茍阿寧，吳翠紅，王玉娟，杜牧云，劉文婷，冷 亮，鄧 紅

(1.中國氣象局武漢暴雨研究所，湖北 武漢 430205；2.武漢中心氣象臺，湖北 武漢 430074；3.青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海 西寧 810001)

引 言

6—7月，隨著西南季風(fēng)和西太平洋副熱帶高壓北進(jìn)加強(qiáng)，長江中下游進(jìn)入梅雨期，穩(wěn)定持久的降雨造成大范圍暴雨甚至大暴雨，且常伴有大風(fēng)、短時強(qiáng)降水、強(qiáng)雷電等強(qiáng)對流天氣，梅雨鋒是影響長江中下游降水的主要天氣系統(tǒng)之一[1-3]。研究表明，穩(wěn)定大尺度環(huán)流條件形成的梅雨鋒導(dǎo)致梅雨期暴雨出現(xiàn)頻率較多，降水分布不均且易出現(xiàn)其他強(qiáng)對流天氣[4-5]。隨著對梅雨鋒大尺度環(huán)流形勢認(rèn)知的提高[6-7]，對梅雨鋒暴雨的雨帶位置、形態(tài)演變及強(qiáng)降水中心的把握也越來越好。但是，隨著精細(xì)化預(yù)報(bào)要求的不斷提高，對梅雨鋒暴雨及伴隨強(qiáng)對流的中小尺度對流系統(tǒng)的研究需更為深入細(xì)致。

湖北每年因梅雨造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失難以估量，如何利用已布設(shè)的風(fēng)廓線雷達(dá)對梅雨進(jìn)行監(jiān)測并為梅雨預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐是目前急需解決的問題。為此，選取湖北2016年梅雨期3次伴有短時強(qiáng)降水、對流大風(fēng)和強(qiáng)雷電的典型暴雨個例，首先對風(fēng)廓線雷達(dá)資料的質(zhì)量進(jìn)行評估，在此基礎(chǔ)上利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對梅雨期暴雨發(fā)生前后大氣濕度變化，風(fēng)向、風(fēng)速，垂直速度，水平風(fēng)速垂直切變隨時間和高度的演變特征等進(jìn)行診斷，并對低空急流指數(shù)的演變進(jìn)行分析，旨在加深對長江中下游梅雨期暴雨的形成機(jī)理的認(rèn)識并對短臨預(yù)報(bào)提供參考。

1 暴雨及強(qiáng)對流實(shí)況

2016年6月18—19日 (簡稱“6·19”)、7月5—6日 (簡稱“7·5”)和7月18—19日 (簡稱“7·19”)湖北中東部出現(xiàn)暴雨及大暴雨，暴雨主要發(fā)生在20：00(北京時，下同) 至次日20：00 ，并伴有短時強(qiáng)降水、大風(fēng)、強(qiáng)雷電等強(qiáng)對流天氣。從3次過程的24 h(20：00 至次日20：00 )累計(jì)雨量空間分布和10 km格點(diǎn)地閃密度(圖1，該圖涉及地圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2020)4814號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改)可以看出，“6·19”過程[圖1(a)]降雨主要集中在湖北東北部大別山南側(cè)及武漢周圍和鄂東南北部地區(qū)；“7·5”過程[圖1(c)]集中在江漢平原東部、武漢附近及鄂東北地區(qū)；“7·19”過程[圖1(e)]集中在鄂西南和江漢平原。3次過程多站最大小時雨量達(dá)50 mm以上，局部小時雨量達(dá)100 mm，“6·19”過程共有50個地面自動站瞬時最大風(fēng)速超過17.2 m·s-1(8級及以上)，最大達(dá)26 m·s-1；“7·5”過程武漢至鄂東北一線多站大于等于50 mm降水持續(xù)了6～8 h，致使湖北多個城市出現(xiàn)了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，交通癱瘓；“7·19”過程江漢平原多站暴雨，造成局地圍垸河堤潰口等災(zāi)害、102萬人受災(zāi)、7人死亡。3次過程地閃密度[圖1(b)、圖1(d)和圖1(f)]高值區(qū)和暴雨位置基本吻合，但并不完全對應(yīng)，大暴雨區(qū)地閃更為密集。

圖1 “6·19”(a、b)、“7·5”(c、d)和“7·19”(e、f)過程24 h累計(jì)雨量(a、c、e，單位：mm)和10 km格點(diǎn)云地閃密度[b、d、f，單位：次·(10 km)-2]空間分布

從2016 年3次過程區(qū)域(29°N—32°N、110°E—116°E)的地閃頻次、大于等于20 mm·h-1短時強(qiáng)降水站數(shù)、大于等于17.2 m·s-1地面瞬時大風(fēng)的站數(shù)(圖2)演變來看， “6·19”過程19日11：00短時強(qiáng)降水(大于等于20 m·h-1)達(dá)120站；“7·5”過程短時強(qiáng)降水最多站次出現(xiàn)在6日07：00；“7·19”過程19日05：00—15：00小時降水站次均超過60站，24 h累計(jì)多達(dá)1306站。 “6·19”過程19日08：00—16：00共50站出現(xiàn)大于等于17.2 m·s-1的大風(fēng)天氣；而“7·5”和“7·19”過程以長時間連續(xù)性短時強(qiáng)降水為主。另外，“6·19”過程地閃較短時強(qiáng)降水和大風(fēng)有一定的時間提前量。

圖2 “6·19”(a)、“7·5”(b)和“7·19”(c)過程區(qū)域(29°N—32°N、110°E—116°E)強(qiáng)對流天氣現(xiàn)象的逐小時演變

2 風(fēng)廓線雷達(dá)資料質(zhì)量分析

張寅等[23]通過對比2014—2015年長安風(fēng)廓線雷達(dá)和西安涇河站L波段探空數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。本文對國內(nèi)、美國懷俄明大學(xué)(University of Wyoming, UW)(WMO全球氣象交換數(shù)據(jù)http://weather.uwyo.edu)漢口站探空數(shù)據(jù)和湖北兩個風(fēng)廓線雷達(dá)站[漢口(圖3)、咸寧(圖4)]水平風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行對比?？梢钥闯?，漢口站6月19日08：00和7月5日20：00 3 km以下風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)風(fēng)速和探空數(shù)據(jù)較為接近，5 km以下水平風(fēng)風(fēng)向偏差較小，而7月19日08：00風(fēng)廓線雷達(dá)部分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量較差，不予選??；咸寧站風(fēng)廓線雷達(dá)8 km以下水平風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速和漢口站探空數(shù)據(jù)基本吻合，數(shù)據(jù)可信度高，這一結(jié)論和周志敏等[24]的研究結(jié)果一致。因此本文采用漢口風(fēng)廓線雷達(dá)3 km以下水平風(fēng)數(shù)據(jù)，分析“6·19”和“7·5”過程，采用咸寧風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)數(shù)據(jù)分析3次過程。

圖3 2016年6月19日08：00(a、d)、7月5日20：00(b、e)和7月19日08：00(c、f)漢口風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)速(a、b、c)、風(fēng)向(d、e、f)與漢口探空站數(shù)據(jù)的對比

圖4 2016年6月19日08：00(a、d)、7月5日20：00(b、e)和7月19日08：00(c、f)咸寧風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)速(a、b、c)、風(fēng)向(d、e、f)與漢口探空站數(shù)據(jù)的對比

3 風(fēng)廓線雷達(dá)觀測的梅雨期暴雨中小尺度特征

3.1 水平風(fēng)場

“6·19”過程19日08：00左右，4 km以下湖北中東部風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為一致的西南氣流，降水通道打開，大于等于12 m·s-1的西南低空急流高度在2 km以下，09：00地面風(fēng)速大于等于17.2 m·s-1的站次迅速增多，11：00全省雨強(qiáng)大于等于20 mm·h-1的站次超過100。圖5為3次過程咸寧與漢口風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)時間-高度剖面。可以看出，“6·19”過程咸寧站[圖5(a)]19日04：00 左右，1 km(925 hPa)西南低空急流風(fēng)速達(dá)18 m·s-1，并在05：00—07：00有一迅猛加強(qiáng)的過程。08：30開始2～5 km高度有明顯的干侵入，導(dǎo)致不穩(wěn)定加劇，8級大風(fēng)站數(shù)增多。漢口站11：00[圖5(d)]、咸寧站13：00 2 km以下均有一支強(qiáng)勁的偏東氣流，最大風(fēng)速達(dá)18 m·s-1，這是雷暴冷池形成的冷出流造成的。

“7·5”過程咸寧站[圖5(b)]5日20：00左右2～4 km高度西南風(fēng)迅速增大至12 m·s-1，22：00西南風(fēng)向下擴(kuò)展到1 km，23：00左右出現(xiàn)了大于等于16 m·s-1的西南急流，此后武漢出現(xiàn)持續(xù)時間較長的短時強(qiáng)降水?！?·5”過程漢口站[圖5(e)]存在兩支氣流：一支為1 km(925 hPa)以下4～8 m·s-1偏東氣流；另一支為1～3 km的西南低空急流。兩支氣流為暴雨發(fā)生帶來了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量。偏東氣流是此次暴雨發(fā)生后向傳播、列車效應(yīng)和強(qiáng)對流觸發(fā)加強(qiáng)的重要因素[25]。

“7·19”過程強(qiáng)降水開始前荊門站1 km以下已觀測到偏東氣流發(fā)展，咸寧站[圖5(c)]西南低空急流持續(xù)7 h以上，19日03：00左右0.5～1 km高度西南急流迅速加強(qiáng)到16 m·s-1，03：30急流擴(kuò)展到0～4 km。在強(qiáng)降水持續(xù)期間，0.5～1.5 km高度大于等于16 m·s-1的低空急流一直持續(xù)，08：00左右2.5～4 km高度風(fēng)速超過34 m·s-1，急流持續(xù)的時間和強(qiáng)降水時間一致。

圖5 “6·19”(a、d)、“7·5”(b、e)和“7·19”(c)過程咸寧(a、b、c)與漢口(d、e)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)時間-高度剖面

3次梅雨暴雨均出現(xiàn)在梅雨鋒暖區(qū)一側(cè)暖濕氣流輻合區(qū)內(nèi)，水汽供應(yīng)充足，風(fēng)廓線雷達(dá)很好地捕捉到了梅雨暴雨伴隨的不同類型強(qiáng)對流天氣的中小尺度特征。風(fēng)向、風(fēng)速隨高度和時間演變與暴雨發(fā)生發(fā)展有很好的對應(yīng)關(guān)系，1 km高度以下的偏東氣流是湖北中東部地區(qū)梅雨暴雨產(chǎn)生持續(xù)性強(qiáng)降水的主要誘因。

3.2 平均垂直速度及其變率

風(fēng)廓線雷達(dá)測得的垂直速度是空氣垂直運(yùn)動和降水粒子末速度之和，可以反映雷暴內(nèi)部結(jié)構(gòu)，垂直速度的突變是天氣系統(tǒng)經(jīng)過的一個重要標(biāo)志。

風(fēng)廓線垂直速度數(shù)值大小隨高度的波動，以及這種波動發(fā)展的高度能夠反映大氣垂直熱交換的強(qiáng)度，是判斷對流發(fā)展強(qiáng)弱的一個重要指標(biāo)[19]。從圖6可見，漢口站2次過程在4 km高度以下平均垂直速度較大，其中“7·5”過程最大平均垂直速度達(dá)6 m·s-1，“6·19”過程為3 m·s-1， 4 km高度以上迅速下降到2 m·s-1，而6 km以上則下降到1 m·s-1以下。咸寧站4 km高度以下最大平均垂直速度比漢口站小，3次過程“7·5”稍大(3 m·s-1)，“6·19”和“7·19”稍小(2 m·s-1)，4 km以上迅速減小，表明梅雨期暴雨平均垂直速度大值區(qū)在4 km以下，最大不超過6 m·s-1，與黃治勇等[26]分析湖北春季降雹前后咸寧風(fēng)廓線雷達(dá)平均垂直速度大于等于10 m·s-1的結(jié)論不同。

圖6 “6·19”(a、d)、“7·5”(b、e)和“7·19”(c)過程咸寧(a、b、c)與漢口(d、e)風(fēng)廓線雷達(dá)平均垂直速度及其變率隨高度變化

通過計(jì)算每240 m(一個數(shù)據(jù)庫長度)平均垂直速度的垂直變化率，發(fā)現(xiàn)漢口站(2次過程)和咸寧站(3次過程)平均垂直速度變率較小，且集中在4 km以下，漢口站“6·19”和“7·5”過程1 km以下波動頻繁，而咸寧站則在4 km以下。

綜上所述，梅雨期暴雨上升速度較強(qiáng)的區(qū)域集中在4 km之下，低空氣流的上升速度大于高空，這也驗(yàn)證了湖北梅雨暴雨中低層的天氣系統(tǒng)對強(qiáng)對流觸發(fā)有重要作用[25]。

3.3 水平風(fēng)速垂直切變

圖7為3次過程漢口和咸寧風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)速垂直切變時間-高度剖面?？梢钥闯?， “6·19”過程19日08：00系統(tǒng)未加強(qiáng)之前，漢口站出現(xiàn)多個正、負(fù)切變中心，其不具有代表意義，咸寧站4 km高度以下有一-4 m·s-1的水平風(fēng)速垂直切變中心，表明低空急流正在醞釀加強(qiáng)；08：00之后，兩站高、低空急流加強(qiáng)到一定程度，最大水平風(fēng)速垂直切變中心為±1.5 m·s-1，表明高、低空急流均已發(fā)展到一定量級且上下相差不大，急流上下擴(kuò)展深厚?！?·5”和“7·19”過程與“6·19”過程相似，兩站水平風(fēng)速垂直切變較小，最強(qiáng)中心值為±4 m·s-1，這充分說明了梅雨暴雨整層為強(qiáng)大的西南急流控制，且上下層風(fēng)速相差不大，風(fēng)向不連續(xù)線上下層風(fēng)速相差較小。綜上所述，梅雨期暴雨整層水平風(fēng)速垂直切變相對較小，充分展現(xiàn)了梅雨暴雨高低空急流發(fā)展深厚的特點(diǎn)。

圖7 “6·19”(a、d)、“7·5”(b、e)和“7·19”(c)過程咸寧(a、b、c)與漢口(d、e)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)速垂直切變時間-高度剖面(單位：m·s-1)

3.4 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

圖8 “6·19”(a、d)、“7·5”(b、e)和“7·19”(c)過程咸寧風(fēng)廓線雷達(dá)自然對數(shù)(a、b、c)與漢口風(fēng)廓線雷達(dá)(單位：dB)時間-高度剖面

3.5 低空急流指數(shù)

為了更好地分析低空急流對梅雨暴雨閃電的指示作用，引入低空急流指數(shù)I[27]，I=V/D，V(m·s-1)為3 km高度以下低空急流中心最大風(fēng)速；D(m)為大于等于12 m·s-1風(fēng)速的最低高度；I(10-3s-1)值越大說明急流高度越低，對降水越有利。

圖9為3次過程咸寧與漢口低空急流指數(shù)I及區(qū)域(29°N—32°N、110°E—116°E)閃電頻次逐小時變化?？梢钥闯觯W電頻次峰值出現(xiàn)之前，I都有一明顯的遞增過程，整個雷電過程中咸寧站I的遞增持續(xù)時間長，I的快速躍增對雷電有很好的指示意義。另外，梅雨暴雨過程中，低空急流維持時間較長，強(qiáng)的低空急流引起擾動加強(qiáng)，不穩(wěn)定能量積聚誘發(fā)雷電。因此結(jié)合降水開始時間、低空急流建立時間、I指數(shù)等，可以對雷電做出提前預(yù)報(bào)。

圖9 “6·19”(a)、“7·5”(b)和“7·19”(c)過程咸寧與漢口風(fēng)廓線雷達(dá)站低空急流指數(shù)I及區(qū)域(29°N—32°N、110°E—116°E)閃電頻次逐小時變化

4 結(jié) 論

(1)3次梅雨暴雨過程均伴有不同類型的強(qiáng)對流天氣，“6·19”過程有50個地面自動氣象站瞬時最大風(fēng)速為8級及以上，而“7·5”和“7·19”過程則以持續(xù)性短時強(qiáng)降水為主，雷電密集，閃電高密度區(qū)和暴雨落區(qū)基本吻合。

(2)“6·19”和“7·5”過程漢口風(fēng)廓線雷達(dá)站3 km以下水平風(fēng)速和實(shí)況較為接近，5 km以下水平風(fēng)風(fēng)向偏差較小；3次過程中漢口風(fēng)廓線雷達(dá)站3 km以下數(shù)據(jù)基本能夠描述風(fēng)場的變化趨勢，具有一定參考價值。3次過程咸寧風(fēng)廓線雷達(dá)站8 km以下水平風(fēng)向、風(fēng)速和漢口站探空數(shù)據(jù)基本吻合，數(shù)據(jù)可信度高。

(3)降水開始前西南風(fēng)速明顯加大，中層干冷空氣入侵和地面冷池共同作用致使“6·19”過程50站出現(xiàn)了8級以上的大風(fēng)天氣。濕層深厚，西南急流長時間持續(xù)和低層偏東氣流導(dǎo)致“7·5”和“7·19”過程短時強(qiáng)降水長時間維持。

(4)風(fēng)廓線雷達(dá)能夠分析大氣水平運(yùn)動在垂直方向上的細(xì)微結(jié)構(gòu)，實(shí)時監(jiān)測水平風(fēng)速垂直切變、垂直速度及其變率隨高度的變化，結(jié)果顯示梅雨暴雨水平風(fēng)速垂直切變、平均垂直速度及其變率隨高度變化較小，較強(qiáng)的上升運(yùn)動集中在4 km以下。

(5)逐小時低空急流指數(shù)I和地閃頻次變化有一定的正相關(guān)，業(yè)務(wù)中可通過低空急流的演變趨勢，對未來雷電潛勢做出正確判斷。