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.青海省氣象災害防御技術中心，青海 西寧 810001)

引 言

6—7月，隨著西南季風和西太平洋副熱帶高壓北進加強，長江中下游進入梅雨期，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、短時強降水、強雷電等強對流天氣，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)其他強對流天氣[4-5]。隨著對梅雨鋒大尺度環(huán)流形勢認知的提高[6-7]，對梅雨鋒暴雨的雨帶位置、形態(tài)演變及強降水中心的把握也越來越好。但是，隨著精細化預報要求的不斷提高，對梅雨鋒暴雨及伴隨強對流的中小尺度對流系統(tǒng)的研究需更為深入細致。

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

1 暴雨及強對流實況

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 ，并伴有短時強降水、大風、強雷電等強對流天氣。從3次過程的24 h(20：00 至次日20：00 )累計雨量空間分布和10 km格點地閃密度(圖1，該圖涉及地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2020)4814號的標準地圖制作，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50 mm以上，局部小時雨量達100 mm，“6·19”過程共有50個地面自動站瞬時最大風速超過17.2 m·s-1(8級及以上)，最大達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)了嚴重的城市內澇，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害、102萬人受災、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，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累計雨量(a、c、e，單位：mm)和10 km格點云地閃密度[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短時強降水站數(shù)、大于等于17.2 m·s-1地面瞬時大風的站數(shù)(圖2)演變來看， “6·19”過程19日11：00短時強降水(大于等于20 m·h-1)達120站；“7·5”過程短時強降水最多站次出現(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累計多達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的大風天氣；而“7·5”和“7·19”過程以長時間連續(xù)性短時強降水為主。另外，“6·19”過程地閃較短時強降水和大風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)強對流天氣現(xiàn)象的逐小時演變

2 風廓線雷達資料質量分析

張寅等[23]通過對比2014—2015年長安風廓線雷達和西安涇河站L波段探空數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)風廓線雷達數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。本文對國內、美國懷俄明大學(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)和湖北兩個風廓線雷達站[漢口(圖3)、咸寧(圖4)]水平風速、風向進行對比?？梢钥闯?，漢口站6月19日08：00和7月5日20：00 3 km以下風廓線雷達水平風風速和探空數(shù)據(jù)較為接近，5 km以下水平風風向偏差較小，而7月19日08：00風廓線雷達部分數(shù)據(jù)質量較差，不予選取；咸寧站風廓線雷達8 km以下水平風風向、風速和漢口站探空數(shù)據(jù)基本吻合，數(shù)據(jù)可信度高，這一結論和周志敏等[24]的研究結果一致。因此本文采用漢口風廓線雷達3 km以下水平風數(shù)據(jù)，分析“6·19”和“7·5”過程，采用咸寧風廓線雷達水平風數(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)漢口風廓線雷達水平風速(a、b、c)、風向(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)咸寧風廓線雷達水平風速(a、b、c)、風向(d、e、f)與漢口探空站數(shù)據(jù)的對比

3 風廓線雷達觀測的梅雨期暴雨中小尺度特征

3.1 水平風場

“6·19”過程19日08：00左右，4 km以下湖北中東部風向逐漸轉為一致的西南氣流，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地面風速大于等于17.2 m·s-1的站次迅速增多，11：00全省雨強大于等于20 mm·h-1的站次超過100。圖5為3次過程咸寧與漢口風廓線雷達水平風時間-高度剖面?？梢钥闯?，“6·19”過程咸寧站[圖5(a)]19日04：00 左右，1 km(925 hPa)西南低空急流風速達18 m·s-1，并在05：00—07：00有一迅猛加強的過程。08：30開始2～5 km高度有明顯的干侵入，導致不穩(wěn)定加劇，8級大風站數(shù)增多。漢口站11：00[圖5(d)]、咸寧站13：00 2 km以下均有一支強勁的偏東氣流，最大風速達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高度西南風迅速增大至12 m·s-1，22：00西南風向下擴展到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、列車效應和強對流觸發(fā)加強的重要因素[25]。

“7·19”過程強降水開始前荊門站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到16 m·s-1，03：30急流擴展到0～4 km。在強降水持續(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高度風速超過34 m·s-1，急流持續(xù)的時間和強降水時間一致。

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)風廓線雷達水平風時間-高度剖面

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

3.2 平均垂直速度及其變率

風廓線雷達測得的垂直速度是空氣垂直運動和降水粒子末速度之和，可以反映雷暴內部結構，垂直速度的突變是天氣系統(tǒng)經過的一個重要標志。

風廓線垂直速度數(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度，是判斷對流發(fā)展強弱的一個重要指標[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廓線雷達平均垂直速度大于等于10 m·s-1的結論不同。

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)風廓線雷達平均垂直速度及其變率隨高度變化

通過計算每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，這也驗證了湖北梅雨暴雨中低層的天氣系統(tǒng)對強對流觸發(fā)有重要作用[25]。

3.3 水平風速垂直切變

圖7為3次過程漢口和咸寧風廓線雷達水平風速垂直切變時間-高度剖面?？梢钥闯?， “6·19”過程19日08：00系統(tǒng)未加強之前，漢口站出現(xiàn)多個正、負切變中心，其不具有代表意義，咸寧站4 km高度以下有一-4 m·s-1的水平風速垂直切變中心，表明低空急流正在醞釀加強；08：00之后，兩站高、低空急流加強到一定程度，最大水平風速垂直切變中心為±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，急流上下擴展深厚?！?·5”和“7·19”過程與“6·19”過程相似，兩站水平風速垂直切變較小，最強中心值為±4 m·s-1，這充分說明了梅雨暴雨整層為強大的西南急流控制，且上下層風速相差不大，風向不連續(xù)線上下層風速相差較小。綜上所述，梅雨期暴雨整層水平風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。

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)風廓線雷達水平風速垂直切變時間-高度剖面(單位：m·s-1)

3.4 大氣折射率結構常數(shù)

圖8 “6·19”(a、d)、“7·5”(b、e)和“7·19”(c)過程咸寧風廓線雷達自然對數(shù)(a、b、c)與漢口風廓線雷達(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速；D(m)為大于等于12 m·s-1風速的最低高度；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，強的低空急流引起擾動加強，不穩(wěn)定能量積聚誘發(fā)雷電。因此結合降水開始時間、低空急流建立時間、I指數(shù)等，可以對雷電做出提前預報。

圖9 “6·19”(a)、“7·5”(b)和“7·19”(c)過程咸寧與漢口風廓線雷達站低空急流指數(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 論

(1)3次梅雨暴雨過程均伴有不同類型的強對流天氣，“6·19”過程有50個地面自動氣象站瞬時最大風速為8級及以上，而“7·5”和“7·19”過程則以持續(xù)性短時強降水為主，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”過程漢口風廓線雷達站3 km以下水平風速和實況較為接近，5 km以下水平風風向偏差較?。?次過程中漢口風廓線雷達站3 km以下數(shù)據(jù)基本能夠描述風場的變化趨勢，具有一定參考價值。3次過程咸寧風廓線雷達站8 km以下水平風向、風速和漢口站探空數(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級以上的大風天氣。濕層深厚，西南急流長時間持續(xù)和低層偏東氣流導致“7·5”和“7·19”過程短時強降水長時間維持。

(4)風廓線雷達能夠分析大氣水平運動在垂直方向上的細微結構，實時監(jiān)測水平風速垂直切變、垂直速度及其變率隨高度的變化，結果顯示梅雨暴雨水平風速垂直切變、平均垂直速度及其變率隨高度變化較小，較強的上升運動集中在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，業(yè)務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。