荊州市一次短時大暴雨的預報預警初探

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，武漢 430000；4.襄陽市氣象局，湖北 襄陽 441021）

大暴雨一般屬于強對流天氣，由中小尺度系統觸發，相比于天氣尺度系統，該類天氣系統具有生命史短、突發性強、影響范圍小等特點，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。在實際預報預警工作中，短期預報（預報時效為1～3 d）只能預報強對流天氣出現的可能性，卻無法預報其所帶來的具體降雨落區，但提前1～3 h的短時臨近預警卻可以預警出強對流的大致落區。

湖北省荊州市地處中緯度南部、長江中游的江漢平原腹心之地，屬于典型的亞熱帶濕潤季風氣候區，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。目前對于荊州市大暴雨的中小尺度特征分析較多，多是研究其發生發展的成因機制［1，2］，而對于當地大暴雨的短時臨近預警研究較為鮮見，暴雨預報預警仍屬于世界性難題，因而對暴雨的預警落區、預警時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資料、歐洲ERA-in?terim再分析資料和雷達資料，分析荊州市1次局地大暴雨天氣過程的生成、維持和消亡演變過程，總結有利于大暴雨的短時臨近預警條件，以期能提高把握暴雨預警落區及時效的能力。

1 天氣實況

2017年6月9日3：10，湖北省荊州市大部出現暴雨天氣過程，雨量分布如圖1所示，強降水主要集中在9日3：00—8：00，荊州市區出現83.6 mm暴雨，洪湖市、監利市多個鄉鎮出現100.0 mm以上大暴雨，瞿家灣出現254.2 mm特大暴雨。監利市9日凌晨至上午10：00降水量達207.1 mm，為大暴雨，其中，7：00的1 h降水量達94.7 mm，9日6：00—7：00監利市2 h降水量為177.4 mm，1 h雨強及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）。此次降水特點以短時強降水為主，強降水持續時間短，局地突發性強，雨帶移動快，大暴雨落區主要位于監利、洪湖一帶。暴雨造成城市內澇，交通、農業受災嚴重。

圖1 6月9日荊州市降雨量分布

2 天氣背景分析

2.1 環流形勢及高低空系統配置

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冷平流南下為梅雨鋒上中尺度渦旋發生發展創造有利的大尺度環流背景，700 hPa出現12 m/s以上的西南急流、850 hPa弱輻合、地面弱冷空氣為不穩定能量的釋放提供動力觸發機制。低層850 hPa輻合系統及地面中尺度氣旋為直接影響系統。

圖2 2017年6月8日20：00高低空配置

2.2 不穩定能量分析

分析探空圖和細網格資料，由圖3a可以看出，9日5：00—8：00，700 hPa以上的相對濕度急劇增加到80%以上，且此時段低空急流發展最旺盛，600 hPa以上濕度較低，形成上干下濕的配置。對流有效位能預報（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，形成有利于短時強降水等對流性天氣發生的能量條件。歐洲中心細網格預報表明，9日5：00—8：00低空急流加強發展、濕度層次增加、對流有效位能較大，因而可以提前預判9日5：00以后可能有強對流天氣發生，為短臨預警提供參考。

圖3 9日5：00監利站探空資料（a）和8日20：00細網格對流有效位能預報（b）

2.3 動力和水汽條件分析

為了分析強降水發生前的動力和水汽條件，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（監利）垂直速度的剖面（圖4）進行分析，發現300 hPa荊州市處于負渦度區，并有一負渦度中心配合，表明高層有強烈輻散，850 hPa有正渦度，低層有弱輻合（圖4a、圖4b）；對應散度分布（圖4c、圖4d）發現，300 hPa有正散度中心，850 hPa有弱的輻合配合，表明強降水前高層有強烈輻散，低層有弱輻合，高層的強輻散對強降水貢獻更大。選取強降水發生前和發生時的水汽通量（圖5a）和水汽通量散度（圖5b）分析發現，925 hPa存在強烈的水汽通量輻合，在強降水發生時對應有水汽通量散度的負值中心，表明強降水時水汽通道存在于邊界層925 hPa。垂直速度剖面（圖5c）表明強降水時整層都有負速度，400 hPa層次有負速度中心值達-0.4 Pa/s，強降水時段與整層強烈上升運動時段對應較好。

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利單站垂直速度剖面

3 多普勒天氣雷達資料分析

3.1 基本反射率因子及小時降水量預報產品分析

基本反射率因子表征的是回波強度數據，其等級用dBZ表示。一般來說，數據等級的值越大，降雨雪可能性越大，強度也越強，當其值大于或等于40 dBZ時，出現雷雨天氣的可能性較大；當其值在45 dBZ或以上時，出現暴雨、冰雹、大風等強對流天氣的可能性較大。基本反射率因子產品的分析除了回波強度dBZ外，還可以分析其回波的大致面積、回波形態、回波移動速度、方向以及演變情況等因素，這對判斷具體出現什么天氣尤為重要。通過調取這次大暴雨過程的雷達基本反射率因子，從降水開始前、降水發生發展期、降水減弱結束期等幾個階段進行分析，從各階段雷達反射率因子的演變情況可以看出，降水開始前，監利市西南方位有回波單體逐漸生成，回波單體強度不斷加強，并自西南往東北方向迅速移動，此時位于監利市東北方位的回波帶往東北偏東方向緩慢移動，至9日4：57（圖6），位于監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。帶狀回波帶緩慢移動過程中，監利市西南方位不斷觸發新的對流單體生成，形成后向傳播，回波帶在經過監利市時形成列車效應，利于短時強降水的發生。此種形態及移動導致監利市出現2 h大暴雨；至7：04（圖6）雷達回波組織結構變得松散，帶狀回波帶演變成結構松散的對流性回波，此時降水逐漸減弱直至結束。大暴雨的發生與降水效率密切相關，為了研究降水效率，分析小時降水量預報產品尤為必要。小時降水量預報產品采用的是每個體掃結束后的小時累積方式，即應用降水率計算單元輸出的降水率，對每個2 km×1°的樣本庫進行時間累積，得到小時降水量，并在每個體掃結束后輸出。9日5：00的小時降水量預報產品顯示小時最大降水量達78.0 mm，此后小時降水量預報逐漸增大，至6：34（圖6）小時最大降水量預報達101.6 mm（整個階段最大值），因而可以考慮在5：00發出暴雨預警，此時降水正處于加強發展階段。

圖6 基本反射率因子及小時降水量預報

3.2 平均徑向速度產品分析

平均徑向速度是指目標運動速度在雷達徑向上的分量，既可以向著雷達，也可以離開雷達。徑向速度的大小和正負通過顏色來表示，暖色調表示正徑向速度，即離開雷達的徑向速度，冷色調表示負徑向速度，即指向雷達的徑向速度。速度產品可大體判斷出中小尺度的天氣系統［3］，選取強降水過程的徑向速度產品進行分析，9日5：27從0.5°仰角徑向速度圖7a觀測到中氣旋，持續時間為2個體掃，且強降水包裹著中氣旋，沿著西南—東北走向的輻合線移動；至5：51從0.5°仰角徑向速度圖7b觀測到位于監利市的前側有氣旋性輻合環流，此處有強的上升運動，對應強度回波圖上為前側V型缺口，表明強的入流氣流進入上升氣流；而位于監利市東北方位即后側有反氣旋式輻散，此處有強的下沉運動，對應強度回波圖上為后側V型缺口，表明有強的下沉氣流，有可能引起破壞性大風（實況顯示監利本站附近風速達10 m/s以上），這種風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觀測到監利市附近有逆風區，有利于強降水的加強及維持。有關研究表明［4-7］，強降水超級單體的特征：強降水包裹著中氣旋，前側V型缺口和后側V型缺口。通過上述分析，基本判定5：27左右大暴雨由強降水超級單體引起。

圖7 2017年6月9日徑向速度

3.3 風暴追蹤信息分析

強天氣發生時往往伴隨對流風暴的發生、發展過程，對對流風暴的探測和預警是天氣雷達的最主要任務［3，8-10］。對流風暴通常由1個或多個對流單體組成，對流單體水平尺度從1～2 km的積云塔到幾十千米的積雨云系。對流風暴可以分為普通單體風暴、多單體風暴、線風暴（或颮線）和超級單體風暴。風暴追蹤信息產品可以識別每個對流風暴單體，并給出風暴過去、現在和將來的位置，對風暴的結構和路徑有詳細的信息分析，因而對強天氣的預警具有一定的準確性［11-14］。風暴追蹤信息顯示，大暴雨由2個對流風暴引起，分別為M2風暴和V6風暴。M2風暴趨勢（圖8）顯示，該風暴持續時間為5：15—6：28，持續約73 min，而在上述分析中得出，5：27左右大暴雨由強降水超級單體引起，因而可以判定M2風暴為強降水超級單體風暴。在M2風暴生成初期5：15左右，風暴云頂高度在9.0 km以上，云底高度在3.0 km附近，最強回波高度在5.0 km附近，回波質心高度在4.5 km附近。至下一個體掃5：21，云底高度由3.0 km下降到1.5 km附近，風暴云底高度出現明顯下降，對應的最強回波高度由5.0 km下降到4.5 km，回波質心高度由4.5 km下降到3.0 km以下，此后風暴云頂高度和最強回波高度小幅波動，回波質心高度一直維持在3.0 km以下，云底高度維持在1.5 km附近。短時強降水發生時，回波質心高度一般較低。3.0 km以下的回波質心高度對短時強降水的發生非常有利。M2風暴5：15左右生成時最大反射率強度在50 dBZ以上，此后最大反射率強度維持在50 dBZ以上。垂直液態水含量由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。冰雹指數由5：15的90躍增到5：21的100，對應的強冰雹指數由5：15的40躍增到5：21的60，此后冰雹指數和強冰雹指數均在一定范圍內波動。6：07—6：28強冰雹指數出現急劇下降，此時段對應的垂直液態水含量從30 kg/m2急劇下降到20 kg/m2，表明此時段M2風暴趨于減弱。

圖8 M 2風暴趨勢

V6風暴趨勢（圖9）顯示，該風暴持續時間為6：28—7：41，持續約73 min。在此時段內，V6風暴云頂高度出現了大幅波動，而風暴云底高度維持在1.5 km附近，最強回波高度在1.5～5.0 km波動，回波質心高度在2～4 km波動。此時段內最大反射率強度維持在55 dBZ以上。強冰雹指數在7：10以后增加到60以上，垂直液態水含量6：28—7：10在40 kg/m2以下波動，7：10以后增加到40 kg/m2以上。綜合以上分析發現，M2超級單體風暴在5：15左右生成時，最大反射率強度在50 dBZ以上（研究發現一般發布短時強降水預警時最大反射率強度需達45 dBZ以上），5：15以后M2風暴云底高度和回波質心高度均出現明顯下降，且回波質心高度下降到3 km以下（此高度非常有利于短時強降水的發生），且5：15以后垂直液態水含量和冰雹指數、強冰雹指數等指標均出現明顯的躍增現象，預示著5：15以后降水將出現明顯加強，實況顯示此時正是強降水開始階段，可以考慮發出短臨預警。結合預報產品顯示9日5：00小時降水量最大為78 mm，因而5：15發出短臨預警是合適的，有一定的提前量，準確性較高。M2超級單體風暴消亡后，V6風暴生成。V6風暴在7：10以后，風暴發展加強，移動加快，7：23移出監利市東部地區，7：23以后垂直液態水含量由40 kg/m2開始急劇下降，直至7：41 V6風暴消亡。因而短時強降水發生在6：00和7：00。

圖9 V6風暴趨勢

4 小結與討論

1）此次短時大暴雨是在有利的天氣環流背景下產生的。500 hPa小槽東移疊加鄂北低槽帶動冷平流南下，為梅雨鋒上中尺度渦旋發生發展創造有利的大尺度環流背景，700 hPa出現12 m/s以上的西南急流、850 hPa弱輻合、地面弱冷空氣為不穩定能量的釋放提供動力觸發機制。

2）EC細網格資料的預報可以提前預判9日5：00以后可能有強對流天氣發生，為短臨預警提供參考。

3）大暴雨是由2個對流風暴引起，前1個對流風暴為強降水超級單體風暴。

4）降水過程中帶狀回波后部不斷觸發新的對流單體生成，形成后向傳播，回波帶在強降水區域形成列車效應，利于大暴雨的發生。

5）高層的強輻散對強降水貢獻更大，強降水時段與整層強烈上升運動時段對應較好，強降水時水汽通道存在于邊界層925 hPa。

6）雷達資料的分析顯示，預報產品顯示9日5：00小時降水量最大為78 mm，此時可以考慮發出預警。風暴追蹤信息顯示，M2超級單體于5：15左右生成，生成時最大反射率強度在50 dBZ以上，垂直液態水含量由25 kg/m2躍增到40 kg/m2以上，冰雹指數及強冰雹指數均出現躍增，此時正是強降水開始階段，雷達資料綜合分析考慮5：15左右若發出短時預警，提前量相對較大，準確性較高。

7）雷達資料顯示，5：15各項指標均出現明顯變化，綜合得出此時間可以發出短臨預警。指標中的小時降水量預報產品、最大反射率強度、垂直液態水含量及冰雹指數、強冰雹指數的動態研究為短時臨近預警創造條件。由于短時預警要考慮因素較多，如預報資料的分析、各項雷達產品的監測分析、實況的分析，因而短時預報預警仍然難做到具有一定提前量，保證提前量時準確性又不能得到保證，今后在短時預報預警的提前量和準確性上的研究仍是難題，能力亟需加強。