荆州市一次短时大暴雨的预报预警初探

文海松，赵卓勋，张晶晶，魏 凡，雷彦森，谭江红

（1.荆州市气象局，湖北 荆州 434020；2.黄石市气象局，湖北 黄石 435000；3.武汉中心气象台，武汉 430000；4.襄阳市气象局，湖北 襄阳 441021）

大暴雨一般属于强对流天气，由中小尺度系统触发，相比于天气尺度系统，该类天气系统具有生命史短、突发性强、影响范围小等特点，其生命周期短的只有几分钟到几十分钟，由于生消速度快，因而难以把握。在实际预报预警工作中，短期预报（预报时效为1～3 d）只能预报强对流天气出现的可能性，却无法预报其所带来的具体降雨落区，但提前1～3 h的短时临近预警却可以预警出强对流的大致落区。

湖北省荆州市地处中纬度南部、长江中游的江汉平原腹心之地，属于典型的亚热带湿润季风气候区，具有四季分明、热量充足、光照适宜、雨水充沛及水热同季等特征。目前对于荆州市大暴雨的中小尺度特征分析较多，多是研究其发生发展的成因机制［1，2］，而对于当地大暴雨的短时临近预警研究较为鲜见，暴雨预报预警仍属于世界性难题，因而对暴雨的预警落区、预警时效的研究具有一定的必要性。本研究旨在利用高空气象观测资料、欧洲ERA-in⁃terim再分析资料和雷达资料，分析荆州市1次局地大暴雨天气过程的生成、维持和消亡演变过程，总结有利于大暴雨的短时临近预警条件，以期能提高把握暴雨预警落区及时效的能力。

1 天气实况

2017年6月9日3：10，湖北省荆州市大部出现暴雨天气过程，雨量分布如图1所示，强降水主要集中在9日3：00—8：00，荆州市区出现83.6 mm暴雨，洪湖市、监利市多个乡镇出现100.0 mm以上大暴雨，瞿家湾出现254.2 mm特大暴雨。监利市9日凌晨至上午10：00降水量达207.1 mm，为大暴雨，其中，7：00的1 h降水量达94.7 mm，9日6：00—7：00监利市2 h降水量为177.4 mm，1 h雨强及2 h降水量均突破历史极值，日降水量在6月降水量中历史排名第二（历史第一为233.7 mm，此次为229.3 mm）。此次降水特点以短时强降水为主，强降水持续时间短，局地突发性强，雨带移动快，大暴雨落区主要位于监利、洪湖一带。暴雨造成城市内涝，交通、农业受灾严重。

图1 6月9日荆州市降雨量分布

2 天气背景分析

2.1 环流形势及高低空系统配置

8日20：00（图2），500 hPa副高脊线位于25°N附近，副热带高压呈带状分布，荆州市处于584线控制的平直的西风气流中，不断有分裂的小槽东移，500 hPa小槽东移叠加鄂北低槽带动冷平流南下为梅雨锋上中尺度涡旋发生发展创造有利的大尺度环流背景，700 hPa出现12 m/s以上的西南急流、850 hPa弱辐合、地面弱冷空气为不稳定能量的释放提供动力触发机制。低层850 hPa辐合系统及地面中尺度气旋为直接影响系统。

图2 2017年6月8日20：00高低空配置

2.2 不稳定能量分析

分析探空图和细网格资料，由图3a可以看出，9日5：00—8：00，700 hPa以上的相对湿度急剧增加到80%以上，且此时段低空急流发展最旺盛，600 hPa以上湿度较低，形成上干下湿的配置。对流有效位能预报（图3b）显示，8日23：00至9日5：00能量均在1 000 J以上，且8日夜间能量急剧上升，表明8日夜间能量较大，形成有利于短时强降水等对流性天气发生的能量条件。欧洲中心细网格预报表明，9日5：00—8：00低空急流加强发展、湿度层次增加、对流有效位能较大，因而可以提前预判9日5：00以后可能有强对流天气发生，为短临预警提供参考。

图3 9日5：00监利站探空资料（a）和8日20：00细网格对流有效位能预报（b）

2.3 动力和水汽条件分析

为了分析强降水发生前的动力和水汽条件，选取6月9日2：00涡度、散度、水汽通量、水汽通量散度的分布及单站（监利）垂直速度的剖面（图4）进行分析，发现300 hPa荆州市处于负涡度区，并有一负涡度中心配合，表明高层有强烈辐散，850 hPa有正涡度，低层有弱辐合（图4a、图4b）；对应散度分布（图4c、图4d）发现，300 hPa有正散度中心，850 hPa有弱的辐合配合，表明强降水前高层有强烈辐散，低层有弱辐合，高层的强辐散对强降水贡献更大。选取强降水发生前和发生时的水汽通量（图5a）和水汽通量散度（图5b）分析发现，925 hPa存在强烈的水汽通量辐合，在强降水发生时对应有水汽通量散度的负值中心，表明强降水时水汽通道存在于边界层925 hPa。垂直速度剖面（图5c）表明强降水时整层都有负速度，400 hPa层次有负速度中心值达-0.4 Pa/s，强降水时段与整层强烈上升运动时段对应较好。

图4 6月9日2：00的850 hPa和300 hPa涡度和散度分布

图5 6月9日水汽通量散度分布及监利单站垂直速度剖面

3 多普勒天气雷达资料分析

3.1 基本反射率因子及小时降水量预报产品分析

基本反射率因子表征的是回波强度数据，其等级用dBZ表示。一般来说，数据等级的值越大，降雨雪可能性越大，强度也越强，当其值大于或等于40 dBZ时，出现雷雨天气的可能性较大；当其值在45 dBZ或以上时，出现暴雨、冰雹、大风等强对流天气的可能性较大。基本反射率因子产品的分析除了回波强度dBZ外，还可以分析其回波的大致面积、回波形态、回波移动速度、方向以及演变情况等因素，这对判断具体出现什么天气尤为重要。通过调取这次大暴雨过程的雷达基本反射率因子，从降水开始前、降水发生发展期、降水减弱结束期等几个阶段进行分析，从各阶段雷达反射率因子的演变情况可以看出，降水开始前，监利市西南方位有回波单体逐渐生成，回波单体强度不断加强，并自西南往东北方向迅速移动，此时位于监利市东北方位的回波带往东北偏东方向缓慢移动，至9日4：57（图6），位于监利市西南方位和东北方位的回波合并，合并后的回波为带状分布，呈西南—东北走向，自西南向东北方向缓慢移动。带状回波带缓慢移动过程中，监利市西南方位不断触发新的对流单体生成，形成后向传播，回波带在经过监利市时形成列车效应，利于短时强降水的发生。此种形态及移动导致监利市出现2 h大暴雨；至7：04（图6）雷达回波组织结构变得松散，带状回波带演变成结构松散的对流性回波，此时降水逐渐减弱直至结束。大暴雨的发生与降水效率密切相关，为了研究降水效率，分析小时降水量预报产品尤为必要。小时降水量预报产品采用的是每个体扫结束后的小时累积方式，即应用降水率计算单元输出的降水率，对每个2 km×1°的样本库进行时间累积，得到小时降水量，并在每个体扫结束后输出。9日5：00的小时降水量预报产品显示小时最大降水量达78.0 mm，此后小时降水量预报逐渐增大，至6：34（图6）小时最大降水量预报达101.6 mm（整个阶段最大值），因而可以考虑在5：00发出暴雨预警，此时降水正处于加强发展阶段。

图6 基本反射率因子及小时降水量预报

3.2 平均径向速度产品分析

平均径向速度是指目标运动速度在雷达径向上的分量，既可以向着雷达，也可以离开雷达。径向速度的大小和正负通过颜色来表示，暖色调表示正径向速度，即离开雷达的径向速度，冷色调表示负径向速度，即指向雷达的径向速度。速度产品可大体判断出中小尺度的天气系统［3］，选取强降水过程的径向速度产品进行分析，9日5：27从0.5°仰角径向速度图7a观测到中气旋，持续时间为2个体扫，且强降水包裹着中气旋，沿着西南—东北走向的辐合线移动；至5：51从0.5°仰角径向速度图7b观测到位于监利市的前侧有气旋性辐合环流，此处有强的上升运动，对应强度回波图上为前侧V型缺口，表明强的入流气流进入上升气流；而位于监利市东北方位即后侧有反气旋式辐散，此处有强的下沉运动，对应强度回波图上为后侧V型缺口，表明有强的下沉气流，有可能引起破坏性大风（实况显示监利本站附近风速达10 m/s以上），这种风力可能是由于降水粒子的拖曳作用引起。至5：51从3.4°仰角径向速度图7c观测到监利市附近有逆风区，有利于强降水的加强及维持。有关研究表明［4-7］，强降水超级单体的特征：强降水包裹着中气旋，前侧V型缺口和后侧V型缺口。通过上述分析，基本判定5：27左右大暴雨由强降水超级单体引起。

图7 2017年6月9日径向速度

3.3 风暴追踪信息分析

强天气发生时往往伴随对流风暴的发生、发展过程，对对流风暴的探测和预警是天气雷达的最主要任务［3，8-10］。对流风暴通常由1个或多个对流单体组成，对流单体水平尺度从1～2 km的积云塔到几十千米的积雨云系。对流风暴可以分为普通单体风暴、多单体风暴、线风暴（或飑线）和超级单体风暴。风暴追踪信息产品可以识别每个对流风暴单体，并给出风暴过去、现在和将来的位置，对风暴的结构和路径有详细的信息分析，因而对强天气的预警具有一定的准确性［11-14］。风暴追踪信息显示，大暴雨由2个对流风暴引起，分别为M2风暴和V6风暴。M2风暴趋势（图8）显示，该风暴持续时间为5：15—6：28，持续约73 min，而在上述分析中得出，5：27左右大暴雨由强降水超级单体引起，因而可以判定M2风暴为强降水超级单体风暴。在M2风暴生成初期5：15左右，风暴云顶高度在9.0 km以上，云底高度在3.0 km附近，最强回波高度在5.0 km附近，回波质心高度在4.5 km附近。至下一个体扫5：21，云底高度由3.0 km下降到1.5 km附近，风暴云底高度出现明显下降，对应的最强回波高度由5.0 km下降到4.5 km，回波质心高度由4.5 km下降到3.0 km以下，此后风暴云顶高度和最强回波高度小幅波动，回波质心高度一直维持在3.0 km以下，云底高度维持在1.5 km附近。短时强降水发生时，回波质心高度一般较低。3.0 km以下的回波质心高度对短时强降水的发生非常有利。M2风暴5：15左右生成时最大反射率强度在50 dBZ以上，此后最大反射率强度维持在50 dBZ以上。垂直液态水含量由5：15的25 kg/m2跃增到5：21的40 kg/m2以上，此后一直到6：03基本维持在40 kg/m2附近。冰雹指数由5：15的90跃增到5：21的100，对应的强冰雹指数由5：15的40跃增到5：21的60，此后冰雹指数和强冰雹指数均在一定范围内波动。6：07—6：28强冰雹指数出现急剧下降，此时段对应的垂直液态水含量从30 kg/m2急剧下降到20 kg/m2，表明此时段M2风暴趋于减弱。

图8 M 2风暴趋势

V6风暴趋势（图9）显示，该风暴持续时间为6：28—7：41，持续约73 min。在此时段内，V6风暴云顶高度出现了大幅波动，而风暴云底高度维持在1.5 km附近，最强回波高度在1.5～5.0 km波动，回波质心高度在2～4 km波动。此时段内最大反射率强度维持在55 dBZ以上。强冰雹指数在7：10以后增加到60以上，垂直液态水含量6：28—7：10在40 kg/m2以下波动，7：10以后增加到40 kg/m2以上。综合以上分析发现，M2超级单体风暴在5：15左右生成时，最大反射率强度在50 dBZ以上（研究发现一般发布短时强降水预警时最大反射率强度需达45 dBZ以上），5：15以后M2风暴云底高度和回波质心高度均出现明显下降，且回波质心高度下降到3 km以下（此高度非常有利于短时强降水的发生），且5：15以后垂直液态水含量和冰雹指数、强冰雹指数等指标均出现明显的跃增现象，预示着5：15以后降水将出现明显加强，实况显示此时正是强降水开始阶段，可以考虑发出短临预警。结合预报产品显示9日5：00小时降水量最大为78 mm，因而5：15发出短临预警是合适的，有一定的提前量，准确性较高。M2超级单体风暴消亡后，V6风暴生成。V6风暴在7：10以后，风暴发展加强，移动加快，7：23移出监利市东部地区，7：23以后垂直液态水含量由40 kg/m2开始急剧下降，直至7：41 V6风暴消亡。因而短时强降水发生在6：00和7：00。

图9 V6风暴趋势

4 小结与讨论

1）此次短时大暴雨是在有利的天气环流背景下产生的。500 hPa小槽东移叠加鄂北低槽带动冷平流南下，为梅雨锋上中尺度涡旋发生发展创造有利的大尺度环流背景，700 hPa出现12 m/s以上的西南急流、850 hPa弱辐合、地面弱冷空气为不稳定能量的释放提供动力触发机制。

2）EC细网格资料的预报可以提前预判9日5：00以后可能有强对流天气发生，为短临预警提供参考。

3）大暴雨是由2个对流风暴引起，前1个对流风暴为强降水超级单体风暴。

4）降水过程中带状回波后部不断触发新的对流单体生成，形成后向传播，回波带在强降水区域形成列车效应，利于大暴雨的发生。

5）高层的强辐散对强降水贡献更大，强降水时段与整层强烈上升运动时段对应较好，强降水时水汽通道存在于边界层925 hPa。

6）雷达资料的分析显示，预报产品显示9日5：00小时降水量最大为78 mm，此时可以考虑发出预警。风暴追踪信息显示，M2超级单体于5：15左右生成，生成时最大反射率强度在50 dBZ以上，垂直液态水含量由25 kg/m2跃增到40 kg/m2以上，冰雹指数及强冰雹指数均出现跃增，此时正是强降水开始阶段，雷达资料综合分析考虑5：15左右若发出短时预警，提前量相对较大，准确性较高。

7）雷达资料显示，5：15各项指标均出现明显变化，综合得出此时间可以发出短临预警。指标中的小时降水量预报产品、最大反射率强度、垂直液态水含量及冰雹指数、强冰雹指数的动态研究为短时临近预警创造条件。由于短时预警要考虑因素较多，如预报资料的分析、各项雷达产品的监测分析、实况的分析，因而短时预报预警仍然难做到具有一定提前量，保证提前量时准确性又不能得到保证，今后在短时预报预警的提前量和准确性上的研究仍是难题，能力亟需加强。