湖南一次暴雨災(zāi)害的中尺度特征及可預(yù)報(bào)性研究

廖春花，劉紅武，徐靖宇

（1.湖南省氣象服務(wù)中心，長沙 410118；2.湖南省氣象臺，長沙 410118）

暴雨是湖南省夏季多發(fā)且危害嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣，常造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)災(zāi)害和人員傷亡。夏季是湖南省農(nóng)作物生長的關(guān)鍵季節(jié)，暴雨及其引發(fā)的洪澇等災(zāi)害對農(nóng)田及農(nóng)作物危害極大。李巧媛等［1］研究表明，湖南省水稻受洪澇災(zāi)害影響重、頻率高，在2000年后程度有加重的趨勢。暴雨由不同天氣尺度系統(tǒng)相互作用造成，天氣系統(tǒng)的不同配置造成暴雨落區(qū)、強(qiáng)度及分布特點(diǎn)的差異［2-6］，湖南省密布的水網(wǎng)及高山丘陵等復(fù)雜下墊面因素，使暴雨的預(yù)報(bào)難度更大。暴雨研究受到氣象學(xué)者的高度關(guān)注，取得了重要成果［7-10］，隨著觀測技術(shù)和模擬技術(shù)的發(fā)展，利用高時(shí)空分辨率資料可分析出中小尺度暴雨系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)及其發(fā)生、發(fā)展過程［11-17］。暴雨觸發(fā)機(jī)制和中尺度系統(tǒng)具有復(fù)雜性和多樣性，有必要對已發(fā)生的暴雨過程及中尺度系統(tǒng)活動特征進(jìn)行深入分析，深化對暴雨中尺度系統(tǒng)的認(rèn)識，同時(shí)有必要對中尺度數(shù)值模式進(jìn)行釋用研究，為暴雨預(yù)報(bào)提供參考，更好地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。選取湖南省2018年夏季的一次致災(zāi)暴雨過程，利用常規(guī)和加密觀測資料、雷達(dá)資料以及NCEP再分析資料，研究暴雨過程中的降雨云團(tuán)、雷達(dá)回波、中尺度系統(tǒng)、中尺度濾波等特征，對比檢驗(yàn)大尺度數(shù)值模式和中尺度數(shù)值模式的預(yù)報(bào)效果。

1 雨情和災(zāi)情

2018年6月19 —22日湖南省內(nèi)出現(xiàn)一次強(qiáng)降雨天氣過程，強(qiáng)降雨落區(qū)主要集中在湘中偏南和湘東南的部分地區(qū)，懷化、邵陽、婁底、衡陽等市（州）79個(gè)縣（市、區(qū)）的1 084個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雨量超過50 mm，其中385個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過100 mm，36個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雨超200 mm，最大降雨量為289.7 mm（新邵縣禮坪），最大日降水量為264.5 mm（新邵大坪，19日），最大小時(shí)雨強(qiáng)為107.0 mm（臨武香花嶺礦，21日20：00—21：00）。暴雨過程導(dǎo)致部分市（縣）出現(xiàn)洪澇，同時(shí)由于雨帶的南北擺動，導(dǎo)致懷化中部和婁底西部部分地區(qū)重復(fù)受災(zāi)。據(jù)湖南省民政廳統(tǒng)計(jì)，截至23日17：00，湖南省共有邵陽市、懷化市、婁底市、郴州市、永州市、衡陽市6市26縣市區(qū)受災(zāi)，受災(zāi)人口52.5萬人，緊急轉(zhuǎn)移安置1.47萬人，需緊急生活救助0.34萬人，農(nóng)作物受災(zāi)面積2.328萬hm2，倒塌房屋89戶225間，嚴(yán)重?fù)p壞房屋258戶643間，一般損壞房屋2 092戶3 434間，直接經(jīng)濟(jì)損失5.76億元，無人員傷亡、失蹤。

2 大尺度環(huán)流背景及主要影響系統(tǒng)

強(qiáng)降雨發(fā)生前，2018年6月18日8：00，500 hPa上歐亞中高緯為兩槽一脊形勢，中低緯多小波動活動，有短波槽東出，湖南省處在槽后西北氣流中，地面在河套地區(qū)有冷空氣堆積，從貴州省到兩湖地區(qū)有地面倒槽強(qiáng)烈發(fā)展；19日20：00，850 hPa西南急流發(fā)展，從廣西省向湖南北部地區(qū)一直伸展到湖北東部地區(qū)，冷式切變線位于湖北中部到湖南西北部，925 hPa切變線位置與850 hPa接近，在高空偏北氣流引導(dǎo)下，地面冷空氣南下，觸發(fā)鋒生，鋒面位置與850 hPa及925 hPa切變線位置基本重疊，強(qiáng)降雨出現(xiàn)在各層系統(tǒng)重疊的區(qū)域。到20日8：00，在槽后偏北氣流引導(dǎo)下，850 hPa、925 hPa切變線以及地面準(zhǔn)靜止鋒南壓至湖南南部地區(qū)并一直維持，強(qiáng)降雨一直持續(xù)到21日8：00。6月21日20：00，500 hPa南支槽在貴州中部發(fā)展，湖南省處在槽前西南氣流中，850 hPa轉(zhuǎn)為暖式切變線北抬至湘中偏北部地區(qū)，地面準(zhǔn)靜止鋒隨著地面高壓的變性而消失，500 hPa有低槽過境，高低空系統(tǒng)位相差大，700、850 hPa切變線位置偏北，強(qiáng)降雨集中在850 hPa切變附近，有明顯的暖區(qū)降雨特征。

3 中尺度特征分析

3.1 降雨雨團(tuán)和云團(tuán)特征

從降雨云圖TBB特征（圖1）可以發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣過程有兩個(gè)主要降雨時(shí)段：19日19：00至20日0：00與21日19：00至22日0：00。在第一階段（圖1a、圖1b、圖1c），對流云團(tuán)從19日18：00左右開始激發(fā)，云帶尺度大，其內(nèi)部有多個(gè)強(qiáng)降水中心，并逐漸形成東—西向帶狀對流云，由2個(gè)面積較大的對流云團(tuán)和2個(gè)面積較小的對流云團(tuán)組成，發(fā)展旺盛后再逐漸消亡，生命史長約為20 h。對流云帶走向與地面鋒面（輻合線）走向一致，為地面鋒面系統(tǒng)激發(fā)產(chǎn)生。地面觀測到的小時(shí)極大風(fēng)速在地面鋒面前，為偏南大風(fēng)，在鋒面北部有偏北大風(fēng)產(chǎn)生。在第二個(gè)時(shí)段（圖1d、圖1e、圖1f），對流云團(tuán)從18：00左右開始激發(fā)，但僅1個(gè)面積較大的對流云團(tuán)（MCC）由500 hPa淺槽激發(fā)產(chǎn)生。該時(shí)段的地面大風(fēng)位于對流云團(tuán)移動發(fā)展的東南方向，持續(xù)時(shí)間相對較短，生命史約為10 h。

圖1 逐小時(shí)云圖TBB特征（單位：mm）

3.2 雷達(dá)回波特征分析

3.2.1 反射率因子特征19—20日強(qiáng)降水位于湘中一線，呈東西走向的帶狀分布。從雷達(dá)回波分析，19日16：00開始，湘中一帶降水回波逐漸形成，大于30 dBZ的回波沿底層切變輻合形成，在切變線南側(cè)，分散性回波不斷加強(qiáng)合并，其中大于40 dBZ的回波呈東西向排列，其移動、傳播方向和回波的長軸方向較吻合，呈現(xiàn)懷化市、邵陽市、衡陽市、株洲市“一”字形排列。到20：05，回波強(qiáng)度大于50 dBZ區(qū)域不斷增加，仍然呈現(xiàn)帶狀分布，持續(xù)影響湘中地區(qū)。20日2：00—6：00，降水面積有所擴(kuò)大，大于40 dBZ的強(qiáng)回波維持在邵陽市、婁底市以及株洲市南部地區(qū)，且移動速度緩慢，但位于懷化地區(qū)的回波逐漸開始向南發(fā)展，到08：50，回波的帶狀形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)狀，之后隨著回波的南移減弱消散。整個(gè)過程中可見，超過40 dBZ強(qiáng)回波源源不斷地經(jīng)過湘中懷化南部、邵陽西部和北部以及婁底一帶并維持發(fā)展，強(qiáng)降水回波帶位置較穩(wěn)定，形成明顯的列車效應(yīng)。超過50 dBZ的多個(gè)強(qiáng)回波單體在邵陽東北部地區(qū)不斷生消發(fā)展，維持的時(shí)間超過10 h，使得邵陽東北部成為本次強(qiáng)降水過程的降水中心。

3.2.2 徑向速度特征 從衡陽市雷達(dá)徑向速度（圖2）分析，19日18：00—20：00左右，在0.5°仰角上風(fēng)場呈現(xiàn)模糊的“S”形，風(fēng)向呈現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，表明地面有暖平流存在，而1.5°以上仰角平流不明顯。隨著降水的持續(xù)，20：00以后0.5°仰角上風(fēng)向從底層到高層出現(xiàn)先逆轉(zhuǎn)后順轉(zhuǎn)的形式，并且擴(kuò)展到1.5°仰角，且零速度線曲率增加，表明此時(shí)中低層不穩(wěn)定程度進(jìn)一步加強(qiáng)。在1.5°仰角上，距離地面1 km左右有風(fēng)速為12 m/s的西南急流存在，且2.4°仰角在雷達(dá)站西北側(cè)距離地面2 km左右存在鋒面。一方面，下暖上冷結(jié)構(gòu)有利于大氣不穩(wěn)定層結(jié)建立，底層西南氣流維持為強(qiáng)降水提供了很好的水汽輸送，為暴雨提供了有力條件；另一方面，西北氣流的存在使得地面有弱冷空氣侵入，有利于鋒面形成，加之西南急流維持，使得降水可以長時(shí)間維持。

圖2 衡陽市雷達(dá)19日20：05不同仰角的徑向速度

3.2.3 回波頂高（ET）和垂直液態(tài)含水量（VIL） 對邵陽地區(qū)出現(xiàn)大暴雨的回波頂高（ET）和垂直液態(tài)含水量（VIL）分析，邵陽東北部強(qiáng)回波發(fā)展高度較高，對多個(gè)單體的回波頂高進(jìn)行計(jì)算，回波頂高度維持在13～16 km左右，可見單體在經(jīng)過邵陽東北部時(shí)都存在加強(qiáng)的趨勢，回波向上發(fā)展有利于抽吸作用的加強(qiáng)，從而增強(qiáng)對流發(fā)展。對比幾個(gè)時(shí)次的垂直液態(tài)含水量（VIL），可見VIL總體維持在17～19 kg/m2范圍內(nèi)，較高的VIL有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。

3.2.4 強(qiáng)回波剖面 對邵陽地區(qū)強(qiáng)降雨時(shí)段3個(gè)時(shí)次的雷達(dá)回波做垂直剖面（圖3）分析發(fā)現(xiàn)，單體發(fā)展過程都存在前傾結(jié)構(gòu)，有利于對流維持和加強(qiáng)，且強(qiáng)度超過45 dBZ的回波發(fā)展高度都位于6 km左右，且最強(qiáng)回波中心基本維持在3 km左右，可見低質(zhì)心降水回波更有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖3 邵陽地區(qū)回波剖面

3.3 中尺度系統(tǒng)-地面輻合線

鑒于強(qiáng)降雨過程夜雨特征明顯，分析19日8：00至20日8：00的地面資料（圖4），發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨區(qū)位于地面輻合線之后，湘東南地區(qū)位于地面兩高之間的輻合區(qū)，無降雨發(fā)生；通過分析3 h變壓（表1），發(fā)現(xiàn)地面有弱冷空氣侵入，19日8：00、14：00、20日8：00的3 h明顯變壓區(qū)位于地面輻合線后，19日20：00、20日2：00的與地面輻合線交匯，而且20日2：00與8：00的明顯變壓區(qū)幾乎重合，也表明夜間系統(tǒng)移動緩慢，邵東氣象站2：00—8：00降雨量達(dá)到128 mm。19日8：00湖 南境 內(nèi) 最大 正變 壓為3.4 hPa，20日8：00最大正變壓為2.3 hPa，表明系統(tǒng)有所減弱，這也預(yù)示著20日降雨有所減小。

圖4 2018年6月19日8：00至20日8：00地面輻合線演變

表1 3 h變壓區(qū)域值

該次過程由地面配合有明顯的輻合線并伴有弱冷空氣所致，20日2：00與8：00正變壓變化明顯區(qū)域移動緩慢甚至重疊，對強(qiáng)降雨落區(qū)預(yù)報(bào)有較好的指示意義。

3.4 中尺度濾波分析

利用NCEP1°×1°格點(diǎn)資料、逐小時(shí)加密雨量資料，基于Barnes濾波原理，選取3套相近的帶通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)中尺度濾波方案對暴雨過程進(jìn)行分析。方案1，C1=5 000 km，C2=70 000 km，G1=G2=0.35，能夠較好地保留波長在300～800 km的中尺度波動系統(tǒng)（響應(yīng)函數(shù)值≥0.5的波長區(qū)間代表波動被很好地保留下來）；方案2，C1=10 000 km，C2=150 000 km，G1=G2=0.3，能夠較好地保留波長350～1 150 km的中尺度波動系統(tǒng)；方案3，C1=15 000 km，C2=240 000 km，G1=G2=0.3，能夠較好地保留波長在400～1 450 km的中尺度波動系統(tǒng)。

選取暴雨過程主要時(shí)段19日20：00和20日2：00，通過對700 hPa流場進(jìn)行濾波分析（圖5）發(fā)現(xiàn)，19日20：00，700 hPa上（圖5a）為一致偏西氣流控制，進(jìn)行三套Barnes濾波方案后，方案1和方案2的700 hPa流場（圖5b、c）湘中偏東分離出一個(gè)明顯的輻合中心，和強(qiáng)降水落區(qū)亦十分吻合，方案3在西部分離出了一條輻合線（圖5d）。20日2：00，原始場仍然為偏西氣流控制（圖6a），方案1在懷化市、邵陽市分離出了中尺度輻合線（圖6b），方案2的分離輻合線在邵陽市（圖6c），而方案3的分離輻合線在衡陽市（圖6d）。由以上分析可知，方案1的效果相對來說最好，方案2次之。

圖5 2018年6月19日20：00 700 hPa流場中尺度濾波

圖6 2018年6月20日2：00 700 hPa流場中尺度濾波

4 模式可預(yù)報(bào)性研究

4.1 模式形勢場檢驗(yàn)

從不同起報(bào)時(shí)間的模式預(yù)報(bào)來看，EC對于高度場預(yù)報(bào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性較好，48 h起報(bào)的模擬結(jié)果已經(jīng)十分接近實(shí)況。48 h內(nèi)EC對于風(fēng)場場預(yù)報(bào)的穩(wěn)定性相對較好，不同起報(bào)時(shí)間的差異較小；但預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況還是存在偏差，實(shí)況場的切變線較預(yù)報(bào)場更為明顯，強(qiáng)度和影響區(qū)域也更大。Grapes模擬結(jié)果與EC較為相似，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況的偏差也主要表現(xiàn)在風(fēng)場結(jié)構(gòu)上，實(shí)況場的切變線較預(yù)報(bào)場更為明顯，實(shí)況的系統(tǒng)組織性更好，強(qiáng)度和影響區(qū)域也更大，預(yù)報(bào)風(fēng)場相對較弱而且風(fēng)場較為凌亂。48 h內(nèi)模式預(yù)報(bào)穩(wěn)定性比EC模式弱，不同起報(bào)時(shí)間的模擬結(jié)果仍存在差異。

4.2 模式降水檢驗(yàn)

6月19日8 ：00—22日8：00實(shí)況與模式降水預(yù)報(bào)對比見圖7。從實(shí)況看，強(qiáng)降雨主要出現(xiàn)在湘中及其以南地區(qū)，雨帶基本呈現(xiàn)東—西走向，隨著系統(tǒng)南壓，雨帶逐漸向南發(fā)展。從各模式的預(yù)報(bào)來看，不同模式的降水落區(qū)預(yù)報(bào)均較好，雨帶逐漸南壓的變化也較為清楚；華東模式對降水強(qiáng)度的模擬較為準(zhǔn)確，暴雨雨帶與實(shí)況最為接近，其他模式對降水強(qiáng)度的模擬都偏弱，特別是暴雨區(qū)的范圍明顯偏小。這與低層風(fēng)場的模擬結(jié)果是一致的，EC和Grapes模式對低空切變線等降水系統(tǒng)的模擬偏弱，導(dǎo)致降水強(qiáng)度的模擬結(jié)果偏弱。

圖7 2018年6月19日8：00至6月22日8：00實(shí)況與不同模式預(yù)報(bào)對比

5 結(jié)論

1）2018年6 月19—22日暴雨過程具有持續(xù)時(shí)間長、降雨量大、局地性強(qiáng)、重復(fù)受災(zāi)等特點(diǎn)，強(qiáng)降雨主要出現(xiàn)在下午和晚上，夜雨特征明顯。

2）強(qiáng)降雨主要出現(xiàn)在19日下午到20日上午、21日下午到晚上。前階段有冷空氣影響，為鋒面降雨，由多個(gè)對流云團(tuán)反復(fù)出現(xiàn)造成強(qiáng)降雨；后階段為暖區(qū)降雨，由單一的對流復(fù)合體造成強(qiáng)降雨。2個(gè)階段急流均不明顯，暖區(qū)降雨時(shí)風(fēng)速更大。

3）超過40 dBZ強(qiáng)降水回波帶位置穩(wěn)定，形成明顯的列車效應(yīng)，超過50 dBZ的多個(gè)強(qiáng)回波單體不斷生消發(fā)展，低質(zhì)心降水回波、中低層下暖上冷的大氣不穩(wěn)定層、較高的VIL值都是強(qiáng)降水發(fā)生的有利條件。

4）基于Barnes濾波原理，設(shè)計(jì)的3種中尺度濾波方案，均能較好分離出中尺度系統(tǒng)，相對來說，方案1最好，方案2次之。

5）對于鋒面降雨，EC和Grapes大尺度模式、華東和華南中尺度區(qū)域模式均對降水落區(qū)的預(yù)報(bào)效果較好，而華東模式對降水強(qiáng)度的模擬較為準(zhǔn)確，暴雨雨帶與實(shí)況最為接近，其他模式對降水強(qiáng)度的模擬都偏弱，特別是暴雨區(qū)的范圍明顯偏小。對于暖區(qū)局地強(qiáng)降雨，大尺度模式預(yù)報(bào)偏差大，且不穩(wěn)定，華東中尺度區(qū)域模式能捕捉一些信息，可在預(yù)報(bào)中參考。