水的云圖、雨量和回波對比

短時(shí)強(qiáng)降水云團(tuán)在衛(wèi)星云圖上呈現(xiàn)為中尺度對流系統(tǒng)MCS結(jié)構(gòu)，有多種不同形態(tài)的云系，有時(shí)云圖上反演云系較弱，有時(shí)反演存在定位誤差，與小時(shí)降水量不一定吻合。在使用云圖分析時(shí)，尤其要注意這一點(diǎn)，依據(jù)較大探測范圍的雷達(dá)拼圖資料進(jìn)行核對。在江西1 h雨量圖上，具有以宜豐短時(shí)強(qiáng)降水為中心的圓形降水區(qū)。在江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，表現(xiàn)為：1)多個(gè)強(qiáng)單體組成的強(qiáng)雷暴群；2)寬廣回波區(qū)中的短帶強(qiáng)回波；3)混合回波中的強(qiáng)單體或超級單體；4)絮狀回波中的強(qiáng)單體。這4種回波形態(tài)與1 h降水實(shí)況十分吻合。

2.1 2017-05-11短時(shí)強(qiáng)降水分析

14：30(圖1a，b，c)，在衛(wèi)星云圖上，宜豐縣西北面是寬廣的鋒面云系，南面是由4個(gè)孤立且有組織的雷暴單體組成的雷暴群云團(tuán)，其中最北面的一個(gè)雷暴單體影響宜豐縣。在江西省1 h雨量圖上，宜豐縣降水量為31.2 mm，成為短時(shí)強(qiáng)降水中心。在江西省WebGIS雷達(dá)拼圖上，回波的分布和形態(tài)基本與云圖一致，降水回波反映更加細(xì)致。從圖中可以看到，宜豐縣和新余縣受雷暴回波群里兩個(gè)強(qiáng)回波單體影響，回波強(qiáng)度為60～65 dBz。

圖1 宜豐縣4次暴雨和大暴雨過程中短時(shí)強(qiáng)降水云圖、雨量、回波對比

2.2 2018-04-12短時(shí)強(qiáng)降水分析

20：30(圖1d，e，f)，在衛(wèi)星云圖上，宜豐縣東北面有1條東-西走向的較弱云系，該云系(對應(yīng)雷達(dá)拼圖上是短帶回波)造成宜豐縣出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。江西1 h雨量圖上，宜豐縣降水量為31.8 mm，成為短時(shí)強(qiáng)降水中心。江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，回波的分布和形態(tài)與云圖不一致，表現(xiàn)為東至西走向的短帶回波，回波強(qiáng)度為50～55 dBz。

2.3 2019-05-18短時(shí)強(qiáng)降水分析

22：00(圖1g，h，i)，在衛(wèi)星云圖上，宜豐縣上空基本無云系，江西1 h雨量圖上，宜豐縣降水量為33.7 mm，上高縣降水量為35.0 mm，分別成為短時(shí)強(qiáng)降水中心。江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，回波呈現(xiàn)多個(gè)雷暴單體組成的復(fù)合體回波結(jié)構(gòu)，強(qiáng)回波位于宜豐、上高，回波強(qiáng)度為60～65 dBz。經(jīng)分析，宜豐回波強(qiáng)度弱于上高，只有45～50 dBz，但造成的短時(shí)強(qiáng)降水與上高縣相比僅差1.3 mm。從影響宜豐和上高的回波垂直結(jié)構(gòu)上看，宜豐屬于低質(zhì)心強(qiáng)降水，50 dBz強(qiáng)回波在6 km以下；上高屬于強(qiáng)對流性強(qiáng)降水，50 dBz強(qiáng)回波伸展到12 km?？梢?，低質(zhì)心降水效率不容忽視。

2.4 2019-06-08短時(shí)強(qiáng)降水分析

09：00(圖1j，k，l)，在衛(wèi)星云圖上，宜豐縣處在東-西走向的較弱云系帶中，該弱云系對應(yīng)雷達(dá)拼圖上的絮狀回波帶。09：00-10：00，帶上較強(qiáng)單體造成宜豐出現(xiàn)38.6 mm短時(shí)強(qiáng)降水。江西1 h雨量圖上，宜豐成為短時(shí)強(qiáng)降水中心。江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，回波的形態(tài)表現(xiàn)為大范圍的絮狀回波結(jié)構(gòu)，回波強(qiáng)度為40～45 dBz。

由此可見，由雷暴單體組成的雷暴群云團(tuán)和東-西走向的較弱云系帶，是影響宜豐的重要云圖特征。江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，雷暴回波群和復(fù)合體回波結(jié)構(gòu)，回波強(qiáng)度為60～65 dBz，并伴有強(qiáng)雷電。短帶回波、絮狀回波帶，回波強(qiáng)度為40～55 dBz，無雷電或雷電很少。有兩次云圖觀測出現(xiàn)定位誤差和沒有云系的誤差，值得進(jìn)一步探討其原因。

3 短時(shí)強(qiáng)降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品檢驗(yàn)

雷達(dá)組合反射率CR預(yù)報(bào)產(chǎn)品(0～12 h)屬于雷達(dá)回波外推的一種，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和預(yù)報(bào)時(shí)效的長短，成為短臨預(yù)報(bào)研究的關(guān)鍵。因?yàn)橹挥蓄A(yù)報(bào)準(zhǔn)確性高，預(yù)報(bào)時(shí)效提前，才能有足夠的時(shí)間進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)工作和做好預(yù)報(bào)服務(wù)。

文章使用中國氣象局武漢暴雨研究所數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品顯示平臺，高分辨力快速循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)中提供的組合反射率CR預(yù)報(bào)產(chǎn)品與江西WebGIS雷達(dá)拼圖CR實(shí)況產(chǎn)品，對宜豐縣4次暴雨和大暴雨過程的短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行兩種CR產(chǎn)品初步相似性對比檢驗(yàn)。

3.1 2017-05-11數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品檢驗(yàn)

15：00(圖2a，b)，江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，影響宜豐的雷達(dá)回波表現(xiàn)為南-北走向的雷暴回波群結(jié)構(gòu)，群體內(nèi)由不同發(fā)展階段的雷暴單體回波組成，弱的為一般性雷暴回波單體，強(qiáng)的為超級單體或強(qiáng)回波單體。宜豐、新余兩地是受兩塊強(qiáng)回波單體影響，其中新余回波達(dá)到超級單體標(biāo)準(zhǔn)?；夭◤?qiáng)度CR達(dá)到60～65 dBz，回波頂高ET達(dá)到14～15 km，垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到45～50 kg/m2?；夭ㄈ河晌髂舷驏|北方向移動，移動速度為50～60 km/h。武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品圖上，北京時(shí)間為15：00(TB=Tu+t+8，式中TB為預(yù)報(bào)產(chǎn)品北京時(shí)間；Tu為世界時(shí)；t為預(yù)報(bào)時(shí)效；8為8 h時(shí)差)，可以看出，預(yù)報(bào)7 h的CR產(chǎn)品圖像與實(shí)況基本吻合，但前后多出兩矩形回波，回波強(qiáng)度為40～45 dBz，偏弱20 dBz，主觀評分為60%(表2)。

表2 江西WebGIS雷達(dá)拼圖CR產(chǎn)品實(shí)況與武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品相似性對比

3.2 2018-04-12數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品檢驗(yàn)

20：00(圖2c，d)，江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，影響宜豐的雷達(dá)回波表現(xiàn)為東-西走向的短帶回波結(jié)構(gòu)，回波強(qiáng)度CR達(dá)到50～55 dBz，回波頂高ET達(dá)到8～9 km，垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到15～20 kg/m2。短帶回波整體緩慢北抬，單體由西向東方向移動，移動速度為30～40 km/h。武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品圖上，北京時(shí)間為20：00，可以看出，預(yù)報(bào)5 h的CR產(chǎn)品圖像與實(shí)況大致吻合，宜豐短帶回波預(yù)報(bào)偏南，落在吉安區(qū)域；上饒回波基本一致?；夭◤?qiáng)度為40～45 dBz，偏弱10 dBz，主觀評分為60%。

圖2 江西WebGIS雷達(dá)拼圖CR產(chǎn)品與武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品相似性對比

3.3 2019-05-18數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品檢驗(yàn)

22：00(圖2e，f)，江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，影響宜豐的雷達(dá)回波表現(xiàn)為復(fù)合體回波中一塊強(qiáng)回波發(fā)展成超級單體結(jié)構(gòu)，回波強(qiáng)度CR達(dá)到60～65 dBz，回波頂高ET達(dá)到14～15 km，垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到55～60 kg/m2。影響宜豐的超級單體回波由西偏北方向，向東偏南方移動，移動速度為40～50 km/h，且分別影響宜豐、上高縣等地。武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品圖上，北京時(shí)間為22：00，可以看出，預(yù)報(bào)8 h的CR產(chǎn)品圖像與實(shí)況不吻合，宜豐、上高的短時(shí)強(qiáng)降水漏報(bào)，贛南回波預(yù)報(bào)基本吻合，但回波強(qiáng)度偏弱10 dBz，主觀評分為20%。這種突發(fā)性的強(qiáng)對流造成的強(qiáng)降水，在云圖和數(shù)值模式上都很難表現(xiàn)出來。

3.4 2019-06-07數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品檢驗(yàn)

09：00(圖2g，h)，江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，影響宜豐的雷達(dá)回波表現(xiàn)為寬廣的絮狀回波帶結(jié)構(gòu)，回波強(qiáng)度CR達(dá)到40～45 dBz，回波頂高ET達(dá)到8～9 km，垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到10～12 kg/m2。絮狀回波帶整體少動，單體不斷由西向東移動，移動速度為30～40 km/h。武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品圖上，北京時(shí)間為：17日09：00，可以看出，預(yù)報(bào)7 h的CR產(chǎn)品圖像與實(shí)況高度吻合，但回波強(qiáng)度偏弱10 dBz，主觀評分為90%。

由此可見，江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，影響宜豐的雷達(dá)回波表現(xiàn)為雷暴回波群結(jié)構(gòu)、短帶回波結(jié)構(gòu)、復(fù)合體回波結(jié)構(gòu)和絮狀回波帶結(jié)構(gòu)?；夭◤?qiáng)度CR達(dá)到40～65 dBz，回波頂高ET達(dá)到8～15 km，垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到10～60 kg/m2。武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品圖上，預(yù)報(bào)5～8 h的CR產(chǎn)品圖像與實(shí)況相似度分別為：60%、60%、20%和90%；回波位置有所偏差，回波強(qiáng)度偏弱10～20 dBz(強(qiáng)度偏弱屬于系統(tǒng)性誤差，幾乎每次相同)。因此，利用雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù)，開展校準(zhǔn)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品偏差研究具有重要意義。

4 結(jié)束語

文章利用江西省自動氣象站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、MICAPS系統(tǒng)平臺、江西WebGIS雷達(dá)拼圖平臺和武漢暴雨研究所數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品顯示平臺等資料，采用統(tǒng)計(jì)分析、形態(tài)對比、特征提取和相似性對比等方法，對2017-2019年宜豐縣4次暴雨和大暴雨過程中的短時(shí)強(qiáng)降水天氣的演變與特征進(jìn)行了分析，研究結(jié)果為提高強(qiáng)降水的預(yù)警預(yù)報(bào)能力提供了依據(jù)。