多普勒雷達(dá)回波在一次大暴雨中的應(yīng)用分析＊

宿海良,陳 艷,吳 洪,張曉東,白春燕,袁雷武,馬前進(jìn)

(1.河北省唐山市氣象局,河北唐山 063000;2.中國(guó)氣象局培訓(xùn)中心,北京 100081; 3.河北省滄州市氣象局,河北滄州 061001)

多普勒雷達(dá)回波在一次大暴雨中的應(yīng)用分析＊

宿海良1,陳 艷1,吳 洪2,張曉東1,白春燕3,袁雷武1,馬前進(jìn)1

(1.河北省唐山市氣象局,河北唐山 063000;2.中國(guó)氣象局培訓(xùn)中心,北京 100081; 3.河北省滄州市氣象局,河北滄州 061001)

利用多部新一代天氣雷達(dá)資料結(jié)合常規(guī)探空資料和逐小時(shí)的自動(dòng)站資料,對(duì)2007年7月18日發(fā)生在河北省東部平原(以下簡(jiǎn)稱(chēng)冀東平原)的一次區(qū)域性暴雨過(guò)程進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):低層中α尺度切變線的南壓、東移及“人”字形輻合線是本次降水過(guò)程的主要影響系統(tǒng);降水發(fā)生前西南暖濕氣流和冀東平原近地層偏東風(fēng)是“人”字形輻合線形成的直接原因;在不穩(wěn)定層結(jié)存續(xù)條件下,急流方向上上游雷達(dá)站中尺度低空急流的脈動(dòng)對(duì)下游臺(tái)站的短時(shí)暴雨預(yù)報(bào)具有一定時(shí)效的指示意義。

雷達(dá)回波;大暴雨;應(yīng)用分析;冀東平原

0 引言

河北是我國(guó)暴雨多發(fā)的區(qū)域之一,近幾年,氣象工作者對(duì)大的環(huán)流背景下引發(fā)的暴雨過(guò)程研究比較多[1-4],隨著新一帶天氣雷達(dá)的投入使用,對(duì)突發(fā)性中小尺度暴雨的研究也逐漸增多[5-7]。2007年6月29日承德、秦皇島新一代天氣雷達(dá)開(kāi)始投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行,此外我們從區(qū)域中心得到了天津、北京的新一代天氣雷達(dá)共享資料,這使我們對(duì)冀東地區(qū)的區(qū)域性暴雨過(guò)程進(jìn)行全面的中尺度分析成為可能。2007年7月18日的區(qū)域性暴雨天氣過(guò)程,是承德、秦皇島新一代天氣雷達(dá)有觀測(cè)資料以來(lái),觀測(cè)到的最強(qiáng)的一次降水過(guò)程。本文利用天津、承德、秦皇島三部多普勒雷達(dá)的資料并結(jié)合逐小時(shí)的自動(dòng)站資料過(guò)程進(jìn)行了分析。

受低層冷切變線影響,從7月18日早晨開(kāi)始到中午結(jié)束,冀東平原自西向東先后出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣。天津的寶坻、河北的香河、玉田、遵化、遷西、豐潤(rùn)、唐山、豐南、灤縣、盧龍、秦皇島十一個(gè)縣市的降雨量達(dá)到50 mm以上(圖1),其中香河、玉田、豐潤(rùn)雨量超過(guò)100 mm,豐潤(rùn)的水務(wù)局降雨量最大達(dá)到191.8 mm。這次降水過(guò)程有四個(gè)明顯特點(diǎn):①﹥50 mm的短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)集中在香河到秦皇島一線約200 km范圍內(nèi),具有明顯的中β尺度天氣特征;②降水時(shí)間短,強(qiáng)度大,由強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)造成的強(qiáng)降水從06時(shí)香河開(kāi)始出現(xiàn)到12時(shí)在秦皇島結(jié)束,歷時(shí)僅有6 h,豐潤(rùn)站08-10時(shí)降水量達(dá)到136 mm;③短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)具有明顯的自西向東移動(dòng)發(fā)展的時(shí)空變化特征;④50 mm以上降水區(qū)集中在燕山山脈南麓的平原地帶上,地形作用明顯。

1 天氣形勢(shì)分析

7月17日08 時(shí)-18日08時(shí),西太平洋副熱帶高壓逐漸增強(qiáng)西伸,與中緯度大陸高壓脊在115°E度附近的華東沿海同位相疊加,使得中緯度環(huán)流經(jīng)向度增大(圖略)。7月17日20時(shí)-18日08時(shí)700 hPa天氣圖上貝湖低渦南掉至東北北部, -8℃的冷中心也隨之南掉,但始終落后低渦中心10個(gè)經(jīng)度左右,以致長(zhǎng)時(shí)間向華北、東北地區(qū)輸送強(qiáng)冷平流。同時(shí)17日20時(shí)河套中部有一西風(fēng)帶淺槽不斷東移發(fā)展,四川盆地有西南渦維持少動(dòng),二者東部存在一個(gè)暖中心,形成指向華北地區(qū)的西南向暖平流。500 hPa與700 hPa天氣形勢(shì)大致相同,但冷平流不如700 hPa強(qiáng)。

200 hPa天氣圖上,17日08時(shí)在新疆至內(nèi)蒙東部初步形成一條西風(fēng)帶急流,最強(qiáng)中心在新疆東部達(dá)50 m·s-1,到20時(shí)急流帶向東加強(qiáng)延伸至內(nèi)蒙古中東部,最大風(fēng)速加強(qiáng)到56 m·s-1,此時(shí)冀東地區(qū)剛好處于急流出口的右側(cè),為暴雨落區(qū)提供了高空輻散場(chǎng),其抽吸作用為中低層強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

圖1 2007年7月18日06-12時(shí)降水量分布圖

7月17日20時(shí)850 hPa流場(chǎng)和全風(fēng)速分析圖(圖2)上東北北部和四川盆地中部各有一低渦維持,在西南渦和東北渦兩低之間從河套中部沿山西、河北與內(nèi)蒙的交界至承德北部形成一條WS W-ENE向的中α尺度切變線,在西南渦、切變線和副高之間存在一條最大風(fēng)速達(dá)20 m·s-1的西南低空急流帶,為華北中東部輸送了大量的暖濕空氣,初步形成了中高層干冷低層暖濕的不穩(wěn)定層結(jié),之后隨副高減弱切變線的東移南壓觸發(fā)了河北東部、南部和山東大部的強(qiáng)降水天氣。

由以上天氣尺度的分析可見(jiàn),高低空急流的耦合作用以及高空輻散低層輻合的氣壓場(chǎng)配置為這次暴雨過(guò)程提供了有利的動(dòng)力條件,而中層強(qiáng)冷平流與低層西南暖濕氣流在華北東部的交匯觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流降水的發(fā)生。然而這些都只是大暴雨產(chǎn)生的前提條件而非必然條件。事實(shí)上,在整個(gè)降水期間從天氣尺度上中低層并不能發(fā)現(xiàn)明顯的低值系統(tǒng)和強(qiáng)風(fēng)速輻合區(qū),這也正是在這種有利的天氣條件下河北并沒(méi)有出現(xiàn)大范圍暴雨的重要原因。以下利用多部新一代天氣雷達(dá)的高時(shí)空分辨率資料進(jìn)行分析,結(jié)合逐小時(shí)的自動(dòng)站降水資料,試圖從中尺度系統(tǒng)找出冀東平原出現(xiàn)大暴雨的可能原因。

2 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)圖特征分析

2.1 回波演變特征與強(qiáng)降水的關(guān)系

從雷達(dá)反射率因子圖上可以看到,這次過(guò)程屬混合云降水。從大于45 dBz以上回波帶的演變特征看,本次降水過(guò)程大致經(jīng)歷“人”字形回波和“弓”狀回波兩個(gè)階段。

7月18日08:18在1.5°仰角的天津多普勒雷達(dá)反射率因子(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PPI(Z))圖上(圖3a),在雷達(dá)站西北約80 km處和雷達(dá)站東北100 km處各出現(xiàn)一條S W-NE走向和SE-NW走向的帶狀回波,兩條帶狀回波帶在雷達(dá)站正北約110 km處交匯形成“人”字形回波,回波最強(qiáng)區(qū)位于兩條回波交界處。08:18至10:00 S W-NE走向回波在東移過(guò)程中, 55 dBz以上的強(qiáng)回波區(qū)向東北方向傳遞并增強(qiáng)(圖3a-c),開(kāi)始向“弓”形演變,造成了玉田-豐潤(rùn)的強(qiáng)降水,豐潤(rùn)站08-10時(shí)2 h雨量達(dá)136 mm。同時(shí)SE-NW走向回波向東北方向移動(dòng),逐漸減弱斷裂成多個(gè)短帶回波(圖3d、3e),造成09-10時(shí)盧龍26 mm·h-1和秦皇島36 mm·h-1的短時(shí)暴雨。

此后人字形東支迅速減弱東移消散,S W-NE走向回波逐漸轉(zhuǎn)成“弓”狀回波(圖3b-3d),并開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)豎的趨勢(shì)?！肮睜罨夭ɡ^續(xù)東移,回波帶上不時(shí)有回波單體生消發(fā)展(圖3d、3e),給下游的大部分地區(qū)造成了20～30 mm·h-1二次降水,至12:03 45 dBz以上回波移出秦皇島強(qiáng)降水結(jié)束。

2.2 中尺度低空急流

陶詩(shī)言指出[8]:暴雨區(qū)中的低空急流是一種中尺度現(xiàn)象,不要與低壓前面和副高西北側(cè)見(jiàn)到的天氣尺度的低空急流相混淆。為此劉洪恩[9]給出了一個(gè)可供多普勒雷達(dá)徑向速度分析中參考的中尺度低空急流判斷標(biāo)準(zhǔn):急流中心的水平距離≥80 km,高度在3 km以下,時(shí)間尺度≥2 h,存在水平風(fēng)速≥10 m·s-1且風(fēng)向一致的低空強(qiáng)風(fēng)速區(qū)。

圖3 2007年7月18日新一代天氣雷達(dá)1.5°仰角反射率因子

在18日06:00天津1.5°仰角的多普勒徑向速度平顯(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PPI(V))(圖4a)上,雷達(dá)站東北和西南兩側(cè)對(duì)稱(chēng)出現(xiàn)正、負(fù)速度大值(10～15 m·s-1)區(qū),覆蓋范圍從距雷達(dá)站10 km延伸到距雷達(dá)站50 km處,此后覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)大延伸,06:42雷達(dá)站東北30～60 km處出現(xiàn)了15～20 m·s-1正徑向速度大值區(qū)(圖4b),到07:42大值區(qū)覆蓋范圍從15 km一直延伸到90 km處(圖4c),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣折射下的測(cè)高公式推算,強(qiáng)風(fēng)速區(qū)達(dá)到700 hPa(3 km左右)高度。據(jù)此判斷雷達(dá)站上空顯然存在一支正在向上傳遞的中尺度低空西南急流。由低空西南急流的流出方向推斷急流剛好指向燕山山脈霧靈山北側(cè)的承德雷達(dá)站,而承德雷達(dá)(此時(shí)850 hPa切變線尚未經(jīng)過(guò)雷達(dá)站) PPI(V)(圖略)雖表明中低層維持著西南氣流但并沒(méi)有對(duì)稱(chēng)的出入流速度大值區(qū)出現(xiàn),說(shuō)明燕山山脈對(duì)該支中尺度低空急流具有一定的阻擋作用,致使該中尺度西南急流攜帶的大量暖濕空氣在燕山山脈南部的冀東平原形成堆積,為08～10時(shí)豐潤(rùn)站2 h 136 mm強(qiáng)降水前在中低層形成了深厚的暖濕層結(jié),積蓄了大量不穩(wěn)定能量。

對(duì)05:42秦皇島PPI(V)(圖4d)分析發(fā)現(xiàn),該地區(qū)有兩支急流存在但不如天津-玉田的急流深厚。表現(xiàn)在PPI(V)圖上雷達(dá)站正北偏東和正南偏西10～50 km處有對(duì)稱(chēng)的正、負(fù)速度大值區(qū)出現(xiàn),正負(fù)徑向速度最大值達(dá)到10～15 m·s-1,說(shuō)明850 hPa以下有SS W-NNE向低空急流存在。此外在雷達(dá)站東北和西南100 km處有另一對(duì)正負(fù)速度大值區(qū)出現(xiàn),正負(fù)徑向速度極大值達(dá)到15～ 20 m·s-1,說(shuō)明該區(qū)700 hPa高度層存在一支S W-NE向的急流。

圖4 2007年7月18日新一帶天氣雷達(dá)徑向速度圖(1.5°)

以上分析表明,冀東平原的西北部是低空西南急流,而東南部700 hPa高度上是西南急流, 850 hPa以下是偏南低空急流。低空急流的存在為暴雨的產(chǎn)生提供了水汽、有利于不穩(wěn)定層結(jié)的建立,并觸發(fā)了冀東平原對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放,使中尺度上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。

2.3 垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品

2.3.1 中尺度低空急流的脈動(dòng)

由以上分析可以看出豐潤(rùn)位于天津雷達(dá)站東北90 km處正徑向速度大值區(qū)內(nèi)。我們以水平風(fēng)速12 m·s-1并假設(shè)在中尺度西南低空急流存續(xù)期間急流區(qū)風(fēng)場(chǎng)變化是連續(xù)的,推算天津雷達(dá)站低層的風(fēng)場(chǎng)變化大約在2 h后傳遞至豐潤(rùn)。下面我們分析塘沽站30 min間隔的垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品,以推斷強(qiáng)降水發(fā)生前豐潤(rùn)—塘沽的垂直風(fēng)場(chǎng)變化。

劉淑媛等對(duì)華南暴雨的研究發(fā)現(xiàn)中尺度低空急流的脈動(dòng)對(duì)本地區(qū)強(qiáng)烈天氣和強(qiáng)降水有一定的指示意義[10]。從圖5可以看出從05時(shí)到09時(shí)降水發(fā)生前從300～2700 m高度有西南低空急流存在,這與對(duì)PPI(V)上關(guān)于低空急流的分析是一致的。進(jìn)一步分析又可以發(fā)現(xiàn)這支急流整層從6時(shí)開(kāi)始發(fā)生脈動(dòng),而后向上。這種中尺度低空急流在垂直方向上的脈動(dòng)傳遞到豐潤(rùn)時(shí),擾動(dòng)引起強(qiáng)對(duì)流,造成了大暴雨。

圖5 2007年7月18日05時(shí)-12時(shí)天津雷達(dá)站(塘沽)間隔30 min的垂直風(fēng)廓線圖(粗實(shí)線為12 m·s-1風(fēng)廓線)

2.3.2 高空急流動(dòng)量下傳和近地面偏東風(fēng)

分析秦皇島雷達(dá)站(位于盧龍)的垂直風(fēng)廓線的變化(圖6)可以看出,高空急流在08:38和09:33分別出現(xiàn)兩次較強(qiáng)的下傳,從06:30到08:00,高空急流從6.1 km下傳到了5.2 km,而在08:00到08:38迅速加強(qiáng)下傳到2.4 km,在短時(shí)間減弱收縮到3.0 km后又于09:33加強(qiáng)下傳至2.1 km。兩次下傳分別引起了兩時(shí)段26 mm·h-1和29 mm·h-1的降水強(qiáng)度,說(shuō)明高空急流下傳引發(fā)的垂直層面上的動(dòng)量下傳對(duì)降水具有增幅作用。

此外從圖6還可看出,在300 m以下近地面層一直維持具有很大偏東分量的東南風(fēng),說(shuō)明降水以前冀東平原上盛行偏東風(fēng),這從04時(shí)至10時(shí)1 h一次的地面自動(dòng)站資料可以得到充分的證實(shí)。近地面偏東風(fēng)的形成和長(zhǎng)時(shí)間維持與冀東平原南臨渤海北靠燕山山脈的特殊地形有關(guān)。分析表明,近地面偏東風(fēng)的存在使降水初期冀東平原上出現(xiàn)了除了西北干冷氣團(tuán)和西南的濕暖氣團(tuán)外的第三種性質(zhì)的氣團(tuán),即弱冷的相對(duì)中性氣團(tuán)。正是這三種不同性質(zhì)的氣團(tuán)在冀東平原上相遇產(chǎn)生了“人”字形的中尺度輻合線(圖7)。而后因?yàn)榈谌N性質(zhì)的氣團(tuán)相對(duì)較弱且只存在于近地面的邊界層,致使“人”字形的中尺度輻合線的東支相對(duì)較弱在NW向冷平流加強(qiáng),被“西風(fēng)”壓倒后迅速減弱消失,“人”字形的輻合線變成“弓形”。

圖6 2007年7月18日04時(shí)至11時(shí)秦皇島雷達(dá)站間隔18分鐘的垂直風(fēng)廓線圖

圖7 “人”字形中尺度輻合線形成示意圖

“人”字形回波的形成和發(fā)展、東移并演變成“弓”狀回波,是造成本次區(qū)域性暴雨的主要天氣系統(tǒng)。

3 結(jié)論

(1)850 hPa中α尺度切變線的南壓、東移及“人”字形輻合線是本次降水過(guò)程的主要影響系統(tǒng)。

(2)中尺度低空急流對(duì)大暴雨的產(chǎn)生起到了關(guān)鍵作用,為暴雨區(qū)積蓄了大量水汽和不穩(wěn)定能量,觸發(fā)了冀東平原對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放。

(3)在不穩(wěn)定層結(jié)存續(xù)條件下,急流方向上上游雷達(dá)站中尺度低空急流的脈動(dòng)對(duì)下游臺(tái)站的暴雨預(yù)報(bào)具有T0(T0=Ri/Vr,Ri是預(yù)報(bào)臺(tái)站到雷達(dá)站的直線距離,Vr是VWP產(chǎn)品上的中尺度低空急流速度)時(shí)間的預(yù)報(bào)時(shí)效。

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Analysis on an Application of Doppler Radar Echo in a Heavy Rain

Su Hailiang1,Chen Yan1,Wu Hong2,Zhang Xiaodong1,Bai Chunyan3, Yuan Leiwu1andMa Qianjin1

(1.Tangshan M eteorological Bureau,Tangshan063000,China;2.CMA Training Center, B eijing100081,China;3.Cangzhou M eteorological Bureau,Cangzhou061001,China)

Based on the Doppler radar echo data and conventional sounding data as well as hourly rainfall data,a regional heavy rain event occurred in eastern Hebei plain on July 18,2007 is analyzed.The results show that the southward and eas tward moving of a meso-α-scale shear over low-level and the convergence line are the main influential systems.The convergence line is caused by both the maintaining southwest-moist-jet before the rainfall and the surface layer easterly airflow over eastern Hebei plain.Under the unstable stratification condition, the perturbation of meso-scale low-level jet of upstream radar stations is of significance for downstream stations' rainfall forecasting.

radar echo;rainstor m;application analysis;eastern Hebei plain

TN958

A

1000-811X(2010)01-0064-05

2009-07-10

河北省氣象局科研基金項(xiàng)目資助(2008ky20)

宿海良(1971-),男,河北灤南人,高級(jí)工程師,主要從事天氣氣候預(yù)報(bào)及研究.E-mail:tshlsu@tom.com