湖南一次暴雨灾害的中尺度特征及可预报性研究

廖春花，刘红武，徐靖宇

（1.湖南省气象服务中心，长沙 410118；2.湖南省气象台，长沙 410118）

暴雨是湖南省夏季多发且危害严重的灾害性天气，常造成严重的农业灾害和人员伤亡。夏季是湖南省农作物生长的关键季节，暴雨及其引发的洪涝等灾害对农田及农作物危害极大。李巧媛等［1］研究表明，湖南省水稻受洪涝灾害影响重、频率高，在2000年后程度有加重的趋势。暴雨由不同天气尺度系统相互作用造成，天气系统的不同配置造成暴雨落区、强度及分布特点的差异［2-6］，湖南省密布的水网及高山丘陵等复杂下垫面因素，使暴雨的预报难度更大。暴雨研究受到气象学者的高度关注，取得了重要成果［7-10］，随着观测技术和模拟技术的发展，利用高时空分辨率资料可分析出中小尺度暴雨系统的空间结构及其发生、发展过程［11-17］。暴雨触发机制和中尺度系统具有复杂性和多样性，有必要对已发生的暴雨过程及中尺度系统活动特征进行深入分析，深化对暴雨中尺度系统的认识，同时有必要对中尺度数值模式进行释用研究，为暴雨预报提供参考，更好地为农业生产服务。选取湖南省2018年夏季的一次致灾暴雨过程，利用常规和加密观测资料、雷达资料以及NCEP再分析资料，研究暴雨过程中的降雨云团、雷达回波、中尺度系统、中尺度滤波等特征，对比检验大尺度数值模式和中尺度数值模式的预报效果。

1 雨情和灾情

2018年6月19 —22日湖南省内出现一次强降雨天气过程，强降雨落区主要集中在湘中偏南和湘东南的部分地区，怀化、邵阳、娄底、衡阳等市（州）79个县（市、区）的1 084个乡镇降雨量超过50 mm，其中385个乡镇超过100 mm，36个乡镇降雨超200 mm，最大降雨量为289.7 mm（新邵县礼坪），最大日降水量为264.5 mm（新邵大坪，19日），最大小时雨强为107.0 mm（临武香花岭矿，21日20：00—21：00）。暴雨过程导致部分市（县）出现洪涝，同时由于雨带的南北摆动，导致怀化中部和娄底西部部分地区重复受灾。据湖南省民政厅统计，截至23日17：00，湖南省共有邵阳市、怀化市、娄底市、郴州市、永州市、衡阳市6市26县市区受灾，受灾人口52.5万人，紧急转移安置1.47万人，需紧急生活救助0.34万人，农作物受灾面积2.328万hm2，倒塌房屋89户225间，严重损坏房屋258户643间，一般损坏房屋2 092户3 434间，直接经济损失5.76亿元，无人员伤亡、失踪。

2 大尺度环流背景及主要影响系统

强降雨发生前，2018年6月18日8：00，500 hPa上欧亚中高纬为两槽一脊形势，中低纬多小波动活动，有短波槽东出，湖南省处在槽后西北气流中，地面在河套地区有冷空气堆积，从贵州省到两湖地区有地面倒槽强烈发展；19日20：00，850 hPa西南急流发展，从广西省向湖南北部地区一直伸展到湖北东部地区，冷式切变线位于湖北中部到湖南西北部，925 hPa切变线位置与850 hPa接近，在高空偏北气流引导下，地面冷空气南下，触发锋生，锋面位置与850 hPa及925 hPa切变线位置基本重叠，强降雨出现在各层系统重叠的区域。到20日8：00，在槽后偏北气流引导下，850 hPa、925 hPa切变线以及地面准静止锋南压至湖南南部地区并一直维持，强降雨一直持续到21日8：00。6月21日20：00，500 hPa南支槽在贵州中部发展，湖南省处在槽前西南气流中，850 hPa转为暖式切变线北抬至湘中偏北部地区，地面准静止锋随着地面高压的变性而消失，500 hPa有低槽过境，高低空系统位相差大，700、850 hPa切变线位置偏北，强降雨集中在850 hPa切变附近，有明显的暖区降雨特征。

3 中尺度特征分析

3.1 降雨雨团和云团特征

从降雨云图TBB特征（图1）可以发现强降雨天气过程有两个主要降雨时段：19日19：00至20日0：00与21日19：00至22日0：00。在第一阶段（图1a、图1b、图1c），对流云团从19日18：00左右开始激发，云带尺度大，其内部有多个强降水中心，并逐渐形成东—西向带状对流云，由2个面积较大的对流云团和2个面积较小的对流云团组成，发展旺盛后再逐渐消亡，生命史长约为20 h。对流云带走向与地面锋面（辐合线）走向一致，为地面锋面系统激发产生。地面观测到的小时极大风速在地面锋面前，为偏南大风，在锋面北部有偏北大风产生。在第二个时段（图1d、图1e、图1f），对流云团从18：00左右开始激发，但仅1个面积较大的对流云团（MCC）由500 hPa浅槽激发产生。该时段的地面大风位于对流云团移动发展的东南方向，持续时间相对较短，生命史约为10 h。

图1 逐小时云图TBB特征（单位：mm）

3.2 雷达回波特征分析

3.2.1 反射率因子特征19—20日强降水位于湘中一线，呈东西走向的带状分布。从雷达回波分析，19日16：00开始，湘中一带降水回波逐渐形成，大于30 dBZ的回波沿底层切变辐合形成，在切变线南侧，分散性回波不断加强合并，其中大于40 dBZ的回波呈东西向排列，其移动、传播方向和回波的长轴方向较吻合，呈现怀化市、邵阳市、衡阳市、株洲市“一”字形排列。到20：05，回波强度大于50 dBZ区域不断增加，仍然呈现带状分布，持续影响湘中地区。20日2：00—6：00，降水面积有所扩大，大于40 dBZ的强回波维持在邵阳市、娄底市以及株洲市南部地区，且移动速度缓慢，但位于怀化地区的回波逐渐开始向南发展，到08：50，回波的带状形态逐渐转变为团状，之后随着回波的南移减弱消散。整个过程中可见，超过40 dBZ强回波源源不断地经过湘中怀化南部、邵阳西部和北部以及娄底一带并维持发展，强降水回波带位置较稳定，形成明显的列车效应。超过50 dBZ的多个强回波单体在邵阳东北部地区不断生消发展，维持的时间超过10 h，使得邵阳东北部成为本次强降水过程的降水中心。

3.2.2 径向速度特征 从衡阳市雷达径向速度（图2）分析，19日18：00—20：00左右，在0.5°仰角上风场呈现模糊的“S”形，风向呈现顺时针旋转，表明地面有暖平流存在，而1.5°以上仰角平流不明显。随着降水的持续，20：00以后0.5°仰角上风向从底层到高层出现先逆转后顺转的形式，并且扩展到1.5°仰角，且零速度线曲率增加，表明此时中低层不稳定程度进一步加强。在1.5°仰角上，距离地面1 km左右有风速为12 m/s的西南急流存在，且2.4°仰角在雷达站西北侧距离地面2 km左右存在锋面。一方面，下暖上冷结构有利于大气不稳定层结建立，底层西南气流维持为强降水提供了很好的水汽输送，为暴雨提供了有力条件；另一方面，西北气流的存在使得地面有弱冷空气侵入，有利于锋面形成，加之西南急流维持，使得降水可以长时间维持。

图2 衡阳市雷达19日20：05不同仰角的径向速度

3.2.3 回波顶高（ET）和垂直液态含水量（VIL） 对邵阳地区出现大暴雨的回波顶高（ET）和垂直液态含水量（VIL）分析，邵阳东北部强回波发展高度较高，对多个单体的回波顶高进行计算，回波顶高度维持在13～16 km左右，可见单体在经过邵阳东北部时都存在加强的趋势，回波向上发展有利于抽吸作用的加强，从而增强对流发展。对比几个时次的垂直液态含水量（VIL），可见VIL总体维持在17～19 kg/m2范围内，较高的VIL有利于强降水的发生。

3.2.4 强回波剖面 对邵阳地区强降雨时段3个时次的雷达回波做垂直剖面（图3）分析发现，单体发展过程都存在前倾结构，有利于对流维持和加强，且强度超过45 dBZ的回波发展高度都位于6 km左右，且最强回波中心基本维持在3 km左右，可见低质心降水回波更有利于强降水的发生。

图3 邵阳地区回波剖面

3.3 中尺度系统-地面辐合线

鉴于强降雨过程夜雨特征明显，分析19日8：00至20日8：00的地面资料（图4），发现强降雨区位于地面辐合线之后，湘东南地区位于地面两高之间的辐合区，无降雨发生；通过分析3 h变压（表1），发现地面有弱冷空气侵入，19日8：00、14：00、20日8：00的3 h明显变压区位于地面辐合线后，19日20：00、20日2：00的与地面辐合线交汇，而且20日2：00与8：00的明显变压区几乎重合，也表明夜间系统移动缓慢，邵东气象站2：00—8：00降雨量达到128 mm。19日8：00湖 南境 内 最大 正变 压为3.4 hPa，20日8：00最大正变压为2.3 hPa，表明系统有所减弱，这也预示着20日降雨有所减小。

图4 2018年6月19日8：00至20日8：00地面辐合线演变

表1 3 h变压区域值

该次过程由地面配合有明显的辐合线并伴有弱冷空气所致，20日2：00与8：00正变压变化明显区域移动缓慢甚至重叠，对强降雨落区预报有较好的指示意义。

3.4 中尺度滤波分析

利用NCEP1°×1°格点资料、逐小时加密雨量资料，基于Barnes滤波原理，选取3套相近的带通滤波器参数设计中尺度滤波方案对暴雨过程进行分析。方案1，C1=5 000 km，C2=70 000 km，G1=G2=0.35，能够较好地保留波长在300～800 km的中尺度波动系统（响应函数值≥0.5的波长区间代表波动被很好地保留下来）；方案2，C1=10 000 km，C2=150 000 km，G1=G2=0.3，能够较好地保留波长350～1 150 km的中尺度波动系统；方案3，C1=15 000 km，C2=240 000 km，G1=G2=0.3，能够较好地保留波长在400～1 450 km的中尺度波动系统。

选取暴雨过程主要时段19日20：00和20日2：00，通过对700 hPa流场进行滤波分析（图5）发现，19日20：00，700 hPa上（图5a）为一致偏西气流控制，进行三套Barnes滤波方案后，方案1和方案2的700 hPa流场（图5b、c）湘中偏东分离出一个明显的辐合中心，和强降水落区亦十分吻合，方案3在西部分离出了一条辐合线（图5d）。20日2：00，原始场仍然为偏西气流控制（图6a），方案1在怀化市、邵阳市分离出了中尺度辐合线（图6b），方案2的分离辐合线在邵阳市（图6c），而方案3的分离辐合线在衡阳市（图6d）。由以上分析可知，方案1的效果相对来说最好，方案2次之。

图5 2018年6月19日20：00 700 hPa流场中尺度滤波

图6 2018年6月20日2：00 700 hPa流场中尺度滤波

4 模式可预报性研究

4.1 模式形势场检验

从不同起报时间的模式预报来看，EC对于高度场预报的稳定性和准确性较好，48 h起报的模拟结果已经十分接近实况。48 h内EC对于风场场预报的稳定性相对较好，不同起报时间的差异较小；但预报结果与实况还是存在偏差，实况场的切变线较预报场更为明显，强度和影响区域也更大。Grapes模拟结果与EC较为相似，预报结果与实况的偏差也主要表现在风场结构上，实况场的切变线较预报场更为明显，实况的系统组织性更好，强度和影响区域也更大，预报风场相对较弱而且风场较为凌乱。48 h内模式预报稳定性比EC模式弱，不同起报时间的模拟结果仍存在差异。

4.2 模式降水检验

6月19日8 ：00—22日8：00实况与模式降水预报对比见图7。从实况看，强降雨主要出现在湘中及其以南地区，雨带基本呈现东—西走向，随着系统南压，雨带逐渐向南发展。从各模式的预报来看，不同模式的降水落区预报均较好，雨带逐渐南压的变化也较为清楚；华东模式对降水强度的模拟较为准确，暴雨雨带与实况最为接近，其他模式对降水强度的模拟都偏弱，特别是暴雨区的范围明显偏小。这与低层风场的模拟结果是一致的，EC和Grapes模式对低空切变线等降水系统的模拟偏弱，导致降水强度的模拟结果偏弱。

图7 2018年6月19日8：00至6月22日8：00实况与不同模式预报对比

5 结论

1）2018年6 月19—22日暴雨过程具有持续时间长、降雨量大、局地性强、重复受灾等特点，强降雨主要出现在下午和晚上，夜雨特征明显。

2）强降雨主要出现在19日下午到20日上午、21日下午到晚上。前阶段有冷空气影响，为锋面降雨，由多个对流云团反复出现造成强降雨；后阶段为暖区降雨，由单一的对流复合体造成强降雨。2个阶段急流均不明显，暖区降雨时风速更大。

3）超过40 dBZ强降水回波带位置稳定，形成明显的列车效应，超过50 dBZ的多个强回波单体不断生消发展，低质心降水回波、中低层下暖上冷的大气不稳定层、较高的VIL值都是强降水发生的有利条件。

4）基于Barnes滤波原理，设计的3种中尺度滤波方案，均能较好分离出中尺度系统，相对来说，方案1最好，方案2次之。

5）对于锋面降雨，EC和Grapes大尺度模式、华东和华南中尺度区域模式均对降水落区的预报效果较好，而华东模式对降水强度的模拟较为准确，暴雨雨带与实况最为接近，其他模式对降水强度的模拟都偏弱，特别是暴雨区的范围明显偏小。对于暖区局地强降雨，大尺度模式预报偏差大，且不稳定，华东中尺度区域模式能捕捉一些信息，可在预报中参考。