2020年長江中下游梅雨鋒暴雨聯(lián)合科學(xué)試驗(yàn)

■ 李傲 王斌 王曉芳 趙妍

1 試驗(yàn)背景及科學(xué)意義

1.1 2020年梅雨期天氣特點(diǎn)

2020年梅雨發(fā)生在典型的梅雨環(huán)流形勢下，其降水主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是入梅早，持續(xù)時(shí)間長；總量大，覆蓋范圍廣。今年入梅較常年偏早9 d。梅雨期長達(dá)43 d，較常年平均（24 d）偏多19 d，已經(jīng)超過2016年（32 d）和1998年（42 d）。降水中心主要位于長江中下游，降水量較常年同期偏多50%以上，沿江地區(qū)的降雨量是常年同期降雨量的2倍以上；二是過程多、極端性強(qiáng)，致災(zāi)嚴(yán)重。6月8日—7月20日長江流域共經(jīng)歷10次降雨過程，其中有7次過程雨帶分布在長江干流沿江兩岸，降雨集中，暴雨落區(qū)重疊性高（表1），導(dǎo)致多地出現(xiàn)城鄉(xiāng)內(nèi)澇和山洪、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；三是氣溫低，日照創(chuàng)新低。入梅以來全省平均氣溫25.2 ℃，較常年同期偏低1.1 ℃。入梅以來全省平均日照時(shí)數(shù)98.8 h，較常年同期偏少135.6 h，排1961年以來倒數(shù)第1位。

2020年梅雨期天氣異常特征：一是西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）系統(tǒng)長時(shí)間持續(xù)異常。6月上中旬副高脊線位置偏北；6月下旬到7月間又一直偏南，有利于冷暖空氣在江淮流域一帶交匯，形成了多次大范圍暴雨過程。二是中高緯度經(jīng)向環(huán)流發(fā)展、冷渦活躍；來自南海和西太平洋的熱帶海洋暖濕氣流強(qiáng)盛，梅雨區(qū)水汽輸送主要來自副熱帶高壓在西脊點(diǎn)附近由東南氣流轉(zhuǎn)向西南氣流的貢獻(xiàn)。

表1 2020年6月8日—7月20日長江流域梅雨期10次暴雨過程簡介

1.2 試驗(yàn)開展背景及科學(xué)意義

梅雨鋒降水是多尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，常規(guī)的觀測及分析已不能滿足梅雨鋒降水云結(jié)構(gòu)和微物理過程的深入研究，需要通過地面和衛(wèi)星聯(lián)合觀測以及利用飛機(jī)直接觀測云中的微物理量。在2020年典型性梅雨期背景下，長江中下游梅雨鋒暴雨聯(lián)合科學(xué)試驗(yàn)于2020年6月11日啟動(dòng)，開展了10次暴雨過程的聯(lián)合觀測，獲取了大量的梅雨期強(qiáng)降水過程觀測數(shù)據(jù)。

長江中下游梅雨鋒暴雨聯(lián)合科學(xué)試驗(yàn)旨在通過針對(duì)梅雨鋒降水開展地基、空基、星基聯(lián)合觀測，融合應(yīng)用多源觀測數(shù)據(jù)，探究梅雨鋒暴雨中尺度系統(tǒng)動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)以及暴雨云團(tuán)的水凝物結(jié)構(gòu)和微物理特征，揭示水汽和環(huán)境場條件影響降水云發(fā)生發(fā)展的機(jī)制，對(duì)比梅雨鋒系統(tǒng)長江中游和下游的結(jié)構(gòu)特征差異，分析研究梅雨鋒系統(tǒng)自西向東移動(dòng)中的變化規(guī)律，促進(jìn)我國強(qiáng)降水預(yù)報(bào)技術(shù)和能力進(jìn)一步提升。

2 試驗(yàn)組織和設(shè)計(jì)思路

2.1 試驗(yàn)形式

長江中下游梅雨鋒暴雨聯(lián)合科學(xué)試驗(yàn)是首次在中國開展的長江中下游地-空-星基聯(lián)合觀測試驗(yàn)。項(xiàng)目組根據(jù)天氣形勢確定聯(lián)合觀測時(shí)機(jī)，開展地-空-星基聯(lián)合觀測。觀測期間，飛機(jī)攜帶完備的大氣和云物理探測儀器，以層狀云區(qū)和弱對(duì)流云區(qū)為飛行區(qū)域，以地面觀測基地為中心采取不同高度的反復(fù)穿云飛行。與此同時(shí)，地面觀測基地通過對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)、毫米波云雷達(dá)、微波輻射計(jì)、GPS探空系統(tǒng)等地面觀測設(shè)備觀測，并配合飛機(jī)觀測和天氣演變，進(jìn)行不定時(shí)的觀測（圖1）；中國風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星、日本葵花-8衛(wèi)星和美國GPM衛(wèi)星等氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)也被實(shí)時(shí)調(diào)用進(jìn)行對(duì)比分析。

本次試驗(yàn)范圍覆蓋長江中、下游流域，7個(gè)地面觀測站點(diǎn)分別布設(shè)在湖北咸寧、襄陽、秭歸、荊州，安徽合肥和壽縣，南京江寧等梅雨鋒主要影響區(qū)域。

圖1 長江中下游梅雨鋒暴雨聯(lián)合科學(xué)試驗(yàn)設(shè)備布局和觀測方案示意圖（圖中方框所示為7個(gè)地基觀測中心站所在位置，設(shè)備簡稱分別代表：Parsivel，激光雨滴譜儀；CINRAD，中國氣象局新一代天氣雷達(dá)；WPR，風(fēng)廓線雷達(dá)；POLRAD，雙偏振天氣雷達(dá)；MMCR，毫米波云雷達(dá)；MRR，微雨雷達(dá)；2DVD，二維可視雨滴譜儀；MWR，微波輻射計(jì)。宜昌為飛機(jī)起降機(jī)場所在地，荊州為飛機(jī)觀測目標(biāo)區(qū)域）

2.2 試驗(yàn)組織

長江中下游梅雨鋒暴雨聯(lián)合科學(xué)試驗(yàn)由中國氣象局武漢暴雨研究所組織，聯(lián)合美國亞利桑那大學(xué)、美國佐治亞理工學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京大學(xué)、江蘇省氣象局、安徽省氣象科學(xué)研究所、山西人工降雨防雹辦、湖北省氣象局相關(guān)部門等國內(nèi)外十余家單位和高校共同開展。試驗(yàn)過程中，觀測試驗(yàn)人員通過遠(yuǎn)程視頻會(huì)議形式，結(jié)合梅雨鋒暴雨過程及時(shí)開展數(shù)據(jù)分析，截至7月19日，項(xiàng)目組共組織了16次觀測試驗(yàn)研討會(huì)，涉及天氣過程、探空、雷達(dá)等探測數(shù)據(jù)分析、區(qū)域數(shù)值模式預(yù)報(bào)效果及評(píng)估、流域水文氣象服務(wù)等多方面。

3 試驗(yàn)取得的初步成果

1）觀測數(shù)據(jù)。通過在長江中下游運(yùn)用地-空-星基聯(lián)合觀測手段開展梅雨鋒上下游的整體觀測研究，在水平和垂直方向上，比較完整地觀測記錄了梅雨鋒暴雨過程自西向東的移動(dòng)和發(fā)展過程中的時(shí)空變化，飛機(jī)抓住有利天氣時(shí)機(jī)，穿云觀測了7個(gè)架次、17個(gè)機(jī)時(shí)，探測到了不同高度上的云中冰相粒子和云滴、雨滴的譜數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)分析?；谥袊鴼庀缶治錆h暴雨研究所之前研發(fā)的多源觀測資料融合分析系統(tǒng)，本次試驗(yàn)積累的多種觀測數(shù)據(jù)正在被綜合處理分析，并將在相關(guān)數(shù)值模式中同化應(yīng)用，對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)模式進(jìn)一步完善優(yōu)化，促進(jìn)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)技術(shù)和能力進(jìn)一步提升。

4 試驗(yàn)預(yù)期成果

本次科學(xué)試驗(yàn)通過偏振雷達(dá)、云雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、地基GPS站網(wǎng)、微波輻射計(jì)、激光雨滴譜、探空及地面氣象站等觀測，同時(shí)實(shí)施云內(nèi)飛機(jī)觀測，涵蓋了梅雨鋒降水的溫度場、水汽場、云場、降水場等宏微觀三維結(jié)構(gòu)信息，獲取了多個(gè)梅雨鋒降水個(gè)例的寶貴試驗(yàn)數(shù)據(jù)，后期將重點(diǎn)開展以下方面的研究。

深入了解不同模態(tài)的長江梅雨鋒降水云發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件，揭示水汽對(duì)降水云的作用機(jī)制。梅雨鋒降水不同階段強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)中各水成物的轉(zhuǎn)化及相應(yīng)的動(dòng)力、熱力特征，包括：通過比較不同階段對(duì)流性降水、層云降水中各水成物比含水量的垂直廓線，得到梅雨鋒降水云微物理結(jié)構(gòu)的總體特征；通過計(jì)算層狀降水中經(jīng)由水平輸送和水汽凝華造成的水凝物比含水量變化率，結(jié)合對(duì)流性降水中垂直速度、卷出高度、潛熱加熱和浮力的分析，揭示對(duì)流性降水中動(dòng)力熱力特征對(duì)層狀降水中冰相粒子形成和維持的作用；通過診斷云微物理方案中水成物的預(yù)報(bào)方程，得到不同階段水成物的源項(xiàng)，以及地面降水直接相關(guān)的雨水的主要來源項(xiàng)等。最后通過多源途徑觀測到的梅雨鋒降水云參數(shù)和LAPS融合各種觀測數(shù)據(jù)形成的分析場，評(píng)估云微物理方案的適應(yīng)性，采用基于貝葉斯推理的隨機(jī)取樣方法，對(duì)模式不確定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高中尺度模式對(duì)梅雨鋒定量降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。