崔春光 林春澤 王曉芳 李俊 彭濤 張文剛

（中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

2000年以來我國(guó)長(zhǎng)江中游區(qū)域暴雨研究進(jìn)展

崔春光 林春澤 王曉芳 李俊 彭濤 張文剛

（中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

長(zhǎng)江中游地區(qū)是暴雨多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，深入認(rèn)識(shí)該區(qū)域暴雨形成的中、小尺度天氣系統(tǒng)、分析暴雨發(fā)生機(jī)理與發(fā)展暴雨、洪水預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)于我國(guó)防洪減災(zāi)具有重要意義。針對(duì)長(zhǎng)江中游區(qū)域暴雨從觀測(cè)到資料分析、機(jī)理研究，再到數(shù)值預(yù)報(bào)與水文應(yīng)用研究，重點(diǎn)從暴雨外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)及資料反演和中尺度資料融合技術(shù)、長(zhǎng)江中游暴雨MCS（中尺度對(duì)流系統(tǒng)）觀測(cè)分析和理論研究、中尺度暴雨數(shù)值模式研究和長(zhǎng)江中游水文氣象耦合的暴雨洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)四個(gè)方面介紹了2000年以來我國(guó)科研業(yè)務(wù)單位的主要研究進(jìn)展，并對(duì)制約長(zhǎng)江中游區(qū)域暴雨研究深入與預(yù)報(bào)水平提高的主要問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要討論，對(duì)未來的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

資料融合，中尺度對(duì)流系統(tǒng)，水文氣象耦合

1 引言

長(zhǎng)江中游是我國(guó)暴雨頻發(fā)區(qū)域,受中高緯西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)、亞洲季風(fēng)系統(tǒng)以及高原東移低值系統(tǒng)的共同作用,每年5到9月,暴雨過程頻繁,且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),時(shí)空分布不均,既有梅雨期的大范圍持續(xù)性降水,也有盛夏局地突發(fā)性強(qiáng)降水,所造成的災(zāi)害重、損失大。對(duì)長(zhǎng)江中游影響最大主要降水集中在每年6月中旬到7月中旬,即長(zhǎng)江梅雨期,該時(shí)期長(zhǎng)江流域是極地冷空氣和熱帶暖濕空氣頻繁交綏的地帶,梅雨鋒上的中尺度天氣系統(tǒng)活躍,它們的活動(dòng)不僅維持了梅雨期持續(xù)性的降水,而且給暴雨的產(chǎn)生創(chuàng)造了十分有利的條件[1]。暴雨是由中小尺度天氣系統(tǒng)直接造成的,但它的發(fā)生發(fā)展是多尺度環(huán)流和天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果,因而暴雨形成是一個(gè)十分復(fù)雜的問題[2]。長(zhǎng)江中游區(qū)域長(zhǎng)江、漢江東西橫貫,洞庭湖、鄱陽湖水系密布,大小水庫(kù)眾多,是我國(guó)防汛的關(guān)鍵區(qū)域。因此長(zhǎng)江中游區(qū)域暴雨尤其是梅雨鋒暴雨的研究受到國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)者和我國(guó)科研、業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注和高度重視,在國(guó)家和地方各類科研項(xiàng)目的推動(dòng)下,研究工作取得了明顯進(jìn)步。本文對(duì)2000年以來我國(guó)長(zhǎng)江中游區(qū)域暴雨研究進(jìn)展做一些概括性歸納和總結(jié),重點(diǎn)從暴雨外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)及資料反演和中尺度資料融合技術(shù)、長(zhǎng)江中游暴雨MCS觀測(cè)分析和理論研究、中尺

度暴雨數(shù)值模式研究和長(zhǎng)江中游水文氣象耦合的暴雨洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)四個(gè)方面進(jìn)行介紹,并對(duì)制約長(zhǎng)江中游區(qū)域暴雨研究深入與預(yù)報(bào)水平提高的主要因素進(jìn)行討論,對(duì)未來開展的重點(diǎn)工作與研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

2 暴雨外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)及資料反演和中尺度資料融合技術(shù)

2.1 暴雨外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)

由于引發(fā)暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)具有一定的頻發(fā)性、突發(fā)性以及較小的時(shí)空分辨率,使得常規(guī)氣象觀測(cè)難以捕獲,因此在重點(diǎn)區(qū)域開展中尺度暴雨研究的外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)以獲取中尺度暴雨三維結(jié)構(gòu)信息對(duì)于深入研究暴雨形成機(jī)理與提高暴雨預(yù)報(bào)水平尤為重要。1998年長(zhǎng)江流域大洪水以來,國(guó)內(nèi)開展了多次暴雨野外觀測(cè)試驗(yàn)。如國(guó)家973“我國(guó)重大天氣災(zāi)害形成機(jī)理與預(yù)測(cè)理論研究”2001—2002年汛期開展的長(zhǎng)江中下游暴雨外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)以梅雨鋒內(nèi)中尺度暴雨為主要觀測(cè)對(duì)象,獲取了大量暴雨過程實(shí)時(shí)加密資料, 極大地推動(dòng)了長(zhǎng)江梅雨鋒暴雨中尺度研究和預(yù)報(bào)[3]。國(guó)家973“我國(guó)南方致洪暴雨監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)理論和方法研究”于2008 年、2009 年5 月1 日—7 月20 日實(shí)施了中國(guó)南方暴雨野外科學(xué)試驗(yàn)[4-5],該觀測(cè)試驗(yàn)是迄今為止國(guó)內(nèi)在單一項(xiàng)目支持下規(guī)模最大、裝備最為先進(jìn)的一次暴雨外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn),對(duì)我國(guó)汛期雨帶的主要影響區(qū)域及其北抬的完整過程實(shí)施加密觀測(cè),涉及四個(gè)觀測(cè)區(qū)和十三省兩市,幾乎覆蓋整個(gè)長(zhǎng)江以南地區(qū)。投入的設(shè)備有55部雷達(dá),48部探空,7000個(gè)地面觀測(cè)站,以及特種設(shè)備如C波段和X波段雙偏振多普勒雷達(dá)與8毫米波云雷達(dá),組織的多雷達(dá)組網(wǎng)觀測(cè)獲取的資料為分析研究暴雨云內(nèi)水凝物分布、發(fā)展對(duì)流云微物理過程提供了良好基礎(chǔ),并首次在外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)中實(shí)施了機(jī)載下投式探空觀測(cè),獲取了近40條氣象廓線的觀測(cè)資料。

在前述兩個(gè)973項(xiàng)目支持下開展的暴雨外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn),是國(guó)內(nèi)無論從觀測(cè)、分析到應(yīng)用都較為先進(jìn)的β中尺度暴雨加密觀測(cè)試驗(yàn),尤其是在多遙感途徑聯(lián)合觀測(cè)、新型裝備研制與中試、高時(shí)空分辨率的中尺度氣象分析場(chǎng)生成等方面進(jìn)行了有力探索,武漢暴雨研究所作為主要參與單位之一,在此過程中逐步打下了堅(jiān)實(shí)的設(shè)備與技術(shù)基礎(chǔ)。2002年至今,武漢暴雨研究所依托氣象業(yè)務(wù)觀測(cè)網(wǎng),在氣象災(zāi)害頻發(fā)的長(zhǎng)江中游地區(qū)建設(shè)具備高密度水汽監(jiān)測(cè)、高空觀測(cè)、云觀測(cè)、邊界層觀測(cè)、定量降水估算校準(zhǔn)觀測(cè)等功能的β中尺度暴雨監(jiān)測(cè)外場(chǎng)試驗(yàn)基地(見圖1),目前已建成了咸寧、武漢、荊州三個(gè)探測(cè)基地,與黃石、孝感、荊門、仙桃、神農(nóng)架、黃岡等多個(gè)觀測(cè)點(diǎn),在長(zhǎng)江中游初步形成了點(diǎn)面相結(jié)合的觀測(cè)布局。基地探測(cè)設(shè)備包括不同類型和功能的車載雷達(dá)、邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)、GPS移動(dòng)探空系統(tǒng)、微波輻射計(jì)、地基GPS/ MET站、激光雨滴譜儀、神農(nóng)架高山梯度氣象觀測(cè)網(wǎng)等。此外,各個(gè)基地還設(shè)有業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)、業(yè)務(wù)高空探空站、自動(dòng)氣象站、雨量站等多種常規(guī)觀測(cè)設(shè)備,可對(duì)長(zhǎng)江中游重要暴雨天氣系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)、水汽場(chǎng)、降水場(chǎng)、云和降水粒子相態(tài)分布進(jìn)行固定的實(shí)時(shí)綜合觀測(cè)。2010—2013年汛期,武漢暴雨所在基地內(nèi)組織多次長(zhǎng)江中游梅雨鋒暴雨多遙感途徑聯(lián)合觀測(cè)試驗(yàn),成

功捕捉了多次梅雨期重要天氣過程,積累了大量多途徑高精度同步觀測(cè)資料,有效推動(dòng)了暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、暴雨機(jī)理、暴雨預(yù)報(bào)等方面研究工作的開展。

圖1 長(zhǎng)江中游暴雨監(jiān)測(cè)外場(chǎng)試驗(yàn)基地區(qū)域示意圖

2.2 資料反演技術(shù)

氣象衛(wèi)星和雷達(dá)是目前遙感探測(cè)暴雨的兩種主要手段,在暴雨的監(jiān)測(cè)預(yù)警中發(fā)揮了重要作用,但其探測(cè)得到的基本信息遠(yuǎn)不能滿足暴雨分析的需求,為了得到更多有效的信息,資料反演技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?？茖W(xué)有效的反演技術(shù)能夠準(zhǔn)確地解譯遙感資料中包含的暴雨相關(guān)信息,對(duì)分析暴雨的發(fā)生及發(fā)展機(jī)制、改進(jìn)和提高暴雨的預(yù)報(bào)水平有非常重要的意義。

目前對(duì)于暴雨的分析預(yù)報(bào)具有重要指示作用的參數(shù)包括風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、云特性等,能夠詳細(xì)描述暴雨云團(tuán)的動(dòng)力及熱力形成條件、云團(tuán)特征等信息?；趩味嗥绽绽走_(dá)和靜止衛(wèi)星云圖的風(fēng)場(chǎng)反演已有數(shù)十年歷史,其反演技術(shù)已比較成熟,隨著遙感技術(shù)和數(shù)學(xué)方法的不斷發(fā)展,數(shù)值微分方法和正則化方法被用來提高云導(dǎo)風(fēng)的反演精度[6],取得了理想的效果?；诶走_(dá)風(fēng)場(chǎng)反演的基本算法,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)[7-9],一定程度上提高了反演精度,但距離業(yè)務(wù)使用還有一定差距,因此變分法和多雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演方法被提出。通過比較驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),變分法對(duì)于風(fēng)場(chǎng)反演具有較高精度,四維變分法能夠反演得到低層風(fēng)場(chǎng)信息[10],劉黎平[11]采用三維變分法實(shí)現(xiàn)了雙多基地多普勒雷達(dá)系統(tǒng)三維風(fēng)場(chǎng)的有效反演。利用雙多普勒雷達(dá)同步觀測(cè),得到兩個(gè)方向的徑向速度資料,再與其他約束條件結(jié)合就可以得到風(fēng)場(chǎng)的三維結(jié)構(gòu)[12],羅昌榮等[13]利用該方法有效地分析了臺(tái)風(fēng)外圍強(qiáng)帶狀回波風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。彭亮等[14]將小粒子示蹤法用于3mm多普勒云雷達(dá)云內(nèi)空氣垂直速度的反演。Rosenfeld提出的衛(wèi)星微物理反演分析方法,對(duì)于云的微物理特征的獲取提供了非常有效的方法,該方法已在NOAA[15-16]、FY[17-19]、MODIS[20]等衛(wèi)星資料分析中應(yīng)用,得到了云的微物理及垂直結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)Z-qr關(guān)系及定常暖云方案,利用雷達(dá)反射率因子可以對(duì)云的微物理量進(jìn)行反演[21]。劉黎平等[22]利用地基Ka波段雷達(dá)探測(cè)的回波強(qiáng)度、粒子下落速度和速度譜寬數(shù)據(jù),在忽略空氣上升速度和湍流對(duì)雷達(dá)觀測(cè)的速度譜寬的影響前提下,對(duì)云液態(tài)水含量及滴譜參數(shù)進(jìn)行了反演,并與機(jī)載探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果顯示兩者結(jié)果比較一致。大氣溫度及濕度廓線的探測(cè)主要利用星載大氣探測(cè)儀,其中ATOVS是具有代表性的一種,采用一維變分技術(shù),同時(shí)對(duì)輻射傳輸方程做擾動(dòng)處理,對(duì)大氣廓線的反演效果較好[23-24]。最小方差算法被用于NOAA/ AMSU資料海面大氣溫度垂直廓線的反演,并明顯提高了對(duì)流層大部分區(qū)域的反演精度[25],而利用特征向量統(tǒng)計(jì)反演算法由MODIS資料同樣可以反演得到大氣溫濕廓線[26]。王曦等[27]利用FY-3A微波輻射計(jì)亮溫?cái)?shù)據(jù),通過建立適用于微波波段的物理迭代算法,反演得到了晴空海域的大氣濕度廓線。王祥等[28]利用FY-3A衛(wèi)星近紅外波段資料,分別利用雙通道比值法與三通道比值法反演了大氣水汽含量,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)三通道比值法精度更高。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積累和不斷改進(jìn),資料反演技術(shù)較之前取得了明顯提高,但其中仍存在一些問題,例如單雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演算法主要以科研為主,目前還無法達(dá)到普適性,難以業(yè)務(wù)化應(yīng)用,衛(wèi)星資料反演主要針對(duì)海洋區(qū)域,對(duì)受復(fù)雜地形影響的陸地區(qū)域難以開展有效的反演等。隨著計(jì)算機(jī)水平及傳感器探測(cè)精度的提高,資料反演技術(shù)必將會(huì)越來越高效,探測(cè)資料中更多的有效信息將會(huì)被解譯,為暴雨的分析研究提供幫助。

2.3 中尺度資料融合技術(shù)

隨著我國(guó)中尺度觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)與完善,衛(wèi)星、雷達(dá)、微波輻射計(jì)、GPS、風(fēng)廓線儀等非常規(guī)觀測(cè)手段日益豐富,所獲取的高時(shí)空分辨率的探測(cè)資料為暴雨中尺度系統(tǒng)的深入分析和預(yù)報(bào)能力的提高提供了可靠保證,然而這些非常規(guī)資料各自獨(dú)立,且能提供的直接產(chǎn)品大多采用形態(tài)學(xué)(如回波形狀、云圖形態(tài))來做定性分析,對(duì)中尺度暴雨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征分析十分有限[5]。中尺度資料融合技術(shù)可以將分布在全國(guó)的地面站觀測(cè)要素,連同來自衛(wèi)星、雷達(dá)、微波輻射計(jì)、GPS、風(fēng)廓線儀等的各種資料融合成整體,形成包含豐富中尺度信息的中尺度分析場(chǎng),并可為中尺度數(shù)值模式提供高質(zhì)量的初始場(chǎng)。這為解決多源非常規(guī)觀測(cè)資料在暴雨中尺度天氣分析與預(yù)報(bào)中有效應(yīng)用的難題提供了一個(gè)有效手段。

20世紀(jì)90年代以來,國(guó)際上普遍采用資料同化技術(shù)綜合處理各類氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來重建長(zhǎng)期而連續(xù)的格點(diǎn)再分析資料,并逐漸使用變分同化取代了最優(yōu)插值技術(shù),以四維變分同化為基礎(chǔ)的集合—變分同化和混合資料同化技術(shù)更是成為了未來資料同化的主流發(fā)展方向[29]。近10年,我國(guó)資料同化技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,但依然缺少系統(tǒng)的中尺度資料融合分析工具。武漢暴雨研究所于2005年與美國(guó)NOAA下屬的地球系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室合作引進(jìn)了局地分析系統(tǒng)(LAPS),并成功進(jìn)行了本地化開發(fā),完成了LAPS 系統(tǒng)對(duì)我國(guó)探空資料、地面資料、多普勒雷達(dá)資料等的融合同化[30]。LAPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)算法是在背景場(chǎng)基礎(chǔ)上采用

距離權(quán)重插值得到網(wǎng)格點(diǎn)值,然后對(duì)氣溫、氣壓、風(fēng)的關(guān)系采用三維變分進(jìn)行約束,對(duì)垂直水汽分布采用一維變分進(jìn)行約束。早在1996年LAPS系統(tǒng)已為夏季亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)提供服務(wù)[31]。GOES衛(wèi)星輻射資料、GPS水汽等資料同化進(jìn)入LAPS系統(tǒng)后提高了LAPS系統(tǒng)的水汽分析能力[32]。武漢暴雨所結(jié)合暴雨過程對(duì)雷達(dá)資料、GPS水汽資料的應(yīng)用開展了相關(guān)研究[33-34]。國(guó)家973“我國(guó)南方致洪暴雨監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)理論和方法研究”利用由武漢暴雨所引進(jìn)的LAPS 分析系統(tǒng),融合了2008—2009年5月1日—7月20日我國(guó)南方暴雨野外科學(xué)試驗(yàn)期間所獲取的華南、華中、江淮和長(zhǎng)三角觀測(cè)區(qū)加密觀測(cè)探空資料、多普勒雷達(dá)資料和地面資料,生成了水平分辨為5km,時(shí)間分辨為3h的LAPS中尺度分析資料,批量檢驗(yàn)結(jié)果表明,LAPS 生成的中尺度分析系統(tǒng)能抓住80%以上引發(fā)暴雨過程的中尺度影響系統(tǒng),尤其對(duì)α中尺度或β中尺度系統(tǒng)具有較好的中尺度再現(xiàn)能力,對(duì)于觀測(cè)區(qū)域內(nèi)由β中尺度低渦東移及切變線引成的暴雨過程,LAPS中尺度分析場(chǎng)均能很好地再現(xiàn)其中尺度影響系統(tǒng)的發(fā)展演變過程,LAPS中尺度分析場(chǎng)的位勢(shì)高度、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向和風(fēng)速的分析誤差均在觀測(cè)誤差范圍內(nèi)[5]。目前在武漢暴雨所業(yè)務(wù)運(yùn)行的LAPS系統(tǒng),融合了長(zhǎng)江流域30多部雷達(dá)資料及衛(wèi)星、GPS、自動(dòng)氣象站等資料,實(shí)現(xiàn)大范圍雷達(dá)資料的綜合應(yīng)用,提供3h更新5km分辨率垂直21層近40種物理量的中尺度氣象分析場(chǎng)(見圖2)。NOAA新開發(fā)的變分LAPS系統(tǒng)(VARLAPS),是基于多重網(wǎng)格法上的變分同化系統(tǒng),具有傳統(tǒng)LAPS系統(tǒng)計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn),并可靈活地在不同的網(wǎng)格上使用不同的約束條件以達(dá)到最優(yōu)的效果[35]。VAR-LAPS利用多尺度變分技術(shù)解決了舊版本在客觀分析中平衡與約束不能同時(shí)應(yīng)用、遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)沒有最佳融合、交叉變量協(xié)方差不能直接應(yīng)用等問題。Li等[36-37]利用該系統(tǒng)開展多普勒雷達(dá)資料同化對(duì)中國(guó)海域海溫的預(yù)報(bào)。武漢暴雨所正在開展VARLAPS對(duì)新型探測(cè)資料如風(fēng)廓線、GPS水汽等的融合同化試驗(yàn)研究。VAR-LAPS作為中尺度資料融合支撐系統(tǒng)將在建立更優(yōu)暴雨中尺度分析場(chǎng)數(shù)據(jù)集與提高數(shù)值預(yù)報(bào)模式初始場(chǎng)質(zhì)量等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖2 武漢暴雨研究所LAPS系統(tǒng)流程圖

3 長(zhǎng)江中游暴雨MCS觀測(cè)分析和理論研究

3.1 長(zhǎng)江中游MCS的觀測(cè)特征

產(chǎn)生暴雨的MCS雷達(dá)回波上呈現(xiàn)了多種多樣的組織結(jié)構(gòu)形態(tài),王曉芳等[38]將MCS分為線狀和非線狀,其中線狀又為8個(gè)確定的類型(TS、LS、PS、BL四類MCS為移動(dòng)型,而BB、TL/AS、EL、LL四類MCS是準(zhǔn)靜止的),而非線狀的MCS組織結(jié)構(gòu)特征不顯著,主要是大片回波中嵌有或多或少的無組織強(qiáng)對(duì)流回波。Zheng等[39]通過研究我國(guó)中東部地區(qū)的MCS,考慮到線狀弓形回波對(duì)流和層狀對(duì)流易造成大風(fēng)等劇烈天氣,將弓狀回波(BE)和無層狀降水的隨流線(NS)單獨(dú)分類。颮線是產(chǎn)生劇烈天氣的中尺度對(duì)流系統(tǒng),最近孟智勇[40]對(duì)我國(guó)東部的颮線特征也進(jìn)行了研究。

MCS常形成在有利的天氣尺度條件下,如副熱帶高壓、熱帶氣旋、中高緯度槽前、冷渦、槽后等, Meng等[40]統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)有三分之一的颮線形成于短波槽天氣形勢(shì)下。當(dāng)副熱帶高壓、中高緯度冷空氣活動(dòng)、高原中尺度系統(tǒng)東移、南海季風(fēng)涌等多尺度天氣系統(tǒng)的協(xié)同作用在這些系統(tǒng)處于活躍期時(shí),梅雨鋒上出現(xiàn)暴雨,但并不是整個(gè)梅雨鋒帶上普降強(qiáng)降水,降水還存在不均勻性,這說明降水強(qiáng)弱還與局地的氣象條件特別是垂直風(fēng)切變密切相關(guān)[41-43]。根據(jù)實(shí)際個(gè)例分析和數(shù)值模擬,總結(jié)幾類線狀MCS的結(jié)構(gòu)模型,并探討了它們發(fā)生發(fā)展的可能機(jī)制[44-45]。

長(zhǎng)江流域線狀MCS多形成在長(zhǎng)江兩岸附近,在宜昌至武漢沿江兩岸、湖南東北部是MCS的高發(fā)地,其次為重慶沿江北部、重慶南部至鄂西、大別山兩側(cè)、湖南和江西交界山區(qū),沿地形的低洼地和河谷平地是MCS的多發(fā)地。MCS移動(dòng)路徑為東、東偏北、東偏南、南四種,這與環(huán)境場(chǎng)的引導(dǎo)氣流有關(guān),MCS日變化活動(dòng)特征表現(xiàn)為多鋒型[38,46],MCS生命史較長(zhǎng),水平尺度大,日落后減弱,午夜再度發(fā)展,即濕對(duì)流。陳炯等[47]分析中國(guó)暖季短時(shí)強(qiáng)降水特征,發(fā)現(xiàn)它與MCS的日變化特征一致。祁秀香等[48]統(tǒng)計(jì)得到2007年夏季我國(guó)大陸深對(duì)流活動(dòng)主要集中在4個(gè)區(qū)域,除華南沿海地區(qū)外,其余三個(gè):青藏高原,云貴高原東部及四川、重慶,江淮流域等都是中緯度帶區(qū),江淮流域深對(duì)流日變化也呈多峰型且明顯東傳。

3.2 MCS的理論研究

胡伯威[49]用一個(gè)包含簡(jiǎn)單積云對(duì)流參數(shù)化的線性模式討論在長(zhǎng)江流域相當(dāng)正壓性質(zhì)的梅雨鋒上深厚慣性重力波的發(fā)生、傳播和頻散性質(zhì),發(fā)現(xiàn)與積云對(duì)流加熱場(chǎng)有最密切關(guān)系的低層濕度條件及其水平分布不均勻性質(zhì)都對(duì)擾動(dòng)的波速和穩(wěn)定度有重要影響,最有利出現(xiàn)不穩(wěn)定發(fā)展的地方是在“低層濕度鋒區(qū)”南界附近,因此這里是中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)的活躍地帶。關(guān)于頻散性質(zhì)的分析表明,能允許群速度大于相速度的低層濕度條件及其水平分布的特征值范圍比較寬。而在上述穩(wěn)定度接近中性的條件下最有利于出現(xiàn)沿“濕度鋒區(qū)”軸向的上、下游效應(yīng)。這個(gè)結(jié)果也許能很好地解釋:在梅雨鋒上,恰恰是當(dāng)一個(gè)旺盛的MCS達(dá)到頂點(diǎn)而開始趨向衰減時(shí),在它的上、下游很快發(fā)展起新的MCS,新、舊MCS一起形成“云團(tuán)波串”這樣一個(gè)重要而有趣的觀測(cè)事實(shí)。同樣在虛擬高度坐標(biāo)系中,水平風(fēng)切變強(qiáng)度不均勻分布對(duì)CISK慣性重力波不穩(wěn)定有重要作用。在一般干的層結(jié)大氣中,實(shí)際可能出現(xiàn)再?gòu)?qiáng)的水平風(fēng)切變的影響也難以使慣性重力波變得不穩(wěn)定；只有在積云對(duì)流潛熱參與,原為弱穩(wěn)定條件下,水平風(fēng)切變強(qiáng)度不均勻能促使低空急流北側(cè)不穩(wěn)定擾動(dòng)的發(fā)生發(fā)展。而水平風(fēng)切變強(qiáng)度不均勻?qū)Σ环€(wěn)定貢獻(xiàn)最大的區(qū)域是梅雨鋒南側(cè)的急流軸附近[50]。

圖3 濕度鋒上云團(tuán)波串發(fā)生發(fā)展示意圖[51]

3.3 中尺度地形對(duì)MCS的影響

長(zhǎng)江中游地區(qū)多中尺度地形,長(zhǎng)江中游暴雨尤其是(特)大暴雨的發(fā)生,與這些地形密不可分。在估計(jì)山脈迎風(fēng)坡降水方面,早期Smith[57]提出的簡(jiǎn)單線性模型降水率的大小由水汽混合比、正交于山脈的風(fēng)速大小和地形梯度決定。之后,考慮了云微物理過程中云水—雨水的轉(zhuǎn)化時(shí)間、雨水下落時(shí)間對(duì)地形降水的影響[58-59]。當(dāng)濕大氣地形費(fèi)勞德數(shù)Fr>>1或者Fw>>1時(shí),氣流爬過山脈產(chǎn)生的水平擾動(dòng)小,線性理論對(duì)地形降水能做出較好的解釋；當(dāng)Fr<<1或者Fw<<1時(shí),氣流發(fā)生水平擾動(dòng)大,線性理論很難再適用[60]。地形阻滯效應(yīng)限制了該模型的應(yīng)用[61-62]。

趙玉春等[63]根據(jù)長(zhǎng)江中下游中小尺度地形特征和梅雨鋒上MCS發(fā)展的典型探空曲線,設(shè)計(jì)理想數(shù)值試驗(yàn)來研究中尺度地形對(duì)流降水模態(tài),探討了不同地形

高度、尺度、形狀(水平形態(tài)比)、環(huán)境氣流以及旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)降水模態(tài)和分布的影響,發(fā)現(xiàn)地形重力波破碎觸發(fā)對(duì)流是地形對(duì)流降水的主要機(jī)制之一,地形重力波的形成、特征和傳播受到環(huán)境條件制約,也受到地形自身參數(shù)的影響。單一的地形動(dòng)力參數(shù)不能完全決定地形對(duì)流降水的模態(tài)。同時(shí),在天氣系統(tǒng)發(fā)展的不同階段,地形相對(duì)于對(duì)流暴雨系統(tǒng)的位置不同,地形對(duì)暴雨對(duì)流系統(tǒng)的影響存在著差異[64]。廖移山等[65]通過對(duì)一次特大暴雨過程的天氣學(xué)機(jī)理分析,探討了冷空氣與復(fù)雜地形的交叉阻擋對(duì)暖濕氣流的強(qiáng)迫抬升作用。地形對(duì)暴雨對(duì)流系統(tǒng)的影響還值得進(jìn)一步研究。

4 中尺度暴雨數(shù)值模式研究

4.1 中尺度暴雨數(shù)值模式發(fā)展概述

武漢暴雨所自20世紀(jì)80年代開始發(fā)展降水模式的研究和業(yè)務(wù)工作,先后發(fā)展了華中暴雨數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱CRONWS)、暴雨中尺度分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱MAPS)等,1999年開始,與中科院大氣所合作,在國(guó)家“973”項(xiàng)目的支持下,基于LASG“REM”模式,發(fā)展了新一代暴雨數(shù)值模式系統(tǒng)AREM[66],采用η坐標(biāo),抓住了東亞區(qū)域的地形特點(diǎn)[67],充分考慮暴雨模式中水汽等要素的強(qiáng)梯度分布特征,設(shè)計(jì)了兩步正定保形水汽平流方案[68],設(shè)計(jì)了獨(dú)特的E網(wǎng)格“半格距差分方案”,保證了模式運(yùn)行效率、精度和穩(wěn)定度等特點(diǎn)[69]。2007年,在行業(yè)專項(xiàng)的支持下,針對(duì)制約暴雨模式發(fā)展的多源資料利用、資料同化、物理過程等關(guān)鍵技術(shù)開展了研究,在原有簡(jiǎn)單初值系統(tǒng)(客觀分析)的基礎(chǔ)上,發(fā)展了先進(jìn)的多源資料融合技術(shù)、四維變分同化技術(shù)等,發(fā)展了冷云微物理方案,改進(jìn)和完善了模式邊界層、陸面物理過程等方案,同時(shí)建立了快速循環(huán)預(yù)報(bào)系統(tǒng)和集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)等,暴雨的定量預(yù)報(bào)水平得到了顯著提高。

4.2 資料同化技術(shù)

李紅莉等[30,33-34]開展了多普勒雷達(dá)、風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星云圖、GPS水汽、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)、自動(dòng)站、地面降水等多源觀測(cè)資料的同化應(yīng)用研究,并實(shí)現(xiàn)了上述多源觀測(cè)資料在同一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行同化,并開展了相應(yīng)的數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn)。結(jié)果表明,融合同化雷達(dá)徑向風(fēng)資料能顯著改善中尺度風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu),GPS水汽資料能調(diào)整分析區(qū)的濕度場(chǎng),風(fēng)廓線雷達(dá)能調(diào)整風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)、微波輻射計(jì)主要通過反演相對(duì)濕度廓線調(diào)整模式的濕度場(chǎng)。地面資料是資料同化中的難點(diǎn),在解決稠密地面資料在模式中的應(yīng)用方面,武漢暴雨研究所發(fā)展了一套降水資料的一維變分同化技術(shù),通過反演大氣溫、濕廓線調(diào)整模式的初始場(chǎng)[70]。以上多源資料的融合均明顯增加了模式初始場(chǎng)的中尺度信息,進(jìn)而提高了模式對(duì)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)能力。

此外,武漢暴雨研究所與地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作,發(fā)展了一種新的快速有效的四維變分資料同化方法——基于歷史擬合投影技術(shù)的四維變分同化方法(HSP-4Dvar),該方法解決了國(guó)際上經(jīng)典四維變分中B矩陣低估和奇異處理困難的難題,同時(shí)克服了經(jīng)典四維變分依靠伴隨模式和計(jì)算量巨大問題,不僅提高了四維變分同化的精度,同時(shí)計(jì)算時(shí)效節(jié)省20倍[71-72]。

近年來,適應(yīng)性觀測(cè)成為數(shù)值預(yù)報(bào)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn),武漢暴雨研究所利用WRF模式的伴隨同化系統(tǒng),開展了短期預(yù)報(bào)誤差對(duì)觀測(cè)資料的敏感性研究,該研究可為提高資料同化效率、優(yōu)化觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)以及開展目標(biāo)觀測(cè)試驗(yàn)提供科學(xué)依據(jù)。

4.3 中尺度模式關(guān)鍵物理過程的改進(jìn)

在物理過程改進(jìn)中,重點(diǎn)考慮了那些對(duì)中尺度暴雨過程短期預(yù)報(bào)有重要影響的物理過程,主要包括顯、隱式網(wǎng)格尺度云和降水過程、積云對(duì)流過程、邊界層過程以及地-氣交換過程等。在新發(fā)展的冷云微物理過程中,考慮了包括水汽、云水、云冰、雨水、雪5種不同相態(tài)水物質(zhì),以及各種凝結(jié)水物質(zhì)之間凝結(jié)/蒸發(fā)、凝華/升華、凍結(jié)/融化、集聚和碰并等25種復(fù)雜的云微物理過程,更好地描述了暴雨成云至雨的變化過程。通過網(wǎng)格變換和變量變換,解決了MYJ方案與AREM模式的匹配問題,通過對(duì)邊界層觀測(cè)資料的研究,用更能合理反映地表濕度的變化的通量方案替代了蒸發(fā)方案[73]。在引進(jìn)Wang云微物理過程的基礎(chǔ)上,修改了冰核的數(shù)密度以及雹的截獲參數(shù),并對(duì)時(shí)間尺度的公式進(jìn)行了修改,改進(jìn)了對(duì)臺(tái)風(fēng)和熱帶、副熱帶降水的描述能力。此外,通過陸面物理過程引入,改進(jìn)了模式對(duì)下墊面強(qiáng)迫(包括感熱,潛熱)的估計(jì),從而改進(jìn)模式預(yù)報(bào)效果[74-75]。

4.4 快速更新循環(huán)預(yù)報(bào)技術(shù)

在LAPS云分析技術(shù)的基礎(chǔ)上,武漢暴雨研究所發(fā)展了一套3h快速更新同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)(AREMRUC)[76]。該系統(tǒng)于2009年5月下旬投入準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行,AREM-RUC每3h更新同化一次,實(shí)現(xiàn)了多普勒雷達(dá)、加密自動(dòng)站、GPS水汽等局地高頻資料在模式中的應(yīng)用,這對(duì)及時(shí)捕捉大氣變化和中小尺度天氣系統(tǒng)、提高降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有重要意義；同時(shí)熱啟動(dòng)技術(shù)的加入[77],有效地抑制了模式的SPIN-UP現(xiàn)象,使模式在短時(shí)預(yù)報(bào)上的應(yīng)用成為可能。AREM-RUC成

功預(yù)報(bào)出湖北汛期多次強(qiáng)降水過程,TS評(píng)分表明,該系統(tǒng)明顯高于原有的模式系統(tǒng)[78],特別是在大雨、暴雨、大暴雨等強(qiáng)降水等級(jí)。

4.5 暴雨集合預(yù)報(bào)技術(shù)

暴雨對(duì)模式的初值和物理過程都非常敏感,初值擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)比擾動(dòng)的大小更重要[79],精細(xì)的小尺度擾動(dòng)可以改進(jìn)對(duì)強(qiáng)降水的集合預(yù)報(bào)[80]。在對(duì)物理過程擾動(dòng)的研究中,初步的結(jié)果表明隨機(jī)物理過程方法更適合于接近正壓的暖濕環(huán)境中的梅雨鋒暴雨。此外還開展了基于集合敏感性的目標(biāo)觀測(cè)以改進(jìn)暴雨預(yù)報(bào)的研究。圖4給出了針對(duì)一次西南低渦東移過程的集合敏感性試驗(yàn),通過改善敏感區(qū)中敏感因子(水汽和風(fēng)場(chǎng))的觀測(cè)可以改進(jìn)對(duì)西南低渦的路徑預(yù)報(bào),結(jié)果表明,集合預(yù)報(bào)在認(rèn)識(shí)暴雨機(jī)制、開展目標(biāo)觀測(cè)方面的潛在用途[81]?；贐reeding方法,2009年建立了11個(gè)成員的中尺度集合預(yù)報(bào)系統(tǒng),提供降水概率等級(jí)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品,檢驗(yàn)結(jié)果表明,由于能提供更多預(yù)報(bào)信息,集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)優(yōu)于單一的確定性預(yù)報(bào),能有效提高對(duì)暴雨預(yù)報(bào)決策的科學(xué)性[82]。

4.6 暴雨數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)

基于以上研究,武漢暴雨研究所建立起了相對(duì)完善的區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)體系,其中包括資料融合系統(tǒng)、確定性預(yù)報(bào)系統(tǒng)、快速更新循環(huán)和集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。此外,針對(duì)精細(xì)化預(yù)報(bào)的需求,建立了基于WRF3.4模式的精細(xì)化預(yù)報(bào)系統(tǒng),采用WRF3Dvar,目前以上系統(tǒng)均已實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行,在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中發(fā)揮著技術(shù)支撐作用。

5 長(zhǎng)江中游水文氣象耦合的暴雨洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

長(zhǎng)江中游河流、水庫(kù)、湖泊眾多,汛期防汛形勢(shì)緊張,迫切需求水文氣象耦合的暴雨洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)來開展預(yù)報(bào)與防汛決策服務(wù)。提高洪水預(yù)報(bào)精度和延長(zhǎng)預(yù)見期,必須從提高降雨估算精度開始,結(jié)合降雨預(yù)報(bào),采取流域降雨徑流模型和河道洪水演算模型的途徑來實(shí)現(xiàn)。早在30多年前,陳金榮等[83]從長(zhǎng)江流域防洪的豐富實(shí)踐中對(duì)水文氣象預(yù)報(bào)已做了精辟而深刻的論述,指出氣象預(yù)報(bào)同水文預(yù)報(bào)的結(jié)合為防洪和水庫(kù)調(diào)度等工作,帶來巨大的優(yōu)越性和必要性,是水文預(yù)報(bào)發(fā)展的必然趨勢(shì)。文中闡述的基本思想在水文氣象預(yù)報(bào)技術(shù)已有許多新的發(fā)展和進(jìn)步的今天,仍然具有指導(dǎo)意義。當(dāng)前,氣象模式和水文模型分別是氣象和水文領(lǐng)域里最先進(jìn)的工具,水文模型與氣象模式耦合開展洪水預(yù)報(bào)必然成為未來發(fā)展的方向。

5.1 降水降尺度技術(shù)

洪水預(yù)報(bào)中充分有效地利用天氣預(yù)報(bào)及氣象信息,其首要任務(wù)就是解決降水信息場(chǎng)與水文模型之間的時(shí)間和空間尺度上匹配的問題,縮小兩者的尺度差異,尋找水文氣象結(jié)合的契機(jī)。為了有效地提高定量降水估算預(yù)報(bào)產(chǎn)品在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從雷達(dá)資料同化、模式嵌套、高分辨的區(qū)域數(shù)值模式、動(dòng)力釋用技術(shù)等多方面系統(tǒng)地開展了降尺度方法研究。

5.1.1 觀測(cè)降水降尺度

基于新一代多普勒雷達(dá)探測(cè)技術(shù)和雨量計(jì)實(shí)測(cè)資料,采用卡爾曼濾波、最優(yōu)插值、變分、統(tǒng)計(jì)權(quán)重等多種校正方法,研發(fā)高分辨的定量降水估算校正技術(shù)[84-85]。萬玉發(fā)等提出了一種基于準(zhǔn)同雨團(tuán)樣本概念的雷達(dá)與雨量計(jì)實(shí)時(shí)同步結(jié)合的降雨估算新技術(shù)[86]。

圖4 改進(jìn)敏感區(qū)觀測(cè)后的低渦路徑預(yù)報(bào)試驗(yàn)（標(biāo)識(shí)1和2的點(diǎn)線分別為改進(jìn)水汽場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的低渦預(yù)報(bào)路徑）

5.1.2 預(yù)報(bào)降水降尺度

基于中尺度數(shù)值模式通過資料同化、模式嵌套、動(dòng)力釋用、空間統(tǒng)計(jì)等技術(shù)提高定量降水預(yù)報(bào)精度,提高降水分辨率,縮小了天氣模式與水文模型網(wǎng)格尺度的差異。例如,中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所利用數(shù)值模式動(dòng)力釋用降尺度技術(shù)將強(qiáng)降水構(gòu)成分解為大尺度降水、不穩(wěn)定降水和地形影響降水,基于AREM模式利用高分辨率(2km×2km)的地形因子(海拔高度、坡度、坡向等)診斷數(shù)值模式預(yù)報(bào)降水,建立精簡(jiǎn)實(shí)用的動(dòng)力釋用降尺度模型,開展試驗(yàn)流域降水預(yù)報(bào)降尺度試驗(yàn),獲取高時(shí)空分辨率(1h、2km×2km)的數(shù)值模式降水預(yù)報(bào)信息[87]。

5.2 水文氣象耦合技術(shù)與實(shí)踐

水文氣象耦合技術(shù)主要是利用氣象業(yè)務(wù)中雷達(dá)估算降雨及數(shù)值預(yù)報(bào)降雨技術(shù)來刻畫水文模型的輸入場(chǎng),以改變目前水文模型中降雨量估算的落后方式,進(jìn)一步提高降雨場(chǎng)估算和預(yù)報(bào)的時(shí)空精度,從而提高洪水模擬預(yù)報(bào)水平。

5.2.1 雷達(dá)定量降水估算與水文模型的耦合

雷達(dá)估算降水有時(shí)空分辨率高的優(yōu)點(diǎn),可以比較客觀地反映降水量相對(duì)大小的分布趨勢(shì)。許繼軍等[88]、彭濤等[89]利用武漢、宜昌天氣雷達(dá)資料結(jié)合水文模型對(duì)三峽庫(kù)區(qū)清港河、香溪河、白蓮河等流域進(jìn)行了水文預(yù)報(bào)試驗(yàn),結(jié)果表明:利用雷達(dá)估測(cè)降雨,與水文模型相匹配,較好地發(fā)揮了二者在表現(xiàn)降雨空間分布變化方面的優(yōu)勢(shì),能夠有效地提高洪水預(yù)報(bào)精度。

5.2.2 定量降水預(yù)報(bào)與水文模型的耦合

目前,定量降水預(yù)報(bào)(QPF)應(yīng)用于水文預(yù)報(bào)模型是被水文氣象學(xué)界普遍認(rèn)同的發(fā)展方向之一。為此長(zhǎng)江水利委員會(huì)、武漢大學(xué)、武漢暴雨所已開展過相關(guān)試驗(yàn):楊文發(fā)等[90]考慮預(yù)見期內(nèi)的降水預(yù)報(bào)信息,采用降水預(yù)報(bào)與洪水預(yù)報(bào)耦合的方法,對(duì)1998年汛期發(fā)生在長(zhǎng)江上游三峽區(qū)間的一次暴雨洪水過程進(jìn)行了預(yù)報(bào)試驗(yàn)；李超群、郭靖等[91-92]基于數(shù)值模式定量降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品構(gòu)建了清江隔河巖、漢江丹江口流域的水文氣象耦合模型,開展洪水預(yù)報(bào)的研究；崔春光、彭濤等[93-94]基于中尺度數(shù)值模式(AREM)將定量降水預(yù)報(bào)及其降水集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品引入洪水預(yù)報(bào)領(lǐng)域,延長(zhǎng)了洪水預(yù)見期,提高了洪水預(yù)報(bào)精度,拓展了洪水不確定性預(yù)報(bào)的新方法。

5.3 水文氣象耦合的暴雨洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)聯(lián)機(jī)作業(yè)的運(yùn)行系統(tǒng),它靠快速、準(zhǔn)確地收集、存儲(chǔ)和處理水情、雨情,通過各種專業(yè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào),從而及時(shí)、準(zhǔn)確地做出洪水流量過程的預(yù)報(bào),提高了洪水預(yù)報(bào)的時(shí)效性和精確度。

5.3.1 中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

在我國(guó),洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)研制始于1985年,至20世紀(jì)90年代中期,我國(guó)從無到有基本上普及了洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。當(dāng)前,洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)研制進(jìn)展較快,已開發(fā)了具有中國(guó)特色的專家交互式洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。水利部水文局開發(fā)的“中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)”(CNFFS)和長(zhǎng)江委水文局開發(fā)的“WIS水文預(yù)報(bào)平臺(tái)”(WISHFS)便是代表性的成果。中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu),以全國(guó)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫(kù)為依托,以地理信息系統(tǒng)為平臺(tái),能方便地構(gòu)建五類洪水預(yù)報(bào)方案,具有標(biāo)準(zhǔn)的、通用的預(yù)報(bào)模型方法庫(kù),可任意選擇多模型、多方法制定預(yù)報(bào)方案,具有人工和自動(dòng)優(yōu)選結(jié)合的模型率定功能,具有定時(shí)預(yù)報(bào)和人機(jī)交互預(yù)報(bào)功能,可干預(yù)任何信息源和預(yù)報(bào)過程,具有全面完善的系統(tǒng)管理功能等,已在25個(gè)流域機(jī)構(gòu)和省(直轄市、自治區(qū))的水文部門推廣應(yīng)用[95]。

5.3.2 流域水文氣象實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

近幾年,中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所在GIS技術(shù)以及高分辨的DEM數(shù)據(jù)的支持下,基于定量降雨估算(QPE)、定量降雨預(yù)報(bào)(QPF)、水文預(yù)報(bào)模型和實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)技術(shù),通過雷達(dá)測(cè)雨技術(shù)、中尺度暴雨預(yù)報(bào)模式技術(shù)獲取高時(shí)空分辨率的水文資料(降雨等)場(chǎng)輸入水文模型來進(jìn)行實(shí)時(shí)水文氣象預(yù)報(bào)(見圖5),基于Asp.net技術(shù)自主設(shè)計(jì)研發(fā)了web形式的流域水文氣象實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了與氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(MICAPS)有機(jī)融合,研發(fā)了基于MICAPS系統(tǒng)平臺(tái)的暴雨洪澇預(yù)報(bào)預(yù)警模塊。目前系統(tǒng)成功應(yīng)用于三峽庫(kù)區(qū)、淮河王家壩、清江水布埡等12個(gè)流域[96]。

6 討論與展望

對(duì)近年來我國(guó)長(zhǎng)江中游區(qū)域暴雨研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧與總結(jié),得出制約該區(qū)域暴雨研究深入與預(yù)報(bào)水平提高的因素主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)已有的外場(chǎng)加密觀測(cè)試驗(yàn)沒有得到能清晰反映暴雨β中尺度對(duì)流系統(tǒng)三維動(dòng)力熱力結(jié)構(gòu)、云微物理結(jié)構(gòu)以及用于診斷分析其發(fā)生發(fā)展物理機(jī)制的加密觀測(cè)資料,更沒有針對(duì)暴雨數(shù)值預(yù)報(bào)模式物理過程方案研發(fā)和改進(jìn)進(jìn)行有針對(duì)性的觀測(cè)設(shè)計(jì)和野外觀測(cè)試驗(yàn)。

(2)長(zhǎng)江中游處于復(fù)雜的中小尺度地形環(huán)境中,且引發(fā)暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)存在著多種組織類型。不同復(fù)雜地形環(huán)境下、不同組織類型的暴雨中尺度對(duì)流系統(tǒng)啟動(dòng)、組織、發(fā)展、維持和消亡的主要物理機(jī)制是什么、之間存在著何種差異并不清楚。

圖5 流域水文氣象實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流程

(3)基于高時(shí)空分辨率的衛(wèi)星、雷達(dá)、GPS水汽、風(fēng)廓線儀、微波輻射計(jì)以及地面加密自動(dòng)站等多源觀測(cè),眾多資料亟待質(zhì)量控制和最大效益的綜合應(yīng)

用,尤其是衛(wèi)星、雷達(dá)等高分辨率的遙感資料急需得到有效的融合和同化。區(qū)域暴雨數(shù)值預(yù)報(bào)模式中缺乏針對(duì)東亞天氣特點(diǎn)和青藏高原大地形影響下模式物理過程的描述,對(duì)暴雨預(yù)報(bào)的不確定性研究不夠充分。

(4)水文預(yù)報(bào)模式和氣象預(yù)報(bào)模式耦合技術(shù)研發(fā)進(jìn)展緩慢,時(shí)空分辨率的差異導(dǎo)致氣象模式與流域水文模型耦合效果不佳,定量降水估算產(chǎn)品在流域洪水預(yù)報(bào)中未能得到有效合理的應(yīng)用。

針對(duì)上述問題,未來我國(guó)長(zhǎng)江中游區(qū)域暴雨研究可重點(diǎn)開展以下幾點(diǎn)工作。

(1)開展青藏高原東側(cè)及其下游關(guān)鍵區(qū)大氣邊界層科學(xué)試驗(yàn)、沿梅雨鋒切變線、低空急流帶、水汽輸送帶剖面觀測(cè)、深入內(nèi)陸的臺(tái)風(fēng)暴雨系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè),中尺度觀測(cè)資料融合與反演技術(shù)。

(2)重點(diǎn)研究水汽輸送、對(duì)流擾動(dòng)、大氣日變化、地形以及慣性重力波等因子對(duì)暴雨中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的影響機(jī)制,揭示長(zhǎng)江中游暴雨天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理。

(3)開展多源探測(cè)資料的同化和云分析技術(shù)研究,發(fā)展高分辨率非靜力暴雨數(shù)值模式系統(tǒng)與適合我國(guó)區(qū)域特色的模式邊界層和云微物理過程方案。

(4)突破以暴雨洪水為對(duì)象的水文氣象耦合關(guān)鍵技術(shù),建立長(zhǎng)江中游干、支流水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

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Review of the Study on Heavy Rain in the Middle Reaches of the Yangtze River Since 2000

Cui Chunguang, Lin Chunze, Wang Xiaofang, Li Jun, Peng Tao, Zhang Wengang
(Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research, Institute of Heavy Rain, China Meteorological Administration, Wuhan 430074)

The middle reaches of the Yangtze River are frequently-occurring heavy rain areas. It is important to have the knowledge of heavy rain mesoscale and small-scale weather systems in these areas, their mechanism, and develop the heavy rain and f l ood forecasting technology for the f l ood control and hazard mitigation. From the heavy rain f i eld observation experiment, data inversion and fusion technology, observation analysis and theoretical research on heavy rain mesoscale convective systems, the mesoscale numerical model, and the hydrometeorological coupling rainstorm and f l ood forecasting system which are the most crucial aspects of observation data analysis, mechanism, numerical prediction, and hydrological application of the study on heavy rain in the middle reaches of the Yangtze River, the main research progress has been brief l y reviewed in China since 2000. The problems which obstruct the research depth and forecast quality were also discussed. Finally, the research development tendency was prospected.

data fusion; mesoscale convective systems; hydrometeorological coupling

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.02.001

2013年9月30日；

2014年1月20日

崔春光（1964—），Email: Cgcui@whihr.com.cn

資助信息：公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201106006、GYHY201206028），國(guó)家自然科學(xué)基金（40930951）