李銀娥 吳翠紅 陳賽男 柳草 張文言

(武漢中心氣象臺(tái)， 武漢 430074)

引 言

湖北宜昌是典型的峽谷地形，常發(fā)生山洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[1]，宜昌山峽河谷地帶是短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)[2]，三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警日雨量閾值在90～110 mm[3]。2016年7月7日在宜昌龍泉山村出現(xiàn)158.8 mm·h-1的極端短時(shí)降水，創(chuàng)下湖北有氣象記錄以來(lái)的小時(shí)雨量極值；2018年4月22日在宜昌宜都出現(xiàn)日降水量341 mm的特大暴雨，打破建站以來(lái)的極值紀(jì)錄。研究顯示在全球升溫目標(biāo)下長(zhǎng)江流域的三峽地區(qū)極端降水呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[4]。

極端降水研究主要集中在極端短時(shí)降水和累積極端降水，一般將1 h雨量≥50 mm 或3 h雨量≥100 mm的降水事件稱(chēng)為極端短時(shí)強(qiáng)降水[5-6]，累積極端降水一般用日雨量表示，遠(yuǎn)強(qiáng)于某地氣候態(tài)降水強(qiáng)度且具有極低發(fā)生概率的降水事件，常用日雨量閾值和日雨量分位數(shù)來(lái)定義極端降水[7-8]。極端短時(shí)降水的小時(shí)雨強(qiáng)大，由較強(qiáng)的對(duì)流性降水形成，主要影響系統(tǒng)為中小尺度系統(tǒng)，一部分極端小時(shí)強(qiáng)降水有近于中氣旋強(qiáng)度的中渦旋形成和發(fā)展[9-10]；而大范圍的強(qiáng)降水形成的極端降水過(guò)程，既有中小尺度系統(tǒng)形成的對(duì)流性降水，也有動(dòng)力因子、水汽含量等異常偏強(qiáng)形成的非對(duì)流大尺度層狀云降水和中尺度層云降水[11-13]。

地形作用是形成極端降水的另一個(gè)重要影響因素，常見(jiàn)的有迎風(fēng)坡對(duì)暖濕氣流的抬升阻擋作用[14-15]，喇叭口地形對(duì)氣流的匯流輻合作用[16-19]。宜昌峽谷地形對(duì)低層風(fēng)場(chǎng)的輻合作用易觸發(fā)局地強(qiáng)降水的發(fā)生[20]，與湖北西部相鄰的西南地區(qū)極端降水變化趨勢(shì)具有顯著的地域差異[21]，湖南極端降水主要位于湘北的張家界山區(qū)和湘南山區(qū)[22]。

本文將利用地面加密自動(dòng)站、常規(guī)觀測(cè)資料、NCEP再分析資料對(duì)2016年7月7日和2018年4月22日兩次極端降水過(guò)程的大氣環(huán)流背景、中尺度對(duì)流系統(tǒng)和觸發(fā)機(jī)制等開(kāi)展分析研究，通過(guò)對(duì)ECMWF全球數(shù)值模式和Grapes-meso中尺度模式的預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，探討宜昌峽谷地型對(duì)不同類(lèi)型極端降水的作用，以及數(shù)值模式在此地的預(yù)報(bào)性能，為今后預(yù)報(bào)提供借鑒參考。

1 極端降水特征

宜昌地區(qū)西北面為大巴山脈，西南面為武陵山脈，東部為江漢平原，三者共同形成了邊界為“<”型的峽谷地形(圖1a)。2016年7月7日夜間，在峽谷喇叭口地形迎風(fēng)坡處出現(xiàn)局地極端短時(shí)降水(圖1b)，降水主要發(fā)生在7日21時(shí)至8日02時(shí)(北京時(shí),下同)，加密自動(dòng)站有16站6 h累積雨量超過(guò)50 mm，3站累積雨量超過(guò)100 mm，其中宜昌龍泉山村1 h最大雨量為158.8 mm，3 h累積雨量達(dá)到211.9 mm(圖1d)，創(chuàng)下湖北有氣象記錄以來(lái)的小時(shí)雨量極值。這次過(guò)程降水范圍小，局地性強(qiáng)，降水持續(xù)時(shí)間短，短時(shí)降水強(qiáng)度大。

2018年4月22日在鄂西南宜昌地區(qū)和鄂東南先后出現(xiàn)暴雨到大暴雨，其中宜昌“<”型峽谷南部山前出現(xiàn)特大暴雨(圖1c)，加密自動(dòng)站24 h累積雨量有11站特大暴雨、146站大暴雨，22站日雨量居歷史同期第1。宜昌宜都站24 h累積雨量達(dá)341 mm，打破建站以來(lái)的極值紀(jì)錄，具有很強(qiáng)的極端性。本文主要分析宜昌地區(qū)的極端降水，宜昌地區(qū)強(qiáng)降水主要發(fā)生在22日11至23時(shí)，最大雨強(qiáng)107 mm·h-1(22日15時(shí)出現(xiàn)在宜昌猇亭區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué))，其中宜都高壩洲連續(xù)6 h小時(shí)雨量超過(guò)20 mm(圖1e)。這次過(guò)程強(qiáng)降水范圍廣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，降水強(qiáng)度先大后小，由對(duì)流性降水和穩(wěn)定性降水共同組成。

圖1 湖北西部地形(a,單位：m) ；2016年7月7日(b、d)、2018年4月22日(c、e) 24 h累積雨量(陰影，單位：mm)和海拔高度(b、c，黑線(xiàn)，單位：m)、1 h雨量(d、e,單位：mm) (黑色方框?yàn)橐瞬龒{谷地帶，下圖相同)Fig.1 Terrain in western Hubei (a, unit: m)(b,c)： 24 h accumulated rainfall observed (shaded areas， unit: mm) and altitude (black lines， unit: m)； 1 h accumulated rainfall (c,e unit: mm) at 08∶00 BST on 7 July 2016 (b,d) and 22 April 2018(c,e)(black box is Yichang gorge， the same figure below is the same)

2 大尺度環(huán)流形勢(shì)和環(huán)境場(chǎng)分析

2.1 大尺度環(huán)流形勢(shì)

2016年7月7日20時(shí)，500 hPa受臺(tái)風(fēng)“尼伯特”和東亞低槽的共同影響，副熱帶高壓斷裂為海上和陸地兩個(gè)中心，陸地高壓中心位于湖南北部，宜昌地區(qū)處于副熱帶高壓西北側(cè)(圖2a)，上空風(fēng)速較弱，400 hPa以下風(fēng)速在2～6 m·s-1，850 hPa以下在渝北至鄂西北有弱切變線(xiàn)，高層位于南亞高壓東南側(cè)東北風(fēng)和東亞低槽后部西北風(fēng)形成的分流輻散區(qū)，存在弱的低層輻合和高層輻散，大尺度系統(tǒng)形成的上升運(yùn)動(dòng)只有4～6 cm·s-1(圖略)。地面上，以偏東氣流為主(圖略)，偏東氣流在峽谷喇叭口地形的輻合抬升作用下，易觸發(fā)對(duì)流降水的發(fā)生[23-24]。

圖2 2016年7月7日20時(shí)(a)和2018年4月22日08時(shí)(b)500 hPa高度場(chǎng)(單位：dagpm)Fig.2 Geopotential height (unit: dagpm) at 500 hPa at (a) 20∶00 BST on 7 July 2016 and (b) 08∶00 BST on 22 April 2018

2018年4月22日08時(shí)，500 hPa中緯度地區(qū)環(huán)流較平直，在四川東部有淺槽東移，華北至江淮有冷槽帶動(dòng)冷空氣南下(圖2b)。中低層有西南低渦沿切變線(xiàn)東移發(fā)展，降水區(qū)高層位于南亞高壓北側(cè)西北風(fēng)和低槽前部西南風(fēng)形成的分流輻散區(qū)，存在明顯的高空輻散抽吸作用(圖略)。地面上有暖低壓存在，北方冷高壓沿華北南下，與低壓前部暖濕氣流交匯，形成準(zhǔn)東西向的鋒區(qū)(圖略)。受切變線(xiàn)、低渦、鋒面抬升以及高層抽吸作用的共同影響，降水區(qū)上空22日08時(shí)上升運(yùn)動(dòng)達(dá)15 cm·s-1。22日20時(shí)，隨著低渦加強(qiáng)，鋒區(qū)南壓，降水區(qū)上空上升運(yùn)動(dòng)增加到21 cm·s-1(圖略)。在有利的大尺度環(huán)流背景下，形成了長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性降水。

2.2 熱力和水汽環(huán)境場(chǎng)

由于兩次極端降水均發(fā)生在宜昌地區(qū)，宜昌站探空資料能較好的反映大氣的環(huán)境條件。表1為2016年7月7日14、20時(shí)和2018年4月22日08、20時(shí)宜昌站探空相關(guān)物理量。從降水中心組合反射率時(shí)間剖面可見(jiàn)，7月7日夜間主要為對(duì)流性回波，而4月22日前期為對(duì)流性回波，中后期以層狀云回波為主，兩次過(guò)程最大雨強(qiáng) (158.8 mm·h-1和107 mm·h-1) 均出現(xiàn)在對(duì)流性回波發(fā)展最強(qiáng)時(shí)期。對(duì)流發(fā)生前兩次過(guò)程對(duì)流有效位能(Convective Available Potential Energy， CAPE)為1 253.3 J·kg-1和1 377.9 J·kg-1，均存在較大的不穩(wěn)定能量，同時(shí)低抬升凝結(jié)高度(Lifting Condensation Level， LCL)(935 hPa和976 hPa)和較小對(duì)流抑制能量(Convective Inhibition Energy， CIN)(26.7 J·kg-1和0.1 J·kg-1)非常有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。7月7日，0 ℃層高度較高，在5 338～5 350 m，強(qiáng)回波主要集中在2 km以下(圖3a)，有利于出現(xiàn)高效率的降水。4月22日0 ℃層高度較低(4 316～4 345 m)，40 dBZ以上的強(qiáng)回波伸展到0 ℃層以上，存在冷云降水(圖3b)。

圖3 2016年7月7日21時(shí)—8日03時(shí)(a)、2018年4月22日12—22時(shí)(b)降水中心組合反射率時(shí)間剖面(單位：dBZ)Fig.3 Composite reflectivity time profile at precipitation center from 21∶00 on 7 July to 03∶00 BST on 8 July 2016(a) andfrom 12∶00 BST to 22∶00 BST on 22 April 2018(b) (unit: dBZ)

從925 hPa露點(diǎn)溫度可以看出，對(duì)流降水發(fā)生期間露點(diǎn)溫度Td均大于20 ℃(表1)，低層水汽含量高。925 hPa水汽通量分布顯示，7月7日過(guò)程水汽主要來(lái)源于臺(tái)風(fēng)“尼伯特”，臺(tái)風(fēng)外圍偏東氣流將東海水汽輸送到湖北西部(圖4a)，受地形阻擋影響，水汽在山前輻合。4月22日過(guò)程的水汽輸送有南北兩條通道，一條為低空西南氣流將南海的暖濕氣流輸送到湖北南部，另一條為淮河流域低渦前側(cè)偏南氣流將東部沿海水汽沿低渦后部東北氣流向湖北輸送(圖4b)。在切變線(xiàn)、低渦、鋒面等系統(tǒng)的作用下，南北水汽在低層形成強(qiáng)的水汽輻合。

圖4 2016年7月7日20時(shí) (a)和2018年4月22日20時(shí)(b)925 hPa風(fēng)場(chǎng)(單位: m·s-1)和水汽通量(陰影，單位: g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.4 Wind field(unit: m·s-1) and water vapor flux (shaded， unit: g·cm-2·hPa-1·s-1) at925 hPa at (a) 20∶00 BST on 7 July 2016 and (b) 20∶00 BST on 22 April 2018

表1 宜昌探空物理量Table 1 Physical of Yichang sounding

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變

7月7日晚，對(duì)流初始階段，天氣尺度系統(tǒng)形成的較弱上升運(yùn)動(dòng)觸發(fā)下，在宜昌峽谷附近出現(xiàn)弱的對(duì)流天氣。分析峽谷附近雷達(dá)回波特征(圖5a)：21時(shí)，宜昌地區(qū)存在分散的對(duì)流回波(分別標(biāo)記為A、B、C)，對(duì)應(yīng)降水強(qiáng)度在5～10 mm·h-1；22時(shí)后，C回波逐漸發(fā)展加強(qiáng)，最大雨強(qiáng)增大到59.7 mm·h-1；23時(shí)，回波中心反射率因子大于50 dBZ，同時(shí)在南部有新的回波D生成，向北移動(dòng)中發(fā)展加強(qiáng)，于23∶30與C回波結(jié)合，形成面積更大的塊狀回波，塊狀回波中心穩(wěn)定少動(dòng)，造成1 h雨量158.8 mm的極端降水的發(fā)生。

圖5a 2016年7月7日21時(shí)—8日01時(shí)組合反射率(單位：dBZ)Fig.5a Composite reflectivity from 21∶00 BST on 7 July to 08∶00 BST on 8 July 2016 (unit: dBZ)

圖5b 2016年7月7日22∶30、23∶41和23∶53宜昌雷達(dá)1.5度仰角速度(單位：m·s-1)Fig.5b Yichang radar radial velocities at 1.5° elevation angle at 22∶30 BST，23∶41 BST and 23∶53 BST on 7 July 2016 (unit: m·s-1)

圖5c 2018年4月22日12—22時(shí)組合反射率(單位：dBZ，黑色箭矢：回波傳播方向)Fig.5c Composite reflectivity from 12∶00 BST to 22∶00 BST on 22 April 2018 (unit: dBZ， black arrow line：echo propagation direction)

7月7日宜昌雷達(dá)1.5度仰角的徑向速度上(圖5b)，22∶30，在宜昌站西北面有中尺度切變線(xiàn)存在(黑色方框內(nèi))，隨著切變線(xiàn)左側(cè)偏北風(fēng)的加大，中尺度切變線(xiàn)發(fā)展為中尺度渦旋(黑色方框內(nèi))，導(dǎo)致降水強(qiáng)度最高達(dá)3.7 mm·min-1。這與2017年5月7日廣州增城出現(xiàn)的184.4 mm·h-1和2012年7月 21 日重慶盤(pán)龍出現(xiàn)的180.9 mm·h-1極端小時(shí)強(qiáng)降水均有近于中氣旋強(qiáng)度的中渦旋形成和發(fā)展的特征一致[9-10]。

4月22日11時(shí)前，地面冷鋒位于河南南部，湖北北部位于冷鋒觸發(fā)的東西帶狀層狀云回波中，鄂西南地區(qū)為地面低壓倒槽處，有東北—西南向回波向北移動(dòng)(圖略)。從雷達(dá)回波(圖5c)可見(jiàn)，12時(shí)，隨著低層?xùn)|北風(fēng)加強(qiáng)，在宜昌峽谷附近觸發(fā)對(duì)流，形成西北—東南向帶狀中尺度對(duì)流回波，沿峽谷山前形成20 mm·h-1以上的強(qiáng)降水；13時(shí)，偏北風(fēng)加大，在大風(fēng)速前端，受地形抬升影響，降水中心強(qiáng)度超過(guò)50 mm·h-1；14時(shí)開(kāi)始，南北兩條帶狀回波與宜昌地區(qū)中尺度對(duì)流回波合并，并逐漸形成螺旋狀渦旋回波，在渦旋中心降水強(qiáng)度最大達(dá)到107 mm·h-1。大范圍層狀云降水包裹著螺旋式渦旋對(duì)流回波帶是湖北極端短時(shí)強(qiáng)降水的主要特征之一，多形成于低渦切變線(xiàn)附近，與鄂西山地平原過(guò)渡帶邊界層中尺度渦旋系統(tǒng)的觸發(fā)和組織有關(guān)[6]。16—23時(shí)，受地形阻擋，鋒區(qū)在宜昌峽谷地帶停滯少動(dòng)，山前降水中心強(qiáng)度大多在20～40 mm·h-1，最強(qiáng)降水出現(xiàn)在宜都高壩洲，17—20時(shí)連續(xù)3 h降水強(qiáng)度超過(guò)45 mm·h-1(圖1e)。從高壩洲所在站點(diǎn)組合反射率時(shí)間剖面(圖3b)可見(jiàn)，13—15時(shí)，對(duì)流回波發(fā)展旺盛，降水強(qiáng)度大，隨著不穩(wěn)定能量的釋放，降水回波轉(zhuǎn)為鋒面層狀云回波，16—20時(shí)層狀云回波中有強(qiáng)度大于45 dBZ的對(duì)流回波存在，環(huán)境相對(duì)濕度大、垂直風(fēng)切變小，LCL低(20時(shí)為977 hPa)有利于高效率降水的發(fā)生。

4 峽谷地形與強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展

7月7日局地強(qiáng)降水主要發(fā)生在宜昌峽谷喇叭口地形的迎風(fēng)坡處，其主要觸發(fā)系統(tǒng)為山谷風(fēng)，山谷風(fēng)環(huán)流作為中尺度環(huán)流的重要組成部分，在復(fù)雜地形背景下，其強(qiáng)度變化會(huì)對(duì)局地天氣產(chǎn)生影響。白天，副高控制，天氣晴好，受太陽(yáng)輻射作用，山坡升溫幅度比山谷明顯， 宜昌以東平原地帶有偏東谷風(fēng)向峽谷山前迎風(fēng)坡輸送(圖6a)。沿30.5°N作假相當(dāng)位溫垂直剖面，7日14時(shí)，111°E附近的山坡低層為假相當(dāng)位溫大于350 K的高溫高濕區(qū)，而112°E附近平原低層相對(duì)低值區(qū)，同一高度假相當(dāng)位溫相差達(dá)8 K，在山區(qū)和平原低層上空形成溫度熱力差異(圖7a)。夜晚，峽谷的保溫作用明顯，同時(shí)隨著臺(tái)風(fēng)外圍偏東暖濕氣流的輸送，112°E附近山谷平原低層假相當(dāng)位溫開(kāi)始增大，到8日02時(shí)，900 hPa以下為假相當(dāng)位溫大于360 K的高溫高濕區(qū)(圖7b)，大氣低層熱力環(huán)流與白天相反。夜間山坡輻射冷卻較強(qiáng)，山上偏北山風(fēng)沿山坡下滑，與偏東谷風(fēng)在峽谷入口處匯合，形成一條中尺度輻合線(xiàn)(圖6b)，觸發(fā)了對(duì)流降水的發(fā)生。從地面10 min風(fēng)場(chǎng)演變可以看出，22∶00—23∶30地面中尺度輻合線(xiàn)穩(wěn)定存在(圖6c)，降水逐漸加強(qiáng)，23∶00開(kāi)始降水強(qiáng)度超過(guò)2 mm·min-1，強(qiáng)降水時(shí)凝結(jié)潛熱釋放使地面低壓發(fā)展加強(qiáng)形成中尺度輻合中心(圖6d)，宜昌雷達(dá)1.5度仰角的徑向速度上中尺度渦旋維持了至少12 min，23∶40—23∶50 10 min雨量高達(dá)34.7 mm。中尺度切變線(xiàn)發(fā)展為中尺度渦旋是極端短時(shí)降水形成的主要原因。

圖6 2016年7月7日15∶00(a)、22∶00(b)地面溫度(單位：℃)、風(fēng)場(chǎng)(單位: m·s-1，風(fēng)場(chǎng)流線(xiàn)：黑色箭矢)和地形(陰影，單位：m)；23∶10(c)、23∶40(d)地面風(fēng)場(chǎng)(單位: m·s-1)(黑線(xiàn)為輻合線(xiàn))Fig.6 Surface temperature(unit: ℃)， wind field(unit: m·s-1，wind field stream: black arrow line)and terrain(shaded， unit: m) at (a) 15∶00 BST and (b) 22∶00 BST， wind field(unit: m·s-1)at (c) 23∶10 BST，(d) 23∶40 BST on 7 July 2016

圖7 2016年7月7日14時(shí)(a)和8日02時(shí)(b)沿30.5°N假相當(dāng)位溫(單位：K)和地形剖面Fig.7 The vertical sections of pseudo-equivalent potential temperature (black solid lines， unit: K) and terrain along 30.5°N at (a) 14∶00 BST on 7 July and (b) 02∶00 BST on 8 July 2016

低層鋒區(qū)南壓是4月22日極端降水形成的主要原因之一。22日14時(shí)925 hPa鋒區(qū)南壓到湖北北部，鄂西南位于鋒前高溫高濕區(qū)，隨著干冷空氣滲透，在宜昌峽谷北段山前形成對(duì)流性降水。湖北鋒面降水強(qiáng)度一般在10～30 mm·h-1，最大35～45 mm·h-1，多為大片層狀云降水回波中混合著對(duì)流性降水回波[25]。22日12—16時(shí)，宜昌地區(qū)西北—東南向帶狀對(duì)流回波(圖5c黑色橢圓內(nèi))沿峽谷山前造成的降水強(qiáng)度超過(guò)50 mm·h-1，最大為107 mm·h-1，降水強(qiáng)度遠(yuǎn)大于鋒面系統(tǒng)形成的降水。

22日12—16時(shí)降水增強(qiáng)的原因主要有兩點(diǎn)，其一，低層900 hPa以下為假相當(dāng)位溫高值區(qū)，存在較大的不穩(wěn)定能量，假相當(dāng)位溫隨高度減小，925 hPa和600 hPa 假相當(dāng)位溫差超過(guò)12 K(圖6c)，大氣處于較強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)，在動(dòng)力觸發(fā)下易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水；其二，近地層?xùn)|北氣流與西北—東南走向的地形交角接近垂直，地形強(qiáng)迫抬升形成的上升運(yùn)動(dòng)使降水強(qiáng)度明顯增大，在峽谷東側(cè)無(wú)地形的江漢平原地區(qū)雖然系統(tǒng)形成的上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于西部山區(qū)(6d)，而降水強(qiáng)度卻只有10～30 mm·h-1。在西部強(qiáng)降水釋放的凝結(jié)潛熱的加熱和南北干濕、冷暖氣流的共同作用下，中低層700 hPa以下有低渦生成發(fā)展(圖略)。隨著對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放，對(duì)流降水減弱，宜昌地區(qū)附近主要是中低層低渦和鋒面觸發(fā)的系統(tǒng)性層狀云降水。低渦南部對(duì)流回波快速東移的同時(shí)，北部鋒面層狀云回波受地形阻擋影響，長(zhǎng)時(shí)間維持，并且在山脈迎風(fēng)坡附近有對(duì)流回波存在(圖5c)。可見(jiàn)地形抬升和阻擋對(duì)宜昌地區(qū)的降水強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間有很大的影響，是極端降水發(fā)生發(fā)展的主要原因之一。

5 數(shù)值預(yù)報(bào)模式檢驗(yàn)分析

對(duì)這兩次降水過(guò)程，無(wú)論全球模式還是高分辨率區(qū)域模式，均未對(duì)宜昌地區(qū)強(qiáng)降水進(jìn)行有參考性的預(yù)報(bào)，以ECMWF全球模式和Grapes-meso中尺度模式作為兩類(lèi)模式的代表進(jìn)行檢驗(yàn)分析，探尋數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品產(chǎn)生偏差的原因。

圖8 2018年4月22日14時(shí)(a)和20時(shí)(b)925 hPa風(fēng)場(chǎng)(單位: m·s-1)和假相當(dāng)位溫(藍(lán)線(xiàn)，單位：K)；22日14時(shí)(沿111°E，c)和20時(shí)(沿112°E，d)垂直速度(黑線(xiàn))和假相當(dāng)位溫(陰影，單位：K)剖面Fig.8 The wind field( unit: m·s-1)and pseudo-equivalent potential temperature (blue lines， unit: K) at 925 hPa at (a) 14∶00 BST and(b) 20∶00 BST on 22 April 2018; the vertical sections of pseudo-equivalent potential temperature (shaded， unit: K)， vertical velocity (black lines， unit: cm·s-1) along (c) 111°E at 14∶00 BST and (d) 112°E at 20∶00 BST on 22 April 2018

24 h累積雨量預(yù)報(bào)(圖9)中ECMWF和Grapes-meso對(duì)宜昌地區(qū)的極端降水均存在預(yù)報(bào)嚴(yán)重偏小的情況。ECMWF預(yù)報(bào)出7月7日湖北西部有分散性降水，雨量在10 mm以下(圖9a)，與實(shí)況(圖1b)相比，ECMWF降水預(yù)報(bào)范圍偏大，降水量級(jí)嚴(yán)重偏小，但預(yù)報(bào)出宜昌地區(qū)有降水。Grapes-meso預(yù)報(bào)7月7日降水位于鄂西北東部，局部雨量25～50 mm，而宜昌地區(qū)無(wú)降水，與實(shí)況相比對(duì)流降水落區(qū)偏北(圖9b)。對(duì)4月22日東西兩個(gè)降水過(guò)程， ECMWF和Grapes-meso模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相差較大，兩家模式均對(duì)鄂東南的強(qiáng)降水進(jìn)行有效預(yù)報(bào)，特別是Grapes-meso預(yù)報(bào)鄂東南降水中心雨量超過(guò)200 mm(圖9c、d)，與實(shí)況(圖1c)一致，但是對(duì)西部宜昌地區(qū)的降水預(yù)報(bào)明顯偏小。

圖9 2016年7月7日(a、b)、2018年4月22日(c、d) ECMWF (a、c)和Grapes-meso (b、d)12～36 h累積雨量(單位：mm)預(yù)報(bào)Fig.9 The 12-36 h accumulated rainfall forecast of (a, c) ECMWF and (b, d) Grapes-meso on (a, b) July 7, 2016 and (c, d) April 22, 2018

7月7日對(duì)流性降水主要是由山谷風(fēng)觸發(fā)形成，檢驗(yàn)?zāi)Ｊ斤L(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)，ECMWF預(yù)報(bào)7日20時(shí)后，湖北中東部由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)(圖略)，在東南風(fēng)前端宜昌三峽峽谷附近有降水發(fā)生，降水向東北擴(kuò)展，降水落區(qū)預(yù)報(bào)和演變與實(shí)況基本一致，但是模式?jīng)]有預(yù)報(bào)出中小尺度對(duì)流系統(tǒng)，因此沒(méi)有預(yù)報(bào)出對(duì)流性強(qiáng)降水，這主要與全球模式的分辨率和大尺度模式性能等有關(guān)。Grapes-meso在鄂西北切變線(xiàn)附近預(yù)報(bào)有對(duì)流降水發(fā)生，但是模式?jīng)]有預(yù)報(bào)出宜昌東部轉(zhuǎn)東南風(fēng)(圖略)，因此也沒(méi)有預(yù)報(bào)出東南風(fēng)在迎風(fēng)坡附近形成的對(duì)流降水。

對(duì)局地對(duì)流性降水，模式可預(yù)報(bào)性差是目前的常態(tài)。但是對(duì)有利的大尺度系統(tǒng)形成的穩(wěn)定性降水，模式對(duì)西部地區(qū)預(yù)報(bào)性能明顯弱于東部地區(qū)，需要仔細(xì)分析原因。ECMWF和Grapes-meso對(duì)4月22日08時(shí)湖北上空低槽及低空南北兩個(gè)低渦的位置和強(qiáng)度均有較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)(圖略)，但是對(duì)22日20時(shí)的影響系統(tǒng)，特別是中層700 hPa低渦的發(fā)展演變，與實(shí)況差異較大。14—17時(shí)宜昌地區(qū)東南部3 h雨量超過(guò)100 mm，從模式3 h降水預(yù)報(bào)和700 hPa風(fēng)場(chǎng)演變(圖10)可以看出，ECMWF預(yù)報(bào)降水中心主要在700 hPa切變線(xiàn)北側(cè)的宜昌地區(qū)，3 h雨量5～10 mm，最大也小于20 mm，預(yù)報(bào)明顯偏小。Grapes-meso預(yù)報(bào)14—17時(shí)降水中心主要在700 hPa切變線(xiàn)南側(cè)的湖南北部至江漢平原東南部，落區(qū)與實(shí)況相比偏南，3 h雨量預(yù)報(bào)在20～40 mm，對(duì)宜昌的強(qiáng)降水同樣漏報(bào)。由于降水預(yù)報(bào)的偏差導(dǎo)致700 hPa系統(tǒng)強(qiáng)度出現(xiàn)一定的差異，實(shí)況在強(qiáng)降水釋放的凝結(jié)潛熱的加熱和南北干濕、冷暖氣流的共同作用下，湖北南部20時(shí)700 hPa有低渦生成發(fā)展，凝結(jié)潛熱的釋放在很大程度上決定低渦能否形成[26]。而ECMWF模式由于預(yù)報(bào)降水較弱，凝結(jié)潛熱的加熱作用不強(qiáng)，因而切變線(xiàn)沒(méi)有發(fā)展形成低渦，導(dǎo)致預(yù)報(bào)降水和實(shí)況差異較大。Grapes-meso預(yù)報(bào)700 hPa切變線(xiàn)隨著南部降水的加強(qiáng)于23時(shí)在湖北東南部發(fā)展形成低渦，在低渦附近有3 h大于50 mm的強(qiáng)降水出現(xiàn)，導(dǎo)致鄂東南強(qiáng)降水的發(fā)生，而實(shí)際上是鄂西南強(qiáng)降水導(dǎo)致切變線(xiàn)在湖北西南部發(fā)展為低渦，低渦在東移中加強(qiáng)形成鄂東南的強(qiáng)降水。

圖10 ECMWF、Grapes-meso 4月22日700 hPa風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)和前3 h雨量預(yù)報(bào)(單位：mm)Fig.10 The forecasted wind field (unit: m·s-1) at 700 hPa at 17∶00 BST， 20∶00 BST， 23∶00 BST and the forecasted 3 hrainfall (shaded， unit: mm)，before 17∶00 BST， 20∶00 BST， 23∶00 BST on 7 July 2016 of ECMWF and GRAPES-MESO

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)宜昌地區(qū)不同環(huán)流背景下的兩次極端降水過(guò)程的降水特征、大尺度環(huán)流背景場(chǎng)、中尺度對(duì)流系統(tǒng)和觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

(1)從降水特征來(lái)看，7月7日為局地極端短時(shí)強(qiáng)降水，降水范圍小，局地性強(qiáng)，降水持續(xù)時(shí)間短，降水強(qiáng)度大。4月22日為大范圍極端降水，降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，累積雨量大。

(2)7月7日強(qiáng)的塊狀回波穩(wěn)定少動(dòng)，造成1 h雨量158.8 mm的極端降水的發(fā)生。西北—東南向帶狀中尺度對(duì)流回波與螺旋狀渦旋回波造成4月22日宜昌地區(qū)極端強(qiáng)降水。

(3)大氣低層性質(zhì)不同熱力環(huán)流形成山谷風(fēng)，偏北山風(fēng)沿山坡下滑，與東側(cè)平原上偏東谷風(fēng)在峽谷入口處匯合，形成中尺度切變線(xiàn)，觸發(fā)對(duì)流降水的生成，中尺度切變線(xiàn)發(fā)展為中尺度渦旋使對(duì)流加強(qiáng)是極端短時(shí)降水形成的主要原因。

(4)低層鋒區(qū)南壓是4月22日極端降水形成的主要原因之一，地形強(qiáng)迫抬升使對(duì)流降水強(qiáng)度明顯增大，鋒面層狀云回波受地形阻擋影響，長(zhǎng)時(shí)間維持也是極端降水形成主要原因。

(5)在地形相差大的地方模式預(yù)報(bào)性能有很大的差異，模式對(duì)復(fù)雜地形下的對(duì)流降水預(yù)報(bào)偏弱，導(dǎo)致系統(tǒng)演變出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)。地形影響、中低層系統(tǒng)的強(qiáng)弱是導(dǎo)致東、西兩個(gè)降水中心預(yù)報(bào)差異較大的主要原因。本文僅對(duì)兩個(gè)個(gè)例進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，對(duì)模式性能和偏差認(rèn)識(shí)不夠充分，后面需要大量的個(gè)例來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。