一次致洪暴雨的多普勒雷達回波分析

李東川,萬 敏,周 明,袁明清,廖曉荔

(1.重慶市萬州區(qū)氣象局,重慶 萬州 404000,2.重慶市北碚區(qū)氣象局,重慶 北碚 400700,3.重慶市涪陵區(qū)氣象局,重慶 涪陵 408000)

一次致洪暴雨的多普勒雷達回波分析

李東川1,萬 敏2,周 明1,袁明清1,廖曉荔3

(1.重慶市萬州區(qū)氣象局,重慶 萬州 404000,2.重慶市北碚區(qū)氣象局,重慶 北碚 400700,3.重慶市涪陵區(qū)氣象局,重慶 涪陵 408000)

利用常規(guī)觀測資料和多普勒雷達探測資料,對 2010年 7月 9日凌晨發(fā)生在重慶市萬州區(qū)西部的大暴雨過程的天氣形勢和雷達回波特征進行了分析,著重從強度 PPI、速度 VPPI、回波頂 ET、垂直積分液態(tài)含水量 V IL等多普勒雷達產品資料分析其特征。初步探討了副高邊緣弱西南氣流下我區(qū)短時強降水天氣的多普勒回波特征,積累經驗,為暴雨的臨近預報預警建立預報指標提供依據。

雷達回波;暴雨;逆風區(qū);中尺度氣旋;臨近預報

1 引言

2010年 7月 8日夜間發(fā)生在萬州、梁平、忠縣交界地區(qū)的一場突如其來的大暴雨,由于時間短,強度大,暴雨中心的集中降雨時段只有不到 2h,而最大雨量卻達 180.5mm,迅速匯聚的雨水使河流猛漲,淹沒城鎮(zhèn)、田地,沖毀房舍、道路、橋梁。我區(qū)的分水鎮(zhèn)全鎮(zhèn)被淹,水深齊腰,雖然短中期、臨近預警各種預報準確及時,提前防范及救災搶險有力,無人傷亡,但暴雨仍然造成巨大的經濟損失。暴雨是我區(qū)的主要自然災害,進一步提高暴雨預報的精細化程度對促進防災減災能力作用重大,我區(qū)多普勒雷達投入應用將使暴雨、強對流天氣等突發(fā)災害天氣的預報能力逐步改善,使災害性天氣的損失降到最低。

2 降雨天氣實況

2010年 7月 9日 02時到 08時萬州、梁平、忠縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現了暴雨,根據重慶市區(qū)域自動站觀測網監(jiān)測的雨量值得知,在我區(qū)的雨量主要時段為03—06時,降雨中心雨量為西部靠近梁平的孫家,3h雨量達 117.9mm,最大小時雨量為 73mm,其次為郭村的 3h雨量 81.3mm,其最大小時雨量則為44.4mm。而防洪辦在分水鎮(zhèn)的雨量監(jiān)測站監(jiān)測到的雨量竟達 180.5mm,應為這次暴雨的降雨中心。

3 天氣形勢及影響系統(tǒng)分析

過程開始前 8日 08時 500hPa亞洲中高緯在巴湖有一強大深厚低渦,貝湖地區(qū)為高脊,我國東北到俄羅斯遠東地區(qū)為低渦區(qū)的兩槽一脊型,中低緯副高脊線約在 23°N,高原上為高壓,兩高之間在漢中—成都—川西南部一線有弱切變,達州為偏西風,我區(qū)處于副高邊緣弱西南氣流中。到 8日 20時,雖然高度場上重慶還在 588邊緣,但副高脊線已明顯南撤,達州、恩施風向轉為 NW,渝東北轉為北支氣流的西北氣流影響,四川東部為弱脊,切變西退至武都—巴塘—林芝一線。到 9日 08時達州為北風、恩施偏東北風,我區(qū)以南的渝東南附近有氣旋性環(huán)流中心,中心西側可以分析一小槽,約在貴州北部。蘭州—甘孜—林芝一線有新的低槽出現,而豫陜南部和湘鄂皖贛交界有完整反氣旋環(huán)流,可以推斷 8日夜有短波低值系統(tǒng)經過,即是位于貴州北部的小槽。700hPa形勢較為清楚,8日 08時漢中—成都—四川西南部有切變,達州為西南風,到20時其北端南壓,達州轉為偏北風,切變也轉為近E-W走向,我區(qū)為切變東北端,9日 08時切變越過我區(qū),位于長江上游沿線江南一側,達州、恩施轉為東南風,重慶風向近 NW風,出現明顯氣旋性環(huán)流,低渦中心以東到湖南東北部為暖式切變,以西為冷式切變,明顯在 500hPa小槽之后,可知 500hPa夜間越過我區(qū)的小槽為前傾槽,這就是觸發(fā)這次大暴雨的影響系統(tǒng),它是由 8日 20時武都—巴塘—林芝一線的切變線結合從新疆直到華中的西北氣流中東傳,由巴湖低槽中分裂的冷空氣后快速南下而來的。這種前傾槽由于帶有冷平流又位于低層槽前的暖濕氣流上空,極易引起強對流天氣。9日 02時地面圖上四川盆地到重慶為熱低壓,梁平、萬州間有中尺度輻合,04時重慶區(qū)域自動站風向風力資料的風場顯示我區(qū)西部—梁平東部及墊江東部有中尺度輻合線,在高空冷平流和 700hPa切變線影響下就產生了強對流天氣。

4 熱動力及水汽條件的簡約診斷分析

對流天氣系統(tǒng)的發(fā)生要具備不穩(wěn)定層結、充足的水汽和上升運動 3個條件。由于前期天氣晴好,又處于副高邊緣,熱力條件十分有利,降雨開始前的 8日 20時我區(qū)周邊的達州、重慶、恩施 3站 K指數都在 40℃左右,SI指數都為-1℃以下,Cape＞1 000J·kg-1,離我區(qū)最近的達州各項最有利：SI=-1.82℃,Cape=1686.2J·kg-1。但是在水汽條件和動力條件方面卻少有強降水天氣常見的明顯特征。這應該是這次過程雖然雨強大,但持續(xù)時間較短,范圍也較小的主要原因。

5 暴雨雷達回波資料分析

5.1 回波演變過程

8日 23時 30云圖上位于川東北的對流云團,其前沿對應的帶狀回波越過宣漢從東北逐漸南下,同時東南方開始有分散的積狀小對流回波生成,9日 01：05梁平、忠縣有多個強對流回波生成,距離雷達站 80-90Km西北—東南向近似呈弧形排列,中心強度均達 50dBz以上。這些回波之后消散、新生、合并,到 02：00分別在梁平、忠縣形成 2個近似弓型的塊狀對流回波,以下分別稱對流回波①、回波②,強中心均為 58 dBz。這時我區(qū)西端開始出現生命史極短的積狀小對流回波,其間對流回波①緩慢東移發(fā)展,在其前方也有新的回波生成,并在東移過程中有部分與我區(qū)西部的回波相互合并,03：27我區(qū)西部有強中心超過 55 dBz的對流回波生成,V IL達33kg/m2,ET為 11Km。對流回波①此時北段減弱,南端與向北發(fā)展的對流回波②逐漸連接,到 03：51合并成沿雷達約 250°方向的帶狀回波,此時我區(qū)西部的 3個主要的強對流單體合并發(fā)展成塊狀弓形回波 ③,最強中心為 63dBz,V IL達 48kg/m2,ET17Km。帶狀回波東段繼續(xù)向北發(fā)展與塊狀弓形回波③合并,回波③強度雖未增強,但對流高度發(fā)展到最強時刻 4：16的 18Km,回波②的南側向南發(fā)展逐漸斷開,但我區(qū)正南方在之前不斷有小的積狀對流回波生成發(fā)展,形成帶狀回波,并向西移動并入新的回波③中,4：46在我區(qū)西部邊緣形成 NWSE向的寬帶回波,其中有多個 ＞60 dBz的強度中心,原來的回波③位于其 NW段,ET又出現 18Km的高度。北方來的帶狀回波已進入墊江、梁平南下,在其前進的左側不斷有新的回波生成,并向東移,強回波的東邊已靠近寬帶回波的東北端。4：59南下回波強中心與本地生成發(fā)展而來的寬帶回波合并,＞45dBz回波形成向西延展向東北凸起的弓狀回波,原先的回波③處在頂部。北方來的大片回波在梁平以西繼續(xù)很快南下,我區(qū)西部的弓形回波沒能維持太久,05：42仍在合并處斷裂,整個回波減弱消散成幾個強中心,東側減弱消散得更快,05：48我區(qū)西部原來的回波③也開始減弱消散,到 6：06強度就減弱到 40dBz,ET為 11Km。至此我區(qū)西部強降水趨于結束,之后減弱的塊狀回波西移合并到大的片狀回波中。從 3：14第一個強塊狀回波在我區(qū)生成,不斷發(fā)展、更替、合并,＞50dBz強回波在我區(qū)西部維持近 3h,其間較長時間中心正位于分水鎮(zhèn)附近,對應地面降水中心,可見水利部門的 180.5mm的監(jiān)測雨量是真實可信的。

5.2 基本徑向速度圖分析

02：00基本速度 0.5°仰角速度圖上雷達站為東北風,風速 4m/s左右,高度在 1.8K m以下,萬州西部為正速度區(qū),距離 100K m一帶有不連續(xù)零速度線,對應 02：00基本反射率因子圖有 2個較大的塊狀回波,3：14時刻 1.4Km以下近地層風速開始加大到 8～10m/s,風向接近東北風,逐漸形成低空急流,并出現小的最大風速中心,最大風速各達正負 24m/s。3：27時刻正負速度區(qū)都有所擴大,但負速度擴大較多,正負速度交界明顯向東推進,零速度線上折角較多,正負速度相互交錯,正負速度區(qū)中均出現逆風區(qū),顯示低層有風向氣旋性切變輻合線,并有較強上升運動產生,對應該時段的反射率因子圖上梁平、忠縣及我區(qū)西部不斷頻繁生成的強回波。到 3：51正負速度區(qū)范圍變化不大,交界約有西退,零速度線折角變小,但幾個逆風區(qū)穩(wěn)定維持,在正速度區(qū)我區(qū)西部生成 1個逆風區(qū),這與此時反射率因子圖上我區(qū)西部發(fā)展出最強中心為 63dBz的塊狀弓形回波對應,這是暴雨回波的發(fā)展階段。跟蹤位于萬州、忠縣之間的逆風區(qū),發(fā)現和反射率因子圖上回波②路徑一致,北上并增強,合并我區(qū)西部的逆風區(qū)。

圖 1 2010年 7月 9日凌晨萬州雷達 0.5°仰角回波演變

新的逆風區(qū)是變大的負速度中心,與其北邊的正速度區(qū)中的最大速度中心形成一個γ-中尺度氣旋輻合,4：53最大正負速度均達 12m/s,速度差值達到 24m/s,1.5°情況相似、2.4°、3.4°仰角則是成為純粹的正負速度對 (如圖 2),這已經基本成為一個中氣旋,這時正是我區(qū)西部暴雨強盛期。對該反射率因子圖作剖面分析 (如圖 3),可以看到類似超級單體風暴的一些特征：懸垂回波、弱回波區(qū)WER等結構,只是強度、范圍不如引起大風冰雹的經典超級單體風暴,強回波高度也較低,整體在 6Km以下,卻正是高效率降水回波的特征。之后雖略有減弱,但一直維持γ-中尺度氣旋輻合,轉動速度約在5～10m/s,到 5：54減弱消散成一般的逆風區(qū)。正是因為這個弱中氣旋的存在,才導致我區(qū)西部罕見的短時大暴雨。

從上述分析可見,這次暴雨在速度圖上的主要特征是低層逆風區(qū),這由 0.5°仰角上最大的逆風區(qū)的移動路徑正好與實況最強雨區(qū)對應得到很好說明,逆風區(qū)從忠縣東北部北上到我區(qū)西部,在移動中負速度區(qū)右側與正速度區(qū)形成強烈輻合上升運動,引起暴雨。

5.3 回波頂 ET分析

回波頂高反映對流發(fā)展的程度,深厚的對流產生強烈的上升運動是暴雨發(fā)生的重要條件,分析 8日夜雷達回波頂 ET產品資料,以期了解在發(fā)生強降水的時段對流發(fā)展情況。8日 23時前我區(qū)基本無回波,之后在西北方有回波生成向東南移動,00：34進入我區(qū),高度 9～13Km,西南方也有回波,高度普遍在 9Km以下,但在移動中西北回波逐漸減弱,西南回波移動較慢卻發(fā)展升高,進入我區(qū)西北部的孤立回波 01：48減弱到 7Km以下,西南方回波發(fā)展到 11～13Km,西北方的片狀回波主體向南移動,高度在 9～14Km,對應在衛(wèi)星云圖上是對流云團,500hPa高空是西北氣流中的小波動槽,其東側靠近我區(qū)的西端開始不斷有小的對流回波生成,但高度都沒超過 11Km,直到 03：51東南方移來的回波靠近后,才突然躍升到 18Km高度,隨后一直維持,有時雖有減弱,但沒有低于 15Km,04：46與南面北上的回波合并,又一次升到 18Km,面積猛然擴大,達 10個像素點,近 150Km2,之后高度逐漸降低,最高中心向東南偏離,到 05：54高度基本降到 13Km以下。對流高度的變化過程與降水實況較為吻合,表明在較短時間產生的強降水是由強烈的上升運動引起的。

5.4 垂直積分液態(tài)含水量 V IL分析

垂直積分液態(tài)含水量 V IL值在 03：27以前較小,基本在 25kg/m2以下,之后雖有上升但分布不均,相鄰像素點相差近 30kg/m2,03：51V IL值出現躍升,暴雨發(fā)生區(qū)內均 ＞25kg/m2,最大值為 48kg/m2,以后略有減弱 ,在 20～40kg/m2之間 ,04：53有所增強,為 20～45kg/m2,但不久開始逐漸減弱,以后在 5：42整體下降到 25kg/m2以下。分水周圍大部時刻為最大值。以上V IL值的演變與降雨實況吻合較好。對流天氣中存在的強烈輻合輻散運動使大氣中的水汽分布迅速變化,產生水汽的輻合輻散,垂直積分液態(tài)含水量 V IL值能及時反映出水汽的輻合輻散情況,在對流天氣發(fā)展變化中有很強的指示作用。

6 結論

①天氣形勢及物理量場分析表明,萬州西部處于暖濕水汽的輻合抬升區(qū),高能高濕的不穩(wěn)定條件為強對流天氣的產生提供了有利的環(huán)境場。

圖 4 2010年 7月 9日 04：53：01基本徑向速度圖

②此次萬州西部的致洪大暴雨天氣是逆風區(qū)、γ－中尺度輻合氣旋影響形成的。被正速度 (負速度區(qū))包圍的負速度區(qū) (正速度區(qū))移動中右側 (左側)在正速度區(qū) (負速度區(qū))形成強烈輻合上升運動,引起暴雨。具有較大轉動速度的γ-中尺度輻合氣旋引起的強烈輻合上升運動是形成暴雨的重要原因。中氣旋是WSR-98D雷達算法按一定判據識別出的達到一定強度的γ-中尺度輻合氣旋,對強天氣有較好的指示作用。中氣旋的判據包括切變、持續(xù)性、垂直范圍等 3個方面,算法的具體指標在我國業(yè)務中應用,應做相應調整,還有待更多的監(jiān)測資料。

③與強上升氣流有關的多普勒雷達產品,如回波頂高 ET、垂直積分液態(tài)含水量 V IL的明顯躍增反映了降雨區(qū)內物理特征量的短時急驟變化并顯示暴雨的一些特點,能對暴雨的預報預警提供指示作用。

④垂直積分液態(tài)含水量 V IL是判斷強降水、強對流天氣的有效工具之一,通過分析垂直積分液態(tài)含水量 V IL的大值區(qū),為預測暴雨落區(qū)提供了一定的科學依據。

⑤在中低仰角的 VPPI上出現的負速度區(qū)包圍正速度區(qū)或正速度區(qū)包圍負速度區(qū)的逆風區(qū),說明有強風向輻合,因而可以維持著從低層到中高層的強上升運動。張沛源等進行的深入研究發(fā)現,逆風區(qū)出現 1h后一般都有短時暴雨出現,逆風區(qū)對暴雨有較好的指示作用,但制約和影響逆風區(qū)移向的因素及機制還需更進一步研究,這對及時準確預報強降水落區(qū)有重要意義。

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1003-6598(2010)增刊-0064-05

2010-09-10

李東川 (1969-),男,高工,主要從事短期天氣預報工作。