低空急流暴雨天氣概念模型及其雷達(dá)回波特征分析*

周文志，唐熠，王艷蘭，孫瑩，蔣麗娟

(桂林市氣象局，廣西桂林541001)

暴雨是影響我國(guó)重大災(zāi)害性天氣現(xiàn)象之一，也是廣西重大災(zāi)害性天氣現(xiàn)象之一。由于急流對(duì)暴雨有增幅作用，所以其災(zāi)害性更為嚴(yán)重，常給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失。暴雨是一種中尺度現(xiàn)象，很多學(xué)者早就對(duì)其作過(guò)深入研究[1－19]，巢紀(jì)平[1]、Charney[2]、葉篤正等[3]系統(tǒng)地總結(jié)了青藏高原對(duì)大氣環(huán)流和天氣氣候系統(tǒng)的影響，錢永甫等[4]還用數(shù)值試驗(yàn)方法，驗(yàn)證了青藏高原對(duì)天氣氣候系統(tǒng)各種動(dòng)力影響的表現(xiàn)方式。在中小尺度地形的動(dòng)力影響方面，陶詩(shī)言[5]、黃士松等[6]就迎(背)風(fēng)坡、狹谷和喇叭口地形對(duì)局地氣流運(yùn)行方式、降水空間分布、過(guò)境冷空氣和雷暴云移動(dòng)方式的影響做過(guò)系統(tǒng)總結(jié)。在地形的熱力影響方面，朱抱真[7]對(duì)大地形的熱力影響曾有重要論述和總結(jié)。錢永甫等[4]用模式試驗(yàn)結(jié)果討論了青藏高原熱力作用對(duì)天氣氣候系統(tǒng)的影響，還特別討論了高原地表熱力作用日變化對(duì)當(dāng)?shù)靥鞖庀到y(tǒng)日變化的影響。Blackadar[8]用地表溫度變化造成的大氣層結(jié)日變化討論了北美低空急流的日變化。周軍則用海陸溫差日變化解釋了南海邊界層急流的日變化。周永生[14]對(duì)副熱帶高壓北跳時(shí)高壓南側(cè)東南氣流加強(qiáng)與東風(fēng)波槽后的東南氣流疊加形成急流影響下發(fā)生的暴雨進(jìn)行診斷分析。曾志云等[15]在常規(guī)氣象觀測(cè)資料基礎(chǔ)上，應(yīng)用T213資料對(duì)2004年6月23－24日湘西北特大暴雨期間的大尺度環(huán)流形勢(shì)和一些基本物理量進(jìn)行分析;利用精度更高的多普勒雷達(dá)、逐小時(shí)自記資料和MM5中尺度數(shù)值模式輸出資料，初步探討了此次低空急流暴雨過(guò)程若干中尺度特征。羅建英等[16]普查1998－1999年6－7月共122 d資料，在確認(rèn)東亞溫、壓、風(fēng)場(chǎng)、梅雨降水均存在顯著日變化的基礎(chǔ)上以1998年7月20－22日發(fā)生在長(zhǎng)江中游武漢一黃石段的一次持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、過(guò)程總降水量大、日變化明顯的特大梅雨暴雨為對(duì)象，就梅雨降水日變化的基本原因展開(kāi)了研究。王春紅[17]還嘗試在無(wú)中尺度資料的情況下利用ECMWF的2.5°×2.5°網(wǎng)格資料做初始場(chǎng)，利用MM4模式模擬一次中－a尺度低空急流引起的華南大范圍暴雨天氣過(guò)程。

近幾年，隨著數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星、多普勒雷達(dá)等新型探測(cè)資料的綜合應(yīng)用，對(duì)暴雨的發(fā)生、發(fā)展有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，并取得了很大的進(jìn)展[18－19]。在廣西對(duì)急流暴雨天氣概念模型與雷達(dá)回波強(qiáng)度資料相結(jié)合研究暴雨的工作還不多，而全面認(rèn)識(shí)暴雨發(fā)生、發(fā)展的原因和機(jī)制，認(rèn)識(shí)造成暴雨的中小尺度天氣系統(tǒng)，以及分析在中小尺度天氣系統(tǒng)下的雷達(dá)回波特征，有利于提高暴雨天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警能力。本文通過(guò)對(duì)急流暴雨天氣背景進(jìn)行分析，形成急流暴雨天氣概念模型，再通過(guò)分析天氣概念模型暴雨的雷達(dá)回波資料，包括形狀、強(qiáng)度和移動(dòng)情況，以了解急流暴雨的成因，為急流暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警和氣象決策服務(wù)提供重要依據(jù)。

1 急流暴雨的基本概況

通過(guò)對(duì)廣西2002－2010年有急流的暴雨時(shí)日降水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)24 h降水達(dá)到50 mm以上的急流暴雨個(gè)例有12個(gè)過(guò)程。12個(gè)過(guò)程均發(fā)生在4－7月，這是因?yàn)?－8月是中尺度系統(tǒng)頻繁活動(dòng)時(shí)期。所以，通過(guò)對(duì)12個(gè)急流暴雨的降水過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)于短期暴雨的研究具有代表意義。

2 急流暴雨天氣概念模型及其雷達(dá)回波特征分析

2.1 低空急流渦旋型

2.1.1 天氣背景

天氣背景(圖1):500 hPa槽在25°～40°N，90°～110°E區(qū)域內(nèi)有西風(fēng)槽或低壓，副熱帶高壓588線西伸華南地區(qū)或沿海，華南各站為偏南風(fēng)，中層700 hPa在重慶附近有低壓或27°N以北為氣旋性低壓或氣旋族，低層850 hPa低渦在貴陽(yáng)到重慶之間，桂林在12 m/s以上的急流中，風(fēng)速常常在16 m/s以上，地面桂林本站處于冷鋒前或靜止鋒附近。

圖1 低空急流渦旋天氣模型

2.1.2 雷達(dá)回波特征

由于低渦、切變、鋒面等降水系統(tǒng)均自西向東、自北向南移動(dòng)，最先影響是桂北，再就是桂林，廣西第1部多普勒雷達(dá)就安裝在這里，雷達(dá)資料比較多，所以，我們分析的雷達(dá)資料均為桂林雷達(dá)資料;即使是副高西端急流型同樣是以桂林雷達(dá)資料分析為例，這樣會(huì)更有意義。

回波強(qiáng)度演變特征分析(圖2):由于低層是低渦形勢(shì)，所以該型的雷達(dá)回波主要是渦旋狀回波，這一類回波移動(dòng)比較慢，不斷把南部的水汽和能量卷入低渦中心，造成了影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、雨強(qiáng)強(qiáng)度大的降水，而且降水量級(jí)比較均勻。在渦旋狀回波形成前12 h，責(zé)任區(qū)內(nèi)有分散的塊狀回波，強(qiáng)烈發(fā)展，最強(qiáng)的回波可造成局地暴雨;渦旋狀回波形成前3 h，責(zé)任區(qū)內(nèi)回波出現(xiàn)絮狀回波;渦旋狀回波的形成、發(fā)展、成熟、消亡的時(shí)間大概在5 h時(shí)左右;強(qiáng)降水主要發(fā)生在渦旋中心附近，但最強(qiáng)的降水往往出現(xiàn)在低渦的東南部、東部，以及東北部方向。

圖2 渦旋狀回波演變

雷達(dá)產(chǎn)品特征綜述:在反射率回波圖上(圖略)呈渦旋狀，強(qiáng)中心位于渦旋中心，強(qiáng)度均可達(dá)50 dBz以上。回波的南部有明顯的尾狀回波，將水汽、能量卷挾進(jìn)入渦旋中心。暴雨發(fā)生在渦旋中心強(qiáng)回波經(jīng)過(guò)的路徑上。在徑向速度圖上，高低層吹東南風(fēng)，風(fēng)速隨高度增加，近地層低壓中心附近，吹弱東北風(fēng)，有逆風(fēng)區(qū)。回波頂高多為6～11 km，回波頂最高位于低壓中心位置和尾狀回波處，可達(dá)11 km。垂直液態(tài)水在低壓中心位置最強(qiáng)，可達(dá)到20 kg/m2。渦旋回波造成的暴雨范圍大、大暴雨站數(shù)多，可以造成全區(qū)性暴雨，但最強(qiáng)的降水主要集中在低渦的東南部、東部，以及東北部方向。由于低渦移動(dòng)的路徑和地形的作用，桂北、桂東大多比桂南降雨量大，特別是湘桂鐵路的桂林段，由于狹管效應(yīng)的結(jié)果，使鐵路沿線興安到永福出現(xiàn)大暴雨，甚至特大暴雨。

低渦系統(tǒng)的前期回波多為零散狀回波，但單體強(qiáng)度較強(qiáng)，能達(dá)到40～50 dBz，回波沿西南急流向東北方向移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中逐漸加強(qiáng)，發(fā)展成組織性渦旋狀的強(qiáng)回波塊狀。這類回波出現(xiàn)在系統(tǒng)性降水的前部，后期會(huì)逐漸發(fā)展成絮狀或者帶狀回波，造成范圍較大的降水。隨著低渦到達(dá)的測(cè)站，強(qiáng)回波由西南急流向東北方向移動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)為隨北風(fēng)向南移動(dòng)，回波形成渦旋式運(yùn)動(dòng)，覆蓋面大，但強(qiáng)度逐漸減弱。整個(gè)回波最后演變成自北向南移動(dòng)。

這類回波在雷達(dá)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)強(qiáng)度比較均勻(圖略)，但在山地的迎風(fēng)面和喇叭口處有明顯增強(qiáng)現(xiàn)象。強(qiáng)降水落區(qū)決定于低渦的位置和移動(dòng)路徑以及整個(gè)系統(tǒng)的配置，全區(qū)均可以發(fā)生，但以桂北、桂東居多。特別是興安、靈川、桂林、臨桂、永福、融安、融水、昭平等地極易出現(xiàn)暴雨。

2.2 川槽急流切變型

2.2.1 天氣背景

天氣背景(圖3)。500 hPa槽位于北緯25°～35°N，東經(jīng)95°～105°E之間，但主要以四川槽(槽的主要部位及冷平流在四川)為主，副熱帶高壓588線西伸華南地區(qū)或沿海，華南各站為偏南風(fēng);中層700 hPa在湖北、湖南北部到貴州北部為冷性切變線，切變線后有較明顯的平流;低層850 hPa切變線在湖北南部、湖南南部到貴州南部，芷江、貴陽(yáng)多為弱偏北風(fēng)，桂林在低空西南急流中，風(fēng)速大于16m/s，700 hPa與850 hPa切變線近于垂直，在近地面，桂林以北有靜止鋒或處于冷靜前部暖區(qū)中，SI指數(shù)在－3～－5℃左右。

圖3 川槽低空急流切變型天氣模型

2.2.2 雷達(dá)回波特征

回波演變特征分析(圖4)?；夭◣чL(zhǎng)在300 km以上，寬60～30 km，甚至更窄。長(zhǎng)寬比例10∶1左右，有強(qiáng)回波核，直徑約為10 km，強(qiáng)度在50 dBz以上，回波整體以20 km/h左右的速度向東南方向移動(dòng)，單體向東北方向移動(dòng)，移速以30 km/h左右。強(qiáng)回波核沿著回波帶狀方向以列車效應(yīng)式依次影響暴雨站點(diǎn)。這類回波在強(qiáng)降水發(fā)生前4～6 h，責(zé)任區(qū)內(nèi)多以分散的對(duì)流回波為主，強(qiáng)降水發(fā)生前2～4 h形成帶狀回波;冷空氣型帶狀回波在原地發(fā)展，造成局地強(qiáng)降水。

圖4 急流切變型帶狀回波演變

強(qiáng)降水發(fā)生后，帶狀回波從西北向東移南壓影響前方測(cè)站，移速30 km/h左右。在回波帶接近或通過(guò)測(cè)站時(shí)，降水強(qiáng)度增強(qiáng)，常出現(xiàn)暴雨降水，暴雨以上降水一般在3 h左右完成。地面為暖區(qū)的回波源地是從西北方向移來(lái)，強(qiáng)度較強(qiáng)，移速30 km/h以上。在回波帶接近或通過(guò)測(cè)站時(shí)，極易發(fā)生雷雨大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣?；夭◣г谀蠅哼^(guò)測(cè)站后，帶狀回波逐漸演變成絮狀回波，并對(duì)下一測(cè)站造成較大降水。

在徑向速度圖(圖略)上有逆風(fēng)區(qū)，形成風(fēng)向的輻合輻散，引起高低層垂直環(huán)流的發(fā)生，輻合向冷空氣一側(cè)傾斜;回波整體較強(qiáng)，降水具有對(duì)流性，回波頂發(fā)展高度往往在10 km以上。急流輸送含水量較大，VIL值較大，常在30～50 kg/m2之間;受深厚的西南急流控制，帶來(lái)了豐沛的水汽和熱量。風(fēng)廓線上ND層的高度，與強(qiáng)降水的發(fā)生和結(jié)束密切相關(guān)。低層有淺薄的冷空氣擴(kuò)散，使得暖濕氣流得以抬升，從而形成觸發(fā)暴雨的有利條件。

這類形勢(shì)的回波源地、路徑有兩種(以桂林為例，圖略)。一是冷空氣型回波源地位于桂林東北方向100 km以內(nèi)，東北－西南方向，與湘桂走廊相一致的弱回波區(qū)，在原地發(fā)展加強(qiáng)，回波發(fā)展前的回波區(qū)，是暖區(qū)西風(fēng)急流遇到桂北近于東北西南向的山脈抬升形成的回波，在高空槽東移過(guò)程中與低層的對(duì)流系統(tǒng)相遇，激發(fā)了對(duì)流，使對(duì)流加強(qiáng)，帶狀回波發(fā)展;二是以西北方向100 km以外為源地，呈帶狀東南移，東南移過(guò)程中強(qiáng)度維持，這類回波在經(jīng)過(guò)桂林后，桂林各測(cè)站往往轉(zhuǎn)變成絮狀回波。這類回波的強(qiáng)降水主要易出現(xiàn)在東北部的全州、興安、灌陽(yáng)，特殊地形的永福，資源、龍勝和荔浦降雨量都較小。

回波特征綜述:這類回波具有明顯突發(fā)性、生命史短和移動(dòng)快的特征，回波較接近雷暴、冰雹等強(qiáng)災(zāi)害性回波，只是強(qiáng)度稍弱，回波發(fā)展高度低，頂高一般低于9～12 km?；夭ㄒ詫?duì)流性回波為主，尺度小，從幾千米到幾十千米。內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，邊界清晰，回波強(qiáng)度在45～55 dBz，移動(dòng)速度較快。一般由局地發(fā)展的回波加強(qiáng)到50 dBz以上或者局地回波和上游移來(lái)回波塊的合并加強(qiáng)造成。在徑向速度圖上表現(xiàn)為色塊零散，不同于層云、混合云具有大片的連續(xù)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有明顯的牛眼。零線不連續(xù)，強(qiáng)降水區(qū)與逆風(fēng)區(qū)、中氣旋區(qū)，輻合區(qū)有關(guān)，這類強(qiáng)對(duì)流暴雨的預(yù)報(bào)，應(yīng)從水平風(fēng)場(chǎng)上注意中小尺度的擾動(dòng)，垂直風(fēng)場(chǎng)存在風(fēng)向的“巨變”。

2.3 副高西端急流型

2.3.1 天氣背景

這類急流暴雨的天氣形勢(shì)有兩種情況(圖5)。副熱帶高壓西伸，西南氣流明顯加強(qiáng)，500 hPa588線控制華南，廣西位于西南強(qiáng)風(fēng)帶中，中低層500～850 hPa桂林為偏南風(fēng)≥12m/s甚至≥16m/s的強(qiáng)急流。850 hPa指數(shù):Si≤0.0℃，KI≥36℃，相對(duì)濕度≥85%，地面處于高壓后部或倒槽暖區(qū)中。

圖5 副高西端急流型天氣模型

2.3.2 雷達(dá)回波特征

雷達(dá)回波演變特征分析，在基本反射率圖上，主要是以塊狀為主(圖6)，在影響前6 h，測(cè)站責(zé)任區(qū)內(nèi)主要以悶熱高溫為主，沒(méi)有回波。在影響前3～4 h，測(cè)站責(zé)任區(qū)內(nèi)，副熱帶高壓西端開(kāi)始出現(xiàn)零散回波，1 h后回波迅速發(fā)展成帶狀回波，回波帶狀內(nèi)平均強(qiáng)度40～60 dBz，特別是60 dBz的回波核增多，隨著副熱帶高壓快速西北伸，回波帶也伴隨著雷雨大風(fēng)、強(qiáng)雷暴、冰雹甚至龍卷風(fēng)等對(duì)流天氣西北移，當(dāng)遇到迎風(fēng)坡及喇叭口輻合等有利地形時(shí)回波加強(qiáng)，從而造成強(qiáng)降水及強(qiáng)對(duì)流天氣;在基本速度圖上，從低層到中高層都是明顯的急流增強(qiáng)，但沒(méi)有出現(xiàn)明顯的中氣旋，正負(fù)速度對(duì)或逆風(fēng)區(qū)不是很明顯?；夭敻邽?0～14 km。垂直液態(tài)水普遍為20～35 kg/m2。強(qiáng)對(duì)流天氣以桂東南、桂東到桂北居多。

圖6 副高西端型絮狀回波演變

回波特征綜述:兩種影響系統(tǒng)移速都很快，所以整個(gè)回波的移動(dòng)速度也很快。以桂林責(zé)任區(qū)為例，前者從影響到結(jié)束，只需4～5 h，后者只需2～3 h;前者天氣主要以強(qiáng)降水為主，有的測(cè)站會(huì)達(dá)到大暴雨量級(jí)，鋒面過(guò)境時(shí)會(huì)形成雷雨大風(fēng)、冰雹甚至龍卷風(fēng)等對(duì)流天氣;后者主要是以雷雨大風(fēng)、冰雹甚至龍卷風(fēng)等對(duì)流天氣為主，也伴隨著強(qiáng)降水，暴雨雨量量級(jí)往往在1 h左右完成，但很少達(dá)到大暴雨量級(jí)。在反射率回波圖上，前者由塊狀回波發(fā)展到絮狀回波到完整的帶狀回波，后者以塊狀回波、絮狀回波為主。在徑向速度圖上，前者南轉(zhuǎn)北風(fēng)切換時(shí)間很清晰，可見(jiàn)單體發(fā)展、其范圍大約為9 km×9 km中氣旋，有明顯的正負(fù)速度對(duì)，后者是明顯南風(fēng)急流往北推進(jìn)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的中氣旋，正負(fù)速度對(duì)或逆風(fēng)區(qū)不是很明顯。

3 小結(jié)

通過(guò)對(duì)廣西2002－2010年低空急流暴雨過(guò)程的統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為造成暴雨的天氣概念模型分為三類，對(duì)短時(shí)臨近的雷達(dá)回波按強(qiáng)度回波形狀分為塊狀、帶狀、絮狀、渦旋狀等四種類型。

對(duì)每種類型的天氣形勢(shì)背景、雷達(dá)強(qiáng)度回波、徑向速度回波、回波頂高、垂直液態(tài)水含量、風(fēng)廓線等多種產(chǎn)品進(jìn)行綜合分析，歸納主要降水天氣系統(tǒng)、回波強(qiáng)度范圍閾值、回波源地、加強(qiáng)區(qū)、移速等典型特征，初步建立低空急流暴雨天氣概念模型以及在這種形勢(shì)下發(fā)展的雷達(dá)回波概念模型。

統(tǒng)計(jì)分析每種類型降水天氣形勢(shì)配置和雷達(dá)回波演變平均分布值，對(duì)未來(lái)進(jìn)行短期、短時(shí)暴雨臨近落區(qū)預(yù)報(bào)提供一些具體的參考閾值。

低空急流暴雨往往是低空急流與其它天氣尺度相配合相互作用的結(jié)果，在與其它天氣尺度相互作用下，雨量出現(xiàn)明顯的增幅。

存在的問(wèn)題是歷史樣本相對(duì)較少，其概念模型不管是以點(diǎn)代面還是預(yù)報(bào)時(shí)效都具有一定的局限性，隨著樣本的增多，要不斷修正模型的相關(guān)指標(biāo);在回波成熟期之前，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率比成熟期要低得多，有待于與衛(wèi)星動(dòng)力結(jié)合開(kāi)發(fā)應(yīng)用以增加預(yù)報(bào)時(shí)效。另外，短時(shí)暴雨預(yù)報(bào)從落區(qū)再精確到落點(diǎn)還具有很大的研究難度。

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