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宜豐縣短時(shí)強(qiáng)降水云圖回波數(shù)值產(chǎn)品特征分析

2021-04-06 13:32洪麗霞馬中元黎輝文辛瑋琦范小軍
氣象水文海洋儀器 2021年1期
關(guān)鍵詞:雨量強(qiáng)降水云圖

洪麗霞,馬中元,羅 燕,黎輝文,辛瑋琦,范小軍

(1.江西省氣象科學(xué)研究所,南昌 330046;2.宜豐縣氣象局,宜豐 336300)

0 引言

短時(shí)強(qiáng)降水是指1 h≥20 mm的降水。在江西,由于降水頻繁且雨量較大,短時(shí)強(qiáng)降水被定義為:1 h≥30 mm或2 h≥50 mm的降水。江西是暴雨頻發(fā)省份,尤其是短時(shí)強(qiáng)降水,具有明顯的局地性和地域性,開展當(dāng)?shù)囟虝r(shí)強(qiáng)降水研究具有十分重要的意義。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)暴雨中短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行了大量研究。毛冬艷[1]等(2018)分析表明西南地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在4-10月。任麗[2]等研究表明暴雨是由MCS活動(dòng)造成的,每次短時(shí)強(qiáng)降水均與TBB低值中心相對(duì)應(yīng)。王玨[3]等研究歸納了湖北省6類極端短時(shí)強(qiáng)降水MCS模態(tài),其中包括4類線狀(尾隨層狀云、平行層狀云、后向擴(kuò)建類、鄰近層狀云類)和2類非線狀(渦旋狀類和層狀云環(huán)繞類)MCS模態(tài)。燕亞菲[4]等研究表明衛(wèi)星估算與地面實(shí)測(cè)的降水落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。蘇俐敏[5]等研究指出短時(shí)強(qiáng)降水是由若干個(gè)10 min超短時(shí)強(qiáng)降水(≥10 mm·10 min-1)組成。這些研究成果為開展宜豐縣短時(shí)強(qiáng)降水天氣的研究,提供了可以借鑒的理論依據(jù)。但大多數(shù)研究在雷達(dá)回波分析上,主要使用單部雷達(dá)產(chǎn)品資料,較少應(yīng)用多部雷達(dá)拼圖資料來(lái)研究短時(shí)強(qiáng)降水的回波特征。因此,文章中雷達(dá)回波分析和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,使用組合反射率CR產(chǎn)品資料。實(shí)踐證明,雷達(dá)拼圖資料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品范圍更大,便于短時(shí)強(qiáng)降水的分析與預(yù)報(bào)[6]。

文章使用江西省自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)、MICAPS系統(tǒng)云圖、江西WebGIS雷達(dá)拼圖和武漢數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品等資料,對(duì)2017-2019年宜豐縣4次暴雨和大暴雨過(guò)程中的短時(shí)強(qiáng)降水特征進(jìn)行分析,試圖總結(jié)出宜豐縣短時(shí)強(qiáng)降水的特征,為做好監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)和開展氣象服務(wù)提供依據(jù)。

1 降水實(shí)況

1.1 暴雨和大暴雨

2017-2019年汛期,宜豐縣出現(xiàn)4次暴雨和大暴雨天氣過(guò)程,24 h雨量最小為58.0 mm,最大為152.7 mm,4次暴雨天氣都出現(xiàn)了≥30 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水天氣(表1)??梢姡谝素S縣暴雨或大暴雨過(guò)程中都伴有短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)。

表1 2017-2019年宜豐縣4次暴雨和大暴雨與短時(shí)強(qiáng)降水統(tǒng)計(jì)

此次暴雨和大暴雨過(guò)程,宜豐縣都在暴雨的中心位置。2017年,江西省有1個(gè)暴雨中心,宜豐縣雨量為58.0 mm,降水維持時(shí)間10 h;2018-04-12-2018-04-13,江西省只有1個(gè)暴雨中心,宜豐縣雨量為63.1 mm,降水維持時(shí)間11 h;2019-05-18-2019-05-19,江西省有2個(gè)暴雨中心,宜豐縣雨量為70.7 mm,降水維持時(shí)間9 h;2019-06-18-2019-06-09,江西省大范圍暴雨和大暴雨,宜豐縣雨量最大為152.7 mm,降水維持時(shí)間19 h。

小時(shí)平均雨量Rp是日雨量R24與維持時(shí)間T24的均值,小時(shí)均值越大雨強(qiáng)越大。此次暴雨和大暴雨過(guò)程的小時(shí)平均雨量Rp分別為:5.80 mm、5.74 mm、7.86 mm和8.04 mm,顯然,最后一次大暴雨的小時(shí)平均雨量Rp最大。

1.2 短時(shí)強(qiáng)降水

從全國(guó)范圍來(lái)講,短時(shí)強(qiáng)降水被定義為≥20 mm/h(國(guó)家氣象中心);江西降水頻繁,雨量較大,短時(shí)強(qiáng)降水被定義為≥30 mm/h或≥50 mm/2 h。在宜豐縣4次暴雨和大暴雨過(guò)程中都出現(xiàn)了1 h≥30 mm的短時(shí)強(qiáng)降水。

可見,≥30 mm短時(shí)強(qiáng)降水容易形成宜豐縣暴雨或大暴雨天氣過(guò)程。

1.3 超短時(shí)強(qiáng)降水

在1 h≥30 mm的短時(shí)強(qiáng)降水中,是由1個(gè)或幾個(gè)≥10 mm超短時(shí)強(qiáng)降水[15]組成,連續(xù)幾個(gè)超短時(shí)強(qiáng)降水必將形成短時(shí)強(qiáng)降水(表2)。把握超短時(shí)強(qiáng)降水的變化,可以不必等到小時(shí)整點(diǎn)即可發(fā)布短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)警,提高了短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)警時(shí)效。

10 min平均雨量R10是1 h中6段10 min平均雨量R10與短時(shí)強(qiáng)降水雨量的比值。4次暴雨和大暴雨過(guò)程的10 min平均雨量R10分別為:0.186 mm、0.181 mm、0.233 mm和0.208 mm,可見,R10均超過(guò)了0.18 mm,R10越大,表明短時(shí)強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)率越大。

由此可見,江西汛期宜豐縣常出現(xiàn)暴雨或大暴雨,并伴隨出現(xiàn)≥30 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。在≥30 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水中,≥10 mm/10 min的超短時(shí)強(qiáng)降水是形成1 h短時(shí)強(qiáng)降水的6個(gè)基本時(shí)間段。雷達(dá)拼圖與降水資料統(tǒng)一為10 min間隔,根據(jù)10 min雷達(dá)拼圖回波強(qiáng)度和10 min超短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn),不必等到1 h整點(diǎn)就能確定是否出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水,則可以提前發(fā)布該小時(shí)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)警預(yù)報(bào)。

2 短時(shí)強(qiáng)降水的云圖、雨量和回波對(duì)比

短時(shí)強(qiáng)降水云團(tuán)在衛(wèi)星云圖上呈現(xiàn)為中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCS結(jié)構(gòu),有多種不同形態(tài)的云系,有時(shí)云圖上反演云系較弱,有時(shí)反演存在定位誤差,與小時(shí)降水量不一定吻合。在使用云圖分析時(shí),尤其要注意這一點(diǎn),依據(jù)較大探測(cè)范圍的雷達(dá)拼圖資料進(jìn)行核對(duì)。在江西1 h雨量圖上,具有以宜豐短時(shí)強(qiáng)降水為中心的圓形降水區(qū)。在江西WebGIS雷達(dá)拼圖上,表現(xiàn)為:1)多個(gè)強(qiáng)單體組成的強(qiáng)雷暴群;2)寬廣回波區(qū)中的短帶強(qiáng)回波;3)混合回波中的強(qiáng)單體或超級(jí)單體;4)絮狀回波中的強(qiáng)單體。這4種回波形態(tài)與1 h降水實(shí)況十分吻合。

2.1 2017-05-11短時(shí)強(qiáng)降水分析

14:30(圖1a,b,c),在衛(wèi)星云圖上,宜豐縣西北面是寬廣的鋒面云系,南面是由4個(gè)孤立且有組織的雷暴單體組成的雷暴群云團(tuán),其中最北面的一個(gè)雷暴單體影響宜豐縣。在江西省1 h雨量圖上,宜豐縣降水量為31.2 mm,成為短時(shí)強(qiáng)降水中心。在江西省WebGIS雷達(dá)拼圖上,回波的分布和形態(tài)基本與云圖一致,降水回波反映更加細(xì)致。從圖中可以看到,宜豐縣和新余縣受雷暴回波群里兩個(gè)強(qiáng)回波單體影響,回波強(qiáng)度為60~65 dBz。

圖1 宜豐縣4次暴雨和大暴雨過(guò)程中短時(shí)強(qiáng)降水云圖、雨量、回波對(duì)比

2.2 2018-04-12短時(shí)強(qiáng)降水分析

20:30(圖1d,e,f),在衛(wèi)星云圖上,宜豐縣東北面有1條東-西走向的較弱云系,該云系(對(duì)應(yīng)雷達(dá)拼圖上是短帶回波)造成宜豐縣出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。江西1 h雨量圖上,宜豐縣降水量為31.8 mm,成為短時(shí)強(qiáng)降水中心。江西WebGIS雷達(dá)拼圖上,回波的分布和形態(tài)與云圖不一致,表現(xiàn)為東至西走向的短帶回波,回波強(qiáng)度為50~55 dBz。

2.3 2019-05-18短時(shí)強(qiáng)降水分析

22:00(圖1g,h,i),在衛(wèi)星云圖上,宜豐縣上空基本無(wú)云系,江西1 h雨量圖上,宜豐縣降水量為33.7 mm,上高縣降水量為35.0 mm,分別成為短時(shí)強(qiáng)降水中心。江西WebGIS雷達(dá)拼圖上,回波呈現(xiàn)多個(gè)雷暴單體組成的復(fù)合體回波結(jié)構(gòu),強(qiáng)回波位于宜豐、上高,回波強(qiáng)度為60~65 dBz。經(jīng)分析,宜豐回波強(qiáng)度弱于上高,只有45~50 dBz,但造成的短時(shí)強(qiáng)降水與上高縣相比僅差1.3 mm。從影響宜豐和上高的回波垂直結(jié)構(gòu)上看,宜豐屬于低質(zhì)心強(qiáng)降水,50 dBz強(qiáng)回波在6 km以下;上高屬于強(qiáng)對(duì)流性強(qiáng)降水,50 dBz強(qiáng)回波伸展到12 km??梢?,低質(zhì)心降水效率不容忽視。

2.4 2019-06-08短時(shí)強(qiáng)降水分析

09:00(圖1j,k,l),在衛(wèi)星云圖上,宜豐縣處在東-西走向的較弱云系帶中,該弱云系對(duì)應(yīng)雷達(dá)拼圖上的絮狀回波帶。09:00-10:00,帶上較強(qiáng)單體造成宜豐出現(xiàn)38.6 mm短時(shí)強(qiáng)降水。江西1 h雨量圖上,宜豐成為短時(shí)強(qiáng)降水中心。江西WebGIS雷達(dá)拼圖上,回波的形態(tài)表現(xiàn)為大范圍的絮狀回波結(jié)構(gòu),回波強(qiáng)度為40~45 dBz。

由此可見,由雷暴單體組成的雷暴群云團(tuán)和東-西走向的較弱云系帶,是影響宜豐的重要云圖特征。江西WebGIS雷達(dá)拼圖上,雷暴回波群和復(fù)合體回波結(jié)構(gòu),回波強(qiáng)度為60~65 dBz,并伴有強(qiáng)雷電。短帶回波、絮狀回波帶,回波強(qiáng)度為40~55 dBz,無(wú)雷電或雷電很少。有兩次云圖觀測(cè)出現(xiàn)定位誤差和沒(méi)有云系的誤差,值得進(jìn)一步探討其原因。

3 短時(shí)強(qiáng)降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品檢驗(yàn)

雷達(dá)組合反射率CR預(yù)報(bào)產(chǎn)品(0~12 h)屬于雷達(dá)回波外推的一種,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和預(yù)報(bào)時(shí)效的長(zhǎng)短,成為短臨預(yù)報(bào)研究的關(guān)鍵。因?yàn)橹挥蓄A(yù)報(bào)準(zhǔn)確性高,預(yù)報(bào)時(shí)效提前,才能有足夠的時(shí)間進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)工作和做好預(yù)報(bào)服務(wù)。

文章使用中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品顯示平臺(tái),高分辨力快速循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)中提供的組合反射率CR預(yù)報(bào)產(chǎn)品與江西WebGIS雷達(dá)拼圖CR實(shí)況產(chǎn)品,對(duì)宜豐縣4次暴雨和大暴雨過(guò)程的短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行兩種CR產(chǎn)品初步相似性對(duì)比檢驗(yàn)。

3.1 2017-05-11數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品檢驗(yàn)

15:00(圖2a,b),江西WebGIS雷達(dá)拼圖上,影響宜豐的雷達(dá)回波表現(xiàn)為南-北走向的雷暴回波群結(jié)構(gòu),群體內(nèi)由不同發(fā)展階段的雷暴單體回波組成,弱的為一般性雷暴回波單體,強(qiáng)的為超級(jí)單體或強(qiáng)回波單體。宜豐、新余兩地是受兩塊強(qiáng)回波單體影響,其中新余回波達(dá)到超級(jí)單體標(biāo)準(zhǔn)。回波強(qiáng)度CR達(dá)到60~65 dBz,回波頂高ET達(dá)到14~15 km,垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到45~50 kg/m2?;夭ㄈ河晌髂舷驏|北方向移動(dòng),移動(dòng)速度為50~60 km/h。武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品圖上,北京時(shí)間為15:00(TB=Tu+t+8,式中TB為預(yù)報(bào)產(chǎn)品北京時(shí)間;Tu為世界時(shí);t為預(yù)報(bào)時(shí)效;8為8 h時(shí)差),可以看出,預(yù)報(bào)7 h的CR產(chǎn)品圖像與實(shí)況基本吻合,但前后多出兩矩形回波,回波強(qiáng)度為40~45 dBz,偏弱20 dBz,主觀評(píng)分為60%(表2)。

表2 江西WebGIS雷達(dá)拼圖CR產(chǎn)品實(shí)況與武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品相似性對(duì)比

3.2 2018-04-12數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品檢驗(yàn)

20:00(圖2c,d),江西WebGIS雷達(dá)拼圖上,影響宜豐的雷達(dá)回波表現(xiàn)為東-西走向的短帶回波結(jié)構(gòu),回波強(qiáng)度CR達(dá)到50~55 dBz,回波頂高ET達(dá)到8~9 km,垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到15~20 kg/m2。短帶回波整體緩慢北抬,單體由西向東方向移動(dòng),移動(dòng)速度為30~40 km/h。武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品圖上,北京時(shí)間為20:00,可以看出,預(yù)報(bào)5 h的CR產(chǎn)品圖像與實(shí)況大致吻合,宜豐短帶回波預(yù)報(bào)偏南,落在吉安區(qū)域;上饒回波基本一致?;夭◤?qiáng)度為40~45 dBz,偏弱10 dBz,主觀評(píng)分為60%。

圖2 江西WebGIS雷達(dá)拼圖CR產(chǎn)品與武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品相似性對(duì)比

3.3 2019-05-18數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品檢驗(yàn)

22:00(圖2e,f),江西WebGIS雷達(dá)拼圖上,影響宜豐的雷達(dá)回波表現(xiàn)為復(fù)合體回波中一塊強(qiáng)回波發(fā)展成超級(jí)單體結(jié)構(gòu),回波強(qiáng)度CR達(dá)到60~65 dBz,回波頂高ET達(dá)到14~15 km,垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到55~60 kg/m2。影響宜豐的超級(jí)單體回波由西偏北方向,向東偏南方移動(dòng),移動(dòng)速度為40~50 km/h,且分別影響宜豐、上高縣等地。武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品圖上,北京時(shí)間為22:00,可以看出,預(yù)報(bào)8 h的CR產(chǎn)品圖像與實(shí)況不吻合,宜豐、上高的短時(shí)強(qiáng)降水漏報(bào),贛南回波預(yù)報(bào)基本吻合,但回波強(qiáng)度偏弱10 dBz,主觀評(píng)分為20%。這種突發(fā)性的強(qiáng)對(duì)流造成的強(qiáng)降水,在云圖和數(shù)值模式上都很難表現(xiàn)出來(lái)。

3.4 2019-06-07數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品檢驗(yàn)

09:00(圖2g,h),江西WebGIS雷達(dá)拼圖上,影響宜豐的雷達(dá)回波表現(xiàn)為寬廣的絮狀回波帶結(jié)構(gòu),回波強(qiáng)度CR達(dá)到40~45 dBz,回波頂高ET達(dá)到8~9 km,垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到10~12 kg/m2。絮狀回波帶整體少動(dòng),單體不斷由西向東移動(dòng),移動(dòng)速度為30~40 km/h。武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品圖上,北京時(shí)間為:17日09:00,可以看出,預(yù)報(bào)7 h的CR產(chǎn)品圖像與實(shí)況高度吻合,但回波強(qiáng)度偏弱10 dBz,主觀評(píng)分為90%。

由此可見,江西WebGIS雷達(dá)拼圖上,影響宜豐的雷達(dá)回波表現(xiàn)為雷暴回波群結(jié)構(gòu)、短帶回波結(jié)構(gòu)、復(fù)合體回波結(jié)構(gòu)和絮狀回波帶結(jié)構(gòu)。回波強(qiáng)度CR達(dá)到40~65 dBz,回波頂高ET達(dá)到8~15 km,垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到10~60 kg/m2。武漢數(shù)值預(yù)報(bào)CR產(chǎn)品圖上,預(yù)報(bào)5~8 h的CR產(chǎn)品圖像與實(shí)況相似度分別為:60%、60%、20%和90%;回波位置有所偏差,回波強(qiáng)度偏弱10~20 dBz(強(qiáng)度偏弱屬于系統(tǒng)性誤差,幾乎每次相同)。因此,利用雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù),開展校準(zhǔn)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品偏差研究具有重要意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章利用江西省自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)、MICAPS系統(tǒng)平臺(tái)、江西WebGIS雷達(dá)拼圖平臺(tái)和武漢暴雨研究所數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品顯示平臺(tái)等資料,采用統(tǒng)計(jì)分析、形態(tài)對(duì)比、特征提取和相似性對(duì)比等方法,對(duì)2017-2019年宜豐縣4次暴雨和大暴雨過(guò)程中的短時(shí)強(qiáng)降水天氣的演變與特征進(jìn)行了分析,研究結(jié)果為提高強(qiáng)降水的預(yù)警預(yù)報(bào)能力提供了依據(jù)。

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