荊州市一次短時(shí)大暴雨的預(yù)報(bào)預(yù)警初探

文海松，趙卓勛，張晶晶，魏 凡，雷彥森，譚江紅

（1.荊州市氣象局，湖北 荊州 434020；2.黃石市氣象局，湖北 黃石 435000；3.武漢中心氣象臺(tái)，武漢 430000；4.襄陽(yáng)市氣象局，湖北 襄陽(yáng) 441021）

大暴雨一般屬于強(qiáng)對(duì)流天氣，由中小尺度系統(tǒng)觸發(fā)，相比于天氣尺度系統(tǒng)，該類(lèi)天氣系統(tǒng)具有生命史短、突發(fā)性強(qiáng)、影響范圍小等特點(diǎn)，其生命周期短的只有幾分鐘到幾十分鐘，由于生消速度快，因而難以把握。在實(shí)際預(yù)報(bào)預(yù)警工作中，短期預(yù)報(bào)（預(yù)報(bào)時(shí)效為1～3 d）只能預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)的可能性，卻無(wú)法預(yù)報(bào)其所帶來(lái)的具體降雨落區(qū)，但提前1～3 h的短時(shí)臨近預(yù)警卻可以預(yù)警出強(qiáng)對(duì)流的大致落區(qū)。

湖北省荊州市地處中緯度南部、長(zhǎng)江中游的江漢平原腹心之地，屬于典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有四季分明、熱量充足、光照適宜、雨水充沛及水熱同季等特征。目前對(duì)于荊州市大暴雨的中小尺度特征分析較多，多是研究其發(fā)生發(fā)展的成因機(jī)制［1，2］，而對(duì)于當(dāng)?shù)卮蟊┯甑亩虝r(shí)臨近預(yù)警研究較為鮮見(jiàn)，暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警仍屬于世界性難題，因而對(duì)暴雨的預(yù)警落區(qū)、預(yù)警時(shí)效的研究具有一定的必要性。本研究旨在利用高空氣象觀測(cè)資料、歐洲ERA-in?terim再分析資料和雷達(dá)資料，分析荊州市1次局地大暴雨天氣過(guò)程的生成、維持和消亡演變過(guò)程，總結(jié)有利于大暴雨的短時(shí)臨近預(yù)警條件，以期能提高把握暴雨預(yù)警落區(qū)及時(shí)效的能力。

1 天氣實(shí)況

2017年6月9日3：10，湖北省荊州市大部出現(xiàn)暴雨天氣過(guò)程，雨量分布如圖1所示，強(qiáng)降水主要集中在9日3：00—8：00，荊州市區(qū)出現(xiàn)83.6 mm暴雨，洪湖市、監(jiān)利市多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)100.0 mm以上大暴雨，瞿家灣出現(xiàn)254.2 mm特大暴雨。監(jiān)利市9日凌晨至上午10：00降水量達(dá)207.1 mm，為大暴雨，其中，7：00的1 h降水量達(dá)94.7 mm，9日6：00—7：00監(jiān)利市2 h降水量為177.4 mm，1 h雨強(qiáng)及2 h降水量均突破歷史極值，日降水量在6月降水量中歷史排名第二（歷史第一為233.7 mm，此次為229.3 mm）。此次降水特點(diǎn)以短時(shí)強(qiáng)降水為主，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間短，局地突發(fā)性強(qiáng)，雨帶移動(dòng)快，大暴雨落區(qū)主要位于監(jiān)利、洪湖一帶。暴雨造成城市內(nèi)澇，交通、農(nóng)業(yè)受災(zāi)嚴(yán)重。

圖1 6月9日荊州市降雨量分布

2 天氣背景分析

2.1 環(huán)流形勢(shì)及高低空系統(tǒng)配置

8日20：00（圖2），500 hPa副高脊線位于25°N附近，副熱帶高壓呈帶狀分布，荊州市處于584線控制的平直的西風(fēng)氣流中，不斷有分裂的小槽東移，500 hPa小槽東移疊加鄂北低槽帶動(dòng)冷平流南下為梅雨鋒上中尺度渦旋發(fā)生發(fā)展創(chuàng)造有利的大尺度環(huán)流背景，700 hPa出現(xiàn)12 m/s以上的西南急流、850 hPa弱輻合、地面弱冷空氣為不穩(wěn)定能量的釋放提供動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制。低層850 hPa輻合系統(tǒng)及地面中尺度氣旋為直接影響系統(tǒng)。

圖2 2017年6月8日20：00高低空配置

2.2 不穩(wěn)定能量分析

分析探空?qǐng)D和細(xì)網(wǎng)格資料，由圖3a可以看出，9日5：00—8：00，700 hPa以上的相對(duì)濕度急劇增加到80%以上，且此時(shí)段低空急流發(fā)展最旺盛，600 hPa以上濕度較低，形成上干下濕的配置。對(duì)流有效位能預(yù)報(bào)（圖3b）顯示，8日23：00至9日5：00能量均在1 000 J以上，且8日夜間能量急劇上升，表明8日夜間能量較大，形成有利于短時(shí)強(qiáng)降水等對(duì)流性天氣發(fā)生的能量條件。歐洲中心細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)表明，9日5：00—8：00低空急流加強(qiáng)發(fā)展、濕度層次增加、對(duì)流有效位能較大，因而可以提前預(yù)判9日5：00以后可能有強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生，為短臨預(yù)警提供參考。

圖3 9日5：00監(jiān)利站探空資料（a）和8日20：00細(xì)網(wǎng)格對(duì)流有效位能預(yù)報(bào)（b）

2.3 動(dòng)力和水汽條件分析

為了分析強(qiáng)降水發(fā)生前的動(dòng)力和水汽條件，選取6月9日2：00渦度、散度、水汽通量、水汽通量散度的分布及單站（監(jiān)利）垂直速度的剖面（圖4）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)300 hPa荊州市處于負(fù)渦度區(qū)，并有一負(fù)渦度中心配合，表明高層有強(qiáng)烈輻散，850 hPa有正渦度，低層有弱輻合（圖4a、圖4b）；對(duì)應(yīng)散度分布（圖4c、圖4d）發(fā)現(xiàn)，300 hPa有正散度中心，850 hPa有弱的輻合配合，表明強(qiáng)降水前高層有強(qiáng)烈輻散，低層有弱輻合，高層的強(qiáng)輻散對(duì)強(qiáng)降水貢獻(xiàn)更大。選取強(qiáng)降水發(fā)生前和發(fā)生時(shí)的水汽通量（圖5a）和水汽通量散度（圖5b）分析發(fā)現(xiàn)，925 hPa存在強(qiáng)烈的水汽通量輻合，在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)有水汽通量散度的負(fù)值中心，表明強(qiáng)降水時(shí)水汽通道存在于邊界層925 hPa。垂直速度剖面（圖5c）表明強(qiáng)降水時(shí)整層都有負(fù)速度，400 hPa層次有負(fù)速度中心值達(dá)-0.4 Pa/s，強(qiáng)降水時(shí)段與整層強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)時(shí)段對(duì)應(yīng)較好。

圖4 6月9日2：00的850 hPa和300 hPa渦度和散度分布

圖5 6月9日水汽通量散度分布及監(jiān)利單站垂直速度剖面

3 多普勒天氣雷達(dá)資料分析

3.1 基本反射率因子及小時(shí)降水量預(yù)報(bào)產(chǎn)品分析

基本反射率因子表征的是回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其等級(jí)用dBZ表示。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)等級(jí)的值越大，降雨雪可能性越大，強(qiáng)度也越強(qiáng)，當(dāng)其值大于或等于40 dBZ時(shí)，出現(xiàn)雷雨天氣的可能性較大；當(dāng)其值在45 dBZ或以上時(shí)，出現(xiàn)暴雨、冰雹、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的可能性較大。基本反射率因子產(chǎn)品的分析除了回波強(qiáng)度dBZ外，還可以分析其回波的大致面積、回波形態(tài)、回波移動(dòng)速度、方向以及演變情況等因素，這對(duì)判斷具體出現(xiàn)什么天氣尤為重要。通過(guò)調(diào)取這次大暴雨過(guò)程的雷達(dá)基本反射率因子，從降水開(kāi)始前、降水發(fā)生發(fā)展期、降水減弱結(jié)束期等幾個(gè)階段進(jìn)行分析，從各階段雷達(dá)反射率因子的演變情況可以看出，降水開(kāi)始前，監(jiān)利市西南方位有回波單體逐漸生成，回波單體強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，并自西南往東北方向迅速移動(dòng)，此時(shí)位于監(jiān)利市東北方位的回波帶往東北偏東方向緩慢移動(dòng)，至9日4：57（圖6），位于監(jiān)利市西南方位和東北方位的回波合并，合并后的回波為帶狀分布，呈西南—東北走向，自西南向東北方向緩慢移動(dòng)。帶狀回波帶緩慢移動(dòng)過(guò)程中，監(jiān)利市西南方位不斷觸發(fā)新的對(duì)流單體生成，形成后向傳播，回波帶在經(jīng)過(guò)監(jiān)利市時(shí)形成列車(chē)效應(yīng)，利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。此種形態(tài)及移動(dòng)導(dǎo)致監(jiān)利市出現(xiàn)2 h大暴雨；至7：04（圖6）雷達(dá)回波組織結(jié)構(gòu)變得松散，帶狀回波帶演變成結(jié)構(gòu)松散的對(duì)流性回波，此時(shí)降水逐漸減弱直至結(jié)束。大暴雨的發(fā)生與降水效率密切相關(guān)，為了研究降水效率，分析小時(shí)降水量預(yù)報(bào)產(chǎn)品尤為必要。小時(shí)降水量預(yù)報(bào)產(chǎn)品采用的是每個(gè)體掃結(jié)束后的小時(shí)累積方式，即應(yīng)用降水率計(jì)算單元輸出的降水率，對(duì)每個(gè)2 km×1°的樣本庫(kù)進(jìn)行時(shí)間累積，得到小時(shí)降水量，并在每個(gè)體掃結(jié)束后輸出。9日5：00的小時(shí)降水量預(yù)報(bào)產(chǎn)品顯示小時(shí)最大降水量達(dá)78.0 mm，此后小時(shí)降水量預(yù)報(bào)逐漸增大，至6：34（圖6）小時(shí)最大降水量預(yù)報(bào)達(dá)101.6 mm（整個(gè)階段最大值），因而可以考慮在5：00發(fā)出暴雨預(yù)警，此時(shí)降水正處于加強(qiáng)發(fā)展階段。

圖6 基本反射率因子及小時(shí)降水量預(yù)報(bào)

3.2 平均徑向速度產(chǎn)品分析

平均徑向速度是指目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度在雷達(dá)徑向上的分量，既可以向著雷達(dá)，也可以離開(kāi)雷達(dá)。徑向速度的大小和正負(fù)通過(guò)顏色來(lái)表示，暖色調(diào)表示正徑向速度，即離開(kāi)雷達(dá)的徑向速度，冷色調(diào)表示負(fù)徑向速度，即指向雷達(dá)的徑向速度。速度產(chǎn)品可大體判斷出中小尺度的天氣系統(tǒng)［3］，選取強(qiáng)降水過(guò)程的徑向速度產(chǎn)品進(jìn)行分析，9日5：27從0.5°仰角徑向速度圖7a觀測(cè)到中氣旋，持續(xù)時(shí)間為2個(gè)體掃，且強(qiáng)降水包裹著中氣旋，沿著西南—東北走向的輻合線移動(dòng)；至5：51從0.5°仰角徑向速度圖7b觀測(cè)到位于監(jiān)利市的前側(cè)有氣旋性輻合環(huán)流，此處有強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度回波圖上為前側(cè)V型缺口，表明強(qiáng)的入流氣流進(jìn)入上升氣流；而位于監(jiān)利市東北方位即后側(cè)有反氣旋式輻散，此處有強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度回波圖上為后側(cè)V型缺口，表明有強(qiáng)的下沉氣流，有可能引起破壞性大風(fēng)（實(shí)況顯示監(jiān)利本站附近風(fēng)速達(dá)10 m/s以上），這種風(fēng)力可能是由于降水粒子的拖曳作用引起。至5：51從3.4°仰角徑向速度圖7c觀測(cè)到監(jiān)利市附近有逆風(fēng)區(qū)，有利于強(qiáng)降水的加強(qiáng)及維持。有關(guān)研究表明［4-7］，強(qiáng)降水超級(jí)單體的特征：強(qiáng)降水包裹著中氣旋，前側(cè)V型缺口和后側(cè)V型缺口。通過(guò)上述分析，基本判定5：27左右大暴雨由強(qiáng)降水超級(jí)單體引起。

圖7 2017年6月9日徑向速度

3.3 風(fēng)暴追蹤信息分析

強(qiáng)天氣發(fā)生時(shí)往往伴隨對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，對(duì)對(duì)流風(fēng)暴的探測(cè)和預(yù)警是天氣雷達(dá)的最主要任務(wù)［3，8-10］。對(duì)流風(fēng)暴通常由1個(gè)或多個(gè)對(duì)流單體組成，對(duì)流單體水平尺度從1～2 km的積云塔到幾十千米的積雨云系。對(duì)流風(fēng)暴可以分為普通單體風(fēng)暴、多單體風(fēng)暴、線風(fēng)暴（或颮線）和超級(jí)單體風(fēng)暴。風(fēng)暴追蹤信息產(chǎn)品可以識(shí)別每個(gè)對(duì)流風(fēng)暴單體，并給出風(fēng)暴過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)的位置，對(duì)風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和路徑有詳細(xì)的信息分析，因而對(duì)強(qiáng)天氣的預(yù)警具有一定的準(zhǔn)確性［11-14］。風(fēng)暴追蹤信息顯示，大暴雨由2個(gè)對(duì)流風(fēng)暴引起，分別為M2風(fēng)暴和V6風(fēng)暴。M2風(fēng)暴趨勢(shì)（圖8）顯示，該風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間為5：15—6：28，持續(xù)約73 min，而在上述分析中得出，5：27左右大暴雨由強(qiáng)降水超級(jí)單體引起，因而可以判定M2風(fēng)暴為強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴。在M2風(fēng)暴生成初期5：15左右，風(fēng)暴云頂高度在9.0 km以上，云底高度在3.0 km附近，最強(qiáng)回波高度在5.0 km附近，回波質(zhì)心高度在4.5 km附近。至下一個(gè)體掃5：21，云底高度由3.0 km下降到1.5 km附近，風(fēng)暴云底高度出現(xiàn)明顯下降，對(duì)應(yīng)的最強(qiáng)回波高度由5.0 km下降到4.5 km，回波質(zhì)心高度由4.5 km下降到3.0 km以下，此后風(fēng)暴云頂高度和最強(qiáng)回波高度小幅波動(dòng)，回波質(zhì)心高度一直維持在3.0 km以下，云底高度維持在1.5 km附近。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，回波質(zhì)心高度一般較低。3.0 km以下的回波質(zhì)心高度對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生非常有利。M2風(fēng)暴5：15左右生成時(shí)最大反射率強(qiáng)度在50 dBZ以上，此后最大反射率強(qiáng)度維持在50 dBZ以上。垂直液態(tài)水含量由5：15的25 kg/m2躍增到5：21的40 kg/m2以上，此后一直到6：03基本維持在40 kg/m2附近。冰雹指數(shù)由5：15的90躍增到5：21的100，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)冰雹指數(shù)由5：15的40躍增到5：21的60，此后冰雹指數(shù)和強(qiáng)冰雹指數(shù)均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。6：07—6：28強(qiáng)冰雹指數(shù)出現(xiàn)急劇下降，此時(shí)段對(duì)應(yīng)的垂直液態(tài)水含量從30 kg/m2急劇下降到20 kg/m2，表明此時(shí)段M2風(fēng)暴趨于減弱。

圖8 M 2風(fēng)暴趨勢(shì)

V6風(fēng)暴趨勢(shì)（圖9）顯示，該風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間為6：28—7：41，持續(xù)約73 min。在此時(shí)段內(nèi)，V6風(fēng)暴云頂高度出現(xiàn)了大幅波動(dòng)，而風(fēng)暴云底高度維持在1.5 km附近，最強(qiáng)回波高度在1.5～5.0 km波動(dòng)，回波質(zhì)心高度在2～4 km波動(dòng)。此時(shí)段內(nèi)最大反射率強(qiáng)度維持在55 dBZ以上。強(qiáng)冰雹指數(shù)在7：10以后增加到60以上，垂直液態(tài)水含量6：28—7：10在40 kg/m2以下波動(dòng)，7：10以后增加到40 kg/m2以上。綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，M2超級(jí)單體風(fēng)暴在5：15左右生成時(shí)，最大反射率強(qiáng)度在50 dBZ以上（研究發(fā)現(xiàn)一般發(fā)布短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)警時(shí)最大反射率強(qiáng)度需達(dá)45 dBZ以上），5：15以后M2風(fēng)暴云底高度和回波質(zhì)心高度均出現(xiàn)明顯下降，且回波質(zhì)心高度下降到3 km以下（此高度非常有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生），且5：15以后垂直液態(tài)水含量和冰雹指數(shù)、強(qiáng)冰雹指數(shù)等指標(biāo)均出現(xiàn)明顯的躍增現(xiàn)象，預(yù)示著5：15以后降水將出現(xiàn)明顯加強(qiáng)，實(shí)況顯示此時(shí)正是強(qiáng)降水開(kāi)始階段，可以考慮發(fā)出短臨預(yù)警。結(jié)合預(yù)報(bào)產(chǎn)品顯示9日5：00小時(shí)降水量最大為78 mm，因而5：15發(fā)出短臨預(yù)警是合適的，有一定的提前量，準(zhǔn)確性較高。M2超級(jí)單體風(fēng)暴消亡后，V6風(fēng)暴生成。V6風(fēng)暴在7：10以后，風(fēng)暴發(fā)展加強(qiáng)，移動(dòng)加快，7：23移出監(jiān)利市東部地區(qū)，7：23以后垂直液態(tài)水含量由40 kg/m2開(kāi)始急劇下降，直至7：41 V6風(fēng)暴消亡。因而短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在6：00和7：00。

圖9 V6風(fēng)暴趨勢(shì)

4 小結(jié)與討論

1）此次短時(shí)大暴雨是在有利的天氣環(huán)流背景下產(chǎn)生的。500 hPa小槽東移疊加鄂北低槽帶動(dòng)冷平流南下，為梅雨鋒上中尺度渦旋發(fā)生發(fā)展創(chuàng)造有利的大尺度環(huán)流背景，700 hPa出現(xiàn)12 m/s以上的西南急流、850 hPa弱輻合、地面弱冷空氣為不穩(wěn)定能量的釋放提供動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制。

2）EC細(xì)網(wǎng)格資料的預(yù)報(bào)可以提前預(yù)判9日5：00以后可能有強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生，為短臨預(yù)警提供參考。

3）大暴雨是由2個(gè)對(duì)流風(fēng)暴引起，前1個(gè)對(duì)流風(fēng)暴為強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴。

4）降水過(guò)程中帶狀回波后部不斷觸發(fā)新的對(duì)流單體生成，形成后向傳播，回波帶在強(qiáng)降水區(qū)域形成列車(chē)效應(yīng)，利于大暴雨的發(fā)生。

5）高層的強(qiáng)輻散對(duì)強(qiáng)降水貢獻(xiàn)更大，強(qiáng)降水時(shí)段與整層強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)時(shí)段對(duì)應(yīng)較好，強(qiáng)降水時(shí)水汽通道存在于邊界層925 hPa。

6）雷達(dá)資料的分析顯示，預(yù)報(bào)產(chǎn)品顯示9日5：00小時(shí)降水量最大為78 mm，此時(shí)可以考慮發(fā)出預(yù)警。風(fēng)暴追蹤信息顯示，M2超級(jí)單體于5：15左右生成，生成時(shí)最大反射率強(qiáng)度在50 dBZ以上，垂直液態(tài)水含量由25 kg/m2躍增到40 kg/m2以上，冰雹指數(shù)及強(qiáng)冰雹指數(shù)均出現(xiàn)躍增，此時(shí)正是強(qiáng)降水開(kāi)始階段，雷達(dá)資料綜合分析考慮5：15左右若發(fā)出短時(shí)預(yù)警，提前量相對(duì)較大，準(zhǔn)確性較高。

7）雷達(dá)資料顯示，5：15各項(xiàng)指標(biāo)均出現(xiàn)明顯變化，綜合得出此時(shí)間可以發(fā)出短臨預(yù)警。指標(biāo)中的小時(shí)降水量預(yù)報(bào)產(chǎn)品、最大反射率強(qiáng)度、垂直液態(tài)水含量及冰雹指數(shù)、強(qiáng)冰雹指數(shù)的動(dòng)態(tài)研究為短時(shí)臨近預(yù)警創(chuàng)造條件。由于短時(shí)預(yù)警要考慮因素較多，如預(yù)報(bào)資料的分析、各項(xiàng)雷達(dá)產(chǎn)品的監(jiān)測(cè)分析、實(shí)況的分析，因而短時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警仍然難做到具有一定提前量，保證提前量時(shí)準(zhǔn)確性又不能得到保證，今后在短時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警的提前量和準(zhǔn)確性上的研究仍是難題，能力亟需加強(qiáng)。